Jautājumi par to, kas ir agregācijas stāvoklis, kādas īpašības un īpašības piemīt cietām vielām, šķidrumiem un gāzēm, tiek izskatīti vairākos apmācību kursos. Ir trīs klasiski matērijas stāvokļi, kuriem ir raksturīgas struktūras iezīmes. Viņu izpratne ir svarīgs punkts, lai izprastu zinātnes par Zemi, dzīviem organismiem un ražošanas darbībām. Šos jautājumus pēta fizika, ķīmija, ģeogrāfija, ģeoloģija, fizikālā ķīmija un citas zinātnes disciplīnas. Vielas, kas noteiktos apstākļos atrodas vienā no trim pamata veidiem, var mainīties, palielinoties vai samazinoties temperatūrai vai spiedienam. Apsveriet iespējamās pārejas no viena agregācijas stāvokļa uz citu, jo tās tiek veiktas dabā, tehnoloģijā un ikdienas dzīvē.
Kāds ir apkopošanas stāvoklis?
Latīņu izcelsmes vārds "aggrego" tulkojumā krievu valodā nozīmē "piestiprināt". Zinātniskais termins attiecas uz tā paša ķermeņa, vielas stāvokli. Esamība noteiktās temperatūras vērtībās un dažādos cieto vielu spiedienos,gāzes un šķidrumi ir raksturīgi visiem Zemes čaumalām. Papildus trim pamata agregātstāvokļiem ir arī ceturtais. Paaugstinātā temperatūrā un nemainīgā spiedienā gāze pārvēršas plazmā. Lai labāk saprastu, kas ir agregācijas stāvoklis, ir jāatceras mazākās daļiņas, kas veido vielas un ķermeņus.
Iepriekšējā diagramma parāda: a - gāzi; b - šķidrums; c ir ciets ķermenis. Šādos attēlos apļi norāda vielu struktūras elementus. Tas ir simbols, patiesībā atomi, molekulas, joni nav cietas bumbiņas. Atomi sastāv no pozitīvi lādēta kodola, ap kuru lielā ātrumā pārvietojas negatīvi lādēti elektroni. Zināšanas par vielas mikroskopisko struktūru palīdz labāk izprast atšķirības, kas pastāv starp dažādām agregātu formām.
Mikrokosmosa attēlojumi: no Senās Grieķijas līdz 17. gadsimtam
Pirmā informācija par daļiņām, kas veido fiziskos ķermeņus, parādījās Senajā Grieķijā. Domātāji Demokrits un Epikūrs ieviesa tādu jēdzienu kā atoms. Viņi uzskatīja, ka šīm mazākajām nedalāmajām dažādu vielu daļiņām ir forma, noteikti izmēri, tās spēj kustēties un mijiedarboties viena ar otru. Atomistika kļuva par sava laika vismodernāko Senās Grieķijas mācību. Bet tā attīstība viduslaikos palēninājās. Kopš tā laika zinātniekus vajāja Romas katoļu baznīcas inkvizīcija. Tāpēc līdz mūsdienām nebija skaidra priekšstata par to, kas ir matērijas agregācijas stāvoklis. Tikai pēc 17. gszinātnieki R. Boils, M. Lomonosovs, D. D altons, A. Lavuazjē formulēja atomu-molekulārās teorijas nosacījumus, kas savu nozīmi nav zaudējuši arī mūsdienās.
Atomi, molekulas, joni ir vielas struktūras mikroskopiskas daļiņas
Nozīmīgs sasniegums mikrokosmosa izpratnē notika 20. gadsimtā, kad tika izgudrots elektronu mikroskops. Ņemot vērā zinātnieku agrāk izdarītos atklājumus, izdevās salikt harmonisku mikropasaules ainu. Teorijas, kas apraksta mazāko matērijas daļiņu stāvokli un uzvedību, ir diezgan sarežģītas, tās pieder pie kvantu fizikas jomas. Lai saprastu dažādu vielu agregātu stāvokļu īpašības, pietiek zināt galveno strukturālo daļiņu nosaukumus un pazīmes, kas veido dažādas vielas.
- Atomi ir ķīmiski nedalāmas daļiņas. Saglabājies ķīmiskās reakcijās, bet iznīcināts kodolā. Metāliem un daudzām citām atomu struktūras vielām normālos apstākļos ir ciets agregācijas stāvoklis.
