V tekočem agregatnem stanju. Agregatna stanja snovi

Mislim, da vsi poznajo 3 osnovna agregatna stanja snovi: tekoče, trdno in plinasto. S temi agregatnimi stanji se srečujemo vsak dan in povsod. Najpogosteje jih obravnavamo na primeru vode. Tekoče stanje vode nam je najbolj znano. Nenehno pijemo tekočo vodo, teče iz naše pipe, sami pa smo 70% tekoče vode. Drugo agregatno stanje vode je navaden led, ki ga pozimi vidimo na ulici. V plinasti obliki je vodo zlahka srečati tudi v vsakdanjem življenju. V plinastem stanju je voda, vsi vemo, para. To se vidi, ko na primer zavremo kotliček. Da, pri 100 stopinjah voda preide iz tekočega v plinasto stanje.

To so tri agregatna stanja snovi, ki so nam znana. Toda ali ste vedeli, da jih je dejansko 4? Mislim, da so vsaj enkrat vsi slišali besedo "plazma". In danes želim, da se naučite tudi več o plazmi – četrtem stanju snovi.

Plazma je delno ali popolnoma ioniziran plin z enako gostoto pozitivnih in negativnih nabojev. Plazmo lahko pridobimo iz plina – iz 3. agregatnega stanja z močnim segrevanjem. Agregacijsko stanje na splošno je pravzaprav popolnoma odvisno od temperature. Prvo agregacijsko stanje je najnižja temperatura, pri kateri telo ostane trdno, drugo agregacijsko stanje je temperatura, pri kateri se telo začne topiti in postaja tekoče, tretje agregacijsko stanje je najvišja temperatura, pri kateri snov postane plin. Za vsako telo, snov je temperatura prehoda iz enega agregacijskega stanja v drugo popolnoma drugačna, pri nekaterih je nižja, pri nekaterih višja, pri vseh pa je strogo v tem zaporedju. In pri kateri temperaturi snov postane plazma? Ker je to četrto stanje, pomeni, da je temperatura prehoda nanj višja od temperature vsakega prejšnjega. In res je. Za ioniziranje plina je potrebna zelo visoka temperatura. Za najnižjo temperaturo in nizko ionizirano (približno 1%) plazmo so značilne temperature do 100 tisoč stopinj. V zemeljskih razmerah lahko takšno plazmo opazimo v obliki strele. Temperatura kanala strele lahko preseže 30 tisoč stopinj, kar je 6-krat več od površinske temperature Sonca. Mimogrede, Sonce in vse druge zvezde so tudi plazma, pogosteje še vedno visokotemperaturna. Znanost dokazuje, da je približno 99 % celotne snovi vesolja plazma.

Za razliko od nizkotemperaturne plazme ima visokotemperaturna plazma skoraj 100-odstotno ionizacijo in temperaturo do 100 milijonov stopinj. To je resnično zvezdna temperatura. Na Zemlji takšno plazmo najdemo le v enem primeru - za poskuse termonuklearne fuzije. Nadzorovana reakcija je precej zapletena in energetsko intenzivna, nenadzorovana pa se je dovolj izkazala kot orožje ogromne moči - termonuklearna bomba, ki jo je ZSSR preizkusila 12. avgusta 1953.

Plazma ni razvrščena le po temperaturi in stopnji ionizacije, temveč tudi po gostoti in navidezni nevtralnosti. fraza gostota plazme običajno pomeni elektronska gostota, to je število prostih elektronov na enoto prostornine. No, s tem mislim, da je vse jasno. Toda vsi ne vedo, kaj je kvazi nevtralnost. Kvazinevtralnost plazme je ena njenih najpomembnejših lastnosti, ki je sestavljena iz skoraj natančne enakosti gostot pozitivnih ionov in elektronov, ki so vključeni v njeno sestavo. Zaradi dobre električne prevodnosti plazme je ločitev pozitivnih in negativnih nabojev nemogoča na razdaljah, večjih od Debyejeve dolžine in na časih, večjih od obdobja nihanja plazme. Skoraj vsa plazma je kvazi nevtralna. Primer ne-kvazi nevtralne plazme je elektronski žarek. Vendar pa mora biti gostota nevtralne plazme zelo nizka, sicer bodo zaradi Coulombovega odbijanja hitro razpadle.

