Газообразное состояние вещества

Полимеры бывают естественного (растительные и животные ткани) и искусственного (пластмассы, целлюлоза, стекловолокно и др.) происхождения.

Так же, как и в случае обычных молекул, система макромоле­кул. образующих полимер, стремится к наиболее вероятному состоянию - устойчивому равновесию, соответствующему ми­нимуму свободной энергии. Следовательно, в принципе поли­меры также должны иметь структуру в виде кристаллической решетки. Однако ввиду громоздкости и сложности макромолекул лишь в немногих случаях удалось получить совершенные макро- молекулярные кристаллы. В большинстве случаев полимеры сос­тоят из кристаллических и аморфных областей.

Жидкое состояние характерно тем, что потенциальная энергия притяжения молекул несколько превосходит по абсолютному значению их кинетическую энергию. Силы притяжения между молекулами в жидкости обеспечивает удержание молекул в объе­ме жидкости. Вместе с тем молекулы в жидкости не связаны меж­ду собой стационарными устойчивыми связями, как в кристаллах. Они плотно заполняют занимаемое жидкостью пространство, поэтому жидкости практически несжимаемы и обладают достаточно высокой плотностью. Группы молекул могут изменять свое взаимное положение, что обеспечивает текучесть жидкостей. Свойство жидкости сопротивляться течению называется вяз­костью. Жидкостям свойственна диффузия и броуновское движе­ние, однако в значительно меньшей степени, чем газам.

Объем, занимаемый жидкостью, ограничен поверхностью. Так как при заданном объеме минимальной поверхностью обладает шар, то жидкость в свободном состоянии (например, в невесо­мости) принимает форму шара.

Жидкости обладают некоторой структурой, которая, однако, выражена гораздо слабее, чем у твердых тел. Важнейшим свой­ством жидкостей является изотропия свойств. Простая идеальная модель жидкости пока не создана.

Существует промежуточное состояние между жидкостями и кристаллами, которое называется жидкокристаллическим. Особен­ностью жидких кристаллов с молекулярной точки зрения является вытянутая, веретенообразная форма их молекул, что приводит к анизотропии их свойств.

Выделяют два типа жидких кристаллов - нематики и смекти­ки. Смектики характерны наличием параллельных слоев молекул, отличающихся друг от друга упорядоченностью структуры. У нематиков упорядоченность обеспечивается ориентацией моле­кул. Анизотропия свойств жидких кристаллов обусловливает их важные оптические свойства. Жидкие кристаллы могут, напри­мер, быть прозрачными в одном направлении и непрозрачными в другом. Важно, что ориентацией молекул жидких кристаллов и их слоев легко можно управлять с помощью внешних воздействий (например, температуры, электрических и магнитных полей).

Газообразное состояние вещества возникает в том случае, когда

кинетическая энергия теплового движения молекул превосходит потенциальную энергию их связи. Молекулы при этом стремятся удалиться друг от друга. Газ не имеет структуры, занимает весь предоставленный ему объем, легко сжимаем; в газах легко проис­ходит диффузия.

Свойства веществ, находящихся в газообразном состоянии, объясняет кинетическая газовая теория. Основные ее постулаты состоят в следующем:

Все газы состоят из молекул;

Размеры молекул пренебрежимо малы по сравнению с рас­стояниями между ними;

Молекулы постоянно находятся в состоянии хаотического (броуновского) движения;

Между столкновениями молекулы сохраняют постоянную скорость движения; траектории между столкновениями - отрезки прямых линий;

Столкновение между молекулами и молекул со стенками сосуда являются идеально упругими, т.е. полная кинетическая энергия соударяющихся молекул остается неизменной.

Рассмотрим упрощенную модель газа, подчиняющегося приве­денным постулатам. Такой газ называется идеальным газом. Пусть идеальный газ в количестве N одинаковых молекул, каждая из которых имеет массу m , находится в сосуде кубической формы с длиной ребра l (рис. 5.14). Молекулы движутся хаотически; средняя скорость их движения <v >. Для упрощения разобьем все молекулы на три равные группы и предположим, что они движут­ся только в направлениях, перпендикулярных двум противопо­ложным стенкам сосуда (рис. 5.15).

Рис. 5.14.

