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, 24/2003

§ 5.5. Вода и диаграмма состояния воды

Разве вам не важно знать, что если в стакане находятся куски льда и жидкая вода, то как бы вы ни нагревали стакан, температура воды в нем будет строго постоянной, равной 0 °С. Такая температура продержится до полного исчезновения последнего куска льда. Почему?
В стакане кипит вода. Каким бы пламенем или на какой бы электроплитке вы ни нагревали стакан, температура жидкой воды будет постоянной, равной 100 °С. Почему?
Вам может встретиться понятие «степень свободы», с ним вы познакомитесь также в этом разделе.

Говорят, что вода – единственное на Земле вещество, которое в природе встречается одновременно в трех фазовых состояниях, или просто фазах. Фаза – часть системы, имеющая один и тот же состав, строение и одинаковые свойства. Если в стакане находятся жидкая вода и куски льда, то мы говорим, что это система двухфазная – жидкость и кристаллы. Причем, несмотря на то, что куски льда разделены жидкой водой, весь лед считается одной кристаллической фазой. Число фаз и сама система зависят от того, что рассматривает исследователь. Если важно рассмотреть взаимодействие жидкой воды, льда и газа (пар), то в этом случае система будет трехфазной. Более того, в качестве фазы можно рассматривать стеклянные стенки стакана, и тогда система – четырехфазная. Следовательно, число фаз системы зависит от варианта ее рассмотрения.
Переход вещества из одного фазового состояния в другое называется фазовым переходом. При обычных условиях вода существует в виде кристаллов (лед), жидкости и газа (пар). Каждая из этих фаз воды устойчива только при определенных сочетаниях температуры и давления. Например, если при атмосферном давлении повысить температуру до 100 °С, то вода закипит и превратится в пар (газ). Если давление будет ниже атмосферного, переход жидкости в пар будет проходить при более низкой температуре. При некоторых низких давлениях вода кипит и при комнатной температуре. Если давление выше атмосферного, то вода закипит при температуре выше 100 °С. Лед плавится при температуре 0 °С и атмосферном давлении, но при изменении давления изменяется и температура плавления льда.
Таким образом, каждая фаза воды – кристалл, жидкость, газ – устойчива только при определенных температурах и давлениях. Проведем следующий эксперимент, связанный с влиянием различных температур и давлений на состояние воды. Например, поместим стаканчик с водой в холодильник при температуре –10 °С и давлении 101 325 Па (1 атм). Отмечаем, вода замерзла, т. е. ее фазовое состояние – лед. Повысим температуру до –5 °С при том же давлении. Вода также находится в виде льда. Теперь повысим температуру до +10 °С. При этих условиях вода – в жидком состоянии. Поднимем температуру до +80 °С – вода еще жидкая. Температуру увеличим до +110 °С – вода превратилась в газ.
Построим график, на котором по вертикальной оси (ось ординат) отложим значения давления, по горизонтальной оси (ось абсцисс) – температуры. Теперь на графике обозначим точки, соответствующие температурам и давлениям, которые использовали для изучения фазовых состояний воды. Эти точки назовем «к», «ж» и «г» (соответственно кристалл, жидкость, газ) в зависимости от фазового состояния воды при данных условиях. В результате получим то, что изображено на рис. 5.10, из которого видно, что он разделен на три части. Каждая часть соответствует существованию воды в кристаллическом, жидком и газовом состояниях.
Проведите на рис. 5.10 мягким карандашом (чтобы потом можно было стереть) плавные линии между областями существования газообразной (г), жидкой (ж) и кристаллической (к) воды.

Рис. 5.10. Области существования фаз воды в зависимости от температуры и давления: к – лед, ж – жидкость, г – газ

Теперь будем изменять температуру и давление в узких интервалах, чтобы как можно точнее определить, при каких условиях вода существует в той или иной фазе. Отделим области существования фаз кривыми и получим график, изображенный на рис. 5.11. Это – диаграмма состояния воды. Кривые, проходящие между областями существования фаз, делят диаграмму на поля устойчивости фаз воды – кристаллической, жидкой и газообразной.

