О строении вещества простым языком

Самый простой вариант описать изобразить молекулу – нарисовать структурную формулу. Плюс такой модели – простота. Недостатки этой модели очевидны: она не показывает ни радиусы атомов, ни длины связей, ни валентные углы.

Структурные формулы разных молекул

Самый наглядный вариант описать форму молекулы, порядок связей и состав – шаростержневые модели. Эти модели решают недостаток предыдущей, но не учитывают заполненность внутримолекулярного пространства.

Шаростержневая модель молекулы

Главный недостаток шаростержневой модели отсутствует в полусферической модели Стюарта-Бриглеба. В этой модели атомы – усеченные сферы.

Полусферическая модель молекулы

Существуют и другие формы представления молекул: модели Драйдинга, электронные модели атомов и т.д. Каждая модель рассчитана под определенную задачу, поэтому имеет ряд преимуществ и недостатков.

Для построения моделей молекул ученные использую специальные программы конструкторы молекул. В большинстве программ пользователь вначале моделирует молекулу с произвольными углами и длинами связей. После построения нужной структуры, модель оптимизируют. При оптимизации модели молекулы, на основе квантово-химических расчётов программа вычисляет геометрию молекулы, при которой она имеет минимальную энергию.

Полярность ковалентной химической связи

В ковалентной полярной химической связи общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного элемента. Степень смещения электронной пары зависит от разности электроотрицательностей. Если разница между электроотрицательностями мала, то и смещение небольшое. Если разница значительная, то электронная пара смещена сильно. Степень смещения электронной пары определяет полярность связи.

Полярность связи тесно связана с дипольным моментом. Эта величина характеризует свойства диполя. Диполь – молекула, имеющая 2 противоположно заряженных полюса. Дипольный момент – векторная величина, то есть величина, которая кроме числового значения имеет направление.

Не все молекулы, имеющие ковалентную полярную химическую связь –

диполи. Рассмотрим молекулу воды Н₂О и углекислого газа СО₂. Обе молекулы имеют полярные связи. Молекула воды имеет угловую форму, электронная плотность смещана от атомов Водорода к атому Кислорода. Дипольные моменты сонаправлены и взаимноусиливают полярность связи. Молекула воды – диполь. Молекула углекислого газа имеет линейное строение, плотность смещана от атома Углерода к атомам Кислорода. Дипольные моменты направлены в противоположные стороны и взаимноуничтожают друг друга. Молекула углекислого газа диполем не является.

Дипольные моменты в молекулах Н₂О и СО₂

Длина и энергия связи

Палочки, которыми принято рисовать химическую связь – просто схематичное обозначение. В реальности, химическая связь образуется за счет перекрывания атомных орбиталей.

Расстояние между ядрами связанных атомов называют длиной химической связи. Любая система стремится к минимуму энергии, поэтому расстояние между ядрами атомов соответствует наименьшей энергии молекулы.

Длина связи зависит от двух факторов:

Радиусы атомов. Чем радиусы атомов больше, тем больше длина связи.

Количество общих электронных пар. Чем больше создается общих электронных пар, тем связь короче.

Примеры длин (в нм) связей различных молекул

Длина связи напрямую связана с энергией связи. Чтобы разрушить или образовать химическую связь нужно затратить какое-то количество энергии. Эта энергия и называется энергией связи.

Вы можете с легкостью сломать карандаш, но чугунный прут такого же диаметра у вас сломать не получится. Энергия связи чугуна выше, чем древесины. То количество энергии, которую вы можете затратить способно сломать карандаш, но для металлического прута ее будет мало.

Энергия ковалентной связи имеет значения 200 – 1000 кДж/моль. Для сравнения, такое количество энергии, выделится в виде тепла при сжигании 5 – 30 г угля.

Кратность связи

Число общих электронных пар между атомами определяет кратность связи. Химические связи по кратности делят на простые (одинарные) и кратные (двойные и тройные).

