Въпросите за това какво е агрегатното състояние, какви характеристики и свойства имат твърди вещества, течности и газове, се разглеждат в няколко курсове за обучение. Има три класически състояния на материята със свои собствени характерни структурни характеристики. Тяхното разбиране е важен моментв разбирането на науките за Земята, живите организми и производствените дейности. Тези въпроси се изучават от физиката, химията, географията, геологията, физикохимията и други научни дисциплини. Веществата, които при определени условия са в един от трите основни типа състояние, могат да се променят с повишаване или намаляване на температурата и налягането. Нека разгледаме възможните преходи от едно състояние на агрегиране в друго, както се случват в природата, технологиите и ежедневието.

Какво е агрегатно състояние?

Думата от латински произход "aggrego", преведена на руски означава "присъединяване". Научният термин се отнася до състоянието на същото тяло, субстанция. Съществуването на твърди вещества, газове и течности при определени температури и различно налягане е характерно за всички обвивки на Земята. Освен трите основни агрегатни състояния има и четвърто. При повишена температураи 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 веществата и телата.

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

Представи за микрокосмоса: от Древна Гърция до 17 век

Първата информация за частиците, които изграждат физически тела, се появи в Древна Гърция. Мислителите Демокрит и Епикур въведоха такова понятие като атом. Те вярваха, че тези най-малки неделими частици различни веществаТе имат форма, определен размер и са способни на движение и взаимодействие помежду си. Атомизмът става 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 състоянието на материята. Едва след 17-ти век учените Р. Бойл, М. Ломоносов, Д. Далтон, А. Лавоазие формулират разпоредбите 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 микросвета настъпва през 20 век, когато е изобретен електронният микроскоп. Като се вземат предвид откритията, направени от учените по-рано, беше възможно да се състави последователна картина на микросвета. Теориите, които описват състоянието и поведението на най-малките частици материя, са доста сложни, те се отнасят до областта на За да разберем характеристиките на различните агрегатни състояния на материята, е достатъчно да знаем имената и характеристиките на основните структурни частици, които образуват; различни вещества.

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

Има вещества, чиито частици са разположени в пространството по определен начин. Подреденото взаимно разположение на атомите, йоните и молекулите се нарича кристална решетка. Обикновено йонните и атомните кристални решетки са характерни за твърди тела, молекулярни - за течности и газове. Диамантът се отличава с висока твърдост. Неговата атомна кристална решетка се формира 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, но когато високи температуривеществото се превръща в течност и аморфна маса.

Вещества в твърдо агрегатно състояние

Твърдите вещества при нормални условия запазват своя обем и форма. Например песъчинка, захар, сол, парче скала или метал. Ако загреете захарта, веществото започва да се топи, превръщайки се в вискозна кафява течност. Да спрем отоплението и пак ще получим твърдо. Това означава, че едно от основните условия за прехода твърдов течност - нагряването й или увеличаване на вътрешната енергия на частиците на дадено вещество. Твърдото агрегатно състояние на солта, която се използва за храна, също може да се промени. Но за да се разтопи трапезната сол, е необходима по-висока температура, отколкото при нагряване на захар. Факт е, че захарта се състои от молекули, а трапезната сол се състои от заредени йони, които са по-силно привлечени един към друг. Твърдите вещества в течна форма не запазват формата си, тъй като кристалните решетки се разрушават.

Течното агрегатно състояние на солта при топене се обяснява с разкъсването на връзките 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 даде различни форми. Металните сплави са широко разпространени. Има няколко начина за тяхното получаване, свързани с промени в агрегатното състояние на твърдите суровини.

Течността е едно от основните агрегатни състояния

Ако налеете 50 ml вода в колба с кръгло дъно, ще забележите, че веществото веднага ще придобие формата на химически съд. Но веднага щом излеем водата от колбата, течността веднага ще се разтече по повърхността на масата. Обемът на водата ще остане същият - 50 ml, но формата й ще се промени. Изброените особености са характерни за течната форма на съществуване на материята. Много органични вещества са течности: алкохоли, растителни масла, киселини.

