Тема лекции: Агрегатные состояния. Идеальный газ. Реальный газ

План лекции:

1 Предмет физической химии, его содержание и задачи.

2 Роль русских и зарубежных ученых в развитии физической химии.

3 Сравнение агрегатных состояний вещества.

4 Основные законы идеального газа.

5 Особенности реального газа.

1. Физическая химия изучает неразрывную связь между физической и химической формами движения материи. Название «физическая химия» указывает на то, что эта наука как бы находится на границе между физикой и химией и зачастую в ней переплетаются они обе. Физическая химия изучает химические процессы физическими методами, устанавливая свойственные этим процессам общие количественные закономерности. Другими словами, физическая химия — это наука, изучающая связь химических и физических свойств веществ, химических, и физических явлений и процессов. Наиболее полно и точно цели и задачи физической химии определил М. В. Ломоносов: «Физическая химия — наука, объясняющая на основании положений и опытов физическую причину того, что происходит через химические операции в сложных телах. Химия и физика так соединены между собой, что одна без другой в совершенстве быть не могут».

Основными проблемами, характеризующими направление и определяющими предмет физической химии, являются проблемы химической термодинамики, изучающей связь между химической и другими формами энергии. Учение о строении вещества рассматривает строение атомов, молекул и агрегатное состояние веществ. Химическая кинетика изучает скорость и механизм химических реакций, а также явление катализа. Учение о растворах рассматривает природу растворов, их внутреннюю структуру, важнейшие свойства, зависящие от концентрации и химической природы компонентов, составляющих раствор, а также свойства растворов электролитов.

В настоящее время физическая химия представляет собой обширную область знаний, из которой выделились такие науки, как коллоидная химия и электрохимия. Коллоидная химия изучает свойства и поведение систем, в состав которых входят частицы относительно больших размеров (высокомолекулярные вещества или агрегаты малой молекулярной массы).

2. Физическая химия, основоположником которой является М. В. Ломоносов, сформировалась как самостоятельная наука в середине XVIII в. М. В. Ломоносов впервые указал на зависимость химических процессов от физического состояния вещества и условий окружающей среды. Он создал атомно-молекулярное учение о строении вещества, открыл закон сохранения материи, изучал свойства растворов, газов. М. В. Ломоносов первым начал читать курс физической химии и организовал лабораторные работы для учащихся. С 1865 г. курс физической химии начинает входить как самостоятельная дисциплина в систему преподавания в учебных заведениях.

Дальнейшему развитию физической химии способствовали работы Д. И. Менделеева. Открытие периодического закона, изучение свойств газов, растворов оказало огромное влияние на развитие физической химии. Большой вклад в развитие науки внесли Вант – Гофф (Голландия), который изучал свойства растворов неэлектролитов, С. Аррениус (Швеция), являющийся основоположником теории электролитической диссоциации, и М. Фарадей (Англия), открывший законы электролиза. К числу создателей современной физической химии относятся ученые нашей Родины: И. А. Каблуков, II. Д. Зелинский, Н. А. Шилов, Н. Н. Семенов и др.

Физическая химия имеет не только теоретическое, но и практическое значение. Законам физической химии подчиняется большинство технологических процессов. Так, например, производство металлов и сплавов, получение пластмасс, химических волокон, удобрений, каучука и т. д. основываются на законах физической химии.

Используемое в пищевой промышленности и общественном питании сырье представляет собой преимущественно коллоидные и высокомолекулярные системы, поэтому для рационального построения технологического процесса переработки такого сырья и объективной оценки качества полученной продукции необходимо знать и уметь применять на практике законы физической и коллоидной химии.

3. В зависимости от внешних условий (температуры и давления) почти каждое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: твердом, жидком или газообразном.

В твердых телах молекулы наиболее сближены между собой и силы притяжения между ними очень велики. Поэтому твердое тело сохраняет свою форму и объем, и чтобы изменить их, надо приложить значительную силу. В твердых телах поступательное движение частиц вещества отсутствует. При этом молекулы, атомы или ионы, из которых состоят твердые тела, расположены в определенном порядке и частицы совершают лишь колебательные движения около определенных точек.

