Агрегатные состояния веществ

По происхождению (генезису) вещества и материалы рассматривают какприродные и искусственные.

Генезис – происхождение, возникновение; в широком смысле – момент зарождения и последующий процесс развития, приведший к определенному состоянию, виду, явлению.

Природные материалы получают непосредственно из природного сырьяпутем механической обработки, но без изменения первоначального химического состава и структуры. Эти материалы сохраняют основные свойстваисходного сырья. Например, природный песок, который перед употреблениемтолько очищают от примесей и в отдельных случаях сортируют по размеру зерен.

Искусственные материалы, получаемые после специальной переработкиприродного или искусственного сырья, по физико-химическим свойствам значительно отличаются от исходного сырья. Так, из глины, легко размокающей вводе, получают после формования и обжига водостойкие керамические материалы (кирпич, облицовочные плитки).

По своему агрегатному состоянию все вещества и материалы существуюткак твердые, жидкие и газообразные. Каждое агрегатное состояние характеризуется определенным строением вещества и соответственно определеннымисвойствами. Четвертым агрегатным состоянием часто считают плазму.

Агрегатные состояния вещества – состояния одного и того же вещества(вода, железо, сера и др.), переходы между которыми сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств (например, плотности).

Все вещества (за некоторым исключением) могут существовать в каждомиз трех агрегатных состояниях. Реализация того или иного агрегатного состояния вещества зависит от физических условий, в которых оно находится, главным образом, от температуры и давления. Так, дистиллированная вода принормальном давлении Р = 101325 Па и при температуре t = 0 °С кристаллизуется в лед, а при 100 °С кипит и превращается в пар.

Изменение агрегатных состояний сопровождается подводом или выделением энергии, что отвечает переходам соответственно к агрегатным со-

стояниям с более высокой или более низкой температурой.

Твердое состояние вещества – агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы. Вещества в твердом состоянии называюттвердыми веществами.

Твердые вещества по химическому составу рассматривают как одно- (простые) и двух- (и более) компонентные сплавы, а в зависимости от внутреннегостроения все твердые вещества разделяют на кристаллические и аморфные.

Компонент – составная часть, элемент, в данном случае химический.

Кристаллические вещества – это вещества в твердом состоянии, для которых характерно кристаллическое строение, т.е. периодическое трехмерноерасположение атомов (молекул).

Кристаллические вещества могут существовать в виде кристаллов, а такжеполикристаллических (поликристаллов), камневидных и разрыхленных агрегатов.

Кристаллы – состояние твердых веществ, приобретающих при равновесных условиях образования естественную форму правильных многогранников, отражающую симметрию атомного строения и обладающих анизотропией физических свойств. Крупные одиночные кристаллы называются монокристаллами.

Анизотропия – различие значений свойств (деформационных, электрических, магнитных, тепловых, оптических и др.) в материале по разным направлениям.

Поликристаллы – агрегаты из большого числа отдельных беспорядочноориентированных мелких кристаллов (кристаллитов), связанных между собойсилами сцепления, которые обычно слабее внутрикристаллических. Большинство твердых материалов являются поликристаллами. Таковы, например, технические металлы и сплавы, многие материалы из горных пород.

Камневидные агрегаты – это агрегаты из большого числа отдельных беспорядочно ориентированных мелких кристаллов, связь между которыми осуществляется вяжущим (цементирующим) веществом.

Поликристаллы и камневидные агрегаты в целом изотропны по физи-

ческим свойствам.

Разрыхленные (раздельно-зернистые, дисперсные) агрегаты – механическая смесь частиц (кусков, зерен), не связанных между собой.Примером разрыхленных агрегатов являются песок, гравий, цемент.

Разрыхленные агрегаты образуются в результате разрушения (раз-

рыхления, дробления, измельчения) поликристаллических или камневидных

агрегатов. Разрыхление, дробление и измельчение характеризуют стадии раз-

рушения по крупности получаемых агрегатов. При этом измельчение (диспергирование) твердого тела по существу представляет собой поверхностное явление, так как выражается в создании новой поверхности раздела. При достаточнобольшой суммарной поверхности в измельченных материалах процессы растворения, коррозии, испарения, конденсации, кристаллизации определяютсявеличиной и свойствами этой поверхности.

