Строение веществ в разных агрегатных состояниях. Понятие о спиртах Как меняются агрегатные состояния серы

Наиболее распространено знание о трех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном, иногда вспоминают о плазменном, реже жидкокристаллическом. Последнее время в интернете распространился перечень 17 фаз вещества, взятый из известной () Стивена Фрая. Поэтому мы расскажем о них подробнее, т.к. о материи следует знать немного больше хотя бы для того, чтобы лучше понимать процессы, происходящие во Вселенной.

Приведённый ниже список агрегатных состояний вещества возрастает от самых холодных состояний к самым горячим и т.о. может быть продолжен. Одновременно следует понимать, что от газообразного состояния (№11), самого «разжатого», в обе стороны списка степень сжатия вещества и его давление (с некоторыми оговорками для таких неизученных гипотетических состояний, как квантовое, лучевое или слабо симметричное) возрастают.После текста приведен наглядный график фазовых переходов материи.

1. Квантовое — агрегатное состояние вещества, достигаемое при понижении температуры до абсолютного нуля, в результате чего исчезают внутренние связи и материя рассыпается на свободные кварки.

2. Конденсат Бозе-Эйнштейна — агрегатное состояние материи, основу которой составляют бозоны, охлаждённые до температур, близких к абсолютному нулю (меньше миллионной доли градуса выше абсолютного нуля). В таком сильно охлаждённом состоянии достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях и квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Конденсат Бозе-Эйнштейна (который зачастую называют «бозе-конденсат», или попросту «бэк») возникает, когда вы охлаждаете тот или иной химический элемент до чрезвычайно низких температур (как правило, до температуры чуть выше абсолютного нуля, минус 273 градуса по Цельсию, — теоретическая температура, при которой все перестает двигаться).
Вот тут с веществом начинают происходить совершенно странные вещи. Процессы, обычно наблюдаемые лишь на уровне атомов, теперь протекают в масштабах, достаточно крупных для наблюдения невооруженным глазом. Например, если поместить «бэк» в лабораторный стакан и обеспечить нужный температурный режим, вещество начнет ползти вверх по стенке и в конце концов само по себе выберется наружу.
Судя по всему, здесь мы имеем дело с тщетной попыткой вещества понизить собственную энергию (которая и без того находится на самом низком из всех возможных уровней).
Замедление атомов с использованием охлаждающей аппаратуры позволяет получить сингулярное квантовое состояние, известное как конденсат Бозе, или Бозе — Эйнштейна. Это явление было предсказано в 1925 году А. Эйнштейном, как результат обобщения работы Ш. Бозе, где строилась статистическая механика для частиц, начиная от безмассовых фотоно до обладающих массой атомов (рукопись Эйнштейна, считавшаяся утерянной, была обнаружена в библиотеке Лейденского университета в 2005 году). Результатом усилий Бозе и Эйнштейна стала концепция Бозе газа, подчиняющегося статистике Бозе — Эйнштейна, которая описывает статистическое распределение тождественных частиц с целым спином, называемых бозонами. Бозоны, которыми являются, например, и отдельные элементарные частицы — фотоны, и целые атомы, могут находиться друг с другом в одинаковых квантовых состояниях. Эйнштейн предположил, что охлаждение атомов — бозонов до очень низких температур заставит их перейти (или, по-другому, сконденсироваться) в наинизшее возможное квантовое состояние. Результатом такой конденсации станет возникновение новой формы вещества.
Этот переход возникает ниже критической температуры, которая для однородного трёхмерного газа, состоящего из невзаимодействующих частиц без каких-либо внутренних степеней свободы.

3. Фермионный конденсат — агрегатное состояние вещества, схожее с бэком, но отличающееся по строению. При приближении к абсолютному нулю атомы ведут себя по-разному в зависимости от величины собственного момента количества движения (спина). У бозонов спины имеют целочисленные значения, а у фермионов - кратные 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Фермионы подчиняются принципу запрета Паули, согласно которому два фермиона не могут иметь одно и то же квантовое состояние. Для бозонов такого запрета нет, и поэтому у них есть возможность существовать в одном квантовом состоянии и образовывать тем самым так называмый конденсат Бозе-Эйнштейна. Процесс образования этого конденсата отвечает за переход в сверхпроводящее состояние.
Электроны имеют спин 1/2 и, следовательно, относятся к фермионам. Они объединяются в пары (так называемые пары Купера), которые затем образуют Бозе-конденсат.
Американские ученые предприняли попытку получить своего рода молекулы из атомов-фермионов при глубоком охлаждении. Отличие от настоящих молекул заключалось в том, что между атомами не было химической связи - просто они двигались вместе, коррелированным образом. Связь между атомами оказалась даже прочнее, чем между электронами в куперовских парах. У образованных пар фермионов суммарный спин уже не кратен 1/2, следовательно, они уже ведут себя как бозоны и могут образовывать бозе-конденсат с единым квантовым состоянием. В ходе эксперимента охлаждали газ из атомов калия-40 до 300 нанокельвинов, при этом газ заключался в так называемую оптическую ловушку. Затем наложили внешнее магнитное поле, с помощью которого удалось изменить природу взаимодействий между атомами - вместо сильного отталкивания стало наблюдаться сильное притяжение. При анализе влияния магнитного поля удалось найти такое его значение, при котором атомы стали вести себя, как куперовские пары электронов. На следующем этапе эксперимента ученые предполагают получить эффекты сверхпроводимости для фермионного конденсата.

4. Сверхтекучее вещество — состояние, при котором у вещества фактически отсутствует вязкость, а при течении он не испытывает трения с твёрдой поверхностью. Следствием этого является, например, такой интересный эффект, как полное самопроизвольное «выползание» сверхтекучего гелия из сосуда по его стенкам против силы тяжести. Нарушения закона сохранения энергии здесь, конечно же, нет. В отсутствие сил трения на гелий действуют только силы тяжести, силы межатомного взаимодействия между гелием и стенками сосуда и между атомами гелия. Так вот, силы межатомного взаимодействия превышают все остальные силы вместе взятые. В результате гелий стремится растечься как можно сильнее по всем возможным поверхностям, поэтому и «путешествует» по стенкам сосуда. В 1938 году советский учёный Пётр Капица доказал, что гелий может существовать в сверхтекучем состоянии.
Стоит отметить, что многие из необычных свойств гелия известны уже довольно давно. Однако и в последние годы этот химический элемент «балует» нас интересными и неожиданными эффектами. Так, в 2004 году Мозес Чань и Эун-Сьонг Ким из Университета Пенсильвании заинтриговали научный мир заявлением о том, что им удалось получить совершенно новое состояние гелия — сверхтекучее твёрдое вещество. В этом состоянии одни атомы гелия в кристаллической решётке могут обтекать другие, и гелий таким образом может течь сам через себя. Эффект «сверхтвёрдости» теоретически был предсказан ещё в 1969 году. И вот в 2004 году — как будто бы и экспериментальное подтверждение. Однако более поздние и весьма любопытные эксперименты показали, что не всё так просто, и, возможно, такая интерпретация явления, которое до этого принималось за сверхтекучесть твёрдого гелия, неверна.
Эксперимент учёных под руководством Хэмфри Мариса из Университета Брауна в США был прост и изящен. Учёные помещали перевёрнутую вверх дном пробирку в замкнутый резервуар с жидким гелием. Часть гелия в пробирке и в резервуаре они замораживали таким образом, чтобы граница между жидким и твёрдым внутри пробирки была выше, чем в резервуаре. Иными словами, в верхней части пробирки был жидкий гелий, в нижней — твёрдый, он плавно переходил в твёрдую фазу резервуара, над которой был налито немного жидкого гелия — ниже, чем уровень жидкости в пробирке. Если бы жидкий гелий стал просачиваться через твёрдый, то разница уровней уменьшилась бы, и тогда можно говорить о твёрдом сверхтекучем гелии. И в принципе, в трёх из 13 экспериментов разница уровней действительно уменьшалась.

