În stare de agregat lichid. Stări agregate ale materiei

Toată lumea, cred, cunoaște 3 stări agregate de bază ale materiei: lichidă, solidă și gazoasă. Întâlnim aceste stări ale materiei în fiecare zi și peste tot. Cel mai adesea sunt luate în considerare pe exemplul apei. Starea lichidă a apei ne este cea mai familiară. Bem constant apă lichidă, curge de la robinetul nostru, iar noi înșine suntem 70% apă lichidă. A doua stare agregată a apei este gheața obișnuită, pe care o vedem pe stradă iarna. În formă gazoasă, apa este, de asemenea, ușor de întâlnit în viața de zi cu zi. În stare gazoasă, apa este, știm cu toții, abur. Se vede când, de exemplu, punem la fiert un ibric. Da, la 100 de grade apa trece din stare lichidă în stare gazoasă.

Acestea sunt cele trei stări agregate ale materiei care ne sunt familiare. Dar știai că de fapt sunt 4? Cred că măcar o dată toată lumea a auzit cuvântul „plasmă”. Și astăzi vreau să aflați mai multe despre plasmă - a patra stare a materiei.

Plasma este un gaz parțial sau complet ionizat cu aceeași densitate atât a sarcinilor pozitive, cât și a celor negative. Plasma poate fi obtinuta din gaz - din starea a 3-a a materiei prin incalzire puternica. Starea de agregare în general, de fapt, depinde complet de temperatură. Prima stare de agregare este cea mai scăzută temperatură la care corpul rămâne solid, a doua stare de agregare este temperatura la care corpul începe să se topească și să devină lichid, a treia stare de agregare este cea mai ridicată temperatură la care substanța devine un gaz. Pentru fiecare corp, substanță, temperatura de tranziție de la o stare de agregare la alta este complet diferită, pentru unii este mai mică, pentru unii este mai mare, dar pentru toată lumea este strict în această secvență. Și la ce temperatură o substanță devine plasmă? Deoarece aceasta este a patra stare, înseamnă că temperatura de tranziție la aceasta este mai mare decât cea a fiecărei precedente. Și într-adevăr este. Pentru a ioniza un gaz este necesară o temperatură foarte ridicată. Cea mai scăzută temperatură și plasma ionizată scăzută (aproximativ 1%) se caracterizează prin temperaturi de până la 100 de mii de grade. În condiții terestre, o astfel de plasmă poate fi observată sub formă de fulger. Temperatura canalului fulgerului poate depăși 30 de mii de grade, ceea ce este de 6 ori mai mare decât temperatura de suprafață a Soarelui. Apropo, Soarele și toate celelalte stele sunt, de asemenea, plasmă, de cele mai multe ori încă la temperatură ridicată. Știința demonstrează că aproximativ 99% din întreaga materie a Universului este plasmă.

Spre deosebire de plasma de joasă temperatură, plasma de înaltă temperatură are aproape 100% ionizare și temperaturi de până la 100 de milioane de grade. Aceasta este o temperatură cu adevărat stelară. Pe Pământ, o astfel de plasmă se găsește doar într-un singur caz - pentru experimente de fuziune termonucleară. O reacție controlată este destul de complexă și consumatoare de energie, dar una necontrolată s-a dovedit suficient ca o armă de o putere colosală - o bombă termonucleară testată de URSS la 12 august 1953.

Plasma este clasificată nu numai după temperatură și gradul de ionizare, ci și după densitate și cvasi-neutralitate. fraza densitatea plasmei de obicei înseamnă densitatea electronică, adică numărul de electroni liberi pe unitatea de volum. Ei bine, cu asta, cred că totul este clar. Dar nu toată lumea știe ce este cvasi-neutralitatea. Cvasi-neutralitatea unei plasme este una dintre cele mai importante proprietăți ale sale, care constă în egalitatea aproape exactă a densităților ionilor și electronilor pozitivi constituenți. Datorită bunei conductivitati electrice a plasmei, separarea sarcinilor pozitive și negative este imposibilă la distanțe mai mari decât lungimea Debye și uneori mai mari decât perioada oscilațiilor plasmei. Aproape toată plasma este cvasi-neutră. Un exemplu de plasmă non-cvasi-neutră este un fascicul de electroni. Cu toate acestea, densitatea plasmelor non-neutre trebuie să fie foarte scăzută, altfel acestea se vor degrada rapid din cauza repulsiei coulombiane.

