Các câu hỏi về trạng thái tập hợp là gì, các đặc điểm và tính chất của chất rắn, chất lỏng và chất khí, được xem xét trong một số khóa đào tạo. Có ba trạng thái cổ điển của vật chất, với các tính năng đặc trưng riêng của chúng về cấu trúc. Sự hiểu biết của họ là một điểm quan trọng trong việc hiểu các khoa học về Trái đất, các cơ thể sống và các hoạt động sản xuất. Những câu hỏi này được nghiên cứu bởi vật lý, hóa học, địa lý, địa chất, hóa lý và các ngành khoa học khác. Các chất ở những điều kiện nhất định ở một trong ba dạng trạng thái cơ bản có thể thay đổi khi tăng hoặc giảm nhiệt độ hoặc áp suất. Hãy xem xét các chuyển đổi có thể có từ trạng thái tổng hợp này sang trạng thái tổng hợp khác, vì chúng được thực hiện trong tự nhiên, công nghệ và cuộc sống hàng ngày.
Trạng thái tập hợp là gì?
Từ gốc Latin "aggrego" dịch sang tiếng Nga có nghĩa là "đính kèm". Thuật ngữ khoa học dùng để chỉ trạng thái của cùng một cơ thể, một chất. Sự tồn tại ở các giá trị nhiệt độ nhất định và áp suất khác nhau của chất rắn,chất khí và chất lỏng là đặc trưng của tất cả các lớp vỏ của Trái đất. Ngoài ba trạng thái tổng hợp cơ bản, còn có trạng thái thứ tư. Ở nhiệt độ cao và áp suất không đổi, khí biến thành plasma. Để hiểu rõ hơn trạng thái tập hợp là gì, cần nhớ những hạt nhỏ nhất tạo nên chất và thể.
Sơ đồ trên cho thấy: a - khí; b - chất lỏng; c là thể rắn. Trong các hình như vậy, các vòng tròn chỉ ra các yếu tố cấu tạo của các chất. Đây là biểu tượng, thực chất nguyên tử, phân tử, ion không phải là những quả bóng đặc. Nguyên tử bao gồm một hạt nhân mang điện tích dương, xung quanh có các electron mang điện tích âm chuyển động với tốc độ cao. Kiến thức về cấu trúc vi mô của vật chất giúp hiểu rõ hơn về sự khác biệt tồn tại giữa các dạng tổng hợp khác nhau.
Đại diện của mô hình thu nhỏ: từ Hy Lạp cổ đại đến thế kỷ 17
Thông tin đầu tiên về các hạt cấu tạo nên cơ thể vật chất xuất hiện ở Hy Lạp cổ đại. Các nhà tư tưởng Democritus và Epicurus đã đưa ra một khái niệm như một nguyên tử. Họ tin rằng những hạt nhỏ nhất không thể phân chia được của các chất khác nhau có hình dạng, kích thước nhất định, có khả năng chuyển động và tương tác với nhau. Nguyên tử học đã trở thành phương pháp giảng dạy tiên tiến nhất của Hy Lạp cổ đại vào thời đó. Nhưng sự phát triển của nó bị chậm lại vào thời Trung cổ. Kể từ đó các nhà khoa học đã bị khủng bố bởi Tòa án Dị giáo của Nhà thờ Công giáo La Mã. Do đó, cho đến thời hiện đại, vẫn chưa có khái niệm rõ ràng về trạng thái tập hợp của vật chất là gì. Chỉ sau thế kỷ 17các nhà khoa học R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier đã xây dựng các quy định của lý thuyết nguyên tử-phân tử, mà cho đến ngày nay vẫn chưa mất đi ý nghĩa của chúng.