Upoštevali smo zelo malo zemeljskih primerov plazme. Vendar jih je dovolj. Človek se je naučil uporabljati plazmo za svoje dobro. Zahvaljujoč četrtemu agregatnemu stanju snovi lahko uporabljamo plinske sijalke, plazma televizorje, električno obločno varjenje in laserje. Navadne fluorescenčne sijalke na praznjenje v plinu so tudi plazma. V našem svetu je tudi plazemska svetilka. V znanosti se uporablja predvsem za preučevanje in, kar je najpomembneje, za ogled nekaterih najbolj zapletenih plazemskih pojavov, vključno s filamentacijo. Fotografija takšne svetilke si lahko ogledate na spodnji sliki:

Poleg gospodinjskih plazemskih naprav je na Zemlji pogosto mogoče videti tudi naravno plazmo. O enem od njegovih primerov smo že govorili. To je strela. A poleg strele lahko plazemske pojave imenujemo severni sij, "ognji svetega Elma", zemeljska ionosfera in seveda ogenj.

Upoštevajte, da gorijo tako ogenj kot strela in druge manifestacije plazme, kot jo imenujemo. Kaj je razlog za tako svetlo oddajanje svetlobe s strani plazme? Sij plazme je posledica prehoda elektronov iz visokoenergijskega stanja v nizkoenergijsko stanje po rekombinaciji z ioni. Ta proces vodi do sevanja s spektrom, ki ustreza vzbujenemu plinu. Zato plazma sveti.

Rad bi povedal tudi nekaj o zgodovini plazme. Konec koncev so nekoč samo take snovi, kot sta tekoča sestavina mleka in brezbarvna komponenta krvi, imenovali plazma. Vse se je spremenilo leta 1879. Tega leta je slavni angleški znanstvenik William Crookes, ki je raziskoval električno prevodnost v plinih, odkril pojav plazme. Res je, da so to stanje snovi imenovali plazma šele leta 1928. In to je storil Irving Langmuir.

Za zaključek želim povedati, da je tako zanimiv in skrivnosten pojav, kot je kroglasta strela, o kateri sem večkrat pisal na tej strani, seveda tudi plazmoid, kot navadna strela. To je morda najbolj nenavaden plazmoid od vseh pojavov zemeljske plazme. Navsezadnje obstaja okoli 400 zelo različnih teorij o krogličnih strelah, vendar nobena od njih ni bila priznana kot resnično pravilna. V laboratorijskih pogojih so bili podobni, a kratkotrajni pojavi pridobljeni na več različnih načinov, zato vprašanje narave kroglične strele ostaja odprto.

Navadna plazma je seveda nastala tudi v laboratorijih. Nekoč je bilo težko, zdaj pa tak eksperiment ni težak. Ker je plazma trdno vstopila v naš gospodinjski arzenal, je v laboratorijih veliko poskusov na njej.

Najbolj zanimivo odkritje na področju plazme so bili poskusi s plazmo v breztežnosti. Izkazalo se je, da plazma kristalizira v vakuumu. To se zgodi tako: nabiti delci plazme se začnejo odbijati, in ko imajo omejen prostornino, zasedajo prostor, ki jim je dodeljen, in se razpršijo v različne smeri. To je zelo podobno kristalni mreži. Ali to ne pomeni, da je plazma sklepna vez med prvim agregatnim stanjem snovi in ​​tretjim? Konec koncev zaradi ionizacije plina postane plazma, v vakuumu pa plazma spet postane tako rekoč trdna. Ampak to je samo moja domneva.

Plazemski kristali v vesolju imajo tudi precej čudno strukturo. To strukturo je mogoče opazovati in preučevati le v vesolju, v resničnem vesoljskem vakuumu. Tudi če ustvarite vakuum na Zemlji in tam postavite plazmo, bo gravitacija preprosto stisnila celotno "sliko", ki se oblikuje v notranjosti. V vesolju pa plazemski kristali preprosto vzletijo in tvorijo volumetrično tridimenzionalno strukturo čudne oblike. Potem ko so zemeljskim znanstvenikom poslali rezultate opazovanj plazme v orbiti, se je izkazalo, da vrtinčki v plazmi na čuden način posnemajo strukturo naše galaksije. In to pomeni, da bo v prihodnosti s preučevanjem plazme mogoče razumeti, kako se je rodila naša galaksija. Spodnje fotografije prikazujejo isto kristalizirano plazmo.

