שאלות לגבי מהו מצב צבירה, אילו תכונות ותכונות יש למוצקים, נוזלים וגזים, נשקלות במספר קורסי הכשרה. ישנם שלושה מצבים קלאסיים של חומר, עם מאפיינים אופייניים משלהם של המבנה. ההבנה שלהם היא נקודה חשובה בהבנת מדעי כדור הארץ, אורגניזמים חיים ופעילויות ייצור. שאלות אלו נלמדות על ידי פיזיקה, כימיה, גיאוגרפיה, גיאולוגיה, כימיה פיזיקלית ודיסציפלינות מדעיות אחרות. חומרים שנמצאים בתנאים מסוימים באחד משלושת סוגי המצב הבסיסיים יכולים להשתנות עם עלייה או ירידה בטמפרטורה או בלחץ. שקול מעברים אפשריים ממצב צבירה אחד לאחר, כפי שהם מתבצעים בטבע, בטכנולוגיה ובחיי היומיום.
מהו מצב הצבירה?
המילה ממקור לטיני "aggrego" שתורגמה לרוסית פירושה "לצרף". המונח המדעי מתייחס למצבו של אותו גוף, חומר. קיום בערכי טמפרטורה מסוימים ולחצים שונים של מוצקים,גזים ונוזלים אופייניים לכל קונכיות כדור הארץ. בנוסף לשלושת המצבים המצטברים הבסיסיים, יש גם מצב רביעי. בטמפרטורה גבוהה ובלחץ קבוע, הגז הופך לפלזמה. כדי להבין טוב יותר מהו מצב צבירה, יש צורך לזכור את החלקיקים הקטנים ביותר המרכיבים חומרים וגופים.
התרשים שלמעלה מציג: a - גז; b - נוזל; c הוא גוף מוצק. באיורים כאלה, עיגולים מציינים את האלמנטים המבניים של חומרים. זהו סמל, למעשה, אטומים, מולקולות, יונים אינם כדורים מוצקים. אטומים מורכבים מגרעין טעון חיובי שסביבו נעים אלקטרונים בעלי מטען שלילי במהירות גבוהה. הכרת המבנה המיקרוסקופי של החומר עוזר להבין טוב יותר את ההבדלים הקיימים בין צורות מצטברות שונות.
ייצוגים של המיקרוקוסמוס: מיוון העתיקה ועד המאה ה-17
המידע הראשון על החלקיקים המרכיבים גופים פיזיים הופיע ביוון העתיקה. ההוגים דמוקריטוס ואפיקורוס הציגו מושג כזה כאטום. הם האמינו שלחלקיקים הבלתי ניתנים לחלוקה הקטנים ביותר של חומרים שונים יש צורה, גדלים מסוימים, מסוגלים לתנועה ואינטראקציה זה עם זה. אטומיסטיה הפכה ללימוד המתקדם ביותר של יוון העתיקה לתקופתה. אבל התפתחותו הואטה בימי הביניים. מאז נרדפו מדענים על ידי האינקוויזיציה של הכנסייה הקתולית. לכן, עד לזמנים המודרניים, לא היה מושג ברור מהו מצב הצבירה של החומר. רק אחרי המאה ה-17המדענים R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier ניסחו את הוראות התיאוריה האטומית-מולקולרית, שלא איבדו ממשמעותם אפילו היום.
אטומים, מולקולות, יונים הם חלקיקים מיקרוסקופיים של מבנה החומר
פריצת דרך משמעותית בהבנת המיקרוקוסמוס התרחשה במאה ה-20, כאשר הומצא מיקרוסקופ האלקטרונים. בהתחשב בתגליות שגילו מדענים קודם לכן, ניתן היה להרכיב תמונה הרמונית של עולם המיקרו. תיאוריות המתארות את המצב וההתנהגות של חלקיקי החומר הקטנים ביותר הן מורכבות למדי; הן שייכות לתחום הפיזיקה הקוונטית. כדי להבין את התכונות של מצבים מצטברים שונים של חומר, מספיק להכיר את השמות והתכונות של החלקיקים המבניים העיקריים היוצרים חומרים שונים.
- אטומים הם חלקיקים בלתי ניתנים לחלוקה כימית. נשמר בתגובות כימיות, אך נהרס בגרעין. למתכות ולחומרים רבים אחרים בעלי מבנה אטומי יש מצב צבירה מוצק בתנאים רגילים.
