Въпросите за това какво е агрегатно състояние, какви характеристики и свойства притежават твърдите вещества, течностите и газовете се разглеждат в няколко курса за обучение. Има три класически състояния на материята, със свои собствени характерни особености на структурата. Тяхното разбиране е важен момент в разбирането на науките за Земята, живите организми и производствените дейности. Тези въпроси се изучават от физика, химия, география, геология, физическа химия и други научни дисциплини. Веществата, които са при определени условия в един от трите основни типа състояние, могат да се променят с повишаване или намаляване на температурата или налягането. Нека разгледаме възможните преходи от едно агрегатно състояние в друго, както се извършват в природата, технологиите и ежедневието.

Какво е агрегатно състояние?

Думата от латински произход "aggrego" в превод на руски означава "прикрепям". Научният термин се отнася до състоянието на едно и също тяло, вещество. Съществуването на твърди вещества, газове и течности при определени температурни стойности и различни налягания е характерно за всички черупки на Земята. В допълнение към трите основни агрегатни състояния има и четвърто. При повишена температура и постоянно налягане газът се превръща в плазма. За да разберете по-добре какво е агрегатно състояние, е необходимо да запомните най-малките частици, които изграждат вещества и тела.

Диаграмата по-горе показва: а - газ; b - течност; c е твърдо тяло. В такива фигури кръговете показват структурните елементи на веществата. Това е символ, всъщност атомите, молекулите, йоните не са твърди топки. Атомите се състоят от положително заредено ядро, около което с висока скорост се движат отрицателно заредени електрони. Познаването на микроскопичната структура на материята помага да се разберат по-добре разликите, които съществуват между различните агрегатни форми.

Идеи за микросвета: от Древна Гърция до 17 век

Първите сведения за частиците, които изграждат физическите тела, се появяват в древна Гърция. Мислителите Демокрит и Епикур въведоха такова понятие като атом. Те вярвали, че тези най-малки неделими частици от различни вещества имат форма, определени размери, способни са на движение и взаимодействие помежду си. Атомистиката се превръща в най-напредналото учение на древна Гърция за времето си. Но развитието му се забавя през Средновековието. Оттогава учените са преследвани от инквизицията на Римокатолическата църква. Следователно до съвремието не е имало ясна концепция за това какво е агрегатното състояние на материята. Едва след 17 в. учените Р. Бойл, М. Ломоносов, Д. Далтън, А. Лавоазие формулират положенията на атомно-молекулярната теория, които не са загубили своето значение и днес.

Атоми, молекули, йони - микроскопични частици от структурата на материята

Значителен пробив в разбирането на микрокосмоса настъпва през 20-ти век, когато е изобретен електронният микроскоп. Като се вземат предвид откритията, направени от учените по-рано, беше възможно да се състави хармонична картина на микросвета. Теориите, описващи състоянието и поведението на най-малките частици на материята са доста сложни, принадлежат към областта.За да се разберат особеностите на различните агрегатни състояния на материята, е достатъчно да се знаят имената и особеностите на основните структурни частици, които образуват различни вещества.

1. Атомите са химически неделими частици. Запазена при химични реакции, но унищожена при ядрено. Металите и много други вещества с атомна структура имат твърдо агрегатно състояние при нормални условия.
2. Молекулите са частици, които се разграждат и образуват в химични реакции. кислород, вода, въглероден диоксид, сяра. Агрегационното състояние на кислород, азот, серен диоксид, въглерод, кислород при нормални условия е газообразно.
3. Йоните са заредени частици, в които атомите и молекулите се превръщат, когато получават или губят електрони - микроскопични отрицателно заредени частици. Много соли имат йонна структура, например готварска сол, железен и меден сулфат.

Има вещества, чиито частици са разположени в пространството по определен начин. Подреденото взаимно положение на атоми, йони, молекули се нарича кристална решетка. Обикновено йонните и атомните кристални решетки са характерни за твърдите тела, молекулярните - за течности и газове. Диамантът има висока твърдост. Неговата атомна кристална решетка е образувана от въглеродни атоми. Но мекият графит също се състои от атоми на този химичен елемент. Само те са разположени различно в пространството. Обичайното агрегатно състояние на сярата е твърдо вещество, но при високи температури веществото се превръща в течност и аморфна маса.

Вещества в твърдо агрегатно състояние

Твърдите вещества при нормални условия запазват своя обем и форма. Например песъчинка, зърно захар, сол, парче камък или метал. Ако захарта се нагрее, веществото започва да се топи, превръщайки се в вискозна кафява течност. Спрете нагряването - отново получаваме твърдо вещество. Това означава, че едно от основните условия за прехода на твърдо вещество в течност е неговото нагряване или увеличаване на вътрешната енергия на частиците на веществото. Твърдото агрегатно състояние на солта, която се използва в храната, също може да се промени. Но за да разтопите готварската сол, се нуждаете от по-висока температура, отколкото при нагряване на захарта. Факт е, че захарта се състои от молекули, а готварската сол се състои от заредени йони, които са по-силно привлечени един от друг. Твърдите вещества в течна форма не запазват формата си, тъй като кристалните решетки се разрушават.

Течното агрегатно състояние на солта по време на топене се обяснява с прекъсването на връзката между йоните в кристалите. Освобождават се заредени частици, които могат да носят електрически заряди. Разтопените соли провеждат електричество и са проводници. В химическата, металургичната и инженерната промишленост твърдите вещества се превръщат в течности, за да се получат нови съединения от тях или да им се придадат различни форми. Металните сплави са широко използвани. Има няколко начина за получаването им, свързани с промени в агрегатното състояние на твърдите суровини.

Течността е едно от основните агрегатни състояния

Ако излеете 50 ml вода в колба с кръгло дъно, ще забележите, че веществото веднага приема формата на химически съд. Но веднага щом излеем водата от колбата, течността веднага ще се разпространи по повърхността на масата. Обемът на водата ще остане същият - 50 ml, а формата й ще се промени. Тези характеристики са характерни за течната форма на съществуване на материята. Течностите са много органични вещества: алкохоли, растителни масла, киселини.

Млякото е емулсия, тоест течност, в която има капчици мазнини. Полезен течен минерал е маслото. Извлича се от кладенци с помощта на сондажни платформи на сушата и в океана. Морската вода също е суровина за промишлеността. Неговата разлика от сладката вода на реките и езерата се състои в съдържанието на разтворени вещества, главно соли. По време на изпаряване от повърхността на водните тела само молекулите H 2 O преминават в състояние на пара, остават разтворените вещества. На това свойство се основават методите за получаване на полезни вещества от морската вода и методите за нейното пречистване.

При пълно отстраняване на солите се получава дестилирана вода. Кипи при 100°C и замръзва при 0°C. Саламурите кипват и се превръщат в лед при различни температури. Например водата в Северния ледовит океан замръзва при повърхностна температура от 2°C.

Агрегатното състояние на живака при нормални условия е течност. Този сребристо-сив метал обикновено се пълни с медицински термометри. При нагряване колоната с живак се издига на скалата, веществото се разширява. Защо се използва алкохол, оцветен с червена боя, а не живак? Това се обяснява със свойствата на течния метал. При 30-градусови студове състоянието на агрегиране на живака се променя, веществото става твърдо.

Ако медицинският термометър е счупен и живакът се е разлял, тогава е опасно да събирате сребърни топки с ръцете си. Вдишването на живачни пари е вредно, това вещество е много токсично. Децата в такива случаи трябва да потърсят помощ от родители, възрастни.

газообразно състояние

Газовете не могат да запазят своя обем или форма. Напълнете колбата до върха с кислород (химическата й формула е O 2). Веднага след като отворим колбата, молекулите на веществото ще започнат да се смесват с въздуха в стаята. Това се дължи на Брауновото движение. Дори древногръцкият учен Демокрит вярвал, че частиците на материята са в постоянно движение. В твърдите тела при нормални условия атомите, молекулите, йоните нямат възможност да напуснат кристалната решетка, да се освободят от връзки с други частици. Това е възможно само при подаване на голямо количество енергия отвън.

В течностите разстоянието между частиците е малко по-голямо, отколкото в твърдите тела; те изискват по-малко енергия за разрушаване на междумолекулните връзки. Например, течното агрегатно състояние на кислорода се наблюдава само когато температурата на газа падне до -183 °C. При -223 ° C молекулите на O 2 образуват твърдо вещество. Когато температурата се повиши над дадените стойности, кислородът се превръща в газ. Именно в тази форма е при нормални условия. В промишлените предприятия има специални инсталации за отделяне на атмосферния въздух и получаване на азот и кислород от него. Първо, въздухът се охлажда и втечнява, а след това температурата постепенно се повишава. Азотът и кислородът се превръщат в газове при различни условия.

Земната атмосфера съдържа 21% кислород и 78% азот по обем. В течна форма тези вещества не се намират в газообразната обвивка на планетата. Течният кислород има светлосин цвят и се пълни при високо налягане в бутилки за използване в медицински заведения. В промишлеността и строителството втечнените газове са необходими за много процеси. Кислородът е необходим за газово заваряване и рязане на метали, в химията - за реакциите на окисление на неорганични и органични вещества. Ако отворите клапана на кислороден цилиндър, налягането намалява, течността се превръща в газ.

