Frågor om vad ett aggregeringstillstånd är, vilka egenskaper och egenskaper som har fasta ämnen, vätskor och gaser, behandlas i flera utbildningar. Det finns tre klassiska materiatillstånd, med sina egna karaktäristiska drag av strukturen. Deras förståelse är en viktig punkt för att förstå jordens vetenskaper, levande organismer och produktionsaktiviteter. Dessa frågor studeras av fysik, kemi, geografi, geologi, fysikalisk kemi och andra vetenskapliga discipliner. Ämnen som under vissa förhållanden befinner sig i någon av de tre grundläggande tillståndstyperna kan förändras med en ökning eller minskning av temperatur eller tryck. Tänk på möjliga övergångar från ett tillstånd av aggregering till ett annat, eftersom de utförs i naturen, tekniken och vardagen.
Vilket är aggregationsläget?
Ordet av latinskt ursprung "aggrego" översatt till ryska betyder "fästa". Den vetenskapliga termen syftar på tillståndet hos samma kropp, substans. Existens vid vissa temperaturvärden och olika tryck av fasta ämnen,gaser och vätskor är karakteristiska för alla jordens skal. Utöver de tre grundläggande aggregerade tillstånden finns det också ett fjärde. Vid förhöjd temperatur och konstant tryck förvandlas gasen till ett plasma. För att bättre förstå vad ett aggregationstillstånd är, är det nödvändigt att komma ihåg de minsta partiklarna som utgör ämnen och kroppar.
Diagrammet ovan visar: a - gas; b - vätska; c är en solid kropp. I sådana figurer indikerar cirklar de strukturella elementen i ämnen. Detta är en symbol, i själva verket är atomer, molekyler, joner inte solida bollar. Atomer består av en positivt laddad kärna runt vilken negativt laddade elektroner rör sig med hög hastighet. Kunskap om materiens mikroskopiska struktur hjälper till att bättre förstå de skillnader som finns mellan olika aggregerade former.
Representationer av mikrokosmos: från antikens Grekland till 1600-talet
Den första informationen om partiklarna som utgör fysiska kroppar dök upp i antikens Grekland. Tänkarna Demokrit och Epikuros introducerade ett sådant koncept som en atom. De trodde att dessa minsta odelbara partiklar av olika ämnen har en form, vissa storlekar, kan röra sig och interagera med varandra. Atomistik blev den mest avancerade läran i det antika Grekland för sin tid. Men dess utveckling avtog under medeltiden. Sedan dess har vetenskapsmän förföljts av den romersk-katolska kyrkans inkvisition. Fram till modern tid fanns det därför ingen tydlig uppfattning om vad materiens aggregeringstillstånd är. Först efter 1600-taletforskarna R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier formulerade bestämmelserna i den atom-molekylära teorin, som inte har förlorat sin betydelse än idag.
Atomer, molekyler, joner är mikroskopiska partiklar av materiens struktur
Ett betydande genombrott i förståelsen av mikrokosmos inträffade på 1900-talet, när elektronmikroskopet uppfanns. Med hänsyn till upptäckterna som gjorts av forskare tidigare var det möjligt att sätta ihop en harmonisk bild av mikrovärlden. Teorier som beskriver tillståndet och beteendet hos de minsta partiklarna av materia är ganska komplexa; de tillhör kvantfysikens område. För att förstå egenskaperna hos olika aggregattillstånd av materia räcker det att känna till namnen och egenskaperna hos de viktigaste strukturella partiklarna som bildar olika ämnen.
- Atomer är kemiskt odelbara partiklar. Bevarad i kemiska reaktioner, men förstörd i kärnkraft. Metaller och många andra ämnen med atomstruktur har ett fast aggregationstillstånd under normala förhållanden.
- Molekyler är partiklar som bryts ner och bildas i kemiska reaktioner. Molekylstrukturen har syre, vatten, koldioxid, svavel. Det aggregerade tillståndet av syre, kväve, svaveldioxid, kol, syre under normala förhållanden är gasformigt.
- Joner är laddade partiklar som atomer och molekyler omvandlas till när de får eller förlorar elektroner - mikroskopiska negativt laddade partiklar. Många s alter har en jonisk struktur, till exempel bordss alt, järn och kopparsulfat.
Det finns ämnen vars partiklar är ordnade på ett visst sätt i rymden. Beställd relativ positionatomer, joner, molekyler kallas ett kristallgitter. Vanligtvis är joniska och atomära kristallgitter typiska för fasta ämnen, molekylära - för vätskor och gaser. Diamant har en hög hårdhet. Dess atomära kristallgitter bildas av kolatomer. Men mjuk grafit består också av atomer av detta kemiska element. Bara de är placerade annorlunda i rymden. Det vanliga tillståndet för aggregation av svavel är fast, men vid höga temperaturer förvandlas ämnet till en vätska och en amorf massa.
