Agregasyonun durumunun ne olduğu, katıların, sıvıların ve gazların hangi özellik ve özellikleriyle ilgili sorular çeşitli eğitim kurslarında ele alınmaktadır. Maddenin kendine has yapısal özellikleri olan üç klasik hali vardır. Bunları anlamak, Dünya, canlı organizmalar ve endüstriyel faaliyetler hakkındaki bilimleri anlamada önemli bir noktadır. Bu sorular fizik, kimya, coğrafya, jeoloji, fizikokimya ve diğer bilimsel disiplinler tarafından incelenir. Üç temel hal türünden birinde belirli koşullar altında bulunan maddeler, sıcaklık ve basınçtaki artış veya azalma ile değişebilir. Doğada, teknolojide ve günlük yaşamda meydana geldikleri gibi, bir kümelenme durumundan diğerine olası geçişleri ele alalım.

Toplu durum nedir?

Latince kökenli "aggrego" kelimesi Rusça'ya çevrildiğinde "eklemek" anlamına gelir. Bilimsel terim, bir ve aynı cismin, maddenin durumunu ifade eder. Katıların, gazların ve sıvıların belirli sıcaklık değerlerinde ve farklı basınçlarda bulunması, Dünya'nın tüm kabuklarının özelliğidir. Üç temel toplu duruma ek olarak, dördüncüsü de vardır. Yüksek sıcaklıklarda ve sabit basınçta gaz plazmaya dönüşür. Agrega halinin ne olduğunu daha iyi anlamak için maddeleri ve cisimleri oluşturan en küçük parçacıkları hatırlamak gerekir.

Yukarıdaki şema şunları göstermektedir: a - gaz; b - sıvı; c - katı. Bu tür şekillerde daireler, maddelerin yapısal unsurlarını gösterir. Bu geleneksel bir tanımdır, aslında atomlar, moleküller, iyonlar katı toplar değildir. Atomlar, etrafında negatif yüklü elektronların yüksek hızda hareket ettiği pozitif yüklü bir çekirdekten oluşur. Maddenin mikroskobik yapısı hakkında bilgi, farklı toplu formlar arasında var olan farklılıkları daha iyi anlamaya yardımcı olur.

Mikrokozmos kavramları: Antik Yunanistan'dan 17. yüzyıla

Fiziksel bedenleri oluşturan parçacıklarla ilgili ilk bilgiler Antik Yunan'da ortaya çıktı. Düşünürler Democritus ve Epicurus, atom gibi bir kavram ortaya attılar. Farklı maddelerin bu en küçük bölünmez parçacıklarının bir şekle, belirli bir boyuta sahip olduğuna, hareket edebildiğine ve birbirleriyle etkileşime girebildiğine inanıyorlardı. Atomistik, Antik Yunan'ın zamanına göre en gelişmiş doktrini haline geldi. Ancak Orta Çağ'da gelişimi yavaşladı. O zamandan beri bilim adamları, Roma Katolik Kilisesi Engizisyonu tarafından zulüm gördüler. Bu nedenle, modern zamanlara kadar maddenin toplam durumunun ne olduğu konusunda net bir kavram yoktu. Ancak 17. yüzyıldan sonra bilim adamları R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier, bugün önemini kaybetmeyen atom-molekül teorisinin hükümlerini formüle ettiler.

Atomlar, moleküller, iyonlar - maddenin yapısının mikroskobik parçacıkları

Mikro dünyayı anlamada önemli bir atılım, elektron mikroskobunun icat edildiği 20. yüzyılda gerçekleşti. Bilim adamlarının daha önce yaptığı keşifleri dikkate alarak, mikro dünyanın uyumlu bir resmini bir araya getirmek mümkün oldu. Maddenin en küçük parçacıklarının durumunu ve davranışını açıklayan teoriler oldukça karmaşıktır, alana aittirler.Maddenin farklı toplu hallerinin özelliklerini anlamak için, farklı oluşturan ana yapısal parçacıkların adlarını ve özelliklerini bilmek yeterlidir. maddeler.

1. Atomlar kimyasal olarak bölünmez parçacıklardır. Kimyasal reaksiyonlarda korunurlar, ancak nükleer olanlarda yok edilirler. Metaller ve atomik yapıya sahip diğer birçok madde, normal koşullar altında katı bir kümelenme durumuna sahiptir.
2. Moleküller, kimyasal reaksiyonlarda parçalanan ve oluşan parçacıklardır. oksijen, su, karbondioksit, kükürt. Normal koşullar altında oksijen, azot, kükürt dioksit, karbon, oksijenin toplam hali gaz halindedir.
3. İyonlar, atomların ve moleküllerin elektron eklediklerinde veya kaybettiklerinde dönüştüğü yüklü parçacıklardır - mikroskobik negatif yüklü parçacıklar. Birçok tuz, örneğin sodyum klorür, demir ve bakır sülfat gibi iyonik bir yapıya sahiptir.

Parçacıkları uzayda belirli bir şekilde bulunan maddeler vardır. Atomların, iyonların, moleküllerin sıralı karşılıklı pozisyonuna kristal kafes denir. Genellikle iyonik ve atomik kristal kafesler katıların, moleküler - sıvılar ve gazların karakteristiğidir. Elmas, yüksek sertliği ile ayırt edilir. Atomik kristal kafesi karbon atomlarından oluşur. Ancak yumuşak grafit de bu kimyasal elementin atomlarından oluşur. Sadece uzayda farklı bir şekilde bulunurlar. Sülfürün olağan agregasyon durumu katıdır, ancak yüksek sıcaklıklarda madde sıvı ve amorf bir kütleye dönüşür.

Katı halde agregasyon halindeki maddeler

Katılar, normal koşullar altında hacimlerini ve şekillerini korurlar. Örneğin, bir kum tanesi, bir şeker tanesi, bir tuz, bir parça kaya veya metal. Şeker ısıtılırsa, madde erimeye başlar ve viskoz kahverengi bir sıvıya dönüşür. Isıtmayı durdurun - tekrar katı alıyoruz. Bu, bir katının sıvıya geçişinin ana koşullarından birinin ısınması veya maddenin parçacıklarının iç enerjisinde bir artış olduğu anlamına gelir. Yemek için kullanılan tuzun katı haldeki topaklanma durumu da değiştirilebilir. Ancak sofra tuzunu eritmek için şekeri ısıtmaktan daha yüksek bir sıcaklığa ihtiyacınız vardır. Gerçek şu ki, şeker moleküllerden oluşur ve sofra tuzu, birbirlerine daha güçlü bir şekilde çekilen yüklü iyonlardan oluşur. Sıvı haldeki katılar, kristal kafesler bozulduğu için şekillerini korumazlar.

