Hogyan határozzuk meg az anyag állapotát. Az összesítés állapota

Az aggregáció állapotáról, a szilárd anyagok, folyadékok és gázok jellemzőiről és tulajdonságairól számos képzésen kerül sor. Az anyagnak három klasszikus halmazállapota van, amelyek a szerkezet sajátos jellemzőivel rendelkeznek. Megértésük fontos pont a Föld, az élő szervezetek és a termelési tevékenységek tudományainak megértésében. Ezeket a kérdéseket a fizika, a kémia, a földrajz, a geológia, a fizikai kémia és más tudományágak vizsgálják. Azok az anyagok, amelyek bizonyos körülmények között a három alapállapot valamelyikében vannak, a hőmérséklet vagy a nyomás emelkedésével vagy csökkenésével változhatnak. Tekintsük az egyik halmozódási állapotból a másikba való lehetséges átmeneteket, mivel ezek a természetben, a technológiában és a mindennapi életben történnek.

Mi az aggregációs állapot?

A latin eredetű „aggrego” szó oroszra fordítva azt jelenti, hogy „rákapcsolni”. A tudományos kifejezés ugyanazon test, anyag állapotára utal. A szilárd anyagok, gázok és folyadékok bizonyos hőmérsékleti értékeken és különböző nyomásokon a Föld összes héjára jellemző. A három alapvető aggregált állapot mellett van egy negyedik is. Magas hőmérsékleten és állandó nyomáson a gáz plazmává alakul. Ahhoz, hogy jobban megértsük, mi az aggregációs állapot, emlékeznünk kell az anyagokat és testeket alkotó legkisebb részecskékre.

A fenti diagram a következőket mutatja: a - gáz; b - folyékony; c egy merev test. Az ilyen ábrákon körök jelzik az anyagok szerkezeti elemeit. Ez egy szimbólum, valójában az atomok, molekulák, ionok nem szilárd golyók. Az atomok egy pozitív töltésű magból állnak, amely körül a negatív töltésű elektronok nagy sebességgel mozognak. Az anyag mikroszkopikus szerkezetének ismerete segít jobban megérteni a különböző aggregátumformák között fennálló különbségeket.

Ötletek a mikrovilágról: az ókori Görögországtól a 17. századig

Az első információk a fizikai testeket alkotó részecskékkel kapcsolatban az ókori Görögországban jelentek meg. Démokritosz és Epikurosz gondolkodók bevezették az atom fogalmát. Úgy gondolták, hogy ezek a különböző anyagokból álló legkisebb oszthatatlan részecskék alakúak, bizonyos méretűek, képesek mozogni és kölcsönhatásba lépni egymással. Az atomtudomány a maga idejében az ókori Görögország legfejlettebb tanítása lett. De fejlődése a középkorban lelassult. Azóta a tudósokat üldözte a római katolikus egyház inkvizíciója. Ezért egészen a modern időkig nem volt világos elképzelés arról, hogy mi az anyag aggregációs állapota. Csak a 17. század után fogalmazták meg R. Boyle, M. Lomonoszov, D. Dalton, A. Lavoisier tudósok az atom-molekuláris elmélet azon rendelkezéseit, amelyek máig sem veszítették el jelentőségét.

Atomok, molekulák, ionok - az anyag szerkezetének mikroszkopikus részecskéi

A mikrokozmosz megértésében jelentős áttörés történt a 20. században, amikor feltalálták az elektronmikroszkópot. A tudósok korábbi felfedezéseit figyelembe véve harmonikus képet lehetett összeállítani a mikrovilágról. Az anyag legkisebb részecskéinek állapotát, viselkedését leíró elméletek meglehetősen összetettek, a területhez tartoznak A különböző halmazállapotú anyagok jellemzőinek megértéséhez elegendő ismerni a főbb szerkezeti részecskék nevét és jellemzőit, amelyek különbözőt alkotnak. anyagokat.

1. Az atomok kémiailag oszthatatlan részecskék. Kémiai reakciókban megőrződött, de nukleáris reakciókban megsemmisült. A fémek és sok más atomi szerkezetű anyag normál körülmények között szilárd halmazállapotú aggregációval rendelkezik.
2. A molekulák olyan részecskék, amelyek kémiai reakciók során bomlanak le és keletkeznek. oxigén, víz, szén-dioxid, kén. Az oxigén, nitrogén, kén-dioxid, szén, oxigén aggregációs állapota normál körülmények között gázhalmazállapotú.
3. Az ionok töltött részecskék, amelyekké az atomok és molekulák átalakulnak, amikor elektronokat nyernek vagy veszítenek – mikroszkopikus méretű negatív töltésű részecskék. Sok só ionos szerkezetű, például a konyhasó, a vas és a réz-szulfát.

Vannak olyan anyagok, amelyek részecskéi bizonyos módon helyezkednek el a térben. Az atomok, ionok, molekulák rendezett kölcsönös helyzetét kristályrácsnak nevezzük. Általában az ionos és atomi kristályrácsok jellemzőek a szilárd anyagokra, a molekuláris - a folyadékokra és gázokra. A gyémánt nagy keménységű. Atomi kristályrácsát szénatomok alkotják. De a lágy grafit is ennek a kémiai elemnek az atomjaiból áll. Csak a térben eltérően helyezkednek el. A kén szokásos aggregációs állapota szilárd, de magas hőmérsékleten az anyag folyékony és amorf tömeggé alakul.

Szilárd halmazállapotú anyagok

A szilárd anyagok normál körülmények között megtartják térfogatukat és alakjukat. Például egy homokszem, egy szem cukor, só, egy darab kő vagy fém. Ha a cukrot melegítjük, az anyag olvadni kezd, és viszkózus barna folyadékká alakul. Hagyja abba a fűtést - ismét szilárd anyagot kapunk. Ez azt jelenti, hogy a szilárd anyag folyadékká való átalakulásának egyik fő feltétele a felmelegedés vagy az anyag részecskéinek belső energiájának növekedése. Az élelmiszerekben használt só szilárd halmazállapota is megváltoztatható. De az asztali só olvasztásához magasabb hőmérsékletre van szükség, mint a cukor melegítésekor. A tény az, hogy a cukor molekulákból, a konyhasó pedig töltött ionokból áll, amelyek erősebben vonzzák egymást. A folyékony halmazállapotú szilárd anyagok nem tartják meg alakjukat, mert a kristályrácsok lebomlanak.

