Întrebările despre ce este o stare de agregare, ce caracteristici și proprietăți au solidele, lichidele și gazele, sunt luate în considerare în mai multe cursuri de formare. Există trei stări clasice ale materiei, cu trăsături caracteristice proprii ale structurii. Înțelegerea lor este un punct important în înțelegerea științelor Pământului, a organismelor vii și a activităților de producție. Aceste întrebări sunt studiate de fizică, chimie, geografie, geologie, chimie fizică și alte discipline științifice. Substanțele care se află în anumite condiții într-unul din cele trei tipuri de bază de stare se pot schimba odată cu creșterea sau scăderea temperaturii sau presiunii. Luați în considerare posibilele tranziții de la o stare de agregare la alta, deoarece acestea sunt efectuate în natură, tehnologie și viața de zi cu zi.
Care este starea de agregare?
Cuvântul de origine latină „aggrego” tradus în rusă înseamnă „atașa”. Termenul științific se referă la starea aceluiași corp, substanță. Existența la anumite valori de temperatură și diferite presiuni ale solidelor,gazele și lichidele sunt caracteristice tuturor învelișurilor Pământului. Pe lângă cele trei stări agregate de bază, există și o a patra. La temperatură ridicată și presiune constantă, gazul se transformă într-o plasmă. Pentru a înțelege mai bine ce este o stare de agregare, este necesar să ne amintim cele mai mici particule care alcătuiesc substanțele și corpurile.
Diagrama de mai sus arată: a - gaz; b - lichid; c este un corp solid. În astfel de figuri, cercurile indică elementele structurale ale substanțelor. Acesta este un simbol, de fapt, atomii, moleculele, ionii nu sunt bile solide. Atomii constau dintr-un nucleu încărcat pozitiv în jurul căruia electronii încărcați negativ se mișcă cu viteză mare. Cunoașterea structurii microscopice a materiei ajută la înțelegerea mai bună a diferențelor care există între diferitele forme de agregat.
Reprezentări ale microcosmosului: din Grecia antică până în secolul al XVII-lea
Primele informații despre particulele care alcătuiesc corpurile fizice au apărut în Grecia antică. Gânditorii Democrit și Epicur au introdus un astfel de concept ca un atom. Ei credeau că aceste particule indivizibile cele mai mici din diferite substanțe au o formă, anumite dimensiuni, sunt capabile de mișcare și interacțiune între ele. Atomistica a devenit cea mai avansată învățătură a Greciei antice pentru vremea ei. Dar dezvoltarea sa a încetinit în Evul Mediu. De atunci, oamenii de știință au fost persecutați de Inchiziția Bisericii Romano-Catolice. Prin urmare, până în timpurile moderne, nu a existat un concept clar despre starea de agregare a materiei. Abia după secolul al XVII-leaoamenii de știință R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier au formulat prevederile teoriei atomo-moleculare, care nu și-au pierdut semnificația nici astăzi.
Atomii, moleculele, ionii sunt particule microscopice ale structurii materiei
O descoperire semnificativă în înțelegerea microcosmosului a avut loc în secolul al XX-lea, când a fost inventat microscopul electronic. Luând în considerare descoperirile făcute de oamenii de știință mai devreme, a fost posibilă realizarea unei imagini armonioase a microlumii. Teoriile care descriu starea și comportamentul celor mai mici particule de materie sunt destul de complexe; ele aparțin domeniului fizicii cuantice. Pentru a înțelege caracteristicile diferitelor stări agregate ale materiei, este suficient să cunoașteți denumirile și caracteristicile principalelor particule structurale care formează diferite substanțe.
- Atomii sunt particule indivizibile din punct de vedere chimic. Conservat în reacții chimice, dar distrus în nuclear. Metalele și multe alte substanțe cu structură atomică au o stare solidă de agregare în condiții normale.
- Moleculele sunt particule care sunt descompuse și formate în reacții chimice. Structura moleculară are oxigen, apă, dioxid de carbon, sulf. Starea agregată a oxigenului, azotului, dioxidului de sulf, carbonului și oxigenului în condiții normale este gazoasă.
- Ionii sunt particule încărcate în care atomii și moleculele le transformă atunci când câștigă sau pierd electroni - particule microscopice încărcate negativ. Multe săruri au o structură ionică, de exemplu, sare de masă, fier și sulfat de cupru.
Există substanțe ale căror particule sunt dispuse într-un anumit fel în spațiu. Poziție relativă ordonatăatomi, ioni, molecule se numește rețea cristalină. De obicei, rețelele cristaline ionice și atomice sunt tipice pentru solide, moleculare - pentru lichide și gaze. Diamantul are o duritate mare. Rețeaua sa cristalină atomică este formată din atomi de carbon. Dar grafitul moale constă și din atomi ai acestui element chimic. Numai că sunt situate diferit în spațiu. Starea obișnuită de agregare a sulfului este solidă, dar la temperaturi ridicate substanța se transformă într-un lichid și o masă amorfă.
