Khái niệm về rượu. Thư viện mở - thư viện mở thông tin giáo dục Trạng thái tổng hợp là gì

Kiến thức phổ biến nhất là về ba trạng thái kết tụ: lỏng, rắn, khí; đôi khi họ nhớ đến plasma, ít khi là tinh thể lỏng. Gần đây, danh sách 17 pha của vật chất, được lấy từ Stephen Fry nổi tiếng, đã lan truyền trên Internet. Do đó, chúng tôi sẽ cho bạn biết về chúng chi tiết hơn, bởi vì... bạn nên biết thêm một chút về vật chất, nếu chỉ để hiểu rõ hơn về các quá trình xảy ra trong Vũ trụ.

Danh sách các trạng thái tổng hợp của vật chất được đưa ra dưới đây tăng dần từ trạng thái lạnh nhất đến trạng thái nóng nhất, v.v. có thể được tiếp tục. Đồng thời, cần hiểu rằng từ trạng thái khí (số 11), “không bị nén” nhiều nhất, đến cả hai phía của danh sách, mức độ nén của chất và áp suất của nó (với một số bảo lưu dành cho những chất chưa được nghiên cứu như vậy). các trạng thái giả thuyết như lượng tử, chùm tia hoặc đối xứng yếu) tăng lên. Sau văn bản, một biểu đồ trực quan về sự chuyển pha của vật chất được hiển thị.

1. Lượng tử- trạng thái kết tụ của vật chất, đạt được khi nhiệt độ giảm xuống độ không tuyệt đối, do đó các liên kết bên trong biến mất và vật chất vỡ vụn thành các quark tự do.

2. Ngưng tụ Bose-Einstein- trạng thái tập hợp vật chất, cơ sở của nó là các boson, được làm lạnh đến nhiệt độ gần độ không tuyệt đối (dưới một phần triệu độ trên độ không tuyệt đối). Ở trạng thái được làm lạnh mạnh như vậy, một số lượng đủ lớn các nguyên tử sẽ ở trạng thái lượng tử tối thiểu có thể có và các hiệu ứng lượng tử bắt đầu biểu hiện ở cấp độ vĩ mô. Trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein (thường được gọi là trạng thái ngưng tụ Bose, hay đơn giản là "beck") xảy ra khi bạn làm lạnh một nguyên tố hóa học đến nhiệt độ cực thấp (thường chỉ trên độ không tuyệt đối, âm 273 độ C), là nhiệt độ lý thuyết mà mọi thứ đều ở đó. ngừng chuyển động).
Đây là nơi những điều hoàn toàn kỳ lạ bắt đầu xảy ra với chất này. Các quá trình thường chỉ được quan sát ở cấp độ nguyên tử giờ đây diễn ra ở quy mô đủ lớn để có thể quan sát được bằng mắt thường. Ví dụ: nếu bạn đặt “back” vào cốc thủy tinh trong phòng thí nghiệm và cung cấp nhiệt độ mong muốn, chất này sẽ bắt đầu bò lên tường và cuối cùng tự thoát ra ngoài.
Rõ ràng, ở đây chúng ta đang giải quyết một nỗ lực vô ích của một chất nhằm hạ thấp năng lượng của chính nó (vốn đã ở mức thấp nhất có thể có).
Làm chậm các nguyên tử bằng thiết bị làm mát tạo ra một trạng thái lượng tử kỳ dị gọi là ngưng tụ Bose, hay Bose-Einstein. Hiện tượng này được A. Einstein dự đoán vào năm 1925, là kết quả của sự khái quát hóa công trình của S. Bose, trong đó cơ học thống kê được xây dựng cho các hạt từ photon không khối lượng đến nguyên tử mang khối lượng (bản thảo của Einstein, được coi là đã thất lạc, đã được phát hiện trong thư viện của Đại học Leiden năm 2005). Kết quả nỗ lực của Bose và Einstein là khái niệm Bose về chất khí tuân theo thống kê Bose–Einstein, thống kê mô tả sự phân bố thống kê của các hạt giống hệt nhau có spin nguyên gọi là boson. Các boson, ví dụ, là các hạt cơ bản riêng lẻ - photon và toàn bộ nguyên tử, có thể ở cùng trạng thái lượng tử với nhau. Einstein đề xuất rằng việc làm lạnh các nguyên tử boson đến nhiệt độ rất thấp sẽ khiến chúng biến đổi (hay nói cách khác là ngưng tụ) thành trạng thái lượng tử thấp nhất có thể. Kết quả của sự ngưng tụ như vậy sẽ là sự xuất hiện của một dạng vật chất mới.
Quá trình chuyển đổi này xảy ra dưới nhiệt độ tới hạn, dành cho chất khí ba chiều đồng nhất bao gồm các hạt không tương tác mà không có bất kỳ bậc tự do bên trong nào.

