Stări și faze agregate ale materiei. Starea materiei

Definiţie

Stările agregate ale materiei (din latinescul aggrego - atașez, conectez) sunt stări ale aceleiași substanțe - solid, lichid, gazos.

La trecerea de la o stare la alta, are loc o schimbare bruscă a energiei, entropiei, densității și a altor caracteristici ale substanței.

Solide și lichide

Definiţie

Solidele sunt corpuri care au o formă și un volum constant.

În ele, distanțele intermoleculare sunt mici, iar energia potențială a moleculelor este comparabilă cu energia cinetică. Solidele sunt împărțite în două tipuri: cristaline și amorfe. Doar corpurile cristaline sunt în stare de echilibru termodinamic. Corpurile amorfe reprezintă în esență stări metastabile, care în structura lor sunt apropiate de neechilibru, lichide care cristalizează lent. Într-un corp amorf are loc un proces foarte lent de cristalizare, procesul de trecere treptată a unei substanțe în faza cristalină. Diferența dintre un cristal și un solid amorf constă în primul rând în anizotropia proprietăților sale. Proprietățile unui corp cristalin depind de direcția în spațiu. Diverse procese, cum ar fi conductivitatea termică, conductibilitatea electrică, lumina, sunetul, se propagă în diferite direcții ale unui solid în moduri diferite. Corpurile amorfe (sticlă, rășini, materiale plastice) sunt izotrope, ca și lichidele. Singura diferență dintre corpurile amorfe și lichide este că acestea din urmă sunt fluide și deformațiile statice prin forfecare sunt imposibile în ele.

Corpurile cristaline au o structură moleculară regulată. Anizotropia proprietăților sale se datorează structurii corecte a cristalului. Aranjarea corectă a atomilor într-un cristal formează ceea ce se numește o rețea cristalină. În direcții diferite, aranjarea atomilor în rețea este diferită, ceea ce duce la anizotropie. Atomii (sau ionii, sau moleculele întregi) dintr-o rețea cristalină suferă mișcări oscilatorii aleatorii în jurul pozițiilor medii, care sunt considerate noduri ale rețelei cristaline. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât energia de oscilație este mai mare și, prin urmare, amplitudinea medie a oscilațiilor. Mărimea cristalului depinde de amplitudinea oscilațiilor. O creștere a amplitudinii oscilațiilor duce la o creștere a dimensiunii corpului. Aceasta explică dilatarea termică a solidelor.

Definiţie

Lichidele sunt corpuri care au un anumit volum, dar nu au elasticitate de formă.

Lichidele se caracterizează prin interacțiuni intermoleculare puternice și compresibilitate scăzută. Un lichid ocupă o poziție intermediară între un solid și un gaz. Lichidele, ca și gazele, sunt izotrope. În plus, lichidul are fluiditate. În ea, ca și în gaze, nu există solicitări tangenţiale (tensiuni de forfecare) ale corpurilor. Lichidele sunt grele, de ex. greutatea lor specifică este comparabilă cu greutatea specifică a solidelor. Aproape de temperaturile de cristalizare, capacitățile lor termice și alte caracteristici termice sunt apropiate de caracteristicile corespunzătoare ale solidelor. În lichide există, într-o anumită măsură, o aranjare regulată a atomilor, dar numai pe zone mici. Aici atomii suferă și mișcări oscilatorii în apropierea nodurilor celulei cvasicristaline, dar spre deosebire de atomii unui corp solid, ei sar din când în când de la un nod la altul. Ca urmare, mișcarea atomilor va fi foarte complexă: este oscilativă, dar în același timp centrul oscilațiilor se mișcă în spațiu.

Gaz, evaporare, condensare și topire

Definiţie

Gazul este o stare a materiei în care distanțele dintre molecule sunt mari.

Forțele de interacțiune dintre molecule la presiuni scăzute pot fi neglijate. Particulele de gaz umplu întreg volumul furnizat gazului. Gazele pot fi considerate vapori foarte supraîncălziți sau nesaturați. Un tip special de gaz este plasma - este un gaz parțial sau complet ionizat în care densitățile sarcinilor pozitive și negative sunt aproape identice. Plasma este un gaz de particule încărcate care interacționează între ele folosind forțe electrice pe o distanță lungă, dar nu au un aranjament apropiat și îndepărtat al particulelor.

Substanțele se pot schimba de la o stare de agregare la alta.

Definiţie

Evaporarea este un proces de modificare a stării de agregare a unei substanțe, în care moleculele zboară de pe suprafața unui lichid sau solid, a cărui energie cinetică depășește energia potențială de interacțiune a moleculelor.

Evaporarea este o tranziție de fază. În timpul evaporării, o parte dintr-un lichid sau solid se transformă în vapori. O substanță în stare gazoasă care se află în echilibru dinamic cu un lichid se numește vapori saturati. În acest caz, modificarea energiei interne a corpului:

\[\triunghi \U=\pm mr\ \left(1\right),\]

unde m este masa corporală, r este căldura specifică de vaporizare (J/kg).

Definiţie

Condensarea este procesul invers de evaporare.

Modificarea energiei interne se calculează folosind formula (1).

Definiţie

Topirea este procesul de trecere a unei substanțe de la starea solidă la starea lichidă, procesul de schimbare a stării agregate a unei substanțe.

