4 stări agregate ale materiei în fizică. Proprietățile substanțelor în diferite stări de agregare. Caracteristici comparative ale substanțelor amorfe și cristaline
Stări agregate. Lichide. Faze în termodinamică. Tranziții de fază.
Cursul 1.16
Toate substanțele pot exista în trei stări de agregare - solid, lichidși gazos... Tranzițiile dintre ele sunt însoțite de o schimbare bruscă a unui număr de proprietăți fizice (densitate, conductivitate termică etc.).
Starea de agregare depinde de condițiile fizice în care se află substanța. Existența mai multor stări de agregare într-o substanță se datorează diferențelor în mișcarea termică a moleculelor (atomilor) acesteia și în interacțiunea acestora în diferite condiții.
Gaz- starea de agregare a materiei, în care particulele nu sunt legate sau foarte slab legate de forțele de interacțiune; energia cinetică a mișcării termice a particulelor sale (molecule, atomi) depășește semnificativ energia potențială a interacțiunilor dintre ele, prin urmare particulele se mișcă aproape liber, umplând complet vasul în care se află și iau forma. În stare gazoasă, o substanță nu are nici volum propriu, nici formă proprie. Orice substanță poate fi transformată în gaz prin schimbarea presiunii și temperaturii.
Lichid- starea de agregare a materiei, intermediara intre solid si gazos. Se caracterizează printr-o mobilitate mare a particulelor și un spațiu liber mic între ele. Aceasta duce la faptul că lichidele își păstrează volumul și iau forma unui vas. Într-un lichid, moleculele sunt foarte apropiate unele de altele. Prin urmare, densitatea lichidului este mult mai mare decât densitatea gazelor (la presiune normală). Proprietățile lichidului în toate direcțiile sunt aceleași (izotrope), cu excepția cristalelor lichide. La încălzire sau la o scădere a densității, proprietățile unui lichid, conductivitatea termică și vâscozitatea se modifică, de regulă, în direcția de apropiere a proprietăților gazelor.
Mișcarea termică a moleculelor lichide constă dintr-o combinație de mișcări vibraționale colective și salturi ocazionale ale moleculelor de la o poziție de echilibru la alta.
Corpuri solide (cristaline).- starea de agregare a materiei, caracterizată prin stabilitatea formei și a naturii mișcării termice a atomilor. Această mișcare este vibrațiile atomilor (sau ionilor) care formează un solid. Amplitudinea vibrației este de obicei mică în comparație cu distanțele interatomice.
Proprietățile lichidelor.
Moleculele unei substanțe în stare lichidă sunt situate aproape una de cealaltă. Spre deosebire de corpurile cristaline solide, în care moleculele formează structuri ordonate pe întregul volum al cristalului și pot efectua vibrații termice în jurul centrelor fixe, moleculele lichide au o mai mare libertate. Fiecare moleculă dintr-un lichid, precum și dintr-un solid, este „prinsă” pe toate părțile de moleculele învecinate și efectuează vibrații termice în jurul unei anumite poziții de echilibru. Cu toate acestea, din când în când, orice moleculă se poate muta într-un loc liber adiacent. Astfel de salturi de lichide apar destul de frecvent; prin urmare, moleculele nu sunt atașate de centri specifici, ca în cristale, și se pot deplasa în întregul volum al lichidului. Aceasta explică fluiditatea lichidelor. Datorită interacțiunii puternice dintre moleculele apropiate, acestea pot forma grupări ordonate locale (instabile) care conțin mai multe molecule. Acest fenomen se numește comanda scurta.
Datorită împachetării strânse a moleculelor, compresibilitatea lichidelor, adică modificarea volumului cu schimbarea presiunii, este foarte mică; este de zeci și sute de mii de ori mai puțin decât în gaze. De exemplu, pentru a schimba volumul de apă cu 1%, trebuie să creșteți presiunea de aproximativ 200 de ori. O astfel de creștere a presiunii în comparație cu presiunea atmosferică se realizează la o adâncime de aproximativ 2 km.
Lichidele, ca și solidele, își schimbă volumul atunci când se schimbă temperatura. Pentru intervale de temperatură nu foarte mari, volumul relativ se modifică Δ V / V 0 proporțional cu modificarea temperaturii Δ T:
| |
Se numește coeficientul β coeficientul de temperatură al expansiunii volumetrice... Acest coeficient pentru lichide este de zeci de ori mai mare decât cel pentru solide. Pentru apă, de exemplu, la o temperatură de 20 ° C β în ≈ 2 · 10 –4 K –1, pentru oțel - β st ≈ 3,6 · 10 –5 K –1, pentru sticlă de cuarț - β q ≈ 9 · 10 - 6 K –1.
Expansiunea termică a apei are o anomalie interesantă și importantă pentru viața de pe Pământ. La temperaturi sub 4 ° C, apa se extinde odată cu scăderea temperaturii (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Când apa îngheață, se extinde, astfel încât gheața rămâne plutitoare pe suprafața corpului de apă înghețat. Temperatura apei înghețate sub gheață este de 0 ° С. În straturile mai dense de apă din fundul rezervorului, temperatura este de aproximativ 4 ° C. Datorită acestui fapt, viața poate exista în apa rezervoarelor înghețate.
Cea mai interesantă caracteristică a lichidelor este prezența suprafata libera... Lichidul, spre deosebire de gaze, nu umple întregul volum al vasului în care este turnat. Între lichid și gaz (sau vapori) se formează o interfață care se află în condiții speciale față de restul masei lichide. Moleculele din stratul limită al unui lichid, spre deosebire de moleculele din adâncimea acestuia, nu sunt înconjurate de alte molecule ale aceluiași lichid pe toate părțile. Forțele de interacțiune intermoleculară care acționează asupra uneia dintre moleculele din interiorul lichidului din partea moleculelor învecinate sunt, în medie, compensate reciproc. Orice moleculă din stratul limită este atrasă de moleculele din interiorul lichidului (forțele care acționează asupra unei anumite molecule de lichid din partea moleculelor de gaz (sau vapori) pot fi neglijate). Ca urmare, apare o anumită forță rezultantă, îndreptată adânc în lichid. Moleculele de suprafață sunt atrase în lichid de forțele de atracție intermoleculară. Dar toate moleculele, inclusiv cele ale stratului limită, trebuie să fie într-o stare de echilibru. Acest echilibru se realizează datorită unei scăderi ușoare a distanței dintre moleculele stratului de suprafață și vecinii lor cei mai apropiați din interiorul lichidului. Odată cu scăderea distanței dintre molecule, apar forțe de respingere. Dacă distanța medie dintre moleculele din interiorul lichidului este r 0, atunci moleculele stratului de suprafață sunt împachetate ceva mai dens și, prin urmare, au un depozit suplimentar de energie potențială în comparație cu moleculele interioare. Trebuie avut în vedere că, datorită compresibilității extrem de scăzute, prezența unui strat de suprafață mai dens nu duce la nicio modificare vizibilă a volumului lichidului. Dacă molecula se mișcă de la suprafața în interiorul lichidului, forțele de interacțiune intermoleculară vor face o treabă pozitivă. Dimpotrivă, pentru a trage un anumit număr de molecule de la adâncimea lichidului la suprafață (adică, pentru a crește suprafața lichidului), forțe externe trebuie să facă o muncă pozitivă A ext, proporțional cu modificarea Δ S suprafață:
| A ext = σΔ S. |
Coeficientul σ se numește coeficient de tensiune superficială (σ> 0). Astfel, coeficientul de tensiune superficială este egal cu munca necesară pentru a crește suprafața unui lichid la o temperatură constantă cu o unitate.
În SI, tensiunea superficială este măsurată în jouli per metru pătrat (J/m 2) sau în newtoni pe metru (1 N/m = 1 J/m 2).
În consecință, moleculele stratului superficial al lichidului au un exces în comparație cu moleculele din interiorul lichidului. energie potențială... Energie potențială E p a suprafeței lichidului este proporțional cu aria sa: 
(1.16.1)
Din mecanică se știe că stările de echilibru ale unui sistem corespund valorii minime a energiei sale potențiale. De aici rezultă că suprafața liberă a lichidului tinde să-și reducă aria. Din acest motiv, o picătură liberă de lichid capătă o formă sferică. Fluidul se comportă ca și cum forțele ar acționa tangențial la suprafața sa, reducând (trăgând) această suprafață. Aceste forțe sunt numite forțele de tensiune superficială.
Prezența forțelor de tensiune superficială face ca suprafața lichidului să fie similară cu o peliculă elastică întinsă, cu singura diferență că forțele elastice din film depind de suprafața sa (adică de modul în care filmul este deformat) și de forțele de tensiune superficială. nu depind de suprafața lichidelor.
