Pytania dotyczące tego, czym jest stan skupienia, jakie cechy i właściwości mają ciała stałe, ciecze i gazy, są brane pod uwagę podczas kilku kursów szkoleniowych. Istnieją trzy klasyczne stany skupienia materii, posiadające własne charakterystyczne cechy struktury. Ich zrozumienie jest ważnym punktem w zrozumieniu nauk o Ziemi, żywych organizmach i działalności produkcyjnej. Te pytania są badane przez fizykę, chemię, geografię, geologię, chemię fizyczną i inne dyscypliny naukowe. Substancje, które w określonych warunkach znajdują się w jednym z trzech podstawowych typów stanu, mogą zmieniać się wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury lub ciśnienia. Rozważ możliwe przejścia z jednego stanu skupienia do drugiego, ponieważ są one przeprowadzane w przyrodzie, technologii i życiu codziennym.
Jaki jest stan agregacji?
Słowo pochodzenia łacińskiego „aggrego” przetłumaczone na język rosyjski oznacza „przyłącz”. Termin naukowy odnosi się do stanu tego samego ciała, substancji. Istnienie w określonych wartościach temperatur i różnych ciśnieniach ciał stałych,gazy i ciecze są charakterystyczne dla wszystkich powłok Ziemi. Oprócz trzech podstawowych stanów skupienia istnieje również czwarty. W podwyższonej temperaturze i stałym ciśnieniu gaz zamienia się w plazmę. Aby lepiej zrozumieć, czym jest stan skupienia, konieczne jest zapamiętanie najmniejszych cząstek, z których składają się substancje i ciała.
Powyższy schemat przedstawia: a - gaz; b - ciecz; c jest ciałem stałym. Na takich liczbach kółka wskazują elementy strukturalne substancji. To jest symbol, w rzeczywistości atomy, cząsteczki, jony nie są stałymi kulkami. Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra, wokół którego ujemnie naładowane elektrony poruszają się z dużą prędkością. Znajomość mikroskopowej struktury materii pomaga lepiej zrozumieć różnice istniejące między różnymi formami agregatów.
Reprezentacje mikrokosmosu: od starożytnej Grecji do XVII wieku
Pierwsze informacje o cząstkach tworzących ciała fizyczne pojawiły się w starożytnej Grecji. Myśliciele Demokryt i Epikur wprowadzili taką koncepcję jako atom. Uważali, że te najmniejsze niepodzielne cząstki różnych substancji mają kształt, określone rozmiary, są zdolne do ruchu i interakcji ze sobą. W tamtych czasach atomistyka stała się najbardziej zaawansowaną nauką starożytnej Grecji. Ale jego rozwój zwolnił w średniowieczu. Od tego czasu naukowcy byli prześladowani przez inkwizycję Kościoła rzymskokatolickiego. Dlatego do czasów współczesnych nie było jasnego pojęcia, jaki jest stan skupienia materii. Dopiero po XVII wiekunaukowcy R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier sformułowali zapisy teorii atomowo-molekularnej, które do dziś nie straciły na znaczeniu.
Atomy, cząsteczki, jony to mikroskopijne cząsteczki struktury materii
Znaczący przełom w zrozumieniu mikrokosmosu nastąpił w XX wieku, kiedy wynaleziono mikroskop elektronowy. Biorąc pod uwagę wcześniejsze odkrycia naukowców, udało się stworzyć harmonijny obraz mikroświata. Teorie opisujące stan i zachowanie najmniejszych cząstek materii są dość złożone, należą do dziedziny fizyki kwantowej. Aby zrozumieć cechy różnych skupisk materii, wystarczy znać nazwy i cechy głównych cząstek strukturalnych, które tworzą różne substancje.
- Atomy są chemicznie niepodzielnymi cząstkami. Zachowane w reakcjach chemicznych, ale zniszczone w nuklearnej. Metale i wiele innych substancji o budowie atomowej mają w normalnych warunkach stały stan skupienia.
- Cząsteczki to cząsteczki, które są rozkładane i powstają w reakcjach chemicznych. Struktura molekularna ma tlen, wodę, dwutlenek węgla, siarkę. Zagregowany stan tlenu, azotu, dwutlenku siarki, węgla i tlenu w normalnych warunkach jest gazowy.
