Az aggregáció állapotáról, a szilárd anyagok, folyadékok és gázok jellemzőiről és tulajdonságairól számos képzési kurzus foglalkozik. Az anyagnak három klasszikus halmazállapota van, amelyek a szerkezet sajátos jellemzőivel rendelkeznek. Megértésük fontos pont a Föld, az élő szervezetek és a termelési tevékenységek tudományainak megértésében. Ezeket a kérdéseket a fizika, a kémia, a földrajz, a geológia, a fizikai kémia és más tudományágak vizsgálják. Azok az anyagok, amelyek bizonyos körülmények között a három alapállapot valamelyikében vannak, a hőmérséklet vagy a nyomás emelkedésével vagy csökkenésével megváltozhatnak. Fontolja meg a lehetséges átmeneteket az aggregáció egyik állapotából a másikba, mivel ezek a természetben, a technológiában és a mindennapi életben történnek.
Mi az összesítés állapota?
A latin eredetű „aggrego” szó oroszra fordítva azt jelenti, hogy „csatol”. A tudományos kifejezés ugyanazon test, anyag állapotára utal. a szilárd anyagok bizonyos hőmérsékleti értékeken és különböző nyomásokon való jelenléte,gázok és folyadékok a Föld összes héjára jellemző. A három alapvető aggregált állapot mellett van egy negyedik is. Magas hőmérsékleten és állandó nyomáson a gáz plazmává alakul. Ahhoz, hogy jobban megértsük, mi az aggregációs állapot, emlékeznünk kell az anyagokat és testeket alkotó legkisebb részecskékre.
A fenti diagram a következőket mutatja: a - gáz; b - folyékony; c egy szilárd test. Az ilyen ábrákon körök jelzik az anyagok szerkezeti elemeit. Ez egy szimbólum, valójában az atomok, molekulák, ionok nem szilárd golyók. Az atomok egy pozitív töltésű magból állnak, amely körül a negatív töltésű elektronok nagy sebességgel mozognak. Az anyag mikroszkopikus szerkezetének ismerete segít jobban megérteni a különböző aggregátumformák közötti különbségeket.
A mikrokozmosz ábrázolásai: az ókori Görögországtól a 17. századig
Az első információ a fizikai testeket alkotó részecskékkel kapcsolatban az ókori Görögországban jelent meg. Démokritosz és Epikurosz gondolkodók bevezették az atom fogalmát. Úgy gondolták, hogy ezek a különböző anyagok legkisebb oszthatatlan részecskéi formájúak, bizonyos méretűek, képesek mozogni és kölcsönhatásba lépni egymással. Az atomtudomány a maga idejében az ókori Görögország legfejlettebb tanítása lett. De fejlődése a középkorban lelassult. Azóta a tudósokat üldözte a római katolikus egyház inkvizíciója. Ezért egészen a modern időkig nem volt világos elképzelés arról, hogy mi az anyag aggregációs állapota. Csak a 17. század utánR. Boyle, M. Lomonoszov, D. D alton, A. Lavoisier tudósok megfogalmazták az atom-molekuláris elmélet azon rendelkezéseit, amelyek még ma sem veszítették el jelentőségüket.
Az atomok, molekulák, ionok az anyag szerkezetének mikroszkopikus részecskéi
A mikrokozmosz megértésében jelentős áttörés történt a 20. században, amikor feltalálták az elektronmikroszkópot. A tudósok korábbi felfedezéseit figyelembe véve harmonikus képet lehetett összeállítani a mikrovilágról. A legkisebb anyagrészecskék állapotát és viselkedését leíró elméletek meglehetősen összetettek, a kvantumfizika területéhez tartoznak. A különböző halmazállapotok jellemzőinek megértéséhez elegendő ismerni a különböző anyagokat alkotó fő szerkezeti részecskék nevét és jellemzőit.
- Az atomok kémiailag oszthatatlan részecskék. Kémiai reakciókban megőrződött, de nukleáris reakciókban megsemmisült. A fémek és sok más atomi szerkezetű anyag normál körülmények között szilárd halmazállapotú aggregációt mutat.
