Vse snovi so lahko v različnih agregatnih stanjih – trdnem, tekočem, plinastem in plazmatskem. V starih časih so verjeli, da svet sestavljajo zemlja, voda, zrak in ogenj. Tej vizualni delitvi ustrezajo agregatna stanja snovi. Izkušnje kažejo, da so meje med agregatnimi stanji zelo poljubne. Plini pri nizkih tlakih in nizkih temperaturah veljajo za idealne; molekule v njih ustrezajo materialnim točkam, ki lahko trčijo le po zakonih elastičnega udarca. Sile interakcije med molekulami v trenutku udarca so zanemarljive, sami trki pa se zgodijo brez izgube mehanske energije. Ko pa se razdalja med molekulami povečuje, je treba upoštevati tudi interakcijo molekul. Te interakcije začnejo vplivati ​​na prehod iz plinastega stanja v tekoče ali trdno. Med molekulami lahko pride do različnih vrst interakcij.

Sile medmolekularne interakcije niso nasičene, razlikujejo se od sil kemijske interakcije atomov, ki vodijo v nastanek molekul. Lahko so elektrostatični zaradi interakcij med nabitimi delci. Izkušnje so pokazale, da je kvantnomehanska interakcija, ki je odvisna od razdalje in medsebojne orientacije molekul, zanemarljiva pri razdaljah med molekulami več kot 10 -9 m, pri redkih plinih pa jo lahko zanemarimo ali pa predpostavimo, da potencialna energija interakcije je praktično enaka nič. Na kratkih razdaljah je ta energija majhna in delujejo medsebojne privlačne sile

pri - medsebojno odbijanje in sila

privlačnost in odbojnost molekul sta uravnotežena in F= 0. Tu so sile določene z njihovo povezavo s potencialno energijo, vendar se delci premikajo z določeno rezervo kinetične energije.

gii. Naj bo ena molekula nepremična, druga pa trči vanjo, ki ima takšno zalogo energije. Ko se molekule približujejo druga drugi, privlačne sile delujejo pozitivno in potencialna energija njihove interakcije se zmanjša na razdaljo, hkrati pa se poveča kinetična energija (in hitrost). Ko se razdalja zmanjša, bodo privlačne sile zamenjale odbojne sile. Delo, ki ga opravi molekula proti tem silam, je negativno.

Molekula se bo približevala mirujoči molekuli, dokler se njena kinetična energija popolnoma ne pretvori v potencialno. Najmanjša razdalja d, imenujemo razdaljo, na katero se lahko molekule približajo efektivni premer molekule. Po zaustavitvi se bo molekula začela oddaljevati pod vplivom odbojnih sil z naraščajočo hitrostjo. Po ponovnem prehodu razdalje bo molekula padla v območje privlačnih sil, kar bo upočasnilo njeno odstranitev. Efektivni premer je odvisen od začetne rezerve kinetične energije, tj. ta vrednost ni konstantna. Na enakih razdaljah ima potencialna energija interakcije neskončno veliko vrednost ali »pregrado«, ki preprečuje, da bi se središča molekul približala na manjšo razdaljo. Razmerje med povprečno potencialno interakcijsko energijo in povprečno kinetično energijo določa agregatno stanje snovi: za pline, za tekočine, za trdne snovi.

Kondenzirana snov vključuje tekočine in trdne snovi. V njih se atomi in molekule nahajajo blizu, skoraj dotikajo. Povprečna razdalja med središči molekul v tekočinah in trdnih snoveh je reda (2 -5) 10 -10 m, približno enaki sta tudi njuni gostoti. Medatomske razdalje presegajo razdalje, na katerih elektronski oblaki tako prodrejo drug v drugega, da nastanejo odbojne sile. Za primerjavo, v plinih pri normalnih pogojih je povprečna razdalja med molekulami približno 33 10 -10 m.

IN tekočine medmolekularna interakcija ima močnejši učinek, toplotno gibanje molekul se kaže v šibkih nihanjih okoli ravnotežnega položaja in celo preskakuje iz enega položaja v drugega. Zato imajo samo kratkoročni red v razporeditvi delcev, to je doslednost v razporeditvi le najbližjih delcev in značilno fluidnost.

Trdne snovi Zanje je značilna konstrukcijska togost, imajo natančno določen volumen in obliko, ki se pod vplivom temperature in tlaka bistveno manj spreminjata. V trdnih snoveh so možna amorfna in kristalna stanja. Obstajajo tudi vmesne snovi - tekoči kristali. Toda atomi v trdnih snoveh sploh niso nepremični, kot bi kdo mislil. Vsak od njih ves čas niha pod vplivom prožnostnih sil, ki nastanejo med sosednjimi. Večina elementov in spojin ima pod mikroskopom kristalno strukturo.

Tako so zrna kuhinjske soli videti kot popolne kocke. V kristalih so atomi pritrjeni na mestih kristalne mreže in lahko vibrirajo le v bližini mest mreže. Kristali so prave trdne snovi, trdne snovi, kot sta plastika ali asfalt, pa zavzemajo vmesni položaj med trdnimi snovmi in tekočinami. Amorfno telo, tako kot tekočina, ima urejenost kratkega dosega, vendar je verjetnost skokov majhna. Tako lahko steklo obravnavamo kot preohlajeno tekočino s povečano viskoznostjo. Tekoči kristali imajo fluidnost tekočin, vendar ohranjajo urejeno razporeditev atomov in imajo anizotropijo lastnosti.

Kemične vezi atomov (in približno v) v kristalih so enake kot v molekulah. Strukturo in togost trdnih snovi določajo razlike v elektrostatičnih silah, ki povezujejo atome, ki sestavljajo telo. Mehanizem, ki veže atome v molekule, lahko povzroči nastanek trdnih periodičnih struktur, ki jih lahko obravnavamo kot makromolekule. Tako kot ionske in kovalentne molekule obstajajo tudi ionski in kovalentni kristali. Ionske mreže v kristalih držijo skupaj ionske vezi (glej sliko 7.1). Zgradba kuhinjske soli je takšna, da ima vsak natrijev ion šest sosedov – klorove ione. Ta porazdelitev ustreza minimalni energiji, tj. ko se oblikuje taka konfiguracija, se sprosti največja energija. Zato, ko temperatura pade pod tališče, obstaja težnja po tvorbi čistih kristalov. Ko se temperatura dvigne, je toplotna kinetična energija dovolj za prekinitev vezi, kristal se bo začel topiti in struktura se bo začela sesedati. Kristalni polimorfizem je sposobnost tvorbe stanj z različnimi kristalnimi strukturami.

Ko se porazdelitev električnega naboja v nevtralnih atomih spremeni, lahko pride do šibkih interakcij med sosedami. Ta vez se imenuje molekularna ali van der Waalsova (kot v molekuli vodika). Toda sile elektrostatične privlačnosti lahko nastanejo tudi med nevtralnimi atomi, takrat v elektronskih lupinah atomov ne pride do prerazporeditev. Medsebojno odbijanje, ko se elektronske lupine približujejo druga drugi, premakne težišče negativnih nabojev glede na pozitivne. Vsak od atomov inducira električni dipol v drugem, kar povzroči njihovo privlačnost. To je delovanje medmolekularnih sil ali van der Waalsovih sil, ki imajo velik radij delovanja.

Ker je vodikov atom tako majhen in se lahko njegov elektron zlahka izloči, ga pogosto privlačita dva atoma hkrati in tvorita vodikovo vez. Vodikova vez je odgovorna tudi za interakcijo med molekulami vode. Pojasnjuje številne edinstvene lastnosti vode in ledu (slika 7.4).

Kovalentna vez(ali atomsko) se doseže zaradi notranje interakcije nevtralnih atomov. Primer takšne vezi je vez v molekuli metana. Različica ogljika z visoko vezjo je diamant (štirje atomi vodika so nadomeščeni s štirimi atomi ogljika).

