Stări agregate. Lichide. Faze în termodinamică. Tranziții de fază.
Cursul 1.16
Toate substanțele pot exista în trei stări de agregare - solid, lichidși gazos... Tranzițiile dintre ele sunt însoțite de o schimbare bruscă a unui număr de proprietăți fizice (densitate, conductivitate termică etc.).
Starea de agregare depinde de condițiile fizice în care se află substanța. Existența mai multor stări de agregare într-o substanță se datorează diferențelor în mișcarea termică a moleculelor (atomilor) acesteia și în interacțiunea acestora în diferite condiții.
Gaz- starea de agregare a materiei, în care particulele nu sunt legate sau foarte slab legate de forțele de interacțiune; energia cinetică a mișcării termice a particulelor sale (molecule, atomi) depășește semnificativ energia potențială a interacțiunilor dintre ele, prin urmare particulele se mișcă aproape liber, umplând complet vasul în care se află și iau forma. În stare gazoasă, o substanță nu are nici volum propriu, nici formă proprie. Orice substanță poate fi transformată în gaz prin schimbarea presiunii și temperaturii.
Lichid- starea de agregare a materiei, intermediara intre solid si gazos. Se caracterizează printr-o mobilitate mare a particulelor și un spațiu liber mic între ele. Aceasta duce la faptul că lichidele își păstrează volumul și iau forma unui vas. Într-un lichid, moleculele sunt foarte apropiate unele de altele. Prin urmare, densitatea lichidului este mult mai mare decât densitatea gazelor (la presiune normală). Proprietățile lichidului în toate direcțiile sunt aceleași (izotrope), cu excepția cristalelor lichide. La încălzire sau la o scădere a densității, proprietățile unui lichid, conductivitatea termică și vâscozitatea se modifică, de regulă, în direcția de apropiere a proprietăților gazelor.
Mișcarea termică a moleculelor lichide constă dintr-o combinație de mișcări vibraționale colective și salturi ocazionale ale moleculelor de la o poziție de echilibru la alta.
Corpuri solide (cristaline).- starea de agregare a materiei, caracterizată prin stabilitatea formei și a naturii mișcării termice a atomilor. Această mișcare este vibrațiile atomilor (sau ionilor) care alcătuiesc solid... Amplitudinea vibrației este de obicei mică în comparație cu distanțele interatomice.
Proprietățile lichidelor.
Moleculele unei substanțe în stare lichidă sunt situate aproape una de cealaltă. Spre deosebire de corpurile cristaline solide, în care moleculele formează structuri ordonate pe întregul volum al cristalului și pot efectua vibrații termice în jurul centrelor fixe, moleculele lichide au o mai mare libertate. Fiecare moleculă dintr-un lichid, precum și dintr-un solid, este „prinsă” pe toate părțile de moleculele învecinate și efectuează vibrații termice în jurul unei anumite poziții de echilibru. Cu toate acestea, din când în când, orice moleculă se poate muta într-un loc liber adiacent. Astfel de salturi de lichide apar destul de frecvent; prin urmare, moleculele nu sunt atașate de centri specifici, ca în cristale, și se pot deplasa în întregul volum al lichidului. Aceasta explică fluiditatea lichidelor. Datorită interacțiunii puternice dintre moleculele apropiate, acestea pot forma grupări ordonate locale (instabile) care conțin mai multe molecule. Acest fenomen se numește comanda scurta.
Datorită împachetării strânse a moleculelor, compresibilitatea lichidelor, adică modificarea volumului cu schimbarea presiunii, este foarte mică; este de zeci și sute de mii de ori mai puțin decât în gaze. De exemplu, pentru a schimba volumul de apă cu 1%, trebuie să creșteți presiunea de aproximativ 200 de ori. O astfel de creștere a presiunii în comparație cu presiunea atmosferică se realizează la o adâncime de aproximativ 2 km.
Lichidele, ca și solidele, își schimbă volumul atunci când se schimbă temperatura. Pentru intervale de temperatură nu foarte mari, volumul relativ se modifică Δ V / V 0 proporțional cu modificarea temperaturii Δ T:
| |
Se numește coeficientul β coeficientul de temperatură al expansiunii volumetrice... Acest coeficient pentru lichide este de zeci de ori mai mare decât cel pentru solide. Pentru apă, de exemplu, la o temperatură de 20 ° C β în ≈ 2 · 10 –4 K –1, pentru oțel - β st ≈ 3,6 · 10 –5 K –1, pentru sticlă de cuarț - β q ≈ 9 · 10 - 6 K –1.
Expansiunea termică a apei are o anomalie interesantă și importantă pentru viața de pe Pământ. La temperaturi sub 4 ° C, apa se extinde odată cu scăderea temperaturii (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Când apa îngheață, se extinde, astfel încât gheața rămâne plutitoare pe suprafața corpului de apă înghețat. Temperatura apei înghețate sub gheață este de 0 ° С. În straturile mai dense de apă din fundul rezervorului, temperatura este de aproximativ 4 ° C. Datorită acestui fapt, viața poate exista în apa rezervoarelor înghețate.
Cea mai interesantă caracteristică a lichidelor este prezența suprafata libera... Lichidul, spre deosebire de gaze, nu umple întregul volum al vasului în care este turnat. Între lichid și gaz (sau vapori) se formează o interfață care se află în condiții speciale față de restul masei lichide. Moleculele din stratul limită al unui lichid, spre deosebire de moleculele din adâncimea acestuia, nu sunt înconjurate de alte molecule ale aceluiași lichid pe toate părțile. Forțele de interacțiune intermoleculară care acționează asupra uneia dintre moleculele din interiorul lichidului din partea moleculelor învecinate sunt, în medie, compensate reciproc. Orice moleculă din stratul limită este atrasă de moleculele din interiorul lichidului (forțele care acționează asupra unei anumite molecule de lichid din partea moleculelor de gaz (sau vapori) pot fi neglijate). Ca urmare, apare o anumită forță rezultantă, îndreptată adânc în lichid. Moleculele de suprafață sunt atrase în lichid de forțele de atracție intermoleculară. Dar toate moleculele, inclusiv cele ale stratului limită, trebuie să fie într-o stare de echilibru. Acest echilibru se realizează datorită unei scăderi ușoare a distanței dintre moleculele stratului de suprafață și vecinii lor cei mai apropiați din interiorul lichidului. Odată cu scăderea distanței dintre molecule, apar forțe de respingere. Dacă distanța medie dintre moleculele din interiorul lichidului este r 0, atunci moleculele stratului de suprafață sunt împachetate ceva mai dens și, prin urmare, au un depozit suplimentar de energie potențială în comparație cu moleculele interioare. Trebuie avut în vedere că, datorită compresibilității extrem de scăzute, prezența unui strat de suprafață mai dens nu duce la nicio modificare vizibilă a volumului lichidului. Dacă molecula se mișcă de la suprafața în interiorul lichidului, forțele de interacțiune intermoleculară vor face o treabă pozitivă. Dimpotrivă, pentru a trage un anumit număr de molecule de la adâncimea lichidului la suprafață (adică, pentru a crește suprafața lichidului), forțe externe trebuie să facă o muncă pozitivă A ext, proporțional cu modificarea Δ S suprafață:
| A ext = σΔ S. |
Coeficientul σ se numește coeficient de tensiune superficială (σ> 0). Astfel, coeficientul de tensiune superficială este egal cu munca necesară pentru a crește suprafața unui lichid la o temperatură constantă cu o unitate.
În SI, tensiunea superficială este măsurată în jouli per metru pătrat (J/m 2) sau în newtoni pe metru (1 N/m = 1 J/m 2).
