Што такое агрэгатны стан? Агрэгатны стан рэчыва

Пытанні аб тым, што такое агрэгатны стан, якімі асаблівасцямі і ўласцівасцямі валодаюць цвёрдыя рэчывы, вадкасці і газы, разглядаюцца ў некалькіх навучальных курсах. Існуе тры класічных стану матэрыі, са сваімі характэрнымі рысамі будынкі. Іх разуменне з'яўляецца важным момантам у зразуменні навук аб Зямлі, жывых арганізмах, вытворчай дзейнасці. Гэтыя пытанні вывучаюць фізіка, хімія, геаграфія, геалогія, фізічная хімія і іншыя навуковыя дысцыпліны. Рэчывы, якія знаходзяцца пры пэўных умовах у адным з трох базавых тыпаў стану, могуць змяняцца пры павышэнні ці паніжэнні тэмпературы, ціску. Разгледзім магчымыя пераходы з адных агрэгатных станаў у іншыя, як яны ажыццяўляюцца ў прыродзе, тэхніцы і паўсядзённым жыцці.

Што такое агрэгатны стан?

Слова лацінскага паходжання "aggrego" ў перакладзе на рускую мову азначае «далучаць». Навуковы тэрмін ставіцца да стану аднаго і таго ж цела, рэчывы. Існаванне пры пэўных тэмпературных значэннях і розным ціску цвёрдых тэл, газаў і вадкасцей характэрна для ўсіх абалонак Зямлі. Акрамя трох базавых агрэгатных станаў, існуе яшчэ і чацвёртае. Пры падвышанай тэмпературы і нязменным ціску газ ператвараецца ў плазму. Каб лепш зразумець, што такое агрэгатны стан, неабходна ўспомніць аб драбнюткіх часціцах, з якіх складаюцца рэчывы і цела.

На схеме уверсе паказаны: а - газ; b - вадкасць; с - цвёрдае цела. На падобных малюнках кружочкамі абазначаюцца структурныя элементы рэчываў. Гэта ўмоўнае пазначэнне, на самай справе атамы, малекулы, іёны не зьяўляюцца суцэльнымі шарыкамі. Атамы складаюцца з станоўча зараджанага ядра, вакол якога на вялікай хуткасці рухаюцца адмоўна зараджаныя электроны. Веды аб мікраскапічным будове рэчыва дапамагаюць лепш зразумець адрозненні, якія існуюць паміж рознымі агрэгатнымі формамі.

Ўяўленні аб мікрасвеце: ад Старажытнай Грэцыі да XVII стагоддзя

Першыя звесткі аб часціцах, з якіх складзены фізічныя цела, з'явіліся ў Старажытнай Грэцыі. Мысляры Дэмакрыт і Эпікур ўвялі такое паняцце, як атам. Яны лічылі, што гэтыя драбнюткія непадзельныя часціцы розных рэчываў валодаюць формай, пэўнымі памерамі, здольныя да руху і ўзаемадзеянню адзін з адным. Атамістыкі стала найбольш перадавым для свайго часу вучэннем Старажытнай Грэцыі. Але яе развіццё затармазілася ў сярэднія вякі. Бо тады навукоўцаў пераследвала інквізіцыя рымскай каталіцкай царквы. Таму аж да новага часу не было выразнай канцэпцыі, што такое агрэгатны стан рэчыва. Толькі пасля XVII стагоддзя навукоўцы Р. Бойль, М. Ламаносаў, Д. Дальтона, А. Лавуазье сфармулявалі становішча атамна-малекулярнай тэорыі, якія не страцілі свайго значэння і ў нашы дні.

