Küsimusi selle kohta, mis on agregatsiooni olek, millistel omadustel ja omadustel on tahked ained, vedelikud ja gaasid, käsitletakse mitmel koolitusel. Aineel on kolm klassikalist olekut, millel on oma struktuurile iseloomulikud tunnused. Nende mõistmine on oluline punkt Maa, elusorganismide ja tootmistegevuse mõistmisel. Neid küsimusi uurivad füüsika, keemia, geograafia, geoloogia, füüsikaline keemia ja teised teadusharud. Ained, mis on teatud tingimustel ühes kolmest põhitüübist, võivad muutuda temperatuuri või rõhu tõustes või langustes. Kaaluge võimalikke üleminekuid ühest koondolekust teise, kuna need toimuvad looduses, tehnoloogias ja igapäevaelus.
Mis on koondamise olek?
Ladina päritolu sõna "aggrego" tähendab vene keelde tõlgituna "kinnitama". Teaduslik termin viitab sama keha, aine seisundile. Tahkete ainete teatud temperatuuriväärtuste ja erinevate rõhkude olemasolu,gaasid ja vedelikud on iseloomulikud kõigile Maa kestadele. Lisaks kolmele põhilisele koondolekule on olemas ka neljas. Kõrgendatud temperatuuril ja konstantsel rõhul muutub gaas plasmaks. Et paremini mõista, mis on agregatsiooni olek, on vaja meeles pidada väikseimaid osakesi, millest aineid ja kehasid koosneb.
Ül altoodud diagramm näitab: a - gaas; b - vedelik; c on tahke keha. Sellistel joonistel tähistavad ringid ainete struktuurielemente. See on sümbol, tegelikult pole aatomid, molekulid, ioonid tahked pallid. Aatomid koosnevad positiivselt laetud tuumast, mille ümber liiguvad suure kiirusega negatiivselt laetud elektronid. Aine mikroskoopilise struktuuri tundmine aitab paremini mõista erinevate agregaatvormide erinevusi.
Mikrokosmose kujutised: Vana-Kreekast 17. sajandini
Esimene teave füüsilise keha moodustavate osakeste kohta ilmus Vana-Kreekas. Mõtlejad Demokritos ja Epikuros võtsid kasutusele sellise mõiste nagu aatom. Nad uskusid, et erinevate ainete väikseimad jagamatud osakesed on kuju, teatud suurusega, võimelised liikuma ja üksteisega suhtlema. Atomistikast sai oma aja kõige arenenum õpetus Vana-Kreekas. Kuid selle areng aeglustus keskajal. Sellest ajast alates on roomakatoliku kiriku inkvisitsioon teadlasi taga kiusanud. Seetõttu polnud kuni tänapäevani selget arusaama sellest, mis on aine agregatsiooni olek. Alles pärast 17. sajanditteadlased R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier sõnastasid aatomi-molekulaarteooria sätted, mis ei ole kaotanud oma tähtsust tänapäevalgi.
Aatomid, molekulid, ioonid on aine struktuuri mikroskoopilised osakesed
Märkimisväärne läbimurre mikrokosmose mõistmisel toimus 20. sajandil, mil leiutati elektronmikroskoop. Võttes arvesse teadlaste varem tehtud avastusi, õnnestus mikromaailmast kokku panna harmooniline pilt. Aine väikseimate osakeste olekut ja käitumist kirjeldavad teooriad on üsna keerulised, need kuuluvad kvantfüüsika valdkonda. Aine erinevate agregeeritud olekute omaduste mõistmiseks piisab, kui on teada peamiste erinevaid aineid moodustavate struktuuriosakeste nimed ja tunnused.
- Aatomid on keemiliselt jagamatud osakesed. Säilis keemilistes reaktsioonides, kuid hävis tuumas. Metallidel ja paljudel teistel aatomistruktuuriga ainetel on tavatingimustes tahke agregatsiooni olek.
- Molekulid on osakesed, mis lagunevad ja tekivad keemilistes reaktsioonides. Molekulide struktuuris on hapnik, vesi, süsinikdioksiid, väävel. Hapniku, lämmastiku, vääveldioksiidi, süsiniku ja hapniku agregaatolek on tavatingimustes gaasiline.
