1.6-сурет. Беттік керілуді күшпен (а) және энергиямен (ә) сипаттауға
арналған сұлбалар
Ол энергия сұйықтықтың беттік керілуін жеңуге кететін
энергияға тең. Яғни беттік керілу 1 см
2
бет алуға жұмсалған
энергиямен есептеледі. Оның бірлік өлшемі эрг/см
2
. Олай болса, 1
дин/см=1эрг/ см
2
екенін көреміз, бұл екеуі де - беттік керілудің
бірлік өлшемдері. Егер бірлік ӨЖ (СИ) жүйелері бойынша
өлшенсе, онда беттік керілу өлшемдері н/м немесе дж/м
2
болады.
Әдетте беттік керілу σ әрпімен белгіленеді.
Беттік керілу сұйықтықтың табиғатына байланыстылығын
мына кестеден көруге болады.
1.4-кесте. Сұйықтықтардың беттік керілуі
Сұйықтық
t°С
σ дин/см
сұйықтық
t°С
σ дин/см
этил спирті
0
24,0
аналин
20
42,9
-“-
20
22,0
глицерин
20
63,0
-“-
50
22,60
су
20
72,5
Бензол
20
20,7
сынап
20
471,6
Кестеден этил спиртінің беттік керілуі температура артқан
сайын кемитінін көреміз. Кез -келген сұйықтықтың беттік керілуі
температураға байланысты сызықты түрде кемиді де, дағдарыстық
нүктеде нөлге айналады. Таза сұйықтық үшін дағдарыстық нүкте-
32
сол сұйықтықтың қайнау температурасы, ал сұйықтықтар қоспасы
үшін екі сұйықтықтың өзара еру температурасы болады.
Сұйықтықтың беттік керілуі, оның тығыздығы және сүйықтық
буының тығыздығы арасындағы байланысын 1921 ж. А. И.
Бачинский анықтады:
σ =(с d -Δ)
2
(26)
Мұндағы с-тұрақты шама, ол заттың табиғатына байланысты; d мен
Δ –сұйықтық пен сұйықтық буының тығыздықтары.
Теңдеуді (26) с бойынша түрлендіру арқылы төрт дәрежедегі
түбір астынан шығарып, тендіктің екі жағын да молекулалық
массаға (М) көбейтсек, онда:
Р=М ∙ С
1/4
=М ∙ σ
1/4
/( d - Δ) (27)
Сегден (М ∙ -С
1/4
) өрнегін парахор деп атап, Р әрпімен
белгілейді. Сегден парахордың сұйықтық үшін аддитивтік шама
екенін,
яғни
оның
молекуладағы
жеке
атомдар
мен
байланыстардың парахорларының қосындысына тең болатынын
көрсетті. Мысалы, бензолдың парахоры былайша есептеледі:
РС
6
Н
6
=6(С)+6(Н)+3 қос байланыс +1 (алты мүшелік сақина) =
207,1.
Ал формула (27) бойынша тәжірибелік мәліметтері негізінде
тапқан бензол парахорының мәні 205,2-ге тең болады. Парахорды
білу органикалық заттардың құрылымын анықтауға мүмкіндік
береді. Қазіргі кезде көптеген заттардың парахорларының мәндері
кестелер түрінде беріледі.
Дағдарыс нүктесінен қашығырақ температураларда сұйықтық
буының тығыздығын ескермей-ақ теңдеуді (27) былай жазуға
болады:
Р=М / d σ
1/4
Мұндағы М/d=V; V-сұйықтықтың мольдік көлемі, егер σ=1 болса,
теңдеуден (28) сұйықтық парахоры оның мольдік көлеміне тең
болатынын байқаймыз.
3.3 Сұйықтықтың тұтқырлығы
Сұйықтықтың бір-біріне параллель бағытта яғни ламинарлық
қозғалыста болатынын қарастырайық (1.7-сурет).
