Тема 2.4

ТВЕРДІ ТІЛА ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ 

 

          Тема 2.4. Тверді тіла та їх властивості.

§20. Кристалічні тіла та їх властивості.                                                          112

§21. Види кристалічних структур.                                                                   120

§22. Аморфні тіла та їх властивості.                                                                128

§23. Полімери та їх властивості.                                                                      133

§24. Теплове розширення тіл. Особливості теплового

розширення води.                                                                                              139

§25. Агрегатні стани та фази речовини. Плазма, як особливий

стан речовини.                                                                                                     147

 

Тема 2.4    Тверді тіла та їх властивості.

 

Твердими називають такі речовинні об’єкти (тіла), які мають певний сталий об’єм та певну сталу форму і в яких, середня потенціальна енергія молекул значно більша за їх середню кінетичну енергію, тобто: V=const; Ф=const; Еп ˃ Ек. Факт того, що в твердих тілах енергія взаємодії молекул значно більша за енергію їх руху, по суті означає: 1) фізичні властивості різних твердих речовин є різними; 2) загальної теорії твердих речовин, подібної до теорії газів, не існує.

Все різноманіття твердих тіл, умовно можна розділити на три класифікаційні групи: тіла кристалічні, тіла аморфні та полімери. Однак, якщо мова йде про хімічно прості тверді речовини, то їх зазвичай поділяють на кристалічні та аморфні.

 

§20. Кристалічні тіла та їх властивості.

 

Переважна більшість хімічно простих твердих речовин є кристалічними. Кристалічні всі метали, всі солі, всі луги та майже всі ті речовини які називаються мінералами, коштовним та не коштовним камінням, тощо. Кристалічним є лід, цукор, алмаз, граніт, графіт, пісок та безліч інших вам відомих і невідомих речовин.

Кристалічними називають такі тверді речовини (тіла), атоми і молекули яких розташовані в певному періодичному порядку, який називається кристалічною структурою речовини. Переважна більшість природніх кристалічних тіл є полікристалічними, тобто такими які складаються з величезної кількості дрібненьких, міцно з’єднаних монокристалів (від грец. monos – один; polys – багато).

Зазвичай, внутрішній устрій кристалічної речовини, представляють у вигляді певним чином спрощеної (ідеалізованої) моделі, яку називають кристалічною решіткою або кристалічною граткою. Кристалічна решітка (гратка) – це спрощена (ідеалізована) модель внутрішнього устрою кристалічного тіла, в якій його структурні одиниці зображають у вигляді певних умовних символів (точок, кульок, тощо), а їх розташування характеризують відповідними, статистично усередненими значеннями.

Дослідження показують, що практично кожен вид кристалів, має свою індивідуальну кристалічну решітку, яка характеризується певною геометричною формою та певними розмірами. Зображення деяких найпростіших кристалічних решіток представлені на мал.50.

Мал.50. Загальний вигляд характерних для металів кристалічних решіток, представлених у вигляді: а) кулестержневих  моделей; б) масштабних моделей.

Упорядкована періодичність в розташуванні частинок, це визначальна ознака будь якої кристалічної речовини. Але як на практиці визначити, існує ця періодичність чи не існує? Чи нема інших, більш явних ознак кристалічності тієї чи іншої речовини? А такі ознаки дійсно існують. Одна з них полягає в тому, що кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, тобто таку температуру при якій відбувається перехід речовини від безумовно твердого стану до безумовно рідкого, і яка в процесі цього переходу залишається незмінною. Наприклад, температура плавлення льоду (кристалічної води) 0ºС. Це означає, що при температурі меншій за 0ºС, вода знаходиться в безумовно твердому стані, а при температурі більшій за 0ºС – в безумовно рідкому. Що ж стосується стану води при температурі 0ºС, то його можна охарактеризувати як стан теплової рівноваги між твердою та рідкою фазами води. Це означає, що при цій температурі вода може бути як твердою так і рідкою, і що в залежності від того отримує вона енергію чи втрачає, вода або плавиться або кристалізується.

Плавлення – це процес переходу речовини з кристалічного стану в рідкий, який відбувається при певній постійній температурі (температурі плавлення) та супроводжується поглинанням енергії. Кристалізація – це процес переходу речовини з рідкого стану в кристалічний, який відбувається при певній постійній температурі (температурі плавлення) та супроводжується виділенням енергії.

Те, що кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, і що в процесі плавлення ця температура залишається незмінною, є цілком закономірним результатом того внутрішнього порядку який існує в цих тілах. Дійсно. В процесі нагрівання, середня кінетична енергія молекул речовини неухильно зростає. Коли ж величина цієї енергії, стає співрозмірною з величиною потенціальної енергії молекул, зв’язки між молекулами починають руйнуватись. А оскільки в кристалі молекули розташовані в певному порядку, то і руйнація відповідної кристалічної структури відбувається упорядковано-послідовно. Спочатку в рідину перетворюється зовнішній шар кристалу, потім – наступний, наступний і т.д. Аналогічним чином відбувається і процес кристалізації: упорядковано-послідовно, шар за шаром, частинки речовини об’єднується у відповідну кристалічну структуру.

Не важко збагнути, що та енергія яку отримує тіло в процесі плавлення, йде на руйнацію тих зв’язків що існують між його частинками, а по суті – на збільшення їх потенціальної енергії. При цьому кінетична енергія частинок залишається незмінною. В процесі ж кристалізації, навпаки – енергія виділяється. Виділяється подібно до того, як це відбувається при конденсації рідини: молекула пару “падаючи” на рідину, збільшує свою кінетичну енергію і відповідно зменшує потенціальну.

Таким чином, ті тверді речовини, які в процесі нагрівання ведуть себе як лід, тобто плавляться, є кристалічними. До речі, слово “кристал” в перекладі з грецької, означає “лід”. По суті, наявність певної температури плавлення є основною зовнішньою ознакою кристалічності речовини. Однак, потрібно мати на увазі, що деякі безумовно кристалічні речовини не плавляться. Не плавляться тому, що не досягнувши температури плавлення, хімічно руйнуються (розпадаються на більш прості речовини), або сублімують (випаровуються). Наприклад, при температурі близькій до 1000ºС карбонат кальцію (СаСО3), а простіше кажучи крейда, розпадається на СаО та СО2. Або, наприклад, за нормально тиску, так званий сухий лід (кристалізований вуглекислий газ) при температурі -78,5ºС інтенсивно випаровується. Таке випаровування називають сублімацією (від лат. sublimo – піднімання).

Сублімація (узгін) – це процес безпосереднього переходу речовини з кристалічного стану в газоподібний, який супроводжується поглинанням енергії і інтенсивна стадія якого відбувається при певній постійній температурі (температурі сублімації). Потрібно зауважити, що як і випаровування, сублімація може відбуватись при будь якій температурі. Однак інтенсивна фаза сублімації, як і інтенсивна фаза випаровування (кипіння), відбувається при певній постійній температурі – температурі сублімації.

Враховуючи вище сказане, будемо вважати, що основною зовнішньою ознакою кристалічності речовини є наявність певної температури плавлення (плавлення, сублімації чи хімічної руйнації). Звичайно за умови, що відповідна кристалічна речовина є хімічно однорідною, а не такою, що складається з певної сукупності різних кристалічних речовин.

Ще однією характерною ознакою кристалічності речовини є те, що її монокристали, тобто обособлені одинарні кристалики, мають певну геометричну форму. І ця форма певним чином відображає параметри кристалічної решітки відповідної речовини. Наприклад, монокристали кам’яної солі (NaCℓ) мають форму куба (мал.51а), монокристали кварцу (SiO2) – форму шестигранної призми з пірамідальними вершинами (мал.51б), монокристали алмазу (С) – форму октаедра (мал.51в), монокристали графіту (С) – форму багатошарової шестигранної призми і т.д.

   

Мал.51.  Загальний вигляд деяких монокристалів.

Потрібно зауважити, що в природних умовах, ідеально правильні та достатньо великі монокристали зустрічається надзвичайно рідко. Рідко по-перше тому, що монокристали взагалі зустрічаються рідко. А по-друге тому, що в природних умовах монокристали формуються за наявності багатьох сторонніх впливів.

Або якщо, наприклад, ви візьмете придбану в крамниці сіль (NaCℓ), то скоріш за все з’ясуєте, що її окремі кристалики, рідко схожі на ідеальні кубики. І це закономірно. Адже в процесі видобутку, переробки та транспортування, сіль неодноразово подрібнювалась, перемелювалась, кришилась, тощо. Але от що характерно. Якщо цю неправильну сіль розчинити у воді, а потім воду випарувати, то на дні посудини залишаться кристалики правильної кубічної форми. Форми, яка певним чином відображає той порядок, в якому іони натрію та хлору розташовані у відповідній кристалічній структурі.

Втім, потрібно мати на увазі, що форма обособленого монокристала, залежить не лише від порядку розташування атомів у відповідній кристалічній структурі, а й від тих умов в яких відбувалась кристалізація. Наприклад, на мал.52б зображено велике різноманіття сніжинок, кожна з яких по суті є монокристалом льоду. Ці сніжинки, з одного боку, мають певні, характерні ознаки кристалічного льоду: наявність шести, певним чином орієнтованих пелюсток, які відображають той факт, що утворюючи кристалічну структуру молекули води об’єднуються в характерні шестикутники (мал.52а) З іншого ж боку, кожна сніжинка має свої індивідуальні особливості, які залежать від тих умов в яких вона формувалась.

  

Мал.52. Форма обособленого монокристала, залежить не лише від порядку розташування атомів, а й від тих умов в яких відбувалась кристалізація.

Факт того, що обособлені монокристали мають певну характерну форму, є важливою ознакою кристалічності речовини. Однак, в реальних природніх умовах, достатньо великі монокристали зустрічаються надзвичайно рідко. Переважна більшість природних кристалічних тіл, є полікристалічними, тобто такими, що представляють собою сукупність величезної кількості, з’єднаних в єдине ціле дрібненьких монокристалічних фрагментів.

Певні уявлення про те, як утворюються полікристалічні тіла, можна отримати уважно спостерігаючи за початковим етапом кристалізації все того ж льоду. А цей етап полягає в тому, що поверхня води покривається тонкою, багатопроменевою льодяною кіркою. Власне фрагменти цієї кірки і є певними монокристалами льоду. Однак, в процесі кристалізації, ці окремі кристалики, поступово об’єднуються в цілісне тверде тіло. Тіло, в якому візуально визначити межі окремих кристаликів, практично не можливо. Ясно, що в такій ситуації визначити приналежність полікристалічного тіла до розряду кристалічних речовин, на підставі того, що їх монокристали мають певну форму, майже не можливо.