Млякото е емулсия, т.е. течност, съдържаща капчици мазнина. Полезен течен ресурс е петролът. Извлича се от кладенци с помощта на сондажни платформи на сушата и в океана. Морската вода също е суровина за индустрията. Разликата му от сладката вода в реките и езерата се състои в съдържанието на разтворени вещества, главно соли. При изпаряване от повърхността на резервоарите само молекулите на H 2 O преминават в състояние на пара, остават разтворени вещества. Методите за получаване се основават на това свойство полезни веществаот морска вода и методи за нейното пречистване.

При пълно отстраняване на солите се получава дестилирана вода. Кипи при 100 °C и замръзва при 0 °C. Саламура кипи и се превръща в лед при други температури. Например водата в Северния ледовит океан замръзва при повърхностна температура от 2 °C.

Агрегатното състояние на живака при нормални условия е течно. Този сребристосив метал обикновено се използва за пълнене на медицински термометри. При нагряване живачният стълб се издига върху скалата и веществото се разширява. Защо се използва алкохол, тониран с червена боя, а не с живак? Това се обяснява със свойствата на течния метал. При 30-градусови студове състоянието на агрегация на живака се променя, веществото става твърдо.

Ако медицинският термометър се счупи и живакът се разлее, тогава събирането на сребърните топки с ръце е опасно. Вдишването на живачни пари е вредно, това вещество е много токсично. В такива случаи децата трябва да се обърнат за помощ към своите родители и възрастни.

Газообразно състояние

Газовете не могат да запазят нито обема, нито формата си. Нека напълним колбата до горе с кислород (химичната му формула е O2). Веднага след като отворим колбата, молекулите на веществото ще започнат да се смесват с въздуха в стаята. Това се случва поради брауновото движение. Още древногръцкият учен Демокрит вярва, че частиците материя са в постоянно движение. В твърдите вещества при нормални условия атомите, молекулите и йоните нямат възможност да напуснат кристалната решетка или да се освободят от връзки с други частици. Това е възможно само когато голямо количество енергия се доставя отвън.

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

Атмосферата на Земята съдържа 21% кислород и 78% азот по обем. Тези вещества не се намират в течна форма в газовата обвивка на планетата. Течният кислород е светлосин на цвят и се използва за пълнене на бутилки при високо налягане за използване в медицински условия. В промишлеността и строителството втечнените газове са необходими за извършване на много процеси. Кислородът е необходим за газово заваряване и рязане на метали, а в химията за окислителни реакции на неорганични и органични вещества. Ако отворите вентила на кислородна бутилка, налягането намалява и течността се превръща в газ.

Втечненият пропан, метан и бутан намират широко приложение в енергетиката, транспорта, индустрията и бита. Тези вещества се получават от природен газ или по време на крекинг (разцепване) на петролна суровина. Въглеродните течни и газообразни смеси играят важна роля в икономиките на много страни. Но запасите от нефт и природен газ са силно изчерпани. Според учените тази суровина ще издържи 100-120 години. Алтернативен източник на енергия е въздушният поток (вятър). Бързо течащите реки и приливите по бреговете на морета и океани се използват за работа на електроцентрали.

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

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

Промените в агрегатното състояние на веществата не са свързани с химични трансформации, това са физически явления. С повишаването на температурата много твърди вещества се топят и се превръщат в течности. По-нататъшното 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 състояния 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, т.е. се превръща в лед. Когато температурата се повиши, образувалите се кристали се разрушават - ледът се топи и отново се оказва течна вода. Когато се нагрява, се образува изпарение - превръщането на водата в газ - дори при ниски температури. Например, замръзналите локви постепенно изчезват, защото водата се изпарява. Дори при мразовито време мокрото пране изсъхва, но този процес отнема повече време, 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 Световния океан, преноса на влага под формата на облаци и мъгла към сушата и валежите (дъжд, сняг, градушка). Тези явления формират основата на световния воден цикъл в природата.

Как се променят агрегатните състояния на сярата?