Кратность связи

Прочность связи

Длина, энергия и кратность связи определяют прочность связи. Прочность связи показывает, насколько сложно разбить общие электронные пары и разорвать связь.

У коротких связей более высокие значения энергии, чем у длинных, потому они прочнее.

Длины и энергии связей молекул галогеноводородов

Чем больше кратность связи, тем выше ее энергия, тем меньше ее длина, тем она прочнее.

Тройная связь самая прочная. В молекуле азота N₂ атомы связаны между собой тройной связью. Поскольку она самая коротка и обладает выскокой энергией, ее трудно разорвать. Этим объясняется низкая химическая активность азота и его способность реагировать с веществами только при повышенной температуре. Нагревание – источник тепловой энергии. Энергия передается молекуле азота, атомы начинаются двигаться интенсивнее, стабильность молекулы снижается, и молекула разбивается на отдельные атомы.

Способы перекрывания орбиталей

Как говорилось ранее, химическая связь между атомами возникает благодаря образованию общих электронных пар. При образовании электронных пар происходит перекрывание орбиталей.

2 орбитали могут перекрываться так, что перекрывание лежит на линии, связывающей ядра. Это называют осевым перекрыванием или σ-связью.

Осевое перекрывание (σ-связь)

Осевое перекрывание может образовываться между всеми типами орбиталей: s, p, d и f. Например, перекрывание s-s-орбиталей возникает при образовании молекулы H₂. s-p-орбитали перекрываются в молекуле HCl. В молекуле Cl₂ возникает перекрывание p-p-орбиталей. Количество σ-связей ограничено: между 2 атомами может образоваться только 1 σ-связь.

Рассмотренная ранее одинарная связь и есть в σ-связь. То есть σ-связь – одна общая электронная пара.

Кроме осевого, может возникнуть боковое перекрывание орбиталей. В этом варианте перекрывание орбиталей будет лежать по обе стороны от оси, соединяющей 2 атома. Если 2 орбитали образуют связь таким образом, ее называют π-связью.

Боковое перекрывание (π -связь)

Не все орбитали могут образовать π-связь. Из-за сферической формы, s-орбиталь не может образовать боковое перекрывание. Образовать π-связь могут атомы, которые уже соединены σ-связями.

Двойная связь, состоит из одной σ-связи и одной π-связи. Поскольку образуется больше участков перекрывания орбиталей, то прочность связи увеличивается. Тройная связь содержит одну σ-связь и две π-связи. Тройная связь самая прочная.

σ-связь прочнее π-связи. В σ-связи орбитали перекрываются эффективнее, чем в π-связи, поэтому разорвать σ-связь труднее. Во время химических реакций и других воздействий в первую очередь рвется π-связь.

Атомы, соединенные σ-связями, могут свободно вращаться относительно друг друга. Атомы, соединенные π-связями, такой возможности не имеют и намертво закреплены в молекуле.

Шаростержневые и масштабные модели молекул удобны для восприятия, но не отображают реальное строение молекул.

Электронное строение молекулы азота N₂

Молекула азота образована обеими видами связей. Она соединена одной σ-связью и двумя π-связями, то есть тройной связью. Такое прочное строение придает азоту инертность в химических реакциях.

Гибридизация орбиталей

Рассмотрим строение молекулы метана CH₄. Углерод в молекуле метана находится в возбужденном состоянии в валентности IV. В возбужденном состоянии углерод имеет 4 неспаренных электрона на внешнем уровне: 1 электрон на 2s-подуровне и 3 электрона на 2p-подуровне. Эти 4 электрона образуют общие электронные пары с 4 атомами водорода. Молекула метана образована ковалентной полярной связью.

Механизм образования молекулы метана

3 связи С – Н образованы p-электронами, и 1 связь – s-электроном. Очевидно, они должны быть разными по длине и энергии, но в реальности – они одинаковые.

