Агрегатное состояние вещества определение


Агрегатное состояние – это состояние вещества в определенном интервале температур и давлений, характеризуется свойствами: способностью (твердое тело) или неспособностью (жидкость, газ) сохранять объем и форму; наличием или отсутствием дальнего (твердое тело) или ближнего (жидкость) порядка и другими свойствами.

Вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком или газообразном, в настоящее время выделяют дополнительно плазменное (ионное) состояние.

В газообразном состоянии расстояние между атомами и молекулами вещества велико, силы взаимодействия малы и частицы, хаотично перемещаясь в пространстве, обладают большой кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию. Материал в газообразном состоянии не имеет ни своей формы, ни объема. Газ заполняет все доступное пространство. Это состояние свойственно для веществ с малой плотностью.

В жидком состоянии сохраняется лишь ближний порядок атомов или молекул, когда в объеме вещества периодически возникают отдельные участки с упорядоченным расположением атомов, однако взаимная ориентация этих участков также отсутствует.


ижний порядок неустойчив и под действием тепловых колебаний атомов может либо исчезать, либо возникать вновь. Молекулы жидкости не имеют определенного положения, и в то же время им недоступна полная свобода перемещения. Материал в жидком состоянии своей формы не имеет, сохраняет лишь объем. Жидкость может занимать только часть объема сосуда, но свободно перетекать по всей поверхности сосуда. Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твердым телом и газом.

В твердом веществе порядок расположения атомов становится строго определенным, закономерно упорядоченным, силы взаимодействия частиц взаимно уравновешены, поэтому тела сохраняют свою форму и объем. Закономерно упорядоченное расположение атомов в пространстве характеризует кристаллическое состояние, атомы образуют кристаллическую решетку.

Твердые тела имеют аморфное или кристаллическое строение. Для аморфных тел характерен только ближний порядок в расположении атомов или молекул, хаотичное расположение атомов, молекул или ионов в пространстве. Примерами аморфных тел являются стекло, пек, вар, внешне находящиеся в твердом состоянии, хотя на самом деле они медленно текут, подобно жидкости. Определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет. Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.


Большинство твердых тел имеет кристаллическое строение, которое отличается упорядоченным расположением атомов или молекул в пространстве. Для кристаллической структуры свойственен дальний порядок, когда элементы структуры периодически повторяются; при ближнем порядке такое правильное повторение отсутствует. Характерной особенностью кристаллического тела является способность сохранять форму. Признаком идеального кристалла, моделью которого служит пространственная решетка, является свойство симметрии. Под симметрией понимается теоретическая способность кристаллической решетки твердого тела совмещаться самой с собой при зеркальном отражении ее точек от некоторой плоскости, называемой плоскостью симметрии. Симметрия внешней формы отражает симметрию внутренней структуры кристалла. Кристаллическую структуру имеют, например, все металлы, для которых характерны два типа симметрии: кубическая и гексагональная.

В аморфных структурах с неупорядоченным распределением атомов свойства вещества в разных направлениях одинаковы, т. е стеклообразные (аморфные) вещества изотропны.

Для всех кристаллов характерна анизотропия. В кристаллах расстояния между атомами упорядочены, но в разных направлениях степень упорядоченности может быть неодинаковой, что приводит к различию свойств вещества кристалла в разных направлениях. Зависимость свойств вещества кристалла от направления в его решетке называют анизотропией свойств. Анизотропия проявляется при измерении как физических, так и механических и других характеристик. Существуют свойства (плотность, теплоемкость), не зависящие от направления в кристалле. Большинство же характеристик зависит от выбора направления.


Измерить свойства возможно у объектов, имеющих определенный материальный объем: размеры – от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Эти объекты со строением, идентичным кристаллической ячейке, называются монокристаллами.

Анизотропия свойств проявляется в монокристаллах и практически отсутствует в поликристаллическом веществе, состоящем из множества мелких хаотично ориентированных кристаллов. Поэтому поликристаллические вещества называют квазиизотропными.

Кристаллизация полимеров, молекулы которых могут располагаться упорядоченно с образованием надмолекулярных структур в виде пачек, клубков (глобул), фибрилл и пр., происходит в определенном интервале температур. Сложное строение молекул и их агрегатов определяет специфику поведения полимеров при нагреве. Они не могут перейти в жидкое состояние с низкой вязкостью, не имеют газообразного состояния. В твердом виде полимеры могут находиться в стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем состояниях. Полимеры с линейными или разветвленными молекулами при изменении температуры могут переходить из одного состояния в другое, что проявляется в процессе деформации полимера. На рис. 9 приведена зависимость деформации от температуры.

 
  Агрегатное состояние вещества определение

 

Рис. 9 Термомеханическая кривая аморфного полимера: tc, tт, tр – температуры стеклования, текучести и начала химического разложения соответственно; I — III – зоны стеклообразного, высокоэластического и вязкотекучего состояния соответственно; Δl – деформация.

Пространственная структура расположения молекул определяет только стеклообразное состояние полимера. При низких температурах все полимеры деформируются упруго (рис. 9, зона I). Выше температуры стеклования tc аморфный полимер с линейной структурой переходит в высокоэластическое состояние (зона II), и его деформация в стеклообразном и высокоэластическом состояниях обратима. Нагрев выше температуры текучести tт переводит полимер в вязкотекучее состояние (зона III). Деформация полимера в вязкотекучем состоянии необратима. Аморфный полимер с пространственной (сетчатой, сшитой) структурой не имеет вязкотекучего состояния, температурная область высокоэластического состояния расширяется до температуры разложения полимера tр. Такое поведение характерно для материалов типа резин.