Рис. 5.11. Диаграмма состояния воды

Запомнить диаграмму состояния воды нетрудно. Вы знаете, что лед существует при низких температурах и высоких давлениях – этим условиям соответствует левая часть диаграммы – поле льда. Газообразная вода (пар) существует при низких давлениях и высоких температурах – этим условиям соответствует нижняя часть диаграммы – поле газа. Жидкая вода существует при некоторых средних температурах и давлениях, и ее поле вклинивается между полями льда и пара.
Все три поля имеют единственную общую точку О, отвечающую такому сочетанию температуры и давления, при которых существуют сразу три фазы воды – лед, жидкость и пар. Точка О называется тройной точкой. В ней сходятся три кривые диаграммы. Тройной точке воды отвечает температура 0,0076 °С (273,16 К) и давление водяного пара 6,10•10² Па (запоминать не надо!). Известная вам температура плавления льда, равная 0 °С, отвечает равновесию льда с водой, насыщенной воздухом.
Кривые на диаграмме состояния не только разделяют поля, но и выражаются уравнениями, характеризующими переход вещества из одного фазового состояния в другое. Кривая ОВ соответствует температурам и давлениям, при которых происходит переход льда в жидкость (плавление льда) или, наоборот, жидкой воды в лед (кристаллизация, отвердевание, замерзание). Эта кривая показывает зависимость температуры плавления льда от давления: чем выше давление, тем при более низкой температуре лед начинает плавиться. По этой причине из-под ледников вытекают ручьи с температурой воды ниже 0 °С.
Иногда этим же явлением объясняют скольжение лезвия конька по льду – от давления тонкого лезвия на лед он плавится, и жидкая вода служит смазкой. (Существует и другое объяснение скольжения конька – молекулы воды, соединенные водородными связями, вращаются под лезвием, как ролики.)
Кривая ОВ описывает равновесие между льдом и жидкостью:

Н₂О (кр.) = Н₂О (ж.).

Все точки этой кривой отвечают тем температурам и давлениям, при которых система является двухфазной, состоящей из кристаллов и жидкости. Когда лед плавится, его алмазоподобная структура частично разрушается, и образуется более плотная жидкая фаза. В соответствии с принципом Ле Шателье при повышении давления равновесие смещается в сторону ослабления воздействия, т. е. в сторону более плотной фазы – жидкой воды. Кривая ОВ наклонена в сторону оси давлений. У немногих веществ обнаруживается такая особенность.

В 1612 г. великий итальянский ученый Г.Галилей обратил внимание на меньшую плотность льда по сравнению с жидкой водой.
Вы знаете, как важна для жизни природы меньшая плотность льда по сравнению с плотностью жидкой воды. Благодаря тому, что лед плавает по поверхности воды, водоемы не промерзают полностью и подо льдом сохраняется зимой жизнь.

Кривая ОК отражает равновесные условия для жидкости и газа:

Н₂О (ж.) = Н₂О (г.).

Это равновесие характеризуется константой равновесия, являющейся просто давлением пара воды над жидкой водой:

К = р(Н₂О).

Как и любая константа равновесия, давление пара воды при ее испарении зависит от температуры в соответствии с уравнением:

Чтобы вычислить и , достаточно составить систему двух уравнений с двумя значениями давления пара воды при двух температурах. Таким образом, кривая ОК описывается уравнением зависимости давления пара над жидкостью от температуры.
Кривая ОА отражает равновесие между льдом и паром:

Н₂О (кр.) = Н₂О (г.),

которое характеризуется константой равновесия:

К = р(Н₂О).

Таким образом, кривая ОА описывается уравнением зависимости давления пара над кристаллом от температуры.
При давлениях ниже давления, отвечающего тройной точке О, лед сразу переходит в пар, не превращаясь в жидкость. Этот процесс называется возгонкой, или сублимацией. Обратный процесс называется конденсацией.
На диаграмме состояния воды есть еще одна особая точка К, которой заканчивается кривая ОК зависимости давления пара над жидкостью от температуры. При перемещении по этой кривой в область более высоких температур и давлений свойства газа и жидкости сближаются и наступает критическое состояние, при котором различия между жидкостью и газом исчезают. Этому состоянию отвечают строго определенные критическое давление и критическая температура. Выше критической точки К ни при каких давлении и температуре не происходит разделения на две фазы – жидкость и газ. Критическое состояние вещества открыл Д.И.Менделеев.

О.С.ЗАЙЦЕВ