4 агрегатни състояния на материята във физиката. Свойства на веществата в различни агрегатни състояния. Сравнителна характеристика на аморфни и кристални вещества
Агрегатни състояния. Течности. Фази в термодинамиката. Фазови преходи.
Лекция 1.16
Всички вещества могат да съществуват в три агрегатни състояния - твърдо, течнои газообразен... Преходите между тях са придружени от рязка промяна в редица физични свойства (плътност, топлопроводимост и др.).
Агрегационното състояние зависи от физическите условия, в които се намира веществото. Съществуването на няколко агрегатни състояния в едно вещество се дължи на различията в термичното движение на неговите молекули (атоми) и на тяхното взаимодействие при различни условия.
Газ- агрегатно състояние на материята, при което частиците не са свързани или много слабо обвързани от силите на взаимодействие; кинетичната енергия на топлинното движение на неговите частици (молекули, атоми) значително надвишава потенциалната енергия на взаимодействията между тях, поради което частиците се движат почти свободно, напълно запълвайки съда, в който се намират, и приемат неговата форма. В газообразно състояние веществото няма нито собствен обем, нито собствена форма. Всяко вещество може да се превърне в газообразно чрез промяна на налягането и температурата.
Течност- агрегатно състояние на материята, междинно между твърдо и газообразно. Характеризира се с висока подвижност на частиците и малко свободно пространство между тях. Това води до факта, че течностите запазват обема си и приемат формата на съд. В течност молекулите са много близо една до друга. Следователно, плътността на течността е много по-висока от плътността на газовете (при нормално налягане). Свойствата на течността във всички посоки са еднакви (изотропни) с изключение на течните кристали. При нагряване или намаляване на плътността, свойствата на течността, топлопроводимостта и вискозитета се променят, като правило, в посока на приближаване към свойствата на газовете.
Термичното движение на течните молекули се състои от комбинация от колективни вибрационни движения и случайни скокове на молекули от едно равновесно положение в друго.
Твърди (кристални) тела- агрегатно състояние на материята, характеризиращо се със стабилността на формата и естеството на топлинното движение на атомите. Това движение е вибрациите на атоми (или йони), които изграждат твърдо тяло. Амплитудата на вибрациите обикновено е малка в сравнение с междуатомните разстояния.
Свойства на течностите.
Молекулите на вещество в течно състояние са разположени почти близо една до друга. За разлика от твърдите кристални тела, в които молекулите образуват подредени структури в целия обем на кристала и могат да извършват термични вибрации около фиксирани центрове, течните молекули имат по-голяма свобода. Всяка молекула на течността, както и в твърдо вещество, е "захваната" от всички страни от съседни молекули и извършва термични вибрации около определено положение на равновесие. Въпреки това, от време на време, всяка молекула може да се премести на съседно свободно място. Такива скокове в течностите се случват доста често; следователно, молекулите не са прикрепени към специфични центрове, както в кристалите, и могат да се движат в целия обем на течността. Това обяснява течливостта на течностите. Поради силното взаимодействие между близко разположени молекули, те могат да образуват локални (нестабилни) подредени групи, съдържащи няколко молекули. Това явление се нарича кратка поръчка.
Поради плътното опаковане на молекулите, свиваемостта на течностите, тоест промяната в обема с промяна в налягането, е много малка; тя е десетки и стотици хиляди пъти по-малка, отколкото в газовете. Например, за да промените обема на водата с 1%, трябва да увеличите налягането приблизително 200 пъти. Такова повишаване на налягането в сравнение с атмосферното се постига на дълбочина около 2 km.
Течностите, подобно на твърдите вещества, променят обема си при промяна на температурата. За не много големи температурни диапазони, относителната промяна на обема Δ V / V 0 пропорционално на промяната на температурата Δ т:
| |
Коефициентът β се нарича температурен коефициент на обемно разширение... Този коефициент за течности е десетки пъти по-голям от този на твърдите вещества. За вода, например, при температура 20 ° C β в ≈ 2 · 10 –4 K –1, за стомана - β st ≈ 3,6 · 10 –5 K –1, за кварцово стъкло - β q ≈ 9 · 10 - 6 К –1.
Топлинното разширение на водата има интересна и важна аномалия за живота на Земята. При температури под 4 ° C водата се разширява с понижаване на температурата (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Когато водата замръзне, тя се разширява, така че ледът остава да плува на повърхността на замръзващото водно тяло. Температурата на замръзващата вода под леда е 0 ° С. При по-плътни слоеве вода на дъното на резервоара температурата е около 4 ° C. Благодарение на това във водата на замръзващи резервоари може да съществува живот.
Най-интересната характеристика на течностите е наличието свободна повърхност... Течността, за разлика от газовете, не запълва целия обем на съда, в който се излива. Между течността и газа (или парата) се образува интерфейс, който е в специални условия в сравнение с останалата течна маса. Молекулите в граничния слой на течността, за разлика от молекулите в нейната дълбочина, не са заобиколени от други молекули на същата течност от всички страни. Силите на междумолекулно взаимодействие, действащи върху една от молекулите вътре в течността от страната на съседните молекули, са средно взаимно компенсирани. Всяка молекула в граничния слой се привлича от молекули вътре в течността (силите, действащи върху дадена течна молекула от страната на молекулите на газа (или парите), могат да бъдат пренебрегнати). В резултат на това се появява определена резултатна сила, насочена дълбоко в течността. Повърхностните молекули се изтеглят в течността от силите на междумолекулно привличане. Но всички молекули, включително тези от граничния слой, трябва да бъдат в състояние на равновесие. Това равновесие се постига поради леко намаляване на разстоянието между молекулите на повърхностния слой и техните най-близки съседи вътре в течността. С намаляване на разстоянието между молекулите възникват отблъскващи сили. Ако средното разстояние между молекулите вътре в течността е r 0, тогава молекулите на повърхностния слой са опаковани малко по-плътно и следователно имат допълнителен запас от потенциална енергия в сравнение с вътрешните молекули. Трябва да се има предвид, че поради изключително ниската свиваемост, наличието на по-плътно уплътнен повърхностен слой не води до някаква забележима промяна в обема на течността. Ако молекулата се движи от повърхността към вътрешността на течността, силите на междумолекулното взаимодействие ще свършат положителна работа. Напротив, за да издърпате определен брой молекули от дълбочината на течността към повърхността (т.е. да увеличите повърхността на течността), външни силитрябва да върши положителна работа А ext, пропорционално на промяната в Δ Сплощ:
| А ext = σΔ С. |
Коефициентът σ се нарича коефициент на повърхностно напрежение (σ> 0). По този начин коефициентът на повърхностно напрежение е равен на работата, необходима за увеличаване на повърхността на течност при постоянна температура с една единица.
В SI повърхностното напрежение се измерва в джаули на метърквадрат (J / m 2) или в нютони на метър (1 N / m = 1 J / m 2).
Следователно, молекулите на повърхностния слой на течността имат излишък в сравнение с молекулите вътре в течността потенциална енергия... Потенциална енергия Е p на повърхността на течността е пропорционално на нейната площ: 
(1.16.1)
От механиката е известно, че равновесните състояния на една система съответстват на минималната стойност на нейната потенциална енергия. Оттук следва, че свободната повърхност на течността има тенденция да намалява своята площ. Поради тази причина свободната капка течност придобива сферична форма. Течността се държи така, сякаш силите действат тангенциално към нейната повърхност, намалявайки (дърпайки) тази повърхност. Тези сили се наричат сили на повърхностно напрежение.
Наличието на сили на повърхностно напрежение прави повърхността на течността подобна на еластично разтегнато фолио, с единствената разлика, че еластичните сили във филма зависят от неговата повърхност (т.е. от това как филмът се деформира) и силите на повърхностно напрежение не зависят от повърхността на течностите.