При нормални условия сярата е ярки лъскави кристали или светложълт прах, т.е. тя 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 налеете течна сяра в студена вода, след което се получава кафява аморфна маса. При по-нататъшно нагряване на сярната стопилка тя става все по-вискозна и потъмнява. При температури над 300 °C агрегатното състояние на сярата отново се променя, веществото придобива свойствата на течност и става подвижно. Тези преходи възникват поради способността на атомите на даден елемент да образуват вериги с различна дължина.

Защо веществата могат да бъдат в различни агрегатни състояния?

Състоянието на агрегиране на сярата, просто вещество, е твърдо при обикновени условия. Серният диоксид е газ, сярната киселина е мазна течност, по-тежка от водата. За разлика от солта и азотни киселинине е летлив, молекулите не се изпаряват от повърхността му. Какво агрегатно състояние има пластмасовата сяра, която се получава чрез нагряване на кристали?

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

Какви характеристики съществуват в структурата на твърдите тела?

Съществуващите различия между основните агрегатни състояния на материята се обясняват с взаимодействието между атомите, йоните и молекулите. Например, защо твърдото 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 това, което се нарича „електронен газ“, колекция от свободни електрони в парче метал. Кристалите на солта възникват поради привличането на противоположно заредени частици - йони. Разстоянието между горните структурни единици на твърдите вещества е много по-малко от размерите на самите частици. В този случай действа електростатично привличане, което придава сила, но отблъскването не е достатъчно силно.

За да се разруши твърдото агрегатно състояние на дадено вещество, трябва да се положат усилия. Метали, соли и атомни кристали се топят при много високи температури. Например желязото става течно при температури над 1538 °C. Волфрамът е огнеупорен и се използва за направата на нишки с нажежаема жичка за електрически крушки. Има сплави, които стават течни при температури над 3000 °C. Много от тях на Земята са в твърдо състояние. Тези суровини се добиват по технология в мини и кариери.

За да се отдели дори един йон от кристал, трябва да се изразходва голямо количество енергия. Но е достатъчно да разтворите сол 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 с йони на солта, разрушавайки химичната връзка между тях. По този начин разтварянето не е просто смесване на различни вещества, а физикохимично взаимодействие между тях.

Как взаимодействат течните молекули?

Водата може да бъде течност, твърдо вещество и газ (пара). Това са неговите основни агрегатни състояния при нормални условия. Водните молекули се състоят от един кислороден атом, към който са свързани два водородни атома. Получава се поляризация на химичната връзка в молекулата и се появява частичен отрицателен заряд на кислородните атоми. Водородът става положителният полюс в молекулата, привлечен от кислородния атом на друга молекула. Това се нарича "водородно свързване".

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 с стайна температура.

Има ли междумолекулни взаимодействия в газовете?

Газообразното състояние на веществото се различава от течното и твърдото състояние по редица параметри. Между структурните частици на газовете има големи празнини, много по-големи от размерите на молекулите. В този случай силите на привличане изобщо не действат. Газообразното агрегатно състояние е характерно за веществата, присъстващи във въздуха: азот, кислород, въглероден диоксид. На снимката 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 отиват във въздуха. Например, ако поднесете памучна вата, напоена със солна киселина, до отвора на отворена бутилка със солна киселина, амоняк, след което се появява бял дим. Химическата реакция между солна киселина и амоняк протича точно във въздуха, произвеждайки амониев хлорид. В какво агрегатно състояние е това вещество? Неговите частици, които образуват бял дим, са малки твърди кристали сол. Този експеримент трябва да се проведе под капак; веществата са токсични.

Заключение

Агрегатното състояние на газа е изследвано от много хора изключителни физиции химици: Авогадро, Бойл, Гей-Люсак, Клайперон, Менделеев, Льо Шателие. Учените са формулирали закони, които обясняват поведението на газообразните вещества в химичните реакции при промяна на външните условия. Отворените модели не бяха включени само 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.

Лекция 4. Агрегатни състояния на материята

1. Твърдо агрегатно състояние.

