Come determinare lo stato della materia. Stato di aggregazione

Le domande su cos'è uno stato di aggregazione, quali caratteristiche e proprietà possiedono solidi, liquidi e gas sono considerate in diversi corsi di formazione. Ci sono tre stati classici della materia, con i loro tratti caratteristici della struttura. La loro comprensione è un punto importante nella comprensione delle scienze della Terra, degli organismi viventi e delle attività produttive. Queste domande sono studiate da fisica, chimica, geografia, geologia, chimica fisica e altre discipline scientifiche. Le sostanze che si trovano in determinate condizioni in uno dei tre tipi fondamentali di stato possono cambiare con un aumento o una diminuzione della temperatura o della pressione. Consideriamo i possibili passaggi da uno stato di aggregazione all'altro, in quanto si realizzano nella natura, nella tecnologia e nella quotidianità.

Che cos'è uno stato di aggregazione?

La parola di origine latina "aggrego" nella traduzione in russo significa "attaccare". Il termine scientifico si riferisce allo stato dello stesso corpo, sostanza. L'esistenza di solidi, gas e liquidi a determinati valori di temperatura e pressioni diverse è caratteristica di tutti i gusci della Terra. Oltre ai tre stati aggregati di base, ce n'è anche un quarto. A temperatura elevata e pressione costante, il gas si trasforma in plasma. Per capire meglio cos'è uno stato di aggregazione è necessario ricordare le particelle più piccole che compongono sostanze e corpi.

Il diagramma sopra mostra: a - gas; b - liquido; c è un corpo rigido. In tali figure, i cerchi indicano gli elementi strutturali delle sostanze. Questo è un simbolo, infatti atomi, molecole, ioni non sono sfere solide. Gli atomi sono costituiti da un nucleo caricato positivamente attorno al quale gli elettroni carichi negativamente si muovono ad alta velocità. La conoscenza della struttura microscopica della materia aiuta a comprendere meglio le differenze che esistono tra le diverse forme aggregate.

Idee sul micromondo: dall'antica Grecia al XVII secolo

Le prime informazioni sulle particelle che compongono i corpi fisici sono apparse nell'antica Grecia. I pensatori Democrito ed Epicuro hanno introdotto un tale concetto come un atomo. Credevano che queste più piccole particelle indivisibili di diverse sostanze avessero una forma, determinate dimensioni, fossero in grado di muoversi e interagire tra loro. L'atomistica divenne l'insegnamento più avanzato dell'antica Grecia per l'epoca. Ma il suo sviluppo rallentò nel Medioevo. Da allora gli scienziati furono perseguitati dall'Inquisizione della Chiesa Cattolica Romana. Pertanto, fino ai tempi moderni, non esisteva un concetto chiaro di quale fosse lo stato di aggregazione della materia. Solo dopo il XVII secolo gli scienziati R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier formularono le disposizioni della teoria atomico-molecolare, che non hanno perso il loro significato anche oggi.

Atomi, molecole, ioni: particelle microscopiche della struttura della materia

Una svolta significativa nella comprensione del microcosmo si è verificata nel 20° secolo, quando è stato inventato il microscopio elettronico. Tenendo conto delle scoperte fatte in precedenza dagli scienziati, è stato possibile mettere insieme un'immagine armoniosa del micromondo. Le teorie che descrivono lo stato e il comportamento delle particelle più piccole della materia sono piuttosto complesse, appartengono al campo Per comprendere le caratteristiche dei diversi stati aggregati della materia è sufficiente conoscere i nomi e le caratteristiche delle principali particelle strutturali che formano diverse sostanze.

1. Gli atomi sono particelle chimicamente indivisibili. Conservato nelle reazioni chimiche, ma distrutto nel nucleare. I metalli e molte altre sostanze di struttura atomica hanno uno stato solido di aggregazione in condizioni normali.
2. Le molecole sono particelle che vengono scomposte e formate in reazioni chimiche. ossigeno, acqua, anidride carbonica, zolfo. Lo stato di aggregazione di ossigeno, azoto, anidride solforosa, carbonio, ossigeno in condizioni normali è gassoso.
3. Gli ioni sono particelle cariche in cui gli atomi e le molecole si trasformano quando guadagnano o perdono elettroni - particelle microscopiche con carica negativa. Molti sali hanno una struttura ionica, ad esempio sale da cucina, ferro e solfato di rame.

Ci sono sostanze le cui particelle si trovano nello spazio in un certo modo. La posizione reciproca ordinata di atomi, ioni e molecole è chiamata reticolo cristallino. Di solito i reticoli cristallini ionici e atomici sono tipici per solidi, molecolari - per liquidi e gas. Il diamante ha un'elevata durezza. Il suo reticolo cristallino atomico è formato da atomi di carbonio. Ma anche la grafite morbida è composta da atomi di questo elemento chimico. Solo che si trovano in modo diverso nello spazio. Il solito stato di aggregazione dello zolfo è un solido, ma ad alte temperature la sostanza si trasforma in un liquido e in una massa amorfa.

Sostanze allo stato solido di aggregazione

I solidi in condizioni normali mantengono il loro volume e la loro forma. Ad esempio, un granello di sabbia, un granello di zucchero, sale, un pezzo di roccia o di metallo. Se lo zucchero viene riscaldato, la sostanza inizia a sciogliersi, trasformandosi in un liquido viscoso e marrone. Smetti di riscaldare: di nuovo otteniamo un solido. Ciò significa che una delle condizioni principali per la transizione di un solido in un liquido è il suo riscaldamento o un aumento dell'energia interna delle particelle della sostanza. Anche lo stato solido di aggregazione del sale, che viene utilizzato negli alimenti, può essere modificato. Ma per sciogliere il sale da cucina, è necessaria una temperatura più alta rispetto a quando si riscalda lo zucchero. Il fatto è che lo zucchero è costituito da molecole e il sale da cucina è costituito da ioni carichi, che sono più fortemente attratti l'uno dall'altro. I solidi in forma liquida non mantengono la loro forma perché i reticoli cristallini si rompono.