Силите на повърхностно напрежение са склонни да свиват повърхността на филма. Следователно можем да запишем: (1.16.2)
По този начин коефициентът на повърхностно напрежение σ може да се дефинира като модула на силата на повърхностно напрежение, действаща върху единичната дължина на линията, ограничаваща повърхността ( ле дължината на тази линия).
Поради действието на силите на повърхностно напрежение в течните капчици и вътрешните сапунени мехурчета, свръхналягането Δ стр... Ако мислено изрежете сферична капка с радиус Рна две половини, то всяка от тях трябва да бъде в равновесие под действието на силите на повърхностно напрежение, приложени към границата на среза 2π Ри сили на свръхналягане, действащи върху площта π Р 2 секции (Фигура 1.16.1). Условието на равновесие се записва като
Близо до границата между течност, твърдо вещество и газ, формата на свободната повърхност на течността зависи от силите на взаимодействие на течните молекули с твърдите молекули (взаимодействието с молекулите на газ (или пара) може да се пренебрегне). Ако тези сили са по-големи от силите на взаимодействие между молекулите на самата течност, тогава течността мокриповърхност на твърдо тяло. В този случай течността се приближава към повърхността на твърдото тяло под определен остър ъгъл θ, който е характерен за дадената двойка течност - твърдо вещество. Ъгълът θ се нарича ъгъл на ръба... Ако силите на взаимодействие между молекулите на течността надвишават силите на тяхното взаимодействие с молекули на твърдо вещество, тогава контактният ъгъл θ се оказва тъп (фиг. 1.16.2 (2)). В този случай те казват, че течността не мокриповърхност на твърдо тяло. В противен случай (ъгъл - остър) течност мокриповърхност (Фигура 1.16.2 (1)). В пълно намокрянеθ = 0, за пълно ненамокрянеθ = 180°.
Капилярни явлениянаречено издигане или спадане на течност в тръби с малък диаметър - капиляри... Омокрящите течности се издигат през капилярите, а немокрите течности се спускат надолу.
Фигура 1.16.3 показва капилярна тръба с определен радиус rспуснат от долния си край в омокряща течност с плътност ρ. Горният край на капиляра е отворен. Покачването на течността в капиляра продължава, докато силата на гравитацията, действаща върху колоната на течността в капиляра, стане равна по големина на получената Ф n сили на повърхностно напрежение, действащи по границата между течността и капилярната повърхност: Ф t = Ф n, къде Ф t = mg = ρ зπ r 2 ж, Ф n = σ2π r cos θ.
Това предполага: 
При пълно намокряне θ = 0, cos θ = 1. В този случай
При пълно ненамокряне θ = 180 °, cos θ = –1 и следователно, з < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Водата почти напълно навлажнява чистата стъклена повърхност. Обратно, живакът не навлажнява напълно стъклената повърхност. Следователно нивото на живак в стъклената капиляра пада под нивото в съда.
Най-често срещаните познания за три агрегатни състояния: течно, твърдо, газообразно, понякога се сеща за плазма, по-рядко течен кристал. Наскоро в интернет се разпространи списък от 17 фази на вещество, взети от известния () Стивън Фрай. Затова ще ви разкажем повече за тях, т.к трябва да знаете малко повече за материята, дори само за да разберете по-добре процесите, протичащи във Вселената.
Списъкът с агрегатни състояния на материята, даден по-долу, се увеличава от най-студените до най-горещите и т.н. може да се продължи. В същото време трябва да се разбере, че степента на компресия на веществото и неговото налягане (с някои резерви за такива неизследвани хипотетични състояния като квантово, радиално или слабо симетрично) се увеличават от газообразното състояние (№ 11), най-"разтиснатото" от двете страни на списъка е показана визуална графика на фазовите преходи на материята.
1. Квант- агрегатното състояние на веществото, постигнато при понижаване на температурата до абсолютна нула, в резултат на което вътрешните връзки изчезват и материята се разпада на свободни кварки.
2. Бозе-Айнщайн кондензат- агрегатното състояние на материята, което се основава на бозони, охладени до температури, близки до абсолютната нула (по-малко от една милионна от градуса над абсолютната нула). В такова силно охладено състояние достатъчно голям брой атоми се оказват в минимално възможните си квантови състояния и квантовите ефекти започват да се проявяват на макроскопско ниво. Бозе-Айнщайн кондензат (често наричан "Бозе кондензат" или просто "гръб") възниква, когато охлаждате химичен елемент до изключително ниски температури (обикновено до температура малко над абсолютната нула, минус 273 градуса по Целзий, е теоретичната температура, при която всичко спира да се движи).
Тук започват да се случват напълно странни неща с веществото. Процесите, които обикновено се наблюдават само на атомно ниво, сега се извършват в достатъчно голям мащаб, за да бъдат наблюдавани с просто око. Например, ако поставите „подложката“ в чаша и осигурите необходимата температура, веществото ще започне да пълзи нагоре по стената и в крайна сметка ще излезе от само себе си.
Очевидно тук имаме работа с безполезен опит на субстанцията да понижи собствената си енергия (която вече е на най-ниското от всички възможни нива).
Забавянето на атомите с помощта на охладително оборудване води до единично квантово състояние, известно като Бозе кондензат или Бозе-Айнщайн кондензат. Това явление е предсказано през 1925 г. от А. Айнщайн в резултат на обобщение на работата на С. Бозе, където е изградена статистическа механика за частици, вариращи от безмасови фотони до атоми с маса (ръкописът на Айнщайн, който се счита за изгубен, е открит в библиотеката на университета в Лайден през 2005 г.). Резултатът от усилията на Бозе и Айнщайн беше концепцията за Бозе газ, подчиняващ се на статистиката на Бозе-Айнщайн, която описва статистическото разпределение на идентични частици с целочислен спин, наречени бозони. Бозоните, които са например и отделни елементарни частици - фотони, и цели атоми, могат да бъдат един с друг в едни и същи квантови състояния. Айнщайн предполага, че охлаждането на атомите - бозони до много ниски температури би ги принудило да преминат (или, с други думи, да кондензират) в възможно най-ниското квантово състояние. Резултатът от такава кондензация ще бъде появата на нова форма на материя.
Този преход се случва под критичната температура, която е за хомогенен триизмерен газ, състоящ се от невзаимодействащи частици без никакви вътрешни степени на свобода.
3. Фермионен кондензат- състояние на агрегиране на вещество, подобно на подложката, но различно по структура. Когато се приближават до абсолютната нула, атомите се държат различно в зависимост от големината на правилния ъглов импулс (спин). Бозоните имат целочислени завъртания, докато фермионите имат кратни на 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Фермионите се подчиняват на принципа на изключване на Паули, според който два фермиона не могат да имат едно и също квантово състояние. Няма такава забрана за бозоните и следователно те имат възможността да съществуват в едно квантово състояние и по този начин да образуват така наречения Бозе-Айнщайн кондензат. Образуването на този кондензат е отговорно за прехода към свръхпроводящо състояние.
Електроните имат спин 1/2 и следователно са фермиони. Те се комбинират в двойки (наречени двойки Купър), които след това образуват бозе кондензат.
Американски учени са се опитали да получат вид молекула от фермионни атоми с дълбоко охлаждане. Разликата от истинските молекули беше, че нямаше химическа връзка- те просто се движеха заедно, по корелиран начин. Връзката между атомите се оказала дори по-силна, отколкото между електроните в двойките на Купър. За образуваните двойки фермиони общият спин вече не е кратен на 1/2; следователно те вече се държат като бозони и могат да образуват бозе кондензат с едно квантово състояние. В хода на експеримента газ от атоми калий-40 се охлажда до 300 нанокелвина, докато газът се съдържа в така наречения оптичен капан. Тогава беше наложено външно магнитно поле, с помощта на което беше възможно да се промени естеството на взаимодействията между атомите - вместо силно отблъскване започна да се наблюдава силно привличане. Когато се анализира влиянието на магнитното поле, беше възможно да се намери неговата стойност, при която атомите започнаха да се държат като купърови двойки електрони. На следващия етап от експеримента учените предлагат да се получат ефектите на свръхпроводимостта за фермионния кондензат.