Am luat în considerare foarte puține exemple terestre de plasmă. Dar sunt destui. Omul a învățat să folosească plasma pentru binele său. Datorită celei de-a patra stări agregate a materiei, putem folosi lămpi cu descărcare în gaz, televizoare cu plasmă, sudare cu arc electric și lasere. Lămpile fluorescente obișnuite cu descărcare în gaz sunt, de asemenea, plasmă. Există și o lampă cu plasmă în lumea noastră. Este folosit în principal în știință pentru a studia și, cel mai important, pentru a vedea unele dintre cele mai complexe fenomene plasmatice, inclusiv filamentarea. O fotografie cu o astfel de lampă poate fi văzută în imaginea de mai jos:

Pe lângă dispozitivele cu plasmă de uz casnic, plasmă naturală poate fi văzută adesea pe Pământ. Am vorbit deja despre unul dintre exemplele sale. Acesta este un fulger. Dar, pe lângă fulgere, fenomenele plasmatice pot fi numite aurora boreală, „focurile Sf. Elm”, ionosfera Pământului și, bineînțeles, foc.

Observați că atât focul, cât și fulgerul și alte manifestări ale plasmei, așa cum o numim, ard. Care este motivul unei emisii atât de strălucitoare de lumină prin plasmă? Strălucirea plasmei se datorează tranziției electronilor de la o stare de înaltă energie la o stare de energie scăzută după recombinare cu ioni. Acest proces conduce la radiații cu un spectru corespunzător gazului excitat. Acesta este motivul pentru care plasma strălucește.

De asemenea, aș vrea să povestesc puțin despre istoria plasmei. La urma urmei, cândva, doar substanțe precum componenta lichidă a laptelui și componenta incoloră a sângelui erau numite plasmă. Totul s-a schimbat în 1879. În acel an, celebrul om de știință englez William Crookes, investigând conductivitatea electrică în gaze, a descoperit fenomenul plasmei. Adevărat, această stare a materiei a fost numită plasmă abia în 1928. Și asta a fost făcut de Irving Langmuir.

În concluzie, vreau să spun că un fenomen atât de interesant și misterios precum fulgerul cu minge, despre care am scris de mai multe ori pe acest site, este, desigur, și un plasmoid, ca fulgerul obișnuit. Acesta este poate cel mai neobișnuit plasmoid dintre toate fenomenele plasmatice terestre. La urma urmei, există aproximativ 400 de teorii foarte diferite despre fulgerul cu minge, dar nici una dintre ele nu a fost recunoscută ca fiind cu adevărat corectă. În condiții de laborator, fenomene similare, dar de scurtă durată au fost obținute în mai multe moduri diferite, astfel încât întrebarea naturii fulgerului cu bile rămâne deschisă.

Plasma obișnuită, desigur, a fost creată și în laboratoare. Cândva a fost dificil, dar acum un astfel de experiment nu este dificil. Deoarece plasma a intrat ferm în arsenalul nostru de uz casnic, există o mulțime de experimente pe ea în laboratoare.

Cea mai interesantă descoperire în domeniul plasmei au fost experimentele cu plasmă în imponderabilitate. Se pare că plasma se cristalizează în vid. Se întâmplă așa: particulele încărcate ale plasmei încep să se respingă între ele, iar atunci când au un volum limitat, ocupă spațiul care le este alocat, împrăștiindu-se în direcții diferite. Aceasta este foarte asemănătoare cu o rețea cristalină. Nu înseamnă asta că plasma este legătura de strânsă între prima stare agregată a materiei și a treia? La urma urmei, devine o plasmă datorită ionizării gazului, iar în vid, plasma devine din nou, parcă, solidă. Dar asta e doar presupunerea mea.

