Kysymyksiä siitä, mikä on aggregaatiotila, mitä ominaisuuksia ja ominaisuuksia niillä on kiintoaineilla, nesteillä ja kaasuilla, käsitellään useilla kursseilla. Aineella on kolme klassista tilaa, joilla on omat rakenteelle ominaiset piirteensä. Heidän ymmärryksensä on tärkeä asia maata, eläviä organismeja ja tuotantotoimintoja koskevien tieteiden ymmärtämisessä. Näitä kysymyksiä tutkivat fysiikka, kemia, maantiede, geologia, fysikaalinen kemia ja muut tieteenalat. Aineet, jotka ovat tietyissä olosuhteissa jossakin kolmesta perustilatyypistä, voivat muuttua lämpötilan tai paineen noustessa tai laskussa. Harkitse mahdollisia siirtymiä aggregaatiotilasta toiseen, koska ne tapahtuvat luonnossa, tekniikassa ja jokapäiväisessä elämässä.
Mikä on aggregaatiotila?
Latinalaista alkuperää oleva sana "aggrego" käännettynä venäjäksi tarkoittaa "kiinnittää". Tieteellinen termi viittaa saman kehon, aineen tilaan. Kiinteiden aineiden esiintyminen tietyissä lämpötila-arvoissa ja erilaisissa paineissa,kaasut ja nesteet ovat ominaisia kaikille Maan kuorille. Kolmen perusaggregaattitilan lisäksi on olemassa myös neljäs. Korotetussa lämpötilassa ja vakiopaineessa kaasu muuttuu plasmaksi. Ymmärtääksesi paremmin, mikä aggregaatiotila on, on muistettava pienimmät hiukkaset, jotka muodostavat aineita ja kappaleita.
Yllä oleva kaavio näyttää: a - kaasu; b - neste; c on kiinteä kappale. Tällaisissa kuvissa ympyrät osoittavat aineiden rakenneosia. Tämä on symboli, itse asiassa atomit, molekyylit, ionit eivät ole kiinteitä palloja. Atomit koostuvat positiivisesti varautuneesta ytimestä, jonka ympärillä negatiivisesti varautuneet elektronit liikkuvat suurella nopeudella. Aineen mikroskooppisen rakenteen tuntemus auttaa ymmärtämään paremmin eri aggregaattimuotojen välisiä eroja.
Mikrokosmoksen esityksiä: antiikin Kreikasta 1600-luvulle
Ensimmäiset tiedot fyysisen kehon hiukkasista ilmestyivät muinaisessa Kreikassa. Ajattelijat Demokritos ja Epikuros esittelivät sellaisen käsitteen kuin atomi. He uskoivat, että näillä eri aineiden pienimmillä jakamattomilla hiukkasilla on muoto, tietyt koot, ne pystyvät liikkumaan ja vuorovaikutukseen keskenään. Atomistiikasta tuli aikansa edistynein antiikin Kreikan opetus. Mutta sen kehitys hidastui keskiajalla. Siitä lähtien roomalaiskatolisen kirkon inkvisitio on vainonnut tiedemiehiä. Siksi nykyaikaan asti ei ollut selvää käsitystä siitä, mikä aineen aggregoitumistila on. Vasta 1700-luvun jälkeentiedemiehet R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier muotoilivat atomi-molekyyliteorian säännökset, jotka eivät ole menettäneet merkitystään tänäkään päivänä.
Atomit, molekyylit, ionit ovat mikroskooppisia aineen rakenteen hiukkasia
Mikrokosmosen ymmärtämisessä tapahtui merkittävä läpimurto 1900-luvulla, kun elektronimikroskooppi keksittiin. Tiedemiesten aiemmin tekemät löydöt huomioon ottaen pystyttiin muodostamaan harmoninen kuva mikromaailmasta. Aineen pienimpien hiukkasten tilaa ja käyttäytymistä kuvaavat teoriat ovat varsin monimutkaisia, ne kuuluvat kvanttifysiikan alaan. Aineiden erilaisten aggregaattimuotojen ominaisuuksien ymmärtämiseksi riittää, kun tietää eri aineita muodostavien tärkeimpien rakenteellisten hiukkasten nimet ja ominaisuudet.
- Atomit ovat kemiallisesti jakamattomia hiukkasia. Säilönnyt kemiallisissa reaktioissa, mutta tuhoutunut ydinvoimassa. Metalleilla ja monilla muilla atomirakenteen aineilla on kiinteä aggregaatiotila normaaleissa olosuhteissa.
