Sve tvari mogu biti u različitim agregatnim stanjima – krutom, tekućem, plinovitom i plazmastom. U davna vremena vjerovalo se da se svijet sastoji od zemlje, vode, zraka i vatre. Ovoj vizualnoj podjeli odgovaraju agregatna stanja tvari. Iskustvo pokazuje da su granice između agregatnih stanja vrlo proizvoljne. Plinovi pri niskim tlakovima i niskim temperaturama smatraju se idealnima; molekule u njima odgovaraju materijalnim točkama koje se mogu sudarati samo prema zakonima elastičnog udara. Sile međudjelovanja između molekula u trenutku udara su zanemarive, a sami sudari se događaju bez gubitka mehaničke energije. Ali kako se udaljenost između molekula povećava, u obzir se mora uzeti i interakcija molekula. Ove interakcije počinju utjecati na prijelaz iz plinovitog stanja u tekuće ili kruto stanje. Između molekula mogu se pojaviti različite vrste interakcija.

Sile međumolekularnog međudjelovanja nisu zasićene, razlikuju se od sila kemijskog međudjelovanja atoma, što dovodi do stvaranja molekula. Mogu biti elektrostatski zbog interakcija između nabijenih čestica. Iskustvo je pokazalo da je kvantno mehaničko međudjelovanje, koje ovisi o udaljenosti i međusobnoj orijentaciji molekula, zanemarivo na udaljenostima među molekulama većim od 10 -9 m. Kod razrijeđenih plinova može se zanemariti ili se može pretpostaviti da potencijalna energija međudjelovanja je praktički jednaka nuli. Na malim udaljenostima ta je energija mala, a djeluju međusobne privlačne sile

at - međusobno odbijanje i sila

privlačenje i odbijanje molekula su uravnoteženi i F= 0. Ovdje su sile određene njihovom vezom s potencijalnom energijom.Ali čestice se gibaju posjedujući određenu rezervu kinetičke energije.

gii. Neka je jedna molekula nepomična, a druga se sudari s njom, imajući takvu zalihu energije. Kako se molekule približavaju jedna drugoj, privlačne sile rade pozitivan rad i potencijalna energija njihove interakcije smanjuje se na udaljenost, dok se kinetička energija (i brzina) povećava. Kada udaljenost postane manja, privlačne sile će zamijeniti odbojne sile. Rad molekule protiv tih sila je negativan.

Molekula će se približavati nepokretnoj molekuli sve dok se njena kinetička energija potpuno ne pretvori u potencijalnu. Minimalna udaljenost d, udaljenost na koju se molekule mogu približiti naziva se efektivni promjer molekule. Nakon zaustavljanja, molekula će se početi udaljavati pod utjecajem odbojnih sila sve većom brzinom. Nakon što ponovno prijeđe udaljenost, molekula će pasti u područje privlačnih sila, što će usporiti njezino uklanjanje. Efektivni promjer ovisi o početnoj rezervi kinetičke energije, tj. ova vrijednost nije konstantna. Na jednakim udaljenostima potencijalna energija međudjelovanja ima beskonačno veliku vrijednost ili "barijera" koja sprječava približavanje centara molekula na manju udaljenost. Omjer prosječne potencijalne energije međudjelovanja i prosječne kinetičke energije određuje stanje agregacije tvari: za plinove, za tekućine, za krutine

Kondenzirana tvar uključuje tekućine i čvrste tvari. U njima su atomi i molekule smješteni blizu, gotovo se dodiruju. Prosječna udaljenost između središta molekula u tekućinama i krutim tvarima je reda veličine (2 -5) 10 -10 m. Gustoće su im također približno jednake. Međuatomske udaljenosti premašuju udaljenosti na kojima se elektronski oblaci međusobno prodiru toliko da nastaju odbojne sile. Za usporedbu, u plinovima u normalnim uvjetima prosječna udaljenost između molekula je oko 33 10 -10 m.

U tekućine međumolekularna interakcija ima jači učinak, toplinsko kretanje molekula očituje se slabim vibracijama oko ravnotežnog položaja pa čak i skokovima iz jednog položaja u drugi. Dakle, imaju samo kratkodometni red u rasporedu čestica, odnosno dosljednost u rasporedu samo najbližih čestica i karakterističnu fluidnost.

Krutine Odlikuju se strukturnom krutošću, imaju točno definiran volumen i oblik, koji se znatno manje mijenjaju pod utjecajem temperature i tlaka. U čvrstim tvarima moguća su amorfna i kristalna stanja. Postoje i međutvari - tekući kristali. Ali atomi u čvrstim tijelima uopće nisu stacionarni, kao što bi se moglo pomisliti. Svaki od njih cijelo vrijeme fluktuira pod utjecajem elastičnih sila koje se javljaju između njegovih susjeda. Većina elemenata i spojeva pod mikroskopom ima kristalnu strukturu.

Tako zrnca kuhinjske soli izgledaju kao savršene kocke. U kristalima su atomi fiksirani na mjestima kristalne rešetke i mogu vibrirati samo u blizini mjesta rešetke. Kristali čine prave čvrste tvari, a čvrste tvari poput plastike ili asfalta zauzimaju srednji položaj između čvrstih tvari i tekućina. Amorfno tijelo, kao i tekućina, ima red kratkog dometa, ali je vjerojatnost skokova mala. Dakle, staklo se može smatrati prehlađenom tekućinom s povećanom viskoznošću. Tekući kristali imaju fluidnost tekućina, ali zadržavaju uredan raspored atoma i imaju anizotropiju svojstava.

Kemijske veze atoma (i oko in) u kristalima su iste kao u molekulama. Struktura i krutost čvrstih tijela određene su razlikama u elektrostatskim silama koje povezuju atome koji čine tijelo. Mehanizam koji veže atome u molekule može dovesti do stvaranja čvrstih periodičnih struktura koje se mogu smatrati makromolekulama. Kao i ionske i kovalentne molekule, postoje ionski i kovalentni kristali. Ionske rešetke u kristalima drže zajedno ionske veze (vidi sliku 7.1). Struktura kuhinjske soli je takva da svaki ion natrija ima šest susjeda - iona klora. Ova raspodjela odgovara minimalnoj energiji, tj. kada se formira takva konfiguracija, oslobađa se maksimalna energija. Stoga, kako temperatura padne ispod točke taljenja, postoji tendencija stvaranja čistih kristala. Kako temperatura raste, toplinska kinetička energija je dovoljna da prekine vezu, kristal će se početi topiti, a struktura će se početi urušavati. Polimorfizam kristala je sposobnost stvaranja stanja s različitim kristalnim strukturama.

Kada se promijeni distribucija električnog naboja u neutralnim atomima, može doći do slabe interakcije među susjedima. Ta se veza naziva molekularnom ili van der Waalsovom (kao u molekuli vodika). Ali sile elektrostatskog privlačenja također mogu nastati između neutralnih atoma, tada se u elektroničkim ljuskama atoma ne događaju nikakve promjene. Uzajamno odbijanje pri približavanju elektronskih ljuski jedna drugoj pomiče težište negativnih naboja u odnosu na pozitivne. Svaki od atoma inducira električni dipol u drugom, što dovodi do njihovog privlačenja. To je djelovanje međumolekularnih sila ili van der Waalsovih sila, koje imaju veliki radijus djelovanja.

Budući da je atom vodika tako malen i njegov se elektron može lako pomaknuti, često ga privlače dva atoma odjednom, tvoreći vodikovu vezu. Vodikova veza također je odgovorna za međusobnu interakciju molekula vode. Objašnjava mnoga jedinstvena svojstva vode i leda (slika 7.4).

Kovalentna veza(ili atomski) postiže se unutarnjom interakcijom neutralnih atoma. Primjer takve veze je veza u molekuli metana. Visoko vezana varijanta ugljika je dijamant (četiri atoma vodika zamijenjena su s četiri atoma ugljika).

