Fizică. Molecule. Aranjarea moleculelor la distanță gazoasă, lichidă și solidă.
- În stare gazoasă, moleculele nu sunt legate între ele, ele sunt situate la mare distanță unele de altele. Mișcarea browniană. Gazul poate fi comprimat relativ ușor.
Într-un lichid, moleculele sunt apropiate, vibrând împreună. Aproape incompresibil.
Într-un solid - moleculele sunt aranjate într-o ordine strictă (în rețele cristaline), nu există mișcare a moleculelor. Compresia nu va ceda. - Structura materiei și începutul chimiei:
http://samlib.ru/a/anemow_e_m/aa0.shtml
(fără înregistrare și mesaje SMS, într-un format text convenabil: puteți folosi Ctrl+C) - Nu este deloc posibil să fim de acord că în stare solidă moleculele nu se mișcă.
Mișcarea moleculelor în gaze
În gaze, distanța dintre molecule și atomi este de obicei mult mai mare decât dimensiunea moleculelor, iar forțele atractive sunt foarte mici. Prin urmare, gazele nu au propria lor formă și volum constant. Gazele sunt ușor comprimate deoarece forțele de respingere la distanțe mari sunt și ele mici. Gazele au proprietatea de a se extinde la nesfârșit, umplând întregul volum care le este furnizat. Moleculele de gaz se mișcă cu viteze foarte mari, se ciocnesc unele de altele, se ciocnesc unele de altele în direcții diferite. Numeroase impacturi ale moleculelor pe pereții vasului creează presiunea gazului.
Mișcarea moleculelor în lichide
În lichide, moleculele nu numai că oscilează în jurul poziției de echilibru, dar sar și de la o poziție de echilibru la următoarea. Aceste salturi au loc periodic. Intervalul de timp dintre astfel de salturi se numește timpul mediu al vieții stabilite (sau timpul mediu de relaxare) și este notat cu litera?. Cu alte cuvinte, timpul de relaxare este timpul de oscilație în jurul unei poziții specifice de echilibru. La temperatura camerei, acest timp este în medie de 10-11 s. Timpul unei oscilații este de 10-1210-13 s.
Timpul vieții stabilizate scade odată cu creșterea temperaturii. Distanța dintre moleculele lichide este mai mică decât dimensiunea moleculelor, particulele sunt aproape unele de altele, iar atracția intermoleculară este mare. Cu toate acestea, aranjarea moleculelor lichide nu este strict ordonată pe tot volumul.
Lichidele, ca și solidele, își păstrează volumul, dar nu au propria lor formă. Prin urmare, ele iau forma vasului în care se află. Un lichid are proprietatea fluidității. Datorită acestei proprietăți, lichidul nu rezistă la schimbarea formei, se comprimă puțin, iar proprietățile sale fizice sunt aceleași în toate direcțiile din interiorul lichidului (izotropie a lichidului). Natura mișcării moleculare în lichide a fost stabilită pentru prima dată de fizicianul sovietic Iakov Ilici Frenkel (1894-1952).
Mișcarea moleculelor în solide
Moleculele și atomii unui corp solid sunt aranjați într-o anumită ordine și formează o rețea cristalină. Astfel de solide se numesc cristaline. Atomii oscilează în jurul poziției de echilibru, iar atracția dintre ei este foarte puternică. Prin urmare, corpurile solide în condiții normale își păstrează volumul și au propria lor formă.
- În stare gazoasă, mutați aleatoriu, tăiați
În lichid-mișcare în linie unul cu celălalt
În solid - nu vă mișcați.
Subiect: Trei stări ale materiei
eu optiunea
eu.Cum sunt aranjate moleculele în solide și cum se mișcă?
Moleculele sunt situate la distanțe mai mici decât dimensiunile moleculelor în sine și se mișcă liber unele față de altele. Moleculele sunt situate la distanțe mari unele de altele (comparativ cu dimensiunea moleculelor) și se mișcă aleatoriu. Moleculele sunt aranjate într-o ordine strictă și vibrează în jurul anumitor poziții de echilibru.
II.Care dintre următoarele proprietăți aparțin gazelor?
Au un anumit volum Ocupă volumul întregului vas Ia forma vasului Ușor comprimat Ușor de comprimat
III.Se va modifica volumul de gaz dacă este pompat dintr-un vas cu o capacitate de1 litruintr-un recipient de 2 litri?
IV. Moleculele sunt situate la distanțe mari unele de altele (în raport cu dimensiunea moleculelor), interacționează slab unele cu altele și se mișcă aleatoriu. Ce este acest corp?
Gaz Solid Lichid Nu există un astfel de corp
v.Care este starea oțelului?
Numai în stare solidă Numai în stare lichidă Numai în stare gazoasă În toate cele trei stări
Subiect: Trei stări ale materiei
varianta II
eu.Cum sunt aranjate moleculele lichidelor și cum se mișcă?
Moleculele sunt situate la distanțe proporționale cu dimensiunea moleculelor în sine și se mișcă liber unele față de altele. Moleculele sunt situate la distanțe mari (comparativ cu dimensiunea moleculelor) unele de altele și se mișcă aleatoriu. Moleculele sunt aranjate într-o ordine strictă și vibrează în jurul anumitor poziții de echilibru.
II.Care dintre următoarele proprietăți aparțin gazelor?