Втечненият пропан, метан и бутан се използват широко в енергетиката, транспорта, промишлеността и домакинствата. Тези вещества се получават от природен газ или по време на крекинг (разделяне) на петролна суровина. Въглеродните течни и газообразни смеси играят важна роля в икономиката на много страни. Но запасите от нефт и природен газ са силно изчерпани. Според учените тази суровина ще продължи 100-120 години. Алтернативен източник на енергия е въздушният поток (вятър). Бързо течащите реки, приливите и отливите по бреговете на моретата и океаните се използват за работа на електроцентрали.

Кислородът, подобно на другите газове, може да бъде в четвърто агрегатно състояние, представляващо плазма. Необичайният преход от твърдо към газообразно състояние е характерна особеност на кристалния йод. Тъмно лилаво вещество претърпява сублимация - превръща се в газ, заобикаляйки течното състояние.

Как се извършват преходите от една съвкупна форма на материята към друга?

Промените в агрегатното състояние на веществата не са свързани с химични трансформации, това са физически явления. Когато температурата се повиши, много твърди вещества се топят и се превръщат в течности. По-нататъшно повишаване на температурата може да доведе до изпаряване, тоест до газообразно състояние на веществото. В природата и икономиката такива преходи са характерни за едно от основните вещества на Земята. Лед, течност, пара са състоянията на водата при различни външни условия. Съединението е същото, формулата му е H 2 O. При температура от 0 ° C и под тази стойност водата кристализира, тоест се превръща в лед. Когато температурата се повиши, получените кристали се разрушават - ледът се топи, отново се получава течна вода. Когато се нагрява, се образува изпарение - превръщането на водата в газ - продължава дори при ниски температури. Например, замръзналите локви постепенно изчезват, защото водата се изпарява. Дори при мразовито време мокрите дрехи изсъхват, но този процес е по-дълъг, отколкото в горещ ден.

Всички изброени преходи на водата от едно състояние в друго са от голямо значение за природата на Земята. Атмосферните явления, климатът и времето са свързани с изпаряването на водата от повърхността на океаните, пренасянето на влага под формата на облаци и мъгла към сушата, валежи (дъжд, сняг, градушка). Тези явления формират основата на световния кръговрат на водата в природата.

Как се променят агрегатните състояния на сярата?

При нормални условия сярата е ярки блестящи кристали или светложълт прах, тоест е твърдо вещество. Агрегатното състояние на сярата се променя при нагряване. Първо, когато температурата се повиши до 190 ° C, жълтото вещество се топи, превръщайки се в подвижна течност.

Ако бързо излеете течна сяра в студена вода, ще получите кафява аморфна маса. При по-нататъшно нагряване на стопилката на сярата тя става все по-вискозна и потъмнява. При температури над 300 ° C състоянието на агрегиране на сярата се променя отново, веществото придобива свойствата на течност, става подвижно. Тези преходи възникват поради способността на атомите на елемента да образуват вериги с различна дължина.

Защо веществата могат да бъдат в различни агрегатни състояния?

Агрегационното състояние на сярата - просто вещество - е твърдо при нормални условия. Серният диоксид е газ, сярната киселина е маслена течност, по-тежка от водата. За разлика от солната и азотната киселина, той не е летлив, молекулите не се изпаряват от повърхността му. Какво агрегатно състояние има пластичната сяра, която се получава чрез нагряване на кристали?

В аморфна форма веществото има структура на течност, с лека течливост. Но пластмасовата сяра едновременно запазва формата си (като твърдо вещество). Има течни кристали, които имат редица характерни свойства на твърдите вещества. По този начин състоянието на материята при различни условия зависи от нейната природа, температура, налягане и други външни условия.

Какви са особеностите в структурата на твърдите тела?

Съществуващите различия между основните агрегатни състояния на материята се обясняват с взаимодействието между атоми, йони и молекули. Например, защо твърдото агрегатно състояние на материята води до способността на телата да поддържат обем и форма? В кристалната решетка на метал или сол структурните частици се привличат една към друга. В металите положително заредените йони взаимодействат с така наречения "електронен газ" - натрупването на свободни електрони в парче метал. Кристалите на солта възникват поради привличането на противоположно заредени частици - йони. Разстоянието между горните структурни единици на твърдите тела е много по-малко от размера на самите частици. В този случай действа електростатичното привличане, дава сила, а отблъскването не е достатъчно силно.

За да се разруши твърдото агрегатно състояние на веществото, трябва да се положат усилия. Метали, соли, атомни кристали се топят при много високи температури. Например желязото става течно при температури над 1538 °C. Волфрамът е огнеупорен и се използва за производство на нишки с нажежаема жичка за електрически крушки. Има сплави, които стават течни при температури над 3000 °C. Много на Земята са в твърдо състояние. Тази суровина се добива с помощта на оборудване в мини и кариери.

За да се отдели дори един йон от кристал, е необходимо да се изразходва голямо количество енергия. Но в края на краищата е достатъчно солта да се разтвори във вода, за да се разпадне кристалната решетка! Това явление се обяснява с удивителните свойства на водата като полярен разтворител. Молекулите на H 2 O взаимодействат със солните йони, разрушавайки химическата връзка между тях. По този начин разтварянето не е просто смесване на различни вещества, а физическо и химично взаимодействие между тях.

Как взаимодействат молекулите на течностите?

Водата може да бъде течна, твърда и газообразна (пара). Това са основните му агрегатни състояния при нормални условия. Водните молекули са изградени от един кислороден атом с два водородни атома, свързани към него. Има поляризация на химичната връзка в молекулата, на кислородните атоми се появява частичен отрицателен заряд. Водородът става положителният полюс в молекулата и се привлича от кислородния атом на друга молекула. Това се нарича "водородна връзка".

Течното агрегатно състояние се характеризира с разстояния между структурните частици, сравними с техните размери. Привличането съществува, но е слабо, така че водата не запазва формата си. Изпаряването възниква поради разрушаването на връзките, което се случва на повърхността на течността дори при стайна температура.

Има ли междумолекулни взаимодействия в газовете?

Газообразното състояние на веществото се различава от течното и твърдото по редица параметри. Между структурните частици на газовете има големи празнини, много по-големи от размера на молекулите. В този случай силите на привличане изобщо не работят. Газообразното агрегатно състояние е характерно за веществата, присъстващи в състава на въздуха: азот, кислород, въглероден диоксид. На фигурата по-долу първият куб е пълен с газ, вторият с течност, а третият с твърдо вещество.

Много течности са летливи; молекулите на веществото се откъсват от повърхността им и преминават във въздуха. Например, ако донесете памучен тампон, потопен в амоняк, към отвора на отворена бутилка солна киселина, се появява бял дим. Точно във въздуха протича химическа реакция между солна киселина и амоняк, получава се амониев хлорид. В какво състояние на материята се намира това вещество? Неговите частици, които образуват бял дим, са най-малките твърди кристали сол. Този експеримент трябва да се проведе под аспиратор, веществата са токсични.

Заключение

Агрегатното състояние на газ е изследвано от много изтъкнати физици и химици: Авогадро, Бойл, Гей-Люсак, Клаперон, Менделеев, Льо Шателие. Учените са формулирали закони, които обясняват поведението на газообразните вещества в химичните реакции при промяна на външните условия. Откритите закономерности не само влязоха в училищните и университетските учебници по физика и химия. Много химически индустрии се основават на знания за поведението и свойствата на веществата в различни агрегатни състояния.

Всички вещества могат да бъдат в различни агрегатни състояния – твърдо, течно, газообразно и плазмено. В древни времена се е вярвало: светът се състои от земя, вода, въздух и огън. Агрегатните състояния на веществата съответстват на това визуално деление. Опитът показва, че границите между агрегатните състояния са много произволни. Газовете при ниски налягания и ниски температури се считат за идеални, молекулите в тях съответстват на материални точки, които могат да се сблъскат само според законите на еластичното въздействие. Силите на взаимодействие между молекулите в момента на удара са незначителни, самите сблъсъци се случват без загуба на механична енергия. Но с увеличаване на разстоянието между молекулите трябва да се вземе предвид и взаимодействието на молекулите. Тези взаимодействия започват да влияят на прехода от газообразно състояние към течно или твърдо. Между молекулите могат да възникнат различни видове взаимодействия.

Силите на междумолекулното взаимодействие нямат насищане, за разлика от силите на химическото взаимодействие на атомите, което води до образуване на молекули. Те могат да бъдат електростатични при взаимодействие между заредени частици. Опитът показва, че квантовомеханичното взаимодействие, което зависи от разстоянието и взаимната ориентация на молекулите, е незначително при разстояния между молекулите над 10 -9 м. При разредените газове може да се пренебрегне или да се приеме, че потенциалът енергията на взаимодействие е практически нула. На малки разстояния тази енергия е малка, при , действат силите на взаимното привличане

при - взаимно отблъскване и сила

привличането и отблъскването на молекулите са балансирани и F= 0. Тук силите се определят от връзката им с потенциалната енергия.Но частиците се движат, притежавайки определен резерв от кинетична енергия

ей Нека една молекула да бъде неподвижна, а друга да се сблъска с нея, имайки такъв запас от енергия. Когато молекулите се приближават една към друга, силите на привличане вършат положителна работа и потенциалната енергия на взаимодействието им намалява на разстояние. В същото време кинетичната енергия (и скоростта) се увеличава. Когато разстоянието стане по-малко, силите на привличане ще бъдат заменени със сили на отблъскване. Работата, извършена от молекулата срещу тези сили, е отрицателна.