- Ioonid on laetud osakesed, milleks aatomid ja molekulid muutuvad, kui nad omandavad või kaotavad elektrone – mikroskoopilised negatiivselt laetud osakesed. Paljudel sooladel on ioonne struktuur, näiteks lauasool, raud ja vasksulfaat.
On aineid, mille osakesed paiknevad ruumis teatud viisil. Tellitud suhteline asendaatomeid, ioone, molekule nimetatakse kristallvõreks. Tavaliselt on ioon- ja aatomkristallvõred tüüpilised tahketele ainetele, molekulaarsed - vedelikele ja gaasidele. Teemant on kõrge kõvadusega. Selle aatomkristallvõre moodustavad süsinikuaatomid. Kuid pehme grafiit koosneb ka selle keemilise elemendi aatomitest. Ainult nad paiknevad ruumis erinev alt. Tavaline väävli agregatsiooni olek on tahke, kuid kõrgel temperatuuril muutub aine vedelaks ja amorfseks massiks.
Ained, mis on agregeerunud tahkes olekus
Tahkekehad säilitavad tavatingimustes oma mahu ja kuju. Näiteks liivatera, suhkrutera, sool, kivi- või metallitükk. Kui suhkrut kuumutada, hakkab aine sulama, muutudes viskoosseks pruuniks vedelikuks. Lõpetage kuumutamine - jälle saame tahke aine. See tähendab, et tahke aine vedelikuks ülemineku üheks peamiseks tingimuseks on selle kuumutamine või aineosakeste siseenergia suurenemine. Samuti saab muuta toidus kasutatava soola tahket agregatsiooni olekut. Lauasoola sulatamiseks on aga vaja kõrgemat temperatuuri kui suhkru kuumutamisel. Fakt on see, et suhkur koosneb molekulidest ja lauasool koosneb laetud ioonidest, mis on üksteisega tugevamini tõmbunud. Vedelal kujul tahked ained ei säilita oma kuju, kuna kristallvõre laguneb.
Soola sulamise ajal agregatsiooni vedelat olekut seletatakse kristallides ioonide vahelise sideme katkemisega. vabastatakselaetud osakesed, mis võivad kanda elektrilaenguid. Sulasoolad juhivad elektrit ja on juhid. Keemia-, metallurgia- ja masinatööstuses muudetakse tahked ained vedelikeks, et saada neist uusi ühendeid või anda neile erinev kuju. Metallisulameid kasutatakse laialdaselt. Nende saamiseks on mitu võimalust, mis on seotud tahkete toorainete agregatsiooni oleku muutustega.
Vedelik on agregatsiooni üks põhiolekuid
Kui valate ümarapõhjalisse kolbi 50 ml vett, näete, et aine omandab kohe keemilise anuma kuju. Kuid niipea, kui valame kolvist vee välja, levib vedelik kohe laua pinnale. Vee maht jääb samaks - 50 ml ja selle kuju muutub. Need tunnused on iseloomulikud aine olemasolu vedelale kujule. Vedelikud on paljud orgaanilised ained: alkoholid, taimeõlid, happed.
Piim on emulsioon, st vedelik, milles on rasvapiiskad. Kasulik vedel mineraal on õli. Seda kaevandatakse puuraukudest maal ja ookeanis asuvate puurplatvormide abil. Merevesi on ka tööstuse tooraine. Selle erinevus jõgede ja järvede mageveest seisneb lahustunud ainete, peamiselt soolade sisalduses. Veekogude pinn alt aurustumisel lähevad auruolekusse ainult H2O molekulid, lahustunud ained jäävad alles. Sellel omadusel põhinevad meetodid kasulike ainete saamiseks mereveest ja meetodid selle puhastamiseks.
Millalsoolade täielik eemaldamine, saadakse destilleeritud vesi. See keeb 100°C juures ja külmub 0°C juures. Soolveed keevad ja muutuvad erinevatel temperatuuridel jääks. Näiteks külmub Põhja-Jäämere vesi pinnatemperatuuril 2°C.
