Am weitesten verbreitet ist das Wissen um drei Aggregatzustände: flüssig, fest, gasförmig, manchmal denkt man an Plasma, seltener an Flüssigkristall. Kürzlich hat sich im Internet eine Liste von 17 Phasen der Materie verbreitet, die dem berühmten () Stephen Fry entnommen ist. Deshalb werden wir ausführlicher darüber sprechen, weil. man sollte etwas mehr über Materie wissen, schon um die Vorgänge im Universum besser zu verstehen.

Die unten angegebene Liste der Aggregatzustände der Materie steigt von den kältesten Zuständen zu den heißesten und so weiter. darf fortgesetzt werden. Gleichzeitig sollte verstanden werden, dass aus dem gasförmigen Zustand (Nr. 11), dem „expandiertesten“, auf beiden Seiten der Liste, der Kompressionsgrad der Substanz und ihr Druck (mit einigen Vorbehalten für solche unerforschten hypothetische Zustände wie Quanten-, Strahlen- oder schwach symmetrische Zustände) Nach dem Text folgt eine visuelle Darstellung der Phasenübergänge der Materie.

1. Quanten- der Aggregatzustand der Materie, der erreicht wird, wenn die Temperatur auf den absoluten Nullpunkt sinkt, wodurch innere Bindungen verschwinden und Materie in freie Quarks zerfällt.

2. Bose-Einstein-Kondensat- der Aggregatzustand der Materie, der auf Bosonen beruht, die auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (weniger als ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt) abgekühlt sind. In einem so stark abgekühlten Zustand befinden sich genügend viele Atome in ihren minimal möglichen Quantenzuständen, und Quanteneffekte beginnen sich auf makroskopischer Ebene zu manifestieren. Bose-Einstein-Kondensat (häufig als „Bose-Kondensat“ oder einfach „zurück“ bezeichnet) entsteht, wenn Sie ein chemisches Element auf extrem niedrige Temperaturen (normalerweise knapp über dem absoluten Nullpunkt, minus 273 Grad Celsius) abkühlen wo alles aufhört sich zu bewegen).
Hier beginnen seltsame Dinge zu passieren. Prozesse, die normalerweise nur auf atomarer Ebene beobachtbar sind, finden jetzt auf Skalen statt, die groß genug sind, um mit bloßem Auge beobachtet zu werden. Wenn Sie beispielsweise einen "Rücken" in ein Becherglas geben und die gewünschte Temperatur einstellen, beginnt die Substanz, die Wand hinaufzukriechen und schließlich von selbst herauszukommen.
Anscheinend haben wir es hier mit einem vergeblichen Versuch der Materie zu tun, ihre eigene Energie (die sich bereits auf dem niedrigsten aller möglichen Niveaus befindet) zu senken.
Das Verlangsamen von Atomen mit Kühlgeräten erzeugt einen einzigartigen Quantenzustand, der als Bose-Kondensat oder Bose-Einstein bekannt ist. Dieses Phänomen wurde 1925 von A. Einstein als Ergebnis einer Verallgemeinerung der Arbeit von S. Bose vorhergesagt, in der die statistische Mechanik für Teilchen aufgebaut wurde, die von masselosen Photonen bis zu Atomen mit Masse reichten (Einsteins Manuskript, das als verschollen galt, wurde 2005 in der Bibliothek der Universität Leiden gefunden). Das Ergebnis der Bemühungen von Bose und Einstein war das Bose-Konzept eines Gases, das der Bose-Einstein-Statistik gehorcht, die die statistische Verteilung identischer Teilchen mit ganzzahligem Spin, den sogenannten Bosonen, beschreibt. Bosonen, das sind zum Beispiel sowohl einzelne Elementarteilchen – Photonen, als auch ganze Atome – können sich in gleichen Quantenzuständen befinden. Einstein schlug vor, dass das Abkühlen von Atomen – Bosonen auf sehr niedrige Temperaturen – dazu führen würde, dass sie in den niedrigstmöglichen Quantenzustand übergehen (oder mit anderen Worten kondensieren). Das Ergebnis einer solchen Verdichtung wird die Entstehung einer neuen Form von Materie sein.
Dieser Übergang tritt unterhalb der kritischen Temperatur auf, die für ein homogenes dreidimensionales Gas gilt, das aus nicht wechselwirkenden Teilchen ohne innere Freiheitsgrade besteht.

3. Fermionisches Kondensat- Aggregatzustand eines Stoffes, ähnlich dem Träger, aber unterschiedlicher Struktur. Bei Annäherung an den absoluten Nullpunkt verhalten sich Atome je nach Größe ihres eigenen Drehimpulses (Spin) unterschiedlich. Bosonen haben ganzzahlige Spins, während Fermionen Spins haben, die Vielfache von 1/2 (1/2, 3/2, 5/2) sind. Fermionen gehorchen dem Pauli-Ausschlussprinzip, das besagt, dass zwei Fermionen nicht denselben Quantenzustand haben können. Für Bosonen gibt es kein solches Verbot, und daher haben sie die Möglichkeit, in einem Quantenzustand zu existieren und dabei das sogenannte Bose-Einstein-Kondensat zu bilden. Der Prozess der Bildung dieses Kondensats ist für den Übergang in den supraleitenden Zustand verantwortlich.
Elektronen haben Spin 1/2 und sind daher Fermionen. Sie verbinden sich zu Paaren (sogenannte Cooper-Paare), die dann ein Bose-Kondensat bilden.
Amerikanische Wissenschaftler versuchten, durch Tiefenkühlung eine Art Molekül aus Fermion-Atomen zu gewinnen. Der Unterschied zu echten Molekülen bestand darin, dass es keine chemische Bindung zwischen den Atomen gab – sie bewegten sich nur auf korrelierte Weise zusammen. Die Bindung zwischen Atomen erwies sich als noch stärker als zwischen Elektronen in Cooper-Paaren. Für die gebildeten Fermionenpaare ist der Gesamtspin nicht mehr ein Vielfaches von 1/2, sie verhalten sich also bereits wie Bosonen und können ein Bose-Kondensat mit einem einzigen Quantenzustand bilden. Während des Experiments wurde ein Gas aus Kalium-40-Atomen auf 300 Nanokelvin abgekühlt, während das Gas in einer sogenannten optischen Falle eingeschlossen war. Dann wurde ein externes Magnetfeld angelegt, mit dessen Hilfe die Art der Wechselwirkungen zwischen Atomen verändert werden konnte - statt einer starken Abstoßung wurde eine starke Anziehung beobachtet. Bei der Analyse des Einflusses des Magnetfelds konnte ein solcher Wert gefunden werden, bei dem sich die Atome wie Cooper-Elektronenpaare zu verhalten begannen. In der nächsten Phase des Experiments schlagen die Wissenschaftler vor, die Effekte der Supraleitung für das fermionische Kondensat zu erhalten.

4. Superflüssige Materie- ein Zustand, in dem die Substanz praktisch keine Viskosität hat und beim Fließen keine Reibung mit einer festen Oberfläche erfährt. Die Folge davon ist zum Beispiel ein so interessanter Effekt wie das völlig spontane „Herauskriechen“ von superflüssigem Helium aus dem Gefäß entlang seiner Wände gegen die Schwerkraft. Natürlich liegt hier kein Verstoß gegen den Energieerhaltungssatz vor. In Abwesenheit von Reibungskräften wirken auf Helium nur Gravitationskräfte, Kräfte der interatomaren Wechselwirkung zwischen Helium und den Wänden des Gefäßes und zwischen Heliumatomen. Die Kräfte der interatomaren Wechselwirkung übersteigen also alle anderen Kräfte zusammengenommen. Infolgedessen neigt Helium dazu, sich so weit wie möglich über alle möglichen Oberflächen zu verteilen und "wandert" daher entlang der Gefäßwände. 1938 bewies der sowjetische Wissenschaftler Pyotr Kapitsa, dass Helium in einem superflüssigen Zustand existieren kann.
Es ist erwähnenswert, dass viele der ungewöhnlichen Eigenschaften von Helium schon seit geraumer Zeit bekannt sind. In den letzten Jahren hat uns dieses chemische Element jedoch mit interessanten und unerwarteten Effekten „verwöhnt“. So faszinierten Moses Chan und Eun-Syong Kim von der University of Pennsylvania im Jahr 2004 die wissenschaftliche Welt, indem sie behaupteten, dass es ihnen gelungen sei, einen völlig neuen Zustand von Helium zu erreichen – einen superflüssigen Feststoff. In diesem Zustand können einige Heliumatome im Kristallgitter andere umströmen und somit Helium sich selbst durchströmen. Der Effekt der „Superhärte“ wurde bereits 1969 theoretisch vorhergesagt. Und im Jahr 2004 - als ob experimentelle Bestätigung. Spätere und sehr kuriose Experimente zeigten jedoch, dass alles nicht so einfach ist, und vielleicht ist eine solche Interpretation des Phänomens, das früher für die Suprafluidität von festem Helium gehalten wurde, falsch.
Das Experiment der Wissenschaftler um Humphrey Maris von der Brown University in den USA war einfach und elegant. Die Wissenschaftler stellten ein umgedrehtes Reagenzglas in einen geschlossenen Tank mit flüssigem Helium. Ein Teil des Heliums im Reagenzglas und im Tank wurde so eingefroren, dass die Grenze zwischen Flüssigkeit und Feststoff im Reagenzglas höher war als im Tank. Mit anderen Worten, im oberen Teil des Reagenzglases befand sich flüssiges Helium und im unteren Teil festes Helium, das reibungslos in die feste Phase des Tanks überging, über die ein wenig flüssiges Helium gegossen wurde - niedriger als der Flüssigkeitsspiegel im Reagenzglas. Wenn flüssiges Helium durch festes Material zu sickern beginnt, nimmt der Niveauunterschied ab, und wir können von festem superflüssigem Helium sprechen. Und im Prinzip nahm in drei von 13 Experimenten der Pegelunterschied ab.