Tako ugljik, građen na kovalentnoj vezi, tvori kristal u obliku dijamanta. Svaki atom je okružen s četiri atoma, tvoreći pravilan tetraedar. Ali svaki od njih je ujedno i vrh susjednog tetraedra. Pod drugim uvjetima, isti atomi ugljika kristaliziraju u grafit. U grafitu su također povezani atomskim vezama, ali tvore ravnine šesterokutnih ćelija saća sposobnih za smicanje. Udaljenost između atoma koji se nalaze na vrhovima heksaedra je 0,142 nm. Slojevi se nalaze na udaljenosti od 0,335 nm, tj. su slabo vezani, pa je grafit plastičan i mekan (sl. 7.5). Godine 1990. došlo je do procvata istraživanja izazvanog najavom otkrića nove tvari - fullerit, koji se sastoji od molekula ugljika – fulerena. Ovaj oblik ugljika je molekularni, tj. Minimalni element nije atom, već molekula. Ime je dobio po arhitektu R. Fulleru koji je 1954. godine dobio patent za gradnju konstrukcija od šesterokuta i peterokuta koji čine polukuglu. Molekula iz 60 atoma ugljika promjera 0,71 nm otkriven je 1985. godine, potom su otkrivene molekule itd. Svi su imali stabilne površine,

ali su najstabilnije molekule bile C 60 i S 70 . Logično je pretpostaviti da se grafit koristi kao polazni materijal za sintezu fulerena. Ako je to tako, tada bi radijus šesterokutnog fragmenta trebao biti 0,37 nm. Ali pokazalo se da je jednako 0,357 nm. Ova razlika od 2% je posljedica činjenice da se atomi ugljika nalaze na sfernoj površini u vrhovima 20 pravilnih heksaedra, naslijeđenih od grafita, i 12 pravilnih pentaedra, tj. Dizajn podsjeća na nogometnu loptu. Ispostavilo se da su se neki od ravnih heksaedra pretvorili u pentaedre kada su "zašiveni" u zatvorenu kuglu. Na sobnoj temperaturi, molekule C60 kondenziraju se u strukturu u kojoj svaka molekula ima 12 susjeda međusobno udaljenih 0,3 nm. Na T= 349 K, dolazi do faznog prijelaza prvog reda - rešetka se preuređuje u kubičnu. Kristal je sam po sebi poluvodič, ali kada se kristalnom filmu C 60 doda alkalni metal, supravodljivost se javlja na temperaturi od 19 K. Ako se jedan ili drugi atom uvede u ovu šuplju molekulu, može se koristiti kao osnova za stvaranje medija za pohranu s ultra-visokom gustoćom informacija: gustoća snimanja će doseći 4-10 12 bita/cm 2 . Usporedbe radi, film od feromagnetskog materijala daje gustoću zapisa reda veličine 10 7 bita/cm 2, a optički diskovi, t.j. laserska tehnologija, - 10 8 bita/cm 2. Ovaj ugljik ima i druga jedinstvena svojstva, posebno važna u medicini i farmakologiji.

Manifestira se u metalnim kristalima metalni spoj, kada svi atomi u metalu predaju svoje valentne elektrone "za zajedničku upotrebu". Oni su slabo vezani za atomske kosture i mogu se slobodno kretati duž kristalne rešetke. Oko 2/5 kemijskih elemenata su metali. U metalima (osim žive), veza nastaje kada se prazne orbitale metalnih atoma preklapaju i elektroni se uklanjaju zbog stvaranja kristalne rešetke. Ispada da su kationi rešetke obavijeni elektronskim plinom. Metalna veza nastaje kada se atomi spoje na udaljenosti manjoj od veličine oblaka vanjskih elektrona. S ovom konfiguracijom (Paulijev princip), energija vanjskih elektrona raste, a susjedne jezgre počinju privlačiti te vanjske elektrone, zamagljujući elektronske oblake, ravnomjerno ih raspoređujući po metalu i pretvarajući ih u elektronski plin. Tako nastaju vodljivi elektroni, koji objašnjavaju visoku električnu vodljivost metala. U ionskim i kovalentnim kristalima vanjski elektroni su praktički vezani, a vodljivost tih krutina je vrlo mala, tzv. izolatori.

Unutarnja energija tekućina određena je zbrojem unutarnjih energija makroskopskih podsustava na koje se može mentalno podijeliti i energija međudjelovanja tih podsustava. Interakcija se odvija putem molekularnih sila s radijusom djelovanja reda veličine 10 -9 m. Za makrosustave, energija interakcije proporcionalna je površini kontakta, pa je mala, poput udjela površinskog sloja, ali ovaj nije potrebno. Naziva se površinskom energijom i treba je uzeti u obzir kod problema koji uključuju površinsku napetost. Tipično, tekućine zauzimaju veći volumen s jednakom težinom, tj. imaju nižu gustoću. Ali zašto se volumeni leda i bizmuta smanjuju tijekom otapanja i, čak i nakon točke taljenja, održavaju taj trend neko vrijeme? Ispada da su te tvari u tekućem stanju gušće.

U tekućini, na svaki atom djeluju njegovi susjedi i on oscilira unutar anizotropne potencijalne jame koju oni stvaraju. Za razliku od čvrstog tijela, ova rupa je plitka, jer daleki susjedi nemaju gotovo nikakav utjecaj. Neposredna okolina čestica u tekućini se mijenja, tj. tekućina teče. Kada se postigne određena temperatura, tekućina će proključati, a tijekom vrenja temperatura ostaje konstantna. Dolazna energija se troši na kidanje veza, a tekućina, kada se potpuno razbije, pretvara se u plin.

Gustoće tekućina mnogo su veće od gustoća plinova pri istim tlakovima i temperaturama. Dakle, volumen vode pri vrenju iznosi samo 1/1600 volumena iste mase vodene pare. Volumen tekućine malo ovisi o tlaku i temperaturi. Pri normalnim uvjetima (20 °C i tlak 1,013 10 5 Pa) voda zauzima volumen od 1 litre. Kad temperatura padne na 10 °C, volumen se smanji samo za 0,0021, a kad se tlak poveća, smanji se za polovicu.

Iako još ne postoji jednostavan idealan model tekućine, njezina je mikrostruktura dovoljno proučena i omogućuje kvalitativno objašnjenje većine njezinih makroskopskih svojstava. Činjenicu da je u tekućinama kohezija molekula slabija nego u čvrstom tijelu uočio je Galileo; Iznenadilo ga je što su se velike kapi vode nakupile na listovima kupusa, a nisu se proširile po listu. Prolivena živa ili kapljice vode na masnu površinu zbog prianjanja poprimaju oblik malih kuglica. Ako se molekule jedne tvari privlače molekule druge tvari, govorimo o vlaženje, npr. ljepilo i drvo, ulje i metal (unatoč ogromnom pritisku ulje se zadržava u ležajevima). Ali voda se diže u tankim cijevima koje se nazivaju kapilare, a što je cijev tanja, to se više diže. Ne može postojati drugo objašnjenje osim učinka vlaženja vode i stakla. Sile kvašenja između stakla i vode veće su nego između molekula vode. Kod žive je učinak suprotan: vlaženje žive i stakla je slabije od sila prianjanja između atoma žive. Galileo je primijetio da igla namazana mašću može plutati na vodi, iako je to u suprotnosti s Arhimedovim zakonom. Kad igla ispliva, možete

ali primijetite lagani otklon površine vode, pokušavajući se tako reći ispraviti. Adhezijske sile između molekula vode dovoljne su da spriječe pad igle u vodu. Površinski sloj štiti vodu poput filma, to je površinska napetost, koja teži da obliku vode najmanju površinu – sfernu. Ali igla više neće plutati na površini alkohola, jer kada se alkohol doda vodi, površinska napetost se smanjuje i igla tone. Sapun također smanjuje površinsku napetost, pa vruća sapunasta pjena, prodirući u pukotine i pukotine, bolje ispire prljavštinu, osobito onu koja sadrži masnoću, dok bi se čista voda jednostavno sklupčala u kapljice.

Plazma je četvrto agregatno stanje, koje je plin sastavljen od skupa nabijenih čestica koje međusobno djeluju na velikim udaljenostima. U tom je slučaju broj pozitivnih i negativnih naboja približno jednak, tako da je plazma električki neutralna. Od četiri elementa, plazma odgovara vatri. Da bi se plin pretvorio u stanje plazme, mora biti jonizovati, uklanjati elektrone iz atoma. Ionizacija se može postići zagrijavanjem, električnim pražnjenjem ili jakim zračenjem. Materija u svemiru je uglavnom u ioniziranom stanju. U zvijezdama je ionizacija uzrokovana toplinom, u razrijeđenim maglicama i međuzvjezdanom plinu - ultraljubičastim zračenjem zvijezda. Naše Sunce također se sastoji od plazme; njezino zračenje ionizira gornje slojeve zemljine atmosfere, tzv. ionosfera, o njegovom stanju ovisi mogućnost daljinske radiokomunikacije. U zemaljskim uvjetima plazma se rijetko nalazi - u fluorescentnim svjetiljkama ili u električnom luku za zavarivanje. U laboratorijima i tehnici plazma se najčešće dobiva električnim pražnjenjem. U prirodi to čini munja. Tijekom ionizacije pražnjenjem dolazi do lavina elektrona, slično procesu lančane reakcije. Za dobivanje termonuklearne energije koristi se metoda ubrizgavanja: ioni plina ubrzani do vrlo velikih brzina ubrizgavaju se u magnetske zamke, privlačeći elektrone iz okoline, tvoreći plazmu. Također se koristi tlačna ionizacija - udarni valovi. Ova metoda ionizacije događa se u super-gustim zvijezdama i vjerojatno u Zemljinoj jezgri.

