книги / Общая химия.-1

Глава четвертая

ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МЕЖДУ ЧАСТИЦАМИ ВЕЩЕСТВ

ВРАЗЛИЧНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СОСТОЯНИЯХ

ИСВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

Впервых трех главах было рассмотрено строение атомов и моле­ кул, их взаимодействия и характеристики, а также свойства некото­ рых сложных соединений, получаемых при взаимодействии атомов, ионов и молекул. Однако, люди обычно имеют дело не с молекулами или атомами, а с веществами в газообразном, жидком и твердом со­ стояниях.

Взадачу настоящей главы входит выяснение влияний взаимодей­ ствий между атомами, ионами и молекулами веществ в различных состояниях на свойства этих веществ.

§4.1. ФИЗИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВ. ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Вещества могут находиться в грех физических состояниях: газо­ образном, жидком и твердом. При очень высоких температурах воз­ никает особая разновидность газообразного состояния - плазма.

Характерные особенности веществ в различных физических

состояниях. В газообразном состоянии молекулы находятся друг от друга на значительных расстояниях и соответственно занимают очень малую долю объема. Поэтому при невысоких давлениях и температу­ рах молекулы в газообразном состоянии практически не взаимодей­ ствуют друг с другом. Структура вещества в газообразном состоянии не упорядочена.

Вжидком состоянии расстояния между частицами значительно­ меньше, чем в газообразном состоянии. Частицы занимают основную часть объема, постоянно соприкасаются друг с другом и притягива­ ются друг к другу. Наблюдается некоторая упорядоченность частиц (ближний порядок). Частицы подвижны относительно друг друга.

Втвердом состоянии частицы настолько сближены друг с другом, что между ними возникают прочные связи. Практически отсутствует движение частиц относительно друг друга и существует высокая упо­ рядоченность структуры-

82

Соответственно свойства веществ в разных физических состояни­ ях существенно различаются (табл. 4.1).

Химические системы. Химия изучает взаимодействия частиц веществ, находящихся в различных физических состояниях. Число этих частиц огромно. Например, если в каком-то сосуде содержится всего 0,1 моль вещества, то число частиц достигает астрономических цифр - 6 • ! О22 частиц. Это не просто частицы, а система частиц.

Системой называется совокупность находящихся во взаимодей­ ствии веществ или частиц, мысленно или фактически обособленная от окружающей среды. Все, что находится вне системы, называется

вн е ш н е й с р е д о й . Различают гомогенные и гетерогенные системы. Г о м о г е н н ы е системы состоят из одной фазы, г е т е р о г е н ­ ные системы - из двух или более фаз. Фа з а - это часть системы, однородная во всех ее точках по химическому составу и свойствам и отделенная от других фаз системы поверхностью раздела. Поскольку

всостав системы входят вещества или частицы, способные к химиче­ скому взаимодействию, то эти системы являются х и м и ч е с к и м и системами.

83

метрам системы относятся температура, давление, объем, масса и концентрация. Системы существуют при определенных условиях. Например, системы на Земле находятся при определенном давлении и температуре, в магнитном, электрическом и гравитационном полях, при некоторой освещенности видимым светом. В дальнейшем 1йы бу­ дем считать воздействие на систему магнитных, электромагнитных, гравитационных и световых полей постоянным и не учитывать его. В данном параграфе остановимся на трех параметрах системы, необхо­ димых для дальнейшего изложения материала - температуре, давле­ нии и концентрации.

Температура. В научных исследованиях используется абсолют­ ная шкала температур и шкала температур по Цельсию. Единицей измерения абсолютной шкалы температур служит Кельвин (К). В этой шкале точка ОК называется а б с о л ю т н ы м ну л е м . Едини­ цей измерения в шкале Цельсия является градус Цельсия, °С. Нуль по Цельсию равен 273,15 К.

Хотя абсолютный нуль недостижим, но в лабораториях получены температуры, отличающиеся от ОК на 0,001 К.

При температурах, близких к абсолютному нулю, проявляются весьма необычные свойства веществ, такие как с в е р х п р о в о д и ­ мо с ть металлов, т.е. почти полное отсутствие электрического со­ противления, и с в е р х т е к у ч е с т ь гелия, т.е. почти полное исчез­ новение вязкости.

Сравнение свойств различных веществ необходимо проводить при какой-то одной — стандартной температуре. С т а н д а р т н о й считается температура, равная 273 К (0°С).

Давление. В качестве единицы давления раньше служила атмо­ сфера (атм) и высота ртутного столба в миллиметрах (мм рт. ст.), 1 атм=760мм рт. ст. Эти единицы до сих пор используются в повсед­ невной жизни.

Однако, в Международной системе (СИ) единицей измерения давления является Паскаль (Па), или 1 Н/м2, где Н - сила в один Ньютон, 1 атм=101325 Па=101,325 кПа.

