Durumları birleştirin. Sıvılar. Termodinamiğin aşamaları. Faz geçişleri.
Ders 1.16
Tüm maddeler üç toplanma durumunda mevcut olabilir: katı, sıvı Ve gazlı. Aralarındaki geçişlere bir takım fiziksel özelliklerde (yoğunluk, termal iletkenlik vb.) ani değişiklikler eşlik eder.
Topaklanma durumu, maddenin bulunduğu fiziksel koşullara bağlıdır. Bir maddede çeşitli toplanma durumlarının varlığı, moleküllerinin (atomlarının) termal hareketindeki farklılıklardan ve bunların farklı koşullar altındaki etkileşimlerinden kaynaklanmaktadır.
Gaz- parçacıkların birbirine bağlı olmadığı veya etkileşim kuvvetleriyle çok zayıf bir şekilde bağlandığı bir maddenin toplanma durumu; parçacıklarının (moleküller, atomlar) termal hareketinin kinetik enerjisi, aralarındaki etkileşimlerin potansiyel enerjisini önemli ölçüde aşar, bu nedenle parçacıklar neredeyse serbestçe hareket eder, bulundukları kabı tamamen doldurur ve şeklini alır. Gaz halindeki bir maddenin ne kendi hacmi ne de kendi şekli vardır. Herhangi bir madde basınç ve sıcaklık değiştirilerek gaza dönüştürülebilir.
Sıvı- katı ve gaz arası bir maddenin toplanma durumu. Parçacıkların yüksek hareketliliği ve aralarındaki küçük boş alan ile karakterize edilir. Bu, sıvıların hacimlerini korumalarına ve bulundukları kabın şeklini almalarına neden olur. Sıvılarda moleküller birbirine çok yakın bulunur. Bu nedenle sıvının yoğunluğu gazların yoğunluğundan (normal basınçta) çok daha fazladır. Bir sıvının özellikleri, sıvı kristaller dışında her yönde aynıdır (izotropik). Isıtıldığında veya yoğunluk azaldığında, sıvının özellikleri, termal iletkenlik ve viskozite, kural olarak gazların özelliklerine göre değişir.
Sıvı moleküllerin termal hareketi, kolektif titreşim hareketlerinin ve zaman zaman bir denge konumundan diğerine meydana gelen molekül sıçramalarının birleşiminden oluşur.
Katı (kristalin) gövdeler- şeklin stabilitesi ve atomların termal hareketinin doğası ile karakterize edilen bir maddenin toplanma durumu. Bu hareket, atomları oluşturan atomların (veya iyonların) titreşimidir. sağlam. Titreşim genliği atomlar arası mesafelerle karşılaştırıldığında genellikle küçüktür.
Sıvıların özellikleri.
Sıvı haldeki bir maddenin molekülleri neredeyse birbirine yakın konumdadır. Moleküllerin kristalin tüm hacmi boyunca düzenli yapılar oluşturduğu ve sabit merkezler etrafında termal titreşimler gerçekleştirebildiği katı kristal cisimlerin aksine, sıvı moleküller daha fazla özgürlüğe sahiptir. Bir sıvının her molekülü, tıpkı bir katıda olduğu gibi, her taraftan komşu moleküller tarafından "sıkıştırılır" ve belirli bir denge konumu etrafında termal titreşimlere maruz kalır. Ancak zaman zaman herhangi bir molekül yakındaki boş bir bölgeye hareket edebilir. Sıvılarda bu tür sıçramalar oldukça sık meydana gelir; bu nedenle moleküller kristallerde olduğu gibi belirli merkezlere bağlı değildir ve sıvının tüm hacmi boyunca hareket edebilirler. Bu, sıvıların akışkanlığını açıklar. Yakın konumdaki moleküller arasındaki güçlü etkileşim nedeniyle, birkaç molekül içeren yerel (kararsız) düzenli gruplar oluşturabilirler. Bu fenomene denir emri kapat.
Moleküllerin yoğun paketlenmesi nedeniyle sıvıların sıkıştırılabilirliği, yani basınçtaki değişiklikle hacimdeki değişiklik çok küçüktür; gazlardan onlarca, yüzbinlerce kat daha azdır. Örneğin suyun hacmini %1 değiştirmek için basıncı yaklaşık 200 kat artırmanız gerekir. Atmosfer basıncına göre basınçtaki bu artış yaklaşık 2 km derinlikte elde edilir.
Sıvılar da katılar gibi sıcaklık değişimleriyle hacimlerini değiştirirler. Çok geniş olmayan sıcaklık aralıkları için hacimdeki bağıl değişim Δ V / V 0 sıcaklık değişimiyle orantılıdır Δ T:
| |
β katsayısı denir hacimsel genleşmenin sıcaklık katsayısı. Sıvılar için bu katsayı, katılardan onlarca kat daha fazladır. Su için, örneğin 20 °C sıcaklıkta β ≈ 2 10 –4 K –1, çelik için - β st ≈ 3,6 10 –5 K –1, kuvars camı için - β kV ≈ 9 10 – 6 K – 1.
Suyun termal genleşmesi Dünya'daki yaşam için ilginç ve önemli bir anomaliye sahiptir. 4 °C'nin altındaki sıcaklıklarda sıcaklık düştükçe su genleşir (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Su donduğunda genişler, böylece buz, dondurucu bir su kütlesinin yüzeyinde yüzer halde kalır. Buzun altındaki suyun donma sıcaklığı 0 °C'dir. Rezervuarın tabanındaki daha yoğun su katmanlarında sıcaklık yaklaşık 4 °C'dir. Bu sayede donan rezervuarların sularında hayat olabiliyor.
Sıvıların en ilginç özelliği varlığıdır. Serbest yüzey. Sıvı, gazlardan farklı olarak içine döküldüğü kabın hacminin tamamını doldurmaz. Sıvı ile gaz (veya buhar) arasında, sıvının geri kalanına göre özel koşullar altında olan bir arayüz oluşturulur. Bir sıvının sınır tabakasındaki moleküller, derinliğindeki moleküllerin aksine, aynı sıvının diğer molekülleri tarafından her taraftan çevrelenmez. Sıvı içindeki moleküllerden birine komşu moleküllerden etki eden moleküller arası etkileşim kuvvetleri ortalama olarak karşılıklı olarak telafi edilir. Sınır tabakasındaki herhangi bir molekül, sıvının içinde bulunan moleküller tarafından çekilir (belirli bir sıvı molekülüne gaz (veya buhar) moleküllerinden etki eden kuvvetler ihmal edilebilir). Sonuç olarak, sıvının derinliklerine yönlendirilen belirli bir kuvvet ortaya çıkar. Yüzey molekülleri, moleküller arası çekim kuvvetleri tarafından sıvının içine çekilir. Ancak sınır tabakasının molekülleri de dahil olmak üzere tüm moleküllerin denge halinde olması gerekir. Bu denge, yüzey katmanındaki moleküller ile sıvı içindeki en yakın komşuları arasındaki mesafenin biraz azaltılmasıyla sağlanır. Moleküller arasındaki mesafe azaldıkça itici kuvvetler ortaya çıkar. Bir sıvının içindeki moleküller arasındaki ortalama mesafe ise R 0 ise, yüzey katmanının molekülleri biraz daha yoğun bir şekilde paketlenir ve bu nedenle iç moleküllere kıyasla ek bir potansiyel enerji rezervine sahiptirler. Son derece düşük sıkıştırılabilirlik nedeniyle, daha yoğun bir şekilde paketlenmiş yüzey katmanının varlığının, sıvının hacminde gözle görülür herhangi bir değişikliğe yol açmadığı unutulmamalıdır. Bir molekül yüzeyden sıvıya doğru hareket ederse, moleküller arası etkileşim kuvvetleri pozitif iş yapacaktır. Tam tersine belli sayıda molekülü sıvının derinliğinden yüzeye çekmek (yani sıvının yüzey alanını arttırmak) için, dış kuvvetler olumlu işler yapmalı A harici, değişimle orantılı Δ S yüzey alanı:
| A dış = σΔ S. |
σ katsayısına yüzey gerilim katsayısı (σ > 0) denir. Böylece yüzey gerilim katsayısı, sabit sıcaklıkta bir sıvının yüzey alanını bir birim artırmak için gereken işe eşittir.
SI'da yüzey gerilimi katsayısı joule/per metre kare (J/m2) veya metre başına Newton cinsinden (1 N/m = 1 J/m2).
Sonuç olarak, bir sıvının yüzey katmanındaki moleküller aşırı miktarda bulunur. potansiyel enerji. Potansiyel enerji e Sıvı yüzeyinin p alanıyla orantılıdır: 
(1.16.1)
Mekanikten bir sistemin denge durumlarının potansiyel enerjisinin minimum değerine karşılık geldiği bilinmektedir. Bundan, sıvının serbest yüzeyinin alanını azaltma eğiliminde olduğu sonucu çıkar. Bu nedenle serbest bir sıvı damlası küresel bir şekil alır. Sıvı, yüzeyine teğetsel olarak etki eden kuvvetler bu yüzeyi daraltıyor (çekiyor) gibi davranır. Bu kuvvetlere denir yüzey gerilimi kuvvetleri.