Erime sırasında tuzun sıvı halde toplanması, kristallerdeki iyonlar arasındaki bağın kopmasıyla açıklanır. Elektrik yükleri taşıyabilen yüklü parçacıklar serbest bırakılır. Tuz eriyikleri elektriği iletir ve iletkendir. Kimya, metalurji ve makine mühendisliği endüstrilerinde katılar, onlardan yeni bileşikler elde etmek veya onlara farklı şekiller vermek için sıvı maddelere dönüştürülür. Metal alaşımları yaygın olarak kullanılmaktadır. Katı hammaddelerin toplanma durumundaki değişikliklerle ilişkili olarak bunları elde etmenin birkaç yolu vardır.

Sıvı, kümelenmenin temel hallerinden biridir.

50 ml suyu yuvarlak tabanlı bir şişeye döktüğünüzde maddenin hemen kimyasal kap şeklini aldığını fark edeceksiniz. Ama suyu şişeden döktüğümüz anda sıvı hemen masanın yüzeyine yayılacaktır. Su hacmi aynı kalacak - 50 ml ve şekli değişecek. Listelenen özellikler, maddenin varlığının sıvı formunun karakteristiğidir. Birçok organik madde sıvıdır: alkoller, bitkisel yağlar, asitler.

Süt bir emülsiyondur, yani yağ damlacıkları içeren bir sıvıdır. Yararlı bir sıvı fosil petroldür. Karada ve okyanusta sondaj kuleleri kullanılarak kuyulardan çıkarılır. Deniz suyu da sanayi için bir hammaddedir. Nehirlerin ve göllerin tatlı sularından farkı, başta tuzlar olmak üzere çözünmüş maddelerin içeriğinde yatmaktadır. Su kütlelerinin yüzeyinden buharlaşırken, sadece H2O molekülleri buhar durumuna geçer, çözünen maddeler kalır. Deniz suyundan faydalı maddeler elde etme yöntemleri ve saflaştırma yöntemleri bu özelliğe dayanmaktadır.

Tuzların tamamen uzaklaştırılmasıyla damıtılmış su elde edilir. 100°C'de kaynar, 0°C'de donar. Tuzlu sular kaynar ve diğer sıcaklıklarda buza dönüşür. Örneğin, Arktik Okyanusu'ndaki su 2 ° C'lik bir yüzey sıcaklığında donar.

Normal koşullar altında cıvanın fiziksel hali sıvıdır. Bu gümüş grisi metal, tıbbi termometrelerde yaygın olarak kullanılır. Isıtıldığında, cıva sütunu ölçekte yükselir, madde genişler. Alkol neden cıva değil de kırmızı boya ile renklendirilir? Bu, sıvı metalin özellikleri ile açıklanmaktadır. 30 derecelik donlarda cıvanın kümelenme durumu değişir, madde katı hale gelir.

Tıbbi termometre kırılırsa ve cıva dökülürse, gümüş topları elinizle almak tehlikelidir. Cıva buharını solumak zararlıdır, bu madde çok zehirlidir. Bu gibi durumlarda çocuklar ebeveynlerinden ve yetişkinlerden yardım almalıdır.

gaz hali

Gazlar ne hacimlerini ne de şekillerini koruyamazlar. Şişeyi en üste oksijenle dolduralım (kimyasal formülü O 2'dir). Şişeyi açar açmaz maddenin molekülleri odadaki hava ile karışmaya başlar. Bunun nedeni Brownian hareketidir. Antik Yunan bilim adamı Democritus bile madde parçacıklarının sürekli hareket halinde olduğuna inanıyordu. Katılarda normal şartlar altında atomlar, moleküller, iyonlar kristal kafesten ayrılamazlar, kendilerini diğer parçacıklarla bağlarından kurtaramazlar. Bu, ancak dışarıdan büyük miktarda enerji sağlandığında mümkündür.

Sıvılarda, parçacıklar arasındaki mesafe katılara göre biraz daha büyüktür, moleküller arası bağları kırmak için daha az enerji gerektirirler. Örneğin, oksijenin toplanmasının sıvı hali, yalnızca gaz sıcaklığı -183 ° C'ye düştüğünde gözlenir. -223 °C'de O2 molekülleri bir katı oluşturur. Sıcaklık bu değerlerin üzerine çıktığında oksijen gaza dönüşür. Normal şartlar altında bu formdadır. Sanayi işletmelerinde atmosferik havayı ayırmak ve ondan azot ve oksijen elde etmek için özel tesisler vardır. Önce hava soğutulur ve sıvılaştırılır ve ardından sıcaklık kademeli olarak yükseltilir. Azot ve oksijen, farklı koşullar altında gazlara dönüştürülür.

Dünya atmosferi hacimce %21 oksijen ve %78 azot içerir. Sıvı halde, bu maddeler gezegenin gaz zarfında oluşmaz. Sıvı oksijen açık mavi bir renge sahiptir ve tıbbi kurumlarda kullanılmak üzere yüksek basınçlı tüplerde kullanılır. Endüstride ve inşaatta birçok işlem için sıvılaştırılmış gazlar gereklidir. Oksijen, gaz kaynağı ve metallerin kesilmesi için, kimyada - inorganik ve organik maddelerin oksidasyon reaksiyonları için gereklidir. Oksijen tüpünün valfini açarsanız basınç düşer, sıvı gaza dönüşür.

Sıvılaştırılmış propan, metan ve bütan, nüfusun enerji, ulaşım, sanayi ve ev faaliyetlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu maddeler, doğal gazdan veya petrol hammaddesinin parçalanması (bölünmesi) ile elde edilir. Karbon sıvı ve gaz karışımları birçok ülkenin ekonomisinde önemli bir rol oynamaktadır. Ancak petrol ve doğal gaz rezervleri ciddi şekilde tükendi. Bilim adamlarına göre bu hammadde 100-120 yıl dayanacak. Alternatif bir enerji kaynağı hava akımıdır (rüzgar). Enerji santrallerinin işletilmesi için hızlı akan nehirler, denizlerin ve okyanusların kıyılarındaki gelgitler kullanılır.