În consecință, moleculele stratului superficial al lichidului au un exces în comparație cu moleculele din interiorul lichidului. energie potențială... Energie potențială E p al suprafeței lichidului este proporțional cu aria sa: 
(1.16.1)
Din mecanică se știe că stările de echilibru ale unui sistem corespund valorii minime a energiei sale potențiale. De aici rezultă că suprafața liberă a lichidului tinde să-și reducă aria. Din acest motiv, o picătură liberă de lichid capătă o formă sferică. Fluidul se comportă ca și cum forțele ar acționa tangențial la suprafața sa, reducând (trăgând) această suprafață. Aceste forțe sunt numite forțele de tensiune superficială.
Prezența forțelor de tensiune superficială face ca suprafața lichidului să fie asemănătoare cu o peliculă elastică întinsă, cu singura diferență că forțele elastice din film depind de suprafața sa (adică de modul în care filmul este deformat) și de forțele de tensiune superficială. nu depind de suprafața lichidelor.
Forțele de tensiune superficială tind să micșoreze suprafața filmului. Prin urmare, putem scrie: (1.16.2)
Astfel, coeficientul de tensiune superficială σ poate fi definit ca modulul forței de tensiune superficială care acționează asupra unității de lungime a liniei care delimitează suprafața ( l este lungimea acestei linii).
Datorită acțiunii forțelor de tensiune superficială în picăturile de lichid și în interior bule de săpun apare excesul de presiune Δ p... Dacă tăiați mental o picătură sferică de rază Rîn două jumătăți, atunci fiecare dintre ele trebuie să fie în echilibru sub acțiunea forțelor de tensiune superficială aplicate la limita tăieturii 2π Rși putere suprapresiune acţionând asupra ariei π R 2 secțiuni (Figura 1.16.1). Condiția de echilibru se scrie ca
Aproape de granița dintre un lichid, un solid și un gaz, forma suprafeței libere a unui lichid depinde de forțele de interacțiune ale moleculelor lichide cu moleculele solide (interacțiunea cu moleculele de gaz (sau vapori) poate fi neglijată). Dacă aceste forțe sunt mai mari decât forțele de interacțiune dintre moleculele lichidului însuși, atunci lichidul udă suprafata unui solid. În acest caz, lichidul se apropie de suprafața solidului la un anumit unghi ascuțit θ, care este caracteristic perechii date lichid - solid. Unghiul θ se numește unghiul marginii... Dacă forțele de interacțiune dintre moleculele unui lichid depășesc forțele interacțiunii lor cu moleculele unui solid, atunci unghiul de contact θ se dovedește a fi obtuz (Fig. 1.16.2 (2)). În acest caz, ei spun că lichidul nu se uda suprafata unui solid. În caz contrar (unghi - ascuțit) lichid udă suprafață (Figura 1.16.2 (1)). La umezire completăθ = 0, pentru neumedare completăθ = 180 °.
Fenomene capilare numită creșterea sau căderea lichidului în tuburi cu diametru mic - capilare... Lichidele umede se ridică prin capilare, lichidele care nu se umezesc coboară.
Figura 1.16.3 prezintă un tub capilar cu o anumită rază r coborât de capătul său inferior într-un lichid de umectare de densitate ρ. Capătul superior al capilarului este deschis. Creșterea lichidului în capilar continuă până când forța gravitațională care acționează asupra coloanei de lichid din capilar devine egală ca mărime cu cea rezultată. F n forțe de tensiune superficială care acționează de-a lungul interfeței dintre lichid și suprafața capilară: F t = F n, unde F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.
Asta implică: 
Cu umezire completă θ = 0, cos θ = 1. În acest caz
Cu neumezire completă θ = 180 °, cos θ = –1 și, prin urmare, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Apa udă aproape complet suprafața curată de sticlă. În schimb, mercurul nu umezește complet suprafața sticlei. Prin urmare, nivelul de mercur din capilarul de sticlă scade sub nivelul din vas.
Stare a materiei
Substanţă- un set cu adevărat existent de particule legate între ele prin legături chimice și în anumite condiții într-una din stările agregate. Orice substanță este alcătuită dintr-o colecție de un număr foarte mare de particule: atomi, molecule, ioni, care se pot combina între ele în asociații, numiți și agregate sau clustere. În funcție de temperatura și comportamentul particulelor în asociați (aranjarea reciprocă a particulelor, numărul și interacțiunea lor într-un asociat, precum și distribuția asociatilor în spațiu și interacțiunea lor între ele), o substanță poate fi în două stări de bază de agregare - cristalin (solid) sau gazos,și în stări tranzitorii de agregare - amorf (solid), cristal lichid, lichid și vapori. Stările de agregare solide, lichide și lichide sunt condensate, iar stările de vapori și gaze sunt puternic descărcate.
Fază Este un set de microregiuni omogene caracterizate prin aceeași ordine și concentrație de particule și închise într-un volum macroscopic al unei substanțe delimitate de interfață. În această înțelegere, faza este caracteristică numai pentru substanțele în stare cristalină și gazoasă, deoarece acestea sunt stări omogene de agregare.
Metafaza Este un set de microregiuni diferite care diferă între ele în gradul de ordonare a particulelor sau concentrația lor și sunt închise într-un volum macroscopic al unei substanțe delimitate de interfață. În această înțelegere, metafaza este caracteristică numai pentru substanțele în stări de agregare tranziționale eterogene. Diferite faze și metafaze se pot amesteca între ele, formând o stare agregată și atunci nu există nicio interfață între ele.
De obicei, conceptele de stări agregate „de bază” și „tranziționale” nu sunt separate. Conceptele de „stare de agregare”, „fază” și „mezofază” sunt adesea folosite în mod interschimbabil. Este recomandabil să luați în considerare cinci stări agregate posibile pentru starea substanțelor: solid, cristal lichid, lichid, vapori, gazos. Tranziția de la o fază la alta se numește tranziție de fază de ordinul întâi și de ordinul doi. Tranzițiile de fază de primul fel sunt caracterizate prin:
O schimbare bruscă a măreției fizice, care descrie starea materiei (volum, densitate, vâscozitate etc.);
O anumită temperatură la care are loc această tranziție de fază
O anumită căldură, care caracterizează această tranziție, pentru că legăturile intermoleculare sunt rupte.
Tranzițiile de fază de primul fel sunt observate în timpul trecerii de la o stare de agregare la o altă stare de agregare. Tranzițiile de fază de al doilea fel sunt observate cu o schimbare în ordinea particulelor într-o stare agregată, caracterizată prin:
O schimbare treptată a proprietăților fizice ale unei substanțe;
Modificări în ordonarea particulelor unei substanțe sub influența unui gradient de câmpuri externe sau la o anumită temperatură, numită temperatura de tranziție de fază;
Căldura tranzițiilor de fază de ordinul doi este egală și apropiată de zero.
Principala diferență dintre tranzițiile de fază de ordinul întâi și al doilea este că în timpul tranzițiilor de ordinul întâi, în primul rând, energia particulelor sistemului se modifică, iar în cazul tranzițiilor de ordinul doi, ordonarea particulelor. a sistemului.
Tranziția unei substanțe de la starea solidă la starea lichidă se numește topireși se caracterizează printr-un punct de topire. Tranziția unei substanțe de la starea lichidă la starea de vapori se numește evaporareși se caracterizează printr-un punct de fierbere. Pentru unele substanțe cu greutate moleculară mică și interacțiune intermoleculară slabă, este posibilă o tranziție directă de la starea solidă la starea de vapori, ocolind starea lichidă. Această tranziție se numește sublimare. Toate aceste procese pot continua și în direcția opusă: apoi sunt numite înghețare, condensare, desublimare.
Substantele care nu se descompun in timpul topirii si fierberii pot fi, in functie de temperatura si presiune, in toate cele patru stari de agregare.