2. Течно агрегатно състояние.

3. Газообразно агрегатно състояние.

Веществата могат да бъдат в три агрегатни състояния: твърдо, течно и газообразно. При много високи температури се появява вид газообразно състояние - плазма (плазмено състояние).

1. Твърдото състояние на материята се характеризира с това, че енергията на взаимодействие между частиците е по-висока от кинетичната енергия на тяхното движение. Повечето вещества в твърдо състояние имат кристална структура. Всяко вещество образува кристали с определена форма. Например, натриевият хлорид има кристали под формата на кубчета, стипцата е под формата на октаедри, а натриевият нитрат е под формата на призми.

Кристалната форма на веществото е най-стабилна. Подреждането на частиците в твърдо тяло е изобразено под формата на решетка, в чиито възли има определени частици, свързани с въображаеми линии. Има четири основни вида кристални решетки: атомни, молекулярни, йонни и метални.

Атомна кристална решеткаобразувани от неутрални атоми, които са свързани с ковалентни връзки (диамант, графит, силиций). Молекулярна кристална решеткаимат нафталин, захароза, глюкоза. Конструктивни елементиТази решетка съдържа полярни и неполярни молекули. Йонна кристална решеткаобразувани от положително и отрицателно заредени йони (натриев хлорид, калиев хлорид), редовно редуващи се в пространството. Всички метали имат метална кристална решетка. Възлите му съдържат положително заредени йони, между които има електрони в свободно състояние.

Кристалните вещества имат редица характеристики. Една от тях е анизотропията - несходството физически свойствакристал в различни посоки в кристала.

2. В течното състояние на материята енергията на междумолекулното взаимодействие на частиците е съизмерима с кинетичната енергия на тяхното движение. Това състояние е междинно между газообразно и кристално. За разлика от газовете, между молекулите на течността действат големи сили взаимно привличане, което определя естеството на молекулярното движение. Топлинното движение на течна молекула включва вибрационно и транслационно. Всяка молекула се колебае около определена равновесна точка за известно време, след което се движи и отново заема равновесно положение. Това определя неговата течливост. Силите на междумолекулно привличане пречат на молекулите да се отдалечат една от друга, когато се движат.

Свойствата на течностите също зависят от обема на молекулите и формата на тяхната повърхност. Ако молекулите на течността са полярни, тогава те се комбинират (асоциират) в сложен комплекс. Такива течности се наричат ​​свързани (вода, ацетон, алкохол). Οʜᴎ имат по-висок t kip, имат по-ниска летливост и по-висока диелектрична константа.

Както знаете, течностите имат повърхностно напрежение. Повърхностно напрежение- ϶ᴛᴏ повърхностна енергия на единица повърхност: ϭ = E/S, където ϭ е повърхностно напрежение; E – повърхностна енергия; S – площ на повърхността. Колкото по-силни са междумолекулните връзки в течността, толкова по-голямо е нейното повърхностно напрежение. Веществата, които намаляват повърхностното напрежение, се наричат ​​повърхностно активни вещества.

Друго свойство на течностите е вискозитетът. Вискозитетът е съпротивлението, което възниква, когато някои слоеве на течност се движат спрямо други, когато се движи. Някои течности имат висок вискозитет (мед, мала), докато други имат нисък вискозитет (вода, етилов алкохол).

3. В газообразно състояние на веществото енергията на междумолекулното взаимодействие на частиците е по-малка от тяхната кинетична енергия. Поради тази причина газовите молекули не се задържат заедно, а се движат свободно в обема. Газовете се характеризират със следните свойства: 1) равномерно разпределение в целия обем на съда, в който се намират; 2) ниска плътност в сравнение с течности и твърди вещества; 3) лесна свиваемост.

В газ молекулите са разположени на много голямо разстояние една от друга, силите на привличане между тях са малки. При големи разстояния между молекулите тези сили практически липсват. Газ в това състояние обикновено се нарича идеален. Реални газове при високо наляганеи ниските температури не се подчиняват на уравнението на състоянието идеален газ(уравнение на Менделеев-Клапейрон), тъй като при тези условия започват да се появяват сили на взаимодействие между молекулите.