Nguyên tử, phân tử, ion là những hạt cực nhỏ trong cấu trúc của vật chất
Một bước đột phá quan trọng trong việc hiểu mô hình thu nhỏ xảy ra vào thế kỷ 20, khi kính hiển vi điện tử được phát minh. Tính đến những khám phá của các nhà khoa học trước đó, có thể ghép lại một bức tranh hài hòa về thế giới vi ba. Các lý thuyết mô tả trạng thái và hành vi của các hạt vật chất nhỏ nhất khá phức tạp; chúng thuộc lĩnh vực vật lý lượng tử. Để hiểu các đặc điểm của các trạng thái tập hợp khác nhau của vật chất, chỉ cần biết tên và tính năng của các hạt cấu trúc chính tạo nên các chất khác nhau là đủ.
- Nguyên tử là những hạt không thể phân chia về mặt hóa học. Được bảo quản trong các phản ứng hóa học, nhưng bị phá hủy trong hạt nhân. Kim loại và nhiều chất khác có cấu trúc nguyên tử có trạng thái tập hợp rắn ở điều kiện thường.
- Phân tử là những hạt bị phân hủy và hình thành trong các phản ứng hóa học. Cấu tạo phân tử có oxi, nước, khí cacbonic, lưu huỳnh. Trạng thái tổng hợp của ôxy, nitơ, lưu huỳnh điôxít, cacbon, ôxy ở điều kiện bình thường là thể khí.
- Ions là các hạt mang điện mà các nguyên tử và phân tử biến thành khi chúng tăng hoặc mất electron - các hạt mang điện tích âm cực nhỏ. Nhiều muối có cấu trúc ion, ví dụ, muối ăn, sắt và đồng sunfat.
Có những chất mà các hạt của chúng được sắp xếp theo một cách nhất định trong không gian. Vị trí tương đối có thứ tựnguyên tử, ion, phân tử được gọi là mạng tinh thể. Thông thường mạng tinh thể ion và tinh thể nguyên tử là điển hình cho chất rắn, phân tử - cho chất lỏng và chất khí. Kim cương có độ cứng cao. Mạng tinh thể nguyên tử của nó được hình thành bởi các nguyên tử cacbon. Nhưng than chì mềm cũng bao gồm các nguyên tử của nguyên tố hóa học này. Chỉ có điều chúng nằm khác nhau trong không gian. Trạng thái tập hợp thông thường của lưu huỳnh là rắn, nhưng ở nhiệt độ cao, chất này chuyển thành chất lỏng và khối vô định hình.
Các chất ở trạng thái kết tụ rắn chắc
Thể rắn trong điều kiện bình thường vẫn giữ được thể tích và hình dạng. Ví dụ, một hạt cát, một hạt đường, muối, một cục đá hoặc kim loại. Nếu đường được đun nóng, chất bắt đầu tan chảy, chuyển thành chất lỏng màu nâu nhớt. Ngừng đun - một lần nữa chúng ta lại có một chất rắn. Điều này có nghĩa là một trong những điều kiện chính để chuyển chất rắn thành chất lỏng là sự nóng lên hoặc sự gia tăng nội năng của các phần tử của một chất. Trạng thái rắn của tập hợp muối được sử dụng trong thực phẩm cũng có thể bị thay đổi. Nhưng để làm tan muối ăn, bạn cần nhiệt độ cao hơn so với khi đun nóng đường. Thực tế là đường bao gồm các phân tử, và muối ăn bao gồm các ion tích điện, chúng hút nhau mạnh hơn. Chất rắn ở dạng lỏng không giữ được hình dạng do mạng tinh thể bị phá vỡ.
Trạng thái lỏng tập hợp muối trong quá trình nóng chảy được giải thích là do sự phá vỡ liên kết giữa các ion trong tinh thể. được phát hànhhạt mang điện có thể mang điện. Muối nóng chảy dẫn điện và là chất dẫn điện. Trong công nghiệp hóa chất, luyện kim và kỹ thuật, chất rắn được chuyển đổi thành chất lỏng để thu được các hợp chất mới từ chúng hoặc tạo cho chúng các hình dạng khác nhau. Hợp kim kim loại được sử dụng rộng rãi. Có một số cách để lấy chúng, liên quan đến những thay đổi trong trạng thái tập hợp của các nguyên liệu thô.