Молекулата ще се приближи до неподвижната молекула, докато кинетичната й енергия се превърне напълно в потенциална. Минимално разстояние д,кои молекули могат да се доближат една до друга се нарича ефективен молекулен диаметър.След спиране, молекулата ще започне да се отдалечава под действието на отблъскващи сили с нарастваща скорост. След като измине разстоянието отново, молекулата ще попадне в областта на привличащите сили, което ще забави нейното отстраняване. Ефективният диаметър зависи от първоначалния запас от кинетична енергия, т.е. тази стойност не е постоянна. На разстояния, равни на потенциалната енергия на взаимодействието има безкрайно голяма стойност или "бариера", която предотвратява конвергенцията на центровете на молекулите на по-късо разстояние. Съотношението на средната потенциална енергия на взаимодействие към средната кинетична енергия определя агрегатното състояние на материята: за газове за течности, за твърди тела

Кондензираните среди са течности и твърди вещества. В тях атомите и молекулите са разположени близо, почти докосващи се. Средното разстояние между центровете на молекулите в течности и твърди тела е около (2 -5) 10 -10 м. Плътностите им са приблизително еднакви. Междуатомните разстояния надвишават разстоянията, през които електронните облаци проникват един в друг, толкова много, че възникват отблъскващи сили. За сравнение, в газове при нормални условия средното разстояние между молекулите е около 33 10 -10 m.

IN течностимеждумолекулното взаимодействие е по-изразено, топлинното движение на молекулите се проявява в слаби трептения около положението на равновесие и дори прескача от едно положение в друго. Следователно, те имат само близък ред в подреждането на частиците, т.е. последователност в подреждането само на най-близките частици и характерна течливост.

Твърди веществасе характеризират с твърдост на конструкцията, имат точно определен обем и форма, които се променят много по-малко под въздействието на температура и налягане. В твърдите тела са възможни аморфни и кристални състояния. Има и междинни вещества - течни кристали. Но атомите в твърдите тела изобщо не са неподвижни, както може да се мисли. Всеки от тях се колебае през цялото време под въздействието на еластични сили, които възникват между съседите. Повечето елементи и съединения имат кристална структура под микроскоп.

И така, солените зърна изглеждат като идеални кубчета. В кристалите атомите са фиксирани в възлите на кристалната решетка и могат да вибрират само близо до възлите на решетката. Кристалите представляват истински твърди вещества, а такива твърди вещества като пластмаса или асфалт заемат като че ли междинна позиция между твърдите тела и течностите. Аморфното тяло, подобно на течност, има близък ред, но вероятността от скокове е малка. Така че стъклото може да се разглежда като преохладена течност, която има повишен вискозитет. Течните кристали имат течливост на течности, но запазват подредеността на подреждането на атомите и имат анизотропия на свойствата.

Химичните връзки на атомите (и на около in) в кристалите са същите като в молекулите. Структурата и твърдостта на твърдите тела се определят от разликата в електростатичните сили, които свързват заедно атомите, изграждащи тялото. Механизмът, който свързва атомите в молекули, може да доведе до образуването на твърди периодични структури, които могат да се разглеждат като макромолекули. Подобно на йонните и ковалентните молекули, има йонни и ковалентни кристали. Йонните решетки в кристалите се държат заедно чрез йонни връзки (виж фиг. 7.1). Структурата на готварската сол е такава, че всеки натриев йон има шест съседа - хлоридни йони. Това разпределение съответства на минимална енергия, т.е., когато се формира такава конфигурация, се освобождава максималната енергия. Следователно, когато температурата падне под точката на топене, се наблюдава тенденция към образуване на чисти кристали. С повишаване на температурата топлинната кинетична енергия е достатъчна за прекъсване на връзката, кристалът ще започне да се топи и структурата ще се срути. Кристалният полиморфизъм е способността да се образуват състояния с различни кристални структури.

Когато разпределението на електрическия заряд в неутралните атоми се промени, може да възникне слабо взаимодействие между съседите. Тази връзка се нарича молекулярна или ван дер Ваалсова връзка (както в молекула на водорода). Но силите на електростатично привличане могат да възникнат и между неутралните атоми, тогава не се появяват пренареждания в електронните обвивки на атомите. Взаимното отблъскване по време на приближаването на електронните обвивки измества центъра на тежестта на отрицателните заряди спрямо положителните. Всеки от атомите индуцира електрически дипол в другия и това води до тяхното привличане. Това е действието на междумолекулни сили или сили на Ван дер Ваалс, които имат голям радиус на действие.

Тъй като водородният атом е много малък и неговият електрон лесно се измества, той често се привлича от два атома наведнъж, образувайки водородна връзка. Водородната връзка е отговорна и за взаимодействието на водните молекули една с друга. Тя обяснява много от уникалните свойства на водата и леда (Фигура 7.4).

ковалентна връзка(или атомен) се постига благодарение на вътрешното взаимодействие на неутралните атоми. Пример за такава връзка е връзката в молекулата на метана. Силно свързана форма на въглерод е диамантът (четири водородни атома се заменят с четири въглеродни атома).

И така, въглеродът, изграден върху ковалентна връзка, образува кристал под формата на диамант. Всеки атом е заобиколен от четири атома, образуващи правилен тетраедър. Но всеки от тях е едновременно връх на съседния тетраедър. При други условия същите въглеродни атоми кристализират в графит.В графита те също са свързани с атомни връзки, но образуват равнини от шестоъгълни клетки от пчелна пита, способни на срязване. Разстоянието между атомите, разположени във върховете на шестоъгълниците, е 0,142 nm. Слоевете са разположени на разстояние 0,335 nm, т.е. слабо свързан, така че графитът е пластичен и мек (фиг. 7.5). През 1990 г. има бум в научноизследователската работа, причинен от съобщение за получаване на ново вещество - фулерит,състояща се от въглеродни молекули - фулерени. Тази форма на въглерод е молекулярна; Най-малкият елемент не е атом, а молекула. Кръстен е на архитекта Р. Фулър, който през 1954 г. получава патент за строителни конструкции от шестоъгълници и петоъгълници, съставляващи полукълбо. Молекула от 60 въглеродни атоми с диаметър 0,71 nm е открит през 1985 г., след това са открити молекули и т.н. Всички те имаха стабилни повърхности,

но молекулите C 60 и ОТ 70 . Логично е да се предположи, че графитът се използва като суровина за синтеза на фулерени. Ако е така, тогава радиусът на шестоъгълния фрагмент трябва да бъде 0,37 nm. Но се оказа равно на 0,357 nm. Тази разлика от 2% се дължи на факта, че въглеродните атоми са разположени на сферичната повърхност във върховете на 20 правилни шестоъгълника, наследени от графита и 12 правилни пентаедъра, т.е. дизайнът наподобява футболна топка. Оказва се, че при "зашиване" в затворена сфера някои от плоските шестоъгълници са се превърнали в петоъгълници. При стайна температура молекулите C 60 кондензират в структура, в която всяка молекула има 12 съседи, разположени на разстояние 0,3 nm. В т= 349 K, възниква фазов преход от първи ред - решетката се пренарежда в кубична. Самият кристал е полупроводник, но когато към кристалния филм C 60 се добави алкален метал, свръхпроводимост настъпва при температура от 19 K. Ако един или друг атом бъде въведен в тази куха молекула, той може да се използва като основа за създаване на носител за съхранение със свръхвисока плътност на информацията: плътността на запис ще достигне 4-10 12 бита/см2. За сравнение, филм от феромагнитен материал дава плътност на запис от порядъка на 10 7 бита / cm 2, а оптичните дискове, т.е. лазерна технология, - 10 8 бита/cm 2 . Този въглерод има и други уникални свойства, които са особено важни в медицината и фармакологията.

се проявява в метални кристали метална връзка,когато всички атоми в метал даряват своите валентни електрони "за колективна употреба". Те са слабо свързани с атомните ядра и могат свободно да се движат по кристалната решетка. Около 2/5 от химичните елементи са метали. В металите (с изключение на живак) връзка се образува, когато вакантните орбитали на металните атоми се припокриват и електроните се отделят поради образуването на кристална решетка. Оказва се, че катионите на решетката са обвити в електронен газ. Метална връзка възниква, когато атомите се приближават един към друг на разстояние, по-малко от размера на външния електронен облак. С тази конфигурация (принцип на Паули) енергията на външните електрони се увеличава и ядрата на съседите започват да привличат тези външни електрони, размивайки електронните облаци, разпределяйки ги равномерно върху метала и ги превръщайки в електронен газ. Така възникват електроните на проводимост, които обясняват високата електропроводимост на металите. В йонните и ковалентните кристали външните електрони са практически свързани и проводимостта на тези твърди вещества е много ниска, те се наричат изолатори.