Всички вещества могат да бъдат в различно агрегатно състояние – твърдо, течно, газообразно и плазмено. В древността се е смятало, че светът се състои от земя, вода, въздух и огън. На това визуално деление съответстват агрегатните състояния на веществата. Опитът показва, че границите между агрегатните състояния са много произволни. Газове при ниско наляганеи ниските температури се считат за идеални, молекулите в тях съответстват на материални точки, които могат да се сблъскат само според законите на еластичния удар. Силите на взаимодействие между молекулите в момента на удара са незначителни, а самите сблъсъци се случват без загуба на механична енергия. Но тъй като разстоянието между молекулите се увеличава, трябва да се вземе предвид и взаимодействието на молекулите. Тези взаимодействия започват да влияят на прехода от газообразно състояние към течно или твърдо състояние. Между молекулите може да има различни видовевзаимодействия.

Силите на междумолекулно взаимодействие не са наситени, различни от силите на химично взаимодействие на атомите, което води до образуването на молекули. Те могат да бъдат електростатични поради взаимодействия между заредени частици. Опитът показва, че квантово-механичното взаимодействие, което зависи от разстоянието и взаимната ориентация на молекулите, е незначително при разстояния между молекулите над 10 -9 m в разредените газове може да се пренебрегне или да се приеме, че потенциалната енергия на взаимодействие на практика е равен на нула. На къси разстояния тази енергия е малка и действат взаимни сили на 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 известен запас от кинетична енергия.

gii. Нека една молекула е неподвижна, а друга се сблъсква с нея, имайки такъв запас от енергия. Когато молекулите се приближават една към друга, силите на привличане извършват положителна работа и потенциалната енергия на тяхното взаимодействие намалява до разстояние. В същото време кинетичната енергия (и скоростта) се увеличава. Когато разстоянието стане по-малко, силите на привличане ще бъдат заменени от сили на отблъскване. Работата, извършена от молекулата срещу тези сили, е отрицателна.

Молекулата ще се приближи до неподвижна молекула, докато нейната кинетична енергия се преобразува напълно в потенциална. Минимално разстояние д,разстоянието, на което молекулите могат да се приближат, се нарича ефективен диаметър на молекулата.След спиране молекулата ще започне да се отдалечава под въздействието на отблъскващи сили с нарастваща скорост. След като отново премине разстоянието, 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 едно на друго, потенциалната енергия на взаимодействие е безкрайна голямо значениеили „бариера“, която не позволява на центровете на молекулите да се доближат на по-малко разстояние. Съотношението на средната потенциална енергия на взаимодействие към средната кинетична енергия определя състоянието на агрегация на веществото: за газове, за течности, за твърди вещества

Кондензираната материя включва 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 вещества е от порядъка на (2 -5) 10 -10 m. Техните плътности също са приблизително еднакви. Междуатомните разстояния надвишават разстоянията, на които електронните облаци проникват един в друг толкова много, че възникват сили на отблъскване. За сравнение, в газовете при нормални условия средното разстояние между молекулите е около 33 10 -10 m.

IN течностимеждумолекулното взаимодействие има по-силен ефект, топлинното движение на молекулите се проявява в слаби вибрации около равновесното положение и дори скача от едно положение в друго. Следователно те имат само ред в къси разстояния в подреждането на частиците, тоест последователност в подреждането само на най-близките частици и характерна течливост.

Твърди веществаТе се характеризират със структурна твърдост, 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 вещества изобщо не са неподвижни, както може да се мисли. Всеки от тях се колебае през цялото време под въздействието на еластични сили, възникващи между неговите съседи. Повечето елементи и съединения имат кристална структура под микроскоп.