Tako ogljik, zgrajen na kovalentni vezi, tvori kristal v obliki diamanta. Vsak atom je obdan s štirimi atomi, ki tvorijo pravilen tetraeder. Toda vsak od njih je tudi oglišče sosednjega tetraedra. Pod drugimi pogoji isti ogljikovi atomi kristalizirajo v grafit. V grafitu so prav tako povezani z atomskimi vezmi, vendar tvorijo ravnine šesterokotnih celic satja, ki so sposobne striga. Razdalja med atomi, ki se nahajajo na ogliščih heksaedrov, je 0,142 nm. Plasti se nahajajo na razdalji 0,335 nm, tj. so šibko vezani, zato je grafit plastičen in mehak (slika 7.5). Leta 1990 je prišlo do razmaha raziskav, ki ga je povzročila napoved odkritja nove snovi - fulerit, sestavljen iz molekul ogljika – fuleren. Ta oblika ogljika je molekularna, tj. Najmanjši element ni atom, ampak molekula. Imenuje se po arhitektu R. Fullerju, ki je leta 1954 prejel patent za gradnjo struktur iz šesterokotnikov in peterokotnikov, ki sestavljajo poloblo. Molekula iz 60 ogljikovih atomov s premerom 0,71 nm je bil odkrit leta 1985, nato so odkrili molekule itd. Vsi so imeli stabilne površine,

vendar sta bili najbolj stabilni molekuli C 60 in Z 70 . Logično je domnevati, da se grafit uporablja kot izhodni material za sintezo fulerenov. Če je temu tako, potem mora biti polmer šesterokotnega fragmenta 0,37 nm. Vendar se je izkazalo, da je enako 0,357 nm. Ta 2-odstotna razlika je posledica dejstva, da se atomi ogljika nahajajo na sferični površini v ogliščih 20 pravilnih heksaedrov, podedovanih od grafita, in 12 pravilnih pentaedrov, tj. Dizajn spominja na nogometno žogo. Izkazalo se je, da so se nekateri ploščati heksaedri, ko so bili "šiti" v zaprto kroglo, spremenili v pentaedre. Pri sobni temperaturi se molekule C60 kondenzirajo v strukturo, kjer ima vsaka molekula 12 sosedov, ki so med seboj oddaljeni 0,3 nm. pri T= 349 K pride do faznega prehoda prvega reda - mreža se preuredi v kubično. Sam kristal je polprevodnik, toda ko kristalnemu filmu C 60 dodamo alkalijsko kovino, pride do superprevodnosti pri temperaturi 19 K. Če v to votlo molekulo vnesemo enega ali drugega atoma, ga lahko uporabimo kot osnovo za ustvarjanje pomnilniškega medija z izjemno visoko gostoto informacij: gostota zapisa bo dosegla 4-10 12 bitov/cm 2 . Za primerjavo, film iz feromagnetnega materiala daje gostoto zapisa reda velikosti 10 7 bitov/cm 2, optični diski, t.j. laserska tehnologija, - 10 8 bitov/cm 2. Ta ogljik ima tudi druge edinstvene lastnosti, še posebej pomembne v medicini in farmakologiji.

Manifestira se v kovinskih kristalih kovinski priključek, ko vsi atomi v kovini oddajo svoje valenčne elektrone "za skupno uporabo". So šibko vezani na atomske skelete in se lahko prosto gibljejo po kristalni mreži. Približno 2/5 kemičnih elementov so kovine. Pri kovinah (razen pri živem srebru) nastane vez, ko se proste orbitale kovinskih atomov prekrivajo in se elektroni odstranijo zaradi tvorbe kristalne mreže. Izkazalo se je, da so mrežni kationi oviti z elektronskim plinom. Kovinska vez nastane, ko se atomi združijo na razdalji, ki je manjša od velikosti oblaka zunanjih elektronov. S to konfiguracijo (Paulijev princip) se energija zunanjih elektronov poveča in sosednja jedra začnejo privlačiti te zunanje elektrone, zameglijo elektronske oblake, jih enakomerno porazdelijo po kovini in jih spremenijo v elektronski plin. Tako nastanejo prevodni elektroni, ki pojasnjujejo visoko električno prevodnost kovin. V ionskih in kovalentnih kristalih so zunanji elektroni praktično vezani, prevodnost teh trdnih snovi pa je zelo majhna, imenujemo jih izolatorji.

Notranja energija tekočin je določena z vsoto notranjih energij makroskopskih podsistemov, na katere jo lahko mentalno razdelimo, in energij interakcije teh podsistemov. Interakcija se izvaja prek molekularnih sil s polmerom delovanja reda 10 -9 m. Za makrosisteme je energija interakcije sorazmerna s kontaktno površino, zato je majhna, kot je del površinske plasti, vendar ta ni potrebno. Imenuje se površinska energija in jo je treba upoštevati pri težavah, ki vključujejo površinsko napetost. Značilno je, da tekočine zavzamejo večjo prostornino z enako težo, to je, da imajo manjšo gostoto. Toda zakaj se količine ledu in bizmuta med taljenjem zmanjšujejo in tudi po tališču še nekaj časa ohranjajo ta trend? Izkazalo se je, da so te snovi v tekočem stanju bolj goste.

V tekočini na vsak atom delujejo njegovi sosedi in ta niha znotraj anizotropne potencialne jame, ki jo ustvarijo. Za razliko od trdnega telesa je ta luknja plitva, saj oddaljeni sosedje skoraj nimajo vpliva. Neposredno okolje delcev v tekočini se spremeni, to je, da tekočina teče. Ko je dosežena določena temperatura, tekočina zavre, med vrenjem pa ostane temperatura konstantna. Dohodna energija se porabi za pretrganje vezi, tekočina pa se, ko je popolnoma razbita, spremeni v plin.

Gostota tekočin je veliko večja od gostote plinov pri enakih tlakih in temperaturah. Tako je prostornina vode pri vrenju le 1/1600 prostornine enake mase vodne pare. Prostornina tekočine je malo odvisna od tlaka in temperature. Pri normalnih pogojih (20 °C in tlak 1,013 10 5 Pa) zavzema voda prostornino 1 litra. Pri padcu temperature na 10 °C se prostornina zmanjša le za 0,0021, pri povečanju tlaka pa za polovico.

Čeprav preprostega idealnega modela tekočine še ni, je njena mikrostruktura dovolj raziskana in omogoča kvalitativno razlago večine njenih makroskopskih lastnosti. Dejstvo, da je v tekočinah kohezija molekul šibkejša kot v trdnem telesu, je opazil že Galilei; Presenečen je bil, da so se velike kapljice vode nabrale na listih zelja in se niso razširile po listu. Razlito živo srebro ali kapljice vode na mastni površini zaradi oprijema dobijo obliko majhnih kroglic. Če se molekule ene snovi privlačijo k molekulam druge snovi, govorimo o močenje, na primer lepilo in les, olje in kovina (kljub ogromnemu pritisku se olje zadržuje v ležajih). Toda voda se dviga v tankih cevkah, imenovanih kapilare, in tanjša kot je cev, višje se dviga. Druge razlage kot učinek močenja vode in stekla ne more biti. Močilne sile med steklom in vodo so večje kot med molekulami vode. Pri živem srebru je učinek nasproten: omočenje živega srebra in stekla je šibkejše od adhezijskih sil med atomi živega srebra. Galileo je opazil, da lahko igla, namazana z maščobo, plava na vodi, čeprav je to v nasprotju z Arhimedovim zakonom. Ko igla lebdi, lahko

opazite pa rahel odklon vodne površine, ki se poskuša tako rekoč zravnati. Adhezijske sile med molekulami vode so zadostne, da preprečijo padec igle v vodo. Površinski sloj ščiti vodo kot film, to je površinska napetost, ki teži k temu, da daje obliko vode najmanjšo površino – kroglasto. A igla ne bo več plavala na površini alkohola, saj se ob dodajanju alkohola vodi površinska napetost zmanjša in igla potone. Milo tudi zmanjšuje površinsko napetost, zato vroča milna pena, ki prodre v razpoke in špranje, bolje izpere umazanijo, še posebej mastno, medtem ko bi se čista voda preprosto zvila v kapljice.

Plazma je četrto agregatno stanje, ki je plin, sestavljen iz zbirke nabitih delcev, ki medsebojno delujejo na velikih razdaljah. V tem primeru je število pozitivnih in negativnih nabojev približno enako, tako da je plazma električno nevtralna. Od štirih elementov plazma ustreza ognju. Za pretvorbo plina v stanje plazme mora biti ionizirati, odstraniti elektrone iz atomov. Ionizacijo lahko dosežemo s segrevanjem, električnim praznjenjem ali močnim sevanjem. Snov v vesolju je večinoma v ioniziranem stanju. Pri zvezdah je ionizacija povzročena toplotno, pri redčenih meglicah in medzvezdnem plinu pa ultravijolično sevanje zvezd. Tudi naše Sonce je sestavljeno iz plazme; njeno sevanje ionizira zgornje plasti zemeljske atmosfere, t.i. ionosfera, od njegovega stanja je odvisna možnost radijske komunikacije na dolge razdalje. V zemeljskih razmerah plazmo redko najdemo - v fluorescenčnih sijalkah ali v električnem varilnem obloku. V laboratorijih in tehniki se plazma najpogosteje pridobiva z električnim praznjenjem. V naravi to počne strela. Pri ionizaciji z razelektritvijo nastanejo plazovi elektronov, podobno kot pri verižni reakciji. Za pridobivanje termonuklearne energije se uporablja metoda vbrizgavanja: plinski ioni, pospešeni na zelo visoke hitrosti, se vbrizgajo v magnetne pasti, pritegnejo elektrone iz okolja in tvorijo plazmo. Uporablja se tudi tlačna ionizacija – udarni valovi. Ta metoda ionizacije se pojavlja v super-gostih zvezdah in morda v Zemljinem jedru.

