физические свойства полярных жидкостей

Содержание
Тема: Физические свойства полярных жидкостей (бензин, дизель, вода)
Введение
Каждый из нас без труда припомнит немало веществ, которые он считает жидкостями. Однако дать точное определение этого состояния вещества не так-то просто, поскольку жидкости обладают такими физическими свойствами, что в одних отношениях они напоминают твердые тела, а в других – газы. Наиболее ярко сходство между жидкостями и твердыми телами проявляется у стеклообразных материалов. Их переход от твердого состояния к жидкому при повышении температуры происходит постепенно, они просто становятся все более мягкими, так что нельзя указать, в каком температурном интервале их следует назвать твердыми телами, а в каком – жидкостями.
По-видимому, наиболее характерным свойством жидкостей, отличающим их от твердых тел, является низкая вязкость (высокая текучесть). Благодаря ей они принимают форму сосуда, в который налиты. На молекулярном уровне высокая текучесть означает относительно большую свободу частиц жидкости. В этом жидкости напоминают газы, хотя силы межмолекулярного взаимодействия жидкостей больше, молекулы расположены теснее и более ограничены в своем движении.
Полярные вещества в химии - соединения, молекулы которых обладают электрическим дипольным моментом.
Для полярных веществ, в сравнении с неполярными, характерны высокая диэлектрическая проницаемость (более 10 в жидкой фазе), повышенные температура кипения и температура плавления.
Дипольный момент обычно возникает вследствие разной электроотрицательности составляющих молекулу атомов, из-за чего связи в молекуле приобретают полярность. Однако, для приобретения дипольного момента требуется не только полярность связей, но и соответственное их расположение в пространстве. Молекулы, имеющие форму, подобную молекулам метана либо двуокиси углерода, являются неполярными.
Полярные растворители наиболее охотно растворяют полярные вещества, а также обладают способностью сольватировать ионы. Примерами полярного растворителя являются вода, спирты и другие вещества.
Жидкое состояниеЖидкое состояние является промежуточным между газообразным и твердым. С газами жидкости сближает прежде всего их изотропность (одинаковость физических свойств по всем направлениям) и текучесть (способность легко изменять внешнюю форму под воздействием малых нагрузок). Однако высокая плотность и малая сжимаемость жидкостей приближает их к твердым телам. Способность жидкостей легко изменять свою форму говорит об отсутствии в них жестких сил межмолекулярного взаимодействия. В то же время низкая сжимаемость жидкостей, обусловливающая способность сохранять постоянный при данной температуре объем, указывает на присутствие хотя и не жестких, но все же значительных сил взаимодействия между частицами. 
Для каждого агрегатного состояния характерно свое соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества. У твердых тел средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии. Поэтому в твердых телах частицы занимают определенные положения друг относительно друга и лишь колеблются около этих положений. Для газов соотношение энергий обратное, вследствие чего молекулы газа всегда находятся в состоянии хаотического движения, и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, так что газ всегда занимает весь предоставленный ему объем. В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергия частиц приблизительно одинаковые, т.е. частицы связаны друг с другом, но не жестко. Поэтому жидкости текучи, но имеют постоянный при данной температуре объем.
В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всем объеме данной жидкости. У жидкостей сильно выражена самодиффузия, т.е. непрерывные переходы молекул с места на место. Физико-химические свойства жидкости зависят от природы образующих ее частиц и от интенсивности их взаимодействия между собой. 
Внутренне строение жидкостей выяснено только в самых общих чертах, и до настоящего времени не создано общей теории жидкого состояния. Объясняется это тем, что внутреннее строение жидкостей значительно сложнее внутреннего строения газов и кристаллов. По сравнению с газами жидкости обладают, прежде всего, во много раз большей плотностью. Расстояния между молекулами в жидкости настолько малы, что свойства жидкости в значительной степени определяются собственным объемом молекул и взаимным притяжением между ними, в то время как в газах в обычных условиях влияние этих факторов незначительно. При малых расстояниях между молекулами имеют значение также их геометрическая форма и полярные свойства. Свойства полярных жидкостей зависят не только от взаимодействия молекулы с молекулой, но и от взаимодействия между отдельными частями разных молекул. 
Когда молекулы жидкости обладают полярностью, то, кроме взаимного притяжения между ними, свойственного и неполярным молекулам, проявляется и взаимодействие между разными частями молекул, несущими электрический заряд. Это делает неравноценным различные положения молекул. Так, положение, отвечающее взаимному отталкиванию обоих концов молекул, будет неустойчивым. Точнее, при сколько-нибудь значительной полярности молекул это положение не сможет возникнуть вследствие взаимного отталкивания молекул уже при сближении их в таком положении. Наоборот, положение, которое отвечает усилению взаимного притяжения между молекулами, является преимущественным и будет сохраняться более продолжительное время. 