- Molekyylit ovat hiukkasia, jotka hajoavat ja muodostuvat kemiallisissa reaktioissa. Molekyylirakenteessa on happea, vettä, hiilidioksidia, rikkiä. Hapen, typen, rikkidioksidin, hiilen ja hapen aggregaattitila normaaleissa olosuhteissa on kaasumainen.
- Ionit ovat varautuneita hiukkasia, joista atomit ja molekyylit muuttuvat, kun ne saavat tai menettävät elektroneja – mikroskooppisia negatiivisesti varautuneita hiukkasia. Monilla suoloilla on ioninen rakenne, esimerkiksi ruokasuola, rauta ja kuparisulfaatti.
On aineita, joiden hiukkaset asettuvat tietyllä tavalla avaruuteen. Tilattu suhteellinen sijaintiatomeja, ioneja, molekyylejä kutsutaan kidehilaksi. Yleensä ioni- ja atomikidehilat ovat tyypillisiä kiinteille aineille, molekyyliset - nesteille ja kaasuille. Timantilla on korkea kovuus. Sen atomikidehilan muodostavat hiiliatomit. Mutta pehmeä grafiitti koostuu myös tämän kemiallisen alkuaineen atomeista. Vain ne sijaitsevat eri tavalla avaruudessa. Rikin tavanomainen aggregaatiotila on kiinteä, mutta korkeissa lämpötiloissa aine muuttuu nesteeksi ja amorfiseksi massaksi.
Aineet kiinteässä aggregaatiotilassa
Kiinteät kappaleet säilyttävät tilavuutensa ja muotonsa normaaleissa olosuhteissa. Esimerkiksi hiekanjyvä, sokerinjyvä, suola, kivenpala tai metalli. Jos sokeria kuumennetaan, aine alkaa sulaa ja muuttuu viskoosiksi ruskeaksi nesteeksi. Lopeta lämmitys - jälleen saamme kiinteän aineen. Tämä tarkoittaa, että yksi pääehdoista kiinteän aineen muuttumiselle nesteeksi on sen kuumeneminen tai aineen hiukkasten sisäisen energian kasvu. Ruoassa käytettävän suolan kiinteää aggregaatiotilaa voidaan myös muuttaa. Mutta pöytäsuolan sulattamiseen tarvitaan korkeampi lämpötila kuin sokeria lämmitettäessä. Tosiasia on, että sokeri koostuu molekyyleistä ja ruokasuola koostuu varautuneista ioneista, jotka houkuttelevat voimakkaammin toisiinsa. Nestemäisessä muodossa olevat kiinteät aineet eivät säilytä muotoaan, koska kidehilat hajoavat.
Suolan nestemäinen aggregoituminen sulamisen aikana selittyy kiteissä olevien ionien välisen sidoksen katkeamisella. vapautetaanvarautuneita hiukkasia, jotka voivat kuljettaa sähkövarauksia. Sulat suolat johtavat sähköä ja ovat johtimia. Kemian-, metallurgiassa ja konepajateollisuudessa kiinteät aineet muunnetaan nesteiksi, jotta niistä saadaan uusia yhdisteitä tai ne muotoillaan. Metalliseoksia käytetään laaj alti. On olemassa useita tapoja saada niitä, jotka liittyvät kiinteiden raaka-aineiden aggregaatiotilan muutoksiin.
Neste on yksi aggregaation perustiloista
Jos kaada 50 ml vettä pyöreäpohjaiseen pulloon, näet, että aine muuttuu välittömästi kemiallisen astian muodoksi. Mutta heti kun kaadamme veden pullosta, neste leviää välittömästi pöydän pinnalle. Veden tilavuus pysyy samana - 50 ml, ja sen muoto muuttuu. Nämä piirteet ovat ominaisia aineen olemassaolon nestemäiselle muodolle. Nesteet ovat monia orgaanisia aineita: alkoholit, kasviöljyt, hapot.
Maito on emulsio, eli neste, jossa on rasvapisaroita. Hyödyllinen nestemäinen mineraali on öljy. Sitä saadaan kaivoista maalla ja meressä porauslautoilla. Merivesi on myös teollisuuden raaka-aine. Sen ero jokien ja järvien makeasta vedestä on liuenneiden aineiden, pääasiassa suolojen, pitoisuudessa. Vesistöjen pinnasta haihtuessaan vain H2O-molekyylit siirtyvät höyrytilaan, liuenneet aineet jäävät. Menetelmät hyödyllisten aineiden saamiseksi merivedestä ja menetelmät sen puhdistamiseksi perustuvat tähän ominaisuuteen.
