Що таке агрегатний стан? Агрегатний стан речовини

Питання про те, що таке агрегатний стан, якими особливостями і властивостями володіють тверді речовини, рідини і гази, розглядаються в кількох навчальних курсах. Існує три класичних стану матерії, зі своїми характерними рисами будови. Їхнє розуміння є важливим моментом в осягненні наук про Землю, живих організмах, виробничої діяльності. Ці питання вивчають фізика, хімія, географія, геологія, фізична хімія та інші наукові дисципліни. Речовини, що знаходяться за певних умов в одному з трьох базових типів стану, можуть змінюватися при підвищенні або зниженні температури, тиску. Розглянемо можливі переходи з одних агрегатних станів в інші, як вони здійснюються в природі, техніці та повсякденному житті.

Що таке агрегатний стан?

Слово латинського походження "aggrego" в перекладі на російську мову означає «приєднувати». Науковий термін відноситься до стану одного і того ж тіла, речовини. Існування при певних температурних значеннях і різному тиску твердих тіл, газів і рідин характерно для всіх оболонок Землі. Крім трьох базових агрегатних станів, існує ще й четверте. При підвищеній температурі і постійному тиску газ перетворюється в плазму. Щоб краще зрозуміти, що таке агрегатний стан, необхідно згадати про найдрібніших частинках, з яких складаються речовини і тіла.

На схемі вгорі показані: а - газо- b - рідина- с - тверде тіло. На подібних малюнках кружечками позначаються структурні елементи речовин. Це умовне позначення, насправді атоми, молекули, іони не є суцільними кульками. Атоми складаються з позитивно зарядженого ядра, навколо якого на великій швидкості рухаються негативно заряджені електрони. Знання про мікроскопічну будову речовини допомагають краще зрозуміти відмінності, які існують між різними агрегатними формами.

Уявлення про мікросвіті: від Стародавньої Греції до XVII століття

Перші відомості про частки, з яких складені фізичні тіла, з`явилися в Стародавній Греції. Мислителі Демокріт і Епікур ввели таке поняття, як атом. Вони вважали, що ці дрібні неподільні частки різних речовин володіють формою, визначеними розмірами, здатні до руху і взаємодії один з одним. Атомистика стала найбільш передовим для свого часу вченням Стародавньої Греції. Але її розвиток загальмувався в середні віки. Так як тоді вчених переслідувала інквізиція римської католицької церкви. Тому аж до нового часу не було виразної концепції, що таке агрегатний стан речовини. Тільки після XVII століття вчені Р. Бойль, М. Ломоносов, Д. Дальтон, А. Лавуазьє сформулювали положення атомно-молекулярної теорії, що не втратили свого значення і в наші дні.

Атоми, молекули, іони - мікроскопічні частинки будови матерії

Значний прорив у розумінні мікросвіту стався в XX столітті, коли був винайдений електронний мікроскоп. З урахуванням відкриттів, зроблених вченими раніше, вдалося скласти струнку картину мікросвіту. Теорії, що описують стан і поведінку найдрібніших частинок речовини, досить складні, вони відносяться до області квантової фізики. Для розуміння особливостей різних агрегатних станів матерії досить знати назви й особливості основних структурних частинок, які утворюють різні речовини.

1. Атоми - хімічно неподільні частки. Зберігаються в хімічних реакціях, але руйнуються в ядерних. Метали і багато інших речовин атомарної будови мають тверде агрегатний стан при звичайних умовах.
2. Молекули - частинки, які руйнуються і утворюються в хімічних реакціях. Молекулярну будову мають кисень, вода, вуглекислий газ, сірка. Агрегатний стан кисню, азоту, діоксиду сірки, вуглецю, кисню при звичайних умовах - газоподібний.
3. Іони - заряджені частинки, в які перетворюються атоми і молекули, коли приєднують або втрачають електрони - мікроскопічні негативно заряджені частинки. Іонну будову мають багато солі, наприклад кухонна, залізний і мідний купорос.

Є речовини, частки яких певним чином розташовані в просторі. Впорядковане взаємне положення атомів, іонів, молекул називають кристалічною решіткою. Зазвичай іонні та атомарні кристалічні решітки характерні для твердих речовин, молекулярні - для рідин і газів. Високою твердістю відрізняється алмаз. Його атомна кристалічна решітка утворена атомами вуглецю. Але м`який графіт теж складається з атомів цього хімічного елемента. Тільки вони по-іншому розташовані в просторі. Звичайне агрегатний стан сірки - тверде, але при високих температурах речовина перетворюється в рідину і аморфну масу.