Lo stato liquido di aggregazione del sale durante la fusione è spiegato dalla rottura del legame tra gli ioni nei cristalli. Vengono rilasciate particelle cariche che possono trasportare cariche elettriche. I sali fusi conducono elettricità e sono conduttori. Nelle industrie chimiche, metallurgiche e ingegneristiche, i solidi vengono convertiti in liquidi per ricavarne nuovi composti o dare loro forme diverse. Le leghe metalliche sono ampiamente utilizzate. Esistono diversi modi per ottenerli, associati a variazioni dello stato di aggregazione delle materie prime solide.

Il liquido è uno degli stati fondamentali dell'aggregazione

Se versi 50 ml di acqua in un pallone a fondo tondo, noterai che la sostanza assume immediatamente la forma di un recipiente chimico. Ma non appena versiamo l'acqua dalla fiaschetta, il liquido si diffonderà immediatamente sulla superficie del tavolo. Il volume dell'acqua rimarrà lo stesso - 50 ml e la sua forma cambierà. Queste caratteristiche sono caratteristiche della forma liquida dell'esistenza della materia. I liquidi sono molte sostanze organiche: alcoli, oli vegetali, acidi.

Il latte è un'emulsione, cioè un liquido in cui sono presenti goccioline di grasso. Un utile minerale liquido è il petrolio. Viene estratto dai pozzi utilizzando impianti di perforazione a terra e nell'oceano. L'acqua di mare è anche una materia prima per l'industria. La sua differenza rispetto all'acqua dolce di fiumi e laghi risiede nel contenuto di sostanze disciolte, principalmente sali. Durante l'evaporazione dalla superficie dei corpi idrici, solo le molecole di H 2 O passano allo stato di vapore, i soluti rimangono. I metodi per ottenere sostanze utili dall'acqua di mare e i metodi per la sua purificazione si basano su questa proprietà.

Con la completa rimozione dei sali si ottiene acqua distillata. Bollisce a 100°C e congela a 0°C. Le salamoie fanno bollire e si trasformano in ghiaccio a diverse temperature. Ad esempio, l'acqua nell'Oceano Artico si congela a una temperatura superficiale di 2°C.

Lo stato aggregato del mercurio in condizioni normali è liquido. Questo metallo grigio argento è solitamente riempito con termometri medici. Quando riscaldata, la colonna di mercurio sale sulla bilancia, la sostanza si espande. Perché si usa l'alcool colorato con vernice rossa e non il mercurio? Ciò è spiegato dalle proprietà del metallo liquido. A gelate di 30 gradi, lo stato di aggregazione del mercurio cambia, la sostanza diventa solida.

Se il termometro medico è rotto e il mercurio è fuoriuscito, è pericoloso raccogliere palline d'argento con le mani. È dannoso inalare i vapori di mercurio, questa sostanza è molto tossica. I bambini in questi casi hanno bisogno di chiedere aiuto ai genitori, agli adulti.

stato gassoso

I gas non possono mantenere il loro volume o forma. Riempi la fiaschetta fino in cima con ossigeno (la sua formula chimica è O 2). Non appena apriamo il pallone, le molecole della sostanza inizieranno a mescolarsi con l'aria nella stanza. Ciò è dovuto al moto browniano. Anche l'antico scienziato greco Democrito credeva che le particelle di materia fossero in costante movimento. Nei solidi, in condizioni normali, atomi, molecole, ioni non hanno la possibilità di uscire dal reticolo cristallino, di liberarsi dai legami con altre particelle. Questo è possibile solo quando una grande quantità di energia viene fornita dall'esterno.

Nei liquidi, la distanza tra le particelle è leggermente maggiore che nei solidi; richiedono meno energia per rompere i legami intermolecolari. Ad esempio, lo stato aggregato liquido dell'ossigeno si osserva solo quando la temperatura del gas scende a -183 °C. A -223°C, le molecole di O 2 formano un solido. Quando la temperatura sale al di sopra dei valori indicati, l'ossigeno si trasforma in un gas. È in questa forma che è in condizioni normali. Nelle imprese industriali esistono installazioni speciali per separare l'aria atmosferica e ricavarne azoto e ossigeno. Innanzitutto, l'aria viene raffreddata e liquefatta, quindi la temperatura viene gradualmente aumentata. Azoto e ossigeno si trasformano in gas in condizioni diverse.

L'atmosfera terrestre contiene il 21% di ossigeno e il 78% di azoto in volume. In forma liquida, queste sostanze non si trovano nell'involucro gassoso del pianeta. L'ossigeno liquido ha un colore azzurro e viene riempito ad alta pressione in bombole per l'uso in strutture mediche. Nell'industria e nell'edilizia, i gas liquefatti sono necessari per molti processi. L'ossigeno è necessario per la saldatura a gas e il taglio dei metalli, in chimica - per le reazioni di ossidazione di sostanze inorganiche e organiche. Se si apre la valvola di una bombola di ossigeno, la pressione diminuisce, il liquido si trasforma in gas.