- מולקולות הן חלקיקים שמתפרקים ונוצרים בתגובות כימיות. במבנה המולקולרי יש חמצן, מים, פחמן דו חמצני, גופרית. המצב המצטבר של חמצן, חנקן, דו תחמוצת הגופרית, פחמן, חמצן בתנאים רגילים הוא גזי.
- יונים הם חלקיקים טעונים שאטומים ומולקולות הופכים אליהם כשהם צוברים או מאבדים אלקטרונים - חלקיקים מיקרוסקופיים בעלי מטען שלילי. למלחים רבים יש מבנה יוני, למשל, מלח שולחני, ברזל ונחושת גופרתית.
ישנם חומרים שחלקיקיהם מסודרים בצורה מסוימת בחלל. עמדה יחסית מסודרתאטומים, יונים, מולקולות נקראים סריג גביש. בדרך כלל סריגי גביש יוניים ואטומיים אופייניים למוצקים, מולקולריים - לנוזלים וגזים. ליהלום יש קשיות גבוהה. סריג הגביש האטומי שלו נוצר על ידי אטומי פחמן. אבל גרפיט רך מורכב גם מאטומים של יסוד כימי זה. רק שהם ממוקמים אחרת בחלל. מצב הצבירה הרגיל של גופרית הוא מוצק, אך בטמפרטורות גבוהות החומר הופך לנוזל ולמסה אמורפית.
חומרים במצב צבירה מוצק
גופים מוצקים בתנאים רגילים שומרים על נפחם וצורתם. למשל, גרגר חול, גרגר סוכר, מלח, פיסת סלע או מתכת. אם סוכר מחומם, החומר מתחיל להמיס, והופך לנוזל חום צמיג. להפסיק לחמם - שוב נקבל מוצק. המשמעות היא שאחד התנאים העיקריים למעבר של מוצק לנוזל הוא התחממו או עלייה באנרגיה הפנימית של חלקיקי החומר. ניתן לשנות גם את מצב הצבירה המוצק של מלח, המשמש במזון. אבל כדי להמיס מלח שולחן, אתה צריך טמפרטורה גבוהה יותר מאשר בעת חימום סוכר. העובדה היא שסוכר מורכב ממולקולות, ומלח שולחן מורכב מיונים טעונים, שנמשכים חזק יותר זה לזה. מוצקים בצורת נוזל אינם שומרים על צורתם מכיוון ששריגי הגביש מתפרקים.
מצב הצבירה הנוזלי של מלח במהלך ההמסה מוסבר על ידי שבירת הקשר בין יונים בגבישים. משוחרריםחלקיקים טעונים שיכולים לשאת מטענים חשמליים. מלחים מותכים מוליכים חשמל והם מוליכים. בתעשיות הכימיות, המתכות וההנדסיות, מוצקים מומרים לנוזלים כדי לקבל מהם תרכובות חדשות או לתת להם צורות שונות. סגסוגות מתכת נמצאות בשימוש נרחב. ישנן מספר דרכים להשיג אותם, הקשורות לשינויים במצב הצבירה של חומרי גלם מוצקים.
נוזל הוא אחד ממצבי הצבירה הבסיסיים
אם שופכים 50 מ"ל מים לבקבוק תחתית עגולה, אפשר לראות שהחומר מקבל מיד צורה של כלי כימי. אבל ברגע שנשפוך את המים מהבקבוק, הנוזל יתפשט מיד על פני השולחן. נפח המים יישאר זהה - 50 מ"ל, וצורתם תשתנה. תכונות אלו אופייניות לצורה הנוזלית של קיומו של החומר. נוזלים הם חומרים אורגניים רבים: אלכוהול, שמנים צמחיים, חומצות.
חלב הוא אמולסיה, כלומר נוזל שיש בו טיפות שומן. מינרל נוזלי שימושי הוא שמן. הוא מופק מבארות באמצעות אסדות קידוח ביבשה ובאוקיינוס. מי הים הם גם חומר גלם לתעשייה. ההבדל שלו מהמים המתוקים של נהרות ואגמים טמון בתכולת החומרים המומסים, בעיקר מלחים. במהלך אידוי מפני השטח של גופי מים, רק מולקולות H2O עוברות למצב אדים, נשארים מומסים. שיטות להשגת חומרים שימושיים ממי הים ושיטות לטיהורם מבוססות על תכונה זו.