Оно соответствует большей  взаимной связанности    молекул, и образование его  сопровождается выделением некоторой энергии. 
К ассоциированным жидкостям относятся вода, спирты, ацетон, сжиженный аммиак и др. Степень ассоциации бывает различной. Сильно ассоциированные жидкости заметно отличаются от нормальных по многим свойствам. Ассоциация вызывает увеличение теплоты испарения, уменьшает летучесть жидкости и соответственно изменяет другие свойства. 
Впрочем, при обычных температурах одного дипольного взаимодействия недостаточно, чтобы вызвать такую высокую степень ассоциации, которая наблюдается, например, между молекулами воды, аммиака и других сильно полярных жидкостей. Основной причиной ассоциации в этих условиях служит образование между молекулами водородной связи.
Физические свойства полярных жидкостейВода  Вода в нормальных атмосферных условиях сохраняет жидкое агрегатное состояние, тогда как аналогичные водородные соединения являются газами. Это объясняется особыми характеристиками слагающих молекулы атомов и присутствием связей между ними. Атомы водорода присоединены к атому кислорода, образуя угол 104,45°, и эта конфигурация строго сохраняется. Из-за большой разности электроотрицательностей атомов водорода и кислорода электронные облака сильно смещены в сторону кислорода. По этой причине молекула воды является активным диполем, где кислородная сторона отрицательна, а водородная положительна. В результате молекулы воды притягиваются своими противоположными полюсами и образуют полярные связи, на разрыв которых требуется много энергии. В составе каждой молекулы ион водорода (протон) не имеет внутренних электронных слоев и обладает малыми размерами, в результате чего он может проникать в электронную оболочку отрицательно поляризованного атома кислорода соседней молекулы, образуя водородную связь с другой молекулой. Каждая молекула связана с четырьмя другими посредством водородных связей - две из них образует атом кислорода и две атомы водорода. Комбинация этих связей между молекулами воды - полярной и водородной, определяет очень высокую температуру её кипения и удельную теплоты парообразования. В результате этих связей в водной среде возникает давление в 15-20 тыс. атмосфер, которое и объясняет причину трудно-сжимаемости воды, так при увеличении атмосферного давления на 1 бар, вода сжимается на 0,00005 доли её начального объёма.
Структуры воды и льда между собой очень похожи. В воде, как и во льду, молекулы стараются расположиться в определённом порядке - образовать структуру, однако тепловое движение этому препятствует. При температуре перехода в твёрдое состояние тепловое движение молекул более не препятствует образованию структуры, и молекулы воды упорядочиваются, в процессе этого объёмы пустот между молекулами увеличиваются, и общая плотность воды падает, что и объясняет причину меньшей плотности воды в фазе льда. При испарении, напротив, рвутся все связи. Разрыв связей требует много энергии, отчего у воды самая большая удельная теплоёмкость среди прочих жидкостей и твёрдых веществ. Для того чтобы нагреть один литр воды на один градус, требуется затратить 4,1868 кДж энергии. Благодаря этому свойству вода нередко используется как теплоноситель. Однако удельная теплоёмкость воды, в отличие от других веществ непостоянна: при нагреве от 0 до 35 градусов Цельсия её удельная теплоёмкость падает, в то время как других веществ она постоянна при изменении температуры. Помимо большой удельной теплоёмкости, вода также имеет большие значения удельной теплоты плавления (0 °C и 333,55 кДж/кг) и парообразования (2250 кДж/кг).
 Вода обладает также высоким поверхностным натяжением среди жидкостей, уступая в этом только ртути. Относительно высокая вязкость воды обусловлена тем, что водородные связи мешают молекулам воды двигаться с разными скоростями.
По сходным причинам вода является хорошим растворителем полярных веществ. Каждая молекула растворяемого вещества окружается молекулами воды, причём положительно заряженные участки молекулы растворяемого вещества притягивают атомы кислорода, а отрицательно заряженные - атомы водорода. Поскольку молекула воды мала по размерам, много молекул воды могут окружить каждую молекулу растворяемого вещества.
Это свойство воды используется живыми существами. В живой клетке и в межклеточном пространстве вступают во взаимодействие растворы различных веществ в воде. Вода необходима для жизни всех без исключения одноклеточных и многоклеточных живых существ на Земле.
