Klausimai apie tai, kas yra agregacijos būsena, kokios savybės ir savybės turi kietųjų medžiagų, skysčių ir dujų, yra svarstomi keliuose mokymo kursuose. Yra trys klasikinės materijos būsenos, turinčios savo būdingus struktūros bruožus. Jų supratimas yra svarbus dalykas suvokiant mokslus apie Žemę, gyvus organizmus ir gamybinę veiklą. Šiuos klausimus nagrinėja fizika, chemija, geografija, geologija, fizikinė chemija ir kitos mokslo disciplinos. Medžiagos, kurių būsena tam tikromis sąlygomis yra viena iš trijų pagrindinių tipų, gali keistis didėjant arba mažėjant temperatūrai arba slėgiui. Apsvarstykite galimus perėjimus iš vienos kaupimo būsenos į kitą, nes tai vyksta gamtoje, technologijose ir kasdieniame gyvenime.
Kokia yra agregavimo būsena?
Lotynų kilmės žodis „aggrego“išvertus į rusų kalbą reiškia „pririšti“. Mokslinis terminas reiškia to paties kūno, medžiagos būseną. Esant tam tikroms temperatūros vertėms ir skirtingam kietųjų medžiagų slėgiui,dujos ir skysčiai būdingi visiems Žemės apvalkalams. Be trijų pagrindinių suvestinių būsenų, yra ir ketvirta. Esant aukštesnei temperatūrai ir pastoviam slėgiui, dujos virsta plazma. Norint geriau suprasti, kas yra agregacijos būsena, būtina prisiminti mažiausias daleles, iš kurių susidaro medžiagas ir kūnus.
Aukščiau pateiktoje diagramoje parodyta: a - dujos; b - skystis; c yra kietas kūnas. Tokiuose paveiksluose apskritimai žymi medžiagų struktūrinius elementus. Tai simbolis, iš tikrųjų atomai, molekulės, jonai nėra kieti rutuliai. Atomai susideda iš teigiamai įkrauto branduolio, aplink kurį dideliu greičiu juda neigiamo krūvio elektronai. Mikroskopinės medžiagos sandaros išmanymas padeda geriau suprasti skirtumus, egzistuojančius tarp skirtingų agregatų formų.
Mikrokosmoso vaizdai: nuo senovės Graikijos iki XVII a
Pirmoji informacija apie daleles, sudarančias fizinius kūnus, pasirodė senovės Graikijoje. Mąstytojai Demokritas ir Epikūras pristatė tokią sąvoką kaip atomas. Jie tikėjo, kad šios mažiausios nedalomos skirtingų medžiagų dalelės turi formą, tam tikrus dydžius, gali judėti ir sąveikauti viena su kita. Atomistika savo laiku tapo pažangiausiu senovės Graikijos mokymu. Tačiau jo raida viduramžiais sulėtėjo. Nuo tada mokslininkus persekiojo Romos katalikų bažnyčios inkvizicija. Todėl iki šių laikų nebuvo aiškios sampratos, kokia yra materijos agregacijos būsena. Tik po XVII amokslininkai R. Boyle'as, M. Lomonosovas, D. D altonas, A. Lavoisier suformulavo atominės-molekulinės teorijos nuostatas, kurios neprarado savo reikšmės ir šiandien.
Atomai, molekulės, jonai yra mikroskopinės medžiagos struktūros dalelės
Didžiajame amžiuje, kai buvo išrastas elektroninis mikroskopas, įvyko reikšmingas mikrokosmoso supratimo proveržis. Atsižvelgiant į anksčiau mokslininkų padarytus atradimus, pavyko susidaryti harmoningą mikropasaulio vaizdą. Teorijos, apibūdinančios mažiausių materijos dalelių būseną ir elgesį, yra gana sudėtingos, jos priklauso kvantinės fizikos sričiai. Norint suprasti skirtingų medžiagų agreguotų būsenų ypatybes, pakanka žinoti pagrindinių struktūrinių dalelių, sudarančių skirtingas medžiagas, pavadinimus ir ypatybes.
- Atomai yra chemiškai nedalomos dalelės. Išsaugotas cheminėse reakcijose, bet sunaikintas branduolinėse. Metalai ir daugelis kitų atominės struktūros medžiagų normaliomis sąlygomis agreguojasi kietai.
