Pitanja o tome što je agregacijsko stanje, koja svojstva i svojstva imaju krute tvari, tekućine i plinovi, razmatraju se u nekoliko tečajeva. Postoje tri klasična stanja materije, s vlastitim karakterističnim značajkama strukture. Njihovo razumijevanje važna je točka u razumijevanju znanosti o Zemlji, živim organizmima i proizvodnim aktivnostima. Ova pitanja proučavaju fizika, kemija, geografija, geologija, fizikalna kemija i druge znanstvene discipline. Tvari koje se pod određenim uvjetima nalaze u jednom od tri osnovna tipa stanja mogu se mijenjati povećanjem ili smanjenjem temperature ili tlaka. Razmotrite moguće prijelaze iz jednog agregacijskog stanja u drugo, budući da se provode u prirodi, tehnologiji i svakodnevnom životu.
Koje je stanje agregacije?
Riječ latinskog podrijetla "aggrego" u prijevodu na ruski znači "pričvrstiti". Znanstveni pojam odnosi se na stanje istog tijela, tvari. Postojanje pri određenim temperaturnim vrijednostima i različitim pritiscima krutih tvari,plinova i tekućina karakterističan je za sve ljuske Zemlje. Uz tri osnovna agregatna stanja, postoji i četvrto. Pri povišenoj temperaturi i konstantnom tlaku plin se pretvara u plazmu. Da bismo bolje razumjeli što je agregacijsko stanje, potrebno je zapamtiti najsitnije čestice koje čine tvari i tijela.
Gornji dijagram prikazuje: a - plin; b - tekućina; c je čvrsto tijelo. Na takvim slikama krugovi označavaju strukturne elemente tvari. Ovo je simbol, zapravo, atomi, molekule, ioni nisu čvrste kuglice. Atomi se sastoje od pozitivno nabijene jezgre oko koje se velikom brzinom kreću negativno nabijeni elektroni. Poznavanje mikroskopske strukture materije pomaže boljem razumijevanju razlika koje postoje između različitih agregatnih oblika.
Predstave mikrokozmosa: od antičke Grčke do 17. stoljeća
Prve informacije o česticama koje čine fizička tijela pojavile su se u staroj Grčkoj. Mislioci Demokrit i Epikur uveli su takav koncept kao atom. Vjerovali su da ove najmanje nedjeljive čestice različitih tvari imaju oblik, određene veličine, sposobne su za kretanje i međusobnu interakciju. Atomistika je postala najnaprednije učenje antičke Grčke za svoje vrijeme. Ali njegov se razvoj usporio u srednjem vijeku. Od tada je znanstvenike progonila inkvizicija Rimokatoličke crkve. Stoga, sve do modernog doba, nije postojao jasan koncept o tome što je agregatno stanje materije. Tek nakon 17.stznanstvenici R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier formulirali su odredbe atomsko-molekularne teorije, koje ni danas nisu izgubile na značaju.
Atomi, molekule, ioni su mikroskopske čestice strukture materije
Značajan napredak u razumijevanju mikrokozmosa dogodio se u 20. stoljeću, kada je izumljen elektronski mikroskop. Uzimajući u obzir ranija otkrića znanstvenika, bilo je moguće sastaviti skladnu sliku mikrosvijeta. Teorije koje opisuju stanje i ponašanje najmanjih čestica materije prilično su složene i pripadaju području kvantne fizike. Da bismo razumjeli značajke različitih agregatnih stanja tvari, dovoljno je poznavati nazive i značajke glavnih strukturnih čestica koje tvore različite tvari.
- Atomi su kemijski nedjeljive čestice. Sačuvan u kemijskim reakcijama, ali uništen u nuklearnom. Metali i mnoge druge tvari atomske strukture imaju čvrsto agregacijsko stanje u normalnim uvjetima.
