Pitanja o tome šta je agregatno stanje, koje karakteristike i svojstva imaju čvrste materije, tečnosti i gasovi, razmatraju se na nekoliko kurseva obuke. Postoje tri klasična stanja materije, sa svojim karakterističnim karakteristikama strukture. Njihovo razumijevanje je važna tačka u razumijevanju nauka o Zemlji, živim organizmima i proizvodnim aktivnostima. Ova pitanja proučavaju fizika, hemija, geografija, geologija, fizička hemija i druge naučne discipline. Supstance koje se nalaze pod određenim uslovima u jednom od tri osnovna tipa stanja mogu se menjati sa povećanjem ili smanjenjem temperature ili pritiska. Razmotrite moguće prijelaze iz jednog agregacijskog stanja u drugo, kako se oni izvode u prirodi, tehnologiji i svakodnevnom životu.
Koje je stanje agregacije?
Reč latinskog porekla "aggrego" prevedena na ruski znači "pričvrstiti". Naučni termin se odnosi na stanje istog tijela, supstance. Postojanje pri određenim temperaturnim vrijednostima i različitim pritiscima čvrstih tvari,gasova i tečnosti karakterističan je za sve ljuske Zemlje. Pored tri osnovna agregatna stanja, postoji i četvrto. Pri povišenoj temperaturi i konstantnom pritisku, plin se pretvara u plazmu. Da bismo bolje razumjeli šta je agregacijsko stanje, potrebno je zapamtiti najsitnije čestice koje čine tvari i tijela.
Gornji dijagram prikazuje: a - plin; b - tečnost; c je čvrsto tijelo. Na takvim slikama krugovi označavaju strukturne elemente tvari. Ovo je simbol, u stvari, atomi, molekuli, ioni nisu čvrste lopte. Atomi se sastoje od pozitivno nabijenog jezgra oko kojeg se negativno nabijeni elektroni kreću velikom brzinom. Poznavanje mikroskopske strukture materije pomaže da se bolje razumiju razlike koje postoje između različitih agregatnih oblika.
Predstave mikrokosmosa: od antičke Grčke do 17. veka
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 supstanci imaju oblik, određene veličine, sposobne su za kretanje i interakciju jedna s drugom. Atomistika je postala najnaprednije učenje antičke Grčke za svoje vrijeme. Ali njegov razvoj je usporen u srednjem vijeku. Od tada su naučnici bili proganjani od strane inkvizicije Rimokatoličke crkve. Stoga, sve do modernog doba, nije postojao jasan koncept o tome šta je agregatno stanje materije. Tek posle 17. vekanaučnici R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier formulirali su odredbe atomsko-molekularne teorije, koje ni danas nisu izgubile na značaju.
Atomi, molekuli, joni su mikroskopske čestice strukture materije
Značajan napredak u razumijevanju mikrokosmosa dogodio se u 20. vijeku, kada je izumljen elektronski mikroskop. Uzimajući u obzir ranija otkrića naučnika, bilo je moguće sastaviti skladnu sliku mikrosvijeta. Teorije koje opisuju stanje i ponašanje najmanjih čestica materije su prilično složene i pripadaju polju kvantne fizike. Da biste razumjeli karakteristike različitih agregatnih stanja materije, dovoljno je znati imena i karakteristike glavnih strukturnih čestica koje formiraju različite supstance.
- Atomi su hemijski nedjeljive čestice. Sačuvan u hemijskim reakcijama, ali uništen u nuklearnom. Metali i mnoge druge supstance atomske strukture imaju čvrsto stanje agregacije u normalnim uslovima.
- Molekule su čestice koje se razgrađuju i formiraju u hemijskim reakcijama. Molekularnu strukturu imaju kiseonik, voda, ugljični dioksid, sumpor. Agregatno stanje kiseonika, azota, sumpordioksida, ugljenika, kiseonika u normalnim uslovima je gasovito.
- Ioni su nabijene čestice u koje se atomi i molekuli pretvaraju kada dobiju ili izgube elektrone - mikroskopske negativno nabijene čestice. Mnoge soli imaju jonsku strukturu, na primjer kuhinjska so, željezo i bakar sulfat.
Postoje supstance čije su čestice raspoređene na određeni način u prostoru. Naređeni relativni položajatoma, jona, 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 formiraju atomi ugljika. Ali meki grafit se također sastoji od atoma ovog hemijskog elementa. Samo što su različito smješteni u prostoru. Uobičajeno stanje agregacije sumpora je čvrsto, ali na visokim temperaturama supstanca se pretvara u tečnost i amorfnu masu.
