Het concept van alcoholen. Open Bibliotheek - open bibliotheek met educatieve informatie Wat is een aggregatietoestand

De meest algemene kennis gaat over drie aggregatietoestanden: vloeibaar, vast, gasvormig; soms herinneren ze zich plasma, minder vaak vloeibaar kristallijn. Onlangs is er op internet een lijst met 17 fasen van materie, ontleend aan de beroemde () Stephen Fry, verspreid. Daarom zullen we u er meer in detail over vertellen, omdat... je zou wat meer over materie moeten weten, al was het maar om de processen die in het heelal plaatsvinden beter te begrijpen.

De hieronder gegeven lijst van geaggregeerde toestanden van materie loopt op van de koudste toestanden tot de heetste, enz. mag worden voortgezet. Tegelijkertijd moet worden begrepen dat vanuit de gasvormige toestand (nr. 11), de meest “ongecomprimeerde”, aan beide kanten van de lijst, de mate van compressie van de stof en de druk ervan (met enig voorbehoud voor dergelijke niet-bestudeerde hypothetische toestanden als kwantum, straal of zwak symmetrisch) nemen toe. Na de tekst wordt een visuele grafiek van faseovergangen van materie getoond.

1. Kwantum- een toestand van aggregatie van materie, bereikt wanneer de temperatuur daalt tot het absolute nulpunt, waardoor interne bindingen verdwijnen en materie uiteenvalt in vrije quarks.

2. Bose-Einstein-condensaat- een toestand van aggregatie van materie, waarvan de basis bestaat uit bosonen, afgekoeld tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt (minder dan een miljoenste graad boven het absolute nulpunt). In zo'n sterk gekoelde toestand bevindt een voldoende groot aantal atomen zich in hun minimaal mogelijke kwantumtoestanden en beginnen kwantumeffecten zich op macroscopisch niveau te manifesteren. Een Bose-Einstein-condensaat (vaak Bose-condensaat genoemd, of eenvoudigweg "beck") ontstaat wanneer je een chemisch element afkoelt tot extreem lage temperaturen (meestal net boven het absolute nulpunt, min 273 graden Celsius). Dit is de theoretische temperatuur waarbij alles stopt met bewegen).
Dit is waar er volkomen vreemde dingen met de stof beginnen te gebeuren. Processen die gewoonlijk alleen op atomair niveau worden waargenomen, vinden nu plaats op een schaal die groot genoeg is om met het blote oog te worden waargenomen. Als je bijvoorbeeld ‘terug’ in een laboratoriumbeker plaatst en de gewenste temperatuur instelt, begint de substantie langs de muur omhoog te kruipen en uiteindelijk vanzelf naar buiten te komen.
Blijkbaar hebben we hier te maken met een vergeefse poging van een stof om zijn eigen energie (die zich al op het laagste van alle mogelijke niveaus bevindt) te verlagen.
Het vertragen van atomen met behulp van koelapparatuur produceert een unieke kwantumtoestand die bekend staat als een Bose- of Bose-Einstein-condensaat. Dit fenomeen werd in 1925 voorspeld door A. Einstein, als resultaat van een generalisatie van het werk van S. Bose, waarbij statistische mechanica werd gebouwd voor deeltjes variërend van massaloze fotonen tot massadragende atomen (Einsteins manuscript, dat als verloren werd beschouwd, werd ontdekt in de bibliotheek van de Universiteit Leiden in 2005). Het resultaat van de inspanningen van Bose en Einstein was het Bose-concept van een gas dat onderworpen is aan de Bose-Einstein-statistieken, dat de statistische verdeling beschrijft van identieke deeltjes met een geheeltallige spin, bosonen genoemd. Bosonen, die bijvoorbeeld individuele elementaire deeltjes zijn - fotonen en hele atomen, kunnen zich met elkaar in dezelfde kwantumtoestand bevinden. Einstein stelde voor dat het afkoelen van bosonatomen tot zeer lage temperaturen ervoor zou zorgen dat ze zouden transformeren (of, met andere woorden, condenseren) naar de laagst mogelijke kwantumtoestand. Het resultaat van een dergelijke condensatie zal de opkomst van een nieuwe vorm van materie zijn.
Deze overgang vindt plaats onder de kritische temperatuur, die geldt voor een homogeen driedimensionaal gas dat bestaat uit niet-interagerende deeltjes zonder enige interne vrijheidsgraden.

3. Fermioncondensaat- een aggregatietoestand van een stof, vergelijkbaar met een backing, maar verschillend van structuur. Naarmate ze het absolute nulpunt naderen, gedragen atomen zich anders, afhankelijk van de grootte van hun eigen impulsmoment (spin). Bosonen hebben gehele spins, terwijl fermionen spins hebben die veelvouden zijn van 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermionen gehoorzamen aan het uitsluitingsprincipe van Pauli, dat stelt dat geen twee fermionen dezelfde kwantumtoestand kunnen hebben. Een dergelijk verbod bestaat niet voor bosonen en daarom hebben ze de mogelijkheid om in één kwantumtoestand te bestaan ​​en daardoor het zogenaamde Bose-Einstein-condensaat te vormen. Het proces van vorming van dit condensaat is verantwoordelijk voor de overgang naar de supergeleidende toestand.
Elektronen hebben spin 1/2 en worden daarom geclassificeerd als fermionen. Ze combineren zich tot paren (de zogenaamde Cooper-paren), die vervolgens een Bose-condensaat vormen.
Amerikaanse wetenschappers hebben geprobeerd door diepe koeling een soort moleculen uit fermionatomen te verkrijgen. Het verschil met echte moleculen was dat er geen chemische binding tussen de atomen bestond; ze bewogen eenvoudigweg op een gecorreleerde manier samen. De binding tussen atomen bleek zelfs sterker dan tussen elektronen in Cooper-paren. De resulterende paren fermionen hebben een totale spin die niet langer een veelvoud van 1/2 is, daarom gedragen ze zich al als bosonen en kunnen ze een Bose-condensaat vormen met een enkele kwantumtoestand. Tijdens het experiment werd een gas van kalium-40 atomen gekoeld tot 300 nanokelvin, terwijl het gas werd opgesloten in een zogenaamde optische val. Vervolgens werd een extern magnetisch veld aangelegd, met behulp waarvan het mogelijk was om de aard van de interacties tussen atomen te veranderen - in plaats van sterke afstoting begon een sterke aantrekkingskracht waargenomen te worden. Bij het analyseren van de invloed van het magnetische veld was het mogelijk een waarde te vinden waarbij de atomen zich begonnen te gedragen als Cooper-elektronenparen. In de volgende fase van het experiment verwachten wetenschappers supergeleidingseffecten voor het fermioncondensaat te verkrijgen.