Щоправда, існує ще одна ознака кристалічності. З’ясовуючи суть цієї ознаки розглянемо наступну ситуацію. Припустимо, що у вашому розпорядженні є два хімічно однакових матеріали: монокристал кварцу (SiO2) і кварцове скло (SiO2). Різниця між цими матеріалами полягає в тому, що в монокристалі кварцу атоми кремнію і кисню, розташовані в певному періодично повторюваному порядку і тому він є кристалічним. В кварцовому ж склі, ті ж атоми розташовані без певного повторюваного порядку і тому воно є аморфним. Припустимо, що із цих матеріалів, шляхом механічної обробки виготовили дві однакові кулі. Запитується: чи можна відрізнити кулю кристалічну від кулі аморфної?

Звичайно, найбільш простим, ефективним та надійним способом вирішення цієї проблеми є нагрівання. Якщо в процесі нагрівання куля почне поступово розм’ягчатись, плавно перетворюючись на в’язку рідину, – значить вона аморфна. Якщо ж куля при певній температурі почне плавитись – значить вона кристалічна.

А чи не можна обійтися без теплової руйнації куль? Виявляється, можна. І справа тут ось в чому. В кристалі, атоми (атоми, молекули, іони) розташовані в певному, повторюваному порядку. Одним з наслідків цього порядку є факт того, що монокристали анізотропні (від грец. anisos – не однаковий, tropos – напрямок), тобто такі, фізичні властивості яких в різних напрямках суттєво різні.

Ілюструючи суть того, що називають анізотропією кристалів, розглянемо кристалічну структуру графіту (мал.53б). В графіті, атоми вуглецю (карбону) розташовані певними шарами. При цьому, ті сусідні атоми які знаходяться в вершинах шестигранника, розташовані на відносно малих відстанях (0,14нм) і тому сили взаємодії між ними є відносно великими. Ті ж атоми які знаходіться в сусідніх шарах, розташовані на відносно великих відстанях (0,34нм) і тому сили взаємодії між цими атомами є відносно малими. В такій ситуації, один і той же монокристал графіту, в одному напрямку твердий, а в іншому – м’який. В одному напрямку добре проводить електричний струм, а в іншому – погано. В одному напрямку має блискучу поверхню, а в іншому – матову.

Якщо ж говорити про монокристал кварцу, то йому притаманна яскраво виражена анізотропія п’єзоефекту. Це означає, що при певній направленій деформації кристалу, між його відповідними, взаємно протилежними поверхнями, виникає певна електрична напруга. І навпаки – при подачі на ці поверхні електричної напруги, відбувається відповідна деформація кристалу. Тому, якщо під дією змінної електричної напруги, куля почне вібрувати, значить вона виготовлена із кристалічного кварцу. А якщо ні – з аморфного скла.

Втім, анізотропія властивостей, притаманна лише монокристалам. Адже в полікристалічних тілах, окремі монокристали орієнтовані хаотично, і тому, результуючі властивості таких тіл в усіх напрямках є усереднено однаковими. А це означає, що якщо ваша куля є полікристалічною, то фактично єдиним доступним способом відрізнити її від кулі аморфної є метод нагрівання.

Узагальнюючи вище сказане, можна дати наступне визначення. Кристалічними називають такі тверді речовини, структурні одиниці яких розташовані в певному періодично повторюваному порядку. Результатом цього внутрішнього порядку є наступні властивості кристалів:

1.Всі хімічно однорідні кристалічні речовини, мають певну температуру плавлення (плавлення, сублімації чи хімічної руйнації).

2. Монокристали мають певну геометричну форму, яка певним чином відображає параметри відповідної кристалічної решітки.

3. Монокристали, анізотропні, тобто такі, фізичні властивості яких в різних напрямках суттєво різні.

Говорячи про внутрішній устрій того чи іншого кристалічного матеріалу, потрібно мати на увазі, що одні і ті ж атоми можуть бути упакованими по різному. При цьому, хімічно однакові речовини можуть мати суттєво різні, іноді діаметрально протилежні властивості. Наприклад, важко повірити, що надтвердий, міцний, крихкий, прозорий, струмонепровідний та надкоштовний алмаз і м’який, не міцний, не крихкий, не прозорий, струмопровідний та дешевий графіт, виготовлені із одних і тих же атомів – атомів вуглецю (карбону). І тим не менше, це дійсно так. Просто в алмазі і графіті, атоми вуглецю упаковані по різному.

Мал.53.  Алмаз і графіт – класичний приклад того, як при різній упаковці одних і тих же атомів, утворюються речовини з діаметрально протилежними властивостями.

Здатність тіл за різних обставин мати різні кристалічні структури, називають поліморфізмом (від грец. polymorphos – багатоликий, багатогранний). Поліморфізм притаманний не лише вуглецю. Більшість хімічно простих речовин, можуть перебувати в декількох кристалічних модифікаціях, кожній з яких відповідає певний інтервал тисків та температур. Наприклад, за нормального атмосферного тиску, але в різних температурних інтервалах, залізо може перебувати в чотирьох, суттєво різних кристалічних модифікаціях. Втім, ситуації при яких в одному і тому ж температурному інтервалі, речовина стабільно перебуває в різних кристалічних модифікаціях зустрічаються рідко.

 

Словник фізичних термінів.

         Кристалічними називають такі тверді речовини, структурні одиниці яких розташовані в певному періодичному порядку. Результатом цього внутрішнього порядку є наступні властивості кристалів:

1.Всі хімічно однорідні кристалічні речовини, мають певну температуру плавлення (плавлення, сублімації чи хімічної руйнації).

2. Монокристали мають певну геометричну форму, яка певним чином відображає параметри відповідної кристалічної решітки.

3. Монокристали, анізотропні, тобто такі, фізичні властивості яких в різних напрямках суттєво різні.

Кристалічна решітка (гратка) – це спрощена (ідеалізована) модель внутрішнього устрою кристалічного тіла, в якій його структурні одиниці зображають у вигляді певних умовних символів (точок, кульок, тощо), а їх розташування характеризують відповідними, статистично усередненими значеннями.

Плавлення – це процес переходу речовини з кристалічного стану в рідкий, який відбувається при певній постійній температурі (температурі плавлення) та супроводжується поглинанням енергії.

Кристалізація – це процес переходу речовини з рідкого стану в кристалічний, який відбувається при певній постійній температурі (температурі плавлення) та супроводжується виділенням енергії.

Сублімація (узгін) – це процес безпосереднього переходу речовини з кристалічного стану в газоподібний, який супроводжується поглинанням енергії і інтенсивна стадія якого відбувається при певній постійній температурі (температурі сублімації).

Контрольні запитання.

1.Чи є наявність температури плавлення, безумовною ознакою кристалічності речовини?

2. Чи існують безумовно кристалічні речовини які не мають певної температури плавлення?

3. Відомо, що процес плавлення відбувається з поглинанням енергії і що при цьому температура речовини залишається незмінною. На що витрачається надана тілу енергія? Як змінюється при цьому кінетична та потенціальна енергія молекул?

4. Лід і вода мають температуру 0ºС. Потенціальна енергія яких молекул більша? Чому?

5. Які фактори впливають на геометричну форму монокристала?

6. Що таке поліморфізм? Наведіть приклади.

7. Поясніть, чому монокристали анізотропні, а полікристали – ізотропні?

 

§21. Види кристалічних структур.

 

За характером тих сил, що діють між частинками кристалу та за назвами цих частинок, розрізняють чотири види кристалічних структур:

–  іонна структура,

–  атомна структура,

–  молекулярна структура,

–  металічна структура.

Мал. 54.  Основні види кристалічних структур.

Гранично стисло описуючи ці структури можна сказати наступне.

Іонна структура – це така кристалічна структура, в вузлах якої знаходяться позитивні та негативні іони відповідної речовини, між якими діють сили іонного зв’язку. Іонний зв’язок – це такий електромагнітний зв’язок, який існує між позитивними та негативними іонами і основною складовою якого є сили електростатичної взаємодії. Іонну структуру мають ті кристалічні речовини які в хімії називаються солями (NaCℓ; CuSO4; AgNO3; …) та основами (NaOH; Cu(OH)2; AgOH; …).

З’ясовуючи загальний устрій іонних кристалів та суть іонного зв’язку, доречно згадати базові фізико-хімічні властивості атомів. А за цими властивостями, все різноманіття атомів можна розділити на три групи: метали, неметали та інертні гази.

Металами називають ті атоми які схильні легко віддавати валентні електрони (електрони зовнішніх енергетичних рівнів) та перетворюватись при цьому на відповідні позитивні іони. Наприклад, атом натрію, на зовнішньому енергетичному рівні має один валентний електрон. Цей електрон слабко утримується ядром атома і тому легко відривається від нього. При цьому атом перетворюється на відповідний позитивний іон: Na0 – e → Na+.  Близько 80% тих атомів що містяться в таблиці хімічних елементів – це атоми металів.

Неметалами називають ті атоми, які схильні приєднувати до себе надлишкові валентні електрони та перетворюватись при цьому на відповідні негативні іони. Наприклад, атом хлору на зовнішньому енергетичному рівні має сім валентних електронів і як будь який неметал, прагне до того, щоб цих електронів було вісім. Тому, за першої ліпшої нагоди, атом хлору приєднує до себе один додатковий електрон і стає відповідним негативним іоном:

Сℓ0 + е → Сℓ

Яскраво виражених неметалів (окислювачів) небагато: фтор (F), кисень (О), хлор (Сℓ), азот (N), бром (Вr). Однак на базі цих атомів (головним чином кисню) можуть утворюватись стійкі цілісні групи, які мають потужні окислювальні властивості. Це означає, що такі групи атомів, при першій ліпшій нагоді, приєднують до себе певну кількість електронів і перетворюються на відповідні негативні іони:

SO40 + 2e → SO42- ;

NO30 + e → NO3 ;

OH0 + e → OH .

Інертними називають ті атоми які не схильні а ні віддавати свої валентні електрони, а ні приєднувати до себе додаткові. Це означає, що інертні атоми (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn) не приймають участі в хімічних реакціях і не утворюють жодних хімічних сполук.

Зважаючи на вище сказане, можна стверджувати, що при зустрічі атома металу з атомом (групою атомів) активного окислювача, певна кількість електронів переходить від металу до окислювача. При цьому утворюється пара різнойменних іонів. Власне ці іони і утворюють ту кристалічну структуру яка називається іонною.