- Molekulės yra dalelės, kurios suyra ir susidaro cheminių reakcijų metu. Molekulinę struktūrą sudaro deguonis, vanduo, anglies dioksidas, siera. Suminė deguonies, azoto, sieros dioksido, anglies, deguonies būsena normaliomis sąlygomis yra dujinė.
- Jonai yra įkrautos dalelės, kuriomis atomai ir molekulės virsta, kai įgyja arba praranda elektronus – mikroskopinės neigiamo krūvio dalelės. Daugelis druskų turi joninę struktūrą, pavyzdžiui, valgomoji druska, geležis ir vario sulfatas.
Yra medžiagų, kurių dalelės erdvėje išsidėsčiusios tam tikru būdu. Užsakyta santykinė padėtisatomai, jonai, molekulės vadinami kristaline gardele. Paprastai joninės ir atominės kristalinės gardelės būdingos kietoms medžiagoms, molekulinės – skysčiams ir dujoms. Deimantas turi didelį kietumą. Jo atominę kristalinę gardelę sudaro anglies atomai. Tačiau minkštasis grafitas taip pat susideda iš šio cheminio elemento atomų. Tik jie skirtingai išsidėstę erdvėje. Įprasta sieros agregacijos būsena yra kieta, tačiau esant aukštai temperatūrai medžiaga virsta skysta ir amorfine mase.
Kietos kaupimosi medžiagos
Tietieji kūnai normaliomis sąlygomis išlaiko savo tūrį ir formą. Pavyzdžiui, smėlio, cukraus, druskos, akmens ar metalo gabalas. Kai cukrus kaitinamas, medžiaga pradeda tirpti ir virsta klampiu rudu skysčiu. Nustokite šildyti - vėl gauname kietą. Tai reiškia, kad viena iš pagrindinių sąlygų kietajai medžiagai pereiti į skystį yra jos kaitinimas arba medžiagos dalelių vidinės energijos padidėjimas. Taip pat galima keisti kietą druskos, kuri vartojama maiste, agregaciją. Tačiau norint ištirpinti valgomąją druską, reikia aukštesnės temperatūros nei kaitinant cukrų. Faktas yra tas, kad cukrus susideda iš molekulių, o valgomoji druska – iš įkrautų jonų, kurie stipriau traukia vienas kitą. Skystos kietosios medžiagos neišlaiko savo formos, nes suyra kristalinės gardelės.
Skysta druskų agregacijos būsena lydymosi metu paaiškinama tuo, kad kristaluose nutrūksta ryšys tarp jonų. yra paleidžiamiįkrautų dalelių, kurios gali nešti elektros krūvius. Išlydytos druskos praleidžia elektrą ir yra laidininkai. Chemijos, metalurgijos ir inžinerijos pramonėje kietosios medžiagos paverčiamos skysčiais, kad iš jų būtų gaunami nauji junginiai arba suteikiama kitokia forma. Metalų lydiniai yra plačiai naudojami. Yra keletas būdų, kaip juos gauti, susijusių su kietų žaliavų agregacijos būklės pokyčiais.
Skystis yra viena iš pagrindinių agregavimo būsenų
Jei supilsite 50 ml vandens į apvaliadugnę kolbą, pamatysite, kad medžiaga iš karto įgauna cheminio indo formą. Bet kai tik išpilsime vandenį iš kolbos, skystis iškart pasklis ant stalo paviršiaus. Vandens tūris išliks toks pat – 50 ml, o jo forma pasikeis. Šios savybės būdingos skystai materijos egzistavimo formai. Skysčiai yra daug organinių medžiagų: alkoholiai, augaliniai aliejai, rūgštys.
Pienas yra emulsija, t. y. skystis, kuriame yra riebalų lašelių. Naudingas skystas mineralas yra aliejus. Jis išgaunamas iš šulinių, naudojant gręžimo įrenginius sausumoje ir vandenyne. Jūros vanduo taip pat yra žaliava pramonei. Jo skirtumas nuo gėlo upių ir ežerų vandens yra ištirpusių medžiagų, daugiausia druskų, kiekis. Garuojant nuo vandens telkinių paviršiaus į garų būseną pereina tik H2O molekulės, lieka tirpių medžiagų. Šia savybe pagrįsti naudingų medžiagų gavimo iš jūros vandens metodai ir jo valymo metodai.