Yüzey gerilim kuvvetlerinin varlığı, bir sıvının yüzeyini elastik gerilmiş bir film gibi gösterir; tek fark, filmdeki elastik kuvvetlerin yüzey alanına (yani filmin nasıl deforme olduğuna) ve yüzey gerilimine bağlı olmasıdır. kuvvetler sıvıların yüzey alanına bağlı değildir.
Yüzey gerilimi kuvvetleri filmin yüzeyini küçültme eğilimindedir. Bu nedenle şunu yazabiliriz: (1.16.2)
Böylece, yüzey gerilim katsayısı σ, yüzeyi sınırlayan çizginin birim uzunluğu başına etki eden yüzey gerilim kuvvetinin modülü olarak tanımlanabilir ( ben- bu çizginin uzunluğu).
Sıvı damlacıklarındaki ve içindeki yüzey gerilim kuvvetlerinin etkisi nedeniyle sabun köpüğü aşırı basınç Δ oluşur P. Zihinsel olarak küresel bir yarıçap damlası keserseniz R iki yarıya bölünürse, her biri 2π uzunluğundaki kesme sınırına uygulanan yüzey gerilimi kuvvetlerinin etkisi altında dengede olmalıdır. R ve güç aşırı basınçπ alanına etki eden R 2 bölüm (Şekil 1.16.1). Denge koşulu şu şekilde yazılır:
Bir sıvı, bir katı ve bir gaz arasındaki sınırın yakınında, sıvının serbest yüzeyinin şekli, sıvı molekülleri ve katı moleküller arasındaki etkileşim kuvvetlerine bağlıdır (gaz (veya buhar) molekülleriyle etkileşim ihmal edilebilir). Bu kuvvetler, sıvının molekülleri arasındaki etkileşim kuvvetlerinden daha büyükse, o zaman sıvı ıslatır bir katının yüzeyi. Bu durumda sıvı, katının yüzeyine belirli bir sıvı-katı çiftinin özelliği olan belirli bir dar açı θ ile yaklaşır. θ açısına denir temas açısı. Sıvı moleküller arasındaki etkileşim kuvvetleri katı moleküller ile etkileşim kuvvetlerini aşarsa, θ temas açısının geniş olduğu ortaya çıkar (Şekil 1.16.2(2)). Bu durumda sıvının olduğunu söylüyorlar. ıslanmaz bir katının yüzeyi. Aksi takdirde (açı - akut) sıvı ıslatır yüzey (Şekil 1.16.2(1)). Şu tarihte: tam ıslatmaθ = 0, tamamen ıslanmazθ = 180°.
Kılcal fenomen küçük çaplı tüplerdeki sıvının yükselmesi veya alçalması denir - kılcal damarlar. Islatıcı sıvılar kılcal damarlardan yükselir, ıslatmayan sıvılar ise aşağıya doğru iner.
Şekil 1.16.3 belirli bir yarıçapa sahip bir kılcal boruyu göstermektedir R, alt uçta ρ yoğunluğunda bir ıslatma sıvısına indirildi. Kılcal damarın üst ucu açıktır. Kılcal borudaki sıvının yükselişi, kılcal borudaki sıvı kolonuna etki eden yerçekimi kuvveti bileşke büyüklüğüne eşit olana kadar devam eder. F n sıvının kılcal yüzey ile temas sınırı boyunca etki eden yüzey gerilim kuvvetleri: F t = F n, nerede F t = mg = ρ Hπ R 2 G, F n = σ2π Rçünkü θ.
Bu şu anlama gelir: 
Tamamen ıslandığında θ = 0, cos θ = 1. Bu durumda
Tamamen ıslanmayan θ = 180° ile cos θ = –1 ve dolayısıyla, H < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Su, temiz cam yüzeyini neredeyse tamamen ıslatır. Aksine cıva cam yüzeyini tamamen ıslatmaz. Bu nedenle cam kılcal damardaki cıva seviyesi kap içindeki civa seviyesinin altına düşer.
Maddenin durumu
Madde- kimyasal bağlarla ve belirli koşullar altında toplanma durumlarından birinde birbirine bağlanan gerçekten var olan parçacıklar topluluğu. Herhangi bir madde çok sayıda parçacıktan oluşan bir koleksiyondan oluşur: atomlar, moleküller, iyonlar, bunlar birbirleriyle birleşerek kümeler veya kümeler olarak da adlandırılan bileşenler halinde birleşebilirler. Bileşenlerdeki parçacıkların sıcaklığına ve davranışına (parçacıkların göreceli düzeni, sayıları ve bir bileşendeki etkileşimlerinin yanı sıra, bileşenlerin uzaydaki dağılımı ve birbirleriyle etkileşimleri) bağlı olarak bir madde iki ana durumda olabilir. toplama - kristal (katı) veya gaz halinde, ve toplanmanın geçiş durumlarında – amorf (katı), sıvı kristal, sıvı ve buhar. Katı, sıvı kristal ve sıvı toplanma durumları yoğunlaşırken, buhar ve gaz halleri yüksek oranda boşaltılır.
Faz- bu, aynı parçacık düzeni ve konsantrasyonu ile karakterize edilen ve arayüz tarafından sınırlanan makroskobik bir madde hacminde yer alan bir dizi homojen mikro bölgedir. Bu anlayışa göre faz yalnızca kristal ve gaz halindeki maddeler için karakteristiktir, çünkü bunlar homojen toplanma durumlarıdır.
Metafaz parçacıkların düzeni veya konsantrasyonları bakımından birbirinden farklı olan ve arayüz tarafından sınırlanan makroskobik bir madde hacminde yer alan heterojen mikrobölgelerin bir koleksiyonudur. Bu anlayışa göre, metafaz yalnızca heterojen toplanma geçiş durumlarında bulunan maddelerin karakteristiğidir. Farklı fazlar ve metafazlar birbirleriyle karışarak tek bir toplanma durumu oluşturabilir ve sonra aralarında herhangi bir arayüz kalmaz.
Genellikle "temel" ve "geçiş" toplama durumları kavramları birbirinden ayırt edilmez. “Toplam durum”, “faz” ve “mezofaz” kavramları sıklıkla birbirinin yerine kullanılır. Maddelerin durumu için beş olası toplama durumunun dikkate alınması tavsiye edilir: katı, sıvı kristal, sıvı, buhar, gaz. Bir fazın diğer faza geçişine birinci ve ikinci dereceden faz geçişi denir. Birinci dereceden faz geçişleri aşağıdakilerle karakterize edilir:
Bir maddenin durumunu tanımlayan fiziksel miktarlardaki ani değişiklikler (hacim, yoğunluk, viskozite vb.);
Belirli bir faz geçişinin meydana geldiği belirli bir sıcaklık
Bu geçişi karakterize eden belli bir ısı var çünkü moleküller arası bağlar kırılır.
Bir toplanma durumundan başka bir toplanma durumuna geçiş sırasında birinci dereceden faz geçişleri gözlenir. İkinci dereceden faz geçişleri, parçacıkların sırası bir toplanma durumunda değiştiğinde gözlemlenir ve aşağıdakilerle karakterize edilir:
Bir maddenin fiziksel özelliklerinin kademeli olarak değişmesi;
Faz geçiş sıcaklığı olarak adlandırılan, dış alanların bir gradyanının etkisi altında veya belirli bir sıcaklıkta bir maddenin parçacıklarının düzenindeki değişiklik;
İkinci dereceden faz geçişlerinin ısısı eşit ve sıfıra yakındır.
Birinci ve ikinci dereceden faz geçişleri arasındaki temel fark, birinci dereceden geçişler sırasında her şeyden önce sistemdeki parçacıkların enerjisinin değişmesi ve ikinci dereceden geçişler durumunda parçacıkların sırasının değişmesidir. sistem değişir.
Bir maddenin katı halden sıvı hale geçmesine denir erime ve erime noktasıyla karakterize edilir. Bir maddenin sıvı halden buhar durumuna geçişine denir buharlaşma ve kaynama noktası ile karakterize edilir. Düşük moleküler ağırlığa ve zayıf moleküller arası etkileşimlere sahip bazı maddeler için, sıvı durumu atlayarak katı durumdan buhar durumuna doğrudan geçiş mümkündür. Bu geçişe denir süblimasyon. Yukarıdaki süreçlerin tümü ters yönde de gerçekleşebilir: o zaman bunlara denir. donma, yoğunlaşma, desüblimleşme.