Opredelitev

Agregatna stanja snovi (iz latinskega aggrego - pritrditi, povezati) - to so stanja iste snovi - trdno, tekoče, plinasto.

Pri prehodu iz enega stanja v drugo pride do nenadne spremembe energije, entropije, gostote in drugih lastnosti snovi.

Trdna in tekoča telesa

Opredelitev

Trdna telesa so telesa, ki jih odlikuje konstantnost oblike in prostornine.

V njih so medmolekulske razdalje majhne in potencialna energija molekul je primerljiva s kinetično. Trdne snovi delimo na dve vrsti: kristalne in amorfne. Samo kristalna telesa so v stanju termodinamičnega ravnotežja. Amorfna telesa pravzaprav predstavljajo metastabilna stanja, ki se po svoji strukturi približujejo neravnovesnim, počasi kristalizirajočim tekočinam. V amorfnem telesu poteka zelo počasen proces kristalizacije, proces postopnega prehoda snovi v kristalno fazo. Razlika med kristalom in amorfno trdno snovjo je predvsem v anizotropiji njegovih lastnosti. Lastnosti kristalnega telesa so odvisne od smeri v prostoru. Različne vrste procesov, kot so toplotna prevodnost, električna prevodnost, svetloba, zvok, se na različne načine širijo v različnih smereh trdnega telesa. Amorfna telesa (steklo, smole, plastika) so izotopska, kot tekočine. Edina razlika med amorfnimi telesi in tekočinami je v tem, da so slednje tekoče, v njih so statične strižne deformacije nemogoče.

Kristalna telesa imajo pravilno molekularno strukturo. Anizotropnost njegovih lastnosti je posledica pravilne strukture kristala. Pravilna razporeditev atomov kristala tvori tako imenovano kristalno mrežo. V različnih smereh je razporeditev atomov v mreži različna, kar vodi v anizotropijo. Atomi (ali ioni ali cele molekule) v kristalni mreži izvajajo naključno nihajno gibanje okoli srednjih položajev, ki se obravnavajo kot vozlišča kristalne mreže. Višja kot je temperatura, večja je energija nihanja in s tem povprečna amplituda nihanja. Velikost kristala je odvisna od amplitude nihanja. Povečanje amplitude nihanj vodi do povečanja velikosti telesa. To pojasnjuje toplotno raztezanje trdnih snovi.

Opredelitev

Tekoča telesa so telesa, ki imajo določeno prostornino, vendar nimajo elastičnosti oblike.

Za tekočine je značilna močna medmolekularna interakcija in nizka stisljivost. Tekočina zavzema vmesni položaj med trdno snovjo in plinom. Tekočine so tako kot plini izotopske. Poleg tega ima tekočina tekočnost. V njem, tako kot v plinih, ni tangencialnih napetosti (strižnih napetosti) teles. Tekočine so težke, t.j. njihova specifična teža je primerljiva s specifično težo trdnih snovi. V bližini temperatur kristalizacije so njihove toplotne kapacitete in druge toplotne lastnosti blizu trdnih snovi. V tekočinah je do določene mere opaziti pravilno razporeditev atomov, vendar le na majhnih območjih. Tudi tu atomi nihajo v bližini vozlišč kvazikristalne celice, vendar za razliko od atomov trdnega telesa občasno skočijo iz enega vozlišča v drugo. Posledično bo gibanje atomov zelo zapleteno: nihajoče, hkrati pa se središče vibracij premika v prostoru.

Plin, izhlapevanje, kondenzacija in taljenje

Opredelitev

Plin je stanje snovi, v katerem so razdalje med molekulami velike.

Sile interakcije med molekulami pri nizkih tlakih lahko zanemarimo. Delci plina zapolnijo celotno prostornino, ki je zagotovljena plinu. Plini se lahko obravnavajo kot zelo pregreti ali nenasičeni hlapi. Plazma je posebna vrsta plina – je delno ali popolnoma ioniziran plin, v katerem je gostota pozitivnih in negativnih nabojev skoraj enaka. Plazma je plin nabitih delcev, ki medsebojno delujejo z električnimi silami na veliki razdalji, vendar nimajo bližnjih in daljnih delcev.

Snovi se lahko spreminjajo iz enega agregacijskega stanja v drugo.