Vsaka sila, ki deluje na ione in elektrone, povzroči električni tok. Če ni povezan z zunanjimi polji in ni zaprt znotraj plazme, postane polariziran. Plazma se podreja plinskim zakonom, a ko se uporabi magnetno polje, ki uravnava gibanje nabitih delcev, pokaže lastnosti, ki so za plin povsem nenavadne. V močnem magnetnem polju se delci začnejo vrteti okoli silnic polja in se prosto gibljejo vzdolž magnetnega polja. Pravijo, da to vijačno gibanje premakne strukturo silnic polja in da je polje "zamrznjeno" v plazmo. Redkejšo plazmo opisuje sistem delcev, gostejšo plazmo pa tekočinski model.

Visoka električna prevodnost plazme je njena glavna razlika od plina. Prevodnost hladne plazme sončne površine (0,8 10 -19 J) doseže prevodnost kovin, pri termonuklearni temperaturi (1,6 10 -15 J) vodikova plazma prevaja tok 20-krat bolje kot baker v normalnih pogojih. Ker je plazma sposobna prevajati tok, se nanjo pogosto uporablja model prevodne tekočine. Velja za zvezni medij, čeprav se od navadne tekočine razlikuje po stisljivosti, vendar se ta razlika pojavi le pri tokovih, katerih hitrost je večja od hitrosti zvoka. Obnašanje prevodne tekočine preučuje veda, imenovana magnetna hidrodinamika. V vesolju je vsaka plazma idealen prevodnik in zakoni zamrznjenega polja imajo široko uporabo. Model prevodne tekočine nam omogoča razumevanje mehanizma zadrževanja plazme z magnetnim poljem. Tako se iz Sonca oddajajo plazemski tokovi, ki vplivajo na Zemljino atmosfero. Sam tok nima magnetnega polja, vendar tuje polje ne more prodreti vanj po zakonu zmrzovanja. Sončni tokovi plazme potiskajo tuja medplanetarna magnetna polja iz bližine Sonca. Kjer je polje šibkejše, se pojavi magnetna votlina. Ko se ti korpuskularni tokovi plazme približajo Zemlji, trčijo ob zemeljsko magnetno polje in so prisiljeni teči okoli njega po istem zakonu. Izkazalo se je, da gre za nekakšno votlino, kjer se zbira magnetno polje in kamor tokovi plazme ne prodrejo. Na njeni površini se kopičijo nabiti delci, ki so jih zaznale rakete in sateliti – to je zunanji sevalni pas Zemlje. Te ideje so bile uporabljene tudi pri reševanju problemov zadrževanja plazme z magnetnim poljem v posebnih napravah - tokamakih (iz okrajšave besed: toroidna komora, magnet). S popolnoma ionizirano plazmo, ki jo vsebujejo ti in drugi sistemi, se upa na doseganje nadzorovane termonuklearne reakcije na Zemlji. To bi zagotovilo čist in poceni vir energije (morska voda). Potekajo tudi dela za proizvodnjo in zadrževanje plazme z uporabo fokusiranega laserskega sevanja.

Predavanje 4. Agregatna stanja snovi

1. Trdno agregatno stanje.

2. Tekoče agregatno stanje.

3. Plinasto agregatno stanje.

Snovi so lahko v treh agregatnih stanjih: trdno, tekoče in plinasto. Pri zelo visokih temperaturah se pojavi vrsta plinastega stanja - plazma (plazemsko stanje).

1. Za trdno stanje snovi je značilno, da je energija interakcije med delci večja od kinetične energije njihovega gibanja. Večina snovi v trdnem stanju ima kristalno strukturo. Vsaka snov tvori kristale določene oblike. Na primer, natrijev klorid ima kristale v obliki kock, galun v obliki oktaedrov in natrijev nitrat v obliki prizme.

Kristalna oblika snovi je najbolj stabilna. Razporeditev delcev v trdnem telesu je upodobljena v obliki mreže, na vozliščih katere so določeni delci, povezani z namišljenimi črtami. Obstajajo štiri glavne vrste kristalnih mrež: atomska, molekularna, ionska in kovinska.

Atomska kristalna mreža tvorijo nevtralni atomi, ki so povezani s kovalentnimi vezmi (diamant, grafit, silicij). Molekularna kristalna mreža imajo naftalen, saharozo, glukozo. Strukturni elementi te mreže so polarne in nepolarne molekule. Ionska kristalna mreža tvorijo pozitivno in negativno nabiti ioni (natrijev klorid, kalijev klorid), ki se redno izmenjujejo v prostoru. Vse kovine imajo kovinsko kristalno mrežo. Njena vozlišča vsebujejo pozitivno nabite ione, med katerimi so elektroni v prostem stanju.

Kristalne snovi imajo številne značilnosti. Eden od njih je anizotropija - različnost fizikalnih lastnosti kristala v različnih smereh znotraj kristala.

2. V tekočem stanju snovi je energija medmolekularne interakcije delcev sorazmerna s kinetično energijo njihovega gibanja. To stanje je vmesno med plinastim in kristalnim. Za razliko od plinov med molekulami tekočine delujejo velike sile medsebojnega privlačenja, ki določajo naravo gibanja molekul. Toplotno gibanje molekule tekočine vključuje vibracijsko in translacijsko. Vsaka molekula nekaj časa niha okoli določene ravnotežne točke, nato pa se premakne in spet zavzame ravnotežni položaj. To določa njegovo tekočnost. Sile medmolekularne privlačnosti preprečujejo, da bi se molekule med premikanjem premaknile daleč druga od druge.

Lastnosti tekočin so odvisne tudi od prostornine molekul in oblike njihove površine. Če so molekule tekočine polarne, se združijo (združijo) v kompleksen kompleks. Takšne tekočine imenujemo povezane (voda, aceton, alkohol). Οʜᴎ imajo višji t kip, imajo nižjo hlapnost in višjo dielektrično konstanto.

Kot veste, imajo tekočine površinsko napetost. Površinska napetost- ϶ᴛᴏ površinska energija na enoto površine: ϭ = E/S, kjer je ϭ površinska napetost; E – površinska energija; S – površina. Močnejše kot so medmolekularne vezi v tekočini, večja je njena površinska napetost. Snovi, ki zmanjšujejo površinsko napetost, imenujemo površinsko aktivne snovi.

Druga lastnost tekočin je viskoznost. Viskoznost je upor, ki nastane, ko se nekatere plasti tekočine premikajo glede na druge, ko se premika. Nekatere tekočine imajo visoko viskoznost (med, mala), druge pa nizko (voda, etilni alkohol).

3. V plinastem stanju snovi je energija medmolekularne interakcije delcev manjša od njihove kinetične energije. Zaradi tega se molekule plina ne držijo skupaj, temveč se prosto gibljejo v prostornini. Za pline so značilne naslednje lastnosti: 1) enakomerna porazdelitev po celotni prostornini posode, v kateri se nahajajo; 2) nizka gostota v primerjavi s tekočinami in trdnimi snovmi; 3) enostavno stisljivost.

V plinu se molekule nahajajo na zelo veliki razdalji druga od druge, sile privlačnosti med njimi so majhne. Pri velikih razdaljah med molekulami teh sil praktično ni. Plin v tem stanju običajno imenujemo idealen. Realni plini pri visokih tlakih in nizkih temperaturah se ne podrejajo enačbi stanja idealnega plina (Mendelejev-Clapeyronova enačba), saj se pod temi pogoji začnejo pojavljati interakcijske sile med molekulami.

Najpogosteje poznajo tri agregatna stanja: tekoče, trdno, plinasto, včasih se spominjajo plazme, redkeje tekočih kristalov. Pred kratkim se je po spletu razširil seznam 17 faz snovi, povzet po slavnem () Stephenu Fryju. Zato vam bomo o njih povedali podrobneje, ker ... bi morali vedeti nekaj več o materiji, če le zato, da bi bolje razumeli procese, ki se dogajajo v vesolju.

