4.5. газообразное состояние вещества

Газообразное состояние вещества характеризуется большими расстояниями между частицами (атомами и/или молекулами) по сравнению с расстояниями между частицами твердого тела или жидкости. Поэтому взаимодействие между частицами газа (притяжение и отталкивание) практически отсутствует. Хаотическое движение частиц позволяет газу занимать весь предоставленный ему объем. Для жидкостей и твердых веществ это не характерно.

            Состояние идеального газа подчиняется уравнению:

PV = nRT

            Уравнение состояния идеального газа позволяет рассчитать объем V [м3], давление Р [Па] и температуру Т [К] для любого количества вещества n [моль], используя значение газовой постоянной R = 8,314 [Дж/моль×К].

Пример. В стеклянном сосуде объемом 1 л содержится газообразная вода при 1200С. Давление газа равно 190 мм рт. ст. Какое количество (моль) воды содержится в данном сосуде?

            В соответствии с уравнением состояния идеального газа

n = PV/RT

известно, что 1 атм = 760 мм рт. ст. = 1,013×105Па или 1 мм рт. ст. = 133,3 Па.

n =190×133,3 [Па] 1×10-3 [м3]/ 8,314 [Дж/моль К] 393 [К] = 7,75×10-3 моль.

Вопросы для проверки знаний

Какие типы кристаллических решеток существуют в твердом йоде, броме, воде, алмазе, графите, железе, хлориде натрия?

Почему кристаллы солей, а также кристаллы с молекулярными и ковалентными кристаллическими решетками под действием деформирующей силы дают трещины и раскалываются, а металлы лишь изменяют форму без разрушения кристалла?

Приведите модели ионных, ковалентных, молекулярных и металлических кристаллических решеток. В какой из них частицы в узлах кристаллической решетки не связаны химическими связями?

*Объясните, каким образом тип ионной связи в кристалле определяет его физические свойства?

Объясните появление «свободных» электронов в металлической кристаллической решетке.

В чем сходство и различие между аморфным веществом и жидкостью?

Какие структурные особенности позволяют выделить среди макросистем группу жидких кристаллов?

В жидкостях и газах молекулы движутся беспорядочно, однако жидкости - практически несжимаемые вещества, в то время как газы легко сжимаются. Объясните это различие газов и жидкостей.

Упражнения

Докажите, что кусок металла можно рассматривать как одну гигантскую молекулу.

Алмаз используется в режущих инструментах, а графит - нет. Докажите, что структура кристаллической решетки играет в этом определяющую роль.

Область существования жидкого кристалла ограничена температурами плавления и просветления. Дайте модели структуры каждого из состояний органического вещества.

Задачи

Плотность этилена по кислороду, D(O2) = 0,875. Определите молярную массу газа.

Масса 200 мл ацетилена (н.у.) равна 0,232 г. Определите молярную массу газа. Ответ: 26 г/моль

Определите объем 0,5 моль газа при 1000С, если известно, что при этой температуре его давление составляет 1,013×105 Па.

При 170С и давлении 104 кПа масса 624 мл газообразного вещества равна 1,56 г. Вычислите молярную массу газа и выскажите предположение, как называется этот газ. Ответ: 58 г/моль.

При некоторой температуре плотность паров серы по азоту, D(N2) равна 9,14. Из скольких атомов состоит молекула серы при данной температуре?

Масса 0,001 м3 газообразного вещества (н.у.) равна 0,00152 кг, а масса 0,001 м3 азота составляет 0,00125 кг. Вычислите молярную массу неизвестного газа, исходя из: а) его плотности по азоту; б) молярного объема. Выскажите предположение, как называется этот газ. Ответ: 34 г/моль.

4.6. Межмолекулярное взаимодействие

Представления о межмолекулярном взаимодействии впервые были введены нидерландским физиком Ван дер Ваальсом в 1873 г. Межмолекулярное взаимодействие свидетельствует о том, что электронейтральная молекула поляризована. В современной интерпретации составляющие макросистему частицы (атомы и молекулы) испытывают притяжение и отталкивание в силу того, что они состоят из заряженных частей (рис. 34).

На плоской модели молекулы воды (в действительности молекула воды не плоская, она имеет конфигурацию тетраэдра) видно разделение центров положительного и отрицательного зарядов (рис. 34 а). Молекула воды - диполь. Дипольный момент m равен произведению эффективного заряда d на расстояние l (длина диполя) между положительным и отрицательным центрами

а)

б)

Рис. 34. Плоские модели полярных молекул-диполей и неполярных молекул: а) молекула воды - диполь, центры отрицательных и положительных зарядов молекулы не совпадают; б) молекула метана - не диполь, центры отрицательных и положительных зарядов молекулы совпадают

            В неполярной молекуле метана центры положительных и отрицательных зарядов совпадают, т.е. l = 0. (рис.34 б). Поэтому дипольный момент равен нулю. Молекула метана - не диполь.