4. Свръхтечно вещество- състояние, в което веществото практически няма вискозитет и по време на поток не изпитва триене с твърда повърхност. Последствието от това е например такъв интересен ефект като пълното спонтанно "пълзене" на свръхтечен хелий от съда по стените му срещу силата на гравитацията. Разбира се, няма нарушение на закона за запазване на енергията. При липса на сили на триене върху хелия действат само гравитацията, силите на междуатомното взаимодействие между хелия и стените на съда и между хелиевите атоми. И така, силите на междуатомното взаимодействие превишават всички други сили, взети заедно. В резултат на това хелият има тенденция да се разпространява възможно най-много по всички възможни повърхности и следователно "пътува" по стените на съда. През 1938 г. съветският учен Пьотр Капица доказва, че хелият може да съществува в свръхтечно състояние.
Струва си да се отбележи, че много от необичайните свойства на хелия са известни от доста време. Въпреки това през последните години този химичен елемент ни „разглези“ с интересни и неочаквани ефекти. И така, през 2004 г. Моузес Чан и Юн-Сионг Ким от Университета на Пенсилвания заинтригуваха научния свят с твърдението, че са успели да получат напълно ново състояние на хелий - свръхтечно твърдо вещество. В това състояние някои хелиеви атоми в кристалната решетка могат да текат около други и по този начин хелият може да тече през себе си. Ефектът на "свръхтвърдостта" е теоретично предсказан още през 1969 г. И сега през 2004 г. – сякаш беше експериментално потвърждение. По-късните и много интересни експерименти обаче показаха, че не всичко е толкова просто и може би такова тълкуване на явлението, което преди беше взето за свръхтечността на твърд хелий, е неправилно.
Експериментът на учени, водени от Хъмфри Марис от университета Браун в САЩ, беше прост и елегантен. Учените поставиха епруветка с главата надолу в затворен резервоар с течен хелий. Част от хелия в епруветката и в резервоара е замръзнал по такъв начин, че границата между течност и твърдо вещество вътре в епруветката е по-висока, отколкото в резервоара. С други думи, в горната част на епруветката имаше течен хелий, в долната част - твърд, той плавно премина в твърдата фаза на резервоара, върху който беше излято малко течен хелий - по-ниско от нивото на течността в епруветката. Ако течният хелий започне да прониква през твърдо вещество, тогава разликата в нивата ще намалее и тогава можем да говорим за твърд свръхтечен хелий. И по принцип в три от 13-те експеримента разликата в нивата всъщност намаля.
5. Свръхтвърдо вещество- агрегатно състояние, в което материята е прозрачна и може да "тече" като течност, но всъщност е лишена от вискозитет. Такива течности са известни от много години и се наричат свръхфлуиди. Факт е, че ако свръхфлуидът се разбърква, той ще циркулира почти завинаги, докато нормалната течност в крайна сметка ще се успокои. Първите две свръхфлуиди са създадени от изследователите с помощта на хелий-4 и хелий-3. Те бяха охладени до почти абсолютна нула - до минус 273 градуса по Целзий. И от хелий-4 американски учени успяха да получат свръхтвърдо тяло. Те компресирали замразения хелий с повече от 60 пъти налягане и след това стъклото, напълнено с веществото, било поставено върху въртящ се диск. При температура от 0,175 градуса по Целзий дискът изведнъж започна да се върти по-свободно, което според учените показва, че хелият се е превърнал в супертяло.
6. Твърди- агрегатното състояние на материята, характеризиращо се със стабилността на формата и естеството на топлинното движение на атомите, които извършват малки вибрации около равновесните позиции. Стабилното състояние на твърдите вещества е кристално. Разграничаване на твърди тела с йонни, ковалентни, метални и други видове връзки между атомите, което определя разнообразието от техните физически свойства. Електрическите и някои други свойства на твърдите тела се определят главно от естеството на движението на външните електрони на неговите атоми. Според своите електрически свойства твърдите тела се делят на диелектрици, полупроводници и метали, според магнитните си свойства - на диамагнети, парамагнети и тела с подредена магнитна структура. Изследването на свойствата на твърдите тела се обедини в голяма област - физика на твърдото тяло, чието развитие се стимулира от нуждите на технологиите.
7. Аморфно твърдо вещество- кондензирано агрегатно състояние на материята, характеризиращо се с изотропност на физичните свойства поради неуреденото подреждане на атомите и молекулите. В аморфните твърди тела атомите вибрират около произволно разположени точки. За разлика от кристалното състояние, преходът от твърдо аморфно към течно състояние става постепенно. В аморфно състояние са различни вещества: стъкла, смоли, пластмаси и др.
8. Течен кристалТова е специфично агрегатно състояние на вещество, в което то едновременно проявява свойствата на кристал и течност. Веднага е необходимо да се направи резервация, че не всички вещества могат да бъдат в течнокристално състояние. Някои обаче органична материяпритежаващи сложни молекули могат да образуват специфично агрегатно състояние - течен кристал. Това състояние възниква, когато кристалите на някои вещества се стопят. Когато се стопят, се образува течнокристална фаза, която се различава от обикновените течности. Тази фаза съществува в диапазона от точката на топене на кристала до някаква по-висока температура, при нагряване до която течният кристал се превръща в обикновена течност.
По какво се различава течният кристал от течния и обикновения кристал и как е подобен на тях? Подобно на обикновената течност, течният кристал е течен и приема формата на съд, в който е поставен. По това се различава от кристалите, познати на всички. Но въпреки това свойство, което го обединява с течност, той има свойство, характерно за кристалите. Това е подреждането в пространството на молекулите, които образуват кристала. Вярно е, че това подреждане не е толкова пълно, колкото при обикновените кристали, но въпреки това значително влияе върху свойствата на течните кристали, което ги отличава от обикновените течности. Непълното пространствено подреждане на молекулите, които образуват течен кристал, се проявява във факта, че в течните кристали няма пълен ред в пространственото подреждане на центровете на тежестта на молекулите, въпреки че може да има частичен ред. Това означава, че те нямат твърда кристална решетка. Следователно течните кристали, подобно на обикновените течности, имат свойството на течливост.
Необходим имоттечните кристали, приближавайки ги до обикновените кристали, е наличието на реда на пространствената ориентация на молекулите. Този ред в ориентацията може да се прояви например във факта, че всички дълги оси на молекули в пробата от течен кристал са ориентирани по същия начин. Тези молекули трябва да имат удължена форма... В допълнение към най-простото наименовано подреждане на молекулярните оси, в течен кристал може да се реализира по-сложен ориентационен ред на молекулите.
В зависимост от вида на подреждането на молекулярните оси, течните кристали се делят на три вида: нематични, смектични и холестерични.
Изследванията във физиката на течните кристали и тяхното приложение в момента се извършват на широк фронт във всички най-развити страни по света. Домашните изследвания са концентрирани както в академични, така и в промишлени изследователски институции и имат дълга традиция. Творбите на В.К. Фредерик до V.N. Цветкова. През последните години на енергично изследване на течните кристали руските изследователи също имат значителен принос в развитието на теорията на течните кристали като цяло и по-специално на оптиката на течните кристали. Така произведенията на И.Г. Чистякова, A.P. Капустина, С.А. Бразовски, С.А. Пикина, Л.М. Блинов и много други съветски изследователи са широко известни на научната общност и служат като основа за редица ефективни технически приложения на течните кристали.