 Вода обладает отрицательным электрическим потенциалом поверхности.
Чистая (не содержащая примесей) вода - хороший изолятор. При нормальных условиях вода слабо диссоциирована и концентрация протонов (точнее, ионов гидроксония H3O+) и гидроксильных ионов HO - составляет 0,1 мкмоль/л. Но поскольку вода - хороший растворитель, в ней практически всегда растворены те или иные соли, то есть в воде присутствуют положительные и отрицательные ионы. Благодаря этому вода проводит электричество. По электропроводности воды можно определить её чистоту.
Вода имеет показатель преломления n=1,33 в оптическом диапазоне. Однако она сильно поглощает инфракрасное излучение, и поэтому водяной пар является основным естественным парниковым газом, отвечающим более чем за 60 % парникового эффекта. Благодаря большому дипольному моменту молекул, вода также поглощает микроволновое излучение, на чём основан принцип действия микроволновой печи.
Основная электрическая характеристика любой среды - диэлектрическая проницаемость - в случае воды демонстрирует необычные для жидкости особенности. Во-первых, она очень велика, для статических электрических полей она равна 81, в то время как для большинства других веществ она не превышает значения 10. Если на любое вещество воздействовать переменным электрическим полем, то диэлектрическая проницаемость перестанет быть постоянной величиной, а зависит от частоты приложенного поля, сильно уменьшаясь для высокочастотных полей. Но диэлектрическая проницаемость воды уменьшается не только в переменных во времени полях, но также и в пространственно переменных полях, т.е. вода является нелокально поляризующейся средой.
Большое значение диэлектрической проницаемости объясняется особенностями молекулы H2O. Большая величина статической диэлектрической проницаемости воды ε =81 связана с тем, что вода - сильно полярная жидкость и поэтому обладает мягкой ориентационной степенью свободы (т.е. вращения молекулярных диполей). Каждая молекула воды обладает значительным дипольным моментом. В отсутствие электрического поля диполи ориентированы случайным образом, и суммарное электрическое поле, создаваемое ими, равно нулю. Если воду поместить в электрическое поле, то диполи начнут переориентироваться так, чтобы ослабить приложенное поле.
Такая картина наблюдается и в любой другой полярной жидкости, но вода благодаря большому значению дипольного момента молекул H2O способна очень сильно (в 80 раз) ослабить внешнее поле. Так реагирует вода на внешнее электрическое поле, если приложенное поле постоянно по времени и слабо меняется (или вообще не меняется) в пространстве, заполняемом водой. В переменных электрических полях диэлектрическая проницаемость воды уменьшается с ростом частоты приложенного поля, достигая значения 4-5 для частот больше 1012 Гц. В 1929 г. П. Дебай предложил описывать реакцию воды на внешнее электрическое поле с помощью комплексной диэлектрической проницаемости:
ε(ω) = ε∞ + (εο - ε∞)/(1 + i ω τ)
где ω - частота внешнего электрического поля, i - мнимая единица, τ - характерное время релаксации, ε∞ ≈ 4÷5 - диэлектрическая проницаемость воды при максимально высокой частоте внешнего поля.
Хотя при выводе своей формулы Дебай использовал довольно искусственную модель структуры воды, это выражение хорошо соответствует экспериментальным данным. Как видим, с ростом частоты внешнего поля диэлектрическая проницаемость резко падает. Молекулярное объяснение этого явления довольно просто. Любые индивидуальные движения молекулы H2O сильно ограничены водородными связями. В переменных электрических полях молекулярные диполи стремятся отследить меняющееся поле. При небольших частотах это им удается. Однако по мере увеличения частоты ориентироваться становится все труднее и труднее. В конце концов диполи вообще перестают реагировать на внешнее поле. Диэлектрическая проницаемость теперь определяется лишь быстрым атомно-молекулярным механизмом перераспределения электрического заряда, который присущ всем веществам. Такие механизмы действуют в воде и в случае постоянных полей, но их вклад в общую величину диэлектрической проницаемости невелик, всего 4-5 единиц.
