Otázky o tom, čo je stav agregácie, aké vlastnosti a vlastnosti majú pevné látky, kvapaliny a plyny, sú predmetom niekoľkých školení. Existujú tri klasické stavy hmoty s vlastnými charakteristickými znakmi štruktúry. Ich pochopenie je dôležitým bodom pri porozumení vied o Zemi, živých organizmoch a výrobných činnostiach. Týmito otázkami sa zaoberá fyzika, chémia, geografia, geológia, fyzikálna chémia a ďalšie vedné disciplíny. Látky, ktoré sú za určitých podmienok v jednom z troch základných typov skupenstva, sa môžu meniť so zvýšením alebo znížením teploty alebo tlaku. Zvážte možné prechody z jedného stavu agregácie do druhého, pretože sa uskutočňujú v prírode, technológii a každodennom živote.
Aký je stav agregácie?
Slovo latinského pôvodu „aggrego“preložené do ruštiny znamená „pripojiť“. Vedecký výraz označuje stav toho istého tela, látky. Existencia pri určitých teplotných hodnotách a rôznych tlakoch pevných látok,plyny a kvapaliny je charakteristický pre všetky škrupiny Zeme. Okrem troch základných súhrnných stavov existuje aj štvrtý. Pri zvýšenej teplote a konštantnom tlaku sa plyn mení na plazmu. Aby sme lepšie pochopili, čo je stav agregácie, je potrebné si zapamätať najmenšie častice, ktoré tvoria látky a telá.
Vyššie uvedený diagram znázorňuje: a - plyn; b - kvapalina; c je pevné teleso. Na takýchto obrázkoch kruhy označujú štrukturálne prvky látok. Toto je symbol, v skutočnosti atómy, molekuly, ióny nie sú pevné gule. Atómy pozostávajú z kladne nabitého jadra, okolo ktorého sa záporne nabité elektróny pohybujú vysokou rýchlosťou. Znalosť mikroskopickej štruktúry hmoty pomáha lepšie pochopiť rozdiely, ktoré existujú medzi rôznymi súhrnnými formami.
Zobrazenia mikrokozmu: od starovekého Grécka po 17. storočie
Prvé informácie o časticiach, ktoré tvoria fyzické telá, sa objavili v starovekom Grécku. Myslitelia Democritus a Epicurus predstavili taký koncept ako atóm. Verili, že tieto najmenšie nedeliteľné častice rôznych látok majú tvar, určité veľkosti, sú schopné vzájomného pohybu a interakcie. Atomistika sa na svoju dobu stala najpokročilejším učením starovekého Grécka. Ale v stredoveku sa jeho vývoj spomalil. Odvtedy boli vedci prenasledovaní inkvizíciou rímskokatolíckej cirkvi. Preto až do modernej doby neexistovala jasná predstava o tom, aký je stav agregácie hmoty. Až po 17. storvedci R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier sformulovali ustanovenia atómovo-molekulárnej teórie, ktoré ani dnes nestratili svoj význam.
Atómy, molekuly, ióny sú mikroskopické častice štruktúry hmoty
Významný prelom v chápaní mikrokozmu nastal v 20. storočí, keď bol vynájdený elektrónový mikroskop. S prihliadnutím na objavy, ktoré vedci urobili skôr, bolo možné zostaviť harmonický obraz mikrosveta. Teórie popisujúce stav a správanie najmenších častíc hmoty sú pomerne zložité, patria do oblasti kvantovej fyziky. Na pochopenie znakov rôznych agregovaných stavov hmoty stačí poznať názvy a znaky hlavných štruktúrnych častíc, ktoré tvoria rôzne látky.
- Atómy sú chemicky nedeliteľné častice. Zachovaný pri chemických reakciách, ale zničený v jadre. Kovy a mnohé ďalšie látky s atómovou štruktúrou majú za normálnych podmienok pevný stav agregácie.
- Molekuly sú častice, ktoré sa rozkladajú a tvoria pri chemických reakciách. Molekulová štruktúra má kyslík, vodu, oxid uhličitý, síru. Súhrnný stav kyslíka, dusíka, oxidu siričitého, uhlíka a kyslíka za normálnych podmienok je plynný.