4. Supervloeibare substantie- een toestand waarin een stof vrijwel geen viscositeit heeft en tijdens het vloeien geen wrijving ervaart met een vast oppervlak. Het gevolg hiervan is bijvoorbeeld zo'n interessant effect als het volledig spontaan "uitsluipen" van superfluïde helium uit het vat langs de wanden, tegen de zwaartekracht in. Natuurlijk is er hier geen sprake van schending van de wet van behoud van energie. Bij afwezigheid van wrijvingskrachten wordt helium alleen beïnvloed door zwaartekrachtkrachten, de krachten van interatomaire interactie tussen helium en de wanden van het vat en tussen heliumatomen. De krachten van interatomaire interactie overtreffen dus alle andere krachten samen. Als gevolg hiervan heeft helium de neiging zich zo veel mogelijk over alle mogelijke oppervlakken te verspreiden en daarom langs de wanden van het vat te “reizen”. In 1938 bewees de Sovjetwetenschapper Pyotr Kapitsa dat helium in een superfluïde toestand kan bestaan.
Het is vermeldenswaard dat veel van de ongebruikelijke eigenschappen van helium al geruime tijd bekend zijn. De afgelopen jaren heeft dit chemische element ons echter verwend met interessante en onverwachte effecten. Dus intrigeerden Moses Chan en Eun-Syong Kim van de Universiteit van Pennsylvania in 2004 de wetenschappelijke wereld met de aankondiging dat ze erin waren geslaagd een geheel nieuwe staat van helium te verkrijgen: een supervloeibare vaste stof. In deze toestand kunnen sommige heliumatomen in het kristalrooster om andere heen stromen, en kan helium dus door zichzelf stromen. Het ‘superhardheid’-effect werd theoretisch al in 1969 voorspeld. En in 2004 leek er experimentele bevestiging te zijn. Latere en zeer interessante experimenten hebben echter aangetoond dat niet alles zo eenvoudig is, en misschien is deze interpretatie van het fenomeen, dat eerder werd aanvaard als de superfluïditeit van vast helium, onjuist.
Het experiment van wetenschappers onder leiding van Humphrey Maris van de Brown University in de VS was eenvoudig en elegant. Wetenschappers plaatsten een reageerbuis ondersteboven in een gesloten tank met vloeibaar helium. Ze bevroor een deel van het helium in de reageerbuis en in het reservoir zodanig dat de grens tussen vloeistof en vaste stof in de reageerbuis hoger lag dan in het reservoir. Met andere woorden, in het bovenste deel van de reageerbuis zat vloeibaar helium, in het onderste deel zat vast helium, het ging soepel over in de vaste fase van het reservoir, waarboven een beetje vloeibaar helium werd gegoten - lager dan de vloeistof niveau in de reageerbuis. Als vloeibaar helium door vast helium zou gaan lekken, zou het niveauverschil afnemen, en dan kunnen we spreken van vast supervloeibaar helium. En in principe nam het niveauverschil in drie van de dertien experimenten zelfs af.

5. Superharde stof- een aggregatietoestand waarin materie transparant is en kan ‘vloeien’ als een vloeistof, maar in feite verstoken is van viscositeit. Dergelijke vloeistoffen zijn al jaren bekend; ze worden supervloeistoffen genoemd. Het is een feit dat als een supervloeistof wordt geroerd, deze bijna eeuwig zal circuleren, terwijl een normale vloeistof uiteindelijk zal kalmeren. De eerste twee supervloeistoffen zijn gemaakt door onderzoekers met behulp van helium-4 en helium-3. Ze werden afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt - min 273 graden Celsius. En uit helium-4 slaagden Amerikaanse wetenschappers erin een supersolide lichaam te verkrijgen. Ze comprimeerden bevroren helium met meer dan 60 keer de druk en plaatsten het glas gevuld met de substantie vervolgens op een roterende schijf. Bij een temperatuur van 0,175 graden Celsius begon de schijf plotseling vrijer te draaien, wat volgens wetenschappers erop wijst dat helium een ​​superlichaam is geworden.

6. Stevig- een aggregatietoestand van een substantie, gekenmerkt door stabiliteit van vorm en de aard van de thermische beweging van atomen, die kleine trillingen uitvoeren rond evenwichtsposities. De stabiele toestand van vaste stoffen is kristallijn. Er zijn vaste stoffen met ionische, covalente, metallische en andere soorten bindingen tussen atomen, die de diversiteit van hun fysieke eigenschappen bepalen. De elektrische en enkele andere eigenschappen van vaste stoffen worden voornamelijk bepaald door de aard van de beweging van de buitenste elektronen van de atomen. Op basis van hun elektrische eigenschappen worden vaste stoffen onderverdeeld in diëlektrica, halfgeleiders en metalen; op basis van hun magnetische eigenschappen worden vaste stoffen verdeeld in diamagnetische, paramagnetische en lichamen met een geordende magnetische structuur. Onderzoek naar de eigenschappen van vaste stoffen is opgegaan in een groot veld: de vastestoffysica, waarvan de ontwikkeling wordt gestimuleerd door de behoeften van de technologie.

7. Amorfe vaste stof- een gecondenseerde aggregatietoestand van een stof, gekenmerkt door isotropie van fysische eigenschappen als gevolg van de ongeordende rangschikking van atomen en moleculen. In amorfe vaste stoffen trillen atomen rond willekeurig geplaatste punten. In tegenstelling tot de kristallijne toestand vindt de overgang van vast amorf naar vloeibaar geleidelijk plaats. Verschillende stoffen zijn in amorfe toestand: glas, harsen, kunststoffen, enz.

8. Vloeibaar kristal is een specifieke aggregatietoestand van een stof waarin deze tegelijkertijd de eigenschappen van een kristal en een vloeistof vertoont. Er moet meteen worden opgemerkt dat niet alle stoffen zich in een vloeibaar-kristallijne toestand kunnen bevinden. Sommige organische stoffen met complexe moleculen kunnen echter een specifieke aggregatietoestand vormen: vloeibaar kristallijn. Deze toestand treedt op wanneer kristallen van bepaalde stoffen smelten. Wanneer ze smelten, wordt een vloeibaar-kristallijne fase gevormd, die verschilt van gewone vloeistoffen. Deze fase bestaat in het bereik van de smelttemperatuur van het kristal tot een hogere temperatuur, waarbij het vloeibare kristal bij verhitting verandert in een gewone vloeistof.
Hoe verschilt een vloeibaar kristal van een vloeistof en een gewoon kristal, en hoe is het daarmee vergelijkbaar? Net als een gewone vloeistof is een vloeibaar kristal vloeibaar en neemt het de vorm aan van de container waarin het wordt geplaatst. Zo verschilt het van de bij iedereen bekende kristallen. Ondanks deze eigenschap, die het met een vloeistof verenigt, heeft het echter een eigenschap die kenmerkend is voor kristallen. Dit is de ordening in de ruimte van de moleculen die het kristal vormen. Toegegeven, deze ordening is niet zo compleet als bij gewone kristallen, maar heeft niettemin een aanzienlijke invloed op de eigenschappen van vloeibare kristallen, waardoor ze zich onderscheiden van gewone vloeistoffen. Een onvolledige ruimtelijke ordening van de moleculen die een vloeibaar kristal vormen komt tot uiting in het feit dat er in vloeibare kristallen geen volledige orde bestaat in de ruimtelijke ordening van de zwaartepunten van de moleculen, hoewel er wel sprake kan zijn van een gedeeltelijke orde. Dit betekent dat ze geen stijf kristalrooster hebben. Daarom hebben vloeibare kristallen, net als gewone vloeistoffen, de eigenschap van vloeibaarheid.
Een verplichte eigenschap van vloeibare kristallen, die ze dichter bij gewone kristallen brengt, is de aanwezigheid van een volgorde van ruimtelijke oriëntatie van de moleculen. Deze volgorde in oriëntatie kan zich bijvoorbeeld manifesteren in het feit dat alle lange assen van moleculen in een vloeibaar kristallijn monster op dezelfde manier georiënteerd zijn. Deze moleculen moeten een langwerpige vorm hebben. Naast de eenvoudigste volgorde van moleculaire assen, kan er in een vloeibaar kristal een complexere oriëntatievolgorde van moleculen voorkomen.
Afhankelijk van het type ordening van de moleculaire assen worden vloeibare kristallen onderverdeeld in drie typen: nematisch, smectisch en cholesterisch.
Onderzoek naar de fysica van vloeibare kristallen en hun toepassingen wordt momenteel op een breed front uitgevoerd in alle meest ontwikkelde landen van de wereld. Binnenlands onderzoek is geconcentreerd in zowel academische als industriële onderzoeksinstellingen en kent een lange traditie. De werken van V.K., voltooid in de jaren dertig in Leningrad, werden algemeen bekend en erkend. Fredericks naar V.N. Tsvetkova. De afgelopen jaren heeft de snelle studie van vloeibare kristallen ervoor gezorgd dat binnenlandse onderzoekers ook een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan de ontwikkeling van de studie van vloeibare kristallen in het algemeen en in het bijzonder van de optica van vloeibare kristallen. Zo zijn de werken van I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, SA Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov en vele andere Sovjetonderzoekers zijn algemeen bekend bij de wetenschappelijke gemeenschap en dienen als basis voor een aantal effectieve technische toepassingen van vloeibare kristallen.
Het bestaan ​​van vloeibare kristallen werd al lang geleden vastgesteld, namelijk in 1888, dat wil zeggen bijna een eeuw geleden. Hoewel wetenschappers deze toestand van de materie vóór 1888 tegenkwamen, werd deze later officieel ontdekt.
De eerste die vloeibare kristallen ontdekte was de Oostenrijkse botanicus Reinitzer. Tijdens het bestuderen van de nieuwe stof cholesterylbenzoaat die hij synthetiseerde, ontdekte hij dat bij een temperatuur van 145°C de kristallen van deze stof smelten en een troebele vloeistof vormen die het licht sterk verstrooit. Naarmate het verwarmen voortduurt, wordt de vloeistof bij het bereiken van een temperatuur van 179°C helder, dat wil zeggen dat deze zich optisch begint te gedragen als een gewone vloeistof, bijvoorbeeld water. Cholesterylbenzoaat vertoonde onverwachte eigenschappen in de troebele fase. Toen Reinitzer deze fase onder een polariserende microscoop onderzocht, ontdekte hij dat deze dubbele breking vertoont. Dit betekent dat de brekingsindex van het licht, dat wil zeggen de lichtsnelheid in deze fase, afhankelijk is van de polarisatie.