33
Осы
сұйықтықтың
беткі
қабатын
и
жылдамдықпен
жылжытатын
болсақ,
онда
молекулалардың
арасындағы
әрекеттесулерге
байланысты
сұйықтықтың төменгі қабаттары
қозғалады. Алайда қабат беттен
қашықтаған
сайын
олардың
жылжу жылдамдықтары да кеми
береді. Егер жоғарғы қабат өзімен
бірге төменгі қабатты жылжытуға
тырысса, төменгі қабат керісінше жоғарғы қабаттың жылжуын
тоқтатуға тырысады. Сөйтіп сұйықтық жылжуының кедергісі пайда
болады, ол ішкі үйкеліс немесе тұтқырлық деп аталады. Ішкі
үйкелістің күші Ньютон теңдеуімен өрнектеледі:
f=sη ∙ dи/ dх (29)
Мұндағы: s-жанасатын қабаттардың ауданы; dи/dх сұйықтықтың
жылжу бағытына перпендикуляр бағыттағы жылдамдық градиенті;
η ішкі үйкеліс коэффициенті немесе тұтқырлық коэффициенті,
кейде ол динамикалық тұтқырлық деп те аталады.
Сұйықтық берілген градиентте бір қалыпты қозғалу үшін оған ішкі
үйкеліс күшіне тең күш әсер етуі керек:
F = - f (30)
Теңдеудегі (29) S=1 см
2
және dи/ dх болса, онда η = f яғни
тұтқырлық
коэффициенті
дегеніміз
бірлік
аудандағы
сұйықтықты параллелъ қозғалыста жылжытатын күш мөлшері,
теңдеудегі (29) Х-см; U-см/сек: S=см
2
болғанда тұтқырлықтың
бірлік өлшемі г см
-1
сек
-1
болады. Оны пуаз деп атайды. Ол француз
ғалымы Пуазейляның құрметіне аталған. Пуаздың 100 есе кіші
шамасы-сантипуаз жиі қолданылады. ӨЖ(СИ) бойынша 1 п (пуаз)
0,1 па∙сек (паскаль-секунд) болады. Мысалы, судың тұтқырлық
коэффициенті 20°С-та 1 сп/сантипуазға/тең.
Тұтқырлық коэффициентіне кері шамасын 1/η аққыштық деп
атайды. Тұтқырлық коэффициенті сұйықтықтың табиғатына
байланысты болады. Мына кестеде кейбір сұйықтықтың 20°С-дегі
салыстырмалы тұтқырлықтары көрсетілген.
1.7-сурет. Тұтқырлықты
түсіндіретін сұлба
34
1.5-кесте. Сұйықтықтың салыстырмалы тұтқырлығы (20°С, сантипуаз
бойынша)
Зат
V
зат
V
күкіртті көмір
0,43
цитоплазма
6,0
Бензол
0,79
майсана
1250,0
Су
1,0
глицерин
1490,0
Қан
4,5-6,0
Ерітінділердің тұтқырлығы таза еріткіштерден көбірек болады.
Тұтқырлығына байланысты сұйықтықтың аққыштығын оңай және
нашар ағатын сұйықтық деп екіге бөлуге болады. Оңай ағатын
сұйықтыққа эфир, хлорформ, метил спирті, глицерин т.б. жатады.
Сұйықтықтың тұтқырлық коэффициенттері температураға да
байланысты: кез келген сұйықтық тұтқырлығы температура артқан
сайын кемиді. Өте төменгі температурада кейбір сұйықтықтардың
тұтқырлығы (шыны, шайыр, өсімдік майлары т.б.) қатты
денелердің беріктігімен шамалас болады.
Тұтқырлыққа қысым да күшті әсер етеді. Егер тұтқырлық 1000
-2000 атм-ға дейін қысымға байланысты түзу сызықты түрде өссе,
одан жоғары атмосферада тұтқырлық геометриялық прогрессиямен
өседі. Әр түрлі бөлшектерді майлайтын сұйықтықтың тұтқырлығы-
сұйықтық сапасын көрсететін негізгі техникалық көрсеткіштердің
бірі.