            При сближении полярных молекул возникают силы притяжения и отталкивания заряженных частей молекул. Молекулы ориентируются так, чтобы развернуться положительно заряженной частью к отрицательно заряженной части другой молекулы. Такое взаимное расположение молекул называется ориентационным или диполь-дипольным взаимодействием (рис. 35 а).

При взаимодействии полярной и неполярной молекул возникает индукционное взаимодействие или взаимодействие диполь-не диполь. Полярная молекула оказывает на неполярную молекулу поляризующее действие. В неполярной молекуле происходит незначительное смещение электронной плотности и ядер таким образом, что центры тяжести положительно и отрицательно заряженных частей молекулы перестают совпадать. Возникает наведенный диполь (рис. 35 б). Такое положение сохраняется до тех пор, пока молекулы находятся в тесном контакте. Достаточно немного нагреть смесь веществ, чтобы движение молекул ускорилось, и межмолекулярное притяжение полярной и неполярной молекул разрушилось.

                         а)

                          б)

                          в)

Рис. 35. Модель межмолекулярных взаимодействий: а) ориентационное (диполь - диполь); б) индукционное (диполь - наведенный диполь); в) дисперсионное (наведенный диполь - наведенный диполь).

Взаимодействие двух неполярных молекул приводит к возникновению еще одного типа межмолекулярного взаимодействия. Благодаря непрерывному движению электронов и колебательному движению ядер в каждой из неполярных молекул возникает временное смещение некоторых электронных орбиталей относительно ядер и обусловленное этим временное возникновение наведенных диполей. Каждый из таких диполей влияет своими зарядами на ориентацию соседнего наведенного диполя. Возникает дисперсионное взаимодействие или взаимодействие наведенных диполей (рис. 35 в).

Межмолекулярное взаимодействие часто называют вандерваальсовым по имени ученого, изучившего природу этого вида связи между молекулами. Вандерваальсовы силы ответственны за существование при различных температурах трех состояний или фаз вещества: кристаллического, жидкого и газообразного.

            4.7. Водородная связь

Водородная связь не является ни ковалентной, ни ионной связью. И, тем не менее, она называется связью, потому что удерживает молекулы рядом, не дает им легко разойтись, хотя и слабее ковалентной связи примерно в десять раз.

Модель водородной связи между молекулами воды представлена на рис. 36.

Рис. 36. Модель водородной связи между молекулами воды: а) водород одной молекул воды смещается в направлении неподеленной пары кислорода другой молекулы; б) водородная связь между молекулами воды обозначена пунктирной линией

            Вода - это ассоциация молекул, объединенных водородными связями. Атом водорода одной молекулы слегка смещается в направлении неподеленной электронной пары кислорода другой молекулы (рис. 36 а). Как и в ковалентной связи, образование водородной связи обязано главным образом электростатическим силам. Водород располагается между электронными парами двух атомов кислорода, с одним из которых он непосредственно связан ковалентной полярной связью, а около другого удерживается силами электростатического притяжения: протон с зарядом (d+) - неподеленная электронная пара кислорода соседней молекулы с зарядом (d-). «Полимерная» сеть межмолекулярных водородных связей ставит воду в ряд высококипящих жидкостей. Требуется затратить энергию (например, нагреть), чтобы оторвать молекулы воды с поверхности жидкости, удерживаемые не только диполь-дипольным взаимодействием, но и водородными связями.

            Межмолекулярные силы, удерживающие вместе молекулы HF, H2O и NH3, заметно больше сил, действующих между другими гидридами, из-за наличия водородных связей. Молекулы органических кислот способны димеризоваться за счет водородных связей. Очень важны водородные связи в молекулах белков.

Вопросы для проверки знаний

Какой физический эффект ответственен за возникновение вандерваальсовых сил?

Бром может находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии. Какую роль играют вандерваальсовы силы при переходе из одного состояния в другое?

Какие физические взаимодействия проявляются при образовании льда из жидкой воды?

Какие физические взаимодействия проявляются при смешении воды с этанолом?

Упражнения

Среди водородных соединений элементов VIА группы вода теоретически должна иметь самую низкую температуру кипения и плавления (светлые точки на рисунке):

Укажите причины необычайно высокой температуры кипения и плавления воды в сравнении с температурами кипения и плавления водородных соединений серы, селена и теллура.

2. Докажите, что при плавлении льда температура остается постоянной, равной 00С, несмотря на то, что внешний источник (нагреватель) непрерывно передает энергию в форме теплоты системе лед - жидкость.

3. Докажите, что при кипении воды при атмосферном давлении температура остается постоянной, равной 1000С, несмотря на то, что внешний источник (нагреватель) непрерывно передает энергию в форме теплоты системе жидкость - пар.

4. За счет каких связей образуется димер пропановой кислоты? Изобразите его структурную формулу.