Ämnen i fast aggregationstillstånd
Solida kroppar under normala förhållanden behåller sin volym och form. Till exempel ett sandkorn, ett sockerkorn, s alt, en stenbit eller metall. Om socker värms upp börjar ämnet smälta och förvandlas till en trögflytande brun vätska. Sluta värma - igen får vi en solid. Detta betyder att ett av huvudvillkoren för övergången av ett fast ämne till en vätska är dess uppvärmning eller en ökning av den inre energin hos partiklarna i ett ämne. Det fasta tillståndet för aggregation av s alt, som används i livsmedel, kan också ändras. Men för att smälta bordss alt behöver du en högre temperatur än när du värmer socker. Faktum är att socker består av molekyler, och bordss alt består av laddade joner, som är starkare attraherade av varandra. Fasta ämnen i flytande form behåller inte sin form eftersom kristallgittren bryts ner.
Det flytande tillståndet för aggregation av s alt under smältning förklaras av brytningen av bindningen mellan joner i kristaller. är släpptaladdade partiklar som kan bära elektriska laddningar. Smälta s alter leder elektricitet och är ledare. I den kemiska, metallurgiska och verkstadsindustrin omvandlas fasta ämnen till vätskor för att få nya föreningar från dem eller ge dem olika former. Metallegeringar används ofta. Det finns flera sätt att erhålla dem, förknippade med förändringar i tillståndet för aggregering av fasta råvaror.
Liquid är ett av de grundläggande aggregationstillstånden
Om du häller 50 ml vatten i en rundbottnad kolv kan du se att ämnet omedelbart tar formen av ett kemikaliekärl. Men så snart vi häller vattnet ur kolven kommer vätskan omedelbart att spridas över bordets yta. Volymen vatten kommer att förbli densamma - 50 ml, och dess form kommer att förändras. Dessa egenskaper är karakteristiska för den flytande formen av existensen av materia. Vätskor är många organiska ämnen: alkoholer, vegetabiliska oljor, syror.
Mjölk är en emulsion, det vill säga en vätska där det finns fettdroppar. Ett användbart flytande mineral är olja. Det utvinns från brunnar med hjälp av borriggar på land och i havet. Havsvatten är också en råvara för industrin. Dess skillnad från sötvattnet i floder och sjöar ligger i innehållet av lösta ämnen, främst s alter. Under avdunstning från vattenkropparnas yta passerar endast H2O-molekyler till ångtillståndet, lösta ämnen finns kvar. Metoder för att erhålla användbara ämnen från havsvatten och metoder för dess rening baseras på denna egenskap.
Närfullständigt avlägsnande av s alter erhålls destillerat vatten. Det kokar vid 100°C och fryser vid 0°C. S altlaken kokar och blir till is vid olika temperaturer. Till exempel fryser vatten i Ishavet vid en yttemperatur på 2°C.
Det sammanlagda tillståndet för kvicksilver under normala förhållanden är en vätska. Denna silvergrå metall är vanligtvis fylld med medicinska termometrar. Vid upphettning stiger kvicksilverpelaren på skalan, ämnet expanderar. Varför använder gattermometrar rödfärgad alkohol och inte kvicksilver? Detta förklaras av egenskaperna hos flytande metall. Vid 30-graders frost förändras kvicksilvrets samlade tillstånd, ämnet blir fast.
Om en medicinsk termometer går sönder och kvicksilver rinner ut är det farligt att plocka upp silverkulor med händerna. Det är skadligt att andas in kvicksilverånga, detta ämne är mycket giftigt. Barn i sådana fall bör söka hjälp från sina föräldrar, vuxna.
Gastillstånd
Gaser kan inte behålla sin volym eller form. Fyll kolven till toppen med syre (dess kemiska formel är O2). Så fort vi öppnar kolven kommer ämnets molekyler att börja blandas med luften i rummet. Detta beror på Brownsk rörelse. Även den antike grekiske vetenskapsmannen Demokritos trodde att materiens partiklar är i konstant rörelse. I fasta ämnen, under normala förhållanden, har atomer, molekyler, joner inte möjlighet att lämna kristallgittret, för att frigöra sig från bindningar med andra partiklar. Detta är endast möjligt närstora mängder energi utifrån.