- Jony to naładowane cząstki, w które atomy i molekuły zamieniają się, gdy zyskują lub tracą elektrony – mikroskopijne, ujemnie naładowane cząstki. Wiele soli ma strukturę jonową, na przykład sól kuchenna, siarczan żelaza i miedzi.
Istnieją substancje, których cząsteczki są rozmieszczone w przestrzeni w określony sposób. Uporządkowana pozycja względnaatomy, jony, cząsteczki nazywamy siecią krystaliczną. Zazwyczaj jonowe i atomowe sieci krystaliczne są typowe dla ciał stałych, molekularne - dla cieczy i gazów. Diament ma wysoką twardość. Jej atomowa sieć krystaliczna składa się z atomów węgla. Ale grafit miękki składa się również z atomów tego pierwiastka chemicznego. Tyle że one są inaczej umiejscowione w przestrzeni. Zwykły stan skupienia siarki jest stały, ale w wysokich temperaturach substancja zamienia się w ciecz i bezpostaciową masę.
Substancje w stałym stanie skupienia
Ciała stałe w normalnych warunkach zachowują swoją objętość i kształt. Na przykład ziarnko piasku, ziarnko cukru, sól, kawałek skały lub metalu. Jeśli cukier zostanie podgrzany, substancja zaczyna się topić, zamieniając w lepką brązową ciecz. Przestań się nagrzewać - znowu dostajemy ciało stałe. Oznacza to, że jednym z głównych warunków przejścia ciała stałego w ciecz jest jego ogrzanie lub zwiększenie energii wewnętrznej cząstek substancji. Można również zmienić stały stan skupienia soli, która jest stosowana w żywności. Ale do stopienia soli kuchennej potrzebna jest wyższa temperatura niż podczas podgrzewania cukru. Faktem jest, że cukier składa się z cząsteczek, a sól kuchenna składa się z naładowanych jonów, które są silniej przyciągane do siebie. Ciała stałe w postaci płynnej nie zachowują swojego kształtu, ponieważ sieci krystaliczne ulegają rozpadowi.
Płynny stan agregacji soli podczas topienia tłumaczy się zerwaniem wiązania między jonami w kryształach. są zwolnionenaładowane cząstki, które mogą przenosić ładunki elektryczne. Stopione sole przewodzą prąd i są przewodnikami. W przemyśle chemicznym, metalurgicznym i inżynieryjnym ciała stałe przekształcane są w ciecze, aby uzyskać z nich nowe związki lub nadać im różne kształty. Szeroko stosowane są stopy metali. Istnieje kilka sposobów ich pozyskania, związanych ze zmianami stanu skupienia surowców stałych.
Płyn jest jednym z podstawowych stanów skupienia
Jeśli wlejesz 50 ml wody do kolby okrągłodennej, zobaczysz, że substancja natychmiast przybiera postać naczynia chemicznego. Ale gdy tylko wylejemy wodę z kolby, płyn natychmiast rozleje się po powierzchni stołu. Objętość wody pozostanie taka sama - 50 ml, a jej kształt się zmieni. Cechy te są charakterystyczne dla płynnej formy istnienia materii. Płyny to wiele substancji organicznych: alkohole, oleje roślinne, kwasy.
Mleko jest emulsją, czyli płynem, w którym znajdują się kropelki tłuszczu. Przydatnym płynnym minerałem jest olej. Jest wydobywany ze studni za pomocą platform wiertniczych na lądzie iw oceanie. Woda morska jest również surowcem dla przemysłu. Od wody słodkiej rzek i jezior różni ją zawartość rozpuszczonych substancji, głównie soli. Podczas parowania z powierzchni zbiorników wodnych tylko cząsteczki H2O przechodzą w stan pary, substancje rozpuszczone pozostają. Metody pozyskiwania użytecznych substancji z wody morskiej i metody jej oczyszczania opierają się na tej właściwości.
Kiedycałkowite usunięcie soli, uzyskuje się wodę destylowaną. Wrze w 100°C i zamarza w 0°C. Solanki gotują się i zamieniają w lód w różnych temperaturach. Na przykład woda w Oceanie Arktycznym zamarza przy temperaturze powierzchni 2°C.