Если температура твердого тела повысилась до точки плавления или если жидкость достигла точки кипения, то наступает переходная фаза, как бы пауза, во время которой две фазы (твердая и жидкая или жидкая и газообразная) существуют одновременно. В течение этого промежутка времени, который продолжается до тех пор, пока твердое тело полностью не превратится в жидкость или жидкость в пар, поглощаемое тепло не вызывает никаких изменений в температуре тела. Это тепло называется скрытой теплотой, и его количество у различных веществ неодинаково. Скрытая теплота плавления, а также испарения, у воды необычайно велика; это обстоятельство имеет огромное значение для температуры поверхности земли. Употребляемое нами слово "скрытая" содержит уже некоторый намек на один физический закон, который необходимо подчеркнуть: тепло, поглощаемое водой, никуда не исчезает. Как известно, одним из основных законов природы является закон сохранения и превращения энергии. В самом общем виде этот закон формулируется так: энергия из одной формы переходит в другою (например, тепловая энергия может превращаться в механическую) не уничтожаясь; в замкнутой системе общее количество энергии остается постоянным. Этот закон подтверждается и приведенным нами случаем. Когда мы говорим, что вода обладает исключительной теплоемкостью, мы попросту констатируем, что вода как вещество может накопить больше тепловой энергии при меньшем движении атомов и молекул (а это как раз то, что измеряется температурой), чем любое другое широко распространенное вещество. Энергия остается на месте, в воде; она высвободится в виде тепла, когда температура окружающей среды понизится; в результате понижение температуры не будет таким резким. Вода, замерзая, отдает то же самое количество тепла, которое она поглощает при таянии льда. Мы знаем, что труднее переносить жаркую, но сырую погоду с температурой около 30°, чем сухую и ясную погоду с еще более высокой температурой. Причина этого двоякая: во-первых, наш пот, испаряясь, охлаждает нас, отнимая тепло с поверхности кожи и из окружающего воздуха, но он не может испаряться в насыщенной водяным паром атмосфере сырого дня; во-вторых, при конденсации водяного пара и превращении его в воду выделяется ровно столько тепла, сколько его было затрачено на испарение.
У воды самая высокая в мире минералов скрытая теплота испарения и скрытая теплота плавления. Чтобы выпарить воду из чайника, тепла потребуется в пять с половиной раз больше, чем для того, чтобы вскипятить его. Если бы не это ее свойство - даже в жару медленно испаряться, многие озера и реки летом пересыхали бы до дна. Для плавления льда нужно затратить большое количество теплоты. Скрытая теплота плавления (количество тепла, необходимое для расплавления 1 г льда при температуре 0°) составляет 79,4 кал. Вот почему весеннее таяние льда происходит медленно и спасает нас от больших половодий (хоть и не всегда).
БензинБензин - продукт переработки нефти, представляющий собой горючее с низкими детонационными характеристиками. Из сырой нефти производится до 50% бензина. Эта величина включает природный бензин, бензин крекинг-процесса, продукты полимеризации, сжиженные нефтяные газы и все продукты, используемые в качестве промышленных моторных топлив.
Бензины предназначены для применения в поршневых двигателях внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры). В зависимости от назначения их разделяют на автомобильные и авиационные.
Несмотря на различия в условиях применения автомобильные и авиационные бензины характеризуются в основном общими показателями качества, определяющими их физико-химические и эксплуатационные свойства.
Современные автомобильные и авиационные бензины должны удовлетворять ряду требований, обеспечивающих экономичную и надежную работу двигателя, и требованиям эксплуатации: иметь хорошую испаряемость, позволяющую получить однородную топливовоздушную смесь оптимального состава при любых температурах; иметь групповой углеводородный состав, обеспечивающий устойчивый, бездетонационный процесс сгорания на всех режимах работы двигателя; не изменять своего состава и свойств при длительном хранении и не оказывать вредного влияния на детали топливной системы, резервуары, резинотехнические изделия и др. В последние годы экологические свойства топлива выдвигаются на первый план.
Бензины - легковоспламеняющиеся бесцветные или слегка желтые (при отсутствии специальных добавок) жидкости, имеющие плотность 700-780 кг/м. Бензины имеют высокую летучесть, и температуру вспышки в пределах 20-40 градусов по Цельсию. Температура кипения бензинов находится в интервале от 30 до 200 C. Температура застывания - ниже минус 60 градусов. При сгорании бензинов образуется вода и углекислый газ. При концентрациях паров в воздухе 70-120 г/м3 образуются взрывчатые смеси.
