Les preguntes sobre què és un estat d'agregació, quines característiques i propietats tenen els sòlids, líquids i gasos, es consideren en diversos cursos de formació. Hi ha tres estats clàssics de la matèria, amb els seus propis trets característics de l'estructura. La seva comprensió és un punt important per comprendre les ciències de la Terra, els organismes vius i les activitats de producció. Aquestes qüestions són estudiades per la física, la química, la geografia, la geologia, la química física i altres disciplines científiques. Les substàncies que es troben en determinades condicions en un dels tres tipus bàsics d'estat poden canviar amb un augment o disminució de la temperatura o la pressió. Considereu possibles transicions d'un estat d'agregació a un altre, ja que es duen a terme a la natura, la tecnologia i la vida quotidiana.
Quin és l'estat d'agregació?
La paraula d'origen llatí "aggrego" traduïda al rus significa "adjuntar". El terme científic es refereix a l'estat d'un mateix cos, substància. Existència a determinats valors de temperatura i diferents pressions de sòlids,gasos i líquids és característic de totes les closques de la Terra. A més dels tres estats agregats bàsics, també n'hi ha un quart. A temperatura elevada i pressió constant, el gas es converteix en un plasma. Per entendre millor què és un estat d'agregació, cal recordar les partícules més petites que formen les substàncies i els cossos.
El diagrama anterior mostra: a - gas; b - líquid; c és un cos sòlid. En aquestes figures, els cercles indiquen els elements estructurals de les substàncies. Aquest és un símbol, de fet, els àtoms, les molècules, els ions no són boles sòlides. Els àtoms consisteixen en un nucli carregat positivament al voltant del qual es mouen electrons carregats negativament a gran velocitat. El coneixement de l'estructura microscòpica de la matèria ajuda a entendre millor les diferències que existeixen entre les diferents formes agregades.
Representacions del microcosmos: de l'antiga Grècia al segle XVII
La primera informació sobre les partícules que formen els cossos físics va aparèixer a l'antiga Grècia. Els pensadors Demòcrit i Epicur van introduir aquest concepte com a àtom. Creien que aquestes partícules indivisibles més petites de diferents substàncies tenen una forma, determinades mides, són capaços de moviment i interacció entre si. L'atomística es va convertir en l'ensenyament més avançat de l'antiga Grècia per a la seva època. Però el seu desenvolupament es va frenar a l'edat mitjana. Des de llavors els científics van ser perseguits per la Inquisició de l'Església Catòlica Romana. Per tant, fins als temps moderns, no hi havia un concepte clar de quin és l'estat d'agregació de la matèria. Només després del segle XVIIels científics R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier van formular les disposicions de la teoria atòmica-molecular, que encara no han perdut la seva importància.
Els àtoms, les molècules i els ions són partícules microscòpiques de l'estructura de la matèria
Un avenç important en la comprensió del microcosmos es va produir al segle XX, quan es va inventar el microscopi electrònic. Tenint en compte els descobriments fets pels científics anteriorment, va ser possible elaborar una imatge harmoniosa del micromón. Les teories que descriuen l'estat i el comportament de les partícules més petites de la matèria són força complexes; pertanyen al camp de la física quàntica. Per entendre les característiques dels diferents estats agregats de la matèria, n'hi ha prou de conèixer els noms i les característiques de les principals partícules estructurals que formen diferents substàncies.
- Els àtoms són partícules químicament indivisibles. Conservat en reaccions químiques, però destruït en nuclear. Els metalls i moltes altres substàncies d'estructura atòmica tenen un estat sòlid d'agregació en condicions normals.
- Les molècules són partícules que es descomponen i es formen en reaccions químiques. L'estructura molecular té oxigen, aigua, diòxid de carboni, sofre. L'estat agregat de l'oxigen, nitrogen, diòxid de sofre, carboni i oxigen en condicions normals és gasós.