Spodaj naveden seznam agregatnih stanj snovi se povečuje od najhladnejših stanj do najbolj vročih itd. se lahko nadaljuje. Hkrati je treba razumeti, da je od plinastega stanja (št. 11), najbolj "nestisnjenega", na obeh straneh seznama stopnja stiskanja snovi in ​​njen tlak (z nekaterimi pridržki za tako neraziskane hipotetična stanja kot kvantna, žarkovna ali šibko simetrična) naraščajo.Za besedilom je prikazan vizualni graf faznih prehodov snovi.

1. Kvantna- agregacijsko stanje snovi, ki se doseže, ko temperatura pade na absolutno ničlo, zaradi česar notranje vezi izginejo in snov razpade na proste kvarke.

2. Bose-Einsteinov kondenzat- agregatno stanje snovi, katerega osnova so bozoni, ohlajeni na temperature blizu absolutne ničle (manj kot milijoninko stopinje nad absolutno ničlo). V tako močno ohlajenem stanju se dovolj veliko število atomov znajde v svojih minimalnih možnih kvantnih stanjih in kvantni učinki se začnejo kazati na makroskopski ravni. Bose-Einsteinov kondenzat (pogosto imenovan Bosejev kondenzat ali preprosto "beck") nastane, ko kemični element ohladite na izjemno nizke temperature (običajno tik nad absolutno ničlo, minus 273 stopinj Celzija). , je teoretična temperatura, pri kateri vse se neha premikati).
Tu se začnejo s snovjo dogajati popolnoma čudne stvari. Procesi, ki jih običajno opazimo samo na atomski ravni, se zdaj dogajajo na dovolj velikih lestvicah, da jih je mogoče opazovati s prostim očesom. Na primer, če postavite "nazaj" v laboratorijsko čašo in zagotovite želeno temperaturo, bo snov začela polzeti po steni navzgor in sčasoma sama prišla ven.
Očitno gre tukaj za jalov poskus snovi, da bi znižala lastno energijo (ki je že tako na najnižji od vseh možnih ravni).
Upočasnitev atomov z uporabo hladilne opreme povzroči edinstveno kvantno stanje, znano kot Bosejev ali Bose-Einsteinov kondenzat. Ta pojav je leta 1925 napovedal A. Einstein kot rezultat posplošitve dela S. Boseja, kjer je bila zgrajena statistična mehanika za delce, od brezmasnih fotonov do atomov z maso (odkrit je bil Einsteinov rokopis, ki velja za izgubljenega v knjižnici Univerze v Leidnu leta 2005). Rezultat prizadevanj Boseja in Einsteina je bil Bosejev koncept plina, ki je podvržen Bose–Einsteinovi statistiki, ki opisuje statistično porazdelitev enakih delcev s celim spinom, imenovanih bozoni. Bozoni, ki so na primer posamezni elementarni delci - fotoni, in celi atomi, so lahko med seboj v enakih kvantnih stanjih. Einstein je predlagal, da bi ohlajanje atomov bozona na zelo nizke temperature povzročilo njihovo transformacijo (ali, z drugimi besedami, kondenzacijo) v najnižje možno kvantno stanje. Rezultat takšne kondenzacije bo nastanek nove oblike snovi.
Ta prehod se zgodi pod kritično temperaturo, ki je za homogeni tridimenzionalni plin, sestavljen iz delcev, ki med seboj ne delujejo, brez notranjih prostostnih stopenj.

3. Fermionski kondenzat- agregatno stanje snovi, podobno podlogi, vendar drugačne strukture. Ko se približajo absolutni ničli, se atomi obnašajo različno, odvisno od velikosti lastnega kotnega momenta (spin). Bozoni imajo celo število vrtljajev, medtem ko imajo fermioni večkratnike 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermioni upoštevajo Paulijevo izključitveno načelo, ki pravi, da dva fermiona ne moreta imeti enakega kvantnega stanja. Za bozone te prepovedi ni, zato imajo možnost, da obstajajo v enem kvantnem stanju in s tem tvorijo tako imenovani Bose-Einsteinov kondenzat. Proces nastajanja tega kondenzata je odgovoren za prehod v superprevodno stanje.
Elektroni imajo spin 1/2 in so zato razvrščeni kot fermioni. Združijo se v pare (imenovane Cooperjevi pari), ki nato tvorijo Bosejev kondenzat.
Ameriški znanstveniki so poskušali z globokim hlajenjem pridobiti nekakšne molekule iz fermionskih atomov. Razlika od pravih molekul je bila v tem, da med atomi ni bilo kemijske vezi - preprosto so se gibali skupaj na koreliran način. Izkazalo se je, da je vez med atomi celo močnejša kot med elektroni v Cooperjevih parih. Nastali pari fermionov imajo skupni spin, ki ni več večkratnik 1/2, zato se že obnašajo kot bozoni in lahko tvorijo Bosejev kondenzat z enim samim kvantnim stanjem. Med poskusom so plin z atomi kalija-40 ohladili na 300 nanokelvinov, medtem ko so plin zaprli v tako imenovano optično past. Nato je bilo uporabljeno zunanje magnetno polje, s pomočjo katerega je bilo mogoče spremeniti naravo interakcij med atomi - namesto močnega odbijanja se je začela opazovati močna privlačnost. Pri analizi vpliva magnetnega polja je bilo mogoče najti vrednost, pri kateri so se atomi začeli obnašati kot Cooperjevi pari elektronov. Na naslednji stopnji eksperimenta znanstveniki pričakujejo, da bodo pridobili učinke superprevodnosti za fermionski kondenzat.

4. Superfluidna snov- stanje, v katerem snov praktično nima viskoznosti in med tokom ne doživlja trenja s trdno površino. Posledica tega je na primer tako zanimiv učinek, kot je popolno spontano "polzenje" supertekočega helija iz posode po njenih stenah proti gravitacijski sili. Seveda tukaj ni kršenja zakona o ohranitvi energije. V odsotnosti tornih sil na helij delujejo samo sile gravitacije, sile medatomskega medsebojnega delovanja med helijem in stenami posode ter med atomi helija. Torej, sile medatomske interakcije presegajo vse druge sile skupaj. Posledično se helij čim bolj širi po vseh možnih površinah in zato »potuje« po stenah posode. Leta 1938 je sovjetski znanstvenik Pyotr Kapitsa dokazal, da lahko helij obstaja v supertekočem stanju.
Omeniti velja, da so številne nenavadne lastnosti helija znane že kar nekaj časa. Vendar nas ta kemični element zadnja leta razvaja z zanimivimi in nepričakovanimi učinki. Tako sta leta 2004 Moses Chan in Eun-Syong Kim z Univerze v Pennsylvaniji navdušila znanstveni svet z objavo, da jima je uspelo pridobiti povsem novo stanje helija – superfluidno trdno snov. V tem stanju lahko nekateri helijevi atomi v kristalni mreži tečejo okoli drugih in helij tako lahko teče skozi samega sebe. Učinek »supertrdote« je bil teoretično predviden že leta 1969. In potem se je leta 2004 zdelo, da je prišlo do eksperimentalne potrditve. Kasnejši in zelo zanimivi poskusi pa so pokazali, da ni vse tako preprosto in morda je ta razlaga pojava, ki je bila prej sprejeta kot superfluidnost trdnega helija, napačna.
Eksperiment znanstvenikov pod vodstvom Humphreya Marisa z univerze Brown v ZDA je bil preprost in eleganten. Znanstveniki so postavili narobe obrnjeno epruveto v zaprt rezervoar s tekočim helijem. Zamrznili so del helija v epruveti in v rezervoarju tako, da je bila meja med tekočino in trdnim v epruveti višja kot v rezervoarju. Z drugimi besedami, v zgornjem delu epruvete je bil tekoči helij, v spodnjem delu je bil trden helij, gladko je prešel v trdno fazo rezervoarja, nad katero je bilo vlito malo tekočega helija - nižje od tekočega raven v epruveti. Če bi tekoči helij začel uhajati skozi trden helij, bi se razlika v nivojih zmanjšala in takrat lahko govorimo o trdnem superfluidnem heliju. In načeloma se je v treh od 13 poskusov razlika v nivojih dejansko zmanjšala.

5. Supertrda snov- agregatno stanje, v katerem je snov prozorna in lahko "teče" kot tekočina, v resnici pa je brez viskoznosti. Takšne tekočine poznamo že vrsto let, imenujemo jih superfluidi. Dejstvo je, da če supertekočino mešamo, bo krožila skoraj vedno, medtem ko se bo običajna tekočina sčasoma umirila. Prva dva superfluida so raziskovalci ustvarili z uporabo helija-4 in helija-3. Ohladili so jih skoraj do absolutne ničle – minus 273 stopinj Celzija. In iz helija-4 je ameriškim znanstvenikom uspelo pridobiti supertrdno telo. Zmrznjen helij so stisnili z več kot 60-kratnim tlakom, nato pa kozarec, napolnjen s snovjo, postavili na vrteči se disk. Pri temperaturi 0,175 stopinje Celzija se je disk nenadoma začel svobodneje vrteti, kar po mnenju znanstvenikov kaže na to, da je helij postal supertelo.