5. Superharte Materie- ein Aggregatzustand, in dem Materie durchsichtig ist und wie eine Flüssigkeit „fließen“ kann, tatsächlich aber keine Viskosität aufweist. Solche Flüssigkeiten sind seit vielen Jahren bekannt und werden Superfluide genannt. Tatsache ist, dass die Supraflüssigkeit, wenn sie gerührt wird, fast ewig zirkuliert, während sich die normale Flüssigkeit schließlich beruhigt. Die ersten beiden Superflüssigkeiten wurden von Forschern mit Helium-4 und Helium-3 hergestellt. Sie wurden fast bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt – auf minus 273 Grad Celsius. Und aus Helium-4 gelang es amerikanischen Wissenschaftlern, einen superharten Körper zu bekommen. Sie komprimierten das gefrorene Helium durch mehr als 60-fachen Druck, und dann wurde das mit der Substanz gefüllte Glas auf einer rotierenden Scheibe installiert. Bei einer Temperatur von 0,175 Grad Celsius begann die Scheibe plötzlich freier zu rotieren, was Wissenschaftlern zufolge darauf hindeutet, dass Helium zu einem Superkörper geworden ist.

6. Solide- der Aggregatzustand der Materie, gekennzeichnet durch die Stabilität der Form und die Art der thermischen Bewegung von Atomen, die kleine Schwingungen um die Gleichgewichtspositionen erzeugen. Der stabile Zustand von Festkörpern ist kristallin. Unterscheiden Sie Feststoffe mit ionischen, kovalenten, metallischen und anderen Arten von Bindungen zwischen Atomen, die die Vielfalt ihrer physikalischen Eigenschaften bestimmen. Die elektrischen und einige andere Eigenschaften von Festkörpern werden hauptsächlich durch die Art der Bewegung der äußeren Elektronen ihrer Atome bestimmt. Festkörper werden nach ihren elektrischen Eigenschaften in Dielektrika, Halbleiter und Metalle eingeteilt, nach ihren magnetischen Eigenschaften in Diamagnete, Paramagnete und Körper mit geordneter magnetischer Struktur. Die Untersuchungen der Eigenschaften von Festkörpern haben sich zu einem großen Gebiet zusammengeschlossen – der Festkörperphysik, deren Entwicklung durch die Erfordernisse der Technik angeregt wird.

7. Amorpher Feststoff- ein kondensierter Aggregatzustand eines Stoffes, gekennzeichnet durch die Isotropie der physikalischen Eigenschaften aufgrund der ungeordneten Anordnung von Atomen und Molekülen. In amorphen Festkörpern schwingen Atome um zufällig angeordnete Punkte. Im Gegensatz zum kristallinen Zustand erfolgt der Übergang von fest amorph zu flüssig allmählich. Verschiedene Substanzen befinden sich im amorphen Zustand: Gläser, Harze, Kunststoffe usw.

8. Flüssigkristall- dies ist ein bestimmter Aggregatzustand eines Stoffes, in dem er gleichzeitig die Eigenschaften eines Kristalls und einer Flüssigkeit aufweist. Wir müssen sofort einen Vorbehalt machen, dass nicht alle Substanzen im flüssigkristallinen Zustand sein können. Einige organische Substanzen mit komplexen Molekülen können jedoch einen bestimmten Aggregatzustand bilden - Flüssigkristall. Dieser Zustand wird beim Schmelzen von Kristallen bestimmter Substanzen durchgeführt. Beim Schmelzen entsteht eine flüssigkristalline Phase, die sich von gewöhnlichen Flüssigkeiten unterscheidet. Diese Phase existiert im Bereich von der Schmelztemperatur des Kristalls bis zu einer höheren Temperatur, bei der sich der Flüssigkristall in eine gewöhnliche Flüssigkeit umwandelt, wenn er erhitzt wird.
Wie unterscheidet sich ein Flüssigkristall von einer Flüssigkeit und einem gewöhnlichen Kristall und wie ähnelt er ihnen? Wie eine gewöhnliche Flüssigkeit ist ein Flüssigkristall flüssig und nimmt die Form eines Gefäßes an, in das er gegeben wird. Darin unterscheidet es sich von den allen bekannten Kristallen. Trotz dieser Eigenschaft, die es mit einer Flüssigkeit verbindet, hat es jedoch eine für Kristalle charakteristische Eigenschaft. Dies ist die räumliche Ordnung der Moleküle, die den Kristall bilden. Diese Anordnung ist zwar nicht so vollständig wie bei gewöhnlichen Kristallen, beeinflusst jedoch erheblich die Eigenschaften von Flüssigkristallen, was sie von gewöhnlichen Flüssigkeiten unterscheidet. Die unvollständige räumliche Ordnung der Moleküle, die einen Flüssigkristall bilden, äußert sich darin, dass in Flüssigkristallen keine vollständige Ordnung in der räumlichen Anordnung der Schwerpunkte der Moleküle vorliegt, obwohl es eine teilweise Ordnung geben kann. Das bedeutet, dass sie kein starres Kristallgitter haben. Daher haben Flüssigkristalle wie gewöhnliche Flüssigkeiten die Eigenschaft der Fließfähigkeit.
Eine obligatorische Eigenschaft von Flüssigkristallen, die sie gewöhnlichen Kristallen näher bringt, ist das Vorhandensein einer Ordnung in der räumlichen Orientierung von Molekülen. Eine solche Orientierungsordnung kann sich beispielsweise darin äußern, dass alle Längsachsen von Molekülen in einer Flüssigkristallprobe gleich orientiert sind. Diese Moleküle sollten eine längliche Form haben. Zusätzlich zu der einfachsten benannten Ordnung der Molekülachsen kann eine komplexere Orientierungsordnung von Molekülen in einem Flüssigkristall realisiert werden.
Abhängig von der Art der Ordnung der Molekülachsen werden Flüssigkristalle in drei Typen eingeteilt: nematisch, smektisch und cholesterisch.
Die Forschung zur Physik von Flüssigkristallen und ihren Anwendungen wird derzeit in allen am weitesten entwickelten Ländern der Welt auf breiter Front betrieben. Die heimische Forschung konzentriert sich sowohl auf akademische als auch auf industrielle Forschungseinrichtungen und hat eine lange Tradition. Die Werke von V. K. Frederiks an V.N. Zwetkowa. In den letzten Jahren, der schnellen Erforschung von Flüssigkristallen, leisten russische Forscher auch einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der Theorie von Flüssigkristallen im Allgemeinen und der Optik von Flüssigkristallen im Besonderen. Also, die Werke von I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov und viele andere sowjetische Forscher sind der wissenschaftlichen Gemeinschaft weithin bekannt und dienen als Grundlage für eine Reihe effektiver technischer Anwendungen von Flüssigkristallen.
Die Existenz von Flüssigkristallen wurde vor sehr langer Zeit festgestellt, nämlich im Jahr 1888, also vor fast einem Jahrhundert. Obwohl Wissenschaftler vor 1888 auf diesen Zustand der Materie gestoßen waren, wurde er später offiziell entdeckt.
Der erste Entdecker von Flüssigkristallen war der österreichische Botaniker Reinitzer. Bei der Untersuchung der von ihm synthetisierten neuen Substanz Cholesterylbenzoat stellte er fest, dass bei einer Temperatur von 145 ° C die Kristalle dieser Substanz schmelzen und eine trübe Flüssigkeit bilden, die das Licht stark streut. Bei fortgesetztem Erhitzen wird die Flüssigkeit beim Erreichen einer Temperatur von 179 ° C klar, dh sie beginnt sich optisch wie eine gewöhnliche Flüssigkeit wie Wasser zu verhalten. Cholesterylbenzoat zeigte in der trüben Phase unerwartete Eigenschaften. Reinitzer untersuchte diese Phase unter einem Polarisationsmikroskop und stellte fest, dass sie Doppelbrechung aufweist. Das bedeutet, dass der Brechungsindex des Lichts, also die Lichtgeschwindigkeit in dieser Phase, von der Polarisation abhängt.

9. Flüssigkeit- der Aggregatzustand eines Stoffes, der die Eigenschaften eines festen Zustands (Volumenerhaltung, eine bestimmte Zugfestigkeit) und eines gasförmigen Zustands (Formvariabilität) vereint. Eine Flüssigkeit ist durch eine Nahordnung in der Anordnung von Teilchen (Molekülen, Atomen) und einen kleinen Unterschied in der kinetischen Energie der thermischen Bewegung von Molekülen und ihrer potentiellen Wechselwirkungsenergie gekennzeichnet. Die thermische Bewegung von Flüssigkeitsmolekülen besteht aus Schwingungen um Gleichgewichtslagen und relativ seltenen Sprüngen von einer Gleichgewichtslage zur anderen, was mit der Fließfähigkeit der Flüssigkeit zusammenhängt.

10. Überkritisches Fluid(GFR) ist der Aggregatzustand eines Stoffes, bei dem der Unterschied zwischen flüssiger und gasförmiger Phase verschwindet. Jede Substanz bei einer Temperatur und einem Druck über dem kritischen Punkt ist ein überkritisches Fluid. Die Eigenschaften einer Substanz im überkritischen Zustand liegen zwischen ihren Eigenschaften in der Gas- und Flüssigphase. Daher hat SCF eine hohe Dichte, nahezu flüssig und eine niedrige Viskosität wie Gase. Der Diffusionskoeffizient hat dabei einen Zwischenwert zwischen Flüssigkeit und Gas. Substanzen im überkritischen Zustand können als Ersatz für organische Lösungsmittel in Labor- und Industrieprozessen verwendet werden. Überkritisches Wasser und überkritisches Kohlendioxid haben im Zusammenhang mit bestimmten Eigenschaften das größte Interesse und die größte Verbreitung erfahren.
Eine der wichtigsten Eigenschaften des überkritischen Zustands ist die Fähigkeit, Substanzen aufzulösen. Durch Änderung der Temperatur oder des Drucks der Flüssigkeit kann man ihre Eigenschaften in einem weiten Bereich verändern. Somit ist es möglich, ein Fluid zu erhalten, dessen Eigenschaften entweder denen einer Flüssigkeit oder eines Gases nahekommen. Das Lösungsvermögen einer Flüssigkeit nimmt also mit zunehmender Dichte (bei konstanter Temperatur) zu. Da die Dichte mit zunehmendem Druck zunimmt, kann eine Änderung des Drucks das Lösungsvermögen der Flüssigkeit (bei konstanter Temperatur) beeinflussen. Bei der Temperatur ist die Abhängigkeit der Flüssigkeitseigenschaften etwas komplizierter - bei konstanter Dichte steigt auch das Lösungsvermögen der Flüssigkeit, aber in der Nähe des kritischen Punktes kann eine leichte Temperaturerhöhung zu einem starken Abfall der Dichte führen. und dementsprechend Auflösungsvermögen. Überkritische Flüssigkeiten mischen sich unbegrenzt miteinander, sodass das System immer einphasig ist, wenn der kritische Punkt der Mischung erreicht ist. Die ungefähre kritische Temperatur eines binären Gemisches kann als arithmetisches Mittel der kritischen Parameter der Substanzen Tc(mix) = (Molanteil von A) x TcA + (Molanteil von B) x TcB berechnet werden.

