Jak określić stan substancji. Stan skupienia

Pytania o to, czym jest stan skupienia, jakie cechy i właściwości mają ciała stałe, ciecze i gazy, poruszane są na kilku szkoleniach. Istnieją trzy klasyczne stany materii, posiadające własne charakterystyczne cechy strukturalne. Ich zrozumienie jest ważnym punktem w zrozumieniu nauk o Ziemi, organizmów żywych i działalności przemysłowej. Zagadnienia te są badane przez fizykę, chemię, geografię, geologię, chemię fizyczną i inne dyscypliny naukowe. Substancje, które w określonych warunkach znajdują się w jednym z trzech podstawowych typów stanu, mogą zmieniać się wraz ze wzrostem lub spadkiem temperatury i ciśnienia. Rozważmy możliwe przejścia z jednego stanu skupienia do drugiego, jakie zachodzą w przyrodzie, technologii i życiu codziennym.

Co to jest stan skupienia?

Słowo pochodzenia łacińskiego „aggrego” przetłumaczone na język rosyjski oznacza „przyłączyć się”. Termin naukowy odnosi się do stanu tego samego ciała, substancji. Istnienie ciał stałych, gazów i cieczy w określonych temperaturach i różnych ciśnieniach jest charakterystyczne dla wszystkich powłok Ziemi. Oprócz trzech podstawowych stanów skupienia istnieje jeszcze czwarty. W podwyższonej temperaturze i stałym ciśnieniu gaz zamienia się w plazmę. Aby lepiej zrozumieć, czym jest stan skupienia, należy pamiętać o najmniejszych cząsteczkach tworzących substancje i ciała.

Powyższy schemat przedstawia: a - gaz; b – ciecz; c jest ciałem stałym. Na takich obrazach kółka wskazują elementy strukturalne substancji. To jest symbol; w rzeczywistości atomy, cząsteczki i jony nie są stałymi kulkami. Atomy składają się z dodatnio naładowanego jądra, wokół którego ujemnie naładowane elektrony poruszają się z dużą prędkością. Wiedza o mikroskopijnej budowie materii pozwala lepiej zrozumieć różnice pomiędzy różnymi formami agregatów.

Idee o mikrokosmosie: od starożytnej Grecji do XVII wieku

Pierwsze informacje o cząstkach tworzących ciała fizyczne pojawiły się w starożytnej Grecji. Myśliciele Demokryt i Epikur wprowadzili takie pojęcie jak atom. Wierzyli, że te najmniejsze niepodzielne cząstki różnych substancji mają kształt, określone rozmiary i są zdolne do ruchu i interakcji ze sobą. Atomizm stał się w swoim czasie najbardziej zaawansowaną nauką starożytnej Grecji. Jednak w średniowieczu jego rozwój uległ spowolnieniu. Od tego czasu naukowcy byli prześladowani przez Inkwizycję Kościoła rzymskokatolickiego. Dlatego aż do czasów współczesnych nie było jasnego pojęcia, jaki jest stan materii. Dopiero po XVII wieku naukowcy R. Boyle, M. Łomonosow, D. Dalton, A. Lavoisier sformułowali założenia teorii atomowo-molekularnej, które do dziś nie straciły na znaczeniu.

Atomy, cząsteczki, jony - mikroskopijne cząstki struktury materii

Znaczący przełom w zrozumieniu mikroświata nastąpił w XX wieku, kiedy wynaleziono mikroskop elektronowy. Biorąc pod uwagę wcześniejsze odkrycia naukowców, udało się ułożyć spójny obraz mikroświata. Teorie opisujące stan i zachowanie najmniejszych cząstek materii są dość złożone, dotyczą dziedziny Aby zrozumieć charakterystykę różnych skupionych stanów materii, wystarczy znać nazwy i cechy głównych cząstek strukturalnych, które tworzą różne substancje.

1. Atomy są cząstkami niepodzielnymi chemicznie. Zachowują się w reakcjach chemicznych, ale ulegają zniszczeniu w reakcjach jądrowych. Metale i wiele innych substancji o budowie atomowej mają w normalnych warunkach stały stan skupienia.
2. Cząsteczki to cząstki, które ulegają rozkładowi i powstają w wyniku reakcji chemicznych. tlen, woda, dwutlenek węgla, siarka. Stan fizyczny tlenu, azotu, dwutlenku siarki, węgla, tlenu w normalnych warunkach jest gazowy.
3. Jony to naładowane cząstki, którymi stają się atomy i cząsteczki, gdy zyskują lub tracą elektrony — mikroskopijne ujemnie naładowane cząstki. Wiele soli ma strukturę jonową, na przykład sól kuchenna, siarczan żelaza i siarczan miedzi.

Istnieją substancje, których cząstki są rozmieszczone w przestrzeni w określony sposób. Uporządkowane wzajemne położenie atomów, jonów i cząsteczek nazywa się siecią krystaliczną. Zazwyczaj sieci krystaliczne jonowe i atomowe są charakterystyczne dla ciał stałych, molekularne - dla cieczy i gazów. Diament wyróżnia się dużą twardością. Jego atomowa sieć krystaliczna zbudowana jest z atomów węgla. Ale miękki grafit składa się również z atomów tego pierwiastka chemicznego. Tyle że są inaczej umiejscowione w przestrzeni. Zwykły stan skupienia siarki jest stały, ale w wysokich temperaturach substancja zamienia się w ciecz i amorficzną masę.

Substancje w stanie stałym skupienia

Ciała stałe w normalnych warunkach zachowują swoją objętość i kształt. Na przykład ziarnko piasku, ziarenko cukru, sól, kawałek skały lub metalu. Jeśli podgrzejesz cukier, substancja zacznie się topić, zamieniając się w lepką brązową ciecz. Przestańmy podgrzewać, a znowu otrzymamy substancję stałą. Oznacza to, że jednym z głównych warunków przejścia ciała stałego w ciecz jest jego ogrzanie lub wzrost energii wewnętrznej cząstek substancji. Można również zmienić stan stały skupienia soli, która jest używana do żywności. Ale do stopienia soli kuchennej potrzebna jest wyższa temperatura niż w przypadku podgrzewania cukru. Faktem jest, że cukier składa się z cząsteczek, a sól kuchenna składa się z naładowanych jonów, które silniej się przyciągają. Ciała stałe w postaci płynnej nie zachowują swojego kształtu, ponieważ sieci krystaliczne ulegają zniszczeniu.