Температура вещества в любом агрегатном состоянии характеризует среднюю кинетическую энергию его частиц (атомов и молекул). Эти частицы в телах обладают в основном кинетической энергией колебательных движений относительно центра равновесия, где энергия минимальна. При достижении некоторой критической температуры твердый материал теряет свою прочность (устойчивость) и расплавляется, а жидкость превращается в пар: кипит и испаряется. Этими критическими температурами являются температуры плавления и кипения.

При нагреве кристаллического материала при определенной температуре молекулы двигаются настолько энергично, что жесткие связи в полимере нарушаются и кристаллы разрушаются – переходят в жидкое состояние. Температура, при которой кристаллы и жидкость находятся в равновесии, называется точкой плавления кристалла, или точкой затвердевания жидкости. Для иода эта температура равна 114оС.

Каждый химический элемент обладает индивидуальной температурой плавления tпл, разделяющей существование твердого тела и жидкости, и температурой кипения tкип, соответствующей переходу жидкости в газ. При этих температурах вещества находятся в термодинамическом равновесии. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.

Для описания различных состояний в физике используется более широкое понятие термодинамической фазы. Явления, описывающие переходы из одной фазы в другую, называют критическими.


При нагревании вещества претерпевают фазовые превращения. Медь при плавлении (1083оС) превращается в жидкость, в которой атомы имеют только ближний порядок. При давлении 1 атм медь кипит при 2310оС и превращается в газообразную медь с беспорядочно расположенными атомами меди. В точке плавления давления насыщенного пара кристалла и жидкости равны.

Материал в целом представляет собой систему.

Система – группа веществ, объединенных физическими, химическими или механическими взаимодействиями. Фазой называют однородную часть системы, отделенную от других частей физическими границами раздела (в чугуне: графит + зерна железа; в воде со льдом: лед + вода). Составные части системы – это различные фазы, образующие данную систему. Компоненты системы – это вещества, образующие все фазы (составные части) данной системы.

Материалы, состоящие из двух и более фаз, представляют собой дисперсные системы. Дисперсныесистемы разделяют на золи, поведение которых напоминает поведение жидкостей, и гели с характерными свойствами твердых тел. В золях дисперсионной средой, в которой распределено вещество, является жидкость, в гелях преобладает твердая фаза. Гелями являются полукристаллический металл, бетон, раствор желатина в воде при низкой температуре (при высокой температуре желатин переходит в золь). Гидрозолем называют дисперсию в воде, аэрозолем – дисперсию в воздухе.


Диаграммы состояния.

В термодинамической системе каждая фаза характеризуется такими параметрами, как температура Т, концентрация с и давление Р. Для описания фазовых превращений используется единая энергетическая характеристика – свободная энергия Гиббса ΔG (термодинамический потенциал).

Термодинамика при описании превращений ограничивается рассмотрением состояния равновесия. Равновесное состояние термодинамической системы характеризуется неизменностью термодинамических параметров (температуры и концентрации, так как в технологических обработках Р = const) во времени и отсутствием в ней потоков энергии и вещества – при постоянстве внешних условий. Фазовое равновесие – равновесное состояние термодинамической системы, состоящей из двух или большего числа фаз.

Для математического описания условий равновесия системы существует правило фаз, выведенное Гиббсом. Оно связывает число фаз (Ф) и компонентов (К) в равновесной системе с вариантностью системы, т. е. числом термодинамических степеней свободы (С).

Число термодинамических степеней свободы (вариантность) системы – это число независимых переменных как внутренних (химический состав фаз), так и внешних (температура), которым можно придавать различные произвольные (в некотором интервале) значения так, чтобы не появились новые и не исчезли старые фазы.


Уравнение правила фаз Гиббса:

С = К – Ф + 1.

В соответствии с этим правилом в системе из двух компонентов (К = 2) возможны следующие варианты степеней свободы:

— для однофазного состояния (Ф = 1) С = 2, т. е. можно менять температуру и концентрацию;

— для двухфазного состояния (Ф = 2) С = 1, т. е. можно менять только один внешний параметр (например, температуру);

— для трехфазного состояния число степеней свободы равно нулю, т. е. нельзя менять температуру без нарушения равновесия в системе (система нонвариантна).

Например, для чистого металла (К = 1) во время кристаллизации, когда имеются две фазы (Ф = 2), число степеней свободы равно нулю. Это означает, что температура кристаллизации не может быть изменена, пока не закончится процесс и не останется одна фаза – твердый кристалл. После окончания кристаллизации (Ф = 1) число степеней свободы равно 1, поэтому можно менять температуру, т. е. охлаждать твердое вещество, не нарушая равновесия.

Поведение систем в зависимости от температуры и концентрации описывается диаграммой состояния. Диаграмма состояния воды — система с одним компонентом H2O, поэтому наибольшее число фаз, которые одновременно могут находиться в равновесии, равно трем (рис. 10). Эти три фазы — жидкость, лед, пар. Число степеней свободы в этом случае равно нулю, т.е. нельзя изменить ни давление, ни температуру, чтобы не исчезла ни одна из фаз. Обычный лед, жидкая вода и водяной пар могут существовать в равновесии одновременно только при давлении 0,61 кПа и температуре 0,0075°С. Точка сосуществования трех фаз называется тройной точкой (O).


