Ikdienā mēs pastāvīgi sastopamies ar trim matērijas stāvokļiem – šķidru, gāzveida un cietu. Mums ir diezgan skaidrs priekšstats par to, kas ir cietās vielas un gāzes. Gāze ir molekulu kopums, kas nejauši pārvietojas visos virzienos. Visas cietā ķermeņa molekulas saglabā savstarpējo izvietojumu. Tie svārstās tikai nedaudz.
Šķidras vielas īpašības
Un kas ir šķidrās vielas? To galvenā iezīme ir tāda, ka, ieņemot starpstāvokli starp kristāliem un gāzēm, tie apvieno noteiktas šo divu stāvokļu īpašības. Piemēram, šķidrumiem, kā arī cietiem (kristāliskiem) ķermeņiem ir raksturīga tilpuma klātbūtne. Tomēr tajā pašā laikā šķidrās vielas, piemēram, gāzes, iegūst trauka formu, kurā tās atrodas. Daudzi no mums uzskata, ka viņiem nav savas formas. Tomēr tā nav. Jebkura šķidruma dabiskā forma -bumba. Gravitācija parasti neļauj tam iegūt šādu formu, tāpēc šķidrums vai nu iegūst trauka formu, vai arī plānā kārtā izkliedējas pa virsmu.
Pēc tās īpašībām vielas šķidrais stāvoklis ir īpaši sarežģīts tās starpstāvokļa dēļ. To sāka pētīt kopš Arhimēda laikiem (pirms 2200 gadiem). Tomēr šķidrās vielas molekulu uzvedības analīze joprojām ir viena no grūtākajām lietišķās zinātnes jomām. Joprojām nav vispārpieņemtas un pilnīgi pilnīgas šķidrumu teorijas. Tomēr mēs varam kaut ko teikt par viņu uzvedību pavisam noteikti.
Molekulu uzvedība šķidrumā
Šķidrums ir kaut kas tāds, kas var plūst. Tā daļiņu izkārtojumā tiek ievērota mazā diapazona kārtība. Tas nozīmē, ka tai tuvāko kaimiņu atrašanās vieta attiecībā pret jebkuru daļiņu ir pasūtīta. Taču, attālinoties no citiem, viņas pozīcija attiecībā pret viņiem kļūst arvien mazāk sakārtota, un tad kārtība pazūd pavisam. Šķidrās vielas veido molekulas, kas pārvietojas daudz brīvāk nekā cietās (un vēl brīvāk gāzēs). Noteiktu laiku katrs no viņiem steidzas vispirms vienā virzienā, tad otrā virzienā, neatkāpjoties no kaimiņiem. Tomēr šķidruma molekula ik pa laikam izlaužas no vides. Viņa nokļūst jaunā vietā, pārceļoties uz citu vietu. Šeit atkal noteiktu laiku viņa izdara ļodzīgas kustības.
Y. I. Frenkela ieguldījums šķidrumu izpētē
Es. Padomju zinātniekam I. Frenkelim lieli nopelni virknes izstrādēproblēmas par tādu tēmu kā šķidrās vielas. Pateicoties viņa atklājumiem, ķīmija ir ievērojami progresējusi. Viņš uzskatīja, ka termiskajai kustībai šķidrumos ir šāds raksturs. Noteiktu laiku katra molekula svārstās ap līdzsvara stāvokli. Tomēr tas ik pa laikam maina savu vietu, pēkšņi pārejot uz jaunu pozīciju, kuru no iepriekšējās atdala attālums, kas ir aptuveni pašas molekulas lielumā. Citiem vārdiem sakot, šķidruma iekšpusē molekulas pārvietojas, bet lēnām. Dažu laiku viņi uzturas noteiktu vietu tuvumā. Līdz ar to to kustība ir kaut kas līdzīgs kustību sajaukumam gāzē un cietā ķermenī. Svārstības vienā vietā pēc kāda laika tiek aizstātas ar brīvu pāreju no vietas uz vietu.
Spiediens šķidrumā
Dažas šķidrās vielas īpašības mums ir zināmas, pateicoties pastāvīgai mijiedarbībai ar tām. Tātad no ikdienas dzīves pieredzes mēs zinām, ka tas iedarbojas uz cietu ķermeņu virsmu, kas ar to saskaras, ar noteiktiem spēkiem. Tos sauc par šķidruma spiediena spēkiem.