A só olvadás közbeni aggregációjának folyékony állapotát a kristályokban lévő ionok közötti kötés felszakadása magyarázza. Töltött részecskék szabadulnak fel, amelyek elektromos töltést hordozhatnak. Az olvadt sók vezetik az elektromosságot és vezetők. A vegyiparban, a kohászatban és a gépiparban a szilárd anyagokat folyadékokká alakítják át, hogy új vegyületeket nyerjenek belőlük, vagy különböző formákat adnak nekik. A fémötvözetek széles körben használatosak. Számos módja van ezek megszerzésének, amelyek a szilárd nyersanyagok aggregáltsági állapotában bekövetkező változásokhoz kapcsolódnak.

A folyadék az aggregáció egyik alapállapota

Ha 50 ml vizet önt egy gömblombikba, észreveszi, hogy az anyag azonnal vegyszeres edény formáját ölti. De amint kiöntjük a vizet a lombikból, a folyadék azonnal szétterül az asztal felületén. A víz térfogata változatlan marad - 50 ml, és az alakja megváltozik. Ezek a jellemzők az anyag létezésének folyékony formájára jellemzőek. A folyadékok sok szerves anyag: alkoholok, növényi olajok, savak.

A tej egy emulzió, azaz olyan folyadék, amelyben zsírcseppek vannak. Hasznos folyékony ásványi anyag az olaj. Kútból nyerik ki fúrótornyok segítségével a szárazföldön és az óceánban. A tengervíz az ipar nyersanyaga is. Különbsége a folyók és tavak édesvizétől az oldott anyagok, elsősorban a sók tartalmában rejlik. A víztestek felszínéről történő párolgás során csak a H 2 O molekulák jutnak gőzállapotba, az oldott anyagok maradnak meg. Ezen a tulajdonságon alapulnak a tengervízből hasznos anyagok kinyerésének módszerei és tisztítási módszerei.

A sók teljes eltávolításával desztillált vizet kapunk. 100°C-on forr, 0°C-on megfagy. A sóoldat különböző hőmérsékleteken felforr és jéggé alakul. Például a Jeges-tenger vize 2°C-os felszíni hőmérsékleten megfagy.

A higany aggregált állapota normál körülmények között folyadék. Ezt az ezüstszürke fémet általában orvosi hőmérőkkel töltik meg. Melegítéskor a higanyoszlop felemelkedik a skálán, az anyag kitágul. Miért használnak alkoholt vörös festékkel, és nem higanyt? Ezt a folyékony fém tulajdonságai magyarázzák. 30 fokos fagynál a higany aggregációs állapota megváltozik, az anyag megszilárdul.

Ha az orvosi hőmérő eltört és a higany kiömlött, veszélyes az ezüstgolyókat kézzel gyűjteni. A higanygőz belélegzése káros, ez az anyag nagyon mérgező. A gyerekeknek ilyen esetekben segítséget kell kérniük a szülőktől, felnőttektől.

gáz halmazállapotú

A gázok nem tudják megtartani térfogatukat vagy alakjukat. Töltse fel a lombikot a tetejéig oxigénnel (kémiai képlete O 2). Amint kinyitjuk a lombikot, az anyag molekulái elkezdenek keveredni a szoba levegőjével. Ez a Brown-mozgásnak köszönhető. Még az ókori görög tudós, Démokritosz is úgy gondolta, hogy az anyag részecskéi állandó mozgásban vannak. Szilárd anyagokban normál körülmények között az atomoknak, molekuláknak, ionoknak nincs lehetőségük elhagyni a kristályrácsot, megszabadulni a más részecskékkel való kötésektől. Ez csak akkor lehetséges, ha nagy mennyiségű energiát szolgáltatnak kívülről.

Folyadékokban a részecskék közötti távolság valamivel nagyobb, mint a szilárd anyagokban; kevesebb energiát igényelnek az intermolekuláris kötések megszakításához. Például az oxigén folyékony halmazállapota csak akkor figyelhető meg, ha a gáz hőmérséklete –183 °C-ra csökken. -223 °C-on az O 2 molekulák szilárd anyagot képeznek. Amikor a hőmérséklet a megadott értékek fölé emelkedik, az oxigén gázzá alakul. Ebben a formában normál körülmények között. Az ipari vállalkozásoknál speciális berendezések vannak a légköri levegő leválasztására, valamint nitrogén és oxigén kinyerésére. Először a levegőt lehűtik és cseppfolyósítják, majd fokozatosan növelik a hőmérsékletet. A nitrogén és az oxigén különböző körülmények között gázokká alakul.

A Föld légköre 21 térfogatszázalék oxigént és 78 térfogatszázalék nitrogént tartalmaz. Folyékony formában ezek az anyagok nem találhatók meg a bolygó gáznemű héjában. A folyékony oxigén világoskék színű, és nagy nyomással hengerekbe töltik, egészségügyi létesítményekben történő felhasználás céljából. Az iparban és az építőiparban a cseppfolyósított gázokra számos folyamathoz szükség van. Oxigén szükséges a gázhegesztéshez és fémek vágásához, a kémiában - a szervetlen és szerves anyagok oxidációs reakcióihoz. Ha kinyitja egy oxigénpalack szelepét, a nyomás csökken, a folyadék gázzá alakul.

A cseppfolyósított propánt, metánt és butánt széles körben használják az energetikában, a közlekedésben, az iparban és a háztartási tevékenységekben. Ezeket az anyagokat földgázból vagy kőolaj-alapanyag krakkolása (hasítása) során nyerik. A folyékony és gáznemű szénkeverékek számos ország gazdaságában fontos szerepet játszanak. Az olaj- és földgázkészletek azonban súlyosan kimerültek. A tudósok szerint ez a nyersanyag 100-120 évig kitart. Alternatív energiaforrás a légáramlás (szél). A gyors folyású folyókat, a tengerek és óceánok partjain árapályt használják az erőművek működtetésére.

