7 Агрегатные состояния вещества

Вещества, в зависимости от внешних условий, могут находиться в трёх физических состояниях : газообразном, жидком и твёрдом. При очень высоких температурах возникает особая разновидность газообразного состояния – плазма.

Простейшие определения

газы не имеют постоянного объёма и формы при постоянной температуре;

жидкости имеют постоянный объём, но форма зависит от формы сосуда;

твёрдые вещества имеют постоянную форму и объём.

7.1 Химические системы

Системой называется совокупность находящихся во взаимодействии веществ или частиц, мысленно или фактически обособленная от окружающей сферы. Всё, что находится вне системы, называется внешней средой. Различают гомогенные и гетерогенные системы. Гомогенные системы состоят из одной фазы, гетерогенные системы из двух или более фаз.

Фаза – совокупность всех гомогенных частей системы, одинаковых по составу и по всем физическим и химическим свойствам (не зависящим от количества вещества) и отграниченных от других частей системы поверхностью раздела. Внутри одной фазы свойства могут изменяться непрерывно, но на поверхности раздела между фазами свойства меняются скачком. Пример двухфазной системы – поверхность реки в ледоход.

Компонентами называют вещества, минимально необходимые для составления данной системы (минимум один). Число компонентов в системе равно числу веществ в ней присутствующих, минус число связывающих эти вещества независимых уравнений. Компонентом называют вещество, которое может быть выделено из данной системы и количество которого можно менять (хотя бы в некоторых пределах) независимо от других.

Если в системы входят вещества или частицы, способные к химическому взаимодействию, то эти системы называются химическими системами.

Дисперсные системы – гетерогенные системы из двух или большего числа фаз с сильно развитой поверхностью раздела между ними. Одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, в которой распределена дисперсная фаза в виде мелких кристаллов, твердых аморфных частиц, капель или пузырьков.

Грубодисперсные системы имеют размеры частиц выше 1 мкм, (удельная поверхность не более 1 м² /г), тонко(высоко)дисперсные или коллоидные системы содержат частицы от 1 нм до 1 мкм (удельная поверхность – сотни м² /г). По агрегатному состоянию делят на:

газодисперсионные – аэрозоли (дымы, пыли, туманы), порошки, волокнистые материалы;

жидкодисперсионные с твердой дисперсной фазой – грубодисперсные суспензии и пасты, высокодисперсные золи и гели;

жидкодисперсионные с жидкой дисперсной фазой – грубодисперсные эмульсии, высокодисперсные эмульсии и латексы;

жидкодисперсионные с газовой дисперсной фазой – грубодисперсные газовые эмульсии и пены;

твердодисперсионные – например, рубиновые стекла, минералы типа опала, микропористые материалы.

Золи (нем. ед.ч. Sol) (лиозоли, коллоидные растворы) – высокодисперсные коллоидные системы с жидкой дисперсионной средой. Частицы дисперсной фазы золя вместе с окружающей их сольватной оболочкой из молекул (ионов) дисперсионной среды называют мицеллами. Размер частиц лиозоля в пределах 10^-7 – 10^-5 см.

Золь – коллоидно-дисперсная система с изолированными друг от друга, а гель – с соприкасающимися (агрессивными) коллоидными частицами; суспензия – грубодисперсная система с относительно малой, а паста – большой концентрацией дисперсной фазы.

Студни – системы полимер-растворитель, характеризующиеся большими обратимыми деформациями при практически полном отсутствии вязкого течения. Иногда используют термин "гели", который в коллоидной химии обозначает скоагулированные золи.

Наиболее важны студни на основе сетчатых полимеров с разной степенью поперечной сшитости. При изменении температуры и давления возможен синерезис – отделение части жидкости.

Студни на основе сополимеров акриловой кислоты и акриламида используют для создания мембран с регулируемой проницаемостью, депо для лекарств в организме, в качестве сорбентов и как модели в биологических исследованиях.

Химические системы характеризуются определёнными параметрами (давление, температура, объём, масса и концентрация) и существуют при определённых условиях.

Температура. Температура характеризует степень нагретости тела. В научных исследованиях абсолютная шкала температур по цельсию ⁰С: Т = 273,15 + t,⁰С.

Сравнение свойств различных веществ проводят при одной - стандартной температуре, равной 273⁰ К (0⁰ С).

Давление – нормальное напряжение, возникающее в жидкости от действия внешних сил : (7.1)

В международной системе (СИ), единицей измерения давления является Паскаль (Па), или ; 1атм = 101325 Па.

Стандартным давлением газа считалось 101,325 кПа. В 1984г. международный Союз чистой и прикладной химии рекомендовал в качестве стандартного р = 100 кПа (1 бар.) Таким образом, стандартными условиями являются температура 273⁰ к (0⁰С) и давление 100 кПа.

Удельным объёмом называется объём единицы веса :

[] (7.2)

Концентрация – отношение количества или массы вещества, содержащегося в системе, к объёму или массе этой системы называют концентрацией.

Молярная концентрация вещества – отношение количества вещества (в молях), содержащегося в системе, к объёму этой системы. [моль/м³, моль/л]

Молярная доля вещества – отношение количества вещества данного компонента ( в молях), содержащегося в системе, к общему количеству вещества (в молях) – выражается в долях единицы, % – сотая доля процента, промилле (%₀) – тысячная часть и в миллионных долях (млн^-1) или ррm.

Объёмная доля вещества - отношение объёма компонента, содержащегося в системе, к общему объёму системы – выражается в долях единицы, процентах, промилле или в миллионных долях.

Массовая доля вещества – отношение массы данного компонента, содержащегося в системе, к общей массе этой системы – выражается в долях единицы, процентах, промилль и миллионных долях.

Моляльная концентрация – количество молей вещества, содержащегося в 1000г. растворителя.