- Els ions són partícules carregades en què els àtoms i les molècules es converteixen quan guanyen o perden electrons: partícules microscòpiques carregades negativament. Moltes sals tenen una estructura iònica, per exemple, la sal de taula, el ferro i el sulfat de coure.
Hi ha substàncies les partícules de les quals estan disposades d'una determinada manera a l'espai. Posició relativa ordenadaàtoms, ions, molècules s'anomena xarxa cristal·lina. En general, les xarxes cristal·lines iòniques i atòmiques són típiques per als sòlids, moleculars - per a líquids i gasos. El diamant té una alta duresa. La seva xarxa cristal·lina atòmica està formada per àtoms de carboni. Però el grafit tou també està format per àtoms d'aquest element químic. Només estan situats de manera diferent a l'espai. L'estat d'agregació habitual del sofre és sòlid, però a altes temperatures la substància es converteix en líquid i en massa amorfa.
Substàncies en estat sòlid d'agregació
Els cossos sòlids en condicions normals conserven el seu volum i la seva forma. Per exemple, un gra de sorra, un gra de sucre, sal, un tros de roca o metall. Si s'escalfa el sucre, la substància comença a fondre's i es converteix en un líquid marró viscós. Deixeu d'escalfar: tornem a obtenir un sòlid. Això vol dir que una de les condicions principals per a la transició d'un sòlid a un líquid és el seu escalfament o un augment de l'energia interna de les partícules d'una substància. També es pot canviar l'estat sòlid d'agregació de la sal, que s'utilitza en els aliments. Però per fondre la sal de taula, necessiteu una temperatura més alta que quan escalfeu sucre. El fet és que el sucre està format per molècules i la sal de taula està formada per ions carregats, que s'atreuen més fortament els uns als altres. Els sòlids en forma líquida no conserven la seva forma perquè les xarxes cristal·lines es trenquen.
L'estat líquid d'agregació de la sal durant la fusió s'explica pel trencament de l'enllaç entre ions dels cristalls. són alliberatspartícules carregades que poden portar càrregues elèctriques. Les sals foses condueixen l'electricitat i són conductores. En les indústries química, metal·lúrgica i d'enginyeria, els sòlids es converteixen en líquids per obtenir-ne nous compostos o donar-los diferents formes. Els aliatges metàl·lics s'utilitzen àmpliament. Hi ha diverses maneres d'obtenir-los, associades a canvis en l'estat d'agregació de les matèries primeres sòlides.
El líquid és un dels estats bàsics d'agregació
Si aboqueu 50 ml d'aigua en un matràs de fons rodó, podreu veure que la substància pren immediatament la forma d'un recipient químic. Però tan bon punt aboquem l'aigua del matràs, el líquid s'estendrà immediatament per la superfície de la taula. El volum d'aigua es mantindrà igual: 50 ml, i la seva forma canviarà. Aquestes característiques són característiques de la forma líquida de l'existència de la matèria. Els líquids són moltes substàncies orgàniques: alcohols, olis vegetals, àcids.
La llet és una emulsió, és a dir, un líquid en el qual hi ha gotes de greix. Un mineral líquid útil és l'oli. S'extreu de pous mitjançant plataformes de perforació a terra i a l'oceà. L'aigua de mar també és una matèria primera per a la indústria. La seva diferència amb l'aigua dolça de rius i llacs rau en el contingut de substàncies dissoltes, principalment sals. Durant l'evaporació de la superfície dels cossos d'aigua, només les molècules H2O passen a l'estat de vapor, els soluts romanen. Els mètodes per obtenir substàncies útils de l'aigua de mar i els mètodes per a la seva purificació es basen en aquesta propietat.
Quaneliminació completa de les sals, s'obté aigua destil·lada. Bulli a 100 °C i es congela a 0 °C. Les salmorres bullen i es converteixen en gel a diferents temperatures. Per exemple, l'aigua de l'oceà Àrtic es congela a una temperatura superficial de 2 °C.