Атамы, малекулы, іёны - мікраскапічныя часціцы будынка матэрыі

Значны прарыў у разуменні мікрасвету адбыўся ў XX стагоддзі, калі быў вынайдзены электронны мікраскоп. З улікам адкрыццяў, зробленых навукоўцамі раней, атрымалася скласці стройную карціну мікрасвету. Тэорыі, якія апісваюць стан і паводзіны драбнюткіх часціц рэчыва, даволі складаныя, яны ставяцца да вобласці квантавай фізікі. Для разумення асаблівасцяў розных агрэгатных станаў матэрыі дастаткова ведаць назвы і асаблівасці асноўных структурных часціц, якія ўтвараюць розныя рэчывы.

1. Атамы - хімічна непадзельныя часціцы. Захоўваюцца ў хімічных рэакцыях, але руйнуюцца ў ядзерных. Металы і многія іншыя рэчывы атамарнага будынкі маюць цвёрдае агрэгатны стан пры звычайных умовах.
2. Малекулы - часціцы, якія руйнуюцца і ўтвараюцца ў хімічных рэакцыях. Малекулярнае будынак маюць кісларод, вада, вуглякіслы газ, сера. Агрэгатны стан кіслароду, азоту, дыяксіду серы, вугляроду, кіслароду пры звычайных умовах - газападобнае.
3. Іёны - зараджаныя часціцы, у якія ператвараюцца атамы і малекулы, калі далучаюць або губляюць электроны - мікраскапічныя адмоўна зараджаныя часцінкі. Іённае будынак маюць многія солі, напрыклад павараная, жалезны і медны купарвас.

Ёсць рэчывы, часціцы якіх пэўным чынам размешчаныя ў прасторы. Спарадкаванае ўзаемнае становішча атамаў, іёнаў, малекул называюць крышталічнай кратамі. Звычайна іённыя і атамарнага крышталічныя рашоткі характэрныя для цвёрдых рэчываў, малекулярныя - для вадкасцяў і газаў. Высокай цвёрдасцю адрозніваецца алмаз. Яго атамная крышталічная рашотка ўтворана атамамі вугляроду. Але мяккі графіт таксама складаецца з атамаў гэтага хімічнага элемента. Толькі яны па-іншаму размешчаны ў прасторы. Звычайнае агрэгатны стан серы - цвёрдае, але пры высокіх тэмпературах рэчыва ператвараецца ў вадкасць і аморфную масу.

Рэчывы ў цвёрдым агрэгатным стане

Цвёрдыя цела пры звычайных умовах захоўваюць аб'ём і форму. Напрыклад, пясчынка, крупінка цукру, солі, кавалак горнай пароды або металу. Калі награваць цукар, то рэчыва пачынае плавіцца, ператвараючыся ў глейкую карычневую вадкасць. Спынім награванне - зноў атрымаем цвёрдае рэчыва. Значыць, адно з галоўных умоў пераходу цвёрдага цела ў вадкасць - яго награванне ці павышэнне ўнутранай энергіі часціц рэчыва. Цвёрдае агрэгатны стан солі, якую выкарыстоўваюць у ежу, таксама можна змяніць. Але каб расплавіць павараную соль, патрэбна больш высокая тэмпература, чым пры награванні цукру. Справа ў тым, што цукар складаецца з малекул, а павараная соль - з зараджаных іёнаў, якія мацней прыцягваюцца адзін да аднаго. Цвёрдыя рэчывы ў вадкім выглядзе не захоўваюць сваю форму, таму што крышталічныя рашоткі руйнуюцца.

Вадкае агрэгатны стан солі пры расплаўленні тлумачыцца разрывам сувязі паміж іёнамі ў крышталях. Вызваляюцца зараджаныя часцінкі, якія могуць пераносіць электрычныя зарады. Расплавы соляў праводзяць электрычнасць, з'яўляюцца праваднікамі. У хімічнай, металургічнай і машынабудаўнічай прамысловасці цвёрдыя рэчывы ператвараюць у вадкія для атрымання з іх новых злучэнняў або надання ім рознай формы. Вялікі распаўсюд атрымалі сплавы металаў. Ёсць некалькі спосабаў іх атрымання, звязаных са зменамі агрэгатнага стану цвёрдага сыравіны.