מתיהסרה מלאה של מלחים, מים מזוקקים מתקבלים. הוא רותח ב-100 מעלות וקופא ב-0 מעלות. התמלחות רותחות והופכות לקרח בטמפרטורות שונות. לדוגמה, מים באוקיינוס הארקטי קופאים בטמפרטורת פני השטח של 2°C.
המצב המצטבר של כספית בתנאים רגילים הוא נוזל. מתכת-כסופה-אפורה זו מלאה בדרך כלל במדחום רפואי. בחימום, עמוד הכספית עולה על הסולם, החומר מתרחב. מדוע מדי חום ברחוב משתמשים באלכוהול בגוון אדום ולא בכספית? זה מוסבר על ידי המאפיינים של מתכת נוזלית. בכפור של 30 מעלות, המצב המצטבר של כספית משתנה, החומר הופך למוצק.
אם מדחום רפואי נשבר וכספית נשפכת החוצה, מסוכן להרים כדורי כסף בידיים. זה מזיק לשאוף אדי כספית, החומר הזה רעיל מאוד. ילדים במקרים כאלה צריכים לבקש עזרה מהוריהם, מהמבוגרים.
מדינת דלק
גזים אינם מסוגלים לשמור על נפחם או צורתם. מלאו את הבקבוק עד למעלה בחמצן (הנוסחה הכימית שלו היא O2). ברגע שנפתח את הבקבוק, המולקולות של החומר יתחילו להתערבב עם האוויר בחדר. זה נובע מתנועה בראונית. אפילו המדען היווני הקדום דמוקריטוס האמין שחלקיקי החומר נמצאים בתנועה מתמדת. במוצקים, בתנאים רגילים, לאטומים, מולקולות, יונים אין הזדמנות לעזוב את סריג הגביש, להשתחרר מקשרים עם חלקיקים אחרים. זה אפשרי רק כאשרכמויות גדולות של אנרגיה מבחוץ.
בנוזלים, המרחק בין חלקיקים מעט גדול יותר מאשר במוצקים, הם דורשים פחות אנרגיה כדי לשבור קשרים בין-מולקולריים. לדוגמה, המצב המצטבר הנוזלי של חמצן נצפה רק כאשר טמפרטורת הגז יורדת ל-183 מעלות צלזיוס. ב-223 מעלות צלזיוס, מולקולות O2 יוצרות מוצק. כאשר הטמפרטורה עולה מעל הערכים הנתונים, החמצן הופך לגז. זה בצורה זו כי זה בתנאים רגילים. במפעלי תעשייה קיימים מתקנים מיוחדים להפרדת אוויר אטמוספרי ולהשגת חנקן וחמצן ממנו. ראשית, האוויר מקורר ומנוזל, ולאחר מכן הטמפרטורה מוגברת בהדרגה. חנקן וחמצן הופכים לגזים בתנאים שונים.
אטמוספירת כדור הארץ מכילה 21% חמצן ו-78% חנקן בנפח. בצורה נוזלית, חומרים אלה אינם נמצאים במעטפת הגזים של כדור הארץ. לחמצן נוזלי צבע כחול בהיר והוא ממולא בלחץ גבוה לתוך גלילים לשימוש במתקנים רפואיים. בתעשייה ובבנייה, גזים נוזליים נחוצים לתהליכים רבים. חמצן דרוש לריתוך בגז וחיתוך מתכות, בכימיה - לתגובות חמצון של חומרים אנאורגניים ואורגניים. אם פותחים את השסתום של בלון החמצן, הלחץ יורד, הנוזל הופך לגז.
פרופאן נוזלי, מתאן ובוטאן נמצאים בשימוש נרחב באנרגיה, תחבורה, תעשייה ופעילויות ביתיות. חומרים אלו מתקבלים מגז טבעי או על ידי פיצוח(פיצול) של נפט גולמי. פחמן נוזלי ותערובות גזים ממלאים תפקיד חשוב בכלכלה של מדינות רבות. אבל מאגרי הנפט והגז הטבעי מדולדלים מאוד. לדברי מדענים, חומר הגלם הזה יחזיק מעמד 100-120 שנים. מקור אנרגיה חלופי הוא זרימת אוויר (רוח). נהרות זורמים במהירות, גאות ושפל על חופי הים והאוקיינוסים משמשים להפעלת תחנות כוח.
חמצן, כמו גזים אחרים, יכול להיות במצב צבירה רביעי, המייצג פלזמה. מעבר יוצא דופן ממצב מוצק למצב גזי הוא תכונה אופיינית של יוד גבישי. חומר סגול כהה עובר סובלימציה - הופך לגז, עוקף את המצב הנוזלי.