9. Vloeistof- de aggregatietoestand van een stof, waarbij de kenmerken van een vaste toestand (behoud van volume, een bepaalde treksterkte) en een gasvormige toestand (vormvariabiliteit) worden gecombineerd. Vloeistoffen worden gekenmerkt door een korteafstandsorde in de rangschikking van deeltjes (moleculen, atomen) en een klein verschil in de kinetische energie van thermische beweging van moleculen en hun potentiële interactie-energie. De thermische beweging van vloeibare moleculen bestaat uit oscillaties rond evenwichtsposities en relatief zeldzame sprongen van de ene evenwichtspositie naar de andere; de ​​vloeibaarheid van de vloeistof hangt hiermee samen.

10. Superkritische vloeistof(SCF) is een aggregatietoestand van een stof waarin het verschil tussen de vloeibare en gasfase verdwijnt. Elke stof bij een temperatuur en druk boven het kritische punt is een superkritische vloeistof. De eigenschappen van een stof in de superkritische toestand liggen tussen de eigenschappen in de gasfase en de vloeistoffase in. SCF heeft dus een hoge dichtheid, dichtbij een vloeistof, en een lage viscositeit, zoals gassen. De diffusiecoëfficiënt heeft in dit geval een waarde tussen vloeistof en gas. Stoffen in een superkritische toestand kunnen worden gebruikt als vervanging voor organische oplosmiddelen in laboratorium- en industriële processen. Superkritisch water en superkritisch kooldioxide hebben vanwege bepaalde eigenschappen de grootste belangstelling en verspreiding gekregen.
Een van de belangrijkste eigenschappen van de superkritische toestand is het vermogen om stoffen op te lossen. Door de temperatuur of druk van de vloeistof te veranderen, kunt u de eigenschappen ervan over een breed bereik veranderen. Het is dus mogelijk een vloeistof te verkrijgen waarvan de eigenschappen dicht bij een vloeistof of een gas liggen. Het oplosvermogen van een vloeistof neemt dus toe met toenemende dichtheid (bij een constante temperatuur). Omdat de dichtheid toeneemt bij toenemende druk, kan het veranderen van de druk het oplossend vermogen van de vloeistof (bij constante temperatuur) beïnvloeden. In het geval van temperatuur is de afhankelijkheid van de eigenschappen van de vloeistof iets complexer: bij een constante dichtheid neemt ook het oplossend vermogen van de vloeistof toe, maar nabij het kritieke punt kan een lichte temperatuurstijging tot een scherpe daling leiden in dichtheid, en dienovereenkomstig in het oplossend vermogen. Superkritische vloeistoffen kunnen onbeperkt met elkaar vermengen, dus wanneer het kritische punt van het mengsel wordt bereikt, zal het systeem altijd eenfasig zijn. De geschatte kritische temperatuur van een binair mengsel kan worden berekend als het rekenkundig gemiddelde van de kritische parameters van de stoffen Tc(mix) = (molfractie A) x TcA + (molfractie B) x TcB.

11. Gasvormig- (Franse gaz, van het Griekse chaos - chaos), een aggregatietoestand van een substantie waarin de kinetische energie van de thermische beweging van zijn deeltjes (moleculen, atomen, ionen) aanzienlijk groter is dan de potentiële energie van interacties daartussen, en daarom de deeltjes bewegen zich vrij en vullen, bij afwezigheid van externe velden, uniform het gehele volume dat eraan wordt verstrekt.

12. Plasma- (van het Griekse plasma - gebeeldhouwd, gevormd), een toestand van materie die een geïoniseerd gas is waarin de concentraties van positieve en negatieve ladingen gelijk zijn (quasi-neutraliteit). De overgrote meerderheid van de materie in het heelal bevindt zich in de plasmatoestand: sterren, galactische nevels en het interstellaire medium. In de buurt van de aarde bestaat plasma in de vorm van de zonnewind, de magnetosfeer en de ionosfeer. Plasma op hoge temperatuur (T ~ 106 - 108K) uit een mengsel van deuterium en tritium wordt bestudeerd met als doel gecontroleerde thermonucleaire fusie te implementeren. Plasma op lage temperatuur (T Ј 105K) wordt gebruikt in verschillende gasontladingsapparaten (gaslasers, ionenapparaten, MHD-generatoren, plasmatrons, plasmamotoren, enz.), maar ook in de technologie (zie Plasmametallurgie, Plasmaboren, Plasma technologie).

13. Ontaarde materie– is een tussenstadium tussen plasma en neutronium. Het wordt waargenomen bij witte dwergen en speelt een belangrijke rol in de evolutie van sterren. Wanneer atomen worden blootgesteld aan extreem hoge temperaturen en drukken, verliezen ze hun elektronen (ze worden elektronengas). Met andere woorden, ze zijn volledig geïoniseerd (plasma). De druk van zo’n gas (plasma) wordt bepaald door de druk van de elektronen. Als de dichtheid erg hoog is, worden alle deeltjes dichter bij elkaar gedwongen. Elektronen kunnen bestaan ​​in toestanden met specifieke energieën, en geen twee elektronen kunnen dezelfde energie hebben (tenzij hun spins tegengesteld zijn). In een dicht gas zijn dus alle lagere energieniveaus gevuld met elektronen. Zo'n gas wordt gedegenereerd genoemd. In deze toestand vertonen elektronen een gedegenereerde elektronendruk, die de zwaartekracht tegengaat.