Piemēram, atverot ūdens jaucējkrānu ar pirkstu un pagriežot ūdeni, mēs jūtam, kā tas nospiež pirkstu. Un peldētājs, kurš ir ieniris lielā dziļumā, nejauši nesajūt sāpes ausīs. Tas izskaidrojams ar to, ka uz bungādiņu iedarbojas spiediena spēki. Ūdens ir šķidra viela, tāpēc tam piemīt visas savas īpašības. Lai izmērītu ūdens temperatūru jūras dziļumā, ļoti spēcīgatermometri, lai tos nevarētu saspiest šķidruma spiediens.
Šis spiediens ir saistīts ar saspiešanu, tas ir, šķidruma tilpuma izmaiņām. Tam ir elastība attiecībā pret šīm izmaiņām. Spiediena spēki ir elastības spēki. Tāpēc, ja šķidrums iedarbojas uz ķermeņiem, kas ar to saskaras, tas tiek saspiests. Tā kā saspiešanas laikā vielas blīvums palielinās, mēs varam pieņemt, ka šķidrumiem ir elastība attiecībā pret blīvuma izmaiņām.
Iztvaikošana
Turpinot apsvērt šķidras vielas īpašības, mēs pievēršamies iztvaikošanai. Netālu no tā virsmas, kā arī tieši virsmas slānī darbojas spēki, kas nodrošina šī slāņa pastāvēšanu. Tie neļauj tajā esošajām molekulām atstāt šķidruma tilpumu. Tomēr termiskās kustības dēļ daži no tiem attīsta diezgan lielus ātrumus, ar kuru palīdzību kļūst iespējams pārvarēt šos spēkus un atstāt šķidrumu. Mēs šo parādību saucam par iztvaikošanu. To var novērot pie jebkuras gaisa temperatūras, tomēr, tai paaugstinoties, palielinās iztvaikošanas intensitāte.
Kondensāts
Ja molekulas, kas pametušas šķidrumu, tiek izņemtas no telpas netālu no tā virsmas, tad galu galā tas viss iztvaiko. Ja molekulas, kas to atstāja, netiek noņemtas, tās veido tvaiku. Tvaika molekulas, kas iekritušas reģionā netālu no šķidruma virsmas, tiek ievilktas tajā ar pievilkšanas spēku palīdzību. Šo procesu sauc par kondensāciju.
Tāpēc,ja molekulas netiek noņemtas, iztvaikošanas ātrums laika gaitā samazinās. Ja tvaika blīvums palielinās vēl vairāk, tiek sasniegta situācija, kurā molekulu skaits, kas noteiktā laikā iziet no šķidruma, būs vienāds ar molekulu skaitu, kas tajā pašā laikā atgriežas. Tas rada dinamiska līdzsvara stāvokli. Tajā esošos tvaikus sauc par piesātinātiem. Tā spiediens un blīvums palielinās, palielinoties temperatūrai. Jo lielāks tas ir, jo lielākam šķidruma molekulu skaitam ir pietiekama enerģija iztvaikošanai, un jo lielākam jābūt tvaiku blīvumam, lai kondensācija būtu vienāda ar iztvaikošanu.
Vārīšanās
Kad šķidru vielu karsēšanas procesā tiek sasniegta temperatūra, kurā piesātinātajiem tvaikiem ir tāds pats spiediens kā ārējā vidē, tiek izveidots līdzsvars starp piesātinātu tvaiku un šķidrumu. Ja šķidrums piešķir papildu siltuma daudzumu, atbilstošā šķidruma masa nekavējoties tiek pārvērsta tvaikos. Šo procesu sauc par vārīšanu.
Vārīšana ir šķidruma intensīva iztvaikošana. Tas notiek ne tikai no virsmas, bet attiecas uz visu tā apjomu. Šķidruma iekšpusē parādās tvaika burbuļi. Lai no šķidruma nonāktu tvaikos, molekulām ir jāiegūst enerģija. Tas ir nepieciešams, lai pārvarētu pievilcīgos spēkus, kas tos notur šķidrumā.
