Kako odrediti stanje supstance. Stanje agregacije

Pitanja o tome šta je agregatno stanje, koja svojstva i svojstva imaju čvrste materije, tečnosti i gasovi, razmatraju se u nekoliko kurseva obuke. Postoje tri klasična stanja materije, sa svojim karakterističnim strukturnim karakteristikama. Njihovo razumevanje je važna tačka u razumevanju nauka o Zemlji, živim organizmima i industrijskim aktivnostima. Ova pitanja proučavaju fizika, hemija, geografija, geologija, fizička hemija i druge naučne discipline. Supstance koje se pod određenim uslovima nalaze u jednom od tri osnovna tipa stanja mogu se menjati sa povećanjem ili smanjenjem temperature i pritiska. Razmotrimo moguće prijelaze iz jednog agregatnog stanja u drugo, kako se dešavaju u prirodi, tehnologiji i svakodnevnom životu.

Šta je stanje agregacije?

Riječ latinskog porijekla "aggrego" u prijevodu na ruski znači "pridružiti se". Naučni termin se odnosi na stanje istog tijela, supstance. Postojanje čvrstih materija, gasova i tečnosti na određenim temperaturama i različitim pritiscima karakteristično je za sve ljuske Zemlje. Pored tri osnovna stanja agregacije, postoji i četvrto. Pri povišenoj temperaturi i konstantnom pritisku, gas se pretvara u plazmu. Da bismo bolje razumjeli šta je agregatno stanje, potrebno je zapamtiti najsitnije čestice koje čine tvari i tijela.

Gornji dijagram prikazuje: a - gas; b—tečnost; c je čvrsto tijelo. Na takvim slikama krugovi označavaju strukturne elemente tvari. Ovo je simbol; u stvari, atomi, molekuli i ioni nisu čvrste lopte. Atomi se sastoje od pozitivno nabijenog jezgra oko kojeg se negativno nabijeni elektroni kreću velikom brzinom. Znanje o mikroskopskoj strukturi materije pomaže da se bolje razumiju razlike koje postoje između različitih agregatnih oblika.

Ideje o mikrokosmosu: od antičke Grčke do 17. stoljeća

Prve informacije o česticama koje čine fizička tijela pojavile su se u staroj Grčkoj. Mislioci Demokrit i Epikur uveli su takav koncept kao atom. Vjerovali su da ove najmanje nedjeljive čestice različitih supstanci imaju oblik, određene veličine i da su sposobne za kretanje i interakciju jedna s drugom. Atomizam je postao najnaprednije učenje antičke Grčke za svoje vrijeme. Ali njegov razvoj je usporen u srednjem vijeku. Od tada su naučnici bili proganjani od strane inkvizicije Rimokatoličke crkve. Stoga, sve do modernog doba, nije postojao jasan koncept o tome kakvo je stanje materije. Tek nakon 17. vijeka naučnici R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier formulišu odredbe atomsko-molekularne teorije, koje danas nisu izgubile na značaju.

Atomi, molekuli, ioni - mikroskopske čestice strukture materije

Značajan napredak u razumijevanju mikrosvijeta dogodio se u 20. vijeku, kada je izumljen elektronski mikroskop. Uzimajući u obzir ranija otkrića naučnika, bilo je moguće sastaviti koherentnu sliku mikrosvijeta. Teorije koje opisuju stanje i ponašanje najmanjih čestica materije su prilično složene; odnose se na oblast Da bismo razumeli karakteristike različitih agregatnih stanja materije, dovoljno je znati nazive i karakteristike glavnih strukturnih čestica koje formiraju različite supstance.

1. Atomi su hemijski nedjeljive čestice. Oni se čuvaju u hemijskim reakcijama, ali se uništavaju u nuklearnim reakcijama. Metali i mnoge druge tvari atomske strukture imaju čvrsto agregacijsko stanje u normalnim uvjetima.
2. Molekule su čestice koje se razgrađuju i formiraju u kemijskim reakcijama. kiseonik, voda, ugljen dioksid, sumpor. Fizičko stanje kiseonika, azota, sumpor-dioksida, ugljenika, kiseonika u normalnim uslovima je gasovito.
3. Joni su nabijene čestice koje atomi i molekule postaju kada dobiju ili izgube elektrone – mikroskopske negativno nabijene čestice. Mnoge soli imaju jonsku strukturu, na primjer kuhinjska sol, željezni sulfat i bakar sulfat.

Postoje supstance čije se čestice na određeni način nalaze u prostoru. Uređeni međusobni položaj atoma, jona i molekula naziva se kristalna rešetka. Tipično, ionske i atomske kristalne rešetke su karakteristične za čvrste tvari, molekularne - za tekućine i plinove. Dijamant se odlikuje visokom tvrdoćom. Njegovu atomsku kristalnu rešetku formiraju atomi ugljika. Ali meki grafit se također sastoji od atoma ovog kemijskog elementa. Samo što su različito smješteni u prostoru. Uobičajeno stanje agregacije sumpora je čvrsto, ali na visokim temperaturama tvar se pretvara u tekućinu i amorfnu masu.