- Ióny sú nabité častice, na ktoré sa atómy a molekuly menia, keď získavajú alebo strácajú elektróny – mikroskopické záporne nabité častice. Mnohé soli majú iónovú štruktúru, napríklad kuchynská soľ, síran železa a meďnatý.
Existujú látky, ktorých častice sú v priestore usporiadané určitým spôsobom. Usporiadaná relatívna polohaatómy, ióny, molekuly sa nazýva kryštálová mriežka. Zvyčajne sú iónové a atómové kryštálové mriežky typické pre pevné látky, molekulárne - pre kvapaliny a plyny. Diamant má vysokú tvrdosť. Jeho atómovú kryštálovú mriežku tvoria atómy uhlíka. Mäkký grafit však pozostáva aj z atómov tohto chemického prvku. Len sa v priestore nachádzajú inak. Zvyčajný stav agregácie síry je pevný, ale pri vysokých teplotách sa látka mení na kvapalinu a amorfnú hmotu.
Látky v pevnom stave agregácie
Pevné telesá si za normálnych podmienok zachovávajú svoj objem a tvar. Napríklad zrnko piesku, zrnko cukru, soľ, kúsok kameňa alebo kovu. Ak sa cukor zahreje, látka sa začne topiť a zmení sa na viskóznu hnedú kvapalinu. Zastavte zahrievanie - opäť dostaneme tuhú látku. To znamená, že jednou z hlavných podmienok prechodu tuhej látky na kvapalinu je jej zahrievanie alebo zvýšenie vnútornej energie častíc látky. Zmeniť sa dá aj pevný stav agregácie soli, ktorá sa používa v potravinách. Na roztopenie kuchynskej soli ale potrebujete vyššiu teplotu ako pri zohrievaní cukru. Faktom je, že cukor pozostáva z molekúl a stolová soľ pozostáva z nabitých iónov, ktoré sú k sebe silnejšie priťahované. Pevné látky v tekutej forme si nezachovajú svoj tvar, pretože kryštálové mriežky sa rozpadajú.
Kvapalný stav agregácie soli počas topenia sa vysvetľuje porušením väzby medzi iónmi v kryštáloch. sú prepustenínabité častice, ktoré môžu niesť elektrický náboj. Roztavené soli vedú elektrický prúd a sú vodičmi. V chemickom, hutníckom a strojárskom priemysle sa tuhé látky premieňajú na kvapaliny, aby sa z nich získali nové zlúčeniny alebo im dali rôzne tvary. Kovové zliatiny sú široko používané. Existuje niekoľko spôsobov ich získania, ktoré súvisia so zmenami v stave agregácie pevných surovín.
Kvapalina je jedným zo základných stavov agregácie
Ak nalejete 50 ml vody do banky s guľatým dnom, môžete vidieť, že látka okamžite získa formu chemickej nádoby. Ale akonáhle vylejeme vodu z banky, tekutina sa okamžite rozleje po povrchu stola. Objem vody zostane rovnaký - 50 ml a zmení sa jej tvar. Tieto znaky sú charakteristické pre tekutú formu existencie hmoty. Kvapaliny sú mnohé organické látky: alkoholy, rastlinné oleje, kyseliny.
Mlieko je emulzia, t.j. tekutina, v ktorej sú kvapôčky tuku. Užitočným tekutým minerálom je olej. Získava sa z vrtov pomocou vrtných súprav na súši a v oceáne. Morská voda je tiež surovinou pre priemysel. Jeho odlišnosť od sladkej vody riek a jazier spočíva v obsahu rozpustených látok, najmä solí. Počas vyparovania z povrchu vodných útvarov prechádzajú do parného stavu iba molekuly H2O, zostávajú rozpustené látky. Na tejto vlastnosti sú založené metódy získavania užitočných látok z morskej vody a metódy jej čistenia.
Kedyúplné odstránenie solí, získa sa destilovaná voda. Vrie pri 100°C a mrzne pri 0°C. Soľanky sa varia a menia sa na ľad pri rôznych teplotách. Napríklad voda v Severnom ľadovom oceáne zamŕza pri povrchovej teplote 2 °C.