Vārīšanās temperatūra
Vārīšanās temperatūra ir tā, kurāpastāv divu spiedienu vienādība - ārējie un piesātinātie tvaiki. Tas palielinās, palielinoties spiedienam, un samazinās, kad spiediens samazinās. Sakarā ar to, ka spiediens šķidrumā mainās līdz ar kolonnas augstumu, viršana tajā notiek dažādos līmeņos dažādās temperatūrās. Tikai piesātinātam tvaikam, kas viršanas procesā atrodas virs šķidruma virsmas, ir noteikta temperatūra. To nosaka tikai ārējs spiediens. Tas ir tas, ko mēs domājam, runājot par viršanas temperatūru. Tas atšķiras dažādiem šķidrumiem, ko plaši izmanto inženierzinātnēs, jo īpaši naftas produktu destilācijā.
Latentais iztvaikošanas siltums ir siltuma daudzums, kas nepieciešams, lai izotermiski noteiktu šķidruma daudzumu pārvērstu tvaikā, ja ārējais spiediens ir tāds pats kā piesātināta tvaika spiediens.
Šķidrās plēves īpašības
Mēs visi zinām, kā iegūt putas, izšķīdinot ziepes ūdenī. Tas ir nekas cits kā daudz burbuļu, ko ierobežo plānākā plēve, kas sastāv no šķidruma. Tomēr no putojošā šķidruma var iegūt arī atsevišķu plēvi. Tās īpašības ir ļoti interesantas. Šīs plēves var būt ļoti plānas: to biezums plānākajās daļās nepārsniedz simttūkstošdaļu no milimetra. Tomēr dažreiz tie ir ļoti stabili, neskatoties uz to. Ziepju plēve var tikt pakļauta deformācijai un stiepšanai, caur to var iziet ūdens strūkla, to nesabojājot. Kā izskaidrot šādu stabilitāti? Lai parādītos plēve, tīram šķidrumam jāpievieno tajā šķīstošās vielas. Bet ne jebkuru, bet tādu,kas ievērojami samazina virsmas spraigumu.
Šķidrās plēves dabā un tehnoloģijās
Tehnoloģijā un dabā mēs galvenokārt sastopamies nevis ar atsevišķām plēvēm, bet ar putām, kas ir to kombinācija. To bieži var novērot strautiņos, kur mazi strautiņi iekrīt mierīgā ūdenī. Ūdens spēja putot šajā gadījumā ir saistīta ar organisko vielu klātbūtni tajā, ko izdala augu saknes. Šis ir piemērs tam, kā puto dabiskās šķidrās vielas. Bet kā ar tehnoloģiju? Būvniecības laikā, piemēram, tiek izmantoti īpaši materiāli, kuru šūnu struktūra atgādina putas. Tie ir viegli, lēti, pietiekami spēcīgi, slikti vada skaņu un siltumu. Lai tos iegūtu, īpašiem šķīdumiem pievieno putotājus.
Secinājums
Tātad, mēs uzzinājām, kas ir šķidras vielas, noskaidrojām, ka šķidrums ir vielas starpstāvoklis starp gāzveida un cietu. Tāpēc tai ir īpašības, kas raksturīgas abiem. Šķidrie kristāli, kurus mūsdienās plaši izmanto tehnoloģijās un rūpniecībā (piemēram, šķidro kristālu displeji), ir lielisks šāda stāvokļa piemērs. Tie apvieno cietvielu un šķidrumu īpašības. Grūti iedomāties, kādas šķidrās vielas zinātne izgudros nākotnē. Tomēr ir skaidrs, ka šajā matērijas stāvoklī ir liels potenciāls, ko var izmantot cilvēces labā.
Īpaša interese par notiekošo fizikālo un ķīmisko procesu ņemšanu vērāšķidrā stāvoklī, sakarā ar to, ka cilvēks pats sastāv no 90% ūdens, kas ir visizplatītākais šķidrums uz Zemes. Tieši tajā notiek visi dzīvībai svarīgie procesi gan augu, gan dzīvnieku pasaulē. Tāpēc mums visiem ir svarīgi pētīt vielas šķidro stāvokli.