איך מתבצעים מעברים מצורה מצטברת אחת של חומר לאחרת?
שינויים במצב המצטבר של חומרים אינם קשורים לטרנספורמציות כימיות, אלו הן תופעות פיזיקליות. כאשר הטמפרטורה עולה, מוצקים רבים נמסים והופכים לנוזלים. עלייה נוספת בטמפרטורה יכולה להוביל לאידוי, כלומר למצב הגז של החומר. בטבע ובכלכלה, מעברים כאלה אופייניים לאחד החומרים העיקריים בכדור הארץ. קרח, נוזל, קיטור הם מצבי המים בתנאים חיצוניים שונים. התרכובת זהה, הנוסחה שלה היא H2O. בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס ומתחת לערך זה, מים מתגבשים, כלומר הופכים לקרח. כאשר הטמפרטורה עולה, הגבישים המתקבלים נהרסים - הקרח נמס, שוב מתקבלים מים נוזליים. כאשר הוא מחומם, נוצרים אדי מים. אידוי -הפיכת מים לגז - עוברת אפילו בטמפרטורות נמוכות. למשל, שלוליות קפואות נעלמות בהדרגה בגלל שהמים מתאדים. אפילו במזג אוויר כפור, בגדים רטובים מתייבשים, אבל התהליך הזה לוקח יותר זמן מאשר ביום חם.
לכל המעברים הרשומים של מים ממדינה אחת לאחרת יש חשיבות רבה לאופי כדור הארץ. תופעות אטמוספריות, אקלים ומזג אוויר קשורים להתאדות המים מפני השטח של האוקיינוסים, העברת לחות בצורת עננים וערפל ליבשה, משקעים (גשם, שלג, ברד). תופעות אלו מהוות את הבסיס למחזור המים העולמי בטבע.
איך משתנים המצבים המצטברים של גופרית?
בתנאים רגילים, גופרית היא גבישים מבריקים בהירים או אבקה צהובה בהירה, כלומר היא מוצק. המצב המצטבר של גופרית משתנה בעת חימום. ראשית, כאשר הטמפרטורה עולה ל-190 מעלות צלזיוס, החומר הצהוב נמס והופך לנוזל נייד.
אם שופכים במהירות גופרית נוזלית למים קרים, תקבל מסה אמורפית חומה. עם חימום נוסף של נמס הגופרית, הוא הופך לצמיג יותר ויותר ומתכהה. בטמפרטורות מעל 300 מעלות צלזיוס, מצב הצבירה של גופרית משתנה שוב, החומר מקבל תכונות של נוזל, הופך לנייד. מעברים אלו מתרחשים בשל יכולתם של האטומים של היסוד ליצור שרשראות באורכים שונים.
מדוע חומרים יכולים להיות במצבים פיזיקליים שונים?
מצב הצבירה של גופרית - חומר פשוט - מוצק בתנאים רגילים. דו תחמוצת הגופרית - גז, חומצה גופרתית -נוזל שמן כבד יותר ממים. בניגוד לחומצות הידרוכלוריות וחנקתיות, הוא אינו נדיף; מולקולות אינן מתאדות מפני השטח שלה. מהו מצב הצבירה של גופרית פלסטית, המתקבלת על ידי חימום גבישים?
בצורה אמורפית, לחומר יש מבנה של נוזל, עם נזילות קלה. אבל גופרית פלסטיק בו זמנית שומרת על צורתה (כמו מוצק). ישנם גבישים נוזליים בעלי מספר תכונות אופייניות למוצקים. לפיכך, מצב החומר בתנאים שונים תלוי בטבעו, בטמפרטורה, בלחץ ובתנאים חיצוניים אחרים.
מהן התכונות במבנה של מוצקים?
ההבדלים הקיימים בין המצבים המצטברים הבסיסיים של החומר מוסברים על ידי האינטראקציה בין אטומים, יונים ומולקולות. לדוגמה, מדוע המצב המצטבר המוצק של החומר מוביל ליכולת של גופים לשמור על נפח וצורה? בסריג הקריסטל של מתכת או מלח, חלקיקים מבניים נמשכים זה לזה. במתכות, יונים בעלי מטען חיובי אינטראקציה עם מה שמכונה "גז האלקטרונים" - הצטברות אלקטרונים חופשיים בחתיכת מתכת. גבישי מלח נוצרים עקב משיכה של חלקיקים בעלי מטען הפוך - יונים. המרחק בין היחידות המבניות לעיל של מוצקים קטן בהרבה מגודל החלקיקים עצמם. במקרה זה, פועלת משיכה אלקטרוסטטית, היא נותנת כוח, והדחייה אינה חזקה מספיק.
