Fragen, was ein Aggregatzustand ist, welche Eigenschaften und Eigenschaften Festkörper, Flüssigkeiten und Gase haben, werden in mehreren Schulungen behandelt. Es gibt drei klassische Aggregatzustände mit jeweils eigenen charakteristischen Strukturmerkmalen. Ihr Verständnis ist ein wichtiger Punkt, um die Wissenschaften der Erde, lebender Organismen und Produktionsaktivitäten zu verstehen. Diese Fragen werden von Physik, Chemie, Geographie, Geologie, physikalischer Chemie und anderen wissenschaftlichen Disziplinen untersucht. Stoffe, die sich unter bestimmten Bedingungen in einem der drei Grundzustandstypen befinden, können sich bei Temperatur- oder Druckerhöhung oder -senkung ändern. Bedenken Sie mögliche Übergänge von einem Aggregatzustand in einen anderen, wie sie in Natur, Technik und Alltag vollzogen werden.
Was ist der Aggregatzustand?
Das lateinische Wort "aggrego" bedeutet ins Russische übersetzt "anhängen". Der wissenschaftliche Begriff bezieht sich auf den Zustand desselben Körpers, Substanz. Vorhandensein bei bestimmten Temperaturwerten und unterschiedlichen Drücken von Feststoffen,Gase und Flüssigkeiten ist charakteristisch für alle Schalen der Erde. Neben den drei grundlegenden Aggregatzuständen gibt es noch einen vierten. Bei erhöhter Temperatur und konstantem Druck verwandelt sich das Gas in ein Plasma. Um besser zu verstehen, was ein Aggregatzustand ist, muss man sich die kleinsten Teilchen merken, aus denen Stoffe und Körper bestehen.
Das obige Diagramm zeigt: a - Gas; b - Flüssigkeit; c ist ein Festkörper. In solchen Figuren zeigen Kreise die Strukturelemente von Substanzen an. Dies ist ein Symbol, tatsächlich sind Atome, Moleküle und Ionen keine festen Kugeln. Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern, um den herum sich negativ geladene Elektronen mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Die Kenntnis der mikroskopischen Struktur der Materie hilft, die Unterschiede zwischen verschiedenen Aggregatformen besser zu verstehen.
Darstellungen des Mikrokosmos: vom antiken Griechenland bis zum 17. Jahrhundert
Die ersten Informationen über die Teilchen, aus denen physische Körper bestehen, erschienen im antiken Griechenland. Die Denker Demokrit und Epikur führten ein solches Konzept als Atom ein. Sie glaubten, dass diese kleinsten unteilbaren Teilchen verschiedener Substanzen eine Form, bestimmte Größen haben, sich bewegen und miteinander interagieren können. Die Atomistik wurde für ihre Zeit zur fortschrittlichsten Lehre des antiken Griechenlands. Aber seine Entwicklung verlangsamte sich im Mittel alter. Seitdem wurden Wissenschaftler von der Inquisition der römisch-katholischen Kirche verfolgt. Daher gab es bis in die Neuzeit keine klare Vorstellung davon, was der Aggregatzustand der Materie ist. Erst nach dem 17. JahrhundertWissenschaftler R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier formulierten die Bestimmungen der atommolekularen Theorie, die bis heute ihre Bedeutung nicht verloren haben.
Atome, Moleküle, Ionen sind mikroskopisch kleine Teilchen der Struktur der Materie
Ein bedeutender Durchbruch im Verständnis des Mikrokosmos gelang im 20. Jahrhundert, als das Elektronenmikroskop erfunden wurde. Unter Berücksichtigung der Entdeckungen früherer Wissenschaftler war es möglich, ein harmonisches Bild der Mikrowelt zu erstellen. Theorien, die den Zustand und das Verh alten kleinster Materieteilchen beschreiben, sind recht komplex und gehören zum Gebiet der Quantenphysik. Um die Merkmale verschiedener Aggregatzustände der Materie zu verstehen, reicht es aus, die Namen und Merkmale der wichtigsten Strukturpartikel zu kennen, die verschiedene Substanzen bilden.