3. Ngưng tụ Fermion- trạng thái kết tụ của một chất, tương tự như chất nền, nhưng khác về cấu trúc. Khi chúng tiến tới độ không tuyệt đối, các nguyên tử hành xử khác nhau tùy thuộc vào độ lớn xung lượng góc (spin) của chính chúng. Boson có spin nguyên, trong khi fermion có spin là bội số của 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermion tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli, nguyên tắc này phát biểu rằng không có hai fermion nào có thể có cùng trạng thái lượng tử. Không có sự cấm đoán nào như vậy đối với các boson, và do đó chúng có cơ hội tồn tại ở một trạng thái lượng tử và từ đó tạo thành cái gọi là ngưng tụ Bose-Einstein. Quá trình hình thành nước ngưng này là nguyên nhân dẫn đến sự chuyển đổi sang trạng thái siêu dẫn.
Các electron có spin 1/2 và do đó được phân loại là fermion. Chúng kết hợp thành từng cặp (gọi là cặp Cooper), sau đó tạo thành ngưng tụ Bose.
Các nhà khoa học Mỹ đã cố gắng thu được một loại phân tử từ nguyên tử fermion bằng cách làm lạnh sâu. Sự khác biệt so với các phân tử thực là không có liên kết hóa học giữa các nguyên tử - chúng chỉ chuyển động cùng nhau theo cách tương quan. Liên kết giữa các nguyên tử thậm chí còn mạnh hơn giữa các electron trong cặp Cooper. Các cặp fermion thu được có tổng spin không còn là bội số của 1/2, do đó, chúng đã hoạt động giống như boson và có thể tạo thành ngưng tụ Bose với một trạng thái lượng tử duy nhất. Trong thí nghiệm, một chất khí gồm các nguyên tử kali-40 được làm lạnh đến 300 nano kelvin, trong khi chất khí này được bao bọc trong một cái gọi là bẫy quang học. Sau đó, một từ trường bên ngoài được áp dụng, với sự trợ giúp của nó, người ta có thể thay đổi bản chất của sự tương tác giữa các nguyên tử - thay vì lực đẩy mạnh, người ta bắt đầu quan sát thấy lực hút mạnh. Khi phân tích ảnh hưởng của từ trường, người ta có thể tìm thấy giá trị mà tại đó các nguyên tử bắt đầu hành xử giống như các cặp electron Cooper. Ở giai đoạn tiếp theo của thí nghiệm, các nhà khoa học hy vọng sẽ thu được hiệu ứng siêu dẫn đối với chất ngưng tụ fermion.