Opredelitev

Izhlapevanje je proces spreminjanja agregacijskega stanja snovi, pri katerem molekule izletijo s površine tekočine ali trdne snovi, katerih kinetična energija presega potencialno energijo interakcije molekul.

Izhlapevanje je fazni prehod. Med izhlapevanjem del tekočine ali trdne snovi preide v paro. Snov v plinastem stanju, ki je v dinamičnem ravnovesju s tekočino, se imenuje nasičena para. V tem primeru se spremeni notranja energija telesa:

\[\trikotnik \ U=\pm mr\ \levo(1\desno),\]

kjer je m telesna teža, r je specifična toplota izhlapevanja (J/kg).

Opredelitev

Kondenzacija je obraten proces izhlapevanja.

Izračun spremembe notranje energije se izvede po formuli (1).

Opredelitev

Taljenje je proces prehoda snovi iz trdnega v tekoče stanje, proces spreminjanja agregacijskega stanja snovi.

Ko se snov segreje, se njena notranja energija poveča, zato se poveča hitrost toplotnega gibanja molekul. V primeru, da se doseže tališče snovi, se kristalna mreža trdne snovi začne razpadati. Vezi med delci se uničijo, energija interakcije med delci se poveča. Toplota, ki se prenese na telo, gre za povečanje notranje energije tega telesa, del energije pa za opravljanje dela za spreminjanje volumna telesa, ko se ta topi. Za večino kristalnih teles se volumen poveča pri taljenju, vendar obstajajo izjeme, na primer led, lito železo. Amorfna telesa nimajo določenega tališča. Taljenje je fazni prehod, ki ga spremlja nenadna sprememba toplotne kapacitete pri talilni temperaturi. Tališče je odvisno od snovi in ​​se med postopkom ne spreminja. V tem primeru se spremeni notranja energija telesa:

\[\trikotnik U=\pm m\lambda \levo(2\desno),\]

kjer je $\lambda $ specifična toplota fuzije (J/kg).

Povratni proces taljenja je kristalizacija. Izračun spremembe notranje energije se izvede po formuli (2).

Spremembo notranje energije vsakega telesa sistema v primeru ogrevanja ali hlajenja lahko izračunamo po formuli:

\[\trikotnik U=mc\trikotnik T\levo(3\desno),\]

kjer je c specifična toplota snovi, J/(kgK), $\trikotnik T$ je sprememba telesne temperature.

Pri preučevanju prehodov snovi iz enega agregacijskega stanja v drugo ni mogoče brez tako imenovane enačbe toplotne bilance, ki pravi: skupna količina toplote, ki se sprosti v toplotno izoliranem sistemu, je enaka količini toplota (skupna), ki se absorbira v tem sistemu.

Enačba toplotne bilance je v svojem pomenu zakon ohranjanja energije za procese prenosa toplote v toplotno izoliranih sistemih.

Primer 1

Naloga: V toplotno izolirani posodi sta voda in led pri temperaturi $t_i= 0^oС$. Masi vode ($m_(v\ ))$ in ledu ($m_(i\ ))$ sta 0,5 kg oziroma 60 g. V vodo spustimo vodno paro z maso $m_(p\ )=$10 g. pri temperaturi $t_p= 100^oС$. Kakšna bo temperatura vode v posodi po vzpostavitvi toplotnega ravnovesja? Toplotna zmogljivost posode se ne upošteva.

Rešitev: Ugotovimo, kateri procesi potekajo v sistemu, kakšna agregatna stanja snovi smo imeli in kaj smo dobili.

Vodna para kondenzira in oddaja toploto.

Ta toplota se uporablja za taljenje ledu in po možnosti za ogrevanje vode, ki je na voljo in pridobljena iz ledu.

Najprej preverimo, koliko toplote se sprosti pri kondenzaciji razpoložljive mase pare:

tukaj imamo iz referenčnih materialov $r=2,26 10^6\frac(J)(kg)$ - specifično toploto izhlapevanja (uporabno tudi za kondenzacijo).

Toplota, potrebna za taljenje ledu:

tukaj iz referenčnih materialov imamo $\lambda =3,3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$ - specifična toplota taljenja ledu.