Supstance u čvrstom agregatnom stanju

Čvrste tvari u normalnim uvjetima zadržavaju svoj volumen i oblik. Na primjer, zrno pijeska, zrno šećera, soli, komad kamena ili metala. Ako zagrijete šećer, tvar se počinje topiti, pretvarajući se u viskoznu smeđu tekućinu. Prestanimo sa grijanjem i opet ćemo dobiti čvrstu. To znači da je jedan od glavnih uvjeta za prijelaz čvrste tvari u tekućinu njeno zagrijavanje ili povećanje unutrašnje energije čestica tvari. Čvrsto agregatno stanje soli, koja se koristi za hranu, takođe se može promeniti. Ali za topljenje kuhinjske soli potrebna je viša temperatura nego kod zagrijavanja šećera. Činjenica je da se šećer sastoji od molekula, a kuhinjska so od nabijenih jona koji se međusobno jače privlače. Čvrste tvari u tekućem obliku ne zadržavaju svoj oblik jer su kristalne rešetke uništene.

Tečno agregatno stanje soli pri topljenju objašnjava se prekidom veza između jona u kristalima. Oslobađaju se nabijene čestice koje mogu nositi električne naboje. Otopljene soli provode elektricitet i provodnici su. U hemijskoj, metalurškoj i inženjerskoj industriji, čvrste materije se pretvaraju u tečnosti da bi proizvele nove spojeve ili im dale različite oblike. Metalne legure postale su široko rasprostranjene. Postoji nekoliko načina za njihovo dobivanje, povezanih s promjenama u agregacijskom stanju čvrstih sirovina.

Tečnost je jedno od osnovnih agregatnih stanja

Ako sipate 50 ml vode u tikvicu okruglog dna, primijetit ćete da će supstanca odmah poprimiti oblik hemijske posude. Ali čim izlijemo vodu iz tikvice, tečnost će se odmah raširiti po površini stola. Količina vode će ostati ista - 50 ml, ali će se njen oblik promijeniti. Navedene karakteristike su karakteristične za tečni oblik postojanja materije. Mnoge organske supstance su tečnosti: alkoholi, biljna ulja, kiseline.

Mlijeko je emulzija, odnosno tekućina koja sadrži kapljice masti. Koristan tečni resurs je ulje. Vadi se iz bušotina uz pomoć opreme za bušenje na kopnu iu okeanu. Morska voda je takođe sirovina za industriju. Njena razlika od slatke vode u rijekama i jezerima leži u sadržaju otopljenih tvari, uglavnom soli. Prilikom isparavanja s površine rezervoara, samo molekuli H 2 O prelaze u stanje pare, ostaju otopljene tvari. Metode za dobivanje korisnih tvari iz morske vode i metode za njeno pročišćavanje temelje se na ovom svojstvu.

Kada se soli potpuno uklone, dobija se destilovana voda. Kipi na 100°C, a smrzava se na 0°C. Salamure prokuvaju i pretvaraju se u led na drugim temperaturama. Na primjer, voda u Arktičkom oceanu se smrzava na površinskoj temperaturi od 2 °C.

Fizičko stanje žive u normalnim uslovima je tečno. Ovaj srebrno-sivi metal se obično koristi za punjenje medicinskih termometara. Kada se zagrije, živin stupac se diže na vagu i tvar se širi. Zašto se koristi alkohol obojen crvenom bojom, a ne živa? Ovo se objašnjava svojstvima tečnog metala. Kod mrazeva od 30 stepeni, stanje agregacije žive se mijenja, tvar postaje čvrsta.

Ako se medicinski termometar pokvari i živa se izlije, onda je sakupljanje srebrnih kuglica rukama opasno. Štetno je udisati pare žive, ova supstanca je vrlo toksična. U takvim slučajevima djeca se moraju obratiti za pomoć roditeljima i odraslima.

Gasovito stanje

Gasovi nisu u stanju da zadrže ni svoju zapreminu ni oblik. Napunimo tikvicu do vrha kiseonikom (njegova hemijska formula je O2). Čim otvorimo bocu, molekuli supstance će se početi mešati sa vazduhom u prostoriji. To se događa zbog Brownovog kretanja. Čak je i starogrčki naučnik Demokrit vjerovao da su čestice materije u stalnom kretanju. U čvrstim tijelima, u normalnim uvjetima, atomi, molekuli i ioni nemaju priliku da napuste kristalnu rešetku ili se oslobode veza s drugim česticama. To je moguće samo kada se velika količina energije dovodi izvana.

U tečnostima je razmak između čestica nešto veći nego u čvrstim materijama; potrebno im je manje energije da razbiju međumolekularne veze. Na primjer, tekuće stanje kisika se opaža samo kada se temperatura plina smanji na -183 °C. Na -223 °C, molekuli O 2 formiraju čvrstu supstancu. Kada temperatura poraste iznad ovih vrijednosti, kisik se pretvara u plin. U ovom obliku se nalazi u normalnim uslovima. Industrijska preduzeća koriste posebne instalacije za odvajanje atmosferskog vazduha i dobijanje azota i kiseonika iz njega. Prvo se zrak hladi i ukapljuje, a zatim se temperatura postepeno povećava. Azot i kiseonik se pretvaraju u gasove pod različitim uslovima.

Zemljina atmosfera sadrži 21% zapremine kiseonika i 78% azota. Ove supstance se ne nalaze u tečnom obliku u gasovitom omotaču planete. Tečni kiseonik je svetloplave boje i koristi se za punjenje boca pod visokim pritiskom za upotrebu u medicinskim ustanovama. U industriji i građevinarstvu, tečni plinovi su potrebni za obavljanje mnogih procesa. Kiseonik je potreban za gasno zavarivanje i rezanje metala, au hemiji za reakcije oksidacije neorganskih i organskih materija. Ako otvorite ventil boce s kisikom, tlak se smanjuje i tekućina se pretvara u plin.

