Vragen over wat een aggregatiestaat is, welke kenmerken en eigenschappen vaste stoffen, vloeistoffen en gassen hebben, komen in verschillende trainingen aan bod. Er zijn drie klassieke toestanden van materie, met hun eigen karakteristieke kenmerken van de structuur. Hun begrip is een belangrijk punt bij het begrijpen van de wetenschappen van de aarde, levende organismen en productieactiviteiten. Deze vragen worden bestudeerd door natuurkunde, scheikunde, aardrijkskunde, geologie, fysische chemie en andere wetenschappelijke disciplines. Stoffen die zich onder bepaalde omstandigheden in een van de drie basistypes bevinden, kunnen veranderen bij een verhoging of verlaging van temperatuur of druk. Overweeg mogelijke overgangen van de ene staat van aggregatie naar de andere, zoals deze worden uitgevoerd in de natuur, technologie en het dagelijks leven.
Wat is de aggregatiestatus?
Het woord van Latijnse oorsprong "aggrego" vertaald in het Russisch betekent "bijvoegen". De wetenschappelijke term verwijst naar de toestand van hetzelfde lichaam, substantie. Bestaan bij bepaalde temperatuurwaarden en verschillende drukken van vaste stoffen,gassen en vloeistoffen is kenmerkend voor alle schillen van de aarde. Naast de drie basisaggregatietoestanden is er ook een vierde. Bij verhoogde temperatuur en constante druk verandert het gas in een plasma. Om beter te begrijpen wat een aggregatietoestand is, is het noodzakelijk om de kleinste deeltjes te onthouden waaruit stoffen en lichamen bestaan.
Het bovenstaande diagram toont: a - gas; b - vloeistof; c is een vast lichaam. In dergelijke figuren geven cirkels de structurele elementen van stoffen aan. Dit is een symbool, in feite zijn atomen, moleculen, ionen geen vaste ballen. Atomen bestaan uit een positief geladen kern waarrond negatief geladen elektronen met hoge snelheid bewegen. Kennis van de microscopische structuur van materie helpt om de verschillen tussen verschillende aggregaatvormen beter te begrijpen.
Voorstellingen van de microkosmos: van het oude Griekenland tot de 17e eeuw
De eerste informatie over de deeltjes waaruit fysieke lichamen bestaan, verscheen in het oude Griekenland. De denkers Democritus en Epicurus introduceerden zo'n concept als een atoom. Ze geloofden dat deze kleinste ondeelbare deeltjes van verschillende stoffen een vorm hebben, bepaalde afmetingen hebben, in staat zijn tot beweging en interactie met elkaar. Atomisme werd voor die tijd de meest geavanceerde leer van het oude Griekenland. Maar de ontwikkeling ervan vertraagde in de middeleeuwen. Sindsdien werden wetenschappers vervolgd door de inquisitie van de rooms-katholieke kerk. Daarom was er tot de moderne tijd geen duidelijk concept van wat de staat van aggregatie van materie is. Pas na de 17e eeuwwetenschappers R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier formuleerden de bepalingen van de atomair-moleculaire theorie, die zelfs vandaag hun betekenis niet hebben verloren.
Atomen, moleculen, ionen zijn microscopisch kleine deeltjes van de structuur van materie
Een belangrijke doorbraak in het begrijpen van de microkosmos vond plaats in de 20e eeuw, toen de elektronenmicroscoop werd uitgevonden. Rekening houdend met de ontdekkingen die eerder door wetenschappers zijn gedaan, was het mogelijk om een harmonieus beeld van de microwereld samen te stellen. Theorieën die de toestand en het gedrag van de kleinste deeltjes materie beschrijven, zijn behoorlijk complex; ze behoren tot het gebied van de kwantumfysica. Om de kenmerken van verschillende geaggregeerde toestanden van materie te begrijpen, volstaat het om de namen en kenmerken te kennen van de belangrijkste structurele deeltjes die verschillende stoffen vormen.
- Atomen zijn chemisch ondeelbare deeltjes. Behouden in chemische reacties, maar vernietigd in nucleair. Metalen en vele andere stoffen met een atomaire structuur hebben onder normale omstandigheden een vaste aggregatietoestand.