Дисперсность – характеристика размера частиц (степени измельчения) какого-либо тела в дисперсных агрегатах. Мера дисперсности – отношение общейповерхности всех частиц к их суммарному объему.

При размерах частиц 1...100 нм (ультрадисперсное состояние) обнару-

живаются все особенности поверхностных состояний, так как в данном случаетеряется понятие объема. Ультра дисперсное состояние является неравновесным. Дисперсные частицы могут образовывать хлопья и сростки, наих

поверхности часто происходят химические превращения. Так, диспергированиеприменяют, например, при подготовке материалов для изготовления изделий попорошковой технологии, в производстве минеральных вяжущих веществ, пигментов, наполнителей полимерных материалов и др.

Аморфные вещества – это вещества в твердом состоянии, строение которых обусловливает изотропию физических свойств и отсутствие точки плавления (переход из твердого состояния в жидкое, происходит постепенно).

В природе аморфное строение вещества менее распространено, чем кристаллическое. Аморфное строение характерно, например, для опала, обсидиана,янтаря, смолы, битума и полимеров.

Кристаллическое строение вещества может быть переведено в аморфноестроение различными видами физического и химического воздействий. Из раствора кристаллического вещества можно получить высушенный гель, из расплава – стекло, из пара – аморфный осадок и т.п. Так, с аморфнымтроениемискусственно получен ряд металлов (металлическое стекло), а также полупроводники (аморфные полупроводники).

Особым видом состояния твердых веществ с аморфным строением является стеклообразное состояние.

Стеклообразное состояние вещества – агрегатное состояние вещества саморфным строением, формирующееся при затвердевании переохлажденногорасплава и обладающее, в результате постепенного увеличения вязкости, механическими свойствами твердых тел. Переход из стеклообразного состояния врасплав и из расплава в стеклообразное состояние характеризуется температурным интервалом. Обратимость этого перехода является особенностью, котораяотличает стеклообразное состояние от других аморфных.

В стеклообразном состоянии может находиться значительное число простых веществ (S, Se, As, P); оксидов (В2О5, SiО2, GeО2); водных растворов Н2О2,H2SO4, H3PO4; халькогенидов ряда элементов (As, Ge, P); некоторых галогенидов и карбонатов. Многие из этих веществ составляют основу сложных по составу неорганических стекол.

Жидкое состояние вещества (жидкость) – агрегатное состояние вещества, обладающее свойством течь и принимать форму сосуда, в котором ононаходится.

Жидкостям присущи некоторые черты твердых (они сохраняют свой объем, образуют поверхность, обладают определенной прочностью на разрыв) игазообразных (принимают форму сосуда, в котором находятся; могут непрерывно переходить в газ) веществ; в то же время они обладают рядом только имприсущих особенностей, из которых наиболее характерная – текучесть.

Жидкости можно классифицировать по химическому составу и физическойприроде.

По химическому составу различают однокомпонентные жидкости – чистые жидкости и двух- или многокомпонентные жидкие смеси – растворы.

Практически все жидкости, встречающиеся в природе, представляют собойрастворы.

Растворимость – способность вещества в смеси с одним или несколькими другими веществами образовывать однородные системы – растворы.

Растворимость одного компонента в другом происходит в некоторых пределах изменения концентраций. Твердые вещества растворяются в жидкостяхтолько до определенной концентрации, зависящей от температуры и называющейся концентрацией насыщения. Жидкости также могут смешиваться междусобой, но не все жидкости растворимы друг в друге и не смешиваются друг сдругом неограниченно.

Растворы по концентрации растворенного вещества подразделяются нанасыщенные, ненасыщенные и пересыщенные. В зависимости от величины частицрастворенного компонента различают истинные растворы и дисперсные системы.

Истинный раствор – однородныесмеси двух или большего числа веществ (компонентов), которые равномерно распределены в растворе в виде отдельных атомов, ионов или молекул. Частицы растворенного вещества перемешиваются с молекулами растворителя самопроизвольно в результате диффузии.

