Jautājumi par to, kas ir agregācijas stāvoklis, kādas ir cietvielu, šķidrumu un gāzu īpašības un īpašības, tiek apspriesti vairākos apmācību kursos. Ir trīs klasiski matērijas stāvokļi ar savām raksturīgām struktūras iezīmēm. Viņu izpratne ir svarīgs punkts, lai izprastu zinātnes par Zemi, dzīviem organismiem un rūpnieciskajām darbībām. Šos jautājumus pēta fizika, ķīmija, ģeogrāfija, ģeoloģija, fizikālā ķīmija un citas zinātnes disciplīnas. Vielas, kas noteiktos apstākļos atrodas vienā no trim pamatstāvokļiem, var mainīties, palielinoties vai samazinoties temperatūrai un spiedienam. Apskatīsim iespējamās pārejas no viena agregācijas stāvokļa uz citu, jo tās notiek dabā, tehnoloģijā un ikdienā.

Kas ir apkopošanas stāvoklis?

Latīņu izcelsmes vārds "aggrego" tulkojumā krievu valodā nozīmē "pievienoties". Zinātniskais termins attiecas uz tā paša ķermeņa, vielas stāvokli. Cietu vielu, gāzu un šķidrumu esamība noteiktā temperatūrā un dažādos spiedienos ir raksturīga visiem Zemes čaumalām. Papildus trim apkopošanas pamatstāvokļiem ir arī ceturtais. Paaugstinātā temperatūrā un nemainīgā spiedienā gāze pārvēršas plazmā. Lai labāk saprastu, kas ir agregācijas stāvoklis, ir jāatceras mazākās daļiņas, kas veido vielas un ķermeņus.

Iepriekš redzamā diagramma parāda: a - gāzi; b — šķidrums; c ir ciets ķermenis. Šādos attēlos apļi norāda vielu struktūras elementus. Tas ir simbols; patiesībā atomi, molekulas un joni nav cietas bumbiņas. Atomi sastāv no pozitīvi lādēta kodola, ap kuru lielā ātrumā pārvietojas negatīvi lādēti elektroni. Zināšanas par vielas mikroskopisko struktūru palīdz labāk izprast atšķirības, kas pastāv starp dažādām agregātu formām.

Idejas par mikrokosmosu: no Senās Grieķijas līdz 17. gadsimtam

Pirmā informācija par daļiņām, kas veido fiziskos ķermeņus, parādījās Senajā Grieķijā. Domātāji Demokrits un Epikūrs ieviesa tādu jēdzienu kā atoms. Viņi uzskatīja, ka šīm mazākajām nedalāmajām dažādu vielu daļiņām ir forma, noteikti izmēri un tās spēj kustēties un mijiedarboties viena ar otru. Atomisms kļuva par sava laika vismodernāko senās Grieķijas mācību. Bet tā attīstība viduslaikos palēninājās. Kopš tā laika zinātniekus vajāja Romas katoļu baznīcas inkvizīcija. Tāpēc līdz mūsdienām nebija skaidra priekšstata par vielas stāvokli. Tikai pēc 17. gadsimta zinātnieki R. Boils, M. Lomonosovs, D. Daltons, A. Lavuazjē formulēja atommolekulārās teorijas nosacījumus, kas nav zaudējuši savu nozīmi arī mūsdienās.

Atomi, molekulas, joni - vielas struktūras mikroskopiskas daļiņas

Būtisks izrāviens mikropasaules izpratnē notika 20. gadsimtā, kad tika izgudrots elektronu mikroskops. Ņemot vērā zinātnieku agrāk izdarītos atklājumus, izdevās izveidot sakarīgu mikropasaules ainu. Teorijas, kas apraksta mazāko vielas daļiņu stāvokli un uzvedību, ir diezgan sarežģītas, tās attiecas uz jomu Lai saprastu dažādu matērijas agregātu stāvokļu īpašības, pietiek zināt galveno veidojošo strukturālo daļiņu nosaukumus un īpašības. dažādas vielas.

1. Atomi ir ķīmiski nedalāmas daļiņas. Tie tiek saglabāti ķīmiskās reakcijās, bet tiek iznīcināti kodolreakcijās. Metāliem un daudzām citām atomu struktūras vielām normālos apstākļos ir ciets agregācijas stāvoklis.
2. Molekulas ir daļiņas, kas sadalās un veidojas ķīmiskās reakcijās. skābeklis, ūdens, oglekļa dioksīds, sērs. Skābekļa, slāpekļa, sēra dioksīda, oglekļa, skābekļa agregātstāvoklis normālos apstākļos ir gāzveida.
3. Joni ir lādētas daļiņas, par kurām atomi un molekulas kļūst, kad tie iegūst vai zaudē elektronus — mikroskopiskas negatīvi lādētas daļiņas. Daudziem sāļiem ir jonu struktūra, piemēram, galda sāls, dzelzs sulfāts un vara sulfāts.

Ir vielas, kuru daļiņas noteiktā veidā atrodas telpā. Atomu, jonu un molekulu sakārtoto savstarpējo stāvokli sauc par kristāla režģi. Parasti jonu un atomu kristālu režģi ir raksturīgi cietām vielām, molekulārie - šķidrumiem un gāzēm. Dimants izceļas ar augstu cietību. Tās atomu kristāla režģi veido oglekļa atomi. Bet mīkstais grafīts arī sastāv no šī ķīmiskā elementa atomiem. Tikai tie kosmosā atrodas atšķirīgi. Parastais sēra agregācijas stāvoklis ir ciets, bet augstā temperatūrā viela pārvēršas šķidrā un amorfā masā.

Vielas cietā agregācijas stāvoklī

Cietās vielas normālos apstākļos saglabā savu apjomu un formu. Piemēram, smilšu grauds, cukura grauds, sāls, akmens vai metāla gabals. Ja karsējat cukuru, viela sāk kust, pārvēršoties viskozā brūnā šķidrumā. Beigsim karsēt un atkal dabūsim ciet. Tas nozīmē, ka viens no galvenajiem nosacījumiem cietas vielas pārejai šķidrumā ir tās uzkarsēšana vai vielas daļiņu iekšējās enerģijas palielināšanās. Var mainīt arī pārtikā izmantotā sāls agregācijas cieto stāvokli. Bet, lai izkausētu galda sāli, nepieciešama augstāka temperatūra nekā karsējot cukuru. Fakts ir tāds, ka cukurs sastāv no molekulām, un galda sāls sastāv no uzlādētiem joniem, kas ir spēcīgāk piesaistīti viens otram. Cietās vielas šķidrā veidā nesaglabā savu formu, jo kristāla režģi tiek iznīcināti.