Ocupă întreg volumul care le este furnizat Dificil de comprimat Au o structură cristalină Ușor de comprimat Nu au formă proprie
III.Un pahar contine 100 cm3 de apa. Se toarnă într-un pahar cu o capacitate de 200 cmc. Se va schimba volumul de apă?
IV. Moleculele sunt împachetate dens, puternic atrase unele de altele, fiecare moleculă oscilează în jurul unei anumite poziții. Ce este acest corp?
Gaz Lichid Corp solid Nu există astfel de corpuri
v.În ce stare poate fi apa?
Numai în stare lichidă Numai în stare gazoasă Numai în stare solidă În toate cele trei stări
Subiect: Trei stări ale materiei
varianta III
eu.Cum sunt aranjate moleculele de gaz și cum se mișcă?
Moleculele sunt situate la distanțe mai mici decât dimensiunea moleculelor în sine și se mișcă liber unele față de altele. Moleculele sunt situate la distanțe de multe ori mai mari decât moleculele înseși și se mișcă aleatoriu. Moleculele sunt aranjate într-o ordine strictă și vibrează în jurul anumitor poziții.
II.Care dintre următoarele proprietăți aparțin solidelor?
Dificil de schimbat forma Ocupă întregul volum care le-a fost furnizat Menține o formă constantă Schimba cu ușurință forma Dificil de comprimat
III.Se va schimba volumul de gaz dacă acesta este pompat dintr-o butelie cu o capacitate de 20 de litri la o butelie cu o capacitate de .40 litri?
Crește de 2 ori Descrește de 2 ori Nicio modificare
IV. Există vreo substanță în care moleculele sunt situate la distanțe mari, sunt puternic atrase unele de altele și oscilează în jurul anumitor poziții?
Gaz Lichid Solid Nu există o astfel de substanță
v.Care este starea mercurului?
Doar în lichid Numai în solid Numai în stare gazoasă Toate cele trei stări
Subiect: Trei stări ale materiei
varianta IV
eu. Mai jos este comportamentul moleculelor în corpurile solide, lichide și gazoase. Ce este comun pentru lichide și gaze?
Faptul că moleculele sunt situate la distanțe mai mici decât dimensiunea moleculelor în sine și se mișcă liber unele față de altele Că moleculele sunt situate la distanțe mari unele de altele și se mișcă aleatoriu Că moleculele se mișcă aleatoriu unele față de altele Că moleculele sunt dispuse într-o ordine strictă și oscilează în apropierea anumitor poziții
II.Care dintre următoarele proprietăți aparțin solidelor?
Au un anumit volum Ocupă volumul întregului vas Ia forma vasului Ușor comprimat Ușor de comprimat
III.Sticla contine 0,5 litri de apa. Se toarnă într-un balon cu o capacitate de 1 litru. Se va schimba volumul de apă?
Creștere Scădere Nicio modificare
IV. Moleculele sunt aranjate astfel încât distanța dintre ele să fie mai mică decât dimensiunea moleculelor în sine. Sunt puternic atrași unul de celălalt și se deplasează dintr-un loc în altul. Ce este acest corp?
Gaz Lichid Solid
v.În ce stare poate fi alcoolul?
Numai în stare solidă Numai în stare lichidă Numai în stare gazoasă În toate cele trei stări
Răspunsuri la teste
eu optiunea II - 2, 5 | varianta II II - 1, 4, 5 | varianta III II - 1, 3, 5 | varianta IV II - 1, 4 |
Moleculele și atomii unui corp solid sunt aranjați într-o anumită ordine și formă rețea cristalină. Astfel de solide se numesc cristaline. Atomii oscilează în jurul poziției de echilibru, iar atracția dintre ei este foarte puternică. Prin urmare, corpurile solide în condiții normale păstrează volumul și au propria lor formă.
Echilibrul termic este starea sistemelor termodinamice în care trece spontan după o perioadă de timp suficient de lungă în condiții de izolare de mediu.
Temperatura este o mărime fizică care caracterizează energia cinetică medie a particulelor unui sistem macroscopic în stare de echilibru termodinamic. Într-o stare de echilibru, temperatura are aceeași valoare pentru toate părțile macroscopice ale sistemului.
Grad Celsius(simbol: °C) este o unitate comună de temperatură utilizată în Sistemul Internațional de Unități (SI) împreună cu kelvinul.
Termometru medical cu mercur
Termometru mecanic
Gradul Celsius este numit după omul de știință suedez Anders Celsius, care în 1742 a propus o nouă scară pentru măsurarea temperaturii. Zero pe scara Celsius era punctul de topire al gheții, iar 100° era punctul de fierbere al apei la presiunea atmosferică standard. (Inițial, Celsius a considerat temperatura de topire a gheții ca 100 °, iar punctul de fierbere al apei ca 0 °. Și abia mai târziu, contemporanul său Carl Linnaeus a „întoarce” această scară). Această scară este liniară în intervalul 0-100° și continuă, de asemenea, liniar în regiunea sub 0° și peste 100°. Linearitatea este o problemă majoră cu măsurători precise de temperatură. Este suficient sa mentionam ca un termometru clasic umplut cu apa nu poate fi marcat pentru temperaturi sub 4 grade Celsius, deoarece in acest interval apa incepe din nou sa se dilate.