Erime ve kaynama sırasında ayrışmayan maddeler, sıcaklığa ve basınca bağlı olarak dört toplanma durumunun hepsinde mevcut olabilir.
Katı hal
Yeterince düşük bir sıcaklıkta hemen hemen tüm maddeler katı haldedir. Bu durumda, maddenin parçacıkları arasındaki mesafe, parçacıkların kendi boyutlarıyla karşılaştırılabilir, bu da güçlü etkileşimlerini ve potansiyel enerjilerinin kinetik enerjiye göre önemli ölçüde fazla olmasını sağlar.Katı madde parçacıklarının hareketi yalnızca ile sınırlıdır. konumlarına göre küçük titreşimler ve dönmeler vardır ve öteleme hareketleri yoktur. Bu, parçacıkların düzenlenmesinde iç düzene yol açar. Bu nedenle katılar kendi şekilleriyle, mekanik dayanımlarıyla ve sabit hacimleriyle karakterize edilirler (pratikte sıkıştırılamazlar). Parçacıkların düzenlenme derecesine bağlı olarak katılar ikiye ayrılır: kristal ve amorf.
Kristalin maddeler, tüm parçacıkların düzeninde düzenin varlığıyla karakterize edilir. Kristalli maddelerin katı fazı, aynı birim hücrenin her yönde kesin tekrarlanabilirliği ile karakterize edilen, homojen bir yapı oluşturan parçacıklardan oluşur. Bir kristalin birim hücresi, parçacıkların düzenlenmesindeki üç boyutlu periyodikliği karakterize eder; onun kristal kafes. Kristal kafesler, kristali oluşturan parçacıkların türüne ve aralarındaki çekim kuvvetlerinin doğasına bağlı olarak sınıflandırılır.
Birçok kristalli madde, koşullara (sıcaklık, basınç) bağlı olarak farklı kristal yapılara sahip olabilir. Bu fenomene denir polimorfizm. Karbonun iyi bilinen polimorfik modifikasyonları: grafit, fulleren, elmas, karbin.
Amorf (şekilsiz) maddeler. Bu durum polimerler için tipiktir. Uzun moleküller kolayca bükülür ve diğer moleküllerle iç içe geçer, bu da parçacıkların dizilişinde düzensizliklere yol açar.
Amorf parçacıklar ve kristal parçacıklar arasındaki fark:
izotropi - bir cismin veya ortamın her yönde aynı fiziksel ve kimyasal özellikleri, yani. özelliklerin yönden bağımsızlığı;
sabit bir erime noktası yoktur.
Cam, erimiş kuvars ve birçok polimer amorf bir yapıya sahiptir. Amorf maddeler kristal olanlardan daha az kararlıdır ve bu nedenle herhangi bir amorf cisim zamanla enerji açısından daha kararlı bir duruma (kristalin) dönüşebilir.
Sıvı hal
Sıcaklık arttıkça parçacıkların termal titreşimlerinin enerjisi artar ve her madde için, termal titreşimlerin enerjisinin bağların enerjisini aştığı bir sıcaklık vardır. Parçacıklar birbirlerine göre hareket ederek çeşitli hareketler gerçekleştirebilirler. Parçacıkların doğru geometrik yapısı bozulsa da, madde sıvı halde mevcut olmasına rağmen hala temas halinde kalırlar. Parçacıkların hareketliliğinden dolayı sıvı hal, Brownian hareketi, parçacıkların difüzyonu ve uçuculuğu ile karakterize edilir. Bir sıvının önemli bir özelliği, sıvının serbest akışını engelleyen etkileşimli kuvvetleri karakterize eden viskozitedir.
Sıvılar, maddelerin gaz ve katı halleri arasında bir ara pozisyonda bulunur. Gazdan daha düzenli, fakat katıdan daha az yapılıdır.
Buhar ve gaz halleri
Buhar-gaz hali genellikle ayırt edilmez.
Gaz - bu, tek bir dinamik faz olarak kabul edilebilecek, birbirinden uzak bireysel moleküllerden oluşan, yüksek düzeyde deşarjlı homojen bir sistemdir.
Buhar - Bu, moleküllerin ve bu moleküllerden oluşan kararsız küçük bileşenlerin bir karışımı olan, oldukça deşarjlı, homojen olmayan bir sistemdir.
Moleküler kinetik teori, ideal bir gazın özelliklerini aşağıdaki ilkelere dayanarak açıklar: moleküller sürekli rastgele hareket halindedir; gaz moleküllerinin hacmi, moleküller arası mesafelerle karşılaştırıldığında ihmal edilebilir düzeydedir; gaz molekülleri arasında çekici veya itici kuvvet yoktur; Gaz moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi mutlak sıcaklığıyla orantılıdır. Moleküller arası etkileşim kuvvetlerinin önemsizliği ve büyük bir serbest hacmin varlığı nedeniyle, gazlar aşağıdakilerle karakterize edilir: yüksek termal hareket ve moleküler difüzyon oranları, moleküllerin mümkün olduğu kadar fazla hacim işgal etme arzusu ve ayrıca yüksek sıkıştırılabilirlik .
Yalıtılmış bir gaz fazı sistemi dört parametreyle karakterize edilir: basınç, sıcaklık, hacim ve madde miktarı. Bu parametreler arasındaki ilişki ideal gaz durum denklemiyle tanımlanır:
R = 8,31 kJ/mol – evrensel gaz sabiti.
Toplanma durumunun ne olduğu, katıların, sıvıların ve gazların hangi özellik ve özelliklere sahip olduğu ile ilgili sorular çeşitli şekillerde ele alınmaktadır. Eğitim Kursları. Maddenin kendine has yapısal özellikleri olan üç klasik hali vardır. Onların anlayışı önemli nokta Dünya bilimlerini, canlı organizmaları anlamada, üretim faaliyetleri. Bu sorular fizik, kimya, coğrafya, jeoloji, fizikokimya ve diğer bilimsel disiplinler tarafından incelenmektedir. Belirli koşullar altında üç temel hal türünden birinde bulunan maddeler, sıcaklık ve basınçtaki artış veya azalışla değişebilir. Doğada, teknolojide ve günlük yaşamda meydana geldikleri şekliyle bir toplanma durumundan diğerine olası geçişleri ele alalım.
Toplanma durumu nedir?
Latince kökenli "aggrego" kelimesi Rusçaya çevrildiğinde "katılmak" anlamına gelir. Bilimsel terim aynı bedenin, maddenin durumunu ifade eder. Belirli sıcaklıklarda ve farklı basınçlarda katıların, gazların ve sıvıların varlığı, Dünya'nın tüm kabuklarının karakteristik özelliğidir. Toplamanın üç temel durumuna ek olarak dördüncüsü de vardır. Şu tarihte: yükselmiş sıcaklık ve sabit basınçta gaz plazmaya dönüşür. Toplanma durumunun ne olduğunu daha iyi anlamak için maddeleri ve cisimleri oluşturan en küçük parçacıkları hatırlamak gerekir.
Yukarıdaki diyagramda şunlar gösterilmektedir: a - gaz; b—sıvı; c katı bir cisimdir. Bu tür resimlerde daireler maddelerin yapısal unsurlarını gösterir. Bu sembol Aslında atomlar, moleküller, iyonlar katı toplar değildir. Atomlar, etrafında negatif yüklü elektronların yüksek hızda hareket ettiği pozitif yüklü bir çekirdekten oluşur. Maddenin mikroskobik yapısına ilişkin bilgi, farklı agrega formları arasındaki farklılıkların daha iyi anlaşılmasına yardımcı olur.
Mikrokozmos hakkında fikirler: Antik Yunan'dan 17. yüzyıla
Fiziksel cisimleri oluşturan parçacıklar hakkında ilk bilgi Antik Yunan. Düşünürler Demokritos ve Epikuros atom diye bir kavramı ortaya attılar. Farklı maddelerin bu en küçük bölünmez parçacıklarının bir şekle, belirli boyutlara sahip olduğuna, hareket edebildiğine ve birbirleriyle etkileşime girebildiğine inanıyorlardı. Atomculuk, Antik Yunan'ın kendi dönemi için en ileri öğretisi haline geldi. Ancak Orta Çağ'da gelişimi yavaşladı. O zamandan beri bilim adamları Roma Katolik Kilisesi'nin Engizisyonu tarafından zulüm gördü. Bu nedenle modern zamanlara kadar maddenin durumunun ne olduğuna dair net bir kavram yoktu. Ancak 17. yüzyıldan sonra bilim adamları R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier atom-moleküler teorinin bugün önemini kaybetmeyen hükümlerini formüle ettiler.