Elavhõbeda agregaatolek on tavatingimustes vedelik. See hõbehall metall on tavaliselt täidetud meditsiiniliste termomeetritega. Kuumutamisel tõuseb elavhõbedasammas skaalal üles, aine paisub. Miks tänavatermomeetrites kasutatakse punast tooni alkoholi, mitte elavhõbedat? Seda seletatakse vedela metalli omadustega. 30-kraadise külmaga muutub elavhõbeda agregaatolek, aine muutub tahkeks.
Kui meditsiiniline termomeeter läheb katki ja elavhõbedat valgub välja, on hõbepalle kätega ohtlik korjata. Elavhõbedaaurude sissehingamine on kahjulik, see aine on väga mürgine. Lapsed peaksid sellistel juhtudel abi otsima oma vanematelt, täiskasvanutelt.
Gaasi olek
Gaasid ei suuda säilitada oma mahtu ega kuju. Täitke kolb lõpuni hapnikuga (selle keemiline valem on O2). Niipea, kui me kolvi avame, hakkavad aine molekulid segunema ruumis oleva õhuga. See on tingitud Browni liikumisest. Isegi Vana-Kreeka teadlane Demokritos uskus, et aineosakesed on pidevas liikumises. Tahketes ainetes ei ole aatomitel, molekulidel, ioonidel tavatingimustes võimalust kristallvõrest lahkuda, vabaneda sidemetest teiste osakestega. See on võimalik ainult siis, kuisuures koguses energiat väljast.
Vedelikes on osakeste vaheline kaugus veidi suurem kui tahketes ainetes, nad vajavad molekulidevaheliste sidemete katkestamiseks vähem energiat. Näiteks hapniku vedelat agregaati vaadeldakse ainult siis, kui gaasi temperatuur langeb -183 °C-ni. Temperatuuril –223 °C moodustavad O2 molekulid tahke aine. Kui temperatuur tõuseb üle etteantud väärtuste, muutub hapnik gaasiks. Just sellisel kujul on see tavatingimustes. Tööstusettevõtetes on spetsiaalsed seadmed atmosfääriõhu eraldamiseks ning sellest lämmastiku ja hapniku saamiseks. Esiteks jahutatakse ja vedeldatakse õhk ning seejärel tõstetakse järk-järgult temperatuuri. Lämmastik ja hapnik muutuvad erinevates tingimustes gaasideks.
Maa atmosfäär sisaldab mahu järgi 21% hapnikku ja 78% lämmastikku. Vedelal kujul neid aineid planeedi gaasilises ümbrises ei leidu. Vedel hapnik on helesinist värvi ja see täidetakse kõrgel rõhul meditsiiniasutustes kasutamiseks mõeldud balloonidesse. Tööstuses ja ehituses on vedelgaasid vajalikud paljude protsesside jaoks. Hapnikku on vaja gaaskeevitamiseks ja metallide lõikamiseks, keemias - anorgaaniliste ja orgaaniliste ainete oksüdatsioonireaktsioonideks. Kui avate hapnikuballooni klapi, siis rõhk langeb, vedelik muutub gaasiks.
Veldatud propaani, metaani ja butaani kasutatakse laialdaselt energeetikas, transpordis, tööstuses ja majapidamistegevuses. Neid aineid saadakse maagaasist või krakkimise teel(jagamine) toornafta. Vedelad ja gaasilised süsiniku segud mängivad paljude riikide majanduses olulist rolli. Kuid nafta- ja maagaasivarud on tõsiselt ammendatud. Teadlaste hinnangul jätkub sellest toorainest 100-120 aastaks. Alternatiivne energiaallikas on õhuvool (tuul). Elektrijaamade käitamiseks kasutatakse kiirevoolulisi jõgesid, loodeid merede ja ookeanide kallastel.
Hapnik, nagu ka teised gaasid, võib olla neljandas agregatsiooni olekus, mis kujutab endast plasmat. Ebatavaline üleminek tahkest olekust gaasilisse olekusse on kristallilise joodi iseloomulik tunnus. Tumelilla aine sublimeerub – muutub vedelast olekust mööda minnes gaasiks.