Az oxigén, más gázokhoz hasonlóan, az aggregáció negyedik állapotában lehet, ami plazmát jelent. A kristályos jód jellemző tulajdonsága a szilárd halmazállapotból a gáz halmazállapotúvá történő szokatlan átmenet. A sötétlila anyag szublimáción megy keresztül - gázzá alakul, megkerülve a folyékony állapotot.

Hogyan történik az anyag egyik aggregált formájából a másikba való átmenet?

Az anyagok halmazállapotának változása nem jár kémiai átalakulással, ezek fizikai jelenségek. Amikor a hőmérséklet emelkedik, sok szilárd anyag megolvad és folyadékká alakul. A hőmérséklet további emelkedése párolgáshoz, vagyis az anyag gáz halmazállapotúvá válásához vezethet. A természetben és a gazdaságban az ilyen átmenetek a Föld egyik fő anyagára jellemzőek. A jég, folyadék, gőz a víz különböző külső körülmények között fennálló állapota. A vegyület ugyanaz, képlete H 2 O. 0 °C hőmérsékleten és ez alatt az érték alatt a víz kristályosodik, azaz jéggé alakul. Amikor a hőmérséklet emelkedik, a keletkező kristályok megsemmisülnek - a jég megolvad, és ismét folyékony víz keletkezik. Melegítéskor már alacsony hőmérsékleten is megtörténik a párolgás - a víz gázzá alakulása. Például a fagyott tócsák fokozatosan eltűnnek, mert a víz elpárolog. A nedves ruha még fagyos időben is kiszárad, de ez a folyamat hosszabb, mint egy forró napon.

A víznek az egyik halmazállapotból a másikba való átmenetei mindegyike nagy jelentőséggel bír a Föld természete szempontjából. A légköri jelenségek, az éghajlat és az időjárás összefüggésbe hozható az óceánok felszínéről a víz elpárolgásával, a nedvesség felhők és köd formájában a szárazföldre átvitelével, csapadékkal (eső, hó, jégeső). Ezek a jelenségek képezik a természetben a víz világkörforgásának alapját.

Hogyan változnak a kén aggregált állapotai?

Normál körülmények között a kén fényes, fényes kristályok vagy halványsárga por, azaz szilárd anyag. A kén aggregált halmazállapota hevítés hatására megváltozik. Először is, amikor a hőmérséklet 190 ° C-ra emelkedik, a sárga anyag megolvad, és mobil folyadékká alakul.

Ha gyorsan folyékony ként öntünk hideg vízbe, barna amorf masszát kapunk. A kénolvadék további hevítésével egyre viszkózusabbá válik és sötétedik. 300 ° C feletti hőmérsékleten a kén aggregációs állapota ismét megváltozik, az anyag folyadék tulajdonságait nyeri el, mozgékony lesz. Ezek az átmenetek abból adódnak, hogy az elem atomjai különböző hosszúságú láncokat alkotnak.

Miért lehetnek az anyagok különböző fizikai állapotúak?

A kén - egy egyszerű anyag - aggregációs állapota normál körülmények között szilárd. A kén-dioxid gáz, a kénsav a víznél nehezebb olajos folyadék. A sósavtól és a salétromsavtól eltérően nem illékony, felületéről nem párolognak el a molekulák. Milyen aggregációs állapotú a képlékeny kén, amelyet kristályok hevítésével nyernek?

Amorf formában az anyag folyadék szerkezetű, enyhén folyékony. De a műanyag kén egyidejűleg megtartja alakját (szilárd anyagként). Vannak olyan folyadékkristályok, amelyek a szilárd anyagokra számos jellemző tulajdonsággal rendelkeznek. Így az anyag halmazállapota különböző körülmények között függ annak természetétől, hőmérsékletétől, nyomásától és egyéb külső körülményektől.

Milyen jellemzői vannak a szilárd testek szerkezetének?

Az anyag fő halmazállapotai közötti különbségeket az atomok, ionok és molekulák közötti kölcsönhatás magyarázza. Például miért vezet az anyag szilárd halmazállapota ahhoz, hogy a testek képesek legyenek megtartani térfogatukat és alakjukat? Egy fém vagy só kristályrácsában a szerkezeti részecskék vonzódnak egymáshoz. A fémekben a pozitív töltésű ionok kölcsönhatásba lépnek az úgynevezett "elektrongázzal" - a szabad elektronok felhalmozódásával egy fémdarabban. A sókristályok az ellentétes töltésű részecskék - ionok - vonzása miatt keletkeznek. A szilárd anyagok fenti szerkezeti egységei közötti távolság sokkal kisebb, mint maguk a részecskék mérete. Ilyenkor elektrosztatikus vonzás hat, erőt ad, a taszítás pedig nem elég erős.

Egy anyag szilárd halmazállapotának megsemmisítésére erőfeszítéseket kell tenni. A fémek, sók, atomkristályok nagyon magas hőmérsékleten megolvadnak. Például a vas 1538 °C feletti hőmérsékleten folyékonnyá válik. A volfrám tűzálló, és izzószálak készítésére használják izzókhoz. Vannak olyan ötvözetek, amelyek 3000 °C feletti hőmérsékleten folyékonyak lesznek. A Földön sokan szilárd állapotban vannak. Ezt a nyersanyagot bányákban és kőfejtőkben berendezések segítségével nyerik ki.

Ahhoz, hogy akár egy iont is leválasszon egy kristályról, nagy mennyiségű energiát kell elkölteni. De végül is elég sót feloldani vízben, hogy a kristályrács szétessen! Ezt a jelenséget a víz, mint poláris oldószer elképesztő tulajdonságai magyarázzák. A H 2 O molekulák kölcsönhatásba lépnek a sóionokkal, tönkretéve a köztük lévő kémiai kötést. Az oldódás tehát nem különböző anyagok egyszerű keveredése, hanem fizikai és kémiai kölcsönhatás közöttük.