Съществуването на течните кристали е установено много отдавна, а именно през 1888 г., тоест преди почти век. Въпреки че учените са били изправени пред това състояние на материята преди 1888 г., то е официално открито по-късно.
Първият открил течните кристали е австрийският ботаник Райницер. Изследвайки новото вещество, което той синтезира, холестерил бензоат, той установи, че при температура от 145 ° C кристалите на това вещество се топят, образувайки мътна течност, силно разсейваща светлина. Тъй като нагряването продължава, при достигане на температура от 179 ° C, течността се избистря, тоест започва да се държи оптически като обикновена течност, например вода. Холестерил бензоатът проявява неочаквани свойства в мътна фаза. Изследвайки тази фаза под поляризационен микроскоп, Рей-ницер открива, че има двойно пречупване. Това означава, че показателят на пречупване на светлината, тоест скоростта на светлината в тази фаза, зависи от поляризацията.
9. Течност- състояние на агрегиране на вещество, което съчетава характеристиките на твърдо състояние (задържане на обем, определена якост на опън) и газообразно (променливост на формата). Течността се характеризира с близък ред в подреждането на частици (молекули, атоми) и малка разлика в кинетичната енергия на топлинното движение на молекулите и тяхната потенциална енергия на взаимодействие. Термичното движение на течните молекули се състои от трептения около равновесните позиции и относително редки скокове от едно равновесно положение в друго, което е свързано с течливостта на течността.
10. Свръхкритична течност(SCF) - състояние на агрегиране на вещество, при което разликата между течната и газовата фаза изчезва. Всяко вещество при температура и налягане над критичната точка е свръхкритична течност. Свойствата на веществото в свръхкритично състояние са междинни между свойствата му в газова и течна фаза. И така, SCF има висока плътност, близка до течност, и нисък вискозитет, като газовете. В този случай коефициентът на дифузия има междинна стойност между течност и газ. Свръхкритичните вещества могат да се използват като заместители на органичните разтворители в лабораторни и промишлени процеси. Свръхкритичната вода и свръхкритичният въглероден диоксид са получили най-голям интерес и разпространение във връзка с определени свойства.
Едно от най-важните свойства на свръхкритичното състояние е способността да разтваря вещества. Променяйки температурата или налягането на течността, можете да промените нейните свойства в широк диапазон. Така че можете да получите течност, която е близка по свойства до течност или газ. По този начин способността за разтваряне на течността се увеличава с увеличаване на плътността (при постоянна температура). Тъй като плътността се увеличава с увеличаване на налягането, промяната на налягането може да повлияе на способността за разтваряне на течността (при постоянна температура). В случай на температура, завистта на свойствата на флуида е малко по-сложна - при постоянна плътност, способността за разтваряне на течността също се увеличава, но близо до критичната точка, леко повишаване на температурата може да доведе до рязко спад в плътността и съответно в способността за разтваряне. Свръхкритичните течности се смесват помежду си за неопределено време, следователно, когато се достигне критичната точка на сместа, системата винаги ще бъде еднофазна. Приблизителната критична температура на бинарна смес може да се изчисли като средноаритметично от критичните параметри на веществата Tc (mix) = (молна фракция A) x TcA + (молна фракция B) x TcB.
11. Газообразна- (френски gaz, от гръцки chaos - хаос), състояние на агрегация на материята, при което кинетичната енергия на топлинното движение на нейните частици (молекули, атоми, йони) значително надвишава потенциалната енергия на взаимодействията между тях, и следователно частиците се движат свободно, запълвайки равномерно целия обем, предоставен им при липса на външни полета.
12. Плазма- (от гръцки. Plasma - изваяна, оформена), състоянието на материята, което е йонизиран газ, при което концентрациите на положителните и отрицателните заряди са равни (квазинеутралитет). По-голямата част от веществото на Вселената е в състояние на плазма: звезди, галактически мъглявини и междузвездна среда. Плазмата съществува близо до Земята под формата на слънчев вятър, магнитосфера и йоносфера. Високотемпературна плазма (T ~ 106-108K) от смес от деутерий и тритий се изследва с цел контролиран термоядрен синтез. Нискотемпературната плазма (T Ј 105K) се използва в различни газоразрядни устройства (газови лазери, йонни устройства, MHD генератори, плазмотрони, плазмени двигатели и др.), както и в технологиите (виж Плазмена металургия, Плазмено пробиване, Плазма технология)...
13. Дегенерирана субстанция- е междинен етап между плазмата и неутрония. Наблюдава се при белите джуджета и играе важна роля в еволюцията на звездите. Когато атомите са под изключително високи температури и налягания, те губят своите електрони (те отиват в електронен газ). С други думи, те са напълно йонизирани (плазма). Налягането на такъв газ (плазма) се определя от налягането на електроните. Ако плътността е много висока, всички частици са принудени да се приближат една към друга. Електроните могат да бъдат в състояния с определени енергии, а два електрона не могат да имат еднаква енергия (освен ако спиновете им не са противоположни). Така в плътен газ всички по-ниски енергийни нива са запълнени с електрони. Такъв газ се нарича изроден. В това състояние електроните проявяват дегенерирано електронно налягане, което се противопоставя на силите на гравитацията.
14. Неутроний- агрегатното състояние, в което материята преминава при свръхвисоко налягане, което е недостижимо в лабораторията, но съществува вътре в неутронните звезди. По време на прехода в неутронно състояние електроните на веществото взаимодействат с протони и се превръщат в неутрони. В резултат на това веществото в неутронно състояние се състои изцяло от неутрони и има плътност от порядъка на ядрената. В този случай температурата на веществото не трябва да е твърде висока (в енергиен еквивалент не повече от сто MeV).
При силно повишаване на температурата (стотици MeV и повече) започват да се произвеждат и унищожават различни мезони в неутронно състояние. При по-нататъшно повишаване на температурата настъпва деконфиниране и веществото преминава в състояние на кварк-глюонна плазма. Той вече не се състои от адрони, а от кварки и глуони, които непрекъснато се раждат и изчезват.
15. Кварк-глюонна плазма(хромоплазма) - агрегатното състояние на материята във физиката на високите енергии и физиката на елементарните частици, при което адронната материя преминава в състояние, подобно на състоянието, в което се намират електроните и йоните в обикновената плазма.
Обикновено материята в адроните е в така нареченото безцветно ("бяло") състояние. Тоест кварките с различни цветове взаимно се компенсират. Обикновената материя има подобно състояние - когато всички атоми са електрически неутрални, т.е.
положителните заряди в тях се компенсират с отрицателни. При високи температури може да настъпи йонизация на атомите, докато зарядите се разделят и веществото става, както се казва, "квазинеутрално". Тоест целият облак от материя като цяло остава неутрален, а отделните му частици престават да бъдат неутрални. Точно същото, очевидно, може да се случи и с адронната материя – при много високи енергии цветът се освобождава и прави материята „квазибезцветна“.
Предполага се, че веществото на Вселената е било в състояние на кварк-глюонна плазма в първите моменти след Големия взрив. Сега кварк-глюонната плазма може да се образува за кратко време от сблъсъци на частици с много високи енергии.
Кварк-глюонната плазма е получена експериментално в ускорителя RHIC в Националната лаборатория в Брукхейвън през 2005 г. Максималната температура на плазмата от 4 трилиона градуса по Целзий е получена там през февруари 2010 г.
16. Странна субстанция- агрегатното състояние, при което материята се компресира до пределните стойности на плътност, тя може да съществува под формата на "кваркова супа". Един кубичен сантиметър материя в това състояние ще тежи милиарди тонове; освен това, той ще трансформира всяко нормално вещество, с което влиза в контакт, в същата "странна" форма с освобождаване на значително количество енергия.