Forțele de tensiune superficială tind să micșoreze suprafața filmului. Prin urmare, putem scrie: (1.16.2)
Astfel, coeficientul de tensiune superficială σ poate fi definit ca modulul forței de tensiune superficială care acționează asupra unității de lungime a liniei care delimitează suprafața ( l este lungimea acestei linii).
Datorită acțiunii forțelor de tensiune superficială în picăturile de lichid și în interiorul bulelor de săpun, excesul de presiune Δ p... Dacă tăiați mental o picătură sferică de rază Rîn două jumătăți, atunci fiecare dintre ele trebuie să fie în echilibru sub acțiunea forțelor de tensiune superficială aplicate la limita tăieturii 2π Rși forțele de suprapresiune care acționează asupra zonei π R 2 secțiuni (Figura 1.16.1). Condiția de echilibru se scrie ca
Aproape de granița dintre un lichid, un solid și un gaz, forma suprafeței libere a unui lichid depinde de forțele de interacțiune ale moleculelor lichide cu moleculele solide (interacțiunea cu moleculele de gaz (sau vapori) poate fi neglijată). Dacă aceste forțe sunt mai mari decât forțele de interacțiune dintre moleculele lichidului însuși, atunci lichidul udă suprafata unui solid. În acest caz, lichidul se apropie de suprafața solidului la un anumit unghi ascuțit θ, care este caracteristic perechii date lichid - solid. Unghiul θ se numește unghiul marginii... Dacă forțele de interacțiune dintre moleculele unui lichid depășesc forțele interacțiunii lor cu moleculele unui solid, atunci unghiul de contact θ se dovedește a fi obtuz (Fig. 1.16.2 (2)). În acest caz, ei spun că lichidul nu se uda suprafata unui solid. În caz contrar (unghi - ascuțit) lichid udă suprafață (Figura 1.16.2 (1)). La umezire completăθ = 0, pentru neumedare completăθ = 180 °.
Fenomene capilare numită creșterea sau căderea lichidului în tuburi cu diametru mic - capilare... Lichidele umede se ridică prin capilare, lichidele care nu se umezesc coboară.
Figura 1.16.3 prezintă un tub capilar cu o anumită rază r coborât de capătul său inferior într-un lichid de umectare de densitate ρ. Capătul superior al capilarului este deschis. Creșterea lichidului în capilar continuă până când forța gravitațională care acționează asupra coloanei de lichid din capilar devine egală ca mărime cu cea rezultată. F n forțe de tensiune superficială care acționează de-a lungul interfeței dintre lichid și suprafața capilară: F t = F n, unde F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cos θ.
Asta implică: 
Cu umezire completă θ = 0, cos θ = 1. În acest caz
Cu neumezire completă θ = 180 °, cos θ = –1 și, prin urmare, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Apa udă aproape complet suprafața curată de sticlă. În schimb, mercurul nu umezește complet suprafața sticlei. Prin urmare, nivelul de mercur din capilarul de sticlă scade sub nivelul din vas.
Cele mai comune cunoștințe despre trei stări de agregare: lichid, solid, gazos, uneori amintim despre plasmă, mai rar cristal lichid. Recent, pe internet s-a răspândit o listă cu 17 faze ale unei substanțe, preluată de la celebrul () Stephen Fry. Prin urmare, vă vom spune mai multe despre ele, pentru că ar trebui să știi puțin mai multe despre materie, fie și doar pentru a înțelege mai bine procesele care au loc în Univers.
Lista stărilor agregate ale materiei prezentată mai jos crește de la cele mai reci la cele mai fierbinți și așa mai departe. poate fi continuat. În același timp, trebuie înțeles că gradul de compresie a substanței și presiunea acesteia (cu unele rezerve pentru astfel de stări ipotetice neexplorate precum cuantică, radială sau slab simetrică) cresc din starea gazoasă (nr. 11), cel mai „neîncleștat”, de ambele părți ale listei.este afișat un grafic vizual al tranzițiilor de fază ale materiei.
1. Cuantică- starea de agregare a unei substante, realizata la scaderea temperaturii la zero absolut, în urma cărora conexiunile interne dispar și materia se dezintegrează în quarci liberi.
2. Condens Bose-Einstein- starea agregată a materiei, care se bazează pe bosoni răciți la temperaturi apropiate de zero absolut (mai puțin de o milioneme de grad peste zero absolut). Într-o stare atât de puternic răcită, un număr suficient de mare de atomi se află în stările lor cuantice minime posibile, iar efectele cuantice încep să se manifeste la nivel macroscopic. Condensul Bose-Einstein (numit adesea „condens Bose”, sau pur și simplu „înapoi”) apare atunci când răciți un element chimic la temperaturi extrem de scăzute (de obicei la o temperatură puțin peste zero absolut, minus 273 de grade Celsius, este temperatura teoretică la care totul se oprește din mișcare).
Aici încep să se întâmple substanței lucruri complet ciudate. Procesele observate în mod normal doar la nivel atomic au loc acum la o scară suficient de mare pentru a fi observate cu ochiul liber. De exemplu, dacă puneți „suportul” într-un pahar și asigurați temperatura necesară, substanța va începe să se târască pe perete și în cele din urmă va ieși de la sine.
Aparent, aici avem de-a face cu o încercare zadarnică a substanței de a-și reduce propria energie (care este deja la cel mai de jos nivel posibil).
Încetinirea atomilor folosind echipamente de răcire produce o stare cuantică singulară cunoscută sub numele de condensat Bose sau condensat Bose-Einstein. Acest fenomen a fost prezis în 1925 de A. Einstein, ca urmare a unei generalizări a lucrării lui S. Bose, unde mecanica statistică a fost construită pentru particule variind de la fotoni fără masă până la atomi cu masă (manuscrisul lui Einstein, care era considerat pierdut, a fost descoperit în biblioteca Universității din Leiden în 2005). Rezultatul eforturilor lui Bose și Einstein a fost conceptul de gaz Bose care se supune statisticilor Bose-Einstein, care descrie distribuția statistică a particulelor identice cu spin întreg, numite bosoni. Bosonii, care sunt, de exemplu, și particulele elementare individuale - fotoni și atomi întregi, pot fi unul cu altul în aceleași stări cuantice. Einstein a sugerat că răcirea atomilor - bosonii la temperaturi foarte scăzute i-ar forța să meargă (sau, cu alte cuvinte, să se condenseze) în cea mai scăzută stare cuantică posibilă. Rezultatul unei astfel de condens va fi apariția unei noi forme de materie.
Această tranziție are loc sub temperatura critică, care este pentru un gaz tridimensional omogen format din particule care nu interacționează fără grade interne de libertate.
3. Condens de fermion- starea de agregare a unei substanțe, asemănătoare suportului, dar diferită ca structură. Când se apropie de zero absolut, atomii se comportă diferit în funcție de mărimea momentului unghiular adecvat (spin). Bosonii au spini întregi, în timp ce fermionii au multipli de 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermionii se supun principiului de excludere Pauli, conform căruia doi fermioni nu pot avea aceeași stare cuantică. Nu există o astfel de interdicție pentru bosoni și, prin urmare, ei au posibilitatea de a exista într-o stare cuantică și, prin urmare, să formeze așa-numitul condensat Bose-Einstein. Formarea acestui condensat este responsabilă pentru trecerea la starea supraconductoare.
Electronii au spin 1/2 și, prin urmare, sunt fermioni. Se combină în perechi (numite perechi Cooper), care apoi formează un condensat Bose.
Oamenii de știință americani au încercat să obțină un fel de moleculă din atomii de fermion cu răcire profundă. Diferența față de moleculele reale a fost că nu a existat legătură chimică- doar s-au mutat împreună, într-o manieră corelată. Legătura dintre atomi s-a dovedit a fi chiar mai puternică decât între electroni din perechile Cooper. Pentru perechile de fermioni formate, spinul total nu mai este un multiplu de 1/2; prin urmare, ei se comportă deja ca bosonii și pot forma un condensat Bose cu o singură stare cuantică. Pe parcursul experimentului, un gaz de 40 de atomi de potasiu a fost răcit la 300 nanokelvin, în timp ce gazul a fost conținut într-o așa-numită capcană optică. Apoi a fost impus un câmp magnetic extern, cu ajutorul căruia a fost posibilă schimbarea naturii interacțiunilor dintre atomi - în loc de o repulsie puternică, a început să se observe o atracție puternică. La analizarea influenței câmpului magnetic, a fost posibil să se găsească valoarea acestuia la care atomii au început să se comporte ca perechile de electroni Cooper. În următoarea etapă a experimentului, oamenii de știință își propun să se obțină efectele supraconductivității pentru condensatul de fermion.