Kadavisiškai pašalinus druskas, gaunamas distiliuotas vanduo. Verda 100°C temperatūroje, o užšąla 0°C temperatūroje. Sūrymai užverda ir virsta ledu skirtingomis temperatūromis. Pavyzdžiui, vanduo Arkties vandenyne užšąla esant 2°C paviršiaus temperatūrai.
Suvestinė gyvsidabrio būsena normaliomis sąlygomis yra skysta. Šis sidabriškai pilkas metalas dažniausiai užpildomas medicininiais termometrais. Kaitinant, gyvsidabrio stulpelis pakyla ant skalės, medžiaga plečiasi. Kodėl gatvių termometruose naudojamas raudonas alkoholis, o ne gyvsidabris? Tai paaiškinama skysto metalo savybėmis. Esant 30 laipsnių šalčiui, suminė gyvsidabrio būsena pasikeičia, medžiaga tampa kieta.
Sugedus medicininiam termometrui ir išsiliejus gyvsidabriui, rankomis rinkti sidabrinius kamuoliukus pavojinga. Kenksminga įkvėpti gyvsidabrio garų, ši medžiaga yra labai toksiška. Vaikai tokiais atvejais turėtų kreiptis pagalbos į savo tėvus, suaugusiuosius.
Dujų būsena
Dujos negali išlaikyti savo tūrio ar formos. Pripildykite kolbą deguonimi iki viršaus (jo cheminė formulė yra O2). Kai tik atidarysime kolbą, medžiagos molekulės pradės maišytis su kambario oru. Taip yra dėl Browno judėjimo. Net senovės graikų mokslininkas Demokritas manė, kad materijos dalelės nuolat juda. Kietose medžiagose normaliomis sąlygomis atomai, molekulės, jonai neturi galimybės išeiti iš kristalinės gardelės, išsivaduoti iš ryšių su kitomis dalelėmis. Tai įmanoma tik tada, kaidaug energijos iš išorės.
Skysčiuose atstumas tarp dalelių yra šiek tiek didesnis nei kietose medžiagose, joms reikia mažiau energijos, kad nutrauktų tarpmolekulinius ryšius. Pavyzdžiui, skysta agregatinė deguonies būsena stebima tik tada, kai dujų temperatūra nukrenta iki –183 °C. –223 °C temperatūroje O2 molekulės sudaro kietą medžiagą. Kai temperatūra pakyla virš nurodytų verčių, deguonis virsta dujomis. Būtent tokia forma jis yra įprastomis sąlygomis. Pramonės įmonėse yra specialūs įrenginiai atmosferos orui atskirti ir iš jo gauti azotą bei deguonį. Pirmiausia oras atšaldomas ir suskystinamas, o po to palaipsniui didinama temperatūra. Azotas ir deguonis skirtingomis sąlygomis virsta dujomis.
Žemės atmosferoje yra 21 % tūrio deguonies ir 78 % azoto. Skystos formos šios medžiagos nėra planetos dujiniame apvalkale. Skystas deguonis yra šviesiai mėlynos spalvos ir aukštu slėgiu pilamas į cilindrus, skirtus naudoti medicinos įstaigose. Pramonėje ir statybose suskystintos dujos būtinos daugeliui procesų. Deguonis reikalingas dujiniam suvirinimui ir metalų pjovimui, chemijoje - neorganinių ir organinių medžiagų oksidacijos reakcijoms. Jei atidarysite deguonies baliono vožtuvą, slėgis mažėja, skystis virsta dujomis.
Suskystintas propanas, metanas ir butanas plačiai naudojami energetikoje, transporte, pramonėje ir buityje. Šios medžiagos gaunamos iš gamtinių dujų arba krekingo būdu(skaldymas) žalios naftos. Skystieji ir dujiniai anglies mišiniai vaidina svarbų vaidmenį daugelio šalių ekonomikoje. Tačiau naftos ir gamtinių dujų atsargos labai išeikvotos. Mokslininkų teigimu, šios žaliavos užteks 100-120 metų. Alternatyvus energijos š altinis yra oro srautas (vėjas). Elektrinėms eksploatuoti naudojamos sraunios upės, potvyniai ir atoslūgiai jūrų ir vandenynų pakrantėse.
Deguonis, kaip ir kitos dujos, gali būti ketvirtoje agregacijos būsenoje, o tai reiškia plazmą. Neįprastas perėjimas iš kietos būsenos į dujinę yra būdingas kristalinio jodo požymis. Tamsiai violetinė medžiaga sublimuojasi – virsta dujomis, aplenkdama skystą būseną.