Zbiorczy stan rtęci w normalnych warunkach jest cieczą. Ten srebrnoszary metal jest zwykle wypełniony termometrami medycznymi. Po podgrzaniu słupek rtęci unosi się na wadze, substancja rozszerza się. Dlaczego termometry uliczne używają zabarwionego na czerwono alkoholu, a nie rtęci? Wyjaśnia to właściwości ciekłego metalu. Przy 30-stopniowych przymrozkach zmienia się zbiorczy stan rtęci, substancja staje się stała.
Jeśli termometr medyczny pęknie i wyleje się rtęć, chwytanie srebrnych kulek rękami jest niebezpieczne. Szkodliwe jest wdychanie oparów rtęci, substancja ta jest bardzo toksyczna. Dzieci w takich przypadkach powinny szukać pomocy u rodziców, dorosłych.
Stan gazu
Gazy nie są w stanie zachować swojej objętości ani kształtu. Napełnij kolbę do góry tlenem (jej wzór chemiczny to O2). Gdy tylko otworzymy kolbę, cząsteczki substancji zaczną mieszać się z powietrzem w pomieszczeniu. Wynika to z ruchu Browna. Nawet starożytny grecki naukowiec Demokryt wierzył, że cząstki materii są w ciągłym ruchu. W ciałach stałych w normalnych warunkach atomy, cząsteczki, jony nie mają możliwości opuszczenia sieci krystalicznej, uwolnienia się z wiązań z innymi cząsteczkami. Jest to możliwe tylko wtedy, gdyduże ilości energii z zewnątrz.
W cieczach odległość między cząsteczkami jest nieco większa niż w ciałach stałych, wymagają one mniej energii do zerwania wiązań międzycząsteczkowych. Na przykład, stan skupienia ciekłego tlenu obserwuje się tylko wtedy, gdy temperatura gazu spada do -183 °C. W temperaturze -223 °C cząsteczki O2 tworzą ciało stałe. Gdy temperatura wzrośnie powyżej podanych wartości, tlen zamienia się w gaz. W tej formie jest w normalnych warunkach. W przedsiębiorstwach przemysłowych istnieją specjalne instalacje do oddzielania powietrza atmosferycznego i pozyskiwania z niego azotu i tlenu. Najpierw powietrze jest schładzane i skraplane, a następnie temperatura jest stopniowo podnoszona. Azot i tlen zamieniają się w gazy w różnych warunkach.
Atmosfera ziemska zawiera objętościowo 21% tlenu i 78% azotu. Substancje te w postaci płynnej nie znajdują się w gazowej otoczce planety. Ciekły tlen ma jasnoniebieski kolor i jest napełniany pod wysokim ciśnieniem do butli do użytku w placówkach medycznych. W przemyśle i budownictwie gazy skroplone są niezbędne w wielu procesach. Tlen jest potrzebny do spawania gazowego i cięcia metali, w chemii - do reakcji utleniania substancji nieorganicznych i organicznych. Jeśli otworzysz zawór butli z tlenem, ciśnienie spada, ciecz zamienia się w gaz.
Skroplony propan, metan i butan są szeroko stosowane w energetyce, transporcie, przemyśle i gospodarstwie domowym. Substancje te są otrzymywane z gazu ziemnego lub przez kraking(rozłupywanie) ropy naftowej. Mieszanki ciekłego i gazowego węgla odgrywają ważną rolę w gospodarce wielu krajów. Ale rezerwy ropy naftowej i gazu ziemnego są poważnie wyczerpane. Według naukowców surowiec ten wystarczy na 100-120 lat. Alternatywnym źródłem energii jest przepływ powietrza (wiatr). Szybko płynące rzeki, pływy na wybrzeżach mórz i oceanów są wykorzystywane do pracy elektrowni.
Tlen, podobnie jak inne gazy, może znajdować się w czwartym stanie skupienia, reprezentując plazmę. Charakterystyczną cechą krystalicznego jodu jest niezwykłe przejście ze stanu stałego do gazowego. Ciemnofioletowa substancja ulega sublimacji - zamienia się w gaz z pominięciem stanu ciekłego.