Cristalele de plasmă din spațiu au, de asemenea, o structură destul de ciudată. Această structură poate fi observată și studiată doar în spațiu, într-un vid spațial real. Chiar dacă creați un vid pe Pământ și plasați o plasmă acolo, atunci gravitația va stoarce pur și simplu întreaga „imagine” care se formează în interior. În spațiu, însă, cristalele de plasmă decolează pur și simplu, formând o structură tridimensională volumetrică de o formă ciudată. După ce a trimis rezultatele observațiilor de plasmă pe orbită oamenilor de știință de la Pământ, s-a dovedit că vârtejurile din plasmă imită structura galaxiei noastre într-un mod ciudat. Și asta înseamnă că în viitor va fi posibil să înțelegem cum s-a născut galaxia noastră prin studierea plasmei. Fotografiile de mai jos arată aceeași plasmă cristalizată.

Definiție

Stări agregate ale materiei (din latinescul aggrego - atașați, conectați) - acestea sunt stările aceleiași substanțe - solid, lichid, gazos.

În timpul tranziției de la o stare la alta, are loc o schimbare bruscă a energiei, entropiei, densității și a altor caracteristici ale materiei.

Corpuri solide și lichide

Definiție

Corpurile solide sunt corpuri care se disting prin constanța formei și a volumului.

La acestea, distantele intermoleculare sunt mici si energia potentiala a moleculelor este comparabila cu cea cinetica. Solidele sunt împărțite în două tipuri: cristaline și amorfe. Doar corpurile cristaline sunt în stare de echilibru termodinamic. Corpurile amorfe, de fapt, reprezintă stări metastabile, care în structura lor se apropie de neechilibru, lichidele cristalizând încet. Într-un corp amorf are loc un proces foarte lent de cristalizare, procesul de trecere treptată a unei substanțe într-o fază cristalină. Diferența dintre un cristal și un solid amorf constă în primul rând în anizotropia proprietăților sale. Proprietățile unui corp cristalin depind de direcția în spațiu. Diverse tipuri de procese, cum ar fi conductivitatea termică, conductibilitatea electrică, lumina, sunetul, se propagă în diferite direcții ale unui corp solid în moduri diferite. Corpurile amorfe (sticlă, rășini, materiale plastice) sunt izotopice, ca și lichidele. Singura diferență dintre corpurile amorfe și lichide este că acestea din urmă sunt fluide, deformațiile statice prin forfecare sunt imposibile în ele.

Corpurile cristaline au structura moleculară corectă. Anizotropia proprietăților sale se datorează structurii corecte a cristalului. Aranjarea corectă a atomilor unui cristal formează așa-numita rețea cristalină. În direcții diferite, aranjarea atomilor în rețea este diferită, ceea ce duce la anizotropie. Atomii (sau ionii, sau moleculele întregi) din rețeaua cristalină efectuează mișcări oscilatorii aleatoare în jurul pozițiilor de mijloc, care sunt considerate noduri ale rețelei cristaline. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât energia oscilațiilor este mai mare și, prin urmare, amplitudinea medie a oscilațiilor. Mărimea cristalului depinde de amplitudinea oscilațiilor. O creștere a amplitudinii oscilațiilor duce la o creștere a dimensiunii corpului. Aceasta explică expansiunea termică a solidelor.

Definiție

Corpurile lichide sunt corpuri care au un anumit volum, dar nu au elasticitate de formă.

Lichidele se caracterizează printr-o interacțiune intermoleculară puternică și o compresibilitate scăzută. Un lichid ocupă o poziție intermediară între un solid și un gaz. Lichidele, ca și gazele, sunt izotopice. În plus, lichidul are fluiditate. În ea, ca și în gaze, nu există solicitări tangenţiale (tensiuni de forfecare) ale corpurilor. Lichidele sunt grele, de ex. greutatea lor specifică este comparabilă cu greutatea specifică a solidelor. În apropierea temperaturilor de cristalizare, capacitățile termice ale acestora și alte caracteristici termice sunt apropiate de cele ale solidelor. În lichide, într-o anumită măsură, se observă dispunerea corectă a atomilor, dar numai pe suprafețe mici. Aici atomii oscilează și în apropierea nodurilor unei celule cvasicristaline, dar spre deosebire de atomii unui corp solid, ei sar din când în când de la un nod la altul. Ca urmare, mișcarea atomilor va fi foarte complexă: este oscilativă, dar în același timp centrul vibrațiilor se mișcă în spațiu.

