§ 3. Агрегатные состояния веществ

Формы существования одного и того же вещества (газообразное, жидкое или твёрдое), зависящие от внешних условий — давления и температуры.

• При нормальных условиях (н. у.: давление 101 325 Па = 760 мм рт. ст., температура 0 °C) кислород и азот являются газами, вода и ртуть — жидкостями, а железо и сера — твёрдыми веществами
• Взаимные переходы между состояниями не меняют состав молекул и относятся к физическим явлениям

Физический процесс перехода вещества из газообразного (парообразного) состояния в жидкое.

• Сопровождается выделением теплоты в окружающую среду
• Пример: образование капель воды из пара на холодных стеклянных поверхностях

Процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в газообразное со свободной поверхности жидкости.

• Протекает при любой температуре, его интенсивность резко возрастает при нагревании
• При достижении температуры кипения испарение происходит во всём объёме жидкости

Процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое при достижении температуры замерзания.

• Молекулы теряют способность свободно перемещаться и выстраиваются в упорядоченную кристаллическую решётку
• Процесс сопровождается выделением теплоты кристаллизации (замерзание воды при 0 °C)

Процесс перехода кристаллического твёрдого вещества в жидкое состояние, протекающий при постоянной температуре плавления.

• Требует непрерывного подвода теплоты для разрушения межчастичных связей в кристаллической решётке

Прямые взаимообратные фазовые переходы между твёрдым и газообразным состояниями, минуя жидкую фазу.

• Сублимация (возгонка) — непосредственный переход твёрдого вещества в газ (характерен для кристаллического йода, сухого льда CO₂, камфоры и испарения льда на морозе)
• Десублимация — переход газа непосредственно в твёрдые кристаллы (образование инея на ветвях деревьях и морозных узоров на стекле из водяного пара)

• Газообразное состояние:
• а) Расстояние между молекулами во много раз превосходит размеры самих частиц; силы притяжения минимальны, молекулы свободно и хаотично движутся по всему объёму;
• б) Газы обладают повышенной текучестью (летучестью) и легко сжимаются при увеличении давления, так как частицы сближаются;
• в) Не сохраняют ни собственной формы, ни собственного объёма, принимая форму и полностью заполняя весь объём предоставленного им сосуда.
• Жидкое состояние:
• а) Молекулы расположены вплотную друг к другу с небольшими зазорами; силы притяжения достаточно сильны, частицы совершают колебания и непрерывно перескакивают в соседние положения;
• б) Жидкости обладают текучестью, но из-за плотной упаковки частиц практически абсолютно несжимаемы;
• в) Устойчиво сохраняют собственный объём, но не сохраняют форму, принимая конфигурацию сосуда.
• Твёрдое (кристаллическое) состояние:
• а) Частицы строго упорядочены в узлах кристаллической решётки; силы взаимного притяжения и отталкивания максимальны, частицы лишь колеблются около положений равновесия;
• б) Твёрдые тела не обладают текучестью и абсолютно несжимаемы;
• в) Строго сохраняют как неизменную собственную форму, так и собственный объём.

• Физические явления (состав исходных молекул остаётся неизменным, новые химические вещества не синтезируются, происходят лишь изменение агрегатного состояния, концентрации или дисперсности):
• а) выпаривание соли из раствора (испарение растворителя-воды);
• б) выращивание кристаллов из раствора соли (фазовый переход кристаллизации соли из пересыщенного раствора);
• д) растворение сахара в воде (диффузия и гидратация молекул сахарозы водой без распада ковалентных связей).
• Химические явления (происходит разрыв старых химических связей и синтез новых химических веществ с принципиально иными физико-химическими свойствами):
• в) разложение воды электрическим током (электролиз воды с выделением водорода и кислорода: 2H₂O → 2H₂↑ + O₂↑);
• г) фотосинтез (биохимический синтез глюкозы и кислорода из углекислого газа и воды под действием квантов света: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂↑);
• е) изменение цвета чая при добавлении лимона (химическая реакция антоцианов и флавоноидов чайного настоя с лимонной кислотой с образованием окрашенных комплексов).

Да, прямой фазовый переход вещества из твёрдого агрегатного состояния непосредственно в газообразное, минуя промежуточную жидкую фазу, возможен. Этот процесс называется сублимацией (или возгонкой).

В природе и практической жизни переход твёрдой воды (льда) в пар происходит регулярно:

• На морозе мокрое бельё сначала замерзает, а затем постепенно высыхает, так как кристаллы льда испаряются в окружающий сухой воздух;
• В ясную морозную погоду снежный покров уменьшается по толщине за счёт прямой возгонки снежинок;
• Классическим лабораторным примером возгонки служит твёрдый кристаллический йод, который при лёгком нагревании возгоняется в фиолетовый пар без образования жидкости, а также сухой лёд (твёрдый диоксид углерода CO₂).

Лишним явлением в представленном перечне является в) образование капель воды (по признаку строгости термодинамического понятия):

• Пункты а) плавление льда, б) кипение воды, г) конденсация водяного пара и д) кристаллизация воды представляют собой строго фундаментальные фазовые переходы первого рода вещества между основными агрегатными состояниями (твёрдое ↔ жидкое ↔ газообразное).
• Выражение «образование капель воды» не является самостоятельным термодинамическим фазовым переходом: это лишь видимое морфологическое следствие конденсации пара на центрах конденсации или результат гидродинамического дробления струи жидкости.

(Примечание по альтернативной классификации: если рассматривать механизм парообразования, то пункт б) «кипение воды» является единственным процессом объёмного парообразования при фиксированной критической температуре, тогда как остальные процессы связаны с фазовыми границами поверхности).