14. Neutronium- een toestand van aggregatie waarin materie onder ultrahoge druk terechtkomt, wat nog steeds onbereikbaar is in het laboratorium, maar wel bestaat in neutronensterren. Tijdens de overgang naar de neutronentoestand interageren de elektronen van de stof met protonen en veranderen ze in neutronen. Als gevolg hiervan bestaat materie in de neutronentoestand volledig uit neutronen en heeft een dichtheid in de orde van nucleair. De temperatuur van de stof mag niet te hoog zijn (in energie-equivalent niet meer dan honderd MeV).
Met een sterke temperatuurstijging (honderden MeV en meer) beginnen verschillende mesonen te worden geboren en vernietigen ze in de neutronentoestand. Bij een verdere temperatuurstijging vindt deconfinement plaats en gaat de stof over in de toestand van quark-gluonplasma. Het bestaat niet meer uit hadronen, maar uit voortdurend geboren worden en verdwijnende quarks en gluonen.

15. Quark-gluonplasma(chromoplasma) - een toestand van aggregatie van materie in de hoge-energiefysica en de elementaire deeltjesfysica, waarin hadronische materie overgaat in een toestand die vergelijkbaar is met de toestand waarin elektronen en ionen worden aangetroffen in gewoon plasma.
Meestal bevindt de materie in hadronen zich in de zogenaamde kleurloze (“witte”) toestand. Dat wil zeggen dat quarks van verschillende kleuren elkaar opheffen. Een soortgelijke toestand bestaat in gewone materie – wanneer alle atomen elektrisch neutraal zijn, dat wil zeggen:
positieve ladingen daarin worden gecompenseerd door negatieve. Bij hoge temperaturen kan ionisatie van atomen optreden, waarbij de ladingen worden gescheiden en de substantie, zoals ze zeggen, ‘quasi-neutraal’ wordt. Dat wil zeggen dat de hele materiewolk als geheel neutraal blijft, maar de individuele deeltjes zijn niet langer neutraal. Hetzelfde kan blijkbaar gebeuren met hadronische materie: bij zeer hoge energieën komt kleur vrij en wordt de substantie ‘quasi-kleurloos’.
Vermoedelijk bevond de materie van het heelal zich in de eerste momenten na de oerknal in een toestand van quark-gluon-plasma. Nu kan quark-gluon-plasma gedurende korte tijd worden gevormd tijdens botsingen van deeltjes met zeer hoge energie.
Quark-gluon-plasma werd in 2005 experimenteel geproduceerd in de RHIC-versneller van het Brookhaven National Laboratory. De maximale plasmatemperatuur van 4 biljoen graden Celsius werd daar in februari 2010 bereikt.

16. Vreemde substantie- een aggregatietoestand waarin materie wordt gecomprimeerd tot maximale dichtheidswaarden; deze kan bestaan ​​in de vorm van “quarksoep”. Een kubieke centimeter materie zal in deze toestand miljarden tonnen wegen; bovendien zal het elke normale substantie waarmee het in contact komt, transformeren in dezelfde “vreemde” vorm, waarbij een aanzienlijke hoeveelheid energie vrijkomt.
De energie die vrijkomt wanneer de kern van de ster in ‘vreemde materie’ verandert, zal leiden tot een superkrachtige explosie van een ‘quarknova’ – en volgens Leahy en Uyed is dit precies wat astronomen in september 2006 hebben waargenomen.
Het proces van vorming van deze substantie begon met een gewone supernova, waarin een massieve ster veranderde. Als gevolg van de eerste explosie werd een neutronenster gevormd. Maar volgens Leahy en Uyed duurde het niet erg lang; omdat zijn rotatie leek te worden vertraagd door zijn eigen magnetische veld, begon het nog verder te krimpen en vormde het een klomp ‘vreemde materie’, wat leidde tot een gelijkmatige krachtiger tijdens een gewone supernova-explosie, het vrijkomen van energie - en de buitenste lagen materie van de voormalige neutronenster, die de omringende ruimte in vliegen met een snelheid die dicht bij de snelheid van het licht ligt.

17. Sterk symmetrische substantie- dit is een stof die zo is samengedrukt dat de microdeeltjes erin op elkaar worden gestapeld en het lichaam zelf ineenstort in een zwart gat. De term ‘symmetrie’ wordt als volgt uitgelegd: Laten we de aggregatieve toestanden van materie nemen die iedereen van school kent: vast, vloeibaar, gasvormig. Laten we voor de duidelijkheid een ideaal oneindig kristal als een vaste stof beschouwen. Er bestaat een zekere, zogenaamde discrete symmetrie met betrekking tot overdracht. Dit betekent dat als je het kristalrooster verplaatst over een afstand gelijk aan het interval tussen twee atomen, er niets in zal veranderen - het kristal zal met zichzelf samenvallen. Als het kristal smelt, zal de symmetrie van de resulterende vloeistof anders zijn: deze zal toenemen. In een kristal waren alleen punten die op bepaalde afstanden van elkaar verwijderd waren, de zogenaamde knooppunten van het kristalrooster, waarin identieke atomen zich bevonden, gelijkwaardig.
De vloeistof is over het gehele volume homogeen, alle punten zijn niet van elkaar te onderscheiden. Dit betekent dat vloeistoffen over willekeurige afstanden kunnen worden verplaatst (en niet slechts over enkele afzonderlijke afstanden, zoals in een kristal) of over willekeurige hoeken kunnen worden geroteerd (wat bij kristallen helemaal niet mogelijk is) en dat het met zichzelf zal samenvallen. De mate van symmetrie is hoger. Gas is zelfs nog symmetrischer: de vloeistof neemt een bepaald volume in het vat in en er is asymmetrie in het vat waar vloeistof aanwezig is en op punten waar dat niet het geval is. Gas beslaat het gehele volume dat eraan wordt geboden, en in die zin zijn al zijn punten niet van elkaar te onderscheiden. Toch zou het hier juister zijn om niet over punten te praten, maar over kleine, maar macroscopische elementen, omdat er op microscopisch niveau nog steeds verschillen zijn. Op sommige punten zijn er op een bepaald moment atomen of moleculen, terwijl dat op andere momenten niet het geval is. Symmetrie wordt slechts gemiddeld waargenomen, hetzij over bepaalde macroscopische volumeparameters, hetzij over de tijd.
Maar er is nog steeds geen onmiddellijke symmetrie op microscopisch niveau. Als een substantie heel sterk wordt samengedrukt, tot een druk die onaanvaardbaar is in het dagelijks leven, zo wordt samengedrukt dat de atomen worden verpletterd, hun schillen elkaar doordringen en de kernen elkaar beginnen te raken, ontstaat er symmetrie op microscopisch niveau. Alle kernen zijn identiek en tegen elkaar gedrukt, er zijn niet alleen interatomaire, maar ook internucleaire afstanden en de substantie wordt homogeen (vreemde substantie).
Maar er is ook een submicroscopisch niveau. Kernen bestaan ​​uit protonen en neutronen die zich in de kern verplaatsen. Er zit ook wat ruimte tussen. Als je doorgaat met comprimeren zodat de kernen verpletterd worden, zullen de nucleonen stevig tegen elkaar aandrukken. Dan zal er op submicroscopisch niveau symmetrie ontstaan, die zelfs in gewone kernen niet bestaat.
Uit wat er is gezegd, kan men een zeer duidelijke trend onderscheiden: hoe hoger de temperatuur en hoe groter de druk, hoe symmetrischer de substantie wordt. Op basis van deze overwegingen wordt een stof die maximaal is gecomprimeerd, zeer symmetrisch genoemd.