Майлайтын сұйықтық тұтқырлығының жоғары температурада
азайып, төменгі температурада көбейіп кетпей, бір қалыпты болуы
автомобиль бөлшектерінің бір қалыпты ұзақ жұмыс істеуіне
мүмкіндік береді. Сондықтан майлайтын сұйықтықты таңдап
алардан бұрын олардың тұтқырлықтарын әрі төменгі, әрі жоғары
температурада зерттеп алған жөн.
3.4 Будың қысымы
Газ молекулалары сияқты сұйықтық молекулаларының қозғалу
жылдамдығы бірдей болмайды. Өте жылдам қозғалатын, яғни
кинетикалық энергиясы көп молекулалар сұйықтық ішінен бетке
жеткенде астыңғы қабаттағы молекулалардың тартылысын жеңіп,
буға (бу фазасына) ауысады. Бұл құбылыс әр түрлі температурада
жүреді: неғұрлым температура жоғары болса, бұл процесс те
соғұрлым жылдам өтеді. Сұйықтықтың булануы жабық ыдыста
35
болса, онда буға айналған молекулалар өзара қабырғаға соқтығысу
нәтижесінде артық кинетикалық энергияларын жоғалтып, қайтадан
сұйықтыққа айналуы мүмкін. Осы булануға кері процесс, яғни
будың
сұйықтыққа
қайта
айналуы
будың
сұйықтыққа
конденсациялану процесі деп аталады.
Белгілі бір уақытта, булану мен конденсация процестерінің
жылдамдықтары өзара теңескенде, тепе-теңдік орнайды. Тепе-
теңдік орнағандағы сұйықтықпен тепе-теңдіктегі бу қаныққан бу
деп аталады, ал ондағы қысым сұйықтықтық қапыққан буының
қысымы деп аталады.
Белгілі температурада оған сәйкес белгілі бір қаныққан будың
қысым болатыны тәжірибе арқылы анықталады: ол сұйықтық пен
будың мөлшеріне тәуелсіз болады.
Егер қаныққан бу қысымы сыртқы қысымға тең болса, онда
булану өте қарқынды түрде жүреді, оны қайнау деп атайды.
Қайнау кезінде сұйықтық бетінде ғана емес, оның ішкі
жағындағы молекулалар бу көпіршіктерін түзіп, буға айналады.
Қайнауға сәйкес келетін температура сұйықтықтың қайнау
температурасы деп аталады.
Сонымен булану кез келген температурада болса, қайнау тек
белгілі температурада ғана, яғни бу қысымы сыртқы қысымға тең
болған жағдайда ғана болады. Төменгі температураларда бу
қысымы баяу өседі де, жоғары температураларда өте жылдам
болады.
Бу қысымының қисығы дағдарыстық нүктеде бітеді, ол
температурада сұйықтық буға айналу үздіксіз болады, яғни сыртқы
қысым артқан сайын сұйықтықтың қайнау температурасы да
артады. Сұйықтық атмосфералық қысымда (760 мм. с.б.) қайнайтын
температурасы қалыпты қайнау температурасы деп аталады.
Будың қысымын анықтаудың бірнеше тәсілдері бар. Оларды
статикалық, динамикалық және үрлеу тәсілдері деп үш негізгі
топқа бөлуге болады.
Будың қысымы-заттардың негізгі сипаттамаларының бірі.
4 Қатты заттар
4.1
Кристалдардың
ішкі
құрылымының
жалпы
сипаттамасы
Сыртқы пішіні бар, сол пішінді өзгертуге жұмсалған сыртқы
әсерге қарсыласа алатын заттарды қатты заттар деп атайды.
36
Заттар белгілі бір жағдайда қатты күйге айнала алады. Сұйық пен
газ күйлерінен қатты дененің айырмашылығы ол сыртқы
деформациялық күш тоқтағанда (әрине деформациялық күш денеге
қайтымсыз өзгерістер тудырмаса), бастапқы пішініне қайтып келе
алады. Қатты денелер кристалдық және аморфтық күйде болады.