Речовини в твердому агрегатному стані

Тверді тіла при звичайних умовах зберігають об`єм і форму. Наприклад, піщинка, крупинка цукру, солі, шматок гірської породи або металу. Якщо нагрівати цукор, то речовина починає плавитися, перетворюючись на в`язку коричневу рідину. Припинимо нагрівання - знову отримаємо тверда речовина. Значить, одна з головних умов переходу твердого тіла в рідину - його нагрівання або підвищення внутрішньої енергії частинок речовини. Твердий агрегатний стан солі, яку використовують у їжу, теж можна змінити. Але щоб розплавити кухонну сіль, потрібна більш висока температура, ніж при нагріванні цукру. Справа в тому, що цукор складається з молекул, а кухонна сіль - із заряджених іонів, які сильніше притягуються один до одного. Тверді речовини в рідкому виді не зберігають свою форму, тому що кристалічні решітки руйнуються.

Рідке агрегатний стан солі при розплавлюванні пояснюється розривом зв`язку між іонами в кристалах. Звільняються заряджені частинки, які можуть переносити електричні заряди. Розплави солей проводять електрику, є провідниками. У хімічній, металургійній і машинобудівній промисловості тверді речовини перетворюють на рідкі для отримання з них нових сполук або додання їм різної форми. Великого поширення набули сплави металів. Є кілька способів їх отримання, пов`язаних зі змінами агрегатного стану твердого сировини.

Рідина - одне з базових агрегатних станів

Якщо налити в круглодонную колбу 50 мл води, то можна помітити, що речовина відразу ж прийме форму хімічного судини. Але як тільки ми виллємо воду з колби, то рідина відразу ж розтечеться по поверхні столу. Об`єм води залишиться той же - 50 мл, а її форма зміниться. Перераховані особливості характерні для рідкої форми існування матерії. Рідинами є багато органічних речовин: спирти, рослинні масла, кислоти.

Молоко - емульсія, т. Е. Рідина, в якій знаходяться крапельки жиру. Корисне рідке копалина - нафту. Видобувають її зі свердловин за допомогою бурових вишок на суші і в океані. Морська вода теж є сировиною для промисловості. Її відмінність від прісної води річок і озер полягає в утриманні розчинених речовин, в основному солей. При випаровуванні з поверхні водойм в пароподібний стан переходять тільки молекули Н₂О, розчинені речовини залишаються. На цій властивості засновані методи отримання корисних речовин з морської води і способи її очищення.

При повному видаленні солей отримують дистильовану воду. Вона кипить при 100 ° С, замерзає при 0 ° С. Розсоли киплять і перетворюються на лід при інших температурних показниках. Наприклад, вода в Північному Льодовитому океані замерзає при температурі на поверхні 2 ° С.

Агрегатний стан ртуті при звичайних умовах - рідина. Цим сріблясто-сірим металом зазвичай заповнюють медичні термометри. При нагріванні стовпчик ртуті піднімається за шкалою, відбувається розширення речовини. Чому ж в вуличних термометрах використовується підфарбований червоною фарбою спирт, а не ртуть? Пояснюється це властивостями рідкого металу. При 30-градусних морозах агрегатний стан ртуті змінюється, речовина стає твердим.

Якщо медичний термометр розбився, а ртуть вилилася, то збирати руками сріблясті кульки небезпечно. Шкідливо вдихати пари ртуті, ця речовина дуже токсична. Дітям у таких випадках треба звернутися за допомогою до батьків, дорослим.

Газоподібний стан

Гази не здатні зберігати ні свій об`єм, ні форму. Заповнимо колбу доверху киснем (його хімічна формула Про<sub>2)</sub>. Як тільки ми відкриємо колбу, молекули речовини почнуть змішуватися з повітрям в приміщенні. Це відбувається завдяки броунівському руху. Ще давньогрецький вчений Демокріт вважав, що частинки речовини знаходяться в постійному русі. У твердих тілах при звичайних умовах у атомів, молекул, іонів немає можливості покинути кристалічну решітку, звільнитися від зв`язків з іншими частинками. Таке можливо тільки при надходженні великої кількості енергії ззовні.

