АГГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ
Спасибо нашим инвесторам из казино онлайн
АГГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ
, газообразное, жидкое и твердое состояние вещества. Эти три вида состояния вещества различали с древнейших времен: символом первого являлся огонь, второго—вода, а третьего—земля. В настоящее время различие между двумя последними состояниями— жидким и твердым, следует считать более глубоким, чем одно только различие по внешнему виду: существуют твердые тела, к-рые по своему строению более похожи на жидкости, только с громадным внутренним трением (напр., смола, вар и др.). С другой стороны, нек-рые жидкости обнаруживают внутреннее строение, типичное для твердого тела (жидкие кристаллы). Только газы в нормальном состоянии обнаруживают характерные свойства, резко отличающие их от твердых и от жидких тел. Одним из таких свойств является стремление газа занять, по возможности, больший объем: молекулы газа отталкиваются одна от другой, движутся свободно по всевозможным направлениям, и давление, возникшее в одном месте в газовой среде, немедленно передается от точки к точке; в результате давление всюду уравнивается. Объем, который занимает данная масса газа, и давление, которое она произво-. дит на стенки сосуда, связаны между собою законом Бойля-Мариотта: произведение объема на давление равно постоянной величине (если t° не меняется). При изменении t° газ может себя вести двояко: если ему предоставлена свобода, он будет расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении, при чем, при изменении t° на один градус по Цельсию (или по абсолютной шкале), объем изменится на
У27Я
от той величины, к-рую он имел при 0 Цельсия. Это вытекает из законов Гей-Люссака и Дальтона. При t° —273° объем идеального газа должен был бы, следовательно, превратиться в нуль. Темп, эта носит название абсолютного нуля (см.
Абсолютная температура).
Если газ заключен в такой сосуд, где он не может изменять своего объема, то, при изменении t°, будет изменяться давление газа: возрастать при нагревании и убывать при охлаждении. Согласно закону Гей-Люссака, давление так-. же изменяется на х/я» ПРИ изменении t° на 1°. Соединяя упомянутые соотношения в одно, пишут уравнение состояния газа в виде:
p. v=R. T,
где
р
—давление,
v
—объем,
Т
—абсолютная темп.,
R
— константа, одинаковая для всех газов, приближающихся по свойствам к идеальному. От последнего газы начинают отличаться тогда, когда их молекулы оказываются слишком сближенными между собой (при понижении t° или увеличении давления далее известного предела). В таких случаях начинают сказываться междучастичные силы, да и размеры молекул делаются соизмеримыми с расстояниями между ними. Уравнение состояния здесь превращается в форму Ван-дер-Вааль – са: (р+
~
J
(v—ь\ —ВТ,
где а и
Ъ
—новые постоянные, различные для разных газов. ‘ При нек-рой t°, называемой критической, и ниже ее—всякий газ может быть превращен в жидкость, при достаточном повышении давления.—В жидкости молекулы могут свободно двигаться по различным направлениям, но не имеют уже тенденции заполнять весь объем сосуда: жидкость занимает в нем совершенно определенный объем, резко ограниченный поверхностью уровня. Характерными для жидкости состояниями являются силы, действующие на поверхностные частицы—силы поверхностного натяжения (или, как их иногда называют, силы капиллярные).—Особенно резко проявляются молекулярные силы в твердых телах: в типичном твердом теле, кристалле, под действием их отдельные атомы располагаются в правильную кристаллическую решетку, форма к-рой в наст, время изучается при помощи рентгеновских лучей. в. Шулейкин. Аггрегатное состояние в биологин. Вопрос об А. с. веществ, входящих в состав живого организма или клетки, составляет одну из основных проблем биологии. С одной стороны, определенная, б. или м. сложная форма («морфа», откуда название «морфология»—учение о форме) является самым существенным признаком живого организма и каждой клетки, по крайней мере каждого ядра, и эластичность, т. е. сопротивление изменению формы—главный отличительный признак твердого тела— присуща каждой живой клетке. С другой стороны, биохимики склонны признать, что все основные процессы жизненного обмена происходят в жидкой среде, распространяя на биохимию устарелое утверждение: «Corpora поп agunt nisi soluta». С 60-х гг. XIX в. устанавливается понятие о «протоплазме» как об основном живом «веществе», к-рому позднейшие биологи приписывают определенное жидкое А. с. Но, чтобы построить понятие первичного живого вещества, пришлось выкл