Na  e→   Cℓ     →  Na+   Cℓ                     Na  e→    OH    →   Na+   OH

Cu 2e→  SO4   →  Cu2+  SO42                 Cu 2e→  (OH)2 →  Cu2+  (OH)22-

Ag  e→   NO3  →  Ag+  NO3                    Ag  e→   OH    →   Ag+  OH

 

 

Фізична суть іонного зв’язку полягає в наступному. Загально відомо, що різнойменні заряди притягуються, а однойменні – відштовхуються. А це означає, що в суміші позитивних і негативних іонів, кожний позитивний іон прагне оточити себе негативними іонами і навпаки. Реалізацією цих прагнень і є іонна кристалічна структура. Зазвичай в іонній кристалічній структурі позитивні та негативні іони розташовуються таким чиним, що утворюють просту кубічну решітку. Наприклад, в кристалі хлориду натрію (NaCℓ), кожний позитивний іон натрію оточений шістьма рівновіддаленими негативними іонами хлору. А кожний іон хлору, оточений шістьма рівновіддаленими іонами натрію (мал.55).

Іонні кристали є крихкими, мають відносно не велику міцність та твердість. Більшість з них добре розчиняються у воді. Розчини та розплави іонних кристалів, добре проводять електричний струм. При цьому самі іонні кристали струм не проводять.

  

Мал.55. Кристалічна решітка хлориду натрію: а) кулестержнева модель; б) масштабна модель.

Атомна структура – це така кристалічна структура, в вузлах якої розташовані атоми відповідної речовини, між якими діють сили ковалентного зв’язку. Ковалентний зв’язок – це такий електромагнітний зв’язок, який існує між електронейтральними атомами і суть якого полягає в тому, що ці атоми інтенсивно обмінюються валентними електронами. При цьому, кожний атом обмінюється електронами лише з певною строго визначеною групою сусідніх атомів. Потрібно зауважити, що ковалентний зв’язок, є тим хімічним зв’язком за рахунок якого утворюються найміцніші молекули. Власне молекула, це і є хімічно обособлена група атомів об’єднаних ковалентним зв’язком. Наприклад, два атоми водню, інтенсивно обмінюючись валентними електронами об’єднуються в молекулу водню (Н2). Два атоми кисню, обмінюючись валентними електронами, утворюють молекулу кисню (О2). Атом кисню, обмінюючись валентними електронами з двома атомами водню, утворює молекулу води (Н2О). Атом вуглецю (карбону), обмінюючись валентними електронами з чотирма атомами водню, утворює молекулу метану (СН4) (мал.56а) і т.д.

   

Мал. 56. В молекулі певна, обмежена група атомів обособлюються між собою; в атомній кристалічній структурі, всі атоми об’єднуються в єдине ціле.

За рахунок ковалентного зв’язку, утворюються не лише найміцніші молекули, а й найміцніші кристалічні структури. Атомну структуру мають алмаз, корунд, граніт, пісок, коштовне та не коштовне каміння, тощо. На відміну від молекул в яких певна обмежена група атомів обособлюється між собою, в атомній кристалічній структурі, вся сукупність наявних атомів монокристалу, послідовно взаємодіючи один з одним утворюють єдине ціле, а по суті величезну мега молекулу. Наприклад атом вуглецю має чотири валентних електрони. А за законами квантової фізики, на зовнішньому енергетичному рівні, таких електронів має бути вісім. В такій ситуації атом вуглецю розташовується таким чином, щоб постійно обмінюватись валентними електронами з чотирма сусідніми атомами. А ті, в свою чергу, обмінюються електронами з своїми сусідами і т.д. (Мал.56б). При цьому, між всією сукупністю наявних атомів утворюються міцні ковалентні зв’язки, які в сукупності і формують відповідну атомну кристалічну структуру, структуру алмазу.

Атомні кристали мають високу механічну міцність та надзвичайно високу твердість. Вони не розчиняються у воді, не проводять електричний струм, мають високу температуру плавлення.

Потрібно зауважити, що в атомних та іонних кристалах, поняття “молекула” втрачає сенс. Адже в цих кристалах по суті не існує тих хімічно обособлених груп атомів, які можна було б назвати молекулами. Тому ви маєте розуміти, що формули SiO2, Aℓ2O3, NaCℓ, CuSO4, AgNO3, тощо, вказують лише на те, з яких атомів (груп атомів) складається відповідна кристалічна речовина і в яких співвідношеннях ці атоми зустрічаються в ній.

Металічна структура – це така кристалічна структура, в вузлах якої розташовані атоми металів, між якими діють сили металічного зв’язку. Металічний зв’язок – це такий електромагнітний зв’язок, який існує між атомами металів і суть якого полягає в тому, що ці атоми постійно обмінюються валентними електронами. При цьому, кожен атом почергово обмінюється валентними електронами з всією сукупністю сусідніх атомів. Металічну структуру мають всі метали.

За своєю фізичною природою, металічний зв’язок дуже схожий на ковалентний. Як і при ковалентному зв’язку, атоми металів постійно обмінюються валентними електронами і за рахунок цього обміну, об’єднуються у відповідну кристалічну структуру. Але, якщо при ковалентному зв’язку, певний атом взаємодіє з обмеженою кількістю чітко визначених сусідів, то при металічному зв’язку, кожен атом почергово взаємодіє (обмінюється електронами) з усіма сусідніми атомами. В такій ситуації, ті валентні електрони які забезпечують взаємодію атомів металу, постійно переміщуючись від атома до атома, можуть рухатись  в будь якому напрямку. При цьому, за відсутності зовнішньої електричної напруги, рух електронів є хаотичним. За наявності ж такої напруги, цей рух стає хаотично-упорядкованим. Власне упорядковану складову цього руху і називають електричним струмом в металах.

Різноманіття металів таке велике, що серед них є як надміцні так і не надто міцні; як тверді так і не надто тверді; як тугоплавкі так і такі, що плавляться при мінусових температурах. Але от що дійсно об’єднує всі метали, так це їх висока електропровідність. Крім цього, всі метали мають високу теплопровідність та низьку теплоємність.

Мал.57. В металічній структурі, кожен атом металу обмінюється валентними електронами з усією сукупністю сусідніх атомів.

Молекулярна структура – це така кристалічна структура, в вузлах якої знаходяться молекули відповідної речовини, між якими діють сили дипольного або водневого зв’язку. Дипольний зв’язок – це такий електромагнітний зв’язок, з яким молекули-диполі взаємодіють між собою як відповідні електричні системи. Водневий зв’язок – це такий електромагнітний зв’язок, з яким позитивно іонізовані атоми водню взаємодіють з негативно іонізованими атомами сусідніх молекул. Молекулярну структуру має лід, нафталін, органічні сполуки та ті хімічно прості речовини, які за звичайних умов є рідкими або газоподібними.

Детальніше пояснюючи суть дипольного та водневого зв’язків, можна сказати наступне. Дослідження показують, що в об’ємі більшості молекул, електричні заряди розподілені не рівномірно, і що тому ці молекули представляють собою певні дипольні системи. Диполь (від “два полюси”) – це цілісна система двох, близько розташованих, рівних за величиною і протилежних за знаком електричних зарядів. Наприклад, в молекулі води (мал.58) атом кисню і два атоми водню розташовані не на одній прямій. При цьому кисень, будучи надзвичайно потужним окислювачем, сильно іонізує атоми водню. А це означає, що ті валентні електрони які забезпечують ковалентний зв’язок між воднем і киснем, левову частину часу перебувають біля атому кисню. (В подібних ситуаціях говорять, що ковалентний зв’язок є сильно поляризованим). Результатом такого розташування атомів та поляризованості ковалентного зв’язку, є факт того, що в молекулі води, електричні заряди розподілені не рівномірно, а вона сама представляє собою яскраво виражений диполь.

  

Мал.58.  а) В електричному сенсі молекула води є диполем; б) при водневому зв’язку, позитивно іонізовані атоми водню однієї молекули, взаємодіють з негативно іонізованими молекулами кисню іншої молекули.

В тій чи іншій мірі, дипольні властивості мають практично всі взаємодіючі молекули. Навіть ідеально симетричні молекули (Н2, О2, N2, тощо) в процесі взаємодії з іншими молекулами поляризуються і стають дипольними.

Знаючи, що різнойменні заряди притягуються, а однойменні – відштовхуються, не важко збагнути, що молекули-диполі взаємодіють між собою і що ці взаємодії мають електричну природу. Власне ці взаємодії і називаються дипольними або силами Ван дер Ваальса (Йоханнес Ван дер Ваальс (1835-1923) голландський фізик, який дослідив і пояснив слабкі міжмолекулярні взаємодії). Дипольні взаємодії (сили Ван дер Ваальса) відносяться до слабких електромагнітних взаємодій. І тому, побудовані на їх основі молекулярні кристали є такими, що мають малу механічну міцність, низьку температуру плавлення і легко сублімують (випаровуються).

Серед тих кристалічних речовин які мають молекулярну структуру, особливе місце посідає лід. Чи задумувались ви над тим, чому відносно легкі молекули води (m0 = 18а.о.м.) за звичайних умов, конденсуються в рідину, а то й в достатньо міцний кристалічний лід, тоді як інші, більш масивні молекули (О2, N2, CO2, H2S, Cℓ2, тощо) за тих же умов є газоподібними? Ви можете сказати, що молекули води мають яскраво виражені дипольні властивості і що тому між ними діють відносно великі сили Ван дер Ваальса. Певною мірою це правда. Однак розрахунки показують, що якби молекули води об’єднували лише дипольні взаємодії, то  вода б плавилась при температурі -90ºС, а кипіла при -80ºС.

Секрет надзвичайних властивостей води полягає в тому, що між її молекулами, окрім сил дипольного зв’язку, діють сили так званого водневого зв’язку. Суть водневого зв’язку полягає в наступному. Атом водню відрізняється від інших тим, що при втраті валентного електрона фактично перетворюється на оголене атомне ядро. В такій ситуації іон водню (Н+) схильний глибоко проникати в електронні оболонки інших атомів та взаємодіяти з їх електронами. В молекулі води, атоми водню формально не є позитивними іонами. Однак фактично є дуже схожими на них. Тому ці, сильно іонізовані атоми, схильні взаємодіяти з електронами сусідніх атомів кисню та встановлювати з ними відносно міцні зв’язки (мал.52б). Власне ці взаємодії та їм відповідні зв’язки і називають водневими зв’язками.

За своїми силовими параметрами, водневий зв’язок в десятки разів сильніший за дипольний. І тому ті молекулярні кристали в яких суттєво проявляється цей зв’язок є відносно міцними. Наочним прикладом такої міцності є лід. До числа тих речовин в яких суттєву роль відіграють водневі зв’язки відносяться практично всі органічні сполуки: вуглеводні, спирти, прості та складні ефіри, органічні кислоти, тощо.