11. Gasförmig- (Französisch Gaz, aus dem Griechischen Chaos - Chaos), der Aggregatzustand der Materie, in dem die kinetische Energie der thermischen Bewegung ihrer Teilchen (Moleküle, Atome, Ionen) die potentielle Energie der Wechselwirkungen zwischen ihnen und damit den Teilchen erheblich übersteigt sich frei bewegen und in Abwesenheit externer Felder das gesamte Volumen, das ihnen zur Verfügung gestellt wird, gleichmäßig ausfüllen.

12. Plasma- (aus dem Griechischen Plasma - geformt, geformt), ein Aggregatzustand, der ein ionisiertes Gas ist, in dem die Konzentrationen positiver und negativer Ladungen gleich sind (Quasi-Neutralität). Die überwiegende Mehrheit der Materie im Universum befindet sich im Plasmazustand: Sterne, galaktische Nebel und das interstellare Medium. In der Nähe der Erde existiert Plasma in Form von Sonnenwind, Magnetosphäre und Ionosphäre. Hochtemperaturplasma (T ~ 106 - 108 K) aus einer Mischung von Deuterium und Tritium wird mit dem Ziel untersucht, eine kontrollierte thermonukleare Fusion zu realisieren. Niedertemperaturplasma (T Ј 105K) wird in verschiedenen Gasentladungsgeräten (Gaslaser, Ionengeräte, MHD-Generatoren, Plasmabrenner, Plasmamotoren etc.) sowie in der Technik (siehe Plasmametallurgie, Plasmabohren, Plasmatechnologie).

13. Entartete Materie- ist eine Zwischenstufe zwischen Plasma und Neutronium. Es wird in Weißen Zwergen beobachtet und spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von Sternen. Wenn Atome extrem hohen Temperaturen und Drücken ausgesetzt sind, verlieren sie ihre Elektronen (sie gehen in ein Elektronengas über). Mit anderen Worten, sie sind vollständig ionisiert (Plasma). Der Druck eines solchen Gases (Plasma) wird durch den Elektronendruck bestimmt. Wenn die Dichte sehr hoch ist, werden alle Teilchen gezwungen, sich einander anzunähern. Elektronen können sich in Zuständen mit bestimmten Energien befinden, und zwei Elektronen können nicht dieselbe Energie haben (es sei denn, ihre Spins sind entgegengesetzt). So erweisen sich in einem dichten Gas alle niedrigeren Energieniveaus als mit Elektronen gefüllt. Ein solches Gas wird entartet genannt. In diesem Zustand weisen die Elektronen einen entarteten Elektronendruck auf, der der Schwerkraft entgegenwirkt.

14. Neutronium— Aggregatzustand, in den Materie unter ultrahohem Druck übergeht, der im Labor noch unerreichbar ist, aber im Inneren von Neutronensternen existiert. Beim Übergang in den Neutronenzustand interagieren die Elektronen der Materie mit Protonen und verwandeln sich in Neutronen. Infolgedessen besteht Materie im Neutronenzustand vollständig aus Neutronen und hat eine Dichte in der Größenordnung von Nuklearteilchen. Die Temperatur der Substanz sollte in diesem Fall nicht zu hoch sein (in Energieäquivalenten nicht mehr als hundert MeV).
Bei einem starken Temperaturanstieg (mehrere Hundert MeV und mehr) beginnen im Neutronenzustand verschiedene Mesonen zu entstehen und zu vernichten. Bei einem weiteren Temperaturanstieg kommt es zur Dekonfinierung und die Materie geht in den Zustand des Quark-Gluon-Plasmas über. Es besteht nicht mehr aus Hadronen, sondern aus ständig entstehenden und verschwindenden Quarks und Gluonen.

15. Quark-Gluon-Plasma(Chromoplasma) ist ein Aggregatzustand der Materie in der Hochenergie- und Elementarteilchenphysik, bei dem hadronische Materie in einen ähnlichen Zustand übergeht wie Elektronen und Ionen im gewöhnlichen Plasma.
Normalerweise befindet sich die Materie in Hadronen im sogenannten farblosen ("weißen") Zustand. Das heißt, Quarks unterschiedlicher Farbe kompensieren sich gegenseitig. Ein ähnlicher Zustand existiert in gewöhnlicher Materie – wenn alle Atome elektrisch neutral sind, d.
positive Ladungen in ihnen werden durch negative kompensiert. Bei hohen Temperaturen kann es zur Ionisierung von Atomen kommen, während die Ladungen getrennt werden und die Substanz, wie sie sagen, "quasi-neutral" wird. Das heißt, die gesamte Materiewolke bleibt als Ganzes neutral, und ihre einzelnen Teilchen hören auf, neutral zu sein. Vermutlich kann dasselbe mit hadronischer Materie passieren – bei sehr hohen Energien wird Farbe freigesetzt und macht die Substanz „quasi-farblos“.
Vermutlich befand sich die Materie des Universums in den ersten Augenblicken nach dem Urknall im Zustand von Quark-Gluon-Plasma. Nun kann bei Kollisionen von Teilchen sehr hoher Energie kurzzeitig Quark-Gluon-Plasma entstehen.
Quark-Gluon-Plasma wurde 2005 experimentell am RHIC-Beschleuniger des Brookhaven National Laboratory erhalten. Dort wurde im Februar 2010 die maximale Plasmatemperatur von 4 Billionen Grad Celsius erreicht.

16. Seltsame Substanz- Aggregatzustand, in dem Materie auf die Grenzwerte der Dichte komprimiert ist, kann sie in Form von „Quarksuppe“ vorliegen. Ein Kubikzentimeter Materie in diesem Zustand würde Milliarden Tonnen wiegen; Außerdem verwandelt es jede normale Substanz, mit der es in Kontakt kommt, unter Freisetzung einer beträchtlichen Menge an Energie in die gleiche "seltsame" Form.
Die Energie, die bei der Umwandlung der Substanz des Kerns eines Sterns in eine „fremde Substanz“ freigesetzt werden kann, wird zu einer übermächtigen Explosion einer „Quark-Nova“ führen – und genau das war es laut Leahy und Wyed diese Explosion, die Astronomen im September 2006 beobachteten.
Der Entstehungsprozess dieser Substanz begann mit einer gewöhnlichen Supernova, in die sich ein massereicher Stern verwandelte. Als Ergebnis der ersten Explosion entstand ein Neutronenstern. Aber laut Leahy und Wyed hielt es nicht lange an - da seine Rotation durch sein eigenes Magnetfeld verlangsamt zu sein schien, begann es noch mehr zu schrumpfen, wobei sich ein Klumpen aus "seltsamem Zeug" bildete, was dazu führte eine noch stärkere als bei einer normalen Supernova-Explosion, die Energie freisetzt - und die äußeren Schichten der Substanz des ehemaligen Neutronensterns mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in den umgebenden Weltraum fliegen.

17. Stark symmetrische Materie- Dies ist eine Substanz, die so stark komprimiert ist, dass die darin enthaltenen Mikropartikel übereinander geschichtet werden und der Körper selbst zu einem schwarzen Loch zusammenbricht. Der Begriff „Symmetrie“ erklärt sich wie folgt: Nehmen wir die jedem bekannten Aggregatzustände der Materie von der Schulbank – fest, flüssig, gasförmig. Betrachten Sie zur Sicherheit einen idealen unendlichen Kristall als Festkörper. Es hat eine gewisse, sogenannte diskrete Symmetrie bezüglich Translation. Das heißt, wenn das Kristallgitter um einen Abstand verschoben wird, der dem Abstand zwischen zwei Atomen entspricht, ändert sich nichts daran - der Kristall fällt mit sich selbst zusammen. Wenn der Kristall geschmolzen wird, ist die Symmetrie der resultierenden Flüssigkeit anders: Sie nimmt zu. In einem Kristall waren nur Punkte gleichwertig, die in bestimmten Abständen voneinander entfernt waren, die sogenannten Knoten des Kristallgitters, in denen sich identische Atome befanden.
Die Flüssigkeit ist über ihr gesamtes Volumen homogen, alle ihre Punkte sind nicht voneinander zu unterscheiden. Dies bedeutet, dass Flüssigkeiten um beliebige Entfernungen verschoben werden können (und nicht nur um einige diskrete, wie in einem Kristall) oder um beliebige Winkel gedreht werden können (was in Kristallen überhaupt nicht möglich ist) und sie werden mit sich selbst zusammenfallen. Sein Symmetriegrad ist höher. Das Gas ist noch symmetrischer: Die Flüssigkeit nimmt ein bestimmtes Volumen im Gefäß ein und es gibt eine Asymmetrie im Inneren des Gefäßes, wo Flüssigkeit ist, und Punkte, wo es keine gibt. Das Gas hingegen nimmt das gesamte ihm zur Verfügung gestellte Volumen ein, und in diesem Sinne sind alle seine Punkte voneinander ununterscheidbar. Dennoch wäre es richtiger, hier nicht von Punkten zu sprechen, sondern von kleinen, aber makroskopischen Elementen, denn auf der mikroskopischen Ebene gibt es immer noch Unterschiede. Zu manchen Zeitpunkten gibt es Atome oder Moleküle, zu anderen nicht. Symmetrie wird nur im Durchschnitt beobachtet, entweder in einigen makroskopischen Volumenparametern oder in der Zeit.
Aber es gibt immer noch keine sofortige Symmetrie auf mikroskopischer Ebene. Wird die Substanz sehr stark komprimiert, auf im Alltag nicht akzeptable Drücke, so komprimiert, dass die Atome zerquetscht werden, ihre Hüllen sich durchdringen und die Kerne sich zu berühren beginnen, entsteht Symmetrie auf mikroskopischer Ebene. Alle Kerne sind gleich und aneinander gepresst, es gibt nicht nur interatomare, sondern auch internukleare Abstände, und die Substanz wird homogen (fremde Substanz).
Aber es gibt auch eine submikroskopische Ebene. Kerne bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich im Kern bewegen. Zwischen ihnen ist auch etwas Platz. Wenn Sie weiter komprimieren, sodass auch die Kerne zerkleinert werden, pressen sich die Nukleonen fest aneinander. Dann erscheint auf submikroskopischer Ebene eine Symmetrie, die nicht einmal in gewöhnlichen Kernen vorhanden ist.
Aus dem Gesagten ist ein ganz klarer Trend ersichtlich: Je höher die Temperatur und je höher der Druck, desto symmetrischer wird der Stoff. Aufgrund dieser Überlegungen wird der maximal komprimierte Stoff als stark symmetrisch bezeichnet.