Олардың қасиеттері әр түрлі. Кристалдық күйдегі қатты заттардың
белгілі бір балқу температурасы болады, ал аморфтық күйдегі
қатты заттардың белгілі бір балқу температурасы болмайды. Олар
қыздырғанда біртіндеп жұмсарып барып сұйық күйге ауысады.
1.8-сурет. Кеңістік торлардың сұлбасы: а) атомдық; ә) молекулалық; б)
иондық; в) металдық
Аморфтық
заттар
жұмсару
кезіндегі
температура
аралықтарында
барлық:
тұтқырлық,
жылусыйымдылық,
электрөткізгіштік, диэлектрлік тұрақтылық т.б. физикалық
қасиеттерін өзгертеді. Шыны, шайыр, полимерлер т.б. әр түрлі
заттар аморфтық заттарға жатады.
Аморфтық заттар әр түрлі бағытта бірдей қасиеттер көрсетсе,
олар изотропты заттар деп аталады, ал кристалдық заттардың
бағытққа байланысты кейбір қасиеттері өзгереді, сондықтан олар
анизотропты заттар деп аталады. Ондай бағытқа байланысты
өзгеретін қасиеттер мыналар: сыну көрсеткіші, механикалық
мықтылық, еру жылдамдығы, жылуөткізгіштік, электрөткізгіштік
т.б. Кристалдардың берілген затқа тән пішіні болады. 1749 жылдың
өзінде-ақ М. В. Ломоносов кристалдың сыртқы пішіні оның
көрінбейтін ішкі құрылымына байланысты деген болатын.
Қазіргі кездегі рентгендік талдаудың нәтижесінде көптеген
аморфтық заттардың кристалдық күйде, ал кристалдық заттарды
аморфтық күйде алуға болатыны белгілі, сондықтан қатты заттың
аморфтық және кристалдық күйлері болады деген жөн.
37
Кристалдар кеңістікте белгілі бір тәртіппен орналасқан
молекулалар, атомдар немесе иондардан тұрады. Олар кеңістіктік
тор немесе кристалдық тор деп аталады.
Әр түрлі кристалдық торлардың сұлбасын 1.8-суреттен көре
аламыз.
Кристалдарды әр түрлі көрсеткіштер бойынша топтауға
болады. Физикалық химияда оларды кеңістік тордағы құрылымдық
элементтердің арасындағы байланыстың табиғатына қарай
топтайды. Ол көрсеткіш бойынша кристалдық торлар иондық,
ковалентті (атомдық), молекулалық және металдық болып бөлінеді.
1. И о н д ы қ т о р л а р. Ондай торлар өзара дұрыс кезек
алмасып келіп отыратын бір-біріне заряды қарама-қарсы иондардан
тұрады (1.8-суреттегі б жағдайы). Электронға ынтықтылығының
айырмашылығы өте көп болатын химиялық элементтер иондық тор
түзеді (мысалы, натрий хлоридінің иондық торы). Иондық тордағы
қарама-қарсы иондар өзара электростатикалық тартылу күші
арқылы байланысады. Ол күштің шамасы өте көп болғандықтан,
иондық торы бар қосылыстар берік, балқу температурасы өте
жоғары, суда ерігіш және электрөткізгіштігі де жоғары болып
келеді. Иондық торлар көптеген тұздарға тән болады. Иондық
торлары бар заттардың еруі тордың энергиясына, иондар
шамасының
сольваттануына
тәуелді
болады.
Еріткіш
молекуласының полярлығы артқан сайын иондық торы бар
заттардың еруі де артады.