Propano, metano e butano liquefatti sono ampiamente utilizzati nell'energia, nei trasporti, nell'industria e nelle attività domestiche. Queste sostanze sono ottenute dal gas naturale o durante il cracking (scissione) della carica di petrolio. Le miscele di carbonio liquido e gassoso svolgono un ruolo importante nell'economia di molti paesi. Ma le riserve di petrolio e gas naturale sono gravemente esaurite. Secondo gli scienziati, questa materia prima durerà per 100-120 anni. Una fonte alternativa di energia è il flusso d'aria (vento). Fiumi a flusso rapido, maree sulle rive dei mari e degli oceani sono utilizzati per far funzionare le centrali elettriche.

L'ossigeno, come altri gas, può trovarsi nel quarto stato di aggregazione, rappresentando un plasma. Una transizione insolita da uno stato solido a uno gassoso è una caratteristica dello iodio cristallino. Una sostanza viola scuro subisce la sublimazione - si trasforma in un gas, bypassando lo stato liquido.

Come vengono effettuate le transizioni da una forma aggregata di materia a un'altra?

I cambiamenti nello stato aggregato delle sostanze non sono associati a trasformazioni chimiche, si tratta di fenomeni fisici. Quando la temperatura aumenta, molti solidi si sciolgono e si trasformano in liquidi. Un ulteriore aumento della temperatura può portare all'evaporazione, cioè allo stato gassoso della sostanza. In natura ed economia, tali transizioni sono caratteristiche di una delle principali sostanze sulla Terra. Ghiaccio, liquido, vapore sono gli stati dell'acqua in diverse condizioni esterne. Il composto è lo stesso, la sua formula è H 2 O. A una temperatura di 0 ° C e al di sotto di questo valore, l'acqua cristallizza, cioè si trasforma in ghiaccio. Quando la temperatura aumenta, i cristalli risultanti vengono distrutti: il ghiaccio si scioglie, si ottiene nuovamente acqua liquida. Quando viene riscaldato, si forma l'evaporazione - la trasformazione dell'acqua in gas - continua anche a basse temperature. Ad esempio, le pozzanghere ghiacciate scompaiono gradualmente perché l'acqua evapora. Anche con il gelo, i vestiti bagnati si asciugano, ma questo processo è più lungo rispetto a una giornata calda.

Tutte le transizioni elencate dell'acqua da uno stato all'altro sono di grande importanza per la natura della Terra. I fenomeni atmosferici, il clima e il tempo sono associati all'evaporazione dell'acqua dalla superficie degli oceani, al trasferimento di umidità sotto forma di nuvole e nebbia alla terra, alle precipitazioni (pioggia, neve, grandine). Questi fenomeni costituiscono la base del ciclo mondiale dell'acqua in natura.

Come cambiano gli stati aggregati di zolfo?

In condizioni normali, lo zolfo è cristalli lucenti luminosi o una polvere giallo chiaro, cioè è un solido. Lo stato aggregato dello zolfo cambia quando riscaldato. Innanzitutto, quando la temperatura sale a 190 ° C, la sostanza gialla si scioglie, trasformandosi in un liquido mobile.

Se versi rapidamente zolfo liquido in acqua fredda, otterrai una massa amorfa marrone. Con l'ulteriore riscaldamento dello zolfo fuso, diventa sempre più viscoso e si scurisce. A temperature superiori a 300 ° C, lo stato di aggregazione dello zolfo cambia nuovamente, la sostanza acquisisce le proprietà di un liquido, diventa mobile. Queste transizioni sorgono a causa della capacità degli atomi dell'elemento di formare catene di diverse lunghezze.

Perché le sostanze possono trovarsi in stati fisici diversi?

Lo stato di aggregazione dello zolfo - sostanza semplice - è solido in condizioni normali. L'anidride solforosa è un gas, l'acido solforico è un liquido oleoso più pesante dell'acqua. A differenza degli acidi cloridrico e nitrico, non è volatile, le molecole non evaporano dalla sua superficie. Che stato di aggregazione ha lo zolfo plastico, che si ottiene riscaldando i cristalli?

In forma amorfa, la sostanza ha la struttura di un liquido, avendo una leggera fluidità. Ma lo zolfo plastico mantiene contemporaneamente la sua forma (come solido). Ci sono cristalli liquidi che hanno una serie di proprietà caratteristiche dei solidi. Pertanto, lo stato della materia in condizioni diverse dipende dalla sua natura, temperatura, pressione e altre condizioni esterne.

Quali sono le caratteristiche nella struttura dei solidi?

Le differenze esistenti tra i principali stati aggregati della materia sono spiegate dall'interazione tra atomi, ioni e molecole. Ad esempio, perché lo stato solido aggregato della materia porta alla capacità dei corpi di mantenere volume e forma? Nel reticolo cristallino di un metallo o di un sale, le particelle strutturali sono attratte l'una dall'altra. Nei metalli, gli ioni caricati positivamente interagiscono con il cosiddetto "gas di elettroni" - l'accumulo di elettroni liberi in un pezzo di metallo. I cristalli di sale sorgono a causa dell'attrazione di particelle di carica opposta - ioni. La distanza tra le unità strutturali dei solidi di cui sopra è molto più piccola della dimensione delle particelle stesse. In questo caso, l'attrazione elettrostatica agisce, dà forza e la repulsione non è abbastanza forte.

Per distruggere lo stato solido di aggregazione di una sostanza è necessario compiere degli sforzi. Metalli, sali, cristalli atomici fondono a temperature molto elevate. Ad esempio, il ferro diventa liquido a temperature superiori a 1538 °C. Il tungsteno è refrattario e viene utilizzato per produrre filamenti a incandescenza per lampadine. Ci sono leghe che diventano liquide a temperature superiori a 3000 °C. Molti sulla Terra sono allo stato solido. Questa materia prima viene estratta con l'ausilio di attrezzature in miniere e cave.