Вътрешната енергия на течностите се определя от сумата от вътрешните енергии на макроскопичните подсистеми, на които тя може да се раздели мислено, и енергиите на взаимодействието на тези подсистеми. Взаимодействието се осъществява чрез молекулярни сили с обхват около 10 -9 м. За макросистемите енергията на взаимодействие е пропорционална на контактната площ, така че е малка, като частта от повърхностния слой, но това не е необходимо. Тя се нарича повърхностна енергия и трябва да се вземе предвид при проблеми, свързани с повърхностното напрежение. Обикновено течностите заемат по-голям обем с еднакво тегло, тоест имат по-ниска плътност. Но защо обемите на леда и бисмута намаляват при топене и дори след точката на топене запазват тази тенденция за известно време? Оказва се, че тези вещества в течно състояние са по-плътни.

В течност всеки атом се въздейства от своите съседи и осцилира в анизотропната потенциална ямка, която създават. За разлика от твърдо тяло, този кладенец не е дълбок, тъй като далечните съседи почти нямат ефект. Най-близката среда на частици в течност се променя, т.е. течността тече. При достигане на определена температура течността кипи; по време на кипене температурата остава постоянна. Входящата енергия се изразходва за разрушаване на връзките и когато те са напълно разбити, течността се превръща в газ.

Плътностите на течностите са много по-големи от плътностите на газовете при същото налягане и температура. Така обемът на водата при кипене е само 1/1600 от обема на същата маса водна пара. Обемът на течността зависи малко от налягането и температурата. При нормални условия (20 °C и налягане 1,013 10 5 Pa) водата заема обем от 1 литър. При понижаване на температурата до 10 ° C обемът ще намалее само с 0,0021, с увеличаване на налягането - с два пъти.

Въпреки че все още няма прост идеален модел на течност, нейната микроструктура е достатъчно проучена и дава възможност да се обяснят качествено повечето от макроскопските й свойства. Фактът, че кохезията на молекулите в течности е по-слаба, отколкото в твърдо вещество, е забелязан от Галилей; той беше изненадан, че големи капки вода се натрупват върху листата на зелето и не се разпространяват по листа. Разлятият живак или водни капки върху мазна повърхност приемат формата на малки топчета поради сцепление. Когато молекулите на едно вещество се привличат от молекулите на друго вещество, това се нарича намокряне,например лепило и дърво, масло и метал (въпреки огромното налягане, маслото се задържа в лагерите). Но водата се издига в тънки тръбички, наречени капиляри, и се издига толкова по-високо, колкото по-тънка е тръбата. Не може да има друго обяснение освен ефекта от намокряне на вода и стъкло. Силите на омокряне между стъклото и водата са по-големи, отколкото между водните молекули. При живака ефектът е обратен: овлажняването на живака и стъклото е по-слабо от кохезионните сили между живачните атоми. Галилей забелязал, че намазана игла може да плува във вода, въпреки че това противоречи на закона на Архимед. Когато иглата плува,

но забележите леко отклонение на повърхността на водата, което има тенденция да се изправи, сякаш. Кохезионните сили между водните молекули са достатъчни, за да предотвратят падането на иглата във водата. Повърхностният слой, като филм, предпазва водата, това е повърхностно напрежение,която има тенденция да придава на формата на водата най-малката повърхност – сферична. Но иглата вече няма да плува на повърхността на алкохола, защото когато алкохолът се добави към водата, повърхностното напрежение намалява и иглата потъва. Сапунът също така намалява повърхностното напрежение, така че горещата сапунена пяна, проникваща в пукнатини и пукнатини, е по-добра за премахване на мръсотия, особено мазнини, докато чистата вода просто ще се свие на капчици.

Плазмата е четвъртото агрегатно състояние на материята, което е газ от колекция от заредени частици, взаимодействащи на големи разстояния. В този случай броят на положителните и отрицателните заряди е приблизително равен, така че плазмата е електрически неутрална. От четирите елемента плазмата съответства на огъня. За да превърнете газ в плазмено състояние, е необходимо да йонизирайтеотделя електрони от атомите. Йонизацията може да се извърши чрез нагряване, чрез действие на електрически разряд или чрез твърдо излъчване. Материята във Вселената е предимно в йонизирано състояние. При звездите йонизацията се причинява термично, в разредени мъглявини и междузвезден газ, от ултравиолетовото лъчение от звездите. Нашето Слънце също се състои от плазма, нейното излъчване йонизира горните слоеве на земната атмосфера, т.нар. йоносфера,възможността за радиовръзка на дълги разстояния зависи от състоянието му. При земни условия плазмата е рядка - във флуоресцентни лампи или в електрическа дъга. В лабораториите и технологиите плазмата най-често се произвежда чрез електрически разряд. В природата това става от мълния. При йонизация чрез разряд възникват електронни лавини, подобно на процеса на верижна реакция. За получаване на термоядрена енергия се използва методът на инжектиране: газовите йони, ускорени до много високи скорости, се инжектират в магнитни капани, привличат електрони от околната среда, образувайки плазма. Използва се и йонизация под налягане - ударни вълни. Този метод на йонизация се намира в свръхплътни звезди и вероятно в земното ядро.

Всяка сила, действаща върху йони и електрони, причинява електрически ток. Ако не е свързан с външни полета и не е затворен вътре в плазмата, той е поляризиран. Плазмата се подчинява на газовите закони, но когато се приложи магнитно поле, което регулира движението на заредените частици, тя проявява свойства, които са напълно необичайни за газ. В силно магнитно поле частиците започват да се въртят около силовите линии и по протежение на магнитното поле те се движат свободно. Твърди се, че това спирално движение измества структурата на силовите линии и полето е "замразено" в плазмата. Разредената плазма се описва от система от частици, докато по-плътната плазма се описва с флуиден модел.

Високата електропроводимост на плазмата е основната й разлика от газа. Проводимостта на студената плазма на повърхността на Слънцето (0,8 10 -19 J) достига проводимостта на металите, а при термоядрена температура (1,6 10 -15 J) водородната плазма провежда ток 20 пъти по-добре от медта при нормални условия. Тъй като плазмата е способна да провежда ток, към нея често се прилага моделът на проводяща течност. Счита се за непрекъсната среда, въпреки че свиваемостта я отличава от обикновената течност, но тази разлика се проявява само в потоци, чиято скорост е по-голяма от скоростта на звука. Поведението на проводяща течност се изучава в наука, наречена магнитна хидродинамика.В космоса всяка плазма е идеален проводник и законите на замръзналото поле се използват широко. Моделът на проводяща течност позволява да се разбере механизмът на задържане на плазмата от магнитно поле. По този начин от Слънцето се изхвърлят плазмени потоци, които засягат земната атмосфера. Самият поток няма магнитно поле, но външно поле не може да проникне в него според закона за замръзване. Плазмените слънчеви потоци изтласкват външни междупланетни магнитни полета извън околностите на Слънцето. Появява се магнитна кухина, където полето е по-слабо. Когато тези корпускулярни плазмени потоци се приближат до Земята, те се сблъскват с магнитното поле на Земята и са принудени да обиколят него по същия закон. Оказва се нещо като пещера, където се събира магнитното поле и където плазмените потоци не проникват. На повърхността му се натрупват заредени частици, които са засечени от ракети и спътници – това е външният радиационен пояс на Земята. Тези идеи са използвани и при решаване на проблемите на плазменото удържане от магнитно поле в специални устройства - токамаци (от съкращението на думите: тороидална камера, магнит). С напълно йонизирана плазма, съхранявана в тези и други системи, се възлагат надежди за получаване на контролирана термоядрена реакция на Земята. Това би осигурило чист и евтин източник на енергия (морска вода). Работи се и за получаване и задържане на плазма с помощта на фокусирано лазерно лъчение.

Най-разпространените познания са за три агрегатни състояния: течно, твърдо, газообразно, понякога мислят за плазма, по-рядко течен кристал. Наскоро в интернет се разпространи списък от 17 фази на материята, взет от известния () Стивън Фрай. Затова ще говорим за тях по-подробно, т.к. човек трябва да знае малко повече за материята, дори само за да разбере по-добре процесите, протичащи във Вселената.

Списъкът с агрегатни състояния на материята, даден по-долу, се увеличава от най-студените до най-горещите и т.н. може да бъде продължена. В същото време трябва да се разбере, че от газообразното състояние (№ 11), най-„разширената“, от двете страни на списъка, степента на компресия на веществото и неговото налягане (с някои резерви за такива неизследвани хипотетични състояния като квантово, лъчево или слабо симетрично) се увеличават След текста е дадена визуална графика на фазовите преходи на материята.

1. Квант- агрегатно състояние на материята, постигнато при падане на температурата до абсолютна нула, в резултат на което вътрешните връзки изчезват и материята се разпада на свободни кварки.