Kaip vyksta perėjimai iš vienos agreguotos medžiagos formos į kitą?
Medžiagų suvestinės būsenos pokyčiai nėra susiję su cheminiais virsmais, tai yra fizikiniai reiškiniai. Kai temperatūra pakyla, daugelis kietų medžiagų išsilydo ir virsta skysčiais. Tolesnis temperatūros padidėjimas gali sukelti išgaravimą, ty medžiagos dujinę būseną. Gamtoje ir ekonomikoje tokie perėjimai būdingi vienai pagrindinių Žemės medžiagų. Ledas, skystis, garai – tai vandens būsenos skirtingomis išorinėmis sąlygomis. Junginys yra tas pats, jo formulė yra H2O. Esant 0 ° C temperatūrai ir žemesnei kaip ši vertė, vanduo kristalizuojasi, tai yra, virsta ledu. Kylant temperatūrai, susidarę kristalai sunaikinami – tirpsta ledas, vėl gaunamas skystas vanduo. Kaitinant, susidaro vandens garai. Garavimas -vandens pavertimas dujomis - vyksta net žemoje temperatūroje. Pavyzdžiui, užšalusios balos palaipsniui išnyksta, nes vanduo išgaruoja. Net ir esant š altam orui šlapi drabužiai išdžiūsta, tačiau šis procesas užtrunka ilgiau nei karštą dieną.
Visi išvardyti vandens perėjimai iš vienos būsenos į kitą turi didelę reikšmę Žemės gamtai. Atmosferos reiškiniai, klimatas ir orai siejami su vandens išgaravimu nuo vandenynų paviršiaus, drėgmės pernešimu debesų ir rūko pavidalu į žemę, krituliais (lietus, sniegas, kruša). Šie reiškiniai sudaro Pasaulio vandens ciklo gamtoje pagrindą.
Kaip kinta suminės sieros būsenos?
Įprastomis sąlygomis siera yra ryškiai blizgantys kristalai arba šviesiai geltoni milteliai, t. y. ji yra kieta medžiaga. Kaitinant, pasikeičia suminė sieros būsena. Pirma, kai temperatūra pakyla iki 190 °C, geltona medžiaga išsilydo ir virsta judančiu skysčiu.
Jei greitai supilsite skystą sierą į š altą vandenį, gausite rudą amorfinę masę. Toliau kaitinant sieros lydalą, jis tampa vis klampesnis ir tamsėja. Esant aukštesnei nei 300 ° C temperatūrai, sieros agregacijos būsena vėl pasikeičia, medžiaga įgauna skysčio savybes, tampa mobili. Šie perėjimai atsiranda dėl elemento atomų gebėjimo sudaryti skirtingo ilgio grandines.
Kodėl medžiagos gali būti skirtingos fizinės būsenos?
Sieros – paprastos medžiagos – agregacijos būsena įprastomis sąlygomis yra kieta. Sieros dioksidas - dujos, sieros rūgštis -riebus skystis, sunkesnis už vandenį. Skirtingai nuo druskos ir azoto rūgščių, jis nėra lakus, nuo jo paviršiaus neišgaruoja molekulės. Kokia yra plastikinės sieros, gaunamos kaitinant kristalus, agregacijos būsena?
Amorfinėje formoje medžiaga turi skysčio struktūrą ir yra šiek tiek skysta. Tačiau plastikinė siera tuo pat metu išlaiko savo formą (kaip kieta medžiaga). Yra skystųjų kristalų, kurie turi nemažai kietoms medžiagoms būdingų savybių. Taigi medžiagos būsena skirtingomis sąlygomis priklauso nuo jos pobūdžio, temperatūros, slėgio ir kitų išorinių sąlygų.
Kokios kietųjų kūnų struktūros ypatybės?
Esami skirtumai tarp pagrindinių agreguotų medžiagų būsenų paaiškinami atomų, jonų ir molekulių sąveika. Pavyzdžiui, kodėl dėl kietos agreguotos medžiagos būsenos kūnai gali išlaikyti tūrį ir formą? Metalo ar druskos kristalinėje gardelėje struktūrinės dalelės traukia viena kitą. Metaluose teigiamai įkrauti jonai sąveikauja su vadinamosiomis „elektronų dujomis“– laisvųjų elektronų kaupimu metalo gabale. Druskos kristalai atsiranda dėl priešingai įkrautų dalelių - jonų - traukos. Atstumas tarp minėtų kietųjų kūnų struktūrinių vienetų yra daug mažesnis nei pačių dalelių dydis. Tokiu atveju veikia elektrostatinė trauka, ji suteikia jėgų, o atstūmimas nėra pakankamai stiprus.
