سوالاتی در مورد اینکه حالت تجمع چیست، جامدات، مایعات و گازها چه ویژگی ها و خواصی دارند، در چندین دوره آموزشی مورد توجه قرار می گیرند. سه حالت کلاسیک از ماده وجود دارد که ویژگی‌های ساختاری خاص خود را دارند. درک آنها نکته مهمی در درک علوم زمین، موجودات زنده و فعالیت های تولیدی است. این سوالات توسط فیزیک، شیمی، جغرافیا، زمین شناسی، شیمی فیزیک و سایر رشته های علمی مطالعه می شود. موادی که تحت شرایط خاصی در یکی از سه نوع اصلی قرار دارند می توانند با افزایش یا کاهش دما یا فشار تغییر کنند. انتقال‌های احتمالی از یک حالت تجمع به حالت دیگر را در نظر بگیرید، زیرا در طبیعت، فناوری و زندگی روزمره انجام می‌شود.
وضعیت تجمع چیست؟
کلمه با منشاء لاتین "aggrego" که به روسی ترجمه شده است به معنای "چسباندن" است. اصطلاح علمی به حالت همان جسم، ماده اشاره دارد. وجود در مقادیر دمایی معین و فشارهای مختلف جامدات،گازها و مایعات مشخصه تمام پوسته های زمین است. علاوه بر سه حالت کلی پایه، حالت چهارم نیز وجود دارد. در دمای بالا و فشار ثابت، گاز به پلاسما تبدیل می شود. برای درک بهتر حالت تجمع، لازم است کوچکترین ذرات تشکیل دهنده مواد و اجسام را به خاطر بسپارید.
نمودار بالا نشان می دهد: a - گاز; ب - مایع؛ c یک جسم جامد است. در چنین شکل هایی، دایره ها عناصر ساختاری مواد را نشان می دهند. این یک نماد است، در واقع، اتم ها، مولکول ها، یون ها توپ های جامد نیستند. اتم ها از یک هسته با بار مثبت تشکیل شده اند که الکترون های دارای بار منفی با سرعت بالایی در اطراف آن حرکت می کنند. آگاهی از ساختار میکروسکوپی ماده به درک بهتر تفاوت‌هایی که بین اشکال مختلف وجود دارد کمک می‌کند.
بازنمایی های جهان خرد: از یونان باستان تا قرن هفدهم
اولین اطلاعات در مورد ذرات تشکیل دهنده بدن فیزیکی در یونان باستان ظاهر شد. متفکران دموکریتوس و اپیکور چنین مفهومی را به عنوان اتم معرفی کردند. آنها معتقد بودند که این کوچکترین ذرات غیر قابل تقسیم از مواد مختلف دارای شکل، اندازه های معین، قادر به حرکت و تعامل با یکدیگر هستند. اتمیسم پیشرفته ترین آموزش یونان باستان برای زمان خود شد. اما رشد آن در قرون وسطی کند شد. از آن زمان دانشمندان توسط تفتیش عقاید کلیسای کاتولیک روم مورد آزار و اذیت قرار گرفتند. بنابراین، تا دوران مدرن، مفهوم روشنی از وضعیت تجمع ماده وجود نداشت. فقط پس از قرن هفدهمدانشمندان R. Boyle، M. Lomonosov، D. D alton، A. Lavoisier مفاد نظریه اتمی-مولکولی را تدوین کردند که حتی امروزه نیز اهمیت خود را از دست نداده است.
اتم ها، مولکول ها، یون ها ذرات میکروسکوپی ساختار ماده هستند
پیشرفت قابل توجهی در درک جهان خرد در قرن بیستم رخ داد، زمانی که میکروسکوپ الکترونی اختراع شد. با در نظر گرفتن اکتشافاتی که قبلا توسط دانشمندان انجام شده بود، می توان تصویری هماهنگ از ریزجهان جمع آوری کرد. تئوری هایی که وضعیت و رفتار کوچکترین ذرات ماده را توصیف می کنند کاملاً پیچیده هستند؛ آنها به حوزه فیزیک کوانتومی تعلق دارند. برای درک ویژگی‌های حالتهای مختلف تجمع ماده، کافی است نام و ویژگی‌های ذرات ساختاری اصلی تشکیل دهنده مواد مختلف را بدانید.
