Vprašanja o tem, kaj je agregatno stanje, kakšne značilnosti in lastnosti imajo trdne snovi, tekočine in plini, so obravnavana v več tečaji. Obstajajo tri klasična stanja snovi s svojimi značilnimi strukturnimi lastnostmi. Njihovo razumevanje je pomembna točka pri razumevanju znanosti o Zemlji, živih organizmov in proizvodnih dejavnosti. 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 agregatnega stanja, se lahko spreminjajo s povišanjem ali znižanjem temperature in tlaka. Razmislimo o možnih prehodih iz enega agregatnega stanja v drugega, kot se dogajajo v naravi, tehnologiji in vsakdanjem življenju.

Kaj je agregatno stanje?

Beseda latinskega izvora "aggrego", prevedena v ruščino, pomeni "pridružiti se". Znanstveni izraz se nanaša na stanje istega telesa, snovi. Obstoj trdnih snovi, plinov in tekočin pri določenih temperaturah in različnih tlakih je značilen za vse lupine Zemlje. Poleg treh osnovnih agregatnih stanj obstaja še četrto. pri povišana temperatura in konstantnem tlaku se plin spremeni v plazmo. Da bi bolje razumeli, kaj je agregatno stanje, se je treba spomniti najmanjših delcev, ki sestavljajo snovi in ​​telesa.

Zgornji diagram prikazuje: a - plin; b - tekočina; c je trdno telo. Na takih slikah krogci označujejo strukturne elemente snovi. to simbol, pravzaprav atomi, molekule, ioni niso trdne kroglice. Atomi so sestavljeni iz pozitivno nabitega jedra, okoli katerega se z veliko hitrostjo gibljejo negativno nabiti elektroni. Poznavanje mikroskopske strukture snovi pomaga bolje razumeti razlike, ki obstajajo med različnimi oblikami agregatov.

Zamisli o mikrokozmosu: od stare Grčije do 17. stoletja

Prve informacije o delcih, ki sestavljajo fizična telesa, se je pojavil v Antična grčija. Misleca Demokrit in Epikur sta predstavila tak koncept kot atom. Verjeli so, da ti najmanjši nedeljivi delci različne snovi Imajo obliko, določeno velikost in so sposobni gibanja in interakcije med seboj. Atomizem je za svoj čas postal najnaprednejši nauk stare Grčije. Toda njen razvoj se je v srednjem veku upočasnil. Od takrat je znanstvenike preganjala inkvizicija rimskokatoliške cerkve. Zato do sodobnega časa ni bilo jasnega pojma o tem, kakšno je stanje snovi. Šele po 17. stoletju so znanstveniki R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier oblikovali določbe atomsko-molekularne teorije, ki danes niso izgubile svojega 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 prejšnjih odkritij znanstvenikov je bilo mogoče sestaviti skladno sliko mikrosveta. Teorije, ki opisujejo stanje in obnašanje najmanjših delcev snovi, so precej kompleksne, nanašajo se na področje Za razumevanje značilnosti različnih agregatnih stanj snovi zadostuje poznavanje imen in značilnosti glavnih strukturnih delcev, ki jih tvorijo; različne snovi.

1. Atomi so kemično nedeljivi delci. Pri kemijskih reakcijah se ohranijo, pri jedrskih reakcijah pa se uničijo. Kovine in številne druge snovi atomske zgradbe imajo v normalnih pogojih trdno agregatno stanje.
2. Molekule so delci, ki se razgradijo in nastanejo v kemičnih reakcijah. kisik, voda, ogljikov dioksid, žveplo. Agregatno stanje kisik, dušik, žveplov dioksid, ogljik, kisik pri normalnih pogojih - plinast.
3. Ioni so nabiti delci, v katere postanejo atomi in molekule, ko pridobijo ali izgubijo elektrone – mikroskopski negativno nabiti delci. Mnoge soli imajo ionsko strukturo, na primer kuhinjska sol, železov sulfat in bakrov sulfat.