6. Trdna- agregatno stanje snovi, za katero je značilna stabilnost oblike in narava toplotnega gibanja atomov, ki izvajajo majhne vibracije okoli ravnotežnih položajev. Stabilno stanje trdnih snovi je kristalno. Obstajajo trdne snovi z ionskimi, kovalentnimi, kovinskimi in drugimi vrstami vezi med atomi, kar določa raznolikost njihovih fizikalnih lastnosti. Električne in nekatere druge lastnosti trdnih snovi so v glavnem določene z naravo gibanja zunanjih elektronov njenih atomov. Trdna telesa glede na električne lastnosti delimo na dielektrike, polprevodnike in kovine, glede na magnetne lastnosti pa na diamagnetne, paramagnetne in telesa z urejeno magnetno strukturo. Študije lastnosti trdnih teles so se združile v veliko področje - fiziko trdne snovi, katere razvoj spodbujajo potrebe tehnologije.

7. Amorfna trdna snov- kondenzirano agregatno stanje snovi, za katero je značilna izotropnost fizikalnih lastnosti zaradi neurejene razporeditve atomov in molekul. V amorfnih trdnih snoveh atomi vibrirajo okoli naključno nameščenih točk. Za razliko od kristalnega stanja se prehod iz trdnega amorfnega stanja v tekoče pojavi postopoma. V amorfnem stanju so različne snovi: steklo, smole, plastika itd.

8. Tekoči kristal je specifično agregatno stanje snovi, v katerem ta hkrati kaže lastnosti kristala in tekočine. Takoj je treba opozoriti, da vse snovi ne morejo biti v tekočem kristalnem stanju. Nekatere organske snovi s kompleksnimi molekulami pa lahko tvorijo specifično agregatno stanje – tekoče kristale. To stanje nastane, ko se kristali določenih snovi stopijo. Ko se stopijo, nastane tekoče kristalna faza, ki se razlikuje od običajnih tekočin. Ta faza obstaja v območju od tališča kristala do neke višje temperature, pri segrevanju do katere se tekoči kristal spremeni v navadno tekočino.
V čem se tekoči kristal razlikuje od tekočega in navadnega kristala in v čem jima je podoben? Tako kot navadna tekočina ima tekoči kristal fluidnost in prevzame obliko posode, v kateri je postavljen. V tem se razlikuje od vsem poznanih kristalov. Vendar ima kljub tej lastnosti, ki ga združuje s tekočino, lastnost, značilno za kristale. To je urejenost v prostoru molekul, ki tvorijo kristal. Resda ta urejenost ni tako popolna kot pri navadnih kristalih, a kljub temu bistveno vpliva na lastnosti tekočih kristalov, po katerih se razlikujejo od običajnih tekočin. Nepopolna prostorska urejenost molekul, ki tvorijo tekoči kristal, se kaže v tem, da v tekočih kristalih ni popolnega reda v prostorski razporeditvi težišč molekul, čeprav lahko obstaja delni red. To pomeni, da nimajo toge kristalne mreže. Zato imajo tekoči kristali, tako kot navadne tekočine, lastnost fluidnosti.
Obvezna lastnost tekočih kristalov, ki jih približuje običajnim kristalom, je prisotnost vrstnega reda prostorske orientacije molekul. Ta vrstni red v usmerjenosti se lahko kaže na primer v tem, da so vse dolge osi molekul v vzorcu tekočega kristala usmerjene na enak način. Te molekule morajo imeti podolgovato obliko. Poleg najenostavnejše imenovane urejenosti molekularnih osi lahko v tekočem kristalu pride do bolj zapletene orientacijske urejenosti molekul.
Glede na vrsto urejenosti molekulskih osi delimo tekoče kristale na tri vrste: nematske, smektične in holesterične.
Raziskave fizike tekočih kristalov in njihove uporabe trenutno potekajo na široki fronti v vseh najrazvitejših državah sveta. Domače raziskave so koncentrirane tako v akademskih kot industrijskih raziskovalnih ustanovah in imajo dolgo tradicijo. Dela V.K., dokončana v tridesetih letih v Leningradu, so postala splošno znana in priznana. Fredericks V.N. Cvetkova. Hitro proučevanje tekočih kristalov v zadnjih letih močno prispeva k razvoju proučevanja tekočih kristalov nasploh in še posebej optike tekočih kristalov tudi domači raziskovalci. Tako so dela I.G. Čistjakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovski, S.A. Pikina, L.M. Blinov in številni drugi sovjetski raziskovalci so splošno znani znanstveni skupnosti in služijo kot osnova za številne učinkovite tehnične aplikacije tekočih kristalov.
Obstoj tekočih kristalov je bil ugotovljen že davno, in sicer leta 1888, torej pred skoraj stoletjem. Čeprav so se znanstveniki s tem stanjem snovi srečali že pred letom 1888, so ga uradno odkrili pozneje.
Prvi, ki je odkril tekoče kristale, je bil avstrijski botanik Reinitzer. Med preučevanjem nove snovi holesteril benzoat, ki jo je sintetiziral, je ugotovil, da se pri temperaturi 145 °C kristali te snovi stopijo in tvorijo motno tekočino, ki močno sipa svetlobo. Z nadaljevanjem segrevanja se tekočina pri temperaturi 179°C zbistri, torej se začne optično obnašati kot navadna tekočina, na primer voda. Holesteril benzoat je pokazal nepričakovane lastnosti v motni fazi. Ob pregledu te faze pod polarizacijskim mikroskopom je Reinitzer odkril, da kaže dvolomnost. To pomeni, da je lomni količnik svetlobe, torej hitrost svetlobe v tej fazi, odvisen od polarizacije.

9. Tekočina- agregatno stanje snovi, ki združuje značilnosti trdnega stanja (ohranjanje prostornine, določena natezna trdnost) in plinastega stanja (variabilnost oblike). Za tekočine je značilna urejenost kratkega dosega v razporeditvi delcev (molekul, atomov) in majhna razlika v kinetični energiji toplotnega gibanja molekul in njihovi potencialni interakcijski energiji. Toplotno gibanje molekul tekočine je sestavljeno iz nihanja okoli ravnotežnih položajev in razmeroma redkih preskokov iz enega ravnotežnega položaja v drugega, s tem je povezana fluidnost tekočine.

10. Superkritična tekočina(SCF) je agregatno stanje snovi, v katerem razlika med tekočo in plinasto fazo izgine. Vsaka snov pri temperaturi in tlaku nad kritično točko je superkritična tekočina. Lastnosti snovi v superkritičnem stanju so vmesne med njenimi lastnostmi v plinski in tekoči fazi. Tako ima SCF visoko gostoto, ki je blizu tekočine, in nizko viskoznost, kot plini. Difuzijski koeficient ima v tem primeru vmesno vrednost med tekočino in plinom. Snovi v superkritičnem stanju se lahko uporabljajo kot nadomestki za organska topila v laboratorijskih in industrijskih procesih. Največjega zanimanja in razširjenosti sta zaradi določenih lastnosti deležna superkritična voda in superkritični ogljikov dioksid.
Ena najpomembnejših lastnosti superkritičnega stanja je sposobnost raztapljanja snovi. S spreminjanjem temperature ali tlaka tekočine lahko spremenite njene lastnosti v širokem razponu. Tako je mogoče dobiti tekočino, katere lastnosti so blizu tekočini ali plinu. Sposobnost raztapljanja tekočine torej narašča z večanjem gostote (pri stalni temperaturi). Ker gostota narašča z naraščajočim tlakom, lahko sprememba tlaka vpliva na sposobnost raztapljanja tekočine (pri stalni temperaturi). V primeru temperature je odvisnost lastnosti tekočine nekoliko bolj zapletena – pri konstantni gostoti se poveča tudi sposobnost raztapljanja tekočine, v bližini kritične točke pa lahko rahlo zvišanje temperature povzroči močan padec. v gostoti in s tem sposobnost raztapljanja. Superkritični fluidi se med seboj neomejeno mešajo, zato bo sistem ob doseženi kritični točki mešanice vedno enofazen. Približno kritično temperaturo binarne mešanice je mogoče izračunati kot aritmetično sredino kritičnih parametrov snovi Tc(mešanica) = (molski delež A) x TcA + (molski delež B) x TcB.