2. Бозе-Айнщайн кондензат- агрегатното състояние на материята, което се основава на бозони, охладени до температури, близки до абсолютната нула (по-малко от една милионна от градуса над абсолютната нула). В такова силно охладено състояние достатъчно голям брой атоми се оказват в минимално възможните си квантови състояния и квантовите ефекти започват да се проявяват на макроскопско ниво. Бозе-Айнщайн кондензат (често наричан "Бозе кондензат" или просто "гръб") се появява, когато охладите химичен елемент до изключително ниски температури (обикновено малко над абсолютната нула, минус 273 градуса по Целзий). , е теоретичната температура при което всичко спира да се движи).
Тук започват да се случват странни неща. Процесите, които обикновено се наблюдават само на атомно ниво, сега се случват в мащаби, достатъчно големи, за да бъдат наблюдавани с просто око. Например, ако поставите "гръб" в чаша и осигурите желаната температура, веществото ще започне да пълзи нагоре по стената и в крайна сметка ще излезе само.
Очевидно тук имаме работа с безполезен опит на материята да понижи собствената си енергия (която вече е на най-ниското от всички възможни нива).
Забавянето на атомите с помощта на оборудване за охлаждане води до единично квантово състояние, известно като Бозе кондензат или Бозе-Айнщайн. Това явление е предсказано през 1925 г. от А. Айнщайн, в резултат на обобщение на работата на С. Бозе, където е изградена статистическа механика за частици, вариращи от безмасови фотони до атоми с маса (ръкописът на Айнщайн, който се счита за изгубен, е намерен в библиотеката на университета в Лайден през 2005 г.). Резултатът от усилията на Бозе и Айнщайн е Бозе концепцията за газ, който се подчинява на статистиката на Бозе-Айнщайн, която описва статистическото разпределение на идентични частици с целочислен спин, наречени бозони. Бозоните, които са например както отделни елементарни частици - фотони, така и цели атоми, могат да бъдат един с друг в едни и същи квантови състояния. Айнщайн предполага, че охлаждането на атомите - бозони до много ниски температури, би ги накарало да преминат (или, с други думи, да кондензират) в възможно най-ниското квантово състояние. Резултатът от такава кондензация ще бъде появата на нова форма на материя.
Този преход се случва под критичната температура, която е за хомогенен триизмерен газ, състоящ се от невзаимодействащи частици без никакви вътрешни степени на свобода.

3. Фермионен кондензат- състояние на агрегиране на вещество, подобно на подложката, но различно по структура. Когато се приближават до абсолютната нула, атомите се държат различно в зависимост от големината на собствения им ъглов импулс (спин). Бозоните имат целочислени завъртания, докато фермионите имат завъртания, кратни на 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Фермионите се подчиняват на принципа на изключване на Паули, който гласи, че два фермиона не могат да имат едно и също квантово състояние. За бозоните няма такава забрана и следователно те имат възможността да съществуват в едно квантово състояние и по този начин да образуват така наречения Бозе-Айнщайн кондензат. Процесът на образуване на този кондензат е отговорен за прехода към свръхпроводящо състояние.
Електроните имат спин 1/2 и следователно са фермиони. Те се комбинират в двойки (т.нар. Cooper двойки), които след това образуват бозе кондензат.
Американски учени се опитаха да получат вид молекула от фермионни атоми чрез дълбоко охлаждане. Разликата от истинските молекули е, че няма химическа връзка между атомите - те просто се движат заедно по корелиран начин. Връзката между атомите се оказала дори по-силна, отколкото между електроните в двойките на Купър. За образуваните двойки фермиони общият спин вече не е кратен на 1/2, следователно те вече се държат като бозони и могат да образуват бозе кондензат с едно квантово състояние. По време на експеримента газ от атоми калий-40 беше охладен до 300 нанокелвина, докато газът беше затворен в така наречения оптичен капан. След това се прилага външно магнитно поле, с помощта на което е възможно да се промени естеството на взаимодействията между атомите - вместо силно отблъскване започва да се наблюдава силно привличане. Когато се анализира влиянието на магнитното поле, беше възможно да се намери такава стойност, при която атомите започнаха да се държат като купърови двойки електрони. На следващия етап от експеримента учените предлагат да се получат ефектите на свръхпроводимостта за фермионния кондензат.

4. Свръхтечна материя- състояние, в което веществото практически няма вискозитет и когато тече, то не изпитва триене с твърда повърхност. Последствието от това е например такъв интересен ефект като пълното спонтанно "изпълзяване" на свръхтечен хелий от съда по стените му срещу гравитацията. Разбира се, тук няма нарушение на закона за запазване на енергията. При липса на сили на триене върху хелия действат само гравитационните сили, сили на междуатомно взаимодействие между хелия и стените на съда и между хелиевите атоми. И така, силите на междуатомното взаимодействие превишават всички други сили, взети заедно. В резултат на това хелият има тенденция да се разпространява възможно най-много по всички възможни повърхности и следователно "пътува" по стените на съда. През 1938 г. съветският учен Пьотр Капица доказва, че хелият може да съществува в свръхтечно състояние.
Струва си да се отбележи, че много от необичайните свойства на хелия са известни от доста време. Въпреки това през последните години този химичен елемент ни „разглези“ с интересни и неочаквани ефекти. И така, през 2004 г. Моузес Чан и Юн-Сьонг Ким от Университета на Пенсилвания заинтригуваха научния свят, като твърдят, че са успели да получат напълно ново състояние на хелий - свръхтечно твърдо вещество. В това състояние някои хелиеви атоми в кристалната решетка могат да текат около други и по този начин хелият може да тече през себе си. Ефектът от "свръхтвърдостта" е теоретично предсказан още през 1969 г. И през 2004 г. - сякаш експериментално потвърждение. По-късните и много любопитни експерименти обаче показаха, че всичко не е толкова просто и може би такова тълкуване на явлението, което преди това беше взето за свръхтечността на твърд хелий, е неправилно.
Експериментът на учени, ръководени от Хъмфри Марис от университета Браун в САЩ, беше прост и елегантен. Учените поставили епруветка, обърната с главата надолу, в затворен резервоар с течен хелий. Част от хелия в епруветката и в резервоара е замръзнал по такъв начин, че границата между течност и твърдо вещество вътре в епруветката е по-висока, отколкото в резервоара. С други думи, в горната част на епруветката имаше течен хелий, а в долната част - твърд хелий; той плавно премина в твърдата фаза на резервоара, върху който беше излято малко течен хелий - по-ниско от нивото на течността в епруветката. Ако течният хелий започне да прониква през твърдо вещество, тогава разликата в нивата ще намалее и тогава можем да говорим за твърд свръхтечен хелий. И по принцип в три от 13 експеримента разликата в нивата е намаляла.

5. Свръхтвърда материя- агрегатно състояние, при което материята е прозрачна и може да "тече" като течност, но всъщност е лишена от вискозитет. Такива течности са известни от много години и се наричат ​​свръхфлуиди. Факт е, че ако свръхфлуидът се разбърква, той ще циркулира почти завинаги, докато нормалната течност в крайна сметка ще се успокои. Първите две свръхфлуиди са създадени от изследователи, използващи хелий-4 и хелий-3. Те бяха охладени почти до абсолютна нула - до минус 273 градуса по Целзий. И от хелий-4 американски учени успяха да получат свръхтвърдо тяло. Те компресирали замръзналия хелий под налягане повече от 60 пъти и след това стъклото, напълнено с веществото, било монтирано на въртящ се диск. При температура от 0,175 градуса по Целзий дискът изведнъж започна да се върти по-свободно, което според учените показва, че хелият се е превърнал в свръхтяло.

6. Твърди- агрегатно състояние на материята, характеризиращо се със стабилността на формата и естеството на топлинното движение на атомите, които правят малки вибрации около равновесните позиции. Стабилното състояние на твърдите вещества е кристално. Разграничаване на твърди вещества с йонни, ковалентни, метални и други видове връзки между атомите, което определя разнообразието от техните физически свойства. Електрическите и някои други свойства на твърдите тела се определят главно от естеството на движението на външните електрони на неговите атоми. Според електрическите си свойства твърдите тела се делят на диелектрици, полупроводници и метали, а според магнитните си свойства се делят на диамагнети, парамагнети и тела с подредена магнитна структура. Изследванията на свойствата на твърдите тела се обединиха в една голяма област - физика на твърдото тяло, чието развитие се стимулира от нуждите на технологиите.

7. Аморфно твърдо вещество- кондензирано агрегатно състояние на вещество, характеризиращо се с изотропност на физичните свойства, дължаща се на неправилното подреждане на атомите и молекулите. В аморфните твърди тела атомите вибрират около произволно разположени точки. За разлика от кристалното състояние, преходът от твърдо аморфно към течно състояние става постепенно. В аморфно състояние са различни вещества: стъкла, смоли, пластмаси и др.

