Soalan tentang keadaan pengagregatan, apakah ciri dan sifat yang mempunyai pepejal, cecair dan gas dipertimbangkan dalam beberapa kursus latihan. Terdapat tiga keadaan jirim klasik, dengan ciri ciri strukturnya sendiri. Pemahaman mereka adalah perkara penting dalam memahami sains Bumi, organisma hidup, dan aktiviti pengeluaran. Soalan-soalan ini dipelajari oleh fizik, kimia, geografi, geologi, kimia fizikal dan disiplin saintifik yang lain. Bahan yang berada di bawah keadaan tertentu dalam salah satu daripada tiga jenis keadaan asas boleh berubah dengan peningkatan atau penurunan suhu atau tekanan. Mari kita pertimbangkan kemungkinan peralihan dari satu keadaan pengagregatan ke keadaan yang lain, kerana ia dijalankan dalam alam semula jadi, teknologi dan kehidupan seharian.

Apakah keadaan pengagregatan?

Perkataan asal Latin "aggrego" dalam terjemahan ke dalam bahasa Rusia bermaksud "untuk melampirkan". Istilah saintifik merujuk kepada keadaan badan yang sama, bahan. Kewujudan pepejal, gas dan cecair pada nilai suhu tertentu dan tekanan yang berbeza adalah ciri semua cangkang Bumi. Sebagai tambahan kepada tiga keadaan agregat asas, terdapat juga keadaan keempat. Pada suhu tinggi dan tekanan malar, gas bertukar menjadi plasma. Untuk lebih memahami apa itu keadaan pengagregatan, adalah perlu untuk mengingati zarah terkecil yang membentuk bahan dan jasad.

Rajah di atas menunjukkan: a - gas; b - cecair; c ialah jasad yang tegar. Dalam angka sedemikian, bulatan menunjukkan unsur-unsur struktur bahan. Ini adalah simbol, sebenarnya, atom, molekul, ion bukanlah bola pepejal. Atom terdiri daripada nukleus bercas positif yang mengelilingi elektron bercas negatif bergerak pada kelajuan tinggi. Pengetahuan tentang struktur mikroskopik jirim membantu untuk lebih memahami perbezaan yang wujud antara bentuk agregat yang berbeza.

Idea tentang dunia mikro: dari Yunani Purba hingga abad ke-17

Maklumat pertama tentang zarah yang membentuk badan fizikal muncul di Greece purba. Pemikir Democritus dan Epicurus memperkenalkan konsep sedemikian sebagai atom. Mereka percaya bahawa zarah-zarah terkecil yang tidak boleh dibahagikan dari bahan yang berbeza ini mempunyai bentuk, saiz tertentu, mampu bergerak dan berinteraksi antara satu sama lain. Atomistik menjadi ajaran paling maju Yunani purba pada zamannya. Tetapi perkembangannya perlahan pada Zaman Pertengahan. Sejak itu para saintis dianiaya oleh Inkuisisi Gereja Roman Katolik. Oleh itu, sehingga zaman moden, tidak ada konsep yang jelas tentang keadaan pengumpulan bahan. Hanya selepas abad ke-17 para saintis R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier merumuskan peruntukan teori atom-molekul, yang tidak kehilangan kepentingannya sehingga hari ini.

Atom, molekul, ion - zarah mikroskopik struktur jirim

Satu kejayaan besar dalam memahami mikrokosmos berlaku pada abad ke-20, apabila mikroskop elektron dicipta. Mengambil kira penemuan yang dibuat oleh saintis sebelum ini, adalah mungkin untuk mengumpulkan gambaran harmoni tentang dunia mikro. Teori yang menerangkan keadaan dan tingkah laku zarah terkecil jirim adalah agak kompleks, ia tergolong dalam medan. Untuk memahami ciri keadaan agregat jirim yang berbeza, cukup untuk mengetahui nama dan ciri zarah struktur utama yang membentuk berbeza. bahan-bahan.

1. Atom ialah zarah yang tidak boleh dibahagikan secara kimia. Dipelihara dalam tindak balas kimia, tetapi dimusnahkan dalam nuklear. Logam dan banyak bahan lain dalam struktur atom mempunyai keadaan pepejal pengagregatan di bawah keadaan normal.
2. Molekul ialah zarah yang terurai dan terbentuk dalam tindak balas kimia. oksigen, air, karbon dioksida, sulfur. Keadaan pengagregatan oksigen, nitrogen, sulfur dioksida, karbon, oksigen dalam keadaan normal adalah gas.
3. Ion ialah zarah bercas yang menjadi atom dan molekul apabila ia memperoleh atau kehilangan elektron - zarah bercas negatif mikroskopik. Banyak garam mempunyai struktur ionik, contohnya, garam meja, besi dan kuprum sulfat.

Terdapat bahan yang zarahnya terletak di angkasa dengan cara tertentu. Kedudukan bersama tertib atom, ion, molekul dipanggil kekisi kristal. Biasanya kekisi kristal ionik dan atom adalah tipikal untuk pepejal, molekul - untuk cecair dan gas. Berlian mempunyai kekerasan yang tinggi. Kekisi kristal atomnya dibentuk oleh atom karbon. Tetapi grafit lembut juga terdiri daripada atom unsur kimia ini. Hanya mereka terletak berbeza di angkasa. Keadaan biasa pengagregatan sulfur adalah pepejal, tetapi pada suhu tinggi bahan itu bertukar menjadi cecair dan jisim amorf.

Bahan dalam keadaan pepejal terkumpul

Pepejal dalam keadaan normal mengekalkan isipadu dan bentuknya. Contohnya, sebutir pasir, sebutir gula, garam, sekeping batu atau logam. Jika gula dipanaskan, bahan itu mula cair, bertukar menjadi cecair coklat likat. Hentikan pemanasan - sekali lagi kita mendapat pepejal. Ini bermakna bahawa salah satu syarat utama untuk peralihan pepejal kepada cecair ialah pemanasannya atau peningkatan tenaga dalaman zarah bahan itu. Keadaan pepejal pengagregatan garam, yang digunakan dalam makanan, juga boleh diubah. Tetapi untuk mencairkan garam meja, anda memerlukan suhu yang lebih tinggi daripada semasa memanaskan gula. Faktanya ialah gula terdiri daripada molekul, dan garam meja terdiri daripada ion bercas, yang lebih kuat tertarik antara satu sama lain. Pepejal dalam bentuk cecair tidak mengekalkan bentuknya kerana kekisi kristal rosak.