Obstajajo snovi, katerih delci se v prostoru nahajajo na določen način. Urejeno medsebojno lego atomov, ionov in molekul imenujemo kristalna mreža. Običajno so ionske in atomske kristalne mreže značilne za trdne snovi, molekularne - za tekočine in pline. Diamant odlikuje visoka trdota. Njegovo atomsko kristalno mrežo sestavljajo ogljikovi atomi. Toda mehki grafit je sestavljen tudi iz atomov tega kemičnega elementa. Le da se v prostoru nahajajo drugače. Običajno agregatno stanje žvepla je trdno, ko pa visoke temperature snov se spremeni v tekočino in amorfno maso.

Snovi v trdnem agregatnem stanju

Trdne snovi v normalnih pogojih ohranijo svoj volumen in obliko. Na primer zrno peska, zrno sladkorja, soli, kos kamna ali kovine. Če segrejete sladkor, se snov začne topiti in se spremeni v viskozno rjavo tekočino. Nehajmo segrevati, pa bomo spet dobili solidno. To pomeni, da je eden od glavnih pogojev za prehod trdna v tekočino - njeno segrevanje ali povečanje notranje energije delcev snovi. Trdno agregatno stanje soli, ki se uporablja za hrano, lahko tudi spremenimo. Toda za taljenje kuhinjske soli je potrebna višja temperatura kot pri segrevanju sladkorja. Dejstvo je, da je sladkor sestavljen iz molekul, kuhinjska sol pa iz nabitih ionov, ki se med seboj močneje privlačijo. Trdne snovi v tekoči obliki ne obdržijo svoje oblike, ker so kristalne mreže uničene.

Tekoče agregatno stanje soli pri taljenju razlagamo s pretrganjem vezi med ioni v kristalih. Sprostijo se nabiti delci, ki lahko nosijo električni naboj. Staljene soli prevajajo elektriko in so prevodniki. V kemični, metalurški in inženirski industriji se trdne snovi pretvarjajo v tekočine, da se iz njih pridobijo nove spojine oz. različne oblike. Kovinske zlitine so postale zelo razširjene. Obstaja več načinov za njihovo pridobitev, povezanih s spremembami agregatnega stanja trdnih surovin.

Tekočina je eno od osnovnih agregatnih stanj

Če v bučko z okroglim dnom nalijete 50 ml vode, opazite, da bo snov takoj dobila obliko kemične posode. Toda takoj, ko odlijemo vodo iz bučke, se bo tekočina takoj razlila po površini mize. Prostornina vode bo ostala enaka - 50 ml, spremenila pa se bo njena oblika. Naštete lastnosti so značilne za tekočo obliko obstoja materije. Mnoge organske snovi so tekočine: alkoholi, rastlinska olja, kisline.

Mleko je emulzija, to je tekočina, ki vsebuje kapljice maščobe. Koristen tekoči vir je nafta. Pridobivajo ga iz vrtin z vrtalnimi napravami na kopnem in v oceanu. Morska voda je tudi surovina za industrijo. Njena razlika od sladke vode v rekah in jezerih je v vsebnosti raztopljenih snovi, predvsem soli. Pri izhlapevanju s površine rezervoarjev le molekule H 2 O preidejo v stanje pare, ostanejo raztopljene snovi. Na tej lastnosti temeljijo metode za pridobivanje uporabne snovi iz morske vode in metode za njeno čiščenje.

Ko soli popolnoma odstranimo, dobimo destilirano vodo. Zavre pri 100°C in 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.

Agregatno stanje živega srebra je v normalnih pogojih tekoče. Ta srebrno siva kovina se običajno uporablja za polnjenje medicinskih termometrov. Pri segrevanju se stolpec živega srebra dvigne na lestvici in snov se razširi. Zakaj se uporablja alkohol, obarvan z rdečo barvo, in ne živo srebro? To je razloženo z lastnostmi tekoče kovine. Pri zmrzali 30 stopinj se stanje agregacije živega srebra spremeni, snov postane trdna.

Če se medicinski termometer razbije in se živo srebro razlije, je zbiranje srebrnih kroglic z rokami nevarno. Vdihavanje hlapov živega srebra je zelo strupeno. V takšnih primerih se morajo otroci za pomoč obrniti na starše in odrasle.