- Atome sind chemisch unteilbare Teilchen. In chemischen Reaktionen erh alten, aber in nuklearen zerstört. Metalle und viele andere Stoffe mit atomarer Struktur haben unter normalen Bedingungen einen festen Aggregatzustand.
- Moleküle sind Teilchen, die in chemischen Reaktionen zerlegt und gebildet werden. Molekülstruktur haben Sauerstoff, Wasser, Kohlendioxid, Schwefel. Der Aggregatzustand von Sauerstoff, Stickstoff, Schwefeldioxid, Kohlenstoff, Sauerstoff ist unter Normalbedingungen gasförmig.
- Ionen sind geladene Teilchen, in die sich Atome und Moleküle verwandeln, wenn sie Elektronen aufnehmen oder abgeben - mikroskopisch kleine, negativ geladene Teilchen. Viele Salze haben eine ionische Struktur, zum Beispiel Kochsalz, Eisen- und Kupfersulfat.
Es gibt Stoffe, deren Teilchen auf eine bestimmte Weise im Raum angeordnet sind. Geordnete relative PositionAtome, Ionen, Moleküle nennt man Kristallgitter. Normalerweise sind ionische und atomare Kristallgitter typisch für Festkörper, molekular - für Flüssigkeiten und Gase. Diamant hat eine hohe Härte. Sein atomares Kristallgitter wird von Kohlenstoffatomen gebildet. Aber auch weicher Graphit besteht aus Atomen dieses chemischen Elements. Nur befinden sie sich anders im Raum. Der übliche Aggregatzustand von Schwefel ist fest, aber bei hohen Temperaturen verwandelt sich die Substanz in eine Flüssigkeit und eine amorphe Masse.
Stoffe in festem Aggregatzustand
Feste Körper beh alten unter normalen Bedingungen ihr Volumen und ihre Form. Zum Beispiel ein Sandkorn, ein Zuckerkorn, Salz, ein Stück Stein oder Metall. Wenn Zucker erhitzt wird, beginnt die Substanz zu schmelzen und verwandelt sich in eine zähe braune Flüssigkeit. Hör auf zu heizen - wieder bekommen wir einen Feststoff. Dies bedeutet, dass eine der Hauptbedingungen für den Übergang eines Feststoffs in eine Flüssigkeit seine Erwärmung oder eine Erhöhung der inneren Energie der Teilchen eines Stoffes ist. Auch der feste Aggregatzustand von Salz, das in Lebensmitteln verwendet wird, kann verändert werden. Aber um Kochsalz zu schmelzen, braucht man eine höhere Temperatur als beim Erhitzen von Zucker. Tatsache ist, dass Zucker aus Molekülen besteht und Speisesalz aus geladenen Ionen, die sich stärker anziehen. Festkörper in flüssiger Form beh alten ihre Form nicht, weil die Kristallgitter aufbrechen.
Der flüssige Aggregatzustand von Salz beim Schmelzen erklärt sich durch das Aufbrechen der Bindung zwischen Ionen in Kristallen. sind veröffentlichtgeladene Teilchen, die elektrische Ladungen tragen können. Geschmolzene Salze leiten Strom und sind Leiter. In der chemischen, metallurgischen und technischen Industrie werden Feststoffe in Flüssigkeiten umgewandelt, um daraus neue Verbindungen zu gewinnen oder ihnen andere Formen zu geben. Metalllegierungen sind weit verbreitet. Es gibt mehrere Möglichkeiten, sie zu erh alten, verbunden mit Änderungen des Aggregatzustands fester Rohstoffe.