Oksijen, diğer gazlar gibi, bir plazmayı temsil eden dördüncü kümelenme durumunda olabilir. Alışılmadık bir katıdan gaza geçiş, kristal iyotun karakteristik bir özelliğidir. Koyu mor renkli bir madde süblimasyona uğrar - sıvı halini atlayarak gaza dönüşür.

Bir toplu madde biçiminden diğerine geçişler nasıl gerçekleştirilir?

Maddelerin kümelenme durumundaki değişiklikler kimyasal dönüşümlerle ilişkili değildir, bunlar fiziksel olaylardır. Sıcaklık yükseldiğinde birçok katı erir ve sıvı hale gelir. Sıcaklığın daha da artması buharlaşmaya, yani maddenin gaz halinde olmasına yol açabilir. Doğada ve ekonomide, bu tür geçişler, Dünya'daki ana maddelerden biri için tipiktir. Buz, sıvı, buhar suyun farklı dış koşullardaki halleridir. Bileşik aynıdır, formülü H 2 O'dur. 0°C ve bu değerin altında su kristalleşir yani buza dönüşür. Sıcaklık yükseldiğinde oluşan kristaller yok olur - buz erir ve tekrar sıvı su elde edilir. Isıtıldığında buharlaşma oluşur - suyun gaza dönüşümü - düşük sıcaklıklarda bile gerçekleşir. Örneğin, su buharlaştıkça donmuş su birikintileri yavaş yavaş kaybolur. Soğuk havalarda bile ıslak çamaşırlar kurur, ancak bu işlem yalnızca sıcak bir güne göre daha uzun sürer.

Suyun bir durumdan diğerine listelenen tüm geçişleri, Dünya'nın doğası için büyük önem taşımaktadır. Atmosferik olaylar, iklim ve hava durumu, Dünya Okyanusunun yüzeyinden suyun buharlaşması, nemin bulutlar ve sis şeklinde karaya aktarılması ve yağış (yağmur, kar, dolu) ile ilişkilidir. Bu fenomenler, doğadaki Dünya su döngüsünün temelini oluşturur.

Kükürtün toplam halleri nasıl değişir?

Normal şartlar altında kükürt, parlak, parlak kristaller veya açık sarı bir tozdur, yani katıdır. Kükürtün toplam durumu ısıtıldığında değişir. İlk olarak, sıcaklık 190 ° C'ye yükseldiğinde, sarı madde erir ve hareketli bir sıvıya dönüşür.

Soğuk suya hızla sıvı kükürt dökerseniz, kahverengi amorf bir kütle elde edersiniz. Kükürt eriyiğinin daha fazla ısıtılmasıyla giderek daha viskoz hale gelir ve kararır. 300 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, kükürtün kümelenme durumu tekrar değişir, madde bir sıvının özelliklerini kazanır, hareketli hale gelir. Bu geçişler, elementin atomlarının farklı uzunluklarda zincirler oluşturma yeteneğinden kaynaklanmaktadır.

Maddeler neden farklı fiziksel hallerde olabilir?

Basit bir madde olan kükürtün toplam hali, normal şartlar altında katıdır. Kükürt dioksit bir gazdır, sülfürik asit sudan ağır yağlı bir sıvıdır. Hidroklorik ve nitrik asitlerin aksine uçucu değildir; moleküller yüzeyinden buharlaşmaz. Kristallerin ısıtılmasıyla elde edilen plastik kükürtün kümelenme durumu nedir?

Amorf bir formda, madde az akışkanlığa sahip sıvı bir yapıya sahiptir. Ancak plastik kükürt aynı anda şeklini korur (bir katı gibi). Katıların bir takım karakteristik özelliklerine sahip sıvı kristaller vardır. Bu nedenle, maddenin farklı koşullardaki durumu, doğasına, sıcaklığına, basıncına ve diğer dış koşullara bağlıdır.

Katıların yapısındaki özellikler nelerdir?

Maddenin temel kümelenme durumları arasındaki mevcut farklılıklar, atomlar, iyonlar ve moleküller arasındaki etkileşim ile açıklanır. Örneğin, maddenin katı halde toplanması neden cisimlerin hacmini ve şeklini koruma yeteneğine yol açar? Bir metalin veya tuzun kristal kafesinde, yapısal parçacıklar birbirine çekilir. Metallerde, pozitif yüklü iyonlar, bir metal parçasında serbest elektronların birikmesi olan "elektron gazı" ile etkileşime girer. Tuz kristalleri, zıt yüklü parçacıkların - iyonların çekiciliği nedeniyle ortaya çıkar. Katıların yukarıdaki yapısal birimleri arasındaki mesafe, parçacıkların kendi boyutlarından çok daha küçüktür. Bu durumda elektrostatik çekim etki eder, güç verir ve itme yeterince güçlü değildir.

Maddenin katı kümelenme halini yok etmek için çaba sarf etmeniz gerekir. Metaller, tuzlar, atomik kristaller çok yüksek sıcaklıklarda erir. Örneğin demir, 1538 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda sıvı hale gelir. Tungsten refrakterdir ve ondan elektrik ampulleri için filamanlar yapılır. 3000 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda sıvı hale gelen alaşımlar vardır. Dünyadaki çoğu katıdır. Bu hammadde madenlerde ve taş ocaklarında teknolojinin yardımıyla çıkarılmaktadır.

Bir kristalden bir iyonu bile ayırmak için büyük miktarda enerji harcanması gerekir. Ancak kristal kafesin dağılması için tuzun suda çözülmesi yeterlidir! Bu fenomen, polar bir çözücü olarak suyun şaşırtıcı özelliklerinden kaynaklanmaktadır. H2O molekülleri, tuz iyonlarıyla etkileşerek aralarındaki kimyasal bağı koparır. Bu nedenle çözünme, farklı maddelerin basit bir karışımı değil, aralarında fizikokimyasal bir etkileşimdir.

Sıvı moleküller nasıl etkileşir?