- اتم ها از نظر شیمیایی ذرات غیرقابل تقسیم هستند. در واکنش های شیمیایی حفظ می شود، اما در هسته ای از بین می رود. فلزات و بسیاری از مواد دیگر ساختار اتمی در شرایط عادی حالت جامد تجمع دارند.
- مولکول ها ذراتی هستند که در واکنش های شیمیایی شکسته شده و تشکیل می شوند. ساختار مولکولی دارای اکسیژن، آب، دی اکسید کربن، گوگرد است. حالت مجموع اکسیژن، نیتروژن، دی اکسید گوگرد، کربن، اکسیژن در شرایط عادی گازی است.
- یونها ذرات باردار هستند که اتمها و مولکولها هنگام به دست آوردن یا از دست دادن الکترون به آنها تبدیل می شوند - ذرات با بار منفی میکروسکوپی. بسیاری از نمک ها ساختار یونی دارند، به عنوان مثال، نمک خوراکی، آهن و سولفات مس.
موادی وجود دارند که ذرات آنها در فضا به روش خاصی چیده شده اند. موقعیت نسبی دستور داداتم ها، یون ها، مولکول ها شبکه کریستالی نامیده می شود. معمولا شبکه های کریستالی یونی و اتمی برای جامدات، مولکولی - برای مایعات و گازها معمولی هستند. الماس سختی بالایی دارد. شبکه کریستالی اتمی آن توسط اتم های کربن تشکیل شده است. اما گرافیت نرم نیز از اتم های این عنصر شیمیایی تشکیل شده است. فقط آنها در فضا قرار دارند. حالت معمول تجمع گوگرد جامد است، اما در دماهای بالا این ماده به مایع و توده بی شکل تبدیل می شود.
مواد در حالت جامد تجمع
اجسام جامد در شرایط عادی حجم و شکل خود را حفظ می کنند. به عنوان مثال، یک دانه شن، یک دانه شکر، نمک، یک تکه سنگ یا فلز. اگر شکر گرم شود، ماده شروع به ذوب شدن می کند و به مایع قهوه ای چسبناک تبدیل می شود. گرمایش را متوقف کنید - دوباره یک جامد دریافت می کنیم. این بدان معناست که یکی از شرایط اصلی برای تبدیل یک جامد به مایع، گرم شدن آن یا افزایش انرژی درونی ذرات یک ماده است. حالت جامد تجمع نمکی که در غذا استفاده می شود نیز قابل تغییر است. اما برای ذوب نمک سفره به دمای بالاتری نسبت به حرارت دادن شکر نیاز دارید. واقعیت این است که شکر از مولکول ها و نمک سفره از یون های باردار تشکیل شده است که به شدت جذب یکدیگر می شوند. جامدات به شکل مایع شکل خود را حفظ نمی کنند زیرا شبکه های کریستالی شکسته می شوند.
حالت مایع تجمع نمک در حین ذوب با شکستن پیوند بین یون ها در کریستال ها توضیح داده می شود. آزاد می شوندذرات باردار که می توانند بارهای الکتریکی را حمل کنند. نمک های مذاب الکتریسیته را هدایت می کنند و رسانا هستند. در صنایع شیمیایی، متالورژی و مهندسی، جامدات را به مایع تبدیل می کنند تا ترکیبات جدیدی از آنها به دست آید یا شکل های متفاوتی به آن ها بدهد. آلیاژهای فلزی به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند. چندین راه برای به دست آوردن آنها وجود دارد که با تغییر در وضعیت تجمع مواد خام جامد مرتبط است.