- A molekulák olyan részecskék, amelyek kémiai reakciók során bomlanak le és képződnek. A molekulaszerkezet oxigén, víz, szén-dioxid, kén. Az oxigén, nitrogén, kén-dioxid, szén, oxigén halmazállapota normál körülmények között gázhalmazállapotú.
- Az ionok töltött részecskék, amelyekké az atomok és molekulák átalakulnak, amikor elektronokat nyernek vagy veszítenek – mikroszkopikus méretű negatív töltésű részecskék. Sok só ionos szerkezetű, például a konyhasó, a vas és a réz-szulfát.
Vannak anyagok, amelyek részecskéi meghatározott módon helyezkednek el a térben. Rendezett relatív pozícióatomokat, ionokat, molekulákat kristályrácsnak nevezzük. Általában az ionos és atomi kristályrácsok jellemzőek a szilárd anyagokra, a molekuláris - a folyadékokra és gázokra. A gyémánt nagy keménységű. Atomkristályrácsát szénatomok alkotják. De a lágy grafit is ennek a kémiai elemnek az atomjaiból áll. Csak ezek eltérően helyezkednek el a térben. A kén szokásos aggregációs állapota szilárd, de magas hőmérsékleten az anyag folyékony és amorf tömeggé alakul.
Szilárd halmazállapotú anyagok
A szilárd testek normál körülmények között megtartják térfogatukat és alakjukat. Például egy homokszem, egy szem cukor, só, egy darab kő vagy fém. Ha a cukrot melegítjük, az anyag olvadni kezd, és viszkózus barna folyadékká alakul. Hagyja abba a fűtést - ismét szilárd anyagot kapunk. Ez azt jelenti, hogy a szilárd anyag folyadékká való átalakulásának egyik fő feltétele a felmelegedés vagy az anyag részecskéinek belső energiájának növekedése. Az élelmiszerekben használt só szilárd halmazállapota is megváltoztatható. De az asztali só olvasztásához magasabb hőmérsékletre van szükség, mint a cukor melegítésekor. A tény az, hogy a cukor molekulákból, a konyhasó pedig töltött ionokból áll, amelyek erősebben vonzzák egymást. A folyékony halmazállapotú szilárd anyagok nem tartják meg alakjukat, mert a kristályrácsok lebomlanak.
A só olvadás közbeni aggregációjának folyékony állapotát a kristályokban lévő ionok közötti kötés felszakadása magyarázza. kiszabadulnaktöltött részecskék, amelyek elektromos töltést hordozhatnak. Az olvadt sók vezetik az elektromosságot és vezetők. A vegyiparban, a kohászatban és a gépiparban a szilárd anyagokat folyadékokká alakítják át, hogy új vegyületeket nyerjenek belőlük, vagy különböző formákat adnak nekik. A fémötvözetek széles körben használatosak. Számos módja van ezek megszerzésének, amelyek a szilárd nyersanyagok aggregáltsági állapotában bekövetkezett változásokhoz kapcsolódnak.
A folyadék az aggregáció egyik alapvető állapota
Ha 50 ml vizet öntünk egy gömblombikba, láthatjuk, hogy az anyag azonnal vegyszeres edény formáját ölti. De amint kiöntjük a vizet a lombikból, a folyadék azonnal szétterül az asztal felületén. A víz térfogata változatlan marad - 50 ml, és az alakja megváltozik. Ezek a jellemzők az anyag létezésének folyékony formájára jellemzőek. A folyadékok sok szerves anyag: alkoholok, növényi olajok, savak.
A tej egy emulzió, azaz olyan folyadék, amelyben zsírcseppek vannak. Hasznos folyékony ásványi anyag az olaj. Kútból nyerik ki fúrótornyok segítségével a szárazföldön és az óceánban. A tengervíz az ipar nyersanyaga is. Különbsége a folyók és tavak édesvizétől az oldott anyagok, elsősorban a sók tartalmában rejlik. A víztestek felszínéről történő párolgás során csak a H2O molekulák jutnak gőzállapotba, az oldott anyagok maradnak meg. Ezen a tulajdonságon alapulnak a tengervízből hasznos anyagok kinyerésére szolgáló módszerek és a tisztítási módszerek.