L'estat agregat del mercuri en condicions normals és un líquid. Aquest metall gris platejat s'omple normalment amb termòmetres mèdics. Quan s'escalfa, la columna de mercuri puja a l'escala, la substància s'expandeix. Per què els termòmetres de carrer utilitzen alcohol de color vermell i no mercuri? Això s'explica per les propietats del metall líquid. A les gelades de 30 graus, l'estat agregat del mercuri canvia i la substància es torna sòlida.
Si es trenca un termòmetre mèdic i es vessa mercuri, és perillós agafar boles de plata amb les mans. És perjudicial inhalar vapor de mercuri, aquesta substància és molt tòxica. En aquests casos, els nens haurien de buscar ajuda dels seus pares, adults.
Estat de gas
Els gasos no poden conservar el seu volum ni la seva forma. Ompliu el matràs fins a la part superior amb oxigen (la seva fórmula química és O2). Tan bon punt obrim el matràs, les molècules de la substància començaran a barrejar-se amb l'aire de l'habitació. Això es deu al moviment brownià. Fins i tot l'antic científic grec Demòcrit creia que les partícules de la matèria estaven en constant moviment. En sòlids, en condicions normals, els àtoms, les molècules, els ions no tenen l'oportunitat de sortir de la xarxa cristal·lina, per alliberar-se dels enllaços amb altres partícules. Això només és possible quangrans quantitats d'energia de l'exterior.
En els líquids, la distància entre partícules és lleugerament més gran que en els sòlids, requereixen menys energia per trencar els enllaços intermoleculars. Per exemple, l'estat agregat líquid de l'oxigen només s'observa quan la temperatura del gas baixa a -183 °C. A −223 °C, les molècules O2 formen un sòlid. Quan la temperatura augmenta per sobre dels valors donats, l'oxigen es converteix en gas. És en aquesta forma que es troba en condicions normals. A les empreses industrials, hi ha instal·lacions especials per separar l'aire atmosfèric i obtenir-ne nitrogen i oxigen. Primer, l'aire es refreda i es liqua, i després la temperatura augmenta gradualment. El nitrogen i l'oxigen es converteixen en gasos en condicions diferents.
L'atmosfera terrestre conté un 21% d'oxigen i un 78% de nitrogen en volum. En forma líquida, aquestes substàncies no es troben a l'embolcall gasós del planeta. L'oxigen líquid té un color blau clar i s'omple a alta pressió en cilindres per utilitzar-los en instal·lacions mèdiques. En la indústria i la construcció, els gasos liquats són necessaris per a molts processos. L'oxigen és necessari per a la soldadura amb gas i el tall de metalls, en química, per a les reaccions d'oxidació de substàncies inorgàniques i orgàniques. Si obriu la vàlvula de la bombona d'oxigen, la pressió disminueix, el líquid es converteix en gas.
El propà liquat, el metà i el butà s'utilitzen àmpliament en l'energia, el transport, la indústria i les activitats domèstiques. Aquestes substàncies s'obtenen del gas natural o per craqueig(divisió) del petroli cru. Les mescles de carboni líquid i gasós tenen un paper important en l'economia de molts països. Però les reserves de petroli i gas natural estan molt esgotades. Segons els científics, aquesta matèria primera durarà entre 100 i 120 anys. Una font alternativa d'energia és el flux d'aire (vent). Els rius de corrent ràpid, les marees a les costes dels mars i els oceans s'utilitzen per fer funcionar les centrals elèctriques.
L'oxigen, com altres gasos, pot estar en el quart estat d'agregació, que representa un plasma. Una transició inusual d'un estat sòlid a un estat gasós és una característica del iode cristal·lí. Una substància de color porpra fosc se sotmet a sublimació: es converteix en un gas, sense passar per l'estat líquid.