Definiția originală a gradului Celsius depindea de definiția presiunii atmosferice standard, deoarece atât punctul de fierbere al apei, cât și punctul de topire al gheții depind de presiune. Acest lucru nu este foarte convenabil pentru standardizarea unității de măsură. Prin urmare, după adoptarea kelvin K ca unitate de bază a temperaturii, definiția gradului Celsius a fost revizuită.
Conform definiției moderne, un grad Celsius este egal cu un kelvin K, iar zeroul scalei Celsius este setat astfel încât temperatura punctului triplu al apei să fie de 0,01 °C. Ca rezultat, scările Celsius și Kelvin sunt deplasate cu 273,15:
26)Gaz ideal- un model matematic al unui gaz, în care se presupune că energia potențială a interacțiunii moleculelor poate fi neglijată în comparație cu energia lor cinetică. Forțele de atracție sau de respingere nu acționează între molecule, ciocnirile particulelor între ele și cu pereții vasului sunt absolut elastice, iar timpul de interacțiune între molecule este neglijabil de mic în comparație cu timpul mediu dintre ciocniri.
Unde k este constanta Boltzmann (raportul constantei universale a gazului R la numărul lui Avogadro N / A), i- numărul de grade de libertate al moleculelor (în majoritatea problemelor despre gazele ideale, în care moleculele sunt presupuse a fi sfere de rază mică, al căror analog fizic poate fi gaze inerte) și T este temperatura absolută.
Ecuația de bază a MKT conectează parametrii macroscopici (presiune, volum, temperatură) ai unui sistem de gaz cu cei microscopici (masa moleculară, viteza medie de mișcare a acestora).
Universitatea de Stat de Inovare din Rusia
tehnologie și antreprenoriat
ramura Penza
Catedra de stiinte ale naturii
abstract
La disciplina „Concepte ale științelor naturale moderne”
Subiect: „Idei model despre structura lichidelor, gazelor și cristalelor”
Completat de: student gr. 10E1 A. Antoshkina
Verificat de: profesor asociat G. V. Surovitskaya
Penza 2010
Conţinut
Introducere
Capitolul 1
1.1.Conceptul de lichid
1.3 Proprietăți lichide
Capitolul 2. Gaze
2.1 Conceptul de gaz
2.2 Mișcarea moleculei
2.3 Proprietățile gazului
capitolul 3
3.1.Conceptul de cristale
3.2.tipuri de rețele cristaline
3.3. Proprietățile cristalelor, formă și singonie
Concluzie
Bibliografie
Introducere
În funcție de senzațiile pe care diverse substanțe (corpuri de substanțe) le provoacă în simțurile umane, toate pot fi împărțite în trei grupe principale: gazoase, lichide și cristaline (solide).
Gazele nu au propria suprafață și propriul volum. Ocupă complet vasul în care se află. Gazele au o capacitate nelimitată de a se extinde odată cu creșterea temperaturii și scăderea presiunii. Distanțele dintre moleculele din gaze sunt de multe ori mai mari decât dimensiunile moleculelor în sine, iar interacțiunile dintre ele, așa-numitele interacțiuni intermoleculare, sunt slabe, iar moleculele dintr-un gaz se mișcă aproape independent unele de altele. Dispunerea particulelor într-un gaz este aproape complet aleatorie (haotică).
Cristalele, ca toate solidele, au o suprafață care le separă de alte solide și un volum corespunzător acesteia, care nu se modifică (mai precis, se modifică foarte puțin) în câmpul gravitațional. Distanțele dintre particulele din cristale sunt mult mai mici decât cele ale gazelor, iar interacțiunile intermoleculare sau interatomice (dacă cristalul este construit din atomi ai unui element) sunt mult mai puternice decât în cazul gazelor și lichidelor. Particulele dintr-un cristal sunt distribuite într-o ordine regulată destul de strictă, formând o rețea cristalină. Particulele care alcătuiesc rețeaua cristalină sunt fixate relativ ferm în locurile lor. O caracteristică distinctivă a cristalelor este că proprietățile lor nu sunt aceleași în direcții diferite. Acest fenomen se numește anizotropie de proprietate.
Lichidele combină multe dintre proprietățile stărilor gazoase și cristaline. Au o suprafață și un volum, care sunt afectate de modificările poziției vasului cu lichid în câmpul gravitațional. Lichidul din câmpul gravitațional ocupă partea inferioară a vasului în care se află. Moleculele dintr-o substanță lichidă sunt interconectate prin forțe intermoleculare mult mai puternice decât într-un gaz. Ordinea în aranjarea particulelor în substanțele lichide este, de asemenea, mult mai mare decât în gaze. În unele lichide, de exemplu în apă, unele volume foarte mici au o ordine apropiată de ordinea cristalelor.
În raport, am încercat să dezvălui esența fiecărei stări a materiei: lichidă, gazoasă și cristalină. Ea a descris proprietățile substanțelor, aranjarea moleculelor și rețelele cristaline. Acum să aruncăm o privire mai atentă asupra fiecărei substanțe, reprezentând-o ca model.
Capitolul 1
1.1 Conceptul de lichid
Fiecare dintre noi își poate aminti cu ușurință multe substanțe pe care le consideră lichide. Cu toate acestea, nu este atât de ușor să dai o definiție exactă a acestei stări a materiei. Lichidul ocupă, parcă, o poziție intermediară între un solid cristalin, caracterizat prin ordine completă în aranjarea particulelor sale constitutive (ioni, atomi, molecule) și un gaz, ale cărui molecule se află într-o stare haotică (aleatorie). ) mișcare.