Chất lỏng là một trong những trạng thái cơ bản của tập hợp
Nếu bạn đổ 50 ml nước vào một bình cầu đáy tròn, bạn có thể thấy chất đó ngay lập tức có dạng một bình hóa chất. Nhưng ngay sau khi chúng ta đổ nước ra khỏi bình, chất lỏng sẽ ngay lập tức tràn ra mặt bàn. Thể tích của nước sẽ không thay đổi - 50 ml, và hình dạng của nó sẽ thay đổi. Những đặc điểm này là đặc trưng cho sự tồn tại của vật chất ở dạng lỏng. Chất lỏng là nhiều chất hữu cơ: rượu, dầu thực vật, axit.
Sữa là nhũ tương, tức là chất lỏng trong đó có các giọt chất béo. Một khoáng chất lỏng hữu ích là dầu. Nó được khai thác từ các giếng khoan sử dụng các giàn khoan trên đất liền và dưới đại dương. Nước biển còn là nguyên liệu cho công nghiệp. Sự khác biệt của nó so với nước ngọt của sông hồ nằm ở hàm lượng các chất hòa tan, chủ yếu là muối. Trong quá trình bay hơi khỏi bề mặt của các khối nước, chỉ có các phân tử H2O chuyển sang trạng thái hơi, các chất tan vẫn còn. Các phương pháp thu nhận các chất hữu ích từ nước biển và các phương pháp làm sạch nó dựa trên đặc tính này.
Khiloại bỏ hoàn toàn các muối, thu được nước cất. Nó sôi ở 100 ° C và đóng băng ở 0 ° C. Nước muối sôi và biến thành đá ở các nhiệt độ khác nhau. Ví dụ, nước ở Bắc Băng Dương đóng băng ở nhiệt độ bề mặt 2 ° C.
Trạng thái tập hợp của thủy ngân ở điều kiện bình thường là chất lỏng. Kim loại màu xám bạc này thường được làm đầy trong các nhiệt kế y tế. Khi đun nóng, cột thuỷ ngân lên cân, chất nở ra. Tại sao nhiệt kế đường phố sử dụng cồn nhuộm màu đỏ mà không phải thủy ngân? Điều này được giải thích bởi các tính chất của kim loại lỏng. Ở những vùng sương giá 30 độ, trạng thái tập hợp của thủy ngân thay đổi, chất này trở nên rắn.
Nếu nhiệt kế y tế bị vỡ và thủy ngân tràn ra ngoài, việc dùng tay nhặt những viên bi bạc lên sẽ rất nguy hiểm. Sẽ có hại nếu hít phải hơi thủy ngân, chất này rất độc. Trẻ em trong những trường hợp như vậy nên tìm kiếm sự giúp đỡ từ cha mẹ, người lớn.
Trạng thái khí
Khí không thể giữ được thể tích hoặc hình dạng của chúng. Đổ đầy khí oxi vào bình tới đỉnh (công thức hóa học của nó là O2). Ngay sau khi chúng ta mở bình, các phân tử của chất sẽ bắt đầu trộn lẫn với không khí trong phòng. Điều này là do chuyển động Brown. Ngay cả nhà khoa học Hy Lạp cổ đại Democritus cũng tin rằng các hạt vật chất luôn chuyển động. Trong chất rắn, ở điều kiện thường, các nguyên tử, phân tử, ion không có cơ hội ra khỏi mạng tinh thể, tự giải phóng khỏi liên kết với các phần tử khác. Điều này chỉ có thể thực hiện được khimột lượng lớn năng lượng từ bên ngoài.