Milloinkun suolat poistetaan kokonaan, saadaan tislattua vettä. Se kiehuu 100 °C:ssa ja jäätyy 0 °C:ssa. Suolavedet kiehuvat ja muuttuvat jääksi eri lämpötiloissa. Esimerkiksi jäämeren vesi jäätyy 2°C:n pintalämpötilassa.
Elohopean aggregaattitila normaaleissa olosuhteissa on nestemäistä. Tämä hopeanharmaa metalli on yleensä täynnä lääketieteellisiä lämpömittareita. Kuumennettaessa elohopeapatsas nousee asteikolla, aine laajenee. Miksi katulämpömittarit käyttävät punaista alkoholia eikä elohopeaa? Tämä selittyy nestemäisen metallin ominaisuuksilla. 30-asteisessa pakkasessa elohopean kokonaistila muuttuu, aine muuttuu kiinteäksi.
Jos lääketieteellinen lämpömittari rikkoutuu ja elohopeaa roiskuu ulos, on vaarallista poimia hopeapalloja käsin. Elohopeahöyryn hengittäminen on haitallista, tämä aine on erittäin myrkyllistä. Lasten tulee tällaisissa tapauksissa pyytää apua vanhemmiltaan, aikuisilta.
Kaasutila
Kaasut eivät pysty säilyttämään tilavuuttaan tai muotoaan. Täytä pullo yläosaan hapella (sen kemiallinen kaava on O2). Heti kun avaamme pullon, aineen molekyylit alkavat sekoittua huoneen ilman kanssa. Tämä johtuu Brownin liikkeestä. Jopa antiikin kreikkalainen tiedemies Demokritos uskoi, että aineen hiukkaset ovat jatkuvassa liikkeessä. Kiinteissä aineissa atomeilla, molekyyleillä, ioneilla ei normaaliolosuhteissa ole mahdollisuutta poistua kidehilasta, vapautua sidoksista muiden hiukkasten kanssa. Tämä on mahdollista vain silloin, kunsuuria määriä energiaa ulkopuolelta.
Nesteissä hiukkasten välinen etäisyys on hieman suurempi kuin kiinteissä aineissa, ne vaativat vähemmän energiaa molekyylien välisten sidosten katkaisemiseen. Esimerkiksi hapen nestemäinen aggregaattitila havaitaan vain, kun kaasun lämpötila laskee -183 °C:seen. -223 °C:ssa O2 molekyylit muodostavat kiinteän aineen. Kun lämpötila nousee yli annettujen arvojen, happi muuttuu kaasuksi. Tässä muodossa se on normaaleissa olosuhteissa. Teollisuusyrityksissä on erityisiä laitteistoja ilmakehän ilman erottamiseksi ja typen ja hapen saamiseksi siitä. Ensin ilma jäähdytetään ja nesteytetään, ja sitten lämpötilaa nostetaan vähitellen. Typpi ja happi muuttuvat kaasuiksi eri olosuhteissa.
Maan ilmakehä sisältää 21 tilavuusprosenttia happea ja 78 tilavuusprosenttia typpeä. Nestemäisessä muodossa näitä aineita ei löydy planeetan kaasumaisesta verhosta. Nestemäinen happi on väriltään vaaleansininen ja se täytetään korkealla paineella sylintereihin käytettäväksi lääketieteellisissä tiloissa. Teollisuudessa ja rakentamisessa nesteytettyjä kaasuja tarvitaan moniin prosesseihin. Happea tarvitaan kaasuhitsaukseen ja metallien leikkaamiseen, kemiassa - epäorgaanisten ja orgaanisten aineiden hapetusreaktioihin. Jos avaat happisylinterin venttiilin, paine laskee, neste muuttuu kaasuksi.
Nesteytettyä propaania, metaania ja butaania käytetään laaj alti energiassa, liikenteessä, teollisuudessa ja kotitalouksissa. Näitä aineita saadaan maakaasusta tai krakkaamalla(halkaisu) raakaöljyn. Nestemäisillä ja kaasumaisilla hiiliseoksilla on tärkeä rooli monien maiden taloudessa. Mutta öljy- ja maakaasuvarat ovat loppumassa pahasti. Tutkijoiden mukaan tämä raaka-aine kestää 100-120 vuotta. Vaihtoehtoinen energianlähde on ilmavirtaus (tuuli). Voimalaitosten toimintaan käytetään nopeavirtaisia jokia, merien ja v altamerten rannikon vuorovesiä.
Happi, kuten muutkin kaasut, voi olla neljännessä aggregaatiotilassa, edustaen plasmaa. Epätavallinen siirtyminen kiinteästä tilasta kaasumaiseen on kiteisen jodin ominaisuus. Tumman violetti aine sublimoituu - muuttuu kaasuksi ohittaen nestemäisen tilan.