В теле, находящемся в жидком состоянии, расстояние между молекулами несколько больше, чем в твердом теле. Поэтому силы притяжения между молекулами несколько меньше, но еще настолько значительны, что молекулы жидкостей не совершают беспорядочных движений, а лишь «скользят» одна около другой. Молекулы, оказавшиеся на поверхности, могут преодолевать силы межмолекулярного взаимодействия и переходить в газовую фазу — испарение жидкости. Жидкости легко меняют свою форму, например при переливании из одного сосуда в другой. Это свойство жидкости называется текучестью. Жидкости обладают частично упорядоченной структурой: для них характерен ближний порядок в отличие от твердых тел, где существует дальний порядок, т. е. в жидкостях часть молекул сохраняет определенное пространственное расположение. Чем ниже температура жидкости, тем более упорядочена ее структура и тем больше она приближается к структуре твердого тела.

В газах молекулы находятся в непрерывном поступательном движении. При движении они сталкиваются друг с другом. Однако столкнувшись, молекулы вследствие малых ван-дер-ваальсовых сил притяжения и большой кинетической энергии движения тотчас разлетаются. Поступательным движением молекул объясняется способность газов заполнить весь предоставленный им объем. Газ не может занимать, например, только нижнюю половину сосуда, а распространяется по всему cocуду.

Вследствие больших межмолекулярных расстояний газы в отличие от твердых тел и жидкостей обладают способностью сжиматься.

Не все вещества могут находиться во всех трех агрегатных состояниях. Для некоторых возможны только одно или два агрегатных состояния, например карбонат кальция и крахмал существуют только в твердом состоянии. Их практически невозможно получить ни в жидком, ни в газообразном состояниях (при нагревании они разлагаются). Другие вещества при определенных условиях могут находиться одновременно в двух или даже в трех агрегатных состояниях. Так, вода при давлении 6,1ּ102 Па (4,58 мм рт. ст.) и температуре 0,01°С находится в устойчивом равновесии в трех состояниях: твердом (лед), жидком (жидкая вода) и газообразном (водяной пар), что можно записать так: Лед ↔ Вода ↔ Пар

4 Законы идеальных газов. Упрощенной моделью газообразного состояния является идеальный газ. Если газ очень разрежен, то расстояние между отдельными молекулами настолько велико, что силами межмолекулярного взаимодействии можно пренебречь. При этом можно пренебречь и объемом молекул, поскольку он ничтожно мал по сравнению с объемом, занимаемым газом. Газ, находящийся в таком состоянии, при котором можно пренебречь силами молекулярного взаимодействия и объемом его молекул, называется идеальным газом.

Физическое состояние идеального газа определяется в этом случае тремя параметрами: температурой Т, давлением р и объемом V. Все эти величины связаны между собой и зависимость между ними называется уравнением состояния, которое вытекает из трех газовых законов: Бойля — Мариотта, Гей-Люссака и Шарля. Каждый из этих законов устанавливает зависимость между какими-либо двумя параметрами при неизменном третьем параметре.

Зависимость между объемом и давлением газа. Изучая зависимость объема V данной массы газа от давления р, Бойль (Англия) и Мариотт (Франция) независимо друг от друга открыли следующий закон: объем данной массы газа при постоянной температуре обратно пропорционален давлению, под которым газ находится, т. е.

p₁V₁ = p₂V₂ (1)

Таким образом, из закона Бойля — Мариотта вытекает, что произведение объема газа на давление при данной температуре есть величина постоянная.

Зависимость объема газа от температуры. Как и все тела, газы при нагревании расширяются, причем весьма заметно даже при незначительном нагревании. Исследуя тепловое расширение газов, французский ученый Гей-Люссак установил, что для данной массы идеального газа объем при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре. Этот закон получил название закона Гей-Люссака:

V=k*T (2)

где V — объем газа; Т — абсолютная температура, К (К —градусы в шкале Кельвина, 1К=273 + °С); k — константа.