Stare solidă
La o temperatură suficient de scăzută, aproape toate substanțele sunt în stare solidă. În această stare, distanța dintre particulele unei substanțe este comparabilă cu dimensiunea particulelor în sine, ceea ce asigură interacțiunea lor puternică și un exces semnificativ al energiei lor potențiale față de energia cinetică.. Mișcarea particulelor unui solid este limitată doar prin vibrații și rotații minore față de poziția pe care o ocupă și nu au mișcare de translație... Acest lucru duce la ordinea internă în aranjarea particulelor. Prin urmare, solidele se caracterizează prin propria formă, rezistență mecanică, volum constant (sunt practic incompresibile). În funcție de gradul de ordonare a particulelor, solidele sunt împărțite în cristalin şi amorf.
Substanțele cristaline se caracterizează prin prezența ordinii în aranjarea tuturor particulelor. Faza solidă a substanțelor cristaline este alcătuită din particule care formează o structură omogenă caracterizată printr-o repetabilitate strictă a aceleiași celule unitare în toate direcțiile. Celula unitară a unui cristal caracterizează periodicitatea tridimensională în aranjarea particulelor, adică a lui rețea cristalină... Rețelele cristaline sunt clasificate în funcție de tipul de particule care alcătuiesc cristalul și de natura forțelor de atracție dintre ele.
Multe substante cristaline, in functie de conditii (temperatura, presiune), pot avea o structura cristalina diferita. Acest fenomen se numește polimorfism. Modificări polimorfe binecunoscute ale carbonului: grafit, fullerenă, diamant, carbină.
Substanțe amorfe (informe). Această condiție este tipică pentru polimeri. Moleculele lungi se îndoaie și se împletesc cu ușurință cu alte molecule, rezultând un aranjament neregulat al particulelor.
Diferența dintre particulele amorfe și cele cristaline:
izotropie - aceleași proprietăți fizice și chimice ale unui corp sau mediului în toate direcțiile, de ex. independența proprietăților față de direcție;
fără punct de topire fix.
Sticla, silice topită și mulți polimeri au o structură amorfă. Substanțele amorfe sunt mai puțin stabile decât cele cristaline și, prin urmare, orice corp amorf poate trece în cele din urmă într-o stare mai stabilă energetic - cristalin.
Stare lichida
Odată cu creșterea temperaturii, energia vibrațiilor termice a particulelor crește, iar pentru fiecare substanță există o temperatură, începând de la care energia vibrațiilor termice depășește energia legăturilor. Particulele pot efectua diferite mișcări, deplasate unele față de altele. Ele rămân încă în contact, deși structura geometrică corectă a particulelor este încălcată - substanța există în stare lichidă. Datorită mobilității particulelor, starea lichidă se caracterizează prin mișcarea browniană, difuzia și volatilitatea particulelor. O proprietate importantă a unui fluid este vâscozitatea, care caracterizează forțele inter-asociative care împiedică curgerea liberă a fluidului.
Lichidele ocupă o poziție intermediară între starea gazoasă și cea solidă a substanțelor. Structură mai ordonată decât gazul, dar mai puțin decât solidă.
Abur și stare gazoasă
Starea vapor-gazoasă nu se distinge de obicei.
Gaz - este un sistem omogen extrem de descărcat format din molecule individuale departe unele de altele, care pot fi considerate ca o singură fază dinamică.
abur - este un sistem neomogen extrem de descărcat, care este un amestec de molecule și mici asociați instabili formați din aceste molecule.
Teoria cinetică moleculară explică proprietățile unui gaz ideal, pe baza următoarelor prevederi: moleculele fac mișcare aleatorie continuă; volumul moleculelor de gaz este neglijabil în comparație cu distanțele intermoleculare; forțele de atracție sau de repulsie nu acționează între moleculele de gaz; energia cinetică medie a moleculelor de gaz este proporţională cu temperatura sa absolută. Datorită nesemnificației forțelor de interacțiune intermoleculară și prezenței unui volum liber mare, gazele se caracterizează printr-o rată ridicată de mișcare termică și difuzie moleculară, dorința moleculelor de a ocupa cel mai mare volum posibil, precum și o compresibilitate ridicată.
Un sistem izolat în fază gazoasă este caracterizat de patru parametri: presiune, temperatură, volum, cantitate de substanță. Relația dintre acești parametri este descrisă de ecuația de stare a gazului ideal:
R = 8,31 kJ / mol - constanta universală a gazului.
Întrebări despre care este starea de agregare, ce caracteristici și proprietăți ale solidelor, lichidelor și gazelor sunt luate în considerare în mai multe cursuri de pregatire... Există trei stări clasice ale materiei, cu propriile lor trăsături structurale caracteristice. Înțelegerea lor este punct importantîn înțelegerea științelor despre Pământ, organismele vii, activitati de productie... Aceste întrebări sunt studiate de fizică, chimie, geografie, geologie, chimie fizică și alte discipline științifice. Substanțele care se află în anumite condiții într-unul din cele trei tipuri de bază de stare se pot schimba odată cu creșterea sau scăderea temperaturii și presiunii. Luați în considerare posibilele tranziții de la o stare de agregare la alta, așa cum apar în natură, tehnologie și viața de zi cu zi.
Ce este o stare agregată?
Cuvântul de origine latină „aggrego” în traducere în rusă înseamnă „a atașa”. Termenul științific se referă la starea unuia și aceluiași corp, substanță. Existența la anumite valori de temperatură și diferite presiuni de solide, gaze și lichide este caracteristică tuturor învelișurilor Pământului. Pe lângă cele trei stări agregate de bază, există și o a patra. La temperatură ridicată iar la presiune constantă, gazul se transformă în plasmă. Pentru a înțelege mai bine ce este o stare agregată, este necesar să ne amintim cele mai mici particule care alcătuiesc substanțele și corpurile.
În diagrama de mai sus sunt prezentate: a - gaz; b - lichid; c - solid. În astfel de figuri, cercurile indică elementele structurale ale substanțelor. Acest simbol, de fapt, atomii, moleculele, ionii nu sunt bile solide. Atomii constau dintr-un nucleu încărcat pozitiv, în jurul căruia electronii încărcați negativ se mișcă cu viteză mare. Cunoașterea structurii microscopice a materiei ajută la înțelegerea mai bună a diferențelor care există între diferitele forme de agregat.
Conceptele microcosmosului: din Grecia antică până în secolul al XVII-lea
Primele informații despre particulele care alcătuiesc corpurile fizice au apărut în Grecia antică... Gânditorii Democrit și Epicur au introdus un astfel de concept precum atomul. Ei credeau că aceste particule indivizibile cele mai mici de diferite substanțe au o formă, o anumită dimensiune, sunt capabile de mișcare și interacțiune între ele. Atomistica a devenit cea mai avansată doctrină a Greciei Antice pentru vremea ei. Dar dezvoltarea sa a încetinit în Evul Mediu. De atunci, oamenii de știință au fost persecutați de Inchiziția Bisericii Romano-Catolice. Prin urmare, până în timpurile moderne, nu a existat un concept inteligibil despre starea agregată a materiei. Abia după secolul al XVII-lea oamenii de știință R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier au formulat prevederile teoriei atomo-moleculare, care nu și-au pierdut semnificația astăzi.
Atomi, molecule, ioni - particule microscopice ale structurii materiei
O descoperire semnificativă în înțelegerea microlumii a avut loc în secolul al XX-lea, când a fost inventat microscopul electronic. Luând în considerare descoperirile făcute de oamenii de știință mai devreme, a fost posibilă realizarea unei imagini armonioase a microlumii. Teoriile care descriu starea și comportamentul celor mai mici particule de materie sunt destul de complexe, aparținând domeniului.Pentru a înțelege caracteristicile diferitelor stări agregate ale materiei, este suficient să cunoaștem denumirile și caracteristicile principalelor particule structurale care formează diferite substante.