Tečni propan, metan i butan se široko koriste u energetici, transportu, industriji i kućanstvima. Ove supstance se dobijaju iz prirodnog gasa ili prilikom krekiranja (cepanja) naftne sirovine. Tečne i gasovite mešavine ugljenika igraju važnu ulogu u ekonomijama mnogih zemalja. Ali rezerve nafte i prirodnog gasa su ozbiljno iscrpljene. Prema naučnicima, ova sirovina će trajati 100-120 godina. Alternativni izvor energije je strujanje zraka (vjetar). Brze rijeke i plime i oseke na obalama mora i okeana koriste se za pogon elektrana.

Kiseonik, kao i drugi gasovi, može biti u četvrtom agregatnom stanju, predstavljajući plazmu. Neobičan prijelaz iz čvrstog u plinovito stanje je karakteristična karakteristika kristalnog joda. Tamnoljubičasta tvar se podvrgava sublimaciji - pretvara se u plin, zaobilazeći tekuće stanje.

Kako se vrše prijelazi iz jednog agregatnog oblika materije u drugi?

Promjene u agregatnom stanju tvari nisu povezane s kemijskim transformacijama, to su fizičke pojave. Kako temperatura raste, mnoge čvrste tvari se tope i pretvaraju u tekućine. Daljnji porast temperature može dovesti do isparavanja, odnosno do plinovitog stanja tvari. U prirodi i ekonomiji, takvi prijelazi su karakteristični za jednu od glavnih supstanci na Zemlji. Led, tečnost, para su stanja vode pod različitim spoljnim uslovima. Jedinjenje je isto, njegova formula je H 2 O. Na temperaturi od 0°C i ispod ove vrijednosti voda kristalizira, odnosno pretvara se u led. Kako temperatura raste, nastali kristali se uništavaju - led se topi i ponovo se dobiva tečna voda. Kada se zagrije, nastaje isparavanje - transformacija vode u plin - čak i pri niskim temperaturama. Na primjer, smrznute lokve postepeno nestaju jer voda isparava. Čak i po hladnom vremenu, mokro rublje se suši, ali ovaj proces traje duže nego po vrućem danu.

Svi navedeni prelazi vode iz jednog stanja u drugo od velikog su značaja za prirodu Zemlje. Atmosferske pojave, klima i vrijeme povezani su sa isparavanjem vode sa površine Svjetskog okeana, prijenosom vlage u obliku oblaka i magle na kopno, te padavinama (kiša, snijeg, grad). Ove pojave čine osnovu svjetskog ciklusa vode u prirodi.

Kako se mijenjaju agregatna stanja sumpora?

U normalnim uslovima, sumpor je svetli sjajni kristali ili svetlo žuti prah, odnosno čvrsta je supstanca. Fizičko stanje sumpora se mijenja kada se zagrije. Prvo, kada temperatura poraste na 190 °C, žuta tvar se topi, pretvarajući se u pokretnu tekućinu.

Ako brzo sipate tečni sumpor u hladnu vodu, dobijate smeđu amorfnu masu. Daljnjim zagrijavanjem taline sumpora ona postaje sve viskoznija i tamni. Na temperaturama iznad 300 °C ponovo se mijenja agregatno stanje sumpora, tvar poprima svojstva tekućine i postaje pokretna. Ovi prijelazi nastaju zbog sposobnosti atoma elementa da formiraju lance različitih dužina.

Zašto supstance mogu biti u različitim agregatnim stanjima?

Stanje agregacije sumpora, jednostavne supstance, je čvrsto u normalnim uslovima. Sumpor dioksid je gas, sumporna kiselina je uljna tečnost teža od vode. Za razliku od klorovodične i dušične kiseline, nije hlapljiv; molekule ne isparavaju s njegove površine. Kakvo agregatno stanje ima plastični sumpor koji se dobija zagrijavanjem kristala?

U svom amorfnom obliku, supstanca ima strukturu tečnosti, sa neznatnom fluidnošću. Ali plastični sumpor istovremeno zadržava svoj oblik (kao krutina). Postoje tečni kristali koji imaju niz karakterističnih svojstava čvrstih materija. Dakle, stanje supstance u različitim uslovima zavisi od njene prirode, temperature, pritiska i drugih spoljašnjih uslova.

Koje karakteristike postoje u strukturi čvrstih tijela?

Postojeće razlike između osnovnih agregatnih stanja materije objašnjavaju se interakcijom između atoma, jona i molekula. Na primjer, zašto čvrsto stanje materije dovodi do sposobnosti tijela da održe volumen i oblik? U kristalnoj rešetki metala ili soli, strukturne čestice se privlače jedna drugoj. U metalima, pozitivno nabijeni joni stupaju u interakciju s onim što se naziva "elektronski plin", skup slobodnih elektrona u komadu metala. Kristali soli nastaju zbog privlačenja suprotno nabijenih čestica - iona. Udaljenost između gore navedenih strukturnih jedinica čvrstih tijela je mnogo manja od veličine samih čestica. U ovom slučaju djeluje elektrostatičko privlačenje, daje snagu, ali odbijanje nije dovoljno snažno.

Da bi se uništilo čvrsto stanje agregacije supstance, mora se uložiti napor. Metali, soli i atomski kristali se tope na vrlo visokim temperaturama. Na primjer, željezo postaje tečno na temperaturama iznad 1538 °C. Volfram je vatrostalan i koristi se za izradu žarulja sa žarnom niti za sijalice. Postoje legure koje postaju tečne na temperaturama iznad 3000 °C. Mnogi na Zemlji su u solidnom stanju. Ove sirovine se ekstrahuju tehnologijom u rudnicima i kamenolomima.