Svaka sila koja djeluje na ione i elektrone uzrokuje električnu struju. Ako nije spojen s vanjskim poljima i nije zatvoren unutar plazme, postaje polariziran. Plazma se pokorava plinskim zakonima, ali kada se primijeni magnetsko polje, koje regulira kretanje nabijenih čestica, pokazuje svojstva koja su potpuno neuobičajena za plin. U jakom magnetskom polju čestice se počinju okretati oko linija polja i slobodno se kreću duž magnetskog polja. Kažu da ovo spiralno gibanje pomiče strukturu linija polja i polje je "zamrznuto" u plazmi. Razrijeđena plazma opisana je sustavom čestica, dok je gušća plazma opisana tekućim modelom.

Visoka električna vodljivost plazme njezina je glavna razlika od plina. Vodljivost hladne plazme sunčeve površine (0,8 10 -19 J) doseže vodljivost metala, a pri termonuklearnoj temperaturi (1,6 10 -15 J) vodikova plazma provodi struju 20 puta bolje od bakra u normalnim uvjetima. Budući da plazma može provoditi struju, na nju se često primjenjuje model vodljive tekućine. Smatra se kontinuiranim medijem, iako ga stlačivost razlikuje od obične tekućine, ali se ta razlika pojavljuje samo kod strujanja čija je brzina veća od brzine zvuka. Ponašanje vodljivog fluida proučava se u znanosti tzv magnetska hidrodinamika. U svemiru je svaka plazma idealan vodič, a zakoni zamrznutog polja imaju široku primjenu. Model vodljive tekućine omogućuje nam razumijevanje mehanizma zadržavanja plazme magnetskim poljem. Stoga se struje plazme emitiraju sa Sunca, utječući na Zemljinu atmosferu. Sam tok nema magnetsko polje, ali strano polje ne može prodrijeti u njega prema zakonu smrzavanja. Sunčeve struje plazme potiskuju vanjska međuplanetarna magnetska polja iz blizine Sunca. Tamo gdje je polje slabije nastaje magnetska šupljina. Kada ti korpuskularni tokovi plazme priđu Zemlji, sudaraju se sa Zemljinim magnetskim poljem i prisiljeni su teći oko njega prema istom zakonu. Ispostavilo se da je to neka vrsta šupljine u kojoj se skuplja magnetsko polje i u koju tokovi plazme ne prodiru. Na njezinoj se površini nakupljaju nabijene čestice koje su otkrile rakete i sateliti - to je Zemljin vanjski radijacijski pojas. Te su ideje također korištene u rješavanju problema zadržavanja plazme magnetskim poljem u posebnim uređajima - tokamacima (od kratice riječi: toroidalna komora, magnet). Uz potpuno ioniziranu plazmu sadržanu u ovim i drugim sustavima, nade se polažu u postizanje kontrolirane termonuklearne reakcije na Zemlji. Time bi se dobio čist i jeftin izvor energije (morska voda). Također se radi na proizvodnji i zadržavanju plazme pomoću fokusiranog laserskog zračenja.

Predavanje 4. Agregatna stanja tvari

1. Čvrsto agregatno stanje.

2. Tekuće agregatno stanje.

3. Plinovito agregatno stanje.

Tvari mogu biti u tri agregatna stanja: kruto, tekuće i plinovito. Pri vrlo visokim temperaturama javlja se vrsta plinovitog stanja - plazma (plazma stanje).

1. Čvrsto stanje tvari karakterizira činjenica da je energija međudjelovanja među česticama veća od kinetičke energije njihova gibanja. Većina tvari u čvrstom stanju ima kristalnu strukturu. Svaka tvar tvori kristale određenog oblika. Na primjer, natrijev klorid ima kristale u obliku kocki, stipsa u obliku oktaedra, a natrijev nitrat u obliku prizme.

Kristalni oblik tvari je najstabilniji. Raspored čestica u čvrstom tijelu prikazuje se u obliku rešetke u čijim se čvorovima nalaze određene čestice povezane zamišljenim linijama. Postoje četiri glavne vrste kristalnih rešetki: atomske, molekularne, ionske i metalne.

Atomska kristalna rešetka tvore neutralni atomi koji su povezani kovalentnim vezama (dijamant, grafit, silicij). Molekularna kristalna rešetka imaju naftalin, saharozu, glukozu. Strukturni elementi ove rešetke su polarne i nepolarne molekule. Ionska kristalna rešetka tvore ga pozitivno i negativno nabijeni ioni (natrijev klorid, kalijev klorid) koji se pravilno izmjenjuju u prostoru. Svi metali imaju metalnu kristalnu rešetku. Njegovi čvorovi sadrže pozitivno nabijene ione, između kojih se nalaze elektroni u slobodnom stanju.

Kristalne tvari imaju niz svojstava. Jedna od njih je anizotropija - različitost fizičkih svojstava kristala u različitim smjerovima unutar kristala.

2. U tekućem stanju tvari energija međumolekularnog međudjelovanja čestica razmjerna je kinetičkoj energiji njihova gibanja. Ovo stanje je posredno između plinovitog i kristalnog. Za razliku od plinova, između molekula tekućine djeluju velike sile međusobnog privlačenja, što određuje prirodu gibanja molekula. Toplinsko gibanje molekule tekućine uključuje vibracijsko i translatorno. Svaka molekula neko vrijeme oscilira oko određene ravnotežne točke, a zatim se pomakne i ponovno zauzme ravnotežni položaj. To određuje njegovu fluidnost. Sile intermolekularnog privlačenja sprječavaju molekule da se udalje jedna od druge kada se kreću.

Svojstva tekućina također ovise o volumenu molekula i obliku njihove površine. Ako su molekule tekućine polarne, tada se spajaju (udružuju) u složen kompleks. Takve tekućine nazivamo pridruženim (voda, aceton, alkohol). Οʜᴎ imaju veći t kip, imaju manju isparljivost i veću dielektričnu konstantu.

Kao što znate, tekućine imaju površinsku napetost. Površinska napetost- ϶ᴛᴏ površinska energija po jedinici površine: ϭ = E/S, gdje je ϭ površinska napetost; E – površinska energija; S – površina. Što su međumolekulske veze u tekućini jače, to je njezina površinska napetost veća. Tvari koje smanjuju površinsku napetost nazivaju se tenzidi.

Drugo svojstvo tekućina je viskoznost. Viskoznost je otpor koji se javlja kada se neki slojevi tekućine pomiču u odnosu na druge kada se pomiču. Neke tekućine imaju visoku viskoznost (med, mala), dok druge imaju nisku viskoznost (voda, etilni alkohol).

3. U plinovitom stanju tvari energija međumolekularnog međudjelovanja čestica manja je od njihove kinetičke energije. Zbog toga se molekule plina ne drže zajedno, već se slobodno kreću u volumenu. Plinove karakteriziraju sljedeća svojstva: 1) ravnomjerna raspodjela po cijelom volumenu posude u kojoj se nalaze; 2) niska gustoća u usporedbi s tekućinama i krutinama; 3) laka stlačivost.

U plinu se molekule nalaze na vrlo velikoj udaljenosti jedna od druge, sile privlačenja između njih su male. Na velikim udaljenostima između molekula te sile praktički i ne postoje. Plin u tom stanju obično se naziva idealnim. Realni plinovi pri visokim tlakovima i niskim temperaturama ne podliježu jednadžbi stanja idealnog plina (Mendelejev-Clapeyronova jednadžba), budući da se u tim uvjetima počinju javljati sile međudjelovanja između molekula.

Najčešće se zna o tri agregatna stanja: tekuće, kruto, plinovito, ponekad se sjete plazme, rjeđe tekućeg kristala. Nedavno se internetom proširio popis od 17 faza materije, preuzet od slavnog () Stephena Frya. Stoga ćemo vam o njima govoriti detaljnije, jer... trebali biste znati nešto više o materiji, barem kako biste bolje razumjeli procese koji se odvijaju u svemiru.

Dolje naveden popis agregatnih stanja tvari povećava se od najhladnijih stanja do najtoplijih, itd. može se nastaviti. U isto vrijeme, treba razumjeti da od plinovitog stanja (br. 11), najviše "nekomprimiranog", na obje strane popisa, stupanj kompresije tvari i njezin tlak (uz neke rezerve za takve neproučene hipotetska stanja kao što su kvantna, snopna ili slabo simetrična) povećavaju.Iza teksta je prikazan vizualni graf faznih prijelaza materije.