Atomlar, moleküller, iyonlar - maddenin yapısının mikroskobik parçacıkları
Mikrodünyanın anlaşılmasında önemli bir atılım, mikrodünyanın icat edildiği 20. yüzyılda gerçekleşti. elektron mikroskobu. Bilim adamlarının daha önce yaptığı keşifleri hesaba katarak mikro dünyanın tutarlı bir resmini oluşturmak mümkün oldu. Maddenin en küçük parçacıklarının durumunu ve davranışını tanımlayan teoriler oldukça karmaşıktır; maddenin farklı toplu hallerinin özelliklerini anlamak için, onları oluşturan ana yapısal parçacıkların adlarını ve özelliklerini bilmek yeterlidir. farklı maddeler.
- Atomlar kimyasal olarak bölünemeyen parçacıklardır. Kayıt yeri kimyasal reaksiyonlar, ancak nükleer olanlarda yok edilir. Metaller ve atomik yapıya sahip diğer birçok madde, normal koşullar altında katı bir toplanma durumuna sahiptir.
- Moleküller kimyasal reaksiyonlarda parçalanıp oluşan parçacıklardır. oksijen, su, karbon dioksit, kükürt. Oksijen, nitrojen, kükürt dioksit, karbon, oksijenin normal şartlarda fiziksel hali gaz halindedir.
- İyonlar, atomların ve moleküllerin elektron kazandıklarında veya kaybettiklerinde dönüştükleri yüklü parçacıklardır; mikroskobik negatif yüklü parçacıklardır. Sofra tuzu, demir sülfat ve bakır sülfat gibi birçok tuz iyonik yapıya sahiptir.
Parçacıkları uzayda belirli bir şekilde konumlanan maddeler vardır. Atomların, iyonların ve moleküllerin düzenli karşılıklı konumuna kristal kafes denir. Tipik olarak iyonik ve atomik kristal kafesler katıların, moleküler - sıvılar ve gazların karakteristiğidir. Elmas yüksek sertliğiyle öne çıkıyor. Atomik kristal kafesi karbon atomlarından oluşur. Ancak yumuşak grafit de bu kimyasal elementin atomlarından oluşur. Sadece uzayda farklı konumlardalar. Kükürtün olağan toplanma durumu katıdır, ancak yüksek sıcaklıklarda madde sıvıya ve amorf bir kütleye dönüşür.
Katı agregasyon halindeki maddeler
Normal koşullar altında katılar hacimlerini ve şekillerini korurlar. Örneğin bir kum tanesi, bir şeker tanesi, tuz, bir taş veya metal parçası. Şekeri ısıtırsanız, madde erimeye başlar ve viskoz kahverengi bir sıvıya dönüşür. Isıtmayı bırakalım ve tekrar katılaşalım. Bu, bir katının sıvıya geçişinin ana koşullarından birinin ısınması veya artması olduğu anlamına gelir. içsel enerji maddenin parçacıkları. Gıda için kullanılan tuzun katı halde toplanması da değiştirilebilir. Ancak sofra tuzunu eritmek için şekeri ısıtmaktan daha yüksek bir sıcaklığa ihtiyaç vardır. Gerçek şu ki, şeker moleküllerden oluşur ve tuz- birbirlerine daha güçlü bir şekilde çekilen yüklü iyonların. Sıvı formdaki katılar, kristal kafesleri tahrip olduğundan şekillerini korumazlar.
Tuzun erime sonrasındaki sıvı agrega durumu, kristallerdeki iyonlar arasındaki bağların kopmasıyla açıklanır. Taşıyabilen yüklü parçacıklar serbest bırakılır elektrik ücretleri. Erimiş tuzlar elektriği iletir ve iletkendir. Kimya, metalurji ve mühendislik endüstrilerinde katı maddeler, onlardan yeni bileşikler elde etmek veya onlara vermek üzere sıvılara dönüştürülür. farklı şekiller. Metal alaşımları yaygınlaştı. Katı hammaddelerin toplanma durumundaki değişikliklerle ilişkili olarak bunları elde etmenin birkaç yolu vardır.
Sıvı, toplanmanın temel hallerinden biridir
Tabanı yuvarlak bir şişeye 50 ml su dökerseniz maddenin hemen kimyasal madde kabı şeklini aldığını fark edeceksiniz. Ancak suyu şişeden döktüğümüz anda sıvı hemen masanın yüzeyine yayılacaktır. Suyun hacmi aynı kalacak - 50 ml, ancak şekli değişecek. Listelenen özellikler, maddenin sıvı varlığının karakteristiğidir. Birçok organik madde sıvıdır: alkoller, sebze yağları, asitler.
Süt bir emülsiyondur, yani yağ damlacıkları içeren bir sıvıdır. Yararlı bir sıvı kaynak petroldür. Karada ve okyanusta sondaj kuleleri kullanılarak kuyulardan çıkarılır. Deniz suyu aynı zamanda sanayinin de ham maddesidir. Ondan farkı temiz su nehirler ve göller, başta tuzlar olmak üzere çözünmüş maddelerin içeriğinde bulunur. Rezervuarların yüzeyinden buharlaşırken sadece H2O molekülleri buhar durumuna geçer, çözünmüş maddeler kalır. Deniz suyundan faydalı maddeler elde etme yöntemleri ve saflaştırma yöntemleri bu özelliğe dayanmaktadır.
Tuzlar tamamen uzaklaştırıldığında damıtılmış su elde edilir. 100°C'de kaynar ve 0°C'de donar. Salamuralar başka sıcaklıklarda kaynar ve buza dönüşür. Örneğin Arktik Okyanusu'ndaki su, 2 °C yüzey sıcaklığında donar.
Normal koşullar altında cıvanın fiziksel hali sıvıdır. Bu gümüşi gri metal genellikle tıbbi termometreleri doldurmak için kullanılır. Isıtıldığında cıva sütunu terazide yükselir ve madde genişler. Neden cıva yerine kırmızı boyayla renklendirilmiş alkol kullanılıyor? Bu, sıvı metalin özellikleriyle açıklanmaktadır. 30 derecelik donlarda cıvanın toplanma durumu değişir, madde katılaşır.
Tıbbi termometre kırılırsa ve cıva dökülürse gümüş topları elinizle toplamak tehlikelidir. Cıva buharını solumak zararlıdır, bu madde çok zehirlidir. Bu gibi durumlarda çocukların yardım için ebeveynlerine ve yetişkinlere başvurmaları gerekir.
Gaz hali
Gazlar hacimlerini ve şekillerini koruyamazlar. Şişeyi ağzına kadar oksijenle doldurun ( kimyasal formül 02). Şişeyi açtığımız anda maddenin molekülleri odadaki havayla karışmaya başlayacaktır. Bu Brownian hareketi nedeniyle oluşur. Antik Yunan bilim adamı Demokritos bile madde parçacıklarının sürekli hareket halinde olduğuna inanıyordu. Katılarda normal koşullar altında atomların, moleküllerin ve iyonların kristal kafesinden ayrılma veya diğer parçacıklarla olan bağlardan kurtulma şansı yoktur. Bu ancak dışarıdan büyük miktarda enerji sağlandığı zaman mümkündür.
Sıvılarda parçacıklar arasındaki mesafe katılara göre biraz daha fazladır; moleküller arası bağları kırmak için daha az enerjiye ihtiyaç duyarlar. Örneğin oksijenin sıvı hali yalnızca gaz sıcaklığı -183 °C'ye düştüğünde gözlemlenir. -223 °C'de O2 molekülleri bir katı oluşturur. Sıcaklık bu değerlerin üzerine çıktığında oksijen gaza dönüşür. Normal şartlarda bu formda bulunur. Açık endüstriyel Girişimcilik Atmosfer havasını ayırıp ondan nitrojen ve oksijen elde etmek için özel tesisler bulunmaktadır. Önce hava soğutulup sıvılaştırılır, ardından sıcaklık kademeli olarak artırılır. Azot ve oksijen farklı koşullar altında gazlara dönüşür.
Dünya atmosferi hacimce %21 oksijen ve %78 nitrojen içerir. Bu maddeler gezegenin gaz zarfında sıvı halde bulunmaz. Sıvı oksijen açık mavi renktedir ve yüksek tansiyon Tıbbi kurumlarda kullanılmak üzere silindirleri doldurun. Endüstride ve inşaatta birçok işlemi gerçekleştirmek için sıvılaştırılmış gazlara ihtiyaç vardır. için oksijene ihtiyaç vardır gaz kaynağı ve kimyada metallerin kesilmesi - inorganik ve organik maddelerin oksidasyon reaksiyonları için. Oksijen tüpünün valfini açarsanız basınç düşer ve sıvı gaza dönüşür.
Sıvılaştırılmış propan, metan ve bütan enerji, ulaşım, sanayi ve ev faaliyetlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu maddeler doğal gazdan veya petrol ham maddesinin parçalanması (bölünmesi) sırasında elde edilir. Karbon sıvı ve gaz karışımları birçok ülkenin ekonomisinde önemli bir rol oynamaktadır. Ancak petrol ve doğalgaz rezervleri ciddi oranda tükenmiş durumda. Bilim adamlarına göre bu hammadde 100-120 yıl dayanacak. Alternatif kaynak enerji - hava akışı (rüzgar). Deniz ve okyanus kıyılarındaki hızlı akan nehirler ve gelgitler, enerji santrallerinin işletilmesinde kullanılıyor.