В 1931 году американский химик Лайнус Полинг разработал «Концепцию гибридизации валентных атомных орбиталей». В работе были представлены квантово-механические расчеты перераспределения электронной плотности орбиталей в молекуле и свободном атоме и результаты их сравнения между собой. Оказалось, что орбитали в свободном атоме отличаются от орбиталей в молекуле.

По Полингу внешние орбитали центрального атома смешиваются между собой и образуют орбитали, одинаковые по форме и энергии. Этот процесс он назвал гибридизацией орбиталей, а образующиеся орбитали – гибридными.

sp³-гибридизация

Самый простой вариант гибридизации – это смешение 1 s-орбитали и 3 p-орбиталей. В результате образуются одинаковые по форме и энергии 4 гибридных орбитали. Такой вид гибридизации назвали sp³-гибридизацией.

sp³-гибридизация

Если описать sp³-гибридизацию электронными конфигурациями, то получим следующий процесс:

1s² 2s²2p_x¹2p_y¹2p_z¹ → 1s² 2(sp³)⁴.

Разберем уравнение. В гибридизации учувствуют орбитали внешнего уровня, поэтому 1s²-подуровень "до" и "после" не меняется. Орбитали 2s², 2p_x¹, 2p_y¹ и 2p_z¹ смешиваются и в результате образуется 4 2(sp³) гибридных орбиталей.

Орбиталь – область нахождения электрона, поэтому она несет отрицательный заряд. Одноименные заряды отталкиваются, поэтому орбитали располагаются в пространстве так, чтобы их взаимное отталкивание было минимальным. Это достижимо, если углы между орбиталями будут максимальны.

В случае sp³-гибридизация 4 гибридных орбитали располагаясь в пространстве, образуют правильный тетраэдр. Тетраэдр – пирамида, состоящая из 4 равносторонних треугольника. Орбитали располагаются под углом. 109°28`.

sp³-Гибридизация характерна молекулам метана СН₄, четыреххлористому углероду СCl₄, аммиаку NH₃, воде Н₂О и т.д.

Модель молекулы метана

sp²-гибридизация

Рассмотреть молекулу этилена C₂H₄. В этилене орбитали атомов углерода находятся в другом гибридном состоянии. Из имеющихся 4 орбиталей углерода только 3 подвергаются гибридизации. Одна s и две p орбитали смешиваются между собой с образованием 3 гибридных sp²-орбиталей, а оставшаяся p-орбиталь остается негибридизованной.

Схема sp²-гибридизации

Гибридные орбитали располагаются под углом 120° и образуют правильный треугольник.

Ориентация sp²-орбиталей

Оставшаяся негибридная p-орбиталь располагается в другой плоскости, перпендикулярно той, где расположены гибридные орбитали.

Модель молекулы этилена

В одной плоскости под углом 120° располагаются в форме правильного треугольника гибридные sp²-орибтали. Гибридные орбитали двух атомов углерода перекрываются осевой σ-связью. В перпендикулярной плоскости находятся негибридные p-орбитали, перекрывающиеся π-связью. Так, в молекуле этилена между двумя атомами углерода образуется σ-связь и π-связь, то есть двойная связь.

sp-гибридизация

Если у атома в процессе гибридизации учавствуют только по одной s- и p-орбитали, то говорят о sp-гибридизации.

Схема sp-гибридизации

Гибридные sp-орбитали располагаются в пространстве линейно, под углом 180°.

Линейная ориентация sp-орбиталей

Такой вид гибридизации встречается в молекуле ацетилена C₂H₂. При sp-гибридизации из 4 орбиталей углерода, только 2 орбитали образуют гибридные sp-орибтали, а 2 р-орбитали остаются негибридными. Гибридные орбитали располагаются в одной плоскости, а 2 негибридные в двух других. Все три плоскости перпендикулярны друг другу.

Модель молекулы этилена.

Между двумя атомами углерода образуется одна σ-связь и две π-связи, то есть тройная связь.