Trong chất lỏng, khoảng cách giữa các hạt lớn hơn một chút so với chất rắn, chúng cần ít năng lượng hơn để phá vỡ liên kết giữa các phân tử. Ví dụ, trạng thái tập hợp lỏng của oxy chỉ được quan sát khi nhiệt độ khí giảm xuống -183 ° C. Ở −223 ° C, các phân tử O2tạo thành chất rắn. Khi nhiệt độ tăng lên trên các giá trị đã cho, oxi chuyển thành khí. Đó là ở dạng này mà nó là trong điều kiện bình thường. Tại các xí nghiệp công nghiệp, có những hệ thống lắp đặt đặc biệt để tách không khí trong khí quyển và lấy nitơ và oxy từ nó. Đầu tiên, không khí được làm mát và hóa lỏng, sau đó nhiệt độ được tăng dần. Nitơ và oxy biến thành khí trong các điều kiện khác nhau.
Bầu khí quyển của Trái đất chứa 21% oxy và 78% nitơ theo thể tích. Ở dạng lỏng, những chất này không được tìm thấy trong thể khí của hành tinh. Oxy lỏng có màu xanh lam nhạt và được nạp đầy ở áp suất cao vào các bình khí để sử dụng trong các cơ sở y tế. Trong công nghiệp và xây dựng, khí hóa lỏng cần thiết cho nhiều quá trình. Trong hóa học, oxy cần thiết cho quá trình hàn và cắt kim loại bằng khí - cho các phản ứng oxy hóa các chất vô cơ và hữu cơ. Nếu bạn mở van của bình oxy, áp suất giảm, chất lỏng biến thành chất khí.
Khí propan, metan và butan hóa lỏng được sử dụng rộng rãi trong năng lượng, giao thông, công nghiệp và các hoạt động gia dụng. Các chất này thu được từ khí tự nhiên hoặc bằng cách crackinh(tách) dầu thô. Các hỗn hợp lỏng và khí carbon đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế của nhiều quốc gia. Nhưng trữ lượng dầu mỏ và khí đốt tự nhiên đang bị cạn kiệt nghiêm trọng. Theo các nhà khoa học, loại nguyên liệu thô này sẽ tồn tại được từ 100-120 năm. Một nguồn năng lượng thay thế là luồng không khí (gió). Các con sông chảy xiết, thủy triều trên bờ biển và đại dương được sử dụng để vận hành các nhà máy điện.
Oxy, giống như các khí khác, có thể ở trạng thái tập hợp thứ tư, đại diện cho plasma. Sự chuyển đổi bất thường từ trạng thái rắn sang thể khí là một tính năng đặc trưng của iốt tinh thể. Một chất màu tím sẫm trải qua quá trình thăng hoa - biến thành khí, bỏ qua trạng thái lỏng.
Quá trình chuyển đổi từ dạng tổng hợp của vật chất này sang dạng vật chất khác được thực hiện như thế nào?
Sự thay đổi trạng thái tổng hợp của các chất không liên quan đến sự biến đổi hóa học, đây là những hiện tượng vật lý. Khi nhiệt độ tăng, nhiều chất rắn nóng chảy và chuyển thành chất lỏng. Sự gia tăng nhiệt độ hơn nữa có thể dẫn đến sự bay hơi, tức là chuyển sang trạng thái khí của chất. Trong tự nhiên và kinh tế, những chuyển đổi như vậy là đặc trưng của một trong những chất chính trên Trái đất. Nước đá, chất lỏng, hơi nước là các trạng thái của nước ở các điều kiện bên ngoài khác nhau. Hợp chất giống nhau, công thức của nó là H2O. Ở nhiệt độ 0 ° C và thấp hơn giá trị này, nước kết tinh, tức là nó biến thành nước đá. Khi nhiệt độ tăng, các tinh thể tạo thành bị phá hủy - nước đá tan chảy, lại thu được nước lỏng. Khi nó được đun nóng, hơi nước được hình thành. Bốc hơi -sự biến đổi của nước thành khí - xảy ra ngay cả ở nhiệt độ thấp. Ví dụ, các vũng nước đóng băng dần dần biến mất do nước bốc hơi. Ngay cả trong thời tiết lạnh giá, quần áo ướt sẽ khô, nhưng quá trình này diễn ra lâu hơn so với ngày nắng nóng.