Каждая из молекул газа, движущаяся со скоростью <v > при абсолютно упругом соударении со стенкой сосуда, изменит нап­равление движения на обратное, не изменив скорость. Импульс молекулы <р > = m <v > становится равным при этом - m <v >. Изменение импульса в каждом столкновении, очевидно, равно . Сила, действующая во время этого столкновения, равна F = -2m <v >/Δt . Полное изменение импульса при столкновении со стенками всех N /3молекул равно . Определим интервал времени Δt , в течение которого произойдут все N/3 столкновения: Д t = 2//< v >. Тогда среднее значение силы, действующей на любую стенку,

Давление р газа на стенку определим как отношение силы <F > к площади стенки l 2:

где V = l 3 – объем сосуда.

Таким образом, давление газа обратно пропорционально его объему (напомним, что эмпирически этот закон установили Бойль и Мариотт).

Перепишем выражение (5.4) в виде

Здесь - средняя кинетическая энергия молекул газа. она пропорциональна абсолютной температуре Т :

где k – постоянная Больцмана.

Подставив (5.6) в (5.5), получим

Удобно перейти от числа молекул N к числу молей n газа, напомним, что (N А – число Авогадро), и тогда

где R = kN A - - универсальная газовая постоянная.

Выражение (5.8) есть уравнение состояния классического идеального газа для п молей. Данное уравнение, записанное для произвольной массы m газа

где М - молярная масса газа, называется уравнением Клапей­рона-Менделеева (см. (5.3)).

Реальные газы подчиняются этому уравнению в ограниченных пределах. Дело в том, что уравнения (5.8) и (5.9) не учитывают межмолекулярное взаимодействие в реальных газах - силы Ван- дер-Ваальса.

Фазовые переходы . Вещество, в зависимости от условий, в ко­торых оно находится, может изменять агрегатное состояние, или, как говорят, переходить из одной фазы в другую. Такой переход называется фазовым переходом.

Как указывалось выше, важнейшим фактором, определяющим состояние вещества, является его температура Т , характеризу­ющая среднюю кинетическую энергию теплового движения моле­кул и давление р . Поэтому, состояния вещества и фазовые пере­ходы анализируют по диаграмме состояний, где по осям отклады­ваются значения Т и р , а каждая точка на координатной плоскос­ти определяет соответствующее этим параметрам состояние дан­ного вещества. Проанали­зируем типичную диаграм­му (рис. 5.16). Кривые ОА , АВ, АК разделяют состоя­ния вещества. При доста­точно низких температурах практически все вещества находятся в твердом кристаллическом состоянии.

На диаграмме выделены две характерные точки: А и К . Точка А называется тройной точкой; при соот­ветствующих температуре (Т т) и давлении (Р т) в ней находится в равновесии одновременно газ, жидкость и твердое тело.

Точка К обозначает критическое состояние. В этой точке (при Т кр и Р кр) исчезает разница между жидкостью и газом, т.е. пос­ледние имеют одинаковые физические свойства.

Кривая ОА является кривой сублимации (возгонки); при соответствующих давлении и температуре осуществляется переход газ - твердое тело (твердое тело - газ), минуя жидкое состояние.

При давлении Р т < Р < Р кр переход из газообразного в твердое состояние (и наоборот) может осуществляться только через жид­кую фазу.

Кривая АК соответствует испарению (конденсации). При соответствующих давлении и температуре осуществляется переход «жидкость – газ» (и обратно).

Кривая АВ является кривой перехода «жидкость - твердое тело» (плавления и кристаллизации). Данная кривая не имеет конца, так как всегда жидкое состояние отличается от крис­таллического по структуре.

Приведем для иллюстрации форму поверхностей состояний вещества в переменных р, V, Т (рис. 5.17), где V - объем вещества

Буквами Г, Ж, Т обозначены участки поверхностей, точки которых, соответствуют газообразному, жидкому или твердому состояниям, а участки поверхностей Т-Г, Ж-Т, Т-Ж - двухфаз­ным состояниям. Очевидно, если спроецировать линии раздела между фазами на координатную плоскость РТ, получим фазовую диаграмму (см. рис. 5.16).

Квантовая жидкость - гелий . При обычных температурах в макроскопических телах из-за выраженного хаотического тепло­вого движения квантовые эффекты неощутимы. Однако с умень­шением температуры эти эффекты могут выходить на первый план и проявляются макроскопически. Так, например, кристаллы характерны наличием тепловых колебаний ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки. С уменьшением температуры амплитуда колебаний уменьшается, однако даже при приближе­нии к абсолютному нулю колебания, вопреки классическим представлениям, не прекращаются.