У рідинах відстань між частинками трохи більше, ніж у твердих тілах, їм потрібно менше енергії для розриву міжмолекулярних зв`язків. Приміром, рідке агрегатний стан кисню спостерігається тільки при зниженні температури газу до -183 ° C. При -223 ° C молекули Про₂ утворюють тверду речовину. При підвищенні температури понад наведених значень кисень перетворюється в газ. Саме в такому вигляді він знаходиться при звичайних умовах. На промислових підприємствах діють спеціальні установки для розділення повітря атмосфери і отримання з нього азоту і кисню. Спочатку повітря охолоджують і зріджують, а потім поступово підвищують температуру. Азот і кисень перетворюються в гази при різних умовах.

Атмосфера Землі містить 21% за об`ємом кисню і 78% азоту. У рідкому вигляді ці речовини в газовій оболонці планети не зустрічаються. Рідкий кисень має світло-синій колір, їм при високому тиску заповнюють балони для використання в медичних установах. У промисловості та будівництві зріджені гази необхідні для проведення дуже багатьох процесів. Кисень потрібен для газового зварювання та різання металів, в хімії - для реакцій окислення неорганічних і органічних речовин. Якщо відкрити вентиль кисневого балона, тиск зменшується, рідина перетворюється в газ.

Зріджені пропан, метан і бутан знаходять широке застосування в енергетиці, на транспорті, в промисловості та господарсько-побутової діяльності населення. Отримують ці речовини з природного газу або при крекінгу (розщепленні) нафтової сировини. Вуглецеві рідкі та газоподібні суміші відіграють важливу роль в економіці багатьох країн. Але запаси нафти і природного газу сильно виснажені. За оцінками вчених, цієї сировини вистачить на 100-120 років. Альтернативне джерело енергії - повітряний потік (вітер). Використовуються для роботи електростанцій швидкоплинні річки, припливи на берегах морів і океанів.

Кисень, як і інші гази, може перебувати у четвертому агрегатному стані, представляючи собою плазму. Незвичайний перехід з твердого стану в газоподібний - характерна риса кристалічного йоду. Речовина темно-фіолетового кольору піддається сублімації - перетворюється в газ, минаючи рідкий стан.

Як здійснюються переходи з однієї агрегатної форми матерії в іншу?

Зміни агрегатного стану речовин не пов`язані з хімічними перетвореннями, це фізичні явища. При підвищенні температури багато тверді тіла плавляться, перетворюються в рідині. Подальше підвищення температури може призвести до випаровування, тобто до газоподібного стану речовини. У природі і господарстві такі переходи характерні для одного з головних речовин на Землі. Лід, рідина, пара - це стану води при різних зовнішніх умовах. З`єднання одне і те ж, його формула - Н₂О. При температурі 0 ° С і нижче цього значення вода кристалізується, тобто перетворюється на лід. При підвищенні температури виникли кристалики руйнуються - лід тане, знову виходить рідка вода. При її нагріванні утворюється водяна пара. Випаровування - перетворення води в газ - йде навіть при низьких температурах. Наприклад, замерзлі калюжі поступово зникають, тому що вода випаровується. Навіть у морозну погоду мокру білизну висихає, але тільки процес цей триваліший, ніж у спекотний день.

Всі перераховані переходи води з одного стану в інший мають величезне значення для природи Землі. Атмосферні явища, клімат і погода пов`язані з випаровуванням води з поверхні Світового океану, перенесенням вологи у вигляді хмар і туману на сушу, випаданням опадів (дощу, снігу, граду). Ці явища становлять основу Світового кругообігу води в природі.

Як змінюються агрегатні стани сірки?

При звичайних умовах сірка - це яскраві блискучі кристали або світло-жовтий порошок, т. Е. Це тверда речовина. Агрегатний стан сірки змінюється при нагріванні. Спочатку при підвищенні температури до 190 ° C жовте речовина плавиться, перетворюючись на рухому рідину.

Якщо швидко вилити рідку сірку в холодну воду, то виходить коричнева аморфна маса. При подальшому нагріванні розплаву сірки він стає все більш в`язким, темніє. При температурі понад 300 ° C агрегатний стан сірки знову змінюється, речовина набуває властивостей рідини, стає рухомим. Ці переходи виникають завдяки здатності атомів елемента утворювати ланцюжки різної довжини.

Чому речовини можуть перебувати в різних фізичних станах?

Агрегатний стан сірки - простої речовини - тверде при звичайних умовах. Діоксид сірки - газ, сірчана кислота - масляниста рідина важче води. На відміну від соляної та азотної кислот вона не летюча, з її поверхні не випаровуються молекули. Яке агрегатний стан має пластична сірка, яку отримують при нагріванні кристалів?