Da bi se odvojio čak i jedan ion iz kristala, mora se potrošiti velika količina energije. Ali dovoljno je otopiti sol u vodi da se kristalna rešetka raspadne! Ovaj fenomen se objašnjava nevjerovatnim svojstvima vode kao polarnog rastvarača. Molekuli H 2 O stupaju u interakciju sa ionima soli, uništavajući hemijsku vezu između njih. Dakle, rastvaranje nije jednostavno miješanje različitih supstanci, već fizičko-hemijska interakcija između njih.

Kako molekuli tečnosti međusobno djeluju?

Voda može biti tečnost, čvrsta materija i gas (para). Ovo su njegova osnovna stanja agregacije u normalnim uslovima. Molekule vode sastoje se od jednog atoma kisika za koji su vezana dva atoma vodika. Dolazi do polarizacije kemijske veze u molekuli, a na atomima kisika pojavljuje se djelomični negativni naboj. Vodik postaje pozitivni pol u molekuli, privučen atomom kisika druge molekule. To se zove "vodikova veza".

Tečno agregacijsko stanje karakteriziraju udaljenosti između strukturnih čestica uporedive s njihovim veličinama. Privlačnost postoji, ali je slaba, pa voda ne zadržava svoj oblik. Do isparavanja dolazi zbog razaranja veza koje se javlja na površini tekućine čak i na sobnoj temperaturi.

Postoje li međumolekularne interakcije u plinovima?

Gasovito stanje tvari razlikuje se od tečnog i čvrstog po nizu parametara. Postoje velike praznine između strukturnih čestica gasova, mnogo veće od veličine molekula. U ovom slučaju sile privlačenja uopće ne djeluju. Gasovito agregacijsko stanje je karakteristično za tvari prisutne u zraku: dušik, kisik, ugljični dioksid. Na slici ispod, prva kocka je napunjena gasom, druga tečnošću, a treća čvrstim.

Mnoge tekućine su hlapljive; molekuli tvari se odvajaju od njihove površine i odlaze u zrak. Na primjer, ako prinesete pamučni štapić umočen u amonijak na otvor otvorene boce klorovodične kiseline, pojavljuje se bijeli dim. Hemijska reakcija između hlorovodonične kiseline i amonijaka odvija se u vazduhu, stvarajući amonijum hlorid. U kakvom je stanju agregacije ova supstanca? Njegove čestice koje formiraju bijeli dim su sićušni čvrsti kristali soli. Ovaj eksperiment se mora izvesti pod haubom; supstance su otrovne.

Zaključak

Stanje agregacije gasa proučavali su mnogi istaknuti fizičari i hemičari: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendeleev, Le Chatelier. Naučnici su formulisali zakone koji objašnjavaju ponašanje gasovitih supstanci u hemijskim reakcijama kada se spoljni uslovi promene. Otvoreni obrasci nisu bili uključeni samo u školske i univerzitetske udžbenike fizike i hemije. Mnoge hemijske industrije zasnivaju se na znanju o ponašanju i svojstvima supstanci u različitim agregatnim stanjima.

Agregatna stanja materije (od latinskog aggrego - spajam, spajam) - to su stanja iste supstance, prijelazi između kojih odgovaraju naglim promjenama slobodne energije, entropije, gustoće i drugih fizičkih parametara tvari.

Gas (francuski gaz, izveden od grčkog chaos - haos) je stanje agregacije tvari u kojem su sile interakcije njenih čestica, koje ispunjavaju cijeli volumen koji im se pruža, zanemarljive. U plinovima su međumolekulske udaljenosti velike i molekule se kreću gotovo slobodno.

• Gasovi se mogu smatrati značajno pregrijanim ili nedovoljno zasićenim parama.
• Iznad površine svake tečnosti postoji para zbog isparavanja. Kada se pritisak pare poveća do određene granice, koja se zove pritisak zasićene pare, isparavanje tečnosti prestaje, jer pritisak pare i tečnosti postaje isti.
• Smanjenje volumena zasićene pare uzrokuje kondenzaciju dijela pare, a ne povećanje tlaka. Zbog toga pritisak pare ne može biti veći od pritiska zasićene pare. Stanje zasićenja karakteriše masa zasićenja sadržana u 1m mase zasićene pare, koja zavisi od temperature. Zasićena para može postati nezasićena ako se poveća njen volumen ili temperatura. Ako je temperatura pare mnogo viša od tačke ključanja koja odgovara datom pritisku, para se naziva pregrijana.

Plazma je djelomično ili potpuno jonizirani plin u kojem su gustoće pozitivnih i negativnih naboja gotovo jednake. Sunce, zvijezde, oblaci međuzvjezdane materije sastoje se od plinova - neutralnih ili joniziranih (plazma). Za razliku od drugih agregacijskih stanja, plazma je plin nabijenih čestica (jona, elektrona), koje međusobno električno komuniciraju na velikim udaljenostima, ali nemaju ni kratkoročni ni dalekometni poredak u rasporedu čestica.

Tečnost - ovo je stanje agregacije supstance, srednje između čvrstog i gasovitog.

1. Tečnosti imaju neke karakteristike čvrste supstance (zadržava zapreminu, formira površinu, ima određenu vlačnu čvrstoću) i gasa (poprimi oblik posude u kojoj se nalazi).
2. Toplotno kretanje molekula (atoma) tečnosti je kombinacija malih vibracija oko ravnotežnih položaja i čestih skokova iz jednog ravnotežnog položaja u drugi.
3. Istovremeno, spora kretanja molekula i njihove vibracije se javljaju unutar malih zapremina, česti skokovi molekula remete dalekometni poredak u rasporedu čestica i određuju fluidnost tečnosti, a male vibracije oko ravnotežnih položaja određuju postojanje kratkih -redosled dometa u tečnostima.