Per staccare anche solo uno ione da un cristallo, è necessario spendere una grande quantità di energia. Ma dopotutto, basta sciogliere il sale nell'acqua per disintegrare il reticolo cristallino! Questo fenomeno è spiegato dalle straordinarie proprietà dell'acqua come solvente polare. Le molecole di H 2 O interagiscono con gli ioni di sale, distruggendo il legame chimico tra di loro. Pertanto, la dissoluzione non è una semplice miscelazione di diverse sostanze, ma un'interazione fisica e chimica tra di loro.

Come interagiscono le molecole dei liquidi?

L'acqua può essere liquida, solida e gassosa (vapore). Questi sono i suoi principali stati di aggregazione in condizioni normali. Le molecole d'acqua sono costituite da un atomo di ossigeno con due atomi di idrogeno legati ad esso. C'è una polarizzazione del legame chimico nella molecola, una carica negativa parziale appare sugli atomi di ossigeno. L'idrogeno diventa il polo positivo della molecola ed è attratto dall'atomo di ossigeno di un'altra molecola. Questo è chiamato il "legame idrogeno".

Lo stato liquido di aggregazione è caratterizzato da distanze tra particelle strutturali paragonabili alle loro dimensioni. L'attrazione esiste, ma è debole, quindi l'acqua non mantiene la sua forma. La vaporizzazione avviene a causa della distruzione dei legami, che avviene sulla superficie del liquido anche a temperatura ambiente.

Ci sono interazioni intermolecolari nei gas?

Lo stato gassoso di una sostanza differisce da liquido e solido in una serie di parametri. Tra le particelle strutturali dei gas ci sono grandi spazi vuoti, molto più grandi delle dimensioni delle molecole. In questo caso, le forze di attrazione non funzionano affatto. Lo stato di aggregazione gassoso è caratteristico delle sostanze presenti nella composizione dell'aria: azoto, ossigeno, anidride carbonica. Nella figura seguente, il primo cubo è riempito con un gas, il secondo con un liquido e il terzo con un solido.

Molti liquidi sono volatili; le molecole di una sostanza si staccano dalla loro superficie e passano nell'aria. Ad esempio, se porti un batuffolo di cotone imbevuto di ammoniaca all'apertura di una bottiglia aperta di acido cloridrico, appare del fumo bianco. Proprio nell'aria si verifica una reazione chimica tra acido cloridrico e ammoniaca, si ottiene cloruro di ammonio. In che stato della materia si trova questa sostanza? Le sue particelle, che formano fumo bianco, sono i più piccoli cristalli solidi di sale. Questo esperimento deve essere effettuato sotto una cappa aspirante, le sostanze sono tossiche.

Conclusione

Lo stato aggregato di un gas è stato studiato da molti fisici e chimici eccezionali: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Gli scienziati hanno formulato leggi che spiegano il comportamento delle sostanze gassose nelle reazioni chimiche quando cambiano le condizioni esterne. Le regolarità aperte non sono entrate solo nei libri di testo scolastici e universitari di fisica e chimica. Molte industrie chimiche si basano sulla conoscenza del comportamento e delle proprietà delle sostanze in diversi stati di aggregazione.

Stati aggregati della materia (dal latino aggrego - allego, collego) - questi sono stati della stessa sostanza, le cui transizioni corrispondono a bruschi cambiamenti di energia libera, entropia, densità e altri parametri fisici della sostanza.

Gas (francese gaz, derivato dal greco caos - caos) è uno stato aggregato della materia in cui le forze di interazione delle sue particelle che riempiono l'intero volume loro fornito sono trascurabili. Nei gas, le distanze intermolecolari sono grandi e le molecole si muovono quasi liberamente.

• I gas possono essere considerati vapori altamente surriscaldati o a bassa saturazione.
• Sopra la superficie di ogni liquido dovuto all'evaporazione c'è del vapore. Quando la pressione di vapore sale ad un certo limite, chiamato pressione di vapore saturo, l'evaporazione del liquido si interrompe, poiché la pressione del vapore e del liquido diventa la stessa.
• Una diminuzione del volume del vapore saturo fa condensare parte del vapore, piuttosto che un aumento della pressione. Pertanto, la pressione del vapore non può essere superiore alla pressione del vapore di saturazione. Lo stato di saturazione è caratterizzato dalla massa di saturazione contenuta in 1 m3 di massa di vapore saturo, che dipende dalla temperatura. Il vapore saturo può diventare insaturo se si aumenta il volume o se si aumenta la temperatura. Se la temperatura del vapore è molto più alta del punto di ebollizione corrispondente ad una determinata pressione, il vapore si dice surriscaldato.

Plasma Viene chiamato un gas parzialmente o completamente ionizzato, in cui le densità delle cariche positive e negative sono quasi le stesse. Il sole, le stelle, le nuvole di materia interstellare sono composte da gas: neutri o ionizzati (plasma). A differenza di altri stati di aggregazione, il plasma è un gas di particelle cariche (ioni, elettroni) che interagiscono elettricamente tra loro a grandi distanze, ma non hanno ordini né a corto né a lungo raggio nella disposizione delle particelle.

Liquido - Questo è uno stato di aggregazione di una sostanza, intermedio tra solido e gassoso.

1. I liquidi hanno alcune caratteristiche di un solido (mantiene il suo volume, forma una superficie, ha una certa resistenza alla trazione) e un gas (prende la forma del recipiente in cui si trova).
2. Il movimento termico delle molecole (atomi) di un liquido è una combinazione di piccole fluttuazioni attorno alle posizioni di equilibrio e frequenti salti da una posizione di equilibrio all'altra.
3. Allo stesso tempo, si verificano lenti movimenti delle molecole e le loro oscillazioni all'interno di piccoli volumi, frequenti salti di molecole violano l'ordine a lungo raggio nella disposizione delle particelle e causano la fluidità dei liquidi e piccole oscillazioni attorno alle posizioni di equilibrio causano l'esistenza di brevi -ordine della gamma nei liquidi.

