Vprašanja o tem, kakšno je agregacijsko stanje, katere značilnosti in lastnosti trdnih snovi, tekočin in plinov so obravnavana na več tečajih. Obstajajo tri klasična stanja snovi s svojimi značilnimi strukturnimi značilnostmi. Njihovo razumevanje je pomembna točka pri razumevanju znanosti o Zemlji, živih organizmih in industrijskih dejavnostih. Ta vprašanja preučujejo fizika, kemija, geografija, geologija, fizikalna kemija in druge znanstvene discipline. Snovi, ki so pod določenimi pogoji v enem od treh osnovnih tipov stanja, se lahko spreminjajo z zvišanjem ali zmanjšanjem temperature in tlaka. Upoštevajmo možne prehode iz enega agregatnega stanja v drugega, saj se pojavljajo v naravi, tehnologiji in vsakdanjem življenju.

Kaj je agregatno stanje?

Beseda latinskega izvora "agrego" v prevodu v ruščino pomeni "pritrditi". Znanstveni izraz se nanaša na stanje enega in istega telesa, snovi. Obstoj določenih temperaturnih vrednosti in različnih tlakov trdnih snovi, plinov in tekočin je značilen za vse lupine Zemlje. Poleg treh osnovnih agregatnih stanj obstaja še četrto. Pri povišanih temperaturah in stalnem tlaku se plin spremeni v plazmo. Da bi bolje razumeli, kaj je agregatno stanje, si je treba zapomniti najmanjše delce, ki tvorijo snovi in \u200b\u200btelesa.

Zgornji diagram prikazuje: a - plin; b - tekočina; c - trdna. Na takih slikah krogi označujejo strukturne elemente snovi. To je običajna oznaka, pravzaprav atomi, molekule in ioni niso trdne kroglice. Atomi so sestavljeni iz pozitivno naelektrenega jedra, okoli katerega se z veliko hitrostjo gibljejo negativno nabiti elektroni. Poznavanje mikroskopske strukture snovi pomaga bolje razumeti razlike med različnimi agregatnimi oblikami.

Mikrokozmos: od antične Grčije do 17. stoletja

Prve informacije o delcih, ki sestavljajo fizična telesa, so se pojavile v stari Grčiji. Mislec Demokrit in Epikur sta predstavila tak koncept, kot je atom. Verjeli so, da imajo ti najmanjši nedeljivi delci različnih snovi obliko, določeno velikost, da se lahko premikajo in medsebojno delujejo. Atomistika je postala najnaprednejši nauk stare Grčije za svoj čas. Toda njegov razvoj se je v srednjem veku upočasnil. Od takrat je inkvizicija Rimskokatoliške cerkve preganjala znanstvenike. Zato do sodobnega časa ni bilo jasnega koncepta, kakšno je agregatno stanje snovi. Šele po tem, ko so znanstveniki iz 17. stoletja R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton in A. Lavoisier oblikovali določbe atomsko-molekularne teorije, ki danes še niso izgubile pomena.

Atomi, molekule, ioni - mikroskopski delci strukture snovi

Pomemben preboj v razumevanju mikrosveta se je zgodil v 20. stoletju, ko je bil izumljen elektronski mikroskop. Ob upoštevanju odkritij, ki so jih prej prišli znanstveniki, je bilo mogoče sestaviti harmonično sliko mikrosveta. Teorije, ki opisujejo stanje in obnašanje najmanjših delcev snovi, so precej zapletene, spadajo na področje.Če želite razumeti značilnosti različnih agregatnih stanj snovi, je dovolj poznati imena in značilnosti glavnih strukturnih delcev, ki tvorijo različne snovi.

1. Atomi so kemično nedeljivi delci. V kemijskih reakcijah se ohranijo, v jedrskih pa uničijo. Kovine in številne druge snovi atomske strukture imajo v normalnih pogojih agregatno stanje.
2. Molekule so delci, ki se razgradijo in tvorijo v kemijskih reakcijah. kisik, voda, ogljikov dioksid, žveplo. Skupno stanje kisika, dušika, žveplovega dioksida, ogljika, kisika je v normalnih pogojih plinasto.
3. Ioni so nabiti delci, v katere se atomi in molekule spremenijo, ko dodajo ali izgubijo elektrone - mikroskopski negativno nabiti delci. Številne soli imajo ionsko strukturo, na primer natrijev klorid, železov in bakrov sulfat.

Obstajajo snovi, katerih delci se na določen način nahajajo v vesolju. Urejeni medsebojni položaj atomov, ionov, molekul imenujemo kristalna mreža. Običajno so ionske in atomske kristalne rešetke značilne za trdne snovi, molekularne - za tekočine in pline. Za diamant je značilna velika trdota. Njeno atomsko kristalno mrežo tvorijo atomi ogljika. Toda mehki grafit je sestavljen tudi iz atomov tega kemičnega elementa. Le da se v prostoru nahajajo drugače. Običajno agregatno stanje žvepla je trdno, toda pri visokih temperaturah se snov spremeni v tekočino in amorfno maso.