- Molekule su čestice koje se razgrađuju i formiraju u kemijskim reakcijama. Molekularnu strukturu imaju kisik, voda, ugljični dioksid, sumpor. Agregatno stanje kisika, dušika, sumporovog dioksida, ugljika, kisika u normalnim uvjetima je plinovito.
- Ioni su nabijene čestice u koje se atomi i molekule pretvaraju kada dobiju ili izgube elektrone - mikroskopske negativno nabijene čestice. Mnoge soli imaju ionsku strukturu, na primjer kuhinjska sol, željezo i bakrov sulfat.
Postoje tvari čije su čestice raspoređene na određeni način u prostoru. Naručeni relativni položajatoma, iona, molekula naziva se kristalna rešetka. Obično su ionske i atomske kristalne rešetke tipične za čvrste tvari, molekularne - za tekućine i plinove. Dijamant ima visoku tvrdoću. Njegovu atomsku kristalnu rešetku čine atomi ugljika. Ali meki grafit se također sastoji od atoma ovog kemijskog elementa. Samo što su drugačije smješteni u prostoru. Uobičajeno stanje agregacije sumpora je čvrsto, ali pri visokim temperaturama tvar se pretvara u tekućinu i amorfnu masu.
Tvari u čvrstom agregacijskom stanju
Čvrsta tijela u normalnim uvjetima zadržavaju svoj volumen i oblik. Na primjer, zrno pijeska, zrno šećera, soli, komad stijene ili metala. Ako se šećer zagrije, tvar se počinje topiti, pretvarajući se u viskoznu smeđu tekućinu. Prestanite grijati - opet dobivamo krutinu. To znači da je jedan od glavnih uvjeta za prijelaz krutine u tekućinu njezino zagrijavanje ili povećanje unutarnje energije čestica tvari. Može se mijenjati i kruto agregacijsko stanje soli, koja se koristi u hrani. Ali da biste otopili kuhinjsku sol, potrebna vam je viša temperatura nego kod zagrijavanja šećera. Činjenica je da se šećer sastoji od molekula, a kuhinjska sol od nabijenih iona, koji se jače međusobno privlače. Čvrste tvari u tekućem obliku ne zadržavaju svoj oblik jer se kristalne rešetke raspadaju.
Tekuće stanje agregacije soli tijekom taljenja objašnjava se prekidom veze između iona u kristalima. su pušteninabijene čestice koje mogu nositi električne naboje. Otopljene soli provode elektricitet i provodnici su. U kemijskoj, metalurškoj i inženjerskoj industriji krute tvari se pretvaraju u tekućine kako bi se od njih dobile nove spojeve ili im se dao drugačiji oblik. Metalne legure se široko koriste. Postoji nekoliko načina za njihovo dobivanje, povezanih s promjenama u agregacijskom stanju čvrstih sirovina.
Tekućina je jedno od osnovnih stanja agregacije
Ako sipate 50 ml vode u tikvicu s okruglim dnom, možete vidjeti da tvar odmah poprima oblik kemijske posude. Ali čim izlijemo vodu iz tikvice, tekućina će se odmah raširiti po površini stola. Volumen vode će ostati isti - 50 ml, a oblik će se promijeniti. Ove značajke su karakteristične za tekući oblik postojanja materije. Tekućine su mnoge organske tvari: alkoholi, biljna ulja, kiseline.
Mlijeko je emulzija, odnosno tekućina u kojoj se nalaze kapljice masti. Koristan tekući mineral je ulje. Vadi se iz bušotina pomoću bušaćih uređaja na kopnu i u oceanu. Morska voda je također sirovina za industriju. Njegova razlika od slatke vode rijeka i jezera leži u sadržaju otopljenih tvari, uglavnom soli. Tijekom isparavanja s površine vodenih tijela samo molekule H2O prelaze u stanje pare, ostaju otopljene tvari. Metode dobivanja korisnih tvari iz morske vode i metode njezinog pročišćavanja temelje se na ovom svojstvu.