Кроме рассмотренных 3 основных типов гибридизации существуют и другие: d³s, dsp², sp³d, sp³d², d²sp³ и т.д. Останавливаться на них не будем.

Появление теории гибридизации стало важным шагом в развитии теоретической химии, так как позволило определять геометрические формы молекул и предсказывать свойства веществ.

Геометрия молекул

Атомные орбитали перекрываются не произвольным образом, а под определенным углом. Угол между линиями, соединяющими связанные атомы называют валентным. Зная валентные углы определяют форму молекулы: линейная, угловая, тетраэдрическая и т.д.

Основные геометрические формы молекул

Основа для определения геометрии молекул – теория отталкивания электронных пар Гиллеспи-Найхолма. Любая система стремится к минимуму энергии. Разберем суть теории Гиллеспи-Найхолма. Орбитали располагаются в пространстве так, чтобы их отталкивание было минимальным. Для достижения минимального влияния друг на друга, углы между ними должны быть максимальные.

Методика определения геометрии молекул изучается на углубленном курсе химии, поэтому останавливаться на ней не будем.

Строение твердого тела

Одни вещества состоят из молекул, другие из атомов или ионов. Если вещество состоит из молекул, то его строение называют молекулярным. К веществам молекулярного строения относят воду, сахар, йод и т.д. К веществам немолекулярного строения относят соль, алмаз, мрамор, песок.

И те, и другие существуют во всех трех агрегатных состояниях. Мы говорили, что в твердом веществе частицы расположены близко и практически не перемещаются. Пришло время разобрать подробно строение твердого тела.

Аморфные и кристаллические вещества

Если частицы вещества расположены упорядочено, то такое строение называют кристаллическим. Если расположение частиц вещества не упорядоченно, то такое строение называют аморфным.

Кристаллическое и аморфное строение веществ

Аморфные и кристаллические тела отличаются не только по строению, но и по физико-химическим свойствам. Рассмотрим каждый вид строения веществ по-отдельности.

Аморфные вещества

Аморфные вещества – вещества, частицы которого расположены хаотично.

К аморфным телам относят стекло, пластмассы, воск, парафин, смолу, янтарь и т.д. Аморфным веществам характеры интересные свойства.

– слабо выраженная текучесть

Если текучесть смолы и воска не вызывает сомнений, то "текучесть стекла" звучит странно. Поясним. Если вы посмотрите на оконные стекла в очень старых домах, то увидите, что стекла сверху тоньше, чем снизу. Это происходит потому, что за десятилетия стекло постепенно стекает вниз. Получается, стекло – очень вязкая жидкость.

– широкий интервал температуры плавления

Если взять кусочек воска и размять, он станет мягким. Если кусочек воска положить на горячую сковороду, он станет жидким. При разных температурах меняется консистенция аморфных веществ. Чем выше температура, тем они мягче. С кристаллическими веществами такого не происходит.

– изотропия свойств

Если вещество в любых направлениях имеет одинаковые свойства, говорят, что оно изотропно. Если вещество в разных направлениях имеет разные свойства, говорят, что оно анизотропно. Например, стекло одинаково режется во всех направлениях, а дерево проще разрубить по волокну, чем поперек. Поэтому дерево вдоль волокон рубят, а поперек – пилят. Можно сказать, что стекло проявляет изотропные свойства, а дерево – анизотропные.

– самостоятельный переход в кристаллическое состояние

Аморфные тела могут самопроизвольно со временем переходить в кристаллическое состояние, то есть происходит упорядочивание частиц.

Наверняка, вы видели, что свежие леденцы – прозрачные, а старые – мутные. Стекла в старых домах тоже мутные. Засахарившееся варенье становится твердым. Всё это примеры самопроизвольного перехода аморфного тела в кристаллическое.

Кристаллы

Кристаллические вещества (кристаллы) – вещества, частицы которого расположены в строгом порядке и образуют кристаллическую решетку.