11. Plinasto- (francosko gaz, iz grškega chaos - kaos), stanje agregacije snovi, v katerem kinetična energija toplotnega gibanja njenih delcev (molekul, atomov, ionov) znatno presega potencialno energijo interakcij med njimi, in zato delci se prosto gibljejo in v odsotnosti zunanjih polj enakomerno zapolnjujejo celotno prostornino, ki mu je zagotovljena.

12. Plazma- (iz grške plasma - izklesano, oblikovano), agregatno stanje, ki je ioniziran plin, v katerem sta koncentraciji pozitivnih in negativnih nabojev enaki (kvazinevtralnost). Velika večina snovi v vesolju je v stanju plazme: zvezde, galaktične meglice in medzvezdni medij. V bližini Zemlje obstaja plazma v obliki sončnega vetra, magnetosfere in ionosfere. Visokotemperaturna plazma (T ~ 106 - 108K) iz mešanice devterija in tritija se proučuje z namenom izvajanja nadzorovane termonuklearne fuzije. Nizkotemperaturna plazma (T Ј 105K) se uporablja v različnih napravah za praznjenje plina (plinski laserji, ionske naprave, MHD generatorji, plazmatroni, plazemski motorji itd.), Pa tudi v tehnologiji (glej Plazemska metalurgija, Plazemsko vrtanje, Plazma tehnologija).

13. Degenerirana snov— je vmesna stopnja med plazmo in nevtronijem. Opažamo ga pri belih pritlikavkah in igra pomembno vlogo pri evoluciji zvezd. Ko so atomi izpostavljeni izjemno visokim temperaturam in pritiskom, izgubijo svoje elektrone (postanejo elektronski plin). Z drugimi besedami, popolnoma so ionizirani (plazma). Tlak takega plina (plazme) je določen s pritiskom elektronov. Če je gostota zelo visoka, so vsi delci prisiljeni bližje drug drugemu. Elektroni lahko obstajajo v stanjih z določeno energijo in dva elektrona ne moreta imeti enake energije (razen če sta njuna vrtljaja nasprotna). Tako so v gostem plinu vse nižje energijske ravni napolnjene z elektroni. Tak plin se imenuje degeneriran. V tem stanju elektroni kažejo degeneriran elektronski tlak, ki nasprotuje silam gravitacije.

14. Nevtronij- agregatno stanje, v katerega preide snov pri ultravisokem tlaku, ki je v laboratoriju še nedosegljiv, obstaja pa znotraj nevtronskih zvezd. Med prehodom v nevtronsko stanje elektroni snovi medsebojno delujejo s protoni in se spremenijo v nevtrone. Posledično je snov v nevtronskem stanju v celoti sestavljena iz nevtronov in ima gostoto reda jedrske gostote. Temperatura snovi ne sme biti previsoka (v energijskem ekvivalentu ne več kot sto MeV).
Z močnim povišanjem temperature (več sto MeV in več) se začnejo rojevati in anihilirati različni mezoni v nevtronskem stanju. Z nadaljnjim povišanjem temperature pride do dekonfinacije in snov preide v stanje kvark-gluonske plazme. Ne sestoji več iz hadronov, temveč iz nenehno rojevajočih se in izginjajočih kvarkov in gluonov.

15. Kvark-gluonska plazma(kromoplazma) - agregatno stanje snovi v fiziki visokih energij in fiziki osnovnih delcev, pri katerem hadronska snov preide v stanje, podobno stanju, v katerem se nahajajo elektroni in ioni v navadni plazmi.
Običajno je snov v hadronih v tako imenovanem brezbarvnem (»belem«) stanju. To pomeni, da se kvarki različnih barv med seboj izničijo. Podobno stanje obstaja v navadni snovi – ko so vsi atomi električno nevtralni, tj.
pozitivni naboji v njih se kompenzirajo z negativnimi. Pri visokih temperaturah lahko pride do ionizacije atomov, med katero se naboji ločijo, snov pa postane, kot pravijo, »kvazinevtralna«. To pomeni, da celoten oblak snovi kot celota ostane nevtralen, vendar njegovi posamezni delci prenehajo biti nevtralni. Enako se očitno lahko zgodi s hadronsko snovjo - pri zelo visokih energijah se barva sprosti in snov naredi "kvazi brezbarvno".
Domnevno je bila materija vesolja v prvih trenutkih po velikem poku v stanju kvark-gluonske plazme. Sedaj lahko med trki delcev zelo visokih energij za kratek čas nastane kvark-gluonska plazma.
Kvark-gluonska plazma je bila leta 2005 eksperimentalno proizvedena v pospeševalniku RHIC v Nacionalnem laboratoriju Brookhaven. Najvišja temperatura plazme 4 trilijonov stopinj Celzija je bila tam dosežena februarja 2010.

16. Čudna snov- agregatno stanje, v katerem je snov stisnjena na največje vrednosti gostote; obstaja lahko v obliki "juhe iz kvarkov". Kubični centimeter snovi v tem stanju bo tehtal milijarde ton; poleg tega bo vsako normalno snov, s katero pride v stik, spremenila v enako »čudno« obliko s sproščanjem znatne količine energije.
Energija, ki se lahko sprosti, ko se jedro zvezde spremeni v "čudno snov", bo povzročila super-močno eksplozijo "kvark nove" - ​​in po besedah ​​Leahyja in Uyeda so astronomi opazili točno to septembra 2006.
Proces nastajanja te snovi se je začel z navadno supernovo, v katero se je spremenila ogromna zvezda. Kot rezultat prve eksplozije je nastala nevtronska zvezda. Toda po besedah ​​Leahyja in Uyeda ni trajalo prav dolgo - ker se je zdelo, da je njegovo vrtenje upočasnilo lastno magnetno polje, se je začelo še bolj krčiti in tvorilo grudo "čudne snovi", kar je povzročilo enakomerno močnejši med navadno eksplozijo supernove, sproščanje energije - in zunanje plasti snovi nekdanje nevtronske zvezde, ki letijo v okoliški prostor s hitrostjo blizu svetlobne hitrosti.

17. Močno simetrična snov- to je snov, stisnjena do te mere, da se mikrodelci v njej nalagajo drug na drugega, telo samo pa se sesede v črno luknjo. Izraz "simetrija" je razložen na naslednji način: vzemimo agregatna stanja snovi, ki jih vsi poznamo iz šole - trdno, tekoče, plinasto. Za določnost upoštevajmo idealni neskončni kristal kot trdno telo. Glede na prenos obstaja določena, tako imenovana diskretna simetrija. To pomeni, da če premaknete kristalno mrežo za razdaljo, ki je enaka intervalu med dvema atomoma, se v njej ne bo nič spremenilo - kristal bo sovpadel sam s seboj. Če se kristal stopi, bo simetrija nastale tekočine drugačna: povečala se bo. V kristalu so bile enakovredne le točke, oddaljene druga od druge na določenih razdaljah, tako imenovana vozlišča kristalne mreže, v katerih so bili enaki atomi.
Tekočina je po vsej svoji prostornini homogena, vse njene točke se med seboj ne razlikujejo. To pomeni, da lahko tekočine premaknemo za poljubne razdalje (in ne le za neke diskretne, kot v kristalu) ali zavrtimo za poljubne kote (česar v kristalih sploh ni mogoče) in bo sovpadla sama s seboj. Njegova stopnja simetrije je višja. Plin je še bolj simetričen: tekočina zaseda določeno prostornino v posodi in znotraj posode je asimetrija tam, kjer je tekočina, in točkah, kjer je ni. Plin zaseda celotno prostornino, ki mu je namenjena, in v tem smislu se vse njegove točke med seboj ne razlikujejo. Kljub temu bi bilo pravilneje govoriti ne o točkah, temveč o majhnih, a makroskopskih elementih, saj na mikroskopski ravni še vedno obstajajo razlike. Na nekaterih točkah v danem trenutku obstajajo atomi ali molekule, na drugih pa jih ni. Simetrijo opazimo le v povprečju, bodisi v nekaterih makroskopskih volumskih parametrih bodisi v času.
Toda na mikroskopski ravni še vedno ni trenutne simetrije. Če je snov stisnjena zelo močno, do pritiskov, ki so v vsakdanjem življenju nesprejemljivi, stisnjena tako, da se atomi zdrobijo, njihove lupine predrejo drug drugega in se jedra začnejo dotikati, nastane simetrija na mikroskopski ravni. Vsa jedra so enaka in stisnjena eno proti drugemu, ne obstajajo samo medatomske, ampak tudi medjedrne razdalje in snov postane homogena (čudna snov).
Obstaja pa tudi submikroskopska raven. Jedra so sestavljena iz protonov in nevtronov, ki se gibljejo znotraj jedra. Med njimi je tudi nekaj prostora. Če nadaljujete s stiskanjem, tako da se jedra zdrobijo, se bodo nukleoni tesno stisnili drug ob drugega. Takrat se bo na submikroskopski ravni pojavila simetrija, ki je ni niti znotraj običajnih jeder.
Iz povedanega lahko razberemo zelo jasen trend: višja kot je temperatura in večji kot je tlak, bolj simetrična postaja snov. Na podlagi teh premislekov se snov, stisnjena do maksimuma, imenuje visoko simetrična.