18. Schwach symmetrische Materie- ein Zustand, der in seinen Eigenschaften stark symmetrischer Materie entgegengesetzt ist, der im sehr frühen Universum bei einer Temperatur nahe der Planck-Temperatur vorhanden war, vielleicht 10-12 Sekunden nach dem Urknall, als starke, schwache und elektromagnetische Kräfte eine einzige Superkraft waren . In diesem Zustand wird die Materie so stark komprimiert, dass ihre Masse in Energie umgewandelt wird, die sich aufzublähen beginnt, sich also unendlich ausdehnt. Es ist noch nicht möglich, unter irdischen Bedingungen Energien für die experimentelle Erzeugung von Superkräften und die Überführung von Materie in diese Phase zu erreichen, obwohl solche Versuche am Large Hadron Collider unternommen wurden, um das frühe Universum zu untersuchen. Aufgrund des Fehlens einer gravitativen Wechselwirkung in der Zusammensetzung der Superkraft, die diese Substanz bildet, ist die Superkraft im Vergleich zur supersymmetrischen Kraft, die alle 4 Arten von Wechselwirkungen enthält, nicht ausreichend symmetrisch. Daher erhielt dieser Aggregatzustand einen solchen Namen.

19. Strahlungsangelegenheit- das ist in der Tat keine Substanz mehr, sondern Energie in ihrer reinsten Form. Es ist jedoch dieser hypothetische Aggregatzustand, den ein Körper einnehmen wird, der die Lichtgeschwindigkeit erreicht hat. Es kann auch durch Erhitzen des Körpers auf die Planck-Temperatur (1032 K) erhalten werden, dh durch Dispergieren der Moleküle der Substanz mit Lichtgeschwindigkeit. Wie aus der Relativitätstheorie hervorgeht, beginnt die Masse des Körpers, wenn die Geschwindigkeit mehr als 0,99 s erreicht, viel schneller zu wachsen als bei "normaler" Beschleunigung, außerdem verlängert sich der Körper, erwärmt sich, dh er beginnt zu strahlen im infraroten Spektrum. Beim Überschreiten der Schwelle von 0,999 s ändert sich der Körper dramatisch und beginnt einen schnellen Phasenübergang bis zum Strahlzustand. Wie aus Einsteins Formel vollständig hervorgeht, besteht die wachsende Masse der Endsubstanz aus Massen, die vom Körper in Form von thermischer, Röntgen-, optischer und anderer Strahlung getrennt werden, deren Energie jeweils gleich ist durch den nächsten Term in der Formel beschrieben. Ein Körper, der sich der Lichtgeschwindigkeit nähert, beginnt also in allen Spektren zu strahlen, wird länger und verlangsamt sich mit der Zeit und wird auf die Planck-Länge dünner, dh beim Erreichen der Geschwindigkeit c wird der Körper unendlich lang und dünn Strahl, der sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und aus Photonen besteht, die keine Länge haben, und dessen unendliche Masse vollständig in Energie umgewandelt wird. Daher wird eine solche Substanz als Strahlung bezeichnet.

Alle Stoffe können in unterschiedlichen Aggregatzuständen vorliegen – fest, flüssig, gasförmig und Plasma. In der Antike glaubte man: Die Welt besteht aus Erde, Wasser, Luft und Feuer. Aggregatzustände von Stoffen entsprechen dieser visuellen Einteilung. Die Erfahrung zeigt, dass die Grenzen zwischen Aggregatzuständen sehr willkürlich sind. Gase bei niedrigen Drücken und niedrigen Temperaturen gelten als ideal, die Moleküle in ihnen entsprechen materiellen Punkten, die nur nach den Gesetzen des elastischen Stoßes kollidieren können. Die Wechselwirkungskräfte zwischen Molekülen im Moment des Aufpralls sind vernachlässigbar, die Kollisionen selbst erfolgen ohne Verlust an mechanischer Energie. Mit zunehmendem Abstand zwischen Molekülen muss aber auch die Wechselwirkung der Moleküle berücksichtigt werden. Diese Wechselwirkungen beginnen, den Übergang von einem gasförmigen Zustand zu einem flüssigen oder festen Zustand zu beeinflussen. Zwischen Molekülen können verschiedene Arten von Wechselwirkungen auftreten.

Die Kräfte der intermolekularen Wechselwirkung haben keine Sättigung, anders als die Kräfte der chemischen Wechselwirkung von Atomen, die zur Bildung von Molekülen führen. Sie können elektrostatisch sein, wenn sie zwischen geladenen Teilchen wechselwirken. Erfahrungsgemäß ist die quantenmechanische Wechselwirkung, die vom Abstand und der gegenseitigen Orientierung der Moleküle abhängt, bei Molekülabständen von mehr als 10 -9 m vernachlässigbar, in verdünnten Gasen kann sie vernachlässigt werden oder es kann angenommen werden, dass das Potential Energie der Wechselwirkung ist praktisch Null. Bei kleinen Abständen ist diese Energie klein, bei wirken die Kräfte der gegenseitigen Anziehung

at - gegenseitige Abstoßung und Kraft

Anziehung und Abstoßung von Molekülen sind ausgeglichen und F= 0. Hier werden die Kräfte durch ihre Verbindung mit der potentiellen Energie bestimmt, aber die Teilchen bewegen sich mit einem gewissen Vorrat an kinetischer Energie

gut. Lassen Sie ein Molekül bewegungslos sein und ein anderes damit kollidieren, das eine solche Energieversorgung hat. Nähern sich die Moleküle einander an, verrichten die Anziehungskräfte positive Arbeit und die potentielle Energie ihrer Wechselwirkung nimmt auf Distanz ab, gleichzeitig nimmt die kinetische Energie (und Geschwindigkeit) zu. Wenn der Abstand geringer wird, werden die anziehenden Kräfte durch abstoßende Kräfte ersetzt. Die Arbeit, die das Molekül gegen diese Kräfte verrichtet, ist negativ.

Das Molekül nähert sich dem unbeweglichen Molekül, bis seine kinetische Energie vollständig in Potential umgewandelt ist. Mindestabstand d, welche Moleküle sich annähern können, heißt effektiver Moleküldurchmesser. Nach dem Anhalten beginnt sich das Molekül unter Einwirkung von Abstoßungskräften mit zunehmender Geschwindigkeit zu entfernen. Nach erneutem Überschreiten der Distanz fällt das Molekül in den Bereich der Anziehungskräfte, was seine Entfernung verlangsamt. Der effektive Durchmesser hängt vom anfänglichen Vorrat an kinetischer Energie ab, d.h. dieser Wert ist nicht konstant. Bei gleichen Abständen hat die potentielle Wechselwirkungsenergie einen unendlich großen Wert oder eine "Barriere", die die Konvergenz der Molekülzentren in einem kürzeren Abstand verhindert. Das Verhältnis der durchschnittlichen potentiellen Wechselwirkungsenergie zur durchschnittlichen kinetischen Energie bestimmt den Aggregatzustand der Materie: für Gase für Flüssigkeiten, für Feststoffe

Kondensierte Medien sind Flüssigkeiten und Feststoffe. In ihnen befinden sich Atome und Moleküle nahe, fast berührend. Der durchschnittliche Abstand zwischen den Zentren von Molekülen in Flüssigkeiten und Feststoffen beträgt etwa (2 -5) 10 -10 m. Ihre Dichten sind ungefähr gleich. Atomabstände überschreiten die Distanzen, über die sich Elektronenwolken so weit durchdringen, dass Abstoßungskräfte entstehen. Zum Vergleich: In Gasen unter normalen Bedingungen beträgt der durchschnittliche Abstand zwischen Molekülen etwa 33 10 -10 m.

BEI Flüssigkeiten zwischenmolekulare Wechselwirkung stärker ausgeprägt ist, äußert sich die thermische Bewegung von Molekülen in schwachen Schwingungen um die Gleichgewichtslage und springt sogar von einer Lage zur anderen. Daher haben sie nur eine Nahordnung in der Anordnung der Teilchen, d. h. Konsistenz in der Anordnung nur der nächsten Teilchen und eine charakteristische Fluidität.

Feststoffe zeichnen sich durch Steifigkeit der Struktur aus, haben ein genau definiertes Volumen und eine Form, die sich unter Einfluss von Temperatur und Druck wesentlich weniger verändern. Bei Festkörpern sind amorphe und kristalline Zustände möglich. Es gibt auch Zwischenprodukte - Flüssigkristalle. Aber die Atome in Festkörpern sind keineswegs bewegungslos, wie man meinen könnte. Jeder von ihnen schwankt ständig unter dem Einfluss elastischer Kräfte, die zwischen Nachbarn entstehen. Die meisten Elemente und Verbindungen haben unter dem Mikroskop eine Kristallstruktur.

Salzkörner sehen also wie ideale Würfel aus. In Kristallen sind Atome an den Knoten des Kristallgitters fixiert und können nur in der Nähe der Gitterknoten schwingen. Kristalle stellen echte Festkörper dar, und Festkörper wie Kunststoff oder Asphalt nehmen sozusagen eine Zwischenstellung zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten ein. Ein amorpher Körper hat wie eine Flüssigkeit eine Nahordnung, aber die Wahrscheinlichkeit von Sprüngen ist gering. Glas kann also als unterkühlte Flüssigkeit betrachtet werden, die eine erhöhte Viskosität aufweist. Flüssigkristalle haben die Fluidität von Flüssigkeiten, behalten aber die Ordnung der Atomanordnung bei und haben anisotrope Eigenschaften.