Keadaan cecair pengagregatan garam semasa lebur dijelaskan oleh pemecahan ikatan antara ion-ion dalam kristal. Zarah bercas dilepaskan yang boleh membawa cas elektrik. Garam cair mengalirkan elektrik dan merupakan konduktor. Dalam industri kimia, metalurgi dan kejuruteraan, pepejal ditukar kepada cecair untuk mendapatkan sebatian baru daripadanya atau memberikan bentuk yang berbeza. Aloi logam digunakan secara meluas. Terdapat beberapa cara untuk mendapatkannya, dikaitkan dengan perubahan dalam keadaan pengagregatan bahan mentah pepejal.

Cecair adalah salah satu daripada keadaan asas pengagregatan

Jika anda menuang 50 ml air ke dalam kelalang dasar bulat, anda akan perasan bahawa bahan itu serta-merta berbentuk bekas kimia. Tetapi sebaik sahaja kita menuang air keluar dari kelalang, cecair akan segera merebak ke atas permukaan meja. Isipadu air akan tetap sama - 50 ml, dan bentuknya akan berubah. Ciri-ciri ini adalah ciri bentuk cecair kewujudan jirim. Cecair adalah banyak bahan organik: alkohol, minyak sayuran, asid.

Susu adalah emulsi, iaitu cecair yang di dalamnya terdapat titisan lemak. Mineral cecair yang berguna ialah minyak. Ia diekstrak daripada telaga menggunakan pelantar penggerudian di darat dan di lautan. Air laut juga merupakan bahan mentah untuk industri. Perbezaannya daripada air tawar sungai dan tasik terletak pada kandungan bahan terlarut, terutamanya garam. Semasa penyejatan dari permukaan badan air, hanya molekul H 2 O yang masuk ke dalam keadaan wap, zat terlarut kekal. Kaedah untuk mendapatkan bahan berguna daripada air laut dan kaedah untuk penulenannya adalah berdasarkan sifat ini.

Dengan penyingkiran lengkap garam, air suling diperolehi. Ia mendidih pada 100°C dan membeku pada 0°C. Air garam mendidih dan bertukar menjadi ais pada suhu yang berbeza. Contohnya, air di Lautan Artik membeku pada suhu permukaan 2°C.

Keadaan agregat merkuri dalam keadaan normal ialah cecair. Logam kelabu perak ini biasanya diisi dengan termometer perubatan. Apabila dipanaskan, lajur merkuri naik pada skala, bahan mengembang. Mengapakah alkohol diwarnakan dengan cat merah digunakan, dan bukan merkuri? Ini dijelaskan oleh sifat-sifat logam cecair. Pada fros 30 darjah, keadaan pengagregatan merkuri berubah, bahan menjadi pepejal.

Jika termometer perubatan rosak dan merkuri telah tumpah, maka berbahaya untuk mengumpul bola perak dengan tangan anda. Ia berbahaya untuk menyedut wap merkuri, bahan ini sangat toksik. Kanak-kanak dalam kes sedemikian perlu mendapatkan bantuan daripada ibu bapa, orang dewasa.

keadaan gas

Gas tidak dapat mengekalkan isipadu atau bentuknya. Isikan kelalang ke bahagian atas dengan oksigen (formula kimianya ialah O 2). Sebaik sahaja kita membuka kelalang, molekul bahan akan mula bercampur dengan udara di dalam bilik. Ini disebabkan oleh gerakan Brownian. Malah saintis Yunani purba Democritus percaya bahawa zarah jirim sentiasa bergerak. Dalam pepejal, dalam keadaan normal, atom, molekul, ion tidak mempunyai peluang untuk meninggalkan kekisi kristal, untuk membebaskan diri mereka daripada ikatan dengan zarah lain. Ini hanya boleh dilakukan apabila sejumlah besar tenaga dibekalkan dari luar.

Dalam cecair, jarak antara zarah lebih besar sedikit daripada pepejal; mereka memerlukan lebih sedikit tenaga untuk memecahkan ikatan antara molekul. Sebagai contoh, keadaan agregat cecair oksigen diperhatikan hanya apabila suhu gas turun kepada -183 °C. Pada -223 ° C, molekul O 2 membentuk pepejal. Apabila suhu meningkat melebihi nilai yang diberikan, oksigen bertukar menjadi gas. Ia dalam bentuk ini bahawa ia berada di bawah keadaan biasa. Di perusahaan perindustrian, terdapat pemasangan khas untuk memisahkan udara atmosfera dan mendapatkan nitrogen dan oksigen daripadanya. Pertama, udara disejukkan dan dicairkan, dan kemudian suhu meningkat secara beransur-ansur. Nitrogen dan oksigen bertukar menjadi gas dalam keadaan yang berbeza.

Atmosfera bumi mengandungi 21% oksigen dan 78% nitrogen mengikut isipadu. Dalam bentuk cecair, bahan-bahan ini tidak terdapat dalam sampul gas planet ini. Oksigen cecair mempunyai warna biru muda dan diisi pada tekanan tinggi ke dalam silinder untuk digunakan dalam kemudahan perubatan. Dalam industri dan pembinaan, gas cecair diperlukan untuk banyak proses. Oksigen diperlukan untuk kimpalan gas dan pemotongan logam, dalam kimia - untuk tindak balas pengoksidaan bahan bukan organik dan organik. Jika anda membuka injap silinder oksigen, tekanan berkurangan, cecair bertukar menjadi gas.