Stan ciekłego skupienia soli po stopieniu tłumaczy się zerwaniem wiązań między jonami w kryształach. Uwalniane są naładowane cząstki, które mogą przenosić ładunki elektryczne. Stopione sole przewodzą prąd elektryczny i są przewodnikami. W przemyśle chemicznym, metalurgicznym i inżynieryjnym ciała stałe przekształcane są w ciecze w celu wytworzenia nowych związków lub nadania im różnych form. Stopy metali stały się powszechne. Istnieje kilka sposobów ich uzyskania, związanych ze zmianami stanu skupienia surowców stałych.

Ciecz jest jednym z podstawowych stanów skupienia

Jeśli do kolby okrągłodennej wlejesz 50 ml wody, zauważysz, że substancja natychmiast przyjmie kształt naczynia chemicznego. Ale gdy tylko wylejemy wodę z kolby, ciecz natychmiast rozleje się po powierzchni stołu. Objętość wody pozostanie taka sama - 50 ml, ale zmieni się jej kształt. Wymienione cechy są charakterystyczne dla płynnej formy istnienia materii. Wiele substancji organicznych to ciecze: alkohole, oleje roślinne, kwasy.

Mleko jest emulsją, czyli cieczą zawierającą kropelki tłuszczu. Przydatnym płynnym zasobem jest ropa naftowa. Wydobywa się go ze studni za pomocą platform wiertniczych na lądzie i w oceanie. Woda morska jest także surowcem dla przemysłu. Od wody słodkiej występującej w rzekach i jeziorach różni się zawartością substancji rozpuszczonych, głównie soli. Podczas parowania z powierzchni zbiorników tylko cząsteczki H 2 O przechodzą w stan pary, pozostają substancje rozpuszczone. Na tej właściwości opierają się metody otrzymywania użytecznych substancji z wody morskiej i metody jej oczyszczania.

Po całkowitym usunięciu soli otrzymuje się wodę destylowaną. Wrze w temperaturze 100°C i zamarza w temperaturze 0°C. Solanki wrzeją i w innych temperaturach zamieniają się w lód. Na przykład woda w Oceanie Arktycznym zamarza przy temperaturze powierzchni wynoszącej 2°C.

Stan fizyczny rtęci w normalnych warunkach jest płynny. Ten srebrzystoszary metal jest powszechnie używany do wypełniania termometrów medycznych. Po podgrzaniu słupek rtęci podnosi się na skali i substancja rozszerza się. Dlaczego używa się alkoholu barwionego czerwoną farbą, a nie rtęci? Wyjaśnia to właściwości ciekłego metalu. Przy 30-stopniowych mrozach zmienia się stan skupienia rtęci, substancja staje się stała.

Jeśli termometr medyczny pęknie i rtęć się rozleje, zbieranie srebrnych kulek rękami jest niebezpieczne. Wdychanie oparów rtęci jest szkodliwe, substancja ta jest bardzo toksyczna. W takich przypadkach dzieci powinny zwrócić się o pomoc do rodziców i dorosłych.

Stan gazowy

Gazy nie są w stanie utrzymać swojej objętości ani kształtu. Napełnijmy kolbę tlenem do góry (jej wzór chemiczny to O2). Gdy tylko otworzymy kolbę, cząsteczki substancji zaczną mieszać się z powietrzem w pomieszczeniu. Dzieje się tak na skutek ruchów Browna. Nawet starożytny grecki naukowiec Demokryt wierzył, że cząstki materii są w ciągłym ruchu. W ciałach stałych, w normalnych warunkach, atomy, cząsteczki i jony nie mają możliwości opuszczenia sieci krystalicznej ani uwolnienia się od wiązań z innymi cząsteczkami. Jest to możliwe tylko wtedy, gdy duża ilość energii jest dostarczana z zewnątrz.

W cieczach odległość między cząstkami jest nieco większa niż w ciałach stałych, do rozerwania wiązań międzycząsteczkowych potrzeba mniej energii. Na przykład stan ciekły tlenu obserwuje się tylko wtedy, gdy temperatura gazu spadnie do -183 ° C. W temperaturze -223°C cząsteczki O 2 tworzą ciało stałe. Gdy temperatura wzrośnie powyżej tych wartości, tlen zamienia się w gaz. W tej formie występuje w normalnych warunkach. W przedsiębiorstwach przemysłowych działają specjalne instalacje do oddzielania powietrza atmosferycznego i pozyskiwania z niego azotu i tlenu. Najpierw powietrze jest schładzane i skraplane, a następnie stopniowo zwiększana jest temperatura. Azot i tlen zamieniają się w gazy w różnych warunkach.

Atmosfera ziemska zawiera 21% objętościowych tlenu i 78% azotu. Substancje te nie występują w postaci płynnej w gazowej powłoce planety. Ciekły tlen ma kolor jasnoniebieski i służy do napełniania butli pod wysokim ciśnieniem w zastosowaniach medycznych. W przemyśle i budownictwie do przeprowadzenia wielu procesów potrzebne są gazy skroplone. Tlen jest potrzebny do spawania gazowego i cięcia metali, a także w chemii do reakcji utleniania substancji nieorganicznych i organicznych. Jeśli otworzysz zawór butli z tlenem, ciśnienie spadnie, a ciecz zamieni się w gaz.