Tất cả các quá trình chuyển đổi được liệt kê của nước từ trạng thái này sang trạng thái khác đều có tầm quan trọng lớn đối với bản chất của Trái đất. Các hiện tượng khí quyển, khí hậu và thời tiết gắn liền với sự bốc hơi nước từ bề mặt đại dương, sự chuyển ẩm dưới dạng mây và sương mù vào đất liền, lượng mưa (mưa, tuyết, mưa đá). Những hiện tượng này là cơ sở của chu trình nước trên thế giới trong tự nhiên.
Trạng thái tổng hợp của lưu huỳnh thay đổi như thế nào?
Ở điều kiện bình thường, lưu huỳnh là những tinh thể sáng bóng hoặc bột màu vàng nhạt, tức là nó là chất rắn. Trạng thái tổng hợp của lưu huỳnh thay đổi khi đun nóng. Đầu tiên, khi nhiệt độ tăng lên 190 ° C, chất màu vàng sẽ tan chảy, chuyển thành một chất lỏng di động.
Nếu bạn nhanh chóng đổ lưu huỳnh lỏng vào nước lạnh, bạn sẽ có một khối vô định hình màu nâu. Khi tiếp tục đun nóng lưu huỳnh tan chảy, nó ngày càng trở nên nhớt và sẫm màu hơn. Ở nhiệt độ trên 300 ° C, trạng thái tập hợp của lưu huỳnh lại thay đổi, chất có được các đặc tính của chất lỏng, trở nên di động. Những chuyển đổi này xảy ra do khả năng các nguyên tử của nguyên tố tạo thành chuỗi có độ dài khác nhau.
Tại sao các chất có thể ở các trạng thái vật lý khác nhau?
Trạng thái tập hợp của lưu huỳnh - một chất đơn giản - ở trạng thái rắn ở điều kiện thường. Lưu huỳnh đioxit - khí, axit sunfuric -chất lỏng nhờn nặng hơn nước. Không giống như axit clohydric và axit nitric, nó không dễ bay hơi; các phân tử không bay hơi khỏi bề mặt của nó. Trạng thái tập hợp của lưu huỳnh dẻo, thu được khi nung nóng tinh thể là gì?
Ở dạng vô định hình, chất này có cấu trúc của chất lỏng, hơi lỏng. Nhưng lưu huỳnh nhựa đồng thời vẫn giữ được hình dạng của nó (như một chất rắn). Có những tinh thể lỏng có một số tính chất đặc trưng của chất rắn. Do đó, trạng thái của vật chất trong các điều kiện khác nhau phụ thuộc vào bản chất, nhiệt độ, áp suất và các điều kiện bên ngoài khác.
Các đặc điểm trong cấu trúc của chất rắn là gì?
Sự khác biệt hiện có giữa các trạng thái tổng hợp cơ bản của vật chất được giải thích bằng sự tương tác giữa các nguyên tử, ion và phân tử. Ví dụ, tại sao trạng thái tập hợp rắn của vật chất lại dẫn đến khả năng duy trì thể tích và hình dạng của các vật thể? Trong mạng tinh thể của kim loại hoặc muối, các phần tử cấu tạo bị hút vào nhau. Trong kim loại, các ion mang điện tích dương tương tác với cái gọi là "khí điện tử" - sự tích tụ các điện tử tự do trong một miếng kim loại. Các tinh thể muối hình thành do sức hút của các hạt mang điện trái dấu - ion. Khoảng cách giữa các đơn vị cấu tạo trên của chất rắn nhỏ hơn nhiều so với kích thước của chính các hạt. Trong trường hợp này, lực hút tĩnh điện hoạt động, nó tạo ra sức mạnh, và lực đẩy không đủ mạnh.