4. Substanta superfluida- o stare în care o substanță nu are practic vâscozitate, iar în timpul curgerii nu experimentează frecare cu o suprafață solidă. Consecința acestui lucru este, de exemplu, un efect atât de interesant precum „târâirea” completă spontană a heliului superfluid din vas de-a lungul pereților săi împotriva forței gravitaționale. Desigur, nu există nicio încălcare a legii conservării energiei. În absența forțelor de frecare, asupra heliului acționează numai gravitația, forțele de interacțiune interatomică dintre heliu și pereții vasului și dintre atomii de heliu. Deci, forțele interacțiunii interatomice depășesc toate celelalte forțe combinate. Ca urmare, heliul tinde să se răspândească cât mai mult posibil pe toate suprafețele posibile și, prin urmare, „călătorește” de-a lungul pereților vasului. În 1938, omul de știință sovietic Pyotr Kapitsa a demonstrat că heliul poate exista în stare superfluid.
Este de remarcat faptul că multe dintre proprietățile neobișnuite ale heliului sunt cunoscute de ceva timp. Cu toate acestea, în ultimii ani, acest element chimic ne-a „răsfațat” cu efecte interesante și neașteptate. Așadar, în 2004, Moses Chan și Eun-Siong Kim de la Universitatea din Pennsylvania au intrigat lumea științifică cu afirmația că au reușit să obțină o stare complet nouă de heliu - un solid superfluid. În această stare, unii atomi de heliu din rețeaua cristalină pot curge în jurul altora și, astfel, heliul poate curge prin el însuși. Efectul de „superduritate” a fost prezis teoretic încă din 1969. Și acum în 2004 - de parcă ar fi o confirmare experimentală. Cu toate acestea, experimentele ulterioare și foarte interesante au arătat că nu totul este atât de simplu și, poate, o astfel de interpretare a fenomenului, care a fost luată anterior pentru superfluiditatea heliului solid, este incorectă.
Experimentul oamenilor de știință condus de Humphrey Maris de la Universitatea Brown din Statele Unite a fost simplu și elegant. Oamenii de știință au plasat o eprubetă cu susul în jos într-un rezervor închis de heliu lichid. O parte din heliul din eprubetă și din rezervor a fost înghețat în așa fel încât limita dintre lichid și solid din interiorul eprubetei a fost mai mare decât în rezervor. Cu alte cuvinte, în partea superioară a eprubetei era heliu lichid, în partea inferioară - solid, acesta a trecut fără probleme în faza solidă a rezervorului, peste care a fost turnat puțin heliu lichid - mai mic decât nivelul lichidului din eprubeta. Dacă heliul lichid ar începe să se scurgă prin solid, atunci diferența de nivel ar scădea și atunci putem vorbi despre heliu superfluid solid. Și, în principiu, în trei din cele 13 experimente, diferența de nivel a scăzut efectiv.
5. Substanță superdură- o stare agregata in care materia este transparenta si poate "curge" ca un lichid, dar de fapt este lipsita de vascozitate. Astfel de fluide sunt cunoscute de mulți ani și sunt numite superfluide. Cert este că dacă superfluidul este amestecat, acesta va circula aproape pentru totdeauna, în timp ce lichidul normal se va calma în cele din urmă. Primele două superfluide au fost create de cercetători folosind heliu-4 și heliu-3. Au fost răcite la aproape zero absolut - la minus 273 de grade Celsius. Și din heliu-4, oamenii de știință americani au reușit să obțină un corp foarte dur. Ei au comprimat heliul înghețat cu o presiune de peste 60 de ori, iar apoi paharul umplut cu substanța a fost plasat pe un disc rotativ. La o temperatură de 0,175 grade Celsius, discul a început brusc să se rotească mai liber, ceea ce, potrivit oamenilor de știință, indică faptul că heliul a devenit un supercorp.
6. Solid- starea agregată a materiei, caracterizată prin stabilitatea formei și a naturii mișcării termice a atomilor, care efectuează mici vibrații în jurul pozițiilor de echilibru. Starea stabilă a solidelor este cristalină. Distingeți solidele cu legături ionice, covalente, metalice și alte tipuri de legături între atomi, ceea ce determină varietatea proprietăților fizice ale acestora. Proprietățile electrice și alte proprietăți ale solidelor sunt determinate în principal de natura mișcării electronilor exteriori ai atomilor săi. După proprietățile lor electrice, solidele sunt împărțite în dielectrici, semiconductori și metale, în funcție de proprietățile lor magnetice - în diamagneți, paramagneți și corpuri cu o structură magnetică ordonată. Cercetările asupra proprietăților solidelor s-au unit într-un domeniu mare - fizica stării solide, a cărei dezvoltare este stimulată de nevoile tehnologiei.
7. Solid amorf- starea agregată condensată a materiei, caracterizată prin izotropie a proprietăților fizice datorită aranjamentului dezordonat a atomilor și moleculelor. În solidele amorfe, atomii vibrează în jurul unor puncte situate aleatoriu. Spre deosebire de starea cristalină, trecerea de la solid amorf la lichid are loc treptat. Diverse substanțe sunt în stare amorfă: pahare, rășini, materiale plastice etc.
8. Cristal lichid Este o stare agregată specifică a unei substanțe în care prezintă simultan proprietățile unui cristal și ale unui lichid. Imediat este necesar să se facă o rezervă că nu toate substanțele pot fi în stare de cristal lichid. Cu toate acestea, unii materie organică care posedă molecule complexe poate forma o stare agregată specifică – cristalul lichid. Această stare apare atunci când cristalele unor substanțe se topesc. Când se topesc, se formează o fază de cristal lichid, care diferă de lichidele obișnuite. Această fază există în intervalul de la punctul de topire al cristalului până la o temperatură mai mare, când este încălzită, la care cristalul lichid se transformă într-un lichid obișnuit.
Cum diferă un cristal lichid de un lichid și un cristal obișnuit și cum este similar cu acestea? La fel ca un lichid obișnuit, un cristal lichid este fluid și ia forma unui vas în care este plasat. Prin aceasta se deosebește de cristalele cunoscute tuturor. Cu toate acestea, în ciuda acestei proprietăți, care îl unește cu un lichid, are o proprietate caracteristică cristalelor. Aceasta este ordonarea în spațiu a moleculelor care formează cristalul. Adevărat, această ordonare nu este la fel de completă ca în cristalele obișnuite, dar, cu toate acestea, afectează în mod semnificativ proprietățile cristalelor lichide, ceea ce le diferențiază de lichidele obișnuite. Ordonarea spațială incompletă a moleculelor care formează un cristal lichid se manifestă prin faptul că în cristalele lichide nu există o ordine completă în aranjarea spațială a centrelor de greutate ale moleculelor, deși poate exista o ordine parțială. Aceasta înseamnă că nu au o rețea cristalină rigidă. Prin urmare, cristalele lichide, ca și lichidele obișnuite, au proprietatea fluidității.
Proprietate necesară cristale lichide, apropiindu-le de cristalele obișnuite, este prezența ordinului orientării spațiale a moleculelor. Această ordine de orientare se poate manifesta, de exemplu, prin faptul că toate axele lungi ale moleculelor dintr-o probă de cristal lichid sunt orientate în același mod. Aceste molecule trebuie să aibă formă alungită... În plus față de cea mai simplă ordonare numită a axelor moleculare, o ordine de orientare mai complexă a moleculelor poate fi realizată într-un cristal lichid.
În funcție de tipul de ordonare a axelor moleculare, cristalele lichide sunt împărțite în trei tipuri: nematice, smectice și colesterice.
Cercetările în fizica cristalelor lichide și aplicațiile acestora se desfășoară în prezent pe un front larg în toate cele mai dezvoltate țări ale lumii. Cercetarea autohtonă este concentrată atât în instituții de cercetare academică, cât și industrială și are o tradiție îndelungată. Lucrările lui V.K. Fredericks către V.N. Tsvetkova. În ultimii ani de studiu viguros al cristalelor lichide, cercetătorii ruși au adus, de asemenea, o contribuție semnificativă la dezvoltarea teoriei cristalelor lichide în general și, în special, a opticii cristalelor lichide. Astfel, lucrările lui I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov și mulți alți cercetători sovietici sunt cunoscuți pe scară largă comunității științifice și servesc drept fundație pentru o serie de aplicații tehnice eficiente ale cristalelor lichide.
Existența cristalelor lichide a fost stabilită cu foarte mult timp în urmă, și anume în 1888, adică în urmă cu aproape un secol. Deși oamenii de știință s-au confruntat cu această stare a materiei înainte de 1888, ea a fost descoperită oficial mai târziu.