Енергията, която може да се освободи по време на трансформацията на материята на ядрото на звездата в "странна материя", ще доведе до свръхмощна експлозия на "кварковата нова" - и, според Лихи и Уайд, неговите астрономи са наблюдавали през септември 2006г.
Процесът на образуване на това вещество започна с обикновена свръхнова, в която се превърна масивна звезда. В резултат на първата експлозия се образува неутронна звезда. Но, според Лихи и Уйед, той не продължи дълго - тъй като въртенето му изглеждаше забавено от собственото му магнитно поле, то започна да се свива още повече, с образуването на съсирек от "странна материя", което доведе до още по-мощно, отколкото при обикновена експлозия на свръхнова, освобождаването на енергия - и външните слоеве на веществото на бившата неутронна звезда, разпръсквайки се в околното пространство със скорост, близка до скоростта на светлината.
17. Силно симетрично веществоДали веществото е компресирано до такава степен, че микрочастиците вътре в него се наслояват една върху друга и самото тяло се срива в Черна дупка... Терминът „симетрия“ се обяснява по следния начин: Да вземем агрегатните състояния на материята, познати на всички от училище – твърдо, течно, газообразно. За определеност разгледайте идеалния безкраен кристал като твърдо тяло. Той има известна така наречена дискретна симетрия по отношение на прехвърлянето. Това означава, че ако преместите кристалната решетка на разстояние, равно на интервала между два атома, нищо няма да се промени в нея - кристалът ще съвпадне със себе си. Ако кристалът се разтопи, тогава симетрията на получената течност ще бъде различна: тя ще се увеличи. В кристала са еквивалентни само точки, които са отдалечени една от друга на определени разстояния, така наречените възли на кристалната решетка, в които има еднакви атоми.
Течността е хомогенна по целия си обем, всичките й точки са неразличими една от друга. Това означава, че течността може да бъде изместена на произволно разстояние (а не само на някакво дискретно, както е в кристал) или да се завърти на произволни ъгли (което изобщо не може да се направи в кристалите) и тя ще съвпада със себе си. Степента на неговата симетрия е по-висока. Газът е още по-симетричен: течността заема определен обем в съда и асиметрия се наблюдава вътре в съда, където има течност, и точки, където не е. Газът заема целия предоставен му обем и в този смисъл всички негови точки са неразличими една от друга. Но тук би било по-правилно да се говори не за точки, а за малки, но макроскопични елементи, защото все още има разлики на микроскопично ниво. В някои моменти в даден момент има атоми или молекули, докато други не. Симетрията се наблюдава само средно, или при някои макроскопични параметри на обема, или във времето.
Но все още няма мигновена симетрия на микроскопично ниво. Ако веществото се компресира много силно, до натиск, който е неприемлив в ежедневието, компресирайте така, че атомите да бъдат смачкани, черупките им да проникнат една в друга и ядрата започнаха да се докосват, възниква симетрия на микроскопично ниво. Всички ядра са еднакви и притиснати едно към друго, липсват не само междуатомни, но и междуядрени разстояния и веществото става хомогенно (странно вещество).
Но има и субмикроскопично ниво. Ядрата са съставени от протони и неутрони, които се движат вътре в ядрото. Между тях също има малко пространство. Ако продължите да стискате, така че ядрата също да бъдат смачкани, нуклоните ще бъдат плътно притиснати един към друг. Тогава на субмикроскопично ниво ще се появи симетрия, която дори не е вътре в обикновените ядра.
От казаното се вижда една съвсем определена тенденция: колкото по-висока е температурата и по-високо налягане, толкова по-симетрично става веществото. Въз основа на тези съображения, веществото, компресирано до максимум, се нарича силно симетрично.
18. Слабо симетрично вещество- състояние, противоположно на силно симетрично вещество по своите свойства, което е присъствало в много ранна Вселена при температура, близка до температурата на Планк, може би 10-12 секунди след Големия взрив, когато силните, слабите и електромагнитните сили са били единични суперсила. В това състояние материята се компресира до такава степен, че нейната маса се превръща в енергия, която започва да влияе, тоест да се разширява безкрайно. Все още не е възможно да се достигнат енергии за експериментално получаване на суперсила и прехвърляне на материя в тази фаза при земни условия, въпреки че такива опити са правени в Големия адронен колайдер с цел изследване на ранната Вселена. Поради липсата на гравитационно взаимодействие в състава на свръхсилата, която образува това вещество, суперсилата не е достатъчно симетрична в сравнение със суперсиметричната сила, която съдържа всичките 4 вида взаимодействия. Следователно това агрегатно състояние е получило такова име.
19. Гредова материя- това всъщност изобщо не е вещество, а енергия в чист вид. Въпреки това, това е хипотетично състояние на агрегация, което тялото ще приеме, когато достигне скоростта на светлината. Може да се получи и чрез нагряване на тялото до температурата на Планк (1032K), тоест чрез ускоряване на молекулите на веществото до скоростта на светлината. Както следва от теорията на относителността, когато се достигне скорост над 0,99 s, масата на тялото започва да расте много по-бързо, отколкото при "нормално" ускорение, освен това тялото се удължава, загрява, тоест започва да излъчват в инфрачервения спектър. При преминаване на прага от 0,999 s, тялото се променя драстично и започва бърз фазов преход до състояние на лъча. Както следва от формулата на Айнщайн, взета в пълна форма, нарастващата маса на крайното вещество се състои от маси, които са отделени от тялото под формата на топлинно, рентгеново, оптично и друго лъчение, енергията на всяка от които е описана до следващия член във формулата. По този начин тяло, което се приближава до скоростта на светлината, ще започне да излъчва във всички спектри, да расте по дължина и да се забавя във времето, изтънявайки до дължината на Планк, тоест при достигане на скоростта c тялото ще се превърне в безкрайно дълго и тънък лъч, движещ се със скоростта на светлината и състоящ се от фотони, които нямат дължина, и неговата безкрайна маса ще се трансформира напълно в енергия. Следователно такова вещество се нарича лъч.
Състояние на материята
Вещество- реално съществуващ набор от частици, свързани помежду си чрез химични връзки и при определени условия в едно от агрегатните състояния. Всяко вещество се състои от съвкупност от много голям брой частици: атоми, молекули, йони, които могат да се комбинират помежду си в асоциати, наричани още агрегати или клъстери. В зависимост от температурата и поведението на частиците в асоциати (взаимното подреждане на частиците, техния брой и взаимодействие в асоциати, както и разпределението на асоциатите в пространството и взаимодействието им помежду си), веществото може да бъде в две основни състояния на агрегиране - кристален (твърд) или газообразен,и в преходни състояния на агрегиране - аморфен (твърд), течен кристал, течност и пара.Твърдите, течни кристали и течните агрегатни състояния са кондензирани, а парните и газообразните състояния са силно разредени.
ФазаПредставлява набор от хомогенни микрорегиони, характеризиращи се със същата подредба и концентрация на частици и затворени в макроскопичен обем на вещество, ограничено от границата. В това разбиране фазата е характерна само за вещества в кристално и газообразно състояние, т.к това са хомогенни агрегатни състояния.
МетафазаПредставлява набор от различни микрорегиони, които се различават една от друга по степента на подреждане на частиците или тяхната концентрация и са затворени в макроскопичен обем на вещество, ограничен от границата. В това разбиране метафазата е характерна само за вещества в хетерогенни преходни агрегатни състояния. Различни фази и метафази могат да се смесват помежду си, образувайки едно агрегатно състояние и тогава между тях няма интерфейс.
Обикновено понятията "основни" и "преходни" агрегатни състояния не се разделят. Понятията "състояние на агрегиране", "фаза" и "мезофаза" често се използват взаимозаменяемо. Препоръчително е да се разгледат пет възможни агрегатни състояния за състоянието на веществата: твърд, течен кристал, течност, пара, газообразен.Преходът от една фаза към друга фаза се нарича фазов преход от първи и втори ред. Фазовите преходи от първия вид се характеризират с:
Рязка промяна във физическото величие, описваща състоянието на материята (обем, плътност, вискозитет и др.);
Определена температура, при която настъпва този фазов преход
Известна топлина, която характеризира този преход, т.к междумолекулните връзки се прекъсват.