- Atomii sunt particule indivizibile din punct de vedere chimic. Salvat în reacții chimice dar sunt distruse nuclear. Metalele și multe alte substanțe ale unei structuri atomice au o stare solidă de agregare în condiții normale.
- Moleculele sunt particule care se descompun și se formează în reacții chimice. oxigen, apa, dioxid de carbon, sulf. Starea agregată a oxigenului, azotului, dioxizilor de sulf, carbonului, oxigenului în condiții normale este gazoasă.
- Ionii sunt particule încărcate în care atomii și moleculele le transformă atunci când adaugă sau pierd electroni - particule microscopice încărcate negativ. Multe săruri au o structură ionică, de exemplu clorură de sodiu, fier și sulfat de cupru.
Există substanțe ale căror particule sunt situate într-un anumit fel în spațiu. Poziția reciprocă ordonată a atomilor, ionilor, moleculelor se numește rețea cristalină. De obicei, rețelele cristaline ionice și atomice sunt caracteristice pentru solide, moleculare - pentru lichide și gaze. Diamantul se distinge prin duritatea sa mare. Rețeaua sa cristalină atomică este formată din atomi de carbon. Dar grafitul moale constă și din atomi ai acestui element chimic. Doar ele sunt situate într-un mod diferit în spațiu. Starea obișnuită de agregare a sulfului este solidă, dar la temperaturi ridicate substanța se transformă într-un lichid și o masă amorfă.
Substanțe în stare solidă de agregare
Solidele își păstrează volumul și forma în condiții normale. De exemplu, un grăunte de nisip, un grăunte de zahăr, sare, o bucată de piatră sau metal. Dacă zahărul este încălzit, substanța începe să se topească, transformându-se într-un lichid maro vâscos. Opriți încălzirea - obținem din nou un solid. Aceasta înseamnă că una dintre condițiile principale pentru trecerea unui solid la un lichid este încălzirea sau creșterea acestuia energie interna particule de materie. Starea solidă de agregare a sării, care este folosită pentru alimente, poate fi, de asemenea, modificată. Dar pentru a topi sarea de masă, ai nevoie de o temperatură mai mare decât zahărul de încălzit. Faptul este că zahărul este compus din molecule și sare- din ionii încărcați, care sunt mai puternic atrași unul de celălalt. Solidele sub formă lichidă nu își păstrează forma, deoarece rețelele cristaline sunt distruse.
Starea lichidă de agregare a sării în timpul topirii se explică prin ruperea legăturii dintre ionii din cristale. Sunt eliberate particule încărcate care pot transporta sarcini electrice... Topiturile de sare conduc electricitatea și sunt conductoare. În industriile chimică, metalurgică și mecanică, solidele sunt transformate în substanțe lichide pentru a obține noi compuși din acestea sau pentru a le da diferite forme. Aliajele metalice sunt utilizate pe scară largă. Există mai multe modalități de obținere a acestora asociate cu modificările stării de agregare a materiilor prime solide.
Lichidul este una dintre stările de bază de agregare
Dacă turnați 50 ml de apă într-un balon cu fund rotund, veți observa că substanța va lua imediat forma unui vas chimic. Dar de îndată ce turnăm apa din balon, lichidul se va răspândi imediat pe suprafața mesei. Volumul de apă va rămâne același - 50 ml, iar forma acestuia se va schimba. Caracteristicile enumerate sunt caracteristice formei lichide a existenței materiei. Multe substanțe organice sunt lichide: alcooli, uleiuri vegetale, acid.
Laptele este o emulsie, adică un lichid care conține picături de grăsime. O fosilă lichidă utilă este petrolul. Îl extrag din puțuri folosind platforme de foraj pe uscat și în ocean. Apa de mare este, de asemenea, o materie primă pentru industrie. Diferența sa față de apa dulce râuri și lacuri este conținutul de substanțe dizolvate, în principal săruri. La evaporarea de pe suprafața rezervoarelor, doar moleculele Н 2 О trec în stare de vapori, dizolvatele rămân. Metodele de obținere a substanțelor utile din apa de mare și metodele de purificare a acesteia se bazează pe această proprietate.
Odată cu îndepărtarea completă a sărurilor, se obține apă distilată. Se fierbe la 100 ° C, se îngheață la 0 ° C. Saramurile fierb și se transformă în gheață la alte temperaturi. De exemplu, apa din Oceanul Arctic îngheață la o temperatură a suprafeței de 2 ° C.
Starea fizică a mercurului în condiții normale este lichidă. Acest metal gri-argintiu este folosit în mod obișnuit în termometrele medicale. Când este încălzită, coloana de mercur se ridică pe scară, substanța se extinde. De ce se folosește alcool cu vopsea roșie și nu mercur? Acest lucru se explică prin proprietățile metalului lichid. La înghețuri de 30 de grade, starea de agregare a mercurului se modifică, substanța devine solidă.
Dacă termometrul medical se sparge și mercurul se revarsă, este periculos să ridici bilele de argint cu mâinile. Este dăunător inhalarea vaporilor de mercur, această substanță este foarte toxică. În astfel de cazuri, copiii ar trebui să caute ajutor de la părinți și adulți.
Stare gazoasă
Gazele nu își pot menține nici volumul, nici forma. Umplem balonul până sus cu oxigen (it formula chimica Aproximativ 2). De îndată ce deschidem balonul, moleculele substanței încep să se amestece cu aerul din cameră. Acest lucru se datorează mișcării browniene. Chiar și omul de știință grec antic Democrit credea că particulele de materie sunt în continuă mișcare. În solide, în condiții normale, atomii, moleculele, ionii nu pot părăsi rețeaua cristalină, eliberându-se de legăturile cu alte particule. Acest lucru este posibil numai atunci când o cantitate mare de energie este furnizată din exterior.
În lichide, distanța dintre particule este puțin mai mare decât în solide; acestea necesită mai puțină energie pentru a rupe legăturile intermoleculare. De exemplu, starea lichidă de agregare a oxigenului este observată numai atunci când temperatura gazului scade la -183 ° C. La -223 ° C, moleculele de O 2 formează un solid. Când temperatura crește peste aceste valori, oxigenul este transformat în gaz. În această formă se află în condiții normale. La întreprinderile industriale există instalații speciale pentru separarea aerului atmosferic și obținerea de azot și oxigen din acesta. Mai întâi, aerul este răcit și lichefiat, iar apoi temperatura este crescută treptat. Azotul și oxigenul sunt transformați în gaze în condiții diferite.
Atmosfera Pământului conține 21% în volum oxigen și 78% azot. Sub formă lichidă, aceste substanțe nu se găsesc în învelișul gazos al planetei. Oxigenul lichid are o culoare albastru deschis și este utilizat în butelii de înaltă presiune pentru utilizare în instituțiile medicale. În industrie și construcții, gazele lichefiate sunt necesare pentru multe procese. Oxigenul este necesar pentru sudare cu gaz si taierea metalelor, in chimie - pentru reactii de oxidare a substantelor anorganice si organice. Dacă deschideți robinetul cilindrului de oxigen, presiunea scade, lichidul se transformă în gaz.
Propanul lichefiat, metanul și butanul sunt utilizate pe scară largă în energie, transport, industrie și activități casnice ale populației. Aceste substanțe sunt obținute din gaze naturale sau prin cracarea (diviziunea) materiei prime petroliere. Amestecurile de carbon lichid și gazos joacă un rol important în economiile multor țări. Dar rezervele de petrol și gaze naturale sunt sever epuizate. Potrivit oamenilor de știință, această materie primă va dura 100-120 de ani. O sursă alternativă de energie este fluxul de aer (vânt). Râurile cu curgere rapidă, mareele de pe țărmurile mărilor și oceanelor sunt folosite pentru funcționarea centralelor electrice.