18. Šibko simetrična snov- stanje, ki je po svojih lastnostih nasprotno močno simetrični materiji, prisotno v zelo zgodnjem vesolju pri temperaturi blizu Planckove, morda 10-12 sekund po velikem poku, ko so močna, šibka in elektromagnetna sila predstavljale eno samo supersilo. V tem stanju se snov stisne do te mere, da se njena masa spremeni v energijo, ki se začne napihovati, torej širiti v nedogled. Energij za eksperimentalno pridobivanje supermoči in prenos snovi v to fazo v zemeljskih razmerah še ni mogoče doseči, čeprav so bili takšni poskusi narejeni na velikem hadronskem trkalniku za preučevanje zgodnjega vesolja. Zaradi odsotnosti gravitacijske interakcije v supersili, ki tvori to snov, supersila ni dovolj simetrična v primerjavi s supersimetrično silo, ki vsebuje vse 4 vrste interakcij. Zato je to agregatno stanje dobilo tako ime.

19. Žarkovna snov- to pravzaprav sploh ni več materija, ampak energija v čisti obliki. Vendar pa bo ravno to hipotetično agregatno stanje prevzelo telo, ki je doseglo svetlobno hitrost. Dobimo ga lahko tudi s segrevanjem telesa na Planckovo temperaturo (1032 K), torej s pospeševanjem molekul snovi do svetlobne hitrosti. Kot izhaja iz relativnostne teorije, ko hitrost doseže več kot 0,99 s, začne masa telesa naraščati veliko hitreje kot pri »normalnem« pospeševanju, poleg tega se telo razteza, segreje, to pomeni, da se začne sevajo v infrardečem spektru. Ko prestopi prag 0,999 s, se telo korenito spremeni in začne s hitrim faznim prehodom do stanja žarka. Kot izhaja iz Einsteinove formule v celoti, je rastoča masa končne snovi sestavljena iz mas, ločenih od telesa v obliki toplotnega, rentgenskega, optičnega in drugega sevanja, od katerih je energija vsakega opisana z naslednji izraz v formuli. Tako bo telo, ki se približa svetlobni hitrosti, začelo sevati v vseh spektrih, rasti v dolžino in se s časom upočasnjevati ter se stanjšati na Planckovo dolžino, to pomeni, da se bo telo ob doseganju hitrosti c spremenilo v neskončno dolgo in tanek žarek, ki se giblje s svetlobno hitrostjo in je sestavljen iz fotonov, ki nimajo dolžine, njegova neskončna masa pa se bo v celoti pretvorila v energijo. Zato se taka snov imenuje žarek.