Завершуючи розмову про види кристалічних структур, зауважимо, що поділ цих структур на іонні, атомні, металічні та молекулярні є досить умовним. Умовним бодай тому, що в реальних кристалах часто поєднуються різні види зв’язків. Наприклад, в кристалі графіту, атом вуглецю трьома валентними електронами утворює ковалентні зв’язки, а четвертим – металічний зв’язок. Крім цього, досить умовним є сам поділ зв’язків на іонні, ковалентні, металічні, водневі та дипольні. Адже в реальних кристалах часто-густо іонний зв’язок важко відрізнити від сильно поляризованого ковалентного зв’язку, сильно поляризований ковалентний – від водневого, водневий – від іонного, іонний – від дипольного, а ковалентний – від металічного. І це закономірно. Адже всі ці зв’язки, фактично є проявами одних і тих же електромагнітних взаємодій.

 

Контрольні запитання.

1.Поясніть чим атоми металів відрізняються від атомів неметалів?

2. Як ви думаєте, чому іонні кристали не проводять електричний струм, а їх розчини і розплави – проводять?

3. В чому суть ковалентного зв’язку?

4. Чи правильне твердження: кристали оксиду кремнію складаються з молекул SiO2? Поясніть.

5. Чим металічний зв’язок схожий на ковалентний і чим від нього відрізняється?

6. Поясніть суть дипольного зв’язку.

7. Чому легкі молекули води кристалізуються при 273К, а важкі молекули кисню – лише при 54К?

8. Чому поділ кристалічних структур на іонні, атомні, металічні та молекулярні, є умовним?

 

§22. Аморфні тіла та їх властивості.

 

Аморфні тіла не є такими багаточисельними як тіла кристалічні. До числа аморфних, відносять різноманітні види скла, різноманітні смоли, різноманітні полімерні матеріали, бурштин, каніфоль, сургуч, цукровий льодяник.

Мал.59.  Деякі приклади аморфних тіл.

Слово “аморфний” в перекладі з грецької означає “той що не має певної форми”. На перший погляд, така назва не є надто прийнятною для позначення тих об’єктів що є твердими, а отже такими які мають певний незмінній об’єм та певну незмінну форму. Однак з іншого боку, аморфні речовини тим і відрізняються від кристалічних, що для них, дійсно нема певної характерної форми, наприклад такої як форма куба для кам’яної солі, форма октаедра для алмазу, чи форма шестигранної призми для кварцу. Умовно кажучи, якщо аморфну речовину розчинити, а потім розчинник випарувати, то на дні відповідної посудини не сконденсуються певні куби, октаедри чи шестигранні призми, а залишиться однорідний “млинець” який матиме форму дна посудини.

Аморфними називають такі умовно тверді речовини (Еп ˃ Ек; V = const; Ф = const), структурні одиниці яких розташовані без певного, періодично повторюваного порядку. Говорячи про те, що аморфні тіла є умовно твердими, мають на увазі факт того, що для аморфних тіл не існує тієї чітко визначеної температурної межі, яка розділяє їх тверду та рідку фази. Дійсно. Якщо взяти аморфне тіло, наприклад звичайне скло і поступово нагрівати його, то починаючи приблизно з 400ºС скло почне поступово розм’ягчатись та перетворюватись на все менш і менш в’язку рідину. При цьому ніхто не зможе з впевненістю сказати, на якому етапі нагрівання, скло перестало бути твердим і стало рідким. Не зможе тому, що аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Аморфні тіла не плавляться, а розм’ягчуються, не кристалізуються, а тверднуть.

Пояснюючи факт того, що аморфні тіла не плавляться, а розм’ягчуються, не кристалізуються, а тверднуть, можна сказати наступне. Твердження про те, що частинки аморфного тіла розташовані хаотично, не є безумовно правильним. Адже насправді, частинки аморфної речовини розташовані не хаотично, а в певній послідовності. Наприклад і в кристалічному кварці (SiO2) і в аморфному кварцевому склі (SiO2) кожен атом кремнію зв’язаний з чотирма атомами кисню, а кожен атом кисню – з двома атомами кремнію. Різниця лише в тому, що в кристалічному кварці, ці атоми розташовані з певною, строго визначеною періодичністю (мал.60а), а в аморфному кварцевому склі, така періодичність відсутня (мал.60б). Тому, характеризуючи розташування частинок аморфної речовини, доречно говорити не про хаотичність цього розташування, а про відсутність певного періодичного порядку в ньому.

Мал.60.  Схема розташування атомів кремнію (•) та атомів кисню (º) в структурі а) кристалічного кварцу, б) аморфного кварцевого скла (плоска картина цього розташування).

В науковій літературі, той строго визначений, періодичний порядок в розташуванні частинок, який існує в кристалічних тілах, прийнято називати дальнім порядком. А ту повторюваність, що існує в аморфних тілах і яка не характеризується певною строго визначеною періодичністю, називають ближнім порядком.  При цьому, кристалічними називають такі тверді тіла в яких існує дальній порядок в розташуванні частинок, а аморфними – ті тверді тіла в яких існує ближній порядок розташування частинок.

Одним з прямих наслідків відсутності періодичного порядку в розташуванні частинок є те, що аморфні тіла перетворюються на відповідну рідину не в процесі плавлення, а в процесі поступового розм’ягчування. І це закономірно. Адже при неупорядкованому розташуванні частинок, ті зв’язки що існують між ними не є рівноміцними. При цьому, як найміцніші так і найслабші зв’язки є хаотично розкиданими по всьому об’єму аморфного тіла. Ясно, що в процесі нагрівання, спочатку руйнуватимуться найбільш слабкі зв’язки, потім – менш слабкі і т.д. А це означає, що в процесі нагрівання, тверде аморфне тіло буде перетворюватись на відповідну рідину не при певній строго визначеній температурі, а в певному температурному інтервалі, межі якого є розмитими та досить умовними.

На практиці, тією умовною температурною межею, що відділяє явно твердий стан аморфного тіла, від того стану де проявляються суттєві ознаки надв’язкої рідини, є температура нагрівостійкості. Наприклад для звичайного віконного скла, температура нагрівостійкості становить 400ºС. Це означає що при температурах нижчих за 400ºС, скло знаходиться в явно твердому стані. А при температурах вищих за 400ºС, воно поступово набуває ознак надв’язкої рідини.

Дослідження показують, що одна і та ж речовина, може бути як аморфною так і кристалічною. Наприклад кварцове скло і кварцовий пісок, це аморфна та кристалічна різновидності однієї і тієї ж хімічної речовини – оксиду кремнію (силіціум (Ⅳ) оксиду). І потрібно зауважити, що за певних умов, кристалічна речовина може ставати аморфною, а аморфна – кристалічною. З’ясовуючи суть цих умов, розглянемо ті процеси, що відбуваються при плавленні та наступному охолодженні кристалічного кварцу.

В процесі плавлення кристалічного кварцу, руйнується не лише періодична упорядкованість в розташуванні його атомів, а й змінюється характер зв’язків між ними. Якщо в кристалічному кварці, атоми кремнію та кисню об’єднувались ковалентними зв’язками, то в процесі плавлення ці зв’язки руйнуються. Результатом цієї руйнації є утворення відповідної рідини, що складається з  іонів SiO+2 та О-2, між якими діють сили іонного зв’язку. А оскільки ці сили є достатньо потужними, то і відповідна рідина має достатньо велику в’язкість.

При відносно швидкому охолодженні кварцової рідини, ті іонні зв’язки що діють між її частинками, стають міцними ковалентними зв’язками, а відповідна рідина стає твердою. А оскільки в’язкість рідини була великою, а рухливість частинок відповідно малою, то ці частинки фіксуються в тих положеннях, що є характерними для рідини. Таким чином, в процесі відносно швидкого охолодження, в’язка кварцова рідина набуває явних ознак твердого тіла (Ф=const, V=const, Еп ˃ Ек), при цьому внутрішній устрій цього тіла залишається таким, яким він був у відповідної рідини.

Аналізуючи вище наведені факти, можна виділити ті основні чинники, які визначально впливають на те, стане дана рідина аморфним тілом чи не стане. До числа цих чинників відносяться. 1) Та рідина яка може стати аморфним твердим тілом, повинна мати достатньо велику в’язкість. 2) Охолодження рідини має бути достатньо швидким. 3) Ті структурні одиниці з яких складається рідина мають бути “неповороткими”.

Зазвичай, рідка фаза хімічно простих речовин, має відносно малу в’язкість, а їх структурні одиниці є такими рухливими, що дуже швидко вишиковуються в енергетично доцільному порядку. Тому подібні речовини дуже рідко бувають аморфними. Однак при надшвидкому охолоджені, аморфними можуть бути навіть метали.

В деяких наукових джерелах, факт схожості внутрішнього устрою аморфних та рідких речовин, вважають достатньою підставою для того, щоб аморфні тіла віднести до розряду рідин. Що ж, ми не втомлюємся повторювати, Природа – це єдиний цілісний організм і тому, будь який класифікаційний поділ її об’єктів є досить умовним. І в цьому сенсі поділ речовин на тверді та рідкі не є винятком. Тому аморфні тіла можна вважати такими, що займають проміжне місце між тілами безумовно твердими (кристалічними) та безумовно рідкими. Однак, якщо говорити про ті аморфні тіла, температура яких значно менша за температуру нагрівостійкості, то за своїми визначальними ознаками (Ф=const, V=const, Еп ˃ Ек) вони є явно твердими.

Дослідження показують, що зазвичай аморфний стан хімічно простих речовин є метастабільним, тобто енергетично нестійким. Ця метастабільність пояснюється тим, що структурні одиниці аморфного тіла розташовані енергетично не оптимальним чином. А це означає, що у відповідності з законами Природи (зокрема тим, який прийнято називати принципом мінімуму), частинки аморфного тіла прагнуть вишикуватись в енергетично доцільному порідку. Результатом цих прагнень є те, що початково аморфне тіло, рано чи пізно стає кристалічним. Наприклад, в процесі достатньо швидкого охолодження високотемпературного насиченого цукрового сиропу, утворюється твердий аморфний льодяник (аморфний цукор). Якщо ж цей аморфний льодяник залишити в спокої, то через лічену кількість місяців він зацукриться, тобто перетвориться на сукупність окремих кристаликів цукру.