К кристаллическим веществам относят лед, металлы, соль, сахар, алмаз, кварц и т.д.

Ученные описывают мир с помощью моделей. Модель, описывающая строение кристаллов называется кристаллической решеткой.

Кристаллическая решетка NaCl

В кристаллической решетке пищевой соли ионы натрия и хлора чередуются. Каждый ион натрия соединен с шестью ионами хлора, и наоборот.

Для наглядности каждая частица соединена с соседней стержнями – химическими связями. Точки, где расположены частицы называют узлами кристаллической решетки. Область между узлами называют межузельным пространством.

Свойства кристаллических веществ в корне отличаются от свойств аморфных.

– определенная температура плавления

В отличие от аморфных, кристаллические вещества обладают конкретной температурой плавления. Слиток железа плавится при температуре 1540°C. До этой температуры твердость железа меняется незначительно. В узком интервале температур, близком к температуре плавления, железо становится мягким, а затем жидким.

– анизотропия свойств

Кристаллические тела, в отличие от аморфных, проявляют разные свойства в разных направлениях. В кристаллах упорядоченность частиц простирается весь объем вещества, поэтому в одних областях плотность частиц больше, в других – меньше. Соответственно, и свойства вещества в разных областях будут разными. В аморфных телах на все частицы расположены беспорядочно и вся структура однородна. Соответственно, и свойства вещества во всех областях одинаковые.

Форма кристаллов

Каждая кристаллическая решетка имеет форму определенного многогранника. Существует 47 форм простых кристаллов. Рассмотрим основные.

Призмы: тригональная, тетрагональная и гексагональная. В основе этих призм лежат треугольник, четырехугольник и шестиугольник, соответственно.

Призмы и их сечения

Пирамиды: тригональная, тетрагональная и гексагональная.

Пирамиды

Бипирамиды: тригональная, тетрагональная и гексагональная. Бипирамида – это многогранник из двух пирамид, соединенных по основанию.

Бипирамиды

Виды кристаллов

Одиночные кристаллы называют монокристаллами. Монокристаллы имеют форму многогранников, описанных ранее. Свойства монокристаллов анизотропные. К монокристаллам относятся алмаз, кварц, топаз и другие драгоценные или полудрагоценные камни.

Иногда монокристаллы срастаются между и образуют поликристаллы. Свойства поликристаллов изотропные.

Поликристалл

Поликристаллами являются все металлы. Если рассмотреть поверхность металла под микроскопом, можно обнаружить много сросшихся между собой кристалликов, называемых зёрнами или кристаллитами. Границы зерен так и называются – межзёренные границы.

Поверхность металла под микроскопом

Другие поликристаллические материалы обладают аналогичным строением.

Типы кристаллических решеток

Кристаллическая решетка – трехмерная сетка в узлах которой находятся частицы, образующие кристалл. Частицы внутри кристалла связаны химической связью или Ван-дер-Ваальсовыми силами. В узлах могут находится ионы, атомы или молекулы. В зависимости от типа частиц, кристаллические решетки бывают ионными, атомными, молекулярными и металлическими.

Ионные кристаллические решетки

В узлах ионных кристаллических решеток находятся положительно и отрицательно заряженные ионы. Эти частицы удерживаются ионной химической связью.

Ионная химическая связь прочная, поэтому такие соединения обладают рядом свойств:

– тугоплавкие;

– не летучие;

– твердые.

Многие ионные вещества растворяются в воде. Растворимые ионные соединения в растворах и расплавах способны проводить электрический ток.

К ионным соединениям относятся соли, основания и оксиды металлов.

Кристаллические решетки ионных соединений

Атомные кристаллические решетки

В узлах атомных кристаллических решеток находятся атомы, связанные ковалентными химическими связями. В зависимости от состава кристаллической решетки, связи могут быть полярными и неполярными.

Ковалентная связь прочная, поэтому такие соединения обладают свойствами:

– тугоплавкие;

– не летучие;

– твердые;

– прочные.