Фазови преходи от първи вид се наблюдават при прехода от едно агрегатно състояние към друго агрегатно състояние. Фазовите преходи от втория вид се наблюдават с промяна в подреждането на частиците в едно агрегатно състояние, характеризиращо се с:
Постепенна промяна във физичните свойства на веществото;
Промени в подреждането на частиците на веществото под въздействието на градиент на външни полета или при определена температура, наречена температура на фазовия преход;
Топлината на фазовите преходи от втори ред е равна и близка до нула.
Основната разлика между фазовите преходи от първи и втори ред е, че по време на преходи от първи ред се променя преди всичко енергията на частиците на системата, а в случай на преходи от втори ред, подреждането на частиците на системата.
Преходът на вещество от твърдо състояние в течно се нарича топенеи се характеризира с точка на топене. Преходът на вещество от течно в парно състояние се нарича изпаряванеи се характеризира с точка на кипене. За някои вещества с ниско молекулно тегло и слабо междумолекулно взаимодействие е възможен директен преход от твърдо в парно състояние, заобикаляйки течното състояние. Този преход се нарича сублимация.Всички тези процеси могат да протичат и в обратна посока: тогава те се наричат замръзване, кондензация, десублимация.
Веществата, които не се разлагат по време на топене и кипене, могат да бъдат в зависимост от температурата и налягането и в четирите агрегатни състояния.
В твърдо състояние
При достатъчно ниска температура почти всички вещества са в твърдо състояние. В това състояние разстоянието между частиците на веществото е сравнимо с размера на самите частици, което осигурява тяхното силно взаимодействие и значително превишаване на потенциалната им енергия над кинетичната енергия .. Движението на частиците на твърдо вещество е ограничено само чрез незначителни вибрации и завъртания спрямо позицията, която заемат, и те нямат транслационно движение ... Това води до вътрешна подреденост в подреждането на частиците. Следователно твърдите тела се характеризират със собствена форма, механична якост, постоянен обем (те са практически несвиваеми). В зависимост от степента на подреденост на частиците твърдите тела се разделят на кристални и аморфни.
Кристалните вещества се характеризират с наличието на ред в подреждането на всички частици. Твърдата фаза на кристалните вещества се състои от частици, които образуват хомогенна структура, характеризираща се със стриктна повторяемост на една и съща елементарна клетка във всички посоки. Единичната клетка на кристала характеризира триизмерната периодичност в подреждането на частиците, т.е. неговата кристална решетка. Кристалните решетки се класифицират според вида на частиците, които изграждат кристала, и естеството на силите на привличане между тях.
Много кристални вещества, в зависимост от условията (температура, налягане), могат да имат различна кристална структура. Това явление се нарича полиморфизъм.Добре известни полиморфни модификации на въглерода: графит, фулерен, диамант, карбин.
Аморфни (безформени) вещества.Това състояние е типично за полимерите. Дългите молекули лесно се огъват и преплитат с други молекули, което води до неправилно подреждане на частиците.
Разликата между аморфни и кристални частици:
изотропия - еднакви физични и химични свойства на тяло или среда във всички посоки, т.е. независимост на имотите от посоката;
няма фиксирана точка на топене.
Стъклото, разтопеният силициев диоксид и много полимери имат аморфна структура. Аморфните вещества са по-малко стабилни от кристалните и следователно всяко аморфно тяло може в крайна сметка да премине в енергийно по-стабилно състояние - кристално.
Течно състояние
С повишаване на температурата енергията на топлинните вибрации на частиците се увеличава и за всяко вещество има температура, от която енергията на топлинните вибрации надвишава енергията на връзките. Частиците могат да извършват различни движения, като се движат една спрямо друга. Те все още остават в контакт, въпреки че е нарушена правилната геометрична структура на частиците - веществото съществува в течно състояние. Поради подвижността на частиците, течното състояние се характеризира с броуново движение, дифузия и летливост на частиците. Важно свойство на флуида е вискозитетът, който характеризира междуасоциативните сили, които пречат на свободния поток на флуида.
Течностите заемат междинно положение между газообразното и твърдото състояние на веществата. По-подредена структура от газ, но по-малко от твърда.
Пара и газообразно състояние
Паро-газообразното състояние обикновено не се разграничава.
Газ - това е силно разредена хомогенна система, състояща се от отделни молекули, отдалечени една от друга, която може да се разглежда като единична динамична фаза.
Steam - това е силно разредена нехомогенна система, която е смес от молекули и нестабилни малки асоциати, състоящи се от тези молекули.
Молекулно-кинетична теория обяснява свойствата на идеалния газ, въз основа на следните положения: молекулите извършват непрекъснато произволно движение; обемът на газовите молекули е незначителен в сравнение с междумолекулните разстояния; силите на привличане или отблъскване не действат между газовите молекули; средната кинетична енергия на газовите молекули е пропорционална на неговата абсолютна температура. Поради незначителност на силите на междумолекулно взаимодействие и наличието на голям свободен обем, газовете се характеризират с висока скорост на топлинно движение и молекулярна дифузия, желание на молекулите да заемат възможно най-голям обем, както и висока свиваемост.
Изолирана газофазна система се характеризира с четири параметъра: налягане, температура, обем, количество вещество. Връзката между тези параметри се описва с уравнението на състоянието на идеалния газ:
R = 8,31 kJ / mol - универсална газова константа.
В този раздел ще разгледаме агрегатни състояния, в който се намира заобикалящата материя и силите на взаимодействие между частиците на материята, присъщи на всяко едно от агрегатните състояния.
1. В твърдо състояние,
2. Течно състояниеи
3. Газообразно състояние.
Често се разграничава четвъртото състояние на агрегация - плазма.
Понякога състоянието на плазмата се счита за вид газообразно състояние.
Плазма - частично или напълно йонизиран газ, най-често съществуващи при високи температури.
плазмае най-разпространеното състояние на материята във Вселената, тъй като материята на звездите е в това състояние.
За всеки агрегатно състояниехарактерни особености в естеството на взаимодействието между частиците на веществото, което се отразява на неговите физични и химични свойства.
Всяко вещество може да бъде в различни агрегатни състояния. При достатъчно ниски температури всички вещества са вътре в твърдо състояние... Но като се нагорещят, стават течности, тогава газове... При по-нататъшно нагряване те йонизират (атомите губят част от своите електрони) и преминават в състояние плазма.
Газ
Газообразно състояние(от холандски.gas, се връща към древногръцкия. Χάος ) характеризиращ се с много слаби връзки между съставните му частици.
Молекулите или атомите, образуващи газа, се движат хаотично и през по-голямата част от времето са на големи (в сравнение с техния размер) разстояния един от друг. Следователно силите на взаимодействие между газовите частици са незначителни.
Основната характеристика на газае, че запълва цялото налично пространство, без да образува повърхност. Газовете винаги се смесват. Газът е изотропно вещество, тоест свойствата му са независими от посоката.
При липса на гравитационни сили наляганевъв всички точки на газа еднакво. В полето на гравитационните сили, плътността и налягането не са еднакви във всяка точка, намалявайки с височината. Съответно, в полето на гравитацията газовата смес става нехомогенна. Тежки газовеса склонни да потъват по-ниско и повече бели дробове- да се качи.
Газът има висока свиваемост- с увеличаване на налягането, неговата плътност се увеличава. Когато температурата се повиши, те се разширяват.