Tečnosti i čvrste materije, za razliku od gasova, mogu se smatrati visoko kondenzovanim medijima. U njima su molekuli (atomi) smješteni mnogo bliže jedni drugima i sile interakcije su nekoliko redova veličine veće nego u plinovima. Dakle, tečnosti i čvrste materije imaju značajno ograničene mogućnosti širenja; očigledno ne mogu da zauzmu proizvoljan volumen, a pri konstantnom pritisku i temperaturi zadržavaju svoj volumen, bez obzira u koji zapreminu se nalaze. Prijelazi iz strukturno uređenijeg stanja agregacije u manje uređeno stanje također se mogu odvijati kontinuirano. U tom smislu, umjesto koncepta agregatnog stanja, preporučljivo je koristiti širi pojam – koncept faze.

Faza je skup svih delova sistema koji imaju isti hemijski sastav i koji su u istom stanju. Ovo se opravdava istovremenim postojanjem termodinamički ravnotežnih faza u višefaznom sistemu: tečnost sa svojom zasićenom parom; voda i led na tački topljenja; dvije tekućine koje se ne miješaju (mješavina vode i trietilamina), različite koncentracije; postojanje amorfnih čvrstih materija koje zadržavaju strukturu tečnosti (amorfno stanje).

Amorfno čvrsto stanje materije je vrsta prehlađenog stanja tečnosti i razlikuje se od običnih tečnosti po značajno većoj viskoznosti i brojčanim vrednostima kinetičkih karakteristika.

Kristalno čvrsto stanje materije je stanje agregacije koje karakteriziraju velike interakcijske sile između čestica materije (atoma, molekula, jona). Čestice čvrstih tijela osciliraju oko prosječnih ravnotežnih pozicija, koje se nazivaju čvorovi rešetke; strukturu ovih supstanci karakteriše visok stepen uređenosti (redak dugog i kratkog dometa) - red u rasporedu (koordinacioni red), u orijentaciji (orijentacijski red) strukturnih čestica ili red u fizičkim svojstvima (npr. na primjer, u orijentaciji magnetnih momenata ili električnih dipolnih momenata). Područje postojanja normalne tekuće faze za čiste tečnosti, tečne i tečne kristale ograničeno je od niskih temperatura faznim prelazima, respektivno, u čvrsto (kristalizacija), superfluidno i tečno-anizotropno stanje.

Mislim da svi znaju 3 glavna stanja materije: tečno, čvrsto i gasovito. Sa ovakvim agregatnim stanjima susrećemo se svaki dan i svuda. Najčešće se razmatraju na primjeru vode. Tečno stanje vode nam je najpoznatije. Stalno pijemo tečnu vodu, ona teče iz naše slavine, a mi sami smo 70% tečne vode. Drugo fizičko stanje vode je običan led, koji zimi vidimo na ulici. Vodu je takođe lako pronaći u gasovitom obliku u svakodnevnom životu. U gasovitom stanju, voda je, kao što svi znamo, para. To se vidi kada, na primjer, prokuhamo kotlić. Da, na 100 stepeni voda prelazi iz tečnog u gasovito.

Ovo su tri stanja materije koja su nam poznata. Ali jeste li znali da ih zapravo ima 4? Mislim da je svako barem jednom čuo riječ "plazma". I danas želim da naučite više o plazmi – četvrtom stanju materije.

Plazma je djelomično ili potpuno jonizirani plin sa jednakim gustoćama pozitivnih i negativnih naboja. Plazma se može dobiti iz gasa - iz 3. agregacionog stanja supstance jakim zagrevanjem. Agregatno stanje općenito, zapravo, u potpunosti ovisi o temperaturi. Prvo agregacijsko stanje je najniža temperatura na kojoj tijelo ostaje u čvrstom stanju, drugo agregacijsko stanje je temperatura na kojoj tijelo počinje da se topi i postaje tečno, treće agregacijsko stanje je najviša temperatura na kojoj tvar postaje a gas. Za svako tijelo, tvar, temperatura prijelaza iz jednog agregatnog stanja u drugo je potpuno drugačija, za neke je niža, za neke viša, ali za svakoga je striktno u ovom nizu. Na kojoj temperaturi supstanca postaje plazma? Pošto je ovo četvrto stanje, to znači da je temperatura prijelaza u njega viša od one u svakom prethodnom. I zaista jeste. Da bi se ionizirao plin, potrebna je vrlo visoka temperatura. Najnižu temperaturu i nisko joniziranu (oko 1%) plazmu karakteriše temperatura do 100 hiljada stepeni. U zemaljskim uslovima, takva plazma se može posmatrati u obliku munje. Temperatura kanala munje može premašiti 30 hiljada stepeni, što je 6 puta više od temperature površine Sunca. Inače, Sunce i sve druge zvijezde su također plazma, najčešće visokotemperaturna. Nauka dokazuje da je oko 99% sve materije u svemiru plazma.

Za razliku od niskotemperaturne plazme, visokotemperaturna plazma ima skoro 100% jonizaciju i temperaturu do 100 miliona stepeni. Ovo je zaista zvjezdana temperatura. Na Zemlji se takva plazma nalazi samo u jednom slučaju - za eksperimente termonuklearne fuzije. Kontrolirana reakcija je prilično složena i zahtijeva energiju, ali se nekontrolirana reakcija pokazala kao oružje kolosalne snage - termonuklearna bomba koju je SSSR testirao 12. avgusta 1953. godine.