5. Сверхтвёрдое вещество — агрегатное состояние при котором материя прозрачна и может "течь", как жидкость, но фактически она лишена вязкости. Такие жидкости известны много лет, их называют суперфлюидами. Дело в том, что если супержидкость размешать, она будет циркулировать чуть ли не вечно, тогда как нормальная жидкость в конечном счёте успокоится. Первые два суперфлюида были созданы исследователями с использованием гелия-4 и гелия-3. Они были охлаждены почти до абсолютного нуля — до минус 273 градусов Цельсия. А из гелия-4 американским учёным удалось получить сверхтвёрдое тело. Замороженный гелий они сжали давлением более чем в 60 раз, а затем заполненный веществом стакан установили на вращающийся диск. При температуре 0,175 градусов Цельсия диск внезапно начал вращаться свободнее, что, по мнению учёных, свидетельствует о том, что гелий стал супертелом.

6. Твёрдое — агрегатное состояние вещества, отличающееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания вокруг положений равновесия. Устойчивым состоянием твердых тел является кристаллическое. Различают твердые тела с ионной, ковалентной, металлической и др. типами связи между атомами, что обусловливает разнообразие их физических свойств. Электрические и некоторые др. свойства твердых тел в основном определяются характером движения внешних электронов его атомов. По электрическим свойствам твердые тела делятся на диэлектрики, полупроводники и металлы, по магнитным — на диамагнетики, парамагнетики и тела с упорядоченной магнитной структурой. Исследования свойств твердых тел объединились в большую область — физику твердого тела, развитие которой стимулируется потребностями техники.

7. Аморфное твёрдое — конденсированное агрегатное состояние вещества, характеризующееся изотропией физических свойств, обусловленной неупорядоченным расположением атомов и молекул. В аморфных твердых телах атомы колеблются около хаотически расположенных точек. В отличие от кристаллического состояния переход из твердого аморфного в жидкое происходит постепенно. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. д.

8. Жидкокристаллическое — это специфическое агрегатное со-стояние вещества, в котором оно проявляет одновре-менно свойства кристалла и жидкости. Сразу надо огово-риться, что далеко не все вещества могут находиться в жидкокристаллическом состоянии. Однако, некоторые органические вещества, обладающие сложными молеку-лами, могут образовы-вать специфическое агрегатное состояние — жидкокристалли-ческое. Это состояние осуществляется при плавлении кристаллов некоторых веществ. При их плавлении обра-зуется жидкокристаллическая фаза, отличающаяся от обычных жидкостей. Эта фаза существует в интервале от температуры плавления кристалла до некоторой более высокой температуры, при нагреве до которой жидкий кристалл переходит в обычную жидкость.
Чем же жидкий кристалл отличается от жидкости и обычного кристалла и чем похож на них? Подобно обычной жидкости, жидкий кристалл обладает текучестью и принимает форму сосуда, в который он помещен. Этим он отличается от известных всем кристаллов. Однако, несмотря на это свойство, объединяющее его с жид-костью, он обладает свойством, характерным для кри-сталлов. Это - упорядочение в пространстве молекул, образующих кристалл. Правда, это упорядочение не та-кое полное, как в обычных кристаллах, но, тем не менее, оно существенно влияет на свойства жидких кристаллов, чем и отличает их от обычных жидкостей. Неполное про-странственное упорядочение молекул, образующих жид-кий кристалл, проявляется в том, что в жидких кристал-лах нет полного порядка в пространственном располо-жении центров тяжести молекул, хотя частичный порядок может быть. Это означает, что у них нет жесткой кри-сталлической решетки. Поэтому жидкие кристаллы, по-добно обычным жидкостям, обладают свойством текуче-сти.
Обязательным свойством жидких кристаллов, сбли-жающим их с обычными кристаллами, является наличие порядка пространственной ориентации молекул. Такой порядок в ориентации может проявляться, например, в том, что все длинные оси молекул в жидкокристалличе-ском образце ориентированы одинаково. Эти молекулы должны обладать вытянутой формой. Кроме простейше-го названного упорядочения осей молекул, в жидком кристалле может осуществляться более сложный ориентационный порядок молекул.
В зависимости от вида упорядочения осей молекул жидкие кристаллы разделяются на три разновидности: нематические, смектические и холестерические.
Исследования по физике жидких кристаллов и их при-менениям в настоящее время ведутся широким фрон-том во всех наиболее развитых странах мира. Отечествен-ные исследования сосредоточены как в академических, так и отраслевых научно-исследовательских учреждени-ях и имеют давние традиции. Широкую известность и признание получили выполненные еще в тридцатые годы в Ленинграде работы В.К. Фредерикса к В.Н. Цветкова. В последние годы бурного изучения жидких кристаллов отечественные исследователи также вносят весомый вклад в развитие учения о жидких кристаллах в целом и, в частности, об оптике жидких кристаллов. Так, работы И.Г. Чистякова, А.П. Капустина, С.А. Бразовского, С.А. Пикина, Л.М. Блинова и многих других советских иссле-дователей широко известны научной общественности и служат фундаментом ряда эффективных технических приложений жидких кристаллов.
Существование жидких кристаллов было установлено очень давно, а именно в 1888 году, то есть почти столетие назад. Хотя учёные и до 1888 года сталкивались с данным состоянием вещества, но официально его открыли позже.
Первым, кто обнаружил жидкие кристаллы, был авст-рийский ученый-ботаник Рейнитцер. Исследуя новое син-тезированное им вещество холестерилбензоат, он обна-ружил, что при температуре 145°С кристаллы этого ве-щества плавятся, образуя мутную сильно рассеивающую свет жидкость. При продолжении нагрева по достижении температуры 179°С жидкость просветляется, т. е. начина-ет вести себя в оптическом отношении, как обычная жидкость, например вода. Неожиданные свойства холестерилбензоат обнаруживал в мутной фазе. Рассматри-вая эту фазу под поляризационным микроскопом, Рей-нитцер обнаружил, что она обладает двупреломлением. Это означает, что показатель преломления света, т. е скорость света е этой фазе, зависит от поляризации.

9. Жидкое — агрегатное состояние вещества, сочетающее в себе черты твердого состояния (сохранение объема, определенная прочность на разрыв) и газообразного (изменчивость формы). Для жидкости характерны ближний порядок в расположении частиц (молекул, атомов) и малое различие в кинетической энергии теплового движения молекул и их потенциальной энергии взаимодействия. Тепловое движение молекул жидкости состоит из колебаний около положений равновесия и сравнительно редких перескоков из одного равновесного положения в другое, с этим связана текучесть жидкости.

10. Сверхкритический флюид (СКФ) — агрегатное состояние вещества, при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой. Любое вещество, находящееся при температуре и давлении выше критической точки является сверхкритическим флюидом. Свойства вещества в сверхкритическом состоянии промежуточные между его свойствами в газовой и жидкой фазе. Так, СКФ обладает высокой плотностью, близкой к жидкости, и низкой вязкостью, как и газы. Коэффициент диффузии при этом имеет промежуточное между жидкостью и газом значение. Вещества в сверхкритическом состоянии могут применяться в качестве заменителей органических растворителей в лабораторных и промышленных процессах. Наибольший интерес и распространение в связи с определенными свойствами получили сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.
Одно из наиболее важных свойств сверхкритического состояния - это способность к растворению веществ. Изменяя температуру или давление флюида можно менять его свойства в широком диапазоне. Так, можно получить флюид, по свойствам близкий либо к жидкости, либо к газу. Так, растворяющая способность флюида увеличивается с увеличением плотности (при постоянной температуре). Поскольку плотность возрастает при увеличении давления, то меняя давление можно влиять на растворяющую способность флюида (при постоянной температуре). В случае с температурой завистимость свойств флюида несколько более сложная - при постоянной плотности растворяющая способность флюида также возрастает, однако вблизи критической точки незначительное увеличение температуры может привести к резкому падению плотности, и, соответственно, растворяющей способности. Сверхкритические флюиды неограниченно смешиваются друг с другом, поэтому при достижении критической точки смеси система всегда будет однофазной. Приблизительная критическая температура бинарной смеси может быть рассчитана как среднее арифмитическое от критических параметров веществ Tc(mix) = (мольная доля A) x TcA + (мольная доля B) x TcB.