Gaz, evaporare, condensare și topire

Definiție

Un gaz este o stare a materiei în care distanțele dintre molecule sunt mari.

Forțele de interacțiune dintre molecule la presiuni scăzute pot fi neglijate. Particulele de gaz umplu întregul volum care este furnizat gazului. Gazele pot fi considerate vapori foarte supraîncălziți sau nesaturați. Plasma este un tip special de gaz - este un gaz parțial sau complet ionizat, în care densitatea sarcinilor pozitive și negative este aproape aceeași. Plasma este un gaz de particule încărcate care interacționează între ele folosind forțe electrice la o distanță mare, dar nu au particule apropiate și îndepărtate.

Substanțele se pot schimba de la o stare de agregare la alta.

Definiție

Evaporarea este procesul de modificare a stării de agregare a unei substanțe, în care moleculele zboară de pe suprafața unui lichid sau solid, a cărui energie cinetică depășește energia potențială a interacțiunii moleculelor.

Evaporarea este o tranziție de fază. În timpul evaporării, o parte din lichid sau solid trece în vapori. O substanță în stare gazoasă care se află în echilibru dinamic cu un lichid se numește vapori saturati. În acest caz, modificarea energiei interne a corpului:

\[\triunghi \ U=\pm mr\ \left(1\right),\]

unde m este greutatea corporală, r este căldura specifică de vaporizare (J/kg).

Definiție

Condensarea este procesul invers de vaporizare.

Calculul modificării energiei interne se efectuează conform formulei (1).

Definiție

Topirea este procesul de trecere a unei substanțe de la starea solidă la starea lichidă, procesul de schimbare a stării de agregare a unei substanțe.

Când o substanță este încălzită, energia sa internă crește, prin urmare, viteza de mișcare termică a moleculelor crește. În cazul în care se atinge punctul de topire al substanței, rețeaua cristalină a solidului începe să se descompună. Legăturile dintre particule sunt distruse, energia de interacțiune între particule crește. Căldura transferată corpului crește energia internă a acestui corp, iar o parte din energie merge la lucru pentru a schimba volumul corpului atunci când acesta se topește. Pentru majoritatea corpurilor cristaline, volumul crește la topire, dar există excepții, de exemplu, gheață, fontă. Corpurile amorfe nu au un punct de topire specific. Topirea este o tranziție de fază, care este însoțită de o schimbare bruscă a capacității termice la temperatura de topire. Punctul de topire depinde de substanță și nu se modifică în timpul procesului. În acest caz, modificarea energiei interne a corpului:

\[\triunghi U=\pm m\lambda \left(2\right),\]

unde $\lambda $ este căldura specifică de fuziune (J/kg).

Procesul invers de topire este cristalizarea. Calculul modificării energiei interne se efectuează conform formulei (2).

Modificarea energiei interne a fiecărui corp al sistemului în cazul încălzirii sau răcirii poate fi calculată prin formula:

\[\triunghi U=mc\triunghi T\stanga(3\dreapta),\]

unde c este căldura specifică a substanței, J/(kgK), $\triunghi T$ este modificarea temperaturii corpului.

Când se studiază tranzițiile substanțelor de la o stare de agregare la alta, este imposibil să se facă fără așa-numita ecuație de echilibru termic, care spune: cantitatea totală de căldură care este eliberată într-un sistem izolat termic este egală cu cantitatea de căldura (totală) care este absorbită în acest sistem.

În sensul său, ecuația de echilibru termic este legea conservării energiei pentru procesele de transfer de căldură în sistemele izolate termic.

Exemplul 1

Sarcina: Există apă și gheață într-un vas termoizolat la o temperatură $t_i= 0^oС$. Masele de apă ($m_(v\ ))$ și de gheață ($m_(i\ ))$ sunt de 0,5 kg și respectiv 60 g. Vaporii de apă cu masa $m_(p\ )=$10 g sunt lăsați în apă. la temperatura $t_p= 100^oС$. Care va fi temperatura apei din vas după stabilirea echilibrului termic? Capacitatea termică a vasului este ignorată.

