УЧЕБНАЯ КНИГА ПО ХИМИИ

ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ СРЕДНИХ ШКОЛ,
СТУДЕНТОВ ПЕДАГОГИЧЕСКИХ ВУЗОВ И ШКОЛЬНИКОВ 9–10 КЛАССОВ,
РЕШИВШИХ ПОСВЯТИТЬ СЕБЯ ХИМИИ И ЕСТЕСТВОЗНАНИЮ

УЧЕБНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМНАУЧНЫЕ РАССКАЗЫ ДЛЯ ЧТЕНИЯ

Продолжение. См. № 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23/2003

§ 5.4. Вещество в жидком состоянии

Что такое жидкость, должен знать каждый человек.
В этом разделе вы познакомитесь с таким ее свойством, как вязкость, которое имеет большое значение при перекачивании жидкости по трубам, например нефти, воды и др. Если вы будете заниматься живописью, вам придется иметь дело с вязкостью растворителей и красок. Особенно важно знать, как и почему вязкость жидкости зависит от температуры. Газы, особенно при высоких давлениях, также имеют заметную вязкость.

Силы взаимодействия между молекулами жидкости значительно больше по сравнению с силами, действующими в газах. Благодаря этим взаимодействиям в жидкостях возникают мельчайшие участки с упорядоченной структурой, которые непрерывно распадаются и снова образуются. Это приводит к тому, что энтропия жидкости меньше энтропии газа, но больше энтропии кристалла.
Невысокая прочность связей между частицами жидкости обусловливает ее подвижность и текучесть. Сжимаемость жидкостей намного меньше сжимаемости газов и близка к сжимаемости кристаллов. Плотность жидкости намного больше плотности газа и также приближается к плотности кристалла.

По многим свойствам жидкости занимают промежуточное положение между газами и кристаллами, поэтому для описания жидкостей используют представления, присущие газовому и кристаллическому состояниям. Как правило, чем ниже температура и чем она ближе к температуре кристаллизации (плавления), тем ближе свойства жидкости к свойствам кристалла. Наоборот, чем выше температура жидкости и чем она ближе к температуре кипения, тем больше сходства в поведении жидкости и газа.
Силы взаимодействия между молекулами жидкости зависят от ее химической природы. Чем более полярны молекулы жидкости, тем сильнее взаимодействие между молекулами и тем ближе по строению и поведению жидкость к кристаллу. Например, такие полярные вещества, как вода, аммиак или серная кислота, в жидком состоянии ближе к кристаллам. Такие неполярные жидкости, как бензол или толуол, наоборот, по своим свойствам ближе к газам.
Взаимодействие между молекулами жидкости вызвано в основном водородными связями (вода, аммиак, фтороводород) и силами Ван-дер-Ваальса, на которых остановимся несколько подробнее.
Силы Ван-дер-Ваальса – это силы притяжения между молекулами вещества в газообразном, жидком и кристаллическом состояниях, они могут возникать между полярными, неполярными, а также полярными и неполярными молекулами.
На рис. 5.7 показана схема образования ассоциатов (групп молекул) полярных молекул. Они представляют собой чаще всего пространственные упорядоченные участки.

Рис. 5.8. Схема образования ассоциатов полярной и неполярной молекул

Схема образования ассоциатов полярных и неполярных
молекул приведена на рис. 5.8.
Межмолекулярные взаимодействия проявляются и между неполярными молекулами. Благодаря непрерывному перемещению электронов в атомах и молекулах центры положительного и отрицательного зарядов в какой-то момент времени могут не совпадать. В результате возникает мгновенный диполь, который смещает электронные облака соседних молекул, превращая их в электрические диполи.
Один из методов изучения структуры жидкостей основан на исследовании вязкости. Это свойство отражает способность вещества оказывать сопротивление перемещению одной из его частей относительно другой. Вязкость в значительной степени зависит от мольной массы вещества, строения молекул, типа межмолекулярных взаимодействий и многих других факторов.
У веществ в газовом состоянии вязкость почти не зависит от давления, а вязкость жидкостей увеличивается с повышением давления. Однако вязкость воды представляет собой исключение из этого правила. При температурах ниже 25 °С вязкость воды с ростом давления снижается, проходит через минимум и затем повышается. Вода при температуре 20 °С имеет вязкость 1,002 мПа•с, что принято в качестве эталона.
С повышением температуры вязкость веществ в газовом состоянии возрастает, а жидкостей – уменьшается (экспоненциально).

Зависимость вязкости от температуры для большинства жидкостей выражается формулой:

или

где А – постоянная, или коэффициент (как определить численное значение А?);
E_вязк – энергия активации вязкого течения, т. е. тот энергетический барьер, который следует преодолеть для смещения слоя 1 моль частиц относительно другого такого же слоя (как определить численное значение E_вязк?);
R – универсальная газовая постоянная;
Т – температура;
е – основание натурального логарифма;
exp – показательная (экспоненциальная) функция,

у = е^х или у = ехр х.