Dobimo, da para odda več toplote, kot je potrebno, le da stopi obstoječi led, zato zapišemo enačbo toplotne bilance v obliki:

Toplota se sprošča pri kondenzaciji pare z maso $m_(p\ )$ in hlajenju vode, ki nastane iz pare s temperature $T_p$ na želeno T. Toplota se absorbira pri taljenju ledu z maso $m_(i\). )$ in segrevanje vode z maso $m_v+ m_i$ od temperature $T_i$ do $T.\ $ Označimo $T-T_i=\trikotnik T$, za razliko $T_p-T$ dobimo:

Enačba toplotne bilance bo imela obliko:

\ \ \[\ trikotnik T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\levo(m_v+m_i+m_(p\ )\desno))\levo (1.6\desno)\]

Izvedemo izračune, pri čemer upoštevamo, da je toplotna zmogljivost vode tabela $c=4,2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i+ 273=273K$:

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

Odgovor: Temperatura vode v posodi po vzpostavitvi toplotnega ravnotežja bo enaka 276 K.

Primer 2

Naloga: Slika prikazuje odsek izoterme, ki ustreza prehodu snovi iz kristalnega v tekoče stanje. Kaj ustreza temu razdelku na diagramu p,T?

Celoten niz stanj, upodobljenih na diagramu p, V z vodoravnim ravnim odsekom na diagramu p, T, je predstavljen z eno točko, ki določa vrednosti p in T, pri kateri poteka prehod iz enega agregatnega stanja v drugo poteka.

Vsa snov lahko obstaja v eni od štirih oblik. Vsak od njih je določeno agregatno stanje snovi. V naravi Zemlje je le eden zastopan v treh naenkrat. To je voda. Lahko je videti, da je izhlapela, stopljena in strjena. To je para, voda in led. Znanstveniki so se naučili, kako spremeniti agregatna stanja snovi. Največja težava jim predstavlja le plazma. To stanje zahteva posebne pogoje.

Kaj je to, od česa je odvisno in kako je označeno?

Če je telo prešlo v drugo agregatno stanje, to še ne pomeni, da se je pojavilo nekaj drugega. Snov ostane enaka. Če bi imela tekočina molekule vode, bodo enake v pari z ledom. Spremenila se bo le njihova lokacija, hitrost gibanja in sile medsebojnega delovanja.

Pri preučevanju teme "Agregatna stanja (8. razred)" se upoštevajo le tri od njih. To so tekoče, plinaste in trdne snovi. Njihove manifestacije so odvisne od fizičnih pogojev okolja. Značilnosti teh stanj so predstavljene v tabeli.

Prvo stanje: trdno

Njegova temeljna razlika od drugih je, da imajo molekule strogo določeno mesto. Ko govorimo o trdnem agregatnem stanju, najpogosteje mislijo na kristale. V njih je struktura rešetke simetrična in strogo periodična. Zato je vedno ohranjen, ne glede na to, kako daleč bi se telo razširilo. Oscilatorno gibanje molekul snovi ni dovolj za uničenje te mreže.

Obstajajo pa tudi amorfna telesa. Nimajo stroge strukture pri razporeditvi atomov. Lahko so kjerkoli. Toda to mesto je tako stabilno kot v kristalnem telesu. Razlika med amorfnimi in kristaliničnimi snovmi je v tem, da nimajo določene temperature taljenja (strjevanja) in jih odlikuje pretočnost. Živahna primera takšnih snovi sta steklo in plastika.

Drugo stanje: tekočina

To agregatno stanje snovi je križanec med trdno snovjo in plinom. Zato združuje nekatere lastnosti iz prvega in drugega. Torej je razdalja med delci in njihova interakcija podobna kot pri kristalih. Toda tukaj je lokacija in gibanje bližje plinu. Zato tekočina ne obdrži svoje oblike, ampak se razlije po posodi, v katero jo vlijemo.

Tretje stanje: plin

Za znanost, imenovano »fizika«, agregacijsko stanje v obliki plina ni na zadnjem mestu. Navsezadnje preučuje svet okoli sebe in zrak v njem je zelo pogost.

Značilnosti tega stanja so, da so sile interakcije med molekulami praktično odsotne. To pojasnjuje njihovo prosto gibanje. Zaradi tega plinasta snov zapolni celotno količino, ki ji je namenjena. Poleg tega je mogoče vse prenesti v to stanje, samo povečati morate temperaturo za želeno količino.