Substanțe în stare solidă de agregare
Corpurile solide în condiții normale își păstrează volumul și forma. De exemplu, un grăunte de nisip, un grăunte de zahăr, sare, o bucată de piatră sau metal. Dacă zahărul este încălzit, substanța începe să se topească, transformându-se într-un lichid maro vâscos. Opriți încălzirea - din nou obținem un solid. Aceasta înseamnă că una dintre condițiile principale pentru tranziția unui solid într-un lichid este încălzirea acestuia sau o creștere a energiei interne a particulelor unei substanțe. Starea solidă de agregare a sării, care este utilizată în alimente, poate fi, de asemenea, modificată. Dar pentru a topi sarea de masă, ai nevoie de o temperatură mai mare decât la încălzirea zahărului. Faptul este că zahărul este format din molecule, iar sarea de masă este formată din ioni încărcați, care sunt mai puternic atrași unul de celăl alt. Solidele sub formă lichidă nu își păstrează forma deoarece rețelele cristaline se descompun.
Starea lichidă de agregare a sării în timpul topirii se explică prin ruperea legăturii dintre ionii din cristale. sunt lansateparticule încărcate care pot transporta sarcini electrice. Sărurile topite conduc electricitatea și sunt conductoare. În industria chimică, metalurgică și de inginerie, solidele sunt transformate în lichide pentru a obține noi compuși din ele sau pentru a le da forme diferite. Aliajele metalice sunt utilizate pe scară largă. Există mai multe modalități de obținere a acestora, asociate cu modificările stării de agregare a materiilor prime solide.
Lichidul este una dintre stările de bază de agregare
Dacă turnați 50 ml de apă într-un balon cu fund rotund, puteți vedea că substanța ia imediat forma unui vas chimic. Dar de îndată ce turnăm apa din balon, lichidul se va răspândi imediat pe suprafața mesei. Volumul de apă va rămâne același - 50 ml, iar forma acestuia se va schimba. Aceste trăsături sunt caracteristice formei lichide a existenței materiei. Lichidele sunt multe substanțe organice: alcooli, uleiuri vegetale, acizi.
Laptele este o emulsie, adică un lichid în care există picături de grăsime. Un mineral lichid util este uleiul. Este extras din puțuri folosind platforme de foraj pe uscat și în ocean. Apa de mare este, de asemenea, o materie primă pentru industrie. Diferența sa față de apa dulce a râurilor și a lacurilor constă în conținutul de substanțe dizolvate, în principal săruri. În timpul evaporării de la suprafața corpurilor de apă, doar moleculele H2O trec în stare de vapori, rămân substanțele dizolvate. Metodele de obținere a substanțelor utile din apa de mare și metodele de purificare a acesteia se bazează pe această proprietate.
Cândîndepărtarea completă a sărurilor, se obține apă distilată. Se fierbe la 100°C și se îngheață la 0°C. Saramurile fierb și se transformă în gheață la diferite temperaturi. De exemplu, apa din Oceanul Arctic îngheață la o temperatură de suprafață de 2°C.
Starea agregată a mercurului în condiții normale este lichidă. Acest metal gri-argintiu este de obicei umplut cu termometre medicale. Când este încălzită, coloana de mercur se ridică pe scară, substanța se extinde. De ce termometrele stradale folosesc alcool roșu și nu mercur? Acest lucru se explică prin proprietățile metalului lichid. La înghețuri de 30 de grade, starea agregată a mercurului se schimbă, substanța devine solidă.
Dacă se sparge un termometru medical și se revarsă mercur, este periculos să ridici bile de argint cu mâinile. Este dăunător inhalarea vaporilor de mercur, această substanță este foarte toxică. În astfel de cazuri, copiii ar trebui să caute ajutor de la părinți, adulți.
Stare de gaz
Gazele nu își pot păstra volumul sau forma. Umpleți balonul până la vârf cu oxigen (formula sa chimică este O2). De îndată ce deschidem balonul, moleculele substanței vor începe să se amestece cu aerul din cameră. Acest lucru se datorează mișcării browniene. Chiar și omul de știință grec antic Democrit credea că particulele de materie sunt în mișcare continuă. În solide, în condiții normale, atomii, moleculele, ionii nu au posibilitatea de a părăsi rețeaua cristalină, de a se elibera de legăturile cu alte particule. Acest lucru este posibil doar atunci cândcantități mari de energie din exterior.