Primul care a descoperit cristale lichide a fost botanistul austriac Reinitzer. Cercetând noua substanță pe care a sintetizat-o, benzoatul de colesteril, a constatat că la o temperatură de 145 ° C, cristalele acestei substanțe se topesc, formând un lichid tulbure, împrăștiind puternic lumina. Pe măsură ce încălzirea continuă, la atingerea unei temperaturi de 179 ° C, lichidul se limpezește, adică începe să se comporte optic ca un lichid obișnuit, de exemplu apă. Benzoatul de colesteril a prezentat proprietăți neașteptate într-o fază tulbure. Examinând această fază la microscop polarizant, Rey-nitzer a descoperit că are birefringență. Aceasta înseamnă că indicele de refracție al luminii, adică viteza luminii în această fază, depinde de polarizare.
9. Lichid- starea de agregare a unei substanțe, care îmbină trăsăturile unei stări solide (reținerea volumului, o anumită rezistență la rupere) și cele gazoase (variabilitatea formei). Un lichid se caracterizează printr-o ordine scurtă în aranjarea particulelor (molecule, atomi) și o mică diferență în energia cinetică a mișcării termice a moleculelor și energia potențială de interacțiune a acestora. Mișcarea termică a moleculelor lichide constă în oscilații asupra pozițiilor de echilibru și salturi relativ rare de la o poziție de echilibru la alta, care este asociată cu fluiditatea lichidului.
10. Fluid supracritic(SCF) - starea de agregare a unei substanțe, în care diferența dintre faza lichidă și cea gazoasă dispare. Orice substanță la o temperatură și presiune peste punctul critic este un fluid supercritic. Proprietățile unei substanțe în stare supercritică sunt intermediare între proprietățile sale în faza gazoasă și lichidă. Deci, SCF are o densitate mare, aproape de lichid, și o vâscozitate scăzută, precum gazele. În acest caz, coeficientul de difuzie are o valoare intermediară între lichid și gaz. Substanțele supercritice pot fi utilizate ca înlocuitori pentru solvenții organici în procesele de laborator și industriale. Apa supercritică și dioxidul de carbon supercritic au primit cel mai mare interes și distribuție în legătură cu anumite proprietăți.
Una dintre cele mai importante proprietăți ale stării supercritice este capacitatea de a dizolva substanțele. Schimbând temperatura sau presiunea fluidului, îi puteți modifica proprietățile într-o gamă largă. Deci, puteți obține un fluid care are proprietăți apropiate fie de un lichid, fie de un gaz. Astfel, capacitatea de dizolvare a unui fluid crește odată cu creșterea densității (la o temperatură constantă). Deoarece densitatea crește odată cu creșterea presiunii, schimbarea presiunii poate afecta capacitatea de dizolvare a fluidului (la temperatură constantă). În cazul temperaturii, invidia proprietăților fluidului este ceva mai complicată - la o densitate constantă, capacitatea de dizolvare a fluidului crește, de asemenea, cu toate acestea, în apropierea punctului critic, o ușoară creștere a temperaturii poate duce la o creștere bruscă. scăderea densității și, în consecință, a capacității de dizolvare. Fluidele supercritice se amestecă la nesfârșit între ele, prin urmare, atunci când se atinge punctul critic al amestecului, sistemul va fi întotdeauna monofazat. Temperatura critică aproximativă a unui amestec binar poate fi calculată ca medie aritmetică a parametrilor critici ai substanțelor Tc (amestec) = (fracția molară A) x TcA + (fracția molară B) x TcB.
11. Gazos- (franceză gaz, din greaca haos - haos), starea de agregare a materiei, în care energia cinetică a mișcării termice a particulelor sale (molecule, atomi, ioni) depășește semnificativ energia potențială a interacțiunilor dintre ele, și prin urmare, particulele se mișcă liber, umplând uniform întregul volum care le este furnizat în absența câmpurilor externe.
12. Plasma- (din greaca. Plasma - sculptata, modelata), starea materiei, care este un gaz ionizat, in care concentratiile sarcinilor pozitive si negative sunt egale (cvasineutralitate). Marea majoritate a substanței Universului se află în stare de plasmă: stele, nebuloase galactice și mediul interstelar. Plasma există în apropierea Pământului sub formă de vânt solar, magnetosferă și ionosferă. Plasma la temperatură înaltă (T ~ 106-108K) dintr-un amestec de deuteriu și tritiu este investigată în scopul fuziunii termonucleare controlate. Plasma la temperatură joasă (T Ј 105K) este utilizată în diferite dispozitive de descărcare în gaz (lasere cu gaz, dispozitive cu ioni, generatoare MHD, plasmatron, motoare cu plasmă etc.), precum și în tehnologie (vezi Metalurgia cu plasmă, Foraj cu plasmă, Plasmă tehnologie)...
13. Substanță degenerată- este o etapă intermediară între plasmă și neutroniu. Se observă la piticele albe și joacă un rol important în evoluția stelelor. Când atomii sunt sub temperaturi și presiuni extrem de ridicate, își pierd electronii (intră în gazul de electroni). Cu alte cuvinte, ele sunt complet ionizate (plasmă). Presiunea unui astfel de gaz (plasmă) este determinată de presiunea electronilor. Dacă densitatea este foarte mare, toate particulele sunt forțate să se apropie unele de altele. Electronii pot fi în stări cu anumite energii, iar doi electroni nu pot avea aceeași energie (cu excepția cazului în care spinurile lor sunt opuse). Astfel, într-un gaz dens, toate nivelurile inferioare de energie sunt umplute cu electroni. Un astfel de gaz se numește degenerat. În această stare, electronii prezintă o presiune degenerată a electronilor, care se opune forțelor gravitației.
14. Neutroniu- starea de agregare, în care materia trece la presiune ultraînaltă, care este de neatins în laborator, dar există în interiorul stelelor neutronice. În timpul tranziției la starea neutronică, electronii unei substanțe interacționează cu protonii și se transformă în neutroni. Ca urmare, substanța în stare de neutroni este formată în întregime din neutroni și are o densitate de ordinul celei nucleare. În acest caz, temperatura substanței nu trebuie să fie prea mare (în echivalent de energie, nu mai mult de o sută de MeV).
Odată cu o creștere puternică a temperaturii (de sute de MeV și peste), diverși mezoni încep să fie produși și anihilati în starea de neutroni. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, are loc deconfinarea, iar substanța trece în starea de plasmă cuarc-gluon. Nu mai este format din hadroni, ci din quarci și gluoni care se nasc și dispar în mod constant.
15. Plasmă cuarc-gluon(cromoplasmă) - starea agregată a materiei în fizica energiilor înalte și în fizica particulelor elementare, în care materia hadronică trece într-o stare similară cu starea în care electronii și ionii se află în plasma obișnuită.
De obicei, materia din hadroni se află în așa-numita stare incoloră („albă”). Adică, quarcii de culori diferite se anulează reciproc. Materia obișnuită are o stare similară - când toți atomii sunt neutri din punct de vedere electric, adică
sarcinile pozitive din ele sunt compensate de cele negative. La temperaturi ridicate, se poate produce ionizarea atomilor, în timp ce sarcinile sunt separate, iar substanța devine, după cum se spune, „cvasineutră”. Adică, întregul nor de materie în ansamblu rămâne neutru, iar particulele sale individuale încetează să fie neutre. Exact același lucru, aparent, se poate întâmpla cu materia hadronică - la energii foarte mari, culoarea este eliberată și face materia „cvasi-incoloră”.
Se presupune că substanța Universului a fost în starea unei plasme de quarc-gluoni în primele momente după Big Bang. Acum, plasma quarc-gluon poate fi formată pentru o perioadă scurtă de timp prin ciocniri de particule de energii foarte mari.
Plasma Quark-gluon a fost obținută experimental la acceleratorul RHIC de la Brookhaven National Laboratory în 2005. Temperatura maximă a plasmei de 4 trilioane de grade Celsius a fost obținută acolo în februarie 2010.
16. Substanță ciudată- starea de agregare, în care materia este comprimată până la valorile limită ale densității, poate exista sub forma unei „supe de cuarc”. Un centimetru cub de materie în această stare va cântări miliarde de tone; mai mult, va transforma orice substanță normală cu care intră în contact în aceeași formă „ciudată” cu eliberarea unei cantități semnificative de energie.
Energia care poate fi eliberată în timpul transformării materiei din nucleul stelei în „materie ciudată” va duce la o explozie super-puternică a „novei de cuarc” - și, potrivit lui Leahy și Wyed, astronomii săi au fost cei care au observat în septembrie 2006.
