ивязать к чему-нибудь или утяжелить.
Но как газ вроде гелия может менять свое состояние? Переходить из газообразной формы в жидкую или из жидкой в твердую? Такие переходы, которые вы, возможно, когда-то изучали в школе, происходят вокруг нас каждый день. Таяние, испарение, конденсация или заморозка – это процессы, происходящие из-за изменения расстояния между молекулами в определенном веществе.
Один из простейших переходов – это таяние. Не знаю, как вы, а я узнала о нем еще в раннем возрасте. Когда я была на улице и ела мороженое, то лучи раскаленного солнца топили его, и оно стекало по моей руке. Отстойное знакомство с одним из основных превращений в химии. Самое смешное, что термин «таяние» не совсем подходит для такой науки. Техническим термином считается «плавление», но его практически не используют. Когда мороженое тает, расстояние между молекулами увеличивается, из-за чего твердое вещество превращается в жидкость. Итак, если молекулы в твердом теле находятся на расстоянии одной мили друг от друга (в данном примере я специально использую большие числа), то в жидкости они будут находиться на расстоянии пяти миль. На самом деле в твердых телах молекулы находятся на расстоянии примерно 10–10 метров друг от друга, но мне кажется, что такое число будет слишком сложно представить.
Важно помнить один факт: после фазового перехода молекулы остаются точно теми же молекулами. Атомы и расстояние между атомами не изменилось, хотя молекулы друг от друга отдалились. Но как это происходит? Все просто: нужен источник энергии, в качестве которого обычно выступает тепло. Если мы изменим температуру окружающей среды, то молекулы начнут двигаться быстрее (если температура увеличится) или будут двигаться медленнее (если температура уменьшится). Как вы скоро узнаете, температура также влияет на расстояние между молекулами.
И если вы вспомните мой пример с мороженым, то все сразу станет понятным и логичным. Чтобы мороженое растаяло, требуется внешний источник тепла. Например, если я решу съесть мороженое в Техасе, то оно начнет таять спустя несколько минут. Тепла, исходящего от молекул в воздухе, достаточно для того, чтобы молекулы мороженого начали активно двигаться; в конце концов расстояние между ними увеличится. Иначе говоря, при таянии мороженого происходит плавление.
Наилучший пример плавления – первый шаг в приготовлении брецелей в шоколаде. Когда я готовлю их дома, то кладу шоколад в чашку и ставлю ее над кастрюлей с кипящей водой. Такая конструкция позволяет теплу от пара передаваться шоколаду через дно чашки. Молекулы шоколада начинают двигаться, из-за чего расстояние между ними увеличивается. Я могу точно определить, когда это произошло, ведь вижу таяние шоколада своими глазами.
Когда я убираю чашку с растопленным шоколадом с кастрюли, то наблюдаю еще один физический процесс. Из-за тепла вода в кастрюле кипит: жидкая вода превращается в пар. По мере того, как она переходит в другое состояние, пространство между молекулами воды увеличивается. Если молекулы в твердом теле и жидкостях находятся на расстоянии одной и пяти миль друг от друга соответственно, то молекулы газа – примерно в пятидесяти милях. И опять же важное уточнение: молекулы никак не изменились, но изменилось расстояние между ними. Мы уже знаем, что у газа нет постоянного объема или формы, поэтому молекулы пара поднимаются в воздух и «исчезают».
Процесс превращения воды в пар называется кипением с последующим парообразованием, хотя многие ошибочно называют его испарением. Весьма распространенное заблуждение, поэтому давайте рассмотрим, чем эти процессы отличаются. Как и при синтезе, при кипении расстояние между молекулами увеличивается; значит, для этого процесса необходимо тепло. Он происходит в тот момент, когда жидкость начинает кипеть – то есть превращаться в газ.
При испарении жидкость превращается в газ без использования дополнительного тепла. Этот процесс происходит при температуре ниже точки кипения жидкости. Например, за ночь испаряется часть воды в вашем стакане или пот с вашего тела. Для этого не нужна горелка или другой источник тепла: молекулы обладают достаточной энергией, чтобы жидкость превратилась в газ самостоятельно. И наоборот, кипящей воде нужно больше энергии, чтобы изменить свое состояние.
Так или иначе, мы можем превратить воду в газ только одним способом: нам нужно увеличить расстояние между молекулами жидкости. Те из вас, кто занимается выпечкой, сейчас узнали, что происходит с водой при топлении шоколада. Но сталкивались ли вы с тем, что на поверхности шоколада появляются небольшие надоедливые пузырьки? Если да, то поздравляю: вы наблюдали еще один физический процесс, называемый конденсацией.
Когда молекулы воды конденсируются, гладкая поверхность шоколада покрывается небольшими «пузырьками». Во время этого процесса газообразные молекулы воды (то есть пар) превращаются в жидкие и нарушают текстуру шоколада. Тоже самое происходит с бокалом напитка в жаркий день: на стенках образуются капли воды.
