Vprašanja o tem, kaj je agregacijsko stanje, kakšne lastnosti in lastnosti imajo trdne snovi, tekočine in plini, so obravnavana v več tečajih usposabljanja. Obstajajo tri klasična stanja snovi s svojimi značilnimi lastnostmi strukture. Njihovo razumevanje je pomembna točka pri razumevanju znanosti o Zemlji, živih organizmih in proizvodnih dejavnostih. Ta vprašanja preučujejo fizika, kemija, geografija, geologija, fizikalna kemija in druge znanstvene discipline. Snovi, ki so pod določenimi pogoji v enem od treh osnovnih tipov stanja, se lahko spreminjajo s povečanjem ali znižanjem temperature ali tlaka. Razmislite o možnih prehodih iz enega agregacijskega stanja v drugo, saj se izvajajo v naravi, tehnologiji in vsakdanjem življenju.
Kakšno je stanje agregacije?
Beseda latinskega izvora "aggrego", prevedena v ruščino, pomeni "pritrditi". Znanstveni izraz se nanaša na stanje istega telesa, snovi. Obstoj trdnih snovi pri določenih temperaturnih vrednostih in različnih tlakih,plinov in tekočin je značilna za vse lupine Zemlje. Poleg treh osnovnih agregatnih stanj obstaja še četrto. Pri povišani temperaturi in stalnem tlaku se plin spremeni v plazmo. Da bi bolje razumeli, kaj je agregacijsko stanje, se je treba spomniti najmanjših delcev, ki sestavljajo snovi in telesa.
Zgornji diagram prikazuje: a - plin; b - tekočina; c je trdno telo. Na takšnih slikah krogi označujejo strukturne elemente snovi. To je simbol, pravzaprav atomi, molekule, ioni niso trdne kroglice. Atomi so sestavljeni iz pozitivno nabitega jedra, okoli katerega se z veliko hitrostjo premikajo negativno nabiti elektroni. Poznavanje mikroskopske strukture snovi pomaga bolje razumeti razlike, ki obstajajo med različnimi agregatnimi oblikami.
Predstave mikrokozmosa: od antične Grčije do 17. stoletja
Prve informacije o delcih, ki sestavljajo fizična telesa, so se pojavile v stari Grčiji. Razmišljalca Demokrit in Epikur sta uvedla tak koncept kot atom. Verjeli so, da imajo ti najmanjši nedeljivi delci različnih snovi obliko, določene velikosti, so sposobni gibanja in medsebojnega delovanja. Atomistika je za svoj čas postala najnaprednejši nauk antične Grčije. Toda njegov razvoj se je v srednjem veku upočasnil. Od takrat je znanstvenike preganjala inkvizicija Rimskokatoliške cerkve. Zato do sodobnega časa ni bilo jasnega pojma, kaj je agregacijsko stanje snovi. Šele po 17. stoletjuznanstveniki R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier so oblikovali določila atomsko-molekularne teorije, ki še danes niso izgubila svojega pomena.
Atomi, molekule, ioni so mikroskopski delci strukture snovi
Pomemben preboj v razumevanju mikrokozmosa se je zgodil v 20. stoletju, ko je bil izumljen elektronski mikroskop. Ob upoštevanju prejšnjih odkritij znanstvenikov je bilo mogoče sestaviti harmonično sliko mikrosveta. Teorije, ki opisujejo stanje in obnašanje najmanjših delcev snovi, so precej zapletene, spadajo na področje kvantne fizike. Za razumevanje značilnosti različnih agregatnih stanj snovi je dovolj poznati imena in značilnosti glavnih strukturnih delcev, ki tvorijo različne snovi.
- Atomi so kemično nedeljivi delci. Ohranjeno v kemičnih reakcijah, a uničeno v jedrski. Kovine in številne druge snovi atomske strukture imajo v normalnih pogojih trdno agregacijsko stanje.
