Какво представлява общото състояние? Агрегатно състояние на материята

Въпроси за това, какво е агрегатно състояние, какви характеристики и свойства притежават твърдите вещества, течностите и газовете се разглеждат в няколко курса на обучение. Съществуват три класически състояния на материята, със своите характерни черти на структурата. Разбирането им е важен момент в разбирането на науките за Земята, живите организми, производствените дейности. Тези въпроси се изучават по физика, химия, география, геология, физична химия и други научни дисциплини. Веществата, които са при определени условия в един от трите основни типа състояния, могат да се променят с увеличаване или намаляване на температурата и налягането. Нека разгледаме възможните преходи от едно агрегатно състояние към друго, тъй като те се извършват в природата, технологията и ежедневието.

Какво представлява общото състояние?

Латинската дума "aggrego" на руски означава "се присъедини". Научният термин се отнася до състоянието на едно и също тяло, вещество. Наличието на твърди тела, газове и течности при определени температурни стойности и различни налягания е характерно за всички черупки на Земята. В допълнение към трите основни агрегати има и четвъртото. При повишена температура и постоянно налягане газът става плазма. За да разберете по-добре какво е общото състояние, трябва да запомните най-малките частици, които съставят вещества и тела.

Диаграмата по-горе показва: a-gas-b-liquid-c-solid. В тези фигури кръговете обозначават структурните елементи на веществата. Това е конвенционално означение, всъщност атоми, молекули, йони не са твърди топки. Атомите се състоят от положително заредено ядро, около което отрицателно заредени електрони се движат с висока скорост. Познаването на микроскопичната структура на материята помага да се разберат по-добре разликите, които съществуват между различните агрегирани форми.

Представителства за микрокосмоса: от древна Гърция до 17 век

Първата информация за частиците, от които се състоят физически тела, се появи в древна Гърция. Мислителите Демокрит и Епикур въвеждат такава концепция като атом. Те вярваха, че тези минути неделими частици от различни вещества притежават форма, определени размери, способни на движение и взаимодействие помежду си. Атомът се превърна в най-напредналите за времето си учението на древна Гърция. Но неговото развитие спря в средновековието. Оттогава учените били преследвани от Инквизицията на Римокатолическата църква. Следователно, до новото време не е имало разбираема концепция за това какво е общото състояние на материята. Едва след учените от XVII в. Р. Бойл, М. Ломоносов, Д. Далтън, А. Лавоазие формулираха разпоредбите на атомната молекулярна теория, които не са загубили значението си дори и в наши дни.

Атоми, молекули, йони - микроскопични частици от структурата на материята

Значителен пробив в разбирането на микроскопа се случи през ХХ век, когато е измислен електронен микроскоп. Вземайки предвид откритията, направени от учените по-рано, е възможно да се сгъне хармонична картина на микроскопа. Теориите, описващи състоянието и поведението на най-малките частици на материята, са доста сложни, те принадлежат към полето квантова физика. За да се разберат характеристиките на различните агрегатни състояния на материята, е достатъчно да се познават имената и характеристиките на основните структурни частици, които образуват различни вещества.

1. Атомите са химически неделими частици. Запазени при химични реакции, но унищожени в ядрени. Метали и много други вещества от атомна структура имат твърдо агрегатно състояние при обикновени условия.
2. Молекулите са частици, които се разрушават и се образуват при химични реакции. Молекулната структура съдържа кислород, вода, въглероден диоксид, сяра. Агрегатното състояние на кислород, азот, серен диоксид, въглерод, кислород при нормални условия е газообразно.
3. Йоните са заредени частици, в които атомите и молекулите се трансформират, когато електроните се прикрепят или изгубят - микроскопично отрицателно заредени частици. Йоновата структура има много соли, например кулинария, желязо и мед.

Има вещества, чиито частици са разположени по определен начин в пространството. Наредената взаимна позиция на атоми, йони, молекули се нарича кристална решетка. Обикновено, йонните и атомните кристални решетки са характерни за твърдите вещества, молекулните решетки за течности и газове. Diamond се отличава с висока твърдост. Атомната кристална решетка се образува от въглеродни атоми. Но мекият графит също се състои от атоми на този химичен елемент. Само те са разположени различно в космоса. Обичайното агрегатно състояние на сярата е твърдо, но при високи температури веществото става течност и аморфна маса.