Forma corpurilor lichide poate fi determinată total sau parțial de faptul că suprafața lor se comportă ca o membrană elastică. Deci, apa se poate acumula în picături. Dar lichidul este capabil să curgă chiar și sub suprafața sa imobilă, iar acest lucru înseamnă, de asemenea, că forma (a părților interne ale corpului lichid) nu este păstrată.
Moleculele unui lichid nu au o poziție definită, dar, în același timp, nu au libertate totală de mișcare. Există o atracție între ei, suficient de puternică încât să-i țină aproape. O substanță în stare lichidă există într-un anumit interval de temperatură, sub care trece în stare solidă (se produce cristalizarea sau transformarea în stare solidă amorfă - sticlă), deasupra - în stare gazoasă (se produce evaporarea). Limitele acestui interval depind de presiune.De regulă, o substanță în stare lichidă are o singură modificare. (Cele mai importante excepții sunt lichidele cuantice și cristalele lichide.) Prin urmare, în majoritatea cazurilor, un lichid nu este doar o stare de agregare, ci și o fază termodinamică (fază lichidă).Toate lichidele sunt de obicei împărțite în lichide pure și amestecuri. Unele amestecuri de lichide sunt de mare importanță pentru viață: sânge, apă de mare etc. Lichidele pot acționa ca solvenți.
1.2. Dispunerea moleculelor într-un lichid
Moleculele unei substanțe în stare lichidă sunt situate aproape una de alta. Spre deosebire de corpurile cristaline solide, în care moleculele formează structuri ordonate pe tot volumul cristalului și pot efectua vibrații termice în jurul centrelor fixe, moleculele lichide au o mai mare libertate. Fiecare moleculă a unui lichid, precum și într-un corp 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 din apropiere. Astfel de sărituri în lichide apar destul de des; prin urmare, moleculele nu sunt legate de anumiți centri, ca în cristale, și se pot mișca pe 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 ordin de scurtă rază (Fig. 1).
Fig.1. un exemplu de ordinul cu rază scurtă a moleculelor lichide și ordinul cu raza lungă de acțiune a moleculelor unei substanțe cristaline: 1.1 - apă; 1. - gheață.
Orez. 2. vapori de apă (1) și apă (2). Moleculele de apă sunt mărite de aproximativ 5 x 107 ori.
Figura 2 ilustrează diferența dintre o substanță gazoasă și un lichid folosind apa ca exemplu. Molecula de apă H2O este formată dintr-un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen situati la un unghi de 104°. Distanța medie dintre moleculele de vapori este de zece ori mai mare decât distanța medie dintre moleculele de apă. Spre deosebire de Fig. 1, unde moleculele de apă sunt prezentate ca bile, Fig. 2 oferă o idee despre structura moleculei de apă. Datorită ambalării dense a moleculelor, compresibilitatea lichidelor, adică modificarea volumului cu o schimbare a presiunii, este foarte mică; este de zeci și sute de mii de ori mai puțin decât în gaze.
1.3 Proprietăți lichide
Fluiditate. Fluiditatea este principala proprietate a lichidelor. Dacă se aplică o forță externă unei secțiuni a unui fluid aflat în echilibru, atunci are loc un flux de particule de fluid în direcția în care se aplică această forță: fluidul curge. Astfel, sub acțiunea forțelor exterioare dezechilibrate, lichidul nu păstrează forma și dispunerea relativă a pieselor și, prin urmare, ia forma vasului în care se află. Spre deosebire de solidele din plastic, un lichid nu are o limită de curgere: este suficient să aplicați o forță externă arbitrar mică pentru a face lichidul să curgă.
Păstrarea volumului. Una dintre proprietățile caracteristice ale unui lichid este că are un anumit volum (în condiții externe constante). Un lichid este extrem de greu de comprimat mecanic deoarece, spre deosebire de un gaz, există foarte puțin spațiu liber între molecule. Presiunea produsă pe un lichid închis într-un vas este transmisă fără modificare în fiecare punct al volumului acestui lichid (legea lui Pascal este valabilă și pentru gaze). Această caracteristică, împreună cu compresibilitatea foarte scăzută, este utilizată în mașinile hidraulice. Lichidele de obicei cresc în volum (se extind) când sunt încălzite și scad în volum (se contractă) când sunt răcite. Cu toate acestea, există excepții, de exemplu, compresele de apă când sunt încălzite, la presiune normală și temperaturi de la 0 °C la aproximativ 4 °C.
Viscozitate. În plus, lichidele (cum ar fi gazele) se caracterizează prin vâscozitate. Este definită ca abilitatea de a rezista mișcării uneia dintre părți față de cealaltă - adică ca frecare internă. Când straturile adiacente ale unui lichid se mișcă unul față de celălalt, are loc inevitabil o coliziune a moleculelor în plus față de cea datorată mișcării termice. Există forțe care încetinesc mișcarea ordonată. În același timp, energia cinetică a mișcării ordonate se transformă în energie termică - energia mișcării haotice a moleculelor.Lichidul din vas, pus în mișcare și lăsat în sine, se va opri treptat, dar temperatura acestuia va crește.