1. Kvantna- agregacijsko stanje materije, koje se postiže kada temperatura padne na apsolutnu nulu, uslijed čega nestaju unutarnje veze i materija se mrvi u slobodne kvarkove.

2. Bose-Einsteinov kondenzat- agregacijsko stanje materije, čiju osnovu čine bozoni, ohlađeni na temperature blizu apsolutne nule (manje od milijuntog dijela stupnja iznad apsolutne nule). U tako snažno ohlađenom stanju dovoljno veliki broj atoma nalazi se u svojim minimalno mogućim kvantnim stanjima i kvantni efekti počinju se manifestirati na makroskopskoj razini. Bose-Einsteinov kondenzat (često se naziva Boseov kondenzat ili jednostavno "beck") nastaje kada ohladite kemijski element na ekstremno niske temperature (obično malo iznad apsolutne nule, minus 273 stupnja Celzijusa). , je teorijska temperatura na kojoj sve prestane se kretati).
Tu se sa supstancom počinju događati potpuno čudne stvari. Procesi koji se obično promatraju samo na atomskoj razini sada se događaju na dovoljno velikim razmjerima da se mogu promatrati golim okom. Na primjer, ako stavite “natrag” u laboratorijsku čašu i osigurate željenu temperaturu, tvar će početi puzati uz stijenku i na kraju sama izaći.
Ovdje se očito radi o uzaludnom pokušaju tvari da smanji vlastitu energiju (koja je ionako na najnižoj od svih mogućih razina).
Usporavanje atoma pomoću opreme za hlađenje proizvodi jedinstveno kvantno stanje poznato kao Boseov ili Bose-Einsteinov kondenzat. Ovaj fenomen predvidio je 1925. A. Einstein, kao rezultat generalizacije rada S. Bosea, gdje je izgrađena statistička mehanika za čestice u rasponu od fotona bez mase do atoma koji nose masu (otkriven je Einsteinov rukopis, koji se smatrao izgubljenim u knjižnici Sveučilišta u Leidenu 2005.). Napori Bosea i Einsteina rezultirali su Boseovim konceptom plina koji podliježe Bose-Einsteinovoj statistici, koja opisuje statističku distribuciju identičnih čestica s cijelim brojem spina zvanih bozoni. Bozoni, koji su npr. pojedinačne elementarne čestice - fotoni, i čitavi atomi, mogu biti međusobno u istim kvantnim stanjima. Einstein je predložio da bi hlađenje atoma bozona na vrlo niske temperature uzrokovalo njihovu transformaciju (ili, drugim riječima, kondenzaciju) u najniže moguće kvantno stanje. Rezultat takve kondenzacije bit će nastanak novog oblika materije.
Ovaj prijelaz događa se ispod kritične temperature, koja je za homogeni trodimenzionalni plin koji se sastoji od neinteragirajućih čestica bez ikakvih unutarnjih stupnjeva slobode.

3. Fermionski kondenzat- stanje agregacije tvari, slično podlozi, ali različite strukture. Kako se približavaju apsolutnoj nuli, atomi se ponašaju drugačije ovisno o veličini vlastitog kutnog momenta (spin). Bozoni imaju cijeli broj spinova, dok fermioni imaju spinove koji su višekratnici 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermioni se pokoravaju Paulijevom principu isključenja, koji kaže da dva fermiona ne mogu imati isto kvantno stanje. Ne postoji takva zabrana za bozone, pa stoga imaju priliku postojati u jednom kvantnom stanju i pritom formirati takozvani Bose-Einsteinov kondenzat. Proces nastanka ovog kondenzata odgovoran je za prijelaz u supravodljivo stanje.
Elektroni imaju spin 1/2 i stoga se klasificiraju kao fermioni. Oni se spajaju u parove (koji se nazivaju Cooperovi parovi), koji zatim tvore Boseov kondenzat.
Američki znanstvenici pokušali su dubokim hlađenjem dobiti svojevrsne molekule iz atoma fermiona. Razlika od pravih molekula bila je u tome što nije bilo kemijske veze između atoma - oni su se jednostavno kretali zajedno na korelirani način. Ispostavilo se da je veza između atoma čak jača nego između elektrona u Cooperovim parovima. Rezultirajući parovi fermiona imaju ukupni spin koji više nije višekratnik 1/2, stoga se već ponašaju kao bozoni i mogu formirati Boseov kondenzat s jednim kvantnim stanjem. Tijekom eksperimenta plin od atoma kalija-40 ohlađen je na 300 nanokelvina, dok je plin bio zatvoren u takozvanu optičku zamku. Zatim je primijenjeno vanjsko magnetsko polje, uz pomoć kojeg je bilo moguće promijeniti prirodu interakcija između atoma - umjesto snažnog odbijanja, počelo se promatrati snažno privlačenje. Pri analizi utjecaja magnetskog polja bilo je moguće pronaći vrijednost pri kojoj su se atomi počeli ponašati kao Cooperovi parovi elektrona. U sljedećoj fazi eksperimenta znanstvenici očekuju da će dobiti efekte supravodljivosti za fermionski kondenzat.

4. Superfluidna tvar- stanje u kojem tvar nema praktički nikakvu viskoznost, a tijekom strujanja ne doživljava trenje s čvrstom površinom. Posljedica toga je, na primjer, tako zanimljiv efekt kao što je potpuno spontano "ispuzanje" supertekućeg helija iz posude uz njezine stijenke protiv sile gravitacije. Naravno, ovdje nema kršenja zakona održanja energije. U nedostatku sila trenja, na helij djeluju samo sile gravitacije, sile međuatomskog međudjelovanja između helija i stijenki posude te između atoma helija. Dakle, sile međuatomske interakcije nadilaze sve druge sile zajedno. Zbog toga se helij nastoji što je više moguće raširiti po svim mogućim površinama, te stoga "putuje" uz stijenke posude. Godine 1938. sovjetski znanstvenik Pyotr Kapitsa dokazao je da helij može postojati u superfluidnom stanju.
Vrijedno je napomenuti da su mnoga neobična svojstva helija poznata već dulje vrijeme. No, posljednjih godina ovaj kemijski element nas razgaljuje zanimljivim i neočekivanim učincima. Tako su 2004. godine Moses Chan i Eun-Syong Kim sa Sveučilišta u Pennsylvaniji zaintrigirali znanstveni svijet objavom da su uspjeli dobiti potpuno novo stanje helija – superfluidnu čvrstu tvar. U tom stanju, neki atomi helija u kristalnoj rešetki mogu teći oko drugih, a helij tako može teći kroz sebe. Efekt “supertvrdoće” teoretski je predviđen još 1969. godine. A onda se 2004. činilo da postoji eksperimentalna potvrda. No, kasniji i vrlo zanimljivi pokusi pokazali su da nije sve tako jednostavno i možda je ovakvo tumačenje fenomena, koje je prije bilo prihvaćeno kao superfluidnost čvrstog helija, netočno.
Eksperiment znanstvenika predvođenih Humphreyjem Marisom sa Sveučilišta Brown u SAD-u bio je jednostavan i elegantan. Znanstvenici su stavili naopako okrenutu epruvetu u zatvoreni spremnik s tekućim helijem. Zamrznuli su dio helija u epruveti iu spremniku na način da je granica između tekućeg i krutog u epruveti bila viša nego u spremniku. Drugim riječima, u gornjem dijelu epruvete bio je tekući helij, u donjem dijelu bio je čvrsti helij, glatko je prešao u čvrstu fazu spremnika, iznad koje je izliveno malo tekućeg helija - niže od tekućeg razina u epruveti. Kada bi tekući helij počeo curiti kroz čvrsti helij, tada bi se razlika u razinama smanjila, i tada možemo govoriti o čvrstom supertekućem heliju. U principu, u tri od 13 eksperimenata, razlika u razinama se zapravo smanjila.

5. Supertvrda tvar- agregatno stanje u kojem je materija prozirna i može "teći" poput tekućine, ali zapravo je lišena viskoznosti. Takve tekućine poznate su već dugi niz godina, nazivaju se superfluidima. Činjenica je da ako se supertekućina miješa, ona će cirkulirati gotovo zauvijek, dok će se normalna tekućina na kraju smiriti. Prva dva superfluida stvorili su istraživači pomoću helija-4 i helija-3. Ohlađeni su do gotovo apsolutne nule - minus 273 stupnja Celzijusa. A od helija-4 američki su znanstvenici uspjeli dobiti superčvrsto tijelo. Stisnuli su smrznuti helij s više od 60 puta većim tlakom, a zatim stavili staklo ispunjeno tom tvari na rotirajući disk. Na temperaturi od 0,175 Celzijevih stupnjeva disk se odjednom počeo slobodnije okretati, što znanstvenici kažu da ukazuje na to da je helij postao supertijelo.