Вещества в твърдо агрегатно състояние

Твърдите вещества при нормални условия запазват обема и формата си. Например, зърно от пясък, зърно от захар, сол, парче скала или метал. Ако загрявате захарта, веществото започва да се топи, превръщайки се в вискозна кафява течност. Спрете нагряването - отново ще получите твърдо вещество. Следователно, едно от основните условия за прехода на твърдо тяло в течност е нагряването му или увеличаването на вътрешната енергия на частиците на материята. Твърдото състояние на солта, което се използва за храна, също може да бъде променено. Но за да разтопите солта, имате нужда от по-висока температура, отколкото от загряването на захарта. Факт е, че захарта се състои от молекули, а солената маса се получава от натоварени йони, които са по-привлечени един от друг. Твърдите вещества в течна форма не запазват формата си, защото кристалните решетки се разрушават.

Течният агрегат на солта по време на топенето се обяснява с разрушаването на връзката между йоните в кристалите. Заредени са заредени частици, които могат да носят електрически заряди. Топи от соли провеждат електричество, те са проводници. В химическата, металургичната и инженерната индустрия твърдите вещества се превръщат в течни вещества, за да се получат нови съединения или да се дадат различни форми. Сплавите на металите са широко използвани. Има няколко начина за тяхното получаване, свързани с промените в общото състояние на твърдите суровини.

Течността е едно от основните състояния на агрегата

Ако изсипете 50 ml вода в колба с кръгло дъно, можете да видите, че веществото е непосредствено под формата на химически съд. Но веднага след като излеем водата от колбата, течността незабавно се разпространява по повърхността на масата. Обемът на водата ще остане същият - 50 ml, а формата му ще се промени. Тези характеристики са характерни за течната форма на съществуване на материята. Течностите са много органични вещества: алкохоли, растителни масла, киселини.

Млякото е емулсия, т.е. течност, в която се намират капчици мазнини. Една полезна течна вкаменелост е маслото. Те го извличат от кладенци с помощта на сондажни платформи на сушата и в океана. Морската вода също е суровина за промишлеността. Разликата му от прясната вода на реките и езерата е съдържанието на разтворени вещества, главно соли. Когато се изпаряват от повърхността на резервоарите, само Н молекулите преминават в състояние на парите₂О, разтворените вещества остават. На тази собственост се основават методи за получаване на полезни вещества от морска вода и начини за нейното пречистване.

При пълно отстраняване на солите се получава дестилирана вода. То кипи при 100 ° С, замръзва при 0 ° С. Изсолките се вари и се превръщат в лед при други температури. Например водата в Арктическия океан замръзва при повърхностна температура от 2 ° С.

Агрегатното състояние на живака при нормални условия е течност. Този сребристо-сив метал обикновено се пълни с медицински термометри. Когато се загрява, колоната от живак се издига на скала, веществото се разширява. Защо, тогава, в външни термометри боядисани с червен алкохол, а не с живак? Това се обяснява с свойствата на течния метал. При 30-градусова слана, общото състояние на живака се променя, веществото става твърдо.

Ако медицинският термометър се срине и живакът се изсипва, тогава е опасно да се съберат сребърни топки. Вредно за вдишване на пари от живак, това вещество е много токсично. Децата в такива случаи трябва да потърсят помощ от родители и възрастни.

Газово състояние

Газовете не могат да запазят нито обема си, нито формата си. Напълнете колбата на върха с кислород (химичната му формула е О₂₎. Щом отворим колбата, молекулите на веществото ще започнат да се смесват с въздуха в стаята. Това се дължи на движението на Брауни. Древният гръцки учен Демокрит вярва, че частиците на материята са в постоянно движение. В твърди тела при нормални условия атомите, молекулите, йоните нямат способността да напускат кристалната решетка, да се освободят от връзките с други частици. Това е възможно само когато големи количества енергия се доставят отвън.