Oksijen, diğer gazlar gibi, bir plazmayı temsil eden dördüncü toplanma durumunda olabilir. Katı halden gaz durumuna olağandışı geçiş - karakteristik kristal iyot. Koyu mor madde süblimleşmeye uğrar - sıvı halini atlayarak gaza dönüşür.
Maddenin bir toplu halinden diğerine geçişler nasıl yapılır?
Maddelerin toplam halindeki değişiklikler kimyasal dönüşümlerle ilişkili değildir, bunlar fiziksel olgulardır. Sıcaklık arttıkça birçok katı madde erir ve sıvıya dönüşür. Sıcaklığın daha da artması buharlaşmaya, yani maddenin gaz halindeki durumuna yol açabilir. Doğada ve ekonomide bu tür geçişler Dünya'daki ana maddelerden birinin karakteristiğidir. Buz, sıvı, buhar suyun farklı dış koşullar altındaki halleridir. Bileşik aynıdır, formülü H2O'dur. 0°C sıcaklıkta ve bu değerin altında su kristalleşir, yani buza dönüşür. Sıcaklık arttıkça ortaya çıkan kristaller yok edilir - buz erir ve tekrar sıvı su elde edilir. Isıtıldığında buharlaşma oluşur - suyun gaza dönüşümü - şu anda bile gerçekleşir: Düşük sıcaklık. Örneğin donmuş su birikintileri, suyun buharlaşması nedeniyle yavaş yavaş kaybolur. Soğuk havalarda bile ıslak çamaşırlar kurur ancak bu işlem sıcak bir güne göre daha uzun sürer.
Suyun bir durumdan diğerine listelenen tüm geçişleri, Dünya'nın doğası için büyük önem taşımaktadır. Atmosfer olayları, iklim ve hava, Dünya Okyanusunun yüzeyinden suyun buharlaşması, nemin bulut ve sis şeklinde karaya aktarılması ve yağış (yağmur, kar, dolu) ile ilişkilidir. Bu olaylar doğadaki Dünya su döngüsünün temelini oluşturur.
Kükürtün toplam durumları nasıl değişir?
Normal koşullar altında kükürt parlak parlak kristaller veya açık sarı toz halindedir, yani katı bir maddedir. Kükürtün fiziksel durumu ısıtıldığında değişir. İlk olarak sıcaklık 190 °C'ye yükseldiğinde sarı madde eriyerek hareketli bir sıvıya dönüşür.
Hızlı bir şekilde sıvı kükürt dökerseniz soğuk su daha sonra kahverengi amorf bir kütle elde edilir. Kükürt eriyiğinin daha fazla ısıtılmasıyla giderek daha viskoz hale gelir ve koyulaşır. 300 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda kükürtün toplanma durumu tekrar değişir, madde sıvı özelliklerini kazanır ve hareketli hale gelir. Bu geçişler, bir elementin atomlarının farklı uzunluklarda zincirler oluşturabilme yeteneği nedeniyle ortaya çıkar.
Maddeler neden farklı fiziksel hallerde olabilir?
Basit bir madde olan kükürtün toplanma durumu normal koşullar altında katıdır. Kükürt dioksit bir gazdır sülfürik asit- yağlı bir sıvı sudan daha ağırdır. Tuzdan farklı olarak nitrik asitler uçucu değildir, moleküller yüzeyinden buharlaşmaz. Kristallerin ısıtılmasıyla elde edilen plastik kükürt hangi toplanma durumuna sahiptir?
Amorf formunda madde, önemsiz akışkanlığa sahip bir sıvı yapısına sahiptir. Ancak plastik kükürt aynı anda şeklini (katı olarak) korur. Var olmak sıvı kristaller katıların bir takım karakteristik özelliklerine sahiptir. Dolayısıyla bir maddenin farklı koşullar altındaki durumu onun doğasına, sıcaklığına, basıncına ve diğer dış koşullara bağlıdır.
Katıların yapısında hangi özellikler bulunur?
Maddenin temel toplam halleri arasındaki mevcut farklılıklar atomlar, iyonlar ve moleküller arasındaki etkileşimle açıklanmaktadır. Örneğin, maddenin katı hali neden cisimlerin hacmini ve şeklini koruma yeteneğine yol açıyor? Bir metalin veya tuzun kristal kafesinde yapısal parçacıklar birbirine çekilir. Metallerde pozitif yüklü iyonlar, bir metal parçasındaki serbest elektron topluluğu olan "elektron gazı" adı verilen şeyle etkileşime girer. Tuz kristalleri, zıt yüklü parçacıkların - iyonların çekilmesi nedeniyle ortaya çıkar. Yukarıdaki katı yapısal birimleri arasındaki mesafe, parçacıkların boyutlarından çok daha küçüktür. Bu durumda elektrostatik çekim etki eder, kuvvet verir, ancak itme yeterince güçlü değildir.
Bir maddenin katı agregasyon durumunu yok etmek için çaba sarf edilmelidir. Metaller, tuzlar ve atomik kristaller çok yüksek sıcaklıklarda erir. Örneğin demir 1538 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda sıvı hale gelir. Tungsten refrakterdir ve ampuller için akkor filamanların yapımında kullanılır. 3000 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda sıvı hale gelen alaşımlar vardır. Dünyadaki pek çok şey katı haldedir. Bu hammaddeler madenlerde ve taş ocaklarında teknoloji kullanılarak çıkarılmaktadır.
Bir kristalden tek bir iyonu bile ayırmak için büyük miktarda enerji harcanması gerekir. Ancak kristal kafesin parçalanması için tuzun suda çözülmesi yeterlidir! Bu fenomen, suyun polar bir çözücü olarak şaşırtıcı özellikleriyle açıklanmaktadır. H2O molekülleri tuz iyonlarıyla etkileşime girerek aralarındaki kimyasal bağı yok eder. Dolayısıyla çözünme, farklı maddelerin basit bir şekilde karıştırılması değil, aralarındaki fizikokimyasal bir etkileşimdir.
Sıvı moleküller nasıl etkileşir?
Su sıvı, katı ve gaz (buhar) olabilir. Bunlar normal koşullar altında temel toplanma durumlarıdır. Su molekülleri, iki hidrojen atomunun bağlı olduğu bir oksijen atomundan oluşur. Moleküldeki kimyasal bağın polarizasyonu meydana gelir ve oksijen atomlarında kısmi bir negatif yük belirir. Hidrojen, başka bir molekülün oksijen atomu tarafından çekilerek moleküldeki pozitif kutup haline gelir. Buna "hidrojen bağı" denir.
Agregasyonun sıvı durumu, yapısal parçacıklar arasındaki boyutlarıyla karşılaştırılabilecek mesafelerle karakterize edilir. Çekim vardır ancak zayıftır, dolayısıyla su şeklini korumaz. Buharlaşma, oda sıcaklığında bile sıvının yüzeyinde oluşan bağların tahrip olması nedeniyle meydana gelir.
Gazlarda moleküller arası etkileşimler var mıdır?
Bir maddenin gaz hali, bir takım parametreler açısından sıvı ve katıdan farklılık gösterir. Gazların yapısal parçacıkları arasında moleküllerin boyutlarından çok daha büyük olan büyük boşluklar vardır. Bu durumda çekim kuvvetleri hiçbir şekilde etki etmez. Gaz halindeki toplanma durumu havada bulunan maddelerin karakteristiğidir: nitrojen, oksijen, karbondioksit. Aşağıdaki resimde birinci küp gazla, ikincisi sıvıyla, üçüncüsü ise katıyla doldurulmuştur.
Birçok sıvı uçucudur; maddenin molekülleri yüzeylerinden koparak havaya karışır. Örneğin hidroklorik asitle ıslatılmış bir pamuk yünü açık bir hidroklorik asit şişesinin ağzına getirirseniz, amonyak ardından beyaz duman belirir. Hidroklorik asit ile amonyak arasında doğrudan havada kimyasal bir reaksiyon meydana gelir ve amonyum klorür oluşur. Bu madde hangi toplanma durumundadır? Beyaz duman oluşturan parçacıkları küçük, katı tuz kristalleridir. Bu deney bir başlık altında yapılmalıdır; maddeler zehirlidir.
Çözüm
Gazın toplanma durumu birçok seçkin fizikçi ve kimyager tarafından incelenmiştir: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendeleev, Le Chatelier. Bilim adamları davranışı açıklayan yasalar formüle ettiler gaz halindeki maddeler kimyasal reaksiyonlarda dış koşullar değiştiğinde. Açık modeller sadece fizik ve kimya üzerine okul ve üniversite ders kitaplarında yer almıyordu. Birçok kimyasal üretim Maddelerin farklı toplanma durumlarındaki davranışları ve özellikleri hakkındaki bilgilere dayanmaktadır.