ючить из него такие важные органы клетки, как оболочка, ядро, разнообразные волокна и др. «Живого вещества» быть не может, т. к. на организмы и клетку не распространяется основной признак вещества—-делимость: часть клетки не обладает теми же свойствами, как вся клетка. Клетка есть механизм, состоящий из различных частей и веществ, одни из к-рых могут быть в жидком, а другие—в твердом А. с. Большинство веществ, входящих в состав клетки, и в первую очередь белки, известны только в коллоидальном состоянии и встречаются в виде или солов или желов. Гидросолы—-коллоидальные растворы—имеют все свойства жидкостей большей или меньшей вязкости. Отличие их от настоящих растворов кристаллоидов заключается в том, что коллоидальные частицы, свободно движущиеся в растворителе (дисперсионной среде), являются не молекулами, а аггрегатами молекул— мельчайшими твердыми кристалликами. определенной формы, окруженными водной оболочкой. Амбронн (N. Ambronn, 1919 г.), Шмидт (N. I.Schmidt, 1924 г.), Штейнбринк (С. Steinbrink, 1925 г.) и др. для обозначения этих частиц восстанавливают старый термин К. Негели (С. Naegeli, 1858 г.) — «мицелли». В противоположность гидросо-лам, гидрожелы обладают всеми свойствами твердого А. с. Они обладают ясно выраженной эластичностью, в некоторых случаях почти не уступающей эластичности железа, и обнаруживают обычно характерные для твердого А. состояния оптические явления: в поляризованном свете они анизотропны, в Рентгеновских лучах дают характерные для кристаллических структур спектры. Эбнер (v. Ebner—1882 г., 1906 г.) пытался объяснить анизотропию гидрожелов упорядоченным расположением аморфных частиц в результате одностороннего натяжения; но Амбронн путем ряда опытов с растительными, животными и искусственными фи-бриллями доказал, что анизотропия в этих случаях слагается из двух различных компонентов: 1) анизотропии, зависящей от натяжения, благодаря к-рому мицелли слагаются в определенные ряды, и 2) анизотропии, зависящей от кристаллического строения самих мицеллей.—Основным свойством большинства органических гидрожелов является их «разбухаемость», способность в связи с изменением активной реакции пропитываться водою, в результате чего ги-дрожел может превратиться в гидросол. Ми-целлярная теория полагает, что при этом промежутки между мицеллями заполняются водой и увеличиваются, притяжение между мицеллями ослабевает и они могут беспорядочно рассыпаться в дисперсионной среде. Повидимому, во многих случаях и самые мицелли набухают, при чем увеличивается объем связанной их кристаллической основой воды и их специфическая форма превращается в шарообразную форму жидкой капли; вероятно, именно этим набуханием объясняется то обстоятельство, что до сих пор еще не удалось получить точечных или линейных Рентгеновских диффракционных решеток для белковых растворов и белковых кристаллов, хотя Шегвари (Szegvari, 1920—1924 гг.) и утверждает, что такие решетки для очень хорошо очищенных белков им получены. В клетке и связанных с нею образованиях (оболочках, кутикулах, возникающих в связи с деятельностью клетки промежуточных веществах—лимфе, волокнах, хряще, кости и пр.) имеются все переходы от гидросолов со слабой вязкостью через гидросолы с повышенной вязкостью и гидрожелы со слабой эластичностью к высоко эластичным гидрожелам. Цитоплазма клеточного тела, ядерный сок, точно также, как лимфа и плазма крови, являются гидросолами и обнаруживают все признаки жидкого А. с. Внутри цитоплазмы не замечается эластического сопротивления образованию шарообразных вакуолей, и отделенные от клетки куски цитоплазмы принимают обычно шарообразную форму жидких капель. Под влиянием изменения внутреннего тургора клетки принимают шарообразную форму; так, при повышении осмотического давления в окружающем растворе, цитоплазма растительных клеток отслаивается от оболочки и принимает вид капли, а многие животные клетки, не имеющие твердой оболочки, наоборот, раздуваются
Р3^
^}
с
И1
Hi’
Ik.