כדי להרוס את מצב הצבירה המוצק של החומר, זה הכרחיתעשה מאמץ. מתכות, מלחים, גבישים אטומיים נמסים בטמפרטורות גבוהות מאוד. לדוגמה, ברזל הופך נוזלי בטמפרטורות מעל 1538 מעלות צלזיוס. טונגסטן הוא עקשן ומשמש לייצור חוטי ליבון עבור נורות. יש סגסוגות שהופכות לנוזל בטמפרטורות מעל 3000 מעלות צלזיוס. סלעים ומינרלים רבים על פני כדור הארץ נמצאים במצב מוצק. חומר גלם זה מופק בעזרת ציוד במכרות ומחצבות.
כדי לנתק אפילו יון אחד מקריסטל, יש צורך להוציא כמות גדולה של אנרגיה. אבל אחרי הכל, מספיק להמיס מלח במים כדי שסריג הקריסטל יתפרק! תופעה זו מוסברת על ידי התכונות המדהימות של מים כממס קוטבי. H2O מולקולות אינטראקציה עם יוני מלח, והורסות את הקשר הכימי ביניהן. לפיכך, פירוק אינו ערבוב פשוט של חומרים שונים, אלא אינטראקציה פיזית וכימית ביניהם.
איך המולקולות של נוזלים מתקשרות?
מים יכולים להיות נוזלים, מוצקים וגז (קיטור). אלו הם מצבי הצבירה העיקריים שלו בתנאים רגילים. מולקולות מים מורכבות מאטום חמצן אחד עם שני אטומי מימן קשורים אליו. יש קיטוב של הקשר הכימי במולקולה, מטען שלילי חלקי מופיע על אטומי החמצן. המימן הופך לקוטב החיובי במולקולה ונמשך לאטום החמצן של מולקולה אחרת. כוח חלש זה נקרא "קשר המימן".
מצב צבירה נוזלי מאפייןמרחקים בין חלקיקים מבניים בהשוואה לגדלים שלהם. האטרקציה קיימת, אבל היא חלשה, ולכן המים לא שומרים על צורתם. אידוי מתרחש עקב הרס של קשרים, המתרחש על פני הנוזל גם בטמפרטורת החדר.
האם קיימות אינטראקציות בין-מולקולריות בגזים?
המצב הגזי של החומר שונה מנוזל ומוצק במספר פרמטרים. בין החלקיקים המבניים של הגזים יש פערים גדולים, גדולים בהרבה מגודל המולקולות. במקרה זה, כוחות המשיכה אינם פועלים כלל. מצב הצבירה הגזי אופייני לחומרים המצויים באוויר: חנקן, חמצן, פחמן דו חמצני. בתמונה למטה, הקוביה הראשונה מלאה בגז, השנייה בנוזל, והשלישית במוצק.
נוזלים רבים הם נדיפים, מולקולות של חומר מתפרקות מפני השטח ועוברות לאוויר. לדוגמה, אם אתה מביא צמר גפן טבול באמוניה לפתח בקבוק פתוח של חומצה הידרוכלורית, מופיע עשן לבן. ממש באוויר מתרחשת תגובה כימית בין חומצה הידרוכלורית לאמוניה, מתקבל אמוניום כלוריד. באיזה מצב של חומר נמצא החומר הזה? החלקיקים שלו, היוצרים עשן לבן, הם הגבישים המוצקים הקטנים ביותר של מלח. הניסוי הזה חייב להתבצע מתחת למנדף, החומרים רעילים.
מסקנה
מצב הצבירה של גז נחקר על ידי פיסיקאים וכימאים מצטיינים רבים: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,קלייפרון, מנדלייב, לה שאטלייר. מדענים ניסחו חוקים המסבירים את התנהגותם של חומרים גזים בתגובות כימיות כאשר תנאים חיצוניים משתנים. סדירויות פתוחות לא רק נכנסו לספרי הלימוד של בית הספר והאוניברסיטה לפיזיקה וכימיה. תעשיות כימיות רבות מבוססות על ידע על התנהגות ותכונות של חומרים במצבי צבירה שונים.