11. Газообразное — (франц. gaz, от греч. chaos — хаос), агрегатное состояние вещества, в котором кинетическая энергия теплового движения его частиц (молекул, атомов, ионов) значительно превосходит потенциальную энергию взаимодействий между ними, в связи с чем частицы движутся свободно, равномерно заполняя в отсутствие внешних полей весь предоставленный им объем.

12. Плазма — (от греч. plasma — вылепленное, оформленное), состояние вещества, представляющее из себя ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны (квазинейтральность). В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды, галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы. Высокотемпературная плазма (Т ~ 106 — 108К) из смеси дейтерия и трития исследуется с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза. Низкотемпературная плазма (Т Ј 105К) используется в различных газоразрядных приборах (газовых лазерах, ионных приборах, МГД-генераторах, плазмотронах, плазменных двигателях и т. д.), а также в технике (см. Плазменная металлургия, Плазменное бурение, Плазменная технология).

13. Вырожденное вещество — является промежуточной стадией между плазмой и нейтрониумом. Оно наблюдается в белых карликах, играет важную роль в эволюции звезд. Когда атомы находятся в условиях чрезвычайно высоких температур и давлений, они теряют свои электроны (они переходят в электронный газ). Другими словами, они полностью ионизованы (плазма). Давление такого газа (плазмы) определяется давлением электронов. Если плотность очень высока, все частицы вынуждены приближаться к друг другу. Электроны могут находится в состояниях с определенными энергиями, причем два электрона не могут иметь одинаковую энергию (если только их спины не противоположны). Таким образом, в плотном газе все нижние уровни энергии оказываются заполненными электронами. Такой газ называется вырожденным. В этом состоянии электроны проявляют вырожденное электронное давление, которое противодействует силам гравитации.

14. Нейтрониум — агрегатное состояние, в которое вещество переходит при сверхвысоком давлении, недостижимом пока в лаборатории, но существующем внутри нейтронных звёзд. При переходе в нейтронное состояние электроны вещества взаимодействуют с протонами и превращаются в нейтроны. В результате вещество в нейтронном состоянии полностью состоит из нейтронов и обладает плотностью порядка ядерной. Температура вещества при этом не должна быть слишком высока (в энергетическом эквиваленте не более сотни МэВ).
При сильном повышении температуры (сотни МэВ и выше) в нейтронном состоянии начинают рождаться и аннигилировать разнообразные мезоны. При дальнейшем повышении температуры происходит деконфайнмент, и вещество переходит в состояние кварк-глюонной плазмы. Оно состоит уже не из адронов, а из постоянно рождающихся и исчезающих кварков и глюонов.

15. Кварк-глюонная плазма (хромоплазма) — агрегатное состояние вещества в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, при котором адронное вещество переходит в состояние, аналогичное состоянию, в котором находятся электроны и ионы в обычной плазме.
Обычно вещество в адронах находится в так называемом бесцветном («белом») состоянии. То есть, кварки различных цветов компенсируют друг друга. Аналогичное состояние есть и у обычного вещества — когда все атомы электрически нейтральны, то есть,
положительные заряды в них компенсированы отрицательными. При высоких температурах может происходить ионизация атомов, при этом заряды разделяются, и вещество становится, как говорят, «квазинейтральным». То есть, нейтральным остаётся всё облако вещества в целом, а отдельные его частицы нейтральными быть перестают. Точно так же, по-видимому, может происходить и с адронным веществом — при очень высоких энергиях, цвет выходит на свободу и делает вещество «квазибесцветным».
Предположительно, вещество Вселенной находилось в состоянии кварк-глюонной плазмы в первые мгновения после Большого Взрыва. Сейчас кварк-глюонная плазма может на короткое время образовываться при соударениях частиц очень высоких энергий.
Кварк-глюонная плазма была получена экспериментально на ускорителе RHIC Брукхейвенской национальной лаборатории в 2005 году. Максимальная температура плазмы в 4 триллиона градусов Цельсия была получена там же в феврале 2010 года.

16. Странное вещество — агрегатное состояние, при котором материя сжимается до предельных значений плотности, оно может существовать в виде "кваркового супа". Кубический сантиметр вещества в этом состоянии будет весить миллиарды тонн; к тому же он будет превращать любое нормальное вещество, с которым соприкоснётся, в ту же "странную" форму с выбросом значительного количества энергии.
Энергия, которая может выделиться при превращении вещества ядра звезды в "странное вещество", приведёт к сверхмощному взрыву "кварковой новой", - и, по мнению Лихи и Уйеда, именно его астрономы в сентябре 2006 года и наблюдали.
Процесс образования этого вещества начался с обычной сверхновой, в которую обратилась массивная звезда. В результате первого взрыва образовалась нейтронная звезда. Но, по мнению Лихи и Уйеда, просуществовала она очень недолго, - по мере того, как её вращение казалось затормозилось её собственным магнитным полем, она начала сжиматься ещё сильнее, с образованием сгустка "странного вещества", что привело к ещё более мощному, нежели при обычном взрыве сверхновой, выбросу энергии - и внешних слоёв вещества бывшей нейтронной звезды, разлетавшихся в окружающее пространство со скоростью, близкой к скорости света.

17. Сильно симметричное вещество — это вещество, сжатое до такой степени, при которой микрочастицы внутри него наслаиваются друг на друга, а само тело коллапсирует в чёрную дыру. Термин «симметрия» объясняется следующим: Возьмём известные всем со школьной скамьи агрегатные состояния вещества - твёрдые, жидкие, газообразные. Для определённости в качестве твёрдого вещества рассмотрим идеальный бесконечный кристалл. В нём существует определённая, так называемая дискретная симметрия относительно переноса. Это означает, что, если сдвинуть кристаллическую решётку на расстояние, равное интервалу между двумя атомами, в ней ничего не изменится - кристалл совпадет сам с собой. Если же кристалл расплавить, то симметрия получившейся из него жидкости будет иной: она возрастёт. В кристалле равноценными были только точки, удалённые друг от друга на определённые расстояния, так называемые узлы кристаллической решётки, в которых находились одинаковые атомы.
Жидкость же однородна по всему объёму, все её точки неотличимы одна от другой. Это означает, что жидкости можно смещаться на любые произвольные расстояния (а не только на какие-то дискретные, как в кристалле) или поворачиваться на любые произвольные углы (чего в кристаллах делать нельзя вообще) и она будет совпадать сама с собой. Степень её симметрии выше. Газ ещё более симметричен: жидкость занимает определённый объём в сосуде и наблюдается асимметрия внутри сосуда, где жидкость есть, и точки, где её нет. Газ же занимает весь предоставленный ему объём, и в этом смысле все её точки неотличимы одна от другой. Всё же здесь было бы правильнее говорить не о точках, а о малых, но макроскопических элементах, потому что на микроскопическом уровне отличия всё-таки есть. В одних точках в данный момент времени имеются атомы или молекулы, а в других нет. Симметрия наблюдается только в среднем, либо по некоторым макроскопическим параметра объёма, либо по времени.
Но мгновенной симметрии на микроскопическом уровне здесь по-прежнему ещё нет. Если же вещество сжимать очень сильно, до давлений которые в обиходе недопустимы, сжимать так, что атомы были раздавлены, их оболочки проникли друг в друга, а ядра начали соприкасаться, возникает симметрия и на микроскопическом уровне. Все ядра одинаковы и прижаты друг к другу, нет не только межатомных, но и межъядерных расстояний и вещество становится однородным (странное вещество).
Но есть ещё субмикроскопический уровень. Ядра состоят из протонов и нейтронов, которые двигаются внутри ядра. Между ними тоже есть какое-то пространство. Если продолжать сжимать так, что будут раздавлены и ядра, нуклоны плотно прижмутся друг к другу. Тогда и на субмикроскопическом уровне появится симметрия, которой нет даже внутри обычных ядер.
Из сказанного можно усмотреть вполне определённую тенденцию: чем выше температура и больше давление, тем более симметричным становится вещество. Исходя из этих соображений сжатое до максимума вещество именуется сильно симметричным.