Plinasto stanje

Plini ne morejo ohraniti niti svoje prostornine niti oblike. Bučko do vrha napolnimo s kisikom (njegova kemijska formula je O2). Takoj ko bučko odpremo, se bodo molekule snovi začele mešati z zrakom v prostoru. To se zgodi zaradi Brownovega gibanja. Že starogrški znanstvenik Demokrit je verjel, da so delci snovi v stalnem gibanju. V trdnih snoveh v normalnih pogojih atomi, molekule in ioni nimajo možnosti, da zapustijo kristalno mrežo ali se osvobodijo vezi z drugimi delci. To je mogoče le, če je velika količina energije dobavljena od zunaj.

V tekočinah je razdalja med delci nekoliko večja kot v trdnih snoveh; za prekinitev medmolekulskih vezi potrebujejo manj energije. Na primer, tekoče stanje kisika opazimo šele, ko se temperatura plina zniža 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 se nahaja v normalnih pogojih. Vklopljeno industrijska podjetja 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 pretvorita v pline, ko različni pogoji.

Zemljina atmosfera vsebuje 21 % kisika in 78 % dušika po prostornini. Te snovi ne najdemo v tekoči obliki v plinastem ovoju planeta. Tekoči kisik je svetlo modre barve in se uporablja za polnjenje jeklenk pod visokim pritiskom za uporabo v medicinskih okoljih. V industriji in gradbeništvu so utekočinjeni plini potrebni za izvajanje številnih procesov. Kisik je potreben za plinsko varjenje in rezanje kovin, v kemiji pa za oksidacijske reakcije anorganskih in organskih snovi. Če odprete ventil jeklenke s kisikom, se tlak zmanjša in tekočina se spremeni v plin.

Utekočinjeni propan, metan in butan se pogosto uporabljajo v energetiki, prometu, industriji in gospodinjstvu. Te snovi se pridobivajo iz zemeljskega plina ali med krekingom (cepitvijo) naftne surovine. Tekoče in plinaste mešanice ogljika 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 zračni tok (veter). Hitro tekoče reke in plimovanje na obalah morij in oceanov se uporabljajo za delovanje elektrarn.

Kisik je tako kot drugi plini lahko v četrtem agregatnem stanju, ki predstavlja plazmo. Nenavaden prehod iz trdnega v plinasto stanje je značilna lastnost kristalnega joda. Temno vijolična snov je sublimirana - spremeni se v plin, mimo tekočega stanja.

Kako potekajo prehodi iz ene agregatne oblike snovi v drugo?

Spremembe agregatnega stanja snovi niso povezane s kemičnimi transformacijami, to so fizikalni pojavi. Ko se temperatura poveča, se mnoge trdne snovi stopijo in spremenijo v tekočine. Nadaljnje zvišanje temperature lahko vodi do izhlapevanja, to je do plinastega stanja snovi. V naravi in ​​gospodarstvu 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 je, da se spremeni v led. Ko se temperatura dvigne, se nastali kristali uničijo – led se ponovno stopi tekoča voda. Pri segrevanju nastane izhlapevanje - pretvorba vode v plin - tudi pri nizkih temperaturah. Na primer, zamrznjene luže postopoma izginjajo, ker voda izhlapeva. Tudi v mrazu se mokro perilo suši, vendar ta proces traja dlje kot na vroč dan.

Vsi našteti prehodi vode iz enega agregatnega stanja v drugo so velikega pomena 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 tvorijo osnovo svetovnega vodnega kroga v naravi.

Kako se spreminjajo agregatna stanja žvepla?

V normalnih pogojih je žveplo svetli sijoči kristali ali svetlo rumen prah, to je trdna snov. Agregatno stanje žvepla se spremeni pri segrevanju. Prvič, ko se temperatura dvigne na 190 °C, se rumena snov stopi in se spremeni v gibljivo tekočino.

Če na hitro nalijete tekoče žveplo v hladna voda, potem dobimo rjavo amorfno maso. Z nadaljnjim segrevanjem žveplove taline postaja vse bolj viskozna in potemni. Pri temperaturah nad 300 °C se agregatno stanje žvepla ponovno spremeni, snov dobi lastnosti tekočine in postane gibljiva. Ti prehodi nastanejo zaradi sposobnosti atomov elementa, da tvorijo verige različnih dolžin.