Skroplony propan, metan i butan są szeroko stosowane w energetyce, transporcie, przemyśle i gospodarstwach domowych. Substancje te otrzymywane są z gazu ziemnego lub podczas krakingu (rozszczepiania) surowca naftowego. Mieszanki węgla ciekłego i gazowego odgrywają ważną rolę w gospodarkach wielu krajów. Jednak zasoby ropy i gazu ziemnego są poważnie wyczerpane. Według naukowców surowiec ten wystarczy na 100-120 lat. Alternatywnym źródłem energii jest przepływ powietrza (wiatr). Do zasilania elektrowni wykorzystywane są szybko płynące rzeki i pływy na brzegach mórz i oceanów.

Tlen, podobnie jak inne gazy, może znajdować się w czwartym stanie agregacji, reprezentującym plazmę. Cechą charakterystyczną krystalicznego jodu jest niezwykłe przejście ze stanu stałego w stan gazowy. Ciemnofioletowa substancja ulega sublimacji – zamienia się w gaz, omijając stan ciekły.

W jaki sposób dokonuje się przejście z jednej zbiorczej formy materii do drugiej?

Zmiany stanu skupienia substancji nie są związane z przemianami chemicznymi, są to zjawiska fizyczne. Wraz ze wzrostem temperatury wiele ciał stałych topi się i zamienia w ciecz. Dalszy wzrost temperatury może prowadzić do odparowania, czyli przejścia substancji w stan gazowy. W przyrodzie i gospodarce takie przejścia są charakterystyczne dla jednej z głównych substancji na Ziemi. Lód, ciecz, para to stany wody w różnych warunkach zewnętrznych. Związek jest taki sam, jego wzór to H 2 O. W temperaturze 0 ° C i poniżej tej wartości woda krystalizuje, czyli zamienia się w lód. Wraz ze wzrostem temperatury powstałe kryształy ulegają zniszczeniu - lód topi się i ponownie uzyskuje się ciekłą wodę. Po podgrzaniu następuje parowanie – przemiana wody w gaz – nawet w niskich temperaturach. Na przykład zamarznięte kałuże stopniowo znikają, ponieważ woda wyparowuje. Nawet w mroźną pogodę mokre pranie schnie, jednak proces ten trwa dłużej niż w upalny dzień.

Wszystkie wymienione przejścia wody z jednego stanu w drugi mają ogromne znaczenie dla natury Ziemi. Zjawiska atmosferyczne, klimatyczne i pogodowe związane są z parowaniem wody z powierzchni Oceanu Światowego, przenoszeniem wilgoci w postaci chmur i mgły na ląd oraz opadami atmosferycznymi (deszcz, śnieg, grad). Zjawiska te stanowią podstawę światowego obiegu wody w przyrodzie.

Jak zmieniają się stany skupienia siarki?

W normalnych warunkach siarka ma postać jasnych, błyszczących kryształów lub jasnożółtego proszku, czyli jest substancją stałą. Stan fizyczny siarki zmienia się pod wpływem ogrzewania. Po pierwsze, gdy temperatura wzrośnie do 190°C, żółta substancja topi się, zamieniając się w ruchliwą ciecz.

Jeśli szybko wlejesz płynną siarkę do zimnej wody, otrzymasz brązową bezpostaciową masę. W miarę dalszego ogrzewania stopionej siarki staje się ona coraz bardziej lepka i ciemnieje. W temperaturach powyżej 300°C następuje ponowna zmiana stanu skupienia siarki, substancja nabiera właściwości cieczy i staje się mobilna. Przejścia te wynikają ze zdolności atomów pierwiastka do tworzenia łańcuchów o różnej długości.

Dlaczego substancje mogą znajdować się w różnych stanach skupienia?

Stan skupienia siarki, prostej substancji, w zwykłych warunkach jest stały. Dwutlenek siarki jest gazem, kwas siarkowy jest oleistą cieczą cięższą od wody. W przeciwieństwie do kwasu solnego i azotowego nie jest lotny, cząsteczki nie odparowują z jego powierzchni. Jaki stan skupienia ma siarka plastyczna, którą otrzymuje się przez ogrzewanie kryształów?

W postaci amorficznej substancja ma strukturę cieczy, o niewielkiej płynności. Ale plastikowa siarka jednocześnie zachowuje swój kształt (jako ciało stałe). Istnieją ciekłe kryształy, które mają szereg charakterystycznych właściwości ciał stałych. Zatem stan substancji w różnych warunkach zależy od jej charakteru, temperatury, ciśnienia i innych warunków zewnętrznych.

Jakie cechy występują w strukturze ciał stałych?

Istniejące różnice pomiędzy podstawowymi skupionymi stanami materii wyjaśnia się oddziaływaniem pomiędzy atomami, jonami i cząsteczkami. Na przykład, dlaczego stały stan materii prowadzi do zdolności ciał do utrzymywania objętości i kształtu? W sieci krystalicznej metalu lub soli cząsteczki strukturalne przyciągają się do siebie. W metalach dodatnio naładowane jony oddziałują z tak zwanym „gazem elektronowym” – zbiorem wolnych elektronów w kawałku metalu. Kryształy soli powstają w wyniku przyciągania przeciwnie naładowanych cząstek - jonów. Odległość pomiędzy powyższymi jednostkami strukturalnymi ciał stałych jest znacznie mniejsza niż rozmiary samych cząstek. W tym przypadku działa przyciąganie elektrostatyczne, nadaje siłę, ale odpychanie nie jest wystarczająco silne.

Aby zniszczyć stały stan skupienia substancji, należy podjąć wysiłek. Metale, sole i kryształy atomowe topią się w bardzo wysokich temperaturach. Na przykład żelazo przechodzi w stan ciekły w temperaturach powyżej 1538 °C. Wolfram jest materiałem ogniotrwałym i służy do produkcji żarników do żarówek. Istnieją stopy, które stają się płynne w temperaturach powyżej 3000°C. Wiele z nich na Ziemi jest w stanie stałym. Surowce te wydobywane są przy użyciu technologii w kopalniach i kamieniołomach.