Истинные растворы всегда прозрачны и устойчивы в течение длительного времени.

Растворители – неорганические (главным образом, вода) или органические (бензол, хлороформ, ацетон, спирты и др.) соединения, а также смеси(например, бензин), способные растворять различные вещества. Основные требования к растворителям – химическая инертность по отношению к растворяемому веществу, доступность и дешевизна.

Дисперсные системы – это смеси, состоящие из множества мелких частиц(дисперсная фаза, растворенное вещество) какого-либо вещества, находящихсяв однородной среде другого вещества (дисперсионная среда, растворитель).

Дисперсные системы характеризуются сильно развитой поверхностью разделамежду частицами.

Дисперсные системы называются по-разному в зависимости от агрегатного состояния растворенного вещества и растворителя. Так, если в твёрдом растворителе агрегатное состояние растворенного вещества твердое, жидкое илигазообразное, то такие системы соответственно называются золем, гелем (пастой) или пемзой. Для жидкого растворителя аналогичные агрегатные состояниярастворенного вещества называются суспензией, эмульсией, пеной. Для газообразного растворителя смеси с растворенным веществом в твердом илижидком состояниях называются аэрозолями.

По величине частиц (дисперсности) различают грубодисперсные и тонкодисперсные (коллоидные) системы.

В грубодисперсных системах размеры частиц достаточно велики (их можно видеть под микроскопом); состояние грубодисперсной системы нестабильно: происходит разделение частиц в основном под действием силы тяжести.

Коллоидными системами называются тонкодисперсные смеси молекулрастворителя (дисперсионная среда) с частицами растворенного вещества размером 10–8...10–6 мм.

Коллоидные системы занимают промежуточное положение между истинными растворами и дисперсными системами. Для коллоидных систем в отличиеот дисперсных характерно интенсивное броуновское движение частиц дисперсной фазы. Коллоидные системы способны к набуханию, при этом они увеличиваются в объеме.

По физической природе все жидкости делятся на нормальные жидкости ижидкие кристаллы.

Нормальные жидкости (чистые и растворы) макроскопически однородныи изотропны при отсутствии внешнеговоздейтвия. Их свойства (теплопроводность, вязкость, самодиффузия и др.) при нагревании или уменьшении плотности, как правило, меняются в сторону сближения со свойствами газов. Вблизиже температуры кристаллизации большинство свойств нормальных жидкостей(плотность, сжимаемость, теплоемкость, электропроводность и др.) близки ктаким же свойствам соответствующих твердых веществ.

Жидкие кристаллы – особое состояние жидкости с упорядоченным молекулярным строением, характеризующееся анизотропией ряда физическихсвойств, характерной для твердых кристаллов. Число химических соединений,для которых найдены жидкие кристаллы, составляет несколько тысяч. Жидкиекристаллы образуются также при нагревании некоторых твердых веществ доначала их плавления. Жидкие кристаллы обладают анизотропией упругости,электропроводности, магнитной восприимчивости и диэлектрической проницаемости, оптической анизотропией и др.

Анизотропию создает ориентационный порядок в расположении молекул.

Ориентационная упорядоченность в жидком кристалле зависит от состоянияповерхности и легко изменяется под действием давления, механических нагрузок, электрических и механических полей, нагрева.

Практическое применение находят электрооптические свойства жидких

кристаллов. Они применяются в буквенно-цифровых индикаторах (электрон-

ные часы, калькуляторы и др.), в различного рода управляемых экранах и оптических электронных приборах.

Газообразное состояние вещества (газ) – агрегатное состояние вещества,в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних полейвесь предоставленный им объем. В газообразное состояние можно перевестилюбое вещество надлежащим подбором давления и температуры. Прямое превращение вещества из твердого состояния в газообразное называется сублимацией (возгонкой).

Плазма – частично или полностью ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов практически равны. Ионизация газа может быть вызвана температурным воздействием, электромагнитным излучением или бомбардировкой заряженными частицами. Низкотемпературная плазма (Т = 106...108 К) используется в газоразрядных приборах (газовыхлазерах, ионных приборах и т.д.), а также в технике (плазменных двигателях).