Liquidi e solidi, a differenza dei gas, possono essere considerati mezzi altamente condensati. In essi, le molecole (atomi) si trovano molto più vicine tra loro e le forze di interazione sono diversi ordini di grandezza maggiori rispetto ai gas. Pertanto, liquidi e solidi hanno possibilità di espansione significativamente limitate, ovviamente non possono occupare un volume arbitrario e a pressione e temperatura costanti mantengono il loro volume, indipendentemente dal volume in cui sono collocati. Le transizioni da uno stato di aggregazione più ordinato nella struttura ad uno meno ordinato possono avvenire anche continuamente. Al riguardo, al posto del concetto di stato di aggregazione, è opportuno utilizzare un concetto più ampio: il concetto di fase.

fase è la totalità di tutte le parti del sistema che hanno la stessa composizione chimica e si trovano nello stesso stato. Ciò è giustificato dall'esistenza simultanea di fasi termodinamicamente in equilibrio in un sistema multifase: un liquido con il proprio vapore saturo; acqua e ghiaccio al punto di fusione; due liquidi immiscibili (una miscela di acqua con trietilammina), di concentrazione diversa; l'esistenza di solidi amorfi che conservano la struttura del liquido (stato amorfo).

Stato solido amorfo della materia è una sorta di stato superraffreddato di un liquido e differisce dai liquidi ordinari per una viscosità significativamente più elevata e valori numerici delle caratteristiche cinetiche.

Stato solido cristallino della materia - questo è uno stato di aggregazione, caratterizzato da grandi forze di interazione tra le particelle di una sostanza (atomi, molecole, ioni). Le particelle di solidi oscillano attorno alle posizioni di equilibrio medio, dette nodi del reticolo cristallino; la struttura di queste sostanze è caratterizzata da un alto grado di ordine (ordine a lungo e corto raggio) - ordine nella disposizione (ordine di coordinamento), nell'orientamento (ordine di orientamento) delle particelle strutturali o ordine nelle proprietà fisiche ( per esempio, nell'orientamento di momenti magnetici o momenti di dipolo elettrico). La regione di esistenza di una normale fase liquida per liquidi puri, liquidi e cristalli liquidi è limitata dal lato delle basse temperature da transizioni di fase, rispettivamente, allo stato solido (cristallizzazione), superfluido e liquido-anisotropico.

Tutti, penso, conoscono 3 stati aggregati di base della materia: liquido, solido e gassoso. Incontriamo questi stati della materia ogni giorno e ovunque. Molto spesso sono considerati sull'esempio dell'acqua. Lo stato liquido dell'acqua ci è più familiare. Beviamo costantemente acqua liquida, scorre dal nostro rubinetto e noi stessi siamo acqua liquida al 70%. Il secondo stato aggregato dell'acqua è il ghiaccio ordinario, che vediamo per strada in inverno. In forma gassosa, l'acqua è facilmente reperibile anche nella vita di tutti i giorni. Allo stato gassoso, l'acqua è, lo sappiamo tutti, vapore. Può essere visto quando, ad esempio, facciamo bollire un bollitore. Sì, è a 100 gradi che l'acqua passa dallo stato liquido allo stato gassoso.

Questi sono i tre stati aggregati della materia a noi familiari. Ma lo sapevi che in realtà sono 4? Penso che almeno una volta tutti abbiano sentito la parola "plasma". E oggi voglio che tu impari di più anche sul plasma, il quarto stato della materia.

Il plasma è un gas parzialmente o completamente ionizzato con la stessa densità di cariche positive e negative. Il plasma può essere ottenuto dal gas - dal 3° stato della materia mediante un forte riscaldamento. Lo stato di aggregazione in generale, infatti, dipende completamente dalla temperatura. Il primo stato di aggregazione è la temperatura più bassa alla quale il corpo rimane solido, il secondo stato di aggregazione è la temperatura alla quale il corpo inizia a fondersi e diventare liquido, il terzo stato di aggregazione è la temperatura più alta alla quale la sostanza diventa un gas. Per ogni corpo, sostanza, la temperatura di passaggio da uno stato di aggregazione all'altro è completamente diversa, per alcuni è più bassa, per alcuni è più alta, ma per tutti è rigorosamente in questa sequenza. E a quale temperatura una sostanza diventa plasma? Poiché questo è il quarto stato, significa che la temperatura di transizione ad esso è superiore a quella di ogni precedente. E infatti lo è. Per ionizzare un gas è necessaria una temperatura molto elevata. La temperatura più bassa e il plasma a bassa ionizzazione (circa l'1%) è caratterizzato da temperature fino a 100 mila gradi. In condizioni terrestri, tale plasma può essere osservato sotto forma di fulmine. La temperatura del canale del fulmine può superare i 30 mila gradi, che è 6 volte superiore alla temperatura superficiale del Sole. A proposito, anche il Sole e tutte le altre stelle sono plasma, più spesso ancora ad alta temperatura. La scienza dimostra che circa il 99% dell'intera materia dell'Universo è plasma.

A differenza del plasma a bassa temperatura, il plasma ad alta temperatura ha quasi il 100% di ionizzazione e temperature fino a 100 milioni di gradi. Questa è davvero una temperatura stellare. Sulla Terra, un tale plasma si trova solo in un caso: per esperimenti sulla fusione termonucleare. Una reazione controllata è piuttosto complessa e ad alta intensità energetica, ma una incontrollata si è sufficientemente dimostrata un'arma dal potere colossale: una bomba termonucleare testata dall'URSS il 12 agosto 1953.