Snovi v trdnem agregatnem stanju

V normalnih pogojih trdne snovi ohranijo volumen in obliko. Na primer zrno peska, zrno sladkorja, sol, kos kamnine ali kovine. Če se sladkor segreje, se snov začne topiti in se spremeni v viskozno rjavo tekočino. Nehajte segrevati - spet dobimo trdno snov. To pomeni, da je eden glavnih pogojev za prehod trdne snovi v tekočino njeno segrevanje ali povečanje notranje energije delcev snovi. Lahko se spremeni tudi agregatno stanje soli, ki se uporablja za hrano. Toda za taljenje kuhinjske soli potrebujete višjo temperaturo kot pri segrevanju sladkorja. Dejstvo je, da je sladkor iz molekul, kuhinjska sol pa iz nabitih ionov, ki jih močneje privlačijo. Trdne snovi v tekoči obliki ne ohranijo svoje oblike, ker so kristalne rešetke uničene.

Tekoče agregatno stanje soli med taljenjem je razloženo s prekinitvijo vezi med ioni v kristalih. Sprostijo se nabiti delci, ki lahko nosijo električne naboje. Solne taline prevajajo elektriko in so prevodniki. V kemični, metalurški in strojni industriji se trdne snovi pretvorijo v tekoče snovi, da iz njih dobijo nove spojine ali jim dajo različne oblike. Kovinske zlitine se pogosto uporabljajo. Obstaja več načinov njihovega pridobivanja, povezanih s spremembami agregatnega stanja trdnih surovin.

Tekočina je eno od osnovnih agregatnih stanj

Če v bučko z okroglim dnom vlijete 50 ml vode, boste opazili, da bo snov takoj dobila obliko posode za kemikalije. A takoj ko vodo izlijemo iz bučke, se tekočina takoj razširi po površini mize. Količina vode bo ostala enaka - 50 ml, njena oblika pa se bo spremenila. Naštete značilnosti so značilne za tekočo obliko obstoja snovi. Številne organske snovi so tekočine: alkoholi, rastlinska olja, kisline.

Mleko je emulzija, to je tekočina, ki vsebuje kapljice maščobe. Koristni tekoči fosil je olje. Pridobivajo ga iz vrtin s pomočjo vrtalnih ploščadi na kopnem in v oceanu. Morska voda je tudi surovina za industrijo. Njegova razlika od sladke vode rek in jezer je v vsebnosti raztopljenih snovi, predvsem soli. Pri izhlapevanju s površine vodnih teles le molekule Н 2 О prehajajo v parno stanje, raztopljene snovi ostanejo. Na tej lastnosti temeljijo metode pridobivanja koristnih snovi iz morske vode in metode njenega čiščenja.

S popolnim odstranjevanjem soli dobimo destilirano vodo. Vre pri 100 ° C, zmrzne pri 0 ° C. Slanice zavrejo in se pri drugih temperaturah spremenijo v led. Na primer, voda v Arktičnem oceanu zmrzne pri površinski temperaturi 2 ° C.

Fizično stanje živega srebra je v normalnih pogojih tekoče. Ta srebrno siva kovina se pogosto uporablja v medicinskih termometrih. Pri segrevanju se stolpec živega srebra dvigne na lestvici, snov se razširi. Zakaj se alkohol obarva z rdečo barvo, ne pa z živim srebrom? To je razloženo z lastnostmi tekoče kovine. Pri 30-stopinjskih zmrzalih se stanje agregacije živega srebra spremeni, snov postane trdna.

Če se medicinski termometer zlomi in se živo srebro razlije, je pobiranje srebrnih kroglic z rokami nevarno. Vdihavanje hlapov živega srebra je škodljivo, ta snov je zelo strupena. Otroci bi morali v takih primerih pomoč poiskati pri starših in odraslih.

Plinasto stanje

Plini ne morejo ohraniti niti prostornine niti oblike. Bučko do vrha napolnimo s kisikom (njena kemijska formula je O 2). Takoj ko odpremo bučko, se molekule snovi začnejo mešati z zrakom v prostoru. To je posledica Brownovega gibanja. Tudi starogrški znanstvenik Demokrit je verjel, da se delci snovi neprestano gibljejo. V trdnih snoveh atomi, molekule, ioni v normalnih pogojih ne morejo zapustiti kristalne rešetke in se osvoboditi vezi z drugimi delci. To je mogoče le, če se od zunaj dovaja velika količina energije.

V tekočinah je razdalja med delci nekoliko večja kot v trdnih snoveh, zato potrebujejo manj energije za prekinitev medmolekularnih vezi. Na primer, tekoče agregacijsko stanje kisika opazimo šele, ko temperatura plina pade na -183 ° C. Pri -223 ° C molekule O 2 tvorijo trdno snov. Ko se temperatura dvigne nad te vrednosti, se kisik spremeni v plin. V tej obliki je v običajnih pogojih. V industrijskih podjetjih obstajajo posebne naprave za ločevanje atmosferskega zraka in pridobivanje dušika in kisika iz njega. Najprej se zrak ohladi in utekočini, nato pa se temperatura postopoma zvišuje. Dušik in kisik se v različnih pogojih pretvorita v pline.

Zemeljska atmosfera vsebuje 21 volumskih% kisika in 78% dušika. Te snovi se v plinski ovojnici planeta ne pojavljajo v tekoči obliki. Tekoči kisik ima svetlo modro barvo in se uporablja v visokotlačnih jeklenkah za uporabo v zdravstvenih ustanovah. V industriji in gradbeništvu so utekočinjeni plini potrebni za številne procese. Kisik je potreben za plinsko varjenje in rezanje kovin, v kemiji - za reakcije oksidacije anorganskih in organskih snovi. Če odprete ventil kisikove jeklenke, se tlak zmanjša, tekočina se spremeni v plin.

