Бінарні рідкі системи

Рідке стан

Рідке стан є проміжним між газоподібним і твердим. З газами рідини зближує насамперед їх ізотропності (однаковість фізичних властивостей в усіх напрямках) і текучість (здатність легко змінювати зовнішню форму під впливом малих навантажень). Проте висока щільність і мала стискальність рідин наближає їх до твердих тіл. Здатність рідин легко змінювати свою форму говорить про відсутність у них жорстких сил міжмолекулярної взаємодії. У той же час низька стискальність рідин, що обумовлює здатність зберігати постійна при даній температурі об'єм, вказує на присутність хоча і не жорстких, але все ж таки значних сил взаємодії між частками.

Для кожного агрегатного стану характерне своє співвідношення між потенційною і кінетичної енергіями частинок речовини. У твердих тіл середня потенційна енергія частинок більше їх середньої кінетичної енергії. Тому в твердих тілах частинки займають певні положення відносно один одного і лише коливаються біля цих положень. Для газів співвідношення енергій протилежне, внаслідок чого молекули газу завжди знаходяться в стані хаотичного руху, і сили зчеплення між молекулами практично відсутні, так що газ завжди займає весь наданий йому об'єм. У випадку рідин кінетична та потенційна енергія частинок приблизно однакові, тобто частки пов'язані один з одним, але не жорстко. Тому рідини текучі, але мають постійна при даній температурі об'єм.

В більшості рідин спостерігається ближній порядок - число найближчих сусідів у кожної молекули і їх взаємне розташування приблизно однакові в усьому обсязі даної рідини. У рідин сильно виражена самодифузії, тобто безперервні переходи молекул з місця на місце. Фізико-хімічні властивості рідини залежать від природи утворюють її частинок і від інтенсивності їх взаємодії між собою.

Внутрішньо будову рідин з'ясовано тільки в самих загальних рисах, і до теперішнього часу не створено загальної теорії рідкого стану. Пояснюється це тим, що внутрішню будову рідин значно складніше внутрішньої будови газів і кристалів. У порівнянні з газами рідини мають перш за все у багато разів більшою щільністю. Відстані між молекулами в рідини настільки малі, що властивості рідини в значній мірі визначаються власним об'ємом молекул і взаємним тяжінням між ними, в той час як в газах у звичайних умовах вплив цих факторів незначно. При малих відстанях між молекулами мають значення також їх геометрична форма і полярні властивості. Властивості полярних рідин залежать не тільки від взаємодії молекули з молекулою, а й від взаємодії між окремими частинами різних молекул.

Коли молекули рідини мають полярністю, то, крім взаємного притягання між ними, властивого і неполярних молекул, виявляється і взаємодію між різними частинами молекул, що несуть електричний заряд. Це робить нерівноцінним різні положення молекул. Так, положення, що відповідає взаємним відштовхуванню обох кінців молекул (рис. 8.1. а), буде нестійкою. Точніше, при скільки-небудь значної полярності молекул це положення не зможе виникнути внаслідок взаємного відштовхування молекул вже при зближенні їх у такому положенні. Навпаки, положення, яке відповідає посилення взаємного притягання між молекулами (рис. 8.1. б), є переважним і буде зберігатися більш тривалий час.

Воно відповідає більшої взаємної пов'язаності

молекул, і утворення його

супроводжується виділенням

деякої енергії.

а б Подібний комплекс з

полярних молекул може

містити не тільки два

Рис. 8.1 Взаємне положення молекули, але й більше чис-

полярних молекул в рідині: ло їх. Явище освіти

а) - Нестійке (відштовхування); таких комплексів отримало

б) - Сталий (тяжіння). назва асоціації (об'єднува-

ня). До асоційованим рідин відносяться вода, спирти, ацетон, зріджений аміак і ін Ступінь асоціації буває різною. Сильно асоційовані рідини помітно відрізняються від нормальних за багатьма властивостями. Асоціація викликає збільшення теплоти випаровування, зменшує летючість рідини і відповідно змінює інші властивості.

Втім, при звичайних температурах одного дипольного взаємодії недостатньо, щоб викликати таку високу ступінь асоціації, яка спостерігається, наприклад, між молекулами води, аміаку та інших сильно полярних рідин. Основною причиною асоціації в цих умовах є утворення між молекулами водневої зв'язку.

Випаровування рідини

Випаровування - Це процес переходу молекул речовини з вільної поверхні рідини в газову фазу при температурі нижче точки кипіння.

За міру нагрівання рідини досягається така температура, при якій у всьому обсязі рідини виникають бульбашки пари. Процес пароутворення при цьому різко прискорюється. Його інтенсивність визначається кількістю тепла, що підводиться до рідини. Цей процес називається кипінням, а температура - відповідно, температурою кипіння.

Чим вище температура кипіння рідини, тим при нормальних умовах менше пари над ній утворюється в одиницю часу.

При випаровуванні рідини з вільною поверхні витрати енергії заповнюють підведенням тепла з навколишнього середовища, якщо її температура вища, ніж у рідині. Якщо ж вихідні температури рідини і навколишнього повітря однакові, то випаровування буде супроводжуватися зниженням внутрішньої енергії рідини, що призводить до поступового зниження її температури. Дане зниження тим більше, чим вище питома теплота її випари і чим інтенсивніше процес пароутворення. Так наприклад, в кімнатних умовах при випаровуванні горючих рідин таких як СН3ОН (метанол), СН3СОСН3 (ацетон) і С2Н5ОС2Н5 (діетіловий ефір) їх температура знижується на 7-10 оС щодо навколишнього повітря. Ця закономірність зберігається і при горінні перерахованих вище речовин, оскільки витрати тепла на випаровування не компенсуються тепловим потоком від факела полум'я.

Якщо випаровування протікає в закритій посудині, то через деякий час настає рівновагу між числом молекул, що покинули і повернулися назад на рідину. Настає динамічна рівновага. Пар, що знаходиться в динамічній рівновазі з рідиною, називається насиченим паром.

Тиск насиченої пари рідин і його залежність від температури

Рідини випаровуються при будь-якій температурі при наявності вільного обсягу. Випаровування відбувається з поверхні, причому тих молекул, які мають підвищену в 5-10 раз енергію у порівнянні із середньою.

Якщо випаровування протікає в закритій посудині, то утворюється пар виробляє тиск на стінки судини і рідина, тобто пар має тиском . Тиск насиченої пари є характерною величиною для рідини при даній температурі і приводиться в довідковій літературі.

Тиск насиченої пари рідини з підвищенням температури збільшується (рис. 8.2), і як тільки воно стане рівним атмосферному, рідина закипає. З рис. 8.2 видно, що тиск насиченої пари закономірно підвищується зі збільшенням температури. При однаковому зовнішньому тиску рідини закипають при різній температурі, так як мають неоднаковий тиск насиченої пари.

ацетон етанол вода

Температура, оС                              

Рис. 8.2 Залежність тиску насиченої пари (Р