- Molekule so delci, ki se razgradijo in tvorijo v kemičnih reakcijah. Molekularna struktura ima kisik, vodo, ogljikov dioksid, žveplo. Agregatno stanje kisika, dušika, žveplovega dioksida, ogljika, kisika v normalnih pogojih je plinasto.
- Ioni so nabiti delci, v katere se atomi in molekule spremenijo, ko pridobijo ali izgubijo elektrone – mikroskopski negativno nabiti delci. Številne soli imajo ionsko strukturo, na primer kuhinjska sol, železov in bakrov sulfat.
Obstajajo snovi, katerih delci so v prostoru razporejeni na določen način. Urejen relativni položajatomov, ionov, molekul se imenuje kristalna mreža. Običajno so ionske in atomske kristalne mreže značilne za trdne snovi, molekularne - za tekočine in pline. Diamant ima visoko trdoto. Njegovo atomsko kristalno mrežo tvorijo ogljikovi atomi. Toda mehki grafit je sestavljen tudi iz atomov tega kemičnega elementa. Le da se v prostoru nahajajo drugače. Običajno agregacijsko stanje žvepla je trdno, vendar se pri visokih temperaturah snov spremeni v tekočo in amorfno maso.
Snovi v trdnem agregacijskem stanju
Trdna telesa v normalnih pogojih ohranijo svoj volumen in obliko. Na primer, zrno peska, zrno sladkorja, soli, kos kamna ali kovine. Če se sladkor segreje, se snov začne topiti in se spremeni v viskozno rjavo tekočino. Nehajte segrevati - spet dobimo trdno snov. To pomeni, da je eden od glavnih pogojev za prehod trdne snovi v tekočino njeno segrevanje oziroma povečanje notranje energije delcev snovi. Spremenimo lahko tudi trdno agregatno stanje soli, ki se uporablja v hrani. Toda za taljenje kuhinjske soli potrebujete višjo temperaturo kot pri segrevanju sladkorja. Dejstvo je, da je sladkor sestavljen iz molekul, kuhinjska sol pa iz nabitih ionov, ki se med seboj močneje privlačijo. Trdne snovi v tekoči obliki ne obdržijo svoje oblike, ker se kristalne mreže porušijo.
Tekoče agregacijsko stanje soli med taljenjem je razloženo s pretrganjem vezi med ioni v kristalih. so sproščeninabiti delci, ki lahko prenašajo električne naboje. Staljene soli prevajajo elektriko in so prevodniki. V kemični, metalurški in inženirski industriji se trdne snovi pretvorijo v tekočine, da iz njih dobijo nove spojine ali jim dajo različne oblike. Kovinske zlitine se pogosto uporabljajo. Obstaja več načinov za njihovo pridobitev, povezanih s spremembo agregacijskega stanja trdnih surovin.
Tekočina je eno od osnovnih agregacijskih stanj
Če v bučko z okroglim dnom nalijete 50 ml vode, lahko vidite, da snov takoj prevzame obliko kemične posode. Toda takoj, ko izlijemo vodo iz bučke, se bo tekočina takoj razširila po površini mize. Količina vode bo ostala enaka - 50 ml, njena oblika pa se bo spremenila. Te lastnosti so značilne za tekočo obliko obstoja snovi. Tekočine so številne organske snovi: alkoholi, rastlinska olja, kisline.
Mleko je emulzija, torej tekočina, v kateri so kapljice maščobe. Uporaben tekoči mineral je olje. Pridobiva se iz vrtin z vrtalnimi napravami na kopnem in v oceanu. Morska voda je tudi surovina za industrijo. Njegova razlika od sladke vode rek in jezer je v vsebnosti raztopljenih snovi, predvsem soli. Med izhlapevanjem s površine vodnih teles samo molekule H2O preidejo v stanje pare, topljene snovi ostanejo. Na tej lastnosti temeljijo metode za pridobivanje koristnih snovi iz morske vode in metode za njeno čiščenje.