Để phá hủy trạng thái rắn kết tụ của vật chất, cầntạo sự nỗ lực. Kim loại, muối, tinh thể nguyên tử nóng chảy ở nhiệt độ rất cao. Ví dụ, sắt trở thành chất lỏng ở nhiệt độ trên 1538 ° C. Vonfram là vật liệu chịu lửa và được sử dụng để làm dây tóc nóng sáng cho bóng đèn. Có những hợp kim trở thành chất lỏng ở nhiệt độ trên 3000 ° C. Nhiều loại đá và khoáng chất trên Trái đất ở trạng thái rắn. Nguyên liệu thô này được khai thác với sự hỗ trợ của thiết bị trong các mỏ và mỏ đá.
Để tách dù chỉ một ion ra khỏi tinh thể, cần phải tiêu tốn một lượng lớn năng lượng. Nhưng xét cho cùng, chỉ cần hòa tan muối vào nước là đủ để mạng tinh thể tan rã! Hiện tượng này được giải thích bởi các đặc tính tuyệt vời của nước như một dung môi phân cực. Các phân tử H2O tương tác với các ion muối, phá hủy liên kết hóa học giữa chúng. Do đó, sự hòa tan không phải là sự trộn lẫn các chất khác nhau một cách đơn giản, mà là sự tương tác vật lý và hóa học giữa chúng.
Các phân tử của chất lỏng tương tác với nhau như thế nào?
Nước có thể ở thể lỏng, rắn và khí (hơi nước). Đây là những trạng thái tập hợp chính của nó trong điều kiện bình thường. Phân tử nước được tạo thành từ một nguyên tử oxy với hai nguyên tử hydro liên kết với nó. Trong phân tử có sự phân cực liên kết hóa học, trên nguyên tử oxi xuất hiện một phần điện tích âm. Hydro trở thành cực dương trong phân tử và bị hút vào nguyên tử oxy của phân tử khác. Lực yếu này được gọi là "liên kết hydro".
Trạng thái lỏng của tập hợp đặc trưngkhoảng cách giữa các hạt cấu trúc có thể so sánh với kích thước của chúng. Lực hút tồn tại, nhưng nó yếu nên nước không giữ được hình dạng. Quá trình hóa hơi xảy ra do sự phá hủy các liên kết, xảy ra trên bề mặt chất lỏng ngay cả ở nhiệt độ phòng.
Có tồn tại tương tác giữa các phân tử trong chất khí không?
Trạng thái khí của vật chất khác với thể lỏng và thể rắn ở một số thông số. Giữa các phần tử cấu tạo của chất khí có những khoảng trống lớn, lớn hơn nhiều so với kích thước của các phân tử. Trong trường hợp này, các lực hút hoàn toàn không hoạt động. Trạng thái tập hợp ở thể khí là đặc trưng của các chất có trong không khí: nitơ, oxi, cacbon đioxit. Trong hình bên dưới, khối thứ nhất chứa đầy khí, khối thứ hai chứa chất lỏng và khối thứ ba chứa chất rắn.
Nhiều chất lỏng dễ bay hơi, các phân tử của một chất tách ra khỏi bề mặt của chúng và đi vào không khí. Ví dụ, bạn mang tăm bông nhúng amoniac vào lọ axit clohiđric đang mở thì xuất hiện khói trắng. Ngay trong không khí, phản ứng hoá học xảy ra giữa axit clohiđric và amoniac, thu được amoni clorua. Chất này ở trạng thái nào? Các hạt của nó, tạo thành khói trắng, là những tinh thể rắn nhỏ nhất của muối. Thí nghiệm này phải tiến hành trong tủ hút, các chất đều độc.
Kết
Trạng thái kết tụ của chất khí đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà vật lý và hóa học lỗi lạc: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Các nhà khoa học đã xây dựng các định luật giải thích hành vi của các chất ở thể khí trong các phản ứng hóa học khi điều kiện bên ngoài thay đổi. Quy chế mở không chỉ đi vào sách giáo khoa vật lý và hóa học ở trường và đại học. Nhiều ngành công nghiệp hóa chất dựa trên kiến thức về hành vi và tính chất của các chất ở các trạng thái tổng hợp khác nhau.