Su sıvı, katı ve gaz (buhar) olabilir. Bunlar, normal koşullar altında temel kümelenme durumlarıdır. Su molekülleri, iki hidrojen atomunun bağlı olduğu bir oksijen atomundan oluşur. Moleküldeki kimyasal bağın polarizasyonu vardır, oksijen atomlarında kısmi bir negatif yük belirir. Hidrojen, bir molekülün pozitif kutbu haline gelir ve başka bir molekülün oksijen atomu tarafından çekilir. Buna "hidrojen bağı" denir.

Agregasyonun sıvı hali, boyutlarına kıyasla yapısal partiküller arasındaki mesafe ile karakterize edilir. Cazibe vardır, ancak zayıftır, bu nedenle su şeklini koruyamaz. Buharlaşma, oda sıcaklığında bile sıvının yüzeyinde oluşan bağların tahrip olması nedeniyle oluşur.

Gazlarda moleküller arası etkileşimler var mı?

Bir maddenin gaz halindeki durumu, bir dizi parametrede sıvı ve katıdan farklıdır. Gazların yapısal parçacıkları arasında, moleküllerin boyutunu çok aşan büyük boşluklar vardır. Bu durumda, çekim kuvvetleri hiç etki etmez. Gaz halinde bir kümelenme durumu, havada bulunan maddelerin özelliğidir: nitrojen, oksijen, karbon dioksit. Aşağıdaki resimde birinci küp gaz, ikincisi sıvı ve üçüncüsü katı ile doldurulmuştur.

Birçok sıvı uçucudur, bir maddenin molekülleri yüzeylerinden ayrılarak havaya geçer. Örneğin, amonyak batırılmış bir pamuklu çubuğu açık bir hidroklorik asit şişesinin ağzına getirirseniz beyaz duman çıkar. Hidroklorik asit ve amonyak arasında kimyasal bir reaksiyon havada gerçekleşir ve amonyum klorür elde edilir. Bu maddenin kümelenme durumu nedir? Beyaz duman oluşturan parçacıkları, küçük katı tuz kristalleridir. Bu deney bir başlık altında yapılmalıdır, maddeler zehirlidir.

Çözüm

Gazın toplam durumu birçok seçkin fizikçi ve kimyager tarafından incelenmiştir: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Cliperon, Mendeleev, Le Chatelier. Bilim adamları, dış koşullar değiştiğinde kimyasal reaksiyonlarda gaz halindeki maddelerin davranışını açıklayan yasalar formüle etmişlerdir. Açık düzenlilikler sadece okul ve üniversite fizik ve kimya ders kitaplarında yer almaz. Birçok kimya endüstrisi, farklı kümelenme durumlarındaki maddelerin davranışları ve özellikleri hakkındaki bilgilere dayanmaktadır.

Ders 4. Maddenin toplam halleri

1. Maddenin katı hali.

2. Maddenin sıvı hali.

3. Maddenin gaz hali.

Maddeler üç kümelenme halinde olabilir: katı, sıvı ve gaz. Çok yüksek sıcaklıklarda, bir tür gaz hali oluşur - plazma (plazma hali).

1. Maddenin katı hali, parçacıkların birbirleriyle etkileşim enerjisinin, hareketlerinin kinetik enerjisinden daha yüksek olması ile karakterize edilir. Katı haldeki maddelerin çoğu kristal bir yapıya sahiptir. Her madde belirli bir şekle sahip kristaller oluşturur. Örneğin, sodyum klorür küp şeklinde kristaller, oktahedronlar şeklinde şap, prizmalar şeklinde sodyum nitrat içerir.

Bir maddenin kristal formu en kararlı olanıdır. Bir katı içindeki parçacıkların düzenlenmesi, düğümlerinde belirli parçacıkların hayali çizgilerle bağlandığı bir kafes şeklinde tasvir edilmiştir. Dört ana kristal kafes türü vardır: atomik, moleküler, iyonik ve metalik.

atomik kristal kafes kovalent bağlarla (elmas, grafit, silikon) bağlanan nötr atomlardan oluşur. Moleküler kristal kafes naftalin, sakaroz, glikoz var. Bu kafesin yapısal elemanları polar ve polar olmayan moleküllerdir. iyonik kristal kafes uzayda düzenli olarak değişen pozitif ve negatif yüklü iyonlardan (sodyum klorür, potasyum klorür) oluşur. Tüm metallerin bir metal kristal kafesi vardır. Düğümlerinde, aralarında serbest durumda elektronların bulunduğu pozitif yüklü iyonlar vardır.

Kristalli maddelerin bir takım özellikleri vardır. Bunlardan biri anizotropidir - ϶ᴛᴏ kristalin fiziksel özelliklerinin kristal içinde farklı yönlerde farklılığı.

2. Bir maddenin sıvı halinde, parçacıkların moleküller arası etkileşiminin enerjisi, hareketlerinin kinetik enerjisiyle orantılıdır. Bu durum gaz ve kristal arasında orta düzeydedir. Gazlardan farklı olarak, moleküler hareketin doğasını belirleyen sıvı moleküller arasında büyük karşılıklı çekim kuvvetleri hareket eder. Bir sıvı molekülün termal hareketi, salınım ve öteleme içerir. Her molekül belirli bir denge noktası etrafında bir süre titreşir ve sonra hareket eder ve tekrar bir denge pozisyonu alır. Bu onun akışkanlığını belirler. Moleküller arası çekim kuvvetleri, moleküllerin hareketleri sırasında birbirlerinden uzaklaşmalarını engeller.

Sıvıların özellikleri ayrıca moleküllerin hacmine, yüzeylerinin şekline de bağlıdır. Sıvının molekülleri polar ise, o zaman karmaşık bir kompleks halinde birleştirilirler (birleşim). Bu tür sıvılara ilişkili (su, aseton, alkol) denir. Οʜᴎ daha yüksek t balyaya sahiptir, daha az uçuculuğa sahiptir, daha yüksek dielektrik sabitine sahiptir.

Bildiğiniz gibi sıvıların yüzey gerilimi vardır. Yüzey gerilimi- ϶ᴛᴏ birim yüzey başına yüzey enerjisi: ϭ = E / S, burada ϭ - yüzey gerilimi; E - yüzey enerjisi; S yüzey alanıdır. Bir sıvıdaki moleküller arası bağlar ne kadar güçlüyse, yüzey gerilimi o kadar büyük olur. Yüzey gerilimini azaltan maddelere yüzey aktif maddeler denir.

