Так были получены жидкие газы: хлор, аммиак, углекислота и другие.
Однако не все газы удаётся превратить в жидкость при комнатной температуре. Имеется много газов, которые при обычной температуре не ожижаются, какое бы высокое давление вы ни применили. К таким газам относятся кислород, азот, водород и т. д. Для них было придумано даже специальное название — "постоянные" газы. Так называли их, желая, подчеркнуть невозможность превращения их в жидкость.
В чём же причина загадочного "постоянства" кислорода, азота и других несжижающихся газов?
Правильный ответ на этот вопрос дал великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев. Он рассуждал так: когда сжимается какой-нибудь газ, силы молекулярного сцепления помогают сжатию, стараются ещё сильнее сблизить молекулы друг с другом. Этому сближению, однако, противится тепловое движение (молекул, которое заставляет молекулы рассеиваться во все стороны, вызывает в газе стремление расшириться и занять возможно больший объём.
Дмитрий Иванович Менделеев (родился в 1834 году, умер в 1907 году).
Если силы сцепления велики, они могут преодолеть стремление газа к расширению, удержать молекулы друг около друга и таким образом создать некоторый порядок, характеризующий жидкость.
Но когда силы сцепления невелики, тепловое движение молекул не позволит газу превратиться в жидкость, силы сцепления не смогут преодолеть стремление молекул улететь друг от друга возможно дальше. В этом и заключается причина "постоянства" таких газов, как кислород, азот или водород. Встречаем ли мы здесь непреодолимое препятствие, поставленное природой на пути человека? Отнюдь нет!
Для того чтобы превратить в жидкость "постоянные" газы, необходимо лишь сильно охладить их. При понижении температуры скорость движения молекул уменьшается, стремление их рассеяться в разные стороны падает, и сил сцепления оказывается достаточно для сжижения газа.
Д. И. Менделеев указал, что для всякого газа существует такая температура, выше которой его никаким давлением нельзя превратить в жидкость. Выше этой температуры жидкость существовать не может. Менделеев назвал эту температуру "температурой абсолютного кипения".
В наше время её называют "критический температурой" вещества.
Критические температуры различных веществ сильно отличаются друг от друга. Так, водяной пар нельзя превратить в воду, если он нагрет выше 374 градусов, кислород же нельзя превратить в жидкость, если он не охлаждён до 119 градусов ниже нуля.
Отсюда понятно, почему так долго не могли превратить "постоянные" газы в жидкости. Температуры этих газов были выше их критических температур. Когда одновременно со сжатием начали сильно охлаждать газы — до температур ниже критической, то все известные газы были превращены в жидкость, и само название "постоянные газы" потеряло смысл.
В наше время даже в школе вы можете часто видеть голубую подвижную жидкость, налитую в небольшой сосуд с двойными стенками, посеребрёнными изнутри. Это — жидкий воздух. Самый обыкновенный воздух, который окружает нас и которым мы дышим, превращён в жидкость.
Рис. 14. Для того, чтобы сжать воду в стакане только на 4 процента, на неё нужно давить с силою в несколько десятков тонн.
Жидкий воздух и жидкий кислород имеют огромное значение для промышленности. Так, применение кислородного дутья увеличивает производительность доменных печей больше чем в два раза. Велико значение кислорода при газификации топлива, в частности, при подземной газификации углей. Кислород необходим для повышения производительности сернокислотных заводов, для получения крепкой азотной кислоты и т. д.
Большое значение для народного хозяйства имеет ожижение и других газов, например аммиака, хлора, углекислоты.
Если газ достаточно охлаждён, то нет необходимости применять для его ожижения особенно сильное давление. Так, при критических температурах водород становится жидким уже при 12,8 атмосферы, кислород — при 50,8 атмосферы.
Чем больше охлаждён газ, тем меньшее давление требуется для ожижения его. Вспомните, как легко превращается пар в воду на холодных предметах, внесённых в комнату, или на стёклах окна в зимнее время. Незначительное понижение температуры воздуха летней ночью вызывает уже появление росы.
Ожижение газа является ярким доказательством наличия сил молекулярного сцепления. Но если эти силы действительно существуют, то возникает вопрос: почему молекулы газа при столкновении не прилипают одна к другой, а разлетаются после удара в разные стороны?
Чтобы объяснить это, мы должны признать, что наряду с силами притяжения между молекулами существуют и силы отталкивания. Но проявляют себя эти силы только тогда, когда молекулы сильно сближены.
В жидкости молекулы находятся значительно ближе друг к другу, чем в газе. Сблизить их ещё больше очень трудно — силы отталкивания противодействуют этому сближению. Поэтому жидкости очень мало сжимаются, и можно считать, что практически они вовсе не могут быть сжаты. Чтобы уменьшить объём воды путём сжатия всего на 4 процента, надо подвергнуть её давлению приблизительно в тысячу атмосфер (рис. 14).