Flüssigkeit ist einer der Grundzustände der Aggregation
Gießt man 50 ml Wasser in einen Rundkolben, sieht man, dass die Substanz sofort die Form eines chemischen Gefäßes annimmt. Aber sobald wir das Wasser aus der Flasche gießen, verteilt sich die Flüssigkeit sofort auf der Tischoberfläche. Das Wasservolumen bleibt gleich - 50 ml, und seine Form ändert sich. Diese Merkmale sind charakteristisch für die flüssige Form der Existenz von Materie. Flüssigkeiten sind viele organische Substanzen: Alkohole, Pflanzenöle, Säuren.
Milch ist eine Emulsion, also eine Flüssigkeit, in der sich Fetttröpfchen befinden. Ein nützliches flüssiges Mineral ist Öl. Es wird mit Bohrtürmen an Land und im Meer aus Brunnen gefördert. Meerwasser ist auch ein Rohstoff für die Industrie. Sein Unterschied zum Süßwasser von Flüssen und Seen liegt im Geh alt an gelösten Stoffen, hauptsächlich Salzen. Bei der Verdunstung von der Wasseroberfläche gehen nur H2O-Moleküle in den Dampfzustand über, gelöste Stoffe bleiben zurück. Auf dieser Eigenschaft beruhen Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen aus Meerwasser und Verfahren zu seiner Reinigung.
Wannvollständige Entfernung von Salzen, destilliertes Wasser wird erh alten. Es siedet bei 100°C und gefriert bei 0°C. Die Solen kochen und werden bei unterschiedlichen Temperaturen zu Eis. Beispielsweise gefriert Wasser im Arktischen Ozean bei einer Oberflächentemperatur von 2°C.
Der Aggregatzustand von Quecksilber ist unter normalen Bedingungen eine Flüssigkeit. Dieses silbergraue Metall wird normalerweise mit Fieberthermometern gefüllt. Beim Erhitzen steigt die Quecksilbersäule auf der Waage, die Substanz dehnt sich aus. Warum verwenden Straßenthermometer rot gefärbten Alkohol und kein Quecksilber? Dies wird durch die Eigenschaften von flüssigem Metall erklärt. Bei 30 Grad Frost verändert sich der Aggregatzustand von Quecksilber, die Substanz wird fest.
Wenn ein Fieberthermometer kaputt geht und Quecksilber austritt, ist es gefährlich, Silberkugeln mit den Händen aufzuheben. Es ist schädlich, Quecksilberdämpfe einzuatmen, diese Substanz ist sehr giftig. Kinder sollten in solchen Fällen Hilfe von ihren Eltern, Erwachsenen suchen.
Gaszustand
Gase sind nicht in der Lage, ihr Volumen oder ihre Form beizubeh alten. Füllen Sie den Kolben bis zum Rand mit Sauerstoff (seine chemische Formel ist O2). Sobald wir die Flasche öffnen, beginnen sich die Moleküle der Substanz mit der Raumluft zu vermischen. Dies ist auf die Brownsche Molekularbewegung zurückzuführen. Schon der antike griechische Wissenschaftler Demokrit glaubte, dass sich die Materieteilchen in ständiger Bewegung befinden. In Festkörpern haben Atome, Moleküle, Ionen unter normalen Bedingungen nicht die Möglichkeit, das Kristallgitter zu verlassen, sich von Bindungen zu anderen Teilchen zu befreien. Dies ist nur möglich, wenngroße Energiemengen von außen.
In Flüssigkeiten ist der Abstand zwischen Teilchen etwas größer als in Festkörpern, sie benötigen weniger Energie, um zwischenmolekulare Bindungen aufzubrechen. Beispielsweise wird der flüssige Aggregatzustand von Sauerstoff erst beobachtet, wenn die Gastemperatur auf −183 °C sinkt. Bei −223 °C bilden O2-Moleküle einen Feststoff. Wenn die Temperatur über die angegebenen Werte steigt, wird Sauerstoff zu einem Gas. In dieser Form liegt es unter normalen Bedingungen vor. In Industriebetrieben gibt es spezielle Anlagen, um atmosphärische Luft zu trennen und daraus Stickstoff und Sauerstoff zu gewinnen. Zuerst wird die Luft gekühlt und verflüssigt, und dann wird die Temperatur allmählich erhöht. Stickstoff und Sauerstoff werden unter verschiedenen Bedingungen zu Gasen.