Utekočinjeni propan, metan in butan se pogosto uporabljajo v energetiki, prometu, industriji in gospodinjstvu prebivalstva. Te snovi se pridobivajo iz zemeljskega plina ali s krekingom (cepljenjem) naftne surovine. Mešanice ogljikovih tekočin in plinov igrajo pomembno vlogo v gospodarstvih mnogih držav. Toda zaloge nafte in zemeljskega plina so močno izčrpane. Po mnenju znanstvenikov bo ta surovina trajala 100-120 let. Alternativni vir energije je pretok zraka (veter). Za delovanje elektrarn se uporabljajo hitro tekoče reke, plime in oseke na obalah morij in oceanov.

Kisik je tako kot drugi plini lahko v četrtem agregatnem stanju in predstavlja plazmo. Nenavaden prehod trdne snovi v plinasti je značilna značilnost kristalnega joda. Snov temno vijolične barve je podvržena sublimaciji - pretvori se v plin, mimo tekočega stanja.

Kako se izvajajo prehodi iz ene agregatne oblike snovi v drugo?

Spremembe agregacijskega stanja snovi niso povezane s kemičnimi preobrazbami, so fizični pojavi. Ko se temperatura dvigne, se veliko trdnih snovi stopi in spremeni v tekočine. Nadaljnje povišanje temperature lahko vodi do izhlapevanja, to je do plinastega stanja snovi. V naravi in \u200b\u200bgospodarstvu so takšni prehodi značilni za eno glavnih snovi na Zemlji. Led, tekočina, para so stanja vode v različnih zunanjih pogojih. Spojina je enaka, njena formula je H 2 O. Pri temperaturi 0 ° C in pod to vrednostjo voda kristalizira, to pomeni, da se spremeni v led. Ko se temperatura dvigne, se kristali, ki so nastali, uničijo - led se stopi in spet dobimo tekočo vodo. Ko se segreje, nastane izhlapevanje - pretvorba vode v plin - tudi pri nizkih temperaturah. Na primer, zamrznjene luže bodo postopoma izginile, ko bo voda izhlapela. Tudi v ledenem vremenu se mokro perilo izsuši, vendar je ta postopek le daljši kot v vročem dnevu.

Vsi našteti prehodi vode iz enega stanja v drugo so zelo pomembni za naravo Zemlje. Atmosferski pojavi, podnebje in vreme so povezani z izhlapevanjem vode s površine Svetovnega oceana, prenosom vlage v obliki oblakov in megle na kopno ter padavinami (dež, sneg, toča). Ti pojavi so osnova svetovnega kroženja vode v naravi.

Kako se spremenijo agregatna stanja žvepla?

V normalnih pogojih je žveplo svetlo, sijoči kristali ali svetlo rumen prah, to je trdna snov. Sestavljeno stanje žvepla se pri segrevanju spremeni. Najprej, ko se temperatura dvigne na 190 ° C, se rumena snov stopi in postane mobilna tekočina.

Če na hitro v hladno vodo vlijemo tekoče žveplo, dobimo rjavo amorfno maso. Z nadaljnjim segrevanjem žveplove taline postaja vedno bolj viskozna in potemni. Pri temperaturah nad 300 ° C se agregatno stanje žvepla spet spremeni, snov pridobi lastnosti tekočine in postane mobilna. Ti prehodi so posledica sposobnosti atomov elementa, da tvorijo verige različnih dolžin.

Zakaj so snovi lahko v različnih agregatnih stanjih?

Skupno stanje žvepla, preproste snovi, je v normalnih pogojih trdno. Žveplov dioksid je plin, žveplova kislina je oljna tekočina, težja od vode. Za razliko od klorovodikove in dušikove kisline ni hlapna, molekule ne izhlapevajo z njene površine. Kakšno je stanje agregacije plastičnega žvepla, ki ga dobimo s segrevanjem kristalov?

V amorfni obliki ima snov tekočo strukturo z malo tekočino. Toda plastično žveplo hkrati ohranja svojo obliko (kot trdna snov). Obstajajo tekoči kristali, ki imajo številne značilne lastnosti trdnih snovi. Tako je stanje snovi v različnih pogojih odvisno od njene narave, temperature, tlaka in drugih zunanjih pogojev.

Katere so značilnosti v strukturi trdnih snovi?

Obstoječe razlike med osnovnimi agregatnimi stanji snovi pojasnjujemo z interakcijo med atomi, ioni in molekulami. Na primer, zakaj trdno agregatno stanje snovi vodi do sposobnosti teles, da ohranijo prostornino in obliko? V kristalni rešetki kovine ali soli se strukturni delci privlačijo med seboj. V kovinah pozitivno nabiti ioni sodelujejo s tako imenovanim "elektronskim plinom" - kopičenjem prostih elektronov v kovinskem kosu. Kristali soli nastanejo zaradi privlačnosti nasprotno nabitih delcev - ionov. Razdalja med zgornjimi strukturnimi enotami trdnih snovi je veliko manjša od velikosti samih delcev. V tem primeru deluje elektrostatično privlačenje, daje moč in odbijanje ni dovolj močno.