Plazma se ne klasifikuje samo po temperaturi i stepenu jonizacije, već i po gustini i kvazineutralnosti. Kolokacija gustina plazme obično znači elektronska gustina, odnosno broj slobodnih elektrona po jedinici zapremine. Pa, sa ovim mislim da je sve jasno. Ali ne znaju svi šta je kvazineutralnost. Kvazineutralnost plazme jedno je od njegovih najvažnijih svojstava, koje se sastoji u gotovo tačnoj jednakosti gustoća pozitivnih jona i elektrona uključenih u njen sastav. Zbog dobre električne provodljivosti plazme, razdvajanje pozitivnih i negativnih naboja je nemoguće na udaljenostima većim od Debajeve dužine i na vremenima većim od perioda oscilacija plazme. Skoro sva plazma je kvazi neutralna. Primjer nekvazineutralne plazme je snop elektrona. Međutim, gustina ne-neutralne plazme mora biti vrlo mala, inače će se brzo raspasti zbog Coulombove odbijanja.

Pogledali smo vrlo malo zemaljskih primjera plazme. Ali ima ih dosta. Čovjek je naučio da koristi plazmu za vlastitu korist. Zahvaljujući četvrtom agregatnom stanju, možemo koristiti lampe na gasno pražnjenje, plazma televizore, elektrolučno zavarivanje i lasere. Konvencionalne fluorescentne sijalice sa pražnjenjem su takođe plazma. U našem svijetu postoji i plazma lampa. Uglavnom se koristi u nauci za proučavanje i, što je najvažnije, za sagledavanje nekih od najsloženijih fenomena plazme, uključujući filamentaciju. Fotografija takve lampe može se vidjeti na slici ispod:

Osim plazma uređaja u domaćinstvu, na Zemlji se često može vidjeti i prirodna plazma. Već smo govorili o jednom od njenih primjera. Ovo je munja. Ali pored munja, plazma fenomeni se mogu nazvati severnim svetlom, "vatrom svetog Elma", jonosferom Zemlje i, naravno, vatrom.

Primijetite da vatra, munja i druge manifestacije plazme, kako je mi zovemo, gore. Šta uzrokuje tako sjajnu svjetlost iz plazme? Sjaj plazme je uzrokovan prijelazom elektrona iz stanja visoke energije u stanje niske energije nakon rekombinacije s ionima. Ovaj proces rezultira zračenjem sa spektrom koji odgovara pobuđenom plinu. Zbog toga plazma sija.

Takođe bih želeo da pričam malo o istoriji plazme. Na kraju krajeva, nekada su se samo takve supstance kao što su tečna komponenta mleka i bezbojna komponenta krvi zvale plazma. Sve se promijenilo 1879. Te godine je poznati engleski naučnik William Crookes, proučavajući električnu provodljivost u gasovima, otkrio fenomen plazme. Istina, ovo stanje materije nazvano je plazma tek 1928. I to je učinio Irving Langmuir.

U zaključku, želim reći da je tako zanimljiv i misteriozan fenomen kao što je loptasta munja, o kojoj sam više puta pisao na ovoj stranici, naravno i plazmoid, poput obične munje. Ovo je možda najneobičniji plazmoid od svih fenomena zemaljske plazme. Na kraju krajeva, postoji oko 400 različitih teorija o loptastim munjama, ali nijedna od njih nije prepoznata kao istinski tačna. U laboratorijskim uslovima slični, ali kratkotrajni fenomeni dobijani su na nekoliko različitih načina, tako da pitanje prirode loptaste munje ostaje otvoreno.

Obična plazma je, naravno, takođe stvorena u laboratorijama. Ovo je nekada bilo teško, ali sada takav eksperiment nije posebno težak. Pošto je plazma čvrsto ušla u naš svakodnevni arsenal, na njoj se mnogo eksperimentiše u laboratorijama.

Najzanimljivije otkriće u oblasti plazme bili su eksperimenti sa plazmom u nultom stepenu gravitacije. Ispostavilo se da plazma kristalizira u vakuumu. To se događa ovako: nabijene čestice plazme počinju se međusobno odbijati, a kada imaju ograničenu zapreminu, zauzimaju prostor koji im je dodijeljen, raspršujući se u različitim smjerovima. Ovo je prilično slično kristalnoj rešetki. Ne znači li to da je plazma zatvarajuća karika između prvog i trećeg stanja materije? Na kraju krajeva, ona postaje plazma zbog jonizacije gasa, a u vakuumu plazma ponovo postaje čvrsta. Ali ovo je samo moja pretpostavka.

Kristali plazme u svemiru također imaju prilično čudnu strukturu. Ova struktura se može posmatrati i proučavati samo u svemiru, u stvarnom svemirskom vakuumu. Čak i ako stvorite vakuum na Zemlji i tamo postavite plazmu, gravitacija će jednostavno komprimirati cijelu "sliku" koja se formira unutra. U svemiru kristali plazme jednostavno polete, formirajući trodimenzionalnu trodimenzionalnu strukturu čudnog oblika. Nakon što je naučnicima na Zemlji poslao rezultate posmatranja plazme u orbiti, pokazalo se da vrtlozi u plazmi čudno ponavljaju strukturu naše galaksije. To znači da će u budućnosti proučavanjem plazme biti moguće razumjeti kako je nastala naša galaksija. Fotografije ispod prikazuju istu kristaliziranu plazmu.