Supstance u čvrstom stanju agregacije
Čvrsta tijela u normalnim uvjetima zadržavaju svoj volumen i oblik. Na primjer, zrno pijeska, zrno šećera, soli, komad kamena ili metala. Ako se šećer zagrije, tvar se počinje topiti, pretvarajući se u viskoznu smeđu tekućinu. Prestanite sa grijanjem - opet dobijamo čvrstu supstancu. To znači da je jedan od glavnih uslova za prelazak čvrste supstance u tečnost njeno zagrevanje ili povećanje unutrašnje energije čestica supstance. Čvrsto agregacijsko stanje soli, koja se koristi u hrani, također se može promijeniti. Ali da biste otopili kuhinjsku sol, potrebna vam je viša temperatura nego pri zagrijavanju šećera. Činjenica je da se šećer sastoji od molekula, a kuhinjska so od nabijenih jona, koji se međusobno jače privlače. Čvrste tvari u tečnom obliku ne zadržavaju svoj oblik jer se kristalne rešetke raspadaju.
Tečno stanje agregacije soli tokom topljenja objašnjava se prekidom veze između jona u kristalima. su pušteninabijene čestice koje mogu nositi električne naboje. Otopljene soli provode elektricitet i provodnici su. U hemijskoj, metalurškoj i inženjerskoj industriji, čvrste materije se pretvaraju u tečnosti kako bi se od njih dobila nova jedinjenja ili im dali drugačiji oblici. Metalne legure se široko koriste. Postoji nekoliko načina za njihovo dobijanje, povezanih sa promenama agregacionog stanja čvrstih sirovina.
Tečnost je jedno od osnovnih stanja agregacije
Ako sipate 50 ml vode u tikvicu sa okruglim dnom, možete vidjeti da supstanca odmah poprima oblik hemijske posude. Ali čim izlijemo vodu iz tikvice, tečnost će se odmah raširiti po površini stola. Količina vode će ostati ista - 50 ml, a njen oblik će se promijeniti. Ove karakteristike su karakteristične za tečni oblik postojanja materije. Tečnosti su mnoge organske supstance: alkoholi, biljna ulja, kiseline.
Mlijeko je emulzija, odnosno tekućina u kojoj se nalaze kapljice masti. Koristan tečni mineral je ulje. Vadi se iz bušotina pomoću opreme za bušenje na kopnu iu okeanu. Morska voda je takođe sirovina za industriju. Njegova razlika od slatke vode rijeka i jezera leži u sadržaju otopljenih tvari, uglavnom soli. Tokom isparavanja sa površine vodenih tijela, samo molekuli H2O prelaze u stanje pare, a otopljene tvari ostaju. Metode za dobijanje korisnih materija iz morske vode i metode za njeno prečišćavanje zasnivaju se na ovom svojstvu.
Kadapotpuno uklanjanje soli, dobija se destilovana voda. Kipi na 100°C i smrzava se na 0°C. Slanice ključaju i pretvaraju se u led na različitim temperaturama. Na primjer, voda u Arktičkom okeanu se smrzava na površinskoj temperaturi od 2°C.
Agregatno stanje žive u normalnim uslovima je tečnost. Ovaj srebrno-sivi metal se obično 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 tečnog metala. Kod mrazeva od 30 stepeni, agregatno stanje žive se menja, supstanca postaje čvrsta.
Ako se medicinski termometar pokvari i živa se prospe, opasno je podizati srebrne kuglice rukama. Štetno je udisati pare žive, ova supstanca je vrlo toksična. Djeca u takvim slučajevima treba da traže pomoć od roditelja, odraslih.
Stanje plina
Plinovi ne mogu zadržati svoju zapreminu ili oblik. Napunite balon do vrha kiseonikom (njegova hemijska formula je O2). Čim otvorimo bocu, molekuli supstance će se početi mešati sa vazduhom u prostoriji. To je zbog Brownovog kretanja. Čak je i starogrčki naučnik Demokrit vjerovao da su čestice materije u stalnom kretanju. U čvrstim tijelima, u normalnim uvjetima, atomi, molekuli, ioni nemaju mogućnost da napuste kristalnu rešetku, da se oslobode veza s drugim česticama. Ovo je moguće samo kadavelike količine energije izvana.