Propana cair, metana dan butana digunakan secara meluas dalam tenaga, pengangkutan, industri dan aktiviti isi rumah. Bahan-bahan ini diperoleh daripada gas asli atau semasa keretakan (pemecahan) bahan mentah petroleum. Campuran cecair dan gas karbon memainkan peranan penting dalam ekonomi banyak negara. Tetapi rizab minyak dan gas asli telah habis teruk. Menurut saintis, bahan mentah ini akan bertahan selama 100-120 tahun. Sumber tenaga alternatif ialah aliran udara (angin). Sungai yang mengalir deras, pasang surut di pantai laut dan lautan digunakan untuk mengendalikan loji kuasa.

Oksigen, seperti gas lain, boleh berada dalam keadaan pengagregatan keempat, mewakili plasma. Peralihan luar biasa daripada pepejal kepada keadaan gas adalah ciri ciri iodin kristal. Bahan ungu gelap mengalami pemejalwapan - bertukar menjadi gas, memintas keadaan cecair.

Bagaimanakah peralihan daripada satu bentuk agregat jirim kepada yang lain dijalankan?

Perubahan dalam keadaan agregat bahan tidak dikaitkan dengan perubahan kimia, ini adalah fenomena fizikal. Apabila suhu meningkat, banyak pepejal mencair dan bertukar menjadi cecair. Peningkatan selanjutnya dalam suhu boleh membawa kepada penyejatan, iaitu, kepada keadaan gas bahan. Dalam alam semula jadi dan ekonomi, peralihan sedemikian adalah ciri salah satu bahan utama di Bumi. Ais, cecair, wap ialah keadaan air di bawah keadaan luaran yang berbeza. Kompaunnya adalah sama, formulanya ialah H 2 O. Pada suhu 0 ° C dan di bawah nilai ini, air mengkristal, iaitu, ia berubah menjadi ais. Apabila suhu meningkat, kristal yang terhasil dimusnahkan - ais mencair, air cecair diperoleh semula. Apabila ia dipanaskan, sejatan terbentuk - perubahan air menjadi gas - berterusan walaupun pada suhu rendah. Sebagai contoh, lopak beku secara beransur-ansur hilang kerana air menyejat. Walaupun dalam cuaca sejuk, pakaian basah kering, tetapi proses ini lebih lama daripada pada hari yang panas.

Semua peralihan air yang disenaraikan dari satu keadaan ke keadaan lain adalah sangat penting untuk sifat Bumi. Fenomena atmosfera, iklim dan cuaca dikaitkan dengan penyejatan air dari permukaan lautan, pemindahan kelembapan dalam bentuk awan dan kabus ke darat, pemendakan (hujan, salji, hujan batu). Fenomena ini menjadi asas kepada kitaran air Dunia di alam semula jadi.

Bagaimanakah keadaan agregat sulfur berubah?

Di bawah keadaan biasa, sulfur adalah kristal berkilat terang atau serbuk kuning muda, iaitu, ia adalah pepejal. Keadaan agregat sulfur berubah apabila dipanaskan. Pertama, apabila suhu meningkat kepada 190 ° C, bahan kuning cair, bertukar menjadi cecair mudah alih.

Jika anda dengan cepat menuangkan sulfur cair ke dalam air sejuk, anda mendapat jisim amorf berwarna coklat. Dengan pemanasan selanjutnya sulfur cair, ia menjadi lebih likat dan menjadi gelap. Pada suhu melebihi 300 ° C, keadaan pengagregatan sulfur berubah lagi, bahan memperoleh sifat cecair, menjadi mudah alih. Peralihan ini timbul kerana keupayaan atom unsur untuk membentuk rantai yang berbeza panjang.

Mengapakah bahan boleh berada dalam keadaan fizikal yang berbeza?

Keadaan pengagregatan sulfur - bahan ringkas - adalah pepejal dalam keadaan normal. Sulfur dioksida adalah gas, asid sulfurik adalah cecair berminyak yang lebih berat daripada air. Tidak seperti asid hidroklorik dan nitrik, ia tidak meruap; molekul tidak tersejat dari permukaannya. Apakah keadaan pengagregatan yang mempunyai sulfur plastik, yang diperoleh dengan memanaskan hablur?

Dalam bentuk amorf, bahan mempunyai struktur cecair, mempunyai sedikit kecairan. Tetapi sulfur plastik pada masa yang sama mengekalkan bentuknya (sebagai pepejal). Terdapat kristal cecair yang mempunyai beberapa sifat ciri pepejal. Oleh itu, keadaan jirim di bawah keadaan yang berbeza bergantung pada sifat, suhu, tekanan dan keadaan luaran yang lain.

Apakah ciri-ciri dalam struktur pepejal?

Perbezaan sedia ada antara keadaan agregat utama jirim dijelaskan oleh interaksi antara atom, ion dan molekul. Sebagai contoh, mengapakah keadaan agregat pepejal jirim membawa kepada keupayaan jasad untuk mengekalkan isipadu dan bentuk? Dalam kekisi kristal logam atau garam, zarah struktur tertarik antara satu sama lain. Dalam logam, ion bercas positif berinteraksi dengan apa yang dipanggil "gas elektron" - pengumpulan elektron bebas dalam sekeping logam. Hablur garam timbul kerana tarikan zarah bercas bertentangan - ion. Jarak antara unit struktur pepejal di atas adalah jauh lebih kecil daripada saiz zarah itu sendiri. Dalam kes ini, daya tarikan elektrostatik bertindak, ia memberikan kekuatan, dan tolakan tidak cukup kuat.

Untuk memusnahkan keadaan pepejal pengagregatan bahan, usaha mesti dilakukan. Logam, garam, hablur atom cair pada suhu yang sangat tinggi. Sebagai contoh, besi menjadi cecair pada suhu melebihi 1538 °C. Tungsten adalah refraktori dan digunakan untuk membuat filamen pijar untuk mentol lampu. Terdapat aloi yang menjadi cecair pada suhu melebihi 3000 °C. Ramai di Bumi berada dalam keadaan pepejal. Bahan mentah ini diekstrak dengan bantuan peralatan di lombong dan kuari.

