Le domande su cos'è uno stato di aggregazione, quali caratteristiche e proprietà hanno i solidi, i liquidi e i 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. Considera le possibili transizioni da uno stato di aggregazione all' altro, poiché avvengono nella natura, nella tecnologia e nella vita di tutti i giorni.
Qual è lo stato di aggregazione?
La parola di origine latina "aggrego" tradotta in russo significa "attaccare". Il termine scientifico si riferisce allo stato dello stesso corpo, sostanza. Esistenza a determinati valori di temperatura e diverse pressioni di solidi,gas e liquidi è caratteristico 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 solido. 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 caricati 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.
Rappresentazioni del microcosmo: 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 17° secologli scienziati R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier hanno formulato le disposizioni della teoria atomico-molecolare, che non hanno perso il loro significato anche oggi.
Gli atomi, le molecole, gli ioni sono 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 più piccole particelle di materia sono piuttosto complesse e appartengono al campo della fisica quantistica. 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.
- 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.
- Le molecole sono particelle che vengono scomposte e formate in reazioni chimiche. La struttura molecolare ha ossigeno, acqua, anidride carbonica, zolfo. Lo stato aggregato di ossigeno, azoto, anidride solforosa, carbonio, ossigeno in condizioni normali è gassoso.
- 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 sono disposte in un certo modo nello spazio. Posizione relativa ordinataatomi, ioni, molecole è chiamato 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 solido, ma ad alte temperature la sostanza si trasforma in un liquido e in una massa amorfa.
Sostanze allo stato solido di aggregazione
I corpi 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 di una 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. sono rilasciatiparticelle 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 ai cambiamenti nello stato di aggregazione delle materie prime solide.
Il liquido è uno degli stati di aggregazione di base
Se versi 50 ml di acqua in un pallone a fondo tondo, puoi vedere 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 H2O 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.
Quandorimozione completa 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 gela 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 i termometri stradali usano alcol di colore rosso e non mercurio? Ciò è spiegato dalle proprietà del metallo liquido. A gelate di 30 gradi, lo stato aggregato del mercurio cambia, la sostanza diventa solida.
Se un termometro medico si rompe e fuoriesce mercurio, 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 dovrebbero chiedere aiuto ai loro genitori, adulti.
Stato del gas
I gas non sono in grado di mantenere il loro volume o la loro forma. Riempi la fiaschetta fino in cima con ossigeno (la sua formula chimica è O2). 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 quandograndi quantità di energia 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 O2 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 della 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 dal cracking(scissione) del greggio. 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). I fiumi che scorrono veloci, le maree sulle rive dei mari e degli oceani sono usati 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, sono 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 H2O. 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 vapore acqueo. evaporazione -la trasformazione dell'acqua in gas - avviene anche a basse temperature. Ad esempio, le pozzanghere ghiacciate scompaiono gradualmente perché l'acqua evapora. Anche con tempo gelido, i vestiti bagnati si asciugano, ma questo processo richiede più tempo 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 costituito da cristalli brillanti e lucenti o da 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 velocemente zolfo liquido in acqua fredda, ottieni 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 si verificano 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 - una sostanza semplice - è solido in condizioni normali. Anidride solforosa - gas, acido solforico -liquido oleoso più pesante dell'acqua. A differenza degli acidi cloridrico e nitrico, non è volatile, le molecole non evaporano dalla sua superficie. Qual è lo stato di aggregazione dello zolfo plastico, che si ottiene riscaldando i cristalli?
In forma amorfa, la sostanza ha la struttura di un liquido, con 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 gli stati aggregati di base 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 della materia, è necessariofare uno sforzo. 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. Molte rocce e minerali sulla Terra sono allo stato solido. Questa materia prima viene estratta con l'ausilio di attrezzature nelle miniere e nelle cave.
Per staccare anche uno ione da un cristallo, è necessario spendere una grande quantità di energia. Ma dopotutto, basta sciogliere il sale nell'acqua perché il reticolo cristallino si disintegri! Questo fenomeno è spiegato dalle straordinarie proprietà dell'acqua come solvente polare. Le molecole H2O 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 parziale carica negativa appare sugli atomi di ossigeno. L'idrogeno diventa il polo positivo della molecola ed è attratto dall'atomo di ossigeno di un' altra molecola. Questa forza debole è chiamata "legame idrogeno".
Lo stato liquido di aggregazione si caratterizzadistanze tra particelle strutturali comparabili con le 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.
Esistono interazioni intermolecolari nei gas?
Lo stato gassoso della materia differisce da liquido e solido per 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 nell'aria: azoto, ossigeno, anidride carbonica. Nella figura sotto, 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 quale 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 condotto sotto una cappa aspirante, le sostanze sono tossiche.
Conclusione
Lo stato di aggregazione del gas è stato studiato da molti fisici e chimici di spicco: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, 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 aggregati.
