Въпросите за това какво е агрегатно състояние, какви характеристики и свойства имат твърдите вещества, течностите и газовете, се разглеждат в няколко курса за обучение. Има три класически състояния на материята, със свои собствени характерни особености на структурата. Тяхното разбиране е важен момент в разбирането на науките за Земята, живите организми и производствените дейности. Тези въпроси се изучават от физика, химия, география, геология, физическа химия и други научни дисциплини. Веществата, които са при определени условия в един от трите основни типа състояние, могат да се променят с повишаване или намаляване на температурата или налягането. Помислете за възможни преходи от едно агрегатно състояние към друго, тъй като те се извършват в природата, технологиите и ежедневието.
Какво е състоянието на агрегиране?
Думата от латински произход "aggrego" в превод на руски означава "прикрепвам". Научният термин се отнася до състоянието на едно и също тяло, вещество. Наличие при определени температурни стойности и различни налягания на твърди вещества,газове и течности е характерно за всички черупки на Земята. В допълнение към трите основни агрегатни състояния има и четвърто. При повишена температура и постоянно налягане газът се превръща в плазма. За да разберете по-добре какво е агрегатно състояние, е необходимо да запомните най-малките частици, които изграждат вещества и тела.
На диаграмата по-горе е показано: a - газ; b - течност; c е твърдо тяло. В такива фигури кръговете показват структурните елементи на веществата. Това е символ, всъщност атомите, молекулите, йоните не са твърди топки. Атомите се състоят от положително заредено ядро, около което с висока скорост се движат отрицателно заредени електрони. Познаването на микроскопичната структура на материята помага за по-доброто разбиране на разликите, които съществуват между различните агрегатни форми.
Представления на микрокосмоса: от Древна Гърция до 17-ти век
Първата информация за частиците, изграждащи физическите тела, се появява в древна Гърция. Мислителите Демокрит и Епикур въведоха такова понятие като атом. Те вярвали, че тези най-малки неделими частици от различни вещества имат форма, определени размери, способни са на движение и взаимодействие помежду си. Атомистиката се превръща в най-напредналото учение на древна Гърция за времето си. Но развитието му се забавя през Средновековието. Оттогава учените са преследвани от инквизицията на Римокатолическата църква. Следователно до съвремието не е имало ясна концепция за това какво е агрегатното състояние на материята. Едва след 17 векучените Р. Бойл, М. Ломоносов, Д. Далтон, А. Лавоазие формулират положенията на атомно-молекулярната теория, които не са загубили своето значение и днес.
Атомите, молекулите, йоните са микроскопични частици от структурата на материята
Съществен пробив в разбирането на микрокосмоса настъпва през 20-ти век, когато е изобретен електронният микроскоп. Като се вземат предвид откритията, направени от учените по-рано, беше възможно да се състави хармонична картина на микросвета. Теориите, описващи състоянието и поведението на най-малките частици на материята, са доста сложни и принадлежат към областта на квантовата физика. За да разберете характеристиките на различните агрегатни състояния на материята, достатъчно е да знаете имената и характеристиките на основните структурни частици, които образуват различни вещества.
- Атомите са химически неделими частици. Запазена при химични реакции, но унищожена при ядрено. Металите и много други вещества с атомна структура имат твърдо агрегатно състояние при нормални условия.
- Молекулите са частици, които се разграждат и образуват при химични реакции. Молекулната структура има кислород, вода, въглероден диоксид, сяра. Агрегатното състояние на кислород, азот, серен диоксид, въглерод, кислород при нормални условия е газообразно.
- Йоните са заредени частици, в които атомите и молекулите се превръщат, когато получават или губят електрони - микроскопични отрицателно заредени частици. Много соли имат йонна структура, например готварска сол, железен и меден сулфат.
Има вещества, чиито частици са подредени по определен начин в пространството. Подредена относителна позицияатоми, йони, молекули се нарича кристална решетка. Обикновено йонните и атомните кристални решетки са типични за твърдите тела, молекулярните - за течности и газове. Диамантът има висока твърдост. Неговата атомна кристална решетка е образувана от въглеродни атоми. Но мекият графит също се състои от атоми на този химичен елемент. Само те са разположени различно в пространството. Обичайното агрегатно състояние на сярата е твърдо, но при високи температури веществото се превръща в течност и аморфна маса.