Kuidas toimub üleminekud ühelt aine agregeeritud vormilt teisele?
Ainete koondoleku muutusi ei seostata keemiliste muundumistega, need on füüsikalised nähtused. Kui temperatuur tõuseb, paljud tahked ained sulavad ja muutuvad vedelikeks. Temperatuuri edasine tõus võib viia aurustumiseni, st aine gaasilise olekuni. Looduses ja majanduses on sellised üleminekud iseloomulikud ühele põhiainele Maal. Jää, vedelik, aur on vee olekud erinevates välistingimustes. Ühend on sama, selle valem on H2O. Temperatuuril 0 ° C ja alla selle väärtuse vesi kristalliseerub, see tähendab, et see muutub jääks. Temperatuuri tõustes tekkinud kristallid hävivad – jää sulab, saadakse jälle vedel vesi. Kuumutamisel tekib veeaur. Aurustumine -vee muundumine gaasiks - läheb isegi madalatel temperatuuridel. Näiteks külmunud lombid kaovad järk-järgult, sest vesi aurustub. Isegi pakase ilmaga kuivavad märjad riided ära, kuid see protsess võtab kauem aega kui palaval päeval.
Kõik loetletud vee üleminekud ühest olekust teise omavad Maa olemuse jaoks suurt tähtsust. Atmosfäärinähtused, kliima ja ilm on seotud vee aurustumisega ookeanide pinn alt, niiskuse kandumisega pilvede ja udu kujul maale, sademetega (vihm, lumi, rahe). Need nähtused on maailma veeringluse aluseks looduses.
Kuidas muutuvad väävli agregeeritud olekud?
Tavalistes tingimustes on väävel eredad läikivad kristallid või helekollane pulber, st see on tahke aine. Väävli agregaatolek muutub kuumutamisel. Esiteks, kui temperatuur tõuseb 190 ° C-ni, sulab kollane aine, muutudes liikuvaks vedelikuks.
Kui valate vedela väävli kiiresti külma vette, saate pruuni amorfse massi. Väävlisulatise edasisel kuumutamisel muutub see üha viskoossemaks ja tumeneb. Temperatuuril üle 300 ° C muutub väävli agregatsiooni olek uuesti, aine omandab vedeliku omadused, muutub liikuvaks. Need üleminekud toimuvad tänu elemendi aatomite võimele moodustada erineva pikkusega ahelaid.
Miks võivad ained olla erinevates füüsikalistes olekutes?
Väävli – lihtsa aine – agregatsiooni olek on tavatingimustes tahke. Vääveldioksiid - gaas, väävelhape -õline vedelik, mis on raskem kui vesi. Erinev alt vesinikkloriid- ja lämmastikhappest ei ole see lenduv, molekulid ei aurustu selle pinn alt. Mis on kristallide kuumutamisel saadava plastilise väävli agregatsiooni olek?
Amorfsel kujul on aine vedela struktuuriga, kergelt voolav. Kuid plastiline väävel säilitab samal ajal oma kuju (tahke ainena). On vedelkristalle, millel on hulk tahketele ainetele iseloomulikke omadusi. Seega sõltub aine olek erinevates tingimustes selle olemusest, temperatuurist, rõhust ja muudest välistingimustest.
Millised on tahkete ainete struktuuri tunnused?
Olemasolevaid erinevusi aine põhiliste agregeeritud olekute vahel seletatakse aatomite, ioonide ja molekulide vastasmõjuga. Näiteks miks põhjustab aine tahke agregaatolek kehade võimet säilitada mahtu ja kuju? Metalli või soola kristallvõres tõmbuvad struktuursed osakesed üksteise poole. Metallides interakteeruvad positiivselt laetud ioonid nn "elektrongaasiga" - vabade elektronide kogunemisega metallitükis. Soolakristallid tekivad vastupidiselt laetud osakeste - ioonide - külgetõmbe tõttu. Ül altoodud tahkete ainete struktuuriüksuste vaheline kaugus on palju väiksem kui osakeste endi suurus. Sel juhul toimib elektrostaatiline külgetõmme, see annab jõudu ja tõrjumine ei ole piisav alt tugev.