- Molekulas ir daļiņas, kas sadalās un veidojas ķīmiskās reakcijās. Molekulārajā struktūrā ir skābeklis, ūdens, oglekļa dioksīds, sērs. Skābekļa, slāpekļa, sēra dioksīda, oglekļa un skābekļa kopējais stāvoklis normālos apstākļos ir gāzveida.
- Joni ir lādētas daļiņas, par kurām atomi un molekulas pārvēršas, iegūstot vai zaudējot elektronus – mikroskopiskas negatīvi lādētas daļiņas. Daudziem sāļiem ir jonu struktūra, piemēram, galda sāls, dzelzs un vara sulfāts.
Ir vielas, kuru daļiņas telpā ir izkārtojušās noteiktā veidā. Pasūtīts relatīvais stāvoklisatomus, jonus, molekulas sauc par kristāla režģi. Parasti jonu un atomu kristālu režģi ir raksturīgi cietām vielām, molekulārie - šķidrumiem un gāzēm. Dimantam ir augsta cietība. Tās atomu kristālisko režģi veido oglekļa atomi. Bet mīkstais grafīts arī sastāv no šī ķīmiskā elementa atomiem. Tikai tie kosmosā atrodas atšķirīgi. Parastais sēra agregācijas stāvoklis ir ciets, bet augstā temperatūrā viela pārvēršas šķidrā un amorfā masā.
Vielas cietā agregācijas stāvoklī
Cietie ķermeņi normālos apstākļos saglabā savu apjomu un formu. Piemēram, smilšu grauds, cukura grauds, sāls, akmens vai metāla gabals. Ja cukuru karsē, viela sāk kust, pārvēršoties viskozā brūnā šķidrumā. Pārtrauciet sildīšanu - atkal mēs iegūstam cietu. Tas nozīmē, ka viens no galvenajiem nosacījumiem cietas vielas pārejai šķidrumā ir tās uzkarsēšana vai vielas daļiņu iekšējās enerģijas palielināšanās. Var mainīt arī pārtikā izmantotā sāls cieto agregācijas stāvokli. Bet, lai izkausētu galda sāli, nepieciešama augstāka temperatūra nekā karsējot cukuru. Fakts ir tāds, ka cukurs sastāv no molekulām, bet galda sāls sastāv no uzlādētiem joniem, kas ir spēcīgāk piesaistīti viens otram. Cietās vielas šķidrā veidā nesaglabā savu formu, jo sadalās kristāliskais režģis.
Sāls šķidrais agregācijas stāvoklis kušanas laikā ir izskaidrojams ar saites pārtraukšanu starp joniem kristālos. tiek atbrīvotiuzlādētas daļiņas, kas var pārvadāt elektriskos lādiņus. Izkausētie sāļi vada elektrību un ir vadītāji. Ķīmijas, metalurģijas un mašīnbūves nozarēs cietās vielas pārvērš šķidrumos, lai no tām iegūtu jaunus savienojumus vai piešķirtu tām dažādas formas. Metālu sakausējumi tiek plaši izmantoti. Ir vairāki veidi, kā tos iegūt, kas saistīti ar izmaiņām cieto izejvielu agregācijas stāvoklī.
Šķidrums ir viens no agregācijas pamatstāvokļiem
Ja apaļkolbā ielej 50 ml ūdens, var redzēt, ka viela uzreiz iegūst ķīmiskā trauka formu. Bet, tiklīdz mēs izlejam ūdeni no kolbas, šķidrums nekavējoties izplatīsies pa galda virsmu. Ūdens tilpums paliks nemainīgs - 50 ml, un tā forma mainīsies. Šīs pazīmes ir raksturīgas vielas eksistences šķidrajai formai. Šķidrumi ir daudzas organiskas vielas: spirti, augu eļļas, skābes.
Piens ir emulsija, t.i., šķidrums, kurā ir tauku pilieni. Noderīgs šķidrais minerāls ir eļļa. To iegūst no akām, izmantojot urbšanas iekārtas uz zemes un okeānā. Jūras ūdens ir arī rūpniecības izejviela. Tā atšķirība no upju un ezeru saldūdens ir izšķīdušo vielu, galvenokārt sāļu, saturā. Iztvaikojot no ūdenstilpju virsmas, tvaika stāvoklī nonāk tikai H2O molekulas, paliek izšķīdušās vielas. Metodes derīgo vielu iegūšanai no jūras ūdens un metodes tā attīrīšanai ir balstītas uz šo īpašību.
Kadpilnīga sāļu noņemšana, tiek iegūts destilēts ūdens. Tas vārās 100°C un sasalst 0°C temperatūrā. Sālījumi dažādās temperatūrās uzvārās un pārvēršas ledū. Piemēram, ūdens Ledus okeānā sasalst pie virsmas temperatūras 2°C.