Sāls šķidrais agregāta stāvoklis kušanas laikā ir izskaidrojams ar saišu pārtraukšanu starp joniem kristālos. Tiek atbrīvotas uzlādētas daļiņas, kas var pārvadāt elektriskos lādiņus. Izkausētie sāļi vada elektrību un ir vadītāji. Ķīmijas, metalurģijas un mašīnbūves nozarēs cietās vielas pārvērš šķidrumos, lai iegūtu jaunus savienojumus vai piešķirtu tiem dažādas formas. Metālu sakausējumi ir kļuvuši plaši izplatīti. Ir vairāki veidi, kā tos iegūt, kas saistīti ar izmaiņām cieto izejvielu agregācijas stāvoklī.

Šķidrums ir viens no agregācijas pamatstāvokļiem

Ja apaļkolbā ielej 50 ml ūdens, pamanīsi, ka viela uzreiz iegūs ķīmiskā trauka formu. Bet, tiklīdz mēs izlejam ūdeni no kolbas, šķidrums nekavējoties izplatīsies pa galda virsmu. Ūdens tilpums paliks nemainīgs - 50 ml, bet tā forma mainīsies. Uzskaitītās pazīmes ir raksturīgas vielas eksistences šķidrajai formai. Daudzas organiskās vielas ir šķidrumi: spirti, augu eļļas, skābes.

Piens ir emulsija, t.i., šķidrums, kas satur tauku pilienus. Noderīgs šķidrais resurss ir nafta. To iegūst no akām, izmantojot urbšanas iekārtas uz zemes un okeānā. Jūras ūdens ir arī rūpniecības izejviela. Tā atšķirība no saldūdens upēs un ezeros slēpjas izšķīdušo vielu, galvenokārt sāļu, saturā. Iztvaikojot no rezervuāru virsmas, tvaika stāvoklī nonāk tikai H 2 O molekulas, paliek izšķīdušās vielas. Uz šo īpašību balstās metodes derīgo vielu iegūšanai no jūras ūdens un metodes tā attīrīšanai.

Kad sāļi ir pilnībā noņemti, iegūst destilētu ūdeni. Tas vārās 100°C un sasalst 0°C. Sālījumi uzvārās un pārvēršas ledū citās temperatūrās. Piemēram, ūdens Ledus okeānā sasalst pie virsmas temperatūras 2 °C.

Dzīvsudraba agregātstāvoklis normālos apstākļos ir šķidrs. Šo sudrabaini pelēko metālu parasti izmanto, lai aizpildītu medicīniskos termometrus. Sildot, dzīvsudraba kolonna paceļas uz skalas un viela izplešas. Kāpēc tiek izmantots spirts, kas tonēts ar sarkanu krāsu, nevis dzīvsudrabs? Tas izskaidrojams ar šķidrā metāla īpašībām. Pie 30 grādu salnām dzīvsudraba agregācijas stāvoklis mainās, viela kļūst cieta.

Ja plīst medicīniskais termometrs un izlīst dzīvsudrabs, tad sudraba bumbiņu savākšana ar rokām ir bīstama. Ir kaitīgi ieelpot dzīvsudraba tvaikus, šī viela ir ļoti toksiska. Šādos gadījumos bērniem jāvēršas pēc palīdzības pie vecākiem un pieaugušajiem.

Gāzveida stāvoklis

Gāzes nespēj saglabāt ne tilpumu, ne formu. Piepildīsim kolbu līdz augšai ar skābekli (tā ķīmiskā formula ir O2). Tiklīdz mēs atveram kolbu, vielas molekulas sāks sajaukties ar gaisu telpā. Tas notiek Brauna kustības dēļ. Pat sengrieķu zinātnieks Demokrits uzskatīja, ka matērijas daļiņas atrodas pastāvīgā kustībā. Cietās vielās normālos apstākļos atomiem, molekulām un joniem nav iespējas iziet no kristāliskā režģa vai atbrīvoties no saitēm ar citām daļiņām. Tas ir iespējams tikai tad, ja liels enerģijas daudzums tiek piegādāts no ārpuses.

Šķidrumos attālums starp daļiņām ir nedaudz lielāks nekā cietās vielās; tām ir nepieciešams mazāk enerģijas, lai pārtrauktu starpmolekulārās saites. Piemēram, skābekļa šķidrais stāvoklis tiek novērots tikai tad, kad gāzes temperatūra pazeminās līdz –183 °C. –223 °C temperatūrā O 2 molekulas veido cietu vielu. Kad temperatūra paaugstinās virs šīm vērtībām, skābeklis pārvēršas gāzē. Tieši šajā formā tas ir atrodams normālos apstākļos. Rūpniecības uzņēmumos tiek izmantotas īpašas iekārtas atmosfēras gaisa atdalīšanai un slāpekļa un skābekļa iegūšanai no tā. Pirmkārt, gaiss tiek atdzesēts un sašķidrināts, un tad temperatūra tiek pakāpeniski paaugstināta. Slāpeklis un skābeklis dažādos apstākļos pārvēršas gāzēs.

Zemes atmosfērā ir 21 tilpuma% skābekļa un 78% slāpekļa. Šīs vielas nav atrodamas šķidrā veidā planētas gāzveida apvalkā. Šķidrajam skābeklim ir gaiši zila krāsa, un to izmanto, lai uzpildītu balonus ar augstu spiedienu izmantošanai medicīnas iestādēs. Rūpniecībā un būvniecībā sašķidrinātās gāzes ir nepieciešamas daudzu procesu veikšanai. Skābeklis nepieciešams gāzes metināšanai un metālu griešanai, bet ķīmijā neorganisko un organisko vielu oksidācijas reakcijām. Atverot skābekļa balona vārstu, spiediens samazinās un šķidrums pārvēršas gāzē.