- Moleculen zijn deeltjes die worden afgebroken en gevormd in chemische reacties. Moleculaire structuur heeft zuurstof, water, koolstofdioxide, zwavel. De totale toestand van zuurstof, stikstof, zwaveldioxide, koolstof en zuurstof is onder normale omstandigheden gasvormig.
- Ionen zijn geladen deeltjes waar atomen en moleculen in veranderen wanneer ze elektronen winnen of verliezen - microscopisch kleine negatief geladen deeltjes. Veel zouten hebben een ionische structuur, bijvoorbeeld keukenzout, ijzer- en kopersulfaat.
Er zijn stoffen waarvan de deeltjes op een bepaalde manier in de ruimte zijn gerangschikt. Bestelde relatieve positieatomen, ionen, moleculen wordt een kristalrooster genoemd. Gewoonlijk zijn ionische en atomaire kristalroosters typisch voor vaste stoffen, moleculair - voor vloeistoffen en gassen. Diamant heeft een hoge hardheid. Het atomaire kristalrooster wordt gevormd door koolstofatomen. Maar ook zacht grafiet bestaat uit atomen van dit scheikundige element. Alleen staan ze anders in de ruimte. De gebruikelijke aggregatietoestand van zwavel is vast, maar bij hoge temperaturen verandert de stof in een vloeistof en een amorfe massa.
Stoffen in vaste aggregatietoestand
Vaste lichamen behouden onder normale omstandigheden hun volume en vorm. Bijvoorbeeld een zandkorrel, een suikerkorrel, zout, een stuk steen of metaal. Als suiker wordt verwarmd, begint de substantie te smelten en verandert in een stroperige bruine vloeistof. Stop met verwarmen - opnieuw krijgen we een vaste stof. Dit betekent dat een van de belangrijkste voorwaarden voor de overgang van een vaste stof in een vloeistof de verwarming of een toename van de interne energie van de deeltjes van een stof is. De vaste aggregatietoestand van zout, dat in voedsel wordt gebruikt, kan ook worden veranderd. Maar om keukenzout te smelten heb je een hogere temperatuur nodig dan bij het verhitten van suiker. Feit is dat suiker uit moleculen bestaat en keukenzout uit geladen ionen, die sterker door elkaar worden aangetrokken. Vaste stoffen in vloeibare vorm behouden hun vorm niet omdat de kristalroosters afbreken.
De vloeibare aggregatie van zout tijdens het smelten wordt verklaard door het verbreken van de binding tussen ionen in kristallen. zijn uitgebrachtgeladen deeltjes die elektrische ladingen kunnen dragen. Gesmolten zouten geleiden elektriciteit en zijn geleiders. In de chemische, metallurgische en technische industrie worden vaste stoffen omgezet in vloeistoffen om er nieuwe verbindingen uit te halen of om ze een andere vorm te geven. Metaallegeringen worden veel gebruikt. Er zijn verschillende manieren om ze te verkrijgen, gekoppeld aan veranderingen in de aggregatietoestand van vaste grondstoffen.
Vloeistof is een van de basisstaten van aggregatie
Als je 50 ml water in een rondbodemkolf giet, zie je dat de stof meteen de vorm aanneemt van een chemisch vat. Maar zodra we het water uit de kolf gieten, verspreidt de vloeistof zich onmiddellijk over het oppervlak van de tafel. Het volume water blijft hetzelfde - 50 ml, en de vorm zal veranderen. Deze kenmerken zijn kenmerkend voor de vloeibare vorm van het bestaan van materie. Vloeistoffen zijn veel organische stoffen: alcoholen, plantaardige oliën, zuren.
Melk is een emulsie, d.w.z. een vloeistof waarin druppeltjes vet zitten. Een nuttig vloeibaar mineraal is olie. Het wordt gewonnen uit putten met behulp van booreilanden op het land en in de oceaan. Zeewater is ook een grondstof voor de industrie. Het verschil met het zoete water van rivieren en meren ligt in het geh alte aan opgeloste stoffen, voornamelijk zouten. Tijdens verdamping van het oppervlak van waterlichamen gaan alleen H2O-moleculen in de damptoestand, opgeloste stoffen blijven. Methoden voor het verkrijgen van nuttige stoffen uit zeewater en methoden voor de zuivering ervan zijn gebaseerd op deze eigenschap.