مایع یکی از حالات اساسی تجمع است
اگر 50 میلی لیتر آب را در یک فلاسک ته گرد بریزید، می بینید که این ماده بلافاصله به شکل ظرف شیمیایی در می آید. اما به محض اینکه آب را از فلاسک بیرون می ریزیم، مایع بلافاصله روی سطح میز پخش می شود. حجم آب یکسان باقی می ماند - 50 میلی لیتر، و شکل آن تغییر می کند. این ویژگی ها مشخصه شکل مایع وجود ماده است. مایعات بسیاری از مواد آلی هستند: الکل ها، روغن های گیاهی، اسیدها.
شیر یک امولسیون است، یعنی مایعی که در آن قطرات چربی وجود دارد. یک ماده معدنی مایع مفید روغن است. با استفاده از دکل های حفاری در خشکی و اقیانوس از چاه ها استخراج می شود. آب دریا نیز یک ماده خام برای صنعت است. تفاوت آن با آب شیرین رودخانه ها و دریاچه ها در محتوای مواد محلول، عمدتاً نمک است. در طول تبخیر از سطح اجسام آبی، تنها مولکول های H2O به حالت بخار می روند، املاح باقی می مانند. روش های به دست آوردن مواد مفید از آب دریا و روش های تصفیه آن بر اساس همین ویژگی است.
وقتیحذف کامل نمک ها، آب مقطر به دست می آید. در 100 درجه سانتی گراد می جوشد و در 0 درجه سانتی گراد یخ می زند. آب نمک در دماهای مختلف می جوشد و به یخ تبدیل می شود. برای مثال، آب در اقیانوس منجمد شمالی در دمای سطح 2 درجه سانتی گراد یخ می زند.
حالت مجموع جیوه در شرایط عادی یک مایع است. این فلز خاکستری نقره ای معمولاً با دماسنج های پزشکی پر می شود. هنگامی که گرم می شود، ستون جیوه روی مقیاس بالا می رود، ماده منبسط می شود. چرا دماسنج های خیابانی از الکل قرمز رنگ استفاده می کنند نه جیوه؟ این با خواص فلز مایع توضیح داده می شود. در یخبندان 30 درجه، حالت کل جیوه تغییر می کند، ماده جامد می شود.
اگر دماسنج پزشکی شکسته شود و جیوه به بیرون بریزد، برداشتن توپ های نقره با دست خطرناک است. استنشاق بخار جیوه مضر است، این ماده بسیار سمی است. کودکان در چنین مواردی باید از والدین خود، بزرگسالان کمک بگیرند.
وضعیت گاز
گازها نمی توانند حجم یا شکل خود را حفظ کنند. فلاسک را تا بالا با اکسیژن پر کنید (فرمول شیمیایی آن O2) است. به محض باز کردن فلاسک، مولکول های ماده شروع به مخلوط شدن با هوای اتاق می کنند. این به دلیل حرکت براونی است. حتی دموکریتوس دانشمند یونان باستان معتقد بود که ذرات ماده در حرکت دائمی هستند. در جامدات، در شرایط عادی، اتمها، مولکولها، یونها فرصت خروج از شبکه بلوری را ندارند تا خود را از پیوند با ذرات دیگر رها کنند. این تنها زمانی امکان پذیر است کهمقادیر زیادی انرژی از بیرون.
در مایعات، فاصله بین ذرات کمی بیشتر از جامدات است، آنها به انرژی کمتری برای شکستن پیوندهای بین مولکولی نیاز دارند. به عنوان مثال، حالت تجمع مایع اکسیژن تنها زمانی مشاهده می شود که دمای گاز به -183 درجه سانتیگراد کاهش یابد. در دمای ۲۲۳- درجه سانتی گراد، مولکول های O2 یک جامد تشکیل می دهند. هنگامی که دما از مقادیر داده شده بالاتر می رود، اکسیژن به گاز تبدیل می شود. در این شکل است که در شرایط عادی است. در شرکت های صنعتی، تاسیسات ویژه ای برای جداسازی هوای جو و بدست آوردن نیتروژن و اکسیژن از آن وجود دارد. ابتدا هوا خنک و مایع شده و سپس به تدریج دما افزایش می یابد. نیتروژن و اکسیژن در شرایط مختلف به گاز تبدیل می شوند.