8. Течен кристал- това е специфично агрегатно състояние на вещество, при което то едновременно проявява свойствата на кристал и течност. Трябва незабавно да направим резервация, че не всички вещества могат да бъдат в течнокристално състояние. Някои органични вещества със сложни молекули обаче могат да образуват специфично агрегатно състояние - течен кристал. Това състояние се осъществява по време на топенето на кристали на определени вещества. Когато се стопят, се образува течно-кристална фаза, която се различава от обикновените течности. Тази фаза съществува в диапазона от температурата на топене на кристала до някаква по-висока температура, при нагряване до която течният кристал се превръща в обикновена течност.
По какво се различава течният кристал от течния и обикновения кристал и как е подобен на тях? Подобно на обикновена течност, течният кристал има течливост и приема формата на съд, в който е поставен. По това се различава от кристалите, познати на всички. Но въпреки това свойство, което го обединява с течност, той има свойство, характерно за кристалите. Това е подреждането в пространството на молекулите, които образуват кристала. Вярно е, че това подреждане не е толкова пълно, колкото при обикновените кристали, но въпреки това значително влияе върху свойствата на течните кристали, което ги отличава от обикновените течности. Непълното пространствено подреждане на молекулите, които образуват течен кристал, се проявява във факта, че в течните кристали няма пълен ред в пространственото подреждане на центровете на тежестта на молекулите, въпреки че може да има частичен ред. Това означава, че те нямат твърда кристална решетка. Следователно течните кристали, подобно на обикновените течности, имат свойството на течливост.
Задължително свойство на течните кристали, което ги доближава до обикновените кристали, е наличието на ред в пространствената ориентация на молекулите. Такъв ред в ориентацията може да се прояви например във факта, че всички дълги оси на молекули в пробата от течен кристал са ориентирани по същия начин. Тези молекули трябва да имат удължена форма. В допълнение към най-простото наименовано подреждане на осите на молекулите, в течен кристал може да се реализира по-сложен ориентационен ред на молекулите.
В зависимост от вида на подреждането на молекулярните оси, течните кристали се делят на три вида: нематични, смектични и холестерични.
Изследванията върху физиката на течните кристали и тяхното приложение в момента се извършват на широк фронт във всички най-развити страни по света. Домашните изследвания са концентрирани както в академични, така и в промишлени изследователски институции и имат дълга традиция. Творбите на В.К. Фредерикс до V.N. Цветкова. През последните години, бързото изследване на течните кристали, руските изследователи също дават значителен принос за развитието на теорията на течните кристали като цяло и по-специално на оптиката на течните кристали. И така, произведенията на И.Г. Чистякова, A.P. Капустина, С.А. Бразовски, С.А. Пикина, Л.М. Блинов и много други съветски изследователи са широко известни на научната общност и служат като основа за редица ефективни технически приложения на течните кристали.
Съществуването на течните кристали е установено много отдавна, а именно през 1888 г., тоест преди почти век. Въпреки че учените са се сблъсквали с това състояние на материята преди 1888 г., то е официално открито по-късно.
Първият открил течните кристали е австрийският ботаник Райницер. Изследвайки новото вещество холестерил бензоат, синтезирано от него, той установи, че при температура от 145 ° C кристалите на това вещество се топят, образувайки мътна течност, която силно разсейва светлината. При продължително нагряване, при достигане на температура от 179 ° C, течността става бистра, тоест започва да се държи оптически като обикновена течност, като вода. Холестерил бензоатът показа неочаквани свойства в мътната фаза. Изследвайки тази фаза под поляризационен микроскоп, Reinitzer установи, че има двойно пречупване. Това означава, че показателят на пречупване на светлината, тоест скоростта на светлината в тази фаза, зависи от поляризацията.

9. Течност- агрегатно състояние на веществото, съчетаващо характеристиките на твърдо състояние (запазване на обем, определена якост на опън) и газообразно състояние (променливост на формата). Течността се характеризира с близък ред в подреждането на частици (молекули, атоми) и малка разлика в кинетичната енергия на топлинното движение на молекулите и тяхната потенциална енергия на взаимодействие. Термичното движение на течните молекули се състои от трептения около равновесните позиции и относително редки скокове от едно равновесно положение в друго, което е свързано с течливостта на течността.

10. Свръхкритична течност(GFR) е състоянието на агрегиране на веществото, при което разликата между течната и газовата фаза изчезва. Всяко вещество при температура и налягане над критичната точка е свръхкритична течност. Свойствата на веществото в свръхкритично състояние са междинни между свойствата му в газова и течна фаза. По този начин SCF има висока плътност, близка до течността, и нисък вискозитет, като газовете. Коефициентът на дифузия в този случай има междинна стойност между течност и газ. Веществата в свръхкритично състояние могат да се използват като заместители на органичните разтворители в лабораторни и промишлени процеси. Свръхкритичната вода и свръхкритичният въглероден диоксид са получили най-голям интерес и разпространение във връзка с определени свойства.
Едно от най-важните свойства на свръхкритичното състояние е способността да разтваря вещества. Чрез промяна на температурата или налягането на течността може да се променят нейните свойства в широк диапазон. По този начин е възможно да се получи течност, чиито свойства са близки или до течност, или до газ. По този начин разтварящата способност на флуид се увеличава с увеличаване на плътността (при постоянна температура). Тъй като плътността се увеличава с увеличаване на налягането, промяната на налягането може да повлияе на силата на разтваряне на флуида (при постоянна температура). В случай на температура зависимостта на свойствата на флуида е малко по-сложна - при постоянна плътност силата на разтваряне на флуида също се увеличава, но близо до критичната точка, леко повишаване на температурата може да доведе до рязък спад на плътността, и съответно разтваряща сила. Свръхкритичните течности се смесват помежду си за неопределено време, така че когато се достигне критичната точка на сместа, системата винаги ще бъде еднофазна. Приблизителната критична температура на бинарна смес може да се изчисли като средноаритметично от критичните параметри на веществата Tc(mix) = (молна фракция на A) x TcA + (молна фракция на B) x TcB.

11. Газообразна- (френски gaz, от гръцки chaos - хаос), агрегатното състояние на материята, при което кинетичната енергия на топлинното движение на нейните частици (молекули, атоми, йони) значително надвишава потенциалната енергия на взаимодействията между тях и следователно частиците движете се свободно, равномерно запълвайки при липса на външни полета, целият им предоставен им обем.

12. Плазма- (от гръцки плазма - оформен, оформен), състояние на материята, което е йонизиран газ, при което концентрациите на положителни и отрицателни заряди са равни (квазинеутралитет). По-голямата част от материята във Вселената е в плазмено състояние: звезди, галактически мъглявини и междузвездна среда. В близост до Земята плазмата съществува под формата на слънчев вятър, магнитосфера и йоносфера. Изследва се високотемпературна плазма (T ~ 106 - 108 K) от смес от деутерий и тритий с цел осъществяване на контролиран термоядрен синтез. Нискотемпературната плазма (T Ј 105K) се използва в различни газоразрядни устройства (газови лазери, йонни устройства, MHD генератори, плазмени горелки, плазмени двигатели и др.), както и в технологиите (виж Плазмена металургия, Плазмено сондиране, плазмена технология).

13. Дегенерирана материя- е междинен етап между плазмата и неутрония. Наблюдава се при белите джуджета и играе важна роля в еволюцията на звездите. Когато атомите са в условия на изключително високи температури и налягания, те губят своите електрони (те преминават в електронен газ). С други думи, те са напълно йонизирани (плазма). Налягането на такъв газ (плазма) се определя от налягането на електроните. Ако плътността е много висока, всички частици са принудени да се приближат една към друга. Електроните могат да бъдат в състояния с определени енергии, а два електрона не могат да имат еднаква енергия (освен ако спиновете им не са противоположни). Така в плътен газ всички по-ниски енергийни нива се оказват запълнени с електрони. Такъв газ се нарича изроден. В това състояние електроните проявяват изродено електронно налягане, което се противопоставя на силите на гравитацията.

14. Неутроний— агрегатно състояние, в което материята преминава под свръхвисоко налягане, което все още е недостижимо в лабораторията, но съществува вътре в неутронните звезди. По време на прехода в неутронно състояние електроните на материята взаимодействат с протоните и се превръщат в неутрони. В резултат на това материята в неутронно състояние се състои изцяло от неутрони и има плътност от порядъка на ядрената. Температурата на веществото в този случай не трябва да е твърде висока (в енергиен еквивалент не повече от сто MeV).
При силно повишаване на температурата (стотици MeV и повече) в неутронно състояние започват да се раждат и анихилират различни мезони. При по-нататъшно повишаване на температурата настъпва деконфинансиране и материята преминава в състояние на кварк-глюонна плазма. Той вече не се състои от адрони, а от постоянно раждащи се и изчезващи кварки и глуони.

15. Кварк-глюонна плазма(хромоплазма) е агрегатно състояние на материята във физиката на високите енергии и физиката на елементарните частици, при което адронната материя преминава в състояние, подобно на състоянието, в което електроните и йоните са в обикновената плазма.
Обикновено материята в адроните е в така нареченото безцветно ("бяло") състояние. Тоест кварките с различни цветове се компенсират взаимно. Подобно състояние съществува и в обикновената материя - когато всички атоми са електрически неутрални, т.е.
положителните заряди в тях се компенсират с отрицателни. При високи температури може да настъпи йонизация на атомите, докато зарядите се разделят и веществото става, както се казва, "квазинеутрално". Тоест целият облак от материя като цяло остава неутрален, а отделните му частици престават да бъдат неутрални. Предполага се, че същото може да се случи и с адронната материя – при много високи енергии цветът се освобождава и прави веществото „квазибезцветно“.
Предполага се, че материята на Вселената е била в състояние на кварк-глюонна плазма в първите моменти след Големия взрив. Сега кварк-глюонната плазма може да се образува за кратко време при сблъсъци на частици с много високи енергии.
Кварк-глюонната плазма е получена експериментално в ускорителя RHIC в Националната лаборатория в Брукхейвън през 2005 г. Максималната температура на плазмата от 4 трилиона градуса по Целзий е получена там през февруари 2010 г.