Aby oddzielić choćby jeden jon od kryształu, trzeba wydać dużą ilość energii. Ale wystarczy rozpuścić sól w wodzie, aby sieć krystaliczna uległa rozpadowi! Zjawisko to tłumaczy się niesamowitymi właściwościami wody jako polarnego rozpuszczalnika. Cząsteczki H 2 O oddziałują z jonami soli, niszcząc wiązanie chemiczne między nimi. Zatem rozpuszczanie nie jest prostym mieszaniem różnych substancji, ale interakcją fizykochemiczną między nimi.

Jak cząsteczki cieczy oddziałują na siebie?

Woda może być cieczą, ciałem stałym i gazem (parą). Są to jego podstawowe stany agregacji w normalnych warunkach. Cząsteczki wody składają się z jednego atomu tlenu, z którym związane są dwa atomy wodoru. Następuje polaryzacja wiązania chemicznego w cząsteczce i na atomach tlenu pojawia się częściowy ładunek ujemny. Wodór staje się biegunem dodatnim cząsteczki, przyciągany przez atom tlenu innej cząsteczki. Nazywa się to „wiązaniem wodorowym”.

Ciekły stan skupienia charakteryzuje się odległościami pomiędzy cząstkami strukturalnymi porównywalnymi do ich rozmiarów. Przyciąganie istnieje, ale jest słabe, więc woda nie zachowuje swojego kształtu. Parowanie następuje w wyniku zniszczenia wiązań zachodzących na powierzchni cieczy już w temperaturze pokojowej.

Czy w gazach zachodzą oddziaływania międzycząsteczkowe?

Stan gazowy substancji różni się od cieczy i ciała stałego wieloma parametrami. Pomiędzy cząsteczkami strukturalnymi gazów występują duże szczeliny, znacznie większe niż rozmiary cząsteczek. W tym przypadku siły przyciągania w ogóle nie działają. Gazowy stan skupienia jest charakterystyczny dla substancji obecnych w powietrzu: azotu, tlenu, dwutlenku węgla. Na poniższym obrazku pierwsza kostka jest wypełniona gazem, druga cieczą, a trzecia ciałem stałym.

Wiele cieczy jest lotnych, cząsteczki substancji odrywają się od ich powierzchni i unoszą w powietrze. Na przykład, jeśli przyłożysz wacik zamoczony w amoniaku do otworu otwartej butelki kwasu solnego, pojawi się biały dym. W powietrzu zachodzi reakcja chemiczna pomiędzy kwasem solnym i amoniakiem, w wyniku której powstaje chlorek amonu. W jakim stanie skupienia znajduje się ta substancja? Jego cząstki tworzące biały dym to maleńkie stałe kryształki soli. Eksperyment ten należy przeprowadzić pod maską, substancje są toksyczne.

Wniosek

Stan skupienia gazu badało wielu wybitnych fizyków i chemików: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendelejew, Le Chatelier. Naukowcy sformułowali prawa wyjaśniające zachowanie substancji gazowych w reakcjach chemicznych, gdy zmieniają się warunki zewnętrzne. Otwarte wzory znalazły zastosowanie nie tylko w podręcznikach szkolnych i uniwersyteckich z fizyki i chemii. Wiele gałęzi przemysłu chemicznego opiera się na wiedzy o zachowaniu i właściwościach substancji w różnych stanach skupienia.

Zbiorcze stany skupienia (od łacińskiego aggrego - dołączam, łączę) - są to stany tej samej substancji, pomiędzy którymi przejścia odpowiadają gwałtownym zmianom energii swobodnej, entropii, gęstości i innych parametrów fizycznych substancji.

Gaz (francuski gaz, wywodzący się z greckiego chaosu – chaos) to stan skupienia substancji, w którym siły oddziaływania jej cząstek, wypełniających całą zapewnioną im objętość, są znikome. W gazach odległości międzycząsteczkowe są duże, a cząsteczki poruszają się prawie swobodnie.

• Gazy można uznać za pary znacznie przegrzane lub nienasycone.
• Nad powierzchnią każdej cieczy znajduje się para w wyniku parowania. Kiedy ciśnienie pary wzrasta do pewnego poziomu, zwanego ciśnieniem pary nasyconej, parowanie cieczy zatrzymuje się, ponieważ ciśnienie pary i cieczy staje się takie samo.
• Zmniejszenie objętości pary nasyconej powoduje raczej kondensację części pary niż wzrost ciśnienia. Dlatego prężność pary nie może być wyższa niż prężność pary nasyconej. Stan nasycenia charakteryzuje się masą nasycenia zawartą w 1 m masie pary nasyconej, która zależy od temperatury. Para nasycona może stać się nienasycona, jeśli zwiększy się jej objętość lub wzrośnie jej temperatura. Jeżeli temperatura pary jest znacznie wyższa niż temperatura wrzenia odpowiadająca danemu ciśnieniu, parę nazywamy przegrzaną.

Osocze jest gazem częściowo lub całkowicie zjonizowanym, w którym gęstość ładunków dodatnich i ujemnych jest prawie równa. Słońce, gwiazdy, chmury materii międzygwiazdowej składają się z gazów - obojętnych lub zjonizowanych (plazma). W przeciwieństwie do innych stanów skupienia, plazma jest gazem naładowanych cząstek (jonów, elektronów), które oddziałują ze sobą elektrycznie na duże odległości, ale nie mają uporządkowania ani krótkiego, ani dalekiego zasięgu w ułożeniu cząstek.

Płyn - jest to stan skupienia substancji, pośredni między ciałem stałym a gazem.

1. Ciecze mają pewne cechy ciała stałego (zachowują swoją objętość, tworzą powierzchnię, mają określoną wytrzymałość na rozciąganie) i gazu (przybierają kształt naczynia, w którym się znajdują).
2. Ruch termiczny cząsteczek (atomów) cieczy jest kombinacją małych wibracji wokół położeń równowagi i częstych skoków z jednego położenia równowagi do drugiego.
3. Jednocześnie w małych objętościach zachodzą powolne ruchy cząsteczek i ich drgania, częste skoki cząsteczek zakłócają dalekosiężny porządek w układzie cząstek i determinują płynność cieczy, a małe drgania wokół położeń równowagi determinują istnienie krótkich -porządek zakresu w cieczach.