Вадкасць - адно з базавых агрэгатных станаў

Калі наліць у круглодонную колбу 50 мл вады, то можна заўважыць, што рэчыва адразу ж прыме форму хімічнага пасудзіны. Але як толькі мы выльем ваду з колбы, то вадкасць адразу ж растечется па паверхні стала. Аб'ём вады застанецца той жа - 50 мл, а яе форма зменіцца. Пералічаныя асаблівасці характэрныя для вадкай формы існавання матэрыі. Вадкасцямі з'яўляюцца многія арганічныя рэчывы: спірты, алей, кіслаты.

Малако - эмульсія, т. Е. Вадкасць, у якой знаходзяцца кропелькі тлушчу. Карыснае вадкае выкапень - нафта. Здабываюць яе з свідравін з дапамогай буравых вышак на сушы і ў акіяне. Марская вада таксама з'яўляецца сыравінай для прамысловасці. Яе адрозненне ад прэснай вады рэк і азёр заключаецца ў змесце раствораных рэчываў, у асноўным соляў. Пры выпарэнні з паверхні вадаёмаў у парападобны стан пераходзяць толькі малекулы Н ₂ О, раствораныя рэчывы застаюцца. На гэтым ўласцівасці заснаваныя метады атрымання карысных рэчываў з марской вады і спосабы яе ачысткі.

Пры поўным выдаленні соляў атрымліваюць дыстыляваную ваду. Яна кіпіць пры 100 ° С, замярзае пры 0 ° С. Расолы кіпяць і ператвараюцца ў лёд пры іншых тэмпературных паказчыках. Напрыклад, вада ў Паўночным Ледавітым акіяне замярзае пры тэмпературы на паверхні 2 ° С.

Агрэгатны стан ртуці пры звычайных умовах - вадкасць. Гэтым серабрыста-шэрым металам звычайна запаўняюць медыцынскія тэрмометры. Пры награванні слупок ртуці падымаецца па шкале, адбываецца пашырэнне рэчывы. Чаму ж у вулічных тэрмометрах выкарыстоўваецца падфарбаваны чырвонай фарбай спірт, а не ртуць? Тлумачыцца гэта ўласцівасцямі вадкага металу. Пры 30-градусных маразах агрэгатны стан ртуці мяняецца, рэчыва становіцца цвёрдым.

Калі медыцынскі тэрмометр разбіўся, а ртуць вылілася, то збіраць рукамі серабрыстыя шарыкі небяспечна. Шкодна ўдыхаць пары ртуці, гэта рэчыва вельмі таксічнае. Дзецям у такіх выпадках трэба звярнуцца па дапамогу да бацькоў, дарослым.

газападобнае стан

Газы не здольныя захоўваць ні свой аб'ём, ні форму. Запоўнім колбу даверху кіслародам (яго хімічная формула Аб _2). Як толькі мы адкрыем колбу, малекулы рэчыва пачнуць змешвацца з паветрам у памяшканні. Гэта адбываецца дзякуючы броўнаўскі рух. Яшчэ старажытнагрэцкі навуковец Дэмакрыт лічыў, што часцінкі рэчывы знаходзяцца ў пастаянным руху. У цвёрдых целах пры звычайных умовах у атамаў, малекул, іёнаў няма магчымасці пакінуць крышталічную рашотку, вызваліцца ад сувязяў з іншымі часціцамі. Такое магчыма толькі пры паступленні вялікай колькасці энергіі звонку.