Mikora sók teljes eltávolításával desztillált vizet kapunk. 100°C-on forr, 0°C-on megfagy. A sóoldat különböző hőmérsékleteken felforr és jéggé alakul. Például a Jeges-tenger vize 2°C-os felszíni hőmérsékleten megfagy.
A higany aggregált halmazállapota normál körülmények között folyadék. Ezt az ezüstszürke fémet általában orvosi hőmérőkkel töltik meg. Melegítéskor a higanyoszlop felemelkedik a skálán, az anyag kitágul. Miért használnak az utcai hőmérők vöröses alkoholt és nem higanyt? Ezt a folyékony fém tulajdonságai magyarázzák. 30 fokos fagynál a higany aggregált halmazállapota megváltozik, az anyag megszilárdul.
Ha eltörik az orvosi hőmérő és higany ömlik ki belőle, veszélyes ezüstgolyókat felszedni a kezével. A higanygőz belélegzése káros, ez az anyag nagyon mérgező. A gyerekek ilyen esetekben kérjenek segítséget szüleiktől, felnőttektől.
Gázállapot
A gázok nem képesek megtartani térfogatukat vagy alakjukat. Töltse fel a lombikot a tetejéig oxigénnel (kémiai képlete O2). Amint kinyitjuk a lombikot, az anyag molekulái elkezdenek keveredni a szoba levegőjével. Ez a Brown-mozgásnak köszönhető. Még az ókori görög tudós, Démokritosz is úgy gondolta, hogy az anyag részecskéi állandó mozgásban vannak. Szilárd anyagokban normál körülmények között az atomoknak, molekuláknak, ionoknak nincs lehetőségük elhagyni a kristályrácsot, megszabadulni más részecskékkel való kötésektől. Ez csak akkor lehetségesnagy mennyiségű energia kívülről.
Folyadékokban a részecskék közötti távolság valamivel nagyobb, mint a szilárd anyagokban, kevesebb energiát igényelnek az intermolekuláris kötések megszakításához. Például az oxigén folyékony halmazállapota csak akkor figyelhető meg, ha a gáz hőmérséklete –183 °C-ra csökken. –223 °C-on O2 molekula szilárd anyagot képez. Amikor a hőmérséklet a megadott értékek fölé emelkedik, az oxigén gázzá alakul. Ebben a formában normál körülmények között. Az ipari vállalkozásoknál speciális berendezések vannak a légköri levegő leválasztására, valamint nitrogén és oxigén kinyerésére. Először a levegőt lehűtik és cseppfolyósítják, majd fokozatosan növelik a hőmérsékletet. A nitrogén és az oxigén különböző körülmények között gázokká alakul.
A Föld légköre 21 térfogatszázalék oxigént és 78 térfogatszázalék nitrogént tartalmaz. Folyékony formában ezek az anyagok nem találhatók meg a bolygó gáznemű burkában. A folyékony oxigén világoskék színű, és nagy nyomással hengerekbe töltik, hogy egészségügyi létesítményekben használják fel. Az iparban és az építőiparban a cseppfolyósított gázokra számos folyamathoz szükség van. Oxigén szükséges a gázhegesztéshez és fémek vágásához, a kémiában - a szervetlen és szerves anyagok oxidációs reakcióihoz. Ha kinyitja az oxigénpalack szelepét, a nyomás csökken, a folyadék gázzá változik.
A cseppfolyósított propánt, metánt és butánt széles körben használják az energetikában, a közlekedésben, az iparban és a háztartási tevékenységekben. Ezeket az anyagokat földgázból vagy krakkolás útján nyerikkőolaj (felhasítása). A folyékony és gáznemű szénkeverékek számos ország gazdaságában fontos szerepet játszanak. Az olaj- és földgázkészletek azonban súlyosan kimerültek. A tudósok szerint ez a nyersanyag 100-120 évig kitart. Alternatív energiaforrás a légáramlás (szél). A gyors folyású folyókat, a tengerek és óceánok partjain az árapályt használják erőművek működtetésére.
Az oxigén, más gázokhoz hasonlóan, az aggregáció negyedik állapotában lehet, ami plazmát jelent. A szokatlan átmenet szilárd halmazállapotból gázhalmazállapotúvá a kristályos jód jellemző tulajdonsága. Egy sötétlila anyag szublimálódik – gázzá alakul, megkerülve a folyékony halmazállapotot.