Com es duen a terme les transicions d'una forma agregada de matèria a una altra?
Els canvis en l'estat agregat de les substàncies no estan associats a transformacions químiques, es tracta de fenòmens físics. Quan la temperatura augmenta, molts sòlids es fonen i es converteixen en líquids. Un nou augment de la temperatura pot conduir a l'evaporació, és a dir, a l'estat gasós de la substància. En la natura i l'economia, aquestes transicions són característiques d'una de les principals substàncies de la Terra. El gel, el líquid, el vapor són els estats de l'aigua sota diferents condicions externes. El compost és el mateix, la seva fórmula és H2O. A una temperatura de 0 °C i per sota d'aquest valor, l'aigua cristal·litza, és a dir, es converteix en gel. Quan la temperatura augmenta, els cristalls resultants es destrueixen: el gel es fon, es torna a obtenir aigua líquida. Quan s'escalfa, es forma vapor d'aigua. Evaporació -la transformació de l'aigua en gas - va fins i tot a baixes temperatures. Per exemple, els bassals congelats desapareixen gradualment perquè l'aigua s'evapora. Fins i tot en temps de gel, la roba mullada s'asseca, però aquest procés triga més que en un dia calorós.
Totes les transicions enumerades de l'aigua d'un estat a un altre són de gran importància per a la naturalesa de la Terra. Els fenòmens atmosfèrics, el clima i el temps estan associats amb l'evaporació de l'aigua de la superfície dels oceans, la transferència d'humitat en forma de núvols i boira a la terra, les precipitacions (pluja, neu, calamarsa). Aquests fenòmens són la base del cicle mundial de l'aigua a la natura.
Com canvien els estats agregats del sofre?
En condicions normals, el sofre són cristalls brillants brillants o una pols de color groc clar, és a dir, és un sòlid. L'estat agregat del sofre canvia quan s'escalfa. Primer, quan la temperatura puja a 190 °C, la substància groga es fon i es converteix en un líquid mòbil.
Si aboqueu ràpidament sofre líquid a l'aigua freda, obtindreu una massa amorfa marró. Amb un major escalfament de la fosa de sofre, es torna cada cop més viscós i s'enfosquit. A temperatures superiors a 300 ° C, l'estat d'agregació del sofre canvia de nou, la substància adquireix les propietats d'un líquid, es torna mòbil. Aquestes transicions es produeixen a causa de la capacitat dels àtoms de l'element per formar cadenes de diferents longituds.
Per què les substàncies poden estar en diferents estats físics?
L'estat d'agregació del sofre -una substància simple- és sòlid en condicions normals. Diòxid de sofre - gas, àcid sulfúric -líquid oliós més pesat que l'aigua. A diferència dels àcids clorhídric i nítric, no és volàtil; les molècules no s'evaporen de la seva superfície. Quin és l'estat d'agregació del sofre plàstic, que s'obté escalfant cristalls?
En forma amorfa, la substància té l'estructura d'un líquid, amb una lleugera fluïdesa. Però el sofre plàstic conserva simultàniament la seva forma (com a sòlid). Hi ha cristalls líquids que tenen una sèrie de propietats característiques dels sòlids. Així, l'estat de la matèria en diferents condicions depèn de la seva naturalesa, temperatura, pressió i altres condicions externes.
Quines són les característiques de l'estructura dels sòlids?
Les diferències existents entre els estats agregats bàsics de la matèria s'expliquen per la interacció entre àtoms, ions i molècules. Per exemple, per què l'estat agregat sòlid de la matèria condueix a la capacitat dels cossos de mantenir el volum i la forma? A la xarxa cristal·lina d'un metall o sal, les partícules estructurals s'atreuen entre si. En els metalls, els ions carregats positivament interaccionen amb l'anomenat "gas d'electrons", l'acumulació d'electrons lliures en una peça de metall. Els cristalls de sal sorgeixen a causa de l'atracció de partícules de càrrega oposada: ions. La distància entre les unitats estructurals de sòlids anteriors és molt menor que la mida de les partícules. En aquest cas, l'atracció electrostàtica actua, dóna força i la repulsió no és prou forta.