Sıvıların bir diğer özelliği viskozitedir. Viskozite - ϶ᴛᴏ hareketi sırasında bazı sıvı katmanlarının diğerlerine göre hareketinden kaynaklanan direnç. Bazı sıvıların viskozitesi yüksek (bal, düşük), bazıları ise düşüktür (su, etil alkol).

3. Maddenin gaz halinde, parçacıkların moleküller arası etkileşiminin enerjisi, kinetik enerjilerinden daha azdır. Bu nedenle gaz molekülleri bir arada tutulmazlar, hacim içinde serbestçe hareket ederler. Gazlar aşağıdaki özelliklerle karakterize edilir: 1) bulundukları kabın tüm hacmi üzerinde eşit dağılım; 2) sıvılara ve katılara kıyasla düşük yoğunluk; 3) kolay sıkıştırılabilirlik.

Bir gazda moleküller birbirinden çok uzaktadır, aralarındaki çekim kuvvetleri küçüktür. Moleküller arasındaki büyük mesafelerde bu kuvvetler pratikte yoktur. Bu durumdaki gaza genellikle ideal denir. Yüksek basınçlarda ve düşük sıcaklıklarda gerçek gazlar, ideal gazın durum denklemine (Mendeleev-Clapeyron denklemi) uymaz, çünkü bu koşullar altında moleküller arasındaki etkileşim kuvvetleri kendini göstermeye başlar.

Tüm maddeler farklı kümelenme durumlarında olabilir - katı, sıvı, gaz ve plazma. Eski zamanlarda inanılıyordu: dünya toprak, su, hava ve ateşten oluşuyordu. Maddelerin toplu halleri bu görsel bölünmeye karşılık gelir. Deneyimler, kümelenme durumları arasındaki sınırların oldukça keyfi olduğunu göstermektedir. Düşük basınçlarda ve düşük sıcaklıklarda gazlar ideal kabul edilir, içlerindeki moleküller, yalnızca elastik etki yasalarına göre çarpışabilen malzeme noktalarına karşılık gelir. Çarpma anında moleküller arasındaki etkileşim kuvvetleri ihmal edilebilir, çarpışmalar mekanik enerji kaybı olmadan gerçekleşir. Ancak moleküller arasındaki mesafenin artmasıyla moleküllerin etkileşimi de dikkate alınmalıdır. Bu etkileşimler gaz halinden sıvı veya katı hale geçiş sırasında ortaya çıkmaya başlar. Moleküller arasında çeşitli etkileşimler meydana gelebilir.

Moleküller arası etkileşim kuvvetleri, atomların kimyasal etkileşim kuvvetlerinden farklı olarak, moleküllerin oluşumuna yol açan doygunluğa sahip değildir. Yüklü parçacıklar etkileşime girdiğinde elektrostatik olabilirler. Deneyimler, moleküllerin uzaklığına ve karşılıklı yönelimine bağlı olan kuantum-mekanik etkileşimin, moleküller arasındaki 10-9 m'den daha uzak mesafelerde ihmal edilebilir olduğunu göstermiştir.Nadir gazlarda, ihmal edilebilir veya varsayılabilir. potansiyel etkileşim enerjisi pratikte sıfırdır. Küçük mesafelerde, bu enerji küçüktür, karşılıklı çekim kuvvetlerinde

at - karşılıklı itme ve için

Moleküllerin çekimi ve itilmesi dengelenir ve F = 0. Burada kuvvetler, potansiyel enerjiyle olan bağlantıları tarafından belirlenir. Ancak parçacıklar, belirli bir miktarda kinetik enerjiye sahip olarak hareket eder.

gii. Bir molekül hareketsiz kalsın, diğeri ise böyle bir enerji deposuna sahip olarak onunla çarpışsın. Moleküller birbirine yaklaştığında, çekim kuvvetleri pozitif iş yapar ve etkileşimlerinin potansiyel enerjisi bir mesafeye düşer, bu durumda kinetik enerji (ve hız) artar. Mesafe çekim kuvvetlerinden daha az olduğunda, yerini itme kuvvetleri alacaktır. Molekülün bu kuvvetlere karşı yaptığı iş negatiftir.

Bir molekül, hareketsiz bir moleküle, kinetik enerjisi tamamen potansiyel enerjiye dönüşene kadar yaklaşacaktır. Minimum mesafe NS, Moleküllerin yaklaşabileceği yere denir. molekülün etkin çapı. Durduktan sonra, molekül artan bir hızla itici kuvvetlerin etkisi altında uzaklaşmaya başlayacaktır. Mesafeyi tekrar geçtikten sonra, molekül, çıkarılmasını yavaşlatacak olan çekici kuvvetler bölgesine düşecektir. Etkili çap, kinetik enerjinin başlangıç ​​stoğuna bağlıdır, yani. bu miktar sabit değildir. Etkileşimin potansiyel enerjisine eşit mesafelerde, sonsuz büyüklükte bir değere veya molekül merkezlerinin daha küçük bir mesafeden yaklaşmasını engelleyen "bariyer" vardır. Ortalama potansiyel etkileşim enerjisinin ortalama kinetik enerjiye oranı maddenin toplam durumunu belirler: gazlar için sıvılar için, katılar için

Yoğunlaştırılmış ortam sıvılar ve katılardır. İçlerinde atomlar ve moleküller yakın, neredeyse birbirine değiyor. Sıvılarda ve katılarda moleküllerin merkezleri arasındaki ortalama mesafe (2 -5) 10 -10 m'dir.Yoğunlukları da yaklaşık olarak aynıdır. Atomlar arası mesafeler, elektron bulutlarının birbirine nüfuz ettiği mesafeleri aşıyor, böylece itici güçler ortaya çıkıyor. Karşılaştırma için, normal koşullar altında gazlarda moleküller arasındaki ortalama mesafe yaklaşık 33 10 -10 m'dir.

İÇİNDE sıvılar moleküller arası etkileşim daha güçlü bir etkiye sahiptir, moleküllerin termal hareketi, denge konumu çevresinde zayıf titreşimlerde kendini gösterir ve hatta bir konumdan diğerine atlar. Bu nedenle, parçacıkların dizilişinde yalnızca kısa menzilli bir düzene, yani yalnızca en yakın parçacıkların dizilişinde tutarlılığa ve karakteristik bir akışkanlığa sahiptirler.