Il plasma è classificato non solo in base alla temperatura e al grado di ionizzazione, ma anche in base alla densità e alla quasi neutralità. frase densità plasmatica di solito significa densità elettronica, ovvero il numero di elettroni liberi per unità di volume. Bene, con questo, penso che sia tutto chiaro. Ma non tutti sanno cosa sia la quasi neutralità. La quasi neutralità di un plasma è una delle sue proprietà più importanti, che consiste nella quasi esatta uguaglianza delle densità degli ioni positivi e degli elettroni inclusi nella sua composizione. A causa della buona conduttività elettrica del plasma, la separazione delle cariche positive e negative è impossibile a distanze maggiori della lunghezza di Debye e talvolta maggiori del periodo di oscillazione del plasma. Quasi tutto il plasma è quasi neutro. Un esempio di plasma non quasi neutro è un fascio di elettroni. Tuttavia, la densità dei plasmi non neutri deve essere molto bassa, altrimenti decadranno rapidamente a causa della repulsione di Coulomb.

Abbiamo considerato pochissimi esempi terrestri di plasma. Ma ce ne sono abbastanza. L'uomo ha imparato a usare il plasma per il proprio bene. Grazie al quarto stato aggregato della materia, possiamo utilizzare lampade a scarica di gas, televisori al plasma, saldatura ad arco elettrico e laser. Anche le normali lampade fluorescenti a scarica di gas sono al plasma. C'è anche una lampada al plasma nel nostro mondo. Viene utilizzato principalmente nella scienza per studiare e, soprattutto, per vedere alcuni dei fenomeni plasmatici più complessi, inclusa la filamentazione. Una foto di una tale lampada può essere vista nell'immagine qui sotto:

Oltre ai dispositivi al plasma domestici, sulla Terra è spesso possibile vedere anche il plasma naturale. Abbiamo già parlato di uno dei suoi esempi. Questo è un fulmine. Ma oltre ai fulmini, i fenomeni del plasma possono essere chiamati l'aurora boreale, i "fuochi di Sant'Elmo", la ionosfera terrestre e, naturalmente, il fuoco.

Nota che sia il fuoco che il fulmine e le altre manifestazioni del plasma, come lo chiamiamo, bruciano. Qual è il motivo di un'emissione di luce così brillante da parte del plasma? Il bagliore del plasma è dovuto alla transizione degli elettroni da uno stato di alta energia a uno stato di bassa energia dopo la ricombinazione con gli ioni. Questo processo porta alla radiazione con uno spettro corrispondente al gas eccitato. Questo è il motivo per cui il plasma si illumina.

Vorrei anche raccontare un po' la storia del plasma. Dopotutto, una volta si chiamavano plasma solo sostanze come la componente liquida del latte e la componente incolore del sangue. Tutto è cambiato nel 1879. Fu in quell'anno che il famoso scienziato inglese William Crookes, studiando la conducibilità elettrica nei gas, scoprì il fenomeno del plasma. È vero, questo stato della materia è stato chiamato plasma solo nel 1928. E questo è stato fatto da Irving Langmuir.

In conclusione, voglio dire che un fenomeno così interessante e misterioso come il fulmine globulare, di cui ho scritto più di una volta su questo sito, è, ovviamente, anche un plasmoide, come un normale fulmine. Questo è forse il plasmoide più insolito di tutti i fenomeni plasmatici terrestri. Dopotutto, ci sono circa 400 teorie molto diverse sui fulmini globulari, ma nessuna di queste è stata riconosciuta come veramente corretta. In condizioni di laboratorio, fenomeni simili ma a breve termine sono stati ottenuti in diversi modi, quindi la questione della natura del fulmine globulare rimane aperta.

Il plasma ordinario, ovviamente, è stato creato anche nei laboratori. Una volta era difficile, ma ora un simile esperimento non è difficile. Dal momento che il plasma è entrato saldamente nel nostro arsenale domestico, ci sono molti esperimenti su di esso nei laboratori.

La scoperta più interessante nel campo del plasma sono stati gli esperimenti con il plasma in assenza di gravità. Si scopre che il plasma cristallizza nel vuoto. Succede così: le particelle cariche del plasma iniziano a respingersi e, quando hanno un volume limitato, occupano lo spazio loro assegnato, disperdendosi in direzioni diverse. Questo è molto simile a un reticolo cristallino. Questo non significa che il plasma è l'anello di congiunzione tra il primo stato aggregato della materia e il terzo? Dopotutto, diventa un plasma a causa della ionizzazione del gas e, nel vuoto, il plasma diventa di nuovo, per così dire, solido. Ma questa è solo una mia ipotesi.

Anche i cristalli di plasma nello spazio hanno una struttura piuttosto strana. Questa struttura può essere osservata e studiata solo nello spazio, in un vero e proprio vuoto spaziale. Anche se crei un vuoto sulla Terra e ci metti un plasma, la gravità semplicemente spremerà l'intera "immagine" che si forma all'interno. Nello spazio, invece, i cristalli di plasma decollano semplicemente, formando una struttura tridimensionale volumetrica di forma strana. Dopo aver inviato i risultati delle osservazioni del plasma in orbita agli scienziati della Terra, si è scoperto che i vortici nel plasma imitano la struttura della nostra galassia in un modo strano. E questo significa che in futuro sarà possibile capire come è nata la nostra galassia studiando il plasma. Le fotografie sottostanti mostrano lo stesso plasma cristallizzato.