16. Странна субстанция- агрегатно състояние, при което материята се компресира до граничните стойности на плътност, може да съществува под формата на "кваркова супа". Един кубичен сантиметър материя в това състояние би тежил милиарди тонове; освен това, той ще превърне всяко нормално вещество, с което влиза в контакт, в същата "странна" форма с освобождаване на значително количество енергия.
Енергията, която може да се освободи по време на превръщането на веществото от ядрото на звезда в "странно вещество", ще доведе до свръхмощна експлозия на "кваркова нова" - и според Лихи и Уайд точно тази експлозия, която астрономите наблюдаваха през септември 2006 г.
Процесът на образуване на това вещество започна с обикновена свръхнова, в която се превърна масивна звезда. В резултат на първата експлозия се образува неутронна звезда. Но според Лихи и Уайд, той не продължи дълго - тъй като въртенето му изглеждаше забавено от собственото му магнитно поле, то започна да се свива още повече, с образуването на съсирек от "странни неща", което доведе до още по-мощно, отколкото при нормална експлозия на свръхнова, освобождаването на енергия - и външните слоеве на веществото на бившата неутронна звезда, летящи в околното пространство със скорост, близка до скоростта на светлината.

17. Силно симетрична материя- това е вещество, компресирано до такава степен, че микрочастиците вътре в него се наслояват една върху друга, а самото тяло се срива в черна дупка. Терминът „симетрия“ се обяснява по следния начин: Да вземем агрегатните състояния на материята, познати на всички от училищната скамейка – твърдо, течно, газообразно. За определеност разгледайте идеалния безкраен кристал като твърдо тяло. Той има известна, така наречената дискретна симетрия по отношение на транслацията. Това означава, че ако кристалната решетка се измести на разстояние, равно на интервала между два атома, нищо няма да се промени в нея - кристалът ще съвпадне със себе си. Ако кристалът се разтопи, тогава симетрията на получената течност ще бъде различна: тя ще се увеличи. В кристала са еквивалентни само точки, които са отдалечени една от друга на определени разстояния, така наречените възли на кристалната решетка, в които са разположени идентични атоми.
Течността е хомогенна по целия си обем, всичките й точки са неразличими една от друга. Това означава, че течностите могат да бъдат измествани на произволни разстояния (а не само на някои дискретни, както е в кристал) или завъртани на произволни ъгли (което в кристалите изобщо не може да се направи) и то ще съвпада със себе си. Степента му на симетрия е по-висока. Газът е още по-симетричен: течността заема определен обем в съда и има асиметрия вътре в съда, където има течност, и точки, където не е. Газът, от друга страна, заема целия предоставен му обем и в този смисъл всичките му точки са неразличими една от друга. Въпреки това би било по-правилно да се говори тук не за точки, а за малки, но макроскопични елементи, защото на микроскопично ниво все още има разлики. В някои моменти от времето има атоми или молекули, докато други не. Симетрията се наблюдава само средно, или в някои макроскопични параметри на обема, или във времето.
Но все още няма мигновена симетрия на микроскопично ниво. Ако веществото се компресира много силно, до натиск, който е неприемлив в ежедневието, компресиран така, че атомите са били смачкани, черупките им проникват една в друга и ядрата започват да се докосват, възниква симетрия на микроскопично ниво. Всички ядра са еднакви и притиснати едно към друго, има не само междуатомни, но и междуядрени разстояния и веществото става хомогенно (странно вещество).
Но има и субмикроскопично ниво. Ядрата са съставени от протони и неутрони, които се движат вътре в ядрото. Между тях също има малко пространство. Ако продължите да компресирате, така че ядрата също да бъдат смачкани, нуклоните ще се притискат плътно един към друг. Тогава на субмикроскопично ниво ще се появи симетрия, която дори не е вътре в обикновените ядра.
От казаното се вижда съвсем определена тенденция: колкото по-висока е температурата и по-високо налягане, толкова по-симетрично става веществото. Въз основа на тези съображения, веществото, компресирано до максимум, се нарича силно симетрично.

18. Слабо симетрична материя- състояние, противоположно на силно симетричната материя по своите свойства, което е присъствало в много ранната Вселена при температура, близка до температурата на Планк, може би 10-12 секунди след Големия взрив, когато силните, слабите и електромагнитните сили са били една суперсила . В това състояние материята се компресира до такава степен, че нейната маса се превръща в енергия, която започва да се надува, тоест да се разширява без ограничение. Все още не е възможно да се постигнат енергии за експериментално производство на суперсила и прехвърляне на материя в тази фаза при земни условия, въпреки че такива опити са правени в Големия адронен колайдер с цел изследване на ранната Вселена. Поради липсата на гравитационно взаимодействие в състава на свръхсилата, която образува това вещество, суперсилата не е достатъчно симетрична в сравнение със суперсиметричната сила, която съдържа всичките 4 вида взаимодействия. Следователно това агрегатно състояние получи такова име.

19. Радиационна материя- това всъщност вече не е вещество, а енергия в най-чистата си форма. Въпреки това, това е хипотетично състояние на агрегатиране, което ще приеме едно тяло, което е достигнало скоростта на светлината. Може да се получи и чрез нагряване на тялото до температурата на Планк (1032K), тоест чрез разпръскване на молекулите на веществото до скоростта на светлината. Както следва от теорията на относителността, когато скоростта достигне повече от 0,99 s, масата на тялото започва да расте много по-бързо, отколкото при "нормално" ускорение, освен това тялото се удължава, затопля, тоест започва да излъчват в инфрачервения спектър. При преминаване на прага от 0,999 s тялото радикално се променя и започва бърз фазов преход до състояние на лъча. Както следва от формулата на Айнщайн, взета изцяло, нарастващата маса на крайното вещество се състои от маси, които са отделени от тялото под формата на топлинно, рентгеново, оптично и друго лъчение, енергията на всяка от които е описано от следващия член във формулата. По този начин тяло, приближаващо скоростта на светлината, ще започне да излъчва във всички спектри, да нараства по дължина и да се забавя във времето, изтънявайки до дължината на Планк, тоест при достигане на скорост c тялото ще се превърне в безкрайно дълго и тънко лъч, движещ се със скоростта на светлината и състоящ се от фотони, които нямат дължина, и неговата безкрайна маса напълно ще се превърне в енергия. Следователно, такова вещество се нарича радиация.