Katı cisimler yapının sertliği ile karakterize edilir, sıcaklık ve basıncın etkisi altında çok daha az değişen, kesin olarak tanımlanmış bir hacme ve şekle sahiptir. Katılarda amorf ve kristal haller mümkündür. Ara maddeler de vardır - sıvı kristaller. Ancak katılardaki atomlar sanıldığı gibi hareketsiz değildir. Her biri, komşular arasında ortaya çıkan elastik kuvvetlerin etkisi altında sürekli dalgalanır. Çoğu element ve bileşik, mikroskop altında kristal bir yapı gösterir.

Böylece sofra tuzu taneleri mükemmel küpler gibi görünür. Kristallerde, atomlar kristal kafesin yerlerinde sabitlenmiştir ve sadece kafes bölgelerinin yakınında titreşebilirler. Kristaller gerçek katıları oluşturur ve plastik veya asfalt gibi katılar, katılar ve sıvılar arasında bir ara konum işgal eder. Bir sıvı gibi amorf bir cisim kısa menzilli bir düzene sahiptir, ancak sıçrama olasılığı küçüktür. Bu nedenle cam, viskozitesi arttırılmış aşırı soğutulmuş bir sıvı olarak düşünülebilir. Sıvı kristaller, sıvıların akışkanlığına sahiptir, ancak atomların diziliş sırasını korurlar ve anizotropiye sahiptirler.

Atomların (ve yaklaşık olarak) kristallerdeki kimyasal bağları, moleküllerdeki ile aynıdır. Katıların yapısı ve sertliği, gövdeyi oluşturan atomları birbirine bağlayan elektrostatik kuvvetlerdeki farkla belirlenir. Atomları moleküllere bağlayan mekanizma, makromoleküller olarak kabul edilebilecek katı periyodik yapıların oluşumuna yol açabilir. İyonik ve kovalent moleküller gibi iyonik ve kovalent kristaller vardır. Kristallerdeki iyonik kafesler iyonik bağlarla bir arada tutulur (bkz. Şekil 7.1). Sofra tuzunun yapısı, her sodyum iyonunun altı komşu - klor iyonu olacak şekildedir. Bu dağılım minimum enerjiye karşılık gelir, yani böyle bir konfigürasyon oluşturulduğunda maksimum enerji serbest bırakılır. Bu nedenle, sıcaklık erime noktasının altına düştüğünde saf kristaller oluşturma eğilimi vardır. Sıcaklıktaki bir artışla, termal kinetik enerji bağı kırmak için yeterlidir, kristal erimeye başlayacak ve yapı çökecektir. Kristal polimorfizmi, farklı kristal yapılara sahip durumlar oluşturma yeteneğidir.

Nötr atomlardaki elektrik yükünün dağılımı değiştiğinde, komşular arasında zayıf etkileşimler meydana gelebilir. Bu bağ moleküler veya van der Waals (hidrojen molekülünde olduğu gibi) olarak adlandırılır. Ancak nötr atomlar arasında da elektrostatik çekim kuvvetleri ortaya çıkabilir, o zaman atomların elektron kabuklarında yeniden düzenlemeler olmaz. Elektron kabukları birbirine yaklaştığında karşılıklı itme, negatif yüklerin ağırlık merkezini pozitif olanlara göre kaydırır. Atomların her biri diğerinde bir elektrik dipol indükler ve bu onların çekiciliğine yol açar. Bu, geniş bir etki yarıçapına sahip moleküller arası kuvvetlerin veya van der Waals kuvvetlerinin hareketidir.

Hidrojen atomu çok küçük olduğundan ve elektronu kolayca yer değiştirebildiğinden, genellikle aynı anda iki atoma çekilir ve bir hidrojen bağı oluşturur. Hidrojen bağı, su moleküllerinin birbirleriyle etkileşiminden de sorumludur. Su ve buzun benzersiz özelliklerinin birçoğunu açıklar (Şekil 7.4).

Kovalent bağ(veya atomik) nötr atomların iç etkileşimi nedeniyle elde edilir. Böyle bir bağın bir örneği, bir metan molekülündeki bir bağdır. Güçlü bir bağa sahip bir karbon türü elmastır (dört hidrojen atomunun yerini dört karbon atomu alır).

Böylece, kovalent bir bağ üzerine inşa edilen karbon, elmas şeklinde bir kristal oluşturur. Her atom, düzenli bir tetrahedron oluşturan dört atomla çevrilidir. Ancak bunların her biri aynı zamanda komşu tetrahedronun tepe noktasıdır. Diğer koşullar altında, aynı karbon atomları grafit. Grafitte de atomik bağlarla bağlanırlar, ancak kesme yeteneğine sahip altıgen petek hücrelerinin düzlemlerini oluştururlar. Altıgenlerin köşelerinde bulunan atomlar arasındaki mesafe 0.142 nm'dir. Katmanlar, 0.335 nm'lik bir mesafede bulunur, yani. zayıf bağlı, bu nedenle grafit plastik ve yumuşaktır (Şekil 7.5). 1990 yılında, yeni bir maddenin alındığının duyurulmasının neden olduğu araştırma çalışmalarında bir patlama oldu - fullerit, karbon moleküllerinden oluşan - fullerenler. Bu karbon formu molekülerdir, yani. minimum element bir atom değil, bir moleküldür. Adını, 1954'te bir yarım küre oluşturan altıgen ve beşgen yapılar inşa etmek için patent alan mimar R. Fuller'den almıştır. Molekül 60 1985 yılında 0.71 nm çapında karbon atomları keşfedildi, daha sonra moleküller keşfedildi vb. Hepsinin sabit yüzeyleri vardı,