Да, зърна трапезна солИзглеждат като идеални кубчета. В кристалите атомите са фиксирани в местата на кристалната решетка и могат да вибрират само близо до местата на решетката. Кристалите представляват истински твърди вещества, а твърдите вещества като пластмаса или асфалт заемат междинна позиция между твърди вещества и течности. Аморфното тяло, подобно на течността, има ред на къси разстояния, но вероятността от скокове е ниска. По този начин стъклото може да се разглежда като преохладена течност с повишен вискозитет. Течните кристали имат течливостта на течностите, но запазват подреденото разположение на атомите и имат анизотропия на свойствата.

Химически връзкиатомите (йоните) в кристалите са същите като в молекулите. Структурата и твърдостта на твърдите тела се определят от разликите 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 считат за макромолекули. Подобно на йонните и ковалентните молекули, има йонни и ковалентни кристали. Йонните решетки в кристалите се държат заедно йонни връзки(виж Фиг. 7.1). Структурата на готварската сол е такава, че всеки натриев йон има шест съседни - хлорни йони. Това разпределение съответства на минимална енергия, т.е., когато се образува такава конфигурация, се освобождава максимална енергия. Следователно, когато температурата падне под точката на топене, има тенденция да се образуват чисти кристали. С повишаването на температурата топлинната кинетична енергия е достатъчна, за да разруши връзката, кристалът ще започне да се топи и структурата ще започне да се разпада. Кристалният полиморфизъм е способността да се образуват състояния с различни кристални структури.

При разпространение електрически зарядпромени в неутралните атоми могат да възникнат слаби взаимодействия между съседите. Тази връзка се нарича молекулярна или ван дер ваалсова (както в молекулата на водорода). Но силите на електростатично привличане могат да възникнат и между неутралните атоми, тогава не настъпват пренареждания в електронните обвивки на атомите. Взаимното отблъскване, когато електронните обвивки се приближават една към друга, измества центъра на тежестта на отрицателните заряди спрямо положителните. Всеки атом индуцира електрически дипол в другия и това води до тяхното привличане. Това е действието на междумолекулните сили или силите на Ван дер Ваалс, които имат голям радиус на действие.

Тъй като водородният атом е толкова малък и неговият електрон може лесно да бъде изместен, той често се привлича към два атома наведнъж, образувайки водородна връзка. Водородното свързване също е отговорно за взаимодействието на водните молекули една с друга. Той обяснява много от уникалните свойства на водата и леда (фиг. 7.4).

Ковалентна връзка(или атомен) се постига поради вътрешното взаимодействие на неутралните атоми. Пример за такава връзка е връзката в молекулата на метана. Силно свързаната разновидност на въглерода е диамантът (четири водородни атома са заменени с четири въглеродни атома).

Така въглеродът, изграден върху ковалентна връзка, образува кристал с формата на диамант. Всеки атом е заобиколен от четири атома, образувайки правилен тетраедър. Но всеки от тях е и връх на съседния тетраедър. При други условия същите въглеродни атоми кристализират в графит.В графита те също са свързани атомни връзки, но образуват равнини от шестоъгълни клетки от пчелна пита, способни на срязване. Разстоянието между атомите, разположени във върховете на хексаедрите, е 0,142 nm. Слоевете са разположени на разстояние 0,335 nm, т.е. са слабо свързани, така че графитът е пластичен и мек (фиг. 7.5). През 1990 г. имаше бум изследователска работапричинено от съобщение за получаване на ново вещество - фулерит,състоящ се от въглеродни молекули - фулерени. Тази форма на въглерод е молекулярна, т.е. Минималният елемент не е атом, а молекула. Наречен е на архитекта Р. Фулър, който през 1954 г. получава патент за изграждане на конструкции от шестоъгълници и петоъгълници, които съставляват 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 най-стабилните молекули са C 60 и СЪС 70 . Логично е да се предположи, че графитът се използва като изходен материал за синтеза на фулерени. Ако това е така, тогава радиусът на шестоъгълния фрагмент трябва да бъде 0,37 nm. Но се оказа, че е равна на 0,357 nm. Тази разлика от 2% се дължи на факта, че въглеродните атоми са разположени на сферична повърхност във върховете на 20 правилни хексаедъра, наследени от графита, и 12 правилни пентаедъра, т.е. Дизайнът наподобява футболна топка. Оказва се, че когато са "зашити" в затворена сфера, някои от плоските хексаедри са се превърнали в пентаедри. При стайна температура молекулите C60 кондензират в структура, в която всяка молекула има 12 съседа, разположени на 0,3 nm една от друга. При T= 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, възниква свръхпроводимост при температура от 19 К. Ако един или друг атом се въведе 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/см 2 . За сравнение, филм от феромагнитен материал дава плътност на запис от порядъка на 10 7 бита/см 2, а оптичните дискове, т.е. лазерна технология, - 10 8 бита/см 2. Този въглерод има и други уникални свойства, особено важен в медицината и фармакологията.