Agregovaný stav ortuti za normálnych podmienok je kvapalina. Tento strieborno-šedý kov je zvyčajne naplnený lekárskymi teplomermi. Pri zahrievaní stĺpec ortuti stúpa na stupnici, látka sa rozširuje. Prečo pouličné teplomery používajú alkohol s červeným odtieňom a nie ortuť? Vysvetľujú to vlastnosti tekutého kovu. Pri 30-stupňových mrazoch sa mení súhrnný stav ortuti, látka sa stáva pevnou.
Ak sa lekársky teplomer rozbije a ortuť sa vysype, je nebezpečné zbierať strieborné guľôčky rukami. Je škodlivé vdychovať výpary ortuti, táto látka je veľmi toxická. Deti by v takýchto prípadoch mali vyhľadať pomoc od svojich rodičov, dospelých.
Skupenstvo plynu
Plyny si nedokážu udržať svoj objem ani tvar. Naplňte banku až po vrch kyslíkom (jeho chemický vzorec je O2). Hneď ako otvoríme banku, molekuly látky sa začnú miešať so vzduchom v miestnosti. Je to spôsobené Brownovým pohybom. Dokonca aj staroveký grécky vedec Democritus veril, že častice hmoty sú v neustálom pohybe. V pevných látkach za normálnych podmienok atómy, molekuly, ióny nemajú možnosť opustiť kryštálovú mriežku, oslobodiť sa od väzieb s inými časticami. To je možné len vtedyveľké množstvo energie zvonku.
V kvapalinách je vzdialenosť medzi časticami o niečo väčšia ako v pevných látkach, vyžadujú menej energie na prerušenie medzimolekulových väzieb. Napríklad kvapalný agregovaný stav kyslíka sa pozoruje iba vtedy, keď teplota plynu klesne na -183 °C. Pri teplote -223 °C tvoria molekuly O2 pevnú látku. Keď teplota stúpne nad dané hodnoty, kyslík sa mení na plyn. Práve v tejto forme je za normálnych podmienok. V priemyselných podnikoch existujú špeciálne zariadenia na oddeľovanie atmosférického vzduchu a získavanie dusíka a kyslíka z neho. Najprv sa vzduch ochladí a skvapalní a potom sa teplota postupne zvyšuje. Dusík a kyslík sa za rôznych podmienok menia na plyny.
Atmosféra Zeme obsahuje 21 % objemu kyslíka a 78 % dusíka. V kvapalnej forme sa tieto látky nenachádzajú v plynnom obale planéty. Kvapalný kyslík má svetlomodrú farbu a plní sa pod vysokým tlakom do tlakových fliaš pre použitie v zdravotníckych zariadeniach. V priemysle a stavebníctve sú skvapalnené plyny nevyhnutné pre mnohé procesy. Kyslík je potrebný na zváranie a rezanie kovov plynom, v chémii - na oxidačné reakcie anorganických a organických látok. Ak otvoríte ventil kyslíkovej fľaše, tlak sa zníži, kvapalina sa zmení na plyn.
Skvapalnený propán, metán a bután sú široko používané v energetike, doprave, priemysle a domácnostiach. Tieto látky sa získavajú zo zemného plynu alebo krakovaním(štiepenie) ropy. Zmesi uhlíka, kvapaliny a plynu zohrávajú dôležitú úlohu v ekonomike mnohých krajín. Zásoby ropy a zemného plynu sú však značne vyčerpané. Podľa vedcov táto surovina vydrží 100-120 rokov. Alternatívnym zdrojom energie je prúdenie vzduchu (vietor). Rýchlo tečúce rieky, príliv a odliv na brehoch morí a oceánov sa využívajú na prevádzku elektrární.
Kyslík, podobne ako iné plyny, môže byť v štvrtom stave agregácie, čo predstavuje plazmu. Charakteristickým znakom kryštalického jódu je nezvyčajný prechod z pevného do plynného skupenstva. Tmavofialová látka podlieha sublimácii – mení sa na plyn a obchádza kvapalné skupenstvo.