Procesul de formare a acestei substanțe a început cu o supernovă obișnuită, în care s-a transformat o stea masivă. În urma primei explozii, s-a format o stea neutronică. Dar, potrivit lui Leahy și Uyed, nu a durat mult - deoarece rotația sa părea încetinită de propriul câmp magnetic, a început să se micșoreze și mai mult, odată cu formarea unui cheag de „materie ciudată”, ceea ce a dus la o și mai puternică decât într-o explozie obișnuită de supernovă, eliberarea de energie - și straturile exterioare ale substanței fostei stele neutronice, împrăștiind în spațiul înconjurător cu o viteză apropiată de viteza luminii.
17. Substanță puternic simetrică Este o substanță comprimată în așa măsură încât microparticulele din interiorul ei sunt stratificate una peste alta, iar corpul însuși se prăbușește în gaură neagră... Termenul de „simetrie” este explicat astfel: Să luăm stările agregate ale materiei cunoscute de toată lumea de la școală - solid, lichid, gazos. Pentru certitudine, considerați un cristal infinit ideal ca un solid. Are o așa-numită simetrie discretă în raport cu transferul. Aceasta înseamnă că dacă mutați rețeaua cristalină cu o distanță egală cu intervalul dintre doi atomi, nimic nu se va schimba în ea - cristalul va coincide cu el însuși. Dacă cristalul este topit, atunci simetria lichidului rezultat va fi diferită: va crește. În cristal, doar punctele erau echivalente, care erau îndepărtate unele de altele la anumite distanțe, așa-numitele noduri ale rețelei cristaline, în care se aflau atomi identici.
Lichidul este omogen pe tot volumul său, toate punctele sale nu se pot distinge unele de altele. Aceasta înseamnă că lichidul poate fi deplasat la orice distanță arbitrară (și nu numai la o anumită discretie, ca într-un cristal) sau rotit în orice unghi arbitrar (ceea ce nu se poate face deloc în cristale) și va coincide cu el însuși. Gradul de simetrie a acestuia este mai mare. Gazul este și mai simetric: lichidul ocupă un anumit volum în vas și se observă asimetrie în interiorul vasului, acolo unde este lichid, și în punctele unde nu este. Gazul ocupă întregul volum care îi este furnizat și, în acest sens, toate punctele sale nu se pot distinge unele de altele. Totuși, aici ar fi mai corect să vorbim nu despre puncte, ci despre elemente mici, dar macroscopice, pentru că există încă diferențe la nivel microscopic. În unele momente la un moment dat există atomi sau molecule, în timp ce altele nu. Simetria se observă doar în medie, fie asupra unor parametri macroscopici de volum, fie în timp.
Dar încă nu există o simetrie instantanee la nivel microscopic. Dacă substanța este comprimată foarte puternic, până la presiuni inacceptabile în viața de zi cu zi, comprimați astfel încât atomii să fie zdrobiți, învelișul lor să se pătrundă unul în celălalt, iar nucleele au început să se atingă, apare simetria la nivel microscopic. Toate nucleele sunt la fel și sunt presate unul împotriva celuilalt, nu numai distanțe interatomice, ci și internucleare sunt absente, iar substanța devine omogenă (substanță ciudată).
Dar există și un nivel submicroscopic. Nucleii sunt formați din protoni și neutroni care se mișcă în interiorul nucleului. Există, de asemenea, ceva spațiu între ei. Dacă continuați să strângeți astfel încât nucleii să fie și zdrobiți, nucleonii vor fi apăsați strâns unul împotriva celuilalt. Apoi, la nivel submicroscopic, va apărea simetria, care nici măcar nu se află în interiorul nucleelor obișnuite.
Din cele spuse, se poate observa o tendință destul de clară: cu cât temperatura este mai mare și presiunea este mai mare, cu atât substanța devine mai simetrică. Pe baza acestor considerații, substanța comprimată la maxim se numește puternic simetrică.
18. Substanță slab simetrică- o stare opusă unei substanțe puternic simetrice în proprietățile sale, care a fost prezentă într-un Univers foarte timpuriu la o temperatură apropiată de temperatura Planck, poate la 10-12 secunde după Big Bang, când forțele puternice, slabe și electromagnetice erau o singură. superputere. În această stare, materia este comprimată în așa măsură încât masa sa este transformată în energie, care începe să influențeze, adică să se extindă la infinit. Nu este încă posibil să se ajungă la energii pentru obținerea experimentală a superputerii și transferul materiei în această fază în condiții terestre, deși astfel de încercări au fost făcute la Large Hadron Collider pentru a studia universul timpuriu. Din cauza absenței interacțiunii gravitaționale în compoziția superforței care formează această substanță, superforța nu este suficient de simetrică în comparație cu forța supersimetrică, care conține toate cele 4 tipuri de interacțiuni. Prin urmare, această stare de agregare a primit un astfel de nume.
19. Materia fasciculului- aceasta, de fapt, nu este deloc o substanță, ci energie în forma sa pură. Cu toate acestea, aceasta este starea ipotetică de agregare pe care o va asuma un corp când a atins viteza luminii. Se poate obține și prin încălzirea corpului la temperatura Planck (1032K), adică prin accelerarea moleculelor substanței la viteza luminii. După cum rezultă din teoria relativității, atunci când se atinge o viteză mai mare de 0,99 s, masa corpului începe să crească mult mai repede decât în timpul accelerației „normale”, în plus, corpul se prelungește, se încălzește, adică începe pentru a radia în spectrul infraroșu. La trecerea pragului de 0,999 s, corpul se schimbă dramatic și începe o tranziție rapidă de fază până la starea de rază. După cum rezultă din formula lui Einstein, luată în formă completă, masa în creștere a substanței finale constă din mase care sunt separate de corp sub formă de radiații termice, cu raze X, optice și alte radiații, energia fiecăreia fiind descrisă. prin termenul următor din formulă. Astfel, un corp care se apropie de viteza luminii va începe să emită în toate spectrele, să crească în lungime și să încetinească în timp, subțiendu-se până la lungimea Planck, adică la atingerea vitezei c, corpul se va transforma într-un corp infinit de lung și raza subțire care se mișcă cu viteza luminii și este formată din fotoni care nu au lungime, iar masa sa infinită se va transforma complet în energie. Prin urmare, o astfel de substanță se numește rază.
Stare a materiei
Substanţă- un set cu adevărat existent de particule legate între ele prin legături chimice și în anumite condiții într-una din stările agregate. Orice substanță este alcătuită dintr-o colecție dintr-un număr foarte mare de particule: atomi, molecule, ioni, care se pot combina între ele în asociații, numiți și agregate sau clustere. În funcție de temperatura și comportamentul particulelor în asociați (aranjarea reciprocă a particulelor, numărul și interacțiunea lor într-un asociat, precum și distribuția asociatilor în spațiu și interacțiunea lor între ele), o substanță poate fi în două stări de bază de agregare - cristalin (solid) sau gazos,și în stări tranzitorii de agregare - amorf (solid), cristal lichid, lichid și vapori. Stările de agregare solide, lichide și lichide sunt condensate, iar stările de vapori și gaze sunt puternic descărcate.
Fază Este un set de microregiuni omogene caracterizate prin aceeași ordine și concentrație de particule și închise într-un volum macroscopic al unei substanțe delimitate de interfață. În această înțelegere, faza este caracteristică numai pentru substanțele în stare cristalină și gazoasă, deoarece acestea sunt stări omogene de agregare.
Metafaza Este un set de microregiuni diferite care diferă între ele în gradul de ordonare a particulelor sau concentrația lor și sunt închise într-un volum macroscopic al unei substanțe delimitate de interfață. În această înțelegere, metafaza este caracteristică numai pentru substanțele în stări de agregare tranziționale eterogene. Diferite faze și metafaze se pot amesteca între ele, formând o stare agregată și atunci nu există nicio interfață între ele.
De obicei, conceptele de stări agregate „de bază” și „tranziționale” nu sunt separate. Conceptele de „stare de agregare”, „fază” și „mezofază” sunt adesea folosite în mod interschimbabil. Este recomandabil să luați în considerare cinci stări agregate posibile pentru starea substanțelor: solid, cristal lichid, lichid, vapori, gazos. Tranziția de la o fază la alta se numește tranziție de fază de ordinul întâi și de ordinul doi. Tranzițiile de fază de primul fel sunt caracterizate prin:
O schimbare bruscă a măreției fizice, care descrie starea materiei (volum, densitate, vâscozitate etc.);
O anumită temperatură la care are loc această tranziție de fază
O anumită căldură, care caracterizează această tranziție, pentru că legăturile intermoleculare sunt rupte.