Проявява се в метални кристали метална връзка,когато всички атоми в един метал предават своите валентни електрони „за колективна употреба“. Те са слабо свързани с атомните скелети и могат да се движат свободно по кристалната решетка. Около 2/5 химически елементиса съставени от метали. В металите (с изключение на живака) връзката се образува, когато празните орбитали на металните атоми се припокриват и електроните се отстраняват поради образуването на кристална решетка. Оказва се, че решетъчните катиони са обвити в електронен газ. Метална връзка възниква, когато атомите се съберат на разстояние, по-малко от размера на облака от външни електрони. С тази конфигурация (принципа на Паули) енергията на външните електрони се увеличава и съседните ядра започват да привличат тези външни електрони, размивайки електронните облаци, разпределяйки ги равномерно в целия метал и превръщайки ги в електронен газ. Така възникват електроните на проводимостта, които обясняват високата електропроводимост на металите. В йонните и ковалентните кристали външните електрони са практически свързани и проводимостта на тези твърди вещества е много малка, те се наричат изолатори.

Вътрешната енергия на течностите се определя от сумата от вътрешните енергии на макроскопичните подсистеми, на които тя може да бъде мислено разделена, и енергиите на взаимодействие на тези подсистеми. Взаимодействието се осъществява чрез молекулярни сили с радиус на действие от порядъка на 10 -9 m. За макросистемите енергията на взаимодействие е пропорционална на контактната площ, така че е малка, като частта от повърхностния слой, но това. не е необходимо. Нарича се повърхностна енергия и трябва да се вземе предвид при проблеми, свързани с повърхностно напрежение. Обикновено течностите заемат по-голям обем с еднакво тегло, т.е. имат по-ниска плътност. Но защо обемите на леда и бисмута намаляват по време на топенето и дори след точката на топене поддържат 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 той осцилира в анизотропния потенциален кладенец, който те създават. За разлика от твърдото тяло, тази дупка е плитка, тъй като далечните съседи почти нямат влияние. Непосредствената среда на частиците в течността се променя, т.е. течността тече. Когато се достигне определена температура, течността ще заври по време на кипене, температурата остава постоянна. Входящата енергия се изразходва за разрушаване на връзките, а течността, когато е напълно разбита, се превръща в газ.

Плътностите на течностите са много по-големи от плътностите на газовете при същите налягания и температури. 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. Когато температурата падне до 10 °C, обемът намалява само с 0,0021, а когато налягането се повиши, обемът намалява наполовина.

Въпреки че все още няма прост идеален модел на течност, нейната микроструктура е достатъчно проучена и дава възможност да се обяснят качествено повечето от нейните макроскопични свойства. Фактът, че в течностите кохезията на молекулите е по-слаба, отколкото в твърдо тяло, е отбелязан от Галилей; Той беше изненадан, че големи капки вода се натрупаха върху зелевите листа, а не се разпространиха върху листа. Разлят живак или капки вода върху мазна повърхност придобиват формата на малки топчета поради залепване. Ако молекули на едно вещество се привличат към молекули на друго вещество, говорим за намокряне,например лепило и дърво, масло и метал (въпреки огромното налягане, маслото се задържа в лагерите). Но водата се покачва тънки тръбички, наречена капилярна, и се издига по-високо, толкова по-тънка е тръбата. Не може да има друго обяснение, освен ефекта от мокрене 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 силите на сцепление между живачните атоми. Галилей забеляза, че игла, намазана с мазнина, може да плува по вода, въпреки че това противоречи на закона на Архимед. Когато иглата изплува, можете

