Жидкое состояние вещества

Жидкости занимают промежуточное положение между твердыми веществами со строго упорядоченной структурой и газами, в которых отсутствует какая-либо структура и движение частиц беспорядочно. Таким образом, для жидкости характерно, с одной стороны, наличие определенного объема, а с другой — отсутствие определенной формы.

При температуре, близкой к температуре кипения, свойства жидкостей приближаются к свойствам газов, а при приближении к температуре кристаллизации — к свойствам твердых веществ.

Структура и физические свойства жидкостей зависят от химической природы образующих их частиц, а также от характера и энергии взаимодействия между ними. Внутреннее строение жидкостей значительно сложнее внутреннего строения газов и кристаллов. Расстояния между молекулами в жидкостях настолько малы, что свойства жидкости в значительной степени определяются собственным объемом молекул и взаимным притяжением между ними.

При малых расстояниях между молекулами имеют значение также их геометрическая форма и полярные свойства. Полярные молекулы могут образовывать комплексы. Если взаимное притяжение между молекулами относительно невелико, то образовавшиеся комплексы распадаются под действием теплового движения других молекул. Если же взаимное притяжение значительно, то комплексы не распадаются. Повышение температуры усиливает тепловое движение и способствует распаду комплексов. Образование таких комплексов называют ассоциацией. К ассоциированным жидкостям относят воду, спирты, ацетон, сжиженный аммиак и др.

Степень ассоциации бывает различной. При обычных температурах одного дипольного взаимодействия недостаточно, чтобы вызвать ассоциацию в такой же степени, какая наблюдается у сильноассоциированных жидкостей. Основной причиной ассоциации в последнем случае является образование между молекулами водородных связей. Это характерно для тех жидкостей, молекулы которых содержат атом водорода и электроотрицательный атом (главным образом, O,N, F), способный связываться с водородом.

Например, вода и простейшие спирты являются сильноассоциированными жидкостями, потому что их молекулы содержат гидроксильную группу, атом водорода и атом кислорода которой способны к образованию водородных связей с соответствующими атомами другой гидроксильной группы. Размеры таких ассоциатов, как правило, невелики, и они могут свободно перемещаться относительно друг друга. Отдельные молекулы могут сравнительно легко выходить из состава одного ассоциата и переходить в другой.

При комнатной температуре в жидкостях может наблюдаться некоторая упорядоченность в расположении молекул. Упорядоченность частиц в небольшом объеме называют ближним порядком. В этих условиях внутреннее строение жидкости оказывается более близким к строению кристалла. В отдельных случаях существуют настоящие жидкие кристаллы. Однако в отличие от твердых кристаллов, в которых частицы совершают колебания около строго фиксированного положения, частицы жидкости способны к перемещению. Перемещение одних молекул относительно других не является совершенно свободным.

Количественной характеристикой подвижности молекул жидкости служит вязкость. Вязкостью, или внутренним трением, называют сопротивление, оказываемое средой при движении одних ее частей относительно других. Величину, обратную вязкости, называют текучестью. На вязкость и текучесть влияют силы притяжения между молекулами жидкости, их молярная масса и другие факторы.

При низких температурах вязкость некоторых жидкостей увеличивается настолько, что они перестают быть текучими и приобретаю прочность твердых тел. Давление также влияет на вязкость. С увеличением давления вязкость жидкостей сильно увеличивается.

Одно из важнейших свойств жидкости — ее поверхностное натяжение (это свойство не присуще ни газам, ни твердым веществам). Причиной поверхностного натяжения служит взаимное притяжение частиц жидкости. На молекулу, находящуюся в жидкости, со всех сторон равномерно действуют межмолекулярные силы. На поверхности жидкости баланс этих сил нарушается, силы притяжения нижних слоев не уравновешиваются верхними. Вследствие этого молекулы, находящиеся на поверхности, оказываются под действием силы, направленной внутрь жидкости. Все молекулы, отстоящие от поверхности на расстоянии меньше радиуса их сферы действия, подвержены такой же силе, что и является причиной поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение зависит не только от природы жидкости, но и от природы граничащей с ней среды. Поэтому следует говорить, например, не просто о поверхностном натяжении воды, а о поверхностном натяжении воды на границе с воздухом или насыщенным водяным паром. Тонкий поверхностный слой жидкости состоит из молекул, находящихся в ином энергетическом состоянии, чем молекулы внутри жидкости. В поверхностном слое создается избыточная поверхностная энергия, которой не обладают частицы жидкости в ее объеме. Поверхностная энергия является причиной особых свойств поверхности жидкости, сильно отличающихся от свойств остальной части жидкости. Это различие вызывает разнообразные поверхностные явления, например искривление горизонтальной поверхности жидкости вблизи стенок сосуда с образованием вогну- того или выпуклого мениска. Поверхностным натяжением объясняется и каплевидная форма свободно падающих частиц жидкости.

Плотностью жидкости называют массу единицы ее объема при данной температуре. Плотность жидкости в сотни и тысячи раз больше плотности газа, а молярный объем соответственно меньше. От кристаллического состояния в этом отношении жидкости мало отличаются. Их плотности близки к плотности твердых веществ, а сжимаемость очень мала, и для того чтобы заметно сжать жидкость, необходимо очень высокое давление. Молярные объемы различных жидкостей в одинаковых условиях не равны, как газов, а могут отличаться весьма сильно для состояний, далеких от критического. Молярные объемы жидкостей несильно отличаются от молярных объемов в твердом состоянии.