9. Три состояния вещества
Мы часто видим, как струи водяного пара вырываются из отверстия в крышке чайника, если в нём кипит вода. В жаркий летний день мы с удовольствием пьём холодную чистую жидкость — родниковую, колодезную или водопроводную воду. Зимние морозы сковывают реки и озёра толстой коркой твёрдой воды — льдом. Так, одно и то же вещество, в зависимости от условий, может быть твёрдым, жидким или газообразным.
Сами молекулы при таких превращениях обычно не изменяются. Пар можно превратить в жидкую воду, а затем в лёд; лед перевести снова в воду и пар. При этих переходах изменяются только расстояния между молекулами и силы взаимодействия их друг с другом.
Возьмём какое-нибудь твёрдое при обычной температуре тело. Оно имеет определённые объём и форму. Молекулы его только колеблются, не покидая при этом предназначенных им мест. Колебания молекул так малы по своей величине, что не вызывают сколь-либо заметных изменений в размерах и форме всего тела. Если мы начнём нагревать его, то вначале из миллионов молекул, составляющих тело, только немногие приобретут такую скорость, что силы сцепления их не удержат, и они покинут своё место. Постепенно, с нагреванием, количество таких молекул возрастёт. При некоторой температуре порядок, характеризующий расположение молекул в твёрдом теле, будет существенно нарушен. Тело при этом потеряет свою форму и потечёт. Это явление мы называем плавлением.
Если отдельные молекулы жидкости в результате столкновений приобретут значительные скорости, то силы сцепления не смогут уже удерживать их. Когда эти быстрые молекулы окажутся в верхних слоях жидкости, они могут оторваться от поверхности и уйти в граничащий с жидкостью воздух или другой газ. Это — испарение жидкости.
Чем ниже температура жидкости, тем меньше в ней молекул с повышенной скоростью и, следовательно, тем медленнее происходит испарение. При нагревании жидкости средняя скорость движения молекул возрастает, число быстрых молекул увеличивается и большее число их покидает поверхность жидкости. Жидкость испаряется быстрее.
Выйдя из жидкости, молекулы так далеко расходятся друг от друга, что силы молекулярного взаимодействия между ними становятся ничтожно малыми. Это означает, что жидкость превратилась в пар или газ.
Всякий газ можно охлаждением превратить сначала в жидкость, а затем в твёрдое тело. И обратно, любое твёрдое тело можно расплавить, а полученную жидкость, нагревая, довести до кипения и превратить в пар. При превращении жидкости в твёрдое тело следует иметь в виду, что с понижением температуры жидкость как бы "густеет" или, как говорят, становится более вязкой. С возрастанием вязкости перемещения молекул внутри жидкости затрудняются — молекулам труднее занять правильные положения и образовать кристалл.
В некоторых случаях возрастание вязкости может привести к тому, что тело сделается твёрдым без правильного расположения частиц. Именно таким образом образуются аморфные твёрдые тела, о существовании которых мы уже говорили. Поэтому можно считать аморфные тела скорее чрезвычайно вязкими жидкостями, потерявшими способность течь, нежели истинными твёрдыми телами.
Переход при нагревании твёрдого тела в жидкость и жидкости в газ — самое обычное явление. Но ошибочно думать, что нельзя получить газ прямо из твёрдого тела, минуя жидкость. Всем известны белые кристаллы нафталина, которыми обычно пересыпают шерстяные вещи для предохранения от моли. Нафталин имеет очень резкий запах. Почему? Отдельные молекулы нафталина вырываются с поверхности кристаллов и разносятся по воздуху, образуя, так сказать, "нафталинный газ". Значит, и твёрдые тела тоже могут испаряться. В последнее время для сохранения скоропортящихся продуктов часто применяется в качестве охлаждающего вещества твёрдая углекислота. Это — белая масса, напоминающая снежные комья. Температура твёрдой углекислоты около 78 градусов холода. Отнимая тепло от предметов, которые требуется охладить, она сама нагревается и сразу превращается в бесцветный газ, не образуя ни одной капли жидкости. Поэтому твёрдую углекислоту называют "сухим льдом".
Итак, одно и то же тело, в зависимости от обстоятельств, может быть твёрдым, жидким или газообразным. Каким именно является тело, зависит от того, как движутся и как взаимодействуют его молекулы.
Если каждой молекуле предоставлено много места и силы сцепления малы, то молекулы движутся, почти не оказывая друг на друга никакого действия. Отталкиваясь друг от друга, они стремятся разлететься во все стороны. В этом случае мы имеем дело с газом.
Уменьшая объём, занимаемый газом, можно настолько увеличить силы сцепления, что молекулы уже не смогут после ударов разлетаться свободно в разные стороны. Они будут двигаться, оставаясь поблизости друг от друга. Газ превратится в жидкость.