Die chemischen Bindungen von Atomen (und so weiter) in Kristallen sind die gleichen wie in Molekülen. Die Struktur und Steifigkeit von Festkörpern wird durch die unterschiedlichen elektrostatischen Kräfte bestimmt, die die Atome, aus denen der Körper besteht, aneinander binden. Der Mechanismus, der Atome zu Molekülen bindet, kann zur Bildung fester periodischer Strukturen führen, die als Makromoleküle betrachtet werden können. Wie ionische und kovalente Moleküle gibt es ionische und kovalente Kristalle. Ionengitter in Kristallen werden durch Ionenbindungen zusammengehalten (siehe Abb. 7.1). Die Struktur von Kochsalz ist so, dass jedes Natriumion sechs Nachbarn hat - Chloridionen. Diese Verteilung entspricht einem Energieminimum, d.h. wenn eine solche Konfiguration gebildet wird, wird die maximale Energie freigesetzt. Wenn die Temperatur unter den Schmelzpunkt fällt, wird daher eine Tendenz zur Bildung reiner Kristalle beobachtet. Bei einer Temperaturerhöhung reicht die thermische kinetische Energie aus, um die Bindung zu lösen, der Kristall beginnt zu schmelzen und die Struktur bricht zusammen. Kristallpolymorphismus ist die Fähigkeit, Zustände mit unterschiedlichen Kristallstrukturen zu bilden.

Wenn sich die Verteilung der elektrischen Ladung in neutralen Atomen ändert, kann es zu einer schwachen Wechselwirkung zwischen Nachbarn kommen. Diese Bindung wird als Molekül- oder Van-der-Waals-Bindung bezeichnet (wie in einem Wasserstoffmolekül). Die elektrostatischen Anziehungskräfte können aber auch zwischen neutralen Atomen entstehen, dann treten keine Umlagerungen in den Elektronenhüllen von Atomen auf. Die gegenseitige Abstoßung bei der Annäherung von Elektronenhüllen verschiebt den Schwerpunkt negativer Ladungen relativ zu positiven. Jedes der Atome induziert im anderen einen elektrischen Dipol, was zu ihrer Anziehung führt. Dies ist die Wirkung zwischenmolekularer Kräfte oder Van-der-Waals-Kräfte, die einen großen Aktionsradius haben.

Da das Wasserstoffatom sehr klein ist und sein Elektron leicht verschoben werden kann, wird es oft von zwei Atomen gleichzeitig angezogen und bildet eine Wasserstoffbrücke. Die Wasserstoffbrücke ist auch für die Wechselwirkung der Wassermoleküle untereinander verantwortlich. Es erklärt viele der einzigartigen Eigenschaften von Wasser und Eis (Abbildung 7.4).

kovalente Bindung(oder atomar) wird aufgrund der internen Wechselwirkung neutraler Atome erreicht. Ein Beispiel für eine solche Bindung ist die Bindung im Methanmolekül. Eine hochgebundene Form von Kohlenstoff ist Diamant (vier Wasserstoffatome sind durch vier Kohlenstoffatome ersetzt).

Kohlenstoff, aufgebaut auf einer kovalenten Bindung, bildet also einen Kristall in Form eines Diamanten. Jedes Atom ist von vier Atomen umgeben, die einen regelmäßigen Tetraeder bilden. Aber jeder von ihnen ist gleichzeitig der Scheitelpunkt des benachbarten Tetraeders. Unter anderen Bedingungen kristallisieren die gleichen Kohlenstoffatome ein Graphit. Im Graphit sind sie ebenfalls durch atomare Bindungen verbunden, bilden aber Flächen aus scherfähigen, sechseckigen Wabenzellen. Der Abstand zwischen den Atomen, die sich an den Ecken der Sechsecke befinden, beträgt 0,142 nm. Die Schichten befinden sich in einem Abstand von 0,335 nm, d.h. schwach gebunden, daher ist Graphit plastisch und weich (Abb. 7.5). 1990 gab es einen Boom in der Forschungsarbeit, ausgelöst durch eine Meldung über den Erhalt einer neuen Substanz - Fullerit, bestehend aus Kohlenstoffmolekülen - Fullerenen. Diese Form von Kohlenstoff ist molekular; Das kleinste Element ist kein Atom, sondern ein Molekül. Es ist nach dem Architekten R. Fuller benannt, der 1954 ein Patent für den Bau von Strukturen aus Sechsecken und Fünfecken erhielt, die eine Halbkugel bilden. Molekül aus 60 Kohlenstoffatome mit einem Durchmesser von 0,71 nm wurden 1985 entdeckt, dann wurden Moleküle entdeckt usw. Alle hatten stabile Oberflächen,

aber die Moleküle C 60 und AUS 70 . Es ist logisch anzunehmen, dass Graphit als Ausgangsmaterial für die Synthese von Fullerenen verwendet wird. Wenn dies der Fall ist, sollte der Radius des hexagonalen Fragments 0,37 nm betragen. Es stellte sich jedoch heraus, dass es gleich 0,357 nm war. Dieser Unterschied von 2 % ist darauf zurückzuführen, dass sich auf der Kugeloberfläche an den Ecken von 20 regelmäßigen Sechsecken, die von Graphit übernommen wurden, und 12 regelmäßigen Pentaedern, d. h. das Design ähnelt einem Fußball. Es stellt sich heraus, dass beim "Stitching" in eine geschlossene Kugel einige der flachen Sechsecke zu Pentaedern wurden. Bei Raumtemperatur kondensieren C 60 -Moleküle zu einer Struktur, in der jedes Molekül 12 Nachbarn im Abstand von 0,3 nm hat. Bei T= 349 K, tritt ein Phasenübergang erster Ordnung auf - das Gitter wird in ein kubisches umgeordnet. Der Kristall selbst ist ein Halbleiter, aber wenn dem C 60 -Kristallfilm ein Alkalimetall hinzugefügt wird, tritt bei einer Temperatur von 19 K Supraleitung auf. Wenn das eine oder andere Atom in dieses Hohlmolekül eingeführt wird, kann es als Grundlage für verwendet werden Schaffung eines Speichermediums mit ultrahoher Informationsdichte: Die Aufzeichnungsdichte wird 4-10 12 Bit/cm2 erreichen. Zum Vergleich ergibt ein Film aus ferromagnetischem Material eine Aufzeichnungsdichte in der Größenordnung von 10 7 Bits/cm 2 und optische Platten, d. h. Lasertechnologie, – 10 8 Bit/cm 2 . Dieser Kohlenstoff hat auch andere einzigartige Eigenschaften, die in der Medizin und Pharmakologie besonders wichtig sind.

manifestiert sich in Metallkristallen metallische Bindung, wenn alle Atome in einem Metall ihre Valenzelektronen "zur kollektiven Nutzung" abgeben. Sie sind schwach an Atomkerne gebunden und können sich frei entlang des Kristallgitters bewegen. Etwa 2/5 der chemischen Elemente sind Metalle. In Metallen (außer Quecksilber) kommt es zu einer Bindung, wenn sich die freien Orbitale von Metallatomen überlappen und durch Bildung eines Kristallgitters Elektronen abgelöst werden. Es stellt sich heraus, dass die Kationen des Gitters in Elektronengas gehüllt sind. Eine metallische Bindung entsteht, wenn sich Atome in einem Abstand nähern, der kleiner ist als die Größe der äußeren Elektronenwolke. Bei dieser Konfiguration (Pauli-Prinzip) steigt die Energie externer Elektronen und die Kerne der Nachbarn beginnen, diese externen Elektronen anzuziehen, die Elektronenwolken zu verwischen, sie gleichmäßig über das Metall zu verteilen und sie in ein Elektronengas umzuwandeln. So entstehen Leitungselektronen, die die hohe elektrische Leitfähigkeit von Metallen erklären. In ionischen und kovalenten Kristallen sind die äußeren Elektronen praktisch gebunden, und die Leitfähigkeit dieser Festkörper ist sehr gering, werden sie genannt Isolatoren.

Die innere Energie von Flüssigkeiten wird durch die Summe der inneren Energien der makroskopischen Subsysteme, in die sie gedanklich unterteilt werden kann, und der Wechselwirkungsenergien dieser Subsysteme bestimmt. Die Wechselwirkung erfolgt durch molekulare Kräfte mit einer Reichweite von etwa 10 -9 m. Bei Makrosystemen ist die Wechselwirkungsenergie proportional zur Kontaktfläche, also klein, wie der Anteil der Oberflächenschicht, aber das ist nicht notwendig. Sie wird als Oberflächenenergie bezeichnet und sollte bei Problemen im Zusammenhang mit der Oberflächenspannung berücksichtigt werden. Typischerweise nehmen Flüssigkeiten bei gleichem Gewicht ein größeres Volumen ein, haben also eine geringere Dichte. Aber warum nehmen die Volumina von Eis und Wismut beim Schmelzen ab und behalten diesen Trend auch nach dem Schmelzpunkt noch einige Zeit bei? Es stellt sich heraus, dass diese Substanzen im flüssigen Zustand dichter sind.

In einer Flüssigkeit wird jedes Atom von seinen Nachbarn beaufschlagt und oszilliert innerhalb des von ihnen erzeugten anisotropen Potentialtopfs. Im Gegensatz zu einem festen Körper ist dieser Brunnen nicht tief, da entfernte Nachbarn fast keine Wirkung haben. Die nächste Umgebung von Partikeln in einer Flüssigkeit ändert sich, d.h. die Flüssigkeit fließt. Beim Erreichen einer bestimmten Temperatur siedet die Flüssigkeit, während des Siedens bleibt die Temperatur konstant. Die einfallende Energie wird zum Aufbrechen von Bindungen aufgewendet, und wenn sie vollständig gebrochen sind, verwandelt sich die Flüssigkeit in ein Gas.

Die Dichten von Flüssigkeiten sind bei gleichen Drücken und Temperaturen viel größer als die Dichten von Gasen. Das Volumen des siedenden Wassers beträgt also nur 1/1600 des Volumens der gleichen Masse Wasserdampf. Das Volumen einer Flüssigkeit hängt wenig von Druck und Temperatur ab. Unter normalen Bedingungen (20 °C und einem Druck von 1,013 · 10 5 Pa) nimmt Wasser ein Volumen von 1 Liter ein. Bei einer Temperaturabnahme auf 10 ° C nimmt das Volumen bei einer Druckerhöhung nur um 0,0021 ab - um den Faktor zwei.