Sašķidrināto propānu, metānu un butānu plaši izmanto enerģētikā, transportā, rūpniecībā un mājsaimniecībās. Šīs vielas iegūst no dabasgāzes vai naftas izejvielu krekinga (šķelšanas) laikā. Oglekļa šķidrajiem un gāzveida maisījumiem ir liela nozīme daudzu valstu ekonomikā. Taču naftas un dabasgāzes rezerves ir stipri izsmeltas. Pēc zinātnieku domām, šī izejviela kalpos 100-120 gadus. Alternatīvs enerģijas avots ir gaisa plūsma (vējš). Spēkstaciju darbībai tiek izmantotas straujas upes un plūdmaiņas jūru un okeānu krastos.

Skābeklis, tāpat kā citas gāzes, var būt ceturtajā agregācijas stāvoklī, kas pārstāv plazmu. Neparastā pāreja no cietā stāvokļa uz gāzveida stāvokli ir raksturīga kristāliskā joda iezīme. Tumši purpursarkanā viela tiek sublimēta - tā pārvēršas gāzē, apejot šķidro stāvokli.

Kā notiek pārejas no vienas vielas agregāta formas uz citu?

Vielu agregātstāvokļa izmaiņas nav saistītas ar ķīmiskām pārvērtībām, tās ir fizikālas parādības. Paaugstinoties temperatūrai, daudzas cietās vielas kūst un pārvēršas šķidrumos. Turpmāka temperatūras paaugstināšanās var izraisīt iztvaikošanu, tas ir, vielas gāzveida stāvokli. Dabā un ekonomikā šādas pārejas ir raksturīgas vienai no galvenajām vielām uz Zemes. Ledus, šķidrums, tvaiks ir ūdens stāvokļi dažādos ārējos apstākļos. Savienojums ir vienāds, tā formula ir H 2 O. Temperatūrā 0 ° C un zem šīs vērtības ūdens kristalizējas, tas ir, pārvēršas ledū. Temperatūrai paaugstinoties, iegūtie kristāli tiek iznīcināti - ledus kūst, un atkal tiek iegūts šķidrs ūdens. Sildot, veidojas iztvaikošana – ūdens pārvēršanās gāzē – pat zemā temperatūrā. Piemēram, sasalušas peļķes pamazām izzūd, jo ūdens iztvaiko. Pat salnā laikā mitrā veļa izžūst, taču šis process aizņem ilgāku laiku nekā karstā dienā.

Visām uzskaitītajām ūdens pārejām no viena stāvokļa uz otru ir liela nozīme Zemes dabai. Atmosfēras parādības, klimats un laikapstākļi ir saistīti ar ūdens iztvaikošanu no Pasaules okeāna virsmas, mitruma pārnešanu mākoņu un miglas veidā uz zemi un nokrišņiem (lietus, sniegs, krusa). Šīs parādības veido Pasaules ūdens cikla pamatu dabā.

Kā mainās sēra agregātie stāvokļi?

Normālos apstākļos sērs ir spilgti spīdīgi kristāli vai gaiši dzeltens pulveris, t.i., tā ir cieta viela. Sēra fiziskais stāvoklis karsējot mainās. Pirmkārt, kad temperatūra paaugstinās līdz 190 °C, dzeltenā viela kūst, pārvēršoties kustīgā šķidrumā.

Ātri ielejot šķidru sēru aukstā ūdenī, iegūst brūnu amorfu masu. Turpinot karsēt sēra kausējumu, tas kļūst arvien viskozāks un kļūst tumšāks. Temperatūrā virs 300 °C sēra agregācijas stāvoklis atkal mainās, viela iegūst šķidruma īpašības un kļūst kustīga. Šīs pārejas rodas, pateicoties elementa atomu spējai veidot dažāda garuma ķēdes.

Kāpēc vielas var būt dažādos agregātstāvokļos?

Sēra, vienkāršas vielas, agregācijas stāvoklis parastos apstākļos ir ciets. Sēra dioksīds ir gāze, sērskābe ir eļļains šķidrums, kas ir smagāks par ūdeni. Atšķirībā no sālsskābes un slāpekļskābes, tas nav gaistošs, molekulas no tās virsmas neiztvaiko. Kādā agregācijas stāvoklī ir plastmasas sērs, ko iegūst, karsējot kristālus?

Amorfā formā vielai ir šķidruma struktūra ar nenozīmīgu plūstamību. Bet plastmasas sērs vienlaikus saglabā savu formu (kā cieta viela). Ir šķidrie kristāli, kuriem ir vairākas cietām vielām raksturīgas īpašības. Tādējādi vielas stāvoklis dažādos apstākļos ir atkarīgs no tās rakstura, temperatūras, spiediena un citiem ārējiem apstākļiem.

Kādas iezīmes pastāv cietvielu struktūrā?

Esošās atšķirības starp vielas pamata agregētajiem stāvokļiem ir izskaidrojamas ar atomu, jonu un molekulu mijiedarbību. Piemēram, kāpēc vielas cietais stāvoklis izraisa ķermeņu spēju saglabāt apjomu un formu? Metāla vai sāls kristālrežģī strukturālās daļiņas tiek piesaistītas viena otrai. Metālos pozitīvi lādēti joni mijiedarbojas ar tā saukto "elektronu gāzi", brīvo elektronu kopumu metāla gabalā. Sāls kristāli rodas, piesaistot pretēji lādētas daļiņas - jonus. Attālums starp iepriekš minētajām cietvielu strukturālajām vienībām ir daudz mazāks nekā pašu daļiņu izmēri. Šajā gadījumā darbojas elektrostatiskā pievilcība, tā piešķir spēku, bet atgrūšanās nav pietiekami spēcīga.

Lai iznīcinātu vielas agregācijas cieto stāvokli, ir jāpieliek pūles. Metāli, sāļi un atomu kristāli kūst ļoti augstā temperatūrā. Piemēram, dzelzs kļūst šķidrs temperatūrā virs 1538 °C. Volframs ir ugunsizturīgs, un to izmanto kvēldiegu izgatavošanai spuldzēm. Ir sakausējumi, kas kļūst šķidri temperatūrā virs 3000 °C. Daudzi uz Zemes atrodas cietā stāvoklī. Šīs izejvielas tiek iegūtas, izmantojot tehnoloģiju raktuvēs un karjeros.

Lai no kristāla atdalītu kaut vienu jonu, ir jāiztērē liels enerģijas daudzums. Bet pietiek izšķīdināt sāli ūdenī, lai kristāla režģis izjuktu! Šī parādība ir izskaidrojama ar ūdens kā polāra šķīdinātāja pārsteidzošajām īpašībām. H 2 O molekulas mijiedarbojas ar sāls joniem, iznīcinot ķīmisko saiti starp tām. Tādējādi šķīdināšana nav vienkārša dažādu vielu sajaukšana, bet gan fizikāli ķīmiska mijiedarbība starp tām.