18. Zwak symmetrische materie- een toestand die qua eigenschappen tegengesteld is aan sterk symmetrische materie, aanwezig in het zeer vroege heelal bij een temperatuur dichtbij die van Planck, misschien 10-12 seconden na de oerknal, toen de sterke, zwakke en elektromagnetische krachten één enkele superkracht vertegenwoordigden. In deze toestand wordt de substantie zo gecomprimeerd dat de massa verandert in energie, die begint op te blazen, dat wil zeggen voor onbepaalde tijd uitzet. Het is nog niet mogelijk om de energieën te verkrijgen voor het experimenteel verkrijgen van superkracht en het overbrengen van materie naar deze fase onder aardse omstandigheden, hoewel dergelijke pogingen zijn ondernomen bij de Large Hadron Collider om het vroege universum te bestuderen. Vanwege de afwezigheid van zwaartekrachtinteractie in de superkracht die deze substantie vormt, is de superkracht niet voldoende symmetrisch in vergelijking met de supersymmetrische kracht die alle vier soorten interacties omvat. Daarom kreeg deze aggregatietoestand een dergelijke naam.

19. Straalsubstantie- dit is in feite helemaal geen materie meer, maar energie in zijn pure vorm. Het is echter precies deze hypothetische aggregatietoestand die een lichaam dat de snelheid van het licht heeft bereikt, zal bereiken. Het kan ook worden verkregen door het lichaam te verwarmen tot de Planck-temperatuur (1032 K), dat wil zeggen door de moleculen van de stof te versnellen tot de snelheid van het licht. Zoals volgt uit de relativiteitstheorie, wanneer een snelheid meer dan 0,99 s bereikt, begint de massa van het lichaam veel sneller te groeien dan bij een “normale” versnelling; bovendien wordt het lichaam langer, warmt het op, dat wil zeggen, het begint te trillen. uitstralen in het infraroodspectrum. Bij het overschrijden van de drempel van 0,999 s verandert het lichaam radicaal en begint een snelle faseovergang naar de straaltoestand. Zoals volgt uit de formule van Einstein, in zijn geheel genomen, bestaat de groeiende massa van de uiteindelijke substantie uit massa's die van het lichaam gescheiden zijn in de vorm van thermische, röntgen-, optische en andere straling, waarvan de energie wordt beschreven door de volgende term in de formule. Een lichaam dat de snelheid van het licht benadert, zal dus in alle spectrums gaan uitzenden, in lengte toenemen en in de loop van de tijd vertragen, uitdunnen tot de Planck-lengte. Dat wil zeggen dat bij het bereiken van snelheid c het lichaam zal veranderen in een oneindig lang en dunne straal, die beweegt met de snelheid van het licht en bestaat uit fotonen die geen lengte hebben, en de oneindige massa ervan zal volledig worden omgezet in energie. Daarom wordt zo'n stof straal genoemd.

Vragen over wat een aggregatietoestand is, welke kenmerken en eigenschappen vaste stoffen, vloeistoffen en gassen hebben, komen in verschillende trainingen aan bod. Er zijn drie klassieke toestanden van materie, met hun eigen karakteristieke structurele kenmerken. Hun begrip is een belangrijk punt bij het begrijpen van de wetenschappen van de aarde, levende organismen en industriële activiteiten. Deze vragen worden bestudeerd door natuurkunde, scheikunde, aardrijkskunde, geologie, fysische chemie en andere wetenschappelijke disciplines. Stoffen die zich onder bepaalde omstandigheden in een van de drie basistypen bevinden, kunnen veranderen bij een toename of afname van temperatuur en druk. Laten we eens kijken naar mogelijke overgangen van de ene staat van aggregatie naar de andere, zoals die voorkomen in de natuur, de technologie en het dagelijks leven.

Wat is een aggregatietoestand?

Het woord van Latijnse oorsprong "aggrego", vertaald in het Russisch, betekent "zich aansluiten". De wetenschappelijke term verwijst naar de toestand van hetzelfde lichaam, substantie. Het bestaan ​​van vaste stoffen, gassen en vloeistoffen bij bepaalde temperaturen en verschillende drukken is kenmerkend voor alle schillen van de aarde. Naast de drie basistoestanden van aggregatie is er nog een vierde. Bij verhoogde temperatuur en constante druk verandert het gas in plasma. Om beter te begrijpen wat een aggregatietoestand is, is het noodzakelijk om de kleinste deeltjes te onthouden waaruit stoffen en lichamen bestaan.

Het diagram hierboven toont: a - gas; b-vloeistof; c is een vast lichaam. Op dergelijke afbeeldingen geven cirkels de structurele elementen van stoffen aan. Dit is een symbool; in feite zijn atomen, moleculen en ionen geen massieve ballen. Atomen bestaan ​​uit een positief geladen kern waarrond negatief geladen elektronen met hoge snelheid bewegen. Kennis over de microscopische structuur van materie helpt om de verschillen tussen verschillende aggregaatvormen beter te begrijpen.

Ideeën over de microkosmos: van het oude Griekenland tot de 17e eeuw

De eerste informatie over de deeltjes waaruit fysieke lichamen bestaan, verscheen in het oude Griekenland. De denkers Democritus en Epicurus introduceerden een concept als het atoom. Ze geloofden dat deze kleinste ondeelbare deeltjes van verschillende stoffen een vorm en bepaalde afmetingen hebben en in staat zijn tot beweging en interactie met elkaar. Het atomisme werd voor die tijd de meest geavanceerde leer van het oude Griekenland. Maar de ontwikkeling ervan vertraagde in de Middeleeuwen. Sindsdien werden wetenschappers vervolgd door de inquisitie van de rooms-katholieke kerk. Daarom bestond er tot in de moderne tijd geen duidelijk concept van wat de toestand van de materie was. Pas na de 17e eeuw formuleerden wetenschappers R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton en A. Lavoisier de bepalingen van de atoom-moleculaire theorie, die vandaag de dag hun betekenis niet hebben verloren.

Atomen, moleculen, ionen - microscopisch kleine deeltjes van de structuur van materie

Een belangrijke doorbraak in het begrijpen van de microwereld vond plaats in de 20e eeuw, toen de elektronenmicroscoop werd uitgevonden. Rekening houdend met de ontdekkingen die wetenschappers eerder hebben gedaan, was het mogelijk een samenhangend beeld van de microwereld samen te stellen. Theorieën die de toestand en het gedrag van de kleinste materiedeeltjes beschrijven zijn tamelijk complex; ze hebben betrekking op het vakgebied van de materie. verschillende stoffen.