Ciecze i ciała stałe, w przeciwieństwie do gazów, można uznać za media silnie skondensowane. W nich cząsteczki (atomy) znajdują się znacznie bliżej siebie, a siły oddziaływania są o kilka rzędów wielkości większe niż w gazach. Dlatego ciecze i ciała stałe mają znacznie ograniczone możliwości rozszerzania się, nie mogą oczywiście zajmować dowolnej objętości, a przy stałym ciśnieniu i temperaturze zachowują swoją objętość, niezależnie od tego, w jakiej objętości zostaną umieszczone. Przejścia z bardziej strukturalnie uporządkowanego stanu agregacji do mniej uporządkowanego stanu mogą również zachodzić w sposób ciągły. W związku z tym zamiast pojęcia stanu skupienia wskazane jest użycie szerszego pojęcia - pojęcia fazy.

Faza to zbiór wszystkich części układu, które mają ten sam skład chemiczny i są w tym samym stanie. Jest to uzasadnione jednoczesnym istnieniem termodynamicznie równowagowych faz w układzie wielofazowym: cieczy z jej nasyconą parą; woda i lód w temperaturze topnienia; dwie niemieszające się ciecze (mieszanina wody z trietyloaminą), różniące się stężeniami; istnienie amorficznych ciał stałych, które zachowują strukturę cieczy (stan amorficzny).

Amorficzny stan stały materii jest rodzajem przechłodzonego stanu cieczy i różni się od zwykłych cieczy znacznie wyższą lepkością i liczbowymi wartościami charakterystyk kinetycznych.

Krystaliczny stan stały materii to stan skupienia charakteryzujący się dużymi siłami oddziaływania pomiędzy cząsteczkami materii (atomami, cząsteczkami, jonami). Cząsteczki ciał stałych oscylują wokół średnich położeń równowagi, zwanych węzłami sieci; strukturę tych substancji charakteryzuje wysoki stopień uporządkowania (porządek dalekiego i krótkiego zasięgu) - porządek w ułożeniu (porządek koordynacyjny), w orientacji (porządek orientacyjny) cząstek strukturalnych lub porządek we właściwościach fizycznych (np. na przykład w orientacji momentów magnetycznych lub elektrycznych momentów dipolowych). Obszar istnienia normalnej fazy ciekłej dla czystych cieczy, ciekłych i ciekłych kryształów jest ograniczony od niskich temperatur przez przejścia fazowe odpowiednio do stanu stałego (krystalizacja), stanu nadciekłego i cieczy anizotropowej.

Myślę, że każdy zna 3 główne stany skupienia materii: ciekły, stały i gazowy. Z tymi stanami materii spotykamy się codziennie i wszędzie. Najczęściej rozważa się je na przykładzie wody. Stan ciekły wody jest nam najbardziej znany. Nieustannie pijemy wodę w stanie ciekłym, płynie ona z naszego kranu, a my sami składamy się w 70% z wody w stanie ciekłym. Drugim stanem skupienia wody jest zwykły lód, który zimą widzimy na ulicy. Wodę można również łatwo znaleźć w postaci gazowej w życiu codziennym. W stanie gazowym woda, jak wszyscy wiemy, jest parą. Można to zobaczyć, gdy na przykład zagotujemy czajnik. Tak, woda zmienia się z cieczy w gaz w temperaturze 100 stopni.

Są to trzy znane nam stany materii. Ale czy wiesz, że tak naprawdę jest ich 4? Myślę, że każdy choć raz słyszał słowo „plazma”. A dziś chcę, żebyście dowiedzieli się więcej także o plazmie – czwartym stanie skupienia.

Plazma to częściowo lub całkowicie zjonizowany gaz o jednakowej gęstości ładunków dodatnich i ujemnych. Plazmę można otrzymać z gazu - z III stanu agregacji substancji poprzez silne ogrzewanie. Stan skupienia w rzeczywistości całkowicie zależy od temperatury. Pierwszy stan skupienia to najniższa temperatura, w której ciało pozostaje stałe, drugi stan skupienia to temperatura, w której ciało zaczyna się topić i przechodzić w ciecz, trzeci stan skupienia to najwyższa temperatura, w której substancja staje się gaz. Dla każdego ciała, substancji temperatura przejścia z jednego stanu skupienia do drugiego jest zupełnie inna, dla niektórych jest niższa, dla niektórych wyższa, ale dla wszystkich jest ściśle w tej kolejności. W jakiej temperaturze substancja staje się plazmą? Ponieważ jest to stan czwarty, oznacza to, że temperatura przejścia do niego jest wyższa niż temperatura każdego poprzedniego. I rzeczywiście tak jest. Aby zjonizować gaz, wymagana jest bardzo wysoka temperatura. Najniższa temperatura i nisko zjonizowana (około 1%) plazma charakteryzuje się temperaturą sięgającą 100 tys. stopni. W warunkach naziemnych taką plazmę można zaobserwować w postaci błyskawicy. Temperatura kanału piorunowego może przekroczyć 30 tysięcy stopni, czyli 6 razy więcej niż temperatura powierzchni Słońca. Nawiasem mówiąc, Słońce i wszystkie inne gwiazdy również są plazmą, najczęściej wysokotemperaturową. Nauka dowodzi, że około 99% całej materii we Wszechświecie to plazma.

W przeciwieństwie do plazmy niskotemperaturowej, plazma wysokotemperaturowa charakteryzuje się niemal 100% jonizacją i temperaturą sięgającą 100 milionów stopni. To naprawdę gwiazdorska temperatura. Na Ziemi taką plazmę znaleziono tylko w jednym przypadku - do eksperymentów z syntezą termojądrową. Kontrolowana reakcja jest dość złożona i energochłonna, ale niekontrolowana reakcja okazała się bronią o kolosalnej mocy - bombą termojądrową przetestowaną przez ZSRR 12 sierpnia 1953 r.

