Заттың агрегаттың күйлері

Заттың агрегаттық күйі оның негізгі физика-химиялық сипаттамасы. Заттар сыртқы ортаға (температура мен қысым) байланысты төрт түрлі аграгеттық күйде бола алады: газ, сұйық (бу), қатты және плазма.

Заттың бір агрегаттық күйден екінші күйге ауысуы агрегаттық түрлену деп аталады. Көптеген заттар белгілі бір температура мен қысымда бірден үш күйде бола алады. Мысалы, су – ол бу, сұйық және қатты мұз күйінде болуы мүмкін. Кейбір заттар тек бір не екі күйге ұшырайды. Мысалы мышьяк, йод және нафталин қатты күйден бірден газға айналуы мүмкін. Ал кальций карбонаты сұйық және газ күйінде бола алмайды. Қатты затты сұйық күйге ауыстырмай бірден газға айналдыру әдісі – айдау, ал процестің өзі сублимация деп аталады.

Заттардың бір агрегаттық күйден екінші күйге ауысуы жүйе энергиясының өзгеруімен жүреді. Мысалы, балқу, булану кездерінде жылу сіңіріліп, ал конденсациялану және кристалдану кездерінде жылу бөлініп шығатын болады. Қатты және сұйық күй заттардың конденсацияланған күйлері деп аталады. Заттың қатты күйден сұйық күйге ауысуына, сұйық күйден газ күйіне ауысуына қарағанда, энергия аз жұмсалады. Олай болса, балқу жылуы оның булану жылуынан әрқашан аз болады.

Заттардың агрегаттық күйін анықтайтын маңызды параметрлердің бірі – молекуланың өлшемі мен молекулааралық әсерлесу. Бұл шамалардың мәндері үлкен болған сайын, бөлме температурасында зерттелетін зат қатты күйде болатыны едәуір көп.

Газ күйіндегі заттардың атомдары мен молекулалары бір бірінен өте алшақта болады, олардың молекулааралық күштері өте әлсіз. Газ күйіндегі заттар кез келген көлемде бола алады, сондықтан оларды жоғары қысыммен қыса отырып,сұйыққа не қатты күйге айналдыруға болады.

Газдардың физикалық күйі үш шамамен: температура, қысым және көлеммен сипатталанады. Әртүрлі газдарды тәжірибе арқылы зерттегенде, нәтижелері идеал газының заңдарынан ауытқиды. Идеал газдың күйі Клайперон – Менделеев теңдеуімен анықталады: PV=nRT

Бұл ауытқулар неғұрлым температура төмен болса, ал қысым артқан сайын ол соғұрлым күштірек болады. Оның екі себебі бар: реал газдарда молекулалардың арасында тартылу және тебу күштері және реал газдарының молекулаларының меншікті көлемінің болуы.

Молекулалардың өзара тартылыс нәтижесінде олардың арақашықтықтары азайып, газдың көлемі кемиді. Сол Ван-дер-Ваальс күшінің әсерінен болатын қысым ішкі қысым деп аталады, ол газдың тығыздығының квадратына тура пропорциоеал болады: , мұндағы а – газ үшін тұрақты шама. Газдың тығыздығы оның меншікті көлеміне (V) кері пропорционал: d=1/V; ендеше . Сөйтіп реал газдың күйін сипаттайтын теңдеу келесі түрге ие болады (Ван-дер-Ваальс теңдеуі):

мұндағы b – қысылмайтын көлем деп аталатын тұрақты шама, ол меншікті көлемінен 4 есе аз болады.

Қатты денелерде атомдар, молекулалар немесе иондар арасы өте жақын және олардың тебісу күштері тартылу күштерімен шамалас болады. Осы атомдар (молекулалар мен иондар) белгілі бір тәртіппен орналасып кристалдық тор түзеді: атмодық, иондық, молекулалық, металдық. Қатты денелер кристалдық және аморфты күйде (шыны, шайырлар, полимерлер) болады, олардың қасиеттері әртүрлі. Кристалдық күйдегі қатты заттар тұрақты балқу температурасына ие, ал аморфты заттар жоқ, сондықтан балқу кезінде олар тұтқырлық, жылусыйымдылық, электрөткізгіштік, диэлектрлік тұрақтылық және т.б. физикалық қасиеттерін өзгертеді. Аморфты заттар әртүрлі бағытта бірдей қасиеттер көрсетсе, олар изотропты заттар деп аталады, ал кристалдық заттардың бағытқа байланысты кейбір қасиеттері өзгереді, сондықтан олар анизотропты заттар деп атайды. Ондай бағытқа байланысты өзгеретін қасиеттер: сыну көрсеткіші, механикалық мықтылық, еру жылдамдығы, жылуөткізгіштік, электрөткізгіштік, т.б.