Aine agregatsiooni tahke oleku hävitamiseks on see vajalikpinguta. Metallid, soolad, aatomikristallid sulavad väga kõrgel temperatuuril. Näiteks muutub raud vedelaks temperatuuril üle 1538 °C. Volfram on tulekindel ja seda kasutatakse hõõglampide hõõgniitide valmistamiseks. On sulameid, mis muutuvad vedelaks temperatuuril üle 3000 °C. Paljud kivimid ja mineraalid Maal on tahkes olekus. Seda toorainet kaevandatakse kaevandustes ja karjäärides olevate seadmete abil.
Kasvõi ühe iooni eraldamiseks kristallist on vaja kulutada suur hulk energiat. Kuid lõppude lõpuks piisab soola lahustamisest vees, et kristallvõre laguneks! Seda nähtust seletatakse vee kui polaarse lahusti hämmastavate omadustega. H2O molekulid interakteeruvad soolaioonidega, hävitades nendevahelise keemilise sideme. Seega ei ole lahustumine lihtne erinevate ainete segunemine, vaid nendevaheline füüsikaline ja keemiline koostoime.
Kuidas vedelike molekulid interakteeruvad?
Vesi võib olla vedel, tahke ja gaasiline (aur). Need on selle peamised agregatsiooni seisundid tavatingimustes. Veemolekulid koosnevad ühest hapnikuaatomist, millega on seotud kaks vesinikuaatomit. Molekulis toimub keemilise sideme polarisatsioon, hapnikuaatomitele tekib osaline negatiivne laeng. Vesinik muutub molekulis positiivseks pooluseks ja seda tõmbab teise molekuli hapnikuaatom. Seda nõrka jõudu nimetatakse "vesiniksidemeks".
Iseloomustab agregatsiooni vedelat olekutstruktuursete osakeste vahelised kaugused on võrreldavad nende suurusega. Atraktsioon on olemas, kuid see on nõrk, mistõttu vesi ei säilita oma kuju. Aurustumine toimub sidemete hävimise tõttu, mis toimub vedeliku pinnal isegi toatemperatuuril.
Kas gaasides esinevad molekulidevahelised vastasmõjud?
Aine gaasiline olek erineb vedelast ja tahkest olekust mitme parameetri poolest. Gaaside struktuursete osakeste vahel on suured lüngad, mis on palju suuremad kui molekulide suurus. Sellisel juhul ei tööta tõmbejõud üldse. Gaasiline agregatsiooni olek on iseloomulik õhus leiduvatele ainetele: lämmastik, hapnik, süsinikdioksiid. Alloleval pildil on esimene kuubik täidetud gaasiga, teine vedelikuga ja kolmas tahke ainega.
Paljud vedelikud on lenduvad, aine molekulid purunevad nende pinn alt ja lähevad õhku. Näiteks kui tuua avatud soolhappepudeli avause juurde ammoniaaki kastetud vatitups, tekib valge suits. Otse õhus toimub vesinikkloriidhappe ja ammoniaagi vahel keemiline reaktsioon, saadakse ammooniumkloriid. Millises olekus see aine on? Selle osakesed, mis moodustavad valget suitsu, on väikseimad tahked soolakristallid. See katse tuleb läbi viia tõmbekapi all, ained on mürgised.
Järeldus
Gaasi agregatsiooni olekut uurisid paljud silmapaistvad füüsikud ja keemikud: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendelejev, Le Chatelier. Teadlased on sõnastanud seadused, mis selgitavad gaasiliste ainete käitumist keemilistes reaktsioonides välistingimuste muutumisel. Avatud seaduspärasused ei jõudnud ainult kooli- ja ülikooli füüsika- ja keemiaõpikutesse. Paljud keemiatööstused põhinevad teadmistel ainete käitumise ja omaduste kohta erinevates agregaatides.