Hogyan történik az anyag egyik aggregált formájából a másikba való átmenet?
Az anyagok aggregált halmazállapotának változásai nem járnak kémiai átalakulással, ezek fizikai jelenségek. Amikor a hőmérséklet emelkedik, sok szilárd anyag megolvad és folyadékká alakul. A hőmérséklet további emelkedése párolgáshoz, vagyis az anyag gáz halmazállapotúvá válásához vezethet. A természetben és a gazdaságban az ilyen átmenetek a Föld egyik fő anyagára jellemzőek. A jég, folyadék, gőz a víz különböző külső körülmények között fennálló állapota. A vegyület ugyanaz, képlete H2O. 0 ° C-os és ez alatti hőmérsékleten a víz kristályosodik, azaz jéggé alakul. Amikor a hőmérséklet emelkedik, a keletkező kristályok megsemmisülnek - a jég megolvad, és ismét folyékony víz keletkezik. Melegítéskor vízgőz képződik. Párolgás -a víz átalakulása gázzá - még alacsony hőmérsékleten is megy. Például a fagyott tócsák fokozatosan eltűnnek, mert a víz elpárolog. A nedves ruhák még fagyos időben is kiszáradnak, de ez a folyamat tovább tart, mint egy forró napon.
A víz összes felsorolt átmenete egyik állapotból a másikba nagy jelentőséggel bír a Föld természete szempontjából. A légköri jelenségek, az éghajlat és az időjárás összefüggésbe hozható a víz óceánok felszínéről való elpárolgásával, a nedvesség felhők és köd formájában a szárazföldre átvitelével, csapadékkal (eső, hó, jégeső). Ezek a jelenségek képezik a természetben a víz világciklusának alapját.
Hogyan változnak a kén összesített halmazállapotai?
Normál körülmények között a kén fényes, fényes kristályok vagy halványsárga por, azaz szilárd anyag. A kén aggregált halmazállapota hevítés hatására megváltozik. Először is, amikor a hőmérséklet 190 °C-ra emelkedik, a sárga anyag megolvad, és mozgékony folyadékká alakul.
Ha gyorsan folyékony ként öntünk hideg vízbe, barna amorf masszát kapunk. A kénolvadék további melegítésével egyre viszkózusabbá válik és elsötétül. 300 ° C feletti hőmérsékleten a kén aggregációs állapota ismét megváltozik, az anyag folyadék tulajdonságait kapja, mozgékony lesz. Ezek az átmenetek annak köszönhető, hogy az elem atomjai különböző hosszúságú láncokat alkotnak.
Miért lehetnek az anyagok különböző fizikai állapotúak?
A kén – egy egyszerű anyag – aggregációs állapota normál körülmények között szilárd. Kén-dioxid - gáz, kénsav -olajos folyadék nehezebb a víznél. A sósavtól és a salétromsavtól eltérően nem illékony, felületéről nem párolognak el a molekulák. Milyen a kristályok hevítésével nyert műanyag kén aggregációs állapota?
Amorf formában az anyag folyadék szerkezetű, enyhe folyékonysággal. De a műanyag kén egyidejűleg megtartja alakját (szilárd anyagként). Vannak olyan folyadékkristályok, amelyek a szilárd anyagokra számos jellemző tulajdonsággal rendelkeznek. Így az anyag halmazállapota különböző körülmények között függ annak természetétől, hőmérsékletétől, nyomásától és egyéb külső körülményektől.
Milyen jellemzői vannak a szilárd testek szerkezetének?
Az anyag alapvető halmazállapotai közötti különbségeket az atomok, ionok és molekulák közötti kölcsönhatás magyarázza. Például miért vezet az anyag szilárd halmazállapota ahhoz, hogy a testek képesek legyenek megtartani térfogatukat és alakjukat? Egy fém vagy só kristályrácsában a szerkezeti részecskék vonzódnak egymáshoz. A fémekben a pozitív töltésű ionok kölcsönhatásba lépnek az úgynevezett "elektrongázzal" - a szabad elektronok felhalmozódásával egy fémdarabban. A sókristályok az ellentétes töltésű részecskék - ionok - vonzása miatt keletkeznek. A szilárd anyagok fenti szerkezeti egységei közötti távolság sokkal kisebb, mint maguk a részecskék mérete. Ebben az esetben az elektrosztatikus vonzás hat, erőt ad, és a taszítás nem elég erős.