Кривая ОС разделяет области пара и жидкости и представляет собой зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОС показывает те взаимосвязанные значения температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом, поэтому она называется кривой равновесия жидкость — пар или кривой кипения.

Агрегатное состояние вещества определение

Рис 10 Диаграмма состояния воды

Кривая ОВ отделяет область жидкости от области льда. Она является кривой равновесия твердое состояние — жидкость и называется кривой плавления. Эта кривая показывает те взаимосвязанные пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода находятся в равновесии.

Кривая OA называется кривой сублимации и показывает взаимосвязанные пары значений давления и температуры, при которых в равновесии находятся лед и водяной пар.

Диаграмма состояния — наглядный способ представления областей существования различных фаз в зависимости от внешних условий, например от давления и температуры. Диаграммы состояния активно используются в материаловедении на разных технологических этапах получения изделия.


Жидкость отличается от твердого кристаллического тела малыми значениями вязкости (внутреннего трения молекул) и высокими значениями текучести (величина, обратная вязкости). Жидкость состоит из множества агрегатов молекул, внутри которых частицы расположены в определенном порядке, подобно порядку в кристаллах. Природа структурных единиц и межчастичного взаимодействия определяет свойства жидкости. Различают жидкости: моноатомные (сжиженные благородные газы), молекулярные (вода), ионные (расплавленные соли), металлические (расплавленные металлы), жидкие полупроводники. В большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической (жидкой) фазой.

Жидкие вещества чаще всего представляет собой растворы. Раствор однороден, но не является химически чистым веществом, состоит из растворенного вещества и растворителя (примеры растворителя – вода или органические растворители: дихлорэтан, спирт, четыреххлористый углерод и др.), поэтому представляет собой смесь веществ. Пример – раствор спирта в воде. Однако растворами также являются смеси газообразных (например, воздух) или твердых (сплавы металлов) веществ.

При охлаждении в условиях малой скорости образования центров кристаллизации и сильного увеличения вязкости может возникнуть стеклообразное состояние. Стекла – это изотропные твердые материалы, получаемые переохлаждением расплавленных неорганических и органических соединений.

Известно много веществ, переход которых из кристаллического состояния в изотропное жидкое осуществляется через промежуточное жидкокристаллическое состояние. Оно характерно для веществ, молекулы которых имеют форму длинных стержней (палочек) с асимметричным строением. Такие фазовые переходы, сопровождаемые тепловыми эффектами, вызывают скачкообразное изменение механических, оптических, диэлектрических и других свойств.

Жидкие кристаллы, подобно жидкости, могут принимать форму удлиненной капли или форму сосуда, обладают высокой текучестью, способны к слиянию. Они получили широкое применение в разных областях науки и техники. Их оптические свойства сильно зависят от небольших изменений внешних условий. Эта особенность используется в электрооптических устройствах. В частности, жидкие кристаллы применяют при изготовлении электронных наручных часов, визуальной аппаратуры и др.

К числу основных агрегатных состояний относится плазма – частично или полностью ионизированный газ. По способу образования различают два вида плазмы: термическую, возникающую при нагревании газа до высоких температур, и газообразную, образующуюся при электрических разрядах в газовой среде.

Плазмохимические процессы заняли прочное место в ряде отраслей техники. Они применяются для резки и сварки тугоплавких металлов, синтеза разных веществ, широко используют плазменные источники света, перспективно применение плазмы в термоядерных энергетических установках и пр.

Источник: studopedia.ru

В школе, да и просто в обычной жизни мы привыкли называть три агрегатных состояния вещества: твёрдое тело, жидкость и газ (они всем известны). Иногда к этим агрегатным состояниям добавляют четвёртое основное – плазма. Плазма, кстати, самое распространённое состояние во Вселенной. Именно в этом состоянии находятся звёзды.

Плазма является ионизированным газом, который возникает на Земле при очень высоких температурах (больше 1000 K). Плазма содержит в себе не только электроны и ионы, что интересно, но и электромагнитное поле, а так её свойства по факту идентичны свойствам обычных газов.

Подразделяется также отдельным видом агрегатного состояния фазовый переход. Это то состояния вещества, когда оно переходит из одного состояния в другое. Это звучит немного странно, но рассмотрим же пример: плавим металлический слиток. Кристаллическая решётка твёрдого тела постепенно разрушается, и тело начинает переходить в жидкость, но в какой-то момент перед нами и не твёрдое тело, и не жидкость одновременно. Именно по этой причине учёные и рассматривают фазовый переход, как отдельное состояние вещества.

Сверхтекучесть являет собой способность вещества при очень низких температурах (абсолютный ноль) протекать через узкие щели без какого-либо трения! До недавних пор сверхтекучесть приписывалась только жидкому гелию, но наука не стоит на месте, поэтому ею открыты и другие вещества, способные проявлять такие же свойства.

Есть ещё среди агрегатных состояний конденсат Бозе-Эйнштейна. По факту это также сверхтекучесть, но только перед нами не жидкость, а бозе-газ (газ, состоящий из бозонов, охлаждённых до температуры, близкой к нулю). Любят они всё к нулю приводить!

Из интересных также имеется и нейтронное состояние, в корне отличающиеся от всех остальных. Это состояние характеризуется нейтронами. Мы берём тело – и оно состоит только из нейтронов. В лабораториях такого ещё создать не могут (не хватает давления), но данное агрегатное состояние существует внутри нейтронных звёзд. При огромном давлении протоны и электроны объединяются и образуют собой нейтроны, отсюда и нейтронное состояние.