Stanje agregacije- stanje materije koje karakterišu određena kvalitativne osobine: sposobnost ili nemogućnost održavanja volumena i oblika, prisustvo ili odsustvo reda dugog i kratkog dometa i dr. Promjena agregacijskog stanja može biti praćena naglom promjenom slobodne energije, entropije, gustine i drugih osnovnih fizičkih svojstava.
Postoje tri glavna agregatna stanja: čvrsto, tečno i gasovito. Ponekad nije sasvim ispravno klasifikovati plazmu kao stanje agregacije. Postoje i druga stanja agregacije, na primjer, tekući kristali ili Bose-Einstein kondenzat. Promjene u agregacijskom stanju su termodinamički procesi koji se nazivaju fazni prijelazi. Razlikuju se sljedeće varijante: od čvrstog do tekućeg - topljenje; iz tečnog u gasovito - isparavanje i ključanje; od čvrstog do gasovitog - sublimacija; iz gasovitog u tečno ili čvrsto - kondenzacija; iz tečnog u čvrstu - kristalizacija. Posebnost je odsustvo oštre granice prijelaza u stanje plazme.
Definicije stanja agregacije nisu uvijek stroge. Dakle, postoje amorfna tijela koja zadržavaju strukturu tekućine i imaju nisku fluidnost i sposobnost zadržavanja oblika; tečni kristali su fluidni, ali u isto vrijeme imaju neka svojstva čvrstih tijela, posebno mogu polarizirati elektromagnetno zračenje koje prolazi kroz njih. Za opisivanje različitih stanja u fizici koristi se širi koncept termodinamičke faze. Pojave koje opisuju prelaze iz jedne faze u drugu nazivaju se kritične pojave.
Stanje agregacije supstance zavisi od fizičkih uslova u kojima se nalazi, uglavnom od temperature i pritiska. Odredjujuća veličina je omjer prosječne potencijalne energije interakcije molekula i njihove prosječne kinetičke energije. Dakle, za čvrstu supstancu je ovaj odnos veći od 1, za gasove manji od 1, a za tečnosti približno jednak 1. Prelazak iz jednog agregacionog stanja supstance u drugo prati nagla promena u vrijednost ovog omjera, povezana s naglom promjenom međumolekulskih udaljenosti i međumolekularnih interakcija. U plinovima su međumolekulske udaljenosti velike, molekule jedva stupaju u interakciju jedni s drugima i kreću se gotovo slobodno, ispunjavajući cijeli volumen. U tekućinama i čvrstim tvarima - kondenziranoj tvari - molekuli (atomi) su smješteni mnogo bliže jedan drugom i jače međusobno djeluju.
To dovodi do toga da tekućine i čvrste tvari zadržavaju svoj volumen. Međutim, priroda kretanja molekula u čvrstim materijama i tečnostima je različita, što objašnjava razliku u njihovoj strukturi i svojstvima.
U čvrstim materijama u kristalnom stanju, atomi vibriraju samo u blizini čvorova kristalne rešetke; strukturu ovih tela karakteriše visok stepen uređenosti – poredak na daljinu i poredak kratkog dometa. Toplotno kretanje molekula (atoma) tečnosti je kombinacija malih vibracija oko ravnotežnih položaja i čestih skokova iz jednog ravnotežnog položaja u drugi. Potonji određuju postojanje u tečnostima samo kratkog reda u rasporedu čestica, kao i njihovu inherentnu pokretljivost i fluidnost.
A. Solid- stanje koje karakteriše sposobnost održavanja volumena i oblika. Atomi čvrste supstance podležu samo malim vibracijama oko ravnotežnog stanja. Postoji i dugoročni i kratkoročni poredak.
b. Tečnost- stanje materije u kojem ima nisku stišljivost, odnosno dobro zadržava svoj volumen, ali nije u stanju zadržati oblik. Tečnost lako poprima oblik posude u koju se nalazi. Atomi ili molekuli tečnosti vibriraju blizu ravnotežnog stanja, zaključani drugim atomima, i često skaču na druga slobodna mjesta. Prisutan je samo poredak kratkog dometa.
Topljenje- ovo je prelazak supstance iz čvrstog agregatnog stanja (vidi Agregatna stanja materije) u tečno. Ovaj proces se dešava kada se zagreje, kada se telu prenese određena količina toplote +Q. Na primjer, nisko topivo metalno olovo prelazi iz čvrstog u tekuće stanje ako se zagrije na temperaturu od 327 C. Olovo se lako topi na plinskom štednjaku, na primjer u žlici od nerđajućeg čelika (poznato je da plamen temperatura plinskog gorionika je 600-850°C, a temperatura topljenja čelika - 1300-1500°C).
Ako, dok topite olovo, izmjerite njegovu temperaturu, otkrit ćete da se ona u početku lagano povećava, ali nakon određenog trenutka ostaje konstantna, uprkos daljem zagrijavanju. Ovaj trenutak odgovara topljenju. Temperatura ostaje konstantna dok se svo olovo ne otopi, a tek onda ponovo počinje da raste. Kada se tečno olovo ohladi, uočava se suprotna slika: temperatura opada dok ne počne skrućivanje i ostaje konstantna sve vrijeme dok olovo ne pređe u čvrstu fazu, a zatim ponovo pada.
Sve čiste supstance se ponašaju na sličan način. Konstantnost temperature tokom topljenja je od velike praktične važnosti, jer vam omogućava kalibraciju termometara i izradu osigurača i indikatora koji se tope na strogo određenoj temperaturi.