Stato di aggregazione- uno stato della materia caratterizzato da determinate proprietà qualitative: la capacità o l'incapacità di mantenere il volume e la forma, la presenza o l'assenza di ordine a lungo ea corto raggio e altre. Un cambiamento nello stato di aggregazione può essere accompagnato da un cambiamento simile a un salto nell'energia libera, nell'entropia, nella densità e in altre proprietà fisiche di base.
Esistono tre stati principali di aggregazione: solido, liquido e gassoso. A volte non è del tutto corretto classificare il plasma come stato di aggregazione. Esistono altri stati di aggregazione, ad esempio cristalli liquidi o condensato di Bose-Einstein. I cambiamenti nello stato di aggregazione sono processi termodinamici chiamati transizioni di fase. Si distinguono le seguenti varietà: da solido a liquido - fondente; da liquido a gassoso - evaporazione ed ebollizione; da solido a gassoso - sublimazione; da gassoso a liquido o solido - condensazione; da liquido a solido - cristallizzazione. Una caratteristica distintiva è l'assenza di un confine netto della transizione allo stato plasma.
Le definizioni di stato aggregato non sono sempre rigide. Quindi, ci sono corpi amorfi che mantengono la struttura di un liquido e hanno poca fluidità e capacità di mantenere la forma; i cristalli liquidi sono fluidi, ma allo stesso tempo hanno alcune proprietà dei solidi, in particolare possono polarizzare la radiazione elettromagnetica che li attraversa. Per descrivere vari stati della fisica, viene utilizzato un concetto più ampio di fase termodinamica. I fenomeni che descrivono le transizioni da una fase all'altra sono chiamati fenomeni critici.
Lo stato aggregato di una sostanza dipende dalle condizioni fisiche in cui si trova, principalmente dalla temperatura e dalla pressione. La quantità determinante è il rapporto tra l'energia potenziale media dell'interazione delle molecole e la loro energia cinetica media. Quindi, per un corpo solido, questo rapporto è maggiore di 1, per i gas inferiore a 1 e per i liquidi approssimativamente uguale a 1. Il passaggio da uno stato di aggregazione di una sostanza all'altro è accompagnato da una brusca variazione del valore di questo rapporto, associato a un brusco cambiamento delle distanze intermolecolari e delle interazioni intermolecolari. Nei gas le distanze intermolecolari sono grandi, le molecole quasi non interagiscono tra loro e si muovono quasi liberamente, riempiendo l'intero volume. Nei liquidi e nei solidi - mezzi condensati - le molecole (atomi) si trovano molto più vicine l'una all'altra e interagiscono più fortemente.
Ciò porta alla conservazione dei liquidi e dei solidi del loro volume. Tuttavia, la natura del movimento delle molecole nei solidi e nei liquidi è diversa, il che spiega la differenza nella loro struttura e proprietà.
Nei solidi allo stato cristallino, gli atomi vibrano solo vicino ai nodi del reticolo cristallino; la struttura di questi corpi è caratterizzata da un alto grado di ordine - ordine a lungo e corto raggio. Il movimento termico delle molecole (atomi) di un liquido è una combinazione di piccole fluttuazioni attorno alle posizioni di equilibrio e frequenti salti da una posizione di equilibrio all'altra. Questi ultimi determinano l'esistenza nei liquidi di un ordine solo a corto raggio nella disposizione delle particelle, nonché la loro mobilità e fluidità intrinseche.
un. Solido- uno stato caratterizzato dalla capacità di mantenere volume e forma. Gli atomi di un corpo solido producono solo piccole vibrazioni attorno allo stato di equilibrio. C'è sia un ordine a lungo raggio che a corto raggio.
B. Liquido- uno stato della materia in cui ha una bassa comprimibilità, cioè mantiene bene il suo volume, ma non è in grado di mantenere la sua forma. Il liquido assume facilmente la forma del recipiente in cui è posto. Atomi o molecole di un liquido vibrano vicino allo stato di equilibrio, bloccati da altri atomi, e spesso saltano in altri luoghi liberi. C'è solo un ordine a corto raggio.
Fusione- è il passaggio di una sostanza da uno stato solido di aggregazione (vedi Stati aggregati della materia) a uno liquido. Questo processo si verifica durante il riscaldamento, quando una certa quantità di calore +Q viene impartita al corpo. Ad esempio, il piombo metallico a basso punto di fusione passa da uno stato solido a uno stato liquido se viene riscaldato a una temperatura di 327 ° C. Il piombo si scioglie facilmente su un fornello a gas, ad esempio in un cucchiaio di acciaio inossidabile (è noto che la temperatura della fiamma di un bruciatore a gas sia 600-850 ° C e la temperatura di fusione dell'acciaio - 1300-1500 ° C).
Se, durante la fusione del piombo, viene misurata la sua temperatura, si può scoprire che all'inizio aumenta gradualmente, ma dopo un certo momento rimane costante, nonostante l'ulteriore riscaldamento. Questo momento corrisponde allo scioglimento. La temperatura viene mantenuta costante fino a quando tutto il piombo non si è sciolto e solo allora ricomincia a salire. Quando il piombo liquido si raffredda, si osserva il contrario: la temperatura scende fino a quando inizia la solidificazione e rimane costante per tutto il tempo fino a quando il piombo passa nella fase solida, per poi diminuire nuovamente.
Tutte le sostanze pure si comportano allo stesso modo. La costanza della temperatura durante la fusione è di grande importanza pratica, poiché consente di calibrare termometri, realizzare micce e indicatori che fondono a una temperatura rigorosamente specificata.