6. Čvrsto- stanje agregacije tvari, karakterizirano stabilnošću oblika i prirodom toplinskog kretanja atoma, koji izvode male vibracije oko ravnotežnih položaja. Stabilno stanje čvrstih tijela je kristalno. Postoje čvrste tvari s ionskim, kovalentnim, metalnim i drugim vrstama veza između atoma, što određuje raznolikost njihovih fizikalnih svojstava. Električna i neka druga svojstva čvrstih tijela uglavnom su određena prirodom gibanja vanjskih elektrona njegovih atoma. Krutine se prema električnim svojstvima dijele na dielektrike, poluvodiče i metale, a prema magnetskim svojstvima krutine se dijele na dijamagnetike, paramagnetike i tijela s uređenom magnetskom strukturom. Proučavanja svojstava krutih tijela spojila su se u veliko područje - fiziku krutog stanja, čiji je razvoj potaknut potrebama tehnologije.

7. Amorfna čvrsta tvar- kondenzirano agregacijsko stanje tvari, karakterizirano izotropijom fizikalnih svojstava zbog neuređenog rasporeda atoma i molekula. U amorfnim čvrstim tijelima atomi vibriraju oko nasumično smještenih točaka. Za razliku od kristalnog stanja, prijelaz iz krutog amorfnog u tekuće događa se postupno. Razne tvari su u amorfnom stanju: staklo, smole, plastika itd.

8. Tekući kristal je specifično agregatno stanje tvari u kojem ona istodobno pokazuje svojstva kristala i tekućine. Treba odmah napomenuti da ne mogu sve tvari biti u tekućem kristalnom stanju. Međutim, neke organske tvari sa složenim molekulama mogu formirati specifično agregatno stanje - tekući kristal. Ovo stanje nastaje kada se kristali određenih tvari tope. Njihovim taljenjem nastaje tekuća kristalna faza, koja se razlikuje od običnih tekućina. Ova faza postoji u rasponu od temperature taljenja kristala do neke više temperature, pri zagrijavanju do koje tekući kristal prelazi u običnu tekućinu.
Po čemu se tekući kristal razlikuje od tekućeg i običnog kristala i po čemu im je sličan? Kao i obična tekućina, tekući kristal ima fluidnost i poprima oblik posude u kojoj se nalazi. Po tome se razlikuje od svima poznatih kristala. No, unatoč tom svojstvu, koje ga sjedinjuje s tekućinom, ima svojstvo karakteristično za kristale. Ovo je poredak u prostoru molekula koje tvore kristal. Istina, ovaj poredak nije tako potpun kao kod običnih kristala, ali, ipak, bitno utječe na svojstva tekućih kristala, po čemu se razlikuju od običnih tekućina. Nepotpuni prostorni poredak molekula koje tvore tekući kristal očituje se u tome što u tekućim kristalima ne postoji potpuni red u prostornom rasporedu težišta molekula, iako može postojati djelomični red. To znači da nemaju krutu kristalnu rešetku. Stoga tekući kristali, kao i obične tekućine, imaju svojstvo fluidnosti.
Obavezno svojstvo tekućih kristala, koje ih približava običnim kristalima, je prisutnost reda prostorne orijentacije molekula. Ovaj poredak u orijentaciji može se očitovati, na primjer, u činjenici da su sve duge osi molekula u uzorku tekućeg kristala usmjerene na isti način. Ove molekule moraju imati izduženi oblik. Uz najjednostavniji imenovani poredak molekularnih osi, u tekućem kristalu može se pojaviti i složeniji orijentacijski poredak molekula.
Ovisno o vrsti uređenosti molekularnih osi, tekući kristali se dijele na tri vrste: nematičke, smektičke i kolesterične.
Istraživanja fizike tekućih kristala i njihove primjene trenutno se provode na širokoj fronti u svim najrazvijenijim zemljama svijeta. Domaća istraživanja koncentrirana su u akademskim i industrijskim istraživačkim institucijama i imaju dugu tradiciju. Djela V.K., završena tridesetih godina u Lenjingradu, postala su nadaleko poznata i priznata. Fredericks V.N. Tsvetkova. Posljednjih godina ubrzano proučavanje tekućih kristala dovelo je do toga da i domaći istraživači daju značajan doprinos razvoju proučavanja tekućih kristala općenito, a posebno optike tekućih kristala. Tako su djela I.G. Čistjakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovski, S.A. Pikina, L.M. Blinov i mnogi drugi sovjetski istraživači naširoko su poznati znanstvenoj zajednici i služe kao temelj za brojne učinkovite tehničke primjene tekućih kristala.
Postojanje tekućih kristala utvrđeno je davno, točnije 1888. godine, dakle prije gotovo jednog stoljeća. Iako su se znanstvenici s ovim stanjem materije susreli prije 1888. godine, službeno je otkriveno kasnije.
Prvi koji je otkrio tekuće kristale bio je austrijski botaničar Reinitzer. Proučavajući novu tvar kolesteril benzoat koju je sintetizirao, otkrio je da se na temperaturi od 145°C kristali te tvari tope, stvarajući mutnu tekućinu koja jako raspršuje svjetlost. Daljnjim zagrijavanjem, nakon postizanja temperature od 179°C, tekućina postaje bistra, odnosno počinje se optički ponašati kao obična tekućina, na primjer voda. Kolesteril benzoat pokazao je neočekivana svojstva u mutnoj fazi. Ispitujući ovu fazu pod polarizacijskim mikroskopom, Reinitzer je otkrio da ona pokazuje dvolom. To znači da indeks loma svjetlosti, odnosno brzina svjetlosti u ovoj fazi ovisi o polarizaciji.

9. Tekućina- agregacijsko stanje tvari, kombinirajući značajke čvrstog stanja (očuvanje volumena, određena vlačna čvrstoća) i plinovitog stanja (varijabilnost oblika). Tekućine karakteriziraju kratkodometni red u rasporedu čestica (molekula, atoma) i mala razlika u kinetičkoj energiji toplinskog gibanja molekula i njihovoj potencijalnoj energiji međudjelovanja. Toplinsko gibanje molekula tekućine sastoji se od oscilacija oko ravnotežnih položaja i relativno rijetkih skokova iz jednog ravnotežnog položaja u drugi, s čime je povezana fluidnost tekućine.

10. Superkritični fluid(SCF) je agregacijsko stanje tvari u kojem nestaje razlika između tekuće i plinovite faze. Svaka tvar na temperaturi i tlaku iznad svoje kritične točke je superkritična tekućina. Svojstva tvari u superkritičnom stanju su posredna između njezinih svojstava u plinovitoj i tekućoj fazi. Dakle, SCF ima visoku gustoću, blisku tekućini, i nisku viskoznost, poput plinova. Koeficijent difuzije u ovom slučaju ima vrijednost između tekućine i plina. Tvari u superkritičnom stanju mogu se koristiti kao zamjena za organska otapala u laboratorijskim i industrijskim procesima. Superkritična voda i superkritični ugljikov dioksid dobili su najveći interes i rasprostranjenost zbog određenih svojstava.
Jedno od najvažnijih svojstava superkritičnog stanja je sposobnost otapanja tvari. Promjenom temperature ili tlaka tekućine možete promijeniti njezina svojstva u širokom rasponu. Tako je moguće dobiti fluid čija su svojstva bliska ili tekućini ili plinu. Dakle, sposobnost topljivosti tekućine raste s povećanjem gustoće (pri konstantnoj temperaturi). Budući da gustoća raste s povećanjem tlaka, promjena tlaka može utjecati na sposobnost otapanja tekućine (pri konstantnoj temperaturi). U slučaju temperature, ovisnost svojstava tekućine je nešto složenija - pri konstantnoj gustoći raste i sposobnost otapanja tekućine, no u blizini kritične točke blagi porast temperature može dovesti do naglog pada. u gustoći i, shodno tome, sposobnosti otapanja. Nadkritični fluidi se međusobno neograničeno miješaju, tako da kada se postigne kritična točka mješavine, sustav će uvijek biti jednofazni. Približna kritična temperatura binarne smjese može se izračunati kao aritmetička sredina kritičnih parametara tvari Tc(mix) = (molni udio A) x TcA + (molni udio B) x TcB.

11. Plinovito- (franc. gaz, od grč. chaos - kaos), stanje agregacije tvari u kojem kinetička energija toplinskog gibanja njezinih čestica (molekula, atoma, iona) znatno premašuje potencijalnu energiju međudjelovanja među njima, pa stoga čestice se slobodno kreću, ravnomjerno ispunjavajući u nedostatku vanjskih polja cijeli volumen koji im je dostavljen.