Kā mijiedarbojas šķidruma molekulas?

Ūdens var būt šķidrums, cieta viela un gāze (tvaiks). Šie ir tā pamata agregācijas stāvokļi normālos apstākļos. Ūdens molekulas sastāv no viena skābekļa atoma, ar kuru ir saistīti divi ūdeņraža atomi. Molekulā notiek ķīmiskās saites polarizācija, un skābekļa atomos parādās daļējs negatīvs lādiņš. Ūdeņradis kļūst par pozitīvo polu molekulā, ko piesaista citas molekulas skābekļa atoms. To sauc par "ūdeņraža saiti".

Agregācijas šķidro stāvokli raksturo attālumi starp strukturālajām daļiņām, kas ir salīdzināmi ar to izmēriem. Pievilcība pastāv, bet tā ir vāja, tāpēc ūdens nesaglabā formu. Iztvaikošana notiek saišu iznīcināšanas dēļ, kas notiek uz šķidruma virsmas pat istabas temperatūrā.

Vai gāzēs pastāv starpmolekulāras mijiedarbības?

Vielas gāzveida agregātstāvoklis atšķiras no šķidras un cietas ar vairākiem parametriem. Starp gāzu strukturālajām daļiņām ir lielas spraugas, kas ir daudz lielākas par molekulu izmēriem. Šajā gadījumā pievilkšanās spēki nedarbojas vispār. Gāzveida agregācijas stāvoklis ir raksturīgs vielām, kas atrodas gaisā: slāpeklis, skābeklis, oglekļa dioksīds. Zemāk redzamajā attēlā pirmais kubs ir piepildīts ar gāzi, otrais ar šķidrumu un trešais ar cietu vielu.

Daudzi šķidrumi ir gaistoši, vielas molekulas atdalās no to virsmas un nonāk gaisā. Piemēram, ja pie atvērtas sālsskābes pudeles atveres atnesat amonjakā iemērcētu vates tamponu, parādās balti dūmi. Ķīmiskā reakcija starp sālsskābi un amonjaku notiek tieši gaisā, radot amonija hlorīdu. Kādā agregācijas stāvoklī ir šī viela? Tās daļiņas, kas veido baltus dūmus, ir sīki cieti sāls kristāli. Šis eksperiments jāveic zem pārsega; vielas ir toksiskas.

Secinājums

Gāzes agregācijas stāvokli pētīja daudzi izcili fiziķi un ķīmiķi: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendeļejevs, Le Chatelier. Zinātnieki ir formulējuši likumus, kas izskaidro gāzveida vielu uzvedību ķīmiskajās reakcijās, mainoties ārējiem apstākļiem. Atvērtie modeļi tika iekļauti ne tikai skolu un universitāšu fizikas un ķīmijas mācību grāmatās. Daudzas ķīmiskās rūpniecības nozares balstās uz zināšanām par vielu uzvedību un īpašībām dažādos agregācijas stāvokļos.

4. lekcija. Vielas agregātie stāvokļi

1. Vielas cietais stāvoklis.

2. Vielas šķidrums.

3. Vielas gāzveida stāvoklis.

Vielas var būt trīs agregācijas stāvokļos: cietā, šķidrā un gāzveida. Ļoti augstā temperatūrā parādās gāzveida stāvokļa veids - plazma (plazmas stāvoklis).

1. Vielas cieto stāvokli raksturo fakts, ka daļiņu mijiedarbības enerģija ir augstāka par to kustības kinētisko enerģiju. Lielākajai daļai vielu cietā stāvoklī ir kristāliska struktūra. Katra viela veido noteiktas formas kristālus. Piemēram, nātrija hlorīdam ir kristāli kubu veidā, alauns oktaedru veidā un nātrija nitrāts prizmu formā.

Vielas kristāliskā forma ir visstabilākā. Daļiņu izvietojums cietā vielā attēlots režģa veidā, kura mezglos atrodas noteiktas daļiņas, kas savienotas ar iedomātām līnijām. Ir četri galvenie kristālisko režģu veidi: atomu, molekulāro, jonu un metālisko.

Atomu kristāla režģis ko veido neitrālie atomi, kurus savieno kovalentās saites (dimants, grafīts, silīcijs). Molekulārais kristāla režģis satur naftalīnu, saharozi, glikozi. Šī režģa strukturālie elementi ir polāras un nepolāras molekulas. Jonu kristāla režģis ko veido pozitīvi un negatīvi lādēti joni (nātrija hlorīds, kālija hlorīds), regulāri mainoties telpā. Visiem metāliem ir metāla kristāla režģis. Tās mezglos ir pozitīvi lādēti joni, starp kuriem brīvā stāvoklī atrodas elektroni.

Kristāliskām vielām ir vairākas pazīmes. Viena no tām ir anizotropija – kristāla fizikālo īpašību atšķirība dažādos virzienos kristāla iekšienē.

2. Vielas šķidrā stāvoklī daļiņu starpmolekulārās mijiedarbības enerģija ir samērīga ar to kustības kinētisko enerģiju. Šis stāvoklis ir starpposms starp gāzveida un kristālisku. Atšķirībā no gāzēm, starp šķidruma molekulām darbojas lieli savstarpējas pievilkšanās spēki, kas nosaka molekulu kustības raksturu. Šķidruma molekulas termiskā kustība ietver vibrācijas un translācijas. Katra molekula kādu laiku svārstās ap noteiktu līdzsvara punktu, pēc tam pārvietojas un atkal ieņem līdzsvara stāvokli. Tas nosaka tā plūstamību. Starpmolekulārās pievilkšanās spēki neļauj molekulām pārvietoties tālu vienai no otras, kad tās pārvietojas.

Šķidrumu īpašības ir atkarīgas arī no molekulu tilpuma un to virsmas formas. Ja šķidruma molekulas ir polāras, tad tās apvienojas (asociējas) kompleksā kompleksā. Šādus šķidrumus sauc par saistītiem (ūdens, acetons, spirts). Οʜᴎ ir lielāka t kip, mazāka nepastāvība un augstāka dielektriskā konstante.