Tranzițiile de fază de primul fel sunt observate în timpul trecerii de la o stare de agregare la o altă stare de agregare. Tranzițiile de fază de al doilea fel sunt observate cu o schimbare în ordinea particulelor într-o stare agregată, caracterizată prin:
O schimbare treptată a proprietăților fizice ale unei substanțe;
Modificări în ordonarea particulelor unei substanțe sub influența unui gradient de câmpuri externe sau la o anumită temperatură, numită temperatura de tranziție de fază;
Căldura tranzițiilor de fază de ordinul doi este egală și apropiată de zero.
Principala diferență între tranzițiile de fază de ordinul întâi și al doilea este că în timpul tranzițiilor de ordinul întâi, în primul rând, energia particulelor sistemului se modifică, iar în cazul tranzițiilor de ordinul doi, ordonarea particulelor. a sistemului.
Tranziția unei substanțe de la starea solidă la starea lichidă se numește topireși se caracterizează printr-un punct de topire. Tranziția unei substanțe de la starea lichidă la starea de vapori se numește evaporareși se caracterizează printr-un punct de fierbere. Pentru unele substanțe cu greutate moleculară mică și interacțiune intermoleculară slabă, este posibilă o tranziție directă de la starea solidă la starea de vapori, ocolind starea lichidă. Această tranziție se numește sublimare. Toate aceste procese pot continua și în direcția opusă: apoi sunt numite înghețare, condensare, desublimare.
Substantele care nu se descompun in timpul topirii si fierberii pot fi, in functie de temperatura si presiune, in toate cele patru stari de agregare.
Stare solidă
La o temperatură suficient de scăzută, aproape toate substanțele sunt în stare solidă. În această stare, distanța dintre particulele unei substanțe este comparabilă cu dimensiunea particulelor în sine, ceea ce asigură interacțiunea lor puternică și un exces semnificativ al energiei lor potențiale față de energia cinetică.. Mișcarea particulelor unui solid este limitată doar prin vibrații și rotații minore față de poziția pe care o ocupă și nu au mișcare de translație... Acest lucru duce la ordinea internă în aranjarea particulelor. Prin urmare, solidele se caracterizează prin propria formă, rezistență mecanică, volum constant (sunt practic incompresibile). În funcție de gradul de ordonare a particulelor, solidele sunt împărțite în cristalin şi amorf.
Substanțele cristaline se caracterizează prin prezența ordinii în aranjarea tuturor particulelor. Faza solidă a substanțelor cristaline este formată din particule care formează o structură omogenă, caracterizată printr-o repetabilitate strictă a aceleiași celule unitare în toate direcțiile. Celula unitară a unui cristal caracterizează periodicitatea tridimensională în aranjamentul particulelor, adică rețeaua sa cristalină. Rețelele cristaline sunt clasificate în funcție de tipul de particule care alcătuiesc cristalul și de natura forțelor de atracție dintre ele.
Multe substante cristaline, in functie de conditii (temperatura, presiune), pot avea o structura cristalina diferita. Acest fenomen se numește polimorfism. Modificări polimorfe binecunoscute ale carbonului: grafit, fullerenă, diamant, carbină.
Substanțe amorfe (informe). Această condiție este tipică pentru polimeri. Moleculele lungi se îndoaie și se împletesc cu ușurință cu alte molecule, rezultând un aranjament neregulat al particulelor.
Diferența dintre particulele amorfe și cele cristaline:
izotropie - aceleași proprietăți fizice și chimice ale unui corp sau mediului în toate direcțiile, de ex. independența proprietăților față de direcție;
fără punct de topire fix.
Sticla, silice topită și mulți polimeri au o structură amorfă. Substanțele amorfe sunt mai puțin stabile decât cele cristaline și, prin urmare, orice corp amorf poate trece în cele din urmă într-o stare mai stabilă energetic - cristalin.
Stare lichida
Odată cu creșterea temperaturii, energia vibrațiilor termice a particulelor crește, iar pentru fiecare substanță există o temperatură, începând de la care energia vibrațiilor termice depășește energia legăturilor. Particulele pot efectua diferite mișcări, deplasate unele față de altele. Ele rămân încă în contact, deși structura geometrică corectă a particulelor este încălcată - substanța există în stare lichidă. Datorită mobilității particulelor, starea lichidă se caracterizează prin mișcarea browniană, difuzia și volatilitatea particulelor. O proprietate importantă a unui fluid este vâscozitatea, care caracterizează forțele inter-asociative care împiedică curgerea liberă a fluidului.
Lichidele ocupă o poziție intermediară între starea gazoasă și cea solidă a substanțelor. Structură mai ordonată decât gazul, dar mai puțin decât solidă.
Abur și stare gazoasă
Starea vapor-gazoasă nu se distinge de obicei.
Gaz - este un sistem omogen extrem de descărcat format din molecule individuale departe unele de altele, care pot fi considerate ca o singură fază dinamică.
abur - este un sistem neomogen extrem de descărcat, care este un amestec de molecule și mici asociați instabili formați din aceste molecule.
Teoria cinetică moleculară explică proprietățile unui gaz ideal, pe baza următoarelor prevederi: moleculele fac mișcare aleatorie continuă; volumul moleculelor de gaz este neglijabil în comparație cu distanțele intermoleculare; forțele de atracție sau de repulsie nu acționează între moleculele de gaz; energia cinetică medie a moleculelor de gaz este proporţională cu temperatura sa absolută. Datorită nesemnificației forțelor de interacțiune intermoleculară și prezenței unui volum liber mare, gazele se caracterizează printr-o rată ridicată de mișcare termică și difuzie moleculară, dorința moleculelor de a ocupa cel mai mare volum posibil, precum și o compresibilitate ridicată.
Un sistem izolat în fază gazoasă este caracterizat de patru parametri: presiune, temperatură, volum, cantitate de substanță. Relația dintre acești parametri este descrisă de ecuația de stare a gazului ideal:
R = 8,31 kJ / mol - constanta universală a gazului.
În această secțiune, ne vom uita la state agregate, în care rezidă materia înconjurătoare și forțele de interacțiune dintre particulele de materie, inerente fiecăreia dintre stările agregate.
1. Stare solidă,
2. Stare lichidași
3. Stare gazoasă.
A patra stare de agregare este adesea distinsă - plasmă.
Uneori, o stare de plasmă este considerată un tip de stare gazoasă.
Plasma - gaz parțial sau complet ionizat, cel mai adesea existent la temperaturi ridicate.
Plasma este cea mai răspândită stare a materiei din univers, deoarece materia stelelor se află în această stare.
Pentru fiecare stare agregată trăsături caracteristice în natura interacțiunii dintre particulele unei substanțe, care afectează proprietățile sale fizice și chimice.
Fiecare substanță poate fi în diferite stări de agregare. La temperaturi suficient de scăzute, toate substanțele sunt în stare solidă... Dar pe măsură ce se încălzesc, devin lichide, atunci gazele... La încălzire suplimentară, ei ionizează (atomii își pierd o parte din electroni) și trec în stare plasmă.
Gaz
Stare gazoasă(din Dutch.gas, se întoarce la greaca veche. Χάος ) caracterizată prin legături foarte slabe între particulele sale constitutive.
Moleculele sau atomii care formează gazul se mișcă haotic și, în cea mai mare parte a timpului, se află la distanțe mari (în comparație cu dimensiunea lor) unul față de celălalt. Prin urmare forțele de interacțiune dintre particulele de gaz sunt neglijabile.
Caracteristica principală a gazului este că umple tot spațiul disponibil fără a forma o suprafață. Gazele sunt întotdeauna amestecate. Gazul este o substanță izotropă, adică proprietățile sale sunt independente de direcție.
În absenţa forţelor gravitaţionale presiuneîn toate punctele gazului la fel. În domeniul forțelor gravitaționale, densitatea și presiunea nu sunt aceleași în fiecare punct, scăzând cu înălțimea. În consecință, în câmpul gravitațional, amestecul de gaz devine neomogen. Gaze grele tind să se scufunde mai jos și mai mult plămânii- pentru a merge sus.
Gazul are compresibilitate ridicată- odata cu cresterea presiunii, densitatea acesteia creste. Când temperatura crește, se extind.
Când este comprimat, gazul se poate transforma în lichid, dar condensul nu are loc la nicio temperatură, ci la o temperatură sub temperatura critică. Temperatura critică este o caracteristică a unui anumit gaz și depinde de forțele de interacțiune dintre moleculele acestuia. Deci, de exemplu, gaz heliu poate fi lichefiat numai la temperaturi mai mici 4,2K.
Există gaze care, atunci când sunt răcite, trec într-un solid, ocolind faza lichidă. Transformarea unui lichid într-un gaz se numește evaporare, iar transformarea directă a unui solid în gaz este sublimare.