18. Слабо симметричное вещество — состояние, противоположное сильно симметричному веществу по своим свойствам, присутствовавшее в очень ранней Вселенной при температуре близкой к планковской, возможно, через 10-12 секунд после Большого Взрыва, когда сильные, слабые и электромагнитные силы представляли из себя единую суперсилу. В этом состоянии вещество сжато до такой степени, что его масса переходит в энергию, которая начинает инфлуировать, то есть неограниченно расширяться. Достичь энергий для экспериментального получения суперсилы и перевода вещества в эту фазу в земных условиях пока невозможно, хотя такие попытки предпринимались на Большом Адронном Коллайдере с целью изучения ранней вселенной. Ввиду отсутствия в составе суперсилы, образующей это вещество, гравитационного взаимодействия, суперсила является не достаточно симметричной в сравнении с суперсимметричной силой, содержащей все 4 вида взаимодействий. Поэтому данное агрегатное состояние и получило такое название.

19. Лучевое вещество — это, по сути дела, уже совсем не вещество, а в чистом виде энергия. Однако именно это гипотетическое агрегатное состояние примет тело, достигшее скорости света. Также его можно получить, разогрев тело до планковской температуры (1032К), то есть разогнав молекулы вещества до скорости света. Как следует из теории относительности, при достижении скорости более 0,99 с, масса тела начинает расти гораздо быстрее, нежели при "обычном" ускорении, кроме того тело удлиняется, разогревается, то есть начинает излучать в инфракрасном спектре. При пересечении порога 0,999 с, тело кардинально видоизменяется и начинает стремительный фазовый переход вплоть до лучевого состояния. Как следует из формулы Эйнштейна, взятой в полном виде, растущая масса итогового вещества складывается из масс, отделяющихся от тела в виде теплового, рентгеновского, оптического и других излучений, энергия каждого из которых описывается следующим членом в формуле. Таким образом, тело приблизившееся к скорости света начнет излучать во всех спектрах, расти в длину и замедляться во времени, утоньшаясь до планковской длины, то есть по достижении скорости с, тело превратится в бесконечно длинный и тонкий луч, двигающийся со скоростью света и состоящий из фотонов, не имеющих длины, а его бесконечная масса полностью перейдет в энергию. Поэтому такое вещество и называется лучевым.

Все вещества могут находиться в разных агрегатных состояниях - твердом, жидком, газообразном и плазменном. В древности считали: мир состоит из земли, воды, воздуха и огня. Агрегатные состояния веществ соответствуют этому наглядному разделению. Опыт показывает, что границы между агрегатными состояниями весьма условны. Газы при низких давлениях и невысоких температурах рассматриваются как идеальные, молекулы в них соответствуют материальным точкам, которые могут только сталкиваться по законам упругого удара. Силы взаимодействия между молекулами в момент удара пренебрежимо малы, сами соударения происходят без потерь механической энергии. Но с увеличением расстояния между молекулами приходится учитывать и взаимодействие молекул. Эти взаимодействия начинают сказываться при переходе из газообразного состояния в жидкое или твердое. Между молекулами могут возникнуть разного рода взаимодействия.

Силы межмолекулярного взаимодействия не обладают насыщаемостью, отличаясь от сил химического взаимодействия атомов, приводящего к образованию молекул. Они могут быть электростатическими при взаимодействии между заряженными частицами. Опыт показал, что квантово-механичес-кое взаимодействие, зависящее от расстояния и взаимной ориентации молекул, пренебрежимо мало при расстояниях между молекулами более 10 -9 м. В разреженных газах им можно пренебречь или считать, что потенциальная энергия взаимодействия практически равна нулю. При небольших расстояниях эта энергия мала, при действуют силы взаимного притяжения

при - взаимного отталкивания а присилы

притяжения и отталкивания молекул уравновешены и F= 0. Здесь силы определены по связи их с потенциальной энергией Но частицы движутся, обладая неким запасом кинетической энер-

гии. Пусть одна молекула неподвижна, а другая сталкивается с ней, имея такой запас энергии. При сближении молекул силы притяжения совершают положительную работу и потенциальная энергия их взаимодействия уменьшается до расстояния При этом кинетическая энергия (и скорость) растет. Когда расстояние станет меньше силы притяжения сменятся силами отталкивания. Работа, совершаемая молекулой против этих сил, отрицательна.

Молекула будет сближаться с неподвижной молекулой до тех пор, пока ее кинетическая энергия не перейдет полностью в потенциальную. Минимальное расстояние d, на которое молекулы могут сблизиться, называют эффективным диаметром молекулы. После остановки молекула начнет удаляться под действием сил отталкивания с возрастающей скоростью. Пройдя вновь расстояние молекула попадет в область сил притяжения, которые замедлят ее удаление. Эффективный диаметр зависит от начального запаса кинетической энергии, т.е. это величина не постоянная. При расстояниях, равных потенциальная энергия взаимодействия имеет бесконечно большое значение или «барьер», препятствующий сближению центров молекул на меньшее расстояние. Отношение средней потенциальной энергии взаимодействия к средней кинетической энергии и определяет агрегатное состояние вещества: для газов для жидкости , для твердых тел

Конденсированные среды - это жидкости и твердые тела. В них атомы и молекулы расположены близко, почти соприкасаясь. Среднее расстояние между центрами молекул в жидкостях и твердых телах порядка (2 -5) 10 -10 м. Примерно одинаковы и их плотности. Межатомные расстояния превышают расстояния, на которые электронные облака проникают друг в друга настолько, что возникают силы отталкивания. Для сравнения, в газах при нормальных условиях среднее расстояние между молекулами порядка 33 10 -10 м.

В жидкостях межмолекулярное взаимодействие сказывается сильнее, тепловое движение молекул проявляется в слабых колебаниях около положения равновесия и даже перескоках из одного положения в другое. Поэтому в них имеют место только ближний порядок в расположении частиц, т. е. согласованность в расположении только ближайших частиц, и характерная текучесть.

Твердые тела характеризуются жесткостью структуры, обладают точно определенными объемом и формой, которые под влиянием температуры и давления меняются много меньше. В твердых телах возможны состояния аморфное и кристаллическое. Существуют и промежуточные вещества - жидкие кристаллы. Но атомы в твердых телах вовсе не неподвижны, как можно было бы подумать. Каждый из них все время колеблется под влиянием упругих сил, возникающих между соседями. У большинства элементов и соединений под микроскопом обнаруживают кристаллическую структуру.

Так, зерна поваренной соли имеют вид идеальных кубиков. В кристаллах атомы закреплены в узлах кристаллической решетки и могут колебаться только вблизи узлов решетки. Кристаллы составляют истинно твердые тела, а такие твердые тела, как пластмасса или асфальт, занимают как бы промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями. Аморфное тело имеет, как и жидкость, ближний порядок, но вероятность перескоков мала. Так, стекло можно рассматривать как переохлажденную жидкость, у которой повышена вязкость. Жидкие кристаллы обладают текучестью жидкостей, но сохраняют упорядоченность расположения атомов и обладают анизотропией свойств.

Химические связи атомов (и о н о в) в кристаллах такие же, как и в молекулах. Структура и жесткость твердых тел определяются различием в электростатических силах, связывающих вместе составляющие тело атомы. Механизм, связывающий атомы в молекулы, может приводить к образованию твердых периодических структур, которые можно рассматривать как макромолекулы. Подобно ионным и ковалентным молекулам, существуют ионные и ковалентные кристаллы. Ионные решетки в кристаллах скреплены ионными связями (см. рис. 7.1). Структура поваренной соли такова, что у каждого иона натрия имеется шесть соседей - ионов хлора. Этому распределению соответствует минимум энергии, т. е. при образовании такой конфигурации выделяется максимальная энергия. Поэтому при понижении температуры ниже точки плавления наблюдается стремление образовывать чистые кристаллы. С ростом температуры тепловая кинетическая энергия достаточна для разрыва связи, кристалл начнет плавиться, структура - разрушаться. Полиморфизм кристаллов - это способность образовывать состояния с разной кристаллической структурой.

Когда распределение электрического заряда в нейтральных атомах меняется, может возникнуть слабое взаимодействие между соседями. Эта связь называется молекулярной или ван-дер-ваальсо-вой (как в молекуле водорода). Но силы электростатического притяжения могут возникать и между нейтральными атомами, тогда никаких перестроек в электронных оболочках атомов не происходит. Взаимное отталкивание при сближении электронных оболочек смещает центр тяжести отрицательных зарядов относительно положительных. Каждый из атомов индуцирует в другом электрический диполь, и это приводит к их притяжению. Это действие межмолекулярных сил или сил Ван-дер-Ваальса, имеющих большой радиус действия.