Kā zināms, šķidrumiem ir virsmas spraigums. Virsmas spraigums- ϶ᴛᴏ virsmas enerģija uz virsmas vienību: ϭ = E/S, kur ϭ ir virsmas spraigums; E – virsmas enerģija; S – virsmas laukums. Jo stiprākas ir starpmolekulārās saites šķidrumā, jo lielāks ir tā virsmas spraigums. Vielas, kas samazina virsmas spraigumu, sauc par virsmaktīvām vielām.

Vēl viena šķidrumu īpašība ir viskozitāte. Viskozitāte ir pretestība, kas rodas, kad daži šķidruma slāņi pārvietojas attiecībā pret citiem, kad tas pārvietojas. Dažiem šķidrumiem ir augsta viskozitāte (medus, mala), savukārt citiem ir zema viskozitāte (ūdens, etilspirts).

3. Vielas gāzveida stāvoklī daļiņu starpmolekulārās mijiedarbības enerģija ir mazāka par to kinētisko enerģiju. Šī iemesla dēļ gāzes molekulas netiek turētas kopā, bet brīvi pārvietojas tilpumā. Gāzēm ir raksturīgas šādas īpašības: 1) vienmērīgs sadalījums visā trauka tilpumā, kurā tās atrodas; 2) zems blīvums salīdzinājumā ar šķidrumiem un cietām vielām; 3) viegla saspiežamība.

Gāzē molekulas atrodas ļoti lielā attālumā viena no otras, pievilkšanās spēki starp tām ir mazi. Lielos attālumos starp molekulām šo spēku praktiski nav. Gāzi šādā stāvoklī parasti sauc par ideālu. Reālas gāzes augstā spiedienā un zemā temperatūrā nepakļaujas ideālās gāzes stāvokļa vienādojumam (Mendeļejeva-Klapeirona vienādojums), jo šādos apstākļos sāk parādīties mijiedarbības spēki starp molekulām.

Visas vielas var būt dažādos agregācijas stāvokļos – cietā, šķidrā, gāzveida un plazmā. Senatnē tika uzskatīts, ka pasaule sastāv no zemes, ūdens, gaisa un uguns. Vielu agregātie stāvokļi atbilst šim vizuālajam iedalījumam. Pieredze rāda, ka robežas starp agregācijas stāvokļiem ir ļoti patvaļīgas. Gāzes zemā spiedienā un zemā temperatūrā tiek uzskatītas par ideālām, tajās esošās molekulas atbilst materiāla punktiem, kas var sadurties tikai saskaņā ar elastīgās ietekmes likumiem. Molekulu mijiedarbības spēki trieciena brīdī ir niecīgi, un pašas sadursmes notiek, nezaudējot mehānisko enerģiju. Bet, palielinoties attālumam starp molekulām, jāņem vērā arī molekulu mijiedarbība. Šīs mijiedarbības sāk ietekmēt pāreju no gāzveida stāvokļa uz šķidrumu vai cietu. Starp molekulām var rasties dažāda veida mijiedarbības.

Starpmolekulārās mijiedarbības spēki nav piesātināmi, atšķiras no atomu ķīmiskās mijiedarbības spēkiem, kas noved pie molekulu veidošanās. Tie var būt elektrostatiski uzlādētu daļiņu mijiedarbības dēļ. Pieredze rāda, ka kvantu mehāniskā mijiedarbība, kas ir atkarīga no attāluma un molekulu savstarpējās orientācijas, ir niecīga, ja attālums starp molekulām ir lielāks par 10 -9 m. Retajās gāzēs to var neņemt vērā vai pieņemt, ka potenciālā mijiedarbības enerģija ir praktiski vienāds ar nulli. Nelielos attālumos šī enerģija ir maza, un darbojas savstarpēji pievilcīgi spēki

pie - savstarpēja atgrūšanās un spēks

molekulu pievilkšanās un atgrūšanās ir līdzsvarota un F= 0. Šeit spēkus nosaka to saikne ar potenciālo enerģiju, bet daļiņas kustas, tām piemīt noteikta kinētiskās enerģijas rezerve.

gii. Ļaujiet vienai molekulai būt nekustīgai, bet otrai saduras ar to, kam ir tāda enerģijas padeve. Molekulām tuvojoties vienai otrai, pievilcīgie spēki veic pozitīvu darbu un to mijiedarbības potenciālā enerģija samazinās līdz attālumam.Tajā pašā laikā palielinās kinētiskā enerģija (un ātrums). Kad attālums kļūst mazāks, pievilcīgie spēki tiks aizstāti ar atgrūdošiem spēkiem. Darbs, ko molekula veic pret šiem spēkiem, ir negatīvs.

Molekula pārvietosies tuvāk stacionārai molekulai, līdz tās kinētiskā enerģija tiks pilnībā pārvērsta potenciālā. Minimālais attālums d, sauc attālumu, kādā molekulas var tuvoties molekulas efektīvais diametrs. Pēc apstāšanās molekula sāks attālināties atgrūdošu spēku ietekmē, palielinoties ātrumam. Atkal nobraucot attālumu, molekula iekritīs pievilcīgo spēku zonā, kas palēninās tās noņemšanu. Efektīvais diametrs ir atkarīgs no sākotnējās kinētiskās enerģijas rezerves, t.i. šī vērtība nav nemainīga. Vienādos attālumos mijiedarbības potenciālajai enerģijai ir bezgala liela vērtība jeb “barjera”, kas neļauj molekulu centriem tuvoties mazākam attālumam. Vidējās potenciālās mijiedarbības enerģijas attiecība pret vidējo kinētisko enerģiju nosaka vielas agregācijas stāvokli: gāzēm, šķidrumiem, cietām vielām

Kondensētās vielas ietver šķidrumus un cietas vielas. Tajos atomi un molekulas atrodas tuvu, gandrīz pieskaroties. Vidējais attālums starp molekulu centriem šķidrumos un cietās vielās ir (2 -5) 10 -10 m. Arī to blīvumi ir aptuveni vienādi. Starpatomu attālumi pārsniedz attālumus, kuros elektronu mākoņi tik ļoti iekļūst viens otrā, ka rodas atgrūdoši spēki. Salīdzinājumam, gāzēs normālos apstākļos vidējais attālums starp molekulām ir aptuveni 33 10 -10 m.