Объяснение этого эффекта следует из соотношения неопреде­ленностей. Уменьшение амплитуды колебаний означает умень­шение области локализации частицы, т. е. неопределенности ее координат. В соответствии с соотношением неопределенностей это приводит к увеличению неопределенности импульса. Таким образом, «остановка» частицы запрещена законами квантовой механики.

Этот сугубо квантовый эффект проявляется в существовании вещества, остающегося в жидком состоянии даже при температу­рах, близких к абсолютному нулю. Такой «квантовой» жидкостью является гелий. Энергии нулевых колебаний оказывается доста­точно, чтобы разрушить кристаллическую решетку. Однако при давлении порядка 2,5 МПа жидкий гелий все-таки кристал­лизуется.

Плазма. Сообщение атомам (молекулам) газа извне значитель­ной энергии приводит к ионизации, т. е. распаду атомов на ионы и на свободные электроны. Такое состояние вещества называется плазмой.

Ионизация возникает, например, при сильном нагреве газа, что приводит к значительному увеличению кинетической энергии атомов, при электрическом разряде в газе (ударная ионизация заряженными частицами), при воздействии на газ электромагнит­ного излучения (автоионизация). Плазма, получаемая при сверх­высоких температурах, называется высокотемпературной.

Поскольку ионы и электроны в плазме несут некомпенсированные электрические заряды, их взаимное влияние существенно. Между заряженными частицами плазмы существует не парное (как в газе), а коллективное взаимодействие. Благодаря этому плазма ведет себя как своеобразная упругая среда, в которой легко возбуждаются и распространяются различные колебания и волны

Плазма активно взаимодействует с электрическими и магнит­ными полями. Плазма - наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной. Звезды состоят из высокотемпературной плазмы, холодные туманности - из низкотемпературной. Слабо ионизированная низкотемпературная плазма имеется в ионосфере Земли.

Литература к главе 5

1. Ахиезер А. И., Рекало Я. П. Элементарные частицы. - М.: Наука, 1986.

2. Азшлов А. Мир углерода. - М.: Химия, 1978.

3. Бронштейн М. П. Атомы и электроны. - М.: Наука, 1980.

4. Бениловский В. Д. Эти удивительные жидкие кристаллы. - М: Просвещение, 1987.

5. Власов Н. А. Антивещество. - М.: Атомиздат, 1966.

6. Кристи Р., Питти А. Строение вещества: введение в совре­менную физику. - М.: Наука, 1969.

7. Крейчи В. Мир глазами современной физики. - М.: Мкр, 1984.

8. Намбу Е. Кварки. - М.: Мир, 1984.

9. Окунь Л. Б. α, β, γ, …,: элементарное введение в физику элементарных частиц. - М.: Наука, 1985.

10. Петров Ю. И. Физика малых частиц. - М.: Наука, 1982.

11. И, Пурмалъ А. П. и др. Как превращаются вещества. - М.: Наука, 1984.

12. Розенталь И. М. Элементарные частицы и структура все­ленной. - М.: Наука, 1984.

13. Смородинский Я. А. Элементарные частицы. - М.: Знание, 1968.

Газообразные вещества.

Лекция №12

Тема: «Средства, действующие на центральную нервную систему».

1. Средства для наркоза.

2. Этиловый спирт.

3. Снотворные средства

4. Противоэпилептические средства.

5. Противопаркинсонические средства

6. Анальгетики.

Средства, влияющие на ЦНС

Средства для наркоза.

Относятся вещества, вызывающие хирургический наркоз. Наркоз – обратимое угнетение функций ЦНС, которое сопровождается потерей сознания, утратой чувствительности, снижением рефлекторной возбудимости и мышечного тонуса.

Средства для наркоза угнетают передачу нервных импульсов в синапсах ЦНС. Синапсы ЦНС обладают неодинаковой чувствительностью к наркотическим веществам. Этим объясняется наличие стадий в действии средств для наркоза.

Стадии наркоза:

1. стадия анальгезии (оглушения)

2. стадия возбуждения

3. стадия хирургического наркоза

1-й уровень – поверхностный наркоз

2-й уровень легкий наркоз

3-й уровень глубокий наркоз

4-й уровень сверхглубокий наркоз

4. стадия пробуждения или агональная.

В зависимости от путей введения различают: ингаляционные и неингаляционные наркотические средства.