Za uničenje trdnega agregatnega stanja snovi se morate potruditi. Kovine, soli, atomski kristali se topijo pri zelo visokih temperaturah. Na primer, železo postane tekoče pri temperaturah nad 1538 ° C. Ognjevzdržni material je volfram; iz njega se nahajajo nitke za električne žarnice. Obstajajo zlitine, ki postanejo tekoče pri temperaturah nad 3000 ° C. Mnogi na Zemlji so trdni. To surovino pridobivajo s pomočjo tehnologije v rudnikih in kamnolomih.

Če želite od kristala ločiti celo en ion, je treba porabiti veliko energije. A dovolj je, da sol raztopimo v vodi, da se kristalna rešetka razpade! Ta pojav je posledica neverjetnih lastnosti vode kot polarnega topila. Molekule H2O sodelujejo s solnimi ioni in prekinejo kemijsko vez med njimi. Raztapljanje torej ni preprosto mešanje različnih snovi, temveč fizikalno-kemijska interakcija med njimi.

Kako molekule tekočine sodelujejo?

Voda je lahko tekoča, trdna in plinasta (para). To so osnovna agregatna stanja v normalnih pogojih. Molekule vode so sestavljene iz enega atoma kisika z dvema atomoma vodika, ki sta vezana nanj. V molekuli pride do polarizacije kemijske vezi, na kisikovih atomih se pojavi delni negativni naboj. Vodik postane pozitiven pol v molekuli, ki ga privlači atom kisika druge molekule. To se imenuje "vodikova vez".

Za agregatno agregatno stanje je značilna razdalja med strukturnimi delci, primerljiva z njihovo velikostjo. Privlačnost je, vendar je šibka, zato voda ne ohrani oblike. Izhlapevanje nastane zaradi uničenja vezi, ki se pojavi na površini tekočine tudi pri sobni temperaturi.

Ali obstajajo medmolekularne interakcije v plinih?

Plinovito stanje snovi se po številnih parametrih razlikuje od tekočega in trdnega. Med strukturnimi delci plinov obstajajo velike reže, veliko večje od velikosti molekul. V tem primeru privlačne sile sploh ne delujejo. Za snovi, prisotne v zraku, je značilno agregatno plinasto stanje: dušik, kisik, ogljikov dioksid. Na spodnji sliki je prva kocka napolnjena s plinom, druga s tekočino in tretja s trdno snovjo.

Številne tekočine so hlapne, molekule snovi se odcepijo s njihove površine in preidejo v zrak. Če na primer prinesete bombažno palčko, namočeno v amonijak, na odprtino odprte steklenice s klorovodikovo kislino, se pojavi bel dim. Kemična reakcija med klorovodikovo kislino in amoniakom poteka naravnost v zraku in dobimo amonijev klorid. Kakšno je agregatno stanje te snovi? Njeni delci, ki tvorijo bel dim, so drobni trdni kristali soli. Ta poskus je treba izvesti pod pokrovom, snovi so strupene.

Zaključek

Fizično stanje plina so preučevali številni izjemni fiziki in kemiki: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Cliperon, Mendeleev, Le Chatelier. Znanstveniki so oblikovali zakone, ki pojasnjujejo vedenje plinastih snovi v kemijskih reakcijah, ko se spremenijo zunanji pogoji. Odprti vzorci niso vključeni le v šolske in univerzitetne učbenike fizike in kemije. Številne kemične industrije temeljijo na znanju o vedenju in lastnostih snovi v različnih agregacijskih stanjih.

Predavanje 4. Agregatna stanja snovi

1. Trdno stanje snovi.

2. Tekoče stanje snovi.

3. Plinasto stanje snovi.

Snovi so lahko v treh agregatnih stanjih: trdnem, tekočem in plinastem. Pri zelo visokih temperaturah pride do neke vrste plinastega stanja - plazme (plazemsko stanje).

1. Za trdno stanje snovi je značilno, da je energija medsebojnega delovanja delcev 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, alum v obliki oktaederov, natrijev nitrat v obliki prizm.

Kristalna oblika snovi je najbolj stabilna. Razporeditev delcev v trdni snovi je upodobljena v obliki rešetke, 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 rešetke so polarne in nepolarne molekule. Jonska kristalna mreža ki ga tvorijo pozitivno in negativno nabiti ioni, ki se redno izmenjujejo v vesolju (natrijev klorid, kalijev klorid). Vse kovine imajo kovinsko kristalno mrežo. V njegovih vozliščih so pozitivno nabiti ioni, med katerimi so elektroni v prostem stanju.

Kristalne snovi imajo številne značilnosti. Ena izmed njih je anizotropija - ϶ᴛᴏ neenakost fizikalnih lastnosti kristala v različnih smereh znotraj kristala.

2. V tekočem stanju snovi je energija medmolekularne interakcije delcev primerljiva s kinetično energijo njihovega gibanja. To stanje je vmesno med plinovitim in kristalnim. Za razliko od plinov med tekočimi molekulami delujejo velike sile medsebojnega privlačenja, ki določajo naravo molekularnega gibanja. Toplotno gibanje molekule tekočine vključuje nihajna in translacijska. Vsaka molekula nekaj časa vibrira okoli določene točke ravnotežja, nato pa se premakne in ponovno zavzame ravnotežni položaj. To določa njegovo tekočnost. Sile medmolekularne privlačnosti preprečujejo, da bi se molekule med gibanjem daleč ločile druga od druge.