Oxigenul, ca și alte gaze, poate fi în a patra stare de agregare, reprezentând o plasmă. O tranziție neobișnuită de la solid la gaz este o trăsătură caracteristică a iodului cristalin. O substanță de culoare violet închis este supusă sublimării - se transformă într-un gaz, ocolind starea lichidă.
Cum se realizează tranzițiile de la o formă agregată de materie la alta?
Modificările stării de agregare a substanțelor nu sunt asociate cu transformări chimice, sunt fenomene fizice. Când temperatura crește, multe solide se topesc și se transformă în lichide. O creștere suplimentară a temperaturii poate duce la evaporare, adică la o stare gazoasă a substanței. În natură și economie, astfel de tranziții sunt caracteristice uneia dintre principalele substanțe de pe Pământ. Gheața, lichidul, aburul sunt stările apei în diferite condiții externe. Compusul este același, formula sa este H 2 O. La o temperatură de 0 ° C și sub această valoare, apa se cristalizează, adică se transformă în gheață. Când temperatura crește, cristalele care s-au format sunt distruse - gheața se topește și se obține din nou apă lichidă. Când se încălzește, se formează Evaporarea - transformarea apei în gaz - continuă chiar și atunci când temperaturi scăzute... De exemplu, bălțile înghețate dispar treptat pe măsură ce apa se evaporă. Chiar și pe vreme geroasă, rufele umede se usucă, dar acest proces este mai lung decât într-o zi fierbinte.
Toate tranzițiile enumerate ale apei de la o stare la alta sunt de mare importanță pentru natura Pământului. Fenomenele atmosferice, clima și vremea sunt asociate cu evaporarea apei de la suprafața Oceanului Mondial, transferul de umiditate sub formă de nori și ceață pe uscat și precipitații (ploaie, zăpadă, grindină). Aceste fenomene formează baza ciclului mondial al apei în natură.
Cum se schimbă stările agregate ale sulfului?
În condiții normale, sulful este cristale strălucitoare strălucitoare sau o pulbere galben deschis, adică este un solid. Starea agregată a sulfului se modifică atunci când este încălzit. În primul rând, când temperatura crește la 190 ° C, substanța galbenă se topește, transformându-se într-un lichid mobil.
Dacă turnați rapid sulf lichid în apă rece, se obţine o masă amorfă brună. Odată cu încălzirea suplimentară a topiturii de sulf, aceasta devine din ce în ce mai vâscoasă și se întunecă. La temperaturi peste 300 ° C, starea de agregare a sulfului se schimbă din nou, substanța capătă proprietățile unui lichid, devine mobilă. Aceste tranziții se datorează capacității atomilor elementului de a forma lanțuri de lungimi diferite.
De ce substanțele pot fi în stări fizice diferite?
Starea agregată a sulfului, o substanță simplă, este solidă în condiții normale. Dioxid de sulf - gaz acid sulfuric- lichidul uleios este mai greu decât apa. Spre deosebire de ser fiziologic și acid azotic nu este volatil, moleculele nu se evaporă de la suprafața sa. Care este starea de agregare a sulfului plastic, care se obține prin încălzirea cristalelor?
Sub formă amorfă, substanța are o structură lichidă, cu puțină fluiditate. Dar sulful plastic își păstrează simultan forma (ca un solid). Există cristale lichide care au o serie de proprietăți caracteristice solidelor. Astfel, starea materiei în diferite condiții depinde de natura ei, temperatură, presiune și alte condiții externe.
Care sunt caracteristicile structurii solidelor?
Diferențele existente între stările de bază de agregare a materiei se explică prin interacțiunea dintre atomi, ioni și molecule. De exemplu, de ce starea solidă de agregare a materiei duce la capacitatea corpurilor de a menține volumul și forma? În rețeaua cristalină a unui metal sau sare, particulele structurale sunt atrase unele de altele. În metale, ionii încărcați pozitiv interacționează cu așa-numitul „gaz de electroni” - o acumulare de electroni liberi într-o bucată de metal. Cristalele de sare apar datorită atracției particulelor încărcate opus - ioni. Distanța dintre unitățile structurale de mai sus de solide este mult mai mică decât dimensiunea particulelor în sine. În acest caz, atragerea electrostatică acționează, dă putere, iar repulsia nu este suficient de puternică.
Pentru a distruge starea solidă de agregare a materiei, trebuie să faceți un efort. Metalele, sărurile, cristalele atomice se topesc la temperaturi foarte ridicate. De exemplu, fierul devine lichid la temperaturi peste 1538 ° C. Tungstenul este refractar; este folosit pentru a face filamente pentru becuri electrice. Există aliaje care devin lichide la temperaturi peste 3000 ° C. Multe de pe Pământ sunt solide. Această materie primă este extrasă cu ajutorul tehnologiei în mine și cariere.
Pentru a desprinde chiar și un ion dintr-un cristal, trebuie cheltuită o cantitate mare de energie. Dar este suficient să dizolvați sarea în apă pentru ca rețeaua cristalină să se dezintegreze! Acest fenomen se datorează proprietăților uimitoare ale apei ca solvent polar. Moleculele de H2O interacționează cu ionii de sare, rupând legătura chimică dintre ele. Astfel, dizolvarea nu este o simplă amestecare a diferitelor substanțe, ci o interacțiune fizico-chimică între ele.
Cum interacționează moleculele lichide?
Apa poate fi lichidă, solidă și gazoasă (abur). Acestea sunt stările sale de bază de agregare în condiții normale. Moleculele de apă sunt formate dintr-un atom de oxigen cu doi atomi de hidrogen legați de acesta. Există o polarizare a legăturii chimice în moleculă, apare o sarcină negativă parțială pe atomii de oxigen. Hidrogenul devine polul pozitiv al unei molecule, atras de atomul de oxigen al altei molecule. Aceasta se numește „legătură de hidrogen”.
Starea lichidă de agregare este caracterizată de distanța dintre particulele structurale, comparabilă cu dimensiunea lor. Există atracție, dar este slabă, așa că apa nu își păstrează forma. Vaporizarea are loc din cauza distrugerii legăturilor, care apare pe suprafața lichidului chiar și la temperatura camerei.
Există interacțiuni intermoleculare în gaze?
Starea gazoasă a unei substanțe într-un număr de parametri diferă de lichid și solid. Există goluri mari între particulele structurale ale gazelor, depășind cu mult dimensiunea moleculelor. În acest caz, forțele de atracție nu acționează deloc. O stare gazoasă de agregare este caracteristică substanțelor prezente în aer: azot, oxigen, dioxid de carbon. În imaginea de mai jos, primul cub este umplut cu gaz, al doilea cu lichid și al treilea cu solid.
Multe lichide sunt volatile, moleculele unei substanțe se desprind de la suprafața lor și trec în aer. De exemplu, dacă aduceți un tampon de bumbac înmuiat amoniac apoi apare fum alb. O reacție chimică între acidul clorhidric și amoniac are loc chiar în aer și se obține clorură de amoniu. Care este starea de agregare a acestei substanțe? Particulele sale, care formează fumul alb, sunt cele mai mici cristale solide de sare. Acest experiment trebuie efectuat sub o hotă, substanțele sunt toxice.
Concluzie
Starea fizică a gazului a fost studiată de mulți fizicieni și chimiști remarcabili: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Cliperon, Mendeleev, Le Chatelier. Oamenii de știință au formulat legi care explică comportamentul substanțelor gazoase în reacțiile chimice atunci când condițiile externe se modifică. Modelele deschise nu sunt incluse doar în manualele școlare și universitare de fizică și chimie. Multe industrii chimice se bazează pe cunoștințele despre comportamentul și proprietățile substanțelor în diferite stări de agregare.