U tečnostima je rastojanje između čestica nešto veće nego u čvrstim materijama, potrebno im je manje energije da razbiju međumolekularne veze. Na primjer, tečno agregatno stanje kisika se opaža samo kada temperatura plina padne na -183 °C. Na -223 °C, O2 molekuli formiraju čvrstu supstancu. Kada temperatura poraste iznad datih vrednosti, kiseonik se pretvara u gas. U ovom obliku je u normalnim uslovima. U industrijskim preduzećima postoje posebne instalacije za odvajanje atmosferskog vazduha i dobijanje azota i kiseonika iz njega. Prvo se zrak hladi i ukapljuje, a zatim se temperatura postepeno povećava. Azot i kiseonik se pretvaraju u gasove pod različitim uslovima.
Zemljina atmosfera sadrži 21% kiseonika i 78% azota po zapremini. U tečnom obliku, ove supstance se ne nalaze u gasovitom omotaču planete. Tečni kiseonik ima svetloplavu boju i puni se pod visokim pritiskom u boce za upotrebu u medicinskim ustanovama. U industriji i građevinarstvu, tečni plinovi su neophodni za mnoge procese. Kiseonik je potreban za gasno zavarivanje i rezanje metala, u hemiji - za reakcije oksidacije neorganskih i organskih materija. Ako otvorite ventil boce za kiseonik, pritisak se smanjuje, tečnost se pretvara u gas.
Tečni propan, metan i butan se široko koriste u energetici, transportu, industriji i kućanstvima. Ove supstance se dobijaju iz prirodnog gasa ili krekingom(cijepanje) sirove nafte. Tečne i gasovite mešavine ugljenika igraju važnu ulogu u ekonomiji mnogih zemalja. Ali rezerve nafte i prirodnog gasa su ozbiljno iscrpljene. Prema naučnicima, ova sirovina će trajati 100-120 godina. Alternativni izvor energije je strujanje zraka (vjetar). Brze rijeke, plime i oseke na obalama mora i okeana koriste se za rad elektrana.
Kiseonik, kao i drugi gasovi, može biti u četvrtom stanju agregacije, predstavljajući plazmu. Neobičan prijelaz iz čvrstog u plinovito stanje je karakteristična karakteristika kristalnog joda. Tamnoljubičasta supstanca se podvrgava sublimaciji - pretvara se u gas, zaobilazeći tečno stanje.
Kako se provode prijelazi iz jednog agregatnog oblika materije u drugi?
Promjene u agregatnom stanju tvari nisu povezane s kemijskim transformacijama, to su fizičke pojave. Kada temperatura poraste, mnoge čvrste tvari se tope i pretvaraju u tekućine. Daljnji porast temperature može dovesti do isparavanja, odnosno do plinovitog stanja tvari. U prirodi i ekonomiji, takvi prijelazi su karakteristični za jednu od glavnih supstanci na Zemlji. Led, tečnost, para su stanja vode pod različitim spoljnim uslovima. Jedinjenje je isto, 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, ponovo se dobiva tečna voda. Kada se zagrije, nastaje vodena para. isparavanje -transformacija vode u gas - ide čak i na niskim temperaturama. Na primjer, smrznute lokve postepeno nestaju jer voda isparava. Čak i po mraznom vremenu, mokra odjeća se suši, ali ovaj proces traje duže nego po vrućem danu.
Svi navedeni prelazi vode iz jednog stanja u drugo od velike su važnosti za prirodu Zemlje. Atmosferske pojave, klima i vrijeme povezani su sa isparavanjem vode sa površine okeana, prijenosom vlage u obliku oblaka i magle na kopno, padavinama (kiša, snijeg, grad). Ovi fenomeni čine osnovu svjetskog ciklusa vode u prirodi.
Kako se mijenjaju agregatna stanja sumpora?
U normalnim uslovima, sumpor je svetli sjajni kristali ili svetlo žuti prah, tj. čvrsta je supstanca. Agregatno stanje sumpora se mijenja kada se zagrije. Prvo, kada temperatura poraste na 190°C, žuta supstanca se topi, pretvarajući se u pokretnu tečnost.
Ako brzo sipate tečni sumpor u hladnu vodu, dobićete smeđu amorfnu masu. Daljnjim zagrijavanjem taline sumpora ona postaje sve viskoznija i tamni. Na temperaturama iznad 300 ° C, stanje agregacije sumpora se ponovo mijenja, tvar poprima svojstva tekućine, postaje pokretna. Ovi prijelazi nastaju zbog sposobnosti atoma elementa da formiraju lance različitih dužina.
Zašto supstance mogu biti u različitim fizičkim stanjima?