Lastnosti tekočin so odvisne tudi od prostornine molekul in oblike njihove površine. Če so molekule tekočine polarne, jih potem združimo (združimo) v kompleksen kompleks. Takšne tekočine imenujemo povezane (voda, aceton, alkohol). Οʜᴎ imajo višje t bale, imajo manj hlapnosti, višjo dielektrično konstanto.

Kot veste, imajo tekočine površinsko napetost. Površinska napetost - ϶ᴛᴏ površinska energija na enoto površine: ϭ \u003d E / S, kjer ϭ - površinska napetost; E - površinska energija; S je površina. Močnejše kot so medmolekularne vezi v tekočini, večja je njena površinska napetost. Snovi, ki zmanjšujejo površinsko napetost, se imenujejo površinsko aktivne snovi.

Druga lastnost tekočin je viskoznost. Viskoznost - ϶ᴛᴏ upor, ki izhaja iz gibanja nekaterih plasti tekočine glede na druge med njenim gibanjem. Nekatere tekočine imajo visoko viskoznost (med, nizka), 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 po 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) enostavna stisljivost.

V plinu so molekule med seboj na zelo veliki razdalji, sile privlačenja med njimi so majhne. Na velikih razdaljah med molekulami teh sil praktično ni. Plin v tem stanju običajno imenujemo idealen. Realni plini pri visokih tlakih in nizkih temperaturah ne upoštevajo enačbe stanja idealnega plina (enačba Mendelejeva in Clapeyrona), saj se v teh pogojih začnejo manifestirati sile interakcije med molekulami.

Vse snovi so lahko v različnih agregatnih stanjih - trdne, tekoče, plinaste in plazemske. V starih časih so verjeli: svet sestavljajo zemlja, voda, zrak in ogenj. Stanje agregacije snovi ustreza tej vizualni razdelitvi. Izkušnje kažejo, da so meje med agregacijskimi stanji precej samovoljne. Plini pri nizkih tlakih in nizkih temperaturah veljajo za idealne, molekule v njih ustrezajo materialnim točkam, ki lahko trčijo le po zakonih elastičnega udara. Sile interakcije med molekulami v trenutku udarca so zanemarljive; trki sami se zgodijo brez izgube mehanske energije. Toda s povečanjem razdalje med molekulami je treba upoštevati tudi interakcijo molekul. Te interakcije se začnejo kazati med prehodom iz plinastega stanja v tekoče ali trdno. Med molekulami se lahko pojavijo različne vrste interakcij.

Sile medmolekularne interakcije nimajo nasičenosti, kar se razlikuje od sil kemične interakcije atomov, ki vodijo do tvorbe molekul. Elektrostatični so lahko z interakcijami med nabitimi delci. Izkušnje so pokazale, da je kvantno-mehanska interakcija, ki je odvisna od razdalje in medsebojne usmerjenosti molekul, zanemarljiva pri razdaljah med molekulami več kot 10 -9 m. V redčenih plinih jo lahko zanemarimo ali domnevamo, da je potencialna energija interakcije praktično nič. Na majhnih razdaljah je ta energija majhna, pri silah medsebojnega privlačenja

pri - medsebojni odbojnosti in za

privlačnost in odbijanje molekul sta uravnoteženi in F \u003d0. Tu so sile določene z njihovo povezavo s potencialno energijo, delci pa se premikajo in imajo določeno količino kinetične energije.

gii. Ena molekula naj bo negibna, druga pa trči z njo in ima tako zalogo energije. Ko se molekuli približajo druga drugi, privlačne sile pozitivno delujejo in potencialna energija njihove interakcije se zmanjša na daljavo, v tem primeru se poveča kinetična energija (in hitrost). Ko razdalja postane manjša, bodo sile privlačnosti nadomeščene z silami odbijanja. Delo, ki ga molekula opravi proti tem silam, je negativno.

Molekula se bo približala nepremični molekuli, dokler se njena kinetična energija popolnoma ne pretvori v potencialno energijo. Najmanjša razdalja d,kateremu se molekule lahko približajo efektivni molekularni premer.Po zaustavitvi se bo molekula začela odmikati pod delovanjem odbojnih sil z naraščajočo hitrostjo. Ko je molekula spet prešla razdaljo, bo padla v območje privlačnih sil, kar bo upočasnilo njeno odstranjevanje. Učinkoviti premer je odvisen od začetne zaloge kinetične energije, tj. ta količina ni konstantna. Na razdaljah, enakih potencialni energiji interakcije, ima neskončno veliko vrednost ali "pregrado", ki preprečuje, da bi se centri molekul približali na manjši razdalji. Razmerje med povprečno potencialno energijo interakcije in povprečno kinetično energijo določa agregatno stanje snovi: za pline za tekočine, za trdne snovi

Kondenzirani mediji so tekočine in trdne snovi. V njih so atomi in molekule blizu, skorajda se dotikajo. Povprečna razdalja med središči molekul v tekočinah in trdnih snoveh je približno (2 -5) 10 -10 m. Tudi njihove gostote so približno enake. Medatomske razdalje presegajo razdalje, preko katerih elektronski oblaki prodirajo drug v drugega, tako da se pojavijo odbojne sile. Za primerjavo, v plinih v normalnih pogojih je povprečna razdalja med molekulami približno 33 10 -10 m.