Jak przebiegają przejścia z jednej skupionej formy materii do innej?
Zmiany stanu skupienia substancji nie są związane z przemianami chemicznymi, są to zjawiska fizyczne. Gdy temperatura wzrasta, wiele ciał stałych topi się i zamienia się w ciecze. Dalszy wzrost temperatury może prowadzić do parowania, czyli do stanu gazowego substancji. W przyrodzie i gospodarce takie przejścia są charakterystyczne dla jednej z głównych substancji na Ziemi. Lód, ciecz, para to stany wody w różnych warunkach zewnętrznych. Związek jest taki sam, jego wzór to H2O. W temperaturze 0 ° C i poniżej tej wartości woda krystalizuje, czyli zamienia się w lód. Gdy temperatura wzrasta, powstałe kryształy ulegają zniszczeniu - lód topi się, ponownie uzyskuje się ciekłą wodę. Po podgrzaniu tworzy się para wodna. Parowanie -przemiana wody w gaz - zachodzi nawet w niskich temperaturach. Na przykład zamarznięte kałuże stopniowo znikają, ponieważ woda wyparowuje. Nawet w mroźną pogodę mokre ubrania wysychają, ale proces ten trwa dłużej niż w upalny dzień.
Wszystkie wymienione przejścia wody z jednego stanu do drugiego mają ogromne znaczenie dla natury Ziemi. Zjawiska atmosferyczne, klimat i pogoda związane są z parowaniem wody z powierzchni oceanów, przenoszeniem wilgoci w postaci chmur i mgły na ląd, opadami atmosferycznymi (deszcz, śnieg, grad). Zjawiska te stanowią podstawę światowego obiegu wody w przyrodzie.
Jak zmieniają się stany skupienia siarki?
W normalnych warunkach siarka jest jasnymi błyszczącymi kryształkami lub jasnożółtym proszkiem, czyli jest ciałem stałym. Po podgrzaniu zmienia się stan skupienia siarki. Po pierwsze, gdy temperatura wzrasta do 190 ° C, żółta substancja topi się, zamieniając się w ruchliwą ciecz.
Jeśli szybko wlejesz płynną siarkę do zimnej wody, otrzymasz brązową amorficzną masę. Przy dalszym ogrzewaniu stopionej siarki staje się ona coraz bardziej lepka i ciemnieje. W temperaturach powyżej 300 ° C stan skupienia siarki ponownie się zmienia, substancja nabiera właściwości cieczy, staje się mobilna. Przejścia te zachodzą dzięki zdolności atomów pierwiastka do tworzenia łańcuchów o różnej długości.
Dlaczego substancje mogą być w różnych stanach fizycznych?
Stan skupienia siarki – prostej substancji – w normalnych warunkach jest stały. Dwutlenek siarki - gaz, kwas siarkowy -oleista ciecz cięższa od wody. W przeciwieństwie do kwasu solnego i azotowego nie jest lotny, cząsteczki nie odparowują z jego powierzchni. Jaki jest stan skupienia siarki plastycznej, którą uzyskuje się przez ogrzewanie kryształów?
W formie amorficznej substancja ma strukturę cieczy o niewielkiej płynności. Ale plastikowa siarka jednocześnie zachowuje swój kształt (jako ciało stałe). Istnieją ciekłe kryształy, które mają szereg charakterystycznych właściwości ciał stałych. Zatem stan materii w różnych warunkach zależy od jej natury, temperatury, ciśnienia i innych warunków zewnętrznych.
Jakie są cechy struktury brył?
Istniejące różnice między podstawowymi skupieniami materii wyjaśnia się interakcją między atomami, jonami i cząsteczkami. Na przykład, dlaczego stan skupienia materii w postaci stałej prowadzi do zdolności ciał do utrzymywania objętości i kształtu? W sieci krystalicznej metalu lub soli cząsteczki strukturalne przyciągają się do siebie. W metalach dodatnio naładowane jony oddziałują z tak zwanym „gazem elektronowym” – akumulacją wolnych elektronów w kawałku metalu. Kryształy soli powstają w wyniku przyciągania przeciwnie naładowanych cząstek - jonów. Odległość między powyższymi jednostkami strukturalnymi ciał stałych jest znacznie mniejsza niż wielkość samych cząstek. W tym przypadku przyciąganie elektrostatyczne działa, daje siłę, a odpychanie nie jest wystarczająco silne.