Ako sa uskutočňujú prechody z jednej súhrnnej formy hmoty do druhej?
Zmeny v agregovanom stave látok nesúvisia s chemickými premenami, ide o fyzikálne javy. Keď teplota stúpa, veľa pevných látok sa topí a mení sa na kvapaliny. Ďalšie zvýšenie teploty môže viesť k vyparovaniu, teda k plynnému stavu látky. V prírode a hospodárstve sú takéto prechody charakteristické pre jednu z hlavných látok na Zemi. Ľad, kvapalina, para sú stavy vody za rôznych vonkajších podmienok. Zlúčenina je rovnaká, jej vzorec je H2O. Pri teplote 0 °C a pod touto hodnotou voda kryštalizuje, to znamená, že sa mení na ľad. Keď teplota stúpne, výsledné kryštály sa zničia - ľad sa topí, opäť sa získa tekutá voda. Pri zahrievaní sa vytvára vodná para. Odparovanie -premena vody na plyn - prebieha aj pri nízkych teplotách. Napríklad zamrznuté mláky postupne miznú, pretože sa voda vyparuje. Aj v mrazivom počasí sa mokré oblečenie vysuší, ale tento proces trvá dlhšie ako v horúcom dni.
Všetky uvedené prechody vody z jedného stavu do druhého majú veľký význam pre prírodu Zeme. Atmosférické javy, klíma a počasie sú spojené s vyparovaním vody z povrchu oceánov, prenosom vlhkosti v podobe mrakov a hmly na pevninu, zrážkami (dážď, sneh, krúpy). Tieto javy tvoria základ svetového kolobehu vody v prírode.
Ako sa menia súhrnné stavy síry?
Za normálnych podmienok sú síra žiarivo lesklé kryštály alebo svetložltý prášok, t.j. je to pevná látka. Súhrnný stav síry sa pri zahrievaní mení. Po prvé, keď teplota stúpne na 190 °C, žltá látka sa roztopí a zmení sa na pohyblivú kvapalinu.
Ak rýchlo nalejete tekutú síru do studenej vody, získate hnedú amorfnú hmotu. Pri ďalšom zahrievaní taveniny síry sa stáva čoraz viskóznejšou a tmavne. Pri teplotách nad 300 ° C sa stav agregácie síry opäť mení, látka nadobúda vlastnosti kvapaliny, stáva sa mobilnou. K týmto prechodom dochádza v dôsledku schopnosti atómov prvku vytvárať reťazce rôznych dĺžok.
Prečo môžu byť látky v rôznych fyzikálnych stavoch?
Stav agregácie síry - jednoduchej látky - je za normálnych podmienok tuhá látka. Oxid siričitý - plyn, kyselina sírová -olejovitá kvapalina ťažšia ako voda. Na rozdiel od kyseliny chlorovodíkovej a dusičnej nie je prchavý, molekuly sa z jeho povrchu neodparujú. Aký je stav agregácie plastovej síry, ktorá sa získava zahrievaním kryštálov?
V amorfnej forme má látka štruktúru kvapaliny s miernou tekutosťou. Plastová síra si však súčasne zachováva svoj tvar (ako pevná látka). Existujú tekuté kryštály, ktoré majú množstvo charakteristických vlastností pevných látok. Stav hmoty za rôznych podmienok teda závisí od jej povahy, teploty, tlaku a iných vonkajších podmienok.
Aké sú vlastnosti v štruktúre pevných látok?
Existujúce rozdiely medzi základnými súhrnnými stavmi hmoty sa vysvetľujú interakciou medzi atómami, iónmi a molekulami. Napríklad, prečo pevný agregovaný stav hmoty vedie k schopnosti telies udržať si objem a tvar? V kryštálovej mriežke kovu alebo soli sa štruktúrne častice navzájom priťahujú. V kovoch kladne nabité ióny interagujú s takzvaným "elektrónovým plynom" - akumuláciou voľných elektrónov v kuse kovu. Kryštály soli vznikajú v dôsledku priťahovania opačne nabitých častíc - iónov. Vzdialenosť medzi vyššie uvedenými štruktúrnymi jednotkami pevných látok je oveľa menšia ako veľkosť samotných častíc. V tomto prípade pôsobí elektrostatická príťažlivosť, dáva silu a odpudzovanie nie je dostatočne silné.