Plazmę klasyfikuje się nie tylko według temperatury i stopnia jonizacji, ale także gęstości i quasi-neutralności. Rozmieszczenie gęstość plazmy zwykle oznacza gęstość elektronów, czyli liczba wolnych elektronów na jednostkę objętości. Cóż, myślę, że w tej kwestii wszystko jest jasne. Nie wszyscy jednak wiedzą, czym jest quasi-neutralność. Jedną z jej najważniejszych właściwości jest quasineutralność plazmy, która polega na niemal dokładnej równości gęstości jonów dodatnich i elektronów wchodzących w jej skład. Ze względu na dobrą przewodność elektryczną plazmy rozdzielenie ładunków dodatnich i ujemnych jest niemożliwe w odległościach większych niż długość Debye'a, a czasami większych niż okres oscylacji plazmy. Prawie cała plazma jest quasi-neutralna. Przykładem plazmy niequasi-neutralnej jest wiązka elektronów. Jednakże gęstość plazmy nieneutralnej musi być bardzo mała, w przeciwnym razie szybko ulegnie ona rozpadowi w wyniku odpychania Coulomba.

Przyjrzeliśmy się bardzo nielicznym ziemskim przykładom plazmy. Ale jest ich całkiem sporo. Człowiek nauczył się wykorzystywać plazmę dla własnych korzyści. Dzięki czwartemu stanowi skupienia możemy stosować lampy wyładowcze, telewizory plazmowe, spawanie łukiem elektrycznym i lasery. Konwencjonalne świetlówki wyładowcze również są plazmowe. W naszym świecie jest też lampa plazmowa. Wykorzystuje się go głównie w nauce do badania i, co najważniejsze, obserwowania niektórych z najbardziej złożonych zjawisk plazmowych, w tym włóknienia. Zdjęcie takiej lampy można zobaczyć na zdjęciu poniżej:

Oprócz domowych urządzeń plazmowych, na Ziemi często można spotkać także naturalną plazmę. O jednym z jej przykładów już rozmawialiśmy. To jest błyskawica. Ale oprócz błyskawic zjawiska plazmowe można nazwać zorzą polarną, „ogniem Świętego Elma”, jonosferą Ziemi i, oczywiście, ogniem.

Zauważ, że ogień, błyskawica i inne przejawy plazmy, jak to nazywamy, płoną. Co powoduje tak jasną emisję światła z plazmy? Jarzenie plazmy jest spowodowane przejściem elektronów ze stanu o wysokiej energii do stanu o niskiej energii po rekombinacji z jonami. W wyniku tego procesu powstaje promieniowanie o widmie odpowiadającym wzbudzonemu gazowi. Dlatego plazma świeci.

Chciałbym też porozmawiać trochę o historii plazmy. Przecież kiedyś osoczem nazywano tylko takie substancje, jak płynny składnik mleka i bezbarwny składnik krwi. Wszystko zmieniło się w roku 1879. To właśnie w tym roku słynny angielski naukowiec William Crookes, badając przewodność elektryczną w gazach, odkrył zjawisko plazmy. To prawda, że ​​​​ten stan materii nazwano plazmą dopiero w 1928 r. I zrobił to Irving Langmuir.

Podsumowując, chcę powiedzieć, że tak interesujące i tajemnicze zjawisko, jak piorun kulisty, o którym pisałem nie raz na tej stronie, jest oczywiście także plazmoidem, jak zwykła błyskawica. Jest to prawdopodobnie najbardziej niezwykły plazmoid ze wszystkich zjawisk plazmy ziemskiej. W końcu istnieje około 400 różnych teorii na temat błyskawicy kulistej, ale żadna z nich nie została uznana za prawdziwie poprawną. W warunkach laboratoryjnych podobne, choć krótkotrwałe zjawiska uzyskano na kilka różnych sposobów, zatem pytanie o naturę pioruna kulistego pozostaje otwarte.

Zwykła plazma oczywiście również powstawała w laboratoriach. Kiedyś było to trudne, ale teraz taki eksperyment nie jest szczególnie trudny. Ponieważ plazma mocno weszła do naszego codziennego arsenału, dużo na niej eksperymentują w laboratoriach.

Najciekawszym odkryciem w dziedzinie plazmy były eksperymenty z plazmą w stanie nieważkości. Okazuje się, że plazma krystalizuje w próżni. Dzieje się tak: naładowane cząstki plazmy zaczynają się odpychać, a gdy mają ograniczoną objętość, zajmują przydzieloną im przestrzeń, rozpraszając się w różnych kierunkach. Przypomina to nieco sieć krystaliczną. Czy to nie oznacza, że ​​plazma jest ogniwem zamykającym pierwszy stan materii i trzeci? W końcu staje się plazmą w wyniku jonizacji gazu, a w próżni plazma ponownie staje się stała. Ale to tylko moje przypuszczenia.

Kryształy plazmy w kosmosie również mają dość dziwną strukturę. Strukturę tę można obserwować i badać jedynie w przestrzeni, w rzeczywistej próżni kosmicznej. Nawet jeśli utworzysz próżnię na Ziemi i umieścisz tam plazmę, grawitacja po prostu skompresuje cały „obraz”, który się w niej tworzy. W kosmosie kryształy plazmy po prostu odlatują, tworząc trójwymiarową trójwymiarową strukturę o dziwnym kształcie. Po przesłaniu naukowcom na Ziemi wyników obserwacji plazmy na orbicie okazało się, że wiry w plazmie w dziwny sposób powtarzają strukturę naszej galaktyki. Oznacza to, że w przyszłości będzie można zrozumieć, w jaki sposób narodziła się nasza galaktyka, badając plazmę. Poniższe zdjęcia przedstawiają tę samą skrystalizowaną plazmę.