„Алкохоли“ От историята  Знаете ли, че още през IV в. пр.н.е д. знаеха ли хората как да правят напитки, съдържащи етилов алкохол? Виното се получава чрез ферментация на плодови и горски сокове. Те обаче се научили да извличат опияняващия компонент от него много по-късно. През XI век. алхимиците уловиха пари на летливо вещество, което се отделяше при нагряване на вино Определение n Обща формула на едновалентни наситени алкохоли СnН2n+1ОН Класификация на алкохолите Според броя на хидроксилните групи CxHy(OH)n Едновалентни алкохоли CH3 - CH2 - CH2 OH Двувалентни гликоли CH3 - CH - CH2 OH OH По естеството на въглеводородния въглеводороден радикал на радикала CxHy(OH)n CxHy(OH)n Гранична граница CH3 CH3 –– CH CH2 CH2 2 ––CH 2 OH OH Ненаситен Ненаситен CH CH2 = CH CH––CH CH2 2 = 2 OH OH Ароматни Ароматни CH CH2 OH 2 --OH водород, съответстващ на алкохол, добавете (генеричен) суфикс - OL. Числата след наставката показват позицията на хидроксилната група в главната верига: H | H-C-OH | H метанол H H H |3 |2 |1 H- C – C – C -OH | | | H H H пропанол-1 H H H | 1 | 2 |3 Н-С-С-С-Н | | | H OH H пропанол -2 ВИДОВЕ ИЗОМЕРИЯ 1. Изомерия на позицията на функционалната група (пропанол–1 и пропанол–2) 2. Изомерия на въглеродния скелет CH3-CH2-CH2-CH2-OH бутанол-1 CH3-CH -CH2-OH | CH3 2-methylpropanol-1 3. Междукласова изомерия - алкохолите са изомерни на етери: CH3-CH2-OH етанол CH3-O-CH3 диметил етер суфикс -ol  За многовалентни алкохоли, преди наставката -ol на гръцки (-di-, -tri-, ...) броят на хидроксилните групи е посочен  Например: CH3-CH2-OH етанол Видове изомерия на алкохоли Структурна 1. Въглеродна верига 2. Позиции на функционални групи ФИЗИЧЕСКИ СВОЙСТВА  По-ниски алкохоли (C1-C11) летливи течности с остра миризма  Висши алкохоли (C12- и по-високи) твърди вещества с приятна миризма ФИЗИЧЕСКИ СВОЙСТВА Наименование Формула Pl. g/cm3 tmeltC tbpC Метил CH3OH 0,792 -97 64 Етил C2H5OH 0,790 -114 78 Пропил CH3CH2CH2OH 0,804 -120 92 Изопропил CH3-CH(OH)-CH63 - CH08 Физични свойства -CH12e80 -CH62 -808 : агрегатно състояние Метиловият алкохол (първият представител на хомоложната серия алкохоли) е течност. Може би има високо молекулно тегло? Не. Много по-малко от въглеродния диоксид. Тогава какво е то? R - O ... H - O ... H - O H R R Защо? CH3 - O ... H - O ... N - O H N CH3 И ако радикалът е голям? CH3 - CH2 - CH2 - CH2 - CH2 - O ... H - OHN Водородните връзки са твърде слаби, за да задържат молекула на алкохол, която има голяма неразтворима част, между водните молекули Характеристика на физичните свойства: свиване Защо, при решаване на изчисление проблеми, никога не използват обем, а само тегло? Смесете 500 мл алкохол и 500 мл вода. Получаваме 930 ml разтвор. Водородните връзки между молекулите на алкохола и водата са толкова големи, че общият обем на разтвора намалява, неговата „компресия“ (от лат. contraktio – компресия). Отделни представители на алкохолите Едновалентен алкохол - метанол  Безцветна течност с точка на кипене 64С, характерна миризма По-лека от водата. Гори с безцветен пламък.  Използва се като разтворител и гориво в двигателите с вътрешно горене Метанолът е отрова  Токсичният ефект на метанола се основава на увреждане на нервната и съдовата система. Поглъщането на 5-10 ml метанол води до тежко отравяне, а 30 ml или повече - до смърт. Едновалентен алкохол - етанол Безцветна течност с характерна миризма и парещ вкус, точка на кипене 78С. По-лек от водата. Смесва се с нея във всяка връзка. Запалим, гори със слабо светещ синкав пламък. Приятелство с КАТ Приятели ли са духовете с КАТ? Но как! Случвало ли ви се е да сте спирали инспектор на КАТ? Дишахте ли в тръба? Ако не сте имали късмет, тогава е протекла реакцията на окисляване на алкохол, при която цветът се променя и трябва да платите глоба Въпросът е интересен. Алкохолът се отнася до ксенобиотици - вещества, които не се съдържат в човешкото тяло, но влияят на неговата жизнена дейност. Всичко зависи от дозата. 1. Алкохолът е хранително вещество, което осигурява на тялото енергия. През Средновековието тялото получава около 25% от енергията си от консумация на алкохол; 2. Алкохолът е лекарство, което има дезинфекциращо и антибактериално действие; 3. Алкохолът е отрова, която нарушава естествените биологични процеси, разрушава вътрешните органи и психиката и при прекомерна консумация води до смърт Употреба на етанол  Етиловият алкохол се използва при приготвянето на различни алкохолни напитки;  В медицината за приготвяне на екстракти от лечебни растения, както и за дезинфекция;  В козметиката и парфюмерията етанолът е разтворител за парфюми и лосиони Вредно въздействие на етанола  В началото на интоксикацията страдат структурите на мозъчната кора; дейността на мозъчните центрове, които контролират поведението, се потиска: разумният контрол върху действията се губи и критичното отношение към себе си намалява. И. П. Павлов нарече такова състояние „насилие на подкората“  При много високо съдържание на алкохол в кръвта се инхибира дейността на двигателните центрове на мозъка, страда главно функцията на малкия мозък - човек напълно губи ориентация Вреден ефекти на етанола  Промените в мозъчната структура, причинени от дългогодишна алкохолна интоксикация, са необратими и дори след продължително въздържане от пиене на алкохол, те продължават. Ако човек не може да спре, тогава органичните и следователно психическите отклонения от нормата се увеличават. Вредното въздействие на етанола  Алкохолът оказва изключително неблагоприятно въздействие върху съдовете на мозъка. В началото на интоксикацията те се разширяват, притокът на кръв в тях се забавя, което води до задръствания в мозъка. Тогава, когато освен алкохола, в кръвта започнат да се натрупват вредни продукти от непълното му разпадане, настъпва остър спазъм, настъпва вазоконстрикция и се развиват опасни усложнения като мозъчни инсулти, водещи до тежка инвалидизация и дори смърт. ВЪПРОСИ ЗА КОНСОЛИДАЦИЯ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. В единия неподписан съд има вода, а в другия – алкохол. Възможно ли е да се използва индикатор за разпознаването им? Кой има честта да получи чист алкохол? Може ли алкохолът да бъде твърдо вещество? Молекулното тегло на метанола е 32, а въглеродния диоксид е 44. Направете заключение за агрегатното състояние на алкохола. Смесват се литър алкохол и един литър вода. Определете обема на сместа. Как да проведем инспектор на КАТ? Може ли безводният абсолютен алкохол да отделя вода? Какво представляват ксенобиотиците и как са свързани с алкохола? ОТГОВОРИ 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Не можете. Индикаторите не влияят върху алкохолите и техните водни разтвори. Разбира се, алхимиците. Може би, ако този алкохол съдържа 12 въглеродни атома или повече. От тези данни не може да се направи извод. Водородните връзки между алкохолни молекули при ниско молекулно тегло на тези молекули правят точката на кипене на алкохола необичайно висока. Обемът на сместа няма да бъде два литра, а много по-малко, приблизително 1 литър - 860 мл. Не пийте по време на шофиране. Може би ако го загреете и добавите конц. сярна киселина. Не бъдете мързеливи и запомнете всичко, което сте чували за алкохолите, решете сами веднъж завинаги каква доза е вашата……. и има ли нужда изобщо? Многовалентен алкохол етилен гликол  Етиленгликолът е представител на ограничаващите двувалентни алкохоли – гликоли;  Гликолите получиха името си поради сладкия вкус на много представители на поредицата (гръцки „гликос” - сладък);  Етиленгликолът е сиропирана течност със сладък вкус, без мирис, отровна. Смесва се добре с вода и алкохол, хигроскопичен Употреба на етиленгликол  Важно свойство на етиленгликола е способността да понижава точката на замръзване на водата, от което веществото е намерило широко приложение като компонент на автомобилните антифриз и течности против замръзване;  Използва се за получаване на лавсан (ценно синтетично влакно) Етиленгликолът е отрова  Дозите, които причиняват фатално отравяне с етиленгликол варират в широки граници – от 100 до 600 ml. Според някои автори смъртоносната доза за хората е 50-150 мл. Смъртността поради етиленгликол е много висока и представлява повече от 60% от всички случаи на отравяне;  Механизмът на токсичното действие на етиленгликола не е достатъчно проучен досега. Етиленгликолът се абсорбира бързо (включително през порите на кожата) и циркулира в кръвта непроменен в продължение на няколко часа, достигайки максимална концентрация след 2-5 часа. След това съдържанието му в кръвта постепенно намалява и се фиксира в тъканите. Безцветна, вискозна, хигроскопична течност със сладък вкус. Смесва се с вода във всички пропорции, добър разтворител. Реагира с азотна киселина за образуване на нитроглицерин. Образува мазнини и масла с карбоксилни киселини CH2 – CH – CH2 OH OH OH Приложение на глицерин  Използва се при     производство на нитроглицеринови експлозиви; При обработка на кожата; Като компонент на някои лепила; При производството на пластмаси глицеринът се използва като пластификатор; При производството на сладкарски изделия и напитки (като хранителна добавка E422) Качествена реакция към многовалентни алкохоли Качествена реакция към многовалентни алкохоли  Реакцията към многовалентни алкохоли е тяхното взаимодействие с прясна утайка от меден (II) хидроксид, който се разтваря, за да образува ярко синьо -виолетово решение Задачи Пълна работна карта за урока;  Отговорете на тестовите въпроси;  Решете кръстословицата  Работна карта на урока „Алкохоли”  Обща формула на алкохолите  Назовете веществата:  CH3OH  CH3-CH2-CH2-CH2-OH  CH2(OH)-CH2(OH) атомността на алкохол?  Избройте употребите на етанол  Какви алкохоли се използват в хранително-вкусовата промишленост?  Какъв алкохол причинява фатално отравяне при поглъщане на 30 ml?  Какво вещество се използва като течност против замръзване?  Как да различим многовалентния алкохол от едновалентния алкохол? Методи на производство Лабораторни  Хидролиза на халоалкани: R-CL+NaOH R-OH+NaCL  Хидратиране на алкени: CH2=CH2+H2O C2H5OH  Хидрогениране на карбонилни съединения Промишлен  Синтез на метанол от синтез-газ CO+2H2 CH3 повишено налягане, висока температура и катализатор от цинков оксид)  Хидратиране на алкени  Ферментация на глюкоза: C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 Химични свойства I. Реакции с разкъсване на RO–H връзката  Алкохолите реагират с алкални и алкалоземни метални съединения алкохолати 2СH CH CH OH + 2Na  2CH CH CH ONa + H  2CH CH OH + Ca  (CH CHO) Ca + H  3 2 3 2 2 3 3 2 2 2 2 2 2  Взаимодействие с органични киселини (естерна реакция ) води до образуването на естери. CH COOH + HOC H  CHCOOC H (оцетен етилов етер (етилацетат)) + HO 3 2 5 3 2 5 2 II. Реакции с разкъсване на връзката R–OH С халогеноводороди: R–OH + HBr  R–Br + H2O III. Реакции на окисление Алкохолите изгарят: 2C3H7OH + 9O2  6CO2 + 8H2O Под действието на окислители:  първичните алкохоли се превръщат в алдехиди, вторични в кетони IV. Дехидратация Настъпва при нагряване с реагенти за отстраняване на вода (конц. H2SO4). 1. Вътрешномолекулярната дехидратация води до образуването на алкени CH3–CH2–OH  CH2=CH2 + H2O 2. Междумолекулната дехидратация дава етери R-OH + H-O–R  R–O–R(етер) + H2O