IN tekočinemedmolekularna interakcija ima močnejši učinek, toplotno gibanje molekul se kaže v šibkih vibracijah okoli ravnotežnega položaja in celo skače iz enega položaja v drugega. Zato imajo pri razporeditvi delcev le vrstni red kratkega dosega, to je doslednost pri razporeditvi le najbližjih delcev in značilno fluidnost.

Trdna telesaza njih je značilna strukturna togost, imajo natančno določeno prostornino in obliko, ki se pod vplivom temperature in tlaka bistveno manj spreminjajo. V trdnih snoveh so možna amorfna in kristalna stanja. Obstajajo tudi vmesne snovi - tekoči kristali. Toda atomi v trdnih snoveh sploh niso negibni, kot bi morda pomislili. Vsak od njih nenehno niha pod vplivom elastičnih sil, ki nastajajo med sosedi. Večina elementov in spojin ima pod mikroskopom kristalno strukturo.

Tako so zrna namizne soli videti kot popolne kocke. V kristalih so atomi pritrjeni na mestih kristalne rešetke in lahko vibrirajo le blizu mest rešetke. Kristali tvorijo prave trdne snovi in \u200b\u200btrdne snovi, kot so plastika ali asfalt, so kot vmesni položaj med trdnimi snovmi in tekočinami. Amorfno telo ima kot tekočina vrstni red kratkega dosega, vendar je verjetnost skokov majhna. Tako lahko steklo štejemo za prehlajeno tekočino s povečano viskoznostjo. Tekoči kristali imajo tekočino tekočin, vendar ohranjajo vrstni red razporeditve atomov in imajo anizotropijo lastnosti.

Kemijske vezi atomov (in približno v) v kristalih so enake kot v molekulah. Struktura in togost trdnih snovi je določena z razliko v elektrostatičnih silah, ki vežejo atome, ki sestavljajo telo, skupaj. Mehanizem, ki veže atome v molekule, lahko privede do nastanka trdnih periodičnih struktur, ki jih lahko štejemo za makromolekule. Tako kot ionske in kovalentne molekule obstajajo ionski in kovalentni kristali. Ionske rešetke v kristalih držijo skupaj ionske vezi (glej sliko 7.1). Struktura kuhinjske soli je takšna, da ima vsak natrijev ion šest sosedov - klorove ione. Ta porazdelitev ustreza minimalni energiji, tj. Ko se oblikuje takšna konfiguracija, se sprosti največja energija. Ko temperatura pade pod tališče, obstaja težnja po tvorbi čistih kristalov. Ko temperatura narašča, je toplotna kinetična energija zadostna za prekinitev vezi, kristal se bo začel topiti in struktura bo propadla. Kristalni polimorfizem je sposobnost tvorjenja stanj z različnimi kristalnimi strukturami.

Ko se porazdelitev električnega naboja v nevtralnih atomih spremeni, lahko pride do šibkih interakcij med sosedi. Ta vez se imenuje molekularna ali van der Waalsova (kot pri molekuli vodika). Toda sile elektrostatičnega privlačenja se lahko pojavijo 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 vodi do njihove privlačnosti. To je delovanje medmolekularnih sil ali van der Waalsovih sil, ki imajo velik polmer delovanja.

Ker je atom vodika zelo majhen in se njegov elektron zlahka izpodrine, ga pogosto privlačita dva atoma hkrati, ki tvorita vodikovo vez. Vodikova vez je odgovorna tudi za medsebojno vplivanje molekul vode. Pojasnjuje številne edinstvene lastnosti vode in ledu (slika 7.4).

Kovalentna vez(ali atomsko) dosežemo zaradi notranje interakcije nevtralnih atomov. Primer takšne vezi je vez v molekuli metana. Vrsta ogljika z močno vezjo je diamant (štiri atome vodika nadomestijo štirje 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 hkrati oglišče sosednjega tetraedra. Pod drugimi pogoji isti ogljikovi atomi kristalizirajo v grafit.V grafitu so povezani tudi z atomskimi vezmi, toda tvorijo ravnine šesterokotnih celic satja, ki so sposobne striženja. Razdalja med atomi, ki se nahajajo na ogliščih šestkotnikov, je 0,142 nm. Plasti se nahajajo na razdalji 0,335 nm, t.j. šibko vezan, zato je grafit plastičen in mehak (slika 7.5). Leta 1990 je razcvet raziskovalnega dela povzročil sporočilo o prejemu nove snovi - fullerit,sestavljen iz molekul ogljika - fulerenov. Ta oblika ogljika je molekularna, tj. minimalni element ni atom, temveč molekula. Ime je dobil po arhitektu R. Fullerju, ki je leta 1954 prejel patent za gradbene konstrukcije iz šesterokotnikov in peterokotnikov, ki tvorijo poloblo. Molekula iz 60 ogljikovi atomi s premerom 0,71 nm so odkrili leta 1985, nato odkrili molekule itd. Vsi so imeli stabilne površine,