Вещества в твърдо агрегатно състояние
Твърдите тела при нормални условия запазват обема и формата си. Например песъчинка, зърно захар, сол, парче камък или метал. Ако захарта се нагрее, веществото започва да се топи, превръщайки се в вискозна кафява течност. Спрете нагряването - отново получаваме твърдо вещество. Това означава, че едно от основните условия за прехода на твърдо вещество в течност е неговото нагряване или увеличаване на вътрешната енергия на частиците на веществото. Твърдото агрегатно състояние на солта, която се използва в храната, също може да се промени. Но за да разтопите готварската сол, се нуждаете от по-висока температура, отколкото при нагряване на захарта. Факт е, че захарта се състои от молекули, а готварската сол се състои от заредени йони, които са по-силно привлечени един от друг. Твърдите вещества в течна форма не запазват формата си, защото кристалните решетки се разпадат.
Течното агрегатно състояние на солта по време на топене се обяснява с прекъсването на връзката между йоните в кристалите. са освободенизаредени частици, които могат да носят електрически заряди. Разтопените соли провеждат електричество и са проводници. В химическата, металургичната и инженерната промишленост твърдите вещества се превръщат в течности, за да се получат нови съединения от тях или да им се придадат различни форми. Металните сплави са широко използвани. Има няколко начина за получаването им, свързани с промени в агрегатното състояние на твърдите суровини.
Течността е едно от основните състояния на агрегация
Ако излеете 50 ml вода в облодънна колба, можете да видите, че веществото веднага приема формата на химически съд. Но веднага щом излеем водата от колбата, течността веднага ще се разпространи по повърхността на масата. Обемът на водата ще остане същият - 50 ml, а формата й ще се промени. Тези характеристики са характерни за течната форма на съществуване на материята. Течностите са много органични вещества: алкохоли, растителни масла, киселини.
Млякото е емулсия, тоест течност, в която има капчици мазнини. Полезен течен минерал е маслото. Извлича се от кладенци с помощта на сондажни платформи на сушата и в океана. Морската вода също е суровина за промишлеността. Неговата разлика от сладката вода на реките и езерата се състои в съдържанието на разтворени вещества, главно соли. По време на изпаряване от повърхността на водните тела само молекули H2O преминават в състояние на пара, остават разтворените вещества. На това свойство се основават методите за получаване на полезни вещества от морската вода и методите за нейното пречистване.
Когапълно отстраняване на соли, получава се дестилирана вода. Кипи при 100°C и замръзва при 0°C. Саламурите кипват и се превръщат в лед при различни температури. Например водата в Северния ледовит океан замръзва при повърхностна температура от 2°C.
Агрегатното състояние на живака при нормални условия е течност. Този сребристо-сив метал обикновено се пълни с медицински термометри. При нагряване колоната с живак се издига на скалата, веществото се разширява. Защо уличните термометри използват оцветен в червено алкохол, а не живак? Това се обяснява със свойствата на течния метал. При 30-градусови студове, агрегатното състояние на живака се променя, веществото става твърдо.
Ако медицински термометър се счупи и живак се разлее, опасно е да вземете сребърни топки с ръцете си. Вдишването на живачни пари е вредно, това вещество е много токсично. Децата в такива случаи трябва да потърсят помощ от родителите си, възрастните.
Газово състояние
Газовете не могат да запазят обема или формата си. Напълнете колбата до върха с кислород (химическата й формула е O2). Веднага след като отворим колбата, молекулите на веществото ще започнат да се смесват с въздуха в стаята. Това се дължи на Брауновото движение. Дори древногръцкият учен Демокрит вярвал, че частиците на материята са в постоянно движение. В твърдите тела при нормални условия атомите, молекулите, йоните нямат възможност да напуснат кристалната решетка, да се освободят от връзки с други частици. Това е възможно само когатоголеми количества енергия отвън.