Dzīvsudraba kopējais stāvoklis normālos apstākļos ir šķidrums. Šis sudrabaini pelēkais metāls parasti ir piepildīts ar medicīniskiem termometriem. Sildot, dzīvsudraba kolonna paceļas uz skalas, viela izplešas. Kāpēc ielu termometros tiek izmantots sarkans spirts, nevis dzīvsudrabs? Tas izskaidrojams ar šķidrā metāla īpašībām. Pie 30 grādu salnām dzīvsudraba kopējais stāvoklis mainās, viela kļūst cieta.
Ja plīst medicīniskais termometrs un izlīst dzīvsudrabs, ar rokām pacelt sudraba bumbiņas ir bīstami. Ir kaitīgi ieelpot dzīvsudraba tvaikus, šī viela ir ļoti toksiska. Bērniem šādos gadījumos jāmeklē palīdzība pie vecākiem, pieaugušajiem.
Gāzes stāvoklis
Gāzes nespēj saglabāt savu tilpumu vai formu. Piepildiet kolbu ar skābekli līdz augšai (tās ķīmiskā formula ir O2). Tiklīdz mēs atveram kolbu, vielas molekulas sāks sajaukties ar gaisu telpā. Tas ir saistīts ar Brauna kustību. Pat sengrieķu zinātnieks Demokrits uzskatīja, ka matērijas daļiņas atrodas pastāvīgā kustībā. Cietās vielās normālos apstākļos atomiem, molekulām, joniem nav iespējas iziet no kristāliskā režģa, atbrīvoties no saitēm ar citām daļiņām. Tas ir iespējams tikai tad, kadliels enerģijas daudzums no ārpuses.
Šķidrumos attālums starp daļiņām ir nedaudz lielāks nekā cietās vielās, tām ir nepieciešams mazāk enerģijas, lai pārrautu starpmolekulārās saites. Piemēram, skābekļa šķidrais agregāta stāvoklis tiek novērots tikai tad, kad gāzes temperatūra pazeminās līdz –183 °C. –223 °C temperatūrā O2 molekulas veido cietu vielu. Kad temperatūra paaugstinās virs dotajām vērtībām, skābeklis pārvēršas gāzē. Tieši šajā formā tas ir normālos apstākļos. Rūpniecības uzņēmumos ir speciālas iekārtas atmosfēras gaisa atdalīšanai un slāpekļa un skābekļa iegūšanai no tā. Vispirms gaiss tiek atdzesēts un sašķidrināts, un pēc tam pakāpeniski tiek paaugstināta temperatūra. Slāpeklis un skābeklis dažādos apstākļos pārvēršas gāzēs.
Zemes atmosfērā pēc tilpuma ir 21% skābekļa un 78% slāpekļa. Šķidrā veidā šīs vielas nav atrodamas planētas gāzveida apvalkā. Šķidrajam skābeklim ir gaiši zila krāsa, un tas tiek pildīts ar augstu spiedienu balonos izmantošanai medicīnas iestādēs. Rūpniecībā un būvniecībā sašķidrinātās gāzes ir nepieciešamas daudziem procesiem. Skābeklis nepieciešams gāzmetināšanai un metālu griešanai, ķīmijā - neorganisko un organisko vielu oksidācijas reakcijām. Atverot skābekļa balona vārstu, spiediens samazinās, šķidrums pārvēršas gāzē.
Sašķidrināto propānu, metānu un butānu plaši izmanto enerģētikā, transportā, rūpniecībā un mājsaimniecībās. Šīs vielas iegūst no dabasgāzes vai krekinga(sadalīšana) jēlnaftas. Oglekļa šķidrajiem un gāzveida maisījumiem ir svarīga loma daudzu valstu ekonomikā. Taču naftas un dabasgāzes rezerves ir stipri izsmeltas. Pēc zinātnieku domām, šī izejviela kalpos 100-120 gadus. Alternatīvs enerģijas avots ir gaisa plūsma (vējš). Spēkstaciju darbībai tiek izmantotas straujas upes, plūdmaiņas jūru un okeānu krastos.
Skābeklis, tāpat kā citas gāzes, var būt ceturtajā agregācijas stāvoklī, kas pārstāv plazmu. Neparasta pāreja no cieta stāvokļa uz gāzveida stāvokli ir raksturīga kristāliskā joda iezīme. Tumši purpursarkanā viela sublimējas - pārvēršas gāzē, apejot šķidro stāvokli.