ama en kararlı moleküller C 60 idi ve İLE BİRLİKTE 70 . Grafitin fullerenlerin sentezi için bir hammadde olarak kullanıldığını varsaymak mantıklıdır. Eğer öyleyse, altıgen parçanın yarıçapı 0.37 nm olmalıdır. Ancak 0.357 nm'ye eşit olduğu ortaya çıktı. Bu %2'lik fark, karbon atomlarının grafitten miras alınan 20 düzenli altıgenin ve 12 düzenli beş yüzlü, yani. tasarım bir futbol topunu andırıyor. Kapalı bir küreye "dikerken", bazı düz altıgenlerin beş yüzlülere dönüştüğü ortaya çıktı. Oda sıcaklığında, C60 molekülleri, her molekülün 0,3 nm aralıklı 12 komşuya sahip olduğu bir yapıya yoğunlaşır. NS T= 349 K, birinci dereceden bir faz geçişi meydana gelir - kafes kübik olana yeniden düzenlenir. Kristalin kendisi bir yarı iletkendir, ancak kristal bir C60 filmine bir alkali metal eklendiğinde, 19 K sıcaklıkta süper iletkenlik meydana gelir. Bu içi boş moleküle bir veya başka bir atom sokulursa, temel olarak kullanılabilir. ultra yüksek bilgi yoğunluğuna sahip bir depolama ortamı oluşturma: kayıt yoğunluğu 4-10 12 bit / cm2'ye ulaşacaktır. Karşılaştırma için, bir ferromanyetik malzemeden oluşan bir film, 107 bit / cm2 mertebesinde bir kayıt yoğunluğu ve optik diskler, yani. lazer teknolojisi, - 10 8 bit/cm 2. Bu karbon ayrıca tıp ve farmakolojide özellikle önemli olan başka benzersiz özelliklere de sahiptir.

Metal kristallerde kendini gösterir. metal bağı, metaldeki tüm atomlar "toplu kullanım için" değerlik elektronlarını verdiğinde. Atom çekirdeğine zayıf bir şekilde bağlıdırlar ve kristal kafes boyunca serbestçe hareket edebilirler. Kimyasal elementlerin yaklaşık 2/5'i metaldir. Metallerde (cıva hariç), metal atomlarının boş orbitalleri üst üste geldiğinde ve bir kristal kafes oluşumu nedeniyle elektronlar ayrıldığında bağ oluşur. Kafesin katyonlarının bir elektron gazıyla sarıldığı ortaya çıktı. Atomlar birbirlerine dış elektron bulutunun boyutlarından daha az bir mesafede yaklaştıklarında metalik bir bağ oluşur. Bu konfigürasyonla (Pauli prensibi), dış elektronların enerjisi artar ve komşuların çekirdekleri bu dış elektronları çekmeye başlar, elektron bulutlarını bulanıklaştırır, onları metal üzerinde eşit olarak dağıtır ve bir elektron gazına dönüştürür. İletim elektronları bu şekilde ortaya çıkar ve metallerin yüksek elektriksel iletkenliğini açıklar. İyonik ve kovalent kristallerde, dış elektronlar pratik olarak bağlıdır ve bu katıların iletkenliği çok küçüktür, buna denir. izolatörler.

Sıvıların iç enerjisi, zihinsel olarak bölünebildiği makroskopik alt sistemlerin iç enerjilerinin ve bu alt sistemlerin etkileşim enerjilerinin toplamı ile belirlenir. Etkileşim, 10 -9 m mertebesinde bir etki yarıçapına sahip moleküler kuvvetler aracılığıyla gerçekleştirilir Makrosistemler için, etkileşim enerjisi temas alanıyla orantılıdır, bu nedenle yüzey tabakasının kesri gibi küçüktür, ancak bu gerekli değil. Buna yüzey enerjisi denir ve yüzey gerilimi uygulamalarında dikkate alınmalıdır. Tipik olarak, sıvılar eşit ağırlıkta daha büyük bir hacmi kaplar, yani daha düşük yoğunluğa sahiptirler. Ama neden buz ve bizmutun hacimleri erime sırasında azalır ve hatta erime noktasından sonra bile bir süre bu eğilimi korur? Sıvı haldeki bu maddelerin daha yoğun olduğu ortaya çıktı.

Bir sıvıda, her atom komşuları tarafından etkilenir ve oluşturdukları anizotropik potansiyelin içinde titreşir. Katıdan farklı olarak, bu çukur sığdır, çünkü uzak komşuların neredeyse hiçbir etkisi yoktur. Bir sıvıdaki parçacıkların yakın çevresi değişir, yani sıvı akar. Belirli bir sıcaklığa ulaşıldığında sıvı kaynar; kaynama sırasında sıcaklık sabit kalır. Gelen enerji bağları kırmak için harcanır ve sıvı tamamen kırıldığında gaza dönüşür.

Sıvıların yoğunlukları, aynı basınç ve sıcaklıklarda gazlarınkinden çok daha yüksektir. Bu nedenle, kaynama sırasındaki suyun hacmi, aynı su buharı kütlesinin hacminin sadece 1/1600'ü kadardır. Sıvının hacmi basınca ve sıcaklığa çok az bağlıdır. Normal şartlar altında (20°C ve 1.013 10 5 Pa basınç) su 1 litre hacim kaplar. Sıcaklığın 10 ° C'ye düşmesiyle hacim sadece 0,0021 azalacak, basınç artışıyla iki katına çıkacak.

Hala bir sıvının basit bir ideal modeli olmamasına rağmen, mikro yapısı yeterince araştırılmıştır ve makroskopik özelliklerinin çoğunu niteliksel olarak açıklamayı mümkün kılmıştır. Sıvılarda moleküllerin kohezyonunun katıdan daha zayıf olduğu gerçeği Galileo tarafından fark edildi; büyük su damlalarının lahana yapraklarında birikip yaprağa yayılmamasına şaşırdı. Yağlı bir yüzeye dökülen cıva veya su damlacıkları, yapışma nedeniyle küçük toplar şeklini alır. Bir maddenin molekülleri başka bir maddenin molekülleri tarafından çekilirse, bundan bahsederler. ıslatma,örneğin, tutkal ve ahşap, yağ ve metal (muazzam basınca rağmen, yağ yataklarda tutulur). Ancak su, kılcal boru adı verilen ince borularda yükselir ve boru inceldikçe yükselir. Suyu ve camı ıslatmanın etkisi dışında başka bir açıklaması olamaz. Cam ve su arasındaki ıslatma kuvvetleri, su molekülleri arasındakinden daha büyüktür. Cıva ile etki tam tersidir: cıva ve camın ıslanması, cıva atomları arasındaki yapışma kuvvetlerinden daha zayıftır. Galileo, Arşimet yasasına aykırı olmasına rağmen, yağlanmış bir iğnenin suda kalabileceğini fark etti. İğne yüzdüğünde, yapabilirsiniz

ama sanki düzeltmeye çalışıyormuş gibi, suyun yüzeyinde hafif bir bükülme olduğunu fark edin. Su molekülleri arasındaki yapışma kuvvetleri, iğnenin suya düşmesini önlemek için yeterlidir. Yüzey tabakası suyu bir film gibi korur, bu yüzey gerilimi, Suya en küçük yüzey şeklini verme eğiliminde olan - küresel. Ancak iğne artık alkolün yüzeyinde yüzemez, çünkü suya alkol eklendiğinde yüzey gerilimi azalır ve iğne batar. Sabun ayrıca yüzey gerilimini azaltır, bu nedenle sıcak sabun köpüğü, nüfuz eden çatlaklar ve yarıklar, kiri, özellikle yağlı olanları daha iyi temizlerken temiz su sadece damlacıklar halinde kıvrılır.