У аморфному вигляді речовина має структуру рідини, володіючи незначною плинністю. Але пластична сірка одночасно зберігає форму (як тверда речовина). Існують рідкі кристали, що володіють рядом характерних властивостей твердих речовин. Таким чином, стан речовини при різних умовах залежить від його природи, температури, тиску та інших зовнішніх умов.

Які існують особливості в будові твердих тіл?

Наявні відмінності між основними агрегатними станами матерії пояснюються взаємодією між атомами, іонами і молекулами. Наприклад, чому тверде агрегатний стан речовини призводить до здатності тіл зберігати об`єм і форму? У кристалічній решітці металу або солі структурні частинки притягуються один до одного. У металах позитивно заряджені іони взаємодіють з так званим «електронним газом» - скупченням вільних електронів в шматку металу. Кристали солей виникають завдяки тяжінню разноименно заряджених частинок - іонів. Відстань між перерахованими вище структурними одиницями твердих тіл набагато менше, ніж розміри самих частинок. В цьому випадку діє електростатичне тяжіння, воно надає міцність, а відштовхування недостатньо сильне.

Щоб зруйнувати тверде агрегатний стан речовини, треба докласти зусиль. Метали, солі, атомні кристали плавляться при дуже високих температурах. Наприклад, залізо стає рідким при температурі вище 1538 ° С. Тугоплавким є вольфрам, з нього виготовляють нитки розжарювання для електричних лампочок. Є сплави, які стають рідкими при температурах понад 3000 ° С. Багато гірські породи і мінерали на Землі перебувають у твердому стані. Видобувають цю сировину за допомогою техніки в шахтах і кар`єрах.

Для відриву навіть одного іона від кристала необхідно затратити велику кількість енергії. Але ж досить розчинити сіль у воді, щоб кристалічна решітка розпалася! Це явище пояснюється надзвичайними властивостями води як полярного розчинника. Молекули Н₂Про взаємодіють з іонами солі, руйнуючи хімічний зв`язок між ними. Таким чином, розчинення - це не просте перемішування різних речовин, а фізико-хімічну взаємодію між ними.

Як взаємодіють молекули рідин?

Вода може бути рідиною, твердим речовиною і газом (паром). Це її основні агрегатні стани при звичайних умовах. Молекули води складаються з одного атома кисню, з яким пов`язані два атоми водню. Виникає поляризація хімічного зв`язку в молекулі, на атомах кисню з`являється частковий негативний заряд. Водень стає позитивним полюсом в молекулі, притягається атомом кисню іншої молекули. Це слабка взаємодія отримало назву «воднева зв`язок».

Рідке агрегатний стан характеризують відстані між структурними частинками, порівнянні з їх розмірами. Тяжіння існує, але воно слабке, тому вода не зберігає форму. Пароутворення відбувається через руйнування зв`язків, яке йде на поверхні рідини навіть при кімнатній температурі.

Чи існують міжмолекулярні взаємодії в газах?

Газоподібний стан речовини по ряду параметрів відрізняється від рідкого і твердого. Між структурними частинками газів існують великі проміжки, набагато перевищують розміри молекул. При цьому сили тяжіння зовсім не діють. Газоподібне агрегатний стан характерно для речовин, присутніх у складі повітря: азоту, кисню, діоксиду вуглецю. На малюнку нижче першого куб заповнений газом, другий рідиною, а третій - твердим речовину.

Багато рідини є летючими, з їх поверхні відриваються і переходять в повітря молекули речовини. Наприклад, якщо до отвору відкритої пляшки з соляною кислотою піднести ватку, змочену в нашатирному спирті, то з`являється білий дим. Прямо в повітрі відбувається хімічна реакція між соляною кислотою і аміаком, виходить хлорид амонію. У якому агрегатному стані знаходиться ця речовина? Його частинки, що утворюють білий дим, являють собою дрібні тверді кристали солі. Цей досвід треба проводити під витяжкою, речовини є токсичними.

Висновок

Агрегатний стан газу вивчали багато видатних фізики і хіміки: Авогадро, Бойль, Гей-Люссак, Клайперон, Менделєєв, Ле-Шательє. Вчені сформулювали закони, що пояснюють поведінку газоподібних речовин в хімічних реакціях, при зміні зовнішніх умов. Відкриті закономірності не тільки увійшли в шкільні та вузівські підручники фізики та хімії. Багато хімічні виробництва засновані на знаннях про поведінку та властивості речовин, що знаходяться в різних агрегатних станах.