Конденсация и испарение – это два одинаковых, но ровно противоположных процесса. Похоже на мою поездку на работу: расстояние и затраченное время постоянно одни и те же. Я еду десять минут до работы и потом десять минут до дома. Но при этом направление, в котором я двигаюсь, отличается. То же самое происходит и с этими двумя процессами: при испарении расстояние между молекулами увеличивается, а при конденсации уменьшается. Газ превращается в жидкость, а соседние молекулы начинают притягиваться друг к другу.
Жидкости могут также превращаться в твердые тела, не меняя при этом своего химического состава. Этот процесс называется замерзанием. Когда молекулы находятся близко друг к другу, жидкость может превратиться в твердое тело. Замерзание и плавление (то есть таяние) – это противоположные процессы. При плавлении молекулам необходимо двигаться и увеличивать расстояние между собой; в результате твердое тело превращается в жидкость. Однако для того, чтобы жидкость стала твердым телом, молекулы должны располагаться практически вплотную к друг другу.
Лучший способ заморозить что-либо – это поместить объект в среду с низкой температурой, например, в морозильную камеру. Вы также можете изменить давление (в лаборатории). При низкой температуре движение молекул замедляется, из-за чего расстояние между ними уменьшается. Когда я убираю брецели в шоколаде в холодильник, растопленный шоколад затвердевает и превращается в глазурь. Этот процесс начинает происходить не сразу, к тому же тут играет роль толщина слоя шоколада. Чем больше молекул, тем больше времени требуется для их замедления – для перехода жидкости в твердое состояние. Однако все молекулы обладают точкой замерзания – температурой, при которой жидкость превращается в твердое тело.
Таяние, испарение, конденсация и заморозка – самые распространенные переходы. Есть еще два, не столь распространенных, но их нужно упомянуть: сублимация и десублимация. Это процессы перехода твердого тела в газообразное и наоборот. Молекулы, минуя жидкое состояние, сразу переходят из твердого в газообразное или наоборот. Чтобы произошли эти процессы, расстояние между молекулами должно резко увеличиться или резко уменьшиться. В зависимости от молекул подобные переходы могут происходить естественным путем в обычных условиях или в лаборатории с использованием экстремальных температур и изменением давления.
В естественных условиях сублимация происходит редко, так как для такого перехода молекулам надо очень быстро двигаться. По правде говоря, в повседневной жизни мы практически не сталкиваемся с этим процессом. Большинство людей наблюдают его только в том случае, если работают с сухим льдом. Сухой лед (или углекислый газ в твердом состоянии) обладает удивительными свойствами, благодаря которым может переходить из твердого состояния в газообразное. Это означает, что во время перехода расстояние между молекулами быстро увеличивается. Процесс происходит самостоятельно при нормальных атмосферном давлении и температуре; именно поэтому сухой лед используется для создания тумана или дыма на концертах, представлениях, а также на моих лекциях.
Сублимация также используется в освежителях воздуха и камфорных шариках. Сами по себе эти вещества твердые, но со временем они выделяют в воздух немного молекул, из-за чего появляется определенный запах. Каждая система сублимируется при комнатной температуре, однако, в отличие от сухого льда, этот процесс может занять дни, а то и недели. Вот почему автомобильные ароматизаторы необходимо менять раз в несколько недель – они перестают выделять в воздух молекулы.
Противоположный сублимации процесс – десублимация: газ превращается в твердое тело. Во время этого перехода теряется много энергии, из-за чего молекулы замедляются и останавливаются. Люди, живущие в холодном климате, сталкиваются с десублимацией намного чаще, чем им кажется. Каждое утро, когда вы выглядываете в окно и видите покрытые инеем листья, вы наблюдаете результат десублимации. Ночью молекулы воды в воздухе теряют много энергии, из-за чего оседают на листьях, образуя ледяную корочку. Если вы когда-нибудь решите понаблюдать за тем, как образуется иней, то увидите, что пар сразу превращается в лед, минуя жидкую форму.
Еще один пример десублимации – сажа внутри дымохода. Когда я жила в Мичигане, то любила проводить холодное утро, сидя у камина с кружкой горячего какао. В то время я не понимала, что если буду чуть внимательнее, то смогу увидеть, как частички сажи, переходя из газообразной формы в твердую, объединяются с пылью. Пыль и сажа копились внутри камина, оставляя после себя черный налет, который моя мама просто ненавидела. В этом случае десублимация сажи происходила намного быстрее, чем десублимация инея; по моему предвзятому мнению, оба процесса одинаково завораживают.
Напомню, что существует шесть видов фазовых переходов, которые я собрала в одной таблице.
Большинство молекул имеют собственную температуру и давление для каждого из шести переходов, однако каждая молекула уникальна. У некоторых, например, есть тройная точка. Это сочетание температуры и давления, при котором расстояние между молекулами неопределенно, из-за чего вещество одновременно существует в трех агрегатных формах: твердой, жидкой и газообразной. Например, для воды тройной точкой является температура 0,01°C (32°F) и давление 4,58 торр. Самый простой способ наблюдать такое явление в лаборатории – это набрать воду в закрытый контейнер и поместить в вакуум, чтобы снизить давление.