Când o substanță este încălzită, energia sa internă crește, prin urmare, viteza de mișcare termică a moleculelor crește. Dacă se atinge temperatura de topire a unei substanțe, rețeaua cristalină a solidului începe să se prăbușească. Legăturile dintre particule sunt distruse, iar energia de interacțiune dintre particule crește. Căldura transferată către corp duce la creșterea energiei interne a acestui corp, iar o parte din energie merge la lucru pentru a schimba volumul corpului atunci când acesta se topește. Pentru majoritatea corpurilor cristaline, volumul crește la topire, dar există excepții, de exemplu, gheață, fontă. Corpurile amorfe nu au un punct de topire specific. Topirea este o tranziție de fază, care este însoțită de o schimbare bruscă a capacității termice la temperatura de topire. Punctul de topire depinde de substanță și nu se modifică în timpul procesului. În acest caz, modificarea energiei interne a corpului:

\[\triunghi U=\pm m\lambda \left(2\right),\]

unde $\lambda$ este căldura specifică de fuziune (J/kg).

Procesul invers celui de topire este cristalizarea. Modificarea energiei interne se calculează folosind formula (2).

Modificarea energiei interne a fiecărui corp al sistemului în cazul încălzirii sau răcirii poate fi calculată folosind formula:

\[\triunghi U=mc\triunghi T\stanga(3\dreapta),\]

unde c este capacitatea termică specifică a substanței, J/(kgK), $\triunghi T$ este modificarea temperaturii corpului.

Când se studiază tranzițiile substanțelor de la o stare de agregare la alta, este imposibil să se facă fără așa-numita ecuație de echilibru termic, care afirmă: cantitatea totală de căldură care este eliberată într-un sistem izolat termic este egală cu cantitatea de căldura (totală) care este absorbită în acest sistem.

În sensul său, ecuația de echilibru termic este legea conservării energiei pentru procesele de transfer de căldură în sistemele izolate termic.

Exemplul 1

Sarcină: Un vas izolat termic conține apă și gheață la o temperatură $t_i= 0^oС$. Masa apei ($m_(v\ ))$ și a gheții ($m_(i\ ))$ este egală cu 0,5 kg și respectiv 60 g. In apa se introduc vapori de apa cu masa de $m_(p\ )=$10 g. la temperatura $t_p= 100^oС$. Care va fi temperatura apei din vas după stabilirea echilibrului termic? Ignorați capacitatea termică a vasului.

Soluție: Să stabilim ce procese au loc în sistem, ce stări ale materiei am avut și ce am primit.

Vaporii de apă se condensează, degajând căldură.

Această căldură duce la topirea gheții și eventual la încălzirea apei disponibile și obținută din gheață.

Să verificăm mai întâi câtă căldură este eliberată atunci când masa existentă de abur se condensează:

aici din materiale de referinta avem $r=2.26 10^6\frac(J)(kg)$ - caldura specifica de vaporizare (aplicabila si la condensare).

Căldura necesară pentru a topi gheața:

aici din materiale de referinta avem $\lambda =3.3\cdot 10^5\frac(J)(kg)$- caldura specifica de topire a ghetii.

Constatăm că aburul degajă mai multă căldură decât este necesar doar pentru a topi gheața existentă, de aceea scriem ecuația de echilibru termic sub forma:

Căldura este eliberată în timpul condensării aburului cu masa $m_(p\ )$ și răcirii apei, care se formează din abur de la temperatura $T_p$ la T dorit. Căldura este absorbită în timpul topirii gheții cu masa $m_(i\). )$ și încălzirea apei cu masa $m_v+ m_i$ de la temperatura $T_i$ la $T.\ $ Să notăm $T-T_i=\triunghi T$, pentru diferența $T_p-T$ obținem:

Ecuația bilanţului termic va lua forma:

\ \ \[\triunghi T=\frac(rm_(p\ )+cm_(p\ )100-lm_(i\ ))(c\left(m_v+m_i+m_(p\ )\right))\left (1.6\dreapta)\]

Să efectuăm calculele, ținând cont de faptul că capacitatea termică a apei este tabelată $c=4.2\cdot 10^3\frac(J)(kgK)$, $T_p=t_p+273=373K,$ $T_i=t_i +273=273K$:

$\triunghi T=\frac(2,26\cdot 10^6\cdot 10^(-2)+4,2\cdot 10^3\cdot 10^(-2)10^2-6\cdot 10^ (-2) \cdot 3.3\cdot 10^5)(4.2\cdot 10^3\cdot 5.7\cdot 10^(-1))\aproximativ 3\left(K\right)$apoi T=273+3=276 (K)

Răspuns: Temperatura apei din vas după stabilirea echilibrului termic va fi de 276 K.

Exemplul 2

Sarcina: Figura prezintă o secțiune a izotermei corespunzătoare tranziției unei substanțe de la starea cristalină la starea lichidă. Ce corespunde acestei zone pe diagrama p,T?

Întregul set de stări descrise în diagrama p,V Segmentul de linie orizontală de pe diagrama p, T este reprezentat de un punct care determină valorile lui p și T la care are loc trecerea de la o stare de agregare la alta.

Toată materia poate exista în una din cele patru forme. Fiecare dintre ele este o stare specifică de agregare a unei substanțe. În natura Pământului, doar unul este reprezentat în trei dintre ele deodată. Aceasta este apa. Este ușor de văzut atât evaporat, cât și topit și întărit. Adică abur, apă și gheață. Oamenii de știință au învățat să schimbe stările agregate ale materiei. Cea mai mare dificultate pentru ei este doar plasma. Această condiție necesită condiții speciale.

Ce este, de ce depinde și cum se caracterizează?

Dacă un corp a trecut într-o stare diferită a materiei, asta nu înseamnă că a apărut altceva. Substanța rămâne aceeași. Dacă lichidul ar avea molecule de apă, atunci gheața și aburul ar avea aceleași molecule. Doar locația lor, viteza de mișcare și forțele de interacțiune între ele se vor schimba.

Când studiezi subiectul „Stări de agregare (gradul 8),” doar trei dintre ele sunt luate în considerare. Acestea sunt lichide, gazoase și solide. Manifestările lor depind de condițiile fizice mediu. Caracteristicile acestor condiții sunt prezentate în tabel.