Zakaj so lahko snovi v različnih agregatnih stanjih?

Agregatno stanje žvepla, enostavne snovi, je v običajnih pogojih trdno. Žveplov dioksid je plin, žveplova kislina je oljnata tekočina, težja od vode. Za razliko od soli in dušikove kisline ni hlapen, molekule ne izhlapevajo z njegove površine. Kakšno agregatno stanje ima plastično žveplo, ki ga dobimo s segrevanjem kristalov?

V amorfni obliki ima snov strukturo tekočine z neznatno tekočnostjo. Toda plastično žveplo hkrati ohrani 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 drugega zunanje razmere.

Katere značilnosti obstajajo v strukturi trdnih snovi?

Obstoječe razlike med osnovnimi agregatnimi stanji snovi pojasnjujemo z interakcijo med atomi, ioni in molekulami. Na primer, zakaj trdno stanje snovi vodi do sposobnosti teles, da ohranijo prostornino in obliko? V kristalni mreži kovine ali soli se strukturni delci med seboj privlačijo. V kovinah pozitivno nabiti ioni medsebojno delujejo s tako imenovanim »elektronskim plinom«, zbirko prostih elektronov v kosu kovine. 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 elektrostatična privlačnost, ki daje moč, vendar odbojnost ni dovolj močna.

Da bi uničili trdno agregatno stanje snovi, se je treba potruditi. Kovine, soli in atomski kristali se topijo pri zelo visokih temperaturah. Na primer, železo postane tekoče pri temperaturah nad 1538 °C. Volfram je ognjevzdržen in se uporablja za izdelavo žarilnih nitk za žarnice. Obstajajo zlitine, ki postanejo tekoče pri temperaturah nad 3000 °C. Mnogi na Zemlji so v trdnem stanju. Te surovine se pridobivajo s tehnologijo v rudnikih in kamnolomih.

Da iz kristala ločimo že en ion, je treba porabiti veliko energije. Toda dovolj je, da sol raztopite v vodi, da kristalna mreža razpade! Ta pojav pojasnjujejo neverjetne lastnosti vode kot polarnega topila. Molekule H 2 O medsebojno delujejo z ioni soli in uničijo kemično vez med njimi. Pri raztapljanju torej ne gre za preprosto mešanje različnih snovi, temveč za fizikalno-kemijsko interakcijo med njimi.

Kako medsebojno delujejo molekule tekočine?

Voda je lahko tekočina, trdna snov in plin (para). To so njegova osnovna agregatna stanja v normalnih pogojih. Molekule vode so sestavljene iz enega atoma kisika, na katerega sta vezana dva atoma vodika. Pride do polarizacije kemijske vezi v molekuli in na atomih kisika se pojavi delni negativni naboj. Vodik postane pozitivni pol v molekuli, ki ga privlači kisikov atom druge molekule. To se imenuje "vodikova vez".

Za tekoče agregatno stanje so značilne razdalje med strukturnimi delci, primerljive z njihovo velikostjo. Privlačnost obstaja, vendar je šibka, zato voda ne obdrži svoje oblike. Do uparjanja pride zaradi uničenja vezi, ki nastane na površini tekočine tudi pri sobna temperatura.

Ali v plinih obstajajo medmolekularne interakcije?

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

Mnoge tekočine so hlapne; molekule snovi se odcepijo od njihove površine in gredo v zrak. Na primer, če k odprtini odprte steklenice s klorovodikovo kislino prinesete vato, namočeno v solno kislino, amoniak, nato se pojavi bel dim. Kemična reakcija med klorovodikovo kislino in amoniakom poteka kar v zraku, pri čemer nastane amonijev klorid. V kakšnem agregatnem stanju je ta snov? Njeni delci, ki tvorijo bel dim, so drobni trdni kristali soli. Ta poskus je treba izvesti pod pokrovom; snovi so strupene.