Miten siirtymät aineen aggregoidusta muodosta toiseen tapahtuu?
Aineiden aggregoituneen tilan muutokset eivät liity kemiallisiin muutoksiin, ne ovat fysikaalisia ilmiöitä. Lämpötilan noustessa monet kiinteät aineet sulavat ja muuttuvat nesteiksi. Lämpötilan edelleen kohoaminen voi johtaa haihtumiseen eli aineen kaasumaiseen tilaan. Luonnossa ja taloudessa tällaiset siirtymät ovat ominaisia yhdelle maan tärkeimmistä aineista. Jää, neste, höyry ovat veden tiloja erilaisissa ulkoisissa olosuhteissa. Yhdiste on sama, sen kaava on H2O. 0 ° C:n lämpötilassa ja tämän arvon alapuolella vesi kiteytyy, eli se muuttuu jääksi. Kun lämpötila nousee, tuloksena olevat kiteet tuhoutuvat - jää sulaa, nestemäistä vettä saadaan jälleen. Kun sitä kuumennetaan, muodostuu vesihöyryä. Haihtuminen -veden muuttuminen kaasuksi - menee jopa matalissa lämpötiloissa. Esimerkiksi jäätyneet lätäköt häviävät vähitellen, koska vesi haihtuu. Myös pakkasella märät vaatteet kuivuvat, mutta tämä prosessi kestää kauemmin kuin kuumana päivänä.
Kaikki luetellut veden siirtymät tilasta toiseen ovat erittäin tärkeitä maapallon luonteelle. Ilmakehän ilmiöt, ilmasto ja sää liittyvät veden haihtumiseen v altamerten pinn alta, kosteuden siirtymiseen pilvien ja sumun muodossa maahan, sateisiin (sade, lumi, rakeet). Nämä ilmiöt muodostavat perustan maailman vedenkierrolle luonnossa.
Miten rikin aggregoidut tilat muuttuvat?
Normaaleissa olosuhteissa rikki on kirkkaan kiiltäviä kiteitä tai vaaleankeltaista jauhetta, eli se on kiinteää ainetta. Rikin aggregaattitila muuttuu kuumennettaessa. Ensin, kun lämpötila nousee 190 °C:seen, keltainen aine sulaa ja muuttuu liikkuvaksi nesteeksi.
Jos kaada nopeasti nestemäistä rikkiä kylmään veteen, saat ruskean amorfisen massan. Kun rikkisulaa kuumennetaan edelleen, se muuttuu yhä viskoosimmaksi ja tummuu. Yli 300 ° C:n lämpötiloissa rikin aggregaatiotila muuttuu jälleen, aine saa nesteen ominaisuudet, muuttuu liikkuvaksi. Nämä siirtymät johtuvat elementin atomien kyvystä muodostaa eripituisia ketjuja.
Miksi aineet voivat olla eri fysikaalisissa olomuodoissa?
Rikin - yksinkertaisen aineen - aggregaatiotila on kiinteä normaaleissa olosuhteissa. Rikkidioksidi - kaasu, rikkihappo -öljyinen neste, joka on raskaampaa kuin vettä. Toisin kuin suola- ja typpihappo, se ei ole haihtuvaa, molekyylit eivät haihdu sen pinn alta. Mikä on muovisen rikin aggregaatiotila, joka saadaan kuumentamalla kiteitä?
Amorfisessa muodossa aineella on nestemäinen rakenne ja lievä juoksevuus. Mutta muovinen rikki säilyttää samalla muotonsa (kiinteänä aineena). On nestekiteitä, joilla on useita kiintoaineille ominaisia ominaisuuksia. Siten aineen tila eri olosuhteissa riippuu sen luonteesta, lämpötilasta, paineesta ja muista ulkoisista olosuhteista.
Mitä ominaisuuksia kiinteiden aineiden rakenteessa on?
Aineen perusaggregaattitilojen väliset erot selittyvät atomien, ionien ja molekyylien välisellä vuorovaikutuksella. Miksi esimerkiksi aineen kiinteä aggregaattitila johtaa kappaleiden kykyyn säilyttää tilavuus ja muoto? Metallin tai suolan kidehilassa rakenteelliset hiukkaset vetäytyvät toisiaan puoleensa. Metalleissa positiivisesti varautuneet ionit ovat vuorovaikutuksessa niin sanotun "elektronikaasun" kanssa - vapaiden elektronien kertyminen metallikappaleeseen. Suolakiteet syntyvät vastakkaisesti varautuneiden hiukkasten - ionien - vetovoiman vuoksi. Etäisyys yllä olevien kiinteiden aineiden rakenneyksiköiden välillä on paljon pienempi kuin itse hiukkasten koko. Tässä tapauksessa sähköstaattinen vetovoima vaikuttaa, se antaa voimaa, eikä hylkiminen ole tarpeeksi vahva.