Formarea liberă a suprafeței și tensiunea superficială. Datorită conservării volumului, lichidul este capabil să formeze o suprafață liberă. O astfel de suprafață este interfața de fază a unei substanțe date: pe de o parte este faza lichidă, pe de altă parte - cea gazoasă (aburul) și, eventual, alte gaze, cum ar fi aerul. Dacă fazele lichide și gazoase ale aceleiași substanțe sunt în contact, apar forțe care tind să reducă aria interfeței - forțe de tensiune superficială. Interfața se comportă ca o membrană elastică care tinde să se micșoreze. Tensiunea de suprafață poate fi explicată prin atracția dintre moleculele lichide. Fiecare moleculă atrage alte molecule, caută să se „înconjoare” cu ele și, prin urmare, să părăsească suprafața. În consecință, suprafața tinde să scadă. Prin urmare, bulele de săpun și bulele în timpul fierberii tind să capete o formă sferică: pentru un volum dat, o minge are o suprafață minimă. Dacă asupra unui lichid acţionează numai forţele de tensiune superficială, acesta va lua în mod necesar o formă sferică - de exemplu, picăturile de apă în imponderabilitate. Obiectele mici cu o densitate mai mare decât densitatea unui lichid sunt capabile să „plutească” pe suprafața lichidului, deoarece forța gravitațională este mai mică decât forța care împiedică creșterea suprafeței. (Consultați Tensiunea de suprafață.)
Evaporare și condensare. Evaporarea este trecerea treptată a unei substanțe de la o fază lichidă la o fază gazoasă (abur). În timpul mișcării termice, unele molecule părăsesc lichidul prin suprafața sa și se transformă în vapori. În același timp, unele dintre molecule trec înapoi din vapori în lichid. Dacă mai multe molecule părăsesc lichidul decât intră, atunci are loc evaporarea. Condensarea este procesul invers, trecerea unei substanțe de la starea gazoasă la starea lichidă. În acest caz, mai multe molecule trec din vapori în lichid decât în vaporii din lichid. Evaporarea și condensarea sunt procese de neechilibru, ele au loc până când se stabilește echilibrul local (dacă se stabilește), iar lichidul se poate evapora complet, sau poate ajunge în echilibru cu vaporii săi, când tot atâtea molecule părăsesc lichidul cât revin.
Fierberea este procesul de vaporizare într-un lichid. La o temperatură suficient de ridicată, presiunea vaporilor devine mai mare decât presiunea din interiorul lichidului și acolo încep să se formeze bule de vapori care (în condițiile gravitației) plutesc spre vârf.
Umezirea este un fenomen de suprafață care apare atunci când un lichid intră în contact cu o suprafață solidă în prezența aburului, adică la interfețele celor trei faze. Udarea caracterizează „lipirea” unui lichid la suprafață și răspândirea peste acesta (sau, dimpotrivă, respingerea și neîmprăștierea). Există trei cazuri: fără umezire, umezire limitată și umezire completă.
Miscibilitatea este capacitatea lichidelor de a se dizolva unele în altele. Un exemplu de lichide miscibile: apă și alcool etilic, un exemplu de lichide nemiscibile: apă și ulei lichid.
Difuzie. Când două lichide miscibile se află într-un vas, ca urmare a mișcării termice, moleculele încep să treacă treptat prin interfață și astfel lichidele se amestecă treptat. Acest fenomen se numește difuzie (apare și în substanțele aflate în alte stări de agregare).
Supraîncălzire și hipotermie. Un lichid poate fi încălzit peste punctul de fierbere în așa fel încât să nu aibă loc fierberea. Acest lucru necesită o încălzire uniformă, fără diferențe semnificative de temperatură în volum și fără influențe mecanice, cum ar fi vibrațiile. Dacă ceva este aruncat într-un lichid supraîncălzit, fierbe instantaneu. Apa supraîncălzită este ușor de introdus în cuptorul cu microunde. Subrăcire - răcirea unui lichid sub punctul de îngheț fără a se transforma într-o stare solidă de agregare. Ca și în cazul supraîncălzirii, subrăcirea necesită absența vibrațiilor și fluctuații semnificative de temperatură.
Coexistenta cu alte faze. Din punct de vedere formal, pentru coexistența de echilibru a unei faze lichide cu alte faze ale aceleiași substanțe - gazoase sau cristaline - sunt necesare condiții strict definite. Deci, la o anumită presiune, este necesară o temperatură strict definită. Cu toate acestea, în natură și tehnologie, peste tot lichidul coexistă cu aburul sau, de asemenea, cu o stare solidă de agregare - de exemplu, apa cu vapori de apă și adesea cu gheață (dacă considerăm aburul ca o fază separată prezentă împreună cu aerul). Acest lucru se datorează următoarelor motive:
- Stare de neechilibru. Este nevoie de timp pentru ca lichidul să se evapore, până când lichidul s-a evaporat complet, coexistă cu vaporii. În natură, apa se evaporă în mod constant, precum și procesul invers - condensare.
- volum închis. Lichidul dintr-un vas închis începe să se evapore, dar deoarece volumul este limitat, presiunea vaporilor crește, devine saturat chiar înainte ca lichidul să se evapore complet, dacă cantitatea sa a fost suficient de mare. Când se atinge starea de saturație, cantitatea de lichid evaporat este egală cu cantitatea de lichid condensat, sistemul intră în echilibru. Astfel, într-un volum limitat, se pot stabili condițiile necesare coexistenței de echilibru a lichidului și vaporilor.