Ингаляционные наркотические вещества.

Вводят через дыхательные пути.

К ним относятся:

1. Летучие жидкости – эфир для наркоза, фторотан (галотан), хлорэтил, энфлуран, изофлуран, севофлуран.

2. газообразные вещества – закись азота, циклопропан, этилен.

Это легкоуправляемый наркоз.

Летучие жидкости.

Эфир для наркоза – бесцветная, прозрачная, летучая жидкость, взрывоопасная. Высокоактивная. Раздражает слизистую верхних дыхательных путей, угнетает дыхание.

Стадии наркоза.

1 стадия – оглушения (анальгезии). Угнетаются синапсы ретикулярной формации. Главный признак – спутанность сознания, снижение болевой чувствительности, нарушение условных рефлексов, безусловные сохранены, дыхание, пульс, АД почти не изменены. На этой стадии можно проводить кратковременные операции (вскрытие абсцесса, флегмоны и т.д.).

2 стадия – возбуждение. Угнетаются синапсы коры головного мозга. Включаются тормозные влияния коры на подкорковые центры, преобладают процессы возбуждения (растормаживается подкорка). «Бунт подкорки».Сознание утрачено, двигательное и речевое возбуждение (поют, ругаются), повышается мышечный тонус (больных привязывают).Усиливаются безусловные рефлексы – кашель, рвота. Дыхание и пульс учащены, АД повышено.

Осложнения: рефлекторная остановка дыхания, вторичная остановка дыхания: спазм голосовой щели, западение языка, аспирация рвотными массами. Эта стадия у эфира очень выражена. Оперировать на этой стадии нельзя.

3 стадия – хирургического наркоза. Угнетение синапсов спинного мозга. Угнетаются безусловные рефлексы, снижается мышечный тонус.

Операцию начинают на 2 уровне, а проводят на 3 уровне. Зрачки будут слегка расширены, почти не реагируют на свет, тонус скелетных мышц резко снижен, АД снижается, пульс чаще, дыхание меньше, редкое и глубокое.

При неправильной дозировке наркотического вещества может наступить передозирование. И тогда развивается 4 уровень сверхглубокий наркоз. Угнетаются синапсы центров продолговатого мозга – дыхательного и сосудодвигательного. Зрачки широкие на свет не реагирует, дыхание поверхностное, пульс частый, АД низкое.

При остановке дыхания сердце может еще работать некоторое время. Начинается реанимация, т.к. наблюдается резкое угнетение дыхания и кровообращения. Поэтому наркоз надо поддерживать на 3 стадии 3 уровня, не доводить до 4 уровня. В противном случае развивается агональная стадия. При правильной дозировке наркотических веществ и прекращения их введения развивается 4 стадия – пробуждения. Восстановление функций идет в обратном порядке.

При эфирном наркозе пробуждение наступает через 20-40 мин. Пробуждение сменяется длительным посленаркозным сном.

Во время наркоза у больного снижается температура тела, угнетается обмен веществ. Снижается выработка тепла. После эфирного наркоза могут возникнуть осложнения: пневмония, бронхит (эфир, раздражает дыхательные пути), перерождение паренхиматозных органов (печень, почки), рефлекторная остановка дыхания, сердечные аритмии, поражение проводящей системы сердца.

Фторотан – (галотан) – бесцветная, прозрачная, летучая жидкость. Негорючая. Сильнее эфира. Слизистые не раздражает. Стадия возбуждения короче, пробуждение быстрее, сон короче. Побочное действие – расширяет сосуды, снижает АД, вызывает брадикардию (для ее предупреждения вводят атропин).

Хлорэтил – сильнее эфира, вызывает легко управляемый наркоз. Быстро наступает и быстро проходит. Недостаток – малая широта наркотического действия. Оказывает токсическое действие на сердце и печень. Используют для рауш-наркоза (непродолжительный наркоз при вскрытии флегмон, абсцессов). Широко используют для местной анестезии, наносят на кожу. Кипит при температуре тела. Охлаждает ткани, снижает болевую чувствительность. Применяют для поверхностного обезболивания при хирургических операциях, при миозитах, невралгии, растяжении связок, мышц. Нельзя переохлаждать ткани, т.к. может быть некроз.

Газообразные вещества.

Закись азота – веселящий газ.

Выпускается в баллонах под давлением. Применяют в смеси с О 2 . Слабое наркотическое вещество. Комбинируют с другими наркотическими веществами – эфиром, веществами для внутривенного наркоза.