Na zničenie pevného stavu agregácie hmoty je to nevyhnutnéusilovať. Kovy, soli, atómové kryštály sa topia pri veľmi vysokých teplotách. Napríklad železo sa stáva tekutým pri teplotách nad 1538 °C. Volfrám je žiaruvzdorný a používa sa na výrobu žiaroviek pre žiarovky. Existujú zliatiny, ktoré sa stávajú tekutými pri teplotách nad 3000 °C. Mnohé horniny a minerály na Zemi sú v pevnom stave. Táto surovina sa ťaží pomocou zariadení v baniach a lomoch.
Na oddelenie čo i len jedného iónu z kryštálu je potrebné vynaložiť veľké množstvo energie. Ale veď na rozpad kryštálovej mriežky stačí rozpustiť soľ vo vode! Tento jav sa vysvetľuje úžasnými vlastnosťami vody ako polárneho rozpúšťadla. Molekuly H2O interagujú s iónmi soli, čím sa ničí chemická väzba medzi nimi. Rozpúšťanie teda nie je jednoduché zmiešanie rôznych látok, ale fyzikálna a chemická interakcia medzi nimi.
Ako interagujú molekuly kvapalín?
Voda môže byť tekutá, pevná a plynná (para). Toto sú jeho hlavné stavy agregácie za normálnych podmienok. Molekuly vody sú tvorené jedným atómom kyslíka, na ktorý sú naviazané dva atómy vodíka. V molekule dochádza k polarizácii chemickej väzby, na atómoch kyslíka sa objavuje čiastočný záporný náboj. Vodík sa stáva kladným pólom v molekule a je priťahovaný k atómu kyslíka inej molekuly. Táto slabá sila sa nazýva „vodíková väzba“.
Charakterizujte tekutý stav agregácievzdialenosti medzi štruktúrnymi časticami porovnateľné s ich veľkosťou. Atrakcia existuje, ale je slabá, takže voda si neudrží svoj tvar. K odparovaniu dochádza v dôsledku deštrukcie väzieb, ku ktorej dochádza na povrchu kvapaliny aj pri izbovej teplote.
Existujú medzimolekulové interakcie v plynoch?
Plynné skupenstvo hmoty sa líši od kvapalného a tuhého vo viacerých parametroch. Medzi štruktúrnymi časticami plynov sú veľké medzery, oveľa väčšie ako veľkosť molekúl. V tomto prípade príťažlivé sily vôbec nefungujú. Plynný stav agregácie je charakteristický pre látky prítomné vo vzduchu: dusík, kyslík, oxid uhličitý. Na obrázku nižšie je prvá kocka naplnená plynom, druhá kvapalinou a tretia pevnou látkou.
Veľa kvapalín je prchavých, molekuly látky sa odlamujú od ich povrchu a prechádzajú do ovzdušia. Napríklad, ak prinesiete vatový tampón namočený v čpavku k otvoru otvorenej fľaše s kyselinou chlorovodíkovou, objaví sa biely dym. Priamo vo vzduchu dochádza k chemickej reakcii medzi kyselinou chlorovodíkovou a amoniakom, vzniká chlorid amónny. V akom skupenstve sa táto látka nachádza? Jeho častice, ktoré tvoria biely dym, sú najmenšie pevné kryštály soli. Tento experiment sa musí vykonať pod digestorom, látky sú toxické.
Záver
Stav agregácie plynu študovali mnohí vynikajúci fyzici a chemici: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendelejev, Le Chatelier. Vedci sformulovali zákony, ktoré vysvetľujú správanie sa plynných látok pri chemických reakciách pri zmene vonkajších podmienok. Otvorené zákonitosti sa dostali nielen do školských a vysokoškolských učebníc fyziky a chémie. Mnohé chemické odvetvia sú založené na poznatkoch o správaní a vlastnostiach látok v rôznych agregovaných stavoch.