Подібним чином ведуть себе й інші аморфні речовини, зокрема скло. Однак тривалість кристалізації скла, вимірюється не місяцями, а тисячоліттями. Результатом подібної кристалізації є поступове перетворення склоподібних вулканічних лав, на кристалічний граніт, базальт, пісок, тощо. Власне факт того, що в природних умовах аморфні тіла зустрічаються рідко, є прямим наслідком того, що такі тіла поступово кристалізуються.

Говорячи про загальні властивості аморфних тіл, потрібно сказати і про те, що ці тіла є ізотропними, тобто такими, фізичні властивості яких в усіх напрямках  однакові. І не важко збагнути, що ізотропність аморфного тіла, є прямим наслідком того, що частинки цього тіла розташовані без певного періодичного порядку.

Узагальнюючи вище сказане, можна дати наступне визначення. Аморфними називають такі умовно тверді речовини, структурні одиниці яких, розташовані без певного періодично повторюваного порядку. Результатом відсутності цього внутрішнього  порядку є наступні зовнішні ознаки аморфних тіл:

1.Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Вони не плавляться, а розм’ягчуються, не кристалізуються, а тверднуть.

2. Аморфні тіла та будь які їх фрагменти не мають певної характерної форми.

3. Аморфні тіла ізотропні, тобто такі, фізичні властивості яких в усіх напрямках однакові.

На завершення додамо, що поділ твердих речовин на аморфні та кристалічні є досить умовним. Умовним бодай тому, що величезна кількість хімічно тотожних речовин, можуть бути як аморфними так і кристалічними. Якщо ж врахувати факт того, що з плином часу аморфні речовини поступово кристалізуються, то стане очевидним, що на певних етапах цієї кристалізації, однозначно визначити стан аморфно-кристалічного тіла практично не можливо.

 

Словник фізичних термінів.

         Аморфними називають такі умовно тверді речовини, структурні одиниці яких, розташовані без певного періодично повторюваного порядку. Результатом відсутності цього внутрішнього  порядку є наступні зовнішні ознаки аморфних тіл:

1.Аморфні тіла не мають певної температури плавлення. Вони не плавляться, а розм’ягчуються, не кристалізуються, а тверднуть.

2. Аморфні тіла та будь які їх фрагменти не мають певної характерної форми.

3. Аморфні тіла ізотропні, тобто такі, фізичні властивості яких в усіх напрямках однакові.

Контрольні запитання.

1.Чому аморфні тіла прийнято вважати умовно твердими?

2. Чи є безумовно правильним твердження: частинки аморфного тіла розташовані хаотично? Чому?

3. Чому аморфні тіла не плавляться, а розм’ягчуються?

4. Яку температуру називають температурою нагрівостійкості?

5. Чому в деяких наукових джерелах, аморфні тіла відносять до розряду рідин?

6. Чому з плином часу, аморфні тіла поступово кристалізуються?

7. Поясніть, чому поділ речовин на тверді та рідкі, на кристалічні та аморфні, є умовним?

 

§23*. Полімери та їх властивості.

 

         Все різноманіття твердих об’єктів природи не можливо втиснути в рамки простої класифікаційної схеми: тіла кристалічні – тіла аморфні. Скажімо, деревина, шкіра, кістки, волосся, папір, гума, пінопласт, різноманітні пластмаси, різноманітні тканини та їм подібні матеріали – до якої якого класу об’єктів вони відносяться? Звичайно, за бажання, в деяких з них можна віднайти певні ознаки аморфності або кристалічності. Однак ці ознаки не можуть заперечити факту того, що вище названі та їм подібні матеріали не є а ні аморфними, а ні кристалічними. Ці матеріали називають полімерами (від. грец. polus – багато, meros – частина). Полімерами – називають такі речовини, молекули або інші структурні одиниці яких, складаються з великої кількості повторюваних фрагментів – мономерів.

З’ясовуючи особливості внутрішнього устрою полімерів, розглянемо найпростіший з них – поліетилен. Поліетилен виготовляють з газу, який називається етиленом (С2Н4). Аналізуючи структурну формулу етилену (мал.61а) не важко бачити, що в ній атоми вуглецю (карбону) об’єднані подвійним ковалентним зв’язком. А це означає, що розірвавши один з цих зв’язків, ми отримаємо молекулу яка здатна об’єднуватись з іншими подібними молекулами та утворювати довгі ланцюгові макромолекули (мал.61б). Речовина яка складається з цих ланцюгових макромолекул і є поліетиленом.

Мал.61.  Структурна формула а) етилену; б) поліетилену.

Технологія виготовлення полімерів загалом і поліетилену зокрема, є досить складною. Вона передбачає не лише наявності певних фізичних умов які характеризуються певною температурою та певним тиском, а й широке застосування так званих каталізаторів. Каталізаторами називають такі речовини, які приймають активну участь в проміжних циклах складних хімічних реакцій, впливають на хід та швидкість цих реакцій, але у підсумку залишаються кількісно та якісно незмінними.

Фізичні властивості полімерів залежать від багатьох обставин, зокрема від ступеню їх полімеризації. Ступенем полімеризації називають те загальне число мономерних груп (для поліетилену, це група СН2), що входять до складу усередненої макромолекули даного полімеру. Наприклад, при ступені полімеризації 400, поліетилен – це м’який віскоподібний матеріал, який застосовують як полірувальний віск. При ступені полімеризації 10 000, поліетилен – це помірно міцний, прозорий матеріал, з якого виготовляють різноманітні побутові плівки, посуд для харчових продуктів, тощо. Якщо ж ступінь полімеризації поліетилену становитиме 200 000, то він представлятиме собою надзвичайно міцний, стійкий до зношування матеріал, з якого виготовляють штучні суглоби.

Загалом, характеризуючи полімери, потрібно бути надзвичайно обережним в застосуванні категоричних епітетів як-то міцний, твердий, еластичний, тощо. Адже формально один і той же матеріал, при різних технологіях виготовлення, може мати суттєво різні, іноді діаметрально протилежні властивості.

Різноманіття полімерів таке величезне, що чітко класифікувати це різноманіття, надзвичайно складно. Тому, в різних наукових джерелах можна зустріти суттєво різні класифікаційні схеми. Зазвичай, за ознакою їх походженням, полімери поділяють на: біополімери, штучні полімери та синтетичні полімери.

Біополімерами називають такі природні полімери, які утворюються в процесі природного фото- або біо- синтезу. До числа біополімерів відносяться: клітковина, крохмаль, білки, нуклеїнові кислоти, натуральний каучук, волосся, шкіра, кістки, деревина, тощо.

Штучними полімерами називають такі штучно створювані полімери, які отримують шляхом певної хімічної обробки природних біополімерів і перш за все клітковини (целюлози). До числа штучних полімерів відносяться: ацетат-целюлоза, нітро-целюлоза, віскоза, тощо.

Синтетичними полімерами називають такі штучно створювані полімери, які створюються шляхом хімічного синтезу, тобто в процесі хімічного  об’єднання простих молекул у відповідні складні полімерні молекули. До числа синтетичних полімерів відносяться: різноманітні пластмаси (поліетилен, поліпропілен, полістирол, полівінілхлорид, тощо), різноманітні синтетичні волокна (капрон, нейлон, лавсан, тощо), різноманітні синтетичні каучуки (гуми), різноманітні композиційні матеріали, різноманітні лаки, смоли, клеї, тощо.

За хімічним складом макромолекул, полімери поділяються на органічні та напіворганічні.  Органічними полімерами називають такі полімери, ланцюг утворюючим елементом яких є вуглець (карбон С). Скажімо, поліетилен – це органічний полімер. Напіворганічними полімерами (силіконами) називають такі синтетичні полімери, ланцюг утворюючим елементом яких є силіціум (Si), а побічними фрагментами – ті чи інші органічні сполуки. Загальна структура типового лінійного, напіворганічного полімеру представлена на мал.62.

Мал.62. Структурна формула деяких лінійних силіконів.

За геометричною структурою макромолекул, полімери поділяються на лінійні, розгалужені та просторові.  Лінійними називають такі полімери, які складаються з довгих, ниткоподібних макромолекул (мал.63а). Наприклад, поліетилен – це лінійний полімер. Розгалуженими називають такі полімери, які складаються з довгих ниткоподібних макромолекул від яких відгалужуються значно коротші лінійні фрагменти (мал63б). Розгалужену структуру має, наприклад полівінілхлорид, тобто той матеріал з якого виготовляють лінолеум, штучну шкіру, тощо. Просторовими називають такі полімери, в яких лінійні макромолекули в деяких місцях “зшиті” міцними ковалентними зв’язками (мал.63в). Прикладом просторового полімеру є гума.

Мал.63. За геометричною структурою макромолекул, полімери поділяються на лінійні (а), розгалужені (б) та просторові (в).

За характером поведінки в процесі нагрівання (охолодження), полімери поділяються на термопластичні та термореактивні. Термопластичними (термопластами) називають такі полімери, які в процесі нагрівання розм’ягчуються, а в процесі охолодження – тверднуть. При цьому, мається на увазі що з термопластами операції нагрівання-охолодження, можна проводити багаторазово. Зазвичай, лінійні та розгалужені полімери є термопластичними. Термореактивними (реактопластами) називають такі полімери, які в процесі нагрівання, до певної температурної межі залишаються твердими, а при досягненні цієї межі – хімічно руйнуються та перетворюються не інші речовини. Термореактивними є більшість просторових полімерів.

Базовою сировиною для більшості просторових реактопластів є різноманітні смоли. Самі по собі, смоли практично не придатні для виготовлення деталей машин. Однак, у поєднанні з певними механічними добавками (ці добавки називають наповнювачами), смоли можуть перетворюватись на так звані композиційні матеріали. Наприклад, епоксидна смола, у поєднанні зі скловолокном, перетворюється на матеріал, міцність якого співрозмірна з міцністю кращих сортів сталі. Додайте до цього факт того, що виготовлена з такого матеріалу деталь в 4-5 разів легша за сталевий аналог, і ви зрозумієте чому композиційні матеріали так широко застосовуються в сучасній техніці. Ілюструючи можливості та перспективи такого застосування, достатньо сказати, що заміна металевих деталей на полімерні аналоги, дозволила зменшити масу літака “Боінг 757” на 15 тон.               Як правило, просторові реактопласти, це досить міцні, тверді матеріали з низькою пластичністю. Але, знову ж таки, ви маєте пам’ятати, що характеризуючи полімери, потрібно уникати категоричних узагальнень. Скажімо, до сімейства тих же просторових реактопластів відноситься і такі м’які та надзвичайно еластичні матеріали як гуми. Своїми дивовижними властивостями, гума має завдячувати її основному компоненту – каучуку. Характерною особливістю молекул каучуку є те, що в них, по-перше між певними атомами вуглецю, існують подвійні ковалентні зв’язки. А по-друге, ці молекули мають зигзагоподібну форму.