I vätskor är avståndet mellan partiklar något större än i fasta ämnen, de kräver mindre energi för att bryta intermolekylära bindningar. Till exempel observeras det flytande aggregerade tillståndet av syre endast när gastemperaturen sjunker till -183 °C. Vid −223 °C bildar O2 molekyler ett fast ämne. När temperaturen stiger över de givna värdena förvandlas syre till en gas. Det är i denna form som det är under normala förhållanden. Vid industriföretag finns speciella installationer för att separera atmosfärisk luft och få kväve och syre från den. Först kyls och flytande luften, och sedan höjs temperaturen gradvis. Kväve och syre förvandlas till gaser under olika förhållanden.
Jordens atmosfär innehåller 21 % syre och 78 % kväve i volym. I flytande form finns dessa ämnen inte i planetens gashölje. Flytande syre har en ljusblå färg och fylls under högt tryck i cylindrar för användning i medicinska anläggningar. Inom industri och byggnation är flytande gaser nödvändiga för många processer. Syre behövs för gassvetsning och skärning av metaller, i kemi - för oxidationsreaktioner av oorganiska och organiska ämnen. Om du öppnar ventilen på syrgasflaskan minskar trycket, vätskan förvandlas till en gas.
Flytande propan, metan och butan används i stor utsträckning inom energi, transport, industri och hushållsverksamhet. Dessa ämnen erhålls från naturgas eller genom sprickbildning(klyvning) av råolja. Kolvätske- och gasblandningar spelar en viktig roll i ekonomin i många länder. Men olje- och naturgasreserverna är kraftigt uttömda. Enligt forskare kommer denna råvara att hålla i 100-120 år. En alternativ energikälla är luftflöde (vind). Snabbströmmande floder, tidvatten vid havets och havens stränder används för att driva kraftverk.
Syre, liksom andra gaser, kan vara i det fjärde aggregationstillståndet, vilket representerar ett plasma. En ovanlig övergång från ett fast till ett gasformigt tillstånd är en karakteristisk egenskap hos kristallint jod. En mörklila substans genomgår sublimering - förvandlas till en gas som går förbi det flytande tillståndet.
Hur går övergångar från en aggregerad form av materia till en annan?
Förändringar i ämnens aggregerade tillstånd är inte förknippade med kemiska omvandlingar, dessa är fysikaliska fenomen. När temperaturen stiger smälter många fasta ämnen och förvandlas till vätskor. En ytterligare ökning av temperaturen kan leda till avdunstning, det vill säga till ämnets gasformiga tillstånd. I naturen och ekonomin är sådana övergångar karakteristiska för ett av de viktigaste ämnena på jorden. Is, vätska, ånga är vattnets tillstånd under olika yttre förhållanden. Sammansättningen är densamma, dess formel är H2O. Vid en temperatur på 0 ° C och under detta värde kristalliseras vatten, det vill säga det förvandlas till is. När temperaturen stiger förstörs de resulterande kristallerna - isen smälter, flytande vatten erhålls igen. När den värms upp bildas vattenånga. Avdunstning -omvandlingen av vatten till gas - går även vid låga temperaturer. Till exempel försvinner frusna pölar gradvis eftersom vattnet avdunstar. Även i frostigt väder torkar blöta kläder ut, men denna process tar längre tid än en varm dag.
Alla angivna övergångar av vatten från ett tillstånd till ett annat är av stor betydelse för jordens natur. Atmosfäriska fenomen, klimat och väder är förknippade med avdunstning av vatten från havens yta, överföring av fukt i form av moln och dimma till land, nederbörd (regn, snö, hagel). Dessa fenomen utgör grunden för världens vattenkretslopp i naturen.
Hur förändras svavelets aggregerade tillstånd?
Under normala förhållanden är svavel ljusa glänsande kristaller eller ett ljusgult pulver, dvs det är ett fast ämne. Det samlade tillståndet för svavel ändras vid upphettning. Först, när temperaturen stiger till 190 ° C, smälter det gula ämnet och förvandlas till en rörlig vätska.
Om du snabbt häller flytande svavel i kallt vatten får du en brun amorf massa. Med ytterligare uppvärmning av svavelsmältan blir den mer och mer trögflytande och mörknar. Vid temperaturer över 300 ° C ändras svavelets aggregationstillstånd igen, ämnet förvärvar egenskaperna hos en vätska, blir mobilt. Dessa övergångar uppstår på grund av förmågan hos grundämnets atomer att bilda kedjor av olika längd.
Varför kan ämnen vara i olika fysiska tillstånd?
Aggregeringstillståndet för svavel - ett enkelt ämne - är fast under normala förhållanden. Svaveldioxid - gas, svavelsyra -oljig vätska tyngre än vatten. Till skillnad från s altsyra och salpetersyra är den inte flyktig, molekyler avdunstar inte från dess yta. Vad är tillståndet för aggregation av plastsvavel, som erhålls genom att värma kristaller?