Obwohl es noch kein einfaches ideales Modell einer Flüssigkeit gibt, ist ihre Mikrostruktur ausreichend untersucht und ermöglicht es, die meisten ihrer makroskopischen Eigenschaften qualitativ zu erklären. Die Tatsache, dass der Zusammenhalt von Molekülen in Flüssigkeiten schwächer ist als in einem Festkörper, wurde von Galileo bemerkt; Er war überrascht, dass sich große Wassertropfen auf Kohlblättern ansammeln und sich nicht über das Blatt verteilen. Verschüttetes Quecksilber oder Wassertropfen auf einer fettigen Oberfläche nehmen durch Adhäsion die Form kleiner Kugeln an. Wenn die Moleküle einer Substanz von den Molekülen einer anderen Substanz angezogen werden, spricht man von Benetzung, B. Leim und Holz, Öl und Metall (trotz des enormen Drucks bleibt das Öl in den Lagern zurück). Aber Wasser steigt in dünnen Röhren, Kapillaren genannt, auf und steigt umso höher, je dünner die Röhre ist. Es kann keine andere Erklärung geben als die Wirkung der Benetzung von Wasser und Glas. Die Benetzungskräfte zwischen Glas und Wasser sind größer als zwischen Wassermolekülen. Bei Quecksilber ist der Effekt umgekehrt: Die Benetzung von Quecksilber und Glas ist schwächer als die Kohäsionskräfte zwischen Quecksilberatomen. Galilei bemerkte, dass eine eingefettete Nadel auf Wasser schwimmen kann, obwohl dies dem Gesetz von Archimedes widerspricht. Wenn die Nadel schwimmt,

aber beachten Sie eine leichte Ablenkung der Wasseroberfläche, die sozusagen dazu neigt, sich zu begradigen. Die Kohäsionskräfte zwischen den Wassermolekülen reichen aus, um zu verhindern, dass die Nadel ins Wasser fällt. Die Oberflächenschicht schützt wie ein Film das Wasser Oberflächenspannung, die dazu neigt, der Form des Wassers die kleinste Oberfläche zu geben - kugelförmig. Aber die Nadel schwimmt nicht mehr auf der Alkoholoberfläche, denn wenn Alkohol zu Wasser hinzugefügt wird, nimmt die Oberflächenspannung ab und die Nadel sinkt. Seife reduziert auch die Oberflächenspannung, so dass heiße Seifenlauge, die in Ritzen und Ritzen eindringt, Schmutz, insbesondere Fett, besser entfernt, während sich reines Wasser einfach zu Tröpfchen zusammenrollen würde.

Plasma ist der vierte Aggregatzustand der Materie, ein Gas aus einer Ansammlung geladener Teilchen, die über große Entfernungen wechselwirken. In diesem Fall ist die Anzahl positiver und negativer Ladungen ungefähr gleich, so dass das Plasma elektrisch neutral ist. Von den vier Elementen entspricht Plasma dem Feuer. Um ein Gas in einen Plasmazustand zu überführen, ist es notwendig ionisieren Elektronen von Atomen abstreifen. Die Ionisierung kann durch Erhitzen, durch Einwirkung einer elektrischen Entladung oder durch harte Strahlung erfolgen. Materie im Universum befindet sich hauptsächlich in einem ionisierten Zustand. In Sternen wird die Ionisierung thermisch, in verdünnten Nebeln und interstellarem Gas durch ultraviolette Strahlung von Sternen verursacht. Auch unsere Sonne besteht aus Plasma, dessen Strahlung die oberen Schichten der Erdatmosphäre ionisiert, sog Ionosphäre, die Möglichkeit einer weitreichenden Funkkommunikation hängt von seinem Zustand ab. Unter irdischen Bedingungen ist Plasma selten - in Leuchtstofflampen oder im Lichtbogen. In Labor und Technik wird Plasma meist durch eine elektrische Entladung erzeugt. In der Natur geschieht dies durch Blitze. Bei der Ionisation durch eine Entladung entstehen Elektronenlawinen, ähnlich dem Ablauf einer Kettenreaktion. Um thermonukleare Energie zu erhalten, wird die Injektionsmethode verwendet: Auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigte Gasionen werden in Magnetfallen injiziert, ziehen Elektronen aus der Umgebung an und bilden ein Plasma. Es wird auch Druckionisation verwendet - Stoßwellen. Diese Ionisationsmethode findet sich in superdichten Sternen und möglicherweise im Erdkern.

Jede Kraft, die auf Ionen und Elektronen wirkt, verursacht einen elektrischen Strom. Wenn es nicht mit äußeren Feldern verbunden ist und nicht im Plasma eingeschlossen ist, ist es polarisiert. Plasma gehorcht den Gasgesetzen, aber wenn ein Magnetfeld angelegt wird, das die Bewegung geladener Teilchen reguliert, zeigt es Eigenschaften, die für ein Gas völlig ungewöhnlich sind. In einem starken Magnetfeld beginnen sich die Teilchen um die Kraftlinien zu drehen, und entlang des Magnetfelds bewegen sie sich frei. Man sagt, dass diese helikale Bewegung die Struktur der Feldlinien verschiebt und das Feld im Plasma „eingefroren“ wird. Ein verdünntes Plasma wird durch ein Teilchensystem beschrieben, während ein dichteres Plasma durch ein Flüssigkeitsmodell beschrieben wird.

Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Plasma ist der Hauptunterschied zu Gas. Die Leitfähigkeit von kaltem Plasma auf der Sonnenoberfläche (0,8 10 -19 J) erreicht die Leitfähigkeit von Metallen, und bei thermonuklearer Temperatur (1,6 10 -15 J) leitet Wasserstoffplasma unter normalen Bedingungen den Strom 20-mal besser als Kupfer. Da Plasma in der Lage ist, Strom zu leiten, wird darauf oft das Modell einer leitenden Flüssigkeit angewendet. Es wird als kontinuierliches Medium betrachtet, obwohl die Kompressibilität es von einer gewöhnlichen Flüssigkeit unterscheidet, aber dieser Unterschied zeigt sich nur in Strömungen, deren Geschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit ist. Das Verhalten einer leitfähigen Flüssigkeit wird in einer sogenannten Wissenschaft untersucht Magnetische Hydrodynamik. Im Weltraum ist jedes Plasma ein idealer Leiter, und die Gesetze des gefrorenen Feldes sind weit verbreitet. Das Modell einer leitenden Flüssigkeit ermöglicht es, den Mechanismus des Plasmaeinschlusses durch ein Magnetfeld zu verstehen. So werden Plasmaströme von der Sonne ausgestoßen, die die Erdatmosphäre beeinflussen. Die Strömung selbst hat kein Magnetfeld, aber ein Fremdfeld kann nach dem Gefriergesetz nicht in sie eindringen. Plasma-Solarströme verdrängen externe interplanetare Magnetfelder aus der Nähe der Sonne. Dort, wo das Feld schwächer ist, entsteht ein magnetischer Hohlraum. Wenn sich diese korpuskulären Plasmaströme der Erde nähern, kollidieren sie mit dem Magnetfeld der Erde und werden gezwungen, sie nach demselben Gesetz zu umströmen. Es stellt sich eine Art Kaverne heraus, in der das Magnetfeld gesammelt wird und in die Plasmaströme nicht eindringen. Auf seiner Oberfläche sammeln sich geladene Teilchen an, die von Raketen und Satelliten entdeckt wurden - das ist der äußere Strahlungsgürtel der Erde. Diese Ideen wurden auch zur Lösung von Problemen des Plasmaeinschlusses durch ein Magnetfeld in speziellen Geräten - Tokamaks (von der Abkürzung der Wörter: toroidale Kammer, Magnet) verwendet. Mit vollständig ionisiertem Plasma, das in diesen und anderen Systemen enthalten ist, besteht die Hoffnung, eine kontrollierte thermonukleare Reaktion auf der Erde zu erhalten. Dies würde eine saubere und billige Energiequelle (Meerwasser) bereitstellen. Es wird auch daran gearbeitet, Plasma mittels fokussierter Laserstrahlung zu erhalten und zurückzuhalten.

Fragen, was ein Aggregatzustand ist, welche Eigenschaften und Eigenschaften Festkörper, Flüssigkeiten und Gase besitzen, werden in mehreren Schulungen behandelt. Es gibt drei klassische Aggregatzustände mit jeweils eigenen charakteristischen Strukturmerkmalen. Ihr Verständnis ist ein wichtiger Punkt beim Verständnis der Wissenschaften der Erde, der lebenden Organismen und der Produktionsaktivitäten. Diese Fragen werden von Physik, Chemie, Geographie, Geologie, physikalischer Chemie und anderen wissenschaftlichen Disziplinen untersucht. Stoffe, die sich unter bestimmten Bedingungen in einem der drei Grundzustandstypen befinden, können sich bei Temperatur- oder Druckerhöhung oder -senkung ändern. Betrachten wir mögliche Übergänge von einem Aggregatzustand in einen anderen, wie sie in Natur, Technik und Alltag vollzogen werden.

Was ist ein Aggregatzustand?

Das Wort lateinischen Ursprungs "aggrego" bedeutet in der Übersetzung ins Russische "anhängen". Der wissenschaftliche Begriff bezieht sich auf den Zustand desselben Körpers, Substanz. Die Existenz von Feststoffen, Gasen und Flüssigkeiten bei bestimmten Temperaturwerten und unterschiedlichen Drücken ist charakteristisch für alle Erdschalen. Neben den drei grundlegenden Aggregatzuständen gibt es noch einen vierten. Bei erhöhter Temperatur und konstantem Druck verwandelt sich das Gas in ein Plasma. Um besser zu verstehen, was ein Aggregatzustand ist, muss man sich die kleinsten Teilchen merken, aus denen Stoffe und Körper bestehen.

Das obige Diagramm zeigt: a - Gas; b - Flüssigkeit; c ist ein starrer Körper. In solchen Figuren zeigen Kreise die Strukturelemente von Substanzen an. Dies ist ein Symbol, tatsächlich sind Atome, Moleküle und Ionen keine festen Kugeln. Atome bestehen aus einem positiv geladenen Kern, um den herum sich negativ geladene Elektronen mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Die Kenntnis der mikroskopischen Struktur der Materie hilft, die Unterschiede zwischen verschiedenen Aggregatformen besser zu verstehen.