Сверхкритический флюид – это состояние вещества, усреднённое между жидкостью и газом. Ни рыба, ни мясо, так сказать. Причём сверхкритический флюид обладает свойствами жидкого и газообразного состояния одновременно. При температуре и давлении, что выше критической точки данного вещества, мы и получаем сверхкритическое вещество. Своё применение в промышленности нашли сверхкритическая вода и сверхкритический диоксид углерода.

И даже в этой статье не описаны все агрегатные состояния вещества, а если и описаны, то очень поверхностно, не подробно, слегка. О, как велик и многогранен этот мир, полный различных форм, загадок и секретов!

А на этом я с вами не прощаюсь, на этом канале будут выходить ещё интересные публикации, поэтому не забудь лайкнуть эту статью и подписаться на «Почему?» Оставляйте свои комментарии с идеями, которые бы вам хотелось увидеть в следующий раз! До скорых встреч!

Источник: zen.yandex.com

Агрегатные состояния вещества

Рассмотрим еще один пример: после дождя на асфальте появилась лужа (Рис. 7). Мы понимаем, что она состоит из молекул воды Агрегатное состояние вещества определение. Также мы понимаем, что если случайно туда наступить, то нога промокнет. Но если температура опустится ниже нуля, то тогда лужа замерзнет. И по ней можно будет пройтись и даже прокатиться. Получается, что свойства изменились, это теперь другое вещество? Нет, вещество осталось тем же, лужа по-прежнему состоит молекул воды . А если вода в луже испарится и превратится в пар – это всё равно будут те же молекулы (Рис. 8). Получается, что лёд, вода, пар состоят из одних и тех же частиц, это одно вещество (Рис. 9). Но молекулы в них по-разному расположены и по-разному взаимодействуют. Вещество находится в различных состояниях. Это как человек, который может быть сонным, веселым, или, например, расстроенным (Рис. 10). Он будет выглядеть по-разному и вести себя по-другому, но будет оставаться самим собой.

Лужа

Рис. 7. Лужа

Испарение воды в луже

Рис. 8. Испарение воды в луже

Молекулы воды в разных агрегатных состояниях

Рис. 9. Молекулы воды в разных агрегатных состояниях

Состояния вещества можно сравнить с настроением человека

Рис. 10. Состояния вещества можно сравнить с настроением человека

Для таких состояний вещества, когда их свойства существенно отличаются, есть специальный термин. Их называют агрегатными состояниями вещества. Выделяют три основных агрегатных состояния: твердое тело, жидкость и газ.


 

Другие состояния вещества

Что такое огонь? На жидкость и твёрдое тело не похоже. Оказывается, это газ. Но здесь он находится в особом состоянии, и его свойства сильно отличаются от привычного нам газа. При очень высоких температурах молекулы распадаются на составляющие. Это атомы, электроны, ионы, о которых вы подробнее узнаете в старших классах. Именно из этих частиц состоит плазма, ещё одно состояние вещества (Рис. 11).

Пламя представляет собой плазму

Рис. 11. Пламя представляет собой плазму

Пламя свечи, костра – все это примеры плазмы, которые каждый из нас видел.

Вещества, составляющие Солнце, также находятся в состоянии плазмы, плазма присутствует в атмосфере, когда происходит полярное сияние. Ну а в технике на свойствах плазмы основан принцип работы, например, плазменных телевизоров.

Также есть неустойчивые состояние вещества, такие как перегретая и переохлажденная жидкость. Эти состояния достигаются, когда при определенных условиях жидкость нагревают выше её температуры кипения или же охлаждают ниже температуры плавления. При этом она все равно остается жидкостью. Но при незначительном воздействии на неё жидкость резко переходит в газообразное или твердое состояние соответственно.

Переохлажденная и перегретая жидкость

Рис. 12. Переохлажденная и перегретая жидкость


В нашем примере: лед – твердое тело, вода – жидкость, а водяной пар – газ (Рис. 13). Другие вещества также могут находиться в каждом из этих агрегатных состояний. В итоге получается, что свойства вещества задаются не только составом молекул, но и агрегатным состоянием. А само агрегатное состояние определяется расположением молекул и их движением.

Агрегатные состояния вещества

Рис. 13. Агрегатные состояния вещества


 

«Пар», «газ», «лёд», «вода» и прочие названия

Трудно сказать, чем отличается пар от газа. Но различие, очевидно, есть: ведь из кипящего чайника выходит именно пар, а на плите горит именно газ. Чтобы правильно применять эти термины, обратимся к их определениям. Газ – это агрегатное состояние вещества. А пар – это газ, который испарился из жидкости. Соответственно, вещества принято называть так: если при обычных природных условиях вещество находится в жидком или твердом состоянии, то его газообразное состояние называют паром. Например, испарившуюся воду называют водяными парами, испарившуюся медь – парами меди. Ну а если в обычных условиях вещество находится в газообразном состоянии, то его называют просто газом. Например, кислород, азот, неон – это все газы, парами их не называют.

Названия некоторых агрегатных состояний веществ сложились исторически. Например, человек мог встретить в природе и лёд, и воду. Поэтому два состояния одного и того же вещества имеют разное название. А вот металлы в природе обычно встречаются только в твердом состоянии и имеют одно название. Если хотят сказать про их жидкое или газообразное состояние, то тогда добавляет слово «жидкий» или «пар». Например, «жидкое золото» или «пары ртути».