Для нормальных условий (н. у.) выражение (III.З) должно иметь вид

Vо=kTо (3)

Здесь Vo — объем газа при нормальных условиях; То — температура, равная 0°С или 273 К. Нормальными называют условия, когда температура равна 0° С (273 К) и давление составляет 1 атм, или 760 мм рт. ст. (101 325 Па). При этих условиях, как следует из закона Авогадро, 1 моль газа занимает объем 22,4 л (а 1 кмоль — 22,4 м3). Число молекул, содержащихся в 1 моле, называется постоянной Авогадро: Nа = 6,02*10²³

Разделив равенство (2) на (3) и сократив постоянные, получим

V/Vo = T/To (4)

Зависимость давления газа от температуры. Нагревая газ в закрытом сосуде, по манометру можно заметить, что давление газа увеличивается. Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме выражается следующим законом: для данной массы идеального газа давление при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре:

p = кТ, (5)

где р — давление газа; Т — абсолютная температура; k — константа.

Этот закон по имени французского ученого, открывшего его, называется законом Шарля.

Для нормальных условий выражение (III.6) примет вид

pо = kTо (6)

Здесь ро — давление газа при нормальных условиях, равное 1 атм, или 760 мм рт. ст. (101 325 Па); Т— абсолютная температура, равная 273 К.

Разделив равенство (5) на (6) и сократив постоянные k, получим

P/Po = T/To (7)

Объединенное уравнение состояния идеального газа. Мы рассмотрели состояния газов, когда одна из трех величин, характеризующих эти состояния (объем, давление или температура), не меняется. Например, если не меняется температура, то давление и объем газа связаны друг с другом законом Бойля — Ма-риотта. При постоянном давлении объем газа меняется с изменением температуры по закону Гей-Люссака и, наконец, при постоянном объеме давление газа меняется с изменением температуры по закону Шарля.

Однако нередки процессы, когда одновременно меняются все три параметра, характеризующих состояние газа. Соотношение, которое одновременно связывает между собой значения давления, объема и температуры (р, V и T), называется уравнением состояния идеальных газов:

P*V/T = Po*Vo/To (8)

В уравнении (8), объединяющем законы Бойля — Мариотта и Гей-Люссака, величины pо, Vо, Tо – постоянные, следовательно, отношение также величина постоянная. Ее обозначают R и называют универсальной газовой постоянной.

Подставив в уравнение (8) постоянную R, получим

pV=RT (9)

Уравнение (9) применимо для 1 моля газа. Для n молей газа уравнение приобретет более общий вид:

PV = nRT (10)

Уравнение (10) называется уравнением Клапейрона— Менделеева. Так как число молей п можно определить как отношение массы вещества m к его молекулярной массе М, т. е. , то, подставив в (10) вместо п отношение , получим уравнение Клапейрона-Менделеева в окончательном виде:

PV = mRT/M (11)

Уравнением Клапейрона — Менделеева пользуются при расчетах различных параметров, характеризующих газ или его состояние: давления р, объема V, температуры T, массы т или молекулярной массы М.

Чтобы пользоваться уравнением Клапейрона — Менделеева, необходимо найти значение универсальной газовой постоянной R.

Оно определяется размерностью ро и Vo. Если ро выражено в Па, a Vo — в м³, получим

В Международной системе единиц (СИ) R = 8,313*10³ Дж/(град-моль).

5. Реальные газы. При изучении законов идеальных газов не учитывались силы межмолекулярного взаимодействия и не принимался во внимание объем самих молекул. Однако при значительном понижении температуры и повышении давления эти факторы необходимо учитывать.

Для реальных газов, т. е. для газов, существующих в природе и находящихся в условиях сравнительно высокого давления и низких температур, необходимо учитывать силы межмолекулярного притяжения (силы Ван-дер-Ваальса) и объем самих молекул газа. Например, для азота при р=1 атм p*V= 100, а при р=430,86 атм pV=126,96 (тогда как для идеального газа, в соответствии с законом Бойля — Мариотта, pV также должно быть равно100). Естественно, что реальные газы в условиях, близких к идеальным, т. е. в условиях сильного разрежения при температуре и низком давлении, должны в большей мере подчиняться законам идеальных газов. И наоборот, чем эти условия больше отличаются от идеальных, т. е. чем больше .плотность газа вследствие высокого давления и низкой .температуры, тем больше отклонения от законов идеальных газов.