vendar sta bili najbolj stabilni molekuli C 60 in OD 70 . Logično je domnevati, da se grafit uporablja kot surovina za sintezo fulerenov. V tem primeru mora biti polmer šestkotnega 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. zasnova spominja na nogometno žogo. Izkazalo se je, da so se ob "šivanju" v zaprto kroglo del ravnih šesterokotnikov spremenili v pentaedre. Pri sobni temperaturi se molekule C 60 kondenzirajo v strukturo, kjer ima vsaka molekula 12 sosedov, razmaknjenih 0,3 nm. Kdaj T\u003d 349 K, pride do faznega prehoda prvega reda - rešetka se preuredi v kubično. Sam kristal je polprevodnik, toda ko k alkalni kovini dodamo kristalni film C 60, 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 informacijsko gostoto: gostota snemanja bo dosegla 4-10 12 bitov / cm 2. Za primerjavo, film iz feromagnetnega materiala daje gostoto snemanja velikosti 10 7 bit / cm 2, optični diski, tj. laserska tehnologija, - 10 8 bit / cm 2. Ta ogljik ima tudi druge edinstvene lastnosti, ki so še posebej pomembne v medicini in farmakologiji.

Kaže se v kovinskih kristalih kovinska vez,ko vsi atomi v kovini dajo svoje valentne elektrone "za skupno uporabo". Slabo so povezani z atomskimi jedri in se lahko prosto gibljejo po kristalni rešetki. Kovine predstavljajo približno 2/5 kemičnih elementov. V kovinah (razen živega srebra) vez nastane, ko se proste orbitale kovinskih atomov prekrivajo in elektroni odlepijo zaradi tvorbe kristalne rešetke. Izkazalo se je, da so kationi rešetke zaviti v elektronski plin. Kovinska vez nastane, ko se atomi približajo drug drugemu na razdalji, manjši od dimenzij zunanjega elektronskega oblaka. S to konfiguracijo (Paulijevo načelo) energija zunanjih elektronov raste in jedra sosedov začnejo privabljati te zunanje elektrone, zamegljujejo elektronske oblake, jih enakomerno razporedijo po kovini in jih spremenijo v elektronski plin. Tako nastanejo prevodni elektroni, kar pojasnjuje visoko električno prevodnost kovin. V ionskih in kovalentnih kristalih so zunanji elektroni praktično vezani, prevodnost teh trdnih snovi pa je zelo majhna, imenujejo se izolatorji.

Notranja energija tekočin je določena z vsoto notranjih energij makroskopskih podsistemov, na katere jo je mogoče miselno razdeliti, in energij medsebojnega delovanja teh podsistemov. Interakcija se izvaja z molekularnimi silami s polmerom delovanja reda 10 -9 m. Za makrosisteme je energija interakcije sorazmerna s kontaktno površino, zato je majhna, tako kot delež površinske plasti, vendar to ni potrebno. To se imenuje površinska energija in jo je treba upoštevati pri površinski napetosti. Običajno tekočine zasedajo večjo prostornino z enako težo, to je, da imajo manjšo gostoto. Zakaj pa se količine ledu in bizmuta med taljenjem zmanjšujejo in tudi po tališču nekaj časa ohranjajo to težnjo? Izkazalo se je, da so te snovi v tekočem stanju gostejše.

V tekočini na vsak atom delujejo sosedje in vibrira znotraj anizotropnega potenciala, ki ga ustvarijo. Za razliko od trdne snovi je ta jama plitva, saj oddaljeni sosedje skoraj nimajo učinka. Neposredno okolje delcev v tekočini se spremeni, torej tekočina teče. Po doseganju določene temperature bo tekočina zavrela; med vrenjem temperatura ostane konstantna. Prihajajoča energija se porabi za pretrganje vezi in tekočina, ko se popolnoma pretrgajo, spremeni v plin.

Gostote tekočin so veliko večje kot gostote plinov pri enakih tlakih in temperaturah. Torej je prostornina vode med vrenjem le 1/1600 prostornine iste mase vodne pare. Prostornina tekočine je malo odvisna od tlaka in temperature. V normalnih pogojih (20 ° C in tlak 1,013 10 5 Pa) zavzame prostornina vode 1 liter. Z znižanjem temperature na 10 ° C se bo prostornina zmanjšala le za 0,0021, s povečanjem tlaka pa se bo podvojila.

Čeprav še vedno ni preprostega idealnega modela tekočine, je bila njena mikrostruktura dovolj raziskana in omogoča kvalitativno razlago večine njenih makroskopskih lastnosti. Dejstvo, da je v tekočinah kohezija molekul šibkejša kot v trdni snovi, je opazil Galileo; presenetil ga je, da so se na kapusnih listih nabrale velike kapljice vode, ki se niso razširile po listu. Razlite kapljice živega srebra ali vode na mastni površini imajo zaradi oprijema obliko majhnih kroglic. Če molekule ene snovi privlačijo molekule druge snovi, govorijo o tem vlaženje,na primer lepilo in les, olje in kovina (kljub izjemnemu pritisku se olje zadrži v ležajih). Toda voda se dviguje v tankih ceveh, imenovanih kapilarne cevi, in narašča, čim višje je tanjša cev. Razloge za močenje vode in stekla ne more biti druga. Sile močenja med steklom in vodo so večje kot med molekulami vode. Pri živem srebru je učinek nasproten: močenje živega srebra in stekla je šibkejše od adhezijskih sil med atomi živega srebra. Galileo je opozoril, da namazana igla lahko ostane na vodi, čeprav je to v nasprotju z Arhimedovim zakonom. Ko igla plava, lahko