В течности разстоянието между частиците е малко по-голямо, отколкото в твърдите тела, те изискват по-малко енергия за разрушаване на междумолекулните връзки. Например, течното агрегатно състояние на кислорода се наблюдава само когато температурата на газа падне до -183 °C. При −223 °C, O2 молекули образуват твърдо вещество. Когато температурата се повиши над дадените стойности, кислородът се превръща в газ. Именно в тази форма е при нормални условия. В промишлените предприятия има специални инсталации за отделяне на атмосферния въздух и получаване на азот и кислород от него. Първо, въздухът се охлажда и втечнява, а след това температурата постепенно се повишава. Азотът и кислородът се превръщат в газове при различни условия.
Земната атмосфера съдържа 21% кислород и 78% азот по обем. В течна форма тези вещества не се намират в газовата обвивка на планетата. Течният кислород има светлосин цвят и се пълни при високо налягане в бутилки за използване в медицински заведения. В промишлеността и строителството втечнените газове са необходими за много процеси. Кислородът е необходим за газово заваряване и рязане на метали, в химията - за реакциите на окисление на неорганични и органични вещества. Ако отворите клапана на кислородния цилиндър, налягането намалява, течността се превръща в газ.
Втечненият пропан, метан и бутан се използват широко в енергетиката, транспорта, промишлеността и домакинските дейности. Тези вещества се получават от природен газ или чрез крекинг(разделяне) на суров нефт. Въглеродните течни и газообразни смеси играят важна роля в икономиката на много страни. Но запасите от нефт и природен газ са силно изчерпани. Според учените тази суровина ще продължи 100-120 години. Алтернативен източник на енергия е въздушният поток (вятър). Бързо течащите реки, приливите и отливите по бреговете на моретата и океаните се използват за работа на електроцентрали.
Кислородът, подобно на други газове, може да бъде в четвърто агрегатно състояние, представляващо плазма. Необичайният преход от твърдо към газообразно състояние е характерна особеност на кристалния йод. Тъмно лилаво вещество претърпява сублимация - превръща се в газ, заобикаляйки течното състояние.
Как се извършват преходите от една съвкупна форма на материя към друга?
Промените в агрегатното състояние на веществата не са свързани с химични трансформации, това са физически явления. Когато температурата се повиши, много твърди вещества се топят и се превръщат в течности. По-нататъшното повишаване на температурата може да доведе до изпаряване, тоест до газообразно състояние на веществото. В природата и икономиката такива преходи са характерни за едно от основните вещества на Земята. Лед, течност, пара са състоянията на водата при различни външни условия. Съединението е същото, формулата му е H2O. При температура от 0 ° C и под тази стойност водата кристализира, тоест се превръща в лед. Когато температурата се повиши, получените кристали се разрушават - ледът се топи, отново се получава течна вода. При нагряване се образува водна пара. Изпаряване -превръщането на водата в газ - става дори при ниски температури. Например, замръзналите локви постепенно изчезват, защото водата се изпарява. Дори при мразовито време мокрите дрехи изсъхват, но този процес отнема повече време, отколкото в горещ ден.
Всички изброени преходи на водата от едно състояние в друго са от голямо значение за природата на Земята. Атмосферните явления, климатът и времето са свързани с изпаряването на водата от повърхността на океаните, пренасянето на влага под формата на облаци и мъгла към сушата, валежи (дъжд, сняг, градушка). Тези явления формират основата на световния воден цикъл в природата.
Как се променят агрегатните състояния на сярата?
При нормални условия сярата е ярки блестящи кристали или светложълт прах, т.е. тя е твърдо вещество. Агрегатното състояние на сярата се променя при нагряване. Първо, когато температурата се повиши до 190 ° C, жълтото вещество се топи, превръщайки се в подвижна течност.
Ако бързо изсипете течна сяра в студена вода, ще получите кафява аморфна маса. При по-нататъшно нагряване на стопилката на сярата тя става все по-вискозна и потъмнява. При температури над 300 ° C състоянието на агрегиране на сярата се променя отново, веществото придобива свойствата на течност, става подвижно. Тези преходи възникват поради способността на атомите на елемента да образуват вериги с различни дължини.
Защо веществата могат да бъдат в различни физически състояния?
Състоянието на агрегиране на сярата - просто вещество - е твърдо при нормални условия. серен диоксид - газ, сярна киселина -маслена течност, по-тежка от водата. За разлика от солната и азотната киселина, той не е летлив, молекулите не се изпаряват от повърхността му. Какво е агрегатното състояние на пластмасовата сяра, която се получава чрез нагряване на кристали?