Stan skupienia- stan materii charakteryzujący się pewnymi właściwościami jakościowymi: zdolnością lub niemożnością utrzymania objętości i kształtu, obecnością lub brakiem porządku dalekiego i krótkiego zasięgu i innymi. Zmianie stanu skupienia może towarzyszyć nagła zmiana energii swobodnej, entropii, gęstości i innych podstawowych właściwości fizycznych.
Istnieją trzy główne stany skupienia: stały, ciekły i gazowy. Czasami nie jest całkowicie poprawne klasyfikowanie plazmy jako stanu agregacji. Istnieją inne stany agregacji, na przykład ciekłe kryształy lub kondensat Bosego-Einsteina. Zmiany stanu skupienia to procesy termodynamiczne zwane przejściami fazowymi. Wyróżnia się następujące odmiany: od stałego do płynnego - topienie; od stanu ciekłego do gazowego - parowanie i wrzenie; ze stanu stałego do gazowego - sublimacja; z gazu do cieczy lub ciała stałego - kondensacja; z cieczy do ciała stałego - krystalizacja. Charakterystyczną cechą jest brak ostrej granicy przejścia do stanu plazmowego.
Definicje stanów skupienia nie zawsze są ścisłe. Zatem istnieją ciała amorficzne, które zachowują strukturę cieczy i mają niską płynność oraz zdolność do zachowywania kształtu; ciekłe kryształy są płynne, ale jednocześnie mają pewne właściwości ciał stałych, w szczególności mogą polaryzować przechodzące przez nie promieniowanie elektromagnetyczne. Do opisu różnych stanów w fizyce używa się szerszego pojęcia fazy termodynamicznej. Zjawiska opisujące przejścia z jednej fazy do drugiej nazywane są zjawiskami krytycznymi.
Stan skupienia substancji zależy od warunków fizycznych, w jakich się ona znajduje, głównie od temperatury i ciśnienia. Wielkość determinująca to stosunek średniej energii potencjalnej oddziaływania cząsteczek do ich średniej energii kinetycznej. Zatem dla ciała stałego stosunek ten jest większy niż 1, dla gazów mniejszy niż 1, a dla cieczy w przybliżeniu równy 1. Przejściu substancji z jednego stanu skupienia do drugiego towarzyszy nagła zmiana wartość tego stosunku, związana z nagłą zmianą odległości międzycząsteczkowych i oddziaływań międzycząsteczkowych. W gazach odległości międzycząsteczkowe są duże, cząsteczki prawie nie oddziałują ze sobą i poruszają się prawie swobodnie, wypełniając całą objętość. W cieczach i ciałach stałych - materii skondensowanej - cząsteczki (atomy) znajdują się znacznie bliżej siebie i oddziałują silniej.
Prowadzi to do tego, że ciecze i ciała stałe zachowują swoją objętość. Jednak charakter ruchu cząsteczek w ciałach stałych i cieczach jest inny, co wyjaśnia różnicę w ich strukturze i właściwościach.
W ciałach stałych w stanie krystalicznym atomy wibrują tylko w pobliżu węzłów sieci krystalicznej; strukturę tych ciał charakteryzuje wysoki stopień uporządkowania – porządek dalekiego i krótkiego zasięgu. Ruch termiczny cząsteczek (atomów) cieczy jest kombinacją małych wibracji wokół położeń równowagi i częstych skoków z jednego położenia równowagi do drugiego. Te ostatnie decydują o istnieniu w cieczach jedynie porządku bliskiego zasięgu w układzie cząstek, a także o ich naturalnej mobilności i płynności.
A. Solidny- stan charakteryzujący się zdolnością do utrzymania objętości i kształtu. Atomy ciała stałego podlegają jedynie niewielkim drganiom wokół stanu równowagi. Istnieje porządek zarówno dalekiego, jak i krótkiego zasięgu.
B. Płyn- stan skupienia, w którym ma niską ściśliwość, to znaczy dobrze zachowuje swoją objętość, ale nie jest w stanie zachować swojego kształtu. Płyn z łatwością przybiera kształt pojemnika, w którym jest umieszczony. Atomy lub cząsteczki cieczy wibrują w pobliżu stanu równowagi, zablokowane przez inne atomy i często przeskakują w inne wolne miejsca. Obecny jest tylko porządek krótkiego zasięgu.
Topienie- jest to przejście substancji ze stałego stanu skupienia (patrz Skupione stany materii) do cieczy. Proces ten zachodzi po podgrzaniu, kiedy ciału przekazywana jest pewna ilość ciepła +Q. Np. ołów z metalu niskotopliwego przechodzi ze stanu stałego w stan ciekły po podgrzaniu do temperatury 327 C. Ołów łatwo topi się na kuchence gazowej, np. w łyżce ze stali nierdzewnej (wiadomo, że płomień temperatura palnika gazowego wynosi 600-850°C, a temperatura topienia stali – 1300-1500°C).
Jeśli podczas topienia ołowiu zmierzysz jego temperaturę, zauważysz, że początkowo rośnie ona płynnie, ale po pewnym czasie pozostaje stała, pomimo dalszego nagrzewania. Ten moment odpowiada topnieniu. Temperatura pozostaje stała aż do stopienia się całego ołowiu i dopiero wtedy zaczyna ponownie rosnąć. Po ochłodzeniu ciekłego ołowiu obserwuje się odwrotny obraz: temperatura spada aż do rozpoczęcia krzepnięcia i pozostaje stała przez cały czas, aż ołów przejdzie w fazę stałą, a następnie ponownie spada.
Wszystkie czyste substancje zachowują się w podobny sposób. Stałość temperatury podczas topienia ma ogromne znaczenie praktyczne, ponieważ umożliwia kalibrację termometrów oraz wykonanie bezpieczników i wskaźników topiących się w ściśle określonej temperaturze.