جو زمین دارای ۲۱ درصد اکسیژن و ۷۸ درصد حجم نیتروژن است. به صورت مایع، این مواد در پوشش گازی سیاره یافت نمی شوند. اکسیژن مایع دارای رنگ آبی روشن است و با فشار بالا در سیلندرهایی برای استفاده در مراکز پزشکی پر می شود. در صنعت و ساختمان، گازهای مایع برای بسیاری از فرآیندها ضروری هستند. اکسیژن برای جوشکاری گاز و برش فلزات، در شیمی - برای واکنش های اکسیداسیون مواد معدنی و آلی مورد نیاز است. اگر دریچه سیلندر اکسیژن را باز کنید، فشار کاهش می یابد، مایع به گاز تبدیل می شود.
پروپان مایع، متان و بوتان به طور گسترده در انرژی، حمل و نقل، صنعت و فعالیت های خانگی استفاده می شود. این مواد از گاز طبیعی یا از طریق ترک خوردگی به دست می آیند(شکاف) نفت خام. مخلوط کربن مایع و گاز نقش مهمی در اقتصاد بسیاری از کشورها دارد. اما ذخایر نفت و گاز طبیعی به شدت کاهش یافته است. به گفته دانشمندان، این ماده خام 100-120 سال دوام می آورد. یک منبع جایگزین انرژی جریان هوا (باد) است. رودخانه‌های پر جریان، جزر و مد در سواحل دریاها و اقیانوس‌ها برای راه‌اندازی نیروگاه‌ها استفاده می‌شوند.
اکسیژن مانند سایر گازها می تواند در حالت چهارم تجمع قرار داشته باشد که نشان دهنده پلاسما است. انتقال غیرعادی از حالت جامد به حالت گازی یکی از ویژگی های ید کریستالی است. یک ماده بنفش تیره تحت تصعید قرار می گیرد - به گاز تبدیل می شود و حالت مایع را دور می زند.
انتقال از یک شکل انبوه ماده به شکل دیگر چگونه انجام می شود؟
تغییر در حالت کل مواد با تبدیلات شیمیایی مرتبط نیست، اینها پدیده های فیزیکی هستند. با افزایش دما، بسیاری از جامدات ذوب شده و به مایع تبدیل می شوند. افزایش بیشتر دما می تواند منجر به تبخیر، یعنی به حالت گازی ماده شود. در طبیعت و اقتصاد، چنین انتقالی مشخصه یکی از مواد اصلی روی زمین است. یخ، مایع، بخار حالت های آب در شرایط مختلف خارجی هستند. ترکیب یکسان است، فرمول آن H2O است. در دمای 0 درجه سانتیگراد و کمتر از این مقدار، آب متبلور می شود، یعنی به یخ تبدیل می شود. هنگامی که دما افزایش می یابد، کریستال های حاصل از بین می روند - یخ ذوب می شود، دوباره آب مایع به دست می آید. هنگامی که گرم می شود، بخار آب تشکیل می شود. تبخیر -تبدیل آب به گاز - حتی در دماهای پایین نیز انجام می شود. به عنوان مثال، گودال های یخ زده به تدریج ناپدید می شوند زیرا آب تبخیر می شود. حتی در هوای یخبندان، لباس‌های خیس خشک می‌شوند، اما این روند بیشتر از روزهای گرم طول می‌کشد.