Hogyan lépnek kölcsönhatásba a folyadékok molekulái?

A víz lehet folyékony, szilárd és gáz (gőz). Normál körülmények között ezek a fő aggregációs állapotai. A vízmolekulák egy oxigénatomból állnak, és két hidrogénatom kapcsolódik hozzá. A molekulában a kémiai kötés polarizálódik, az oxigénatomokon részleges negatív töltés jelenik meg. A hidrogén a molekula pozitív pólusává válik, és egy másik molekula oxigénatomjához vonzódik. Ezt "hidrogénkötésnek" nevezik.

Az aggregált folyékony halmazállapotot a szerkezeti részecskék közötti távolságok a méretükhöz mérten jellemzik. A vonzalom létezik, de gyenge, így a víz nem tartja meg alakját. A párologtatás a kötések megsemmisülése miatt következik be, amely még szobahőmérsékleten is előfordul a folyadék felületén.

Léteznek-e intermolekuláris kölcsönhatások a gázokban?

Egy anyag gáz halmazállapota számos paraméterben különbözik a folyékony és a szilárd halmazállapottól. A gázok szerkezeti részecskéi között nagy, a molekulák méreténél jóval nagyobb rések vannak. Ebben az esetben a vonzási erők egyáltalán nem működnek. Az aggregáció gázállapota a levegő összetételében jelen lévő anyagokra jellemző: nitrogén, oxigén, szén-dioxid. Az alábbi ábrán az első kocka gázzal, a második folyadékkal, a harmadik szilárd anyaggal van megtöltve.

Sok folyadék illékony, az anyag molekulái letörnek a felületükről, és a levegőbe jutnak. Például, ha ammóniába mártott vattacsomót visz egy nyitott sósavpalack nyílásába, fehér füst jelenik meg. Közvetlenül a levegőben kémiai reakció megy végbe a sósav és az ammónia között, így ammónium-klorid keletkezik. Milyen halmazállapotban van ez az anyag? A részecskéi, amelyek fehér füstöt képeznek, a legkisebb szilárd sókristályok. Ezt a kísérletet elszívófülke alatt kell elvégezni, az anyagok mérgezőek.

Következtetés

A gáz aggregált állapotát számos kiváló fizikus és kémikus tanulmányozta: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mengyelejev, Le Chatelier. A tudósok olyan törvényeket fogalmaztak meg, amelyek megmagyarázzák a gáznemű anyagok viselkedését a kémiai reakciókban, amikor a külső körülmények megváltoznak. A nyílt törvényszerűségek nemcsak a fizika és kémia iskolai és egyetemi tankönyveibe kerültek be. Számos vegyipar alapja az anyagok viselkedésének és tulajdonságainak ismerete a különböző aggregációs állapotokban.

Az anyag halmazállapotai (a latin aggrego szóból - csatolom, összekötöm) - ezek ugyanannak az anyagnak az állapotai, amelyek közötti átmenetek az anyag szabad energiájában, entrópiájában, sűrűségében és egyéb fizikai paramétereiben bekövetkező hirtelen változásoknak felelnek meg.

Gáz (francia gaz, a görög káosz - káosz szóból származik) az anyag olyan halmazállapota, amelyben a részecskéinek kölcsönhatási ereje, amely a számukra biztosított teljes térfogatot kitölti, elhanyagolható. A gázokban a molekulák közötti távolságok nagyok, és a molekulák szinte szabadon mozognak.

• A gázok erősen túlhevített vagy alacsony telítettségű gőzöknek tekinthetők.
• A párolgás következtében minden folyadék felszíne felett gőz található. Amikor a gőznyomás egy bizonyos határértékre emelkedik, amelyet telített gőznyomásnak neveznek, a folyadék párolgása leáll, mivel a gőz és a folyadék nyomása azonos lesz.
• A telített gőz térfogatának csökkenése a gőz egy részének lecsapódását okozza, nem pedig a nyomás növekedését. Ezért a gőznyomás nem lehet nagyobb, mint a telítési gőznyomás. A telítettségi állapotot az 1 m3 telített gőztömegben lévő telítettség jellemzi, amely a hőmérséklettől függ. A telített gőz telítetlenné válhat, ha növeljük a térfogatot vagy a hőmérsékletet. Ha a gőz hőmérséklete jóval magasabb, mint az adott nyomásnak megfelelő forráspont, akkor a gőzt túlhevítettnek nevezzük.

Vérplazma Részlegesen vagy teljesen ionizált gáznak nevezzük, amelyben a pozitív és negatív töltések sűrűsége közel azonos. A nap, a csillagok, a csillagközi anyag felhői semleges vagy ionizált (plazma) gázokból állnak. Más aggregációs állapotoktól eltérően a plazma töltött részecskék (ionok, elektronok) gáza, amelyek nagy távolságban elektromosan kölcsönhatásba lépnek egymással, de a részecskék elrendezésében nincs sem rövid, sem nagy hatótávolságú rendjük.

Folyékony - Ez egy anyag aggregációjának állapota, a szilárd és gázhalmazállapotú közti állapot.

1. A folyadékoknak van néhány szilárd anyag (megtartja térfogatát, felületet képez, bizonyos szakítószilárdság) és gáz (az edény alakját veszi fel, amelyben található).
2. A folyadék molekuláinak (atomjainak) hőmozgása az egyensúlyi helyzetek körüli kis ingadozások és az egyik egyensúlyi helyzetből a másikba való gyakori ugrások kombinációja.
3. Ugyanakkor a molekulák lassú mozgása és rezgései kis térfogaton belül jelentkeznek, a molekulák gyakori ugrása megsérti a részecskék elrendeződésének nagy hatótávolságú rendjét és a folyadékok folyékonyságát okozza, az egyensúlyi helyzetek körüli kis oszcillációk pedig rövid áramlást okoznak. -tartomány sorrendje folyadékokban.

