§ 4. Газовые смеси. Закон Дальтона.

В практике очень часто приходится иметь дело не с чистыми га­зами, а с их смесями. Особенно широкое распространение газо­вые смеси получили в технике. Одни из них служат ценным хими­ческим сырьем и используются при синтезе ряда веществ (нефтя­ные газы, воздух), другие являются хорошим газообразным топли­вом (природный, доменный, генераторный газы).

Основным законом газовых смесей является закон Дальтона, который имеет следующую формулировку: общее давление газовой смеси р_общ равно сумме парциальных давлений всех входящих в нее газов р₁+р₂ + p₃ + ..., т. е.

1.27

Парциальное давление — это часть общего давления в газовой смеси. Оно равно тому давлению газа, которым он обладал бы, занимая один весь объем смеси.

Как и другие законы идеальных газов, закон Дальтона не вы­полняется при высоких давлениях и низких температурах.

К каждому отдельному газу, входящему в данную газовую смесь, может быть применено уравнение состояния газа (I.17):

1.28

где V_общ — общий объем газовой смеси; n₁, n₂, n₃ ,... — числа молей отдельных газов в смеси.

Подставив эти выражения в (I.27) и сделав соответствующие преобразования, получим уравнение состояния применительно к смесям идеальных газов:

1.29

где ∑n — сумма числа молей газов в смеси.

Помимо парциального давления для газовых смесей различают парциальный объем каждого из газов: υ₁, υ₂, υ₃ и т. д. Парциаль­ный объем — это объем, который занимал бы отдельный газ, вхо­дящий в состав смеси идеальных газов, если бы при том же коли­честве он имел давление и температуру смеси.

Сумма парциальных объемов всех идеальных газов, входящих в смесь, равна общему объему смеси:

Состав газовых смесей обычно выражают в массовых и объем­ных долях в процентах, а также в молярных долях и молярных долях в процентах. Выражение состава газовых смесей в объем­ных долях в процентах широко применяется в газовом анализе.

§ 5. Твердое агрегатное состояния.

Как известно, при достаточно низкой температуре все вещества переходят в твердое состояние. При этом скорость движения ато­мов, молекул или ионов, из которых состоит данное вещество, на­столько уменьшается, что силы взаимного притяжения, силы сцеп­ления между ними становятся соизмеримыми с силами отталки­вания. Тело в результате этого приобретает определенную форму, которая не изменяется. Кроме того, твердые вещества обладают способностью восстанавливать прежнюю форму после снятия дей­ствия сил, направленных на ее изменение, т. е. для твердых веществ характерно явление деформации. По способности к деформации все твердые тела подразделяются на упругие, пластичные и хрупкие.

Частицы твердых тел настолько прочно связаны друг с другом силами взаимного притяжения, что для них исключается поступа­тельное движение и имеет место лишь колебательное движение око­ло определенных точек. Под действием внешних сил эти частицы могут несколько смещаться из своего первоначального положения, но при снятии нагрузки они вновь возвращаются в него обратно. Таким образом, для всякого твердого вещества характерна не только собственная форма, но и способность к деформации.

Твердые тела обычно подразделяют на кристаллические и аморфные.

Кристаллические вещества имеют четкую внутреннюю структуру, обусловленную правильным расположением частиц в строго опре­деленном периодически повторяющемся порядке. Кроме того, для каждого твердого кристаллического тела существует строго посто­янная точка (температура) плавления.

Для кристаллических тел весьма характерно явление анизотро­пии, сущность которого состоит в том, что кристалл в различных направлениях обладает неодинаковыми свойствами. Такие свой­ства, как теплопроводность, электрическая проводимость, механи­ческая прочность, коэффициент теплового расширения, скорость растворения и другие свойства в различных направлениях кри­сталла различны. Например, слюда сравнительно легко разделяет­ся на пластинки только в одном направлении (параллельно поверх­ности), в других же направлениях разрушение слюды требует значительно больших усилий. Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют ясно выраженного порядка во взаимном расположении слагающих их частиц. Эти вещества не имеют постоянной температуры плавления. При нагревании они сначала размягчаются в определенном интервале температур, затем, постепенно уменьшая свою вязкость, переходят в жидкотекучее состояние. При охлаждении эти расплавы вновь могут перейти в твердое состояние без образования кристалличе­ской структуры.

Аморфные вещества по структуре аналогичны жидкостям и от­личаются от них лишь весьма малой подвижностью частиц. Поэто­му аморфные вещества рассматривают как переохлажденные жид­кости. Из-за большого внутреннего трения переход их в кристал­лическое состояние сильно затруднен.

Однако резко противопоставлять аморфные тела кристалличе­ским не следует, так как многие вещества можно получить как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO₂ существует в природе в кристаллическом (горный хрусталь) и аморфном состоянии (опал). Кроме того, современные рентгено­графические и электронографические исследования показали, что во многих телах, которые раньше считали аморфными (например, аморфные формы кварца или углерода), расположение атомов не является вполне хаотичным. Они содержат мельчайшие зародыши кристаллов размерами 10^-8—10^-9 м. И только чрезвычайно высокой вязкостью, которая быстро нарастает при охлаждении вещества, можно объяснить отсутствие дальнейшего развития (роста) этих кристаллов.

Аморфные вещества по сравнению с кристаллическими облада­ют большим запасом энергии. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что при кристаллизации твердого вещества происходит заметное выделение теплоты. При застывании же расплавленного аморфного вещества никакого выделения теплоты не наблюдает­ся. Поскольку аморфное состояние вещества является энергетиче­ски менее устойчивым, возникает тенденция к переходу вещества из аморфного состояния в кристаллическое. Этот процесс является чрезвычайно длительным во времени. Так, для перехода стекла в кристаллическое состояние необходимо время в сто лет и более. При этом стекло мутнеет. В процессе кристаллизации внутреннее напряжение в стекле может настолько увеличиться, что оно разру­шается без видимых внешних причин. Известны случаи, когда ста­ринные массивные стеклянные предметы вдруг разлетались вдре­безги без всякого прикосновения к ним.