Поскольку атом водорода очень мал и его электрон легко сместить, он часто притягивается сразу к двум атомам, образуя водородную связь. Водородная связь ответственна и за взаимодействие друг с другом молекул воды. Ею объясняются многие уникальные свойства воды и льда (рис. 7.4).

Ковалентная связь (или атомная) достигается из-за внутреннего взаимодействия нейтральных атомов. Примером такой связи служит связь в молекуле метана. Разновидностью углерода с сильной связью является алмаз (четыре атома водорода заменяются четырьмя атомами углерода).

Так, углерод, построенный на ковалентной связи, образует кристалл в форме алмаза. Каждый атом окружен четырьмя атомами, образующими правильный тетраэдр. Но каждый из них является одновременно вершиной соседнего тетраэдра. В других условиях те же атомы углерода кристаллизуются в графит. В графите они соединены тоже атомными связями, но образуют плоскости из шестиугольных сотовидных ячеек, способных к сдвигу. Расстояние между атомами, расположенными в вершинах шестигранников, равно 0,142 нм. Слои расположены на расстоянии 0,335 нм, т.е. связаны слабо, поэтому графит пластичен и мягок (рис. 7.5). В 1990 г. возник бум исследовательских работ, вызванный сообщением о получении нового вещества - фуллерита, состоящего из молекул углерода - фуллеренов. Эта форма углерода молекулярная, т.е. минимальным элементом является не атом, а молекула. Она названа в честь архитектора Р.Фуллера, который в 1954 г. получил патент на строительные конструкции из шестиугольников и пятиугольников, составляющих полусферу. Молекула из 60 атомов углерода диаметром 0,71 нм была открыта в 1985 г., потом были обнаружены молекулы и т.д. Все они имели устойчивые поверхности,

но наиболее устойчивыми оказались молекулы С 60 и С 70 . Логично предположить, что графит использован как исходное сырье для синтеза фуллере-нов. Если это так, то радиус шестиугольного фрагмента должен быть 0,37 нм. Но он оказался равным 0,357 нм. Это различие в 2 % связано с тем, что атомы углерода располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестигранников, унаследованных от графита, и 12 правильных пятигранников, т.е. конструкция напоминает футбольный мяч. Получается, что при «сшивании» в замкнутую сферу часть плоских шестигранников превратилась в пятигранники. При комнатной температуре молекулы С 60 конденсируются в структуру, где каждая молекула имеет 12 соседей, отстоящих друг от друга на расстоянии 0,3 нм. При Т = 349 К происходит фазовый переход 1-го рода - решетка перестраивается в кубическую. Сам кристалл - полупроводник, но при добавлении щелочного металла в кристаллическую пленку С 60 возникает сверхпроводимость при температуре 19 К. Если в эту полую молекулу внедрить тот или иной атом, его можно использовать как основу для создания запоминающей среды со сверхвысокой плотностью информации: плотность записи достигнет 4-10 12 бит/см 2 . Для сравнения - пленка ферромагнитного материала дает плотность записи порядка 10 7 бит/см 2 , а оптические диски, т.е. лазерная технология, - 10 8 бит/см 2 . Этот углерод обладает и другими уникальными свойствами, особенно важными в медицине и фармакологии.

В кристаллах металлов проявляет себя металлическая связь, когда все атомы в металле отдают «в коллективное пользование» свои валентные электроны. Они слабо связаны с атомными остовами, могут свободно двигаться по кристаллической решетке. Около 2/5 химических элементов составляют металлы. В металлах (кроме ртути) связь образуется при перекрывании вакантных орбиталей атомов металла и отрыва электронов из-за образования кристаллической решетки. Получается, что катионы решетки окутаны электронным газом. Металлическая связь возникает, когда атомы сближаются на расстояние, меньшее размеров облака внешних электронов. При такой конфигурации (принцип Паули) растет энергия внешних электронов, и ядра соседей начинают притягивать эти внешние электроны, размывая электронные облака, равномерно распределяя их по металлу и превращая в электронный газ. Так возникают электроны проводимости, объясняющие большую электрическую проводимость металлов. В ионных и ковалентных кристаллах внешние электроны практически связаны, и проводимость этих твердых тел очень мала, их называют изоляторами.

Внутренняя энергия жидкостей определяется суммой внутренних энергий макроскопических подсистем, на которые ее можно мысленно разделить, и энергий взаимодействия этих подсистем. Взаимодействие осуществляется через молекулярные силы с радиусом действия порядка 10 -9 м. Для макросистем энергия взаимодействия пропорциональна площади соприкосновения, поэтому она мала, как и доля поверхностного слоя, но это не обязательно. Ее называют поверхностной энергией и следует учитывать в задачах, связанных с поверхностным натяжением. Обычно жидкости занимают больший объем при равном весе, т. е. имеют меньшую плотность. Но почему объемы льда и висмута уменьшаются при плавлении и даже после точки плавления некоторое время сохраняют эту тенденцию? Получается, что эти вещества в жидком состоянии более плотны.

В жидкости на каждый атом действуют его соседи, и он колеблется внутри анизотропной потенциальной ямы, которую они создают. В отличие от твердого тела эта яма неглубока, так как дальние соседи почти не влияют. Ближайшее окружение частиц в жидкости меняется, т. е. жидкость течет. При достижении определенного значения температуры жидкость закипит, во время кипения температура остается постоянной. Поступающая энергия расходуется на разрыв связей, и жидкость при полном их разрыве превращается в газ.

Плотности жидкостей значительно больше плотностей газов при тех же давлениях и температурах. Так, объем воды при кипении составляет только 1/1600 объема той же массы водяного пара. Объем жидкости мало зависит от давления и температуры. При нормальных условиях (20 °С и давлении 1,013 10 5 Па) вода занимает объем 1 л. При понижении температуры до 10 °С объем уменьшится только на 0,0021, при увеличении давления - в два раза.

Хотя простой идеальной модели жидкости пока нет, микроструктура ее достаточно изучена и позволяет качественно объяснить большинство ее макроскопических свойств. То, что в жидкостях сцепление молекул слабее, чем в твердом теле, заметил еще Галилей; его удивило, что на листьях капусты скапливаются большие капли воды и не растекаются по листу. Пролитая ртуть или капли воды на жирной поверхности принимают из-за сцепления форму маленьких шариков. Если молекулы одного вещества притягиваются к молекулам другого вещества, говорят о смачивании, например клей и дерево, масло и металл (несмотря на огромное давление, масло удерживается в подшипниках). Но вода поднимается в тонких трубочках, называемых капиллярными, и поднимается тем выше, чем тоньше трубка. Иного объяснения, кроме эффекта смачивания воды и стекла, ту т быть не может. Силы смачивания между стеклом и водой больше, чем между молекулами воды. Со ртутью - эффект обратный: смачивание ртути и стекла слабее, чем силы сцепления между атомами ртути. Галилей заметил, что смазанная жиром иголка может держаться на воде, хотя это противоречит закону Архимеда. Когда иголка плавает, мож-

но заметить небольшой прогиб поверхности воды, стремящийся как бы распрямиться. Силы сцепления между молекулами воды достаточны, чтобы не позволить иголке провалиться в воду. Поверхностный слой как пленка защищает воду, это и есть поверхностное натяжение, которое стремится придать форме воды наименьшую поверхность - шаровую. Но по поверхности спирта иголка уже не будет плавать, потому что при добавлении спирта в воду уменьшается поверхностное натяжение, и иголка тонет. Мыло тоже уменьшает поверхностное натяжение, поэтому горячая мыльная пена, проникая в трещины и щели, лучше отстирывает грязь, особенно содержащую жир, тогда как чистая вода просто свернулась бы в капельки.