“Alkoholi” Iz zgodovine  Ali ste vedeli, da je že v 4. stol. pr. n. št e. so ljudje znali pripraviti pijače, ki vsebujejo etilni alkohol? Vino je bilo pridelano s fermentacijo sokov sadja in jagodičja. Vendar so se iz njega opojno komponento naučili izločiti mnogo kasneje. V 11. stoletju alkimisti so ujeli hlape hlapne snovi, ki se je sprostila pri segrevanju vina Definicija Alkoholi (zastareli alkoholi) so organske spojine, ki vsebujejo eno ali več hidroksilnih skupin (hidroksil, OH), neposredno vezanih na atom ogljika v radikalu ogljikovodikov  Splošna formula alkoholi je CxHy(OH) n Splošna formula enovalentnih nasičenih alkoholov CnH2n+1OH Razvrstitev alkoholov Po številu hidroksilnih skupin CxHy(OH)n Enovalentni alkoholi CH3 - CH2 - CH2 OH Dvovalentni glikoli CH3 - CH - CH2 OH OH Triatomski gliceroli CH2 - CH - CH2 OH OH OH Razvrstitev alkoholov Po naravi ogljikovodika Ogljikovodikov radikal radikal CxHy(OH)n CxHy(OH)n Meja Meja CH3 CH3 –– CH CH2 CH2 2 ––CH 2 OH OH Nenasičen Nenasičen CH CH2 = CH CH––CH CH2 2 = 2 OH OH Aromatski Aromatski CH CH2 OH 2 --OH Nomenklatura alkoholov Oglejte si tabelo in sklepajte o nomenklaturi alkoholov NOMENKLATURA IN IZOMERNOST Pri tvorjenju imen alkoholov je a (generično). ) pripona se doda imenu ogljikovodika, ki ustreza alkoholu. Številke za pripono označujejo položaj hidroksilne skupine v glavni verigi: 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 in propanol–2) 2. Izomerija ogljikovega skeleta CH3-CH2-CH2-CH2-OH butanol-1 CH3-CH -CH2-OH | CH3 2-metilpropanol-1 3. Medrazredna izomerija - alkoholi so izomerni etru: CH3-CH2-OH etanol CH3-O-CH3 dimetil eter Sklep  Imena enohidroksilnih alkoholov so sestavljena iz imena ogljikovodika z najdaljšo ogljikovo verigo. ki vsebujejo hidroksilno skupino z dodajanjem pripone -ol  Pri polihidričnih alkoholih se pred pripono -ol v grščini (-di-, -tri-, ...) navede število hidroksilnih skupin  Na primer: CH3-CH2-OH etanol Vrste izomerije alkoholov Strukturna 1. Ogljikova veriga 2. Položaji funkcionalne skupine FIZIKALNE LASTNOSTI  Nižji alkoholi (C1-C11) so hlapne tekočine z ostrim vonjem  Višji alkoholi (C12- in višji) so trdne snovi s prijetnim vonjem. FIZIKALNE LASTNOSTI Ime Formula Pl. g/cm3 tpl.C tvre.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 Značilnost fizikalnih lastnosti: agregatno stanje Metilni alkohol (prvi predstavnik homologne serije alkoholov) je tekočina. Mogoče ima visoko molekulsko maso? št. Veliko manj kot ogljikov dioksid. Kaj je potem? R – O … H – O …H – O H R R Izkazalo se je, da gre za vodikove vezi, ki se tvorijo med molekulami alkohola in preprečujejo, da bi posamezne molekule odletele Značilnost fizikalnih lastnosti: topnost v vodi Nižji alkoholi so topni v vodi, višji alkoholi so netopni. Zakaj? CH3 – O…H – O…N – O N H CH3 Kaj pa, če je radikal velik? CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – O ... H – O H H Vodikove vezi so prešibke, da bi zadržale molekulo alkohola, ki ima velik netopni del, med molekulami vode Značilnost fizikalnih lastnosti: kontrakcija Zakaj se volumen nikoli ne uporabi, ko reševanje računskih problemov? ampak samo z maso? Zmešajte 500 ml alkohola in 500 ml vode. Dobimo 930 ml raztopine. Vodikove vezi med molekulami alkohola in vode so tako močne, da se celotna prostornina raztopine zmanjša, njeno "stiskanje" (iz latinskega contraktio - stiskanje). Določeni predstavniki alkoholov Enohidroksilni alkohol - metanol  Brezbarvna tekočina z vreliščem 64C, značilnega vonja Lažja od vode. Gori z brezbarvnim plamenom.  Uporablja se kot topilo in gorivo v motorjih z notranjim izgorevanjem Metanol je strup  Toksični učinek metanola temelji na poškodbah živčnega in žilnega sistema. Zaužitje 5-10 ml metanola povzroči hudo zastrupitev, 30 ml ali več pa vodi do smrti Enohidroksilni alkohol - etanol Brezbarvna tekočina z značilnim vonjem in pekočim okusom, vrelišče 78C. Lažji od vode. Meša z njo v vsakem odnosu. Lahko vnetljiv, gori s šibko žarečim modrikastim plamenom. Prijateljstvo s prometno policijo Ali so alkoholiki prijatelji s prometno policijo? Ampak kako! Vas je že kdaj ustavil inšpektor prometne policije? Ste že kdaj dihali v cev? Če nimate sreče, je prišlo do oksidacijske reakcije alkohola, med katero se je barva spremenila, plačati pa ste morali globo. Zanimivo vprašanje. Alkohol je ksenobiotik - snov, ki je ne najdemo v človeškem telesu, vendar vpliva na njegove vitalne funkcije. Vse je odvisno od odmerka. 1. Alkohol je hranilo, ki telesu zagotavlja energijo. V srednjem veku je telo z uživanjem alkohola dobilo približno 25 % energije; 2. Alkohol je zdravilo, ki deluje razkužilno in protibakterijsko; 3. Alkohol je strup, ki moti naravne biološke procese, uničuje notranje organe in psiho ter ob prekomernem uživanju vodi v smrt Uporaba etanola  Etilni alkohol se uporablja pri pripravi različnih alkoholnih pijač;  V medicini za pripravo izvlečkov iz zdravilnih rastlin, pa tudi za dezinfekcijo;  V kozmetiki in parfumeriji je etanol topilo za parfume in losjone Škodljivost etanola  Na začetku zastrupitve trpijo strukture možganske skorje; aktivnost možganskih centrov, ki nadzorujejo vedenje, je potlačena: racionalni nadzor nad dejanji se izgubi, kritičen odnos do sebe se zmanjša. I. P. Pavlov je to stanje imenoval "nemir podkorteksa"  Z zelo visoko vsebnostjo alkohola v krvi je aktivnost motoričnih centrov možganov zavirana, prizadeta je predvsem funkcija malih možganov - oseba popolnoma izgubi orientacijo Škodljivo učinki etanola  Spremembe v strukturi možganov, ki nastanejo zaradi dolgoletnega zastrupitve z alkoholom, so skoraj nepopravljive in tudi po daljši abstinenci od pitja alkohola vztrajajo. Če se človek ne more ustaviti, se povečajo organska in s tem psihična odstopanja od norme Škodljivi učinki etanola  Alkohol izjemno škodljivo vpliva na krvne žile v možganih. Na začetku zastrupitve se razširijo, pretok krvi v njih se upočasni, kar povzroči zastoj v možganih. Takrat, ko se poleg alkohola začnejo v krvi kopičiti škodljivi produkti njegove nepopolne razgradnje, pride do močnega krča, vazokonstrikcije in nevarnih zapletov, kot so možganske kapi, ki vodijo v hudo invalidnost in celo smrt. VPRAŠANJA ZA PONOVITEV 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. V eni posodi brez etikete je voda, v drugi pa alkohol. Ali jih je mogoče prepoznati z indikatorjem? Komu pripada čast pridobivanja čistega alkohola? Ali je lahko alkohol trdna snov? Molekulska masa metanola je 32, ogljikovega dioksida pa 44. Sklepajte o agregacijskem stanju alkohola. Zmešajte liter alkohola in liter vode. Določite prostornino mešanice. Kako prevarati inšpektorja prometne policije? Ali lahko brezvodni absolutni alkohol oddaja vodo? Kaj so ksenobiotiki in kako so povezani z alkoholi? ODGOVORI 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Nemogoče je. Indikatorji ne vplivajo na alkohole in njihove vodne raztopine. Seveda, alkimisti. Mogoče, če ta alkohol vsebuje 12 ogljikovih atomov ali več. Iz teh podatkov ni mogoče sklepati. Zaradi vodikovih vezi med molekulami alkohola, glede na nizko molekulsko maso teh molekul, je vrelišče alkohola nenormalno visoko. Prostornina mešanice ne bo dva litra, ampak veliko manjša, približno 1 liter - 860 ml. Ne pijte med vožnjo. Mogoče, če ga segreješ in dodaš konc. žveplova kislina. Ne bodite leni in se spomnite vsega, kar ste slišali o alkoholu, enkrat za vselej se sami odločite, kakšna je vaša doza……. a je to sploh potrebno????? Polihidroksilni alkohol etilenglikol  Etilenglikol je predstavnik nasičenih dihidričnih alkoholov – glikolov;  Ime glikoli je dobilo zaradi sladkega okusa številnih predstavnikov serije (grško "glycos" - sladek);  Etilen glikol je sirupasta tekočina sladkega okusa, brez vonja in strupena. Dobro se meša z vodo in alkoholom, higroskopičen. Uporaba etilenglikola  Pomembna lastnost etilenglikola je zmožnost znižanja zmrziščne točke vode, zato se snov pogosto uporablja kot sestavina avtomobilskih antifrizov in tekočin proti zmrzovanju;  Uporablja se za proizvodnjo lavsana (dragoceno sintetično vlakno) Etilen glikol je strup  Doze, ki povzročijo smrtno zastrupitev z etilen glikolom, so zelo različne - od 100 do 600 ml. Po mnenju številnih avtorjev je smrtni odmerek za človeka 50-150 ml. Stopnja umrljivosti zaradi etilenglikola je zelo visoka in predstavlja več kot 60 % vseh primerov zastrupitve;  Mehanizem toksičnega učinka etilenglikola do danes ni bil dovolj raziskan. Etilenglikol se hitro absorbira (tudi skozi kožne pore) in kroži v krvi nespremenjen več ur, največjo koncentracijo pa doseže po 2-5 urah. Nato se njegova vsebnost v krvi postopoma zmanjšuje in se fiksira v tkivih Polihidrični alkohol glicerin  Glicerin je trihidrični nasičen alkohol. Brezbarvna, viskozna, higroskopna tekočina sladkega okusa. Meša se z vodo v poljubnem razmerju, dobro topilo. Reagira z dušikovo kislino in tvori nitroglicerin. S karboksilnimi kislinami tvori maščobe in olja CH2 – CH – CH2 OH OH OH Uporaba glicerina  Uporablja se pri     proizvodnji nitroglicerinskih eksplozivov; Pri obdelavi usnja; Kot sestavni del nekaterih lepil; Pri proizvodnji plastike se glicerin uporablja kot mehčalo; Pri proizvodnji slaščic in pijač (kot aditiv za živila E422) Kvalitativna reakcija na polihidrične alkohole Kvalitativna reakcija na polihidrične alkohole  Reakcija na polihidrične alkohole je njihova interakcija s sveže pridobljeno oborino bakrovega (II) hidroksida, ki se raztopi in tvori svetlo modro-vijolična rešitev Naloge Izpolni delovni karton za lekcijo;  Odgovorite na testna vprašanja;  Reši križanko  Delovni list za lekcijo “Alkoholi”  Splošna formula alkoholov Poimenuj snovi:  CH3OH  CH3-CH2-CH2-CH2-OH  CH2(OH)-CH2(OH)  Napiši strukturno formulo propanola-2  Kakšna je definicija atomarnosti alkohola?  Naštej uporabe etanola  Kateri alkoholi se uporabljajo v prehrambeni industriji?  Kateri alkohol povzroči smrtno zastrupitev, ko 30 ml vstopi v telo?  Katera snov se uporablja kot tekočina proti zmrzovanju?  Kako ločiti polihidrični alkohol od enohidričnega alkohola? Metode priprave Laboratorijske  Hidroliza haloalkanov: R-CL+NaOH R-OH+NaCL  Hidracija alkenov: CH2=CH2+H2O C2H5OH  Hidrogenacija karbonilnih spojin Industrijska  Sinteza metanola iz sinteznega plina CO+2H2 CH3-OH (pri povišan tlak, visoka temperatura in katalizator cinkov oksid)  Hidracija alkenov  Fermentacija glukoze: C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 Kemijske lastnosti I. Reakcije s pretrganjem RO–H vezi  Alkoholi reagirajo z alkalijskimi in zemeljskoalkalijskimi kovinami, pri čemer nastanejo soli podobne spojine - alkoholati 2СH 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 z organskimi kislinami (reakcija esterifikacije) povzroči nastanek estrov. CH COОH + HOC H  CH COОC H (etil acetat (etil acetat)) + H O 3 2 5 3 2 5 2 II. Reakcije s pretrganjem vezi R–OH z vodikovimi halidi: R–OH + HBr  R–Br + H2O III. Oksidacijske reakcije Alkoholi gorijo: 2С3H7ОH + 9O2  6СO2 + 8H2O Pod delovanjem oksidantov:  primarni alkoholi se pretvorijo v aldehide, sekundarni alkoholi v ketone IV. Dehidracija Nastane pri segrevanju z reagenti za odstranjevanje vode (konc. H2SO4). 1. Pri intramolekularni dehidraciji nastanejo alkeni CH3–CH2–OH  CH2=CH2 + H2O 2. Pri medmolekularni dehidraciji nastanejo etri R-OH + H-O–R  R–O–R(eter) + H2O