12. Plazma- (od grč. plasma - isklesan, oblikovan), agregatno stanje koje je ionizirani plin u kojem su koncentracije pozitivnih i negativnih naboja jednake (kvazineutralnost). Velika većina materije u Svemiru je u stanju plazme: zvijezde, galaktičke maglice i međuzvjezdani medij. U blizini Zemlje plazma postoji u obliku solarnog vjetra, magnetosfere i ionosfere. Proučava se visokotemperaturna plazma (T ~ 106 - 108K) iz mješavine deuterija i tricija s ciljem provedbe kontrolirane termonuklearne fuzije. Niskotemperaturna plazma (T J 105K) koristi se u raznim uređajima s izbojem u plinu (plinski laseri, ionski uređaji, MHD generatori, plazmatroni, plazma motori itd.), kao iu tehnici (vidi Plazma metalurgija, Plazma bušenje, Plazma tehnologija).

13. Degenerirana materija— je međufaza između plazme i neutronija. Primjećuje se kod bijelih patuljaka i igra važnu ulogu u evoluciji zvijezda. Kada su atomi podvrgnuti ekstremno visokim temperaturama i pritiscima, oni gube svoje elektrone (postaju elektronski plin). Drugim riječima, potpuno su ionizirani (plazma). Tlak takvog plina (plazme) određen je tlakom elektrona. Ako je gustoća vrlo visoka, sve su čestice prisiljene približiti se jedna drugoj. Elektroni mogu postojati u stanjima s određenim energijama i dva elektrona ne mogu imati istu energiju (osim ako su im spinovi suprotni). Tako su u gustom plinu sve niže energetske razine ispunjene elektronima. Takav plin nazivamo degeneriranim. U tom stanju, elektroni pokazuju degenerirani tlak elektrona, koji se suprotstavlja silama gravitacije.

14. Neutronij- agregatno stanje u koje materija prelazi pod ultravisokim tlakom, što je još nedostižno u laboratoriju, ali postoji unutar neutronskih zvijezda. Tijekom prijelaza u stanje neutrona, elektroni tvari međusobno djeluju s protonima i pretvaraju se u neutrone. Kao rezultat toga, materija u neutronskom stanju sastoji se isključivo od neutrona i ima gustoću reda nuklearne. Temperatura tvari ne smije biti previsoka (u energetskom ekvivalentu, ne više od sto MeV).
S jakim porastom temperature (stotine MeV i više), različiti mezoni se počinju rađati i anihilirati u neutronskom stanju. Daljnjim porastom temperature dolazi do dekonfinacije, a tvar prelazi u stanje kvark-gluonske plazme. Više se ne sastoji od hadrona, već od stalno rađajućih i nestajućih kvarkova i gluona.

15. Kvark-gluonska plazma(kromoplazma) - stanje agregacije materije u fizici visokih energija i fizici elementarnih čestica, u kojem hadronska materija prelazi u stanje slično stanju u kojem se nalaze elektroni i ioni u običnoj plazmi.
Tipično, materija u hadronima je u takozvanom bezbojnom ("bijelom") stanju. To jest, kvarkovi različitih boja se međusobno poništavaju. Slično stanje postoji i u običnoj materiji - kada su svi atomi električki neutralni, tj.
pozitivni naboji u njima kompenziraju se negativnima. Na visokim temperaturama može doći do ionizacije atoma, pri čemu dolazi do razdvajanja naboja, a tvar postaje, kako kažu, "kvazineutralna". To jest, cijeli oblak materije kao cjelina ostaje neutralan, ali njegove pojedinačne čestice prestaju biti neutralne. Ista stvar se, očito, može dogoditi s hadronskom materijom - pri vrlo visokim energijama, boja se oslobađa i čini tvar "kvazi-bezbojnom".
Pretpostavlja se da je materija Svemira u prvim trenucima nakon Velikog praska bila u stanju kvark-gluonske plazme. Sada se kvark-gluonska plazma može kratkotrajno formirati tijekom sudara čestica vrlo visokih energija.
Kvark-gluonska plazma je eksperimentalno proizvedena u akceleratoru RHIC u Nacionalnom laboratoriju Brookhaven 2005. godine. Tamo je u veljači 2010. postignuta maksimalna temperatura plazme od 4 trilijuna Celzijevih stupnjeva.

16. Čudna tvar- agregacijsko stanje u kojem je tvar komprimirana do maksimalne vrijednosti gustoće; može postojati u obliku "juhe od kvarkova". Kubični centimetar materije u ovom će stanju težiti milijarde tona; osim toga, transformirat će svaku normalnu tvar s kojom dođe u dodir u isti "čudan" oblik uz oslobađanje značajne količine energije.
Energija koja se može osloboditi kada se jezgra zvijezde pretvori u "čudnu materiju" dovest će do super-snažne eksplozije "kvark nove" - ​​a, prema Leahyju i Uyedu, to je upravo ono što su astronomi primijetili u rujnu 2006. godine.
Proces formiranja ove tvari započeo je običnom supernovom, u koju se pretvorila masivna zvijezda. Kao rezultat prve eksplozije nastala je neutronska zvijezda. No, prema Leahyju i Uyedu, nije dugo trajao - kako se činilo da je njegovu rotaciju usporilo vlastito magnetsko polje, počeo se još više skupljati, formirajući nakupinu "čudne tvari", što je dovelo do ravnomjernog snažnije tijekom obične eksplozije supernove, oslobađanje energije - i vanjski slojevi materije bivše neutronske zvijezde, lete u okolni prostor brzinom bliskom brzini svjetlosti.

17. Jako simetrična tvar- ovo je tvar komprimirana do te mjere da se mikročestice unutar nje naslažu jedna na drugu, a samo tijelo kolabira u crnu rupu. Pojam "simetrija" objašnjava se na sljedeći način: uzmimo agregatna stanja materije koja su svima poznata iz škole - čvrsto, tekuće, plinovito. Radi definicije, razmotrimo idealni beskonačni kristal kao čvrsto tijelo. Postoji određena, takozvana diskretna simetrija u odnosu na prijenos. To znači da ako pomaknete kristalnu rešetku za udaljenost jednaku intervalu između dva atoma, ništa se u njoj neće promijeniti - kristal će se poklopiti sam sa sobom. Ako se kristal otopi, tada će simetrija dobivene tekućine biti drugačija: ona će se povećati. U kristalu su samo točke udaljene jedna od druge na određenim udaljenostima, takozvani čvorovi kristalne rešetke, u kojima su se nalazili identični atomi, bili ekvivalentni.
Tekućina je homogena u cijelom svom volumenu, sve njene točke se ne razlikuju jedna od druge. To znači da se tekućine mogu pomaknuti za bilo koje proizvoljne udaljenosti (a ne samo za neke diskretne, kao u kristalu) ili rotirati za bilo koje proizvoljne kutove (što se u kristalima uopće ne može učiniti) i poklopit će se sama sa sobom. Njegov stupanj simetrije je veći. Plin je još simetričniji: tekućina zauzima određeni volumen u posudi i postoji asimetrija unutar posude gdje ima tekućine i točaka gdje je nema. Plin zauzima cijeli volumen koji mu je dat, iu tom smislu, sve njegove točke se ne razlikuju jedna od druge. Ipak, ovdje bi bilo ispravnije govoriti ne o točkama, već o malim, ali makroskopskim elementima, jer na mikroskopskoj razini još uvijek postoje razlike. U nekim točkama u određenom trenutku u vremenu postoje atomi ili molekule, dok u drugim ne postoje. Simetrija se promatra samo u prosjeku, bilo preko nekih makroskopskih parametara volumena ili tijekom vremena.
Ali još uvijek nema trenutne simetrije na mikroskopskoj razini. Ako se tvar sabije vrlo jako, na pritiske koji su neprihvatljivi u svakodnevnom životu, sabije tako da se atomi zdrobe, njihove ljuske prodiru jedna u drugu, a jezgre se počnu dodirivati, nastaje simetrija na mikroskopskoj razini. Sve su jezgre identične i pritisnute jedna uz drugu, ne postoje samo međuatomske, već i međunuklearne udaljenosti, a tvar postaje homogena (čudna tvar).
Ali postoji i submikroskopska razina. Jezgre se sastoje od protona i neutrona koji se kreću unutar jezgre. Postoji i nešto prostora između njih. Ako nastavite kompresirati tako da se jezgre zgnječe, nukleoni će se čvrsto pritisnuti jedan uz drugog. Tada će se na submikroskopskoj razini pojaviti simetrija koja ne postoji ni unutar običnih jezgri.
Iz onoga što je rečeno može se uočiti vrlo jasan trend: što je viša temperatura i što je veći tlak, to tvar postaje simetričnija. Na temelju ovih razmatranja, tvar komprimirana do svog maksimuma naziva se visoko simetričnom.