Плазма - четвертое агрегатное состояние вещества, представляющее собой газ из совокупности заряженных частиц, взаимодействующих на больших расстояниях. При этом число положительных и отрицательных зарядов примерно равное, так что плазма электрически нейтральна. Из четырех стихий плазма соответствует огню. Чтобы перевести газ в состояние плазмы, нужно его ионизовать, оторвать электроны от атомов. Ионизацию можно осуществить нагреванием, воздействием электрического разряда или жесткого излучения. Вещество во Вселенной находится в основном в ионизованном состоянии. В звездах ионизация вызывается термически , в разреженных туманностях и межзвездном газе - ультрафиолетовым излучением звезд. Из плазмы состоит и наше Солнце, его излучение ионизует верхние слои земной атмосферы, называемые ионосферой, от ее состояния зависит возможность дальней радиосвязи. В земных условиях плазма встречается редко - в лампах дневного света или в дуге электросварки. В лабораториях и технике плазму чаще всего получают электрическим разрядом. В природе это делают молнии. При ионизации разрядом возникают электронные лавины, подобные процессу цепной реакции. Для получения термоядерной энергии используют метод инжекции: разогнанные до очень больших скоростей газовые ионы впрыскиваются в магнитные ловушки, притягивают к себе электроны из окружающей среды, образуя плазму. Используют и ионизацию давлением - ударными волнами. Этот способ ионизации - в сверхплотных звездах и, возможно, в ядре Земли.

Всякая сила, действующая на ионы и электроны, вызывает электрический ток. Если он не связан с внешними полями и не замкнут внутри плазмы, она поляризуется. Плазма подчиняется газовым законам, но при наложении магнитного поля, упорядочивающего движение заряженных частиц, она проявляет совершенно необычные для газа свойства. В сильном магнитном поле частицы начинают крутиться вокруг силовых линий, а вдоль магнитного поля они движутся свободно. Говорят, что это винтообразное движение смещает структуру силовых линий поля и поле «вморожено» в плазму. Разреженная плазма описывается системой частиц, а более плотная - моделью жидкости.

Высокая электропроводность плазмы - главное отличие ее от газа. Проводимость холодной плазмы поверхности Солнца (0,8 10 -19 Дж) достигает проводимости металлов, а при термоядерной температуре (1,6 10 -15 Дж) водородная плазма проводит ток в 20 раз лучше меди при нормальных условиях. Поскольку плазма способна проводить ток, к ней часто применяют модель проводящей жидкости. Она считается сплошной средой, хотя сжимаемость отличает ее от обычной жидкости, но это отличие проявляется только при течениях, скорость которых больше скорости звука. Поведение проводящей жидкости исследуется в науке, называемой магнитной гидродинамикой. В космосе всякая плазма является идеальным проводником, и законы вмороженного поля имеют широкое применение. Модель проводящей жидкости позволяет понять механизм удержания плазмы магнитным полем. Так, из Солнца выбрасываются плазменные потоки, влияющие на атмосферу Земли. Сам поток не имеет магнитного поля, но и постороннее поле не может в него проникнуть по закону вмороженности. Плазменные солнечные потоки выталкивают посторонние межпланетные магнитные поля из окрестностей Солнца. Возникает магнитная полость, где поле слабее. Когда эти корпускулярные плазменные потоки приближаются к Земле, они сталкиваются с магнитным полем Земли и вынуждены обтекать его по тому же закону. Получается некая каверна, где собрано магнитное поле и куда не проникают плазменные потоки. На ее поверхности скапливаются заряженные частицы, которые были обнаружены ракетами и спутниками, - это внешний радиационный пояс Земли. Эти идеи использовались и при решении задач удержания плазмы магнитным полем в специальных устройствах - токамаках (от сокращения слов: тороидальная камера, магнит). С полностью ионизованной плазмой, удерживаемой в этих и других системах, связывают надежды на получение на Земле управляемой термоядерной реакции. Это дало бы чистый и дешевый источник энергии (морская вода). Ведутся работы и по получению и удержанию плазмы при помощи сфокусированного лазерного излучения.

Лекция 4. Агрегатные состояния вещества

1. Твердое состояние вещества.

2. Жидкое состояние вещества.

3. Газообразное состояние вещества.

Вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. При очень высоких температурах возникает разновидность газообразного состояния – плазма (плазменное состояние).

1. Твердое состояние вещества характеризуется тем, что энергия взаимодействия частиц между собой выше кинœетической энергии их движения. Большинство веществ в твердом состоянии имеет кристаллическое строение. Каждое вещество образует кристаллы определœенной формы. К примеру, хлорид натрия имеет кристаллы в форме кубов, квасцы в форме октаэдров, нитрат натрия в форме призм.

Кристаллическая форма вещества наиболее устойчива. Расположение частиц в твердом телœе изображается в виде решетки, в узлах которой те или иные частицы, соединœенные воображаемыми линиями. Различают четыре основные типа кристаллических решеток: атомные, молекулярные, ионные и металлические.

Атомная кристаллическая решетка образована нейтральными атомами, которые связаны ковалентными связями (алмаз, графит, кремний). Молекулярную кристаллическую решетку имеют нафталин, сахароза, глюкоза. Структурными элементами этой решетки являются полярные и неполярные молекулы. Ионная кристаллическая решетка образована правильно чередующимися в пространстве положительно и отрицательно заряженными ионами (хлорид натрия, хлорид калия). Металлическую кристаллическую решетку имеют всœе металлы. В ее узлах находятся положительно заряженные ионы, между которыми находятся электроны в свободном состоянии.

Кристаллические вещества обладают рядом особенностей. Одно из них анизотропия - ϶ᴛᴏ неодинаковость физических свойств кристалла в различных направлениях внутри кристалла.

2. В жидком состоянии вещества энергия межмолекулярного взаимодействия частиц соизмерима с кинœетической энергией их движения. Это состояние является промежуточным между газообразным и кристаллическим. В отличии от газов между молекулами жидкости действуют большие силы взаимного притяжения, что и определяет характер молекулярного движения. Тепловое движение молекулы жидкости включает колебательное и поступательное. Каждая молекула в течение какого-то времени колеблется около определœенной точки равновесия, а затем перемещается и снова занимает равновесное положение. Это определяет ее текучесть. Силы межмолекулярного притяжения не дают молекулам при их движении далеко отходить друг от друга.

Свойства жидкостей зависят также от объема молекул, формы их поверхности. В случае если молекулы жидкости полярны, то происходит их объединœение (ассоциация) в сложный комплекс. Такие жидкости называют ассоциированными (вода, ацетон, спирт). Οʜᴎ имеют более высокие t кип, обладают меньшей летучестью, более высокой диэлектрической проницаемостью.

Как известно, жидкости обладают поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение - ϶ᴛᴏ поверхностная энергия, отнесенная к единице поверхности: ϭ = Е/S, где ϭ – поверхностное натяжение; Е – поверхностная энергия; S – площадь поверхности. Чем прочнее межмолекулярные связи в жидкости, тем больше ее поверхностное натяжение. Вещества снижающие поверхностное нятяжение называются поверхностно-активными веществами.

Другим свойством жидкостей является вязкость. Вязкость - ϶ᴛᴏ сопротивление, возникающее при движении одних слоев жидкости относительно других при ее перемещении. Одни жидкости обладают высокой вязкостью (мед, мала), а другие – малой (вода, этиловый спирт).

3. В газообразном состоянии вещества энергия межмолекулярного взаимодействия частиц меньше их кинœетической энергии. По этой причине молекулы газа не удерживаются вместе, а свободно перемещаются в объеме. Для газов характерны свойства: 1) равномерное распределœение по всœему объему сосуда в котором они находятся; 2) малая плотность по сравнению с жидкостями и твердыми веществами; 3) легкая сжимаемость.

В газе молекулы находятся на очень большом расстоянии друг от друга, силы притяжения между ними малы. При больших расстояниях между молекулами эти силы практически отсутствуют. Газ в таком состоянии принято называть идеальным. Реальные газы при высоких давлениях и низких температурах не подчиняются уравнению состояния идеального газа (уравнение Менделœеева-Клапейрона), так кА в этих условиях начинают проявляться силы взаимодействия между молекулами.