У вадкасцях адлегласць паміж часціцамі трохі больш, чым у цвёрдых целах, ім патрабуецца менш энергіі для разрыву межмолекулярных сувязяў. Да прыкладу, вадкае агрэгатны стан кіслароду назіраецца толькі пры зніжэнні тэмпературы газу да -183 ° C. Пры -223 ° C малекулы Аб ₂ ўтвараюць цвёрдае рэчыва. Пры павышэнні тэмпературы звыш прыведзеных значэнняў кісларод ператвараецца ў газ. Менавіта ў такім выглядзе ён знаходзіцца пры звычайных умовах. На прамысловых прадпрыемствах дзейнічаюць спецыяльныя ўстаноўкі для падзелу паветра атмасферы і атрымання з яго азоту і кіслароду. Спачатку паветра астуджаюць і звадкоўваюцца, а затым паступова павышаюць тэмпературу. Азот і кісларод ператвараюцца ў газы пры розных умовах.

Атмасфера Зямлі змяшчае 21% па аб'ёме кіслароду і 78% азоту. У вадкім выглядзе гэтыя рэчывы ў газавай абалонцы планеты не сустракаюцца. Вадкі кісларод мае светла-сіні колер, ім пры высокім ціску запаўняюць балоны для выкарыстання ў медыцынскіх установах. У прамысловасці і будаўніцтве звадкаваныя газы неабходныя для правядзення вельмі многіх працэсаў. Кісларод патрэбен для газавай зваркі і рэзкі металаў, у хіміі - для рэакцый акіслення неарганічных і арганічных рэчываў. Калі адкрыць вентыль кіслароднага балона, ціск памяншаецца, вадкасць ператвараецца ў газ.

Звадкаваныя прапан, метан і бутан знаходзяць шырокае прымяненне ў энергетыцы, на транспарце, у прамысловасці і гаспадарча-бытавой дзейнасці насельніцтва. Атрымліваюць гэтыя рэчывы з прыроднага газу або пры крэкінгу (расшчапленні) нафтавай сыравіны. Вугляродныя вадкія і газападобныя сумесі гуляюць важную ролю ў эканоміцы многіх краін. Але запасы нафты і прыроднага газу моцна знясіленыя. Паводле ацэнак навукоўцаў, гэтай сыравіны хопіць на 100-120 гадоў. Альтэрнатыўны крыніца энергіі - паветраны паток (вецер). Выкарыстоўваюцца для работы электрастанцый хуткабягучыя ракі, прылівы на берагах мораў і акіянаў.

Кісларод, як і іншыя газы, можа знаходзіцца ў чацвёртым агрэгатным стане, прадстаўляючы сабой плазму. Незвычайны пераход з цвёрдага стану ў газападобнае - характэрная рыса крышталічнага ёду. Рэчыва цёмна-фіялетавага колеру падвяргаецца сублімацыі - ператвараецца ў газ, абыходзячы вадкі стан.

Як ажыццяўляюцца пераходы з адной агрэгатнай формы матэрыі ў іншую?

Змены агрэгатнага стану рэчываў не звязаны з хімічнымі ператварэннямі, гэта фізічныя з'явы. Пры павышэнні тэмпературы многія цвёрдыя целы плавяцца, ператвараюцца ў вадкасці. Далейшае павышэнне тэмпературы можа прывесці да выпарэнню, гэта значыць да газападобным стане рэчывы. У прыродзе і гаспадарцы такія пераходы характэрныя для аднаго з галоўных рэчываў на Зямлі. Лёд, вадкасць, пар - гэта стану вады пры розных знешніх умовах. Злучэнне адно і тое ж, яго формула - Н ₂ О. Пры тэмпературы 0 ° С і ніжэй гэтага значэння вада крышталізуецца, то ёсць ператвараецца ў лёд. Пры павышэнні тэмпературы ўзніклі крышталікі руйнуюцца - лёд растае, зноў атрымліваецца вадкая вада. Пры яе награванні утворыцца вадзяной пар. Выпарэнне - ператварэнне вады ў газ - ідзе нават пры нізкіх тэмпературах. Напрыклад, замерзлыя лужыны паступова знікаюць, таму што вада выпараецца. Нават у марознае надвор'е мокрую бялізну высыхае, але толькі працэс гэты больш працяглы, чым у спякотны дзень.