Soluție: Să stabilim ce procese au loc în sistem, ce stări agregate ale materiei am avut și ce am primit.

Vaporii de apă se condensează, degajând căldură.

Această căldură este folosită pentru a topi gheața și, eventual, pentru a încălzi apa disponibilă și obținută din gheață.

Să verificăm mai întâi cât de multă căldură este eliberată în timpul condensării masei disponibile de abur:

aici, din materiale de referinta, avem $r=2.26 10^6\frac(J)(kg)$ - caldura specifica de vaporizare (aplicabila si la condensare).

Căldura necesară pentru a topi gheața:

aici din materiale de referinta avem $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - caldura specifica de topire a ghetii.

Obținem că aburul degajă mai multă căldură decât este necesar, doar pentru a topi gheața existentă, prin urmare, scriem ecuația de echilibru termic sub forma:

Căldura este eliberată atunci când aburul de masă $m_(p\ )$ se condensează și apa, care se formează din abur, se răcește de la temperatura $T_p$ la T dorit. Căldura este absorbită când gheața de masă $m_(i\ )$ se topește. iar apa de masa $m_v+ este încălzită m_i$ de la temperatura $T_i$ la $T.\ $ Notă $T-T_i=\triunghi T$, pentru diferența $T_p-T$ obținem:

Ecuația bilanţului termic va lua forma:

\ \ \[\triunghi T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1.6\dreapta)\]

Vom efectua calcule, ținând cont de faptul că capacitatea termică a apei este tabelară $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:

$\triunghi T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2)\cdot 3,3\cdot 10^5)(4,2\cdot 10^3\cdot 5,7\cdot 10^(-1))\aprox 3\left(K\right)$apoi T=273+3=276 (K)

Răspuns: Temperatura apei din vas după stabilirea echilibrului termic va fi egală cu 276 K.

Exemplul 2

Sarcină: Figura arată secțiunea izotermei corespunzătoare trecerii unei substanțe de la o stare cristalină la una lichidă. Ce corespunde acestei secțiuni din diagrama p,T?

Întregul set de stări descrise pe diagrama p, V printr-un segment de linie dreaptă orizontală pe diagrama p, T este reprezentat de un punct care determină valorile lui p și T, la care trecerea de la o stare de agregare la are loc altul.

Toată materia poate exista în una din cele patru forme. Fiecare dintre ele este o anumită stare agregată a materiei. În natura Pământului, doar unul este reprezentat în trei dintre ele deodată. Aceasta este apa. Este ușor de văzut că s-a evaporat, s-a topit și s-a întărit. Adică abur, apă și gheață. Oamenii de știință au învățat cum să schimbe stările agregate ale materiei. Cea mai mare dificultate pentru ei este doar plasma. Această stare necesită condiții speciale.

Ce este, de ce depinde și cum se caracterizează?

Dacă corpul a trecut într-o altă stare agregată a materiei, asta nu înseamnă că a apărut altceva. Substanța rămâne aceeași. Dacă lichidul a avut molecule de apă, atunci la fel vor fi în abur cu gheață. Numai locația lor, viteza de mișcare și forțele de interacțiune între ele se vor schimba.

La studierea subiectului „Stări agregate (gradul 8)”, doar trei dintre ele sunt luate în considerare. Acestea sunt lichide, gazoase și solide. Manifestările lor depind de condițiile fizice ale mediului. Caracteristicile acestor stări sunt prezentate în tabel.

Prima stare: solidă

Diferența sa fundamentală față de altele este că moleculele au un loc strict definit. Când se vorbește despre o stare solidă de agregare, ele înseamnă cel mai adesea cristale. În ele, structura rețelei este simetrică și strict periodică. Prin urmare, se păstrează întotdeauna, indiferent cât de departe s-ar răspândi corpul. Mișcarea de vibrație a moleculelor unei substanțe nu este suficientă pentru a distruge această rețea.

