М.А.АХМЕТОВ

Конспект лекций
по общей химии

Продолжение.
Начало см. в № 8, 12, 13, 20, 23, 25-26, 40/2004;
1, 11, 15/2005;
7/2006

Глава 8. Строение вещества

8.1. Агрегатные состояния вещества

Химики изучают превращения веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях – газообразном (газы), жидком (жидкости) и твердом (твердые аморфные тела либо кристаллы) (табл. 8.1).

Таблица 8.1

Свойства газов, жидкостей, твердых веществ

Газы. Наиболее характерным свойством является сжимаемость и способность расширяться. Газы не имеют собственной формы, они расширяются до тех пор, пока равномерно не заполнят весь сосуд, куда их поместили. Это означает, что газы не имеют собственного объема, т.е. объем газа определяется объемом сосуда, в котором он находится. Газ оказывает на стенки сосуда давление, одинаковое во всех направлениях. Еще одним свойством газов является их способность смешиваться друг с другом в любых соотношениях.

Жидкости. Подобно газам, жидкости не имеют определенной формы. Жидкость принимает форму того сосуда, в котором она находится, при установившемся под влиянием силы тяжести некотором ее уровне. Однако в отличие от газа жидкость имеет собственный объем. Сжимаемость жидкостей очень мала. Для того чтобы заметно сжать жидкость, требуется очень высокое давление.

Твердые вещества. Твердые тела отличаются от жидкостей и газов наличием собственной формы и определенного объема. Сжимаемость твердых тел чрезвычайно мала даже при очень высоких давлениях.

8.2. Газы

Газообразному состоянию присущи две особенности:

1) расстояние между молекулами обычно в несколько раз превышает их размеры;

2) газы способны занимать весь объем предоставленного им пространства.

Газы в отличие от жидкостей и твердых тел могут сравнительно легко сжиматься. Для того чтобы хорошо понимать особенности строения газообразного вещества, нужно знать, чему равен молярный объем газа, какова взаимосвязь между занимаемым газом объемом и количеством вещества, температурой и давлением, как определить среднее расстояние между молекулами газа и как оно зависит от его давления, с какой скоростью двигаются молекулы газообразного вещества и от чего эта скорость зависит.

Молярный объем газа – постоянная величина, поскольку она мало зависит от природы вещества. Молярный объем при давлении 1 атм (101,3 кПа) и температуре 0 °С (273 K) по закону Авогадро равен 22,4 л. Газ, строго подчиняющийся закону Авогадро, принято называть идеальным.

Выбранные условия (1 атм, 0 °С) названы нормальными (н.у.). В школьных курсах химии и физики незначительными отклонениями свойств реальных газов от вытекающих из закона Авогадро для идеального газа пренебрегают. Естественно, что молярный объем газа зависит от температуры и давления. При 25 °С и давлении 1 атм (эти условия названы стандартными) молярный объем идеального газа равен уже 24,4 л.

Молярные объемы реальных газов при одних и тех же условиях несколько отличаются от молярного объема идеального газа (табл. 8.2).

Таблица 8.2

Молярные объемы некоторых газов при 0 °С и 1 атм

Поясним понятие молярного объема на примере следующего мысленного эксперимента. В цилиндрический сосуд, разделенный на две равные части резиновой мембраной, помещены равные количества веществ хлора и водорода (рис. 8.1) (газы считать идеальными). Произойдет ли выдавливание резиновой мембраны, разделяющей сосуд, в сторону одного из газов?

Рис. 8.1. Сравнение давлений, создаваемых равными количествами веществ хлора и водорода

При ответе на поставленный вопрос необходимо иметь в виду, что давление газа создается за счет ударов его молекул о стенки сосуда. Поскольку количества молекул с обеих сторон мембраны равны, а масса молекулы хлора почти в 35,5 раза больше массы молекулы водорода, можно предположить, что молекулы хлора создадут большее давление и перегородка выдавится в сторону водорода.

Однако этот ответ неверен, потому что не учтено различие в скоростях движения молекул хлора и водорода. Молекулы водорода двигаются быстрее. Увеличение массы молекулы газа компенсируется уменьшением скорости ее движения. Поэтому давления, создаваемые различными газами, в итоге окажутся равными. Формулировку закона Авогадро в связи с вышеизложенным можно изменить: газы при одинаковых условиях занимают равные объемы, а значит, создают равные давления.

Скорость движения молекул газов. Очевидно, что молекулы газа в один и тот же момент времени движутся с разными скоростями. В расчетах скоростей движения молекул воздуха при 20 °С были получены данные, представленные в табл. 8.3.

Таблица 8.3

Скорости движения молекул воздуха при 20 °С

Диапазон скоростей, м/с	Процент молекул, имеющих данную скорость
0–100	1
100–300	25
300–500	42
500–700	24
700–900	7
выше 900	1

Легко рассчитать среднюю квадратичную скорость движения молекул газа, зная зависимость скорости движения молекулы от ее массы и температуры:

Результаты расчетов для ряда молекул приведены в табл. 8.4.

Таблица 8.4

Средняя квадратичная скорость () молекул некоторых газов при 25 °С

Газ	, м/с
H2	1930 (~7000 км/ч)
He	1365
CH4	680
NH3	660
H2O	640
N2	515
О2	480
CО2	410

Связь температуры, давления, объема и количества газообразного вещества. Все параметры, описывающие состояние газа (количество вещества, температура, давление), входят в единое уравнение:

pV = RT,

где p – давление, V – объем, – количество вещества, R – универсальная газовая постоянная,
Т – абсолютная температура. Это так называемое уравнение Kлапейрона–Менделеева, известное также как уравнение состояния идеального газа. При пользовании данным уравнением в него необходимо подставлять все параметры в рамках одной системы единиц.

Рекомендуемой в настоящее время является система единиц СИ, в которой давление измеряется в паскалях (Па, 1 атм = 101,3 кПа), объем – в кубических метрах (м³, 1 м³ = 1000 л), количество вещества – в молях, температура в кельвинах (K, 1K = 273 °С), а универсальная газовая постоянная равна 8,31 Дж•K^–1•моль^–1. Из уравнения состояния идеального газа вытекает, что увеличение давления в два раза при постоянной температуре приведет к уменьшению объема газа в два раза (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Зависимость объема газа от давления при постоянной температуре

Средние расстояния между частицами газов. Определим в качестве примера среднее расстояние между атомами гелия при температуре 0 °С и атмосферном давлении. Один моль атомов гелия в этих условиях займет объем 22,4 л. Найдем объем, приходящийся на один атом гелия. С этой целью объем 22,4 л разделим на количество находящихся в нем атомов (6,02•10²³). На один атом приходится объем 3,72•10^–23 л.

Если принять, что каждый атом гелия расположен в центре кубика такого объема (рис. 8.3), то ближайшее расстояние между атомами примерно равно корню кубическому из этого объема:

Рис. 8.3. Геометрический способ оценки среднего расстояния между молекулами газообразного вещества