Kopopolna odstranitev soli, dobimo destilirano vodo. Vre pri 100°C in zmrzne pri 0°C. Slanice zavrejo in se pri različnih temperaturah spremenijo v led. Na primer, voda v Arktičnem oceanu zmrzne pri površinski temperaturi 2°C.
Agregatno stanje živega srebra v normalnih pogojih je tekočina. Ta srebrno siva kovina je običajno napolnjena z medicinskimi termometri. Ko se segreje, se stolpec živega srebra dvigne na lestvici, snov se razširi. Zakaj ulični termometri uporabljajo rdeče obarvan alkohol in ne živo srebro? To je razloženo z lastnostmi tekoče kovine. Pri 30-stopinjski zmrzali se agregatno stanje živega srebra spremeni, snov postane trdna.
Če se medicinski termometer poči in se živo srebro razlije, je nevarno pobirati srebrne kroglice z rokami. Vdihavanje hlapov živega srebra je škodljivo, ta snov je zelo strupena. Otroci v takih primerih naj poiščejo pomoč pri starših, odraslih.
plin
Plini ne morejo ohraniti svoje prostornine ali oblike. Bučko do vrha napolnite s kisikom (njegova kemijska formula je O2). Takoj, ko odpremo bučko, se bodo molekule snovi začele mešati z zrakom v prostoru. To je posledica Brownovega gibanja. Tudi starogrški znanstvenik Demokrit je verjel, da so delci snovi v nenehnem gibanju. V trdnih snoveh v normalnih pogojih atomi, molekule, ioni nimajo možnosti zapustiti kristalne mreže, da bi se osvobodili vezi z drugimi delci. To je mogoče le takrat, kovelike količine energije od zunaj.
V tekočinah je razdalja med delci nekoliko večja kot v trdnih snoveh, potrebujejo manj energije za prekinitev medmolekularnih vezi. Na primer, tekoče agregatno stanje kisika opazimo šele, ko temperatura plina pade na -183 °C. Pri –223 °C molekule O2 tvorijo trdno snov. Ko se temperatura dvigne nad dano vrednost, se kisik spremeni v plin. V tej obliki je v normalnih pogojih. V industrijskih podjetjih obstajajo posebne naprave za ločevanje atmosferskega zraka in pridobivanje dušika in kisika iz njega. Najprej se zrak ohladi in utekočini, nato pa se temperatura postopoma zvišuje. Dušik in kisik se pod različnimi pogoji spremenita v pline.
Zemeljska atmosfera vsebuje 21 % kisika in 78 % dušika po prostornini. V tekoči obliki teh snovi ni v plinastem ovoju planeta. Tekoči kisik je svetlo modre barve in se pod visokim tlakom polni v jeklenke za uporabo v zdravstvenih ustanovah. V industriji in gradbeništvu so utekočinjeni plini potrebni za številne procese. Kisik je potreben za plinsko varjenje in rezanje kovin, v kemiji - za oksidacijske reakcije anorganskih in organskih snovi. Če odprete ventil kisikove jeklenke, se tlak zmanjša, tekočina se spremeni v plin.
Utekočinjeni propan, metan in butan se pogosto uporabljajo v energetiki, prometu, industriji in gospodinjskih dejavnostih. Te snovi se pridobivajo iz zemeljskega plina ali s krekingom(cepitev) surove nafte. Ogljikove tekoče in plinaste mešanice igrajo pomembno vlogo v gospodarstvu mnogih držav. Toda zaloge nafte in zemeljskega plina so močno izčrpane. Po mnenju znanstvenikov bo ta surovina trajala 100-120 let. Alternativni vir energije je pretok zraka (veter). Hitro tekoče reke, plime na obalah morij in oceanov se uporabljajo za delovanje elektrarn.
Kisik je, tako kot drugi plini, lahko v četrtem agregacijskem stanju, ki predstavlja plazmo. Nenavaden prehod iz trdnega v plinasto stanje je značilnost kristalnega joda. Temno vijolična snov je podvržena sublimaciji - spremeni se v plin, ki zaobide tekoče stanje.