Die Erdatmosphäre enthält 21 Volumenprozent Sauerstoff und 78 Volumenprozent Stickstoff. In flüssiger Form kommen diese Stoffe nicht in der Gashülle des Planeten vor. Flüssiger Sauerstoff hat eine hellblaue Farbe und wird für den Einsatz in medizinischen Einrichtungen unter hohem Druck in Flaschen abgefüllt. In Industrie und Bauwesen werden Flüssiggase für viele Prozesse benötigt. Sauerstoff wird zum Gasschweißen und Schneiden von Metallen benötigt, in der Chemie - für die Oxidationsreaktionen anorganischer und organischer Substanzen. Öffnet man das Ventil der Sauerstoffflasche, sinkt der Druck, die Flüssigkeit wird gasförmig.
Verflüssigtes Propan, Methan und Butan werden in großem Umfang in den Bereichen Energie, Verkehr, Industrie und Haush alt eingesetzt. Diese Stoffe werden aus Erdgas oder durch Cracken gewonnen(Sp altung) von Rohöl. Flüssige und gasförmige Kohlenstoffgemische spielen in der Wirtschaft vieler Länder eine wichtige Rolle. Aber Öl- und Erdgasreserven sind stark erschöpft. Laut Wissenschaftlern hält dieser Rohstoff 100-120 Jahre. Eine alternative Energiequelle ist Luftströmung (Wind). Schnell fließende Flüsse, Gezeiten an den Ufern der Meere und Ozeane werden zum Betrieb von Kraftwerken genutzt.
Sauerstoff kann sich wie andere Gase im vierten Aggregatzustand befinden, der ein Plasma darstellt. Ein ungewöhnlicher Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand ist ein charakteristisches Merkmal von kristallinem Jod. Eine dunkelviolette Substanz wird sublimiert - verwandelt sich in ein Gas und umgeht den flüssigen Zustand.
Wie vollziehen sich Übergänge von einer Aggregatform zur anderen?
Änderungen im Aggregatzustand von Stoffen sind nicht mit chemischen Umwandlungen verbunden, das sind physikalische Phänomene. Wenn die Temperatur steigt, schmelzen viele Feststoffe und werden zu Flüssigkeiten. Eine weitere Temperaturerhöhung kann zur Verdampfung, also zum gasförmigen Zustand des Stoffes führen. In Natur und Wirtschaft sind solche Übergänge charakteristisch für einen der Hauptstoffe auf der Erde. Eis, Flüssigkeit, Dampf sind die Zustände von Wasser unter verschiedenen äußeren Bedingungen. Die Verbindung ist dieselbe, ihre Formel ist H2O. Bei einer Temperatur von 0 ° C und darunter kristallisiert Wasser, das heißt, es wird zu Eis. Steigt die Temperatur, werden die entstandenen Kristalle zerstört – das Eis schmilzt, es entsteht wieder flüssiges Wasser. Beim Erhitzen entsteht Wasserdampf. Verdunstung -die Umwandlung von Wasser in Gas - geht auch bei niedrigen Temperaturen. Gefrorene Pfützen beispielsweise verschwinden nach und nach, weil das Wasser verdunstet. Auch bei Frost trocknet nasse Kleidung aus, allerdings dauert dieser Vorgang länger als an einem heißen Tag.