Untuk menanggalkan walaupun satu ion daripada kristal, adalah perlu untuk membelanjakan sejumlah besar tenaga. Tetapi selepas semua, ia cukup untuk melarutkan garam dalam air untuk kekisi kristal hancur! Fenomena ini dijelaskan oleh sifat menakjubkan air sebagai pelarut polar. Molekul H 2 O berinteraksi dengan ion garam, memusnahkan ikatan kimia di antara mereka. Oleh itu, pelarutan bukanlah pencampuran mudah bahan yang berbeza, tetapi interaksi fizikal dan kimia antara mereka.

Bagaimanakah molekul cecair berinteraksi?

Air boleh menjadi cecair, pepejal dan gas (wap). Ini adalah keadaan pengagregatan utamanya di bawah keadaan biasa. Molekul air terdiri daripada satu atom oksigen dengan dua atom hidrogen terikat kepadanya. Terdapat polarisasi ikatan kimia dalam molekul, cas negatif separa muncul pada atom oksigen. Hidrogen menjadi kutub positif dalam molekul dan tertarik kepada atom oksigen molekul lain. Ini dipanggil "ikatan hidrogen".

Keadaan cecair pengagregatan dicirikan oleh jarak antara zarah struktur yang setanding dengan saiznya. Daya tarikan itu wujud, tetapi ia lemah, jadi air tidak mengekalkan bentuknya. Pengewapan berlaku kerana pemusnahan ikatan, yang berlaku pada permukaan cecair walaupun pada suhu bilik.

Adakah terdapat interaksi antara molekul dalam gas?

Keadaan gas sesuatu bahan berbeza daripada cecair dan pepejal dalam beberapa parameter. Di antara zarah struktur gas terdapat jurang yang besar, jauh lebih besar daripada saiz molekul. Dalam kes ini, daya tarikan tidak berfungsi sama sekali. Keadaan pengagregatan gas adalah ciri bahan yang terdapat dalam komposisi udara: nitrogen, oksigen, karbon dioksida. Dalam rajah di bawah, kubus pertama diisi dengan gas, yang kedua dengan cecair, dan yang ketiga dengan pepejal.

Banyak cecair tidak menentu; molekul bahan terputus dari permukaannya dan masuk ke udara. Sebagai contoh, jika anda membawa kapas yang dicelup dalam ammonia ke pembukaan botol asid hidroklorik terbuka, asap putih kelihatan. Tepat di udara, tindak balas kimia berlaku antara asid hidroklorik dan ammonia, ammonium klorida diperolehi. Dalam keadaan jirim apakah bahan ini? Zarah-zarahnya, yang membentuk asap putih, adalah kristal pepejal terkecil garam. Eksperimen ini mesti dijalankan di bawah hud ekzos, bahan-bahannya adalah toksik.

Kesimpulan

Keadaan agregat gas telah dikaji oleh ramai ahli fizik dan ahli kimia yang cemerlang: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Para saintis telah merumuskan undang-undang yang menerangkan kelakuan bahan gas dalam tindak balas kimia apabila keadaan luaran berubah. Kebiasaan terbuka bukan sahaja memasuki sekolah dan buku teks universiti fizik dan kimia. Banyak industri kimia adalah berdasarkan pengetahuan tentang kelakuan dan sifat bahan dalam keadaan pengagregatan yang berbeza.

Kuliah 4. Keadaan agregat jirim

1. Keadaan pepejal jirim.

2. Keadaan cecair jirim.

3. Keadaan jirim bergas.

Bahan boleh berada dalam tiga keadaan pengagregatan: pepejal, cecair dan gas. Pada suhu yang sangat tinggi, sejenis keadaan gas timbul - plasma (keadaan plasma).

1. Keadaan pepejal jirim dicirikan oleh fakta bahawa tenaga interaksi antara zarah lebih tinggi daripada tenaga kinetik pergerakannya. Kebanyakan bahan dalam keadaan pepejal mempunyai struktur kristal. Setiap bahan membentuk kristal dalam bentuk tertentu. Sebagai contoh, natrium klorida mempunyai kristal dalam bentuk kiub, tawas dalam bentuk oktahedron, natrium nitrat dalam bentuk prisma.

Bentuk kristal suatu bahan adalah yang paling stabil. Susunan zarah dalam badan pepejal digambarkan sebagai kekisi, pada nod yang zarah tertentu disambungkan oleh garis khayalan. Terdapat empat jenis utama kekisi kristal: atom, molekul, ionik dan logam.

Kekisi kristal atom dibentuk oleh atom neutral yang dihubungkan oleh ikatan kovalen (berlian, grafit, silikon). Kekisi kristal molekul mempunyai naftalena, sukrosa, glukosa. Unsur-unsur struktur kekisi ini ialah molekul polar dan bukan polar. Kisi kristal ionik Ia dibentuk oleh ion-ion bercas positif dan negatif (natrium klorida, kalium klorida) secara bergantian di angkasa. Semua logam mempunyai kekisi kristal logam. Pada nodnya terdapat ion bercas positif, di antaranya terdapat elektron dalam keadaan bebas.

Bahan kristal mempunyai beberapa ciri. Salah satu daripadanya ialah anisotropi - ϶ᴛᴏ ketidaksamaan sifat fizikal kristal dalam arah yang berbeza di dalam kristal.

2. Dalam keadaan cecair jirim, tenaga interaksi antara molekul zarah adalah sepadan dengan tenaga kinetik pergerakannya. Keadaan ini adalah perantaraan antara gas dan kristal. Tidak seperti gas, daya tarikan bersama yang besar bertindak antara molekul cecair, yang menentukan sifat gerakan molekul. Pergerakan haba molekul cecair termasuk getaran dan translasi. Setiap molekul berayun di sekitar titik keseimbangan tertentu untuk beberapa waktu, dan kemudian bergerak dan sekali lagi menduduki kedudukan keseimbangan. Ini menentukan kecairannya. Daya tarikan antara molekul tidak membenarkan molekul bergerak jauh antara satu sama lain semasa pergerakannya.

Sifat cecair juga bergantung kepada isipadu molekul dan bentuk permukaannya. Jika molekul cecair adalah polar, maka ia digabungkan (berkaitan) menjadi kompleks kompleks. Cecair sedemikian dipanggil berkaitan (air, aseton, alkohol). Οʜᴎ mempunyai t kip yang lebih tinggi, mempunyai kemeruapan yang lebih rendah, pemalar dielektrik yang lebih tinggi.