Ideen zur Mikrowelt: vom antiken Griechenland bis zum 17. Jahrhundert

Die ersten Informationen über die Teilchen, aus denen physische Körper bestehen, erschienen im antiken Griechenland. Die Denker Demokrit und Epikur führten ein solches Konzept als Atom ein. Sie glaubten, dass diese kleinsten unteilbaren Teilchen verschiedener Substanzen eine Form, bestimmte Größen haben, sich bewegen und miteinander interagieren können. Die Atomistik wurde für ihre Zeit zur fortschrittlichsten Lehre des antiken Griechenlands. Aber seine Entwicklung verlangsamte sich im Mittelalter. Seitdem wurden Wissenschaftler von der Inquisition der römisch-katholischen Kirche verfolgt. Daher gab es bis in die Neuzeit keine klare Vorstellung davon, was der Aggregatzustand der Materie ist. Erst nach dem 17. Jahrhundert formulierten die Wissenschaftler R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier die Bestimmungen der atommolekularen Theorie, die bis heute nicht an Bedeutung verloren haben.

Atome, Moleküle, Ionen - mikroskopisch kleine Teilchen der Struktur der Materie

Ein bedeutender Durchbruch beim Verständnis des Mikrokosmos gelang im 20. Jahrhundert, als das Elektronenmikroskop erfunden wurde. Unter Berücksichtigung der Entdeckungen früherer Wissenschaftler war es möglich, ein harmonisches Bild der Mikrowelt zu erstellen. Theorien, die den Zustand und das Verhalten der kleinsten Materieteilchen beschreiben, sind ziemlich komplex, sie gehören zum Fachgebiet.Um die Merkmale verschiedener Aggregatzustände der Materie zu verstehen, reicht es aus, die Namen und Merkmale der wichtigsten strukturellen Teilchen zu kennen, die sich unterschiedlich bilden Substanzen.

1. Atome sind chemisch unteilbare Teilchen. In chemischen Reaktionen erhalten, aber in nuklearen zerstört. Metalle und viele andere Stoffe mit atomarer Struktur haben unter normalen Bedingungen einen festen Aggregatzustand.
2. Moleküle sind Teilchen, die in chemischen Reaktionen zerlegt und gebildet werden. Sauerstoff, Wasser, Kohlendioxid, Schwefel. Der Aggregatzustand von Sauerstoff, Stickstoff, Schwefeldioxid, Kohlenstoff, Sauerstoff ist unter Normalbedingungen gasförmig.
3. Ionen sind geladene Teilchen, in die sich Atome und Moleküle verwandeln, wenn sie Elektronen aufnehmen oder abgeben – mikroskopisch kleine, negativ geladene Teilchen. Viele Salze haben eine ionische Struktur, zum Beispiel Kochsalz, Eisen- und Kupfersulfat.

Es gibt Stoffe, deren Teilchen sich auf bestimmte Weise im Raum befinden. Die geordnete gegenseitige Lage von Atomen, Ionen, Molekülen wird als Kristallgitter bezeichnet. Normalerweise sind ionische und atomare Kristallgitter typisch für Festkörper, molekular - für Flüssigkeiten und Gase. Diamant hat eine hohe Härte. Sein atomares Kristallgitter wird von Kohlenstoffatomen gebildet. Aber auch weicher Graphit besteht aus Atomen dieses chemischen Elements. Nur sind sie räumlich anders angeordnet. Der übliche Aggregatzustand von Schwefel ist ein Feststoff, aber bei hohen Temperaturen verwandelt sich die Substanz in eine Flüssigkeit und eine amorphe Masse.

Stoffe in einem festen Aggregatzustand

Feststoffe behalten unter normalen Bedingungen ihr Volumen und ihre Form. Zum Beispiel ein Sandkorn, ein Zuckerkorn, Salz, ein Stück Stein oder Metall. Wenn Zucker erhitzt wird, beginnt die Substanz zu schmelzen und verwandelt sich in eine zähe braune Flüssigkeit. Hör auf zu heizen - wieder bekommen wir einen Feststoff. Dies bedeutet, dass eine der Hauptbedingungen für den Übergang eines Feststoffs in eine Flüssigkeit seine Erwärmung oder eine Erhöhung der inneren Energie der Partikel des Stoffes ist. Auch der feste Aggregatzustand von Salz, das in Lebensmitteln verwendet wird, kann verändert werden. Aber um Kochsalz zu schmelzen, braucht man eine höhere Temperatur als beim Erhitzen von Zucker. Tatsache ist, dass Zucker aus Molekülen besteht und Speisesalz aus geladenen Ionen, die sich stärker anziehen. Feststoffe in flüssiger Form behalten ihre Form nicht, weil die Kristallgitter aufbrechen.

Der flüssige Aggregatzustand des Salzes beim Schmelzen erklärt sich durch das Aufbrechen der Bindung zwischen den Ionen in den Kristallen. Es werden geladene Teilchen freigesetzt, die elektrische Ladungen tragen können. Geschmolzene Salze leiten Strom und sind Leiter. In der chemischen, metallurgischen und technischen Industrie werden Feststoffe in Flüssigkeiten umgewandelt, um daraus neue Verbindungen zu gewinnen oder ihnen andere Formen zu geben. Metalllegierungen sind weit verbreitet. Es gibt mehrere Möglichkeiten, sie zu erhalten, die mit Änderungen des Aggregatzustands fester Rohstoffe verbunden sind.

Flüssigkeit ist einer der grundlegenden Aggregatzustände

Wenn Sie 50 ml Wasser in einen Rundkolben gießen, werden Sie feststellen, dass die Substanz sofort die Form eines chemischen Gefäßes annimmt. Aber sobald wir das Wasser aus der Flasche gießen, verteilt sich die Flüssigkeit sofort auf der Tischoberfläche. Das Wasservolumen bleibt gleich - 50 ml, und seine Form ändert sich. Diese Merkmale sind charakteristisch für die flüssige Form der Existenz von Materie. Flüssigkeiten sind viele organische Substanzen: Alkohole, Pflanzenöle, Säuren.

Milch ist eine Emulsion, also eine Flüssigkeit, in der sich Fetttröpfchen befinden. Ein nützliches flüssiges Mineral ist Öl. Es wird mit Bohrtürmen an Land und im Meer aus Brunnen gefördert. Meerwasser ist auch ein Rohstoff für die Industrie. Sein Unterschied zum Süßwasser von Flüssen und Seen liegt im Gehalt an gelösten Stoffen, hauptsächlich Salzen. Während der Verdunstung von der Oberfläche von Gewässern gehen nur H 2 O-Moleküle in den Dampfzustand über, gelöste Stoffe bleiben zurück. Auf dieser Eigenschaft beruhen Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen aus Meerwasser und Verfahren zu seiner Reinigung.

Bei vollständiger Entfernung von Salzen wird destilliertes Wasser erhalten. Es siedet bei 100°C und gefriert bei 0°C. Die Solen kochen und werden bei unterschiedlichen Temperaturen zu Eis. Beispielsweise gefriert Wasser im Arktischen Ozean bei einer Oberflächentemperatur von 2°C.

Der Aggregatzustand von Quecksilber ist unter Normalbedingungen flüssig. Dieses silbergraue Metall wird normalerweise mit Fieberthermometern gefüllt. Beim Erhitzen steigt die Quecksilbersäule auf der Waage, die Substanz dehnt sich aus. Warum wird mit roter Farbe getönter Alkohol und kein Quecksilber verwendet? Dies wird durch die Eigenschaften von flüssigem Metall erklärt. Bei 30 Grad Frost ändert sich der Aggregatzustand von Quecksilber, die Substanz wird fest.

Wenn das Fieberthermometer kaputt ist und das Quecksilber ausgelaufen ist, dann ist es gefährlich, Silberkugeln mit den Händen zu sammeln. Es ist schädlich, Quecksilberdämpfe einzuatmen, diese Substanz ist sehr giftig. Kinder müssen in solchen Fällen Hilfe von Eltern und Erwachsenen suchen.

Gaszustand

Gase können ihr Volumen oder ihre Form nicht beibehalten. Füllen Sie den Kolben bis zum Rand mit Sauerstoff (seine chemische Formel ist O 2). Sobald wir die Flasche öffnen, beginnen sich die Moleküle der Substanz mit der Raumluft zu vermischen. Dies ist auf die Brownsche Molekularbewegung zurückzuführen. Schon der antike griechische Wissenschaftler Demokrit glaubte, dass sich die Materieteilchen in ständiger Bewegung befinden. In Festkörpern haben Atome, Moleküle, Ionen unter normalen Bedingungen nicht die Möglichkeit, das Kristallgitter zu verlassen, sich von Bindungen zu anderen Teilchen zu befreien. Dies ist nur möglich, wenn viel Energie von außen zugeführt wird.

In Flüssigkeiten ist der Abstand zwischen Teilchen etwas größer als in Festkörpern, sie benötigen weniger Energie, um zwischenmolekulare Bindungen aufzubrechen. Beispielsweise wird der flüssige Aggregatzustand von Sauerstoff erst beobachtet, wenn die Gastemperatur auf −183 °C sinkt. Bei -223 °C bilden O 2 -Moleküle einen Feststoff. Wenn die Temperatur über die angegebenen Werte steigt, wird Sauerstoff zu einem Gas. In dieser Form liegt es unter normalen Bedingungen vor. In Industriebetrieben gibt es spezielle Anlagen, um atmosphärische Luft zu trennen und daraus Stickstoff und Sauerstoff zu gewinnen. Zuerst wird die Luft gekühlt und verflüssigt, und dann wird die Temperatur allmählich erhöht. Stickstoff und Sauerstoff werden unter verschiedenen Bedingungen zu Gasen.

Die Erdatmosphäre enthält 21 Volumenprozent Sauerstoff und 78 Volumenprozent Stickstoff. In flüssiger Form kommen diese Stoffe nicht in der Gashülle des Planeten vor. Flüssiger Sauerstoff hat eine hellblaue Farbe und wird für den Einsatz in medizinischen Einrichtungen unter hohem Druck in Flaschen abgefüllt. In Industrie und Bauwesen werden Flüssiggase für viele Prozesse benötigt. Sauerstoff wird zum Gasschweißen und Schneiden von Metallen benötigt, in der Chemie - für die Oxidationsreaktionen anorganischer und organischer Substanzen. Öffnet man das Ventil einer Sauerstoffflasche, sinkt der Druck, die Flüssigkeit wird gasförmig.