A folyadékok és szilárd anyagok a gázokkal ellentétben erősen kondenzált közegnek tekinthetők. Ezekben a molekulák (atomok) sokkal közelebb helyezkednek el egymáshoz és a kölcsönhatási erők több nagyságrenddel nagyobbak, mint a gázokban. Ezért a folyékony és szilárd anyagok tágulási lehetőségei jelentősen korlátozottak, nyilvánvalóan nem tudnak tetszőleges térfogatot elfoglalni, és állandó nyomáson és hőmérsékleten megtartják térfogatukat, függetlenül attól, hogy milyen térfogatban helyezik el őket. Folyamatosan is megtörténhetnek az átmenetek a szerkezetében rendezettebb aggregált állapotból egy kevésbé rendezett állapotba. Ebben a tekintetben az aggregált állapot fogalma helyett célszerű egy tágabb fogalmat - a fázis fogalmát - használni.

fázis a rendszer azon részeinek összessége, amelyek azonos kémiai összetételűek és azonos állapotban vannak. Ezt indokolja a termodinamikailag egyensúlyi fázisok egyidejű megléte egy többfázisú rendszerben: folyadék, amelynek saját telített gőze van; víz és jég olvadáspontján; két nem elegyedő folyadék (víz és trietil-amin keveréke), amelyek koncentrációja eltérő; a folyadék szerkezetét megőrző amorf szilárd anyagok létezése (amorf állapot).

Amorf szilárd halmazállapotú anyag A folyadék egyfajta túlhűtött állapota, és lényegesen magasabb viszkozitásban és a kinetikai jellemzők számértékében különbözik a közönséges folyadékoktól.

Kristályos szilárd halmazállapotú anyag - ez egy aggregációs állapot, amelyet az anyag részecskéi (atomok, molekulák, ionok) közötti nagy kölcsönhatási erők jellemeznek. A szilárd anyagok részecskéi az átlagos egyensúlyi helyzetek körül oszcillálnak, amelyeket a kristályrács csomópontjainak neveznek; ezeknek az anyagoknak a szerkezetét nagyfokú rendezettség (hosszú és rövid hatótávolságú rend) jellemzi - sorrend az elrendezésben (koordinációs sorrend), a szerkezeti részecskék orientációjában (orientációs sorrendben), vagy a fizikai tulajdonságok sorrendje ( például a mágneses momentumok vagy az elektromos dipólusmomentumok orientációjában). A tiszta folyadékok, folyékony és folyékony kristályok normál folyékony fázisának létezési tartományát az alacsony hőmérséklet oldaláról a fázisátalakulások korlátozzák a szilárd (kristályosodás), a szuperfluid és a folyékony-anizotrop állapotra.

Szerintem mindenki ismeri az anyag 3 alapvető halmazállapotát: folyékony, szilárd és gáz halmazállapotú. Nap mint nap és mindenhol találkozunk ezekkel az anyagállapotokkal. Leggyakrabban a víz példáján tartják őket. A víz folyékony halmazállapota a legismertebb számunkra. Folyamatosan folyékony vizet iszunk, ez folyik a csapunkból, és mi magunk is 70%-ban folyékony víz vagyunk. A víz második halmazállapota a közönséges jég, amelyet télen az utcán látunk. Gáz halmazállapotú vízzel a mindennapi életben is könnyű találkozni. Gáz halmazállapotban a víz, mint tudjuk, gőz. Meglátszik, amikor például felforralunk egy vízforralót. Igen, 100 fokon megy át a víz folyékony halmazállapotból gáz halmazállapotúvá.

Ez az anyag három, számunkra jól ismert halmazállapota. De tudtad, hogy valójában 4 van belőlük? Azt hiszem, legalább egyszer mindenki hallotta a "plazma" szót. És ma szeretném, ha többet tudna meg a plazmáról – az anyag negyedik állapotáról.

A plazma egy részlegesen vagy teljesen ionizált gáz, amelynek pozitív és negatív töltése azonos. A plazma gázból nyerhető - a 3. halmazállapotból erős melegítéssel. Az aggregáció állapota általában a hőmérséklettől függ. Az aggregáció első állapota az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen a test szilárd marad, a második aggregációs állapot az a hőmérséklet, amelyen a test elkezd olvadni és folyékony lesz, a harmadik aggregációs állapot az a legmagasabb hőmérséklet, amelyen az anyag szilárd állapotba kerül. gáz. Minden egyes testnél, anyagnál teljesen más az egyik halmozódási állapotból a másikba való átmenet hőmérséklete, van, akinél alacsonyabb, kinél magasabb, de mindenkinél szigorúan ebben a sorrendben van. És milyen hőmérsékleten válik egy anyag plazmává? Mivel ez a negyedik állapot, ez azt jelenti, hogy az átmenet hőmérséklete magasabb, mint mindegyik előző állapoté. És valóban az. A gáz ionizálásához nagyon magas hőmérsékletre van szükség. A legalacsonyabb hőmérsékletű és alacsony ionizált (körülbelül 1%) plazmát akár 100 ezer fokos hőmérséklet jellemzi. Földi körülmények között az ilyen plazma villámlás formájában figyelhető meg. A villámcsatorna hőmérséklete meghaladhatja a 30 ezer fokot, ami hatszor több, mint a Nap felszíni hőmérséklete. Egyébként a Nap és az összes többi csillag is plazma, gyakrabban még mindig magas hőmérsékletű. A tudomány bizonyítja, hogy az Univerzum teljes anyagának körülbelül 99%-a plazma.

Ellentétben az alacsony hőmérsékletű plazmával, a magas hőmérsékletű plazma csaknem 100%-os ionizációval rendelkezik, és hőmérséklete eléri a 100 millió fokot. Ez valóban csillaghőmérséklet. A Földön ilyen plazma csak egy esetben található - a termonukleáris fúzióval kapcsolatos kísérletekhez. A szabályozott reakció meglehetősen összetett és energiaigényes, de egy irányítatlan reakció kellőképpen bebizonyította, hogy hatalmas erő fegyvere – a Szovjetunió által 1953. augusztus 12-én tesztelt termonukleáris bomba.