«Спирты» Из истории  Знаете ли вы, что еще в IV в. До н. э. люди умели изготавливать напитки, содержащие этиловый спирт? Вино получали сбраживанием фруктовых и ягодных соков. Однако выделять из него дурманящий компонент научились получать значительно позже. В XI в. алхимики уловили пары летучего вещества, которое выделялось при нагревании вина Определение Спирты́ (устаревшее алкого́ли) - органические соединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп (гидроксил, OH), непосредственно связанных с атомом углерода в углеводородном радикале  Общая формула спиртов СxHy(OH)n Общая формула одноатомных предельных спиртов СnН2n+1ОН Классификация спиртов По числу гидроксильных групп CxHy(OH)n Одноатомные алкоголи CH3 - CH2 - CH2 OH Двухатомные гликоли CH3 - CH - CH2 OH OH Трёхатомные глицерины CH2 - CH - CH2 OH OH OH Классификация спиртов По Похарактеру характеру углеводородного углеводородного радикала радикала CxHy(OH)n CxHy(OH)n Предельные Предельные CH3 CH3 –– CH CH2 CH2 2 ––CH 2 OH OH Непредельные Непредельные CH CH2 = CH CH––CH CH2 2 = 2 OH OH Ароматические Ароматические CH CH2 OH 2 --OH Номенклатура спиртов Просмотрите таблицу и сделайте вывод о номенклатуре спиртов НОМЕНКЛАТУРА И ИЗОМЕРИЯ При образовании названий спиртов к названию углеводорода, соответствующего спирту, добавляют (родовой) суффикс – ОЛ. Цифрами после суффикса указывают положение гидроксильной группы в главной цепи: H | H- C – O H | H метанол H H H |3 |2 |1 H- C – C – C -OH | | | H H H пропанол-1 H H H | 1 | 2 |3 H - C – C – C -H | | | H OH H пропанол -2 ВИДЫ ИЗОМЕРИИ 1. Изомерия положения функциональной группы (пропанол–1 и пропанол–2) 2. Изомерия углеродного скелета CH3-CH2-CH2-CH2-OH бутанол-1 CH3-CH-CH2-OH | CH3 2-метилпропанол-1 3. Изомерия межклассовая – спирты изомерны простым эфирам: СН3-СН2-ОН этанол СН3-О-СН3 диметиловый эфир Вывод  Названия одноатомных спиртов образуются из названия углеводорода с самой длинной углеродной цепью, содержащей гидроксильную группу, путём добавления суффикса -ол  Для многоатомных спиртов перед суффиксом -ол по-гречески (-ди-, -три-, ...) указывается количество гидроксильных групп  Например: CH3-CH2-OH этанол Виды изомерии спиртов Структурная 1. Углеродной цепи 2. Положения функциональной группы ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА  Низшие спирты (С1-C11)-летучие жидкости с резким запахом  Высшие спирты (C12- и выше)твердые вещества с приятным запахом ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Название Формула Пл. г/см3 tпл.C tкип.C Метиловый CH3OH 0,792 -97 64 Этиловый C2H5OH 0,790 -114 78 Пропиловый CH3CH2CH2OH 0,804 -120 92 Изопропиловый CH3-CH(OH)-CH3 0,786 -88 82 Бутиловый CH3CH2CH2CH2OH 0,810 -90 118 Особенность физических свойств: агрегатное состояние Метиловый спирт (первый представитель гомологического ряда спиртов)– жидкость. Может быть у него большая молекулярная масса? Нет. Гораздо меньше, чем у углекислого газа. Тогда в чем дело? R – O … H – O …H – O H R R Оказывается, все дело в водородных связях, которые образуются между молекулами спиртов, и не дают отдельным молекулам улететь Особенность физических свойств: растворимость в воде Низшие спирты растворимы в воде, высшие – не растворимы. Почему? СН3 – О …Н – О … Н – О Н Н СН3 А если радикал большой? СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН2 – О … Н – О Н Н Водородные связи слишком слабы, чтобы удержать молекулу спирта, имеющую большую нерастворимую часть, между молекулами воды Особенность физических свойств: контракция Почему при решении расчетных задач никогда не пользуются объемом, а только массой? Смешаем 500 мл спирта и 500 мл воды. Получим 930 мл раствора. Водородные связи между молекулами спирта и воды настолько велики, что происходит уменьшение суммарного объема раствора, его “сжатие” (от латинского contraktio – сжимание). Отдельные представители спиртов Одноатомный спирт - метанол  Жидкость без цвета с температурой кипения 64С, характерным запахом Легче воды. Горит бесцветным пламенем.  Применяется в качестве растворителя и топлива в двигателях внутреннего сгорания Метанол - яд  Ядовитое действие метанола основано на поражении нервной и сосудистой системы. Приём внутрь 5-10 мл метанола приводит к тяжёлому отравлению, а 30 мл и более - к смерти Одноатомный спирт - этанол Бесцветная жидкость с характерным запахом и жгучим вкусом, температурой кипения78С. Легче воды. Смешивается с ней в любых отношениях. Легко воспламеняется, горит слабо светящимся голубоватым пламенем. Дружба с ГАИ Спирты дружат с ГАИ? Но каким образом! Вас когда - нибудь останавливал инспектор ГАИ? А в трубочку Вы дышали? Если вам не повезло, то прошла реакция окисления спирта, при которой цвет изменился, а вам пришлось платить штраф 3СН3 – СН2 – ОН + К2Сr2O7 + 4H2SO4  K2SO4 + 7H2O+ O Cr2(SO4)3 + 3CH3 – C H Дружить или не дружить со спиртом Вопрос интересный. Спирт относится к ксенобиотикам – веществам, не содержащимся в человеческом организме, но влияющим на его жизнедеятельность. Все зависит от дозы. 1. Спирт – это питательное вещество, которое обеспечивает организм энергией. В средние века за счет потребления алкоголя организм получал около 25% энергии; 2. Спирт – это лекарственное средство, имеющее дезинфицирующее и антибактериальное действие; 3. Спирт – это яд, нарушающий естественные биологические процессы, разрушающий внутренние органы и психику и при чрезмерном употреблении влекущий смерть Применение этанола  Этиловый спирт употребляется при приготовлении различных спиртных напитков;  В медицине для приготовления экстрактов из лекарственных растений, а также для дезинфекции;  В косметике и парфюмерии этанол - растворитель для духов и лосьонов Вредное воздействие этанола  В начале опьянения страдают структуры коры больших полушарий; активность центров мозга, управляющих поведением, подавляется: утрачивается разумный контроль над поступками, снижается критическое отношение к себе. И. П. Павлов называл такое состояние «буйством подкорки»  При очень большом содержании алкоголя в крови угнетается активность двигательных центров мозга, главным образом страдает функция мозжечка - человек полностью теряет ориентацию Вредное воздействие этанола  Изменения структуры мозга, вызванные многолетней алкогольной интоксикацией, почти необратимы, и даже после длительного воздержания от употребления спиртных напитков они сохраняются. Если же человек не может остановиться, то органические и, следовательно, психические отклонения от нормы идут по нарастающей Вредное воздействие этанола  Алкоголь крайне неблагоприятно влияет на сосуды головного мозга. В начале опьянения они расширяются, кровоток в них замедляется, что приводит к застойным явлениям в головном мозге. Затем, когда в крови помимо алкоголя начинают накапливаться вредные продукты его неполного распада, наступает резкий спазм, сужение сосудов, развиваются такие опасные осложнения, как мозговые инсульты, приводящие к тяжелой инвалидности и даже смерти. ВОПРОСЫ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. В одном сосуде без подписи находится вода, а в другом – спирт. Можно ли воспользоваться индикатором, чтобы их распознать? Кому принадлежит честь получения чистого спирта? Может ли спирт быть твердым веществом? Молекулярная масса метанола 32, а углекислого газа 44. Сде-лайте вывод об агрегатном состоянии спирта. Смешали литр спирта и литр воды. Определите объем смеси. Как провести инспектора ГАИ? Может ли безводный абсолютированный спирт отдавать воду? Что такое ксенобиотики и какое отношение они имеют к спиртам? ОТВЕТЫ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Нельзя. Индикаторы не действуют на спирты и их водные растворы. Конечно же алхимикам. Может, если этот спирт содержит 12 углеродных атомов и больше. По этим данным вывод сделать нельзя. Водородные связи между молекулами спирта при малой молекулярной массе этих молекул делают температуру кипения спирта аномально высокой. Объем смеси будет не два литра, а гораздо меньше, примерно 1л - 860 мл. Не пить, когда садишься за руль. Может, если его нагреть и добавить конц. серной кислоты. Не поленитесь и вспомните все, что Вы слышали с спиртах, решите для себя раз и навсегда, какая доза Ваша……. и нужна ли она вообще????? Многоатомный спирт этиленгликоль  Этиленгликоль - представитель предельных двухатомных спиртов - гликолей;  Название гликоли получили вследствие сладкого вкуса многих представителей ряда (греч. «гликос» - сладкий);  Этиленгликоль - сиропообразная жидкость сладкого вкуса, без запаха, ядовит. Хорошо смешивается с водой и спиртом, гигроскопичен Применение этиленгликоля  Важным свойством этиленгликоля является способность понижать температуру замерзания воды, от чего вещество нашло широкое применения как компонент автомобильных антифризов и незамерзающих жидкостей;  Он применяется для получения лавсана (ценного синтетического волокна) Этиленгликоль - яд  Дозы вызывающие смертельное отравление этиленгликолем варьируются в широких пределах - от 100 до 600 мл. По данным ряда авторов смертельной дозой для человека является 50-150 мл. Смертность при поражении этиленгликолем очень высока и составляет более 60% всех случаев отравления;  Механизм токсического действия этиленгликоля до настоящего времени изучен недостаточно. Этиленгликоль быстро всасывается (в том числе через поры кожи) и в течение нескольких часов циркулирует в крови в неизмененном виде, достигая максимальной концентрации через 2-5 часов. Затем его содержание в крови постепенно снижается, и он фиксируется в тканях Многоатомный спирт глицерин  Глицерин – трехатомный предельный спирт. Бесцветная, вязкая, гигроскопичная, сладкая на вкус жидкость. Смешивается с водой в любых отношениях, хороший растворитель. Реагирует с азотной кислотой с образованием нитроглицерина. С карбоновыми кислотами образует жиры и масла CH2 – CH – CH2 OH OH OH Применение глицерина  Применяется в     производстве взрывчатых веществ нитроглицерина; При обработке кожи; Как компонент некоторых клеёв; При производстве пластмасс глицерин используют в качестве пластификатора; В производстве кондитерских изделий и напитков (как пищевая добавка E422) Качественная реакция на многоатомные спирты Качественная реакция на многоатомные спирты  Реакцией на многоатомные спирты является их взаимодействие со свежеполученным осадком гидроксида меди (II), который растворяется с образованием яркого сине-фиолетового раствора Задания Заполните рабочую карту к уроку;  Ответьте на вопросы теста;  Разгадайте кроссворд  Рабочая карта урока «Спирты»  Общая формула спиртов Назовите вещества:  CH3OH  CH3-CH2-CH2-CH2-OH  CH2(OH)-CH2(OH)  Составьте структурную формулу пропанол-2  Чем определяется атомность спирта?  Перечислите области применения этанола  Какие спирты используют в пищевой промышленности?  Какой спирт вызывает смертельное отравление при попадании в организм 30 мл?  Какое вещество используется в качестве незамерзающей жидкости?  Как отличить многоатомный спирт от одноатомного спирта? Способы получения Лабораторные  Гидролиз галогеналканов: R-CL+NaOH R-OH+NaCL  Гидратация алкенов: CH2=CH2+H2O C2H5OH  Гидрирование карбонильных соединений Промышленные  Синтез метанола из синтез-газа CO+2H2 CH3-OH (при повышенном давлении, высокой температуре и катализатора оксида цинка)  Гидратация алкенов  Брожение глюкозы: C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 Химические свойства I. Реакции с разрывом связи RO–H  Спирты реагируют с щелочными и щелочноземельными металлами, образуя солеобразные соединения – алкоголяты 2СH CH CH OH + 2Na  2СH CH CH ONa + H  2СH CH OH + Сa  (СH CH O) Ca + H  3 2 3 2 2 3 3 2 2 2 2 2 2  Взаимодействие с органическими кислотами (реакция этерификации) приводит к образованию сложных эфиров. CH COОH + HOC H  CH COОC H (уксусноэтиловый эфир (этилацетат)) + H O 3 2 5 3 2 5 2 II. Реакции с разрывом связи R–OH С галогеноводородами: R–OH + HBr  R–Br + H2O III. Реакции окисления Спирты горят: 2С3H7ОH + 9O2  6СO2 + 8H2O При действии окислителей:  первичные спирты превращаются в альдегиды, вторичные в кетоны IV. Дегидратация Протекает при нагревании с водоотнимающими реагентами (конц. Н2SO4). 1. Внутримолекулярная дегидратация приводит к образованию алкенов CH3–CH2–OH  CH2=CH2 + H2O 2. Межмолекулярная дегидратация даёт простые эфиры R-OH + H-O–R  R–O–R(простой эфир) + H2O