IN šķidrumi starpmolekulārai mijiedarbībai ir spēcīgāks efekts, molekulu termiskā kustība izpaužas vājās vibrācijās ap līdzsvara stāvokli un pat lec no vienas pozīcijas uz otru. Tāpēc tiem ir tikai neliela attāluma secība daļiņu izkārtojumā, tas ir, konsekvence tikai tuvāko daļiņu izkārtojumā un raksturīga plūstamība.

Cietās vielas Tiem ir raksturīga konstrukcijas stingrība, ir precīzi noteikts tilpums un forma, kas temperatūras un spiediena ietekmē mainās daudz mazāk. Cietās vielās ir iespējami amorfi un kristāliski stāvokļi. Ir arī starpprodukti - šķidrie kristāli. Bet atomi cietās vielās nepavisam nav nekustīgi, kā varētu domāt. Katrs no tiem visu laiku svārstās elastīgo spēku ietekmē, kas rodas starp kaimiņiem. Lielākajai daļai elementu un savienojumu mikroskopā ir kristāliska struktūra.

Tādējādi galda sāls graudi izskatās kā ideāli kubi. Kristālos atomi ir fiksēti kristāla režģa vietās un var vibrēt tikai režģa vietu tuvumā. Kristāli ir īstas cietas vielas, un tādas cietas vielas kā plastmasa vai asfalts ieņem starpstāvokli starp cietām vielām un šķidrumiem. Amorfam ķermenim, tāpat kā šķidrumam, ir neliela attāluma kārtība, bet lēcienu iespējamība ir zema. Tādējādi stiklu var uzskatīt par pārdzesētu šķidrumu ar paaugstinātu viskozitāti. Šķidrajiem kristāliem ir šķidruma plūstamība, bet tie saglabā sakārtotu atomu izvietojumu un īpašību anizotropiju.

Atomu ķīmiskās saites (un apmēram iekšā) kristālos ir tādas pašas kā molekulās. Cietvielu struktūru un stingrību nosaka atšķirības elektrostatiskajos spēkos, kas saista kopā atomus, kas veido ķermeni. Mehānisms, kas saista atomus molekulās, var izraisīt cietu periodisku struktūru veidošanos, ko var uzskatīt par makromolekulām. Tāpat kā jonu un kovalentās molekulas, ir jonu un kovalentie kristāli. Jonu režģus kristālos satur kopā jonu saites (sk. 7.1. att.). Galda sāls struktūra ir tāda, ka katram nātrija jonam ir seši kaimiņi - hlora joni. Šis sadalījums atbilst minimālajai enerģijai, t.i., veidojoties šādai konfigurācijai, tiek atbrīvota maksimālā enerģija. Tāpēc, temperatūrai nokrītot zem kušanas temperatūras, ir tendence veidot tīrus kristālus. Temperatūrai paaugstinoties, termiskā kinētiskā enerģija ir pietiekama, lai pārrautu saiti, kristāls sāks kust, un struktūra sāks sabrukt. Kristālu polimorfisms ir spēja veidot stāvokļus ar dažādām kristāla struktūrām.

Mainoties elektriskā lādiņa sadalījumam neitrālos atomos, var rasties vāja mijiedarbība starp kaimiņiem. Šo saiti sauc par molekulāro vai van der Waals (kā ūdeņraža molekulā). Bet elektrostatiskās pievilkšanās spēki var rasties arī starp neitrāliem atomiem, tad atomu elektroniskajos apvalkos nenotiek pārkārtošanās. Savstarpēja atgrūšanās, elektronu apvalkiem tuvojoties viens otram, pārvieto negatīvo lādiņu smaguma centru attiecībā pret pozitīvajiem. Katrs no atomiem inducē elektrisko dipolu otrā, un tas noved pie to piesaistes. Tā ir starpmolekulāro spēku jeb van der Vāla spēku darbība, kam ir liels darbības rādiuss.

Tā kā ūdeņraža atoms ir tik mazs un tā elektronu var viegli izkustināt, tas bieži vien tiek piesaistīts diviem atomiem vienlaikus, veidojot ūdeņraža saiti. Ūdeņraža saite ir atbildīga arī par ūdens molekulu savstarpējo mijiedarbību. Tas izskaidro daudzas ūdens un ledus unikālas īpašības (7.4. att.).

Kovalentā saite(vai atomu) tiek panākts neitrālu atomu iekšējās mijiedarbības dēļ. Šādas saites piemērs ir saite metāna molekulā. Stipri saistītā oglekļa šķirne ir dimants (četri ūdeņraža atomi ir aizstāti ar četriem oglekļa atomiem).

Tādējādi ogleklis, kas veidots uz kovalentās saites, veido kristālu dimanta formā. Katru atomu ieskauj četri atomi, veidojot regulāru tetraedru. Bet katrs no tiem ir arī blakus esošā tetraedra virsotne. Citos apstākļos tie paši oglekļa atomi kristalizējas grafīts. Grafītā tos savieno arī atomu saites, bet veido sešstūrainu šūnveida šūnu plaknes, kas spēj bīdīt. Attālums starp atomiem, kas atrodas heksaedru virsotnēs, ir 0,142 nm. Slāņi atrodas 0,335 nm attālumā, t.i. ir vāji saistīti, tāpēc grafīts ir plastisks un mīksts (7.5. att.). 1990. gadā notika pētījumu uzplaukums, ko izraisīja paziņojums par jaunas vielas atklāšanu - fullerīts, kas sastāv no oglekļa molekulām – fullerēniem. Šī oglekļa forma ir molekulāra, t.i. Minimālais elements nav atoms, bet gan molekula. Tas nosaukts pēc arhitekta R. Fullera, kurš 1954. gadā saņēma patentu būvkonstrukcijām, kas izgatavotas no sešstūriem un piecstūriem, kas veido puslodi. Molekula no 60 oglekļa atomi ar diametru 0,71 nm tika atklāti 1985. gadā, pēc tam tika atklātas molekulas utt. Viņiem visiem bija stabilas virsmas,