A plazmát nemcsak a hőmérséklet és az ionizációs fok, hanem a sűrűség és a kvázi-semlegesség alapján is osztályozzák. kifejezés plazma sűrűségeáltalában azt jelenti elektronsűrűség, vagyis az egységnyi térfogatra jutó szabad elektronok száma. Nos, ezzel azt hiszem, minden világos. De nem mindenki tudja, mi az a kvázi-semlegesség. A plazma kvázi-semlegessége az egyik legfontosabb tulajdonsága, amely abban áll, hogy az alkotó pozitív ionok és elektronok sűrűsége szinte pontosan egyenlő. A plazma jó elektromos vezetőképessége miatt a pozitív és negatív töltések szétválasztása lehetetlen a Debye-hossznál nagyobb távolságokon és a plazma rezgési periódusánál nagyobb időnként. Szinte minden plazma kvázi semleges. A nem kvázi semleges plazmára példa az elektronsugár. A nem semleges plazmák sűrűségének azonban nagyon alacsonynak kell lennie, különben a Coulomb taszítás miatt gyorsan lebomlanak.

Nagyon kevés földi példát vettünk figyelembe a plazmára. De van belőlük elég. Az ember megtanulta a plazmát saját érdekében használni. A negyedik aggregált halmazállapotnak köszönhetően használhatunk gázkisülésű lámpákat, plazmatévéket, elektromos ívhegesztést, lézereket. A közönséges gázkisüléses fénycsövek is plazmák. A mi világunkban is van plazmalámpa. Főleg a tudományban használják a legbonyolultabb plazmajelenségek tanulmányozására és – ami a legfontosabb – megfigyelésére, beleértve a filamentációt is. Egy ilyen lámpáról készült fotó az alábbi képen látható:

A háztartási plazmaeszközök mellett a természetes plazma is gyakran látható a Földön. Egyik példájáról már szóltunk. Ez villámlás. De a villámlás mellett a plazmajelenségeket nevezhetjük északi fénynek, "Szent Elmo tüzének", a Föld ionoszférájának és természetesen a tűznek is.

Figyeljük meg, hogy mind a tűz, mind a villámlás és a plazma egyéb megnyilvánulásai, ahogy mi nevezzük, égnek. Mi az oka a plazma ilyen erős fénykibocsátásának? A plazma ragyogása az elektronok nagyenergiájú állapotból alacsony energiájú állapotba való átmenetének köszönhető, miután ionokkal rekombináltak. Ez a folyamat a gerjesztett gáznak megfelelő spektrumú sugárzáshoz vezet. Ezért világít a plazma.

A plazma történetéről is szeretnék egy kicsit mesélni. Hiszen valaha csak olyan anyagokat hívtak plazmának, mint a tej folyékony összetevője és a vér színtelen összetevője. 1879-ben minden megváltozott. Ebben az évben a híres angol tudós, William Crookes, a gázok elektromos vezetőképességét vizsgálva, felfedezte a plazma jelenségét. Igaz, ezt az állapotot csak 1928-ban nevezték plazmának. Ezt Irving Langmuir tette.

Végezetül azt szeretném mondani, hogy egy ilyen érdekes és titokzatos jelenség, mint a gömbvillám, amelyről többször is írtam ezen az oldalon, természetesen szintén plazmoid, mint a közönséges villám. Ez talán a legszokatlanabb plazmoid az összes földi plazmajelenség közül. Végül is körülbelül 400 nagyon különböző elmélet létezik a gömbvillámról, de egyiket sem ismerték el igazán helyesnek. Laboratóriumi körülmények között több különböző módon is sikerült hasonló, de rövid távú jelenségeket elérni, így a gömbvillám természetének kérdése nyitott marad.

A közönséges plazmát természetesen laboratóriumokban is létrehozták. Egykor nehéz volt, de most már nem nehéz egy ilyen kísérlet. Mivel a plazma szilárdan bekerült a háztartási arzenálunkba, sok kísérletet végeznek vele laboratóriumokban.

A plazma területén a legérdekesebb felfedezés a súlytalanságban végzett plazmával végzett kísérletek voltak. Kiderült, hogy a plazma vákuumban kristályosodik. Ez így történik: a plazma töltött részecskéi taszítani kezdik egymást, és amikor korlátozott a térfogatuk, különböző irányokba szóródva foglalják el a számukra kijelölt helyet. Ez nagyon hasonlít a kristályrácshoz. Ez nem azt jelenti, hogy a plazma a záró láncszem az első halmazállapot és a harmadik halmaz között? Hiszen a gáz ionizációja miatt plazmává válik, és vákuumban a plazma ismét mintegy szilárd lesz. De ez csak az én tippem.

Az űrben lévő plazmakristályok is meglehetősen furcsa szerkezettel rendelkeznek. Ezt a szerkezetet csak a térben, valódi űrvákuumban lehet megfigyelni és tanulmányozni. Még ha vákuumot is hozol létre a Földön és plazmát helyezel oda, akkor a gravitáció egyszerűen összenyomja a benne kialakuló teljes „képet”. Az űrben azonban a plazmakristályok egyszerűen felszállnak, és furcsa alakú térfogati háromdimenziós szerkezetet alkotnak. Miután elküldtük a pályán lévő plazma megfigyelésének eredményeit a földi tudósoknak, kiderült, hogy a plazmában lévő örvények furcsa módon utánozzák galaxisunk szerkezetét. Ez pedig azt jelenti, hogy a jövőben a plazma tanulmányozásával meg lehet majd érteni, hogyan született meg galaxisunk. Az alábbi fényképeken ugyanaz a kristályos plazma látható.