Seperti yang anda ketahui, cecair mempunyai tegangan permukaan. Ketegangan permukaan- ϶ᴛᴏ tenaga permukaan per unit permukaan: ϭ = Е/S, dengan ϭ ialah tegangan permukaan; E ialah tenaga permukaan; S ialah luas permukaan. Semakin kuat ikatan antara molekul dalam cecair, semakin besar tegangan permukaannya. Bahan yang mengurangkan ketegangan permukaan dipanggil surfaktan.

Satu lagi sifat cecair ialah kelikatan. Kelikatan - ϶ᴛᴏ rintangan yang berlaku apabila beberapa lapisan cecair bergerak berbanding lapisan lain apabila ia bergerak. Sesetengah cecair mempunyai kelikatan yang tinggi (madu, kecil), manakala yang lain adalah rendah (air, etil alkohol).

3. Dalam keadaan gas jirim, tenaga interaksi antara molekul zarah adalah kurang daripada tenaga kinetiknya. Atas sebab ini, molekul gas tidak disatukan, tetapi bergerak bebas dalam isipadu. Gas dicirikan oleh sifat: 1) pengagihan seragam ke atas keseluruhan isipadu kapal di mana ia berada; 2) ketumpatan rendah berbanding cecair dan pepejal; 3) kebolehmampatan mudah.

Dalam gas, molekul berada pada jarak yang sangat jauh antara satu sama lain, daya tarikan antara mereka adalah kecil. Pada jarak yang jauh antara molekul, daya ini hampir tiada. Gas dalam keadaan ini dipanggil ideal. Gas sebenar pada tekanan tinggi dan suhu rendah tidak mematuhi persamaan keadaan gas ideal (persamaan Mendel-eev-Clapeyron), kerana dalam keadaan ini, daya interaksi antara molekul mula muncul.

Semua bahan boleh berada dalam keadaan pengagregatan yang berbeza - pepejal, cecair, gas dan plasma. Pada zaman dahulu, ia dipercayai: dunia terdiri daripada bumi, air, udara dan api. Keadaan agregat bahan sepadan dengan pembahagian visual ini. Pengalaman menunjukkan bahawa sempadan antara keadaan agregat adalah sangat sewenang-wenangnya. Gas pada tekanan rendah dan suhu rendah dianggap ideal, molekul di dalamnya sepadan dengan titik bahan yang hanya boleh berlanggar mengikut undang-undang kesan elastik. Daya interaksi antara molekul pada saat hentaman adalah diabaikan, perlanggaran itu sendiri berlaku tanpa kehilangan tenaga mekanikal. Tetapi apabila jarak antara molekul meningkat, interaksi molekul juga mesti diambil kira. Interaksi ini mula menjejaskan peralihan daripada keadaan gas kepada cecair atau pepejal. Pelbagai jenis interaksi boleh berlaku antara molekul.

Daya interaksi antara molekul tidak mempunyai ketepuan, berbeza daripada daya interaksi kimia atom, yang membawa kepada pembentukan molekul. Mereka boleh menjadi elektrostatik apabila berinteraksi antara zarah bercas. Pengalaman telah menunjukkan bahawa interaksi mekanikal kuantum, yang bergantung pada jarak dan orientasi bersama molekul, boleh diabaikan pada jarak antara molekul lebih daripada 10 -9 m. Dalam gas jarang, ia boleh diabaikan atau boleh diandaikan bahawa potensi tenaga interaksi boleh dikatakan sifar. Pada jarak yang kecil, tenaga ini kecil, pada , daya tarikan bersama bertindak

di - saling tolak menolak dan memaksa

tarikan dan tolakan molekul adalah seimbang dan F= 0. Di sini daya ditentukan oleh hubungannya dengan tenaga keupayaan. Tetapi zarah bergerak, mempunyai rizab tenaga kinetik tertentu

aduh. Biarkan satu molekul tidak bergerak, dan satu lagi berlanggar dengannya, mempunyai bekalan tenaga sedemikian. Apabila molekul menghampiri satu sama lain, daya tarikan melakukan kerja positif dan tenaga potensi interaksi mereka berkurangan ke jarak.Pada masa yang sama, tenaga kinetik (dan kelajuan) meningkat. Apabila jarak menjadi kurang, daya tarikan akan digantikan oleh daya tolakan. Kerja yang dilakukan oleh molekul terhadap daya ini adalah negatif.

Molekul akan menghampiri molekul tidak bergerak sehingga tenaga kinetiknya ditukar sepenuhnya kepada potensi. Jarak minimum d, molekul yang boleh mendekati satu sama lain dipanggil diameter molekul berkesan. Selepas berhenti, molekul akan mula bergerak jauh di bawah tindakan daya tolakan dengan kelajuan yang semakin meningkat. Setelah melepasi jarak semula, molekul akan jatuh ke kawasan daya tarikan, yang akan memperlahankan penyingkirannya. Diameter berkesan bergantung kepada stok awal tenaga kinetik, i.e. nilai ini tidak tetap. Pada jarak yang sama dengan tenaga potensi interaksi mempunyai nilai yang tidak terhingga besar atau "penghalang" yang menghalang pusat molekul daripada mendekati pada jarak yang lebih pendek. Nisbah tenaga keupayaan purata interaksi kepada tenaga kinetik purata menentukan keadaan pengagregatan bahan: untuk gas untuk cecair, untuk pepejal

Media pekat ialah cecair dan pepejal. Di dalamnya, atom dan molekul terletak rapat, hampir menyentuh. Jarak purata antara pusat molekul dalam cecair dan pepejal adalah kira-kira (2 -5) 10 -10 m.Ketumpatannya lebih kurang sama. Jarak interatomik melebihi jarak di mana awan elektron menembusi satu sama lain sehingga timbul daya tolakan. Sebagai perbandingan, dalam gas dalam keadaan normal, jarak purata antara molekul adalah kira-kira 33 10 -10 m.