2. К о в а л е н т т і к (а т о м д ы қ) т о р л а р. Ондай торлар
жұптаспаған
электрондары
болатын
атомдардың
өзара
әрекеттесуінен, яғни атомдар арасында коваленттік байланыстан
пайда болады. Коваленттік байланыс та өте күшті. Сол себептен
ондай байланысы бар заттар берік, қатты, ұшқыштығы аз, балқу
температуралары жоғары болып келеді. Коваленттік торлары бар
заттарға алмаз жатады. Мұнда көміртектің әрбір атомы төрт
коваленттік байланыс түзеді, олар тетраэдрдің төрт бұрышына
бағытталған, ал байланыс түзіп тұрған көміртек атомы тетраэдрдің
орталығында болады. Осындай тордағы көміртек атомдарын
кремний, бор және т.б. элементтермен де ауыстыруға болады
(мысалы, кремний карбиді). Коваленттік торлары бар заттарды
қатты күйден сұйық күйге айналдыру үшін барлық ковалентті
байланыстарды үзу керек, ол үшін көп энергия жұмсалады
38
(мысалы, жоғарыда айтылған кремний карбиді З000°С, ал
алмаз3500°С-ден артық тсмператураларда балқиды).
Атомдық торлар – бейметалды элементтерден құралады
(мысалы, көміртек, бор, кремний, карбид және т.б.).
Көптеген атомдық торлары бар нитридтер, фосфидтер,
боридтер, карбидтер т.б. заттар техникада көбірек қолданылады.
Өйткені олар - температураға төзімділігі, қаттылығы жоғары және
өте қиын балқитын заттар.
3. М о л е к у л а л ы қ т о р л а р. Мұндай торлар
молекулалардан түзіледі. Олардың арасындағы байланыс ван-дер-
ваальс күштерінің нәтижесінде болады. Әрине бұл күш иондық
және коваленттік күштерден әлдеқайда әлсіз және молекулалардың
арасы қашықтаған сайын ол күштің шамасы кемиді. Молекулалар
арасындағы күш әлсіз болғандықтан, мұндай торлары бар заттар
төменгі температураларда балқиды, ұшқыш болып келеді, суда
нашар ериді, керісінше өздеріне құрылымы ұқсас сұйықтықтарда
(органикалық) жақсы ериді. Молекулалық торлар инертті
газдардың, сутек және оттектің кристалдарынан түзіледі. Көптеген
органикалық заттар молекулалық торлары бар заттардың өкілдері
ретінде қарастырылады.
4. М е т а л д ы қ т о р л а р. Олар – кәдімгі металдарға тән
қасиет. Металдық торларда оң зарядты иондар және олардың
арасындағы бос электрондар-электрондық газдар болады. Оң
зарядты иондар әлсіз байланысқан электрондарды жоғалту
нәтижесінде түзілсе, олардың арасындағы электрондар біресе
бірінші ядроны, біресе екінші ядроны айналып, иондар арасында
байланыс түзеді. Осы байланысты металдық байланыс деп атайды.
Бос электрондардың болуы металдар мен кейбір қорытпаларда
мынадай қасиеттердің: жоғары электрөткізгіштік және жылу
өткізгіштік, металдық жылтырлық, радиотолқындарын шағылдыру
т.б. пайда болуына себеп болады. Металдық байланыстар
металдардың беріктігін, жоғары балқу температураларын,
ұшқыштығының нашарлығын қамтамасыз етеді.
Графит, каолин сияқты көптеген заттардың кристалдары қабат-
қабат торлар түзеді. Мысалы, графиттің торында екі түрлі күш әсер
етеді: біреуі – жазық қабаттағы атомдардың арасындағы
коваленттік байланыс, екіншісі – қабаттардың арасында әлсіз
молекулааралық байланыс. Екінші байланыстың нәтижесінде
39
графит атомдық моноқабаттарға бөлінеді. Сондықтан да графитпен
жазуға болады.
Осы жоғарғыда қарастырылған төрт байланыстан басқа аралас
байланыстары
бар
кристалдар
да
кездеседі.
Мысалы,
кристаллогидраттарда тұздардың катиондары мен аниондарының
арасында иондық, ал анионның құрамындағы атомдар арасында
коваленттік және су молекулаларының арасында полярлық
байланыстар болады.