Усе пералічаныя пераходы вады з аднаго стану ў іншы маюць вялікае значэнне для прыроды Зямлі. Атмасферныя з'явы, клімат і надвор'е звязаныя з выпарэннем вады з паверхні Сусветнага акіяна, пераносам вільгаці ў выглядзе аблокаў і туману на сушу, выпадзеннем ападкаў (дажджу, снегу, граду). Гэтыя з'явы складаюць аснову Сусветнага кругазвароту вады ў прыродзе.

Як мяняюцца агрэгатныя станы серы?

Пры звычайных умовах сера - гэта яркія бліскучыя крышталі або светла-жоўты парашок, т. Е. Гэта цвёрдае рэчыва. Агрэгатны стан серы змяняецца пры награванні. Спачатку пры павышэнні тэмпературы да 190 ° C жоўтае рэчыва плавіцца, ператвараючыся ў рухомую вадкасць.

Калі хутка выліць вадкую серу ў халодную ваду, то атрымліваецца карычневая аморфная маса. Пры далейшым награванні расплаву серы ён становіцца ўсё больш глейкім, цямнее. Пры тэмпературы звыш 300 ° C агрэгатны стан серы зноў змяняецца, рэчыва набывае ўласцівасці вадкасці, становіцца рухомым. Гэтыя пераходы ўзнікаюць дзякуючы здольнасці атамаў элемента ўтвараць ланцужкі рознай даўжыні.

Чаму рэчывы могуць знаходзіцца ў розных фізічных станах?

Агрэгатны стан серы - простага рэчывы - цвёрдае пры звычайных умовах. Дыяксід серы - газ, серная кіслата - алеістая вадкасць цяжэй вады. У адрозненне ад салянай і азотнай кіслот яна не Лятучая, з яе паверхні не выпараюцца малекулы. Якое агрэгатны стан мае пластычная сера, якую атрымліваюць пры награванні крышталяў?

У аморфным выглядзе рэчыва мае структуру вадкасці, валодаючы нязначнай цякучасцю. Але пластычная сера адначасова захоўвае форму (як цвёрдае рэчыва). Існуюць вадкія крышталі, якія валодаюць побач характэрных уласцівасцяў цвёрдых рэчываў. Такім чынам, стан рэчыва пры розных умовах залежыць ад яго прыроды, тэмпературы, ціску і іншых знешніх умоў.

Якія існуюць асаблівасці ў будынку цвёрдых целаў?

Наяўныя адрозненні паміж асноўнымі агрэгатнымі станамі матэрыі тлумачацца узаемадзеяннем паміж атамамі, іёнамі і малекуламі. Напрыклад, чаму цвёрдае агрэгатны стан рэчыва прыводзіць да здольнасці тэл захоўваць аб'ём і форму? У крышталічнай рашотцы металу або солі структурныя часціцы прыцягваюцца адзін да аднаго. У металах станоўча зараджаныя іёны ўзаемадзейнічаюць з так званым «электронным газам» - навалай свабодных электронаў у кавалку металу. Крышталі соляў ўзнікаюць дзякуючы прыцягненню рознаіменна зараджаных часціц - іёнаў. Адлегласць паміж вышэйпералічанымі структурнымі адзінкамі цвёрдых тэл нашмат менш, чым памеры саміх часціц. У гэтым выпадку дзейнічае электрастатычнае прыцягненне, яно надае трываласць, а адштурхванне недастаткова моцнае.

Каб разбурыць цвёрдае агрэгатны стан рэчыва, трэба прыкласці намаганні. Металы, солі, атамныя крышталі плавяцца пры вельмі высокіх тэмпературах. Да прыкладу, жалеза становіцца вадкім пры тэмпературы вышэй 1538 ° С. Тугаплаўкім з'яўляецца вальфрам, з яго вырабляюць ніткі напальвання для электрычных лямпачак. Ёсць сплавы, якія становяцца вадкімі пры тэмпературах звыш 3000 ° С. Многія горныя пароды і мінералы на Зямлі знаходзяцца ў цвёрдым стане. Здабываюць гэтую сыравіну з дапамогай тэхнікі ў шахтах і кар'ерах.