Вещества с атомной кристаллической решеткой не растворяются в воде.

Атомная кристаллическая решетка характерна для алмаза (C), графита (C), кремния (Si), карборунда (SiC), бора (B), германия (Ge), кварца (SiO₂), горного хрусталя (SiO₂) и т.д.

Атомные кристаллические решетки

Молекулярные кристаллические решетки

Если в узлах кристаллической решетки расположены молекулы, то ее называют молекулярной.

Молекулы в таких кристаллах связаны слабым межмолекулярным взаимодействием, поэтому таким веществам присущи:

– низкие температуры плавления;

– летучесть и запах;

– низкая прочность и твердость.

Многие молекулярные вещества при комнатной температуре являются газами и жидкостями.

Молекулярную кристаллическую решетку имеют сахар, йод, лимонная кислота, лед, кристаллическая сера, белый фосфор и газы и жидкости в твердом состоянии.

Молекулярная кристаллическая решетка

Металлическая кристаллическая решетка

Металлическая кристаллическая решетка возникает в металлах и сплавах. Связь в данном типе решетки – металлическая.

Металлам характерны:

– плотность;

– прочность;

– выносливость;

– свариваемость;

– пластичность;

– электропроводность;

– теплопроводность;

– возможность создания различных сплавов.

Элементарная ячейка

Элементарная ячейка – минимальный объем кристалла, структурная единица кристаллической решетки. Путем параллельных переносов элементарной ячейки можно как из кирпичиков построить структуру всего кристалла.

Рассмотрев строение и состав элементарной ячейки, мы можем получить информацию обо всем кристалле.

Элементарная ячейка

Рассмотрим некоторые кристаллографические характеристики, которые используют для описания элементарных ячеек.

Параметры решетки и углы между ребрами

Параметр решетки (a, b, c) – это расстояние между частицами, ребро элементарной ячейки. Параметры решетки измеряются в нанометрах (нм) или ангстремах (Å).

Между ребрами образуются характерные углы (α, β, γ). Углы между ребрами измеряются в градусах.

Параметры решетки и углы между ребрами

По плотности упаковки можно выделить 4 типа элементарных ячеек: простая кубическая решетка, объёмно-центрированная кубическая решетка (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

Типы элементарных ячеек: ГЦК, ОЦК, ГПУ

Дефекты кристаллов

Рассмотренные кристаллические решетки – идеальные математические модели. Такие кристаллические решетки в реальности не существуют и называются идеальными кристаллами.

Идеальные кристаллы обладают симметрией, строгой закономерностью расположения частиц во всем объеме кристалла и имеют гладкие грани.

Реальные кристаллы имеют дефекты: шероховатые грани, содержат примеси, имеют нарушения структуры и т.д.

Дефекты кристаллов возникают уже в процессе роста. Пылинка, пузырек воздуха или слабая вибрация – всё это может стать причиной дефекта.

Образование дефектов пока неизбежно, но ученные разрабатывают технологии выращивания кристаллов с минимальным числом дефектов.

Дефекты кристаллов бывают 4 типов:

– нульмерные (точечные);

– одномерные (линейные);

– двухмерные;

– трехмерные.

Точечные дефекты

К точечным дефектам относятся вакансии, межузельный атом и примесный атом внедрения (атом другого вещества).

Точечные дефекты

Точечные дефекты визуально не видны и влияют только на физические свойства вещества: электро- и теплопроводность, магнитные свойства, скорость диффузии в кристалле и т.д. Влияние точечных дефектов незначительно.

Линейные дефекты

К линейным дефектам относят дислокации. Дислокация – лишняя атомная плоскость.

Дислокация

Дислокации существенно влияют на физико-механические свойства вещества, однако визуально, как и точечные дефекты, не видны.

Двухмерные дефекты

Двумерные дефекты относятся к дефектам грубой структуры. К ним относят мозаичную структуру кристаллов, границы зерен, дефекты упаковки.