Solid
Stare solidăîn comparaţie cu alte stări de agregare caracterizat prin stabilitatea formei.
Distinge cristalinși solide amorfe.
Starea cristalină a materiei
Stabilitatea formei solidelor se datorează faptului că majoritatea celor în stare solidă au structură cristalină.
În acest caz, distanțele dintre particulele substanței sunt mici, iar forțele de interacțiune dintre ele sunt mari, ceea ce determină stabilitatea formei.
Este ușor să te convingi de structura cristalină a multor solide prin despicarea unei bucăți de materie și examinând fractura rezultată. De obicei, pe o fractură (de exemplu, în zahăr, sulf, metale etc.), mici fețe de cristal situate în unghiuri diferite sunt clar vizibile, strălucind datorită reflectării diferite a luminii de către acestea.
În cazurile în care cristalele sunt foarte mici, structura cristalină a unei substanțe poate fi stabilită folosind un microscop.
Forme de cristal
Fiecare substanță se formează cristale de o formă complet definită.
Varietatea formelor cristaline poate fi rezumată în șapte grupuri:
1. Triclinnaya(paralelipiped),
2.Monoclinic(o prismă cu un paralelogram la bază),
3. Rombic(paralepiped dreptunghiular),
4. tetragonală(paralepiped dreptunghiular cu un pătrat la bază),
5. Trigonală,
6. Hexagonal(prismă cu baza corectă centrată
hexagon),
7. Cub(cub).
Multe substanțe, în special fier, cupru, diamant, clorură de sodiu, cristalizează în sistem cubic... Cele mai simple forme ale acestui sistem sunt cub, octaedru, tetraedru.
Magneziul, zincul, gheața, cuarțul cristalizează în sistem hexagonal... Principalele forme ale acestui sistem sunt: prisme hexagonale și bipiramidă.
Cristalele naturale, precum și cristalele obținute prin mijloace artificiale, rareori corespund exact formelor teoretice. De obicei, când substanța topită se solidifică, cristalele cresc împreună și, prin urmare, forma fiecăruia dintre ele se dovedește a nu fi complet corectă.
Oricum, oricât de neuniform se dezvoltă cristalul, oricât de distorsionată ar fi forma lui, unghiurile la care converg fețele cristalului pentru aceeași substanță rămân constante.
Anizotropie
Caracteristicile corpurilor cristaline nu se limitează doar la forma cristalelor. Deși substanța dintr-un cristal este complet omogenă, multe dintre proprietățile sale fizice - rezistență, conductivitate termică, atitudine față de lumină etc. - nu sunt întotdeauna aceleași în direcții diferite în interiorul cristalului. Această caracteristică importantă a substanțelor cristaline se numește anizotropie.
Structura internă a cristalelor. Rețele cristaline.
Forma exterioară a cristalului reflectă structura sa internă și se datorează aranjarii corecte a particulelor care alcătuiesc cristalul - molecule, atomi sau ioni.
Acest aranjament poate fi reprezentat ca rețea cristalină- un cadru de zăbrele format din linii drepte care se intersectează. În punctele de intersecție a liniilor - noduri de zăbrele- centrele particulelor se află.
În funcție de natura particulelor situate la nodurile rețelei cristaline și de ce forțe de interacțiune predomină între ele într-un anumit cristal, se disting următoarele tipuri rețele cristaline:
1.molecular,
2.atomice,
3.ionicăși
4.metal.
Rețelele moleculare și atomice sunt inerente substanțelor cu legătură covalentă, compuși ionic - ionici, metal - metale și aliajele acestora.
Atomii se află în nodurile rețelelor atomice... Sunt înrudiți unul cu celălalt legătură covalentă.
Există relativ puține substanțe cu rețele atomice. Acestea includ diamant, siliconși unii compuși anorganici.
Aceste substanțe se caracterizează prin duritate ridicată, sunt refractare și insolubile în aproape orice solvenți. Aceste proprietăți se datorează rezistenței lor legătură covalentă.
Moleculele sunt localizate la locurile rețelelor moleculare... Sunt înrudiți unul cu celălalt forte intermoleculare.
Există o mulțime de substanțe cu o rețea moleculară. Acestea includ nemetale, cu excepția carbonului și a siliciului, toate compusi organici cu comunicare neionică şi mulți compuși anorganici.
Forțele interacțiunii intermoleculare sunt mult mai slabe decât forțele legăturilor covalente, prin urmare cristalele moleculare au duritate scăzută, fuzibile și volatile.
La locurile rețelelor ionice sunt aranjate, alternând ionii încărcați pozitiv și negativ... Sunt legați unul de celălalt prin forțe atracție electrostatică.
Compușii cu legături ionice care formează rețele ionice includ majoritatea sărurilor și puțini oxizi.
Prin putere rețele ionice inferior atomic, dar depășește molecular.
Compușii ionici au puncte de topire relativ ridicate. În cele mai multe cazuri, volatilitatea lor nu este mare.
În locurile rețelelor metalice se află atomi de metal, între care electronii comuni acestor atomi se mișcă liber.
Prezența electronilor liberi în rețelele cristaline ale metalelor poate explica numeroasele lor proprietăți: plasticitate, maleabilitate, luciu metalic, conductivitate electrică și termică ridicată.
Există substanțe în cristalele cărora două tipuri de interacțiuni între particule joacă un rol semnificativ. Deci, în grafit, atomii de carbon sunt legați unul de celălalt în aceleași direcții. legătură covalentă, iar în altele - metal... Prin urmare, rețeaua de grafit poate fi considerată ca atomic, Si cum metal.
În mulți compuși anorganici, de exemplu, în BeO, ZnS, CuCl, legătura dintre particulele situate la nodurile rețelei este parțial ionicși parțial covalent... Prin urmare, rețelele unor astfel de compuși pot fi considerate ca intermediare între ionicși atomic.
Stare amorfa a materiei
Proprietățile substanțelor amorfe
Printre solide, se numără cele în a căror fractură nu se găsesc semne de cristale. De exemplu, dacă spargeți o bucată de sticlă obișnuită, atunci fractura acesteia va fi netedă și, spre deosebire de fracturile de cristal, este limitată nu la suprafețe plate, ci la suprafețe ovale.
Un model similar se observă atunci când bucăți de rășină, lipici și alte substanțe sunt împărțite. Această stare a materiei se numește amorf.
Diferență între cristalinși amorf corpurile este deosebit de pronunțată în atitudinea lor față de încălzire.
În timp ce cristalele fiecărei substanțe se topesc la o temperatură strict definită și la aceeași temperatură, are loc o tranziție de la stare lichidă la stare solidă, corpurile amorfe nu au un punct de topire constant... Când este încălzit, corpul amorf se înmoaie treptat, începe să se răspândească și, în cele din urmă, devine complet lichid. Când se răcește, de asemenea se intareste treptat.
Datorită absenței unui punct de topire specific, corpurile amorfe au o abilitate diferită: multe dintre ele curg ca lichide, adică cu acțiune prelungită a forțelor relativ mici, își schimbă treptat forma. De exemplu, o bucată de rășină, așezată pe o suprafață plană, se întinde timp de câteva săptămâni într-o cameră caldă, luând forma unui disc.
Structura substanțelor amorfe
Diferență între cristalin şi amorf starea materiei este următoarea.
Dispunerea ordonată a particulelor într-un cristal reflectată de celula unitară este reținută pe suprafețe mari de cristale, iar în cazul cristalelor bine formate - în întregimea lor.
V corpuri amorfe se observă numai ordinea în aranjarea particulelor în zone foarte mici... În plus, într-un număr de corpuri amorfe, chiar și această ordonare locală este doar aproximativă.
Această distincție poate fi rezumată după cum urmează:
- Structura cristalină este caracterizată de ordine pe distanță lungă,
- structura corpurilor amorfe – la vecini.
Exemple de substanțe amorfe.
Substanțele amorfe stabile includ sticlă(artificiale și vulcanice), naturale și artificiale rășini, adezivi, parafină, ceară si etc.
Trecerea de la starea amorfă la starea cristalină.
Unele substanțe pot fi atât în stare cristalină, cât și amorfă. Dioxid de siliciu SiO2 apare în mod natural la fel de bine educat cristale de cuarț, precum și în stare amorfă ( silex mineral).
în care starea cristalină este întotdeauna mai stabilă... Prin urmare, o tranziție spontană de la o substanță cristalină la una amorfă este imposibilă, iar transformarea inversă - o tranziție spontană de la o stare amorfă la una cristalină - este posibilă și uneori observată.
Un exemplu de astfel de transformare este devitrificare- cristalizarea spontană a sticlei la temperaturi ridicate, însoțită de distrugerea acesteia.