18. Slabo simetrična materija- stanje suprotno jako simetričnoj materiji po svojim svojstvima, prisutno u vrlo ranom Svemiru na temperaturi bliskoj Planckovoj, možda 10-12 sekundi nakon Velikog praska, kada su jaka, slaba i elektromagnetska sila predstavljale jednu supersilu. U tom stanju tvar je do te mjere sabijena da se njena masa pretvara u energiju koja se počinje napuhavati, odnosno širiti unedogled. Još nije moguće postići energiju za eksperimentalno dobivanje supermoći i prijenos materije u ovu fazu u zemaljskim uvjetima, iako su takvi pokušaji napravljeni na Velikom hadronskom sudaraču za proučavanje ranog svemira. Zbog nepostojanja gravitacijske interakcije u supersili koja tvori ovu tvar, supersila nije dovoljno simetrična u usporedbi sa supersimetričnom silom koja sadrži sve 4 vrste interakcija. Stoga je ovo agregatno stanje dobilo takav naziv.

19. Zračna tvar- to zapravo više nije materija, već energija u svom čistom obliku. No, upravo će to hipotetsko agregatno stanje poprimiti tijelo koje je postiglo brzinu svjetlosti. Može se dobiti i zagrijavanjem tijela na Planckovu temperaturu (1032K), odnosno ubrzavanjem molekula tvari do brzine svjetlosti. Kao što proizlazi iz teorije relativnosti, kada brzina dosegne više od 0,99 s, masa tijela počinje rasti mnogo brže nego kod “normalnog” ubrzanja, osim toga, tijelo se izdužuje, zagrijava, tj. počinje rasti. zrače u infracrvenom spektru. Kad prijeđe prag od 0,999 s, tijelo se radikalno mijenja i započinje brzi fazni prijelaz do stanja zraka. Kao što slijedi iz Einsteinove formule, uzete u cijelosti, rastuća masa konačne tvari sastoji se od masa odvojenih od tijela u obliku toplinskog, rendgenskog, optičkog i drugog zračenja, od kojih je energija svakog opisana izrazom sljedeći izraz u formuli. Dakle, tijelo koje se približava brzini svjetlosti počet će emitirati u svim spektrima, rasti u duljinu i usporavati s vremenom, istanjujući se do Planckove duljine, odnosno postizanjem brzine c tijelo će se pretvoriti u beskonačno dugo i tanki snop, koji se kreće brzinom svjetlosti i sastoji se od fotona koji nemaju duljinu, a njegova beskonačna masa će se u potpunosti pretvoriti u energiju. Stoga se takva tvar naziva zraka.