4. Chất siêu lỏng- trạng thái trong đó một chất hầu như không có độ nhớt và trong quá trình chảy nó không chịu ma sát với bề mặt rắn. Ví dụ, hệ quả của điều này là một hiệu ứng thú vị như sự “thoát ra” hoàn toàn tự phát của helium siêu lỏng từ bình dọc theo thành của nó chống lại lực hấp dẫn. Tất nhiên, ở đây không hề có sự vi phạm định luật bảo toàn năng lượng. Khi không có lực ma sát, helium chỉ bị tác dụng bởi lực hấp dẫn, lực tương tác giữa các nguyên tử giữa helium và thành bình và giữa các nguyên tử helium. Vì vậy, lực tương tác giữa các nguyên tử vượt quá tất cả các lực khác cộng lại. Kết quả là khí heli có xu hướng lan rộng hết mức có thể trên tất cả các bề mặt có thể, và do đó “di chuyển” dọc theo thành bình. Năm 1938, nhà khoa học Liên Xô Pyotr Kapitsa đã chứng minh rằng helium có thể tồn tại ở trạng thái siêu lỏng.
Điều đáng chú ý là nhiều tính chất khác thường của helium đã được biết đến từ khá lâu. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, nguyên tố hóa học này lại chiều chuộng chúng ta với những tác dụng thú vị và bất ngờ. Vì vậy, vào năm 2004, Moses Chan và Eun-Syong Kim từ Đại học Pennsylvania đã khiến giới khoa học tò mò khi tuyên bố rằng họ đã thành công trong việc thu được một trạng thái hoàn toàn mới của helium - một chất rắn siêu lỏng. Ở trạng thái này, một số nguyên tử helium trong mạng tinh thể có thể chảy xung quanh những nguyên tử khác và do đó helium có thể chảy qua chính nó. Hiệu ứng “siêu cứng” đã được dự đoán về mặt lý thuyết vào năm 1969. Và rồi vào năm 2004 dường như đã có sự xác nhận thực nghiệm. Tuy nhiên, những thí nghiệm rất thú vị sau này cho thấy rằng không phải mọi thứ đều đơn giản như vậy, và có lẽ cách giải thích hiện tượng này, vốn trước đây được chấp nhận là tính siêu chảy của helium rắn, là không chính xác.
Thí nghiệm của các nhà khoa học do Humphrey Maris từ Đại học Brown ở Mỹ dẫn đầu rất đơn giản và tinh tế. Các nhà khoa học đặt một ống nghiệm lộn ngược vào một thùng kín chứa heli lỏng. Họ đóng băng một phần khí heli trong ống nghiệm và trong bình chứa sao cho ranh giới giữa chất lỏng và chất rắn bên trong ống nghiệm cao hơn trong bình chứa. Nói cách khác, ở phần trên của ống nghiệm có helium lỏng, ở phần dưới có helium rắn, nó dễ dàng chuyển sang pha rắn của bình chứa, bên trên đổ một ít helium lỏng - thấp hơn pha lỏng. mức trong ống nghiệm. Nếu helium lỏng bắt đầu rò rỉ qua helium rắn, thì sự khác biệt về mức độ sẽ giảm đi và khi đó chúng ta có thể nói về helium siêu lỏng rắn. Và về nguyên tắc, ở ba trong số 13 thí nghiệm, sự khác biệt về cấp độ thực sự đã giảm đi.

5. Chất siêu cứng- trạng thái kết tụ trong đó vật chất trong suốt và có thể “chảy” như chất lỏng, nhưng trên thực tế nó không có độ nhớt. Những chất lỏng như vậy đã được biết đến từ nhiều năm nay, chúng được gọi là chất siêu lỏng. Thực tế là nếu một chất siêu lỏng bị khuấy động, nó sẽ lưu thông gần như mãi mãi, trong khi chất lỏng bình thường cuối cùng sẽ dịu lại. Hai chất siêu lỏng đầu tiên được tạo ra bởi các nhà nghiên cứu sử dụng helium-4 và helium-3. Chúng được làm lạnh đến mức gần như không tuyệt đối - âm 273 độ C. Và từ helium-4, các nhà khoa học Mỹ đã thu được một vật thể siêu rắn. Họ nén helium đông lạnh với áp suất gấp hơn 60 lần, sau đó đặt chiếc cốc chứa đầy chất này lên một đĩa quay. Ở nhiệt độ 0,175 độ C, đĩa đột nhiên bắt đầu quay tự do hơn, điều mà các nhà khoa học cho rằng cho thấy helium đã trở thành siêu vật thể.

6. Rắn- trạng thái kết tụ của một chất, được đặc trưng bởi sự ổn định về hình dạng và tính chất chuyển động nhiệt của các nguyên tử, thực hiện các dao động nhỏ xung quanh các vị trí cân bằng. Trạng thái ổn định của chất rắn là tinh thể. Có các chất rắn có liên kết ion, cộng hóa trị, kim loại và các loại liên kết khác giữa các nguyên tử, quyết định sự đa dạng về tính chất vật lý của chúng. Tính chất điện và một số tính chất khác của chất rắn chủ yếu được xác định bởi bản chất chuyển động của các electron bên ngoài nguyên tử của nó. Dựa trên tính chất điện, chất rắn được chia thành chất điện môi, chất bán dẫn và kim loại; dựa trên tính chất từ ​​của chúng, chất rắn được chia thành nghịch từ, thuận từ và các vật thể có cấu trúc từ tính có trật tự. Các nghiên cứu về tính chất của chất rắn đã hợp nhất vào một lĩnh vực rộng lớn - vật lý chất rắn, sự phát triển của lĩnh vực này được kích thích bởi nhu cầu của công nghệ.