Plazma, büyük mesafelerde etkileşime giren yüklü parçacıkların bir koleksiyonundan gelen bir gaz olan maddenin kümelenmesinin dördüncü halidir. Bu durumda, pozitif ve negatif yüklerin sayısı yaklaşık olarak eşittir, böylece plazma elektriksel olarak nötr olur. Dört elementten plazma ateşe karşılık gelir. Bir gazı plazma durumuna dönüştürmek için buna ihtiyacınız var. iyonize etmek, atomlardan elektron koparır. İyonizasyon, ısıtma, elektrik deşarjı veya sert radyasyon ile gerçekleştirilebilir. Evrendeki madde çoğunlukla iyonize haldedir. Yıldızlarda iyonizasyon, termal olarak, nadir bulunan bulutsularda ve yıldızlararası gazda - yıldızlardan gelen ultraviyole radyasyondan kaynaklanır. Güneşimiz ayrıca plazmadan oluşur, radyasyonu dünya atmosferinin üst katmanlarını iyonize eder. iyonosfer, uzun mesafeli radyo iletişimi olasılığı, durumuna bağlıdır. Karasal koşullarda, plazma nadiren bulunur - flüoresan lambalarda veya bir elektrik kaynağı arkında. Laboratuvarlarda ve teknolojide plazma en çok elektrik deşarjı ile elde edilir. Doğada, yıldırım bunu yapar. Bir deşarj ile iyonizasyon sırasında, bir zincir reaksiyonu sürecine benzer şekilde elektron çığları ortaya çıkar. Termonükleer enerji elde etmek için enjeksiyon yöntemi kullanılır: çok yüksek hızlara hızlandırılmış gaz iyonları manyetik tuzaklara enjekte edilir, elektronları çevreden çekerek bir plazma oluşturur. Basınç - şok dalgaları ile iyonizasyon da kullanılır. Bu iyonizasyon yöntemi, süper yoğun yıldızlarda ve muhtemelen Dünya'nın çekirdeğinde bulunur.

İyonlara ve elektronlara etki eden herhangi bir kuvvet elektrik akımına neden olur. Dış alanlarla ilişkili değilse ve plazma içinde kapalı değilse polarize olur. Plazma gaz yasalarına uyar, ancak yüklü parçacıkların hareketini düzenleyen bir manyetik alan uygulandığında, bir gaz için tamamen olağandışı özellikler sergiler. Güçlü bir manyetik alanda, parçacıklar kuvvet çizgileri etrafında dönmeye başlar ve manyetik alan boyunca serbestçe hareket ederler. Bu sarmal hareketin alan çizgilerinin yapısını değiştirdiği ve alanın plazmada "donduğu" söylenir. Daha ince bir plazma, bir partikül sistemi tarafından tanımlanır ve daha yoğun bir plazma, bir sıvı modeli ile tanımlanır.

Plazmanın yüksek elektriksel iletkenliği gazdan temel farkıdır. Güneş yüzeyinin soğuk plazmasının (0.8 10 -19 J) iletkenliği metallerin iletkenliğine ulaşır ve termonükleer bir sıcaklıkta (1.6 10 -15 J), hidrojen plazması normal koşullar altında bakırdan 20 kat daha iyi bir akım iletir. Plazma akımı iletebildiğinden, genellikle ona iletken bir sıvı modeli uygulanır. Sıkıştırılabilirliği onu sıradan bir sıvıdan ayırsa da sürekli bir ortam olarak kabul edilir, ancak bu fark yalnızca hızı ses hızından daha büyük olan akışlar için ortaya çıkar. İletken bir sıvının davranışı, adı verilen bir bilimde araştırılmaktadır. manyetohidrodinamik. Uzayda herhangi bir plazma ideal bir iletkendir ve donmuş alan yasaları yaygın olarak kullanılmaktadır. İletken bir sıvının modeli, bir manyetik alan tarafından plazma hapsinin mekanizmasını anlamamızı sağlar. Böylece, Dünya'nın atmosferini etkileyen Güneş'ten plazma akışları yayılır. Akışın kendisinin bir manyetik alanı yoktur, ancak donma yasasına göre yabancı bir alan onun içine giremez. Plazma güneş akımları, yabancı gezegenler arası manyetik alanları Güneş'in çevresinden uzaklaştırır. Alanın daha zayıf olduğu bir manyetik boşluk belirir. Bu korpüsküler plazma akımları Dünya'ya yaklaştıklarında, Dünya'nın manyetik alanıyla çarpışırlar ve aynı yasaya göre onun etrafında akmaya zorlanırlar. Manyetik alanın toplandığı ve plazma akışlarının nüfuz etmediği bir tür boşluk ortaya çıkıyor. Roketler ve uydular tarafından tespit edilen yüzeyinde yüklü parçacıklar birikir - bu, Dünya'nın dış radyasyon kuşağıdır. Bu fikirler ayrıca özel cihazlarda bir manyetik alan tarafından plazma hapsi problemlerinin çözümünde de kullanıldı - tokamaks (kelimelerin kısaltmasından: toroidal oda, mıknatıs). Bu ve diğer sistemlere hapsedilmiş tamamen iyonize plazma ile umutlar, Dünya'da kontrollü bir termonükleer reaksiyon elde etme üzerine sabitlenmiştir. Bu, temiz ve ucuz bir enerji kaynağı (deniz suyu) sağlayacaktır. Odaklanmış lazer radyasyonu kullanarak plazma elde etmek ve tutmak için çalışmalar devam etmektedir.