Мозаичная структура кристалла

Двумерные дефекты видны в микроскоп при изучении поверхности кристалла.

Трехмерные дефекты

Вторая группа дефектов грубой структуры – трехмерные дефекты. К ним относятся скопления вакансий (поры и трещины), включения примесей, пузырьки газов. Такие дефекты возникают при нарушении режима роста кристалла.

Итак, реальные кристаллы имеют множество дефектов структуры. На практике вместо идеальной кристаллической решетки работают с реальными кристаллами.

Реальный кристалл

Свойства веществ

Разные вещества имеют разные свойства. По этим свойствам можно отличить одно вещество от другого. Лимон желтый, кислый, сочный. Абрикоса оранжевая, мягкая, сладкая. По этим свойствам мы можем определить, какой фрукт перед нами.

Свойства – это признаки, по которым мы можем отличить одни предметы от других.

Виды свойств

Разберем на какие виды разделяют свойства на примере железа и древесины.

Железо обладает блеском, твердостью, прочностью, способностью проводить тепло и электрический ток. Древесина мягкая, непрочная, не проводит тепло и электрический ток. Перечисленные характеристики относят к физическим свойствам.

Физические свойства – это свойства вещества не относящееся к химическому взаимодействия.

Железо ржавеет на влажном воздухе. Древесина горит. В результате этих явлений одни вещества превращаются в другие, поэтому эти свойства относят к химическим.

Химические свойства – это свойства вещества, имеющие отношение к химическому взаимодействию.

Химические свойства – не раскрываются в этой книге и проходятся на курсе Неорганической и Органической химии. Рассмотрим физические свойства веществ.

Плотность

Разные вещества при одинаковом объеме имеют разную массу. Например, массы 1 м³ ваты и 1 м³ отличаются. Это объясняется разной плотностью.

Вещества состоят из частиц (атомов, молекул и ионов). Масса тела – это сумма масс всех частиц, образующих это тело. Количество частиц в одной единице объема отличается у разных веществ. Поэтому отличается и масса одной единицы объема у этих веществ. Количество атомов в элементарной ячейке одного вещества может быть 10, у другого – 5. Первое вещество более плотное, следовательно тяжелее.

Температура плавления и кипения

Частицы внутри вещества связаны между собой разными видами взаимодействий. Связи между частицами имеют определенные значения энергии. Чтобы разрушить эти связи нужно приложить такое же или большее значение энергии. Если величина приложенной энергии меньше, чем энергия связи, связь не разорвется.

В процессе плавления или кипения происходит переход из одного агрегатного состояния в другое. И в первом, и во втором случае расстояние между частицами увеличивается, а значит связи между ними разрушаются.

Чем энергия связи выше, тем большую энергию нужно приложить, чтобы ее разорвать. В разных веществах значение энергии связи разное, поэтому и температуры фазовых переходов отличаются.

Разберём цвет каления стали. При повышении температуры железо начинает светиться. Это свечение называется цветом каления. При разных температурах, цвет каления меняется от тёмно-коричневого до белого.

Зависимость цвета каления стали от температуры нагрева

Выражение "довести до белого каления" имеет истоки в описанном явлении.

Теплоёмкость

Частицы материи находятся в непрерывном движении. Движение частиц происходит благодаря запасу энергии этих частиц. Частицы, двигаясь расходуют эту энергию и отдают ее в виде теплоты.

Теплота – это энергия, которую отдает нагретое тело. Нагретым мы будем считать все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля (-273 °C).

Так как запас энергии уменьшается, частицы замедляются, и температура тела падает. Падение температуры будет продолжаться до достижения температуры окружающей среды. При падении температуры ниже температуры окружающей среды, сама среда начинает нагревать тело. Температура тела уравновешивается и фиксируется. Так, нижняя граница самопроизвольного снижения температуры – это температура окружающей среды.