Автомобильные бензины в силу своих физико-химических характеристик должны обладать следующими свойствами:
- Однородность смеси;
- Плотность топлива - при +20 °С должна составлять 690...750 кг/м2;
- Небольшую вязкость - с ее увеличением затрудняется протекание топлива через жиклеры, что ведет к обеднению смеси. Вязкость в значительной степени зависит от температуры. При изменении температуры от +40 до -40 °С расход бензина через жиклер меняется на 20...30%;
- Испаряемость - способность переходить из жидкого состояния в газообразное. Автомобильные бензины должны обладать такой испаряемостью, чтобы обеспечивались легкий пуск двигателя (особенно зимой), его быстрый прогрев, полное сгорание топлива, а также исключалось образование паровых пробок в топливной системе;
- Давление насыщенных паров - чем выше давление паров при испарении топлива в замкнутом пространстве, тем интенсивнее процесс их конденсации. Стандартом ограничивается верхний предел давления паров летом - до 670 ГПа и зимой - от 670 до 930 ГПа. Бензины с более высоким давлением склонны к образованию паровых пробок, при их использовании снижается наполнение цилиндров и теряется мощность двигателя, увеличиваются потери от испарения при хранении в баках автомобилей и на складах;
- Низкотемпературные свойства - способность бензина выдерживать низкие температуры;
- Сгорание бензина. Под "сгоранием" применительно к автомобильным двигателям понимают быструю реакцию взаимодействия углеводородов топлива с кислородом воздуха с выделением значительного количества тепла. Температура паров при горении достигает 1500...2400 °С.
ДизельРазличают так называемое зимнее и летнее дизельное топливо. Основное отличие в температуре предельной фильтруемости (ASTM D 6371) и температурах помутнения и застывания (ASTM D97, ASTM D2500), указанной в стандартах на это топливо. Производство зимнего топлива обходится дороже, но без предварительного подогрева невозможно использовать летнее топливо при −10 °C, например. Ещё одной проблемой является повышенное содержание воды в дизельном топливе. Вода отслаивается при хранении дизтоплива и собирается внизу, так как плотность дизтоплива меньше 1 кг/л.
Летнее дизельное топливо: Плотность: не более 860 кг/м³. Температура вспышки: 55 °C. Температура застывания: −5 °C. Получается смешением прямогонных, гидроочищенных и вторичного происхождения углеводородных фракций с температурой выкипания 180-360 градусов Цельсия. Рост температуры конца выкипания приводит к усиленному закоксовыванию форсунок и дымности.
Зимнее дизельное топливо: Плотность: не более 840 кг/м³. Температура вспышки: 55 °C. Температура застывания: −35 °C. Получается смешением прямогонных, гидроочищенных и вторичного происхождения углеводородных фракций с температурой выкипания 180-340 °C. Также зимнее дизельное топливо получается из летнего дизельного топлива добавлением депрессорной присадки, которая снижает температуру застывания топлива, однако слабо меняет температуру предельной фильтруемости. Кустарным способом в летнее дизельное топливо добавляют до 20 % керосина ТС-1 или КО, при этом эксплуатационные свойства практически не меняются.
Арктическое дизельное топливо: Плотность: не более 830 кг/м³. Температура вспышки: 25 °C. Температура застывания: −50 °C. Получается смешением прямогонных, гидроочищенных и вторичного происхождения углеводородных фракций с температурой выкипания 180-320 градусов Цельсия. Пределы кипения арктического топлива примерно соответствуют пределам выкипания керосиновых фракций, поэтому данное топливо - по сути утяжеленный керосин. Однако чистый керосин имеет низкое цетановое число 35-40 и недостаточные смазывающие свойства (сильный износ ТНВД).
Для устранения данных проблем в арктическое топливо добавляют цетаноповышающие присадки и минеральное моторное масло для улучшения смазывающих свойств. Более дорогой способ получения арктического дизельного топлива - депарафинизация летнего дизельного топлива.
Заключение
Полярностью по П. А. Ребиндсру, называется «мерой напряженности межмолекулярных сил, действующих в данной фазе». Степень полярности жидкости может определяться ее диэлектрической постоянной, внутренним давлением, поверхностным натяжением на границе с какой-либо постоянной средой и др. С увеличением полярности жидкость ассоциируется в еще большей степени. Неполярные жидкости, как, например, некоторые углеводороды, вовсе неассоциированы; они характеризуются наименьшими диэлектрической постоянной, внутренним давлением, поверхностным натяжением и т. д. Типичной полярной ассоциированной жидкостью считают воду. 
Список литературыАстарита Дж., Марруччи Дж., Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей, пер. с англ., М., 1978.
Елисеев С.Ю. Бинарные жидкие системы. Учебно-методическое пособие. – Мн.: КИИ МЧС РБ, 2004.
Крокстон К. Физика жидкого состояния. М., 1987.
Товарные нефтепродукты, их свойства и применение. Справочник, под ред. Н. Г. Пучкова, М., 1971.
Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975.