При достаточно высоком давлении и низкой температуре расстояния между молекулами уменьшаются, а силы межмолекулярных взаимодействий увеличиваются настолько, что вещество из газообразного состояния может перейти в жидкое. Этим пользуются для получения сжиженных газов. Необходимые для этого низкие температуры получают за счет расширения предварительно сжатого компрессором газа: при последующем расширении газа на преодоление сил межмолекулярного взаимодействия затрачивается тепловая энергия, которую газ забирает из окружающей среды, вследствие чего она охлаждается. Многократно повторяя сжатие и расширение газа, можно получить достаточно низкую температуру для охлаждения сжимаемого газа.

В 1823 г. Фарадей, применяя низкие температуры и высокие давления, осуществил сжижение СО₂, NН₃, Сl₂. Но некоторые газы (Н₂, N₂, О₂) ему не удалось перевести в жидкое состояние даже при очень низких температурах и самых высоких для того времени давлениях. Теория сжижения газов была разработана Д. И. Менделеевым в 1860 г. Для каждого газа существует предельная температура, выше которой газ не может быть превращен в жидкость ни при каком давлении. Такая температура называется критической. При критической температуре для сжижения необходимо наибольшее, так называемое критическое давление. Объем 1 моля газа при критическом давлении и критической температуре называется критическим объемом.

Состояние газа, находящегося под критическим давлением при критической температуре и занимающего критический объем, называется критическим состоянием. Например, критическое состояние диоксида углерода характеризуется следующими величинами: температура + 31,3°С, давление 72,9 атм (7396,7 кПа), объем.0,096 л. Следовательно, СОг переходит в жидкое состояние при температуре 31,3° С и давлении 79,2 атм (7396,7 кПа). Коли температура выше критической, то СО2 ни при каком давлении не перейдет в жидкость.

Кривые зависимости между объемом и давлением газа при постоянной температуре называются изотермами. Рассмотрим изотерму для 10°С. На ней можно отметить три участка: АВ,ВС и CD. Здесь только на участке АВ газ подчиняется закону Бойля — Мариотта, т. е. объем уменьшается обратно пропорционально давлению. На участке объем резко уменьшается при постоянном давлении. Это характерно для перехода газа в жидкое состояние. На участке CD не наблюдается заметного уменьшения объема с повышением давлений: газ не сжимается, несмотря незначительное увеличение давления. Это характерно не для газообразного, а для жидкого состояния. При более высоких температурах горизонтальные участки изотерм, соответствующие отрезку ВС, постепенно уменьшаются и, наконец, при 31,0° С превращаются в точку перегиба К. Исчезновение горизонтального участка ВС на изотерме объясняется тем, что для данного вещества существует некоторая температура, выше которой газ ни при каких условиях не превращается в жидкость. Точка К на кривой, отвечающая такому состоянию, называется критической.

При дальнейшем повышении температуры изотермы все более приближаются к изотермам идеального газа.

Жидкие газы применяются для получения низких температур в технике и лабораториях; кроме того, жидкие газы удобнее транспортировать. Сжижением воздуха с последующей разгонкой получают кислород, используемый в металлургии и химической промышленности. В общественном питании для приготовления шипучих напитков используется диоксид углерода, поставляемый в баллонах в сжиженном состоянии. Жидкая углекислота используется также для тушения пожаров.

В последнее время для замораживания пищевых продуктов стал применяться жидкий азот. Такое замораживание при температуре ниже —73° С называют криогенным Криогенному замораживанию можно подвергать грибы, хлебобулочные изделия, морские продукты и др.

Вопросы для самоконтроля:

1 Объясните, что изучает учебная дисциплина «Физическая химия».

2 Опишите, какие ученые внесли вклад в развитие дисциплины «Физическая химия».

3 Охарактеризуйте идеальный газ.

4 Объясните основные законы идеального газа.

5 Охарактеризуйте особенности реального газа.

6 Охарактеризуйте критическое состояние реального газа.