Похожую ситуацию мы увидим, если проанализируем названия животных. Например, в случае с домашними животными очень часто бывает важен не только вид животного, но его пол и возраст, поэтому для самки, самца и детеныша сформировались разные названия. Например, бык-корова-теленок, петух-курица-цыпленок. Если в лесу человек встретит, например, медведя, то ему в принципе неважно, какого он пола, поэтому названия особей имеют один корень: медведь-медведица-медвежонок.

Кстати, название вещества может также пойти и от внешнего вида. Например, углекислый газ в твердом состоянии называют «сухим льдом», поскольку внешне он похож на лёд (Рис. 14).

Сухой лед

Рис. 14. Сухой лед


 

Твердое состояние вещества

Поговорим подробнее о каждом агрегатном состоянии. Начнем с твердого тела. Керамическая чашка, металлическая ложка, пластмассовый или алюминиевый корпус телефона – все это твердые тела. Если их не разбивать и не ломать, то тогда они будут сохранять свою форму. Получится, что твердое тело – это агрегатное состояние, которому свойственно сохранение формы и объема. Конечно, если не будет сильных воздействий.

Примеры твердых веществ

Рис. 15. Примеры твердых веществ

Положение молекул в твердом теле можно представить, как строй солдат (Рис. 16). Они находятся в строго установленных местах, их положение относительно друг друга практически не меняется. Происходит это благодаря взаимодействию частиц: они одновременно и отталкиваются, и притягиваются. Силы притяжения и отталкивания уравновешиваются, поэтому частицы практически не меняют своего положения.

Положение молекул в твердом теле

Рис. 16. Положение молекул в твердом теле

Что имеется в виду? Если постараться уменьшить расстояния между молекулами, отталкивание становится сильнее (Рис. 17), если увеличить расстояния – преобладает притяжение (рис. 18). Поэтому при незначительных воздействиях молекулы возвращаются в начальное положение и форма сохраняется. Это хорошо можно увидеть на примере пружины: растягивая её, мы чувствуем, что она стремится сжаться, и наоборот (Рис. 19). Причем при очень сильном воздействии молекулы могут даже не вернуться в исходное положение. Например, если очень сильно потянуть за нитку, то она может порваться; если сильно растянуть пружину, то она, может, так и останется растянутой. А чашка, которую уронили со стола, может сильно удариться о пол и разбиться.

Отталкивание молекул в твердом теле

Рис. 17. Отталкивание молекул в твердом теле

Притяжение молекул в твердом теле

Рис. 18. Притяжение молекул в твердом теле

Растягивание пружины

Рис. 19. Растягивание пружины

В целом деформировать твердое тело достаточно сложно, ведь молекулы практически не меняют своего относительного положения. Тем не менее, движение все-таки есть. Примером этого служит диффузия в твердых телах.

Жидкое состояние вещества

Когда вещество находится в твердом состоянии, его форму изменить достаточно сложно. Однако мы часто сталкиваемся с телами, форму которых изменить легко. Например, когда мы переливаем лимонад из бутылки в чашку или же в кувшин, форма лимонада ведь меняется (Рис. 20). Вещества в таком состоянии называют жидкостью. Причем, если форму жидкости изменить легко, то объем – достаточно трудно. Убедиться в этом можно так: наполните шприц водой, закройте пальцем отверстие и попытайтесь сжать воду. У вас ничего не выйдет. Жидкость – это агрегатное состояние, в котором тело сохраняет объем, но не сохраняет форму.

Переливание лимонада из кувшина в чашку

Рис. 20. Переливание лимонада из кувшина в чашку

Молекулы в жидкости ведут себя подобно людям, стоящим на концерте перед сценой (Рис. 21). Они расположены достаточно близко, но строго порядка нет, как было в твердом теле (Рис. 22). Время от времени происходит движение друг относительно друга, но не очень активное.

Люди, стоящие на концерте перед сценой

Рис. 21. Люди, стоящие на концерте перед сценой

Расположение и движение молекул в жидкости

Рис. 22. Расположение и движение молекул в жидкости

Как люди стремятся занять место ближе к сцене, так и жидкость притягивается к земле (Рис. 23). Как очертания толпы сразу перед сценой определяются контурами сцены, так и жидкость принимает форму сосуда, в котором находится (Рис. 24).

Притягивание жидкости к земле

Рис. 23. Притягивание жидкости к земле

Форма жидкости

Рис. 24. Форма жидкости

Молекулы в жидкости расположены достаточно близко, поэтому их взаимодействие ощутимо. Поэтому у вас ничего не получится при сжатии воды в шприце.


 

Взаимодействие молекул в жидкости

Кроме несжимаемости, можно привести еще несколько примеров взаимодействия молекул в жидкости. Так, молекулы на поверхности жидкости притягиваются достаточно сильно, чтобы удержать небольшое тело (Рис. 25). Например, на поверхность воды можно положить иголку и даже монетку, и они не утонут (Рис. 26). Это похоже на то, как гамак удерживает человека.

Притяжение молекул на поверхности жидкости

Рис. 25. Притяжение молекул на поверхности жидкости

 Монета на поверхности воды

Рис. 26. Монета на поверхности воды

Еще один пример: жидкость в состоянии невесомости всегда принимает форму шара (Рис. 27). Ведь для изменения формы должны действовать силы. А в невесомости все внешние силы скомпенсированы, поэтому форму изменять могут только силы взаимодействия между молекулами. Выделенного направления нет, поэтому форма должна быть симметричной во всех направлениях, а это форма шара.