Denumirea stării de agregare	solid	lichid	gaz
Proprietățile sale	păstrează forma cu volumul	are un volum constant, ia forma unui vas	nu are volum și formă constantă
Aranjament molecular	la nodurile rețelei cristaline	dezordonat	haotic
Distanța dintre ele	comparabil cu dimensiunea moleculelor	aproximativ egal cu dimensiunea moleculelor	semnificativ mai mari decât dimensiunea lor
Cum se mișcă moleculele	oscilează în jurul unui nod de rețea	nu vă deplasați de la punctul de echilibru, ci uneori faceți salturi mari	neregulat cu ciocniri ocazionale
Cum interacționează ei?	sunt puternic atrași	sunt puternic atrași unul de celălalt	nu atrag, în timpul impactului apar forțe de respingere

Prima stare: solidă

Diferența sa fundamentală față de altele este că moleculele au un loc strict definit. Când oamenii vorbesc despre o stare solidă de agregare, se referă cel mai adesea la cristale. Structura lor de zăbrele este simetrică și strict periodică. Prin urmare, rămâne mereu, indiferent cât de departe se răspândește corpul. Mișcarea de vibrație a moleculelor unei substanțe nu este suficientă pentru a distruge această rețea.

Dar există și corpuri amorfe. Le lipsește o structură strictă în aranjarea atomilor. Ar putea fi oriunde. Dar acest loc este la fel de stabil ca în corpul cristalin. Diferenţă substanțe amorfe din cele cristaline prin aceea că nu au o temperatură specifică de topire (solidificare) și se caracterizează prin fluiditate. Exemple vii de astfel de substanțe: sticlă și plastic.

A doua stare: lichid

Această stare a materiei este o încrucișare între un solid și un gaz. Prin urmare, combină unele proprietăți de la prima și a doua. Astfel, distanța dintre particule și interacțiunea lor este similară cu cea a fost în cazul cristalelor. Dar locația și mișcarea sunt mai aproape de gaz. Prin urmare, lichidul nu își păstrează forma, ci se răspândește în întregul vas în care este turnat.

A treia stare: gaz

Pentru știința numită „fizică”, starea de agregare sub formă de gaz nu este pe ultimul loc. Ea studiază lumea din jurul nostru, iar aerul din el este foarte răspândit.

Particularitățile acestei stări sunt că practic nu există forțe de interacțiune între molecule. Aceasta explică libera lor circulație. Datorită căreia substanța gazoasă umple întregul volum care i se oferă. Mai mult, totul poate fi transferat în această stare, trebuie doar să creșteți temperatura cu cantitatea necesară.

A patra stare: plasmă

Această stare de agregare a unei substanțe este un gaz care este complet sau parțial ionizat. Aceasta înseamnă că numărul de particule încărcate negativ și pozitiv din el este aproape același. Această situație apare atunci când gazul este încălzit. Apoi are loc o accelerare bruscă a procesului de ionizare termică. Constă în faptul că moleculele sunt împărțite în atomi. Acestea din urmă se transformă apoi în ioni.

În Univers, această stare este foarte comună. Pentru că conține toate stelele și mediul dintre ele. Apare extrem de rar în limitele suprafeței Pământului. În afară de ionosferă și vântul solar, plasmă este posibilă doar în timpul unei furtuni. În fulgerele, se creează condiții în care gazele atmosferice se transformă în a patra stare a materiei.

Dar asta nu înseamnă că plasma nu a fost creată în laborator. Primul lucru pe care am reușit să-l reproducem a fost evacuarea gazelor. Plasma umple acum lămpile fluorescente și reclamele cu neon.

Cum se realizează tranziția între state?

Pentru a face acest lucru, trebuie să creați anumite condiții: presiune constantă și o anumită temperatură. În acest caz, o schimbare a stării agregate a unei substanțe este însoțită de eliberarea sau absorbția de energie. Mai mult, această tranziție nu are loc cu viteza fulgerului, ci necesită o anumită perioadă de timp. În tot acest timp, condițiile trebuie să rămână neschimbate. Tranziția are loc odată cu existența simultană a unei substanțe sub două forme care mențin echilibrul termic.

Primele trei stări ale materiei se pot transforma reciproc una în alta. Există procese directe și inverse. Au următoarele nume:

• topire(solid până la lichid) și cristalizare, de exemplu, topirea gheții și solidificarea apei;
• vaporizare(de la lichid la gazos) și condensare, un exemplu este evaporarea apei și producerea acesteia din abur;
• sublimare(de la solid la gaz) și desublimare, de exemplu, evaporarea aromelor uscate pentru prima dintre ele și modele geroase pe sticlă pentru al doilea.

Fizica topirii și cristalizării

Dacă un solid este încălzit, atunci la o anumită temperatură, numit punct de topire a unei substanțe specifice, va începe o schimbare a stării de agregare, care se numește topire. Acest proces implică absorbția de energie, care se numește cantitatea de căldurăși este desemnat prin scrisoare Q. Pentru a-l calcula va trebui să știți căldură specifică de fuziune, care este notat λ . Și formula capătă următoarea expresie:

Q = λ * m, unde m este masa substanței care este implicată în topire.

Dacă are loc procesul invers, adică cristalizarea lichidului, atunci condițiile se repetă. Singura diferență este că energia este eliberată, iar în formulă apare un semn minus.

Fizica vaporizării și condensului

Pe măsură ce substanța continuă să fie încălzită, se va apropia treptat de temperatura la care începe evaporarea sa intensă. Acest proces se numește vaporizare. Se caracterizează din nou prin absorbția de energie. Doar ca să-l calculezi trebuie să știi căldură specifică de vaporizare r. Și formula va fi așa:

Q = r * m.

Procesul invers sau condensarea are loc cu degajarea aceleiași cantități de căldură. Prin urmare, un minus apare din nou în formulă.