Stare amorfă multe substanțe se obțin cu o viteză mare de solidificare (răcire) a topiturii lichide.
Pentru metale și aliaje stare amorfă se formează, de regulă, dacă topitura este răcită într-un timp de ordinul fracțiunilor de zeci de milisecunde. Pentru sticlă, este suficientă o viteză de răcire mult mai mică.
Cuarţ (SiO2) are, de asemenea, o viteză scăzută de cristalizare. Prin urmare, produsele turnate din acesta sunt amorfe. Cuarțul natural, care a avut sute și mii de ani să se cristalizeze în timpul răcirii scoarței terestre sau a straturilor profunde de vulcani, are o structură groso-cristalină, spre deosebire de sticla vulcanică, înghețată la suprafață și deci amorfă.
Lichide
Lichidul este o stare intermediară între un solid și un gaz.
Stare lichida este intermediar între gazos și cristalin. Conform unor proprietăți, lichidele sunt aproape de gazele, pe alții - să solide.
Cu gazele, lichidele sunt aduse împreună, în primul rând, de izotropieși fluiditate... Acesta din urmă determină capacitatea lichidului de a-și schimba cu ușurință forma.
dar densitate mareși compresibilitate scăzută lichidele le apropie de solide.
Capacitatea lichidelor de a-și schimba cu ușurință forma indică absența forțelor rigide de interacțiune intermoleculară în ele.
În același timp, compresibilitatea scăzută a lichidelor, care determină capacitatea de a menține un volum constant la o temperatură dată, indică prezența unor forțe de interacțiune între particule, deși nu rigide, dar totuși semnificative.
Raportul dintre energia potențială și cea cinetică.
Fiecare stare de agregare este caracterizată de propriul raport între energiile potențiale și cinetice ale particulelor de materie.
În solide, energia potențială medie a particulelor este mai mare decât energia lor cinetică medie. Prin urmare, în solide, particulele ocupă anumite poziții unele față de altele și vibrează doar în raport cu aceste poziții.
Pentru gaze, raportul de energie este invers, drept urmare moleculele de gaz se află mereu într-o stare de mișcare haotică și forțele de aderență dintre molecule sunt practic absente, astfel încât gazul ocupă întotdeauna întregul volum care îi este prevăzut.
În cazul lichidelor, energiile cinetice și potențiale ale particulelor sunt aproximativ aceleași, adică particulele sunt conectate între ele, dar nu rigid. Prin urmare, lichidele sunt fluide, dar au un volum constant la o anumită temperatură.
Structurile lichidelor și ale corpurilor amorfe sunt similare.
Ca urmare a aplicării metodelor de analiză structurală la lichide, s-a constatat că structura lichidele sunt ca corpurile amorfe... Majoritatea lichidelor au ordine de închidere- numărul de vecini cei mai apropiați pentru fiecare moleculă și poziția relativă a acestora sunt aproximativ aceleași în întregul volum al lichidului.
Gradul de ordonare a particulelor este diferit pentru diferite lichide. În plus, se schimbă cu temperatura.
La temperaturi scăzute, care depășesc ușor punctul de topire al unei substanțe date, gradul de ordine al aranjamentului particulelor unui lichid dat este ridicat.
Pe măsură ce temperatura crește, scade și pe măsură ce se încălzește, proprietățile unui lichid sunt din ce în ce mai apropiate de cele ale unui gaz... Când se atinge temperatura critică, distincția dintre lichid și gaz dispare.
Datorită asemănării structurii interne a lichidelor și a corpurilor amorfe, acestea din urmă sunt adesea considerate lichide cu o vâscozitate foarte mare, iar numai substanțele în stare cristalină sunt denumite solide.
Prin asemanare corpuri amorfe lichide, cu toate acestea, trebuie amintit că în corpurile amorfe, spre deosebire de lichidele obișnuite, particulele au o mobilitate nesemnificativă - la fel ca și în cristale.
Stări agregate ale materiei(din latinescul aggrego - atașez, conectez) - acestea sunt stări ale aceleiași substanțe, tranziții între care corespund schimbărilor bruște ale energiei libere, densității și altor parametri fizici ai substanței.
Gaz (gaz francez, derivat din grecescul haos - haos)- aceasta este starea de agregare, în care forțele de interacțiune ale particulelor sale care umple întregul volum care le este furnizat sunt neglijabile. În gaze, distanțele intermoleculare sunt mari și moleculele se mișcă aproape liber.
Gazele pot fi privite ca vapori semnificativ supraîncălziți sau slab saturați. Există abur deasupra suprafeței fiecărui lichid. Când presiunea vaporilor crește până la o anumită limită, numită presiunea vaporilor saturați, evaporarea lichidului se oprește, deoarece lichidul devine același. O scădere a volumului de abur saturat provoacă porțiuni de abur mai degrabă decât o creștere a presiunii. Prin urmare, presiunea aburului nu poate fi mai mare. Starea de saturație este caracterizată de masa de saturație conținută în masa de 1 m de abur saturat, care depinde de temperatură. Abur saturat poate deveni nesaturată dacă volumul său este crescut sau temperatura este crescută. Dacă temperatura aburului este mult mai mare decât punctul corespunzător presiunii date, aburul se numește supraîncălzit.
Plasma este un gaz parțial sau complet ionizat în care densitățile sarcinilor pozitive și negative sunt practic aceleași. Soarele, stelele, norii de materie interstelara sunt compusi din gaze – neutre sau ionizate (plasma). Spre deosebire de alte stări de agregare, plasma este un gaz de particule încărcate (ioni, electroni) care interacționează electric între ele la distanțe mari, dar nu au ordine de distanță scurtă, nici ordine lungă în aranjarea particulelor.
Lichid- Aceasta este starea de agregare a materiei, intermediară între solid și gazos. Lichidele au unele caracteristici ale unui solid (își păstrează volumul, formează o suprafață, are o anumită rezistență la tracțiune) și ale unui gaz (ia forma unui vas în care se află). Mișcarea termică a moleculelor (atomilor) unui lichid este o combinație de vibrații mici în jurul pozițiilor de echilibru și salturi frecvente de la o poziție de echilibru la alta. În același timp, au loc mișcări lente ale moleculelor și oscilații ale acestora în volume mici, salturi frecvente ale moleculelor încalcă ordinea pe distanță lungă în aranjarea particulelor și provoacă fluiditatea lichidelor, iar vibrațiile mici în apropierea pozițiilor de echilibru provoacă existența unor ordinea intervalului în lichide.Lichidele și solidele, spre deosebire de gaze, pot fi privite ca medii puternic condensate. În ele, moleculele (atomii) sunt situate mult mai aproape unele de altele, iar forțele de interacțiune sunt cu câteva ordine de mărime mai mari decât în gaze. Prin urmare, lichidele și solidele au o importanță semnificativă oportunități limitate pentru expansiune, cu siguranță nu pot ocupa un volum arbitrar și, în mod constant, își păstrează volumul, indiferent de volumul în care sunt plasate. Tranzițiile de la o stare de agregare mai structurată la una mai puțin ordonată pot avea loc și în mod continuu. În acest sens, în locul conceptului de stare agregată, este recomandabil să se folosească un concept mai larg - conceptul de fază.
Fază se numește mulțimea tuturor părților sistemului care au același compoziție chimică si fiind in aceeasi stare. Acest lucru este justificat de existența simultană a fazelor de echilibru termodinamic într-un sistem multifazic: un lichid cu vapori saturați proprii; apă și gheață la punctul de topire; două lichide nemiscibile (amestec de apă cu trietilamină), care diferă ca concentrație; existenţa unor solide amorfe care păstrează structura lichidului (starea amorfă).
Starea solidă amorfă a materiei este un fel de stare suprarăcită a unui lichid și diferă de lichidele obișnuite printr-o vâscozitate semnificativ mai mare și valori numerice caracteristici cinetice.
Starea solidă cristalină a materiei- Aceasta este o stare agregată, care se caracterizează prin forțe mari de interacțiune între particulele de materie (atomi, molecule, ioni). Particulele de solide vibrează în jurul pozițiilor medii de echilibru, numite nodurile rețelei cristaline; structura acestor substanțe se caracterizează printr-un grad ridicat de ordonare (ordine pe distanță lungă și pe rază scurtă) - ordonarea în aranjare (ordinea de coordonare), în orientarea (ordinea orientativă) a particulelor structurale sau în ordonarea fizică. proprietăți (de exemplu, în orientarea momentelor magnetice sau a momentelor dipolului electric). Regiunea de existență a unei faze lichide normale pentru lichide pure, lichide și cristale lichide este limitată din partea temperaturilor scăzute tranziții de fază respectiv în stare solidă (cristalizare), superfluid și lichid-anizotrop.