Stanje agregacije sumpora - jednostavne supstance - je čvrsto u normalnim uslovima. Sumpor dioksid - gas, sumporna kiselina -uljasta tečnost teža od vode. Za razliku od hlorovodonične i dušične kiseline, nije hlapljiv; molekuli ne isparavaju s njegove površine. Kakvo je agregacijsko stanje plastičnog sumpora koji se dobija zagrijavanjem kristala?
U amorfnom obliku, supstanca ima strukturu tečnosti, sa blagom fluidnošću. Ali plastični sumpor istovremeno zadržava svoj oblik (kao čvrsta supstanca). Postoje tečni kristali koji imaju niz karakterističnih osobina čvrstih materija. Dakle, stanje materije pod različitim uslovima zavisi od njene prirode, temperature, pritiska i drugih spoljašnjih uslova.
Koje su karakteristike u strukturi čvrstih materija?
Postojeće razlike između osnovnih agregatnih stanja materije objašnjavaju se interakcijom između atoma, jona i molekula. Na primjer, zašto čvrsto agregatno stanje materije 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 joni stupaju u interakciju s takozvanim "elektronskim plinom" - akumulacijom slobodnih elektrona u komadu metala. Kristali soli nastaju zbog privlačenja suprotno nabijenih čestica - jona. Udaljenost između gore navedenih strukturnih jedinica čvrstih tijela je mnogo 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, neophodno jetruditi se. Metali, soli, atomski kristali tope se na vrlo visokim temperaturama. Na primjer, željezo postaje tečno na temperaturama iznad 1538 °C. Volfram je vatrostalan i koristi se za izradu žarulja sa žarnom niti za sijalice. Postoje legure koje postaju tečne 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. Ali na kraju krajeva, dovoljno je otopiti sol u vodi da se kristalna rešetka raspadne! Ovaj fenomen se objašnjava nevjerovatnim svojstvima vode kao polarnog rastvarača. H2O molekuli interaguju sa ionima soli, uništavajući hemijsku vezu između njih. Dakle, rastvaranje nije jednostavno miješanje različitih supstanci, već fizička i hemijska interakcija između njih.
Kako molekuli tečnosti interaguju?
Voda može biti tečna, čvrsta i gasovita (para). Ovo su njegova glavna stanja agregacije u normalnim uslovima. Molekule vode se sastoje od jednog atoma kiseonika sa dva atoma vodonika vezana za njega. Dolazi do polarizacije kemijske veze u molekuli, na atomima kisika pojavljuje se djelomični negativni naboj. Vodik postaje pozitivni pol u molekuli i privlači ga atom kisika druge molekule. Ova slaba sila se zove "vodikova veza".
Karakterizirati tečno stanje agregacijeudaljenosti između strukturnih čestica uporedive s njihovim veličinama. Privlačnost postoji, ali je slaba, pa voda ne zadržava svoj oblik. Do isparavanja dolazi zbog razaranja veza, koje se javlja na površini tečnosti čak i na sobnoj temperaturi.
Postoje li međumolekularne interakcije u plinovima?
Gasovito stanje materije razlikuje se od tečnog i čvrstog u nizu parametara. Između strukturnih čestica gasova postoje velike praznine, mnogo veće od veličine molekula. U ovom slučaju sile privlačenja uopće ne djeluju. Gasovito agregacijsko stanje je karakteristično za tvari prisutne u zraku: dušik, kisik, ugljični dioksid. Na slici ispod, prva kocka je ispunjena gasom, druga tečnošću, a treća čvrstim materijalom.
Mnoge tečnosti su isparljive, molekuli supstance se odvajaju od njihove površine i prelaze u vazduh. Na primjer, ako prinesete pamučni štapić namočen u amonijak na otvor otvorene boce hlorovodonične kiseline, pojavljuje se bijeli dim. Pravo u zraku dolazi do kemijske reakcije između hlorovodonične kiseline i amonijaka, dobija se amonijum hlorid. U kakvom se stanju materije nalazi ova supstanca? Njegove čestice, koje formiraju bijeli dim, su najmanji čvrsti kristali soli. Ovaj eksperiment se mora izvesti pod dimnjakom, supstance su otrovne.
Zaključak
Stanje agregacije gasa proučavali su mnogi istaknuti fizičari i hemičari: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeljejev, Le Chatelier. Naučnici su formulisali zakone koji objašnjavaju ponašanje gasovitih supstanci u hemijskim reakcijama kada se spoljni uslovi promene. Otvorene zakonitosti nisu ušle samo u školske i univerzitetske udžbenike fizike i hemije. Mnoge hemijske industrije zasnivaju se na znanju o ponašanju i svojstvima supstanci u različitim agregatnim stanjima.