Wanneervolledige verwijdering van zouten, wordt gedestilleerd water verkregen. Het kookt bij 100°C en bevriest bij 0°C. De pekel kookt en verandert bij verschillende temperaturen in ijs. Water in de Noordelijke IJszee bevriest bijvoorbeeld bij een oppervlaktetemperatuur van 2°C.
De totale toestand van kwik onder normale omstandigheden is een vloeistof. Dit zilvergrijze metaal is meestal gevuld met medische thermometers. Bij verhitting stijgt de kwikkolom op de schaal, de stof zet uit. Waarom gebruiken straatthermometers roodgekleurde alcohol en geen kwik? Dit wordt verklaard door de eigenschappen van vloeibaar metaal. Bij 30 graden vorst verandert de geaggregeerde toestand van kwik, de substantie wordt vast.
Als een medische thermometer breekt en er kwik uitstroomt, is het gevaarlijk om zilveren balletjes met je handen op te rapen. Het is schadelijk om kwikdamp in te ademen, deze stof is zeer giftig. Kinderen moeten in dergelijke gevallen hulp zoeken bij hun ouders, volwassenen.
Gastoestand
Gassen kunnen hun volume of vorm niet behouden. Vul de kolf tot de rand met zuurstof (de chemische formule is O2). Zodra we de fles openen, beginnen de moleculen van de stof zich te vermengen met de lucht in de kamer. Dit komt door de Brownse beweging. Zelfs de oude Griekse wetenschapper Democritus geloofde dat de deeltjes materie constant in beweging zijn. In vaste stoffen, onder normale omstandigheden, hebben atomen, moleculen en ionen niet de mogelijkheid om het kristalrooster te verlaten, om zichzelf te bevrijden van bindingen met andere deeltjes. Dit kan alleen als:grote hoeveelheden energie van buitenaf.
In vloeistoffen is de afstand tussen deeltjes iets groter dan in vaste stoffen, ze hebben minder energie nodig om intermoleculaire bindingen te verbreken. De vloeibare aggregaattoestand van zuurstof wordt bijvoorbeeld alleen waargenomen wanneer de gastemperatuur da alt tot -183 ° C. Bij -223 °C vormen O2 moleculen een vaste stof. Wanneer de temperatuur boven de gegeven waarden komt, verandert zuurstof in een gas. Het is in deze vorm dat het onder normale omstandigheden is. Bij industriële ondernemingen zijn er speciale installaties voor het scheiden van atmosferische lucht en het verkrijgen van stikstof en zuurstof. Eerst wordt de lucht gekoeld en vloeibaar gemaakt en vervolgens wordt de temperatuur geleidelijk verhoogd. Stikstof en zuurstof worden onder verschillende omstandigheden in gassen omgezet.
De atmosfeer van de aarde bevat 21% zuurstof en 78% stikstof per volume. In vloeibare vorm worden deze stoffen niet gevonden in de gasvormige omhulling van de planeet. Vloeibare zuurstof heeft een lichtblauwe kleur en wordt onder hoge druk in cilinders gevuld voor gebruik in medische instellingen. In de industrie en de bouw zijn voor veel processen vloeibaar gemaakte gassen nodig. Zuurstof is nodig voor gaslassen en snijden van metalen, in de chemie - voor de oxidatiereacties van anorganische en organische stoffen. Als je de klep van de zuurstoffles opent, neemt de druk af, de vloeistof verandert in een gas.
Vloeibaar gemaakt propaan, methaan en butaan worden veel gebruikt in energie, transport, industrie en huishoudelijke activiteiten. Deze stoffen worden gewonnen uit aardgas of door kraken(splitsing) van ruwe olie. Koolstof vloeibare en gasvormige mengsels spelen een belangrijke rol in de economie van veel landen. Maar de olie- en aardgasreserves zijn ernstig uitgeput. Volgens wetenschappers gaat deze grondstof 100-120 jaar mee. Een alternatieve energiebron is luchtstroom (wind). Snelstromende rivieren, getijden aan de oevers van de zeeën en oceanen worden gebruikt om energiecentrales te laten werken.
Zuurstof kan, net als andere gassen, zich in de vierde aggregatietoestand bevinden, wat neerkomt op een plasma. Kenmerkend voor kristallijn jodium is een ongebruikelijke overgang van een vaste naar een gasvormige toestand. Een donkerpaarse substantie ondergaat sublimatie - verandert in een gas, waarbij de vloeibare toestand wordt omzeild.