Другим свойством жидкостей, зависящим от их структуры, является плотность. Обсудим это свойство на примере воды, которая представляет собой совокупность мельчайших областей (объемов) со структурой льда, полимерных образований (Н₂О)_n с различным значением n, и отдельных молекул воды. Очень важно для объяснения многих свойств воды то, что ее молекулы расположены в жидкости плотнее, чем в кристаллах льда. По этой причине лед плавает на поверхности рек и озер.
На рис. 5.9 показана зависимость плотности жидкой воды от температуры. Наибольшая плотность наблюдается при температуре +4,0 °С, ниже и выше этой температуры плотность воды меньше (кривая 1). Подобный вид кривой свидетельствует о том, что она как бы состоит из двух зависимостей, изменяющихся противоположно.

Рис. 5.9. Зависимость плотности воды от температуры: 1 – суммарная зависимость; 2 – составляющая, обусловленная тепловым расширением жидкости; 3 – составляющая, обусловленная разрушением льдоподобных структур, находящихся в воде

Участок кривой 1, а (до температуры +4 °С) показывает повышение плотности воды при ее нагревании, участок кривой 1, б – понижение ее плотности при дальнейшем нагревании.
Можно предположить, что кривая 1 показывает изменение плотности воды при повышении температуры вследствие одновременного изменения двух свойств воды: теплового расширения и структурного состояния.
При повышении температуры воды из-за теплового расширения плотность должна бы непрерывно понижаться, как показывает кривая 2.
Однако с повышением температуры происходит непрерывное разрушение льдоподобных структур (мельчайшие осколки льда, находящиеся в воде) и увеличение количества свободных молекул воды. В структуре льда молекулы расположены менее плотно, чем в воде, состоящей из большего числа одиночных молекул, поэтому при повышении температуры из-за структурной перестройки плотность воды повышается. Это изменение отражает кривая 3.
Кривые 2 и 3 характеризуют изменения двух свойств воды. Сумму числовых значений, соотносящихся с этими свойствами, можно выразить кривой 1, свидетельствующей о максимуме плотности при температуре +4 °С. До этой температуры (кривая 1, а) влияние разрушения льдоподобных структур на плотность превышает влияние теплового расширения воды, в результате плотность воды повышается. При дальнейшем увеличении температуры (выше +4 °С) влияние теплового расширения воды оказывается сильнее влияния разрушения льдоподобных структур, и плотность воды понижается (кривая 1, б).
Сложение двух противоположно направленных изменений приводит к возникновению максимума плотности воды при температуре +4 °С.
Чистые жидкости в природе не встречаются (за одним исключением: вода из озера Байкал – самая чистая вода в природе). Изучение свойств чистых жидкостей обычно проводят для сравнения с поведением раствора.

Список новых и забытых понятий и слов

ЗАДАЧИ И ВОПРОСЫ

1. Объясните, почему плавление льда сопровождается уменьшением объема.

2. В безводном жидком аммиаке образуются противоположно заряженные ионы по уравнению:

Напишите по аналогии соответствующее уравнение для воды.

3. Почему при одинаковой концентрации растворенных фтороводорода HF (плавиковая кислота) и хлороводорода HCl (соляная кислота) концентрация ионов водорода в растворе HF намного ниже?

4. При разбавлении водой этилового спирта С₂Н₅ОН уменьшается общий объем и выделяется теплота. Какова причина этого явления?

5. В стакане на поверхности воды плавает кусок льда. Изменится ли уровень воды в стакане после того, как лед растает?
В стакан с водой помещен кусок льда так, что он полностью покрыт водой. Изменится ли уровень воды в стакане после того, как лед растает?

6. Температура плавления льда из тяжелой воды D₂O выше температуры плавления льда из обычной воды Н₂О на 3,8 °С. Какой вывод можно сделать из этого факта?

7. Говорят, если бутылку с газированной водой охладить до (–8)+(–10) °С, а затем встряхнуть, то жидкое состояние сохранится. Но если сразу после встряхивания открыть пробку, то жидкость замерзнет. Почему?

8. Переведите на русский язык.

The internal structure of liquids has been elucidated only in the broadest outlines, and there is still no general theory of the liquid state. It is therefore impossible as yet to predict and calculate the different properties of liquids, as can be done in many cases for gases and crystals on the basis of theories of the gaseous and crystalline states.
This is due to the circumstance that the internal structure of liquids is much more intricate than that of gases, and crystals. In the first place, the densities of liquids are many times higher than those of gases. The distances between molecules in liquids are so small, that the properties of liquids are largely determined by the actual volume of the molecules and the forces of attraction between them, whereas in gases under ordinary conditions these factors are negligible. Since the distances between the molecules are small, their geometrical form and polar properties of polar liquids depend not only on the interactions between molecules as a whole, but also on the interactions between parts of different molecules.
The first attempts to create a theory of the liquid state were based on the assumption of an analogy between gases and liquids. The study of the processes of liquefaction and the discovery of the critical temperature indicated the possibility of a continuous transition between these states.

О.С.ЗАЙЦЕВ