În lichide, distanța dintre particule este puțin mai mare decât în solide, acestea necesită mai puțină energie pentru a rupe legăturile intermoleculare. De exemplu, starea agregată lichidă a oxigenului este observată numai atunci când temperatura gazului scade la -183 °C. La -223 °C, moleculele O2 formează un solid. Când temperatura crește peste valorile date, oxigenul se transformă în gaz. În această formă se află în condiții normale. La întreprinderile industriale există instalații speciale pentru separarea aerului atmosferic și obținerea de azot și oxigen din acesta. Mai întâi, aerul este răcit și lichefiat, iar apoi temperatura crește treptat. Azotul și oxigenul se transformă în gaze în condiții diferite.
Atmosfera Pământului conține 21% oxigen și 78% azot în volum. Sub formă lichidă, aceste substanțe nu se găsesc în învelișul gazos al planetei. Oxigenul lichid are o culoare albastru deschis și este umplut la presiune ridicată în butelii pentru utilizare în instituțiile medicale. În industrie și construcții, gazele lichefiate sunt necesare pentru multe procese. Oxigenul este necesar pentru sudarea cu gaz și tăierea metalelor, în chimie - pentru reacțiile de oxidare a substanțelor anorganice și organice. Dacă deschideți robinetul cilindrului de oxigen, presiunea scade, lichidul se transformă în gaz.
Propanul lichefiat, metanul și butanul sunt utilizate pe scară largă în energie, transport, industrie și activități casnice. Aceste substante se obtin din gaze naturale sau prin cracare(diviziunea) petrolului brut. Amestecurile de carbon lichid și gazos joacă un rol important în economia multor țări. Dar rezervele de petrol și gaze naturale sunt sever epuizate. Potrivit oamenilor de știință, această materie primă va dura 100-120 de ani. O sursă alternativă de energie este fluxul de aer (vânt). Râurile cu curgere rapidă, mareele de pe țărmurile mărilor și oceanelor sunt folosite pentru a exploata centralele electrice.
Oxigenul, ca și alte gaze, poate fi în a patra stare de agregare, reprezentând o plasmă. O tranziție neobișnuită de la o stare solidă la o stare gazoasă este o trăsătură caracteristică a iodului cristalin. O substanță violet închis este supusă sublimării - se transformă într-un gaz, ocolind starea lichidă.
Cum se efectuează tranzițiile de la o formă agregată de materie la alta?
Modificările în starea agregată a substanțelor nu sunt asociate cu transformări chimice, acestea sunt fenomene fizice. Când temperatura crește, multe solide se topesc și se transformă în lichide. O creștere suplimentară a temperaturii poate duce la evaporare, adică la starea gazoasă a substanței. În natură și economie, astfel de tranziții sunt caracteristice uneia dintre principalele substanțe de pe Pământ. Gheața, lichidul, aburul sunt stările apei în diferite condiții externe. Compusul este același, formula sa este H2O. La o temperatură de 0 ° C și sub această valoare, apa se cristalizează, adică se transformă în gheață. Când temperatura crește, cristalele rezultate sunt distruse - gheața se topește, se obține din nou apă lichidă. Când este încălzit, se formează vapori de apă. Evaporare -transformarea apei în gaz – merge chiar și la temperaturi scăzute. De exemplu, bălțile înghețate dispar treptat pentru că apa se evaporă. Chiar și pe vreme geroasă, hainele umede se usucă, dar acest proces durează mai mult decât într-o zi fierbinte.
Toate tranzițiile enumerate ale apei de la o stare la alta sunt de mare importanță pentru natura Pământului. Fenomenele atmosferice, clima și vremea sunt asociate cu evaporarea apei de la suprafața oceanelor, transferul de umiditate sub formă de nori și ceață pe uscat, precipitații (ploaie, zăpadă, grindină). Aceste fenomene formează baza ciclului mondial al apei în natură.
Cum se schimbă stările agregate ale sulfului?
În condiții normale, sulful este cristale strălucitoare și strălucitoare sau o pulbere galben deschis, adică este un solid. Starea agregată a sulfului se modifică atunci când este încălzit. În primul rând, când temperatura crește la 190 ° C, substanța galbenă se topește, transformându-se într-un lichid mobil.
Dacă turnați rapid sulf lichid în apă rece, obțineți o masă amorfă maro. Odată cu încălzirea suplimentară a topiturii de sulf, aceasta devine din ce în ce mai vâscoasă și se întunecă. La temperaturi peste 300 ° C, starea de agregare a sulfului se schimbă din nou, substanța capătă proprietățile unui lichid, devine mobilă. Aceste tranziții apar datorită capacității atomilor elementului de a forma lanțuri de lungimi diferite.
De ce substanțele pot fi în diferite stări fizice?
Starea de agregare a sulfului - o substanță simplă - este solidă în condiții normale. Dioxid de sulf - gaz, acid sulfuric -lichid uleios mai greu decât apa. Spre deosebire de acizii clorhidric și azotic, nu este volatil; moleculele nu se evaporă de pe suprafața sa. Care este starea de agregare a sulfului plastic, care se obține prin încălzirea cristalelor?