Starea de agregare- aceasta este starea materiei într-un anumit interval de temperaturi și presiuni, caracterizată prin proprietăți: capacitatea (solid) sau incapacitatea (lichid, gaz) de a menține volumul și forma; prezența sau absența ordinii pe rază lungă (solid) sau pe rază scurtă (lichid) și alte proprietăți.
O substanță poate fi în trei stări de agregare: solidă, lichidă sau gazoasă; în prezent, este eliberată o stare suplimentară de plasmă (ionică).
V gazos stare, distanța dintre atomii și moleculele substanței este mare, forțele de interacțiune sunt mici, iar particulele, mișcându-se haotic în spațiu, au o energie cinetică mare care depășește energia potențială. Un material în stare gazoasă nu are nici forma, nici volumul. Gazul umple tot spațiul disponibil. Această stare este tipică pentru substanțele cu densitate scăzută.
V lichid starea, se reține doar ordinea pe distanță scurtă a atomilor sau a moleculelor, atunci când în volumul unei substanțe apar periodic regiuni separate cu un aranjament ordonat de atomi, dar și orientarea reciprocă a acestor regiuni este absentă. Ordinea de rază scurtă este instabilă și sub influența vibrațiilor termice ale atomilor poate fie să dispară, fie să apară din nou. Moleculele lichide nu au o poziție definită și, în același timp, libertatea completă de mișcare nu le este disponibilă. Materialul în stare lichidă nu are forma sa, își păstrează doar volumul. Lichidul poate ocupa doar o parte din volumul vasului, dar curge liber pe întreaga suprafață a vasului. Starea lichidă este de obicei considerată intermediară între un solid și un gaz.
V solid materie, ordinea de aranjare a atomilor devine strict definită, ordonată regulat, forțele de interacțiune ale particulelor sunt echilibrate reciproc, astfel încât corpurile își păstrează forma și volumul. Aranjarea regulată a atomilor în spațiu caracterizează starea cristalină, atomii formează o rețea cristalină.
Solidele au o structură amorfă sau cristalină. Pentru amorf corpurile se caracterizează doar prin ordinea pe distanță scurtă în aranjarea atomilor sau a moleculelor, o aranjare haotică a atomilor, moleculelor sau ionilor în spațiu. Exemple de corpuri amorfe sunt sticla, smoala, var, care sunt în exterior în stare solidă, deși în realitate curg lent, ca un lichid. Nu există un punct de topire definit pentru corpurile amorfe, spre deosebire de cele cristaline. Corpurile amorfe ocupă o poziție intermediară între solidele cristaline și lichidele.
Majoritatea solidelor au cristalin o structură care se caracterizează printr-un aranjament ordonat de atomi sau molecule în spațiu. Structura cristalină este caracterizată de ordinea de lungă durată, când elementele structurii sunt repetate periodic; nu există o astfel de repetare corectă în ordinea scurtă. O trăsătură caracteristică a unui corp cristalin este capacitatea de a-și păstra forma. Caracteristica unui cristal ideal, al cărui model este o rețea spațială, este proprietatea simetriei. Simetria este înțeleasă ca fiind capacitatea teoretică a rețelei cristaline a unui solid de a se alinia cu ea însăși în reflectarea în oglindă a punctelor sale dintr-un anumit plan, numit plan de simetrie. Simetria formei externe reflectă simetria structurii interne a cristalului. De exemplu, toate metalele au o structură cristalină, care se caracterizează prin două tipuri de simetrie: cubică și hexagonală.
În structurile amorfe cu o distribuție dezordonată a atomilor, proprietățile unei substanțe în direcții diferite sunt aceleași, adică substanțele sticloase (amorfe) sunt izotrope.
Toate cristalele sunt caracterizate prin anizotropie. În cristale, distanțele dintre atomi sunt ordonate, dar în direcții diferite gradul de ordonare poate fi diferit, ceea ce duce la o diferență în proprietățile substanței cristaline în direcții diferite. Dependența proprietăților unei substanțe cristaline de direcția în rețeaua sa se numește anizotropie proprietăți. Anizotropia se manifestă atunci când se măsoară atât caracteristici fizice, cât și mecanice și alte caracteristici. Există proprietăți (densitate, capacitate termică) care nu depind de direcția în cristal. Majoritatea caracteristicilor depind de alegerea direcției.
Este posibil să se măsoare proprietățile obiectelor cu un anumit volum de material: dimensiuni - de la câțiva milimetri la zeci de centimetri. Aceste obiecte cu o structură identică cu o celulă cristalină se numesc monocristale.
Anizotropia proprietăților se manifestă în cristale simple și este practic absentă într-o substanță policristalină, care constă din multe cristale mici orientate aleator. Prin urmare, substanțele policristaline sunt numite cvasiizotrope.
Cristalizarea polimerilor, ale căror molecule pot fi aranjate în mod ordonat cu formarea de structuri supramoleculare sub formă de mănunchiuri, bobine (globuli), fibrile etc., are loc într-un anumit interval de temperatură. Structură complexă moleculele și agregatele lor determină specificul comportamentului polimerilor la încălzire. Nu pot intra în stare lichidă cu vâscozitate scăzută, nu au stare gazoasă. În formă solidă, polimerii pot fi în stări sticloase, foarte elastice și vâscoase. Polimerii cu molecule liniare sau ramificate se pot schimba de la o stare la alta atunci cand temperatura se schimba, ceea ce se manifesta in procesul de deformare a polimerului. În fig. 9 arată dependența deformării de temperatură.
Orez. 9 Curba termomecanică a polimerului amorf: t c, t T, t p - temperatura de tranziție vitroasă, fluiditatea și, respectiv, debutul descompunerii chimice; I - III - zone de stare sticloasă, înalt elastică și respectiv vâscoasă; Δ l- deformare.
Structura spațială a aranjamentului moleculelor determină doar starea sticloasă a polimerului. La temperaturi scăzute, toți polimerii se deformează elastic (Fig. 9, zona I). Peste temperatura de tranziție sticloasă t c un polimer amorf cu o structură liniară trece într-o stare foarte elastică ( zona II), iar deformarea sa în stările sticloase și foarte elastice este reversibilă. Încălzire peste punctul de curgere t t transformă polimerul într-o stare de curgere vâscoasă ( zona III). Deformarea polimerului în stare de curgere vâscoasă este ireversibilă. Un polimer amorf cu o structură spațială (reticulat, reticulat) nu are o stare de curgere vâscoasă, regiunea de temperatură a stării foarte elastice se extinde la temperatura de descompunere a polimerului t R. Acest comportament este tipic pentru materiale precum cauciucul.
Temperatura unei substanțe în orice stare de agregare caracterizează energia cinetică medie a particulelor sale (atomi și molecule). Aceste particule din corpuri au în principal energia cinetică a mișcărilor vibraționale în raport cu centrul de echilibru, unde energia este minimă. Când se atinge o anumită temperatură critică, materialul solid își pierde rezistența (stabilitatea) și se topește, iar lichidul se transformă în vapori: fierbe și se evaporă. Aceste temperaturi critice sunt punctele de topire și de fierbere.
Când un material cristalin este încălzit la o anumită temperatură, moleculele se mișcă atât de puternic încât legăturile rigide din polimer sunt rupte și cristalele sunt distruse - se transformă într-o stare lichidă. Temperatura la care cristalele și lichidul sunt în echilibru se numește punctul de topire al cristalului sau punctul de solidificare a lichidului. Pentru iod, această temperatură este egală cu 114 o C.
Fiecare element chimic are un punct de topire individual t pl, separând existența unui solid și a unui lichid, și punctul de fierbere t balot corespunzător trecerii lichidului în gaz. La aceste temperaturi, substanțele sunt în echilibru termodinamic. O schimbare a stării de agregare poate fi însoțită de o schimbare bruscă a energiei libere, entropiei, densității și altele. mărimi fizice.