Презентация на тему "Спирты" по химии в формате powerpoint. Презентация для школьников содержит 12 слайдов, где с точки зрения химии рассказывается о спиртах, их физических свойствах, реакции с галогеноводородами.

Фрагменты из презентации

Из истории

Знаете ли вы, что еще в IV в. До н. э. люди умели изготавливать напитки, содержащие этиловый спирт? Вино получали сбраживанием фруктовых и ягодных соков. Однако выделять из него дурманящий компонент научились получать значительно позже. В XI в. алхимики уловили пары летучего вещества, которое выделялось при нагревании вина.

Физические свойства

• Низшие спирты – это жидкости, хорошо растворимые в воде, без цвета, с запахом.
• Высшие спирты – твердые вещества, в воде не растворимые.

Особенность физических свойств: агрегатное состояние

• Метиловый спирт (первый представитель гомологического ряда спиртов)– жидкость. Может быть у него большая молекулярная масса? Нет. Гораздо меньше, чем у углекислого газа. Тогда в чем дело?
• Оказывается, все дело в водородных связях, которые образуются между молекулами спиртов, и не дают отдельным молекулам улететь.

Особенность физических свойств: растворимость в воде

• Низшие спирты растворимы в воде, высшие – не растворимы. Почему?
• Водородные связи слишком слабы, чтобы удержать молекулу спирта, имеющую большую нерастворимую часть, между молекулами воды.

Особенность физических свойств: контракция

• Почему при решении расчетных задач никогда не пользуются объемом, а только массой?
• Смешаем 500 мл спирта и 500 мл воды. Получим 930 мл раствора. Водородные связи между молекулами спирта и воды настолько велики, что происходит уменьшение суммарного объема раствора, его "сжатие” (от латинского contraktio – сжимание).

Спирты – это кислоты?

• Спирты реагируют со щелочными металлами. При этом атом водорода гидроксильной группы замещается на металл. Похоже на кислоту.
• Но кислотные свойства спиртов слишком слабы, слабы настолько, что спирты не действуют на индикаторы.

Дружба с ГАИ.

• Спирты дружат с ГАИ? Но каким образом!
• Вас когда - нибудь останавливал инспектор ГАИ? А в трубочку Вы дышали?
• Если вам не повезло, то прошла реакция окисления спирта, при которой цвет изменился, а вам пришлось платить штраф.

Отдаем воду 1

Отнятие воды – дегидротация может быть внутримолекулярная, если температура больше 140 градусов. При этом нужен катализатор – концентрированная серная кислота.

Отдаем воду 2

Если температуру уменьшить, а катализатор оставить тот – же, то пройдет межмолекулярная дегидротация.

Реакция с галогеноводородами.

Эта реакция обратима и требует катализатора – концентрированной серной кислоты.

Дружить или не дружить со спиртом.

Вопрос интересный. Спирт относится к ксенобиотикам – веществам, не содержащимся в человеческом организме, но влияющим на его жизнедеятельность. Все зависит от дозы.

1. Спирт – это питательное вещество, которое обеспечивает организм энергией. В средние века за счет потребления алкоголя организм получал около 25% энергии.
2. Спирт – это лекарственное средство, имеющее дезинфицирующее и антибактериальное действие.
3. Спирт – это яд, нарушающий естественные биологические процессы, разрушающий внутренние органы и психику и при чрезмерном употреблении влекущий смерть.