В газовых смесях давления отдельных /-составляющих газа назы­ ваются п а р ц и а л ь н ы м и д а в л е н и я м и р,. Согласно з а к о н у Д а л ь т о н а , общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов р ,:

■84

С т а н д а р т н ы м д а в л е н и е м газа до недавнего времени счи­ талось 101,325 кПа. В 1984 г. Международный Союз чистой и при­ кладной химии (ИЮПАК) рекомендовал считать в качестве стан­ дартного давление, равное 100 кПа (1 бар). Поэтому в дальнейшем будем использовать эту рекомендацию и принимаем за стандартное давление 100 кПа(1 бар).

Таким образом, стандартными условиями являются температура 273 К (0°С) и давление 100 кПа. Эти условия иногда называют также н о р м а л ь н ы м и . Многие справочные данные были рассчитаны для стандартного давления, которое ранее было равно 1 атм. При перехо­ де к новому стандартному давлению следовало бы пересчитать эти данные. Однако, это потребует существенных затрат. Для использо­ вания имеющихся справочных данных целесообразно ввести отностельное давление р, равное отношению давления р к стандартному

Эта величина безразмерная. Если парциальное или общее давле­ ние равно стандартному давлению, то относительное парциальное или общее давление равно единице.

Концентрация. Отношение количества или массы вещества, со­ держащегося в системе, к объему или массе этой системы называ­ ют концентрацией. Известно несколько способов выражения кон­ центрации (см. приложение 1). Здесь рассмотрим лишь четыре.

М о л я р н а я к о н ц е н т р а ц и я в е щ е с т в а В, св - отношение количества вещества (в молях), содержащегося в системе, к объему этой системы. Единица измерения молярной концентрации моль/м3 (дольная производная СИ - моль/л). Например, с(ЫНз)=1 моль/л, с(СС>2)=0,5 моль/л.

М о л я р н а я доля в е щ е с т в а В, дгв - отношение количества вещества данного компонента (в молях), содержащегося в системе, к общему количеству вещества (в молях). Молярная доля может быть выражена в долях единицы (хв), процентах (%) — сотая доля, про­ милле (%о) — тысячная часть и в миллионных долях (млн1) или ррт.

О б ъ е м н а я доля в е щ е с т в а В, фв - отношение объема компонента, содержащегося в системе, к общему объему системы. Объемная доля может быть выражена в долях единицы, процентах,

85

промилле или в миллионных долях. В газовых смесях парциальные давления компонента пропорциональны их объемным долям:

• П = К<?1,

где К - коэффициент пропорциональности; ср, - объемная доля /-го компонента.

М а с с о в а я доля в е щ е ст в а В, - отношение массы дан­ ного компонента, содержащегося в системе, к общей массе этой сис­ темы. Массовая доля может быть выражена в долях единицы, про­ центах, промилле и миллионных долях.

Для оценки экологической вредности вещества используется предель­ но допустимая концентрация (ПДК) вещества. Эго допустимая концентра­ ция либо в воздухе рабочей зоны (мг/м3), либо в воде водоема (мг/л).

Итак, существование веществ в трех физических состояниях объ­ ясняется проявлением сил взаимодействия между частицами при их сближении и изменением соотношения между энергией притяжения и кинетической энергией частиц при снижении температуры. При изу­ чении свойств веществ в химии используется системный подход, в котором рассматривается система как совокупность взаимодейст­ вующих частиц, характеризуемая определенными параметрами, та­ кими как давление, объем, масса, температура и концентрация. Для сравнения взаимодействия веществ в различных условиях вводится понятие стандартных (нормальных) давлений и температур.

Вопрос для самоконтроля

4.1.Дана газовая система объемом 1 м3, находящаяся при стандартных условиях

исостоящая из С02 (объемная доля 40 %) и Н2 (объемная доля 60 %). Рассчитайте парциальные давления, молярные и массовые доли (%) компонентов.

§4.2. ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ ВЕЩЕСТВА

В данном параграфе основное внимание будет уделено законам идеальных газов, а также отклонению поведения реальных газов от этих законов.

Законы идеальных газов. К основному газовому закону относит­ ся уравнение состояния газа (уравнение Менделеева — Клапейрона):

86

В 1811 г. итальянский ученый А.Авогадро высказал гипотезу, ко­ торая позднее получила название з а к о н а А в о г а д р о , согласно которому в равных объемах всех газов при одинаковых давлении и температуре содержится одинаковое число молекул. В одном моле содержится 6,022-1023 молекул. При стандартных (нормальных) ус­ ловиях моль газа занимает объем 22,4 л.

Закон Авогадро позволяет рассчитать плотность газа р0 при стан­ дартных условиях на основании отношения молярной массы М к объ­

Молярную массу неизвестного газа Мх можно также определить, зная молярную массу известного газа Му и отношение плотностей этих газов р^ру\

Мр-Мур^ру.