Četrto stanje: plazma

To agregatno stanje snovi je plin, ki je v celoti ali delno ioniziran. To pomeni, da je število negativno in pozitivno nabitih delcev v njej skoraj enako. Ta situacija se pojavi, ko se plin segreje. Nato pride do močnega pospeševanja procesa toplotne ionizacije. Leži v tem, da so molekule razdeljene na atome. Slednji se nato spremenijo v ione.

V vesolju je takšno stanje zelo pogosto. Ker vsebuje vse zvezde in medij med njimi. V mejah zemeljskega površja se pojavlja izjemno redko. Poleg ionosfere in sončnega vetra je plazma mogoča le med nevihtami. Pri bliskah strele nastanejo pogoji, v katerih plini ozračja preidejo v četrto stanje snovi.

Toda to ne pomeni, da plazma ni nastala v laboratoriju. Prva stvar, ki jo je bilo mogoče reproducirati, je bila plinska razelektritev. Plazma zdaj polni fluorescenčne luči in neonske napise.

Kako poteka prehod med državami?

Če želite to narediti, morate ustvariti določene pogoje: stalen tlak in določeno temperaturo. V tem primeru spremembo agregatnih stanj snovi spremlja sproščanje ali absorpcija energije. Poleg tega se ta prehod ne zgodi z bliskovito hitrostjo, ampak zahteva določen čas. V tem času morajo pogoji ostati nespremenjeni. Prehod se zgodi ob hkratnem obstoju snovi v dveh oblikah, ki ohranjata toplotno ravnotežje.

Prva tri agregatna stanja lahko medsebojno prehajajo eno v drugo. Obstajajo neposredni in obratni procesi. Imajo naslednja imena:

• taljenje(iz trdnega v tekoče) in kristalizacija na primer taljenje ledu in strjevanje vode;
• izhlapevanje(iz tekočega v plinasto) in kondenzacija, primer je izhlapevanje vode in njena proizvodnja iz pare;
• sublimacija(iz trdnega v plinasto) in desublimacija, na primer, izhlapevanje suhe dišave za prvo od njih in zmrznjeni vzorci na steklu za drugo.

Fizika taljenja in kristalizacije

Če se trdno telo segreje, potem pri določeni temperaturi, ki se imenuje tališče določena snov, se bo začela sprememba agregacijskega stanja, ki se imenuje taljenje. Ta proces poteka z absorpcijo energije, ki se imenuje količino toplote in je označen s črko Q. Če ga želite izračunati, morate vedeti specifična talilna toplota, ki je označena λ . In formula izgleda takole:

Q=λ*m, kjer je m masa snovi, ki sodeluje pri taljenju.

Če pride do obratnega procesa, to je kristalizacije tekočine, se pogoji ponovijo. Edina razlika je v tem, da se energija sprosti, v formuli pa se pojavi znak minus.

Fizika izhlapevanja in kondenzacije

Z nadaljnjim segrevanjem snovi se bo postopoma približala temperaturi, pri kateri se bo začelo njeno intenzivno izhlapevanje. Ta proces se imenuje vaporizacija. Zanj je spet značilna absorpcija energije. Samo da ga izračunaš, moraš vedeti specifična toplota izhlapevanja r. In formula bo:

Q=r*m.

Obratni proces oziroma kondenzacija se pojavi s sproščanjem enake količine toplote. Zato se v formuli spet pojavi minus.

Vprašanja o tem, kaj je agregacijsko stanje, katere lastnosti in lastnosti imajo trdne snovi, tekočine in plini, so obravnavana v več tečajih usposabljanja. Obstajajo tri klasična stanja snovi, s svojimi lastnimi značilnostmi 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. Razmislimo o možnih prehodih iz enega agregacijskega stanja v drugo, saj se izvajajo v naravi, tehnologiji in vsakdanjem življenju.

Kaj je agregacijsko stanje?

Beseda latinskega izvora "aggrego" v prevodu v ruščino pomeni "priložiti". Znanstveni izraz se nanaša na stanje istega telesa, snovi. Obstoj trdnih snovi, plinov in tekočin pri določenih temperaturnih vrednostih in različnih tlakih je značilen 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 togo 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 oblikami agregata.

Ideje o mikrosvetu: 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. stoletju so znanstveniki R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier oblikovali določila atomsko-molekularne teorije, ki še danes niso izgubila svojega pomena.