În această secțiune ne vom uita stări de agregare, în care se află materia din jurul nostru și forțele de interacțiune dintre particulele de materie inerente fiecăreia dintre stările de agregare.

1. Starea unui solid,

2. Stare lichidăŞi

3. Stare gazoasă.

O a patra stare de agregare este adesea distinsă - plasmă.

Uneori, starea de plasmă este considerată un tip de stare gazoasă.

Plasma - gaz parțial sau complet ionizat, cel mai adesea existent la temperaturi ridicate.

Plasma este cea mai comună stare a materiei din univers, deoarece materia stelelor se află în această stare.

Pentru toată lumea starea de agregare trăsături caracteristice în natura interacțiunii dintre particulele unei substanțe, care afectează proprietățile sale fizice și chimice.

Fiecare substanță poate exista în diferite stări de agregare. La temperaturi suficient de scăzute, toate substanțele sunt în stare solidă. Dar pe măsură ce se încălzesc devin lichide, atunci gazele. Odată cu încălzirea suplimentară, ei devin ionizați (atomii își pierd o parte din electroni) și intră în stare.

plasmă

Stare gazoasă Gaz Χάος (de la gazul olandez, se întoarce la greaca veche.

) caracterizată prin legături foarte slabe între particulele sale constitutive. Moleculele sau atomii care formează gazul se mișcă haotic și de cele mai multe ori sunt localizați la distanțe mari (comparativ cu dimensiunea lor) unul față de celălalt. Ca urmare.

forțele de interacțiune dintre particulele de gaz sunt neglijabile Caracteristica principală a gazului este că umple tot spațiul disponibil fără a forma o suprafață. Gazele se amestecă întotdeauna.

Gazul este o substanță izotropă , adică proprietățile sale nu depind de direcție.În absenţa forţelor gravitaţionale presiune la fel în toate punctele de gaz. În domeniul forțelor gravitaționale, densitatea și presiunea nu sunt aceleași în fiecare punct, scăzând cu înălțimea. În consecință, în câmpul gravitațional, amestecul de gaze devine neomogen. Gaze grele

tind să se așeze mai jos și mai mult- pe măsură ce presiunea crește, densitatea acesteia crește. Pe măsură ce temperatura crește, se extind.

Când este comprimat, gazul se poate transforma în lichid, dar condensul nu are loc la nicio temperatură, ci la o temperatură sub temperatura critică. Temperatura critică este o caracteristică a unui anumit gaz și depinde de forțele de interacțiune dintre moleculele acestuia. De exemplu, gazul heliu poate fi lichefiat doar la o temperatură mai mică 4,2 K.

Există gaze care, la răcire, se transformă într-un solid, ocolind faza lichidă. Transformarea unui lichid într-un gaz se numește evaporare, iar transformarea directă a unui solid în gaz se numește sublimare.

Solid

Starea unui solidîn comparaţie cu alte stări de agregare caracterizat prin stabilitatea formei.

Distinge cristalinŞi solide amorfe.

Starea cristalină a materiei

Stabilitatea formei solidelor se datorează faptului că majoritatea celor în stare solidă au structură cristalină.

În acest caz, distanțele dintre particulele substanței sunt mici, iar forțele de interacțiune dintre ele sunt mari, ceea ce determină stabilitatea formei.

Este ușor de verificat structura cristalină a multor solide prin despicarea unei bucăți de substanță și examinarea fracturii rezultate.

De obicei, pe o fractură (de exemplu, în zahăr, sulf, metale etc.), mici margini de cristal situate în unghiuri diferite sunt clar vizibile, strălucind datorită reflectării diferite a luminii de către acestea.

În cazurile în care cristalele sunt foarte mici, structura cristalină a substanței poate fi determinată cu ajutorul unui microscop.

Forme de cristal Fiecare substanță se formează cristale

o formă complet definită.

1. Varietatea formelor cristaline poate fi redusă la șapte grupuri: Triclinica

2.(paralelipiped), Monoclinic

3. (prismă cu un paralelogram la bază), (Rombic),

4. cuboid tetragonală

5. (paralepiped dreptunghiular cu un pătrat la bază),,

6. Trigonală Hexagonal
(prismă cu baza corect centrată

7. hexagon), Cub

(cub). Multe substanțe, în special fier, cupru, diamant, clorură de sodiu, cristalizează în sistem cubic ..

Cele mai simple forme ale acestui sistem sunt cub, octaedru, tetraedru Magneziul, zincul, gheața, cuarțul se cristalizează în sistem hexagonal.

Cristalele naturale, precum și cristalele obținute artificial, rareori corespund exact formelor teoretice.

De obicei, atunci când o substanță topită se solidifică, cristalele cresc împreună și, prin urmare, forma fiecăruia dintre ele nu este tocmai corectă.

Cu toate acestea, oricât de neuniform se dezvoltă cristalul, oricât de distorsionată este forma lui, unghiurile la care se întâlnesc fețele de cristal ale aceleiași substanțe rămân constante.

Anizotropie Caracteristicile corpurilor cristaline nu se limitează la forma cristalelor. Deși substanța dintr-un cristal este complet omogenă, multe dintre proprietățile sale fizice - rezistență, conductivitate termică, relație cu lumina etc. - nu sunt întotdeauna aceleași în direcții diferite în interiorul cristalului. Acest caracteristică importantă substantele cristaline se numesc.

anizotropie

Structura internă a cristalelor. Grile de cristal. Forma exterioară a cristalului îl reflectă structura internă

si se datoreaza aranjarii corecte a particulelor care alcatuiesc cristalul - molecule, atomi sau ioni. Acest aranjament poate fi reprezentat ca rețea cristalină – un cadru spațial format din linii drepte care se intersectează. În punctele de intersecție a liniilor - noduri de zăbrele

– centrele particulelor se află. În funcție de natura particulelor situate la nodurile rețelei cristaline și de ce forțe de interacțiune predomină între ele într-un anumit cristal, se disting următoarele tipuri::

rețele cristaline,

1. moleculară,

2. atomicŞi

3. ionic.