همه انتقال های ذکر شده آب از یک حالت به حالت دیگر برای ماهیت زمین اهمیت زیادی دارد. پدیده های جوی، آب و هوا و آب و هوا با تبخیر آب از سطح اقیانوس ها، انتقال رطوبت به صورت ابر و مه به خشکی، بارش (باران، برف، تگرگ) همراه است. این پدیده ها اساس چرخه آب جهانی در طبیعت را تشکیل می دهند.
حالت های کل گوگرد چگونه تغییر می کند؟
در شرایط عادی، گوگرد بلورهای براق روشن یا پودری زرد روشن است، یعنی جامد است. حالت کل گوگرد با گرم شدن تغییر می کند. ابتدا، هنگامی که دما به 190 درجه سانتیگراد می رسد، ماده زرد رنگ ذوب می شود و به مایع متحرک تبدیل می شود.
اگر به سرعت گوگرد مایع را در آب سرد بریزید، یک توده آمورف قهوه ای به دست می آورید. با گرم شدن بیشتر مذاب گوگرد، چسبناک تر و تیره تر می شود. در دمای بالای 300 درجه سانتیگراد، حالت تجمع گوگرد دوباره تغییر می کند، این ماده خواص مایع را به دست می آورد، متحرک می شود. این انتقال‌ها به دلیل توانایی اتم‌های عنصر برای تشکیل زنجیره‌هایی با طول‌های مختلف رخ می‌دهد.
چرا مواد می توانند در حالت های فیزیکی متفاوت باشند؟
حالت تجمع گوگرد - یک ماده ساده - در شرایط عادی جامد است. دی اکسید گوگرد - گاز، اسید سولفوریک -مایع روغنی سنگین تر از آب برخلاف اسیدهای کلریدریک و نیتریک، فرار نیست، مولکولها از سطح آن تبخیر نمی‌شوند. وضعیت تجمع گوگرد پلاستیکی که از حرارت دادن کریستال ها به دست می آید چگونه است؟
در شکل آمورف، این ماده دارای ساختار مایع با کمی سیالیت است. اما گوگرد پلاستیکی به طور همزمان شکل خود را (به عنوان یک جامد) حفظ می کند. کریستال های مایعی وجود دارند که دارای تعدادی خواص مشخصه جامدات هستند. بنابراین، وضعیت ماده در شرایط مختلف به ماهیت، دما، فشار و سایر شرایط خارجی آن بستگی دارد.
ویژگی‌های ساختار جامدات چیست؟
تفاوت‌های موجود بین حالتهای کل پایه ماده با برهمکنش بین اتمها، یونها و مولکولها توضیح داده می‌شود. به عنوان مثال، چرا حالت مجموع جامد ماده منجر به توانایی اجسام در حفظ حجم و شکل می شود؟ در شبکه کریستالی یک فلز یا نمک، ذرات ساختاری به یکدیگر جذب می شوند. در فلزات، یون های دارای بار مثبت با به اصطلاح "گاز الکترون" - تجمع الکترون های آزاد در یک قطعه فلز - برهم کنش می کنند. کریستال های نمک به دلیل جذب ذرات باردار مخالف - یون ها به وجود می آیند. فاصله بین واحدهای ساختاری فوق جامد بسیار کمتر از اندازه خود ذرات است. در این حالت جاذبه الکترواستاتیکی عمل می کند، قدرت می دهد و دافعه به اندازه کافی قوی نیست.
برای از بین بردن حالت جامد تجمع ماده، لازم استتلاش کن فلزات، نمک ها، کریستال های اتمی در دمای بسیار بالا ذوب می شوند. به عنوان مثال، آهن در دمای بالاتر از 1538 درجه سانتیگراد به مایع تبدیل می شود. تنگستن نسوز است و برای ساخت رشته های رشته ای برای لامپ ها استفاده می شود. آلیاژهایی وجود دارند که در دمای بالای 3000 درجه سانتیگراد به مایع تبدیل می شوند. بسیاری از سنگ ها و کانی های روی زمین در حالت جامد هستند. این ماده اولیه با کمک تجهیزات معادن و معادن استخراج می شود.