Kadapotpuno uklanjanje soli, dobiva se destilirana voda. Kipi na 100°C, a smrzava se na 0°C. Slanice zakuhaju i pretvore se u led na različitim temperaturama. Na primjer, voda u Arktičkom oceanu smrzava se na površinskoj temperaturi od 2°C.
Agregatno stanje žive u normalnim uvjetima je tekućina. Ovaj srebrno-sivi metal obično se puni medicinskim termometrima. Kada se zagrije, stup žive se diže na ljestvici, tvar se širi. Zašto ulični termometri koriste crveno obojeni alkohol, a ne živu? To se objašnjava svojstvima tekućeg metala. Kod mrazeva od 30 stupnjeva, agregatno stanje žive se mijenja, tvar postaje čvrsta.
Ako se medicinski termometar pokvari i živa se prolije, opasno je podizati srebrne kuglice rukama. Štetno je udisati pare žive, ova tvar je vrlo otrovna. Djeca u takvim slučajevima trebaju potražiti pomoć od svojih roditelja, odraslih.
Plinsko stanje
Plinovi ne mogu zadržati svoj volumen ili oblik. Napunite tikvicu do vrha kisikom (njegova kemijska formula je O2). Čim otvorimo tikvicu, molekule tvari počet će se miješati sa zrakom u prostoriji. To je zbog Brownovog kretanja. Čak je i starogrčki znanstvenik Demokrit vjerovao da su čestice materije u stalnom kretanju. U krutim tvarima, u normalnim uvjetima, atomi, molekule, ioni nemaju priliku napustiti kristalnu rešetku, da se oslobode veza s drugim česticama. To je moguće samo kadavelike količine energije izvana.
U tekućinama, udaljenost između čestica je nešto veća nego u čvrstim tvarima, potrebno im je manje energije za prekid međumolekularnih veza. Na primjer, tekuće agregatno stanje kisika promatra se samo kada temperatura plina padne na -183 °C. Na -223 °C, O2 molekule tvore krutinu. Kada temperatura poraste iznad zadanih vrijednosti, kisik se pretvara u plin. U tom je obliku u normalnim uvjetima. U industrijskim poduzećima postoje posebne instalacije za odvajanje atmosferskog zraka i dobivanje dušika i kisika iz njega. Najprije se zrak hladi i ukapljuje, a zatim se temperatura postupno povećava. Dušik i kisik pretvaraju se u plinove pod različitim uvjetima.
Zemljina atmosfera sadrži 21% kisika i 78% dušika po volumenu. U tekućem obliku, ove tvari se ne nalaze u plinovitom omotu planeta. Tekući kisik ima svijetloplavu boju i puni se pod visokim tlakom u boce za uporabu u medicinskim ustanovama. U industriji i građevinarstvu ukapljeni plinovi su neophodni za mnoge procese. Kisik je potreban za plinsko zavarivanje i rezanje metala, u kemiji - za reakcije oksidacije anorganskih i organskih tvari. Ako otvorite ventil boce s kisikom, tlak se smanjuje, tekućina se pretvara u plin.
Ukapljeni propan, metan i butan naširoko se koriste u energetici, transportu, industriji i kućanstvima. Te se tvari dobivaju iz prirodnog plina ili krekiranjem(cijepanje) sirove nafte. Tekuće i plinovite mješavine ugljika igraju važnu ulogu u gospodarstvu mnogih zemalja. Ali rezerve nafte i prirodnog plina ozbiljno su iscrpljene. Prema znanstvenicima, ova sirovina će trajati 100-120 godina. Alternativni izvor energije je strujanje zraka (vjetar). Brze rijeke, plime i oseke na obalama mora i oceana koriste se za pogon elektrana.
Kisik, kao i drugi plinovi, može biti u četvrtom stanju agregacije, predstavljajući plazmu. Neobičan prijelaz iz čvrstog u plinovito stanje karakteristično je obilježje kristalnog joda. Tamnoljubičasta tvar podvrgava se sublimaciji - pretvara se u plin, zaobilazeći tekuće stanje.