4. metal

Rețelele moleculare și atomice sunt inerente substanțelor cu legături covalente, rețelele ionice sunt inerente compușilor ionici, iar rețelele metalice sunt inerente metalelor și aliajelor acestora.

Rețele cristaline atomice Atomii sunt localizați în locurile rețelelor atomice . Sunt conectați unul cu altul.

legătură covalentă Există relativ puține substanțe cu rețele atomice. Ei aparțin diamant, siliciu

și unii compuși anorganici. Aceste substanțe se caracterizează prin duritate ridicată, sunt refractare și insolubile în aproape orice solvent..

Aceste proprietăți se explică prin puterea lor

legătură covalentă Atomii sunt localizați în locurile rețelelor atomice Rețele cristaline moleculare.

Moleculele sunt situate la nodurile rețelelor moleculare forte intermoleculare Există o mulțime de substanțe cu o rețea moleculară. Ei aparțin nemetale, cu excepția carbonului și a siliciului, toate compuși organici.

Forțele interacțiunii intermoleculare sunt mult mai slabe decât forțele legăturilor covalente, prin urmare cristalele moleculare au duritate scăzută, sunt fuzibile și volatile.

Rețele cristaline ionice

Ionii încărcați pozitiv și negativ sunt localizați la locurile rețelelor ionice, alternând. Ele sunt legate între ele prin forțe.

atracție electrostatică Compușii cu legături ionice care formează rețele ionice includ.

majoritatea sărurilor și câțiva oxizi Prin putere rețele ionice

inferioare celor atomice, dar superioare celor moleculare.

Compușii ionici au puncte de topire relativ ridicate. Volatilitatea lor în majoritatea cazurilor nu este mare.

Rețele de cristal metalice

La nodurile rețelelor metalice se află atomi de metal, între care electroni comuni acestor atomi se mișcă liber.

Prezența electronilor liberi în rețelele cristaline ale metalelor poate explica numeroasele lor proprietăți: plasticitate, maleabilitate, luciu metalic, conductivitate electrică și termică ridicată. . Sunt conectați unul cu altul Există substanțe în cristalele cărora două tipuri de interacțiuni între particule joacă un rol semnificativ. Deci, în grafit, atomii de carbon sunt legați între ei în aceleași direcții, iar în altele - metal. Prin urmare, rețeaua de grafit poate fi considerată ca.

atomic , și cum metal În mulți compuși anorganici, de ex. BeO, ZnS, CuCl , legătura dintre particulele situate la nodurile rețelei este parțial ionic , și parțialŞi covalent.

. Prin urmare, rețelele unor astfel de compuși pot fi considerate ca intermediare între

ionic

atomic

Stare amorfa a materiei Proprietățile substanțelor amorfe.

Printre solide se numără cele în a căror fractură nu pot fi detectate semne de cristale. De exemplu, dacă despărțiți o bucată de sticlă obișnuită, fractura acesteia va fi netedă și, spre deosebire de fracturile cristalelor, este limitată nu de suprafețe plane, ci de suprafețe ovale.Şi O imagine similară se observă la despicarea bucăților de rășină, lipici și alte substanțe. Această stare a materiei se numește amorf

Diferența dintre cristalin amorf corpurile se manifestă deosebit de puternic în atitudinea lor față de încălzire. se intareste treptat.

Din cauza lipsei unui punct de topire specific, corpurile amorfe au o abilitate diferită: multe dintre ele sunt fluide precum lichidele, adică sub acțiunea prelungită a forțelor relativ mici, își schimbă treptat forma. De exemplu, o bucată de rășină așezată pe o suprafață plană într-o cameră caldă se întinde timp de câteva săptămâni, luând forma unui disc.

Structura substanțelor amorfe

Printre solide se numără cele în a căror fractură nu pot fi detectate semne de cristale. cristalin şi amorf starea materiei este următoarea.

Dispunerea ordonată a particulelor într-un cristal, reflectat de celula unitară, se păstrează pe suprafețe mari ale cristalelor, iar în cazul cristalelor bine formate - în totalitatea lor.

În corpurile amorfe, ordinea în aranjarea particulelor este observată numai în zone foarte mici.

În plus, într-un număr de corpuri amorfe, chiar și această ordonare locală este doar aproximativă.

• Această diferență poate fi enunțată pe scurt după cum urmează:,
• structura cristalină se caracterizează printr-o ordine de lungă durată.

structura corpurilor amorfe – aproape

Exemple de substanțe amorfe. Substanțele amorfe stabile includ sticlă (artificiale și vulcanice), naturale și artificiale rășini, adezivi, parafină, ceară

etc.

Trecerea de la starea amorfă la starea cristalină. Unele substanțe pot fi atât în ​​stare cristalină, cât și amorfă. Dioxid de siliciu SiO2 găsite în natură sub formă de bine formate cristale de cuarț , precum și în stare amorfă ().

silex mineral În același timp starea cristalină este întotdeauna mai stabilă

. Prin urmare, o tranziție spontană de la o substanță cristalină la una amorfă este imposibilă, dar transformarea inversă - o tranziție spontană de la o stare amorfă la una cristalină - este posibilă și uneori observată. Un exemplu de astfel de transformare este

devitrificare– cristalizarea spontană a sticlei la temperaturi ridicate, însoțită de distrugerea acesteia.

