Все предметы окружающего нас мира состоят из атомов. Свойства любых твердых, жидких и газообразных веществ опре деляются индивидуальными особенностями строения атомов, а также способом расположения и взаимной связи их друг с другом.

§ 1. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

Всякое вещество при соответствующих температурах и давлениях может находиться в различных агрегатных состояниях и представлять собой твердое, жидкое или газообразное тело.

В твердом теле силы внутренних связей атомов настолько велики, что для изменения взаимного расположения их, т. е. для изменения формы тела, нужно приложить значительные усилия. Жидкости характеризуются сравнительно свободным перемещением частиц — атомов или молекул, однако силы связи между частицами при этом сохраняют значительную величину. Под действием этих сил сво­бодный небольшой объем жидкости, например, собирается в каплю. Твердое и жидкое состояния иногда объединяют понятием «кон­денсированное состояние» или «конденсированная фаза». Атомы или молекулы газообразного вещества полностью теряют связь между собой и при отсутствии ограничений удаляются друг от друга.

В металле, находящемся в твердом состоянии, атомы фиксиро­ваны в определенном положении относительно друг друга. Тем не менее они не абсолютно неподвижны и непрерывно колеблются относительно некоторого среднего положения. Величина ампли­туды и интенсивность этих колебаний зависят от температуры. При сообщении атомам металла дополнительной энергии, например на­греванием, амплитуда колебаний растет, атомы несколько удаля­ются друг от друга — происходит тепловое расширение металла. Дальнейшее нагревание может привести к переходу твердого металла в жидкое состояние. Описанный процесс требует затраты энер­гии и сопровождается поглощением определенного для жидкого ме­талла количества тепла, называемого теплотой плавления. Тепло это обычно относят к единице массы и измеряют в кал! моль или кал/г.

Жидкое состояние до сих пор остается наименее изученным: нет законченной теории, достаточно полно объясняющей его особен­ности. Частицы жидкости расположены так же близко друг от друга, как и частицы твердого тела, поэтому уменьшение объема при

всестороннем сжатии жидкости требует больших давлений и возможно только за счет деформации электронных оболочек атомов. Во многих случаях жидкости можно считать практически несжимаемыми. Важно отметить, что для всестороннего растяжения жидкости, как и для сжатия, необходимо приложить весьма большие усилия. Но сдвигу жидкости не оказывают сопротивления, что и является причиной подвижности и легкости изменения формы жидкого тела. Нагревание жидкости увеличивает энергию частиц, которые пол­ностью разрывают связи друг с другом. Жидкость превращается в пар, т. е. переходит в газообразное состояние. Для разрушения связей между частицами жидкого тела расходуется энергия, которую называют теплотой испарения.

Величины удельной теплоты испарения и плавления могут слу­жить показателями для качественной оценки прочности связей ато­мов или молекул в твердых телах и жидкостях.

Если в результате испарения жидкости образуется молекуляр­ный газ, то при нагревании происходит его диссоциация — разру­шение связей, объединяющих атомы в молекулу. Этот процесс также требует затраты энергии, величина которой зависит от прочности связей. В результате диссоциации атомы приобретают полную само­стоятельность.

Дальнейшее повышение температуры приводит к нарушению структуры электронных оболочек атомов. В первую очередь от своих ядер отрываются наиболее удаленные и обладающие самой боль­шой энергией валентные электроны, затем последовательно разру­шаются все более глубокие оболочки —происходит процесс иониза­ции. При очень высоких температурах, трудно достижимых в зем­ных условиях, возможна многократная ионизация — ионизация с отрывом нескольких электронов от атома. В конечном счете может образоваться система из «голых» ядер атомов и свободных элек­тронов.

Для оценки полной энергии Е связей в твердых металлах сле­дует учитывать не только сумму теплоты плавления и испарения 5ПЛ + 5исп — теплоту сублимации 5суб, но и энергию ионизации /. Теплоту сублимации приближенно можно определить из эмпири­ческого уравнения (правила Трутона)

Scyc — 0,02357[2]кип ккал/моль, (1.1)

где ТКИП — температура кипения металла при атмосферном дав­лении, °К.

Энергию ионизации / можно найти по значениям потенциала ионизации1 (с учетом кратности ионизации). Тогда

Е = SCy6 + I. (1.2)

Значения Е для некоторых щелочных металлов приведены в табл. 1.