I amorf form har ämnet strukturen av en vätska, med en liten flytande. Men plastsvavel behåller samtidigt sin form (som ett fast ämne). Det finns flytande kristaller som har ett antal karakteristiska egenskaper hos fasta ämnen. Alltså beror materiens tillstånd under olika förhållanden på dess natur, temperatur, tryck och andra yttre förhållanden.
Vilka är kännetecknen i fasta ämnens struktur?
De befintliga skillnaderna mellan de grundläggande aggregattillstånden i materia förklaras av interaktionen mellan atomer, joner och molekyler. Varför leder till exempel materiens fasta aggregerade tillstånd till kropparnas förmåga att behålla volym och form? I kristallgittret av en metall eller ett s alt, attraheras strukturella partiklar till varandra. I metaller interagerar positivt laddade joner med den så kallade "elektrongasen" - ackumuleringen av fria elektroner i en metallbit. S altkristaller uppstår på grund av attraktionen av motsatt laddade partiklar - joner. Avståndet mellan ovanstående strukturella enheter av fasta ämnen är mycket mindre än storleken på själva partiklarna. I det här fallet verkar elektrostatisk attraktion, den ger styrka och avstötningen är inte tillräckligt stark.
För att förstöra det fasta tillståndet av aggregation av materia är det nödvändigtanstränga sig. Metaller, s alter, atomära kristaller smälter vid mycket höga temperaturer. Till exempel blir järn flytande vid temperaturer över 1538 °C. Volfram är eldfast och används för att tillverka glödtrådar för glödlampor. Det finns legeringar som blir flytande vid temperaturer över 3000 °C. Många stenar och mineraler på jorden är i fast tillstånd. Denna råvara utvinns med hjälp av utrustning i gruvor och stenbrott.
För att ta bort ens en jon från en kristall är det nödvändigt att förbruka en stor mängd energi. Men trots allt räcker det med att lösa s alt i vatten för att kristallgittret ska sönderfalla! Detta fenomen förklaras av de fantastiska egenskaperna hos vatten som ett polärt lösningsmedel. H2O-molekyler interagerar med s altjoner och förstör den kemiska bindningen mellan dem. Upplösning är alltså inte en enkel blandning av olika ämnen, utan en fysisk och kemisk interaktion mellan dem.
Hur interagerar vätskors molekyler?
Vatten kan vara flytande, fast och gas (ånga). Dessa är dess huvudsakliga aggregationstillstånd under normala förhållanden. Vattenmolekyler är uppbyggda av en syreatom med två väteatomer bundna till den. Det finns en polarisering av den kemiska bindningen i molekylen, en partiell negativ laddning uppträder på syreatomerna. Väte blir den positiva polen i molekylen och dras till syreatomen i en annan molekyl. Denna svaga kraft kallas "vätebindningen".
Flytande aggregationstillstånd karakteriseraavstånd mellan strukturella partiklar jämförbara med deras storlekar. Attraktionen finns, men den är svag, så vattnet behåller inte sin form. Förångning uppstår på grund av att bindningar förstörs, vilket sker på vätskans yta även vid rumstemperatur.
Finns intermolekylära interaktioner i gaser?
Materias gasformiga tillstånd skiljer sig från flytande och fast i ett antal parametrar. Mellan de strukturella partiklarna av gaser finns stora luckor, mycket större än molekylernas storlek. I det här fallet fungerar inte attraktionskrafterna alls. Det gasformiga aggregationstillståndet är karakteristiskt för ämnen som finns i luften: kväve, syre, koldioxid. På bilden nedan är den första kuben fylld med en gas, den andra med en vätska och den tredje med en fast substans.
Många vätskor är flyktiga, molekyler av ett ämne bryter av från ytan och passerar ut i luften. Om du till exempel tar med en bomullstuss doppad i ammoniak till öppningen på en öppen flaska med s altsyra, uppstår vit rök. Rakt i luften sker en kemisk reaktion mellan s altsyra och ammoniak, ammoniumklorid erhålls. Vilket materiatillstånd befinner sig detta ämne i? Dess partiklar, som bildar vit rök, är de minsta fasta s altkristallerna. Detta experiment måste utföras under ett dragskåp, ämnena är giftiga.
Slutsats
Tillståndet för aggregation av gas studerades av många framstående fysiker och kemister: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Forskare har formulerat lagar som förklarar gasformiga ämnens beteende i kemiska reaktioner när yttre förhållanden förändras. Öppna regelbundenheter kom inte bara in i skolans och universitetets läroböcker i fysik och kemi. Många kemiska industrier bygger på kunskap om ämnens beteende och egenskaper i olika aggregattillstånd.