Az összesítés állapota- az anyag állapota, amelyet bizonyos minőségi tulajdonságok jellemeznek: a térfogat és az alak megtartásának képessége vagy képtelensége, hosszú és rövid távú rend megléte vagy hiánya és mások. Az aggregáció állapotának változása a szabadenergia, az entrópia, a sűrűség és más alapvető fizikai tulajdonságok ugrásszerű változásával járhat együtt.
Az aggregációnak három fő állapota van: szilárd, folyékony és gáz. Néha nem teljesen helyes a plazmát az aggregációs állapotok közé sorolni. Vannak más aggregációs állapotok is, például folyadékkristályok vagy Bose-Einstein kondenzátum. Az aggregáció állapotában bekövetkező változások termodinamikai folyamatok, úgynevezett fázisátalakulások. A következő fajtákat különböztetjük meg: szilárdtól folyékonyig - olvadás; folyékonyból gázhalmazállapotúvá - párolgás és forralás; szilárdból gázhalmazállapotúvá - szublimáció; gázhalmazállapotból folyékony vagy szilárd halmazállapotúvá - kondenzáció; folyadékból szilárd állapotba - kristályosodás. Megkülönböztető jellemzője a plazmaállapotba való átmenet éles határának hiánya.
Az összesített állapot meghatározásai nem mindig szigorúak. Tehát vannak olyan amorf testek, amelyek megtartják a folyadék szerkezetét, és csekély a folyékonyságuk, és nem képesek alakot tartani; A folyadékkristályok folyékonyak, ugyanakkor rendelkeznek bizonyos szilárd anyagok tulajdonságaival, különösen polarizálhatják a rajtuk áthaladó elektromágneses sugárzást. A fizika különféle állapotainak leírására a termodinamikai fázis tágabb fogalmát használjuk. Az egyik fázisból a másikba való átmenetet leíró jelenségeket kritikus jelenségeknek nevezzük.
Egy anyag aggregált állapota attól függ, hogy milyen fizikai körülmények között van, elsősorban a hőmérséklettől és a nyomástól. A meghatározó mennyiség a molekulák kölcsönhatásának átlagos potenciális energiájának és átlagos kinetikus energiájuknak az aránya. Tehát egy szilárd test esetében ez az arány nagyobb, mint 1, a gázoknál kisebb, mint 1, a folyadékoknál pedig megközelítőleg egyenlő az 1-gyel. Az anyag egyik halmozódási állapotából a másikba való átmenetet az anyag hirtelen megváltozása kíséri. ennek az aránynak az értéke, amely az intermolekuláris távolságok és az intermolekuláris kölcsönhatások hirtelen változásához kapcsolódik. A gázokban az intermolekuláris távolságok nagyok, a molekulák szinte nem lépnek kölcsönhatásba egymással, és szinte szabadon mozognak, kitöltve a teljes térfogatot. Folyadékokban és szilárd anyagokban - kondenzált közegekben - a molekulák (atomok) sokkal közelebb helyezkednek el egymáshoz, és erősebben hatnak egymásra.
Ez a folyadékok és szilárd anyagok térfogatának megőrzéséhez vezet. A molekulák szilárd és folyékony halmazállapotú mozgásának természete azonban eltérő, ez magyarázza szerkezetük és tulajdonságaik különbségét.
A kristályos állapotú szilárd anyagokban az atomok csak a kristályrács csomópontjai közelében rezegnek; ezeknek a testeknek a felépítését nagyfokú rendezettség – hosszú és rövid hatótávolságú rend jellemzi. A folyadék molekuláinak (atomjainak) hőmozgása az egyensúlyi helyzetek körüli kis ingadozások és az egyik egyensúlyi helyzetből a másikba való gyakori ugrások kombinációja. Ez utóbbiak határozzák meg a folyadékokban a részecskék elrendezésében csak kis hatótávolságú rendű létezést, valamint a benne rejlő mobilitást és folyékonyságot.
a. Szilárd- olyan állapot, amelyet a térfogat és forma megtartásának képessége jellemez. A szilárd test atomjai csak kis rezgéseket keltenek az egyensúlyi állapot körül. Létezik rövid és hosszú távú rendelés is.
b. Folyékony- olyan halmazállapot, amelyben alacsony az összenyomhatósága, vagyis jól megtartja térfogatát, de alakját nem képes megtartani. A folyadék könnyen felveszi annak az edénynek az alakját, amelybe helyezik. A folyadék atomjai vagy molekulái az egyensúlyi állapot közelében rezegnek, más atomok zárják le, és gyakran más szabad helyekre ugrálnak. Csak rövid távú rendelés van.
Olvasztó- ez az anyag átmenete az aggregált szilárd halmazállapotból (lásd: Aggregált halmazállapotok) folyadékká. Ez a folyamat melegítés közben megy végbe, amikor bizonyos mennyiségű hő +Q jut a szervezetbe. Például az alacsony olvadáspontú fémólom szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba kerül, ha 327 ° C-ra melegítik. Az ólom könnyen megolvad gáztűzhelyen, például rozsdamentes acél kanálban (ismert hogy a gázégő lánghőmérséklete 600-850 °C, az acél olvadási hőmérséklete pedig 1300-1500 °C).
Ha az ólom olvasztása közben mérik a hőmérsékletét, akkor megállapítható, hogy eleinte fokozatosan emelkedik, de egy bizonyos pillanat múlva a további melegítés ellenére állandó marad. Ez a pillanat az olvadásnak felel meg. A hőmérsékletet addig tartjuk állandóan, amíg az összes ólom el nem olvad, és csak ezután kezd újra emelkedni. A folyékony ólom lehűtésekor ennek az ellenkezője figyelhető meg: a hőmérséklet csökken a megszilárdulásig, és állandó marad mindaddig, amíg az ólom át nem megy a szilárd fázisba, majd ismét csökken.
Minden tiszta anyag ugyanúgy viselkedik. A hőmérséklet állandósága az olvasztás során nagy gyakorlati jelentőséggel bír, mivel lehetővé teszi a hőmérők kalibrálását, biztosítékok és indikátorok készítését, amelyek szigorúan meghatározott hőmérsékleten olvadnak.