bet stabilākās molekulas bija C 60 un AR 70 . Ir loģiski pieņemt, ka grafītu izmanto kā izejmateriālu fullerēnu sintēzei. Ja tas tā ir, tad sešstūra fragmenta rādiusam jābūt 0,37 nm. Bet tas izrādījās vienāds ar 0,357 nm. Šī 2% atšķirība ir saistīta ar to, ka oglekļa atomi atrodas uz sfēriskas virsmas 20 regulāru heksaedru, kas mantoti no grafīta, un 12 regulāru pentaedru virsotnēs, t.i. Dizains atgādina futbola bumbu. Izrādās, ka, “iešūstot” slēgtā sfērā, daži plakanie sešskaldņi pārvērtās par piecsedriem. Istabas temperatūrā C60 molekulas kondensējas struktūrā, kurā katrai molekulai ir 12 kaimiņi, kas atrodas 0,3 nm attālumā. Plkst T= 349 K, notiek pirmās kārtas fāzes pāreja - režģis tiek pārkārtots kubiskā. Pats kristāls ir pusvadītājs, bet, pievienojot C 60 kristāliskajai plēvei sārmu metālu, supravadītspēja rodas 19 K temperatūrā. Ja šajā dobajā molekulā tiek ievadīts viens vai otrs atoms, to var izmantot par pamatu. izveidojot datu nesēju ar īpaši augstu informācijas blīvumu: ieraksta blīvums sasniegs 4-10 12 biti/cm 2 . Salīdzinājumam feromagnētiskā materiāla plēve dod ieraksta blīvumu 10 7 biti/cm 2, un optiskie diski, t.i. lāzera tehnoloģija, - 10 8 biti/cm 2. Šim ogleklim piemīt arī citas unikālas īpašības, kas īpaši svarīgas medicīnā un farmakoloģijā.

Izpaužas metāla kristālos metāla savienojums, kad visi metāla atomi atdod savus valences elektronus “kolektīvai lietošanai”. Tie ir vāji saistīti ar atomu skeletiem un var brīvi pārvietoties pa kristāla režģi. Apmēram 2/5 ķīmisko elementu ir metāli. Metālos (izņemot dzīvsudrabu) saite veidojas, kad metālu atomu brīvās orbitāles pārklājas un elektroni tiek noņemti kristāla režģa veidošanās dēļ. Izrādās, ka režģa katjonus ieskauj elektronu gāze. Metāla saite rodas, kad atomi saplūst attālumā, kas ir mazāks par ārējo elektronu mākoņa izmēru. Ar šo konfigurāciju (Pauli princips) palielinās ārējo elektronu enerģija, un blakus esošie kodoli sāk piesaistīt šos ārējos elektronus, izplūduši elektronu mākoņi, vienmērīgi sadalot tos pa visu metālu un pārvēršot tos elektronu gāzē. Tā rodas vadītspējas elektroni, kas izskaidro metālu augsto elektrovadītspēju. Jonu un kovalentos kristālos ārējie elektroni ir praktiski saistīti, un šo cietvielu vadītspēja ir ļoti maza, tos sauc par izolatori.

Šķidrumu iekšējo enerģiju nosaka makroskopisko apakšsistēmu iekšējo enerģiju summa, kurās to var garīgi sadalīt, un šo apakšsistēmu mijiedarbības enerģijas. Mijiedarbība notiek, izmantojot molekulāros spēkus, kuru darbības rādiuss ir 10 -9 m. Makrosistēmām mijiedarbības enerģija ir proporcionāla saskares laukumam, tāpēc tā ir maza, tāpat kā virsmas slāņa daļa, bet šī nav nepieciešams. To sauc par virsmas enerģiju, un tas jāņem vērā problēmās, kas saistītas ar virsmas spraigumu. Parasti šķidrumi aizņem lielāku tilpumu ar vienādu svaru, t.i., tiem ir mazāks blīvums. Bet kāpēc ledus un bismuta apjomi kušanas laikā samazinās un pat pēc kušanas temperatūras kādu laiku saglabā šo tendenci? Izrādās, ka šīs vielas šķidrā stāvoklī ir blīvākas.

Šķidrumā uz katru atomu iedarbojas tā kaimiņi, un tas svārstās anizotropā potenciāla iekšpusē, ko tie rada. Atšķirībā no cieta korpusa šis caurums ir sekls, jo attālie kaimiņi gandrīz neietekmē. Šķidruma daļiņu tiešā vide mainās, t.i., šķidrums plūst. Kad tiek sasniegta noteikta temperatūra, šķidrums vārās, vārīšanās laikā temperatūra paliek nemainīga. Ienākošā enerģija tiek tērēta saišu pārraušanai, un šķidrums, pilnībā izjaukts, pārvēršas gāzē.

Šķidrumu blīvums ir daudz lielāks nekā gāzu blīvums vienā un tajā pašā spiedienā un temperatūrā. Tādējādi ūdens tilpums vārīšanās brīdī ir tikai 1/1600 no tās pašas ūdens tvaika masas tilpuma. Šķidruma tilpums ir maz atkarīgs no spiediena un temperatūras. Normālos apstākļos (20 °C un spiediens 1,013 10 5 Pa) ūdens aizņem 1 litru. Temperatūrai nokrītot līdz 10 °C, tilpums samazinās tikai par 0,0021, un, palielinoties spiedienam, tas samazinās uz pusi.

Lai gan vēl nav vienkārša ideāla šķidruma modeļa, tā mikrostruktūra ir pietiekami izpētīta un ļauj kvalitatīvi izskaidrot lielāko daļu tā makroskopisko īpašību. To, ka šķidrumos molekulu kohēzija ir vājāka nekā cietā ķermenī, atzīmēja Galileo; Viņš bija pārsteigts, ka lielas ūdens lāses sakrājās uz kāpostu lapām un neizplatījās pa lapu. Izlijis dzīvsudrabs vai ūdens pilieni uz taukainas virsmas saķeres dēļ iegūst mazu bumbiņu formā. Ja vienas vielas molekulas piesaista citas vielas molekulas, mēs runājam par mitrināšana, piemēram, līme un koks, eļļa un metāls (neskatoties uz milzīgo spiedienu, eļļa saglabājas gultņos). Bet ūdens paceļas plānās caurulēs, ko sauc par kapilāriem, un jo plānāka caurule, jo augstāk tā paceļas. Nevar būt cita izskaidrojuma, kā vien ūdens un stikla mitrināšanas efekts. Mitrināšanas spēki starp stiklu un ūdeni ir lielāki nekā starp ūdens molekulām. Ar dzīvsudrabu efekts ir pretējs: dzīvsudraba un stikla mitrināšana ir vājāka nekā saķeres spēki starp dzīvsudraba atomiem. Galilejs pamanīja, ka adata, kas ieeļļota ar taukiem, var peldēt pa ūdeni, lai gan tas bija pretrunā ar Arhimēda likumu. Kad adata peld, jūs varat

bet ievēro nelielu ūdens virsmas novirzi, cenšoties it kā iztaisnot. Adhēzijas spēki starp ūdens molekulām ir pietiekami, lai adata neiekristu ūdenī. Virsmas slānis aizsargā ūdeni kā plēve, tas ir virsmas spraigums, kas tiecas piešķirt ūdens formai mazāko virsmu – sfērisku. Bet adata vairs nepeldēs uz spirta virsmas, jo, pievienojot ūdenim spirtu, virsmas spraigums samazinās un adata nogrimst. Ziepes samazina arī virsmas spraigumu, tāpēc karstas ziepju putas, iekļūstot plaisās un spraugās, labāk nomazgā netīrumus, īpaši tos, kas satur taukus, savukārt tīrs ūdens vienkārši saritinās pilienos.