Atomi, molekule, ioni - 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 v področje.Za razumevanje značilnosti različnih agregatnih stanj snovi je dovolj poznati imena in značilnosti glavnih strukturnih delcev, ki tvorijo različne snovi.

1. 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.
2. Molekule so delci, ki se razgradijo in tvorijo v kemičnih reakcijah. kisik, voda, ogljikov dioksid, žveplo. Agregacijsko stanje kisika, dušika, žveplovega dioksida, ogljika, kisika v normalnih pogojih je plinasto.
3. Ioni so nabiti delci, v katere se atomi in molekule spremenijo, ko pridobijo ali izgubijo elektrone – mikroskopski negativno nabiti delci. Mnoge soli imajo ionsko strukturo, na primer kuhinjska sol, železov in bakrov sulfat.

Obstajajo snovi, katerih delci se na določen način nahajajo v prostoru. Urejen medsebojni položaj atomov, 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 trdna snov, vendar se pri visokih temperaturah snov spremeni v tekočo in amorfno maso.

Snovi v trdnem agregacijskem stanju

Trdne snovi 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 ohranijo svoje oblike, ker se kristalne rešetke porušijo.

Tekoče agregacijsko stanje soli med taljenjem je razloženo s pretrganjem vezi med ioni v kristalih. Sproščajo se nabiti delci, ki lahko nosijo 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 spremembami agregacijskega stanja trdnih surovin.

Tekočina je eno od osnovnih agregacijskih stanj

Če v bučko z okroglim dnom nalijete 50 ml vode, boste opazili, 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 H 2 O preidejo v stanje pare, ostanejo topljene snovi. Na tej lastnosti temeljijo metode za pridobivanje koristnih snovi iz morske vode in metode za njeno čiščenje.

S popolno odstranitvijo 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 se uporablja alkohol obarvan z rdečo barvo in ne živo srebro? To je razloženo z lastnostmi tekoče kovine. Pri 30-stopinjski zmrzali se agregacijsko stanje živega srebra spremeni, snov postane trdna.

Če je medicinski termometer pokvarjen in se je živo srebro razlilo, je nevarno zbiranje srebrnih kroglic z rokami. Vdihavanje hlapov živega srebra je škodljivo, ta snov je zelo strupena. Otroci v takih primerih morajo poiskati pomoč pri starših, odraslih.

plinasto stanje

Plini ne morejo ohraniti svojega volumna ali oblike. Bučko do vrha napolnite s kisikom (njena kemijska formula je O 2). 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, če je velika količina energije dobavljena 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 O 2 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.

Zemljina 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 gospodinjstvu. Te snovi se pridobivajo iz zemeljskega plina ali med krekingom (cepljenjem) naftnih surovin. 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). Za delovanje elektrarn se uporabljajo hitre reke, plima na obalah morij in oceanov.

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 se sublimira - spremeni v plin, mimo tekočega stanja.

Kako se izvajajo prehodi iz ene agregatne oblike snovi v drugo?

Spremembe agregatnega stanja snovi niso povezane s kemičnimi preobrazbami, 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 H 2 O. Pri temperaturi 0 ° C in pod to vrednostjo voda kristalizira, se pravi, da se spremeni v led. Ko se temperatura dvigne, se nastali kristali uničijo - led se topi, ponovno dobimo tekočo vodo. Ko se segreje, nastane 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 je ta proces daljši kot v vročem dnevu.

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 spreminjajo agregatna stanja žvepla?

V normalnih pogojih je žveplo svetli sijoči kristali ali svetlo rumen prah, torej 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 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 je plin, žveplova kislina je oljnata tekočina, težja od vode. Za razliko od klorovodikove in dušikove kisline ni hlapljiv, molekule ne izhlapevajo z njegove površine. Kakšno agregacijsko stanje ima plastično žveplo, ki ga dobimo s segrevanjem kristalov?

V amorfni obliki ima snov strukturo tekočine, ki ima rahlo pretočnost. Toda plastično žveplo hkrati ohrani svojo obliko (kot trdna snov). Obstajajo tekoči kristali, ki imajo številne značilne lastnosti trdnih snovi. Tako je stanje snovi v različnih pogojih odvisno od njene narave, temperature, tlaka in drugih zunanjih pogojev.

Kakšne so značilnosti strukture trdnih snovi?