Hoe worden overgangen van de ene geaggregeerde vorm van materie naar de andere uitgevoerd?
Veranderingen in de geaggregeerde toestand van stoffen worden niet geassocieerd met chemische transformaties, dit zijn fysieke verschijnselen. Wanneer de temperatuur stijgt, smelten veel vaste stoffen en veranderen in vloeistoffen. Een verdere temperatuurstijging kan leiden tot verdamping, dat wil zeggen tot de gasvormige toestand van de stof. In natuur en economie zijn dergelijke transities kenmerkend voor een van de belangrijkste stoffen op aarde. IJs, vloeistof, stoom zijn de toestanden van water onder verschillende externe omstandigheden. De verbinding is hetzelfde, de formule is H2O. Bij een temperatuur van 0 ° C en onder deze waarde kristalliseert water, dat wil zeggen, het verandert in ijs. Wanneer de temperatuur stijgt, worden de resulterende kristallen vernietigd - het ijs smelt, er wordt opnieuw vloeibaar water verkregen. Bij verhitting ontstaat er waterdamp. verdamping -de transformatie van water in gas - gaat zelfs bij lage temperaturen. Zo verdwijnen bevroren plassen geleidelijk doordat het water verdampt. Zelfs bij ijzig weer drogen natte kleren uit, maar dit proces duurt langer dan op een warme dag.
Alle genoemde overgangen van water van de ene staat naar de andere zijn van groot belang voor de aard van de aarde. Atmosferische verschijnselen, klimaat en weer worden geassocieerd met de verdamping van water van het oppervlak van de oceanen, de overdracht van vocht in de vorm van wolken en mist naar het land, neerslag (regen, sneeuw, hagel). Deze verschijnselen vormen de basis van de wereldwatercyclus in de natuur.
Hoe veranderen de geaggregeerde toestanden van zwavel?
Onder normale omstandigheden is zwavel helder glanzende kristallen of een lichtgeel poeder, d.w.z. het is een vaste stof. De totale toestand van zwavel verandert bij verhitting. Ten eerste, wanneer de temperatuur stijgt tot 190 ° C, smelt de gele substantie en verandert in een mobiele vloeistof.
Als je vloeibare zwavel snel in koud water giet, krijg je een bruine amorfe massa. Bij verdere verwarming van de zwavelsmelt wordt deze steeds stroperiger en donkerder. Bij temperaturen boven 300 ° C verandert de aggregatietoestand van zwavel weer, de stof krijgt de eigenschappen van een vloeistof, wordt mobiel. Deze overgangen vinden plaats vanwege het vermogen van de atomen van het element om ketens van verschillende lengtes te vormen.
Waarom kunnen stoffen in verschillende fysieke toestanden zijn?
De aggregatietoestand van zwavel - een eenvoudige stof - is onder normale omstandigheden vast. Zwaveldioxide - gas, zwavelzuur -olieachtige vloeistof zwaarder dan water. In tegenstelling tot zoutzuur en salpeterzuur is het niet vluchtig; moleculen verdampen niet van het oppervlak. Wat is de aggregatietoestand van plastische zwavel, die wordt verkregen door kristallen te verhitten?
In amorfe vorm heeft de stof de structuur van een vloeistof, met een lichte vloeibaarheid. Maar plastic zwavel behoudt tegelijkertijd zijn vorm (als vaste stof). Er zijn vloeibare kristallen die een aantal karakteristieke eigenschappen van vaste stoffen hebben. De toestand van materie onder verschillende omstandigheden hangt dus af van de aard, temperatuur, druk en andere externe omstandigheden.
Wat zijn de kenmerken in de structuur van vaste stoffen?
De bestaande verschillen tussen de basisaggregatietoestanden van materie worden verklaard door de interactie tussen atomen, ionen en moleculen. Waarom leidt de vaste geaggregeerde toestand van materie bijvoorbeeld tot het vermogen van lichamen om volume en vorm te behouden? In het kristalrooster van een metaal of zout worden structurele deeltjes door elkaar aangetrokken. In metalen interageren positief geladen ionen met het zogenaamde "elektronengas" - de ophoping van vrije elektronen in een stuk metaal. Zoutkristallen ontstaan door de aantrekking van tegengesteld geladen deeltjes - ionen. De afstand tussen de bovengenoemde structurele eenheden van vaste stoffen is veel kleiner dan de grootte van de deeltjes zelf. In dit geval werkt elektrostatische aantrekking, het geeft kracht en afstoting is niet sterk genoeg.