При компресия газът може да се превърне в течност, но кондензация не настъпва при никаква температура, а при температура под критичната. Критичната температура е характеристика на конкретен газ и зависи от силите на взаимодействие между неговите молекули. Така, например, газ хелийможе да се втечнява само при по-ниски температури 4.2K.
Има газове, които при охлаждане преминават в твърдо вещество, заобикаляйки течната фаза. Превръщането на течност в газ се нарича изпаряване, а директното превръщане на твърдо вещество в газ е сублимация.
Солиден
В твърдо състояниев сравнение с други агрегатни състояния характеризира се със стабилност на формата.
Разграничаване кристалнаи аморфни твърди вещества.
Кристално състояние на материята
Стабилността на формата на твърдите тела се дължи на факта, че повечето от тези в твърдо състояние имат кристална структура.
В този случай разстоянията между частиците на веществото са малки, а силите на взаимодействие между тях са големи, което определя стабилността на формата.
Лесно е да се убедите в кристалната структура на много твърди вещества, като разделите парче материя и изследвате получената фрактура. Обикновено при счупване (например в захар, сяра, метали и др.) ясно се виждат малки кристални лица, разположени под различни ъгли, които блестят поради различното отражение на светлината от тях.
В случаите, когато кристалите са много малки, кристалната структура на веществото може да се установи с помощта на микроскоп.
Кристални форми
Всяко вещество се образува кристалис напълно определена форма.
Разнообразието от кристални форми може да се обобщи в седем групи:
1. Триклинна(паралелепипед),
2.Моноклиника(призма с паралелограм в основата),
3. ромбичен(правоъгълен паралелепипед),
4. Тетрагонална(правоъгълен паралелепипед с квадрат в основата),
5. Тригонална,
6. Шестоъгълна(призма с основата на правилно центрирана
шестоъгълник),
7. кубичен(куб).
Много вещества, по-специално желязо, мед, диамант, натриев хлорид, кристализират кубична система... Най-простите форми на тази система са куб, октаедър, тетраедър.
В него кристализират магнезий, цинк, лед, кварц шестоъгълна система... Основните форми на тази система са - шестостенни призми и бипирамида.
Естествените кристали, както и кристалите, получени по изкуствен начин, рядко отговарят точно на теоретичните форми. Обикновено, когато разтопеното вещество се втвърди, кристалите растат заедно и затова формата на всеки от тях се оказва не напълно правилна.
Въпреки това, колкото и неравномерно да се развива кристалът, колкото и да е изкривена формата му, ъглите, под които се събират лицата на кристала за едно и също вещество, остават постоянни.
Анизотропия
Характеристиките на кристалните тела не се ограничават само до формата на кристалите. Въпреки че веществото в кристала е напълно хомогенно, много от неговите физически свойства – здравина, топлопроводимост, отношение към светлината и т.н. – не винаги са еднакви в различни посоки в рамките на кристала. Тази важна характеристика на кристалните вещества се нарича анизотропия.
Вътрешна структура на кристалите. Кристални решетки.
Външната форма на кристала отразява вътрешната му структура и се дължи на правилното подреждане на частиците, които изграждат кристала – молекули, атоми или йони.
Тази подредба може да бъде представена като кристална решетка- решетъчна рамка, образувана от пресичащи се прави линии. В точките на пресичане на линиите - решетъчни възли- центровете на частиците лежат.
В зависимост от естеството на частиците, разположени в възлите на кристалната решетка, и от това какви сили на взаимодействие между тях преобладават в даден кристал, се разграничават следните видове кристални решетки:
1.молекулярна,
2.атомни,
3.йонени
4.метални.
Молекулните и атомните решетки са присъщи на вещества с ковалентна връзка, йонно - йонни съединения, метал - метали и техните сплави.
Атомите са във възлите на атомните решетки... Те са свързани помежду си ковалентна връзка.
Има сравнително малко вещества с атомни решетки. Те включват диамант, силицийи някои неорганични съединения.
Тези вещества се характеризират с висока твърдост, те са огнеупорни и неразтворими в почти всички разтворители. Тези свойства се дължат на тяхната здравина ковалентна връзка.
Молекулите са разположени на местата на молекулярните решетки... Те са свързани помежду си междумолекулни сили.
Има много вещества с молекулярна решетка. Те включват неметали, с изключение на въглерод и силиций, всички органични съединенияс нейонна комуникация и много неорганични съединения.
Силите на междумолекулното взаимодействие са много по-слаби от силите на ковалентните връзки, поради което молекулярните кристали имат ниска твърдост, топими и летливи.
На местата на йонните решетки са подредени, редуващи се положително и отрицателно заредени йони... Те са свързани един с друг със сили електростатично привличане.
Съединенията с йонни връзки, които образуват йонни решетки, включват повечето соли и малко оксиди.
По сила йонни решеткипо-нисък от атомния, но превишаващ молекулярния.
Йонните съединения имат относително високи точки на топене. В повечето случаи тяхната волатилност не е голяма.
На местата на металните решетки има метални атоми, между които се движат свободно електрони, общи за тези атоми.
Наличието на свободни електрони в кристалните решетки на металите може да обясни многото им свойства: пластичност, ковкост, метален блясък, висока електрическа и топлопроводимост
В кристалите има вещества, чиито два вида взаимодействия между частиците играят значителна роля. Така че в графита въглеродните атоми са свързани един с друг в едни и същи посоки. ковалентна връзка, а в други - метални... Следователно графитната решетка може да се разглежда като атомен, И как метални.
В много неорганични съединения, например в BeO, ZnS, CuCl, връзката между частиците, разположени във възлите на решетката, е частично йоннаи частично ковалентен... Следователно решетките на такива съединения могат да се разглеждат като междинни между тях йоннаи атомен.
Аморфно състояние на материята
Свойства на аморфните вещества
Сред твърдите тела има такива, в чието счупване не се откриват следи от кристали. Например, ако напукате парче обикновено стъкло, тогава счупването му ще бъде гладко и за разлика от кристалните счупвания е ограничено не до плоски, а до овални повърхности.
Подобен модел се наблюдава при разцепване на парчета смола, лепило и някои други вещества. Това състояние на материята се нарича аморфен.
Разлики между кристалнаи аморфентела е особено изразено в отношението им към отоплението.
Докато кристалите на всяко вещество се топят при строго определена температура и при същата температура има преход от течно към твърдо състояние, аморфните тела нямат постоянна точка на топене... При нагряване аморфното тяло постепенно омеква, започва да се разпространява и накрая става напълно течно. Когато се охлади, също постепенно се втвърдява.
Поради липсата на специфична точка на топене, аморфните тела имат различна способност: много от тях текат като течности, т.е. при продължително действие на относително малки сили те постепенно променят формата си. Например, парче смола, положено върху равна повърхност, се разпространява в продължение на няколко седмици в топла стая, приемайки формата на диск.
Структурата на аморфните вещества
Разлики между кристални и аморфнисъстоянието на материята е както следва.
Подредено подреждане на частици в кристалотразената от единичната клетка се задържа върху големи площи от кристали, а в случай на добре оформени кристали - в тяхната цялост.
V аморфни теласе наблюдава само подреденост в подреждането на частиците в много малки площи... Освен това в редица аморфни тела дори това локално подреждане е само приблизително.
Това разграничение може да се обобщи по следния начин:
- кристалната структура се характеризира с далечен ред,
- структурата на аморфните тела - към съседите.
Примери за аморфни вещества.
Стабилните аморфни вещества включват стъклена чаша(изкуствени и вулканични), естествени и изкуствени смоли, лепила, парафин, восъки т.н.
Преход от аморфно към кристално състояние.
Някои вещества могат да бъдат както в кристално, така и в аморфно състояние. Силициев диоксид SiO2се среща естествено като добре образовани кварцови кристали, както и в аморфно състояние ( минерален кремък).