У чистому вигляді, каучук представляє собою липку, в’язко-еластичну речовину, яка не має практичного застосування. Але якщо макромолекули каучуку “зшити” в цілісну просторову структуру, то ми отримаємо достатньо міцний, пружно-еластичний матеріал – гуму. Зшивання макромолекул каучуку в цілісну просторову структуру, забезпечує технологічний процес, який прийнято називати вулканізацією. Суть вулканізації полягає в тому, що в процесі нагрівання суміші каучуку з певною кількістю сірки (сульфуру S), деякі подвійні зв’язки макромолекул каучуку руйнуються і між відповідними атомами вуглецю та атомами сірки виникає міцний ковалентний зв’язок. При цьому, атоми сірки, взаємодіючи з двома атомами вуглецю, міцно “зшивають” сусідні макромолекули.

Вулканізований каучук, є ще одним наочним прикладом того, яке різноманіття властивостей можуть мати різновидності одного й того ж полімеру. Адже м’які та еластичні гумові ланцюжки, жорстка гума автомобільних шин і склоподібний, твердий ебоніт, це різновидності одного й того ж матеріалу – вулканізованого каучуку. Різниця лише в тому, що в першому випадку макромолекули каучуку “зшиті” лише в деяких місцях, в другому – щільність таких зшивів є дуже великою, а в третьому – ця щільність є гранично великою.

Потрібно зауважити, що полімерами є не лише ті штучно створені матеріали які прийнято називати пластмасами, гумами, штучними волокнами, композиційними матеріалами і т.д. До числа полімерів відносяться і такі природні матеріали як деревина, шкіра, волосся, кістки, м’язи, тощо. В цих матеріалах, тими мономерами з яких вони складаються по суті, є такі надскладні структури як клітини. І не важко збагнути, що елементарно описати все різноманіття властивостей надскладних природних полімерів практично не можливо.

З іншого боку, до числа природних полімерів можна віднести не лише надскладні біополімери, а й такі гранично прості атомарні кристали як кварц, алмаз, графіт, корунд, силікати, тощо. А це ще раз підтверджує факт того, що будь який класифікаційний поділ об’єктів Природи є досить умовним.

Говорячи про умовність тих класифікаційних схем, які розділяють природні об’єкти на певні групи, доречно сказати і про те, що умовним є не лише поділ речовин на тверді, рідкі та газоподібні, на кристалічні, аморфні та полімерні, а й їх поділ на живі та неживі. І в цьому сенсі, деякі макромолекули складних біополімерів, можна вважати такими, що мають певні ознаки живих структур.

Дійсно. Якщо мова йде про макромолекули природного каучуку, амінокислот, вуглеводнів, жирів та білків, то вони хоч і являються продуктами життєдіяльності живих організмів, але фактично є молекулами не живими. А от молекули дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК) – це об’єкти живі чи не живі? З одного боку, молекула ДНК, це складна полімерна молекула, яка принципово не відрізняється від інших складних біомолекул, наприклад таких як білки. З іншого ж боку, молекула ДНК має основні ознаки примітивного живого організму. Адже за певних сприятливих умов, ця молекула ділиться на дві дзеркально симетричні частини, які “харчуючись” молекулами навколишнього середовища, відновлюють свою початкову структуру і знову діляться. Власне, найпростіші сучасні організми, – віруси, представляють собою певні обособлені молекули ДНК, які потрапляючи в сприятливе середовище, харчуються продуктами цього середовища і розмножуються.

 

Контрольні запитання.

1.Поясніть, яким чином із молекул етилену (С2Н4) отримують макромолекули поліетилену.

2. Від чого залежать фізичні властивості поліетилену? Проілюструйте цю залежність.

3. На які класифікаційні групи розділяють полімери: а) за їх походженням; б) за хімічним складом макромолекул; в) за геометричною структурою макромолекул; г) за відношенням до нагрівання.

4. Дайте максимально повну класифікаційну характеристику: а) поліетилену; б) гуми.

5. Які полімери називають композиційними матеріалами?

6. Поясніть суть вулканізації.

7. На прикладі полімерів поясніть умовність поділу речовин на тверді та рідкі; на кристалічні та аморфні; на живі та не живі.

 

§24. Теплове розширення тіл. Особливості теплового розширення                                       води.

 

Загально відомо, шо при нагріванні тіла розширюються. Однак далеко не всі розуміють, чому це відбувається. Більшість вважає, що причиною теплового розширення тіл, є збільшення амплітуди коливань молекул. З одного боку, це правильно: необхідною умовою теплового розширення речовин, є збільшення амплітуди коливань їх молекул. Але з іншого боку, це збільшення, само по собі не гарантує того, що центр динамічної рівноваги молекул буде змінюватись, а отже не гарантує зміну відстані між молекулами. Дійсно. Якщо, наприклад, в зображеній на мал.64 ситуації, амплітуду коливань молекул збільшити, то це не призведе до зміни координати центру динамічної рівноваги цієї кульки, а отже і до збільшенні усередненої відстані між молекулами. По суті це означає, що збільшення амплітуди коливань молекул, є необхідною, але не достатньою умовою теплового розширення тіл.

 

Мал.64.  Зміна амплітуди коливань кульки, не призводить до зміни координати її центру динамічної рівноваги.

В §3 ми з’ясували, що поведінку взаємодіючих молекул, наглядно описує модель потенціальної ями. Аналізуючи цю модель (мал.65) не важко пояснити причини теплового розширення тіл. Дійсно. Оскільки крива потенціальної енергії взаємодіючих молекул несиметрична, то при збільшенні амплітуди коливань молекул, центр їх динамічної рівноваги певним чином зміщується. А це означає, що відповідним чином змінюється і відстань між молекулами.

 

Мал.65.  При збільшенні амплітуди коливань молекули, центр її динамічної рівноваги зміщується і тому відстань між молекулами збільшується.

Зазвичай, теплове розширення твердих тіл, характеризують величиною яка називається температурним коефіцієнтом лінійного розширення. Температурний коефіцієнт лінійного розширення – це фізична величина, яка характеризує теплове розширення твердого тіла (даного матеріалу) в певному інтервалі температур і яка чисельно дорівнює тому лінійному видовженню (∆ℓ) яке отримує тіло довжиною 1м при його нагріванні на 1ºС.

Позначається:  α

Визначальне рівняння: α = ∆ℓ/ℓ0∆t, де ∆ℓ – теплове видовження тіла при його нагріванні на ∆t (ºС), ℓ0 – початкова довжина тіла;

Одиниця вимірювання: [ℓ] = 1/ºС = ºС-1 .

Температурний коефіцієнт лінійного розширення, чисельно дорівнює тому видовженню, яке отримує тіло довжиною 1м при його нагріванні на 1ºС. Наприклад, якщо для міді α = 17·10-6(1/ºС), то це означає, що при нагріванні мідного стержня довжиною 1м на 1ºС, цей стержень видовжується на 17·10-6м тобто на 0,017мм.

Дослідження показують, що в різних температурних інтервалах, величина коефіцієнту лінійного розширення однієї і тієї ж речовини, може бути суттєво різною, і що з підвищенням температури, ця величина зазвичай збільшується. Даний факт є прямим наслідком тих складних процесів, які відбуваються при міжмолекулярних взаємодіях. А графічним відображенням цих процесів є все таж крива потенціальної енергії. Аналізуючи зображену на мал.65 усереднену криву потенціальної енергії, не важко графічно довести, що в різних температурних інтервалах, ступінь теплового розширення відповідного тіла є різною, і що з підвищенням температури ця ступінь збільшується (для ∆t1=∆t2=∆t3,  ∆ℓ1˂∆ℓ2˂∆ℓ3).

Усереднені числові значення температурних коефіцієнтів лінійного розширення деяких матеріалів в інтервалі температур від 0ºС до 100ºС представлені в таблиці  .                                                        Таблиця

Матеріал   α , 10-6  (1/ºС) Матеріал   α , 10-6 (1/ºС)
алюміній         23 срібло         20
золото         14 сталь      10 – 17
залізо         12 чавун        9 – 11
мідь         17 алмаз           1,2
свинець         29 лід ( -20ºС – 0ºС)           51

 

Оскільки в процесі нагрівання змінюються не лише лінійні розміри тіла, а і його об’єм, то теплове розширення на ряду з коефіцієнтом лінійного розширення, характеризують і температурним коефіцієнтом об’ємного розширення: β =∆V/V0∆t. Із визначального рівняння  β =∆V/V0∆t випливає, що температурний коефіцієнт об’ємного розширення β чисельно дорівнює тому збільшенню об’єму ∆V, яке отримує тіло об’ємом 1м3 при його нагріванні на 1ºС: якщо V0=1м3, ∆t=1ºС, то β=∆V.

Не важко довести, що для ізотропних матеріалів β≈3α. Дійсно. Розглянемо куб, довжина ребра якого 1м. Якщо цей куб нагріти на 1ºС, то кожне його ребро видовжиться на α метрів і стане рівним 1+α. З іншого боку, об’єм цього ж куба при нагріванні на 1ºС збільшиться на β метрів кубічних і стане рівним 1+ β. А це означає, що: (1+α)3 = 1+β. Враховуючи, що (1+α)3 = 1+3α+3α23, де 3α2 і α3 – гранично малі величини (3α2~3(10-6)2; α3~(10-6)3), можна записати: 1+β ≈ 1+3α, звідси  β ≈ 3α .

В процесі нагрівання розширюються не лише тверді тіла, а й рідини. Характеризуючи це розширення, можна сказати наступне. 1) Рідини розширюються з тих же причин що і тверді тіла, тобто в зв’язку з несиметричністю кривої потенціальної енергії. 2) Характеризуючи теплове розширення рідин, є сенс говорити лише про їх об’ємне розширення. 3) Зазвичай, температурний коефіцієнт об’ємного розширення рідини, значно більший за величину відповідного параметру твердого тіла. 4) Як правило, в процесі збільшення температури, числове значення коефіцієнту об’ємного розширення рідини зростає значно швидше а ніж у твердих тіл.

Обгрунтованість останніх двох тверджень, випливає з аналізу все тієї ж кривої потенціальної енергії (мал.56). Дійсно. Молекули рідини мають гранично великі амплітуди коливань. А це означає, що в процесі цех коливань молекули заходять в ту частину потенціальної кривої, де навіть незначні зміни температури, призводять до значних змін міжмолекулярних відстаней, а отже до значного розширення.