Форма жидкости в невесомости

Рис. 27. Форма жидкости в невесомости


 

Газообразное состояние вещества

Как было сказано выше, твердые тела и жидкости не меняют своего объема при малых воздействиях. Есть состояние вещества, при котором его объем можно легко изменить, – это газообразное состояние.

Газ – это агрегатное состояние вещества, для которого характерно изменение и формы, и объема. Гелий в воздушном шарике, неон в лампах, составляющие воздуха: кислород, азот – все это примеры газов (Рис. 28).

Примеры газов

Рис. 28. Примеры газов

Продемонстрировать изменение формы и объема газа можно с помощью газового огнетушителя (Рис. 29). Сначала углекислый газ в нём занимает немного места. При использовании огнетушителя газ под давлением выходит из него (Рис. 30) и очень сильно расширяется. Форма газа, очевидно, тоже меняется.

Углекислый газ в огнетушителе

Рис. 29. Углекислый газ в огнетушителе

Расширение газа при использовании огнетушителя

Рис. 30. Расширение газа при использовании огнетушителя

Молекулы в газе как люди на большой площади, движутся в различных направлениях, расстояния между ними достаточно большие (Рис. 31). И, чем больше расстояние, тем людям сложнее взаимодействовать друг с другом: приходится кричать, хуже видно собеседника. Аналогично и в газе: взаимодействие молекул уменьшается при увеличении расстоянии. Именно поэтому газ легко изменяет свою форму и объем.

Движение молекул газа

Рис. 31. Движение молекул газа


 

Условность разделения на агрегатные состояния

В некоторых случаях достаточно сложно отнести вещество к какому-то конкретному агрегатному состоянию.

Существует целый класс веществ, которые называются аморфными. К ним, например, относится стекло и смола (Рис. 32). Аморфные тела не имеют четкой температуры перехода от твердого состояния к жидкому. Так, в обычном состоянии стекло можно считать твердым телом, ведь его форму изменить достаточно сложно. Однако при высокой температуре оно легко меняет форму, это пользуется при изготовлении стеклянных изделий. То есть, получается, его можно назвать жидкостью. А в процессе нагревания очень сложно определить состояние стекла. С одной стороны, оно остаётся твердым, но уже и приобретает текучесть.

Смола

Рис. 32. Смола

И вообще для любой жидкости и газа существуют условия, которые называются критическими. При достижении определенной температуры и давления уже нельзя однозначно сказать, в каком из состояний находится данное вещество.

Помимо этого, выбор агрегатного состояния может зависеть от условий решаемой задачи. Например, если рассматривать поведение асфальта, когда по нему проезжает автомобиль, мы будем считать его твердым телом. Но если рассмотреть асфальт в течение длительного времени, то тогда он растекается по неровностям поверхности. То есть ремонтники дорог могут считать тот же асфальт уже жидкостью.

По сути мы выбираем физическую модель: твердое тело, жидкость или газ. В некоторых случаях выбор однозначен. Но в некоторых мы можем использовать разные модели для решения разных задач, как в примере с асфальтом. Еще одним хороший пример – песок. Многие согласятся, что это измельченное твердое тело. Однако в песочных часах, где он перетекает из одной части в другую, более точным было бы применить к нему модель именно жидкости.


 

Источник: interneturok.ru


Коллоидная химия

Коллоидная химия


Агрегатные состояния вещества.


В этом разделе мы рассмотрим агрегатные состояния, в которых пребывает окружающая нас материя и силы взаимодействия между частицами вещества, свойственные каждому из агрегатных состояний.


Принято считать, что вещество может находиться в одном из трёх агрегатных состояниях:


1. Состояние твёрдого тела,

2. Жидкое состояние и

3. Газообразное состояние.


Часто выделяют четвёртое агрегатное состояние – плазму.

Иногда, состояние плазмы считают одним из видов газообразного состояния.



Для каждого агрегатного состояния характерны особенности в характере взаимодействия между частицами вещества, что влияет на его физические и химические свойства.


Каждое вещество может пребывать в разных агрегатных состояниях. При достаточно низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии. Но по мере нагрева они становятся жидкостями, затем газами. При дальнейшем нагревании они ионизируются (атомы теряют часть своих электронов) и переходят в состояние плазмы.


Агрегатные состояния вещества


Газ


Газообразное состояние (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. Χάος) характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами.


Образующие газ молекулы или атомы хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших (в сравнении с их размерами) растояниях друг от друга. Вследствие этого силы взаимодействия между частицами газа пренебрежимо малы.



Агрегатные состояния вещества



Основной особенностью газа является то, что он заполняет все доступное пространство, не образуя поверхности. Газы всегда смешиваются. Газ — изотропное вещество, то есть его свойства не зависят от направления.


При отсутствии сил тяготения давление во всех точках газа одинаково. В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой. Соответственно, в поле сил тяжести смесь газов становится неоднородной. Тяжелые газы имеют тенденцию оседать ниже, а более легкие — подниматься вверх.


Газ имеет высокую сжимаемость — при увеличении давления возрастает его плотность. При повышении температуры расширяются.


При сжатии газ может перейти в жидкость, но конденсация происходит не при любой температуре, а при температуре, ниже критической температуры. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно ожижить только при температуре, ниже от 4,2 К.


Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твердое тело, минуя жидкую фазу. Превращения жидкости в газ называется испарением, а непосредственное превращение твердого тела в газ — сублимацией.