Kako se izvajajo prehodi iz ene agregatne oblike snovi v drugo?
Spremembe agregatnega stanja snovi niso povezane s kemičnimi transformacijami, to so fizikalni pojavi. Ko se temperatura dvigne, se veliko trdnih snovi stopi in spremeni v tekočine. Nadaljnje zvišanje temperature lahko povzroči izhlapevanje, to je plinasto stanje snovi. V naravi in gospodarstvu so takšni prehodi značilni za eno glavnih snovi na Zemlji. Led, tekočina, para so stanja vode v različnih zunanjih pogojih. Spojina je enaka, njena formula je H2O. Pri temperaturi 0 ° C in pod to vrednostjo voda kristalizira, torej se spremeni v led. Ko se temperatura dvigne, se nastali kristali uničijo - led se topi, ponovno dobimo tekočo vodo. Ko se segreje, nastane vodna para. izhlapevanje -pretvorba vode v plin - poteka tudi pri nizkih temperaturah. Na primer, zamrznjene luže postopoma izginejo, ker voda izhlapi. Tudi v mrzlem vremenu se mokra oblačila posušijo, vendar ta postopek traja dlje kot na vroč dan.
Vsi našteti prehodi vode iz enega stanja v drugo so velikega pomena za naravo Zemlje. Atmosferski pojavi, podnebje in vreme so povezani z izhlapevanjem vode s površine oceanov, prenosom vlage v obliki oblakov in megle na kopno, padavinami (dež, sneg, toča). Ti pojavi so osnova svetovnega vodnega kroga v naravi.
Kako se spremenijo agregatna stanja žvepla?
V normalnih pogojih je žveplo svetli sijoči kristali ali svetlo rumen prah, torej je trdna snov. Agregatno stanje žvepla se pri segrevanju spremeni. Prvič, ko se temperatura dvigne na 190 ° C, se rumena snov stopi in se spremeni v gibljivo tekočino.
Če tekoče žveplo na hitro vlijete v hladno vodo, dobite rjavo amorfno maso. Z nadaljnjim segrevanjem žveplove taline postaja vse bolj viskozna in potemni. Pri temperaturah nad 300 ° C se agregacijsko stanje žvepla ponovno spremeni, snov pridobi lastnosti tekočine, postane mobilna. Ti prehodi nastanejo zaradi sposobnosti atomov elementa, da tvorijo verige različnih dolžin.
Zakaj so lahko snovi v različnih agregatnih stanjih?
Agregacijsko stanje žvepla - preproste snovi - je v normalnih pogojih trdno. Žveplov dioksid - plin, žveplova kislina -oljnata tekočina, težja od vode. Za razliko od klorovodikove in dušikove kisline ni hlapljiv, molekule ne izhlapevajo z njegove površine. Kakšno je agregacijsko stanje plastičnega žvepla, ki ga dobimo s segrevanjem kristalov?
V amorfni obliki ima snov strukturo tekočine z rahlo tekočnostjo. Toda plastično žveplo hkrati ohrani svojo obliko (kot trdna snov). Obstajajo tekoči kristali, ki imajo številne značilne lastnosti trdnih snovi. Tako je stanje snovi pod različnimi pogoji odvisno od njene narave, temperature, tlaka in drugih zunanjih pogojev.
Kakšne so značilnosti strukture trdnih snovi?
Obstoječe razlike med osnovnimi agregatnimi stanji snovi so razložene z interakcijo med atomi, ioni in molekulami. Zakaj na primer trdno agregatno stanje snovi vodi do sposobnosti teles, da ohranijo prostornino in obliko? V kristalni mreži kovine ali soli se strukturni delci med seboj privlačijo. V kovinah pozitivno nabiti ioni medsebojno delujejo s tako imenovanim "elektronskim plinom" - kopičenjem prostih elektronov v kosu kovine. Kristali soli nastanejo zaradi privlačnosti nasprotno nabitih delcev - ionov. Razdalja med zgornjimi strukturnimi enotami trdnih snovi je veliko manjša od velikosti samih delcev. V tem primeru deluje elektrostatična privlačnost, ki daje moč, odboj pa ni dovolj močan.
