Рідкі речовини та їх властивості. Рідкий стан речовини

У повсякденному житті ми постійно стикаємося з трьома станами речовини – рідким, газоподібним і твердим. Про те, що являють собою тверді тіла і гази, ми маємо досить ясне уявлення. Газ – сукупність молекул, які рухаються безладно по всіх напрямах. Усі молекули твердого тіла зберігають взаємне розташування. Вони здійснюють тільки незначні коливання.

Особливості рідкої речовини

А що ж являють собою рідкі речовини? Основною їх особливістю є те, що, займаючи проміжне положення між кристалами і газами, вони поєднують в собі певні властивості двох цих станів. Наприклад, для рідин, так само як і для твердих (кристалічних) тіл, властива наявність об'єму. Однак у той же час рідкі речовини, так само як і гази, приймають форму посудини, в якому знаходяться. Багато хто з нас вважають, що у них немає своєї власної форми. Однак це не так. Природна форма будь-якої рідини – кулю. Сила тяжіння зазвичай заважає їй прийняти цю форму, тому рідина або приймає форму судини, або розтікається по поверхні тонким шаром.

За своїми властивостями ліквідність речовини особливо складно, що зумовлено проміжним його положенням. Воно почало вивчатися ще з часів Архімеда (2200 років тому). Однак аналіз того, як поводяться молекули рідкої речовини, досі є однією з найбільш важких галузей прикладної науки. Загальновизнаною і цілком закінченої теорії рідин все ще немає. Однак дещо про їх поведінку ми можемо сказати цілком виразно.

Поведінка молекул в рідині

Рідина – щось таке, що може текти. Ближній порядок спостерігається в розташуванні її частинок. Це означає, що розташування сусідів, найближчих до неї, по відношенню до будь частці є впорядкованим. Однак у міру того, як вона віддаляється від інших, положення її по відношенню до них робиться все менш впорядкованим, а потім порядок і зовсім зникає. Рідкі речовини складаються з молекул, які рухаються набагато більш вільно, ніж у твердих тілах (а в газах – ще вільніше). Протягом певного часу кожна з них спрямовується то в один бік, то в інший, не віддаляючись від своїх сусідів. Однак молекула рідини час від часу виривається з оточення. Вона потрапляє в нове, переходячи в інше місце. Тут знову протягом певного часу вона здійснює подібні коливанню руху.

Внесок Я. І. Френкеля у вивчення рідин

Я. І. Френкелю, радянському вченому, належать великі заслуги в розробці цілого ряду проблем, присвячених такій темі, як рідкі речовини. Хімія сильно просунулася вперед завдяки його відкриттям. Він вважав, що в рідинах тепловий рух має наступний характер. Протягом певного часу кожна молекула коливається біля положення рівноваги. Однак вона змінює своє місце час від часу, переміщаючись стрибком на нове положення, яке від попереднього відстоїть на відстань, що становить приблизно розміри самої цієї молекули. Іншими словами, всередині рідини молекули переміщаються, але повільно. Частина часу вони перебувають близько певних місць. Отже, рух їх являє собою щось на зразок суміші здійснюються в газі і в твердому тілі рухів. Коливання на одному місці через деякий час змінюються вільним переходом з місця на місце.

Тиск в рідині

Деякі властивості рідкої речовини нам відомі завдяки постійній взаємодії з ними. Так, з досвіду повсякденності ми знаємо про те, що воно діє на поверхню твердих тіл, які стикаються з нею, з відомими силами. Вони називаються силами тиску рідини.

Наприклад, відкриваючи отвір водопровідного крана пальцем і включаючи воду, ми відчуваємо, як вона тисне на палець. А плавець, який пірнув на велику глибину, не випадково відчуває біль у вухах. Вона пояснюється тим, що на барабанну перетинку вуха впливають сили тиску. Вода – рідке речовина, тому вона володіє всіма його властивостями. Для того щоб виміряти температуру води на глибині моря, слід використовувати дуже міцні термометри, щоб їх не могло розчавити тиск рідини.

Це тиск обумовлений стисненням, тобто зміною обсягу рідини. Вона має по відношенню до цієї зміни пружністю. Сили тиску – це і є сили пружності. Отже, якщо рідина діє на тіла, що стикаються з нею, значить, вона стиснута. Оскільки щільність речовини при стисненні зростає, можна вважати, що рідини по відношенню до зміни щільності мають пружністю.

Випаровування

Продовжуючи розглядати властивості рідкої речовини, переходимо до випаровування. Поблизу поверхні його, а також безпосередньо в поверхневому шарі діють сили, що забезпечують саме існування цього шару. Вони не дозволяють залишати об'єм рідини молекулам, що знаходяться в ньому. Однак деяка їх частина завдяки тепловому руху розвиває досить великі швидкості, за допомогою яких стає можливо подолати ці сили і покинути рідина. Ми називаємо це явище випаровуванням. Його можна спостерігати при будь-якій температурі повітря, однак з її збільшенням інтенсивність випаровування зростає.