Твёрдое тело


Состояние твёрдого тела в сравнении с другими агрегатными состояниями характеризуется стабильностью формы.


Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела.


Кристаллическое состояние вещества


Стабильность формы твёрдых тел связана с тем, что большинство, находящихся в твёрдом состоянии имеет кристалическое строение.


В этом случае расстояния между частицами вещества малы, а силы взаимодействия между ними велики, что и определяет стабильность формы.


В кристаллическом строении многих твёрдых тел легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов и пр.) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствии различного отражения ими света.


В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.


Формы кристаллов


Каждое вещество образует кристаллы совершенно определённой формы.


Разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам:


1. Триклинная (параллелепипед),

2. Моноклинная (призма с параллелограммом в основании),

3. Ромбическая (прямоугольный параллелепипед),

4. Тетрагональная (прямоугольный параллелепипед с квадратом в основании),

5. Тригональная,

6. Гексагональная (призма с основанием правильного центрированного
    шестиугольника),

7. Кубическая (куб).



Сингонии


Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия кристализуются в кубической системе. Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр.


Магний, цинк, лёд, кварц кристализуются в гексагональной системе. Основные формы этой системы – шестигранные призмы и бипирамида.


Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путём, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной.


Однако как бы неравномерно не происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла у одного и того же вещества остаются постоянными.


Анизотропия


Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств – прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. – не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией.


Внутреннее строение кристаллов. Кристаллические решётки.


Внешняя форма кристалла отражает его внутреннее строение и обусловлена правильным расположением частиц, составляющих кристалл, — молекул, атомов или ионов.


Это расположение можно представить в виде кристаллической решётки – пространственного каркаса, образованного пересекающимися прямыми линиями. В точках пересечения линий – узлах решётки – лежат центры частиц.



Алмаз и графит


В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решётки, и от того, какие силы взаимодействия между ними преобладают в данном кристалле, различают следующие виды кристаллических решёток:


1. молекулярные,

2. атомные,

3. ионные и

4. металлические.


Молекулярные и атомные решётки присущи веществам с ковалентной связью, ионные – ионным соединениям, металические – металам и их сплавам.


  • Атомные кристаллические решётки

  • В узлах атомных решёток находятся атомы. Они связаны друг с другом ковалентной связью.


    Веществ, обладающих атомными решётками, сравнительно мало. К ним принадлежат алмаз, кремний и некоторые неорганические соединения.


    Эти вещества характеризуются высокой твёрдостью, они тугоплавки и нерастворимы практически ни в каких растворителях. Такие их свойства объясняются прочностью ковалентной связи.


  • Молекулярные кристаллические решётки

  • В узлах молекулярных решёток находятся молекулы. Они связаны друг с другом межмолекулярными силами.


    Веществ с молекулярной решёткой очень много. К ним принадлежат неметаллы, за исключением углерода и кремния, все органические соединения с неионной связью и многие неорганические соединения.


    Силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее сил ковалентной связи, поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую твёрдость, легкоплавки и летучи.


  • Ионные кристаллические решётки

  • В узлах ионных решёток располагаются, чередуясь положительно и отрицательно заряженные ионы. Они связаны друг с другом силами электростатического притяжения.


    К соединениям с ионной связью, образующим ионные решётки, относится большинство солей и небольшое число оксидов.


    По прочности ионные решётки уступают атомным, но превышают молекулярные.


    Ионные соединения имеют сравнительно высокие температуры плавления. Летучесть их в большинстве случаев не велика.


  • Металлические кристаллические решётки

  • В узлах металлических решёток находятся атомы металла, между которыми свободно движутся общие для этих атомов электроны.



    Металл


    Наличием свободных электронов в кристаллических решётках металлов можно объяснить их многие свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность


    Существуют вещества, в кристаллах которых значительную роль играют два рода взаимодействия между частицами. Так, в графите атомы углерода связаны друг с другом в одних направлениях ковалентной связью, а в других – металлической. Поэтому решётку графита можно рассматривать и как атомную, и как металлическую.



    Графит


    Во многих неорганических соединениях, например, в BeO, ZnS, CuCl, связь между частицами, находящимися в узлах решётки, является частично ионной, а частично ковалентной. Поэтому решётки подобных соединений можно рассматривать как промежуточные между ионными и атомными.


    Аморфное состояние вещества


    Свойства аморфных веществ


    Среди твёрдых тел встречаются такие, в изломе которых нельзя обнаружить никаких признаков кристаллов. Например, если расколоть кусок обыкновенного стекла, то его излом окажется гладким и, в отличие от изломов кристаллов, ограничен не плоскими, а овальными поверхностями.


    Подобная же картина наблюдается при раскалывании кусков смолы, клея и некоторых других веществ. Такое состояние вещества называется аморфным.


    Различие между кристаллическими и аморфными телами особенно резко проявляется в их отношении к нагреванию.


    В то время как кристаллы каждого вещества плавятся при строго определённой температуре и при той же температуре происходит переход из жидкого состояния в твёрдое, аморфные тела не имеют постоянной температуры плавления. При нагревании аморфное тело постепенно размягчается, начинает растекаться и, наконец, становится совсем жидким. При охлаждении оно также постепенно затвердевает.


    В связи с отсутствием определённой температуры плавления аморфные тела обладают другой способностью: многие из них подобно жидкостям текучи, т.е. при длительном действии сравнительно небольших сил они постепенно изменяют свою форму. Например, кусок смолы, положенный на плоскую поверхность, в теплом помещении на несколько недель растекается, принимая форму диска.