Иондық және коваленттік байланыстары бар кристалдардың
аралық жағдайында болатын жартылай өткізкіш кристалдар да бар.
Олардың электрөткізгіштік механизмі ерекше болып келеді.
Жартылай өткізгіштер электр тоғын тасымалдаушы электрондар
немесе “тесіктер” болады. Осыған орай егер ток тасымалдаушы
электрондар болса, оларды п – жартылай өткізгіштер деп, егер
“тесіктер” болса, р-жартылай өткізгіштер деп атайды. Ғылым
мен техникада жартылай өткізгіштердің маңызы зор.
4.2. Изоморфизм және полиморфизм
1819 жылы Э. Митчерлих КН
2
РО
4
және КН
2
А
S
O
4
тұздарының
кристалдарын қарастыра отырып, құрамы бірдей, химиялық
қасиеттері ұқсас заттардың кристалдық пішіндері де ұқсас екенін
тапты. Бұл құбылысты Митчерлих изоморфизм деп атады.
Кейіннен
ғалымдар
химиялық
құрамы
мен
кристалдық
пішіндерінің арасындағы ұқсастықтары бар әр түрлі заттар тапты.
Заттардың изоморфты болуы үшін мынадай талаптар орындалуы
керек:
1) заттар химиялық тұрғыдан өте ұқсас, яғни кристалдағы атом,
ион және молекулалардың байланыстарының түрлері де бірдей
болуы;
2) кристалдық тордың түрлері де бірдей болуы;
3) кристалдық торды құратын бөлшектердің тиімділік
радиустары бір-біріне жақын немесе бірдей болуы;
4) кристалдағы иондардың поляризациялануы да өте жақын
немесе бірдей болуы керек.
Изоморфизмді ашу кристалдық тор пішінінің химиялық
құрамға тәуелділігін зерттеуге көп мүмкіншілік береді. Химиялық
элементтерді топтауда және олардың атомдық массаларын
анықтауда да изоморфизмнің маңызы зор.
40
Кез келген кристалдық заттардың белгілі бір пішіні болатынын
білеміз. Алайда кейбір заттардың бірнеше кристалдық пішіндері
болады. Ол заттар модификациясы деп аталады. Заттардың
осындай қасиетін полиморфизм деп атайды. Мысалы, табиғи
көміртек әр түрлі жағдайға байланысты алмаз (текше) және графит
(гексагональ) түрінде кристалданады. Олардың физикалық
қасиеттері бір-біріне ұқсамайтыны белгілі. Ал мұз қысым мен
температураға байланысты жеті түрлі кристалдық пішінде болады.
Полиморфизм минералдардың арасында да көп тараған.
Мысалы, кальций карбонаты СаСО
з
табиғатта арогонит және
кальцит түрінде кездеседі. Олардың ішкі құрылымы бір-біріне
мүлде ұқсамайды.
Заттардың полиморфтық модификациялары сыртқы жағдай
өзгергенде бірі екіншісіне өзгереді. Кейбіреулері атмосфералық
қысымда бір күйден екінші күйге және керісінше өздігінен ауысса
(мысалы, ромбалық күкірт моноклиндік күкіртке және керісінше),
кейбіреулері тек бір бағытта өзгереді (мысалы, алмаз графитке
айналады да, қайтадан алмазға ауыса алмайды).
Полиморфтық түрлену заттардың әр түрлі физикалық және
химиялық
қасиеттерін
өзгертеді
және
кристалдың
ішкі
құрылымының өзгеруіне байланысты жылулық эффектілер де
байқалады.
Полиморфизмнің техникада маңызы өте зор. Темірдің
полиморфизмі темір қорытпаларын термиялық өңдеуде оларға
қажетті магниттік, механикалық және басқа қасиеттер беруге
қолданылады.
Кремнеземнің (SіО
2
) полиморфтық түрленуі керамикалық
заттарда, шыны, басқа да отқа төзімді материалдарды күйдіруде
пайдаланылады.
Достарыңызбен бөлісу: |