1. Atomen zijn chemisch ondeelbare deeltjes. Ze blijven behouden bij chemische reacties, maar worden vernietigd bij kernreacties. Metalen en vele andere stoffen met een atomaire structuur hebben onder normale omstandigheden een vaste aggregatietoestand.
2. Moleculen zijn deeltjes die worden afgebroken en gevormd bij chemische reacties. zuurstof, water, kooldioxide, zwavel. De fysieke toestand van zuurstof, stikstof, zwaveldioxide, koolstof en zuurstof is onder normale omstandigheden gasvormig.
3. Ionen zijn de geladen deeltjes die atomen en moleculen worden wanneer ze elektronen winnen of verliezen – microscopisch kleine negatief geladen deeltjes. Veel zouten hebben een ionische structuur, bijvoorbeeld keukenzout, ijzersulfaat en kopersulfaat.

Er zijn stoffen waarvan de deeltjes zich op een bepaalde manier in de ruimte bevinden. De geordende onderlinge positie van atomen, ionen en moleculen wordt een kristalrooster genoemd. Typisch zijn ionische en atomaire kristalroosters kenmerkend voor vaste stoffen, moleculair - voor vloeistoffen en gassen. Diamant onderscheidt zich door zijn hoge hardheid. Het atomaire kristalrooster wordt gevormd door koolstofatomen. Maar zacht grafiet bestaat ook uit atomen van dit chemische element. Alleen bevinden ze zich anders in de ruimte. De gebruikelijke aggregatietoestand van zwavel is vast, maar bij hoge temperaturen verandert de stof in een vloeibare en amorfe massa.

Stoffen in een vaste aggregatietoestand

Vaste stoffen behouden onder normale omstandigheden hun volume en vorm. Bijvoorbeeld een zandkorrel, een suikerkorrel, zout, een stuk steen of metaal. Als je suiker verwarmt, begint de substantie te smelten en verandert het in een stroperige bruine vloeistof. Laten we stoppen met verwarmen, dan krijgen we weer een vaste stof. Dit betekent dat een van de belangrijkste voorwaarden voor de overgang van een vaste stof in een vloeistof de verwarming of een toename van de interne energie van de deeltjes van de substantie is. De vaste aggregatietoestand van zout, dat voor voedsel wordt gebruikt, kan ook worden veranderd. Maar om keukenzout te smelten is een hogere temperatuur nodig dan bij het verwarmen van suiker. Feit is dat suiker uit moleculen bestaat, en tafelzout uit geladen ionen die sterker tot elkaar aangetrokken worden. Vaste stoffen in vloeibare vorm behouden hun vorm niet omdat de kristalroosters worden vernietigd.

De vloeibare aggregaattoestand van het zout bij het smelten wordt verklaard door het verbreken van de bindingen tussen de ionen in de kristallen. Er komen geladen deeltjes vrij die elektrische ladingen kunnen dragen. Gesmolten zouten geleiden elektriciteit en zijn geleiders. In de chemische, metallurgische en technische industrie worden vaste stoffen omgezet in vloeistoffen om nieuwe verbindingen te produceren of deze in verschillende vormen te geven. Metaallegeringen zijn wijdverspreid geworden. Er zijn verschillende manieren om ze te verkrijgen, geassocieerd met veranderingen in de aggregatietoestand van vaste grondstoffen.

Vloeistof is een van de basistoestanden van aggregatie

Als je 50 ml water in een rondbodemkolf giet, zul je merken dat de substantie onmiddellijk de vorm aanneemt van een chemisch vat. Maar zodra we het water uit de fles gieten, verspreidt de vloeistof zich onmiddellijk over het oppervlak van de tafel. Het watervolume blijft hetzelfde - 50 ml, maar de vorm zal veranderen. De genoemde kenmerken zijn kenmerkend voor de vloeibare bestaansvorm van materie. Veel organische stoffen zijn vloeistoffen: alcoholen, plantaardige oliën, zuren.

Melk is een emulsie, d.w.z. een vloeistof die vetdruppels bevat. Een nuttige vloeibare hulpbron is olie. Het wordt gewonnen uit putten met behulp van booreilanden op het land en in de oceaan. Zeewater is ook een grondstof voor de industrie. Het verschil met zoet water in rivieren en meren ligt in het gehalte aan opgeloste stoffen, voornamelijk zouten. Bij verdamping van het oppervlak van reservoirs komen alleen H 2 O-moleculen in een damptoestand terecht, opgeloste stoffen blijven achter. Methoden voor het verkrijgen van nuttige stoffen uit zeewater en methoden voor de zuivering ervan zijn op deze eigenschap gebaseerd.

Wanneer de zouten volledig zijn verwijderd, wordt gedestilleerd water verkregen. Het kookt bij 100°C en bevriest bij 0°C. Pekel kookt en verandert bij andere temperaturen in ijs. Het water in de Noordelijke IJszee bevriest bijvoorbeeld bij een oppervlaktetemperatuur van 2 °C.

De fysieke toestand van kwik is onder normale omstandigheden vloeibaar. Dit zilvergrijze metaal wordt vaak gebruikt om medische thermometers te vullen. Bij verhitting stijgt de kwikkolom op de schaal en zet de substantie uit. Waarom wordt alcohol gebruikt, gekleurd met rode verf, en geen kwik? Dit wordt verklaard door de eigenschappen van vloeibaar metaal. Bij vorst van 30 graden verandert de aggregatietoestand van kwik, de substantie wordt vast.

Als de medische thermometer kapot gaat en het kwik eruit komt, is het gevaarlijk om de zilveren balletjes met je handen te verzamelen. Het inademen van kwikdamp is schadelijk; deze stof is zeer giftig. In dergelijke gevallen moeten kinderen zich tot hun ouders en volwassenen wenden voor hulp.

Gasvormige toestand

Gassen zijn niet in staat hun volume of vorm te behouden. Laten we de kolf tot de bovenkant vullen met zuurstof (de chemische formule is O2). Zodra we de kolf openen, beginnen de moleculen van de stof zich te vermengen met de lucht in de kamer. Dit gebeurt als gevolg van de Brownse beweging. Zelfs de oude Griekse wetenschapper Democritus geloofde dat deeltjes materie voortdurend in beweging zijn. In vaste stoffen hebben atomen, moleculen en ionen onder normale omstandigheden niet de kans om het kristalrooster te verlaten of zichzelf te bevrijden van bindingen met andere deeltjes. Dit kan alleen als er een grote hoeveelheid energie van buitenaf wordt aangevoerd.

In vloeistoffen is de afstand tussen deeltjes iets groter dan in vaste stoffen; ze hebben minder energie nodig om intermoleculaire bindingen te verbreken. De vloeibare toestand van zuurstof wordt bijvoorbeeld alleen waargenomen als de gastemperatuur daalt tot −183 ° C. Bij −223 °C vormen O2-moleculen een vaste stof. Wanneer de temperatuur boven deze waarden stijgt, verandert zuurstof in gas. Het is in deze vorm dat het onder normale omstandigheden wordt aangetroffen. Industriële bedrijven exploiteren speciale installaties voor het scheiden van atmosferische lucht en het verkrijgen van stikstof en zuurstof daaruit. Eerst wordt de lucht gekoeld en vloeibaar gemaakt, waarna de temperatuur geleidelijk wordt verhoogd. Stikstof en zuurstof worden onder verschillende omstandigheden gassen.

De atmosfeer van de aarde bevat 21% zuurstof en 78% stikstof. Deze stoffen worden niet in vloeibare vorm aangetroffen in de gasvormige schil van de planeet. Vloeibare zuurstof is lichtblauw van kleur en wordt gebruikt om cilinders onder hoge druk te vullen voor gebruik in medische omgevingen. In de industrie en de bouw zijn voor het uitvoeren van veel processen vloeibaar gemaakte gassen nodig. Zuurstof is nodig voor het gaslassen en het snijden van metalen, en in de chemie voor oxidatiereacties van anorganische en organische stoffen. Als je de klep van een zuurstofcilinder opent, neemt de druk af en verandert de vloeistof in gas.