В аморфна форма веществото има структура на течност, с лека течливост. Но пластмасовата сяра едновременно запазва формата си (като твърдо вещество). Има течни кристали, които имат редица характерни свойства на твърдите вещества. По този начин състоянието на материята при различни условия зависи от нейната природа, температура, налягане и други външни условия.
Какви са характеристиките в структурата на твърдите тела?
Съществуващите разлики между основните агрегатни състояния на материята се обясняват с взаимодействието между атоми, йони и молекули. Например, защо твърдото агрегатно състояние на материята води до способността на телата да поддържат обем и форма? В кристалната решетка на метал или сол структурните частици се привличат една към друга. В металите положително заредените йони взаимодействат с така наречения "електронен газ" - натрупването на свободни електрони в парче метал. Кристалите на солта възникват поради привличането на противоположно заредени частици - йони. Разстоянието между горните структурни единици на твърдите тела е много по-малко от размера на самите частици. В този случай действа електростатичното привличане, дава сила, а отблъскването не е достатъчно силно.
За унищожаване на твърдото агрегатно състояние на материята е необходимонаправи усилие. Метали, соли, атомни кристали се топят при много високи температури. Например желязото става течно при температури над 1538 °C. Волфрамът е огнеупорен и се използва за производство на нишки с нажежаема жичка за електрически крушки. Има сплави, които стават течни при температури над 3000 °C. Много скали и минерали на Земята са в твърдо състояние. Тази суровина се добива с помощта на оборудване в мини и кариери.
За да се отдели дори един йон от кристал, е необходимо да се изразходва голямо количество енергия. Но в края на краищата е достатъчно солта да се разтвори във вода, за да се разпадне кристалната решетка! Това явление се обяснява с удивителните свойства на водата като полярен разтворител. H2O молекулите взаимодействат със солните йони, разрушавайки химическата връзка между тях. По този начин разтварянето не е просто смесване на различни вещества, а физическо и химично взаимодействие между тях.
Как си взаимодействат молекулите на течностите?
Водата може да бъде течна, твърда и газообразна (пара). Това са основните му агрегатни състояния при нормални условия. Водните молекули са изградени от един кислороден атом с два водородни атома, свързани към него. Има поляризация на химичната връзка в молекулата, на кислородните атоми се появява частичен отрицателен заряд. Водородът става положителният полюс в молекулата и се привлича от кислородния атом на друга молекула. Тази слаба сила се нарича "водородна връзка".
Характеризирайте течното агрегатно състояниеразстояния между структурните частици, сравними с техните размери. Привличането съществува, но е слабо, така че водата не запазва формата си. Изпаряването възниква поради разрушаването на връзките, което се случва на повърхността на течността дори при стайна температура.
Съществуват ли междумолекулни взаимодействия в газовете?
Газообразното състояние на материята се различава от течното и твърдото по редица параметри. Между структурните частици на газовете има големи празнини, много по-големи от размера на молекулите. В този случай силите на привличане изобщо не работят. Газообразното агрегатно състояние е характерно за веществата, присъстващи във въздуха: азот, кислород, въглероден диоксид. На снимката по-долу първият куб е пълен с газ, вторият с течност, а третият с твърдо вещество.
Много течности са летливи, молекулите на веществото се откъсват от повърхността им и преминават във въздуха. Например, ако донесете памучен тампон, натопен в амоняк, към отвора на отворена бутилка солна киселина, се появява бял дим. Точно във въздуха протича химическа реакция между солна киселина и амоняк, получава се амониев хлорид. В какво състояние на материята се намира това вещество? Неговите частици, които образуват бял дим, са най-малките твърди кристали сол. Този експеримент трябва да се проведе под димоотвод, веществата са токсични.
Заключение
Състоянието на агрегация на газа е изследвано от много изключителни физици и химици: Авогадро, Бойл, Гей-Люсак,Клайперон, Менделеев, Льо Шателие. Учените са формулирали закони, които обясняват поведението на газообразните вещества в химичните реакции при промяна на външните условия. Откритите закономерности не само влязоха в училищните и университетските учебници по физика и химия. Много химически индустрии се основават на знания за поведението и свойствата на веществата в различни агрегатни състояния.