Pentru a descrie diferitele stări în fizica folosește un concept mai larg faza termodinamica. Fenomenele care descriu tranzițiile de la o fază la alta sunt numite critice.
Când sunt încălzite, substanțele suferă transformări de fază. Atunci când este topit (1083 aproximativ C), cuprul se transformă într-un lichid, în care atomii au doar ordine pe distanță scurtă. La o presiune de 1 atm, cuprul fierbe la 2310 ° C și se transformă în cupru gazos cu atomi de cupru localizați aleatoriu. La punctul de topire, presiunile de vapori saturați ale cristalului și ale lichidului sunt egale.
Materialul ca întreg este un sistem.
Sistem- un grup de substanțe combinate fizic, interacțiuni chimice sau mecanice. Fază numită parte omogenă a sistemului, separată de alte părți interfețe fizice (în fontă: grafit + granule de fier; în apă cu gheață: gheață + apă).Componente sistemele sunt diferite faze care se formează acest sistem. Componentele sistemului sunt substanțe care formează toate fazele (părțile constitutive) ale unui sistem dat.
Materialele formate din două sau mai multe faze sunt dispersat sisteme. Sistemele de dispersie sunt împărțite în soluri, al căror comportament seamănă cu comportamentul lichidelor și geluri cu proprietăți caracteristice solide. În sol, mediul de dispersie în care este distribuită substanța este lichid, în geluri predomină faza solidă. Gelurile sunt un metal semicristalin, beton, o soluție de gelatină în apă la temperatură scăzută (la temperatură ridicată, gelatina se transformă într-un sol). Un hidrosol este o dispersie în apă, un aerosol este o dispersie în aer.
Diagrame de stări.
Într-un sistem termodinamic, fiecare fază este caracterizată de parametri precum temperatura T, concentrare Cu si presiune R... Pentru a descrie transformările de fază, se folosește o singură caracteristică energetică - energia liberă Gibbs ΔG(potenţial termodinamic).
Când descriem transformările, termodinamica se limitează la a lua în considerare starea de echilibru. Stare de echilibru a unui sistem termodinamic se caracterizează prin invariabilitatea parametrilor termodinamici (temperatura și concentrația, deoarece în tratamentele tehnologice R= const) în timp și absența fluxurilor de energie și materie în el - cu condiții externe constante. Echilibru de fază- starea de echilibru a unui sistem termodinamic format din două sau Mai mult faze.
Pentru o descriere matematică a condițiilor de echilibru ale sistemului, există regula fazei derivat de Gibbs. Ea conectează numărul de faze (F) și componente (K) dintr-un sistem de echilibru cu varianța sistemului, adică numărul de grade termodinamice de libertate (C).
Numărul de grade termodinamice de libertate (varianță) ale sistemului este numărul de variabile independente ca interne ( compoziție chimică faze) și externe (temperatura), cărora li se pot atribui diverse valori arbitrare (într-un anumit interval), astfel încât să nu apară faze noi și să nu dispară fazele vechi.
Ecuația regulii fazei Gibbs:
C = K - F + 1.
În conformitate cu această regulă, într-un sistem de două componente (K = 2), următoarele opțiuni grade de libertate:
Pentru o stare monofazată (Ф = 1) С = 2, adică puteți modifica temperatura și concentrația;
Pentru o stare în două faze (Ф = 2) С = 1, adică numai un parametru extern (de exemplu, temperatura) poate fi modificat;
Pentru o stare trifazată, numărul de grade de libertate este zero, adică temperatura nu poate fi modificată fără a perturba echilibrul în sistem (sistemul este invariant).
De exemplu, pentru un metal pur (K = 1) în timpul cristalizării, când există două faze (Ф = 2), numărul de grade de libertate este zero. Aceasta înseamnă că temperatura de cristalizare nu poate fi modificată până când procesul se încheie și rămâne o fază - un cristal solid. După sfârșitul cristalizării (Ф = 1), numărul de grade de libertate este egal cu 1, prin urmare, temperatura poate fi modificată, adică solidul poate fi răcit fără a perturba echilibrul.
Comportarea sistemelor în funcție de temperatură și concentrație este descrisă printr-o diagramă de stare. Diagrama stării apei este un sistem cu o singură componentă H 2 O, prin urmare, cel mai mare număr de faze care pot fi în echilibru în același timp este de trei (Fig. 10). Aceste trei faze sunt lichid, gheață, abur. Numărul de grade de libertate în acest caz este egal cu zero, adică. nici presiunea și nici temperatura nu pot fi modificate, astfel încât niciuna dintre faze să nu dispară. Gheața obișnuită, apa lichidă și vaporii de apă pot exista în echilibru simultan numai la o presiune de 0,61 kPa și o temperatură de 0,0075 ° C. Punctul de coexistență al celor trei faze se numește punct triplu ( O).
Curba OS separă regiunile de vapori și lichid și reprezintă dependența presiunii vaporilor de apă saturați de temperatură. Curba OC arată acele valori interdependente ale temperaturii și presiunii la care apa lichidă și vaporii de apă sunt în echilibru între ele, de aceea se numește curba de echilibru lichid-vapori sau curba de fierbere.
Fig 10 Diagrama stării apei
Curba OV separă zona lichidului de zona gheții. Este o curbă de echilibru solid-lichid și se numește curbă de topire. Această curbă arată acele perechi interdependente de valori de temperatură și presiune la care gheața și apa lichidă sunt în echilibru.
Curba OA se numește curbă de sublimare și arată perechile interdependente de valori ale presiunii și temperaturii la care gheața și vaporii de apă sunt în echilibru.
O diagramă de stare este o modalitate vizuală de a reprezenta regiunile de existență a diferitelor faze în funcție de condițiile externe, cum ar fi presiunea și temperatura. Diagramele de stare sunt utilizate în mod activ în știința materialelor la diferite etape tehnologice ale producției de produse.
Un lichid se deosebește de un corp cristalin solid prin valori scăzute ale vâscozității (frecare internă a moleculelor) și valori ridicate ale fluidității (valoare, reciproca vâscozității). Lichidul constă din multe agregate de molecule, în interiorul cărora se află particulele o anumită ordine, asemănător cu ordinea în cristale. Natura unităților structurale și a interacțiunilor interparticule determină proprietățile unui lichid. Există lichide: monoatomice (gaze nobile lichefiate), moleculare (apă), ionice (săruri topite), metalice (metale topite), semiconductori lichidi. În cele mai multe cazuri, un lichid nu este doar o stare de agregare, ci și o fază termodinamică (lichid).
Substanțele lichide sunt cel mai adesea soluții. Soluţie este omogenă, dar nu o substanță pură din punct de vedere chimic, constă dintr-o substanță dizolvată și un solvent (exemplele de solvent sunt apa sau solvenții organici: dicloroetanul, alcoolul, tetraclorura de carbon etc.), prin urmare este un amestec de substanțe. Un exemplu este o soluție de alcool în apă. Cu toate acestea, soluțiile sunt și amestecuri de substanțe gazoase (de exemplu, aer) sau solide (aliaje metalice).
La răcire în condiții de o rată scăzută de formare a centrelor de cristalizare și o creștere puternică a vâscozității, poate apărea o stare sticloasă. Sticlele sunt materiale izotrope solide obținute prin suprarăcirea compușilor anorganici și organici topiți.
Sunt cunoscute multe substanțe, a căror tranziție de la o stare cristalină la un lichid izotrop are loc printr-o stare cristalină lichidă intermediară. Este caracteristica substantelor ale caror molecule au forma tije lungi(bețișoare) cu structură asimetrică. Astfel de tranziții de fază, însoțite de efecte termice, provoacă o schimbare bruscă a proprietăților mecanice, optice, dielectrice și alte proprietăți.