Zaključek

Agregatno stanje plina so preučevali mnogi izjemni fiziki in kemiki: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendeleev, Le Chatelier. Znanstveniki so oblikovali zakone, ki pojasnjujejo obnašanje plinastih snovi v kemičnih reakcijah, ko se spremenijo zunanji pogoji. Odprti vzorci niso bili vključeni le v šolske in univerzitetne učbenike fizike in kemije. Številne kemične industrije temeljijo na znanju o obnašanju in lastnostih snovi v različnih agregatnih stanjih.

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 Ta mreža vsebuje 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 - nepodobnost fizične lastnosti kristal 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 medsebojna privlačnost, ki določa naravo molekularnega gibanja. Toplotno gibanje molekule tekočine vključuje vibracijsko in translacijsko. Vsaka molekula nekaj časa niha okoli določene ravnotežne točke, nato pa se premakne in ponovno 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 visoki pritiski in nizke temperature ne upoštevajo enačbe stanja idealen plin(Mendeleev-Clapeyronova enačba), saj se pod temi pogoji začnejo pojavljati interakcijske sile med molekulami.

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 nizki pritiski in nizke temperature veljajo za idealne, molekule v njih ustrezajo materialnim točkam, ki lahko trčijo le v skladu z zakoni 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 je lahko različne vrste interakcije.

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 kvantno-mehanska interakcija, ki je odvisna od razdalje in medsebojne orientacije molekul, pri razdaljah med molekulami več kot 10 -9 m zanemarljiva ali pa se lahko domneva, da je 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 gibljejo z določeno rezervo kinetične energije.

hej Naj bo ena molekula nepremična, druga pa trči vanjo, ki ima takšno zalogo energije. Ko se molekule približujejo druga drugi, privlačne sile opravijo pozitivno delo 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 medsebojno enakih razdaljah je potencialna energija interakcije neskončna velik pomen ali »pregrada«, 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 velikosti (2 -5) 10 -10 m. Tudi njuni gostoti sta približno enaki. 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 kristalinična 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.

Ja, zrna namizna sol Izgledajo 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 atomi (ioni) v kristalih so enaki 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 se 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.

Pri distribuciji električni naboj spremembe nevtralnih atomov, 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 sta tudi povezana atomske vezi, vendar tvorijo ravnine šesterokotnih celic satja, ki se lahko strižejo. 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 bil razcvet raziskovalno delo ki jih povzroči sporočilo o prejemu 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 najstabilnejši 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 ogljikovi atomi 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 pomembno 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 kemični elementi so sestavljeni iz kovin. V kovinah (razen živega srebra) 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 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, bo tekočina med vrenjem zavrela, temperatura pa ostane 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 dobijo zaradi oprijema 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 dvigne tanke cevi, ki se imenuje kapilara, in se dvigne višje, čim tanjša je cev. 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 kako film ščiti vodo, je to 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 čista voda Samo zvila bi se 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. V zvezdah je ionizacija povzročena s toploto, v redkih meglicah in medzvezdnem plinu - ultravijolično sevanje zvezde Tudi naše Sonce je sestavljeno iz plazme; njeno sevanje ionizira zgornje plasti zemeljske atmosfere, imenovane ionosfera, od njegovega stanja je odvisna možnost radijske komunikacije na dolge razdalje. V zemeljskih razmerah je plazma redka - v svetilkah dnevna svetloba 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 zunanja polja in ni zaprt znotraj plazme, je polariziran. Plazma uboga plinski zakoni, ko pa se uporabi magnetno polje, ki uravnava gibanje nabitih delcev, pokaže lastnosti, ki so povsem nenavadne za plin. 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 hladna plazma površine Sonca (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 zamisli so bile uporabljene tudi za reševanje problemov zadrževanja plazme z magnetnim poljem v posebne naprave- tokamak (iz okrajšave besed: toroidna komora, magnet). S popolnoma ionizirano plazmo v teh in drugih sistemih se upa, da bo na Zemlji prišlo do nadzorovane termonuklearne reakcije. To bi zagotovilo čist in poceni vir energije ( morska voda). Potekajo tudi dela za proizvodnjo in zadrževanje plazme z uporabo fokusiranega laserskega sevanja.