Dar există și corpuri amorfe. Le lipsește o structură strictă în aranjarea atomilor. Ele pot fi oriunde. Dar acest loc este la fel de stabil ca în corpul cristalin. Diferența dintre substanțele amorfe și cele cristaline este că nu au o temperatură specifică de topire (solidificare) și se caracterizează prin fluiditate. Exemple vii de astfel de substanțe sunt sticla și plasticul.

A doua stare: lichid

Această stare agregată a materiei este o încrucișare între un solid și un gaz. Prin urmare, combină unele proprietăți de la prima și a doua. Deci, distanța dintre particule și interacțiunea lor este similară cu ceea ce a fost cazul cristalelor. Dar aici este locația și mișcarea mai aproape de gaz. Prin urmare, lichidul nu își păstrează forma, ci se răspândește peste vasul în care este turnat.

A treia stare: gaz

Pentru o știință numită „fizică”, starea de agregare sub formă de gaz nu se află pe ultimul loc. La urma urmei, ea studiază lumea din jurul ei, iar aerul din ea este foarte comun.

Caracteristicile acestei stări sunt că forțele de interacțiune dintre molecule sunt practic absente. Aceasta explică libera lor circulație. Datorită căreia substanța gazoasă umple întregul volum care i se oferă. Mai mult, totul poate fi transferat în această stare, trebuie doar să creșteți temperatura cu cantitatea dorită.

A patra stare: plasmă

Această stare agregată a materiei este un gaz care este ionizat complet sau parțial. Aceasta înseamnă că numărul de particule încărcate negativ și pozitiv din el este aproape același. Această situație apare atunci când gazul este încălzit. Apoi are loc o accelerare bruscă a procesului de ionizare termică. Constă în faptul că moleculele sunt împărțite în atomi. Acestea din urmă se transformă apoi în ioni.

În univers, o astfel de stare este foarte comună. Pentru că conține toate stelele și mediul dintre ele. În limitele suprafeței Pământului, apare extrem de rar. În afară de ionosferă și vântul solar, plasmă este posibilă doar în timpul furtunilor. În fulgerele se creează condiții în care gazele atmosferei trec în a patra stare a materiei.

Dar asta nu înseamnă că plasmă nu a fost creată în laborator. Primul lucru care putea fi reprodus a fost o descărcare de gaz. Plasma umple acum lumini fluorescente și semne cu neon.

Cum se realizează tranziția între state?

Pentru a face acest lucru, trebuie să creați anumite condiții: o presiune constantă și o temperatură specifică. În acest caz, o schimbare a stărilor agregate ale unei substanțe este însoțită de eliberarea sau absorbția de energie. Mai mult, această tranziție nu are loc cu viteza fulgerului, ci necesită o anumită perioadă de timp. În acest timp, condițiile trebuie să rămână neschimbate. Tranziția are loc odată cu existența simultană a materiei sub două forme, care mențin echilibrul termic.

Primele trei stări ale materiei pot trece reciproc una în alta. Există procese directe și inverse. Au următoarele nume:

• topire(de la solid la lichid) și cristalizare, de exemplu, topirea gheții și solidificarea apei;
• vaporizare(de la lichid la gazos) și condensare, un exemplu este evaporarea apei și producerea acesteia din abur;
• sublimare(de la solid la gazos) și desublimare, de exemplu, evaporarea unui parfum uscat pentru primul dintre ele și modele geroase pe sticlă pentru al doilea.

Fizica topirii și cristalizării

Dacă un corp solid este încălzit, atunci la o anumită temperatură, numit punct de topire va începe o substanță specifică, o schimbare a stării de agregare, care se numește topire. Acest proces merge cu absorbția de energie, care se numește cantitatea de căldurăși este marcat cu litera Q. Pentru a-l calcula, trebuie să știți căldură specifică de fuziune, care este notat λ . Și formula arată așa:

Q=λ*m, unde m este masa substanței implicate în topire.

Dacă are loc procesul invers, adică cristalizarea lichidului, atunci condițiile se repetă. Singura diferență este că energia este eliberată, iar semnul minus apare în formulă.

Fizica vaporizării și condensului

Odată cu încălzirea continuă a substanței, aceasta se va apropia treptat de temperatura la care va începe evaporarea sa intensă. Acest proces se numește vaporizare. Se caracterizează din nou prin absorbția de energie. Doar ca să-l calculezi, trebuie să știi căldură specifică de vaporizare r. Iar formula va fi:

Q=r*m.