Verflüssigtes Propan, Methan und Butan werden in großem Umfang in den Bereichen Energie, Verkehr, Industrie und Haushalt eingesetzt. Diese Stoffe werden aus Erdgas oder beim Cracken (Spalten) von Erdölrohstoffen gewonnen. Flüssige und gasförmige Kohlenstoffgemische spielen in der Wirtschaft vieler Länder eine wichtige Rolle. Aber Öl- und Erdgasreserven sind stark erschöpft. Laut Wissenschaftlern hält dieser Rohstoff 100-120 Jahre. Eine alternative Energiequelle ist Luftströmung (Wind). Schnell fließende Flüsse, Gezeiten an den Ufern der Meere und Ozeane werden zum Betrieb von Kraftwerken genutzt.

Sauerstoff kann sich wie andere Gase im vierten Aggregatzustand befinden, der ein Plasma darstellt. Ein ungewöhnlicher Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand ist ein charakteristisches Merkmal von kristallinem Jod. Eine dunkelviolette Substanz wird sublimiert - verwandelt sich in ein Gas und umgeht den flüssigen Zustand.

Wie vollziehen sich Übergänge von einer Aggregatform der Materie zu einer anderen?

Änderungen im Aggregatzustand von Stoffen sind nicht mit chemischen Umwandlungen verbunden, es handelt sich um physikalische Phänomene. Wenn die Temperatur steigt, schmelzen viele Feststoffe und werden zu Flüssigkeiten. Eine weitere Temperaturerhöhung kann zur Verdampfung, also zum gasförmigen Zustand des Stoffes führen. In Natur und Wirtschaft sind solche Übergänge charakteristisch für einen der Hauptstoffe auf der Erde. Eis, Flüssigkeit, Dampf sind die Zustände von Wasser unter verschiedenen äußeren Bedingungen. Die Verbindung ist die gleiche, ihre Formel ist H 2 O. Bei einer Temperatur von 0 ° C und darunter kristallisiert Wasser, dh es verwandelt sich in Eis. Steigt die Temperatur, werden die entstandenen Kristalle zerstört – das Eis schmilzt, es entsteht wieder flüssiges Wasser. Beim Erhitzen entsteht Verdunstung - die Umwandlung von Wasser in Gas - auch bei niedrigen Temperaturen. Gefrorene Pfützen beispielsweise verschwinden nach und nach, weil das Wasser verdunstet. Auch bei Frost trocknet nasse Kleidung aus, allerdings dauert dieser Vorgang länger als an einem heißen Tag.

Alle aufgeführten Übergänge des Wassers von einem Zustand in einen anderen sind für die Natur der Erde von großer Bedeutung. Atmosphärische Phänomene, Klima und Wetter sind mit der Verdunstung von Wasser von der Oberfläche der Ozeane, der Übertragung von Feuchtigkeit in Form von Wolken und Nebel an Land, Niederschlägen (Regen, Schnee, Hagel) verbunden. Diese Phänomene bilden die Grundlage des Weltwasserkreislaufs in der Natur.

Wie verändern sich die Aggregatzustände von Schwefel?

Unter normalen Bedingungen ist Schwefel hell glänzende Kristalle oder ein hellgelbes Pulver, das heißt, es ist ein Feststoff. Der Aggregatzustand von Schwefel ändert sich beim Erhitzen. Wenn die Temperatur auf 190 ° C ansteigt, schmilzt die gelbe Substanz und verwandelt sich in eine bewegliche Flüssigkeit.

Wenn Sie flüssigen Schwefel schnell in kaltes Wasser gießen, erhalten Sie eine braune amorphe Masse. Bei weiterer Erwärmung der Schwefelschmelze wird diese immer zähflüssiger und dunkelt nach. Bei Temperaturen über 300 ° C ändert sich der Aggregatzustand von Schwefel erneut, die Substanz erhält die Eigenschaften einer Flüssigkeit, wird mobil. Diese Übergänge entstehen aufgrund der Fähigkeit der Atome des Elements, Ketten unterschiedlicher Länge zu bilden.

Warum können sich Stoffe in unterschiedlichen Aggregatzuständen befinden?

Der Aggregatzustand von Schwefel - einer einfachen Substanz - ist unter normalen Bedingungen fest. Schwefeldioxid ist ein Gas, Schwefelsäure ist eine ölige Flüssigkeit, die schwerer als Wasser ist. Im Gegensatz zu Salz- und Salpetersäure ist es nicht flüchtig, Moleküle verdunsten nicht von seiner Oberfläche. Welchen Aggregatzustand hat Plastikschwefel, der durch Erhitzen von Kristallen gewonnen wird?

In einer amorphen Form hat die Substanz die Struktur einer Flüssigkeit mit einer leichten Fluidität. Aber plastischer Schwefel behält gleichzeitig seine Form (als Feststoff). Es gibt Flüssigkristalle, die eine Reihe charakteristischer Eigenschaften von Festkörpern haben. Somit hängt der Zustand der Materie unter verschiedenen Bedingungen von ihrer Art, Temperatur, Druck und anderen äußeren Bedingungen ab.

Was sind die Merkmale in der Struktur von Festkörpern?

Die bestehenden Unterschiede zwischen den Hauptaggregatzuständen der Materie erklären sich aus der Wechselwirkung zwischen Atomen, Ionen und Molekülen. Warum führt beispielsweise der feste Aggregatzustand der Materie dazu, dass Körper Volumen und Form behalten können? Im Kristallgitter eines Metalls oder Salzes ziehen sich Strukturteilchen an. In Metallen interagieren positiv geladene Ionen mit dem sogenannten „Elektronengas“ – der Ansammlung freier Elektronen in einem Metallstück. Salzkristalle entstehen durch die Anziehung von entgegengesetzt geladenen Teilchen - Ionen. Der Abstand zwischen den oben genannten Struktureinheiten von Feststoffen ist viel kleiner als die Größe der Partikel selbst. In diesem Fall wirkt die elektrostatische Anziehung, sie gibt Kraft und die Abstoßung ist nicht stark genug.

Um den festen Aggregatzustand eines Stoffes zu zerstören, müssen Anstrengungen unternommen werden. Metalle, Salze, Atomkristalle schmelzen bei sehr hohen Temperaturen. Beispielsweise wird Eisen bei Temperaturen über 1538 °C flüssig. Wolfram ist feuerfest und wird zur Herstellung von Glühfäden für Glühbirnen verwendet. Es gibt Legierungen, die bei Temperaturen über 3000 °C flüssig werden. Viele auf der Erde befinden sich in einem festen Zustand. Dieser Rohstoff wird mit Hilfe von Geräten in Bergwerken und Steinbrüchen gewonnen.

Um auch nur ein Ion aus einem Kristall herauszulösen, muss viel Energie aufgewendet werden. Aber es reicht ja schon, Salz in Wasser aufzulösen, damit das Kristallgitter zerfällt! Dieses Phänomen wird durch die erstaunlichen Eigenschaften von Wasser als polares Lösungsmittel erklärt. H 2 O-Moleküle interagieren mit Salzionen und zerstören die chemische Bindung zwischen ihnen. Auflösung ist also kein einfaches Mischen verschiedener Substanzen, sondern eine physikalische und chemische Wechselwirkung zwischen ihnen.

Wie interagieren die Moleküle von Flüssigkeiten?

Wasser kann flüssig, fest und gasförmig (Dampf) sein. Dies sind seine Hauptaggregatzustände unter normalen Bedingungen. Wassermoleküle bestehen aus einem Sauerstoffatom mit zwei daran gebundenen Wasserstoffatomen. Es kommt zu einer Polarisierung der chemischen Bindung im Molekül, an den Sauerstoffatomen erscheint eine partielle negative Ladung. Wasserstoff wird zum positiven Pol im Molekül und wird vom Sauerstoffatom eines anderen Moleküls angezogen. Dies wird als „Wasserstoffbindung“ bezeichnet.

Der flüssige Aggregatzustand ist durch der Größe vergleichbare Abstände zwischen Strukturpartikeln gekennzeichnet. Die Anziehungskraft ist vorhanden, aber sie ist schwach, sodass das Wasser seine Form nicht behält. Die Verdampfung erfolgt durch die Zerstörung von Bindungen, die bereits bei Raumtemperatur an der Oberfläche der Flüssigkeit auftritt.

Gibt es zwischenmolekulare Wechselwirkungen in Gasen?

Der gasförmige Zustand eines Stoffes unterscheidet sich in einer Reihe von Parametern von flüssig und fest. Zwischen den Strukturpartikeln von Gasen gibt es große Lücken, die viel größer sind als die Größe der Moleküle. In diesem Fall wirken die Anziehungskräfte überhaupt nicht. Der gasförmige Aggregatzustand ist charakteristisch für Stoffe, die in der Zusammensetzung der Luft vorhanden sind: Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid. In der Abbildung unten ist der erste Würfel mit einem Gas gefüllt, der zweite mit einer Flüssigkeit und der dritte mit einem Feststoff.

Viele Flüssigkeiten sind flüchtig, Moleküle eines Stoffes lösen sich von ihrer Oberfläche und gelangen in die Luft. Wenn Sie beispielsweise ein in Ammoniak getauchtes Wattestäbchen an die Öffnung einer offenen Flasche Salzsäure bringen, entsteht weißer Rauch. Direkt in der Luft findet eine chemische Reaktion zwischen Salzsäure und Ammoniak statt, Ammoniumchlorid wird erhalten. In welchem ​​Aggregatzustand befindet sich dieser Stoff? Seine Partikel, die weißen Rauch bilden, sind die kleinsten festen Salzkristalle. Dieser Versuch muss unter einer Abzugshaube durchgeführt werden, die Substanzen sind giftig.

Fazit

Der Aggregatzustand von Gas wurde von vielen herausragenden Physikern und Chemikern untersucht: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Wissenschaftler haben Gesetzmäßigkeiten formuliert, die das Verhalten gasförmiger Stoffe bei chemischen Reaktionen unter veränderten äußeren Bedingungen erklären. Offene Gesetzmäßigkeiten hielten nicht nur Einzug in die Schul- und Universitätslehrbücher der Physik und Chemie. Viele chemische Industrien basieren auf dem Wissen über das Verhalten und die Eigenschaften von Stoffen in unterschiedlichen Aggregatzuständen.