opazite pa rahlo upogibanje vodne površine, kot da bi se radi poravnali. Adhezijske sile med molekulami vode zadostujejo, da igla ne pade v vodo. Površinska plast ščiti vodo kot film, to je površinska napetost,ki daje obliki vode najmanjšo površino - sferično. Toda igla ne bo več plavala na površini alkohola, saj se ob dodajanju alkohola v vodo površinska napetost zmanjša in igla ponikne. Milo tudi zmanjša površinsko napetost, zato vroča milna pena, prodirajoče razpoke in razpoke bolje izperejo umazanijo, še posebej mastno, medtem ko bi se čista voda kar zavila v kapljice.

Plazma je četrto agregacijsko stanje snovi, ki je plin iz zbirke nabitih delcev, ki delujejo na velike razdalje. V tem primeru je število pozitivnih in negativnih nabojev približno enako, tako da je plazma električno nevtralna. Od štirih elementov plazma ustreza ognju. Če želite plin pretvoriti v plazemsko stanje, ga potrebujete ionizirajo,odtrgajo elektrone iz atomov. Ionizacijo lahko izvedemo s segrevanjem, električnim praznjenjem ali močnim sevanjem. Materija v vesolju je večinoma v ioniziranem stanju. V zvezdah je ionizacija termično, v redkih meglicah in medzvezdnem plinu - ultravijolično sevanje zvezd. Naše sonce je sestavljeno tudi iz plazme, njegovo sevanje ionizira zgornje plasti zemeljske atmosfere, imenovano ionosfera,možnost radijske komunikacije na daljavo je odvisna od njenega stanja. V zemeljskih pogojih plazme najdemo redko - v fluorescenčnih sijalkah ali v električnem varilnem loku. V laboratorijih in tehnologiji plazmo najpogosteje pridobivajo z električnim praznjenjem. V naravi to počne strela. Med ionizacijo s praznjenjem se pojavijo elektronski plazovi, podobno kot v procesu verižne reakcije. Za pridobitev termonuklearne energije se uporablja metoda vbrizgavanja: plinski ioni, pospešeni do zelo visokih hitrosti, se vbrizgajo v magnetne pasti, privabljajo elektrone iz okolja in tvorijo plazmo. Uporablja se tudi ionizacija s tlačno - udarnimi valovi. Ta metoda ionizacije najdemo v super gostih zvezdah in po možnosti v jedru Zemlje.

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 spoštuje plinske zakone, a ko se uporabi magnetno polje, ki uravnava gibanje nabitih delcev, ima lastnosti, ki so za plin povsem nenavadne. V močnem magnetnem polju se delci začnejo vrteti okoli silnic in vzdolž magnetnega polja se prosto gibljejo. Rečeno je, da to vijačno gibanje premakne strukturo linij polja in da je polje "zamrznjeno" v plazmo. Tanjšo plazmo opisuje sistem delcev, gostejšo plazmo pa tekočinski model.

Njegova glavna električna prevodnost plazme je glavna razlika od plina. Prevodnost hladne plazme sončne površine (0,8 10 -19 J) doseže prevodnost kovin in pri termonuklearni temperaturi (1,6 10 -15 J) vodikova plazma v običajnih pogojih prevaja 20-krat boljši tok kot baker. Ker je plazma sposobna voditi tok, se na njej pogosto uporablja model prevodne tekočine. Velja za neprekinjen medij, čeprav ga stisljivost ločuje od običajne tekočine, vendar se ta razlika kaže le pri pretokih, katerih hitrost je večja od hitrosti zvoka. Obnašanje prevodne tekočine raziskuje znanost, imenovana magnetohidrodinamika.V vesolju je katera koli plazma idealen prevodnik in zakoni zamrznjenega polja se pogosto uporabljajo. Model prevodne tekočine nam omogoča razumevanje mehanizma zadrževanja plazme z magnetnim poljem. Tako se iz Sonca oddajajo plazemski tokovi, ki vplivajo na zemeljsko atmosfero. Sam tok nima magnetnega polja, vendar tuje polje po zakonu zmrzovanja ne more prodreti vanj. Plazemski sončni tokovi potiskajo tuja medplanetarna magnetna polja iz bližine Sonca. Pojavi se magnetna votlina, kjer je polje šibkejše. Ko se ti korpuskularni plazemski tokovi približajo Zemlji, trčijo z zemeljskim magnetnim poljem in so prisiljeni teči okoli njega po istem zakonu. Izkaže se nekakšna votlina, v kateri se zbira magnetno polje in kamor plazemski tokovi ne prodrejo. Na njeni površini se kopičijo nabiti delci, ki so jih zaznali 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, zaprto v teh in drugih sistemih, upajo na pridobitev nadzorovane termonuklearne reakcije na Zemlji. To bi zagotovilo čisti in poceni vir energije (morska voda). Potekajo dela za pridobivanje in zadrževanje plazme z uporabo usmerjenega laserskega sevanja.