A szilárd halmazállapotú anyaghalmaz elpusztításához szükségeserőfeszítéseket tesznek. A fémek, sók, atomkristályok nagyon magas hőmérsékleten megolvadnak. Például a vas 1538 °C feletti hőmérsékleten folyékonnyá válik. A volfrám tűzálló, és izzószálak készítésére használják izzókhoz. Vannak olyan ötvözetek, amelyek 3000 °C feletti hőmérsékleten folyékonyakká válnak. A Földön sok kőzet és ásvány szilárd állapotban van. Ezt a nyersanyagot bányák és kőfejtők berendezései segítségével nyerik ki.
Ahhoz, hogy akár egy iont is leválasszanak egy kristályról, nagy mennyiségű energiát kell elkölteni. De végül is elég sót oldani vízben, hogy a kristályrács szétessen! Ezt a jelenséget a víz, mint poláris oldószer elképesztő tulajdonságai magyarázzák. H2O molekulák kölcsönhatásba lépnek a sóionokkal, tönkretéve a köztük lévő kémiai kötést. Így az oldódás nem különböző anyagok egyszerű összekeverése, hanem fizikai és kémiai kölcsönhatás közöttük.
Hogyan lépnek kölcsönhatásba a folyadékok molekulái?
A víz lehet folyékony, szilárd és gáz (gőz). Normál körülmények között ezek a fő aggregációs állapotai. A vízmolekulák egy oxigénatomból állnak, és két hidrogénatom kapcsolódik hozzá. A molekulában a kémiai kötés polarizálódik, az oxigénatomokon részleges negatív töltés jelenik meg. A hidrogén a molekula pozitív pólusává válik, és egy másik molekula oxigénatomjához vonzódik. Ezt a gyenge erőt "hidrogénkötésnek" nevezik.
Aggregált folyékony állapot jellemzia szerkezeti részecskék közötti távolságok méretükhöz mérhetőek. A vonzalom létezik, de gyenge, így a víz nem tartja meg alakját. A párologtatás a kötések megsemmisülése miatt következik be, ami még szobahőmérsékleten is fellép a folyadék felszínén.
Léteznek intermolekuláris kölcsönhatások gázokban?
Az anyag gáz halmazállapota számos paraméterben különbözik a folyékony és a szilárd halmazállapottól. A gázok szerkezeti részecskéi között nagy, a molekulák méreténél jóval nagyobb rések vannak. Ebben az esetben a vonzási erők egyáltalán nem működnek. Az aggregáció gázállapota a levegőben jelenlévő anyagokra jellemző: nitrogén, oxigén, szén-dioxid. Az alábbi képen az első kocka gázzal, a második folyadékkal, a harmadik szilárd anyaggal van megtöltve.
Sok folyadék illékony, az anyag molekulái letörnek a felületükről, és a levegőbe jutnak. Például, ha ammóniába mártott vattacsomót visz egy nyitott sósavpalack nyílásába, fehér füst jelenik meg. Közvetlenül a levegőben kémiai reakció megy végbe a sósav és az ammónia között, így ammónium-klorid keletkezik. Milyen halmazállapotban van ez az anyag? Fehér füstöt képező részecskéi a legkisebb szilárd sókristályok. Ezt a kísérletet páraelszívó alatt kell elvégezni, az anyagok mérgezőek.
Következtetés
A gáz aggregációs állapotát számos kiváló fizikus és vegyész tanulmányozta: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mengyelejev, Le Chatelier. A tudósok olyan törvényeket fogalmaztak meg, amelyek megmagyarázzák a gáznemű anyagok viselkedését a kémiai reakciókban, amikor a külső körülmények megváltoznak. A nyílt törvényszerűségek nemcsak a fizika és kémia iskolai és egyetemi tankönyveibe kerültek be. Sok vegyipar a különböző halmazállapotú anyagok viselkedésére és tulajdonságaira vonatkozó ismereteken alapul.