Vloeibaar propaan, methaan en butaan worden veel gebruikt in de energie-, transport-, industrie- en huishoudelijke activiteiten. Deze stoffen worden verkregen uit aardgas of tijdens het kraken (splitsen) van aardoliegrondstoffen. Vloeibare en gasvormige koolstofmengsels spelen een belangrijke rol in de economieën van veel landen. Maar de olie- en aardgasvoorraden zijn ernstig uitgeput. Volgens wetenschappers gaat deze grondstof 100-120 jaar mee. Een alternatieve energiebron is luchtstroom (wind). Snelstromende rivieren en getijden aan de oevers van zeeën en oceanen worden gebruikt om energiecentrales te laten werken.

Zuurstof kan zich, net als andere gassen, in de vierde aggregatietoestand bevinden, wat een plasma vertegenwoordigt. De ongebruikelijke overgang van vaste naar gasvormige toestand is een karakteristiek kenmerk van kristallijn jodium. De donkerpaarse substantie ondergaat sublimatie - het verandert in een gas en omzeilt de vloeibare toestand.

Hoe worden overgangen gemaakt van de ene samengestelde vorm van materie naar de andere?

Veranderingen in de totale toestand van stoffen houden geen verband met chemische transformaties, dit zijn fysische verschijnselen. Naarmate de temperatuur stijgt, smelten veel vaste stoffen en veranderen ze in vloeistoffen. Een verdere temperatuurstijging kan leiden tot verdamping, dat wil zeggen tot de gasvormige toestand van de stof. In de natuur en de economie zijn dergelijke transities kenmerkend voor een van de belangrijkste stoffen op aarde. IJs, vloeistof en stoom zijn watertoestanden onder verschillende externe omstandigheden. De verbinding is hetzelfde, de formule is H 2 O. Bij een temperatuur van 0 ° C en onder deze waarde kristalliseert water, dat wil zeggen, verandert in ijs. Naarmate de temperatuur stijgt, worden de resulterende kristallen vernietigd - het ijs smelt en er wordt opnieuw vloeibaar water verkregen. Bij verhitting vindt er verdamping plaats – de omzetting van water in gas – zelfs bij lage temperaturen. Zo verdwijnen bevroren plassen geleidelijk doordat het water verdampt. Zelfs bij vriesweer droogt nat wasgoed, maar dit proces duurt langer dan op een warme dag.

Alle genoemde overgangen van water van de ene toestand naar de andere zijn van groot belang voor de aard van de aarde. Atmosferische verschijnselen, klimaat en weer worden geassocieerd met de verdamping van water van het oppervlak van de Wereldoceaan, de overdracht van vocht in de vorm van wolken en mist naar het land, en neerslag (regen, sneeuw, hagel). Deze verschijnselen vormen de basis van de wereldwatercyclus in de natuur.

Hoe veranderen de geaggregeerde toestanden van zwavel?

Onder normale omstandigheden bestaat zwavel uit helder glanzende kristallen of lichtgeel poeder, d.w.z. het is een vaste stof. De fysieke toestand van zwavel verandert bij verhitting. Als de temperatuur stijgt tot 190 °C, smelt de gele substantie eerst en verandert in een mobiele vloeistof.

Als je vloeibare zwavel snel in koud water giet, krijg je een bruine amorfe massa. Bij verdere verwarming van de zwavelsmelt wordt deze steeds stroperiger en donkerder. Bij temperaturen boven 300 °C verandert de aggregatietoestand van zwavel weer, de stof verkrijgt de eigenschappen van een vloeistof en wordt mobiel. Deze overgangen ontstaan ​​door het vermogen van de atomen van een element om ketens van verschillende lengtes te vormen.

Waarom kunnen stoffen zich in verschillende fysieke toestanden bevinden?

De aggregatietoestand van zwavel, een eenvoudige stof, is onder normale omstandigheden vast. Zwaveldioxide is een gas, zwavelzuur is een olieachtige vloeistof die zwaarder is dan water. In tegenstelling tot zoutzuur en salpeterzuur is het niet vluchtig; moleculen verdampen niet van het oppervlak. Welke aggregatietoestand heeft plastic zwavel, dat wordt verkregen door kristallen te verwarmen?

In zijn amorfe vorm heeft de stof de structuur van een vloeistof, met een onbeduidende vloeibaarheid. Maar plastic zwavel behoudt tegelijkertijd zijn vorm (als vaste stof). Er zijn vloeibare kristallen die een aantal karakteristieke eigenschappen van vaste stoffen hebben. De toestand van een stof onder verschillende omstandigheden hangt dus af van de aard, temperatuur, druk en andere externe omstandigheden.

Welke kenmerken bestaan ​​er in de structuur van vaste stoffen?

De bestaande verschillen tussen de fundamentele aggregatietoestanden van materie worden verklaard door de interactie tussen atomen, ionen en moleculen. Waarom leidt de vaste toestand van materie er bijvoorbeeld toe dat lichamen hun volume en vorm behouden? In het kristalrooster van een metaal of zout worden structurele deeltjes tot elkaar aangetrokken. In metalen interageren positief geladen ionen met wat een ‘elektronengas’ wordt genoemd, een verzameling vrije elektronen in een stuk metaal. Zoutkristallen ontstaan ​​door de aantrekkingskracht van tegengesteld geladen deeltjes - ionen. De afstand tussen de bovengenoemde structurele eenheden van vaste stoffen is veel kleiner dan de afmetingen van de deeltjes zelf. In dit geval werkt elektrostatische aantrekking, het geeft kracht, maar de afstoting is niet sterk genoeg.

Om de vaste aggregatietoestand van een stof te vernietigen, moeten er inspanningen worden geleverd. Metalen, zouten en atoomkristallen smelten bij zeer hoge temperaturen. IJzer wordt bijvoorbeeld vloeibaar bij temperaturen boven 1538 °C. Wolfraam is vuurvast en wordt gebruikt om gloeidraden voor gloeilampen te maken. Er zijn legeringen die vloeibaar worden bij temperaturen boven 3000 °C. Velen op aarde bevinden zich in een vaste toestand. Deze grondstoffen worden met behulp van technologie gewonnen in mijnen en steengroeven.

Om zelfs maar één ion van een kristal te scheiden, moet een grote hoeveelheid energie worden verbruikt. Maar het is voldoende om zout in water op te lossen om het kristalrooster te laten desintegreren! Dit fenomeen wordt verklaard door de verbazingwekkende eigenschappen van water als polair oplosmiddel. H 2 O-moleculen interageren met zoutionen, waardoor de chemische binding daartussen wordt vernietigd. Het oplossen is dus niet een simpele vermenging van verschillende stoffen, maar een fysisch-chemische interactie daartussen.

Hoe interageren vloeibare moleculen?

Water kan een vloeistof, een vaste stof en een gas (stoom) zijn. Dit zijn de basistoestanden van aggregatie onder normale omstandigheden. Watermoleculen bestaan ​​uit één zuurstofatoom waaraan twee waterstofatomen gebonden zijn. Polarisatie van de chemische binding in het molecuul vindt plaats en er verschijnt een gedeeltelijke negatieve lading op de zuurstofatomen. Waterstof wordt de positieve pool in het molecuul, aangetrokken door het zuurstofatoom van een ander molecuul. Dit wordt ‘waterstofbinding’ genoemd.