При което кристалното състояние винаги е по-стабилно... Следователно спонтанен преход от кристално вещество в аморфно е невъзможен, а обратната трансформация - спонтанен преход от аморфно състояние в кристално - е възможна и понякога се наблюдава.
Пример за такава трансформация е девитрификация- спонтанна кристализация на стъклото при повишени температури, придружена от разрушаването му.
Аморфно състояниемного вещества се получават при висока скорост на втвърдяване (охлаждане) на течната стопилка.
За метали и сплави аморфно състояниесе образува, като правило, ако стопилката се охлади за време от порядъка на части от десетки милисекунди. За стъклото е достатъчна много по-ниска скорост на охлаждане.
кварц (SiO 2) също има ниска скорост на кристализация. Следователно отлятите от него продукти са аморфни. Естественият кварц, който е имал стотици и хиляди години да кристализира по време на охлаждането на земната кора или дълбоките слоеве на вулкани, има грубокристална структура, за разлика от вулканичното стъкло, замръзнало на повърхността и следователно аморфно.
Течности
Течността е междинно състояние между твърдо вещество и газ.
Течно състояниее междинен между газообразен и кристален. По някои свойства течностите са близки до газове, на други - до твърди вещества.
С газовете течностите се обединяват преди всичко чрез изотропияи течливост... Последното определя способността на течността лесно да променя формата си.
но висока плътности ниска свиваемосттечности ги доближава до твърди вещества.
Способността на течностите лесно да променят формата си показва липсата на твърди сили на междумолекулно взаимодействие в тях.
В същото време ниската свиваемост на течностите, която определя способността да се поддържа постоянен обем при дадена температура, показва наличието на, макар и не твърди, но все пак значителни сили на взаимодействие между частиците.
Съотношението на потенциална и кинетична енергия.
Всяко агрегатно състояние се характеризира със собствено съотношение между потенциалната и кинетичната енергия на частиците на материята.
В твърдите тела средната потенциална енергия на частиците е по-голяма от тяхната средна кинетична енергия.Следователно в твърдите тела частиците заемат определени позиции една спрямо друга и вибрират само спрямо тези позиции.
За газовете съотношението на енергията е обратно, в резултат на което молекулите на газа винаги са в състояние на хаотично движение и силите на сцепление между молекулите практически липсват, така че газът винаги заема целия предоставен му обем.
В случая на течности кинетичната и потенциалната енергия на частиците са приблизително еднакви, т.е. частиците са свързани една с друга, но не твърдо. Следователно течностите са течни, но имат постоянен обем при дадена температура.
Структурите на течностите и аморфните тела са сходни.
В резултат на прилагането на методите за структурен анализ към течности беше установено, че структурата течностите са като аморфни тела... Повечето течности имат затвори поръчка- броят на най-близките съседи за всяка молекула и тяхното относително положение са приблизително еднакви в целия обем на течността.
Степента на подреждане на частиците е различна за различните течности. Освен това се променя с температурата.
При ниски температури, малко надвишаващи точката на топене на дадено вещество, степента на подреденост на подреждането на частиците на дадена течност е висока.
С повишаване на температурата тя спада и когато се нагрява, свойствата на течността са все по-близки до тези на газ... Когато се достигне критичната температура, разликата между течност и газ изчезва.
Поради сходството във вътрешната структура на течностите и аморфните тела, последните често се разглеждат като течности с много висок вискозитет, а само веществата в кристално състояние се наричат твърди тела.
Чрез оприличаване аморфни телатечности, обаче, трябва да се помни, че в аморфните тела, за разлика от обикновените течности, частиците имат незначителна подвижност - същата като в кристалите.
Агрегатни състояния на материята(от лат. aggrego - свързвам, свързвам) - това са състояния на едно и също вещество, преходите между които съответстват на резки промени в свободната енергия, плътността и други физически параметри на веществото.
Газ (френски gaz, произлиза от гръцкото хаос - хаос)- то агрегатно състояние, при което силите на взаимодействие на неговите частици, запълващи целия предоставен им обем, са незначителни. При газовете междумолекулните разстояния са големи и молекулите се движат почти свободно.
Газовете могат да се разглеждат като значително прегрети или нисконаситени пари. Над повърхността на всяка течност има пара. Когато налягането на парите се повиши до определена граница, наречена налягане на наситените пари, изпаряването на течността спира, тъй като течността става същата. Намаляването на обема на наситената пара причинява части от парата, а не повишаване на налягането. Следователно налягането на парата не може да бъде по-високо. Състоянието на насищане се характеризира с масата на насищане, съдържаща се в 1 m маса наситена пара, която зависи от температурата. Наситена параможе да стане ненаситен, ако обемът му се увеличи или температурата се повиши. Ако температурата на парата е много по-висока от точката, съответстваща на даденото налягане, парата се нарича прегрята.
Плазмата е частично или напълно йонизиран газ, в който плътностите на положителните и отрицателните заряди са практически еднакви. Слънцето, звездите, облаците от междузвездна материя са съставени от газове – неутрални или йонизирани (плазма). За разлика от други агрегатни състояния, плазмата е газ от заредени частици (йони, електрони), които електрически взаимодействат помежду си на големи разстояния, но нямат нито къси, нито далечни разстояния в подреждането на частиците.
Течност- Това е агрегатно състояние на материята, междинно между твърдо и газообразно. Течностите имат някои характеристики на твърдо вещество (запазва обема си, образува повърхност, има определена якост на опън) и газ (приема формата на съд, в който се намира). Термичното движение на молекули (атоми) на течност е комбинация от малки вибрации около равновесните позиции и чести скокове от едно равновесно положение в друго. В същото време възникват бавни движения на молекулите и техните трептения в малки обеми, честите скокове на молекулите нарушават далечния ред в подреждането на частиците и причиняват течливост на течностите, а малките вибрации около равновесните позиции причиняват съществуването на къси- ред на диапазона в течности.Течностите и твърдите вещества, за разлика от газовете, могат да се разглеждат като силно кондензирана среда. В тях молекулите (атомите) са разположени много по-близо една до друга и силите на взаимодействие са с няколко порядъка по-големи, отколкото в газовете. Следователно, течностите и твърдите вещества имат значително ограничени възможностиза разширяване те със сигурност не могат да заемат произволен обем и при постоянен обем запазват обема си, в какъвто и обем да са поставени. Преходите от по-структурирано състояние на агрегатиране към по-малко подредено може също да се случват непрекъснато. В тази връзка вместо понятието агрегатно състояние е препоръчително да се използва по-широко понятие – понятието фаза.
Фазасе нарича съвкупност от всички части на системата, които имат еднакви химичен състави да са в същото състояние. Това е оправдано от едновременното съществуване на термодинамично равновесни фази в многофазна система: течност със собствена наситена пара; вода и лед при точка на топене; две несмесващи се течности (смес от вода с триетиламин), различни по концентрация; съществуването на аморфни твърди вещества, които запазват структурата на течността (аморфно състояние).
Аморфно твърдо състояние на материятае вид преохладено състояние на течност и се различава от обикновените течности със значително по-висок вискозитет и числови стойностикинетични характеристики.
Кристално твърдо състояние на материята- Това е агрегатно състояние, което се характеризира с големи сили на взаимодействие между частиците на материята (атоми, молекули, йони). Твърдите частици вибрират около средните равновесни позиции, наречени възли на кристалната решетка; структурата на тези вещества се характеризира с висока степен на подреждане (порядък на далечни и къси разстояния) - подреждане в подреждането (порядък на координация), в ориентацията (ориентационен ред) на структурните частици или в подреждането на физическите свойства (например в ориентацията на магнитни моменти или електрически диполни моменти). Областта на съществуване на нормална течна фаза за чисти течности, течни и течни кристали е ограничена от страната на ниските температури фазови преходисъответно в твърдо (кристализация), свръхтечно и течно-анизотропно състояние.