Stare amorfă Multe substanțe sunt obținute cu o viteză mare de solidificare (răcire) a topiturii lichide.În metale și aliaje

stare amorfă (se formează, de regulă, dacă topitura este răcită într-un timp de ordinul fracțiilor până la zeci de milisecunde. Pentru sticlă, este suficientă o viteză de răcire mult mai mică. Cuarţ sau straturi adânci de vulcani, are o structură groso-cristalină, spre deosebire de sticla vulcanică, înghețată la suprafață și deci amorfă.

Lichide

Lichidul este o stare intermediară între un solid și un gaz.

Stare lichidă este intermediar între gazos și cristalin. Conform unor proprietăți ale lichidului, acestea sunt aproape de gazele, după alții - să solide.

Apropie lichidele de gaze, în primul rând, izotropieŞi fluiditate. Acesta din urmă determină capacitatea unui lichid de a-și schimba cu ușurință forma.

Cu toate acestea densitate mareŞi compresibilitate scăzută lichidele le apropie de solide.

Capacitatea lichidelor de a-și schimba cu ușurință forma indică absența unor forțe puternice de interacțiune intermoleculară în ele.

În același timp, compresibilitatea scăzută a lichidelor, care determină capacitatea de a menține un volum constant la o anumită temperatură, indică prezența unor forțe de interacțiune între particule, deși nu rigide, dar totuși semnificative.

Relația dintre energia potențială și cea cinetică.

Fiecare stare de agregare este caracterizată de propria sa relație între energiile potențiale și cinetice ale particulelor de materie.

În solide, energia potențială medie a particulelor este mai mare decât energia lor cinetică medie. Prin urmare, în solide, particulele ocupă anumite poziții unele față de altele și doar oscilează în raport cu aceste poziții.

Pentru gaze raportul de energie este inversat, ca urmare a căreia moleculele de gaz se află întotdeauna într-o stare de mișcare haotică și practic nu există forțe de coeziune între molecule, astfel încât gazul ocupă întotdeauna întregul volum care îi este furnizat.

În cazul lichidelor, energiile cinetice și potențiale ale particulelor sunt aproximativ aceleași, adică particulele sunt conectate între ele, dar nu rigid. Prin urmare, lichidele sunt fluide, dar au un volum constant la o anumită temperatură.

Structurile lichidelor și ale corpurilor amorfe sunt similare.

Ca urmare a aplicării metodelor de analiză structurală la lichide, s-a stabilit că structura lichidele sunt ca corpurile amorfe. În majoritatea lichidelor există ordine de închidere

– numărul de vecini cei mai apropiați ai fiecărei molecule și pozițiile relative ale acestora sunt aproximativ aceleași pe întregul volum al lichidului.

Gradul de ordonare a particulelor în diferite lichide este diferit. În plus, se modifică odată cu schimbările de temperatură.

La temperaturi scăzute, depășind ușor punctul de topire al unei substanțe date, gradul de ordine în aranjarea particulelor dintr-un anumit lichid este ridicat. Pe măsură ce se încălzește, proprietățile unui lichid devin din ce în ce mai asemănătoare cu cele ale unui gaz..

Când se atinge temperatura critică, diferența dintre lichid și gaz dispare.

Datorită asemănării structurii interne a lichidelor și a corpurilor amorfe, acestea din urmă sunt adesea considerate lichide cu vâscozitate foarte mare, iar numai substanțele în stare cristalină sunt considerate solide. Asemuire corpuri amorfe