Per destruir l'estat sòlid d'agregació de la matèria, és necessarifer un esforç. Els metalls, les sals, els cristalls atòmics es fonen a temperatures molt elevades. Per exemple, el ferro es torna líquid a temperatures superiors a 1538 °C. El tungstè és refractari i s'utilitza per fer filaments incandescents per a bombetes. Hi ha aliatges que es tornen líquids a temperatures superiors als 3000 °C. Moltes roques i minerals de la Terra es troben en estat sòlid. Aquesta matèria primera s'extreu amb l'ajuda d'equips en mines i pedreres.
Per separar fins i tot un ió d'un cristall, cal gastar una gran quantitat d'energia. Però després de tot, n'hi ha prou amb dissoldre la sal a l'aigua perquè la xarxa cristal·lina es desintegri! Aquest fenomen s'explica per les sorprenents propietats de l'aigua com a dissolvent polar. Les molècules H2O interaccionen amb els ions de sal, destruint l'enllaç químic entre elles. Per tant, la dissolució no és una simple barreja de diferents substàncies, sinó una interacció física i química entre elles.
Com interaccionen les molècules dels líquids?
L'aigua pot ser líquida, sòlida i gasosa (vapor). Aquests són els seus principals estats d'agregació en condicions normals. Les molècules d'aigua estan formades per un àtom d'oxigen amb dos àtoms d'hidrogen units a ell. Hi ha una polarització de l'enllaç químic a la molècula, apareix una càrrega negativa parcial en els àtoms d'oxigen. L'hidrogen es converteix en el pol positiu de la molècula i és atret per l'àtom d'oxigen d'una altra molècula. Aquesta força feble s'anomena "enllaç d'hidrogen".
Caracterització de l'estat d'agregació líquidadistàncies entre partícules estructurals comparables amb les seves mides. L'atracció existeix, però és feble, de manera que l'aigua no conserva la seva forma. La vaporització es produeix a causa de la destrucció dels enllaços, que es produeix a la superfície del líquid fins i tot a temperatura ambient.
Hi ha interaccions intermoleculars en els gasos?
L'estat gasós de la matèria difereix del líquid i del sòlid en una sèrie de paràmetres. Entre les partícules estructurals dels gasos hi ha grans buits, molt més grans que la mida de les molècules. En aquest cas, les forces d'atracció no funcionen gens. L'estat d'agregació gasós és característic de les substàncies presents a l'aire: nitrogen, oxigen, diòxid de carboni. A la imatge següent, el primer cub s'omple amb un gas, el segon amb un líquid i el tercer amb un sòlid.
Molts líquids són volàtils, les molècules d'una substància es desprenen de la seva superfície i passen a l'aire. Per exemple, si porteu un hisop de cotó submergit en amoníac a l'obertura d'una ampolla oberta d'àcid clorhídric, apareix fum blanc. Just a l'aire, es produeix una reacció química entre l'àcid clorhídric i l'amoníac, s'obté clorur d'amoni. En quin estat de la matèria es troba aquesta substància? Les seves partícules, que formen fum blanc, són els cristalls sòlids més petits de sal. Aquest experiment s'ha de fer sota una campana, les substàncies són tòxiques.
Conclusió
L'estat d'agregació del gas va ser estudiat per molts físics i químics destacats: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeleiev, Le Chatelier. Els científics han formulat lleis que expliquen el comportament de les substàncies gasoses en les reaccions químiques quan canvien les condicions externes. Les regularitats obertes no només van entrar als llibres de text escolars i universitaris de física i química. Moltes indústries químiques es basen en el coneixement sobre el comportament i les propietats de les substàncies en diferents estats agregats.