Toplama durumu- bu, belirli bir sıcaklık ve basınç aralığında bir maddenin durumudur ve şu özelliklerle karakterize edilir: hacim ve şekli koruma yeteneği (katı) veya yetersizliği (sıvı, gaz); uzun menzilli (katı) veya kısa menzilli (sıvı) düzenin ve diğer özelliklerin varlığı veya yokluğu.
Bir madde üç toplanma durumunda olabilir: katı, sıvı veya gaz halinde; şu anda ek bir plazma (iyonik) durumu ayırt edilmektedir.
İÇİNDE gazlı Bu durumda maddenin atomları ve molekülleri arasındaki mesafe büyük, etkileşim kuvvetleri küçük ve uzayda düzensiz hareket eden parçacıklar potansiyel enerjiyi aşan büyük bir kinetik enerjiye sahip oluyor. Gaz halindeki bir maddenin kendine ait şekli ve hacmi yoktur. Gaz mevcut tüm alanı doldurur. Bu durum düşük yoğunluklu maddeler için tipiktir.
İÇİNDE sıvı durumunda, maddenin hacminde periyodik olarak atomların sıralı düzenine sahip bireysel alanlar göründüğünde, yalnızca kısa menzilli atom veya molekül sırası korunur, ancak bu alanların karşılıklı yönelimi de yoktur. Kısa menzilli düzen kararsızdır ve atomların termal titreşimlerinin etkisi altında ya kaybolabilir ya da yeniden ortaya çıkabilir. Sıvı moleküllerin belirli bir konumu yoktur ve aynı zamanda tam bir hareket özgürlüğüne de sahip değildirler. Sıvı haldeki malzemenin kendine ait bir şekli yoktur, yalnızca hacmini korur. Sıvı, kabın hacminin yalnızca bir kısmını kaplayabilir, ancak kabın tüm yüzeyi üzerinde serbestçe akabilir. Sıvı hal genellikle katı ile gaz arasında bir ara madde olarak kabul edilir.
İÇİNDE zor Bir maddede atomların düzeni kesin olarak tanımlanır, doğal olarak düzenlenir, parçacıklar arasındaki etkileşim kuvvetleri karşılıklı olarak dengelenir, böylece cisimler şeklini ve hacmini korur. Atomların uzaydaki düzenli düzeni kristalin durumu karakterize eder; atomlar bir kristal kafes oluşturur.
Katılar amorf veya kristal yapıya sahiptir. İçin amorf cisimler yalnızca atomların veya moleküllerin düzenlenmesindeki kısa menzilli düzen ile, uzaydaki atomların, moleküllerin veya iyonların kaotik bir düzenlemesiyle karakterize edilir. Amorf cisimlerin örnekleri, aslında bir sıvı gibi yavaş akmalarına rağmen dışarıdan katı halde olan cam, zift, var'dır. Amorf cisimlerin, kristal olanlardan farklı olarak belirli bir erime noktası yoktur. Amorf katılar, kristal katılar ve sıvılar arasında bir ara pozisyonda bulunur.
Çoğu katı madde var kristalimsi atomların veya moleküllerin uzayda düzenli düzenlenmesi ile karakterize edilen bir yapı. Kristal yapı, yapının elemanları periyodik olarak tekrarlandığında uzun menzilli düzen ile karakterize edilir; kısa menzilli düzende böyle doğru bir tekrar yoktur. Karakteristik özellik Kristalin gövde, şekli koruma yeteneğidir. Modeli uzaysal bir kafes olan ideal bir kristalin işareti simetrinin özelliğidir. Simetri, katı bir cismin kristal kafesinin, noktaları simetri düzlemi adı verilen belirli bir düzlemden yansıtıldığında kendisiyle hizalanma konusundaki teorik yeteneğini ifade eder. Dış şeklin simetrisi kristalin iç yapısının simetrisini yansıtır. Örneğin, tüm metaller kristal bir yapıya sahiptir ve iki tür simetriyle karakterize edilir: kübik ve altıgen.
Atomların düzensiz dağılımına sahip amorf yapılarda, maddenin farklı yönlerdeki özellikleri aynıdır, yani camsı (amorf) maddeler izotropiktir.
Tüm kristaller anizotropi ile karakterize edilir. Kristallerde atomlar arasındaki mesafeler sıralıdır, ancak farklı yönlerde sıralama derecesi aynı olmayabilir, bu da kristal maddenin özelliklerinde farklı yönlerde farklılıklara yol açar. Bir kristal maddenin özelliklerinin kafesindeki yöne bağımlılığına denir. anizotropiözellikler. Anizotropi, hem fiziksel hem de mekanik ve diğer özellikleri ölçerken kendini gösterir. Kristalde yöne bağlı olmayan özellikler (yoğunluk, ısı kapasitesi) vardır. Özelliklerin çoğu yön seçimine bağlıdır.
Belirli bir malzeme hacmine sahip nesnelerin özelliklerini ölçmek mümkündür: boyutlar - birkaç milimetreden onlarca santimetreye kadar. Yapısı kristal hücreyle aynı olan bu nesnelere tek kristal denir.
Özelliklerin anizotropisi, tek kristallerde kendini gösterir ve çok sayıda küçük, rastgele yönlendirilmiş kristalden oluşan polikristalin bir maddede pratik olarak yoktur. Bu nedenle çok kristalli maddelere yarı izotropik denir.
Paketler, bobinler (globüller), fibriller vb. şeklinde supramoleküler yapıların oluşmasıyla molekülleri düzenli bir şekilde düzenlenebilen polimerlerin kristalleşmesi belirli bir sıcaklık aralığında gerçekleşir. Karmaşık yapı moleküller ve bunların agregatları, ısıtıldığında polimerlerin spesifik davranışını belirler. Düşük viskoziteli sıvı duruma geçemezler ve gaz halinde değildirler. Katı formda polimerler camsı, oldukça elastik ve viskoz hallerde olabilir. Doğrusal veya dallanmış moleküllere sahip polimerler, sıcaklık değiştiğinde bir durumdan diğerine geçebilir, bu da polimerin deformasyon sürecinde kendini gösterir. İncirde. Şekil 9 deformasyonun sıcaklığa bağımlılığını göstermektedir.
Pirinç. 9 Amorf bir polimerin termomekanik eğrisi: T C , T T, T p - sırasıyla cam geçişi, akışkanlık ve kimyasal ayrışma sıcaklıklarının başlangıcı; I - III - sırasıyla camsı, oldukça elastik ve viskoz durum bölgeleri; Δ ben- deformasyon.
Moleküllerin düzeninin uzaysal yapısı yalnızca polimerin camsı durumunu belirler. Düşük sıcaklıklarda tüm polimerler elastik olarak deforme olur (Şekil 9, bölge I). Camsı geçiş sıcaklığının üstünde T c amorf polimer c doğrusal yapı oldukça elastik bir duruma geçer ( bölge II) ve camsı ve oldukça elastik durumlardaki deformasyonu tersine çevrilebilir. Akma noktasının üzerinde ısıtma T t polimeri viskoz bir akış durumuna aktarır ( bölge III). Viskoz akış durumunda bir polimerin deformasyonu geri döndürülemez. Uzamsal (ağ, çapraz bağlı) yapıya sahip amorf bir polimer, viskoz bir akış durumuna sahip değildir; oldukça elastik durumun sıcaklık bölgesi, polimer ayrışma sıcaklığına kadar genişler T R. Bu davranış kauçuk gibi malzemeler için tipiktir.
Herhangi bir toplanma durumundaki bir maddenin sıcaklığı, parçacıklarının (atomlar ve moleküller) ortalama kinetik enerjisini karakterize eder. Cisimlerdeki bu parçacıklar, enerjinin minimum olduğu denge merkezine göre esas olarak titreşim hareketlerinin kinetik enerjisine sahiptir. Belirli bir kritik sıcaklığa ulaşıldığında katı malzeme gücünü (kararlılığını) kaybeder ve erir, sıvı ise buhara dönüşür: kaynar ve buharlaşır. Bu kritik sıcaklıklar erime ve kaynama noktalarıdır.
Kristalin bir malzeme belirli bir sıcaklıkta ısıtıldığında, moleküller o kadar enerjik bir şekilde hareket eder ki, polimerdeki sert bağlar kırılır ve kristaller yok edilir; sıvı duruma dönüşürler. Kristallerin ve sıvının dengede olduğu sıcaklığa kristalin erime noktası veya sıvının katılaşma noktası denir. İyot için bu sıcaklık 114 o C'dir.