- Prezenţa atmosferei în condiţiile gravitaţiei terestre. Presiunea atmosferică acționează asupra unui lichid (aer și abur), în timp ce pentru abur, practic, trebuie luată în considerare doar presiunea parțială a acestuia. Prin urmare, lichidul și vaporii de deasupra suprafeței sale corespund punctelor diferite ale diagramei de fază, în regiunea existenței fazei lichide și, respectiv, în zona existenței fazei gazoase. Acest lucru nu anulează evaporarea, dar evaporarea necesită timp în care ambele faze coexistă. Fără această condiție, lichidele ar fierbe și s-ar evapora foarte repede.
Capitolul 2. Gaze
2.1. Conceptul de gaz
GAZ este una dintre stările agregate ale unei substanțe în care particulele sale constitutive (atomi, molecule) sunt situate la distanțe considerabile unele de altele și se află în mișcare liberă. Spre deosebire de un lichid și un solid, unde moleculele se află la distanțe apropiate și sunt conectate între ele prin forțe atractive și respingătoare de o amploare considerabilă, interacțiunea moleculelor într-un gaz se manifestă doar în scurte momente ale apropierii lor (coliziune). În acest caz, există o schimbare bruscă a mărimii și direcției vitezei particulelor care se ciocnesc.
Denumirea „gaz” provine din cuvântul grecesc „haos” și a fost introdus de Van Helmont la începutul secolului al XVII-lea; reflectă bine adevărata natură a mișcării particulelor într-un gaz, care se caracterizează prin dezordine completă și haos. . Spre deosebire de lichide, de exemplu, gazele nu formează o suprafață liberă și umplu uniform întregul volum disponibil. Starea gazoasă, dacă sunt incluse gazele ionizate, este cea mai comună stare a materiei din Univers (atmosfere de planete, stele, nebuloase, materie interstelară etc.).
2.2. Mișcarea moleculelor
Mișcarea moleculelor în gaze este aleatorie: vitezele moleculelor nu au nicio direcție preferată, dar sunt distribuite aleatoriu în toate direcțiile. Datorită ciocnirilor dintre molecule între ele, vitezele lor se modifică tot timpul atât în direcție, cât și în valoare absolută. Prin urmare, vitezele moleculelor pot diferi foarte mult unele de altele. În orice moment într-un gaz există molecule care se mișcă extrem de rapid și molecule care se mișcă relativ încet. Cu toate acestea, numărul de molecule care se mișcă mult mai lent sau mult mai repede decât celelalte este mic. Majoritatea moleculelor se mișcă la viteze care diferă relativ puțin de o viteză medie, care depinde de tipul de molecule și de temperatura corpului. În cele ce urmează, vorbind despre viteza moleculelor, ne vom referi la viteza medie a acestora. Vom reveni la problema măsurării și calculării vitezei medii a moleculelor mai târziu. În multe discuții despre mișcarea moleculelor de gaz, conceptul de cale liberă medie joacă un rol important. Calea liberă medie este distanța medie parcursă de molecule între două ciocniri succesive. Pe măsură ce densitatea gazului scade, calea liberă medie crește. La presiunea atmosferică și 0 ° C, calea liberă medie a moleculelor de aer este de aproximativ 10-8-10-7 m (Fig. 371).
Orez. 371. Aceasta este aproximativ calea unei molecule de aer la presiune normală (creștetă de un milion de ori)
În gazele foarte rarefiate (de exemplu, în interiorul becurilor electrice goale), calea liberă medie atinge câțiva centimetri și chiar zeci de centimetri. Aici moleculele se deplasează de la perete la perete aproape fără ciocnire. Moleculele din solide oscilează în jurul pozițiilor medii. În lichide, moleculele oscilează și în jurul pozițiilor lor medii. Totuși, din când în când fiecare moleculă sare într-o nouă poziție de mijloc, la câteva distanțe intermoleculare de cea anterioară.
2.3. Proprietățile gazului
În stare gazoasă, energia de interacțiune a particulelor între ele este mult mai mică decât energia lor cinetică: EMMB<< Екин.
Prin urmare, moleculele de gaz (atomii) nu sunt ținute împreună, ci se mișcă liber într-un volum mult mai mare decât volumul particulelor în sine. Forțele interacțiunii intermoleculare se manifestă atunci când moleculele se apropie unele de altele la o distanță suficient de apropiată. Interacțiunea intermoleculară slabă determină densitatea scăzută a gazului, dorința de expansiune nelimitată, capacitatea de a exercita presiune asupra pereților vasului, prevenind această dorință. Moleculele de gaz sunt în mișcare haotică aleatorie și nu există nicio ordine în gaz în ceea ce privește aranjamentul moleculelor. Starea gazului se caracterizează prin: temperatură - T, presiune - p și volum - V. La presiuni scăzute și temperaturi ridicate, toate gazele tipice se comportă aproximativ la fel. Dar deja la temperaturi obișnuite și, mai ales, scăzute și presiuni ridicate, încep să apară individualitățile gazelor. O creștere a presiunii externe și o scădere a temperaturii apropie particulele de gaz, astfel încât interacțiunea intermoleculară începe să se manifeste într-o măsură mai mare. Pentru astfel de gaze, ecuația Mendeleev-Clapeyron nu mai poate fi aplicată: în schimb, trebuie aplicată ecuația Van der Waals:
unde a și b sunt termeni constanți, ținând cont de prezența forțelor atractive între molecule și, respectiv, de volumul intrinsec al moleculelor.
