Фізика для всіх

Наявність «неотнімаемой» при абсолютному нулі енергії не є особливою властивістю гелію. Виявляється, «нульова» енергія є у всіх речовин. Тільки у гелію цієї енергії виявляється досить для того, щоб перешкодити атомам утворити правильну кристалічну решітку.

Не треба думати, що гелій не може перебувати в кристалічному стані. Для кристалізації гелію треба лише підвищити тиск приблизно до 25 атм. Охолодження, проведене вище цього тиску, призведе до утворення твердого кристалічного гелію з абсолютно звичайними властивостями. Гелій утворює кубічну гранецентрированную грати.

На рис. 106 показана діаграма стану гелію. Вона різко відрізняється від діаграм всіх інших речовин відсутністю потрійний точки. Криві плавлення і кипіння не перетинаються.

Що таке розчин

Якщо посолити бульйон і розмішати ложкою, то не залишиться й сліду солі. Не слід думати, що крупинок солі просто не видно неозброєним оком. Кристалики солі ніяким способом не вдасться виявити з тієї причини, що вони розчинилися. Якщо надати в бульйон перцю, то розчину не вийде. Можна перемішувати бульйон хоч цілодобово - крихітні чорні крупинки не зникнуть.

Але що значить - «речовина розчинилося»? Адже атоми або молекули, з якого воно побудовано, не можуть пропасти безслідно? Звичайно, немає, вони і не пропадають. При розчиненні зникає лише крупинка речовини, кристалик, скупчення молекул одного сорту. Розчинення полягає в такому перемішуванні частинок суміші, при якому молекули однієї речовини розподіляються між молекулами іншого. Розчин - це суміш молекул або атомів різних речовин.

Розчин може містити різні кількості розчиненої речовини. Склад розчину характеризується його концентрацією, наприклад, відношенням числа грамів розчиненої речовини до числа літрів розчину.

У міру додавання речовини, що розчиняється концентрація розчину зростає, але не безмежно. Рано чи пізно розчин стає насиченим і перестає «приймати в себе» розчиняється речовина. Концентрація насиченого розчину, тобто «Гранична» концентрація розчину, називається розчинністю.

Дивно багато цукру можна розчинити в гарячій воді. При температурі 80 ° C повний стакан води прийме без залишку 720 г цукру. Цей насичений розчин буде густим і в'язким, кухарі називають його цукровим сиропом. Ми привели для цукру цифру для гранчака, ємність якого 0,2 л. Значить, концентрація цукру в воді при 80 ° C дорівнює 3600 г / л (читається: «грам на літр»).

Цукор і сіль добре розчиняються у воді. А ось нафталін в воді практично не розчиняється. Різні речовини в різних розчинниках розчиняються зовсім по-різному.

Розчинами користуються для вирощування монокристалів. Якщо підвісити в насичений розчин маленький кристалик розчиненої речовини, то в міру випаровування розчинника розчинена речовина буде висаджуватися на поверхні цього кристала. При цьому молекули будуть дотримуватися строгий порядок і в результаті маленький кристалик перетвориться на великий, залишаючись монокристалом.

Розчини рідин і газів

Чи можна розчинити рідина в рідині? Зрозуміло, можна. Наприклад, горілка - це розчин спирту у воді (або, якщо завгодно, води в спирті, - дивлячись чого більше). Горілка - справжній розчин, молекули води і спирту повністю перемішані в ній.

Однак не завжди при змішуванні двох рідин вийде такий результат.

Спробуйте підлити до води гасу. Ніяким перемішуванням не вдасться отримати однорідний розчин, це так само безнадійно, як розчиняти перець в супі. Як тільки перемішування припиняється, рідини розташовуються шарами: важча вода - внизу, легший гас - нагорі. Гас з водою і спирт з водою - системи, протилежні за властивостями розчинності.

Однак є і проміжні випадки. Якщо змішати ефір з водою, то ми чітко побачимо в посудині два шари. На перший погляд може здатися, що зверху ефір, а внизу вода. Насправді ж і нижній і верхній шар є розчинами: внизу - вода, в якій розчинилася частина ефіру (концентрація 25 г ефіру на літр води), а нагорі - ефір, в якому є помітне кількість води (60 г / л).

Тепер поцікавимося розчинами газів. Ясно, що всі гази розчиняються один в одному в необмежених кількостях. Два газу завжди перемішуються так, що молекули одного проникають між молекулами іншого. Адже молекули газів мало взаємодіють один з одним, і кожен газ поводиться в присутності іншого газу, в деякому сенсі не звертаючи «уваги» на свого співмешканця.

Гази можуть розчинятися і в рідинах. Однак вже не в будь-яких кількостях, а в обмежених, не відрізняючись в цьому відношенні від твердих речовин. При цьому різні гази розчиняються по-різному, і відмінності ці можуть бути дуже великими. У воді можна розчинити велику кількість аміаку (на півсклянки холодної води - близько 100 г), великі кількості сірководню і вуглекислоти. У незначній кількості розчинний у воді кисень і азот (0,07 і 0,03 г на літр холодної води). Таким чином, в літрі холодної води знаходиться всього лише близько сотої грама повітря. Однак і це невелика кількість відіграє велику роль в житті на Землі - адже розчиненим у воді киснем повітря дихають риби.

Чим більше тиск газу, тим більше його розчиниться в рідині. Якщо кількість розчиненого газу не дуже велике, то між ним і тиском газу над поверхнею рідини є пряма пропорційність.

Хто не отримував задоволення від холодної газованої води, так добре вдовільняючою спрагу! Отримання газованої води можливо завдяки залежності кількості розчиненого газу від тиску. Вуглекислий газ заганяють в воду під тиском (з балонів, які є у кожного кіоску, де продають газовану воду). Коли воду наливають в стакан, тиск падає до атмосферного і вода виділяє «зайвий» газ у вигляді бульбашок.

З огляду на подібні ефекти, водолазів не можна швидко піднімати з води на поверхню. Під великим тиском на глибині в крові водолаза розчиняється додаткова кількість повітря. При підйомі тиск падає, повітря починає виділятися у вигляді бульбашок і може закупорити кровоносні судини.

У житті слово «розчин» застосовують до рідин. Однак існують і тверді суміші, атоми або молекули яких є однорідним перемішані. Але як отримати тверді розчини? За допомогою маточки і ступки їх не отримаєш. Тому що змішуються речовини треба спочатку зробити рідкими, тобто розплавити, потім змішати рідини і дати суміші затвердіти. Можна зробити й інакше - розчинити дві речовини, які ми хочемо змішати, в будь-якої рідини, а потім вже випарити розчинник. Такими способами можуть вийти тверді розчини. Можуть вийти, але зазвичай не виходять. Тверді розчини - це рідкість. Якщо в солону воду кинути шматок цукру, він чудово розчиниться. Випарується воду; на дні чашки виявляться дрібні кристалики солі і цукру. Сіль з цукром не дають твердих розчинів.

Можна розплавити в одному тиглі кадмій з вісмутом. Після охолодження ми побачимо в мікроскоп суміш кристалів кадмію і вісмуту. Вісмут і кадмій теж не утворюють твердих розчинів.

Необхідною, хоча і не достатнім, умовою виникнення твердих розчинів є близькість молекул або атомів змішуються речовин за формою і розмірами. В цьому випадку при замерзанні суміші утворюється один сорт кристаликів. Вузли решітки кожного кристала зазвичай безладно заселені атомами (молекулами) різних сортів.