но забележете леко отклонение на повърхността на водата, опитвайки се да се изправи, сякаш. Силите на сцепление между водните молекули са достатъчни, за да предотвратят падането на иглата във водата. Повърхностен слойкак филмът защитава водата, това е повърхностно напрежение,която се стреми да придаде 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, прониквайки в пукнатини и пукнатини, отмива по-добре мръсотията, особено тези, съдържащи мазнини, докато чиста водаПросто ще се свие на капчици.

Плазмата е четвъртото състояние на материята, което е газ, съставен 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 се трансформира газ в състояние на плазма, той трябва да бъде йонизирам,премахване на електрони от атоми. Йонизацията може да се извърши чрез нагряване, електрически разряд или силно лъчение. Материята във Вселената е предимно в йонизирано състояние. В звездите йонизацията се причинява термично, в разредените мъглявини и междузвездния газ - ултравиолетова радиациязвезди Нашето Слънце също се състои от плазма; неговата радиация йонизира горните слоеве на земната атмосфера, т.нар йоносфера,от състоянието му зависи възможността за радиокомуникация на дълги разстояния. В земни условия плазмата е рядка - в лампи дневна светлинаили в електрическа заваръчна дъга. В лабораториите и техниката най-често плазмата се получава чрез електрически разряд. В природата мълнията прави това. По време на 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, привличайки електрони от околната среда, образувайки плазма. Използва се и йонизация под налягане - ударни вълни. Този метод на йонизация се среща в свръхплътни звезди и вероятно в ядрото на Земята.

Всяка сила, действаща върху йони и електрони, предизвиква електрически ток. Ако не е свързано с външни полетаи не е затворен вътре в плазмата, той е поляризиран. Плазмата се подчинява газови закони, но когато се приложи магнитно поле, което регулира движението на заредени частици, той проявява свойства, напълно необичайни за газ. В силно магнитно поле частиците започват да се въртят около силови линии и се движат свободно по магнитното поле. Те казват, че това спираловидно движение измества структурата на линиите на полето и полето е „замразено“ в плазмата. Разредената плазма се описва от система от частици, докато по-плътната плазма се описва от течен модел.

Високата електрическа проводимост на плазмата е основната й разлика от газа. Проводимост студена плазмаповърхност 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, моделът на проводяща течност често се прилага към нея. Счита се за непрекъсната среда, въпреки че нейната свиваемост я отличава от обикновената течност, но тази разлика се появява само в потоци, чиято скорост е по-голяма от скоростта на звука. Поведението на проводящата течност се изучава в наука, наречена магнитна хидродинамика.В космоса всяка плазма е идеален проводник и законите на замръзналото поле имат широко приложение. Моделът на проводяща течност ни позволява да разберем механизма на задържане на плазмата от магнитно поле. По този начин плазмените потоци се излъчват от Слънцето, засягайки земната атмосфера. Самият поток няма магнитно поле, но чуждо поле не може да проникне в него според закона за замръзване. Плазмените слънчеви потоци изтласкват външни междупланетни магнитни полета от околностите на Слънцето. Там, където полето е по-слабо, се появява магнитна кухина. Когато тези корпускулярни плазмени потоци се приближават до Земята, те се сблъскват с магнитното поле на Земята и са принудени да го обикалят по същия закон. Оказва се, че е вид кухина, където се събира магнитното поле и където плазмените потоци не проникват. На повърхността му се натрупват заредени частици, които са били открити от ракети и сателити - това е външният радиационен пояс на Земята. Тези идеи бяха използвани и за решаване на проблеми със задържането на плазмата чрез магнитно поле в специални устройства- токамак (от съкращението на думите: тороидална камера, магнит). С напълно йонизирана плазма, съдържаща се 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 производство и задържане на плазма с помощта на фокусирано лазерно лъчение.