Norint sunaikinti kietą medžiagų agregacijos būseną, būtinastengtis. Metalai, druskos, atominiai kristalai lydosi labai aukštoje temperatūroje. Pavyzdžiui, geležis tampa skysta aukštesnėje nei 1538 °C temperatūroje. Volframas yra ugniai atsparus ir naudojamas kaitrinėms lemputėms gaminti. Yra lydinių, kurie tampa skysti esant aukštesnei nei 3000 °C temperatūrai. Daugelis uolienų ir mineralų Žemėje yra kietos būsenos. Ši žaliava išgaunama naudojant įrangą kasyklose ir karjeruose.
Norint atskirti nuo kristalo nors vieną joną, reikia išleisti daug energijos. Bet juk pakanka ištirpinti druską vandenyje, kad kristalinė gardelė suirtų! Šis reiškinys paaiškinamas nuostabiomis vandens, kaip polinio tirpiklio, savybėmis. H2O molekulės sąveikauja su druskos jonais, sunaikindamos cheminį ryšį tarp jų. Taigi, tirpimas nėra paprastas skirtingų medžiagų maišymas, o fizinė ir cheminė jų sąveika.
Kaip sąveikauja skysčių molekulės?
Vanduo gali būti skystas, kietas ir dujinis (garai). Tai yra pagrindinės jo agregacijos būsenos normaliomis sąlygomis. Vandens molekulės yra sudarytos iš vieno deguonies atomo su dviem vandenilio atomais, prijungtais prie jo. Molekulėje vyksta cheminio ryšio poliarizacija, deguonies atomuose atsiranda dalinis neigiamas krūvis. Vandenilis tampa teigiamu molekulės poliu ir pritraukiamas kitos molekulės deguonies atomui. Ši silpna jėga vadinama „vandenilio ryšiu“.
Apibūdinkite skystą agregacijos būsenąatstumai tarp konstrukcinių dalelių yra panašūs į jų dydžius. Traukos yra, bet ji silpna, todėl vanduo neišlaiko formos. Garavimas vyksta dėl jungčių sunaikinimo, kuris susidaro skysčio paviršiuje net kambario temperatūroje.
Ar dujose egzistuoja tarpmolekulinė sąveika?
Dujinė medžiagos būsena skiriasi nuo skystos ir kietos būsenos daugeliu parametrų. Tarp struktūrinių dujų dalelių yra dideli tarpai, daug didesni už molekulių dydį. Tokiu atveju traukos jėgos visiškai neveikia. Dujinė agregacijos būsena būdinga ore esančioms medžiagoms: azotui, deguoniui, anglies dioksidui. Žemiau esančiame paveikslėlyje pirmasis kubas užpildytas dujomis, antrasis - skysčiu, o trečias - kieta medžiaga.
Daugelis skysčių yra lakūs, medžiagos molekulės atitrūksta nuo jų paviršiaus ir patenka į orą. Pavyzdžiui, jei prie atidaryto vandenilio chlorido butelio angos atnešate amoniake suvilgytą vatos tamponą, atsiranda b alti dūmai. Tiesiogiai ore vyksta cheminė reakcija tarp druskos rūgšties ir amoniako, gaunamas amonio chloridas. Kokioje materijos būsenoje yra ši medžiaga? Jo dalelės, kurios sudaro b altus dūmus, yra mažiausi kieti druskos kristalai. Šis eksperimentas turi būti atliktas po traukos gaubtu, nes medžiagos yra toksiškos.
Išvada
Dujų agregacijos būseną tyrė daugelis žymių fizikų ir chemikų: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperonas, Mendelejevas, Le Chatelier. Mokslininkai suformulavo dėsnius, paaiškinančius dujinių medžiagų elgesį cheminėse reakcijose, kai keičiasi išorinės sąlygos. Atviri dėsningumai pateko ne tik į mokyklinius ir universitetinius fizikos ir chemijos vadovėlius. Daugelis chemijos pramonės šakų yra pagrįstos žiniomis apie skirtingų agregatų būsenų medžiagų elgseną ir savybes.