lichide, cu toate acestea, trebuie amintit că în corpurile amorfe, spre deosebire de lichidele obișnuite, particulele au o mobilitate nesemnificativă - la fel ca și în cristale. Stare fizică
- o stare a materiei caracterizată prin anumite proprietăți calitative: capacitatea sau incapacitatea de a menține volumul și forma, prezența sau absența ordinii pe distanță lungă și scurtă și altele. O schimbare a stării de agregare poate fi însoțită de o schimbare bruscă a energiei libere, entropiei, densității și a altor proprietăți fizice de bază.
Există trei stări principale de agregare: solid, lichid și gazos. Uneori nu este complet corect să clasificăm plasma ca stare de agregare. Există și alte stări de agregare, de exemplu, cristalele lichide sau condensatul Bose-Einstein. Modificările stării de agregare sunt procese termodinamice numite tranziții de fază. Se disting următoarele soiuri: de la solid la lichid - topire; de la lichid la gazos - evaporare și fierbere; de la solid la gazos - sublimare; de la gaz la lichid sau solid - condensare; de la lichid la solid - cristalizare. O caracteristică distinctivă este absența unei granițe clare a tranziției la starea de plasmă.
Starea de agregare a unei substanțe depinde de condițiile fizice în care se află, în principal de temperatură și presiune. Mărimea determinantă este raportul dintre energia potențială medie de interacțiune a moleculelor și energia lor cinetică medie. Astfel, pentru un solid acest raport este mai mare decât 1, pentru gaze este mai mic de 1, iar pentru lichide este aproximativ egal cu 1. Trecerea de la o stare de agregare a unei substanțe la alta este însoțită de o schimbare bruscă a valoare această relație, asociat cu modificări bruște ale distanțelor intermoleculare și interacțiuni intermoleculare. În gaze, distanțele intermoleculare sunt mari, moleculele interacționează cu greu unele cu altele și se mișcă aproape liber, umplând întregul volum. În lichide și solide - medii condensate - moleculele (atomii) sunt localizate semnificativ prieten mai apropiat unul cu altul și interacționează mai puternic.
Acest lucru duce la menținerea volumului lichidelor și solidelor. Cu toate acestea, natura mișcării moleculelor din solide și lichide este diferită, ceea ce explică diferența în structura și proprietățile lor.
În solidele în stare cristalină, atomii vibrează doar în apropierea nodurilor rețelei cristaline; structura acestor corpuri se caracterizează printr-un grad ridicat de ordine – ordine pe rază lungă și rază scurtă. Mișcarea termică a moleculelor (atomilor) unui lichid este o combinație de vibrații mici în jurul pozițiilor de echilibru și salturi frecvente de la o poziție de echilibru la alta. Acestea din urmă determină existența în lichide doar de ordin scurt în aranjarea particulelor, precum și mobilitatea și fluiditatea lor inerente.
O. Solid- o stare caracterizata prin capacitatea de a mentine volumul si forma. Atomii unui solid suferă doar mici vibrații în jurul stării de echilibru. Există atât ordine pe distanță lungă, cât și pe distanță scurtă.
b. Lichid- o stare a materiei in care are compresibilitate scazuta, adica isi pastreaza bine volumul, dar nu este capabila sa-si pastreze forma. Lichidul ia cu ușurință forma recipientului în care este pus. Atomii sau moleculele unui lichid vibrează în apropierea unei stări de echilibru, blocate de alți atomi și adesea sar la alți atomi. locuri libere. Este prezentă doar o comandă pe distanță scurtă.
Topire- aceasta este trecerea unei substanțe de la o stare solidă de agregare (vezi Stările agregate ale materiei) la lichidă. Acest proces are loc atunci când este încălzit, când o anumită cantitate de căldură +Q este transmisă corpului. De exemplu, plumbul metalic cu punct de topire scăzut trece de la o stare solidă la o stare lichidă dacă este încălzit la o temperatură de 327 C. Plumbul se topește ușor pe o sobă cu gaz, de exemplu într-o lingură de oțel inoxidabil (se știe că flacăra temperatura unui arzător cu gaz este de 600-850 ° C, iar temperatura de topire a oțelului - 1300-1500 ° C).
Dacă, în timp ce topești plumbul, îi măsurați temperatura, veți constata că la început crește ușor, dar după un anumit punct rămâne constant, în ciuda încălzirii ulterioare. Acest moment corespunde topirii. Temperatura rămâne constantă până când tot plumbul se topește și abia apoi începe să crească din nou. La răcirea plumbului lichid, se observă imaginea opusă: temperatura scade până când începe solidificarea și rămâne constantă tot timpul până când plumbul trece în faza solidă, apoi scade din nou.
Toate substanțele pure se comportă în mod similar. Constanța temperaturii în timpul topirii este de mare importanță practică, deoarece vă permite să calibrați termometre, să produceți siguranțe și indicatori care se topesc la o temperatură strict specificată.
Atomii dintr-un cristal oscilează în jurul pozițiilor lor de echilibru. Odată cu creșterea temperaturii, amplitudinea vibrațiilor crește și atinge o anumită valoare critică, după care rețeaua cristalină este distrusă. Acest lucru necesită energie termică suplimentară, astfel încât temperatura nu crește în timpul procesului de topire, deși căldura continuă să curgă.
Punctul de topire al unei substanțe depinde de presiune. Pentru substanțele al căror volum crește în timpul topirii (și acestea sunt marea majoritate), o creștere a presiunii crește punctul de topire și invers. Când apa se topește, volumul ei scade (prin urmare, când apa îngheață, sparge țevi), iar când presiunea crește, gheața se topește la o temperatură mai scăzută. Bismutul, galiul și unele mărci de fontă se comportă în mod similar.
V. Gaz- o stare caracterizata prin compresibilitate buna, lipsa capacitatii de a pastra atat volumul cat si forma. Gazul tinde să ocupe întregul volum furnizat acestuia. Atomii sau moleculele unui gaz se comportă relativ liber, distanțele dintre ei sunt mult mai mari decât dimensiunile lor.
Plasma, adesea clasificată ca stare agregată a materiei, diferă de gaz prin gradul ridicat de ionizare al atomilor. Majoritatea materiei barionice (aproximativ 99,9% din masă) din Univers se află în stare de plasmă.
orașul C fluid supercritic- Apare cu o creștere simultană a temperaturii și presiunii până la un punct critic la care se compară densitatea gazului cu densitatea lichidului; în acest caz, granița dintre faza lichidă și cea gazoasă dispare. Fluidul supercritic are o capacitate de dizolvare excepțional de mare.
d. Condens Bose-Einstein- se obtine ca urmare a racirii unui gaz Bose la temperaturi apropiate de zero absolut. Ca urmare, unii atomi se găsesc într-o stare cu energie strict zero (adică în cea mai scăzută stare cuantică posibilă). Condensul Bose-Einstein prezintă o serie de proprietăți cuantice, cum ar fi superfluiditatea și rezonanța Fischbach.
e. Condens de fermion- reprezintă condensarea Bose în modul BCS al „perechilor Cooper atomice” în gaze formate din atomi de fermion. (Spre deosebire de regimul tradițional de condensare Bose-Einstein a bosonilor compuși).
Astfel de condens atomici fermionici sunt „rude” ale supraconductorilor, dar cu o temperatură critică de ordinul temperaturii camerei și mai mare.
Materia degenerată - gazul Fermi Etapa 1 Gazul electron-degenerat, observat la piticele albe, joacă un rol important în evoluția stelelor. A doua etapă, starea de neutroni, materia trece în ea la presiune ultra-înaltă, care este încă de neatins în laborator, dar există în interiorul stelelor neutronice. În timpul tranziției la starea neutronică, electronii substanței interacționează cu protonii și se transformă în neutroni. Drept urmare, materia în stare de neutroni este formată în întregime din neutroni și are o densitate de ordinul nuclearului. Temperatura substanței nu trebuie să fie prea mare (în echivalent de energie, nu mai mult de o sută de MeV).
Odată cu o creștere puternică a temperaturii (sute de MeV și peste), diverși mezoni încep să se nască și să se anihileze în starea de neutroni. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, are loc deconfinerea, iar substanța trece în starea de plasmă cuarc-gluon. Nu mai constă din hadroni, ci din quarci și gluoni care se nasc și dispar în mod constant. Poate că deconfinarea are loc în două etape.
Cu o nouă creștere nelimitată a presiunii fără creșterea temperaturii, substanța se prăbușește într-o gaură neagră.
Cu o creștere simultană atât a presiunii, cât și a temperaturii, alte particule sunt adăugate la quarci și gluoni. Ce se întâmplă cu materia, spațiul și timpul la temperaturi apropiate de cea a lui Planck este încă necunoscut.
Alte state
În timpul răcirii profunde, unele substanțe (nu toate) se transformă într-o stare supraconductoare sau superfluid. Aceste stări, desigur, sunt faze termodinamice separate, dar cu greu pot fi numite noi stări agregate ale materiei din cauza neuniversalității lor.
Substanțele eterogene, cum ar fi pastele, gelurile, suspensiile, aerosolii etc., care în anumite condiții demonstrează proprietățile atât ale solidelor, cât și ale lichidelor și chiar ale gazelor, sunt de obicei clasificate ca materiale dispersate și nu în anumite stări agregate specifice ale materiei.