В течностите разстоянието между частиците е малко по-голямо, отколкото в твърдите вещества, те се нуждаят от по-малко енергия за разрушаване на междумолекулните връзки. Например, състоянието на кислород в течно агрегатно състояние се наблюдава само когато температурата на газа спадне минус-183 ° С. при минус-223 ° С на О₂ формират твърдост. Тъй като температурата се повишава над тези стойности, кислородът се превръща в газ. В тази форма то е при обикновени условия. В промишлените предприятия съществуват специални съоръжения за отделяне на въздуха от атмосферата и получаване на азот и кислород от него. Първо, въздухът се охлажда и втечнява и постепенно температурата се повишава. Азотът и кислородът се превръщат в газове при различни условия.

Атмосферата на Земята съдържа 21 обемни процента кислород и 78% азот. В течна форма тези вещества не се срещат в газовата обвивка на планетата. Течният кислород има светлосин цвят, те се пълнят с цилиндри под високо налягане за употреба в лечебните заведения. В промишлеността и строителството, втечнени газове са необходими за много процеси. Кислородът е необходим за заваряване и рязане на метали, в химията за окислителни реакции на неорганични и органични вещества. Ако отворите клапана на кислородния цилиндър, налягането намалява, течността се превръща в газ.

Втечненият пропан, метан и бутан се използват широко в енергетиката, транспорта, промишлеността и битовите дейности. Тези вещества се получават от природен газ или от крекинг (разцепване) на суров нефт. Въглеродните течни и газообразни смеси играят важна роля в икономиката на много страни. Но резервите от нефт и природен газ са сериозно изчерпани. Според учените тази суровина ще продължи 100-120 години. Алтернативен източник на енергия е въздушният поток (вятър). Използвани за експлоатация на електроцентрали са бързо течащи реки, приливи и отливи на брега на моретата и океаните.

Кислородът, подобно на други газове, може да бъде в четвъртото агрегатно състояние, което представлява плазма. Необичайният преход от твърдо към газово състояние е характеристика на кристалния йод. Субстанцията на тъмно лилавия цвят преминава в сублимация - тя се превръща в газ, преминавайки течното състояние.

Как се извършват преходите от една съвкупна форма на материя към друга?

Промените в общото състояние на веществата не са свързани с химическите трансформации, това са физически явления. Когато температурата се повиши, много твърди вещества се разтопят, превръщат се в течности. Допълнителното повишаване на температурата може да доведе до изпаряване, т.е. до газовото състояние на веществото. В природата и икономиката такива преходи са характерни за една от основните вещества на Земята. Леда, течността, пара са състоянието на водата при различни външни условия. Съединението е същото, неговата формула е Н₂А. При температура 0 ° С и под тази стойност, водата кристализира, т.е. се превръща в лед. Когато температурата се покачва, кристалите, които възникват, се разрушават - ледът се топи, отново се получава течна вода. Когато се отоплява, водна пара. Изпарението - превръщането на водата в газ - отива дори при ниски температури. Например замразените локви постепенно изчезват, защото водата се изпарява. Дори и в мразовито време, мокрото пране изсъхва, но този процес е по-дълъг, отколкото в горещ ден.

Всички тези преходи на вода от едно състояние в друго са от голямо значение за природата на Земята. Атмосферните условия, климата и времето, свързани с изпаряването на водата от повърхността на океана, прехвърлянето на влага под формата на облаци и мъгла на земя, валежите (дъжд, сняг, градушка). Тези явления формират основата на Световния воден цикъл в природата.

Как се сменят състоянията на сярата?

При нормални условия сярата е ярък лъскав кристал или светложълт прах, т.е. тя е твърдо вещество. Общото състояние на сярата се променя с нагряването. Първо, когато температурата се повиши до 190 ° C, жълтата субстанция се топи, превръщайки се в мобилна течност.

Ако бързо излеете течната сяра в студена вода, ще получите кафява аморфна маса. При по-нататъшно нагряване на сярата стопира, става все по-вискозна, потъмнява. При температури над 300 ° С, общото състояние на сяра отново се променя, веществото придобива свойства на течности, става мобилно. Тези преходи възникват поради способността на атомите на елемента да образуват вериги с различни дължини.

Защо веществата могат да бъдат в различни физични състояния?