Când gazele sunt comprimate, când există o creștere semnificativă a densității lor, forțele MMW devin din ce în ce mai vizibile, ceea ce duce la crearea condițiilor pentru formarea diferiților asociați din molecule. Asociații sunt grupuri relativ instabile de molecule. Din natura componentelor MMW rezultă că forțele universale de interacțiune cresc odată cu creșterea dimensiunii atomilor, polarizabilitatea crește brusc, prin urmare, cu cât particulele de același tip (atomi sau molecule) ale unei substanțe sunt mai grele, cu atât de obicei, gradul de asociere a acestora la o anumită temperatură este mai mare, cu atât temperaturile mai scăzute ale unei astfel de substanțe trece de la gaz la lichid.
capitolul 3
3.1.Conceptul de cristale
Lumea cristalelor este o lume nu mai puțin frumoasă, diversă, în curs de dezvoltare, adesea nu mai puțin misterioasă decât lumea vieții sălbatice. Importanța cristalelor pentru științele geologice constă în faptul că marea majoritate a scoarței terestre se află în stare cristalină. În clasificarea unor astfel de obiecte fundamentale ale geologiei ca minerale și roci, conceptul de cristal este primar, elementar, similar cu un atom din sistemul periodic al elementelor sau cu o moleculă în clasificarea chimică a substanțelor. Conform afirmației aforistice a renumitului mineralog, profesor al Institutului Minier din Sankt Petersburg D.P. Grigoriev, „un mineral este un cristal”. Este clar că proprietățile mineralelor și rocilor sunt strâns legate de proprietățile generale ale stării cristaline.
Cuvântul „cristal” este grecesc (????????????), sensul său original este „gheață”. Cu toate acestea, deja în antichitate, acest termen a fost transferat la poliedre naturale transparente ale altor substanțe (cuarț, calcit etc.), deoarece se credea că aceasta era și gheață, care, din anumite motive, a primit stabilitate la temperaturi ridicate. În rusă, acest cuvânt are două forme: de fapt „cristal”, adică un corp poliedric natural, și „cristal” - un tip special de sticlă cu un indice de refracție ridicat, precum și cuarț transparent incolor („cristal de rocă”). În majoritatea limbilor europene, același cuvânt este folosit pentru ambele concepte (comparați engleza „Crystal Palace” - „Crystal Palace” din Londra și „Crystal Growth” - o revistă internațională despre creșterea cristalelor).
Omenirea s-a familiarizat cu cristalele din cele mai vechi timpuri. Acest lucru este legat, în primul rând, de capacitatea lor de a se autodecupa, care este adesea realizată în natură, adică de a lua spontan forma unor poliedre uimitor de perfecte. Chiar și o persoană modernă, care a întâlnit pentru prima dată cristale naturale, cel mai adesea nu crede că aceste poliedre nu sunt opera unui meșter priceput. Formei cristalelor i s-a acordat mult timp o semnificație magică, așa cum demonstrează unele descoperiri arheologice. Referirile la „cristal” (aparent, până la urmă, vorbim despre „cristal”) se găsesc în mod repetat în Biblie (vezi, de exemplu: Apocalipsa lui Ioan, 21, 11; 32, 1 etc.). Printre matematicieni, există o opinie argumentată că cristalele naturale au servit drept prototipuri ale celor cinci poliedre regulate (solidele lui Platon). Multe poliedre arhimediene (semi-regulate) au, de asemenea, analogi exacti sau foarte apropiati în lumea cristalelor. Și în arta aplicată a antichității, poliedrele de cristal au fost uneori folosite ca modele de urmat și chiar și cele care, evident, nu erau considerate de știința vremii. De exemplu, în Schitul de Stat există un șir de mărgele, a cărui formă reproduce cu mare acuratețe forma caracteristică a cristalelor frumosului semiprețios mineral granat. Aceste margele sunt realizate din aur (se presupune că, lucrarea din Orientul Mijlociu din secolele I-V d.Hr.). Astfel, cristalele au de mult timp un impact notabil asupra principalelor domenii ale intereselor umane: emoțional (religie, artă), ideologic (religie), intelectual (știință, artă).
3.2. Principalele tipuri de rețele cristaline
În solide, atomii pot fi plasați în spațiu în două moduri: 1) Dispunerea aleatorie a atomilor, atunci când aceștia nu ocupă un anumit loc unul față de celălalt. Astfel de corpuri se numesc amorfe 2) Un aranjament ordonat al atomilor, când atomii ocupă locuri destul de definite în spațiu, astfel de substanțe sunt numite cristaline.
Atomii oscilează în raport cu poziția lor medie cu o frecvență de aproximativ 1013 Hz. Amplitudinea acestor oscilații este proporțională cu temperatura. Datorită dispunerii ordonate a atomilor în spațiu, centrele lor pot fi conectate prin linii drepte imaginare. Setul de astfel de linii care se intersectează reprezintă o rețea spațială, care se numește rețea cristalină.