DALAM cecair interaksi antara molekul lebih ketara, gerakan terma molekul memanifestasikan dirinya dalam ayunan lemah di sekitar kedudukan keseimbangan dan juga melompat dari satu kedudukan ke kedudukan yang lain. Oleh itu, mereka hanya mempunyai susunan jarak pendek dalam susunan zarah, iaitu, ketekalan dalam susunan hanya zarah yang terdekat, dan kecairan ciri.

pepejal dicirikan oleh ketegaran struktur, mempunyai isipadu dan bentuk yang ditakrifkan dengan tepat, yang berubah lebih sedikit di bawah pengaruh suhu dan tekanan. Dalam pepejal, keadaan amorf dan kristal adalah mungkin. Terdapat juga bahan perantaraan - kristal cecair. Tetapi atom dalam pepejal tidak sama sekali tidak bergerak, seperti yang mungkin difikirkan. Setiap daripada mereka turun naik sepanjang masa di bawah pengaruh daya elastik yang timbul antara jiran. Kebanyakan unsur dan sebatian mempunyai struktur kristal di bawah mikroskop.

Jadi, butiran garam kelihatan seperti kiub yang ideal. Dalam hablur, atom terpaku pada nod kekisi kristal dan hanya boleh bergetar berhampiran nod kekisi. Kristal membentuk pepejal sejati, dan pepejal seperti plastik atau asfalt menduduki, seolah-olah, kedudukan pertengahan antara pepejal dan cecair. Badan amorf, seperti cecair, mempunyai susunan jarak dekat, tetapi kebarangkalian lompatan adalah kecil. Jadi, kaca boleh dianggap sebagai cecair supercooled, yang mempunyai kelikatan yang meningkat. Hablur cecair mempunyai kecairan cecair, tetapi mengekalkan keteraturan susunan atom dan mempunyai sifat anisotropi.

Ikatan kimia atom (dan lebih kurang dalam) dalam kristal adalah sama seperti dalam molekul. Struktur dan ketegaran pepejal ditentukan oleh perbezaan daya elektrostatik yang mengikat bersama atom yang membentuk badan. Mekanisme yang mengikat atom ke dalam molekul boleh membawa kepada pembentukan struktur berkala pepejal, yang boleh dianggap sebagai makromolekul. Seperti molekul ionik dan kovalen, terdapat kristal ionik dan kovalen. Kekisi ionik dalam kristal diikat bersama oleh ikatan ionik (lihat Rajah 7.1). Struktur garam meja adalah sedemikian rupa sehingga setiap ion natrium mempunyai enam jiran - ion klorida. Pengagihan ini sepadan dengan tenaga minimum, iaitu, apabila konfigurasi sedemikian terbentuk, tenaga maksimum dibebaskan. Oleh itu, apabila suhu jatuh di bawah takat lebur, kecenderungan untuk membentuk kristal tulen diperhatikan. Dengan peningkatan suhu, tenaga kinetik terma mencukupi untuk memecahkan ikatan, kristal akan mula cair, dan struktur akan runtuh. Polimorfisme kristal ialah keupayaan untuk membentuk keadaan dengan struktur kristal yang berbeza.

Apabila pengagihan cas elektrik dalam atom neutral berubah, interaksi yang lemah antara jiran boleh berlaku. Ikatan ini dipanggil ikatan molekul atau van der Waals (seperti dalam molekul hidrogen). Tetapi daya tarikan elektrostatik juga boleh timbul antara atom neutral, maka tiada penyusunan semula dalam kulit elektron atom berlaku. Tolakan bersama semasa menghampiri kulit elektron mengalihkan pusat graviti cas negatif berbanding dengan yang positif. Setiap atom menginduksi dipol elektrik pada yang lain, dan ini membawa kepada tarikan mereka. Ini adalah tindakan daya antara molekul atau daya van der Waals, yang mempunyai jejari tindakan yang besar.

Oleh kerana atom hidrogen sangat kecil dan elektronnya mudah disesarkan, ia sering tertarik kepada dua atom sekaligus, membentuk ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen juga bertanggungjawab untuk interaksi molekul air antara satu sama lain. Ia menerangkan banyak sifat unik air dan ais (Rajah 7.4).

ikatan kovalen(atau atom) dicapai kerana interaksi dalaman atom neutral. Contoh ikatan sedemikian ialah ikatan dalam molekul metana. Bentuk karbon yang sangat terikat ialah berlian (empat atom hidrogen digantikan oleh empat atom karbon).

Jadi, karbon, dibina di atas ikatan kovalen, membentuk kristal dalam bentuk berlian. Setiap atom dikelilingi oleh empat atom membentuk tetrahedron sekata. Tetapi setiap daripada mereka secara serentak adalah puncak tetrahedron jiran. Di bawah keadaan lain, atom karbon yang sama menghablur menjadi grafit. Dalam grafit, ia juga disambungkan oleh ikatan atom, tetapi ia membentuk satah sel sarang lebah heksagon yang mampu menggunting. Jarak antara atom yang terletak di bucu heksagon ialah 0.142 nm. Lapisan terletak pada jarak 0.335 nm, i.e. terikat lemah, jadi grafit adalah plastik dan lembut (Rajah 7.5). Pada tahun 1990, terdapat ledakan dalam kerja penyelidikan, disebabkan oleh mesej tentang penerimaan bahan baru - fullerite, terdiri daripada molekul karbon - fullerenes. Bentuk karbon ini adalah molekul; Unsur terkecil bukanlah atom, tetapi molekul. Ia dinamakan sempena arkitek R. Fuller, yang pada tahun 1954 menerima paten untuk struktur bangunan daripada heksagon dan pentagon yang membentuk hemisfera. Molekul daripada 60 atom karbon dengan diameter 0.71 nm ditemui pada tahun 1985, kemudian molekul ditemui, dsb. Kesemuanya mempunyai permukaan yang stabil,