DEFINIŢIE

Substanţă- este o colecție cantitate mare particule (atomi, molecule sau ioni).

Substanțele au o structură complexă. Particulele din materie interacționează între ele. Natura interacțiunii particulelor dintr-o substanță determină starea acesteia de agregare.

Tipuri de stări de agregare

Se disting următoarele stări de agregare: solid, lichid, gaz, plasmă.

În stare solidă, particulele sunt de obicei combinate într-o structură geometrică obișnuită. Energia de legătură a particulelor este mai mare decât energia vibrațiilor lor termice.

Dacă temperatura corpului crește, energia vibrațiilor termice a particulelor crește. La o anumită temperatură, energia vibrațiilor termice devine mai mare decât energia legăturilor. La această temperatură, legăturile dintre particule sunt rupte și se formează din nou. În acest caz, particulele funcționează diverse tipuri mișcări (oscilații, rotații, mișcări unele față de altele etc.). În același timp, ei sunt încă în contact unul cu celălalt. Structura geometrică corectă este ruptă. Substanța este în stare lichidă.

Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, fluctuațiile termice se intensifică, legăturile dintre particule devin și mai slabe și sunt practic absente. Substanța este în stare gazoasă. Cel mai simplu model de materie este un gaz ideal, în care se crede că particulele se mișcă liber în orice direcție, interacționează între ele numai în momentul ciocnirii, iar legile impactului elastic sunt îndeplinite.

Putem concluziona că odată cu creșterea temperaturii, o substanță trece de la o structură ordonată la o stare dezordonată.

Plasma este o substanță gazoasă constând dintr-un amestec de particule neutre, ioni și electroni.

Temperatura și presiunea în diferite stări ale materiei

Diferitele stări de agregare ale unei substanțe sunt determinate de temperatură și presiune. Presiunea scăzută și temperatura ridicată corespund gazelor. La temperaturi scăzute, substanța este de obicei în stare solidă. Temperaturile intermediare se referă la substanțe în stare lichidă. Pentru a caracteriza stările agregate ale unei substanțe, este adesea folosită o diagramă de fază. Aceasta este o diagramă care arată dependența stării de agregare de presiune și temperatură.

Principala caracteristică a gazelor este capacitatea lor de a se extinde și compresibilitatea. Gazele nu au formă; ele iau forma recipientului în care sunt puse. Volumul gazului determină volumul recipientului. Gazele pot fi amestecate între ele în orice proporție.

Lichidele nu au formă, dar au volum. Lichidele nu se comprimă bine, doar la presiune mare.

Solidele au formă și volum. În stare solidă pot exista compuși cu legături metalice, ionice și covalente.

Exemple de rezolvare a problemelor

EXEMPLUL 1

Exercita

Desenați o diagramă de fază pentru o substanță abstractă. Explicați-i sensul.

Soluţie

Să facem un desen. Diagrama de stare este prezentată în Fig. 1. Este format din trei regiuni care corespund stării cristaline (solide) a materiei, starea lichidă și starea gazoasă. Aceste zone sunt separate prin curbe care indică limitele proceselor reciproc inverse: 01 - topire - cristalizare; 02 - fierbere - condensare; 03 - sublimare - desublimare. Punctul de intersecție al tuturor curbelor (O) este un punct triplu. În acest moment, o substanță poate exista în trei stări de agregare. Dacă temperatura substanței este peste temperatura critică () (punctul 2), atunci energia cinetică a particulelor este mai mare decât energia potențială a interacțiunii lor la astfel de temperaturi, substanța devine gaz la orice presiune; Din diagrama de fază este clar că dacă presiunea este mai mare decât , atunci odată cu creșterea temperaturii solidul se topește. După topire, creșterea presiunii duce la creșterea punctului de fierbere. Dacă presiunea este mai mică de , atunci o creștere a temperaturii solidului duce la trecerea acestuia direct în stare gazoasă (sublimare) (punctul G).

EXEMPLUL 2

Exercita

Explicați ce diferențiază o stare de agregare de alta?

Soluţie

În diferite stări de agregare, atomii (moleculele) au aranjamente diferite. Astfel, atomii (moleculele sau ionii) rețelelor cristaline sunt aranjați ordonat și pot efectua mici vibrații în jurul pozițiilor de echilibru. Moleculele de gaze sunt într-o stare dezordonată și se pot deplasa pe distanțe considerabile. În plus, energia internă a substanțelor în diferite stări de agregare (pentru aceleași mase ale substanței) la temperaturi diferite este diferită. Procesele de tranziție de la o stare de agregare la alta sunt însoțite de o schimbare a energiei interne. Tranziţie: solid- lichid - gaz, înseamnă o creștere a energiei interne, deoarece are loc o creștere a energiei cinetice a mișcării moleculelor.