برای جدا کردن حتی یک یون از یک کریستال، باید مقدار زیادی انرژی صرف کرد. اما به هر حال کافی است نمک را در آب حل کنید تا شبکه کریستالی متلاشی شود! این پدیده با خواص شگفت انگیز آب به عنوان یک حلال قطبی توضیح داده می شود. مولکول های H2O با یون های نمک برهم کنش می کنند و پیوند شیمیایی بین آنها را از بین می برند. بنابراین، انحلال یک اختلاط ساده مواد مختلف نیست، بلکه یک برهمکنش فیزیکی و شیمیایی بین آنهاست.
چگونه مولکول های مایعات برهم کنش می کنند؟
آب می تواند مایع، جامد و گاز (بخار) باشد. اینها حالتهای اصلی تجمع آن در شرایط عادی هستند. مولکول های آب از یک اتم اکسیژن تشکیل شده اند که دو اتم هیدروژن به آن پیوند دارند. یک قطبش پیوند شیمیایی در مولکول وجود دارد، یک بار منفی جزئی روی اتم های اکسیژن ظاهر می شود. هیدروژن به قطب مثبت مولکول تبدیل می شود و به اتم اکسیژن یک مولکول دیگر جذب می شود. این نیروی ضعیف "پیوند هیدروژنی" نامیده می شود.
ویژگی حالت مایع تجمعفاصله بین ذرات ساختاری قابل مقایسه با اندازه آنها. جاذبه وجود دارد، اما ضعیف است، بنابراین آب شکل خود را حفظ نمی کند. تبخیر به دلیل از بین رفتن پیوندها رخ می دهد که روی سطح مایع حتی در دمای اتاق رخ می دهد.
آیا فعل و انفعالات بین مولکولی در گازها وجود دارد؟
حالت گازی ماده در تعدادی پارامتر با مایع و جامد متفاوت است. بین ذرات ساختاری گازها شکاف های بزرگی وجود دارد که بسیار بزرگتر از اندازه مولکول ها است. در این صورت نیروهای جذب اصلاً کار نمی کنند. حالت گازی تجمع مشخصه مواد موجود در هوا است: نیتروژن، اکسیژن، دی اکسید کربن. در تصویر زیر مکعب اول با گاز، دومی با مایع و سومی با جامد پر شده است.
بسیاری از مایعات فرار هستند، مولکول های یک ماده از سطح آنها جدا شده و به هوا می روند. به عنوان مثال، اگر یک سواب پنبه آغشته به آمونیاک را به دهانه یک بطری باز اسید هیدروکلریک بیاورید، دود سفید ظاهر می شود. درست در هوا، یک واکنش شیمیایی بین اسید هیدروکلریک و آمونیاک رخ می دهد، کلرید آمونیوم به دست می آید. این ماده در چه حالتی از ماده قرار دارد؟ ذرات آن که دود سفید را تشکیل می دهند، کوچکترین بلورهای جامد نمک هستند. این آزمایش باید زیر یک هود بخار انجام شود، مواد سمی هستند.
نتیجه گیری
وضعیت تجمع گاز توسط بسیاری از فیزیکدانان و شیمیدانان برجسته مورد مطالعه قرار گرفت: آووگادرو، بویل، گی-لوساک،کلایپرون، مندلیف، لو شاتلیه. دانشمندان قوانینی را تدوین کرده اند که رفتار مواد گازی را در واکنش های شیمیایی هنگام تغییر شرایط خارجی توضیح می دهد. قوانین باز نه تنها وارد کتاب های درسی فیزیک و شیمی مدرسه و دانشگاه شد. بسیاری از صنایع شیمیایی مبتنی بر دانش در مورد رفتار و خواص مواد در حالتهای مختلف هستند.