tetapi molekul C 60 dan DARI 70 . Adalah logik untuk menganggap bahawa grafit digunakan sebagai bahan mentah untuk sintesis fullerene. Jika ya, maka jejari serpihan heksagon hendaklah 0.37 nm. Tetapi ia ternyata sama dengan 0.357 nm. Perbezaan 2% ini adalah disebabkan oleh fakta bahawa atom karbon terletak pada permukaan sfera pada bucu 20 heksagon sekata yang diwarisi daripada grafit dan 12 pentahedron sekata, i.e. reka bentuknya menyerupai bola sepak. Ternyata apabila "menjahit" menjadi sfera tertutup, beberapa heksagon rata bertukar menjadi pentahedron. Pada suhu bilik, molekul C 60 terpeluwap menjadi struktur di mana setiap molekul mempunyai 12 jiran dengan jarak 0.3 nm. Pada T= 349 K, peralihan fasa tertib pertama berlaku - kekisi disusun semula menjadi satu kubik. Kristal itu sendiri adalah semikonduktor, tetapi apabila logam alkali ditambah kepada filem kristal C 60, superkonduktiviti berlaku pada suhu 19 K. Jika satu atau atom lain dimasukkan ke dalam molekul berongga ini, ia boleh digunakan sebagai asas untuk mencipta medium storan dengan ketumpatan maklumat ultratinggi: ketumpatan rakaman akan mencapai 4-10 12 bit/cm2. Sebagai perbandingan, filem bahan feromagnetik memberikan ketumpatan rakaman tertib 10 7 bit / cm 2, dan cakera optik, i.e. teknologi laser, - 10 8 bit/cm 2 . Karbon ini juga mempunyai sifat unik lain yang amat penting dalam perubatan dan farmakologi.

menampakkan dirinya dalam kristal logam ikatan logam, apabila semua atom dalam logam mendermakan elektron valens mereka "untuk kegunaan kolektif". Mereka terikat lemah pada teras atom dan boleh bergerak bebas di sepanjang kekisi kristal. Kira-kira 2/5 daripada unsur kimia adalah logam. Dalam logam (kecuali merkuri), ikatan terbentuk apabila orbital kosong atom logam bertindih dan elektron tertanggal akibat pembentukan kekisi kristal. Ternyata kation kekisi diselubungi gas elektron. Ikatan logam berlaku apabila atom mendekati satu sama lain pada jarak kurang daripada saiz awan elektron luar. Dengan konfigurasi ini (prinsip Pauli), tenaga elektron luar meningkat, dan nukleus jiran mula menarik elektron luar ini, mengaburkan awan elektron, mengedarkannya secara merata ke atas logam dan mengubahnya menjadi gas elektron. Ini adalah bagaimana elektron pengaliran timbul, yang menerangkan kekonduksian elektrik logam yang tinggi. Dalam kristal ionik dan kovalen, elektron luar terikat secara praktikal, dan kekonduksian pepejal ini sangat rendah, ia dipanggil penebat.

Tenaga dalaman cecair ditentukan oleh jumlah tenaga dalaman subsistem makroskopik yang mana ia boleh dibahagikan secara mental, dan tenaga interaksi subsistem ini. Interaksi dilakukan melalui daya molekul dengan julat kira-kira 10 -9 m Untuk makrosistem, tenaga interaksi adalah berkadar dengan kawasan sentuhan, jadi ia kecil, seperti pecahan lapisan permukaan, tetapi ini tidak perlu. Ia dipanggil tenaga permukaan dan harus diambil kira dalam masalah yang berkaitan dengan ketegangan permukaan. Biasanya, cecair menduduki isipadu yang lebih besar dengan berat yang sama, iaitu, mempunyai ketumpatan yang lebih rendah. Tetapi mengapa isipadu ais dan bismut berkurangan apabila cair dan walaupun selepas takat lebur mengekalkan trend ini untuk beberapa lama? Ternyata bahan-bahan ini dalam keadaan cecair lebih tumpat.

Dalam cecair, setiap atom digerakkan oleh jirannya dan berayun dalam potensi anisotropik yang mereka cipta. Tidak seperti badan pepejal, telaga ini tidak dalam, kerana jiran yang jauh hampir tidak mempunyai kesan. Persekitaran terdekat zarah dalam cecair berubah, iaitu, cecair mengalir. Apabila suhu tertentu dicapai, cecair mendidih; semasa mendidih, suhu kekal malar. Tenaga yang masuk dibelanjakan untuk memecahkan ikatan, dan apabila ia dipecahkan sepenuhnya, cecair bertukar menjadi gas.

Ketumpatan cecair jauh lebih besar daripada ketumpatan gas pada tekanan dan suhu yang sama. Oleh itu, isipadu air semasa mendidih hanyalah 1/1600 daripada isipadu wap air yang sama jisim. Isipadu cecair bergantung sedikit pada tekanan dan suhu. Di bawah keadaan biasa (20 °C dan tekanan 1.013 10 5 Pa), air menempati isipadu 1 liter. Dengan penurunan suhu hingga 10 ° C, isipadu akan berkurangan hanya sebanyak 0.0021, dengan peningkatan tekanan - dengan faktor dua.

Walaupun masih belum ada model ideal cecair yang mudah, struktur mikronya telah dikaji dengan secukupnya dan memungkinkan untuk menerangkan secara kualitatif kebanyakan sifat makroskopiknya. Fakta bahawa kohesi molekul dalam cecair adalah lebih lemah daripada pepejal diperhatikan oleh Galileo; dia terkejut bahawa titisan air yang besar terkumpul pada daun kubis dan tidak merebak ke atas daun. Merkuri atau titisan air yang tertumpah pada permukaan berminyak berbentuk bebola kecil akibat lekatan. Apabila molekul satu bahan tertarik kepada molekul bahan lain, ia dipanggil membasahkan, sebagai contoh, gam dan kayu, minyak dan logam (walaupun tekanan yang besar, minyak dikekalkan dalam galas). Tetapi air naik dalam tiub nipis, dipanggil kapilari, dan semakin tinggi, semakin nipis tiub itu. Tidak ada penjelasan lain selain kesan membasahi air dan kaca. Daya pembasahan antara kaca dan air adalah lebih besar daripada antara molekul air. Dengan merkuri, kesannya diterbalikkan: pembasahan merkuri dan kaca lebih lemah daripada daya kohesi antara atom merkuri. Galileo menyedari bahawa jarum yang digris boleh terapung di atas air, walaupun ini bercanggah dengan undang-undang Archimedes. Apabila jarum terapung,