Агрегатно състояние на сярата - просто вещество - твърдо вещество при нормални условия. Сяров диоксид е газ, сярна киселина е маслена течност по-тежка от водата. За разлика от солна и азотна киселина, тя не е летлива, молекулите не се изпаряват от повърхността й. Какъв вид агрегатно състояние има пластмасова сяра, която се получава чрез нагряване на кристалите?

В аморфна форма субстанцията има течна структура с лека флуидност. Но пластичната сяра запазва своята форма (като твърдо вещество). Има течни кристали с редица характерни свойства на твърдите вещества. Така състоянието на материята при различни условия зависи от нейната природа, температура, налягане и други външни условия.

Какви са характеристиките в структурата на твърдите вещества?

Съществуващите разлики между основните агрегатни състояния на материята се обясняват с взаимодействието между атоми, йони и молекули. Например, защо твърдото агрегатно състояние на дадено вещество води до способността на телата да задържат обема и формата си? В кристалната решетка на метал или сол структурните частици се привличат един към друг. В металите позитивно заредените йони взаимодействат с така наречения "електронен газ" - купчина свободни електрони в парче метал. Кристалите на солите възникват поради привличането на различни натоварени частици - йони. Разстоянието между горните структурни единици твърди частици е много по-малко от размерите на самите частици. В този случай електростатичната атракция действа, тя придава сила, а отблъскването не е достатъчно силно.

За да се унищожи твърдото агрегатно състояние на веществото, трябва да се положат усилия. Металите, солите, атомните кристали се топят при много високи температури. Например, желязото става течно при температура над 1538 ° С. Огнеупорният е волфрам, от който се правят нишки за електрически крушки. Има сплави, които стават течни при температури над 3000 ° С. много скали и минерали на Земята са в твърдо състояние. Получете тази суровина с помощта на технологията в мини и кариери.

За да отделите дори един йон от кристала, е необходимо да отделите голямо количество енергия. Но достатъчно е да разтворите солта във водата, така че кристалната решетка да се разпадне! Това явление се дължи на невероятните свойства на водата като полярен разтворител. Молекулите Н₂О взаимодействат с йони на сол, разрушават химическата връзка между тях. Така разтварянето не е просто смесване на различни вещества, а физикохимично взаимодействие между тях.

Как взаимодействат молекулите на течностите?

Водата може да бъде течност, твърдо вещество и газ (пара). Това е основното му обобщено състояние при обикновени условия. Водните молекули се състоят от един кислороден атом, към който са свързани два водородни атома. Има поляризация на химичната връзка в молекулата, частичен отрицателен заряд се появява на кислородните атоми. Водородът става положителен полюс в молекулата, привлечен от кислородния атом на друга молекула. Това е слабо взаимодействие се нарича "водородна връзка".

Течният агрегат характеризира разстоянията между структурните частици, сравними с размерите им. Привличането съществува, но е слабо, така че водата не запазва форма. Изпаряването възниква поради унищожаването на връзките, които се появяват на повърхността на течността дори при стайна температура.

Има ли междумолекулни взаимодействия в газовете?

Газовото състояние на веществото се различава от течността и твърдото вещество в редица параметри. Между структурните газови частици има големи празнини, много по-големи от размера на молекулите. Същевременно силите на привличане изобщо не работят. Състоянието на газообразните агрегати е характерно за вещества, присъстващи във въздуха: азот, кислород, въглероден диоксид. На фигурата по-долу първият куб е запълнен с газ, втора течност, а третият - с твърдо вещество.

Много течности са летливи, молекулите на материята излизат от повърхността им. Например, ако носите памучна вата, напоена с амоняк, в отвор в отворена бутилка със солна киселина, се появява бял дим. Директно във въздуха протича химична реакция между хлороводородна киселина и амоняк, като се получава амониев хлорид. В какъв вид агрегат е това вещество? Неговите частици, образуващи бял дим, са най-малките твърди кристали на солта. Този опит трябва да се извършва под капака, веществата са токсични.

заключение

Общото състояние на газа е проучено от много отлични физици и химици: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Cliperon, Mendeleev, Le Chatelier. Учените са формулирали закони, които обясняват поведението на газообразните вещества в химическите реакции, тъй като външните условия се променят. Откритите модели не само влизат в учебните и университетските учебници по физика и химия. Много химически отрасли се основават на познаване на поведението и свойствата на веществата в различни агрегатни състояния.