Наркоз наступает быстро, без стадии возбуждения. Быстро пробуждается. Наркоз поверхностный. Побочных эффектов нет. Применяют при травмах, инфаркте миокарда, транспортировке больных, хирургических вмешательствах.

Циклопропан – газ. В 6 раз сильнее закиси азота. Активен. Наркоз легко управляем.

Стадия возбуждение короткая, слабо выражена. Пробуждение сразу. Последствий почти нет. Осложнения – сердечные аритмии. Взрывоопасен.

К опасным грузам класса 2 относятся чистые газы, смеси газов, смеси одного или нескольких газов с одним или несколькими другими веществами, а также изделия, содержащие такие вещества. Вещества и изделия класса 2 подразделяются на сжатый газ; сжиженный газ; охлажденный сжиженный газ; растворенный газ; аэрозольные распылители и малые емкости, содержащие газ (газовые баллончики); другие изделия, содержащие газ под давлением; газы не под давлением, подпадающие под действие специальных требований (образцы газов). Перевозка опасных грузов класса 2 сопряжена с риском взрыва, пожара, удушения, обморожения или отравления.

Воздух - естественная смесь газов, состоящая по объему из 78% азота, 21% кислорода, 0,93% аргона, 0,3% диоксида углерода и очень небольшого количества благородных газов, водорода, озона, оксида углерода, аммиака, метана, сернистого газа и других. Плотность жидкого воздуха 0,96 г/куб. см (при -192°C и нормальном давлении). Воздух необходим для протекания множества процессов: горения топлива, выплавки металлов из руд, промышленного получения различных химических соединений. Воздух также используется для получения кислорода, азота и благородных газов; в качестве хладагента, тепло- и звукоизоляционного материала, рабочего тела в электроизоляционных устройствах, пневматических шинах, струйных и распылительных аппаратах, пневматических машинах и т.п.

Кислород - химический элемент, обладающий ярко выраженными окислительными свойствами. В основном, кислород применяется в медицине. Помимо медицины кислород используется в металлургии и других отраслях, а жидкий кислород служит окислителем ракетного топлива.

Пропан – бесцветный горючий взрывоопасный газ без запаха, содержащийся в природных и попутных нефтяных газах, в газах, получаемых из CO и H2, а также при переработке нефти. Пропан отрицательно влияет на ЦНС, при попадании на кожу жидкого пропана возможно обморожение.

Азот - бесцветный газ, без вкуса и запаха. Азот применяют во многих отраслях промышленности: как инертную среду при различных химических и металлургических процессах, для заполнения свободного пространства в ртутных термометрах, при перекачке горючих жидкостей и т. д. Жидкий азот используется в различных холодильных установках. Азот используется для промышленного производства аммиака, который затем перерабатывается на азотную кислоту, удобрения, взрывчатые вещества и т. д.

Хлор - ядовитый газ желто-зеленого цвета. Основные количества хлора перерабатываются на месте его производства в хлорсодержащие соединения. Также хлор используется для отбелки целлюлозы и тканей, для санитарных нужд и хлорирвания воды, а также для хлорирования некоторых руд с целью извлечения титана, ниобия, циркония и др. Отравления хлором возможны в химической, целлюлозно-бумажной, текстильной, фармацевтической промышленности и т.д. Хлор раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей, зачастую, к первичным воспалительным изменениям присоединяется вторичная инфекция. Концентрация хлора в воздухе 500 мг/куб. м. при пятнадцатиминутном воздействии смертельна. В целях профилактики отравлений необходимы: герметизация производственного оборудования, эффективная вентиляция, при необходимости использование противогаза.

Аммиак - бесцветный газ с резким характерным запахом. Аммиак используется для производства азотных удобрений, взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды и других продуктов химической промышленности. Жидкий аммиак используют в качестве растворителя. В холодильной технике аммиак используется в качестве хладагента (717). Также широкое применение 10% раствор аммиака (нашатырный спирт) получил в медицине. По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Аммиак обладает как местным, так и резорбтивным действием. Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы, вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюнктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи. При соприкосновении сжиженного аммиака и его растворов с кожей возникает жжение, возможен химический ожог с пузырями, изъязвлениями. Кроме того, сжиженный аммиак при испарении поглощает тепло, и при соприкосновении с кожей возникает обморожение различной степени.