Om de vaste toestand van aggregatie van materie te vernietigen, is het noodzakelijkmoeite doen. Metalen, zouten, atomaire kristallen smelten bij zeer hoge temperaturen. IJzer wordt bijvoorbeeld vloeibaar bij temperaturen boven 1538 °C. Wolfraam is vuurvast en wordt gebruikt om gloeilampen te maken voor gloeilampen. Er zijn legeringen die vloeibaar worden bij temperaturen boven 3000 °C. Veel gesteenten en mineralen op aarde bevinden zich in een vaste toestand. Deze grondstof wordt gewonnen met behulp van apparatuur in mijnen en steengroeven.
Om zelfs maar één ion van een kristal los te maken, is het nodig om een grote hoeveelheid energie te verbruiken. Maar het volstaat immers om zout in water op te lossen om het kristalrooster te laten desintegreren! Dit fenomeen wordt verklaard door de verbazingwekkende eigenschappen van water als polair oplosmiddel. H2O-moleculen interageren met zoutionen en vernietigen de chemische binding tussen hen. Oplossen is dus niet een simpele vermenging van verschillende stoffen, maar een fysische en chemische interactie tussen beide.
Hoe werken de moleculen van vloeistoffen op elkaar in?
Water kan vloeibaar, vast en gasvormig (stoom) zijn. Dit zijn de belangrijkste aggregatietoestanden onder normale omstandigheden. Watermoleculen bestaan uit één zuurstofatoom met daaraan twee waterstofatomen. Er is een polarisatie van de chemische binding in het molecuul, er verschijnt een gedeeltelijke negatieve lading op de zuurstofatomen. Waterstof wordt de positieve pool in het molecuul en wordt aangetrokken door het zuurstofatoom van een ander molecuul. Deze zwakke kracht wordt de "waterstofbinding" genoemd.
Vloeibare staat van aggregatie karakteriserenafstanden tussen structurele deeltjes vergelijkbaar met hun grootte. De aantrekkingskracht bestaat, maar is zwak, waardoor het water zijn vorm niet behoudt. Verdamping vindt plaats als gevolg van de vernietiging van bindingen, die zelfs bij kamertemperatuur op het oppervlak van de vloeistof plaatsvindt.
Bestaan er intermoleculaire interacties in gassen?
De gasvormige toestand van materie verschilt van vloeibaar en vast in een aantal parameters. Tussen de structurele deeltjes van gassen zijn er grote openingen, veel groter dan de grootte van de moleculen. In dit geval werken de aantrekkingskrachten helemaal niet. De gasvormige aggregatietoestand is kenmerkend voor stoffen die in de lucht aanwezig zijn: stikstof, zuurstof, kooldioxide. In de onderstaande afbeelding is de eerste kubus gevuld met een gas, de tweede met een vloeistof en de derde met een vaste stof.
Veel vloeistoffen zijn vluchtig, moleculen van een stof breken af van hun oppervlak en komen in de lucht terecht. Als u bijvoorbeeld een wattenstaafje gedrenkt in ammoniak naar de opening van een open fles zoutzuur brengt, verschijnt er witte rook. Midden in de lucht vindt een chemische reactie plaats tussen zoutzuur en ammoniak, ammoniumchloride wordt verkregen. In welke staat van materie bevindt deze stof zich? De deeltjes, die witte rook vormen, zijn de kleinste vaste zoutkristallen. Dit experiment moet worden uitgevoerd onder een zuurkast, de stoffen zijn giftig.
Conclusie
De staat van aggregatie van gas is bestudeerd door vele vooraanstaande natuurkundigen en scheikundigen: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendelejev, Le Chatelier. Wetenschappers hebben wetten opgesteld die het gedrag van gasvormige stoffen in chemische reacties verklaren wanneer externe omstandigheden veranderen. Open regelmatigheden kwamen niet alleen de school- en universiteitsboeken natuurkunde en scheikunde binnen. Veel chemische industrieën zijn gebaseerd op kennis over het gedrag en de eigenschappen van stoffen in verschillende aggregaattoestanden.