“Alkoholi” Iz povijesti  Jeste li znali da je još u 4.st. PRIJE KRISTA e. jesu li ljudi znali napraviti pića koja sadrže etilni alkohol? Vino se proizvodilo fermentacijom sokova od voća i bobica. Međutim, iz njega su mnogo kasnije naučili izvući opojnu komponentu. U 11.st alkemičari su uhvatili pare hlapljive tvari koja se oslobađala zagrijavanjem vina. Definicija Alkoholi (zastarjeli alkoholi) su organski spojevi koji sadrže jednu ili više hidroksilnih skupina (hidroksil, OH) izravno vezanih na atom ugljika u radikalu ugljikovodika  Opća formula alkohola je CxHy(OH) n Opća formula monohidričnih zasićenih alkohola CnH2n+1OH Podjela alkohola Po broju hidroksilnih skupina CxHy(OH)n Monohidrični alkoholi CH3 - CH2 - CH2 OH Dihidrični glikoli CH3 - CH - CH2 OH OH Troatomni gliceroli CH2 - CH - CH2 OH OH OH Podjela alkohola Po Po prirodi ugljikovodika ugljikovodični radikal radikal CxHy(OH)n CxHy(OH)n Granica Granica CH3 CH3 –– CH CH2 CH2 2 ––CH 2 OH OH Nezasićeni Nezasićeni CH CH2 = CH CH––CH CH2 2 = 2 OH OH Aromatski Aromatski CH CH2 OH 2 --OH Nomenklatura alkohola Pogledajte tablicu i zaključite o nomenklaturi alkohola NOMENKLATURA I IZOMERNOST Pri tvorbi naziva alkohola, a (op. ) sufiks se dodaje nazivu ugljikovodika koji odgovara alkoholu. Brojevi iza sufiksa označavaju položaj hidroksilne skupine u glavnom lancu: H | H- C – O H | H metanol H H H |3 |2 |1 H- C – C – C -OH | | | H H H propanol-1 H H H | 1 | 2 |3 H - C – C – C -H | | | H OH H propanol -2 VRSTE IZOMERNOSTI 1. Izomerija položaja funkcionalne skupine (propanol–1 i propanol–2) 2. Izomerija ugljikovog skeleta CH3-CH2-CH2-CH2-OH butanol-1 CH3-CH -CH2-OH | CH3 2-metilpropanol-1 3. Međuklasna izomerija - alkoholi su izomerni eterima: CH3-CH2-OH etanol CH3-O-CH3 dimetil eter Zaključak  Imena monohidričnih alkohola tvore se od naziva ugljikovodika s najdužim ugljikovim lancem. koji sadrži hidroksilnu skupinu dodavanjem sufiksa -ol  Za polihidrične alkohole, ispred sufiksa -ol na grčkom (-di-, -tri-, ...) označava se broj hidroksilnih skupina  Na primjer: CH3-CH2-OH etanol Vrste izomerije alkohola Strukturni 1. Ugljikov lanac 2. Položaji funkcionalne skupine FIZIKALNA SVOJSTVA  Niži alkoholi (C1-C11) su hlapljive tekućine oštrog mirisa  Viši alkoholi (C12- i viši) su krute tvari ugodnog mirisa. FIZIČKA SVOJSTVA Naziv Formula Pl. g/cm3 tpl.C tkip.C Metil CH3OH 0,792 -97 64 Etil C2H5OH 0,790 -114 78 Propil CH3CH2CH2OH 0,804 -120 92 Izopropil CH3-CH(OH)-CH3 0,786 -88 82 Butil CH3CH2CH2CH2OH 0 ,8 10 -90 118 (prikaz, stručni). Značajka fizikalnih svojstava: agregatno stanje Metilni alkohol (prvi predstavnik homolognog niza alkohola) je tekućina. Možda ima veliku molekularnu težinu? Ne. Puno manje od ugljičnog dioksida. Što je onda? R – O … H – O …H – O H R R Ispostavilo se da je sve u vodikovim vezama koje se stvaraju između molekula alkohola i sprječavaju pojedine molekule da odlete Značajka fizikalnih svojstava: topljivost u vodi Niži alkoholi su topljivi u vodi, viši alkoholi su netopljivi. Zašto? CH3 – O…H – O…N – O N H CH3 Što ako je radikal velik? CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – O ... H – O H H Vodikove veze su preslabe da drže molekulu alkohola, koja ima veliki netopljivi dio, između molekula vode Značajka fizičkih svojstava: kontrakcija Zašto se nikada ne koristi volumen kada rješavanje računskih problema? ali samo po masi? Pomiješajte 500 ml alkohola i 500 ml vode. Dobijemo 930 ml otopine. Vodikove veze između molekula alkohola i vode toliko su jake da se ukupni volumen otopine smanjuje, njezina "kompresija" (od latinskog contraktio - kompresija). Pojedini predstavnici alkohola Monohidrični alkohol – metanol  Bezbojna tekućina s vrelištem 64C, karakterističnog mirisa Lakši od vode. Gori bezbojnim plamenom.  Koristi se kao otapalo i gorivo u motorima s unutarnjim izgaranjem Metanol je otrov  Toksični učinak metanola temelji se na oštećenju živčanog i krvožilnog sustava. Gutanje 5-10 ml metanola dovodi do teškog trovanja, a 30 ml i više dovodi do smrti. Monohidrični alkohol - etanol Bezbojna tekućina karakterističnog mirisa i okusa po žaru, vrelište 78C. Lakši od vode. Miješa se s njom u bilo kojoj vezi. Lako zapaljivo, gori slabo užarenim plavičastim plamenom. Prijateljstvo s prometnom policijom Jesu li alkoholi prijatelji prometne policije? Ali kako! Je li vas ikada zaustavio inspektor prometne policije? Jeste li ikada disali u cijev? Ako nemate sreće, tada je došlo do reakcije oksidacije alkohola, tijekom koje se promijenila boja, a morali ste platiti kaznu Zanimljivo pitanje. Alkohol je ksenobiotik - tvar koja se ne nalazi u ljudskom tijelu, ali utječe na njegove vitalne funkcije. Sve ovisi o dozi. 1. Alkohol je nutrijent koji tijelu daje energiju. U srednjem vijeku tijelo je dobivalo oko 25% energije konzumacijom alkohola; 2. Alkohol je lijek koji ima dezinfekcijsko i antibakterijsko djelovanje; 3. Alkohol je otrov koji remeti prirodne biološke procese, razara unutarnje organe i psihu te kod prekomjernog konzumiranja dovodi do smrti.Uporaba etanola  Etilni alkohol se koristi u pripremi raznih alkoholnih pića;  U medicini za pripremu ekstrakata iz ljekovitog bilja, kao i za dezinfekciju;  U kozmetici i parfumeriji etanol je otapalo za parfeme i losione Štetno djelovanje etanola  U početku opijanja stradaju strukture moždane kore; aktivnost moždanih centara koji kontroliraju ponašanje je potisnuta: izgubljena je racionalna kontrola nad postupcima, a kritički odnos prema sebi se smanjuje. I. P. Pavlov nazvao je ovo stanje "pobunom subkorteksa"  S vrlo visokim sadržajem alkohola u krvi, aktivnost motoričkih centara mozga je inhibirana, funkcija malog mozga je uglavnom pogođena - osoba potpuno gubi orijentaciju Štetno učinci etanola  Promjene u strukturi mozga uzrokovane višegodišnjim opijanjem alkoholom, gotovo su nepovratne, pa čak i nakon dulje apstinencije od pijenja alkohola, traju. Ako se čovjek ne može zaustaviti, povećavaju se organska, a samim tim i psihička odstupanja od norme Štetno djelovanje etanola  Alkohol izrazito nepovoljno djeluje na krvne žile mozga. Na početku intoksikacije se šire, protok krvi u njima se usporava, što dovodi do zagušenja u mozgu. Tada, kada se osim alkohola u krvi počnu nakupljati i štetni produkti njegove nepotpune razgradnje, dolazi do oštrog grča, vazokonstrikcije i opasnih komplikacija, poput moždanih udara, što dovodi do teške invalidnosti, pa čak i smrti. PITANJA ZA PONAVLJANJE 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Jedna posuda bez naljepnice sadrži vodu, a druga alkohol. Je li moguće pomoću indikatora ih prepoznati? Kome pripada čast dobiti čisti alkohol? Može li alkohol biti kruta tvar? Molekulska masa metanola je 32, a ugljičnog dioksida 44. Zaključite o agregacijskom stanju alkohola. Pomiješajte litru alkohola i litru vode. Odrediti volumen smjese. Kako prevariti inspektora prometne policije? Može li bezvodni apsolutni alkohol odvajati vodu? Što su ksenobiotici i kakav je njihov odnos prema alkoholima? ODGOVORI 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. To je nemoguće. Indikatori ne utječu na alkohole i njihove vodene otopine. Naravno, alkemičari. Možda ako ovaj alkohol sadrži 12 ugljikovih atoma ili više. Iz ovih podataka ne može se izvući nikakav zaključak. Vodikove veze između molekula alkohola, s obzirom na nisku molekularnu težinu tih molekula, čine vrelište alkohola abnormalno visokim. Volumen smjese neće biti dvije litre, već mnogo manji, otprilike 1 litra - 860 ml. Nemojte piti dok vozite. Možda ako ga zagrijete i dodate konc. sumporne kiseline. Ne budi lijen i prisjeti se svega što si čuo o alkoholu, odluči jednom zauvijek koja ti je doza……. i treba li uopće????? Polihidrični alkohol etilenglikol  Etilenglikol je predstavnik zasićenih dihidričnih alkohola – glikola;  Naziv glikoli je dobio zbog slatkog okusa mnogih predstavnika serije (grč. “glycos” - sladak);  Etilen glikol je sirupasta tekućina slatkog okusa, bez mirisa i otrovna. Dobro se miješa s vodom i alkoholom, higroskopan. Primjena etilen glikola  Važno svojstvo etilen glikola je sposobnost da snizi točku ledišta vode, zbog čega se tvar široko koristi kao komponenta automobilskih antifriza i tekućina protiv smrzavanja;  Koristi se za proizvodnju lavsana (vrijedno sintetičko vlakno) Etilen glikol je otrov  Doze koje uzrokuju smrtonosno trovanje etilen glikolom jako variraju - od 100 do 600 ml. Prema nizu autora, smrtonosna doza za ljude je 50-150 ml. Stopa smrtnosti od etilen glikola je vrlo visoka i čini više od 60% svih slučajeva trovanja;  Mehanizam toksičnog učinka etilenglikola do danas nije dovoljno istražen. Etilen glikol se brzo apsorbira (uključujući kroz pore na koži) i cirkulira u krvi nepromijenjen nekoliko sati, dostižući maksimalnu koncentraciju nakon 2-5 sati. Zatim se njegov sadržaj u krvi postupno smanjuje, te se fiksira u tkivima.Polihidrični alkohol glicerin  Glicerin je trohidrični zasićeni alkohol. Bezbojna, viskozna, higroskopna tekućina slatkog okusa. Miješa se s vodom u bilo kojem omjeru, dobro otapalo. Reagira s dušičnom kiselinom i stvara nitroglicerin. S karboksilnim kiselinama stvara masti i ulja CH2 – CH – CH2 OH OH OH Primjena glicerina  Koristi se u     proizvodnji nitroglicerinskih eksploziva; Pri obradi kože; Kao sastavni dio nekih ljepila; U proizvodnji plastike glicerin se koristi kao plastifikator; U proizvodnji slastica i pića (kao dodatak hrani E422) Kvalitativna reakcija na višehidroksilne alkohole Kvalitativna reakcija na višehidroksilne alkohole  Reakcija na višehidroksilne alkohole je njihova interakcija sa svježe dobivenim talogom bakrovog (II) hidroksida, koji se otapanjem stvara svijetlo plavoljubičasto rješenje Zadaci Ispuniti radnu karticu za nastavni sat;  Odgovorite na ispitna pitanja;  Riješite križaljku  Radni listić za lekciju “Alkoholi”  Opća formula alkohola Imenujte tvari:  CH3OH  CH3-CH2-CH2-CH2-OH  CH2(OH)-CH2(OH)  Napišite strukturnu formulu propanola-2  Koja je definicija atomičnosti alkohola?  Nabroji primjene etanola  Koji se alkoholi koriste u prehrambenoj industriji?  Koji alkohol uzrokuje smrtonosno trovanje kada 30 ml uđe u tijelo?  Koja se tvar koristi kao tekućina protiv smrzavanja?  Kako razlikovati polihidrični alkohol od monohidričnog alkohola? Metode pripreme Laboratorijske  Hidroliza haloalkana: R-CL+NaOH R-OH+NaCL  Hidratacija alkena: CH2=CH2+H2O C2H5OH  Hidrogenacija karbonilnih spojeva Industrijska  Sinteza metanola iz sinteznog plina CO+2H2 CH3-OH (na povišeni tlak, visoka temperatura i katalizator cinkov oksid)  Hidratacija alkena  Fermentacija glukoze: C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 Kemijska svojstva I. Reakcije s kidanjem RO–H veze  Alkoholi reagiraju s alkalijskim i zemnoalkalijskim metalima pri čemu nastaju soli nalik spojevi - alkoholati 2SH CH CH OH + 2Na  2CH CH CH ONa + H  2CH CH OH + Ca  (CH CH O) Ca + H  3 2 3 2 2 3 3 2 2 2 2 2 2  Interakcija s organskim kiselinama (reakcija esterifikacije) dovodi do stvaranja estera. CH COOH + HOC H  CH COOC H (etil acetat (etil acetat)) + H O 3 2 5 3 2 5 2 II. Reakcije koje uključuju kidanje R–OH veze S halogenovodikom: R–OH + HBr  R–Br + H2O III. Reakcije oksidacije Alkoholi izgaraju: 2S3H7OH + 9O2  6SO2 + 8H2O Pod djelovanjem oksidacijskih sredstava:  primarni alkoholi prelaze u aldehide, sekundarni alkoholi u ketone IV. Dehidracija Nastaje pri zagrijavanju s reagensima za uklanjanje vode (konc. H2SO4). 1. Intramolekularnom dehidracijom nastaju alkeni CH3–CH2–OH  CH2=CH2 + H2O 2. Intermolekulskom dehidracijom nastaju eteri R-OH + H-O–R  R–O–R(eter) + H2O