Kā notiek pāreja no vienas matērijas agregāta formas uz citu?
Vielu kopējā stāvokļa izmaiņas nav saistītas ar ķīmiskām pārvērtībām, tās ir fizikālas parādības. Kad temperatūra paaugstinās, daudzas cietās vielas izkūst un pārvēršas šķidrumos. Turpmāka temperatūras paaugstināšanās var izraisīt iztvaikošanu, tas ir, vielas gāzveida stāvokli. Dabā un ekonomikā šādas pārejas ir raksturīgas vienai no galvenajām vielām uz Zemes. Ledus, šķidrums, tvaiks ir ūdens stāvokļi dažādos ārējos apstākļos. Savienojums ir tāds pats, tā formula ir H2O. Temperatūrā 0 ° C un zem šīs vērtības ūdens kristalizējas, tas ir, pārvēršas ledū. Kad temperatūra paaugstinās, iegūtie kristāli tiek iznīcināti - ledus kūst, atkal tiek iegūts šķidrs ūdens. Sildot, veidojas ūdens tvaiki. Iztvaikošana -ūdens pārvēršana gāzē - notiek pat zemā temperatūrā. Piemēram, sasalušas peļķes pamazām izzūd, jo ūdens iztvaiko. Pat salnā laikā slapjas drēbes izžūst, taču šis process aizņem ilgāku laiku nekā karstā dienā.
Visām uzskaitītajām ūdens pārejām no viena stāvokļa uz otru ir liela nozīme Zemes dabai. Atmosfēras parādības, klimats un laikapstākļi ir saistīti ar ūdens iztvaikošanu no okeānu virsmas, mitruma pārnešanu mākoņu un miglas veidā uz zemi, nokrišņiem (lietus, sniegs, krusa). Šīs parādības veido Pasaules ūdens cikla pamatu dabā.
Kā mainās sēra agregāti?
Normālos apstākļos sērs ir spilgti spīdīgi kristāli vai gaiši dzeltens pulveris, t.i., tas ir cieta viela. Sildot, sēra kopējais stāvoklis mainās. Pirmkārt, kad temperatūra paaugstinās līdz 190 ° C, dzeltenā viela kūst, pārvēršoties kustīgā šķidrumā.
Ja ātri ielej šķidru sēru aukstā ūdenī, iegūst brūnu amorfu masu. Turpinot karsēt sēra kausējumu, tas kļūst arvien viskozāks un kļūst tumšāks. Temperatūrā virs 300 ° C sēra agregācijas stāvoklis atkal mainās, viela iegūst šķidruma īpašības, kļūst kustīga. Šīs pārejas notiek elementa atomu spējas dēļ veidot dažāda garuma ķēdes.
Kāpēc vielas var būt dažādos agregātstāvokļos?
Sēra - vienkāršas vielas - agregācijas stāvoklis normālos apstākļos ir ciets. Sēra dioksīds - gāze, sērskābe -eļļains šķidrums, kas ir smagāks par ūdeni. Atšķirībā no sālsskābes un slāpekļskābes, tas nav gaistošs, molekulas no tās virsmas neiztvaiko. Kāds ir plastmasas sēra agregācijas stāvoklis, ko iegūst, karsējot kristālus?
Amorfā veidā vielai ir šķidruma struktūra ar nelielu plūstamību. Bet plastmasas sērs vienlaikus saglabā savu formu (kā cieta viela). Ir šķidrie kristāli, kuriem ir vairākas cietām vielām raksturīgas īpašības. Tādējādi vielas stāvoklis dažādos apstākļos ir atkarīgs no tās rakstura, temperatūras, spiediena un citiem ārējiem apstākļiem.
Kādas ir cietvielu struktūras pazīmes?
Esošās atšķirības starp vielas pamata agregētajiem stāvokļiem ir izskaidrojamas ar atomu, jonu un molekulu mijiedarbību. Piemēram, kāpēc vielas cietais agregāta stāvoklis izraisa ķermeņu spēju saglabāt apjomu un formu? Metāla vai sāls kristālrežģī strukturālās daļiņas tiek piesaistītas viena otrai. Metālos pozitīvi lādēti joni mijiedarbojas ar tā saukto "elektronu gāzi" - brīvo elektronu uzkrāšanos metāla gabalā. Sāls kristāli rodas, piesaistot pretēji lādētas daļiņas - jonus. Attālums starp iepriekš minētajām cietvielu strukturālajām vienībām ir daudz mazāks nekā pašu daļiņu izmērs. Šajā gadījumā iedarbojas elektrostatiskā pievilcība, tā dod spēku, un atgrūšanās nav pietiekami spēcīga.