Her kimyasal element bireysel bir erime noktasına sahiptir T pl, katı ve sıvının varlığı ve kaynama noktasının ayrılması T kip, sıvının gaza geçişine karşılık gelir. Bu sıcaklıklarda maddeler termodinamik dengededir. Toplanma durumundaki bir değişikliğe serbest enerji, entropi, yoğunluk ve diğerlerinde ani bir değişiklik eşlik edebilir fiziksel özellikler.
Çeşitli durumları tanımlamak için fizik daha geniş bir kavram kullanıyor Termodinamik aşama. Bir aşamadan diğerine geçişleri tanımlayan olaylara kritik denir.
Isıtıldığında maddeler faz dönüşümüne uğrar. Bakır eridiğinde (1083 o C) atomların yalnızca kısa menzilli düzene sahip olduğu bir sıvıya dönüşür. 1 atm basınçta bakır 2310 o C'de kaynar ve rastgele düzenlenmiş bakır atomları ile gaz halindeki bakıra dönüşür. Erime noktasında kristalin ve sıvının doymuş buhar basınçları eşittir.
Malzeme bir bütün olarak bir sistemdir.
Sistem- bir grup maddenin bir araya gelmesi fiziksel, kimyasal veya mekanik etkileşimler. Faz Bir sistemin diğer parçalardan ayrılmış homojen kısmına denir fiziksel arayüz sınırları (dökme demirde: grafit + demir taneleri; buzlu suda: buz + su).Bileşenler sistemler oluşan farklı aşamalardır bu sistem. Sistem bileşenleri- bunlar belirli bir sistemin tüm aşamalarını (bileşenlerini) oluşturan maddelerdir.
İki veya daha fazla fazdan oluşan malzemeler dağınık, dağılmış sistemler Dağınık sistemler, davranışı sıvıların davranışına benzeyen sollara ve jellere bölünmüştür. karakteristik özellikler katılar Sollarda maddenin dağıldığı dispersiyon ortamı sıvıdır; jellerde ise katı faz baskındır. Jeller yarı kristal metal, beton, düşük sıcaklıklarda su içinde bir jelatin çözeltisidir (yüksek sıcaklıklarda jelatin bir sol haline dönüşür). Hidrosol sudaki bir dispersiyondur, aerosol ise havadaki bir dispersiyondur.
Durum diyagramları.
Termodinamik bir sistemde her faz sıcaklık gibi parametrelerle karakterize edilir. T, konsantrasyon İle ve basınç R. Faz dönüşümlerini tanımlamak için tek bir enerji özelliği kullanılır: Gibbs serbest enerjisi ΔG(termodinamik potansiyel).
Termodinamik, dönüşümleri tanımlamada denge durumunu dikkate almakla sınırlıdır. Denge durumu termodinamik sistem, teknolojik işlemlerde olduğu gibi termodinamik parametrelerin (sıcaklık ve konsantrasyon) değişmezliği ile karakterize edilir. R= const) zaman içinde ve içinde enerji ve madde akışının olmaması - sabit dış koşullarla. Faz dengesi- iki veya daha fazla bileşenden oluşan bir termodinamik sistemin denge durumu Daha aşamalar
Bir sistemin denge koşullarını matematiksel olarak tanımlamak için faz kuralı Gibbs tarafından türetilmiştir. Bir denge sistemindeki fazların (F) ve bileşenlerin (K) sayısını sistemin değişkenliğine, yani termodinamik serbestlik derecesinin (C) sayısına bağlar.
Bir sistemin termodinamik serbestlik derecesi (varyans) sayısı, dahili bağımsız değişkenlerin sayısıdır ( kimyasal bileşim fazlar) ve harici (sıcaklık), çeşitli keyfi (belirli bir aralıkta) değerler verilebilir, böylece yeni fazlar görünmez ve eski fazlar kaybolmaz.
Gibbs faz kuralı denklemi:
C = K - F + 1.
Bu kurala göre iki bileşenli bir sistemde (K = 2) mümkündür. aşağıdaki seçeneklerözgürlük derecesi:
Tek fazlı durum için (F = 1) C = 2, yani sıcaklığı ve konsantrasyonu değiştirebilirsiniz;
İki fazlı durum için (F = 2) C = 1, yani yalnızca bir harici parametre değiştirilebilir (örneğin sıcaklık);
Üç fazlı bir durum için serbestlik derecesi sayısı sıfırdır, yani sistemdeki dengeyi bozmadan sıcaklık değiştirilemez (sistem değişmez).
Örneğin saf bir metal için (K = 1) kristalleşme sırasında iki faz (F = 2) olduğunda serbestlik derecesi sayısı sıfırdır. Bu, işlem tamamlanana ve bir faz (katı kristal) kalana kadar kristalizasyon sıcaklığının değiştirilemeyeceği anlamına gelir. Kristalleşmenin sona ermesinden sonra (Ф = 1), serbestlik derecesi sayısı 1'dir, böylece sıcaklığı değiştirebilirsiniz, yani dengeyi bozmadan katıyı soğutabilirsiniz.
Sistemlerin sıcaklığa ve konsantrasyona bağlı davranışı bir faz diyagramı ile tanımlanır. Suyun faz diyagramı tek bileşenli H 2 O içeren bir sistemdir, bu nedenle en büyük sayı Aynı anda dengede olabilen fazlar üçe eşittir (Şekil 10). Bu üç faz sıvı, buz ve buhardır. Bu durumda serbestlik derecesi sayısı sıfırdır, yani. Fazlardan herhangi biri kaybolmadan ne basınç ne de sıcaklık değiştirilemez. Sıradan buz, sıvı su ve su buharı, yalnızca 0,61 kPa basınçta ve 0,0075 ° C sıcaklıkta aynı anda dengede bulunabilir. Üç fazın bir arada bulunduğu noktaya üçlü nokta denir ( Ö).
Eğri işletim sistemi buhar ve sıvı bölgelerini ayırır ve doymuş su buharı basıncının sıcaklığa bağımlılığını temsil eder. OS eğrisi, sıvı su ve su buharının birbiriyle dengede olduğu birbiriyle ilişkili sıcaklık ve basınç değerlerini gösterir, bu nedenle buna sıvı-buhar denge eğrisi veya kaynama eğrisi denir.
Şekil 10 Suyun durumunun diyagramı
Eğri doğum günü Sıvı bölgeyi buz bölgesinden ayırır. Katı-sıvı denge eğrisidir ve erime eğrisi olarak adlandırılır. Bu eğri, buz ve sıvı suyun dengede olduğu birbiriyle ilişkili sıcaklık ve basınç değerleri çiftlerini gösterir.
Eğri O.A. süblimleşme eğrisi olarak adlandırılır ve buz ile su buharının dengede olduğu birbiriyle ilişkili basınç ve sıcaklık değerleri çiftlerini gösterir.
Faz diyagramı, basınç ve sıcaklık gibi dış koşullara bağlı olarak farklı fazların bulunduğu bölgeleri temsil etmenin görsel bir yoludur. Durum diyagramları malzeme biliminde ürün üretiminin çeşitli teknolojik aşamalarında aktif olarak kullanılmaktadır.
Bir sıvı, kristal katıdan düşük viskozite değerleri (moleküllerin iç sürtünmesi) ve yüksek akışkanlık değerleri (viskozitenin tersi) ile farklılık gösterir. Bir sıvı, içinde parçacıkların düzenlendiği birçok molekül kümesinden oluşur. belli bir sırayla kristallerdeki sıraya benzer. Yapısal birimlerin doğası ve parçacıklar arası etkileşimler sıvının özelliklerini belirler. Sıvılar vardır: monoatomik (sıvılaştırılmış soy gazlar), moleküler (su), iyonik (erimiş tuzlar), metalik (erimiş metaller), sıvı yarı iletkenler. Çoğu durumda sıvı yalnızca bir toplanma durumu değil aynı zamanda termodinamik (sıvı) bir fazdır.
Sıvı maddeler çoğunlukla çözeltilerdir. Çözüm homojen ama kimyasal olarak değil saf madde, bir çözünen ve bir çözücüden oluşur (çözücü örnekleri su veya organik çözücülerdir: dikloroetan, alkol, karbon tetraklorür vb.), dolayısıyla maddelerin bir karışımıdır. Bir örnek, sudaki alkol çözeltisidir. Ancak çözeltiler aynı zamanda gaz (örneğin hava) veya katı (metal alaşımları) maddelerin karışımlarıdır.
Düşük oranda kristalizasyon merkezlerinin oluştuğu ve viskozitenin güçlü bir şekilde arttığı koşullar altında soğutulduğunda camsı bir durum meydana gelebilir. Camlar, erimiş inorganik ve organik bileşiklerin aşırı soğutulmasıyla elde edilen izotropik katı malzemelerdir.