De vloeibare aggregatietoestand wordt gekenmerkt door afstanden tussen structurele deeltjes die vergelijkbaar zijn met hun afmetingen. Aantrekkingskracht bestaat, maar deze is zwak, waardoor het water zijn vorm niet behoudt. Verdamping vindt plaats als gevolg van de vernietiging van bindingen die zelfs bij kamertemperatuur op het oppervlak van de vloeistof plaatsvinden.

Bestaan ​​er intermoleculaire interacties in gassen?

De gasvormige toestand van een stof verschilt in een aantal parameters van vloeibaar en vast. Er zijn grote gaten tussen de structurele deeltjes van gassen, veel groter dan de afmetingen van moleculen. In dit geval werken de aantrekkingskrachten helemaal niet. De gasvormige aggregatietoestand is kenmerkend voor stoffen die in de lucht aanwezig zijn: stikstof, zuurstof, kooldioxide. In de onderstaande afbeelding is de eerste kubus gevuld met gas, de tweede met vloeistof en de derde met vaste stof.

Veel vloeistoffen zijn vluchtig; moleculen van de stof breken van hun oppervlak af en gaan de lucht in. Als u bijvoorbeeld een wattenstaafje gedrenkt in ammoniak naar de opening van een open fles zoutzuur brengt, verschijnt er witte rook. In de lucht vindt een chemische reactie plaats tussen zoutzuur en ammoniak, waarbij ammoniumchloride ontstaat. In welke aggregatietoestand bevindt deze stof zich? De deeltjes die witte rook vormen, zijn kleine vaste zoutkristallen. Dit experiment moet onder een kap worden uitgevoerd; de stoffen zijn giftig.

Conclusie

De toestand van de aggregatie van gas werd bestudeerd door vele vooraanstaande natuurkundigen en scheikundigen: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendelejev, Le Chatelier. Wetenschappers hebben wetten geformuleerd die het gedrag van gasvormige stoffen in chemische reacties verklaren wanneer externe omstandigheden veranderen. Open patronen waren niet alleen opgenomen in school- en universiteitsboeken over natuur- en scheikunde. Veel chemische industrieën zijn gebaseerd op kennis over het gedrag en de eigenschappen van stoffen in verschillende aggregatietoestanden.

Lezing 4. Geaggregeerde toestanden van materie

1. Vaste toestand van materie.

2. Vloeibare toestand van materie.

3. Gasvormige toestand van de materie.

Stoffen kunnen zich in drie aggregatietoestanden bevinden: vast, vloeibaar en gasvormig. Bij zeer hoge temperaturen verschijnt een soort gasvormige toestand: plasma (plasmatoestand).

1. De vaste toestand van materie wordt gekenmerkt door het feit dat de energie van interactie tussen deeltjes hoger is dan de kinetische energie van hun beweging. De meeste stoffen in de vaste toestand hebben een kristallijne structuur. Elke stof vormt kristallen met een bepaalde vorm. Natriumchloride heeft bijvoorbeeld kristallen in de vorm van kubussen, aluin in de vorm van octaëders en natriumnitraat in de vorm van prisma's.

De kristallijne vorm van de stof is het meest stabiel. De rangschikking van deeltjes in een vaste stof wordt weergegeven in de vorm van een rooster, op de knooppunten waarvan bepaalde deeltjes verbonden zijn door denkbeeldige lijnen. Er zijn vier hoofdtypen kristalroosters: atomair, moleculair, ionisch en metallisch.

Atoom kristalrooster gevormd door neutrale atomen die verbonden zijn door covalente bindingen (diamant, grafiet, silicium). Moleculair kristalrooster hebben naftaleen, sucrose, glucose. De structurele elementen van dit rooster zijn polaire en niet-polaire moleculen. Ionisch kristalrooster gevormd door positief en negatief geladen ionen (natriumchloride, kaliumchloride) die zich regelmatig in de ruimte afwisselen. Alle metalen hebben een metalen kristalrooster. De knooppunten bevatten positief geladen ionen, waartussen zich elektronen in vrije toestand bevinden.

Kristallijne stoffen hebben een aantal kenmerken. Een daarvan is anisotropie: de ongelijkheid van de fysieke eigenschappen van een kristal in verschillende richtingen binnen het kristal.

2. In de vloeibare toestand van materie is de energie van intermoleculaire interactie van deeltjes evenredig met de kinetische energie van hun beweging. Deze toestand ligt tussen gasvormig en kristallijn in. In tegenstelling tot gassen werken er grote krachten van wederzijdse aantrekkingskracht tussen vloeibare moleculen, die de aard van moleculaire beweging bepalen. De thermische beweging van een vloeibaar molecuul omvat vibratie en translationeel. Elk molecuul oscilleert enige tijd rond een bepaald evenwichtspunt, beweegt zich vervolgens en neemt opnieuw een evenwichtspositie in. Dit bepaalt de vloeibaarheid ervan. De krachten van intermoleculaire aantrekking voorkomen dat moleculen ver van elkaar bewegen wanneer ze bewegen.

De eigenschappen van vloeistoffen zijn ook afhankelijk van het volume van de moleculen en de vorm van hun oppervlak. Als de moleculen van de vloeistof polair zijn, combineren (associeren) ze tot een complex complex. Dergelijke vloeistoffen worden geassocieerd genoemd (water, aceton, alcohol). Οʜᴎ hebben een hogere t kip, een lagere volatiliteit en een hogere diëlektrische constante.

Zoals je weet hebben vloeistoffen oppervlaktespanning. Oppervlaktespanning- ϶ᴛᴏ oppervlakte-energie per oppervlakte-eenheid: ϭ = E/S, waarbij ϭ de oppervlaktespanning is; E – oppervlakte-energie; S – oppervlakte. Hoe sterker de intermoleculaire bindingen in een vloeistof, hoe groter de oppervlaktespanning. Stoffen die de oppervlaktespanning verminderen worden oppervlakteactieve stoffen genoemd.

Een andere eigenschap van vloeistoffen is viscositeit. Viscositeit is de weerstand die optreedt wanneer sommige lagen van een vloeistof bewegen ten opzichte van andere wanneer deze beweegt. Sommige vloeistoffen hebben een hoge viscositeit (honing, mala), terwijl andere een lage viscositeit hebben (water, ethylalcohol).

3. In de gasvormige toestand van een stof is de energie van intermoleculaire interactie van deeltjes kleiner dan hun kinetische energie. Om deze reden worden gasmoleculen niet bij elkaar gehouden, maar bewegen ze vrij door het volume. Gassen worden gekenmerkt door de volgende eigenschappen: 1) uniforme verdeling over het gehele volume van het vat waarin ze zich bevinden; 2) lage dichtheid vergeleken met vloeistoffen en vaste stoffen; 3) gemakkelijke samendrukbaarheid.

In een gas bevinden de moleculen zich op zeer grote afstand van elkaar, de aantrekkingskrachten daartussen zijn klein. Op grote afstanden tussen moleculen zijn deze krachten vrijwel afwezig. Een gas in deze toestand wordt gewoonlijk ideaal genoemd. Echte gassen bij hoge drukken en lage temperaturen gehoorzamen niet aan de toestandsvergelijking van een ideaal gas (vergelijking van Mendelejev-Clapeyron), omdat onder deze omstandigheden interactiekrachten tussen moleculen beginnen te verschijnen.