Жидкости

Жидкости

ЖидкостиЖидкое состояние является наименее изученным агрегатным состоянием вещества. По своему строению жидкости занимают промежуточное положение между твердыми кристаллическими телами со строго определенной периодической структурой и газами, характеризующимися отсутствием какой-либо упорядоченности в движении частиц, Структура и физические свойства жидкостей зависят от химического строения молекул и от характера взаимодействия между ними. Для жидкостей, образованных полярными молекулами (вода, спирт), характерно явление ассоциации, т. е. сцепление молекул в сложные агрегаты. Определяющую роль в этих процессах играют водородные связи. Взаимное расположение агрегатов не фиксировано; они способны перемещаться друг относительно друга. При этом их состав непрерывно меняется.

Рис. Жидкости, вода

В общей массе связанных между собой молекул всегда встречаются сгущения, разрежения и даже пустоты, непрерывно мигрирующие по всему объему жидкости Время, проходящее между перескоком (трансляцией) частицы из одного агрегата в другой, очень мало. Оно составляет примерно 10-11 сек. Однако за это время молекула успевает сделать в составе агрегата от десяти до ста колебаний около положения равновесия. Если на жидкость подействовать импульсом mυ, частота которого соизмерима с частотой трансляций, она начинает проявлять свойства твердого тела — струя жидкости, например раскалывается. Аналогично этому длительное воздействие большой нагрузки на твердые тела вызывает их течение.

Строение и свойства воды

Вода является одним из самых распространенных в природе веществ. Она покрывает около 3/4 всей земной поверхности, составляя основу океанов, морей, озер, рек, грунтовых вод и болот. Большое количество воды находится также в атмосфере. Растения и живые организмы содержат в своем составе 50—96% воды.

При температуре от 0 до 100°С и нормальном атмосферном давлении вода находится в жидком состоянии которое характеризуется беспорядочным движением молекул и слабыми связями между ними. Полярные молекулы воды образуют непрочные ассоциаты переменного cостава (Н2О)х. Наиболее устойчивыми являются удвоенные молекулы (Н2О)2, удерживаемые друг около друга двумя водородными связями:

Строение и свойства воды

С увеличением температуры степень ассоциации воды понижается.

При взаимодействии ассоциированных молекул происходит обратимый процесс ионизации, приводящий к появлению гидратированных ионов ОН и Н3О+:

2O)m+ (Н2O)n⇄[(Н2O)mН+] + [(Н2O)n-1(OH)]

или упрощенно

H2O + Н2O⇄Н3О+ОН

Экспериментально установлено, что при 22°С из каждых 10 миллионов молекул воды диссоциирует только одна. Это соответствует концентрации 10-7 г-ион/л Н3О+. Процесс ионизации происходит с очень большой скоростью. Поэтому между молекулами воды осуществляется непрерывный обмен атомами водорода. Продолжительность пребывания какого-либо фиксированного атома Н и составе данной молекулы не превышает обычно 10-8 сек.

Вода способна к значительному переохлаждению, т. е. может оставаться в жидком состоянии при температурах много ниже точки плавления. Тщательно очищенную от пыли воду можно переохлаждать до —15 и даже до -20°С. При температурах ниже —15°С теплоемкость воды начинает резко увеличиваться, что отражается на структуре жидкости.

Временное изменение свойств воды происходит также в процессе ее тепловой обработки под давлением (нагревание в автоклавах в течение нескольких часов при 300— 100°С). Такая вода имеет повышенную растворяющую способность по отношению к некоторым солям и более высокую электропроводность.

В последнее время появилось множество сообщений о значительном изменении свойств воды после ее протекания в магнитных полях сравнительно невысокой напряженности. Эти изменения носят временный характер и через 10—25 ч полностью исчезают. «Магнитная» вода хуже смачивает твердые поверхности и обладает способностью ускорять процессы кристаллизации растворенных в ней веществ. Теоретическое объяснение этим явлениям пока не найдено, тем не менее магнитная обработка воды уже нашла широкое применение для очистки воды от взвешенных частиц, предотвращения образования плотных слоев накипи в паровых котлах и улучшения процессов флотации.

Аномальные свойства жидкого гелия

Химический элемент гелий имеет два стабильных изотопа: 32Не и 24Не с атомными массами соответственно 3,016 и 4,003 у. е. По распространенности во Вселенной гелий занимает второе место после водорода; на его долю приходится около 23% всей массы космического вещества. Содержание гелия в атмосферном воздухе составляет всего 5 • 10-4 %, поэтому он считается редким элементом.

При обычных условиях гелий представляет собой бесцветный одноатомный газ, умеренно растворимый в воде и других жидкостях. Вследствие полной симметричности электронных оболочек атомы гелия очень слабо взаимодействуют друг с другом; при атмосферном давлении температура сжижения гелия-4 равна 4,2К, а гелия-3 — 3,2К. Интенсивность теплового движения атомов при таких низких температурах очень мала, а соответствующая этому движению длина волны де Бройля сравнима с расстоянием между отдельными атомами. Поэтому состояние жидкого гелия необходимо описывать с помощью законов квантовой механики.

В 1938 г. советский физик Петр Леонидович Капица, изучая скорости протекания жидкого 42Не сквозь узкие щели, обнаружил, что при 2.18К его вязкость скачкообразно обращается в нуль, т. е. происходит переход гелия-4 в сверхтекучее состояние. Сверхтекучий 42He обладает необычными свойствами: он самопроизвольно поднимается по капиллярам любой толщины и легко вытекает из не перевернутого сосуда. Теплопроводность сверхтекучего 42Не в десятки раз выше теплопроводности меди. Гелий также может переходить в сверхтекучее состояние, приобретая при этом совершенно необычные магнитные свойства. Важной особенностью жидкого гелия 42Не является также то, что при температуре ниже 0,3К переход Неж32Нет, сопровождается не выделением, а поглощением теплоты. Этот эффект используется для получения сверхнизких температур — вплоть до 0,001К.

Статья на тему Жидкости