Для адрыву нават аднаго іёна ад крышталя неабходна выдаткаваць вялікая колькасць энергіі. Але ж дастаткова растварыць соль у вадзе, каб крышталічная рашотка распаўся! Гэта з'ява тлумачыцца дзіўнымі ўласцівасцямі вады як палярнага растваральніка. Малекулы Н ₂ О ўзаемадзейнічаюць з іёнамі солі, руйнуючы хімічную сувязь паміж імі. Такім чынам, растварэнне - гэта не простае перамешванне розных рэчываў, а фізіка-хімічнае ўзаемадзеянне паміж імі.

Як узаемадзейнічаюць малекулы вадкасцяў?

Вада можа быць вадкасцю, цвёрдым рэчывам і газ (парай). Гэта яе асноўныя агрэгатныя станы пры звычайных умовах. Малекулы вады складаюцца з аднаго атама кіслароду, з якім звязаны два атама вадароду. Узнікае палярызацыя хімічнай сувязі ў малекуле, на атамах кіслароду з'яўляецца частковы адмоўны зарад. Вадарод становіцца станоўчым полюсам у малекуле, прыцягваецца атамам кіслароду іншы малекулы. Гэта слабое ўзаемадзеянне атрымала назву «вадародная сувязь».

Вадкае агрэгатны стан характарызуюць адлегласці паміж структурнымі часціцамі, параўнальныя з іх памерамі. Прыцягненне існуе, але яно слабое, таму вада не захоўвае форму. Параўтварэнне адбываецца з-за разбурэння сувязяў, якое ідзе на паверхні вадкасці нават пры пакаёвай тэмпературы.

Ці існуюць межмолекулярные ўзаемадзеяння ў газах?

Газападобнае стан рэчыва па шэрагу параметраў адрозніваецца ад вадкага і цвёрдага. Паміж структурнымі часціцамі газаў існуюць вялікія прамежкі, нашмат перавышаюць памеры малекул. Пры гэтым сілы прыцягнення зусім не дзейнічаюць. Газападобнае агрэгатны стан характэрна для рэчываў, якія прысутнічаюць у складзе паветра: азоту, кіслароду, дыяксіду вугляроду. На малюнку ніжэй першы куб запоўнены газам, другі вадкасцю, а трэці - цвёрдым рэчыва.

Многія вадкасці з'яўляюцца лятучымі, з іх паверхні адрываюцца і пераходзяць у паветра малекулы рэчыва. Напрыклад, калі да адтуліны адкрытай бутэлькі з салянай кіслатой паднесці ватку, змочаную ў нашатырны спірт, то з'яўляецца белы дым. Прама ў паветры адбываецца хімічная рэакцыя паміж салянай кіслатой і аміякам, атрымліваецца хларыд амонія. У якім агрэгатным стане знаходзіцца гэта рэчыва? Яго часцінкі, якія ўтвараюць белы дым, ўяўляюць сабой драбнюткія цвёрдыя крышталі солі. Гэты вопыт трэба праводзіць пад выцяжкай, рэчывы з'яўляюцца таксічнымі.

заключэнне

Агрэгатны стан газу вывучалі шматлікія выбітныя фізікі і хімікі: Авагадра, Бойль, Гей-Люссак, Клайперон, Мендзялееў, Ле-Шателье. Навукоўцы сфармулявалі законы, якія тлумачаць паводзіны газападобных рэчываў у хімічных рэакцыях, пры змене знешніх умоў. Адкрытыя заканамернасці не толькі ўвайшлі ў школьныя і внузскія падручнікі фізікі і хіміі. Многія хімічныя вытворчасці заснаваныя на ведах аб паводзінах і ўласцівасцях рэчываў, якія знаходзяцца ў розных агрэгатных станах.