A kristály atomjai egyensúlyi helyzetük körül rezegnek. A hőmérséklet emelkedésével az oszcillációs amplitúdó növekszik, és elér egy bizonyos kritikus értéket, ami után a kristályrács megsemmisül. Ez további hőenergiát igényel, így az olvadási folyamat során a hőmérséklet nem emelkedik, bár a hő tovább áramlik.
Egy anyag olvadáspontja a nyomástól függ. Azoknál az anyagoknál, amelyek térfogata megnövekszik az olvadás során (és ezek túlnyomó többsége), a nyomás növekedése növeli az olvadáspontot, és fordítva. Víznél az olvadás során a térfogat csökken (ezért fagyáskor a víz csöveket tör el), a nyomás növekedésével pedig alacsonyabb hőmérsékleten olvad meg a jég. A bizmut, a gallium és néhány öntöttvas hasonló módon viselkedik.
ban ben. Gáz- olyan állapot, amelyet a jó összenyomhatóság, a térfogat és forma megtartásának képességének hiánya jellemez. A gáz általában elfoglalja a számára biztosított teljes térfogatot. A gáz atomjai vagy molekulái viszonylag szabadon viselkednek, a köztük lévő távolság sokkal nagyobb, mint a méretük.
A plazma, amelyet gyakran az anyag aggregációs állapotának neveznek, az atomok nagy ionizációjában különbözik a gáztól. Az Univerzum barionos anyagának nagy része (tömegük kb. 99,9%) plazmaállapotban van.
pl. C szuperkritikus folyadék- A hőmérséklet és a nyomás egyidejű emelkedésével egy kritikus pontig, amelynél a gáz sűrűségét összehasonlítják a folyadék sűrűségével; ilyenkor megszűnik a határ a folyékony és a gáznemű fázis között. A szuperkritikus folyadék kivételesen nagy oldóképességgel rendelkezik.
d. Bose-Einstein kondenzátum- a Bose-gáz abszolút nullához közeli hőmérsékletre való hűtésével nyerik. Ennek eredményeként az atomok egy része szigorúan nulla energiájú állapotban van (vagyis a lehető legalacsonyabb kvantumállapotban). A Bose-Einstein kondenzátum számos kvantumtulajdonságot mutat, például szuperfolyékonyságot és Fischbach-rezonanciát.
e. Fermion kondenzátum- egy Bose-kondenzáció az "atomi Cooper-párok" BCS üzemmódjában fermion atomokból álló gázokban. (Ellentétben az összetett bozonok Bose-Einstein kondenzációjának hagyományos módjával).
Az ilyen fermionos atomi kondenzátumok a szupravezetők „rokonai”, de kritikus hőmérsékletük szobahőmérsékletű és magasabb.
Degenerált anyag - Fermi gáz 1. szakasz A fehér törpékben megfigyelt elektron degenerált gáz fontos szerepet játszik a csillagok evolúciójában. A 2. szakasz az a neutronállapot, ahol az anyag ultramagas nyomás alatt halad át, ami laboratóriumban még elérhetetlen, de a neutroncsillagok belsejében létezik. A neutronállapotba való átmenet során az anyag elektronjai kölcsönhatásba lépnek a protonokkal és neutronokká alakulnak. Ennek eredményeként a neutron állapotú anyag teljes egészében neutronokból áll, és sűrűsége a nukleáris nagyságrendű. Az anyag hőmérséklete ebben az esetben nem lehet túl magas (energia-egyenértékben, legfeljebb száz MeV).
Erős hőmérsékletnövekedéssel (több száz MeV és afeletti), neutron állapotban különböző mezonok kezdenek születni és megsemmisülni. A hőmérséklet további emelkedésével dekonfirmáció következik be, és az anyag kvark-gluon plazma állapotba kerül. Már nem hadronokból áll, hanem folyamatosan születő és eltűnő kvarkokból és gluonokból. Talán a feloldás két szakaszban történik.
A nyomás további korlátlan növelésével a hőmérséklet emelkedése nélkül az anyag fekete lyukká omlik össze.
A nyomás és a hőmérséklet egyidejű emelésével más részecskék is hozzáadódnak a kvarkokhoz és a gluonokhoz. Még mindig nem ismert, hogy mi történik az anyaggal, a térrel és az idővel a Planck-hőmérséklethez közeli hőmérsékleten.
Más államok
A mélyhűtés során egyes (korántsem az összes) anyag szupravezető vagy szuperfolyékony állapotba kerül. Ezek az állapotok természetesen különálló termodinamikai fázisok, de nem univerzalitásuk miatt aligha érdemlik meg, hogy új aggregált halmazállapotoknak nevezzük őket.
Az olyan inhomogén anyagokat, mint a paszták, gélek, szuszpenziók, aeroszolok stb., amelyek bizonyos körülmények között mind szilárd, mind folyadékok, sőt gázok tulajdonságait is mutatják, általában diszpergált anyagoknak minősülnek, nem pedig meghatározott halmazállapotú anyagokhoz.

Hőmérséklettől és nyomástól függően bármely anyag különféle aggregációs állapotokat képes felvenni. Minden ilyen állapotot bizonyos minőségi tulajdonságok jellemeznek, amelyek változatlanok maradnak az adott aggregációs állapothoz szükséges hőmérsékletek és nyomások keretein belül.

Az aggregált állapotok jellemző tulajdonságai közé tartozik például a szilárd halmazállapotú test azon képessége, hogy megtartja alakját, vagy fordítva, a folyékony test alakváltoztatási képessége. Néha azonban a határok a különböző halmazállapotok között meglehetősen elmosódottak, mint például a folyadékkristályok, vagy az úgynevezett "amorf testek" esetében, amelyek lehetnek rugalmasak, mint a szilárd anyagok, és a folyékonyak, mint a folyadékok.

Az aggregációs állapotok közötti átmenet szabadenergia felszabadulásával, a sűrűség, entrópia vagy más fizikai mennyiségek változásával történhet. Az egyik aggregációs állapotból a másikba való átmenetet fázisátalakulásnak, az ilyen átmeneteket kísérő jelenségeket pedig kritikus jelenségeknek nevezzük.

Az ismert összesített állapotok listája