Procesul invers sau condensarea are loc cu degajarea aceleiași cantități de căldură. Prin urmare, în formulă apare din nou un minus.

Întrebările despre ce este o stare de agregare, ce caracteristici și proprietăți posedă solide, lichide și gaze 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. Să luăm 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.

Ce este o stare de agregare?

Cuvântul de origine latină „aggrego” în traducere în rusă înseamnă „a atașa”. Termenul științific se referă la starea aceluiași corp, substanță. Existența solidelor, gazelor și lichidelor la anumite valori de temperatură și presiuni diferite este caracteristică 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.

În diagrama de mai sus sunt prezentate: a - gaz; b - lichid; c este un corp rigid. 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.

Idei despre microlume: 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-lea, oamenii de știință R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier au formulat prevederile teoriei atomo-moleculare, care nu și-au pierdut semnificația nici astăzi.

Atomi, molecule, ioni - 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, aparținând domeniului.Pentru a înțelege caracteristicile diferitelor stări agregate ale materiei, este suficient să cunoaștem denumirile și caracteristicile principalelor particule structurale care formează diferite substante.

1. Atomii sunt particule indivizibile din punct de vedere chimic. Conservat în reacții chimice, dar distrus în nuclear. Metalele și multe alte substanțe de structură atomică au o stare solidă de agregare în condiții normale.
2. Moleculele sunt particule care sunt descompuse și formate în reacții chimice. oxigen, apă, dioxid de carbon, sulf. Starea de agregare a oxigenului, azotului, dioxidului de sulf, carbonului, oxigenului în condiții normale este gazoasă.
3. 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 situate într-un anumit mod în spațiu. Poziția reciprocă ordonată a atomilor, ionilor, moleculelor 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

Solidele 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 principalele condiții pentru tranziția unui solid într-un lichid este încălzirea acestuia sau o creștere a energiei interne a particulelor substanței. 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 celălalt. 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 eliberate particule încărcate care pot transporta sarcini electrice. Sărurile topite conduc electricitatea și sunt conductoare. În industria chimică, metalurgică și 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 modificări ale 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, veți observa 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 de H 2 O 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.

Odată cu îndepărtarea 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 la 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 se folosește alcool vopsit cu vopsea roșie și nu mercur? Acest lucru se explică prin proprietățile metalului lichid. La înghețuri de 30 de grade, starea de agregare a mercurului se modifică, substanța devine solidă.

Dacă termometrul medical este spart și mercurul s-a vărsat, atunci este periculos să colectați bile de argint cu mâinile. Este dăunător inhalarea vaporilor de mercur, această substanță este foarte toxică. În astfel de cazuri, copiii trebuie să caute ajutor de la părinți, adulți.

stare gazoasă

Gazele nu își pot păstra volumul sau forma. Umpleți balonul până la vârf cu oxigen (formula sa chimică este O 2). 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 numai atunci când o cantitate mare de energie este furnizată 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 de O 2 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 unei butelii 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 substanțe sunt obținute din gaze naturale sau în timpul cracării (divizării) materiei prime petroliere. 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 exploatarea centralelor 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 realizează 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 H 2 O. 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 evaporarea - transformarea apei în gaz - continuă 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 este mai lung 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 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 stări fizice diferite?

Starea de agregare a sulfului - o substanță simplă - este solidă în condiții normale. Dioxidul de sulf este un gaz, acidul sulfuric este un lichid uleios mai greu decât apa. Spre deosebire de acizii clorhidric și azotic, nu este volatil; moleculele nu se evaporă de pe suprafața sa. Ce stare de agregare are sulful plastic, care se obține prin încălzirea cristalelor?

Sub formă amorfă, substanța are structura unui lichid, având 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?

Diferențele existente între principalele stări agregate ale materiei sunt explicate prin interacțiunea dintre atomi, ioni și 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, atragerea electrostatică acționează, dă putere, iar repulsia nu este suficient de puternică.