Kako se provode prijelazi iz jednog agregatnog oblika materije u drugi?
Promjene u agregatnom stanju tvari nisu povezane s kemijskim transformacijama, to su fizikalne pojave. Kada temperatura poraste, mnoge krute tvari se tope i pretvaraju u tekućine. Daljnji porast temperature može dovesti do isparavanja, odnosno do plinovitog stanja tvari. U prirodi i gospodarstvu takvi prijelazi karakteristični su za jednu od glavnih tvari na Zemlji. Led, tekućina, para su stanja vode u različitim vanjskim uvjetima. Spoj je isti, njegova formula je H2O. Na temperaturi od 0 °C i ispod ove vrijednosti voda kristalizira, odnosno pretvara se u led. Kada temperatura poraste, nastali kristali se uništavaju - led se topi, ponovno se dobiva tekuća voda. Kada se zagrije, nastaje vodena para. isparavanje -transformacija vode u plin - ide i pri niskim temperaturama. Na primjer, smrznute lokve postupno nestaju jer voda isparava. Čak i po hladnom vremenu, mokra se odjeća suši, ali taj proces traje dulje nego po vrućem danu.
Svi navedeni prijelazi vode iz jednog stanja u drugo od velike su važnosti za prirodu Zemlje. Atmosferske pojave, klima i vrijeme povezani su s isparavanjem vode s površine oceana, prijenosom vlage u obliku oblaka i magle na kopno, oborinama (kiša, snijeg, tuča). Ovi fenomeni čine osnovu svjetskog ciklusa vode u prirodi.
Kako se mijenjaju agregatna stanja sumpora?
U normalnim uvjetima, sumpor je svijetli sjajni kristali ili svijetložuti prah, tj. čvrsta je tvar. Agregatno stanje sumpora mijenja se zagrijavanjem. Prvo, kada temperatura poraste na 190 ° C, žuta tvar se topi, pretvarajući se u pokretnu tekućinu.
Ako tekući sumpor brzo ulijete u hladnu vodu, dobit ćete smeđu amorfnu masu. Daljnjim zagrijavanjem taline sumpora ona postaje sve viskoznija i tamni. Na temperaturama iznad 300 ° C ponovno se mijenja stanje agregacije sumpora, tvar poprima svojstva tekućine, postaje pokretna. Ovi prijelazi nastaju zbog sposobnosti atoma elementa da formiraju lance različitih duljina.
Zašto tvari mogu biti u različitim fizičkim stanjima?
Stanje agregacije sumpora - jednostavne tvari - je čvrsto u normalnim uvjetima. Sumporni dioksid - plin, sumporna kiselina -uljasta tekućina teža od vode. Za razliku od klorovodične i dušične kiseline, nije hlapljiv; molekule ne isparavaju s njegove površine. Kakvo je agregacijsko stanje plastičnog sumpora koji se dobiva zagrijavanjem kristala?
U amorfnom obliku, tvar ima strukturu tekućine, s blagom fluidnošću. Ali plastični sumpor istovremeno zadržava svoj oblik (kao krutina). Postoje tekući kristali koji imaju niz karakterističnih svojstava čvrstih tvari. Dakle, stanje tvari u različitim uvjetima ovisi o njezinoj prirodi, temperaturi, tlaku i drugim vanjskim uvjetima.
Koje su značajke u strukturi čvrstih tijela?
Postojeće razlike između osnovnih agregatnih stanja materije objašnjavaju se interakcijom između atoma, iona i molekula. Na primjer, zašto čvrsto agregatno stanje tvari dovodi do sposobnosti tijela da održe volumen i oblik? U kristalnoj rešetki metala ili soli, strukturne čestice se privlače jedna drugoj. U metalima pozitivno nabijeni ioni stupaju u interakciju s takozvanim "elektronskim plinom" - akumulacijom slobodnih elektrona u komadu metala. Kristali soli nastaju zbog privlačenja suprotno nabijenih čestica – iona. Udaljenost između gore navedenih strukturnih jedinica čvrstih tijela mnogo je manja od veličine samih čestica. U ovom slučaju djeluje elektrostatičko privlačenje, daje snagu, a odbijanje nije dovoljno snažno.