Sub formă amorfă, substanța are structura unui lichid, cu o ușoară fluiditate. Dar sulful plastic își păstrează simultan forma (ca solid). Există cristale lichide care au o serie de proprietăți caracteristice solidelor. Astfel, starea materiei în diferite condiții depinde de natura ei, temperatură, presiune și alte condiții externe.
Care sunt caracteristicile structurii solidelor?
Diferentele existente intre starile agregate de baza ale materiei se explica prin interactiunea dintre atomi, ioni si molecule. De exemplu, de ce starea solidă agregată a materiei duce la capacitatea corpurilor de a menține volumul și forma? În rețeaua cristalină a unui metal sau sare, particulele structurale sunt atrase unele de altele. În metale, ionii încărcați pozitiv interacționează cu așa-numitul „gaz de electroni” - acumularea de electroni liberi într-o bucată de metal. Cristalele de sare apar datorită atracției particulelor încărcate opus - ioni. Distanța dintre unitățile structurale de mai sus de solide este mult mai mică decât dimensiunea particulelor în sine. În acest caz, atracția electrostatică acționează, dă putere, iar repulsia nu este suficient de puternică.
Pentru a distruge starea solidă de agregare a materiei, este necesarfa un efort. Metalele, sărurile, cristalele atomice se topesc la temperaturi foarte ridicate. De exemplu, fierul devine lichid la temperaturi peste 1538 °C. Tungstenul este refractar și este folosit pentru a face filamente incandescente pentru becuri. Există aliaje care devin lichide la temperaturi peste 3000 °C. Multe roci și minerale de pe Pământ sunt în stare solidă. Această materie primă este extrasă cu ajutorul utilajelor din mine și cariere.
Pentru a desprinde chiar și un ion dintr-un cristal, este necesar să consumați o cantitate mare de energie. Dar la urma urmei, este suficient să dizolvi sarea în apă pentru ca rețeaua cristalină să se dezintegreze! Acest fenomen se explică prin proprietățile uimitoare ale apei ca solvent polar. Moleculele H2O interacționează cu ionii de sare, distrugând legătura chimică dintre ele. Astfel, dizolvarea nu este o simplă amestecare a diferitelor substanțe, ci o interacțiune fizică și chimică între ele.
Cum interacționează moleculele lichidelor?
Apa poate fi lichidă, solidă și gazoasă (abur). Acestea sunt principalele sale stări de agregare în condiții normale. Moleculele de apă sunt formate dintr-un atom de oxigen cu doi atomi de hidrogen legați de acesta. Există o polarizare a legăturii chimice în moleculă, apare o sarcină negativă parțială pe atomii de oxigen. Hidrogenul devine polul pozitiv al moleculei și este atras de atomul de oxigen al altei molecule. Această forță slabă se numește „legătură de hidrogen”.
Starea lichidă de agregare se caracterizeazădistanțe dintre particulele structurale comparabile cu dimensiunile lor. Atractia exista, dar este slaba, asa ca apa nu isi pastreaza forma. Vaporizarea are loc din cauza distrugerii legăturilor, care are loc la suprafața lichidului chiar și la temperatura camerei.
Există interacțiuni intermoleculare în gaze?
Starea gazoasă a materiei diferă de cea lichidă și solidă în mai mulți parametri. Între particulele structurale ale gazelor există goluri mari, mult mai mari decât dimensiunea moleculelor. În acest caz, forțele de atracție nu funcționează deloc. Starea gazoasă de agregare este caracteristică substanțelor prezente în aer: azot, oxigen, dioxid de carbon. În imaginea de mai jos, primul cub este umplut cu un gaz, al doilea cu un lichid, iar al treilea cu un solid.
Multe lichide sunt volatile, moleculele unei substanțe se desprind de la suprafața lor și trec în aer. De exemplu, dacă aduceți un tampon de bumbac înmuiat în amoniac la deschiderea unei sticle deschise de acid clorhidric, apare fum alb. Chiar în aer are loc o reacție chimică între acidul clorhidric și amoniac, se obține clorură de amoniu. În ce stare a materiei se află această substanță? Particulele sale, care formează fumul alb, sunt cele mai mici cristale solide de sare. Acest experiment trebuie efectuat sub o hotă, substanțele sunt toxice.
Concluzie
Starea de agregare a gazului a fost studiată de mulți fizicieni și chimiști remarcabili: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Oamenii de știință au formulat legi care explică comportamentul substanțelor gazoase în reacțiile chimice atunci când condițiile externe se modifică. Regularitățile deschise nu au intrat doar în manualele școlare și universitare de fizică și chimie. Multe industrii chimice se bazează pe cunoștințele despre comportamentul și proprietățile substanțelor în diferite stări agregate.