Bir kristal halinden izotropik bir sıvıya geçişi, bir ara sıvı kristal hali yoluyla meydana gelen birçok bilinen madde vardır. Molekülleri aşağıdaki şekle sahip olan maddeler için tipiktir. uzun çubuklar(çubuklar) asimetrik bir yapıya sahip. Bu tür faz geçişleri termal etkilerle birlikte mekanik, optik, dielektrik ve diğer özelliklerde ani değişikliklere neden olur.
Sıvı kristaller sıvı gibi uzun bir damla şeklini veya bir kap şeklini alabilir, yüksek akışkanlığa sahiptir ve birleşme yeteneğine sahiptir. Bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Optik özellikleri büyük ölçüde dış koşullardaki küçük değişikliklere bağlıdır. Bu özellik elektro-optik cihazlarda kullanılmaktadır. Özellikle elektronik cihazların imalatında sıvı kristaller kullanılır. kol saati, görsel ekipman vb.
Toplamanın ana durumları şunları içerir: plazma- kısmen veya tamamen iyonize gaz. Oluşum yöntemine bağlı olarak, iki tür plazma ayırt edilir: gaz yüksek sıcaklıklara ısıtıldığında oluşan termal ve gazlı bir ortamda elektriksel deşarjlar sırasında oluşan gazlı.
Plazma-kimyasal prosesler teknolojinin birçok dalında güçlü bir yer edinmiştir. Refrakter metalleri kesmek ve kaynaklamak için kullanılırlar, çeşitli maddelerin sentezi, plazma ışık kaynakları yaygın olarak kullanılır, termonükleerde plazma kullanımı enerji santralleri vesaire.
Bir maddenin topaklanma durumuna genellikle onun şeklini ve hacmini koruma yeteneği denir. Ek bir özellik, bir maddenin bir toplanma durumundan diğerine geçiş yöntemleridir. Buna dayanarak üç toplama durumu ayırt edilir: katı, sıvı ve gaz. Görünür özellikleri şunlardır:
Sağlam bir gövde hem şekli hem de hacmi korur. Eriyerek sıvıya veya süblimleşmeyle doğrudan gaza geçebilir.
- Sıvı – hacmini korur ancak şeklini korumaz, yani akışkanlığa sahiptir. Dökülen sıvı, üzerine döküldüğü yüzey üzerinde süresiz olarak yayılma eğilimindedir. Sıvı kristalleşerek katı, buharlaşarak ise gaz haline gelebilir.
- Gaz – şeklini veya hacmini korumaz. Herhangi bir kabın dışındaki gaz her yöne sınırsız olarak genişleme eğilimindedir. Dünyanın atmosferinin uzaya dağılmaması nedeniyle yalnızca yerçekimi onu bunu yapmaktan alıkoyabilir. Gaz, yoğunlaşma yoluyla sıvıya, çökelme yoluyla doğrudan katıya geçer.
Faz geçişleri
Bir maddenin bir toplanma halinden diğerine geçişine faz geçişi denir, çünkü bilimsel toplanma durumu maddenin fazıdır. Örneğin su, katı fazda (buz), sıvı (sade su) ve gaz fazında (su buharı) bulunabilir.
Su örneği de iyi bir şekilde gösterilmiştir. Soğuk, rüzgarsız bir günde kuruması için bahçeye asılırsa hemen donar, ancak bir süre sonra kuru olduğu ortaya çıkar: buz süblimleşerek doğrudan su buharına dönüşür.
Kural olarak, katıdan sıvıya ve gaza faz geçişi ısıtmayı gerektirir, ancak ortamın sıcaklığı artmaz: Termal enerji maddedeki iç bağları kırmaya gider. Bu sözde gizli ısıdır. Ters faz geçişleri sırasında (yoğunlaşma, kristalleşme) bu ısı açığa çıkar.
Buhar yanıklarının bu kadar tehlikeli olmasının nedeni budur. Cilde temas ettiğinde yoğunlaşır. Suyun buharlaşma/yoğunlaşma gizli ısısı çok yüksektir: su bu bakımdan anormal bir maddedir; Bu nedenle Dünya'da yaşam mümkündür. Buhar yanıklarında, suyun yoğunlaşmasının gizli ısısı yanmış bölgeyi çok derinden "haşlar" ve buhar yanığının sonuçları, vücudun aynı bölgesindeki alevden çok daha şiddetlidir.
Psödofazlar
Bir maddenin sıvı fazının akışkanlığı, onun viskozitesi ile belirlenir ve viskozite, bir sonraki bölümde tartışılacak olan iç bağların doğası ile belirlenir. Sıvının viskozitesi çok yüksek olabilir ve bu sıvı gözle fark edilmeden akabilir.
Klasik bir örnek camdır. Katı değil, çok viskoz bir sıvıdır. Depolardaki cam levhaların asla duvara çapraz olarak depolanmadığını lütfen unutmayın. Birkaç gün içinde kendi ağırlıkları altında bükülecekler ve tüketime uygun olmayacaklar.
Diğer sözde katılar ayakkabı cilası ve inşaat zeminidir. Çatıdaki köşeli parçayı unutursanız, yaz boyunca pasta şeklinde yayılacak ve tabana yapışacaktır. Sözde katı cisimler, erimenin doğası gereği gerçek olanlardan ayırt edilebilir: gerçek olanlar ya hemen yayılana kadar (lehimlenene kadar) şekillerini korurlar ya da su birikintileri ve akıntılar (buz) bırakarak yüzerler. Ve zift veya bitüm gibi çok viskoz sıvılar yavaş yavaş yumuşar.
Plastikler, akışkanlığı uzun yıllar ve on yıllar boyunca fark edilmeyen son derece viskoz sıvılardır. Şeklini koruma konusundaki yüksek yetenekleri, polimerlerin devasa moleküler ağırlığı, binlerce ve milyonlarca hidrojen atomu ile sağlanır.
Maddenin faz yapısı
Gaz fazında, bir maddenin molekülleri veya atomları birbirinden çok uzaktadır; aralarındaki mesafeden kat kat daha fazladır. Sadece çarpışmalar sırasında ara sıra ve düzensiz bir şekilde birbirleriyle etkileşime girerler. Etkileşimin kendisi esnektir: Sert toplar gibi çarpıştılar ve anında dağıldılar.
Bir sıvıda moleküller/atomlar, kimyasal yapıdaki çok zayıf bağlar nedeniyle sürekli olarak birbirlerini “hissederler”. Bu bağlar sürekli olarak kopar ve hemen yeniden kurulur; sıvının molekülleri birbirine göre sürekli hareket eder, bu nedenle sıvı akar. Ancak onu gaza dönüştürmek için tüm bağları aynı anda kırmanız gerekir ve bu çok fazla enerji gerektirir, bu nedenle sıvı hacmini korur.
Bu bakımdan su, sıvı içindeki moleküllerinin oldukça güçlü olan hidrojen bağları ile bağlanması bakımından diğer maddelerden farklıdır. Bu nedenle su, yaşam için normal sıcaklıkta sıvı olabilir. Molekül ağırlığı suyunkinden onlarca, yüzlerce kat daha fazla olan birçok madde, normal koşullar– sıradan ev gazı gibi gazlar.
Bir katıda, tüm moleküller güçlü etki nedeniyle sıkı bir şekilde yerinde kalır. Kimyasal bağlar aralarında kristal bir kafes oluşturuyor. Doğru şekle sahip kristaller büyümeleri için gereklidir Özel durumlar ve bu nedenle doğada nadiren bulunur. Çoğu katı, mekanik ve elektriksel kuvvetlerle sıkı bir şekilde birleştirilmiş küçük ve minik kristallerden (kristalitler) oluşan kümelerdir.
Okuyucu, örneğin bir arabanın çatlak aks milini veya dökme demir ızgarayı görmüşse, hurda üzerindeki kristalit taneleri çıplak gözle görülebilir. Ve kırılmış porselen veya çanak çömlek parçalarında büyüteç altında görülebilirler.
Plazma
Fizikçiler ayrıca maddenin dördüncü bir durumunu da tanımlarlar: plazma. Plazmada elektronlar atom çekirdeklerinden ayrılır ve elektrik yüklü parçacıkların bir karışımıdır. Plazma çok yoğun olabilir. Örneğin, yıldızların (beyaz cüceler) iç kısmındaki bir santimetreküp plazma onlarca ve yüzlerce ton ağırlığındadır.
Plazma, parçacıklarının yüklü olması nedeniyle elektromanyetik alanlarla aktif olarak etkileşime girdiğinden ayrı bir toplanma durumuna izole edilir. Boş alanda plazma genişleme, soğuma ve gaza dönüşme eğilimindedir. Ancak etki altında, katı bir cisim gibi şeklini ve hacmini kabın dışında tutabilir. Plazmanın bu özelliği, geleceğin enerji santrallerinin prototipleri olan termonükleer enerji reaktörlerinde kullanılmaktadır.