Pentru a distruge starea solidă de agregare a unei substanțe, trebuie depuse eforturi. 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. Mulți 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 de H 2 O 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. Aceasta se numește „legătură de hidrogen”.

Starea lichidă de agregare este caracterizată prin distanțe între 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 apare pe suprafața lichidului chiar și la temperatura camerei.

Există interacțiuni intermoleculare în gaze?

Starea gazoasă a unei substanțe 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 compoziția aerului: azot, oxigen, dioxid de carbon. În figura de mai jos, primul cub este umplut cu un gaz, al doilea cu un lichid și al treilea cu un solid.

Multe lichide sunt volatile; moleculele unei substanțe se desprind de pe suprafața lor și trec în aer. De exemplu, dacă aduceți un tampon de vată 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 de evacuare, substanțele sunt toxice.

Concluzie

Starea agregată a gazului a fost studiată de mulți fizicieni și chimiști remarcabili: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, 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 de agregare.

Obiectivele lecției:

• să aprofundeze și să generalizeze cunoștințele despre stările agregate ale materiei, să studieze în ce stări pot fi substanțele.

Obiectivele lecției:

Predare - să formuleze o idee despre proprietățile solidelor, gazelor, lichidelor.

Dezvoltarea - dezvoltarea abilităților de vorbire ale elevilor, analiză, concluzii asupra materialului abordat și studiat.

Educativ - insuflarea muncii mentale, crearea tuturor condițiilor pentru a crește interesul pentru subiectul studiat.

Termeni de bază:

Starea de agregare- aceasta este o stare a materiei, care se caracterizeaza prin anumite proprietati calitative: - capacitatea sau incapacitatea de a mentine forma si volumul; - prezența sau absența ordinii de rază scurtă și lungă de acțiune; - alții.

Fig.6. Starea agregată a unei substanțe cu o schimbare de temperatură.

Când o substanță trece de la starea solidă la starea lichidă, aceasta se numește topire, procesul invers este cristalizarea. Când o substanță trece de la un lichid la un gaz, acest proces se numește vaporizare, la un lichid dintr-un gaz - condensare. Și trecerea imediată într-un gaz dintr-un solid, ocolind lichidul - prin sublimare, procesul invers - prin desublimare.

1. Cristalizare; 2. Topire; 3. Condens; 4. Vaporizare;

5. Sublimare; 6. Desublimarea.

Observăm în mod constant aceste exemple de tranziții în viața de zi cu zi. Când gheața se topește, se transformă în apă, iar apa la rândul ei se evaporă pentru a forma abur. Dacă privim în direcția opusă, aburul, condensându-se, începe să se transforme înapoi în apă, iar apa, la rândul ei, înghețând, devine gheață. Mirosul oricărui corp solid este sublimare. Unele dintre molecule scapă din corp și se formează gaz, care dă mirosul. Un exemplu de proces invers sunt modelele pe sticlă iarna, când vaporii din aer, atunci când sunt înghețați, se depun pe sticlă.

Videoclipul arată schimbarea stărilor agregate ale materiei.

bloc de control.

1. După înghețare, apa s-a transformat în gheață. S-au schimbat moleculele de apă?

2. Folosiți eter medical în interior. Și din această cauză, de obicei miros puternic acolo. Care este starea eterului?

3. Ce se întâmplă cu forma lichidului?

4. Gheață. Care este starea apei?

5. Ce se întâmplă când apa îngheață?

Teme pentru acasă.

Răspunde la întrebările:

1. Este posibil să se umple jumătate din volumul vasului cu gaz? De ce?

2. Pot fi azotul și oxigenul în stare lichidă la temperatura camerei?

3. Pot exista la temperatura camerei în stare gazoasă: fier și mercur?

4. Într-o zi geroasă de iarnă, peste râu s-a format ceață. Care este starea materiei?

Credem că materia are trei stări de agregare. De fapt, sunt cel puțin cincisprezece dintre ele, în timp ce lista acestor state continuă să crească în fiecare zi. Acestea sunt: ​​solid amorf, solid, neutroniu, plasmă cuarc-gluon, materie puternic simetrică, materie slab simetrică, condensat fermion, condensat Bose-Einstein și materie ciudată.