Alle aufgeführten Übergänge des Wassers von einem Zustand in einen anderen sind für die Natur der Erde von großer Bedeutung. Atmosphärische Phänomene, Klima und Wetter sind mit der Verdunstung von Wasser von der Oberfläche der Ozeane, der Übertragung von Feuchtigkeit in Form von Wolken und Nebel an Land, Niederschlägen (Regen, Schnee, Hagel) verbunden. Diese Phänomene bilden die Grundlage des Weltwasserkreislaufs in der Natur.
Wie verändern sich die Aggregatzustände von Schwefel?
Unter normalen Bedingungen ist Schwefel hell glänzende Kristalle oder ein hellgelbes Pulver, d.h. es ist ein Feststoff. Der Aggregatzustand von Schwefel ändert sich beim Erhitzen. Erst wenn die Temperatur auf 190 °C ansteigt, schmilzt die gelbe Substanz und verwandelt sich in eine bewegliche Flüssigkeit.
Gießt man schnell flüssigen Schwefel in k altes Wasser, erhält man eine braune amorphe Masse. Bei weiterer Erwärmung der Schwefelschmelze wird diese immer zähflüssiger und dunkelt nach. Bei Temperaturen über 300 ° C ändert sich der Aggregatzustand von Schwefel erneut, die Substanz erhält die Eigenschaften einer Flüssigkeit, wird mobil. Diese Übergänge entstehen aufgrund der Fähigkeit der Atome des Elements, Ketten unterschiedlicher Länge zu bilden.
Warum können Substanzen verschiedene Aggregatzustände annehmen?
Der Aggregatzustand von Schwefel - einer einfachen Substanz - ist unter normalen Bedingungen fest. Schwefeldioxid - Gas, Schwefelsäure -ölige Flüssigkeit schwerer als Wasser. Im Gegensatz zu Salz- und Salpetersäure ist es nicht flüchtig, Moleküle verdunsten nicht von seiner Oberfläche. Welchen Aggregatzustand hat Plastikschwefel, der durch Erhitzen von Kristallen gewonnen wird?
In einer amorphen Form hat die Substanz die Struktur einer Flüssigkeit mit einer leichten Fließfähigkeit. Aber plastischer Schwefel behält gleichzeitig seine Form (als Feststoff). Es gibt Flüssigkristalle, die eine Reihe charakteristischer Eigenschaften von Festkörpern haben. Somit hängt der Zustand der Materie unter verschiedenen Bedingungen von ihrer Beschaffenheit, Temperatur, ihrem Druck und anderen äußeren Bedingungen ab.
Was sind die Merkmale in der Struktur von Festkörpern?
Die bestehenden Unterschiede zwischen den grundlegenden Aggregatzuständen der Materie erklären sich aus der Wechselwirkung zwischen Atomen, Ionen und Molekülen. Warum führt beispielsweise der feste Aggregatzustand der Materie dazu, dass Körper Volumen und Form beh alten können? Im Kristallgitter eines Metalls oder Salzes ziehen sich Strukturteilchen an. In Metallen interagieren positiv geladene Ionen mit dem sogenannten „Elektronengas“– der Ansammlung freier Elektronen in einem Metallstück. Salzkristalle entstehen durch die Anziehung von entgegengesetzt geladenen Teilchen - Ionen. Der Abstand zwischen den oben genannten Struktureinheiten von Feststoffen ist viel kleiner als die Größe der Partikel selbst. In diesem Fall wirkt die elektrostatische Anziehung, sie gibt Kraft und die Abstoßung ist nicht stark genug.
Um den festen Aggregatzustand der Materie zu zerstören, ist es notwendigsich anstrengen. Metalle, Salze, Atomkristalle schmelzen bei sehr hohen Temperaturen. Beispielsweise wird Eisen bei Temperaturen über 1538 °C flüssig. Wolfram ist feuerfest und wird zur Herstellung von Glühfäden für Glühbirnen verwendet. Es gibt Legierungen, die bei Temperaturen über 3000 °C flüssig werden. Viele Gesteine und Mineralien auf der Erde befinden sich in einem festen Zustand. Dieser Rohstoff wird mit Hilfe von Geräten in Bergwerken und Steinbrüchen abgebaut.
Um auch nur ein Ion von einem Kristall zu lösen, muss viel Energie aufgewendet werden. Aber es reicht ja schon, Salz in Wasser aufzulösen, damit das Kristallgitter zerfällt! Dieses Phänomen wird durch die erstaunlichen Eigenschaften von Wasser als polares Lösungsmittel erklärt. H2O-Moleküle interagieren mit Salzionen und zerstören die chemische Bindung zwischen ihnen. Auflösung ist also kein einfaches Mischen verschiedener Substanzen, sondern eine physikalische und chemische Wechselwirkung zwischen ihnen.
Wie interagieren die Moleküle von Flüssigkeiten?
Wasser kann flüssig, fest und gasförmig (Dampf) sein. Dies sind seine Hauptaggregatzustände unter normalen Bedingungen. Wassermoleküle bestehen aus einem Sauerstoffatom mit zwei daran gebundenen Wasserstoffatomen. Es kommt zu einer Polarisierung der chemischen Bindung im Molekül, an den Sauerstoffatomen erscheint eine partielle negative Ladung. Wasserstoff wird zum positiven Pol im Molekül und wird vom Sauerstoffatom eines anderen Moleküls angezogen. Diese schwache Kraft wird "Wasserstoffbindung" genannt.
Flüssiger Aggregatzustand charakterisierenAbstände zwischen Strukturpartikeln vergleichbar mit ihrer Größe. Die Anziehungskraft ist vorhanden, aber sie ist schwach, sodass das Wasser seine Form nicht behält. Verdampfung entsteht durch die Zerstörung von Bindungen, die bereits bei Raumtemperatur an der Oberfläche der Flüssigkeit auftritt.
Gibt es in Gasen intermolekulare Wechselwirkungen?
Der gasförmige Aggregatzustand unterscheidet sich in einigen Parametern von flüssig und fest. Zwischen den Strukturpartikeln von Gasen gibt es große Lücken, die viel größer sind als die Größe der Moleküle. In diesem Fall wirken die Anziehungskräfte überhaupt nicht. Der gasförmige Aggregatzustand ist charakteristisch für in der Luft vorhandene Stoffe: Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid. Im Bild unten ist der erste Würfel mit einem Gas gefüllt, der zweite mit einer Flüssigkeit und der dritte mit einem Feststoff.
Viele Flüssigkeiten sind flüchtig, Moleküle einer Substanz lösen sich von ihrer Oberfläche und gelangen in die Luft. Wenn Sie beispielsweise ein in Ammoniak getauchtes Wattestäbchen an die Öffnung einer offenen Flasche Salzsäure bringen, entsteht weißer Rauch. Direkt in der Luft findet eine chemische Reaktion zwischen Salzsäure und Ammoniak statt, Ammoniumchlorid wird erh alten. In welchem Aggregatzustand befindet sich dieser Stoff? Seine Partikel, die weißen Rauch bilden, sind die kleinsten festen Salzkristalle. Dieser Versuch muss unter einem Abzug durchgeführt werden, die Substanzen sind giftig.
Schlussfolgerung
Der Aggregatzustand von Gas wurde von vielen herausragenden Physikern und Chemikern untersucht: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Wissenschaftler haben Gesetzmäßigkeiten formuliert, die das Verh alten gasförmiger Stoffe bei chemischen Reaktionen erklären, wenn sich äußere Bedingungen ändern. Offene Gesetzmäßigkeiten hielten nicht nur Einzug in die Schul- und Universitätslehrbücher der Physik und Chemie. Viele chemische Industrien basieren auf dem Wissen über das Verh alten und die Eigenschaften von Stoffen in unterschiedlichen Aggregatzuständen.