Plazma ir ceturtais vielas stāvoklis, kas ir gāze, kas sastāv no uzlādētu daļiņu kopuma, kas mijiedarbojas lielos attālumos. Šajā gadījumā pozitīvo un negatīvo lādiņu skaits ir aptuveni vienāds, lai plazma būtu elektriski neitrāla. No četriem elementiem plazma atbilst uguns. Lai pārvērstu gāzi plazmas stāvoklī, tai jābūt jonizēt, atdala elektronus no atomiem. Jonizāciju var veikt ar karsēšanu, elektrisko izlādi vai spēcīgu starojumu. Matērija Visumā galvenokārt atrodas jonizētā stāvoklī. Zvaigznēs jonizāciju izraisa termiski, retajos miglājos un starpzvaigžņu gāzēs - zvaigžņu ultravioletais starojums. Mūsu Saule arī sastāv no plazmas, tās starojums jonizē zemes atmosfēras augšējos slāņus, ko sauc jonosfēra, tālsatiksmes radiosakaru iespēja ir atkarīga no tā stāvokļa. Sauszemes apstākļos plazma ir reti sastopama - dienasgaismas spuldzēs vai elektriskās metināšanas lokā. Laboratorijās un tehnoloģijās plazmu visbiežāk iegūst ar elektrisko izlādi. Dabā to dara zibens. Jonizācijas laikā ar izlādi notiek elektronu lavīnas, līdzīgi kā ķēdes reakcijas procesā. Kodoltermiskās enerģijas iegūšanai tiek izmantota injekcijas metode: līdz ļoti lieliem ātrumiem paātrināti gāzes joni tiek ievadīti magnētiskajos slazdos, piesaistot elektronus no apkārtējās vides, veidojot plazmu. Tiek izmantota arī spiediena jonizācija - triecienviļņi. Šī jonizācijas metode notiek īpaši blīvās zvaigznēs un, iespējams, arī Zemes kodolā.

Jebkurš spēks, kas iedarbojas uz joniem un elektroniem, izraisa elektrisko strāvu. Ja tas nav savienots ar ārējiem laukiem un nav aizvērts plazmas iekšpusē, tas kļūst polarizēts. Plazma pakļaujas gāzes likumiem, bet, ja tiek pielietots magnētiskais lauks, kas regulē lādētu daļiņu kustību, tā uzrāda gāzei pilnīgi neparastas īpašības. Spēcīgā magnētiskajā laukā daļiņas sāk griezties ap lauka līnijām, un tās brīvi pārvietojas pa magnētisko lauku. Viņi saka, ka šī spirālveida kustība maina lauka līniju struktūru un lauks tiek “iesaldēts” plazmā. Reti sastopamu plazmu apraksta ar daļiņu sistēmu, bet blīvāku plazmu apraksta ar šķidruma modeli.

Plazmas augstā elektriskā vadītspēja ir tās galvenā atšķirība no gāzes. Saules virsmas aukstās plazmas vadītspēja (0,8 10 -19 J) sasniedz metālu vadītspēju, un kodoltermiskā temperatūrā (1,6 10 -15 J) ūdeņraža plazma vada strāvu 20 reizes labāk nekā varš normālos apstākļos. Tā kā plazma spēj vadīt strāvu, tai bieži tiek piemērots vadoša šķidruma modelis. To uzskata par nepārtrauktu vidi, lai gan tā saspiežamība to atšķir no parasta šķidruma, taču šī atšķirība parādās tikai plūsmās, kuru ātrums ir lielāks par skaņas ātrumu. Vadoša šķidruma uzvedība tiek pētīta zinātnē, ko sauc magnētiskā hidrodinamika. Kosmosā jebkura plazma ir ideāls vadītājs, un saldētā lauka likumiem ir plašs pielietojums. Vadoša šķidruma modelis ļauj izprast plazmas ierobežošanas mehānismu ar magnētisko lauku. Tādējādi no Saules izplūst plazmas plūsmas, kas ietekmē Zemes atmosfēru. Pašai plūsmai nav magnētiskā lauka, bet svešs lauks tajā nevar iekļūt saskaņā ar sasalšanas likumu. Plazmas saules straumes izspiež svešus starpplanētu magnētiskos laukus no Saules apkārtnes. Vietās, kur lauks ir vājāks, parādās magnētisks dobums. Kad šīs korpuskulārās plazmas plūsmas tuvojas Zemei, tās saduras ar Zemes magnētisko lauku un ir spiestas plūst ap to saskaņā ar šo pašu likumu. Izrādās, ka tas ir sava veida dobums, kurā tiek savākts magnētiskais lauks un kurā plazmas plūsmas neiekļūst. Uz tās virsmas uzkrājas uzlādētas daļiņas, kuras atklāja raķetes un satelīti – tā ir Zemes ārējā radiācijas josta. Šīs idejas tika izmantotas arī, risinot problēmas ar plazmas norobežošanu ar magnētisko lauku īpašās ierīcēs - tokamakos (no vārdu saīsinājuma: toroidāla kamera, magnēts). Ar pilnībā jonizētu plazmu, kas atrodas šajās un citās sistēmās, tiek liktas cerības uz kontrolētas kodoltermiskās reakcijas iegūšanu uz Zemes. Tas nodrošinātu tīru un lētu enerģijas avotu (jūras ūdeni). Notiek arī darbs, lai ražotu un saglabātu plazmu, izmantojot fokusētu lāzera starojumu.