Плазмалық күйде зат молекулалары температурасы С-тан жоғары зарядталған иондар және электрондар түзіп, диссоциацияланады. Бұл күйдегі заттардың электрөткізгіштігі және соған байланысты басқа да қасиеттері өзгеше болады, сондықтан физикалық және коллоидтық химия мұндай күйдегі заттарды қарастырмайды.

Сұйық заттардың молекулаларының әрекеттесуі газбен салыстырғанда күштірек болады. Сұйық күйдегі дене көлемі аз тек өзінің пішінін ғана өзгертетін болады. Төменгі температурада сұйықтың қасиеттері қатты дене қасиеттеріне ұқсас, ал жоғары температурада газдардың қасиеттеріне жуық болады.

Кез келген агрегаттық күйде болатын заттың табиғатын, құрамын, құрылысын және заттарды идентификациялауда заттың жеке физикалық қасиеттерінің маңызы зор, мысалы диполь моменті, диэлектрлік өткізгіштік, рефракция құбылысының, оның негізінде затың сыну көрсеткіші деп аталатын физикалық шамасы анықталады. Мысалы, сыну көрсеткіші арқылы май, сыра, жеміс пен көкеніс шырындардың, арақ-шараптардың сапасын білуге, қан, асқазан шырындарын талдауға қолданады.

Ж арық сәулесі екі мөлдір біртекті орталардың бөлу шекарасымен қиылысқанда, сәуленің бағыты сыну заңы бойынша өзгереді (1-сурет).

Жарықтың толқындық теориясы сыну көрсеткішін екі ортадағы жарықтық толқындарының таралу жылдамдықтарының ( және ) немесе жарықтың түсі () мен сыну () бұрыштарының арасындағы қарапайым байланыспен анықтайды:

немесе

Сыну көрсеткішіне заттың физика-химиялық қасиеттерімен қатар ортаның сыртқы факторлары әсер етеді. Толқындық теория сыну көрсеткішін вакуумдағы ( ) және белгілі ортадағы жарықтың жылдамдықтарымен байланыстырады:

Заттың сыну көрсеткіші оның табиғатымен анықталады, бірақ сыртқы ортаның температурасына және жарық толқынының ұзындығына, заттың тығыздығы мен поляризациялануына тәуелді болады. Толқын ұзындыңы төменгі индексінде, ал температураны жоғарғы индексінде көрсетеді: яғни 25 температурада толқын ұзындығы 480нм (4800A) болатын кадмийдің көк сызығына сәйкес келетін сыну көрсеткіші. Оптикалық анизотропты заттардың сыну көрсеткішін анықтау арқылы минералдардың идентификациясын өткіздеді.

Заттың тығыздығының өзгеруімен қатар оның сыну көрсеткіші де өзгереді, яғни тығыздық артқан сайын сыну көрсеткішінің мәні де артады және бұл тура пропорционалды тәуелділікті белгілі функция түрінде көрсетуге болады:

мұндағы f(n) – сыну көрсеткішінің белгілі функциясы, d – заттың тығыздығы, r – меншікті рефракция деп аталатын және сол затқа тән болып келетін тұрақты коэффициент. Меншікті рефракция n және d-мен салыстырғанда сыртқы ортаның температурасына және заттың агрегаттық күйіне тәуелді емес.