В таблиці х наведені числові значення температурних коефіцієнтів об’ємного розширення деяких рідин, визначені для температури 20ºС

Рідина β,  10-6 (1/ºС) Рідина β,  10-6 (1/ºС)
бензин    1240 ртуть     181
вода     200 сірчана кислота     570
гліцерин     505 етиловий спирт    1080
нафта     1000 етиловий ефір    1600

 

Безумовно найважливішою рідиною в нашому житті є вода. Вода має велику кількість надзвичайних властивостей. І одна з них та, що в певному температурному інтервалі, а саме від 0ºС до 4ºС, вода не розширюється, а стискається. Даний експериментальний факт має своє пояснення. І це пояснення полягає в наступному. Як відомо, в кристалічній структурі льоду, молекули води розташовані у вигляді не надто щільних просторових шестикутників (мал.66). Результатом такого розташування є факт того, що густина льоду є значно меншою за густину води. Дослідження показують, що утворення окремих стійких, просторово упорядкованих груп молекул води, починається задовго до початку явної кристалізації води (приблизно з 7ºС) і що по мірі зниження температури, кількість таких груп неухильно збільшується. Результатом наявності у воді цих не надто щільних та достатньо стійких молекулярних груп, є те що при зниженні температури від 4ºС до 0ºС густина води не збільшується, а зменшується. І навпаки – в процесі нагрівання вода не розширюється а стискається.

 

Мал.66. Щільність розташування молекул Н2О в рідкій воді значно більша аніж в твердому льоду.

Той факт, що густина води є максимально великою не при 0ºС, а при 4ºС, має величезне значення для багатьох природних процесів. Наприклад, якби вода не мала таких властивостей, то при тривалих мінусових температурах, ставки, річки та озера, достатньо швидко промерзали б до дна. Промерзали б тому, що та вода яка контактує з холодним повітрям, охолоджуючись опускалась би на дно водойми. При цьому, в результаті конвекційного кругообігу, температура всієї води досить швидко досягала б нулевої позначки і вся вода швидко перетворювалась би на лід. І якщо цього не відбувається, то тільки тому, що подібним конвекційним чином, вода охолоджується лише до температури 4ºС. Подальше ж зниження температури відбувається лише за рахунок теплопровідності, яка для води є досить низькою. Крім цього, коли верхній шар води перетворюється на лід, то цей лід автоматично стає певним тепловим ізолятором, який додатково знижує інтенсивність процесу кристалізації води.

  

Мал.67.  Характер розподілу температур в покритій кригою водоймі.

Складний характер залежності коефіцієнту об’ємного розширення води від температури, вкотре доводить, що реальні властивості реальних фізичних об’єктів, залежать від цілого комплексу обставин. Тому, коли ми стверджуємо, що причиною теплового розширення тіл є несиметричність кривої потенціальної енергії, то маємо на увазі лише те, що ця причина є загальною та визначальною. Але це не виключає того, що за певних конкретних обставин, на теплове розширення тіла, можуть суттєво впливати й інші фактори. Або, наприклад, коли ми стверджуємо, що коефіцієнт об’ємного розширення рідини сильно залежить від температури, то маємо на увазі лише той факт, що для більшості рідин, така залежність має місце. Однак це зовсім не означає, що подібна залежність характерна для всіх рідин. Скажімо, коефіцієнт об’ємного розширення ртуті, в достатньо широкому інтервалі температур, залишається практично незмінним. Власне тому, саме ртуть застосовують для виготовлення точних термометрів.

Теплове розширення тіл, потрібно враховувати при спорудженні мостів, колій залізничних доріг, ліній електропередач, трубопроводів, тощо. Його обов’язково враховують при виготовлені цілісних конструкцій складовими елементами яких є різнорідні матеріали. Наприклад, при виготовлені залізобетонних конструкцій, марки сталі і бетону добирають таким чином, щоб їх температурні коефіцієнти розширення були приблизно однаковими.

Про ефекти теплового розширення, потрібно пам’ятати і в тих випадках, коли тіло перебуває під дією різких перепадів температур. Наприклад, скляну банку з окропом не можна опускати в холодну воду. Пам’ятаючи про факт розширення водо при її замерзанні, потрібно не допускати цього замерзання в трубах, деталях машин, відрах, тощо. Теплове розширення потрібно враховувати при виконанні вимірювальних робіт, при виготовлені вимірювальних інструментів, тощо.

Ефекти теплового розширення мають і певне корисне застосування. Наприклад, в терморегуляторах електронагрівальних приладів, в різноманітних протипожежних системах, в спеціальних термометрах, часто застосовують так звані біметалеві пластини (від лат. bini – пара, два). Ці пластини  складаються з двох, жорстко з’єднаних різнорідних металів, температурні коефіцієнти яких, суттєво різні. В процесі нагрівання, складові елементи біметалевої пластини деформуються в суттєво різній мірі. При цьому пластина відповідним чином вигинається і виконує певну корисну дію, наприклад включає чи виключає електронагрівальний прилад.

  

Мал.68. Приклад практичного застосування біметалевої пластини.

Розмова про теплове розширення речовин була б не повною, якби ми не згадали про теплове розширення газів. На відміну від рідин та твердих тіл, гази розширюються не тому, що крива потенціальної енергії є не симетричною, а за рахунок того, що в процесі нагрівання, кінетична енергія молекул збільшується, а відповідно збільшується і їх тиск на стінки посудини.

В 1802 році, французький фізик Гей-Люсак експериментально встановив: при ізобаричному нагріванні, всі гази розширюються однаково, при цьому їх температурний коефіцієнт об’ємного розширення становить 1/273(1/ºС). Таким чином, на відміну від рідин та твердих тіл, характер теплового розширення яких у кожному конкретному випадку є індивідуальним, всі гази розширюються практично однаково, тобто з однаковим коефіцієнтом об’ємного розширення: β = 1/273(1/ºС)  або

β= 3660·10-6(1/ºС).

Потрібно зауважити, що коли ми говоримо про теплове розширення тіл, то маємо на увазі, що зовнішній тиск на ці тіла залишається незмінним. Адже якщо, наприклад, рідина знаходиться в жорсткій, міцній, герметичній посудині, то навіть при значному збільшенні температури, об’єм рідини залишиться незмінним (звичайно, якщо не враховувати розширення самої посудини).

 

Словник фізичних термінів.

         Температурний коефіцієнт лінійного розширення – це фізична величина, яка характеризує теплове лінійне розширення твердого тіла (даного матеріалу) в певному інтервалі температур і яка чисельно дорівнює тому лінійному видовженню (∆ℓ) яке отримує тіло довжиною 1м при його нагріванні на 1ºС.

Позначається:  α

Визначальне рівняння: α = ∆ℓ/ℓ0∆t

Одиниця вимірювання: [ℓ] = 1/ºС = ºС-1 .

Контрольні запитання.

1.Чому збільшення амплітуди коливань молекул є необхідною але не достатньою умовою теплового розширення тіл?

2. Температурний коефіцієнт лінійного розширення заліза 12·10-6(1/ºС). Що це означає?

3. Температурний коефіцієнт об’ємного розширення бензину

1240·10-6(1/ºС). Що це означає?

4. Поясніть, чому величина температурного коефіцієнту об’ємного розширення твердих та рідких речовин, при збільшені температури збільшується?

5. Поясніть, чому вода при її нагріванні від 0ºС до 4ºС не розширюється а стискається?

6. Поясніть, чому навіть за тривалих тріскучих морозів ставки, річки та озера не перемерзають до дна?

7. Поясніть будову та принцип дії біметалевої пластини.

8. Чим теплове розширення газів принципово відрізняється від теплового розширення твердих тіл та рідин?

Вправа 9.

1.При температурі 20ºС відміряли 500м алюмінієвого і 500м мідного дроту. Якою буде різниця цих дротів при температурі 100ºС?

2. Сталеві залізничні рейки (α=14·10-61/ºС) довжиною 12м монтують при температурі 15ºС. Який зазор потрібно встановити між рейками, якщо експлуатаційні перепади температур від -30ºС до 60ºС?

3. На скільки градусів потрібно нагріти алюмінієву дротину перерізом 6,0мм2, щоб її видовження дорівнювало тому яке вона отримує під дією деформуючої сили 500Н? Модуль пружності алюмінію 70·109Па.

4. Густина алюмінію при 20ºС становить 2,7·103кг/м3. Визначити цю густину при 300ºС.

5. В танкер при температурі 40ºС завантажили 30 000м3 нафти. На скільки меншим буде цей об’єм при розвантаженні нафти, якщо її температура становитиме 5ºС?

6. Кінці сталевої балки (α=14·10-61/ºС) наглухо вмонтовані в протилежні стіни приміщення. Який тиск буде створювати балка на ці стіни при підвищенні температури на 30ºС? модуль пружності сталі 200·109Па.

7. При 0ºС скляна колба вміщує 680г ртуті, а при 100ºС – 670г. Визначити коефіцієнт лінійного розширення скла.

 

§25. Агрегатні стани речовини. Плазма, як особливий стан речовини.

 

         Коли ми стверджуємо, що  залізо тверде, а кисень газоподібний, то як правило забуваємо додавати: за нормальних умов. Адже якщо залізо нагрівати, то  рано чи пізно воно розплавиться, а потім закипить і перетвориться на пару. І навпаки, охолоджуючи кисень, його можна перетворити не лише на відповідну рідину, а й на твердий матеріал.

Звичайно, скоріш за все, вам ніколи не траплялось мати справу а ні з твердим киснем, а ні з газоподібним залізом. І тим не менше, ви погодитесь з тим, що за певних умов, одна і таж речовина, може бути твердою, рідкою або газоподібною. Погодитесь тому, що одна загально відома, та загально розповсюджена речовина, навіть за звичних для нас умов зустрічається у всіх трьох агрегатних станах. І напевно ви здогадались, що цією речовиною є вода. Адже твердий лід, рідка вода і газоподібний водяний пар, це різні стани однієї і тієї ж речовини – води (Н2О).

Мал.69.  За певних умов, одна і таж речовина може бути твердою, рідкою або газоподібною.

Ясно, що далеко не всі речовини можуть знаходитись у всіх трьох агрегатних станах. Наприклад, карбонат кальцію (СаСО3), тобто та звичайна крейда якою ви пишете на дошці, не буває а ні рідкою, а ні газоподібною. Не буває тому, що в процесі нагрівання, цей матеріал, не досягнувши температури плавлення, розкладається на більш прості речовини: СаО та СО2. Подібне можна сказати і про переважну більшість хімічно складних речовин, як то біологічні матеріали, органічні сполуки, полімери, тощо. Однак, якщо говорити про хімічно прості речовини, то більшість з них за певних умов можуть бути і твердими, і рідкими, і газоподібними.