Gli atomi in un cristallo vibrano attorno alle loro posizioni di equilibrio. All'aumentare della temperatura, l'ampiezza dell'oscillazione aumenta e raggiunge un certo valore critico, dopodiché il reticolo cristallino viene distrutto. Ciò richiede energia termica aggiuntiva, quindi durante il processo di fusione la temperatura non aumenta, sebbene il calore continui a fluire.
Il punto di fusione di una sostanza dipende dalla pressione. Per le sostanze il cui volume aumenta durante la fusione (e la stragrande maggioranza di esse), un aumento della pressione aumenta il punto di fusione e viceversa. All'acqua, il volume diminuisce durante lo scioglimento (quindi, quando si congela, l'acqua rompe i tubi) e quando la pressione aumenta, il ghiaccio si scioglie a una temperatura inferiore. Bismuto, gallio e alcuni tipi di ghisa si comportano in modo simile.
v. Gas- una condizione caratterizzata da buona comprimibilità, mancanza di capacità di mantenere sia il volume che la forma. Il gas tende ad occupare l'intero volume fornitogli. Gli atomi o le molecole di un gas si comportano in modo relativamente libero, le distanze tra loro sono molto maggiori delle loro dimensioni.
Il plasma, spesso indicato come uno stato di aggregazione della materia, differisce dal gas per un alto grado di ionizzazione degli atomi. La maggior parte della materia barionica (in massa circa il 99,9%) nell'Universo è allo stato plasma.
g.c fluido supercritico- Si verifica con un aumento simultaneo della temperatura e della pressione fino a un punto critico, in cui la densità del gas viene confrontata con la densità del liquido; in questo caso il confine tra la fase liquida e quella gassosa scompare. Il fluido supercritico ha un potere dissolvente eccezionalmente elevato.
D. Condensato di Bose-Einstein- si ottiene raffreddando il gas Bose a temperature prossime allo zero assoluto. Di conseguenza, alcuni degli atomi si trovano in uno stato con energia rigorosamente zero (cioè nello stato quantico più basso possibile). Il condensato di Bose-Einstein mostra una serie di proprietà quantistiche come la superfluidità e la risonanza di Fischbach.
e. Condensato fermionico- è una condensazione di Bose nel modo BCS di "coppie atomiche di Cooper" in gas costituiti da atomi di fermioni. (In contrasto con la modalità tradizionale di condensazione di Bose-Einstein di bosoni composti).
Tali condensati atomici fermionici sono "parenti" di superconduttori, ma con una temperatura critica dell'ordine della temperatura ambiente e superiore.
Materia degenerata - Gas di Fermi 1° stadio Il gas degenerato degli elettroni, osservato nelle nane bianche, gioca un ruolo importante nell'evoluzione delle stelle. Il 2° stadio è lo stato di neutroni in cui la materia passa sotto una pressione ultraelevata, che è ancora irraggiungibile in laboratorio, ma esiste all'interno delle stelle di neutroni. Durante il passaggio allo stato neutronico, gli elettroni della materia interagiscono con i protoni e si trasformano in neutroni. Di conseguenza, la materia allo stato neutronico è costituita interamente da neutroni e ha una densità dell'ordine del nucleare. La temperatura della sostanza in questo caso non dovrebbe essere troppo alta (in energia equivalente, non più di cento MeV).
Con un forte aumento della temperatura (centinaia di MeV e oltre), nello stato di neutroni, vari mesoni iniziano a nascere e ad annichilirsi. Con un ulteriore aumento della temperatura, si verifica il deconfinamento e la materia passa nello stato di plasma di quark-gluone. Non è più costituito da adroni, ma da quark e gluoni che nascono e scompaiono costantemente. Forse il deconfinamento avviene in due fasi.
Con un ulteriore aumento illimitato della pressione senza un aumento della temperatura, la materia collassa in un buco nero.
Con un aumento simultaneo sia della pressione che della temperatura, altre particelle vengono aggiunte a quark e gluoni. Cosa succede alla materia, allo spazio e al tempo a temperature vicine alla temperatura di Planck è ancora sconosciuto.
Altri stati
Durante il raffreddamento profondo, alcune (non tutte) sostanze passano in uno stato superconduttore o superfluido. Questi stati, ovviamente, sono fasi termodinamiche separate, ma difficilmente meritano di essere chiamati nuovi stati aggregati della materia a causa della loro non universalità.
Sostanze disomogenee come paste, gel, sospensioni, aerosol, ecc., che in determinate condizioni dimostrano le proprietà sia dei solidi che dei liquidi e persino dei gas, sono solitamente classificate come materiali dispersi, e non in specifici stati aggregati della materia.

A seconda della temperatura e della pressione, qualsiasi sostanza è in grado di assumere vari stati di aggregazione. Ciascuno di questi stati è caratterizzato da determinate proprietà qualitative che rimangono invariate nell'ambito delle temperature e delle pressioni richieste per un determinato stato di aggregazione.

Le proprietà caratteristiche degli stati aggregati includono, ad esempio, la capacità di un corpo allo stato solido di mantenere la propria forma, o viceversa, la capacità di un corpo liquido di cambiare forma. Tuttavia, a volte i confini tra i diversi stati della materia sono piuttosto sfumati, come nel caso dei cristalli liquidi, o dei cosiddetti "corpi amorfi", che possono essere elastici come i solidi e fluidi come i liquidi.

La transizione tra stati di aggregazione può avvenire con il rilascio di energia libera, variazioni di densità, entropia o altre grandezze fisiche. Il passaggio da uno stato di aggregazione a un altro è chiamato transizione di fase e i fenomeni che accompagnano tali transizioni sono chiamati fenomeni critici.

Elenco degli stati aggregati noti