ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Макротела из "Электронные структуры атомов и химическая связь" Гораздо чаще имеют дело не с отдельными атомами или молекулами, а с их устойчивыми совокупностями — химическими веществами, из которых состоят макротела. Устойчивость микрочастиц, составляющих данное тело,— обязательное условие устойчивости всего тела. Макротело не может устойчиво существовать, если отдельные его частицы неустойчивы. Однако обратное неверно — нельзя утверждать, что любая совокупность устойчивых по отдельности частиц является устойчивой системой. Иллюстрацией к сказанному могут служить системы из молекул Са и Нг. Всем известно, что в большом диапазоне температур и давлений, тела, состоящие из сколько-нибудь значительного количества молекул Сг, неустойчивы, тогда как совокупность молекул водорода На— химическое вещество водород — реально существующая устойчивая система. Между тем, как показано выше. Молекула Са прочнее, чем молекула На. Подобных примеров множество. [c.198] Что же характеризует устойчивость макротела По какому признаку можно определить, какое из данных двух или нескольких макротел более устойчиво На этот вопрос отвечает наука термодинамика. [c.198] Термодинамика изучает законы взаимных превращений различных видов энергии при всевозможных физических и химических процессах в макросистемах. Исходя из законов термодинамики можно выяснить, каковы условия устойчивости макросистемы из данных атомов. [c.198] Естественно, что самопроизвольный процесс происходит таким образом, что система в результате процесса оказывается в наиболее устойчивом состоянии, т. е. процесс всегда происходит в сторону уменьшения С-потенциала. Таким образом, величина термодинамического потенциала показывает устойчивость или неустойчивость данной системы и соответственно направление самопроизвольного процесса. Так, в рассмотренном примере, если газ, состоящий из атомов или молекул углерода, окажется при обычных условиях, то он самопроизвольно сконденсируется в твердое тело твердый же водород расщепится на отдельные молекулы Нг, а твердый метан — на молекулы СН. [c.199] Существование индикатора направления самопроизвольных процессов и устойчивости различных систем не должно вызывать недоумение. С аналогичными показателями для многих систем и процессов человек сталкивается многократно и знание их широко использует. Хорошо, например, известно, что при контакте двух тел, различающихся температурами, процесс пойдет в сторону выравнивания температур, т. е. более холодное тело будет нагреваться, а более горячее — охлаждаться. Наиболее устойчивой в отношении изменения температуры будет система из равнонагретых тел. В системе, состоящей из находящихся в контакте двух растворов из данных компонентов, процесс пойдет в сторону выравнивания концентраций концентрация более разбавленного раствора увеличится до определенного значения с, а концентрация менее разбавленного раствора понизится до той же концентрации с. Устойчивой системе будут отвечать определенная постоянная средняя концентрация с. [c.200] Для выяснения направления самопроизвольных процессов в приведенных примерах не стоит вычислять О-по-тенциал систем. В рассмотренных случаях направления самопроизвольных процессов очевидны на основании житейского опыта. Но если все же вычислить С-потенциал для каждой из рассмотренных систем, значение его окажется минимальным в случае самой устойчивой, в данных условиях, системы, соответственно при равной температуре и при равной концентрации растворенного вещества. [c.200] Значение О-потенциала зависит от давления Р, объема V, температуры Т системы и от двух других ее свойств внутренней энергии и и энтропии 5. [c.202] Внутренней энергией системы называется суммарная энергия электронов, ядер, а также колебательная и вращательная энергия молекул, составляющих систему. Потенциальная и кинетическая энергия макротела как целого не являются составляющими внутренней энергии, т. е. на значение внутренней энергии тела не влияет ни его положение в пространстве, ни его перемещение. Внутренняя энергия тела зависит от природы составляющих его атомов и молекул и температуры. Чем выше температура тела, тем в более возбужденном состоянии находятся электроны, быстрее и с большими амплитудами колеблются ядра атомов в молекулах, быстрее вращаются молекулы и их составные части, т. е. внутренняя энергия тела растет с его температурой. [c.202] Таким образом, изобарно-изотермический потенциал равен разности между энтальпией и так называемым энтропийным фактором системы Т8. [c.203] С ростом температуры увеличивается значение Т8 и Н тела, и минимальное значение Я—Т8 отвечает все большему беспорядку в системе. Таким образом, с ростом температуры устойчивое состояние системы отвечает все менее упорядоченному расположению частиц. При высоких температурах побеждает беспорядок. [c.204] В зависимости от степени порядка в устойчивой системе, от характера движения частиц в ней говорят о различном агрегатном состоянии вещества. Для многих веществ существует область температур и давлений, при которых устойчивым состоянием вещества является газообразное (парообразное) состояние. В газообразном состоянии вещества энтропийный фактор и внутренняя энергия системы столь велики, что притяжение между частицами незначительно и порядок в системе очень мал — частицы хаотично движутся, занимая весь предоставленный веществу объем. [c.204] В области более низких температур и высоких давлений вещество устойчиво в жидком агрегатном состоянии. В жидкости энтропийный фактор и внутренняя энергия системы еще достаточно велики и частицы свободно перемещаются друг относительно друга. Однако взаимодействие между частицами в жидкости уже гораздо сильнее, чем в газе, благодаря чему в жидкости существует так называемый ближний порядок — порядок в слое частиц, непосредственно окружающем данную. [c.204] Аморфное состояние вещества удобно описывать (так часто и поступают) как очень вязкое жидкое состояние. В аморфном состоянии частицы тела почти неупорядочены, как в жидкости, но относительно неподвижны, как в кристалле. Общее название жидкого и твердого состояний — конденсированное состояние. Преобладающее большинство веществ при обычных условиях находится в конденсированном состоянии. [c.205] Отметим, что конденсированное состояние для высокомолекулярных соединений (высокополимеров) — единственно возможное состояние. При нагревании длинные молекулы полимеров разрушаются раньше, чем разъединяются, т. е. раньше, чем переходят в газообразное состояние. Специфично для высокополимеров так называемое высокоэластичное состояние. Высокоэластичное состояние качественно можно описать как промежуточное между жидким и твердым. В этом состоянии каждая молекулярная цепь в целом неподвижна, как в твердом теле, а отдельные звенья цепи более или менее подвижны и могут менять взаимное расположение, как молекулы в низкомолекулярных жидкостях. [c.205] Для большинства веществ есть области температур и давлений, в которых устойчивое состояние отвечает равновесному сосуществованию двух агрегатных состояний. Типичный пример — вода. Всем известно, что в широком интервале температур и давлений устойчивое состояние воды — это равновесная система из жидкой воды и пара. В другой области температур и давлений устойчиво сосуществует лед с паром, в третьей — лед с жидкой водой. Для многих веществ известны так называемые тройные точки — определенные температура и давление, при которых устойчиво сосуществует три агрегатных состояния. Для воды это температура 0,0 °С и давление 4,6 мм ртутного столба. [c.205] Устойчивость макротел — минимальное значение их О-потенциала — результат взаимодействия между структурными составляющими макротел. В кристаллах, состоящих из атомов или ионов, это знакомая нам атомная или ионная химическая связь. В металлах — особая металлическая связь. [c.205] Устойчивость газообразных, жидких и большинства органических веществ в кристаллическом состоянии, т. е. устойчивость веществ, состоящих из молекул,— результат межмолекулярного взаимодействия. [c.206] Вернуться к основной статье