Ионизация коренным образом меняет свойства газов. В обычных условиях они состоят из электрически нейтральных атомов или молекул и поэтому независимо от состава всегда выступают непро­водниками электрического тока — изоляторами. Пары металла, например ртути,— такой же непроводник тока, как воздух или водяной пар. При начавшейся ионизации газа в нем, кроме элект­рически нейтральных частиц, появляются частицы, электрически заряженные — свободные электроны и ионы, образующиеся из ней­тральных частиц вследствие потери или присоединения лишнего электрона.

Электропроводность газа зависит от степени ионизации (см. § 13), является признаком его ионизации и позволяет количественно определять степень последней.

При высоких степенях ионизации электропроводность газа мо­жет приближаться к электропроводности металлов. Ионизирован­ный газ, обладающий электропроводностью, называется плазмой. Обычно этот термин применяют к газу с достаточно высокой степе­нью ионизации — не ниже 10“4, или 0,01%.

Незначительная степень ионизации газа есть во всяком пла­мени, например даже в пламени свечи или спички. Она быстро растет с температурой; при температуре 3000° С и выше газ уже можно считать плазмой. Своеобразные свойства плазмы дают основание относить ее к особому, четвертому состоянию ма­терии.

Изучение плазмы и использование ее необычных свойств —-одна из основных проблем современной науки. Распространенность плаз­мы в природе очень велика. Можно сказать, что мир, в котором мы живем, на 99,9% состоит из плазмы. Звезды, туманности, межзвезд­ный газ космического пространства — это плазма; планеты, метео­риты, ядра комет, имеющие низкие температуры и содержащие не­значительную часть материи Вселенной, — вещество в неплазмен­ном состоянии. Плазма играет существенную роль в некоторых

И

технических процессах: дуговой сварке, плазменной сварке и резке. В земных условиях плазма может быть создана лишь в специаль­ных лабораторных установках при непрерывном подводе энергии, покрывающей потери в окружающую среду.

Явления плавления, испарения, диссоциации и ионизации по­стоянно наблюдаются в сварочных процессах. )

При охлаждении восстановление связей происходит в обратной последовательности. Сначала восстанавливаются электронные обо­лочки и возникают нейтральные атомы. Последние могут объеди­няться в молекулы, которые по мере уменьшения их энергии все чаще вступают во временное сцепление друг с другом, пока нако­нец газ не превратится в жидкость. В жидкости непрерывно пере­мещающиеся атомы создают определенные комбинации, которые тут же разрушаются. Дальнейшее снижение температуры приводит к тому, что энергия атомов становится недостаточной для того, чтобы разрушить временно возникающие между ними связи. К зародив­шейся системе присоединяются новые атомы. Постепенно под дей­ствием сил внутренних связей размещение атомов упорядочива­ется и положение их фиксируется. Так происходит переход из жид­кого состояния в твердое.

Во всех изменениях состояния, в которых при нагреве затрачи­вается энергия (плавление, испарение, диссоциация, ионизация), при охлаждении и обратном превращении освобождается такое же количество тепловой или другой энергии.

Разнообразные превращения вещества в химических реакциях и физических процессах управляются общим законом природы, согласно которому всякая система самопроизвольно изменяется в направлении уменьшения ее потенциальной энергии как наиболее устойчивого в данных условиях состояния. Камень на вершине холма находится в неустойчивом положении, устойчивое его поло­жение — у подножия холма.

В устойчивом состоянии атома расположение электронов отве­чает минимуму его энергии. При атмосферном давлении и темпера­туре ниже 0° С минимум энергии дает лед, выше 0° С — вода в жид­ком состоянии, выше 100° С — водяной пар. Для температур ниже 911°Сминимум энергии имеет а-железо, в интервале911 — 1392°С— у-железо и т. д. Вода, переохлажденная ниже 0° С и перегретая выше 100° С, некоторое время может существовать и в жидком сос­тоянии, но это состояние будет неустойчивым.

Принцип минимума энергии говорит лишь о вероятности нап­равления превращения, но ничего не говорит о времени этого превращения. Камень на вершине холма может лежать тысячи лёт, стальные орудия, закаленные сотни лет назад, сохраняют твердость и сейчас, так как неустойчивые закалочные структуры в стали при низких температурах имеют чрезвычайно малую, практически нулевую скорость превращения. Сухой порох может храниться десятки лет, пока не будет внесена начальная искра, инициирующая взрыв.