Молярную массу также можно определить, используя уравнение

Молекулярно-кинетическая теория газов. Для идеального газа разработана модель его поведения, которая позволяет объяснить га­ зовые законы. При ее создании использовались следующие предпо­ ложения:

а) газ состоит из большого числа молекул, которые находятся в непрерывном движении;

б) молекулы газа занимают пренебрежительно малую долю объема; в) молекулы газа не притягиваются друг к другу; г) время столкновения молекул друг с другом очень мало по срав­

нению со временем между столкновениями; д) средняя кинетическая энергия газа пропорциональна абсолют­

ной температуре.

87

На основании этих предположений выведено уравнение

где 7 /- число молекул; м2среднее значение квадрата скорости молекул. Средняя кинетическая энергия молекул газа е равна

Из уравнений (4.5), (4.6) и последнего предположения следует, что

из (4.7) можно вывести уравнение состояния газа.

Если уравнение (4.5) применяется к молю газа, то Ит=М, а рУ=КТ, тогда средний квадрат скорости молекул равен

Как видно, при одной и той же температуре среднеквадратичная скорость молекул газа определяется его молярной массой. Например, среднеквадратичная скорость при 273 К у С02 и/СОг =410 м/с, а у Н2 -

«н2= 1930 м/с. При постоянной температуре среднеквадратичная ско­

рость движения молекул газа также постоянна. Однако, скорости от­ дельных молекул значительно различаются. Распределение молекул по скоростям называется р а с п р е д е л е н и е м М а к с в е л л а — Б о л ь ц м а н а . Оно зависит как от типа газов (рис. 4.1), так и от тем­ пературы (рис. 4.2). Подобно распределению по скоростям существу­ ет распределение Максвелла — Больцмана по энергиям частиц.

Р и с . 4.1. Распределение молекул по скоростям Максвелла — Больцмана при температуре 298 К

88

Вследствие непрерывного движения молекулы газа стремятся распространиться по всему объему. Такое распространение молекул получило название д и ф ф у з и и . Согласно закону Грэхэма скорость диффузии молекул газа через пористую перегородку обратно про­ порциональна корню квадратному из плотности газа

тд ~ .ууЯ

Соответственно соотношение скоростей диффузии двух газов УД1Л’д2 определяется соотношением плотностей этих газов

Уд|/Уд2 & Т Р \■

С учетом уравнения (4.3), получим

Как следует из уравнения (4.9), с помощью диффузии через по­ ристые перегородки можно разделять газы, имеющие разные моляр­ ные массы. Такой способ, например, использовался для разделения газообразных 23Х11Рб и 23511Р6.

Реальные газы. У реальных газов наблюдаются отклонения их параметров от параметров, рассчитываемых по уравнениям газовых законов. Эти отклонения растут с увеличением давления (рис. 4.3) и с понижением температуры. Основной причиной таких отклонений яв­ ляется межмолекулярное взаимодействие (вандерваальсовы силы, см. гл. 3). Кроме того, каждая молекула имеет собственный объем, что не учитывается кинетической теорией газов.

89

В 1883 г. И.Ван-дер-Ваальс предложил уравнение состояния ре­ ального газа, получившее название у р а в н е н и я В а н - д е р - В а а л ь с а

Постоянные а и Ъ называются постоянными Ван-дер-Ваальса. По­ правка, вносимая в давление, учитывает межмолекулярные взаимо­ действия, а поправка, вносимая в объем - объем молекул (табл. 4.2). Соответственно постоянная Ь растет с увеличением размера молекул. Сравнение табл. 3.1 и 4.2 показывает, что постоянная а растет с уве­ личением энергии вандерваальсова взаимодействия молекул..

Т а б л и ц а 4.2. Вандерваальсовы постоянные для некоторых газов

Состав земной атмосферы. Атмосфера Земли состоит из слоев тропосферы (высота до 10 км), стратосферы (высота до 50 км), мезо­ сферы (высота до 84 км) и термосферы (высота до 110 км). На грани­ цах между этими слоями температура имеет либо минимальное (тропосфера - стратосфера и мезосфера - термосфера), либо макси­ мальное (стратосфера - мезосфера) значения. С увеличением высоты давление в атмосфере уменьшается от среднего значения 101,3 кПа на уровне моря*до 133 Па на высоте 50 км и до 0,3 Па на высоте 100 км.

Химический состав атмосферы достаточно сложен и значительно изменяется по ее высоте. В табл. 4.3 приведен химический состав чистого сухого воздуха около земной поверхности. Кроме указанных в таблице газов есть и другие, например, пары воды и ксенон. Ука­ занные в таблице газы появились в атмосфере в основном в результа­ те естественных процессов, происходящих в атмосфере, гидросфере (в водной среде) Земли и литосфере (земной коре). Кроме того, в ат­ мосферу поступает большое число продуктов деятельности человека,

90