Якби вас запитали: “від чого залежить агрегатний стан тієї чи іншої речовини?”, то скоріш за все ви б сказали, – від температури. А подумавши, добавили б – і від тиску. Відповівши таким чином, ви будете абсолютно праві. Адже стан речовини дійсно визначальним чином залежить від її температури та зовнішнього тиску.

Досліджуючи характер цієї залежності, звернемось до експерименту. Припустимо, що у вас є шматок льоду, температура якого -20ºС. Нагріваючи лід, ви неодмінно зясуєте, що більшість його фізичних властивостей поступово змінюються. Але вцілому, ці зміни можна вважати не суттєвими. Адже і при   -20ºС, і при -10ºС, і при -0,1ºС, лід залишається льодом, тобто твердою речовиною з відповідним набором фізичних властивостей.

Коли ж температура льоду досягне 0ºС, то неодмінно з’ясується, що подальше її зростання неможливе без кардинальної, якісної зміни властивостей льоду. Адже при цій температурі лід плавиться і в процесі цього плавлення впрачає ознаки твердого тіла (наявність певної форми, наявність твердості, міцності, крихкості, тощо) і набуває ознак рідини (відсутність певної форми, наявність в’язкості, поверхневого натягу, тощо). Крім цього, в процесі плавлення, стрибкоподібно змінюються й інші властивості льоду, зокрема його питома теплоємність, густини, діелектрична проникливість, показник заломлення світла, тощо.

Ще однією визначальною ознакою плавлення, є факт того, що цей процес відбувається з поглинанням певної кількості енергії. При цьому, ця енергія йде не на збільшення кінетичної енергії молекул (адже температура речовини залишається незмінною), а на збільшення їх потенціальної енергії.

Після того як лід повністю перетвориться на рідину, та теплова енергія яка продовжує надходити до речовини, призведе до нового витка підвищення температури. Але, як тільки ця температура досягне позначки 100ºС, неодмінно з’ясується, що подальше її підвищення пов’язано з новим сприбком змін властивостей, тільки тепер вже рідкої води. Це означає, що ви не зможете  нагріти воду, скажімо до 101ºС без того, щоб не змінити її агрегатного стану. При цьому, це нове агрегатне перетворення води, також відбуватиметься при певній постійній температурі і супроводжуватиметься збільшенням потенціальної енергії молекул.

Сподіваюсь, ви розумієте, що в даному випадку, ми розглядаємо ситуацію, при якій зовнішній тиск залишається незмінним і чисельно рівним нормальному атмосферному тиску. Адже змінюючи зовнішній тиск, можна  досягти того, що вода закипить при 20ºС, або не закипить при 200ºС

Факт того, що зміна агрегатного стану речовини супроводжується різкою, стрибкоподібною зміною багатьох фізичних властивостей цієї речовини та стрибкоподібною зміною потенціальної енергії її молекул, лежить в основі наукового визначення терміну “агрегатний стан речовини”.

Агрегатний стан речовини це такий фізичний стан даної речовини, який характеризується певним набором визначальних властивостей (зокрема наявністю або відсутністю форми та об’єму) і перехід до якого супроводжується стрибкоподібною зміною багатьох, в тому числі і визначальних властивостей цієї речовини, а також стрибкоподібною зміною потенціальної енергії її молекул.

В багатьох відношеннях, класифікаційний поділ фізичних станів речовини на її агрегатні стани є недосконалим. Скажімо, за визначальними ознаками, явно твердий (Ф=const, V=const,  Еп ˃ Ек) при низькій температурі, та явно рідкий (Ф≠const, V=const,  Еп ≈ Ек) при високій температурі, стани аморфної речовини, є очевидно різними агрегатними станами цієї речовини. З іншого ж боку, в аморфній речовині, перехід від явно твердого стану до явно рідкого, відбувається без будь яких стрибкоподібних змін її властивостей. І виходячи з цього, явно тверду та явно рідку різновидності аморфної речовини, потрібно вважати одним і тим же агрегатним станом цієї речовини.

Крім цього, в межах одного і того ж агрегатного стану, одна і та ж речовина, може мати суттєво різні властивості. Наприклад, фізичні властивості алмазу і графіту – діаметрально протилежні. Алмаз, це міцний, крихкий, надзвичайно твердий, прозорий матеріал, який не проводить електричний струм. Натомість графіт, це не міцний, пластичний, м’який, не прозорий матеріал, який проводить електричний струм. І тим не менше, згідно з вище наведеним визначенням, алмаз і графіт є одним і тим же агрегатним станом однієї і тієї ж речовини – твердим станом вуглецю.

Зважаючи на вище сказане, не важко передбачити, що в науковій практиці мають існувати й інші класифікаційні схеми, які дозволяють більш детально розрізняти суттєво різні стани речовини. І такі схеми дійсно існують. Однак вивчення цих схем виходить за межі програми загальноосвітньої школи. Тому просто констатуємо факт того, що за певним набором фізичних властивостей, розрізняють три агрегатні стани речовини: твердий, рідкий та газоподібний.

Говорячи про можливі стани речовини, варто згадати про ще один. Цей стан рідко зустрічається на Землі і надзвичайно часто у Всесвіті. Його називають плазмою.  Пояснюючи суть того що називають плазмою, давайте розглянемо ті події які відбуваються в процесі нагрівання певної речовини, скажімо тієї ж води. Ось вона тверда, потім – рідка і на кінець – газоподібна. Але що буде з газоподібною водою в процесі її подальшого нагрівання? А буде наступне. При певному рівні температур, молекули води почнуть розпадатись на атоми та групи атомів. А ті в свою чергу, втрачаючи валентні електрони, почнуть перетворюватись на відповідні іони. В кінцевому підсумку, та речовина яка була водою, тобто такою що складалась з молекул Н2О, перетворюється на певну суміш окремих атомів, позитивних і негативних іонів та вільних електронів. Саме цю суміш і називають плазмою.

Плазмою називають частково або повністю іонізований газ, в якому концентрація вільних позитивно та негативно заряджених частинок є усереднено однаковою. Процес переходу речовини з газоподібного стану в стан плазми, прийнято називати іонізацією газу. Зворотній процес, тобто перехід речовини з стану плазми до стану газу, зазвичай називають рекомбінацією плазми.

Мал.70. Плазма – це частково або повністю іонізований газ.

Фізичні властивості плазми суттєво відрізняються від властивостей газу. Головна причина цих відмінностей полягає в тому, що гази складаються з електронейтральних (не заряджених) частинок, а плазма – з певної суміші заряджених та не заряджених частинок (або лише з заряджених частинок). А це означає, що плазма проводить електричний струм. Що на її поведінку визначальним чином впливають зовнішні електричні та магнітні поля. Що її частинки взаємодіють не лише в момент безпосереднього контакту, а й на великих відстанях.

Сукупність цих відмінностей, дозволяє стверджувати, що плазма – це особливий, четвертий стан речовини. Однак, з формальної точки зору, цей стан навряд чи правомірно називати четвертим агрегатним станом речовини. По перше тому, що в стані плазми, будь яка речовина вже не є тією речовиною, якою вона була в твердому, рідкому та газоподібному стані. Адже складовими частинками плазми є не ті молекули з яких складалась базова речовина, а певна суміш окремих атомів, іонів та електронів. По друге, перехід речовини від її газоподібного стану до стану плазми відбувається поступово та без певних стрибкоподібних змін властивостей цієї речовини. А це означає, що формальних підстав вважати плазму четвертим агрегатним станом речовини нема.

Та як би там не було, а  при достатньо високих температурах, будь яка речовина набуває якісно нових властивостей, сукупність яких дозволяє стверджувати, що ця речовина перебуває в особливому стані. І цей стан прийнято називати плазмою.

Прийнято вважати, що тією умовною температурною межею, за якою газоподібна речовина починає набувати суттєвих ознак плазмового стану є 1000ºС. Якщо ж говорити про ту температуру при якій будь який газ набуває безумовних ознак плазми, то вона близька до 4000ºС. Плазму, температура якої менша за 1·106(ºС) прийнято вважати низькотемпературною. А та плазма температура якої більша за мільйон градусі Цельсія (кельвінів), вважається високотемпературною плазмою.

Мал.71. В процесі збільшення температури агрегатний стан та фізичні властивості речовини певним чином змінюються.

Дослідження показують, що близько 99% наявної у Всесвіті речовини, знаходиться в стані плазми. В стані плазми знаходяться зірки та їх атмосфери, галактичні туманності та міжзоряне середовище. Плазмаю є та частина атмосфери Землі яку називають іоносферою. Плазмою є той розжарений газ який називають блискавкою, електричною дугою, полум’ям, тощо. Але не потрібно думати, що плазмою можуть бути лише високотемпературні гази. Скажімо, температура того розрідженого газу що світиться в лампі денного світла не є надто високою. І тим не менш, цей газ є плазмою. Або, наприклад, температура того газу що забезпечує кольорове зображення так званих плазмових екранів, мало відрізняється від кімнатної. І тим не менше, відповідний газ є плазмою.

 

Словник фізичних термінів.

Агрегатний стан речовини це такий фізичний стан даної речовини, який характеризується певним набором визначальних властивостей (зокрема наявністю або відсутністю форми та об’єму) і перехід до якого супроводжується стрибкоподібною зміною багатьох, в тому числі і визначальних властивостей цієї речовини, а також стрибкоподібною зміною потенціальної енергії її молекул.

         Плазмою називають частково або повністю іонізований газ, в якому концентрація вільних позитивно та негативно заряджених частинок є усереднено однаковою. Процес переходу речовини з газоподібного стану в стан плазми, називають іонізацією газу. Зворотній процес, тобто перехід речовини з стану плазми до стану газу, називають рекомбінацією плазми.

Контрольні запитання.

1.Чи всі речовинні матеріали можуть знаходитись в трьох агрегатних станах?

2. Чому ми стверджуємо, що агрегатний стан речовини визначальним чином залежить від зовнішнього тиску?

3. В якому агрегатному стані потенціальна енергія молекул більша: а) в твердому чи рідкому?; б) в рідкому чи газоподібному? Чому?

4. Які недоліки має поділ речовин за ознакою “агрегатний стан речовини”?

5. Чим плазма відрізняється від звичайного газу?

6. Чи є формальні підстави вважати плазму четвертим агрегатним станом речовини? Чому?

7. Як називаються ті процеси що відбуваються при переходах: а) кристал → рідина → газ → плазма; б) плазма → газ → рідина → кристал.

 

Подобається