Конденсація

Якщо молекули, покинули рідина, видаляються з простору, що знаходиться поблизу її поверхні, то вся вона, врешті-решт, випаровується. Якщо ж покинувши її молекули не видаляються, вони формують пар. Потрапили в область, що знаходиться поблизу поверхні рідини, молекули пари втягуються в неї силами тяжіння. Цей процес одержав назву конденсації.

Отже, якщо молекули не видаляються, з часом зменшується швидкість випаровування. Якщо щільність пара надалі збільшується, досягається ситуація, при якій кількість молекул, що залишають за певний час рідина, буде дорівнювати кількості молекул, які повертаються за цей же час в неї. Так виникає стан динамічної рівноваги. Пар, що знаходиться в ньому, називається насиченим. Тиск і щільність його збільшуються з підвищенням температури. Чим вона вища, тим більша кількість молекул рідини має достатню для випаровування енергію і тим більшою щільністю повинен володіти пар для того, щоб з випаровуванням могла зрівнятися конденсація.

Кипіння

Коли в процесі нагрівання рідких речовин досягається така температура, при якій насичені пари мають такий же тиск, як і зовнішнє середовище, встановлюється рівновага між насиченим паром і рідиною. Якщо рідина повідомляє додаткову кількість теплоти, відразу ж відбувається перетворення в пару відповідної маси рідини. Цей процес називають кипінням.

Кипіння являє собою інтенсивне випаровування рідини. Воно відбувається не тільки з поверхні, а стосується всього її обсягу. Усередині рідини з'являються бульбашки пара. Для того щоб перейти в пар з рідини, молекулам необхідно придбати енергію. Вона потрібна для подолання сил тяжіння, завдяки яким вони утримуються в рідині.

Температура кипіння

Температура кипіння – це та, при якій спостерігається рівність двох тисків – зовнішнього і насичених парів. Вона збільшується при збільшенні тиску і зменшується при його зменшенні. Через те, що з висотою стовпа тиск в рідині змінюється, кипіння в ній відбувається на різних рівнях при різній температурі. Тільки насичений пар, що знаходиться над поверхнею рідини в процесі кипіння, має певну температуру. Вона визначається лише зовнішнім тиском. Саме її ми і маємо на увазі, коли говоримо про температуру кипіння. Вона відрізняється у різних рідин, що широко застосовується в техніці, зокрема, при разгонке нафтопродуктів.

Прихована теплота пароутворення – це кількість тепла, необхідне для того, щоб перетворити на пару ізотермічні певну кількість рідини, якщо зовнішній тиск те ж, що і тиск насичених парів.

Властивості рідинних плівок

Всі ми знаємо про те, як можна отримати піну, розчинивши у воді мило. Це не що інше, як безліч бульбашок, які обмежені складається з рідини найтоншою плівкою. Однак з твірною піну рідини можна отримати також і окрему плівку. Властивості її дуже цікаві. Плівки ці можуть бути дуже тонкими: їх товщина в найтонших частинах не перевищує стотисячного частки міліметра. Однак вони часом дуже стійкі, незважаючи на це. Мильну плівку можна піддавати деформації і розтягуванню, крізь неї може проходити струмінь води, при цьому не руйнуючи її. Як же пояснити таку стійкість? Для того щоб з'явилася плівка, необхідно до чистої рідини додати речовини, що розчиняються в ній. Але не будь-які, а такі, які значно знижують поверхневий натяг.

Рідинні плівки в природі і техніці

У техніці і природі ми зустрічаємося головним чином не з окремими плівками, а з піною, яка представляє собою їх сукупність. Її нерідко можна спостерігати в струмках, де в спокійну воду падають невеликі струмки. Здатність води пінитися в даному випадку пов'язана з наявністю в ній органічної речовини, яку виділяють коріння рослин. Це приклад того, як піняться природні рідкі речовини. А як же йде справа з технікою? При будівництві, наприклад, використовують спеціальні матеріали, які володіють комірчастої структурою, що нагадує піну. Вони легкі, дешеві, досить міцні, погано проводять звуки і теплоту. Для отримання їх у спеціальні розчини додають сприяють піноутворення речовини.

Висновок

Отже, ми дізналися, які речовини відносяться до рідким, з'ясували, що рідина є проміжним станом речовини між газоподібним і твердим. Тому у неї є властивості, характерні для того й іншого. Рідкі кристали, які сьогодні широко використовуються в техніці і промисловості (наприклад, рідкокристалічні дисплеї) є яскравим прикладом цього стану речовини. У них об'єднані властивості твердих тіл і рідин. Складно уявити, які речовини рідкі винайде в майбутньому наука. Однак ясно, що в цьому стані речовини є великий потенціал, який можна використовувати на благо людства.

Особливий інтерес до розгляду фізико-хімічних процесів, що протікають в рідкому стані, обумовлений тим, що сама людина складається на 90% з води, яка є найпоширенішою на Землі рідиною. Саме в ній відбуваються всі життєво важливі процеси як в рослинному, так і у тваринному світі. Тому для всіх нас актуально вивчати рідкий стан речовини.