,M
ш$
а
Ь
Рпс. 1.
а
—нормальная растительная клетка,
Ь
— отслоение цитоплазмы от оболочкп. в шары при понижении осмотического давления извне (явление плазмолиза, см. рисунок 1, 2 и 3). Сократимые нити (мионемы) у инфузорий и в гладких мышечных клетках при определенных физ.-химич. воздействиях распадаются на капли (см. рисунок 7). Цитоплазма ресничек также может стекать с твердых волокон в виде капель (см. рисунок 4). Во многих клетках наблюдается при жизни Броуновское движение. также свидетельствующее о жидком А
. с. С другой стороны, твердое А. с. установлено с несомненностью для ряда клеточных структурных образований. На отдельной таблице (к ст. 127—129, см. 5
аЪс)
представлены рентгенограммы шелковой нити (а) и двух растит, волокон
(Ъ
и
с),
при положении оси волокна параллельно направлению Рентгенов. лучей. Эти рентгенограммы свидетельствуют о прочной связи между однородными продольно – ориентированными кристаллическими мицеллями растительных и животных волокон. Эластичность этих волокон очень велика,
Рисунок 2. Спермин краба: а — в цельной морской воде; Ь и с — в морской воде, разбавленной в 5 раз.
Рисунок 3. Спермин человека: а — нормальное
строение; Ь,
с, d
—плазмолиз при действии гипотонического раствора мочевины. разрыв сухожильных волокон происходит лишь при натяжении 5
кг
на 1
кв. мм
(для кости соответствующая цифра Ка=10
кг
на 1 кв.
мм,
для эластических волокон связок—0,13
кг
на 1
кв. мм).
В живых клетках те части, которые состоят из гидросолов, стремятся, согласно закону Плато, к максимальному уменьшению поверхности, т. е. к шарообразной форме, а части, состоящие из желов, обладающих определенной эластичностью, противодействуют этому, и равновесие наступает при равенстве эласти –
о о с © о о
о о
о о в
во,
О
Q
в й©_е о
Рисунок 4. Капельный распад наружного прото-плазматического слоя ресничек.
ческого напряжения твердых элементов, находящихся в вынужденном состоянии, и капиллярного натяжения жидкой капли, уклоняющейся при этом от шарообразной формы. В нек-рых случаях функция закрепления формы принадлежит твердой оболочке, как у растительных клеток; в других—роль скелета принадлежит состоящим из гидрожела волокнам, к-рые лежат на поверхности жидкой фазы, как обручи разной формы в известных опытах Плато, и при этом смочены тонким слоем гидро-сола. Часто эти скелетные волокна имеют форму спирали (см. рисунок 5). Иногда волокна только закрепляют твердую перепонку. Так же объясняется уклоняющаяся от шара форма ядра, глотки инфузорий и других внутренних органов клетки, где имеется граница соприкосновения между жидкими фазами. Во всех клетках и клеточных органах (жгуты, реснички, мионемы), совершающих упорядоченное движение, на ряду с сократимой жидкой киноплазмой, обнаруживаются твердые скелетные образования— перепончатые чехлы и фибрилли. Во многих случаях скелетные элементы являются постоянными образованиями высокой твердости. Такими, напр., должны быть нервные фибрилли, к-рые в течение всей жизни поддерживают связь между рецепторными и Рисунок 5. Спермин Palu-dina vivipara под влиянием разбухания в подкисленном растворе. двумя различными эффекторными органами, лежащую в основе безусловных и условных рефлексов. Но во временных образованиях и при развитии должно играть существенную роль возникновение непрочных твердых структур с малой эластичностью. В этом отношении для биолога представляют интерес переходные стадии между гидросолом с высокой вязкостью и гидрожелом с малой эластичностью. Повидимому, здесь играют роль те переходные формы между жидким и твердым
Рисунок 6. Стебелек сувойки; слева—поперечный разрез: Е —наружная оболочка; г—внутренняя оболочка; Т —наружный слой протоплазмы; К —внутренний, сократимый слой протоплазмы; F —фибрилли (скелетные волокна) на границе внутреннего и наружного слоев протоплазмы.