Aineen kiinteän tilan tuhoaminen on välttämätöntäyrittää. Metallit, suolat, atomikiteet sulavat erittäin korkeissa lämpötiloissa. Esimerkiksi rauta muuttuu nestemäiseksi yli 1538 °C:n lämpötiloissa. Volframi on tulenkestävää ja sitä käytetään hehkulankojen valmistukseen hehkulamppuihin. On seoksia, jotka muuttuvat nestemäisiksi yli 3000 °C:n lämpötiloissa. Monet maapallon kivet ja mineraalit ovat kiinteässä tilassa. Tämä raaka-aine louhitaan kaivosten ja louhosten laitteiden avulla.
Jotta yksikin ioni irtoaa kiteestä, on tarpeen kuluttaa suuri määrä energiaa. Mutta loppujen lopuksi riittää suolan liuottaminen veteen, jotta kidehila hajoaa! Tämä ilmiö selittyy veden hämmästyttävillä ominaisuuksilla polaarisena liuottimena. H2O-molekyylit ovat vuorovaikutuksessa suola-ionien kanssa tuhoten niiden välisen kemiallisen sidoksen. Liukeneminen ei siis ole yksinkertaista eri aineiden sekoittumista, vaan niiden välistä fysikaalista ja kemiallista vuorovaikutusta.
Miten nesteiden molekyylit ovat vuorovaikutuksessa?
Vesi voi olla nestemäistä, kiinteää ja kaasua (höyryä). Nämä ovat sen tärkeimmät aggregaatiotilat normaaleissa olosuhteissa. Vesimolekyylit koostuvat yhdestä happiatomista, johon on sitoutunut kaksi vetyatomia. Kemiallinen sidos polarisoituu molekyylissä, happiatomeihin ilmestyy osittainen negatiivinen varaus. Vety tulee positiiviseksi napaksi molekyylissä ja vetää puoleensa toisen molekyylin happiatomia. Tätä heikkoa voimaa kutsutaan "vetysidokseksi".
Nestemäinen aggregaatiotilarakenteellisten hiukkasten väliset etäisyydet ovat verrattavissa niiden kokoon. Vetovoima on olemassa, mutta se on heikko, joten vesi ei säilytä muotoaan. Höyrystyminen johtuu sidosten tuhoutumisesta, jota tapahtuu nesteen pinnalla jopa huoneenlämpötilassa.
Onko kaasuissa molekyylien välisiä vuorovaikutuksia?
Aineen kaasumainen tila eroaa nestemäisestä ja kiinteästä olomuodosta useiden parametrien os alta. Kaasujen rakenteellisten hiukkasten välillä on suuria rakoja, jotka ovat paljon suurempia kuin molekyylien koko. Tässä tapauksessa vetovoimat eivät toimi ollenkaan. Kaasumainen aggregaatiotila on ominaista ilmassa oleville aineille: typpi, happi, hiilidioksidi. Alla olevassa kuvassa ensimmäinen kuutio on täytetty kaasulla, toinen nesteellä ja kolmas kiinteällä aineella.
Monet nesteet ovat haihtuvia, aineen molekyylit irtoavat pinn altaan ja kulkeutuvat ilmaan. Jos esimerkiksi tuot ammoniakkiin kastettua pumpulipuikkoa avoimen suolahappopullon aukkoon, esiin tulee valkoista savua. Suoraan ilmassa kloorivetyhapon ja ammoniakin välillä tapahtuu kemiallinen reaktio, jolloin saadaan ammoniumkloridia. Missä tilassa tämä aine on? Sen hiukkaset, jotka muodostavat valkoista savua, ovat pienimpiä kiinteitä suolakiteitä. Tämä koe on suoritettava vetokuvun alla, aineet ovat myrkyllisiä.
Johtopäätös
Kaasun aggregaatiotilaa tutkivat monet erinomaiset fyysikot ja kemistit: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendelejev, Le Chatelier. Tiedemiehet ovat muotoilleet lakeja, jotka selittävät kaasumaisten aineiden käyttäytymisen kemiallisissa reaktioissa, kun ulkoiset olosuhteet muuttuvat. Avoimet säännönmukaisuudet eivät tulleet vain fysiikan ja kemian koulu- ja yliopistooppikirjoihin. Monet kemianteollisuuden alat perustuvat tietoon aineiden käyttäytymisestä ja ominaisuuksista eri aggregaattimuodoissa.