Orbitele electronilor exterioare ale atomilor sunt în contact, astfel încât densitatea de împachetare a atomilor din rețeaua cristalină este foarte mare. Solidele cristaline constau din boabe cristaline - cristalite. În boabele adiacente, rețelele cristaline sunt rotite unele față de altele cu un anumit unghi. În cristalite, se observă ordine cu rază scurtă și lungă de acțiune. Aceasta înseamnă prezența unui aranjament ordonat și stabilitatea atât a celor mai apropiați vecini care înconjoară un anumit atom (ordine pe distanță scurtă), cât și a atomilor aflați la distanțe considerabile de acesta până la granițele granulelor (ordine pe distanță lungă).
a) b)
Orez. 1.1. Dispunerea atomilor în materie cristalină (a) și amorfă (b).
Datorită difuziei, atomii individuali își pot părăsi locurile în nodurile rețelei cristaline, cu toate acestea, în acest caz, ordonarea structurii cristaline în ansamblu nu este perturbată.
Toate metalele sunt corpuri cristaline având un anumit tip de rețea cristalină, constând din ioni încărcați pozitiv cu mobilitate redusă, între care se mișcă electronii liberi (așa-numitul gaz de electroni). Acest tip de structură se numește legătură metalică. Tipul de rețea este determinat de forma unui corp geometric elementar, a cărui repetare multiplă de-a lungul a trei axe spațiale formează rețeaua unui corp cristalin dat.
A) B)
C) D)
Orez. 1.2. Principalele tipuri de rețele cristaline ale metalelor:
A) cubic (1 atom pe celulă)
B) cubic centrat pe corp (bcc) (2 atomi per celulă)
etc.................
Lichidul ocupă o poziție intermediară în proprietăți și structură între gaze și substanțele cristaline solide. Prin urmare, are proprietățile substanțelor gazoase și solide. În teoria cinetică moleculară, diferite stări agregate ale unei substanțe sunt asociate cu diferite grade de ordine moleculară. Pentru solide, așa-numitele comanda pe termen lungîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, repetându-se pe distanțe lungi. În lichide, așa-numitele comanda pe raza scurtaîn aranjarea particulelor, adică aranjarea lor ordonată, repetată la distanțe, este comparabilă cu cele interatomice. La temperaturi apropiate de temperatura de cristalizare, structura lichidului este apropiată de cea a unui solid. La temperaturi ridicate, aproape de punctul de fierbere, structura lichidului corespunde stării gazoase - aproape toate moleculele participă la mișcarea termică haotică.
Lichidele, ca și solidele, au un anumit volum, iar ca și gazele, ele iau forma vasului în care se află. Moleculele de gaz practic nu sunt interconectate de forțele interacțiunii intermoleculare și, în acest caz, energia medie a mișcării termice a moleculelor de gaz este mult mai mare decât energia potențială medie din cauza forțelor de atracție dintre ele, astfel încât moleculele de gaz se împrăștie în direcții diferite și gazul ocupă volumul care îi este furnizat. În corpurile solide și lichide, forțele de atracție dintre molecule sunt deja semnificative și țin moleculele la o anumită distanță unele de altele. În acest caz, energia medie a mișcării termice a moleculelor este mai mică decât energia potențială medie din cauza forțelor interacțiunii intermoleculare și nu este suficientă depășirea forțelor de atracție dintre molecule, astfel încât solidele și lichidele au un anumit volum. .
Presiunea din lichide crește foarte brusc odată cu creșterea temperaturii și scăderea volumului. Expansiunea volumetrică a lichidelor este mult mai mică decât cea a vaporilor și gazelor, deoarece forțele care leagă moleculele dintr-un lichid sunt mai semnificative; aceeași observație este valabilă pentru dilatarea termică.
Capacitatea termică a lichidelor crește de obicei cu temperatura (deși ușor). Raportul C p /C V este practic egal cu unu.
Teoria fluidului nu a fost complet dezvoltată până în prezent. Dezvoltarea unui număr de probleme în studiul proprietăților complexe ale unui lichid aparține lui Ya.I. Frenkel (1894–1952). El a explicat mișcarea termică într-un lichid prin faptul că fiecare moleculă oscilează un timp în jurul unei anumite poziții de echilibru, după care sare într-o nouă poziție, care se află la o distanță de ordinul distanței interatomice față de cea inițială. Astfel, moleculele lichidului se mișcă destul de lent în întreaga masă a lichidului. Odată cu creșterea temperaturii lichidului, frecvența mișcării oscilatorii crește brusc, iar mobilitatea moleculelor crește.
Pe baza modelului Frenkel, este posibil să explic câteva trăsături distinctive proprietățile lichidului. Astfel, lichidele, chiar și în apropierea temperaturii critice, au o valoare mult mai mare viscozitate decât gazele, iar vâscozitatea scade odată cu creșterea temperaturii (mai degrabă decât crește, ca în gaze). Acest lucru se explică printr-o natură diferită a procesului de transfer de impuls: este transferat de molecule care sar de la o stare de echilibru la alta, iar aceste salturi devin mult mai frecvente odată cu creșterea temperaturii. Difuzieîn lichide se produce numai din cauza salturilor moleculare și are loc mult mai lent decât în gaze. Conductivitate termică lichidele se datorează schimbului de energie cinetică între particulele care oscilează în jurul pozițiilor lor de echilibru cu amplitudini diferite; salturile ascuțite ale moleculelor nu joacă un rol vizibil. Mecanismul de conducere a căldurii este similar cu mecanismul său în gaze. O trăsătură caracteristică a unui lichid este capacitatea sa de a avea suprafata libera(nu este limitat de pereți solidi).