Aby zniszczyć stały stan skupienia materii, konieczne jestzrób wysiłek. Metale, sole, kryształy atomowe topią się w bardzo wysokich temperaturach. Na przykład żelazo staje się płynne w temperaturach powyżej 1538 °C. Wolfram jest materiałem ogniotrwałym i służy do wytwarzania żarowych żarników do żarówek. Istnieją stopy, które stają się płynne w temperaturach powyżej 3000 °C. Wiele skał i minerałów na Ziemi jest w stanie stałym. Surowiec ten jest wydobywany za pomocą sprzętu w kopalniach i kamieniołomach.
Aby oderwać nawet jeden jon od kryształu, konieczne jest zużycie dużej ilości energii. Ale przecież wystarczy rozpuścić sól w wodzie, żeby sieć krystaliczna się rozpadła! Zjawisko to tłumaczy się niesamowitymi właściwościami wody jako polarnego rozpuszczalnika. Cząsteczki H2O oddziałują z jonami soli, niszcząc wiązanie chemiczne między nimi. Zatem rozpuszczanie nie jest prostym mieszaniem różnych substancji, ale fizycznym i chemicznym oddziaływaniem między nimi.
Jak oddziałują ze sobą molekuły płynów?
Woda może być płynna, stała i gazowa (para). To są jego główne stany agregacji w normalnych warunkach. Cząsteczki wody składają się z jednego atomu tlenu z dwoma związanymi z nim atomami wodoru. W cząsteczce dochodzi do polaryzacji wiązania chemicznego, na atomach tlenu pojawia się częściowy ładunek ujemny. Wodór staje się dodatnim biegunem w cząsteczce i jest przyciągany przez atom tlenu innej cząsteczki. Ta słaba siła nazywana jest „wiązaniem wodorowym”.
Charakteryzuje ciekły stan skupieniaodległości między cząstkami strukturalnymi porównywalne z ich rozmiarami. Atrakcja istnieje, ale jest słaba, więc woda nie zachowuje swojego kształtu. Parowanie następuje na skutek zniszczenia wiązań, które występuje na powierzchni cieczy nawet w temperaturze pokojowej.
Czy w gazach występują interakcje międzycząsteczkowe?
Stan gazowy materii różni się od ciekłego i stałego pod wieloma parametrami. Pomiędzy strukturalnymi cząsteczkami gazów występują duże szczeliny, znacznie większe niż wielkość cząsteczek. W tym przypadku siły przyciągania w ogóle nie działają. Gazowy stan skupienia jest charakterystyczny dla substancji obecnych w powietrzu: azotu, tlenu, dwutlenku węgla. Na zdjęciu poniżej pierwsza kostka wypełniona jest gazem, druga cieczą, a trzecia ciałem stałym.
Wiele płynów jest lotnych, cząsteczki substancji odrywają się od ich powierzchni i unoszą w powietrze. Na przykład, jeśli włożysz bawełniany wacik zamoczony w amoniaku do otworu otwartej butelki kwasu solnego, pojawi się biały dym. Bezpośrednio w powietrzu zachodzi reakcja chemiczna między kwasem solnym a amoniakiem, powstaje chlorek amonu. W jakim stanie materii jest ta substancja? Jego cząsteczki, które tworzą biały dym, to najmniejsze stałe kryształki soli. Ten eksperyment musi być przeprowadzony pod wyciągiem, substancje są toksyczne.
Wniosek
Stan skupienia gazu był badany przez wielu wybitnych fizyków i chemików: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Kłajperon, Mendelejew, Le Chatelier. Naukowcy sformułowali prawa, które wyjaśniają zachowanie substancji gazowych w reakcjach chemicznych, gdy zmieniają się warunki zewnętrzne. Otwarte prawidłowości weszły nie tylko do szkolnych i uniwersyteckich podręczników fizyki i chemii. Wiele gałęzi przemysłu chemicznego opiera się na wiedzy o zachowaniu i właściwościach substancji w różnych stanach skupienia.