Ньютон жарықтың сынуын жарықтық бөлшектерінің затпен тартылуы деп қарастырғандықтан, және деп есептеген. Бұл функцияның математикалық нәтижесін Лаплас тауып, меншікті рефракцияның мәнін келесі формуламен есептеуге ұсынды, оны Ньютон – Лаплас теңдеуі деп аталады:

XIX ғас. басында Ньютон – Лаплас формуласының газдарға қолданылуы тиімділігі дәлелденді. 1863ж. Гладстон мен Даль сұйықтарды қыздыру барысында Ньютон – Лапластың меншікті рефракциясы тұрақсыз болады екенін дәлелдеп, сұйықтар үшін келесі қарапайым теңдеуді ұсынды (Гладстон – Даль теңдеуі):

1880 ж. Г.А.Лорентц пен Л.Лоренц әрқайсысы жеке және әртүрлі жолдармен f(n) функциясы келесі түрге ие болады деп бір шешімге келді:

Сонда меншікті рефракция келесі түрге ие болады (Лорентц – Лоренц теңдеуі ):

Г.А.Лорентц өз теңдеуін Максвеллдің электромагниттік теориясының негізінде шығарды. Сонымен қатар 6-ші формуланың Клаузиус – Мосоттидің диэлектрліктердің электрлік поляризациясы теориясынан алуға болатынын көрсетілген.

Электр өрісінде молекуланың бағытталуы және атомдар мен электрондардың қозғалуы поляризация (П) деп аталады. Молекуланың поляризациясы электрондық (П_эл), атомдық (П_ат) және бағытталған (П_ор) поляризациялардың қосындысынан тұрады:

Поляризация шамасы молекуланың поляризациялану мүмкіндігіне (α) тәуелді:

Электр өрістің әсерінен молекуланың деформациясын сипаттайтын пропроционалдық коэффициент (α) поляризациялану деп аталады. Атомдық және электрондық поляризациялану шамалары температураға тәуелді емес, ал абсолюттік температураға кері пропорционал, себебі молекулалардың ретсіз жылулық қозғалысы ориентацияны яғни бағытталуды бұзады.

Диэлектриктің поляризациясы Дебай теңдеуімен анықталады:

мұндағы ε – заттың диэлектрлік өткізгішті, М – заттың молекулярлық салмағы, d – заттың тығыздығы.

М олекуланың поляризациясы температураға тәуелділігі келесі теңдеумен өрнектеледі:

N_A – Авогадро саны ( )

µ – молекуланың диполь моменті

 – Больцман тұрақтысы (1,38*10^-23 Дж/град)

Соңғы екі теңдеулерді өзара теңестіру нәтижесінде Клаузиус – Мосотти теңдеуін алуға болады:

Полярлы емес молекулалардың поляризациясы (П) температураға тәуелді емес, себебі олардың диполь моменті 0-ге тең.

Диполь моменті – диполь молекуласының (полярлы молекула) негізгі векторлық сипаттамасы. Егер молекуланың оң және теріс зарядтардың орталықтары сәйкес келмесе, қандай да бір қашықтықта орналасса, онда ол диполь қасиетіне ие болып, полярлы молекула деп аталады. Молекуланың полярлығының өлшемі ретінде диполь моменті () алынады. Дипольдің электрлік моменті оның заряды (e) мен диполь ұзындығының (l) көбейтіндісіне тең шама:

Тәжірибе жүзінде молекуланың диполь моменті диэлектрлік өткізгіштік арқылы анықтауға болады. Заттың диэлектрлік өткізгіштігі () – вакууммен салыстырғандағы белгілі заттың ортасында зарядтардың әрекеттесуі неше есе әлсіздеу екенін көрсететін сан. Сонымен қатар  шамасы молекуланың геометриялық құрылымы туралы маңызды информацияны береді. Мысалы (CO₂)  0D сызықты молекула, (SO₂)  1,61D үшбұрышты молекула болады.

Поляризация шамасы арқылы молекуланың диполь моментін анықтауға болады.

Поляризация шамасын табу үшін зерттелетін заттың диэлектрлік өткізгіштікпен тығыздығын бірнеше температураларда өлшейді де, алынған шамалар бойынша көрсетілгендей график сызылып,  шамасы анықталады:

Атомдық поляризациялану шамасы молекуланың жалпы поляризациясында (П) 5 – 8% ғана құрайды, сондықтан оны ескермеуге де болады, және коэффицент тең деп есептегенде, , d, n шамалары тек бір температураның мәнінде өлшенсе:

Заттың молярлық рефракциясы электрондық поляризациясын (П_эл) сипаттайды және заттың агрегаттық күйіне және температураға тәуелді емес. Молярлық рефракция меншікті рефракциясының заттың молекулалық салмағына көбейтіндісіне тең болады:

Л орентц – Лоренц теңдеуін қолдана отырып, молярлық рефракция формуласын түрлендіреміз:

Газдар үшін: