Otázky o tom, co je to stav agregace, jaké vlastnosti a vlastnosti mají pevné látky, kapaliny a plyny, jsou zvažovány v několika školeních. Existují tři klasické stavy hmoty s vlastními charakteristickými rysy struktury. Jejich porozumění je důležitým bodem pro pochopení vědy o Zemi, živých organismů a výrobních činností. Těmito otázkami se zabývá fyzika, chemie, geografie, geologie, fyzikální chemie a další vědní obory. Látky, které jsou za určitých podmínek v jednom ze tří základních typů skupenství, se mohou se zvýšením nebo snížením teploty nebo tlaku měnit. Zvažte možné přechody z jednoho stavu agregace do druhého, protože k nim dochází v přírodě, technologii a každodenním životě.
Jaký je stav agregace?
Slovo latinského původu „aggrego“přeložené do ruštiny znamená „připojit“. Vědecký termín označuje stav téhož těla, látky. Existence při určitých teplotních hodnotách a různých tlacích pevných látek,plyny a kapaliny je charakteristický pro všechny skořápky Země. Kromě tří základních agregátních stavů existuje ještě čtvrtý. Při zvýšené teplotě a konstantním tlaku se plyn mění v plazmu. Abychom lépe pochopili, co je to stav agregace, je nutné si zapamatovat nejmenší částice, které tvoří látky a těla.
Výše uvedený diagram ukazuje: a - plyn; b - kapalina; c je pevné těleso. Na těchto obrázcích kruhy označují strukturální prvky látek. Toto je symbol, ve skutečnosti atomy, molekuly, ionty nejsou pevné koule. Atomy se skládají z kladně nabitého jádra, kolem kterého se záporně nabité elektrony pohybují vysokou rychlostí. Znalost mikroskopické struktury hmoty pomáhá lépe porozumět rozdílům, které existují mezi různými agregátními formami.
Reprezentace mikrokosmu: od starověkého Řecka po 17. století
První informace o částicích, které tvoří fyzická těla, se objevily ve starověkém Řecku. Myslitelé Democritus a Epicurus představili takový koncept jako atom. Věřili, že tyto nejmenší nedělitelné částice různých látek mají tvar, určité velikosti, jsou schopné pohybu a vzájemné interakce. Atomistika se na svou dobu stala nejpokročilejším učením starověkého Řecka. Jeho vývoj se ale ve středověku zpomalil. Od té doby byli vědci pronásledováni inkvizicí římskokatolické církve. Proto až do moderní doby neexistovala jasná představa o tom, jaký je stav agregace hmoty. Teprve po 17. stolvědci R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier formulovali ustanovení atomově-molekulární teorie, která ani dnes neztratila svůj význam.
Atomy, molekuly, ionty jsou mikroskopické částice struktury hmoty
Významný průlom v chápání mikrokosmu nastal ve 20. století, kdy byl vynalezen elektronový mikroskop. S přihlédnutím k dřívějším objevům vědců bylo možné sestavit harmonický obraz mikrosvěta. Teorie popisující stav a chování nejmenších částic hmoty jsou poměrně složité, patří do oblasti kvantové fyziky. K pochopení rysů různých agregovaných stavů hmoty stačí znát názvy a rysy hlavních strukturních částic, které tvoří různé látky.
- Atomy jsou chemicky nedělitelné částice. Zachován v chemických reakcích, ale zničen v jaderné elektrárně. Kovy a mnoho dalších látek atomové struktury mají za normálních podmínek pevný stav agregace.
- Molekuly jsou částice, které se rozkládají a tvoří při chemických reakcích. Molekulární struktura má kyslík, vodu, oxid uhličitý, síru. Souhrnný stav kyslíku, dusíku, oxidu siřičitého, uhlíku a kyslíku za normálních podmínek je plynný.
- Ionty jsou nabité částice, na které se atomy a molekuly mění, když získávají nebo ztrácejí elektrony – mikroskopické záporně nabité částice. Mnoho solí má iontovou strukturu, například stolní sůl, síran železa a mědi.
Existují látky, jejichž částice jsou v prostoru uspořádány určitým způsobem. Objednaná relativní polohaatomů, iontů, molekul se nazývá krystalová mřížka. Obvykle jsou iontové a atomové krystalové mřížky typické pro pevné látky, molekulární - pro kapaliny a plyny. Diamant má vysokou tvrdost. Jeho atomová krystalová mřížka je tvořena atomy uhlíku. Měkký grafit se ale také skládá z atomů tohoto chemického prvku. Jen se v prostoru nacházejí jinak. Obvyklý stav agregace síry je pevná látka, ale při vysokých teplotách se látka mění v kapalinu a amorfní hmotu.
Látky v pevném stavu agregace
Pevná tělesa si za normálních podmínek zachovávají svůj objem a tvar. Například zrnko písku, zrnko cukru, sůl, kus kamene nebo kovu. Pokud se cukr zahřeje, látka se začne tavit a změní se na viskózní hnědou kapalinu. Přestat zahřívat – opět dostaneme pevnou látku. To znamená, že jednou z hlavních podmínek přechodu pevné látky v kapalinu je její zahřátí nebo zvýšení vnitřní energie částic látky. Změnit lze i pevné skupenství agregace soli, která se používá v potravinách. K roztavení kuchyňské soli ale potřebujete vyšší teplotu než při zahřívání cukru. Faktem je, že cukr se skládá z molekul a stolní sůl z nabitých iontů, které jsou k sobě silněji přitahovány. Pevné látky v kapalné formě si nezachovají svůj tvar, protože krystalové mřížky se rozpadají.
Kapalný stav agregace soli během tání se vysvětluje porušením vazby mezi ionty v krystalech. jsou propuštěninabité částice, které mohou nést elektrický náboj. Roztavené soli vedou elektrický proud a jsou vodiči. V chemickém, hutním a strojírenském průmyslu se pevné látky přeměňují na kapaliny, aby se z nich získaly nové sloučeniny nebo jim daly různé tvary. Kovové slitiny jsou široce používány. Existuje několik způsobů, jak je získat, spojené se změnami stavu agregace pevných surovin.
Kapalina je jedním ze základních stavů agregace
Pokud nalijete 50 ml vody do baňky s kulatým dnem, uvidíte, že látka okamžitě získá formu chemické nádoby. Jakmile ale vodu z baňky vylijeme, tekutina se okamžitě rozlije po povrchu stolu. Objem vody zůstane stejný - 50 ml a změní se její tvar. Tyto rysy jsou charakteristické pro kapalnou formu existence hmoty. Kapaliny jsou mnoho organických látek: alkoholy, rostlinné oleje, kyseliny.
Mléko je emulze, tedy tekutina, ve které jsou kapičky tuku. Užitečným kapalným minerálem je olej. Získává se z vrtů pomocí vrtných souprav na souši i v oceánu. Mořská voda je také surovinou pro průmysl. Jeho odlišnost od sladké vody řek a jezer spočívá v obsahu rozpuštěných látek, především solí. Při vypařování z povrchu vodních útvarů přecházejí do parního stavu pouze molekuly H2O, zůstávají rozpuštěné látky. Na této vlastnosti jsou založeny metody získávání užitečných látek z mořské vody a metody jejího čištění.
Kdyúplné odstranění solí, získá se destilovaná voda. Vře při 100°C a mrzne při 0°C. Solanky se vaří a mění se v led při různých teplotách. Například voda v Severním ledovém oceánu zamrzá při povrchové teplotě 2 °C.
Agregovaný stav rtuti za normálních podmínek je kapalina. Tento stříbrno-šedý kov je obvykle naplněn lékařskými teploměry. Při zahřátí sloupec rtuti stoupá na stupnici, látka se rozpíná. Proč pouliční teploměry používají červeně zbarvený alkohol a ne rtuť? To je vysvětleno vlastnostmi tekutého kovu. Při 30stupňových mrazech se celkový stav rtuti mění, látka ztuhne.
Pokud se lékařský teploměr rozbije a rtuť se vylije, je nebezpečné sbírat stříbrné kuličky rukama. Je škodlivé vdechovat páry rtuti, tato látka je velmi toxická. Děti by v takových případech měly vyhledat pomoc u svých rodičů, dospělých.
Skupenství plynu
Plyny si nedokážou udržet svůj objem ani tvar. Naplňte baňku až po okraj kyslíkem (její chemický vzorec je O2). Jakmile baňku otevřeme, začnou se molekuly látky mísit se vzduchem v místnosti. To je způsobeno Brownovým pohybem. Dokonce i starověký řecký vědec Democritus věřil, že částice hmoty jsou v neustálém pohybu. V pevných látkách za normálních podmínek atomy, molekuly, ionty nemají možnost opustit krystalovou mřížku, osvobodit se z vazeb s jinými částicemi. To je možné pouze tehdyvelké množství energie zvenčí.
V kapalinách je vzdálenost mezi částicemi o něco větší než v pevných látkách, vyžadují méně energie k přerušení mezimolekulárních vazeb. Například kapalný agregovaný stav kyslíku je pozorován pouze tehdy, když teplota plynu klesne na -183 °C. Při teplotě -223 °C tvoří molekuly O2 pevnou látku. Když teplota stoupne nad dané hodnoty, kyslík se změní na plyn. Právě v této podobě je za normálních podmínek. V průmyslových podnicích existují speciální zařízení pro separaci atmosférického vzduchu a získávání dusíku a kyslíku z něj. Nejprve se vzduch ochladí a zkapalní a poté se teplota postupně zvyšuje. Dusík a kyslík se za různých podmínek mění v plyny.
Atmosféra Země obsahuje 21 % objemu kyslíku a 78 % dusíku. V kapalné formě se tyto látky nenacházejí v plynném obalu planety. Kapalný kyslík má světle modrou barvu a plní se pod vysokým tlakem do lahví pro použití ve zdravotnických zařízeních. V průmyslu a stavebnictví jsou zkapalněné plyny nezbytné pro mnoho procesů. Kyslík je potřebný pro plynové svařování a řezání kovů, v chemii - pro oxidační reakce anorganických a organických látek. Pokud otevřete ventil kyslíkové láhve, tlak se sníží, kapalina se změní na plyn.
Zkapalněný propan, metan a butan jsou široce používány v energetice, dopravě, průmyslu a domácnostech. Tyto látky se získávají ze zemního plynu nebo krakováním(štěpení) ropy. Kapalné a plynné směsi uhlíku hrají důležitou roli v ekonomice mnoha zemí. Zásoby ropy a zemního plynu jsou ale značně vyčerpané. Podle vědců tato surovina vydrží 100–120 let. Alternativním zdrojem energie je proudění vzduchu (vítr). K provozu elektráren se používají rychle tekoucí řeky, příliv a odliv na březích moří a oceánů.
Kyslík, stejně jako ostatní plyny, může být ve čtvrtém stavu agregace, což představuje plazmu. Charakteristickým znakem krystalického jódu je neobvyklý přechod z pevného do plynného skupenství. Tmavě fialová látka podléhá sublimaci – mění se v plyn a obchází kapalné skupenství.
Jak se provádějí přechody z jedné agregované formy hmoty do druhé?
Změny agregovaného stavu látek nejsou spojeny s chemickými přeměnami, jedná se o fyzikální jevy. Když teplota stoupá, mnoho pevných látek taje a mění se v kapaliny. Další zvýšení teploty může vést k vypařování, tedy k plynnému skupenství látky. V přírodě a ekonomice jsou takové přechody charakteristické pro jednu z hlavních látek na Zemi. Led, kapalina, pára jsou skupenství vody za různých vnějších podmínek. Sloučenina je stejná, její vzorec je H2O. Při teplotě 0 °C a pod touto hodnotou voda krystalizuje, to znamená, že se mění v led. Při zvýšení teploty se výsledné krystaly zničí - led taje, znovu se získá kapalná voda. Při zahřívání se tvoří vodní pára. Odpařování -přeměna vody na plyn - probíhá i při nízkých teplotách. Například zamrzlé louže postupně mizí, protože se odpařuje voda. I v mrazivém počasí mokré oblečení schne, ale tento proces trvá déle než v horkém dni.
Všechny uvedené přechody vody z jednoho stavu do druhého mají velký význam pro přírodu Země. Atmosférické jevy, klima a počasí jsou spojeny s odpařováním vody z povrchu oceánů, přenosem vlhkosti v podobě mraků a mlh na pevninu, srážkami (déšť, sníh, kroupy). Tyto jevy tvoří základ světového koloběhu vody v přírodě.
Jak se mění agregované skupenství síry?
Za normálních podmínek jsou síra zářivě lesklé krystaly nebo světle žlutý prášek, tj. pevná látka. Souhrnný stav síry se při zahřívání mění. Nejprve, když teplota stoupne na 190 °C, žlutá látka taje a mění se v pohyblivou kapalinu.
Pokud rychle nalijete tekutou síru do studené vody, získáte hnědou amorfní hmotu. S dalším zahříváním taveniny síry se stává stále viskóznější a tmavne. Při teplotách nad 300 ° C se stav agregace síry opět mění, látka získává vlastnosti kapaliny, stává se mobilní. K těmto přechodům dochází díky schopnosti atomů prvku tvořit řetězce různých délek.
Proč mohou být látky v různých fyzikálních stavech?
Stav agregace síry - jednoduché látky - je za normálních podmínek pevná látka. Oxid siřičitý - plyn, kyselina sírová -olejovitá kapalina těžší než voda. Na rozdíl od kyseliny chlorovodíkové a dusičné není těkavý, molekuly se z jeho povrchu nevypařují. Jaký je stav agregace plastické síry, která se získává zahříváním krystalů?
V amorfní formě má látka strukturu kapaliny s mírnou tekutostí. Ale plastová síra si současně zachovává svůj tvar (jako pevná látka). Existují tekuté krystaly, které mají řadu charakteristických vlastností pevných látek. Stav hmoty za různých podmínek tedy závisí na její povaze, teplotě, tlaku a dalších vnějších podmínkách.
Jaké jsou vlastnosti ve struktuře pevných látek?
Stávající rozdíly mezi základními agregovanými stavy hmoty jsou vysvětleny interakcí mezi atomy, ionty a molekulami. Proč například pevný agregovaný stav hmoty vede ke schopnosti těles udržet si objem a tvar? V krystalové mřížce kovu nebo soli jsou strukturální částice k sobě přitahovány. V kovech kladně nabité ionty interagují s tzv. „elektronovým plynem“– hromaděním volných elektronů v kusu kovu. Krystaly soli vznikají přitahováním opačně nabitých částic – iontů. Vzdálenost mezi výše uvedenými strukturními jednotkami pevných látek je mnohem menší než velikost samotných částic. V tomto případě působí elektrostatická přitažlivost, dává sílu a odpuzování není dostatečně silné.
K zničení pevného skupenství hmoty je nutnésnažit se. Kovy, soli, atomové krystaly tají při velmi vysokých teplotách. Například železo se stává kapalným při teplotách nad 1538 °C. Wolfram je žáruvzdorný a používá se k výrobě žhavicích vláken pro žárovky. Existují slitiny, které se stávají kapalnými při teplotách nad 3000 °C. Mnoho hornin a minerálů na Zemi je v pevném stavu. Tato surovina se těží pomocí zařízení v dolech a lomech.
K oddělení byť jednoho iontu z krystalu je nutné vynaložit velké množství energie. Ale přeci jen stačí rozpustit sůl ve vodě, aby se krystalová mřížka rozpadla! Tento jev se vysvětluje úžasnými vlastnostmi vody jako polárního rozpouštědla. H2O molekuly interagují s ionty soli a ničí chemickou vazbu mezi nimi. Rozpouštění tedy není prosté smíchání různých látek, ale fyzikální a chemická interakce mezi nimi.
Jak interagují molekuly kapalin?
Voda může být kapalná, pevná a plynná (pára). Toto jsou jeho hlavní stavy agregace za normálních podmínek. Molekuly vody se skládají z jednoho atomu kyslíku se dvěma atomy vodíku vázanými na něj. V molekule dochází k polarizaci chemické vazby, na atomech kyslíku se objevuje částečný záporný náboj. Vodík se stává kladným pólem v molekule a je přitahován atomem kyslíku jiné molekuly. Tato slabá síla se nazývá „vodíková vazba“.
Charakterizujte kapalný stav agregacevzdálenosti mezi strukturními částicemi srovnatelné s jejich velikostí. Atrakce existuje, ale je slabá, takže voda neudrží svůj tvar. K odpařování dochází v důsledku destrukce vazeb, ke kterému dochází na povrchu kapaliny i při pokojové teplotě.
Existují mezimolekulární interakce v plynech?
Plynné skupenství hmoty se od kapalného a tuhého liší v řadě parametrů. Mezi strukturními částicemi plynů jsou velké mezery, mnohem větší, než je velikost molekul. V tomto případě přitažlivé síly vůbec nefungují. Plynný stav agregace je charakteristický pro látky přítomné ve vzduchu: dusík, kyslík, oxid uhličitý. Na obrázku níže je první krychle naplněna plynem, druhá kapalinou a třetí pevnou látkou.
Mnoho kapalin je těkavých, molekuly látky se odlomí od jejich povrchu a dostanou se do vzduchu. Pokud například přinesete vatový tampon namočený v čpavku k otvoru otevřené lahvičky s kyselinou chlorovodíkovou, objeví se bílý kouř. Přímo ve vzduchu dochází k chemické reakci mezi kyselinou chlorovodíkovou a amoniakem, získává se chlorid amonný. V jakém skupenství hmoty se tato látka nachází? Jeho částice, které tvoří bílý kouř, jsou nejmenšími pevnými krystaly soli. Tento experiment musí být proveden pod digestoří, látky jsou toxické.
Závěr
Stav agregace plynu studovalo mnoho vynikajících fyziků a chemiků: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendělejev, Le Chatelier. Vědci zformulovali zákony, které vysvětlují chování plynných látek při chemických reakcích při změně vnějších podmínek. Otevřené zákonitosti vstoupily nejen do školních a vysokoškolských učebnic fyziky a chemie. Mnoho chemických průmyslů je založeno na znalostech o chování a vlastnostech látek v různých skupenstvích agregátů.