tetapi perhatikan sedikit pesongan permukaan air, cenderung untuk meluruskan, seolah-olah. Daya padu antara molekul air adalah mencukupi untuk menghalang jarum daripada jatuh ke dalam air. Lapisan permukaan, seperti filem, melindungi air, ini tegangan permukaan, yang cenderung memberikan bentuk air permukaan terkecil - sfera. Tetapi jarum tidak akan terapung lagi di permukaan alkohol, kerana apabila alkohol ditambah ke dalam air, ketegangan permukaan berkurangan, dan jarum tenggelam. Sabun juga mengurangkan ketegangan permukaan, jadi buih sabun panas, meresap ke dalam rekahan dan celah-celah, adalah lebih baik untuk menanggalkan kotoran, terutamanya gris, manakala air tulen hanya akan menggulung menjadi titisan.

Plasma ialah keadaan agregat jirim keempat, iaitu gas daripada kumpulan zarah bercas yang berinteraksi pada jarak yang jauh. Dalam kes ini, bilangan cas positif dan negatif adalah lebih kurang sama, supaya plasma adalah neutral elektrik. Daripada empat unsur, plasma sepadan dengan api. Untuk mengubah gas menjadi keadaan plasma, adalah perlu untuk mengion jalur elektron daripada atom. Pengionan boleh dilakukan dengan pemanasan, dengan tindakan nyahcas elektrik atau dengan sinaran keras. Jirim di alam semesta kebanyakannya dalam keadaan terion. Dalam bintang, pengionan disebabkan secara terma, dalam nebula jarang dan gas antara bintang, oleh sinaran ultraungu daripada bintang. Matahari kita juga terdiri daripada plasma, sinarannya mengionkan lapisan atas atmosfera bumi, dipanggil ionosfera, kemungkinan komunikasi radio jarak jauh bergantung pada keadaannya. Di bawah keadaan daratan, plasma jarang berlaku - dalam lampu pendarfluor atau dalam arka elektrik. Di makmal dan teknologi, plasma paling kerap dihasilkan oleh nyahcas elektrik. Secara semula jadi, ini dilakukan oleh kilat. Semasa pengionan oleh pelepasan, runtuhan elektron timbul, sama seperti proses tindak balas berantai. Untuk mendapatkan tenaga termonuklear, kaedah suntikan digunakan: ion gas yang dipercepatkan ke kelajuan yang sangat tinggi disuntik ke dalam perangkap magnet, menarik elektron dari persekitaran, membentuk plasma. Pengionan tekanan juga digunakan - gelombang kejutan. Kaedah pengionan ini terdapat dalam bintang superdens dan, mungkin, dalam teras Bumi.

Sebarang daya yang bertindak ke atas ion dan elektron menyebabkan arus elektrik. Jika ia tidak disambungkan dengan medan luaran dan tidak ditutup di dalam plasma, ia terkutub. Plasma mematuhi undang-undang gas, tetapi apabila medan magnet digunakan, yang mengawal pergerakan zarah bercas, ia mempamerkan sifat yang benar-benar luar biasa untuk gas. Dalam medan magnet yang kuat, zarah mula berputar mengelilingi garis daya, dan sepanjang medan magnet ia bergerak dengan bebas. Dikatakan bahawa gerakan heliks ini mengalihkan struktur garis medan dan medan "beku" ke dalam plasma. Plasma yang jarang diterangkan oleh sistem zarah, manakala plasma yang lebih tumpat diterangkan oleh model bendalir.

Kekonduksian elektrik plasma yang tinggi adalah perbezaan utamanya daripada gas. Kekonduksian plasma sejuk pada permukaan Matahari (0.8 10 -19 J) mencapai kekonduksian logam, dan pada suhu termonuklear (1.6 10 -15 J) plasma hidrogen mengalirkan arus 20 kali lebih baik daripada kuprum dalam keadaan biasa. Oleh kerana plasma mampu mengalirkan arus, model cecair pengalir sering digunakan padanya. Ia dianggap sebagai medium berterusan, walaupun kebolehmampatan membezakannya daripada cecair biasa, tetapi perbezaan ini hanya ditunjukkan dalam aliran yang kelajuannya lebih besar daripada kelajuan bunyi. Kelakuan bendalir konduktif dikaji dalam sains yang dipanggil hidrodinamik magnetik. Di angkasa, mana-mana plasma adalah konduktor yang ideal, dan undang-undang medan beku digunakan secara meluas. Model bendalir pengalir memungkinkan untuk memahami mekanisme kurungan plasma oleh medan magnet. Oleh itu, aliran plasma dikeluarkan dari Matahari, menjejaskan atmosfera Bumi. Aliran itu sendiri tidak mempunyai medan magnet, tetapi medan luar tidak boleh menembusi ke dalamnya mengikut undang-undang beku. Aliran suria plasma menolak medan magnet luar planet keluar dari sekitar Matahari. Rongga magnet muncul, di mana medan lebih lemah. Apabila aliran plasma korpuskular ini menghampiri Bumi, ia berlanggar dengan medan magnet Bumi dan terpaksa mengalir di sekelilingnya mengikut undang-undang yang sama. Ternyata sejenis gua di mana medan magnet dikumpul dan di mana aliran plasma tidak menembusi. Zarah bercas terkumpul di permukaannya, yang dikesan oleh roket dan satelit - ini adalah tali pinggang sinaran luar Bumi. Idea ini juga digunakan dalam menyelesaikan masalah kurungan plasma oleh medan magnet dalam peranti khas - tokamaks (dari singkatan perkataan: ruang toroidal, magnet). Dengan plasma terion sepenuhnya yang disimpan dalam sistem ini dan sistem lain, harapan disematkan untuk mendapatkan tindak balas termonuklear terkawal di Bumi. Ini akan menyediakan sumber tenaga yang bersih dan murah (air laut). Kerja-kerja juga sedang dijalankan untuk mendapatkan dan mengekalkan plasma menggunakan sinaran laser terfokus.