Atomi u kristalu osciliraju oko svojih ravnotežnih položaja. Sa povećanjem temperature, amplituda vibracija se povećava i dostiže određenu kritičnu vrijednost, nakon čega se kristalna rešetka uništava. Ovo zahteva dodatnu toplotnu energiju, tako da se temperatura ne povećava tokom procesa topljenja, iako toplota nastavlja da teče.
Tačka topljenja neke supstance zavisi od pritiska. Za supstance čija se zapremina povećava tokom topljenja (a njih je velika većina), povećanje pritiska povećava tačku topljenja i obrnuto. Kada se voda topi, njen volumen se smanjuje (dakle, kada se voda zamrzne, puca cijevi), a kada se pritisak poveća, led se topi na nižoj temperaturi. Bizmut, galijum i neke marke livenog gvožđa ponašaju se na sličan način.
V. Gas- stanje koje karakteriše dobra kompresibilnost, nedostatak sposobnosti zadržavanja volumena i oblika. Plin ima tendenciju da zauzme cjelokupni volumen koji mu se daje. Atomi ili molekuli plina ponašaju se relativno slobodno, udaljenosti između njih su mnogo veće od njihovih veličina.
Plazma, koja se često klasifikuje kao agregatno stanje materije, razlikuje se od gasa po visokom stepenu jonizacije atoma. Većina barionske materije (oko 99,9% mase) u Univerzumu je u stanju plazme.
grad C superkritični fluid- Javlja se uz istovremeno povećanje temperature i pritiska do kritične tačke u kojoj se gustina gasa upoređuje sa gustinom tečnosti; u ovom slučaju, granica između tekuće i plinovite faze nestaje. Superkritični fluid ima izuzetno veliku moć rastvaranja.
d. Bose-Einstein kondenzat- dobija se kao rezultat hlađenja Bose gasa na temperature blizu apsolutne nule. Kao rezultat toga, neki atomi se nađu u stanju sa striktno nultom energijom (to jest, u najnižem mogućem kvantnom stanju). Bose-Einstein kondenzat pokazuje niz kvantnih svojstava, kao što su superfluidnost i Fischbachova rezonanca.
e. Fermion kondenzat- predstavlja Bose kondenzaciju u BCS modu “atomskih Cooperovih parova” u gasovima koji se sastoje od atoma fermiona. (Za razliku od tradicionalnog režima Bose-Einstein kondenzacije složenih bozona).
Takvi fermionski atomski kondenzati su "rođaci" supravodnika, ali s kritičnom temperaturom reda sobne temperature i više.
Degenerisana materija – Fermi gas Faza 1 Gas degenerisan od elektrona, primećen kod belih patuljaka, igra važnu ulogu u evoluciji zvezda. 2. faza, neutronsko stanje, materija prelazi u njega pod ultravisokim pritiskom, što se još ne može postići u laboratoriji, ali postoji unutar neutronskih zvijezda. Tokom prijelaza u neutronsko stanje, elektroni tvari stupaju u interakciju s protonima i pretvaraju se u neutrone. Kao rezultat toga, materija u neutronskom stanju sastoji se u potpunosti od neutrona i ima gustoću reda nuklearne. Temperatura tvari ne bi trebala biti previsoka (u energetskom ekvivalentu, ne više od sto MeV).
Sa snažnim porastom temperature (stotine MeV i više), razni mezoni počinju da se rađaju i anihiliraju u neutronskom stanju. Daljnjim povećanjem temperature dolazi do dekonfiniranja i tvar prelazi u stanje kvark-gluonske plazme. Više se ne sastoji od hadrona, već od stalnog rađanja i nestajanja kvarkova i gluona. Možda se dekonfinacija odvija u dvije faze.
S daljnjim neograničenim povećanjem tlaka bez povećanja temperature, supstanca kolabira u crnu rupu.
Uz istovremeni porast i tlaka i temperature, kvarkovima i gluonima se dodaju druge čestice. Šta se dešava sa materijom, prostorom i vremenom na temperaturama bliskim Planckovim još uvek nije poznato.
Druge države
Tokom dubokog hlađenja, neke (ne sve) supstance prelaze u supravodljivo ili superfluidno stanje. Ova stanja su, naravno, odvojene termodinamičke faze, ali se teško mogu nazvati novim agregatnim stanjima materije zbog njihove neuniverzalnosti.
Heterogene supstance kao što su paste, gelovi, suspenzije, aerosoli, itd., koje pod određenim uslovima pokazuju svojstva i čvrstih i tečnih, pa čak i gasova, obično se klasifikuju kao dispergovani materijali, a ne u neka specifična agregatna stanja materije.

U zavisnosti od temperature i pritiska, svaka supstanca je sposobna da preuzme različita agregatna stanja. Svako takvo stanje karakteriziraju određena kvalitativna svojstva koja ostaju nepromijenjena unutar temperatura i pritisaka potrebnih za dato stanje agregacije.

Karakteristična svojstva agregacijskih stanja uključuju, na primjer, sposobnost tijela u čvrstom stanju da zadrži svoj oblik, ili obrnuto, sposobnost tekućeg tijela da promijeni oblik. Međutim, ponekad su granice između različitih agregatnih stanja prilično zamagljene, kao u slučaju tekućih kristala, ili takozvanih “amorfnih čvrstih tijela”, koje mogu biti elastične poput čvrstih i fluidnih poput tekućina.

Prijelaz između agregacijskih stanja može se dogoditi oslobađanjem slobodne energije, promjenom gustoće, entropije ili drugih fizičkih veličina. Prijelaz iz jednog agregacijskog stanja u drugo naziva se fazni prijelaz, a fenomeni koji prate takve prijelaze nazivaju se kritični fenomeni.

Lista poznatih stanja agregacije