А. состояниями, которые. Леман назвал жидкими кристаллами или кристаллическими жидкостями. В основе своей учение Лемана стоит близко к современной теории кристаллической природы коллоидальных частиц. На поверхности гидросоловых капель под влиянием поверхностного натяжения, в особенности в местах наибольшей вынужденной деформации этих капель, а также в струйчатых потоках протоплазмы под влиянием одностороннего натяжения, мицелли складываются в тяжи или в перепонки, которые могут или превратиться в волокна соответствующей оболочки или, при изменении натяжений, снова рассыпаться беспорядочно на отдельные мицелли. Процесс образования фибри-новых фибриллей из гидросола кровяной *-■
Рисунок 7. Стебелек сувой-ки; капельный распад внутреннего слоя протоплазмы.
плазмы легко наблюдается при свертывании крови. Гольдшмит наблюдал возникновение жгутоподобных образований в культуре семенных клеток. Белар рядом интересных экспериментов показал, что при митозе центральное веретено образуется из временно возникающих твердых фибриллей, к-рые растут, отталкивая друг от друга полюсы, и по окончании митоза исчезают. Петерфи (Peterf i) дал название тиксотро-пии явлению, наблюдающемуся во многих коллоидальных студнях,,которые от простого встряхивания разжижаются, а затем снова сгущаются в студень. Повидимо-му, такого рода тик-сотропию находят и во многих плазматических структурах. Этим, вероятно, объясняется известное наблюдение Кю-не, к-рый видел движение круглого червя внутри мышечной клетки лягушки: паразит раздвигал диски поперечно-полосатого мускульного волокна, которые немедленно вслед за червем снова смыкались. Методами для изучения твердых и жидких образований в клетке служат, во-первых, изучение воздействия на форму клетки гипер – и гипотонических растворов или ионов и др. веществ, изменяющих поверхностное натяжение и набухание коллоидов, а во-вторых, метод мик-рургических операций. Петерфи, Чемберс (Chambers) и другие авторы вводили внутрь цитоплазмы и ядра тончайшие иглы и перемещали их, наблюдая процесс, замыкания раны, подвижность жидких фаз и сопротивление твердых. Гейлброн (Heilbronn) вводил в клетку мельчайшую железную частицу, притягивал ее извне электромагнитом, определял вязкость по размерам ее перемещения и в некоторых случаях наблюдал, что по размыкании тока частица становится на прежнее место, очевидно, под влиянием эластических свойств окружающей цитоплазмы. Лит.: Ambronn, TJber die accldentelle Doppel-brechung im Zelloidin und in der Zellulose, Nachr. Ges. Wiss. GOttingen, Math, physik. Zl., 1919; Chambers R., The structure of the cells in tissues as revealed by microdissection, Amer. journ. of anat., v. XXXV, 1925; Heilbronn L. V., The physical structure of the protoplasm of sea-urchin eggs, Am. nat., v. LX, 1926; Frey A., Der submikroskopische Feinbau der Zella-membranen, Die Naturwissenschaften, 1927; Freund-Hch H., Neuere Fortschritte der Kolloidehemie und ihre biologische Bedeutung, Protoplasma, B. II, 1927; К о It z off N. K., Studien fiber die Gestalt der Zelle, Archiv fur mikr. Anat., B. LXVII, 1905 (по-русски в «Уч. Зап. Моск. Унив.», 1905); Archiv fur Zellf., В. I, 1908; Archiv fur Zelf., B. VII, 1911; Lehmann O., Die Lehre von den fliissigen Kri-stallen, Ergebnisse der Physiol., B. XVI, 1918; Schmidt W. I. «Ober den Feinbau tierischer Fibril-len, Die Naturwiss., 1924. H. Кольцов.