Atomy w krysztale oscylują wokół swoich położeń równowagi. Wraz ze wzrostem temperatury amplituda drgań wzrasta i osiąga pewną wartość krytyczną, po czym sieć krystaliczna ulega zniszczeniu. Wymaga to dodatkowej energii cieplnej, więc temperatura nie wzrasta podczas procesu topienia, chociaż ciepło nadal przepływa.
Temperatura topnienia substancji zależy od ciśnienia. W przypadku substancji, których objętość wzrasta podczas topienia (a jest ich zdecydowana większość), wzrost ciśnienia zwiększa temperaturę topnienia i odwrotnie. Kiedy woda się topi, jej objętość maleje (dlatego gdy woda zamarza, rozrywa rury), a gdy ciśnienie wzrasta, lód topi się w niższej temperaturze. Bizmut, gal i niektóre marki żeliwa zachowują się w podobny sposób.
V. Gaz- stan charakteryzujący się dobrą ściśliwością, brakiem zdolności do zachowania zarówno objętości, jak i kształtu. Gaz ma tendencję do zajmowania całej dostarczonej mu objętości. Atomy lub cząsteczki gazu zachowują się stosunkowo swobodnie, odległości między nimi są znacznie większe niż ich rozmiary.
Plazma, często klasyfikowana jako skupiony stan materii, różni się od gazu wysokim stopniem jonizacji atomów. Większość materii barionowej (około 99,9% masy) we Wszechświecie znajduje się w stanie plazmy.
miasto C Płyn nadkrytyczny- Zachodzi przy jednoczesnym wzroście temperatury i ciśnienia do punktu krytycznego, w którym gęstość gazu porównuje się z gęstością cieczy; w tym przypadku zanika granica między fazą ciekłą i gazową. Płyn nadkrytyczny ma wyjątkowo dużą siłę rozpuszczania.
D. Kondensat Bosego-Einsteina- otrzymuje się w wyniku ochłodzenia gazu Bosego do temperatur bliskich zera absolutnego. W rezultacie część atomów znajduje się w stanie o ściśle zerowej energii (czyli w najniższym możliwym stanie kwantowym). Kondensat Bosego-Einsteina wykazuje szereg właściwości kwantowych, takich jak nadciekłość i rezonans Fischbacha.
mi. Kondensat fermionu- reprezentuje kondensację Bosego w trybie BCS „atomowych par Coopera” w gazach składających się z atomów fermionu. (W przeciwieństwie do tradycyjnego reżimu kondensacji Bosego-Einsteina bozonów złożonych).
Takie fermionowe kondensaty atomowe są „krewnymi” nadprzewodników, ale mają temperaturę krytyczną rzędu temperatury pokojowej i wyższą.
Materia zdegenerowana – gaz Fermiego Etap 1 Gaz zdegenerowany elektronowo, obserwowany u białych karłów, odgrywa ważną rolę w ewolucji gwiazd. W drugim etapie, w stanie neutronowym, materia przechodzi do niego pod ultrawysokim ciśnieniem, które nie jest jeszcze osiągalne w laboratorium, ale istnieje wewnątrz gwiazd neutronowych. Podczas przejścia do stanu neutronowego elektrony substancji oddziałują z protonami i zamieniają się w neutrony. W rezultacie materia w stanie neutronowym składa się wyłącznie z neutronów i ma gęstość rzędu jądra. Temperatura substancji nie powinna być zbyt wysoka (w ekwiwalencie energii nie więcej niż sto MeV).
Wraz z silnym wzrostem temperatury (setki MeV i więcej) zaczynają rodzić się różne mezony i anihilować w stanie neutronowym. Wraz z dalszym wzrostem temperatury następuje rozwarstwienie i substancja przechodzi w stan plazmy kwarkowo-gluonowej. Nie składa się już z hadronów, ale z nieustannie powstających i znikających kwarków i gluonów. Być może zniesienie izolacji przebiega w dwóch etapach.
Przy dalszym nieograniczonym wzroście ciśnienia bez zwiększania temperatury substancja zapada się w czarną dziurę.
Przy jednoczesnym wzroście zarówno ciśnienia, jak i temperatury, do kwarków i gluonów dodawane są inne cząstki. Wciąż nie wiadomo, co dzieje się z materią, przestrzenią i czasem w temperaturach bliskich Plancka.
Inne stany
Podczas głębokiego chłodzenia niektóre (nie wszystkie) substancje przekształcają się w stan nadprzewodzący lub nadciekły. Stany te są oczywiście odrębnymi fazami termodynamicznymi, jednak trudno nazwać je nowymi skupionymi stanami materii ze względu na ich nieuniwersalność.
Substancje heterogeniczne, takie jak pasty, żele, zawiesiny, aerozole itp., które w określonych warunkach wykazują właściwości zarówno ciał stałych, jak i cieczy, a nawet gazów, klasyfikuje się zwykle jako materiały rozproszone, a nie do określonych skupionych stanów skupienia.

W zależności od temperatury i ciśnienia każda substancja może przyjmować różne stany skupienia. Każdy taki stan charakteryzuje się pewnymi właściwościami jakościowymi, które pozostają niezmienione w zakresie temperatur i ciśnień wymaganych dla danego stanu skupienia.

Do charakterystycznych właściwości stanów skupienia zalicza się np. zdolność ciała w stanie stałym do zachowania swojego kształtu i odwrotnie, zdolność ciała płynnego do zmiany kształtu. Czasami jednak granice pomiędzy różnymi stanami materii są dość rozmyte, jak w przypadku ciekłych kryształów, czyli tzw. „ciał amorficznych”, które mogą być elastyczne jak ciała stałe i płynne jak ciecze.

Przejście między stanami agregacji może nastąpić wraz z uwolnieniem darmowej energii, zmianą gęstości, entropii lub innych wielkości fizycznych. Przejście z jednego stanu skupienia do drugiego nazywa się przejściem fazowym, a zjawiska towarzyszące takim przejściom nazywane są zjawiskami krytycznymi.

Lista znanych stanów agregacji