Cristale lichide ca un lichid, ele pot lua forma unei picături alungite sau forma unui vas, au o fluiditate ridicată și sunt capabile să se contopească. Sunt utilizate pe scară largă în diferite domenii ale științei și tehnologiei. Proprietățile lor optice sunt foarte dependente de mici modificări ale condițiilor externe. Această caracteristică este utilizată în dispozitivele electro-optice. În special, cristalele lichide sunt utilizate în fabricarea de electronice ceas de mână, echipamente vizuale etc.
Principalele state agregate includ plasmă- gaz parțial sau total ionizat. După metoda de formare, se disting două tipuri de plasmă: termică, care apare atunci când gazul este încălzit la temperaturi ridicate, și gazoasă, care se formează în timpul descărcărilor electrice într-un mediu gazos.
Procesele plasma-chimice au ocupat un loc ferm într-o serie de ramuri ale tehnologiei. Sunt utilizate pentru tăierea și sudarea metalelor refractare, pentru sinteza diferitelor substanțe, sursele de lumină cu plasmă sunt utilizate pe scară largă, iar utilizarea plasmei în termonucleare. centrale electrice etc.
Starea de agregare a unei substanțe se numește de obicei capacitatea sa de a-și menține forma și volumul. O caracteristică suplimentară este căile de tranziție a unei substanțe de la o stare de agregare la alta. Pe baza acesteia, se disting trei stări de agregare: solid, lichid și gazos. Proprietățile lor vizibile sunt următoarele:
Solid - păstrează atât forma, cât și volumul. Poate trece atât într-un lichid prin topire, cât și direct într-un gaz prin sublimare.
- Lichid - pastreaza volumul, dar nu forma, adica are fluiditate. Lichidul vărsat tinde să se răspândească la infinit pe suprafața pe care este turnat. Un lichid poate trece într-un solid prin cristalizare și într-un gaz prin evaporare.
- Gaz - nu păstrează nici formă, nici volum. Gazul din afara oricărui container tinde să se extindă la nesfârșit în toate direcțiile. Numai gravitația îl poate împiedica să facă acest lucru, datorită căruia atmosfera pământului nu se risipește în spațiu. Gazul trece într-un lichid prin condensare și poate ajunge direct într-un solid prin precipitare.
Tranziții de fază
Tranziția unei substanțe de la o stare de agregare la alta se numește tranziție de fază, deoarece starea științifică de agregare este faza unei substanțe. De exemplu, apa poate exista în fază solidă (gheață), lichidă (apa obișnuită) și gazoasă (vapori de apă).
Exemplul apei este de asemenea bine demonstrat. Starea în curte să se usuce într-o zi geroasă fără vânt îngheață imediat, dar după un timp se dovedește a fi uscată: gheața se sublimează, trecând direct în vapori de apă.
De regulă, tranziția de fază de la un solid la un lichid și un gaz necesită încălzire, dar temperatura mediului nu crește în acest caz: energie termală duce la ruperea legăturilor interne ale substanței. Aceasta este așa-numita căldură latentă. În timpul tranzițiilor de fază inversă (condensare, cristalizare), această căldură este eliberată.
De aceea arsurile cu abur sunt atât de periculoase. La contactul cu pielea, se condensează. Căldura latentă de evaporare/condens a apei este foarte mare: apa în acest sens este o substanță anormală; de aceea viața pe Pământ este posibilă. În cazul unei arsuri cu abur, căldura latentă de condens a apei „opărește” foarte profund locul ars, iar consecințele unei arsuri cu abur sunt mult mai severe decât de la o flacără pe aceeași zonă a corpului.
Pseudofaze
Fluiditatea fazei lichide a unei substanțe este determinată de vâscozitatea acesteia, iar vâscozitatea este determinată de natura legăturilor interne, cărora le este dedicată următoarea secțiune. Vâscozitatea lichidului poate fi foarte mare, iar lichidul poate curge neobservat de ochi.
Sticla este un exemplu clasic. Nu este un solid, ci un lichid foarte vâscos. Vă rugăm să rețineți că foile de sticlă din depozite nu sunt niciodată depozitate oblic pe un perete. În câteva zile se vor îndoi sub propria greutate și vor fi inutilizabile.
Alte pseudo-solide sunt fabricarea de încălțăminte și construcțiile. Dacă uiți piesa unghiulară de pe acoperiș, peste vară se va întinde într-o prăjitură și se va lipi de bază. Corpurile pseudo-solide se pot distinge de cele reale prin natura topirii: în timpul acesteia, cele reale fie își păstrează forma până se răspândesc deodată (lipire la), fie plutesc, lăsând să intre bălți și pârâuri (gheață). Și lichidele foarte vâscoase se înmoaie treptat, ca aceeași smoală sau bitum.
Materialele plastice sunt lichide extrem de vâscoase care nu au fost vizibile de mulți ani și decenii. Capacitatea lor ridicată de a-și păstra forma este oferită de greutatea moleculară uriașă a polimerilor, în multe mii și milioane de atomi de hidrogen.
Structura de fază a materiei
În faza gazoasă, moleculele sau atomii unei substanțe sunt foarte îndepărtați unul de celălalt, de multe ori mai mari decât distanța dintre ele. Ele interacționează între ele ocazional și neregulat, doar în ciocniri. Interacțiunea în sine este elastică: s-au ciocnit ca niște bile solide și apoi au zburat.
Într-un lichid, moleculele/atomii „se simt” în mod constant unul pe altul datorită legăturilor foarte slabe de natură chimică. Aceste legături se rup tot timpul și sunt imediat restaurate din nou, moleculele lichidului se mișcă continuu unele față de altele, astfel încât lichidul curge. Dar pentru a-l transforma într-un gaz, trebuie să rupeți toate legăturile deodată, iar acest lucru necesită multă energie, deoarece lichidul își păstrează volumul.
În acest sens, apa diferă de alte substanțe prin faptul că moleculele sale dintr-un lichid sunt legate prin așa-numitele legături de hidrogen, care sunt destul de puternice. Prin urmare, apa poate fi un lichid la o temperatură normală pentru viață. Multe substanțe cu o greutate moleculară de zeci și sute de ori mai mare decât cea a apei, în conditii normale- gaze, ca gazele obișnuite de uz casnic.
Într-un solid, toate moleculele sale sunt ferm pe loc datorită legăturilor chimice puternice dintre ele, formând o rețea cristalină. Cristalele de forma corectă necesită pentru creșterea lor conditii specialeși, prin urmare, sunt rare în natură. Majoritatea solidelor sunt conglomerate de cristale mici și minuscule - cristalite, strâns legate prin forțe de natură mecanică și electrică.
Dacă cititorul a văzut vreodată, de exemplu, o semiosie crăpată a unei mașini sau un grătar din fontă, atunci grăunțele de cristalite de pe fractură sunt vizibile acolo cu ochiul liber. Iar pe fragmentele de porțelan spart sau de faianță, acestea pot fi observate sub lupă.
Plasma
Fizicienii disting, de asemenea, a patra stare de agregare a materiei - plasma. În plasmă, electronii sunt smulși din nucleele atomice și este un amestec de particule încărcate electric. Plasma poate fi foarte densă. De exemplu, un centimetru cub de plasmă din intestinele stelelor - pitici albe, cântărește zeci și sute de tone.
Plasma este izolată într-o stare separată de agregare, deoarece interacționează activ cu câmpurile electromagnetice datorită faptului că particulele sale sunt încărcate. În spațiul liber, plasma tinde să se extindă, să se răcească și să se transforme într-un gaz. Dar sub influență, își poate păstra forma și volumul în afara vasului, ca un solid. Această proprietate a plasmei este utilizată în reactoarele de putere termonucleare - prototipuri ale centralelor electrice ale viitorului.