Da bi se uništilo čvrsto stanje agregacije materije, potrebno jepotruditi se. Metali, soli, atomski kristali tope se na vrlo visokim temperaturama. Na primjer, željezo postaje tekuće na temperaturama iznad 1538 °C. Volfram je vatrostalan i koristi se za izradu žarulja sa žarnom niti za žarulje. Postoje legure koje postaju tekuće na temperaturama iznad 3000 °C. Mnoge stijene i minerali na Zemlji su u čvrstom stanju. Ova sirovina se vadi uz pomoć opreme u rudnicima i kamenolomima.
Da biste odvojili čak i jedan ion od kristala, potrebno je potrošiti veliku količinu energije. No, nakon svega, dovoljno je otopiti sol u vodi da se kristalna rešetka raspadne! Ovaj fenomen se objašnjava nevjerojatnim svojstvima vode kao polarnog otapala. H2O molekule komuniciraju s ionima soli, uništavajući kemijsku vezu između njih. Dakle, otapanje nije jednostavno miješanje različitih tvari, već fizička i kemijska interakcija između njih.
Kako molekule tekućina međusobno djeluju?
Voda može biti tekuća, čvrsta i plinovita (para). Ovo su njegova glavna stanja agregacije u normalnim uvjetima. Molekule vode se sastoje od jednog atoma kisika s dva atoma vodika vezana za njega. Dolazi do polarizacije kemijske veze u molekuli, pojavljuje se djelomični negativni naboj na atomima kisika. Vodik postaje pozitivni pol u molekuli i privlači ga atom kisika druge molekule. Ova slaba sila naziva se "vodikova veza".
Karakterizirajte agregatno stanje tekućineudaljenosti između strukturnih čestica usporedive s njihovim veličinama. Privlačnost postoji, ali je slaba, pa voda ne zadržava svoj oblik. Do isparavanja dolazi zbog razaranja veza, što se događa na površini tekućine čak i na sobnoj temperaturi.
Postoje li međumolekularne interakcije u plinovima?
Plinovito stanje tvari razlikuje se od tekućeg i krutog u nizu parametara. Između strukturnih čestica plinova postoje velike praznine, mnogo veće od veličine molekula. U ovom slučaju sile privlačenja uopće ne djeluju. Plinovito agregacijsko stanje karakteristično je za tvari prisutne u zraku: dušik, kisik, ugljični dioksid. Na slici ispod, prva kocka je napunjena plinom, druga tekućinom, a treća čvrstim tijelom.
Mnoge tekućine su hlapljive, molekule tvari se odvajaju od njihove površine i prelaze u zrak. Primjerice, prinesete li vatu umočenu u amonijak na otvor otvorene boce klorovodične kiseline, pojavi se bijeli dim. Upravo u zraku dolazi do kemijske reakcije između klorovodične kiseline i amonijaka, dobiva se amonijev klorid. U kakvom se agregatnom stanju nalazi ova tvar? Njegove čestice, koje tvore bijeli dim, najmanji su čvrsti kristali soli. Ovaj eksperiment se mora izvesti ispod dimovodne nape, tvari su otrovne.
Zaključak
Stanje agregacije plina proučavali su mnogi istaknuti fizičari i kemičari: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeljejev, Le Chatelier. Znanstvenici su formulirali zakone koji objašnjavaju ponašanje plinovitih tvari u kemijskim reakcijama pri promjeni vanjskih uvjeta. Otvorene zakonitosti nisu ušle samo u školske i sveučilišne udžbenike fizike i kemije. Mnoge kemijske industrije temelje se na znanju o ponašanju i svojstvima tvari u različitim agregatnim stanjima.