Za uničenje trdnega agregacijskega stanja snovi je potrebnopotrudi se. Kovine, soli, atomski kristali se topijo pri zelo visokih temperaturah. Na primer, železo postane tekoče pri temperaturah nad 1538 °C. Volfram je ognjevzdržen in se uporablja za izdelavo žarilnih niti za žarnice. Obstajajo zlitine, ki postanejo tekoče pri temperaturah nad 3000 °C. Številne kamnine in minerali na Zemlji so v trdnem stanju. Ta surovina se pridobiva s pomočjo opreme v rudnikih in kamnolomih.
Za ločitev celo enega iona od kristala je potrebno porabiti veliko energije. A navsezadnje je dovolj, da raztopite sol v vodi, da kristalna mreža razpade! Ta pojav je razložen z neverjetnimi lastnostmi vode kot polarnega topila. H2O molekule medsebojno delujejo z ioni soli in uničijo kemično vez med njimi. Tako raztapljanje ni preprosto mešanje različnih snovi, ampak fizična in kemična interakcija med njimi.
Kako medsebojno delujejo molekule tekočin?
Voda je lahko tekoča, trdna in plinasta (para). To so njegova glavna agregirana stanja v normalnih pogojih. Molekule vode so sestavljene iz enega atoma kisika, na katerega sta vezana dva vodikova atoma. V molekuli pride do polarizacije kemične vezi, na atomih kisika se pojavi delni negativni naboj. Vodik postane pozitivni pol v molekuli in ga privlači atom kisika druge molekule. Ta šibka sila se imenuje "vodikova vez".
Karakteristično agregatno stanje tekočinerazdalje med strukturnimi delci, primerljive z njihovimi velikostmi. Privlačnost obstaja, vendar je šibka, zato voda ne obdrži svoje oblike. Izhlapevanje nastane zaradi uničenja vezi, ki se pojavi na površini tekočine tudi pri sobni temperaturi.
Ali v plinih obstajajo medmolekularne interakcije?
Plinasto stanje snovi se od tekočega in trdnega razlikuje po številnih parametrih. Med strukturnimi delci plinov so velike reže, veliko večje od velikosti molekul. V tem primeru privlačne sile sploh ne delujejo. Plinasto agregacijsko stanje je značilno za snovi v zraku: dušik, kisik, ogljikov dioksid. Na spodnji sliki je prva kocka napolnjena s plinom, druga s tekočino in tretja s trdno snovjo.
Veliko tekočin je hlapnih, molekule snovi se odtrgajo od njihove površine in preidejo v zrak. Na primer, če v odprtino odprte steklenice klorovodikove kisline prinesete vatirano palčko, namočeno v amoniak, se pojavi bel dim. Prav v zraku pride do kemične reakcije med klorovodikovo kislino in amoniakom, dobimo amonijev klorid. V kakšnem agregatnem stanju je ta snov? Njeni delci, ki tvorijo bel dim, so najmanjši trdni kristali soli. Ta poskus je treba izvesti pod dimno napo, snovi so strupene.
Sklep
Agregacijsko stanje plina so preučevali številni izjemni fiziki in kemiki: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendelejev, Le Chatelier. Znanstveniki so oblikovali zakone, ki pojasnjujejo obnašanje plinastih snovi v kemičnih reakcijah, ko se spremenijo zunanji pogoji. Odprte zakonitosti niso vstopile le v šolske in univerzitetne učbenike fizike in kemije. Številne kemične industrije temeljijo na znanju o obnašanju in lastnostih snovi v različnih agregatnih stanjih.