Obstoječe razlike med glavnimi agregatnimi stanji snovi pojasnjujemo 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, daje moč, odboj pa ni dovolj močan.

Da bi uničili trdno agregacijsko stanje snovi, si je treba prizadevati. 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. Mnogi na Zemlji so v trdnem stanju. Ta surovina se pridobiva s pomočjo opreme v rudnikih in kamnolomih.

Da bi od kristala ločili celo en ion, 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. Molekule H 2 O medsebojno delujejo z ioni soli in uničijo kemično vez med njimi. Tako raztapljanje ni preprosto mešanje različnih snovi, temveč 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. To se imenuje "vodikova vez".

Za tekoče agregacijsko stanje so značilne razdalje med strukturnimi delci, ki so 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 obstajajo medmolekularne interakcije v plinih?

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, ki so v sestavi zraka: 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 izpušnim pokrovom, snovi so strupene.

Zaključek

Agregatno stanje plina so preučevali številni izjemni fiziki in kemiki: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mendeleev, 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 agregacijskih stanjih.

Cilji lekcije:

• poglobiti in posplošiti znanje o agregatnih stanjih snovi, preučiti, v kakšnih stanjih so lahko snovi.

Cilji lekcije:

Poučevanje - oblikovati predstavo o lastnostih trdnih snovi, plinov, tekočin.

Razvijanje - razvoj govornih sposobnosti učencev, analiza, sklepi o obravnavanem in preučevanem gradivu.

Vzgojno - vzbujanje duševnega dela, ustvarjanje vseh pogojev za povečanje zanimanja za preučevano temo.

Osnovni izrazi:

Agregacijsko stanje- to je stanje snovi, za katero so značilne določene kvalitativne lastnosti: - sposobnost ali nezmožnost ohranjanja oblike in volumna; - prisotnost ali odsotnost reda kratkega in dolgega dosega; - drugi.

sl.6. Agregatno stanje snovi s spremembo temperature.

Ko snov preide iz trdnega v tekoče stanje, temu pravimo taljenje, obratni proces je kristalizacija. Ko snov prehaja iz tekočine v plin, se ta proces imenuje uparjanje, v tekočino iz plina - kondenzacija. In prehod takoj v plin iz trdnega, mimo tekočine - s sublimacijo, obratni proces - z desublimacijo.

1. Kristalizacija; 2. Taljenje; 3. Kondenzacija; 4. Izhlapevanje;

5. Sublimacija; 6. Desublimacija.

Te primere prehodov v vsakdanjem življenju nenehno opazujemo. Ko se led stopi, se spremeni v vodo, voda pa izhlapi in nastane para. Če ga obravnavamo v nasprotni smeri, se para, ki se kondenzira, začne obračati nazaj v vodo, voda pa, ko zmrzne, postane led. Vonj katerega koli trdnega telesa je sublimacija. Nekatere molekule pobegnejo iz telesa in nastane plin, ki daje vonj. Primer obratnega procesa so vzorci na steklu pozimi, ko se hlapi v zraku, ko so zmrznjeni, usedejo na steklo.

Video prikazuje spremembo agregatnih agregatnih stanj snovi.

krmilni blok.

1. Po zmrzovanju se je voda spremenila v led. Ali so se molekule vode spremenile?

2. Uporabljajte medicinski eter v zaprtih prostorih. In zaradi tega tam običajno močno dišijo. Kakšno je stanje etra?

3. Kaj se zgodi z obliko tekočine?

4. Led. Kakšno je stanje vode?

5. Kaj se zgodi, ko voda zmrzne?

Domača naloga.

Odgovori na vprašanja:

1. Ali je mogoče s plinom napolniti polovico prostornine posode? zakaj?

2. Ali sta lahko dušik in kisik pri sobni temperaturi v tekočem stanju?

3. Ali sta lahko pri sobni temperaturi v plinastem stanju: železo in živo srebro?

4. V mrzlem zimskem dnevu se je nad reko oblikovala megla. Kakšno je stanje snovi?

Verjamemo, da ima snov tri agregirana stanja. Pravzaprav jih je vsaj petnajst, medtem ko se seznam teh držav vsak dan povečuje. To so: amorfna trdna snov, trdna snov, nevtronijeva, kvark-gluonska plazma, močno simetrična snov, šibko simetrična snov, fermionski kondenzat, Bose-Einsteinov kondenzat in čudna snov.