Lai iznīcinātu vielas agregācijas cieto stāvokli, tas ir nepieciešamspapūlēties. Metāli, sāļi, atomu kristāli kūst ļoti augstā temperatūrā. Piemēram, dzelzs kļūst šķidrs temperatūrā virs 1538 °C. Volframs ir ugunsizturīgs, un to izmanto kvēldiegu izgatavošanai spuldzēm. Ir sakausējumi, kas kļūst šķidri temperatūrā virs 3000 °C. Daudzi ieži un minerāli uz Zemes atrodas cietā stāvoklī. Šīs izejvielas tiek iegūtas ar raktuvju un karjeru iekārtu palīdzību.
Lai no kristāla atdalītu kaut vienu jonu, nepieciešams iztērēt lielu enerģijas daudzumu. Bet galu galā pietiek izšķīdināt sāli ūdenī, lai kristāla režģis izjuktu! Šī parādība ir izskaidrojama ar ūdens kā polāra šķīdinātāja pārsteidzošajām īpašībām. H2O molekulas mijiedarbojas ar sāls joniem, iznīcinot ķīmisko saiti starp tām. Tādējādi šķīdināšana nav vienkārša dažādu vielu sajaukšana, bet gan fizikāla un ķīmiska mijiedarbība starp tām.
Kā mijiedarbojas šķidrumu molekulas?
Ūdens var būt šķidrs, ciets un gāzveida (tvaiks). Šie ir tā galvenie agregācijas stāvokļi normālos apstākļos. Ūdens molekulas sastāv no viena skābekļa atoma ar diviem ūdeņraža atomiem, kas saistīti ar to. Molekulā notiek ķīmiskās saites polarizācija, uz skābekļa atomiem parādās daļējs negatīvs lādiņš. Ūdeņradis kļūst par pozitīvo polu molekulā un tiek piesaistīts citas molekulas skābekļa atomam. Šo vājo spēku sauc par "ūdeņraža saiti".
Raksturo agregācijas šķidro stāvokliattālumi starp strukturālajām daļiņām ir salīdzināmi ar to izmēriem. Pievilcība pastāv, bet tā ir vāja, tāpēc ūdens nesaglabā formu. Iztvaikošana notiek saišu iznīcināšanas dēļ, kas notiek uz šķidruma virsmas pat istabas temperatūrā.
Vai gāzēs pastāv starpmolekulāras mijiedarbības?
Vielas gāzveida agregātstāvoklis atšķiras no šķidras un cietas ar vairākiem parametriem. Starp gāzu strukturālajām daļiņām ir lielas spraugas, kas ir daudz lielākas par molekulu izmēru. Šajā gadījumā pievilkšanas spēki vispār nedarbojas. Gāzveida agregācijas stāvoklis ir raksturīgs vielām, kas atrodas gaisā: slāpeklis, skābeklis, oglekļa dioksīds. Zemāk redzamajā attēlā pirmais kubs ir piepildīts ar gāzi, otrais ar šķidrumu un trešais ar cietu vielu.
Daudzi šķidrumi ir gaistoši, vielas molekulas atraujas no virsmas un nonāk gaisā. Piemēram, ja pie atvērtas sālsskābes pudeles atveres atnesat amonjakā iemērcētu vates tamponu, parādās b alti dūmi. Tieši gaisā notiek ķīmiska reakcija starp sālsskābi un amonjaku, tiek iegūts amonija hlorīds. Kādā matērijas stāvoklī ir šī viela? Tās daļiņas, kas veido b altus dūmus, ir mazākie cietie sāls kristāli. Šis eksperiments jāveic zem tvaika nosūcēja, jo vielas ir toksiskas.
Secinājums
Gāzes agregācijas stāvokli pētīja daudzi izcili fiziķi un ķīmiķi: Avogadro, Boils, Gejs-Lusaks,Klaiperons, Mendeļejevs, Le Šateljē. Zinātnieki ir formulējuši likumus, kas izskaidro gāzveida vielu uzvedību ķīmiskajās reakcijās, mainoties ārējiem apstākļiem. Atklātas likumsakarības ne tikai ienāca skolu un augstskolu fizikas un ķīmijas mācību grāmatās. Daudzas ķīmiskās rūpniecības nozares balstās uz zināšanām par vielu uzvedību un īpašībām dažādos agregātu stāvokļos.