    Строение аморфных веществ


    Различие между кристаллическим и аморфным состоянием вещества состоит в следующем.


    Упорядоченное расположение частиц в кристалле, отражаемое элементарной ячейкой, сохраняется на больших участках кристаллов, а в случае хорошо образованных кристаллов – во всём их объёме.


    В аморфных телах упорядоченность в расположении частиц наблюдается только на очень малых участках. Кроме того, в ряде аморфных тел даже эта местная упорядоченность носит лишь приблизительный характер.



    Кристаллическое и аморфное состояние вещества



    Это различие можно коротко сформулировать следующим образом:


    • структура кристаллов характеризуется дальним порядком,
    • структура аморфных тел – ближним.


    Примеры аморфных веществ.


    К стабильно-аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др.


    Переход из аморфного состояния в кристаллическое.


    Некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Диоксид кремния SiO2 встречается в природе в виде хорошо образованных кристаллов кварца, а также в аморфном состоянии (минерал кремень).


    При этом кристаллическое состояние всегда более устойчиво. Поэтому самопроизвольный переход из кристаллического вещества в аморфное невозможен, а обратное превращение – самопроизвольный переход из аморфного состояния в кристаллическое – возможно и иногда наблюдается.


    Примером такого превращения служит расстеклование – самопроизволная кристаллизация стекла при повышенных температурах, сопровождающаяся его разрушением.


    Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава.


    У металлов и сплавов аморфное состояние формируется, как правило, если расплав охлаждается за время порядка долей-десятков миллисекунд. Для стёкол достаточно намного меньшей скорости охлаждения.


    Кварц (SiO2) также имеет низкую скорость кристаллизации. Поэтому отлитые из него изделия получаются аморфными. Однако природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоёв вулканов, имеет крупнокристаллическое строение, в отличие от вулканического стекла, застывшего на поверхности и поэтому аморфного.


    Жидкости


    Жидкость – промежуточное состояние между твёрдым телом и газом.


    Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и кристаллическим. По одним свойствам жидкости близки к газам, по другим – к твёрдым телам.


    С газами жидкости сближает, прежде всего, их изотропность и текучесть. Последняя обуславливает способность жидкости легко изменять свою форму.


    Однако высокая плотность и малая сжимаемость жидкостей приближает их к твёрдым телам.


    Способность жидкостей легко изменять свою форму говорит об отсутствии в них жёстких сил межмолекулярного взаимодействия.


    В то же время низкая сжимаемость жидкостей, обусловливающая способность сохранять постоянный при данной температуре объём, указывает на присутствие хотя и не жёстких, но всё же значительных сил взаимодействия между частицами.


    Соотношение потенциальной и кинетической энергии.


    Для каждого агрегатного состояния характерно своё соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества.


    У твёрдых тел средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии. Поэтому в твёрдых телах частицы занимают определённые положения друг относительно друга и лишь колеблются относительно этих положений.


    Для газов соотношение энергий обратное, вследствии чего молекулы газов всегда находятся в состоянии хаотического движения и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, так что газ всегда занимает весь предоставленный ему объём.


    В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергия частиц приблизительно одинаковы, т.е. частицы связаны друг с другом, но не жёстко. Поэтому жидкости текучи, но имеют постоянный при данной температуре объём.


    Стуктуры жидкостей и аморфных тел схожи.


    В результате применения к жидкостям методов структурного анализа установлено, что по структуре жидкости подобны аморфным телам. В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всём объёме жидкости.


    Степень упорядоченности частиц у различных жидкостей различна. Кроме того, она изменяется при изменении температуры.


    При низких температурах, незначительно превышающих температуру плавления данного вещества, степень упорядоченности расположения частиц данной жидкости велика.


    С ростом температуры она падает и по мере нагревания свойства жидкости всё больше и больше приближаются к свойствам газа. При достижении критической температуры различие между жидкостью и газом исчезает.


    Вследствии сходства во внутренней структуре жидкостей и аморфных тел последние часто рассматриваются как жидкости с очень высокой вязкостью, а к твёрдым телам относят только вещества в кристаллическом состоянии.


    Уподобляя аморфные тела жидкостям, следует, однако, помнить, что в аморфных телах в отличие от обычных жидкостей частицы имеют незначительную подвижность – такую же как в кристаллах.


    Оглавление


    Органическая химия

    Биохимия

    Косметическая химия


    Коллоидная химия


    • Три агрегатных состояния
       вещества

    • Силы межмолекулярного
       взаимодействия

    Свойства жидкостей.

    • Характеристика жидкого
       состояния вещества.

    • Поверхностное натяжение
       жидкости.

    Растворы.

    • Понятие раствора.

    • Гидраты и сольваты.

    Дисперсные системы. Коллоиды.

    • Дисперсные системы.
       Определение.
       Классификация:

           — Суспензии,
           — Эмульсии,
           — Пены,
           — Золи,
           — Гели.

    • Адсорбция.

    • Коллоидные частицы.
           — Виды коллоидных частиц.
           — Строение коллоидной
             мицеллы.

    • Коагуляция коллоидных
       растворов.

    • Стабилизация
       коллоидных растворов.

    • Эмульсии и эмульгаторы.

    • Взаимодействие
       «воды» и «масла».

    Источник: xn—-7sbb4aandjwsmn3a8g6b.xn--p1ai


    You May Also Like

    About the Author: admind

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.