7. Chất rắn vô định hình- trạng thái kết tụ ngưng tụ của một chất, được đặc trưng bởi tính đẳng hướng của các tính chất vật lý do sự sắp xếp rối loạn của các nguyên tử và phân tử. Trong chất rắn vô định hình, các nguyên tử dao động xung quanh các điểm nằm ngẫu nhiên. Không giống như trạng thái kết tinh, quá trình chuyển từ dạng rắn vô định hình sang dạng lỏng diễn ra dần dần. Nhiều chất khác nhau ở trạng thái vô định hình: thủy tinh, nhựa, nhựa, v.v.

8. Tinh thể lỏng là một trạng thái kết tụ cụ thể của một chất trong đó nó thể hiện đồng thời các tính chất của tinh thể và chất lỏng. Cần lưu ý ngay rằng không phải chất nào cũng có thể ở trạng thái tinh thể lỏng. Tuy nhiên, một số chất hữu cơ có phân tử phức tạp có thể hình thành trạng thái kết tụ cụ thể - tinh thể lỏng. Trạng thái này xảy ra khi tinh thể của một số chất tan chảy. Khi chúng tan chảy, một pha tinh thể lỏng được hình thành, khác với chất lỏng thông thường. Pha này tồn tại trong khoảng từ nhiệt độ nóng chảy của tinh thể đến nhiệt độ cao hơn, khi đun nóng đến mức tinh thể lỏng biến thành chất lỏng thông thường.
Tinh thể lỏng khác với chất lỏng và tinh thể thông thường như thế nào và nó giống với chúng như thế nào? Giống như chất lỏng thông thường, tinh thể lỏng có tính lưu động và có hình dạng của vật chứa nó. Đây là điểm khác biệt giữa nó với các tinh thể mà mọi người đều biết. Tuy nhiên, bất chấp đặc tính kết hợp nó với chất lỏng, nó có đặc tính của tinh thể. Đây là trật tự trong không gian của các phân tử tạo thành tinh thể. Đúng, thứ tự này không hoàn chỉnh như trong tinh thể thông thường, tuy nhiên, nó ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của tinh thể lỏng, giúp phân biệt chúng với chất lỏng thông thường. Trật tự không gian không đầy đủ của các phân tử tạo thành tinh thể lỏng được biểu hiện ở chỗ trong tinh thể lỏng không có trật tự hoàn chỉnh trong sự sắp xếp không gian của các trọng tâm của phân tử, mặc dù có thể có một phần trật tự. Điều này có nghĩa là chúng không có mạng tinh thể cứng. Do đó, tinh thể lỏng, giống như chất lỏng thông thường, có tính chất lỏng.
Một đặc tính bắt buộc của tinh thể lỏng, đưa chúng đến gần hơn với các tinh thể thông thường, là sự hiện diện của trật tự định hướng không gian của các phân tử. Thứ tự định hướng này có thể tự biểu hiện, ví dụ, trong thực tế là tất cả các trục dài của các phân tử trong mẫu tinh thể lỏng đều được định hướng theo cùng một cách. Những phân tử này phải có hình dạng thon dài. Ngoài cách sắp xếp các trục phân tử được đặt tên đơn giản nhất, một trật tự định hướng phức tạp hơn của các phân tử có thể xảy ra trong tinh thể lỏng.
Tùy thuộc vào kiểu sắp xếp của trục phân tử, tinh thể lỏng được chia thành ba loại: nematic, smectic và cholesteric.
Nghiên cứu về tính chất vật lý của tinh thể lỏng và ứng dụng của chúng hiện đang được tiến hành trên diện rộng ở tất cả các nước phát triển nhất trên thế giới. Nghiên cứu trong nước tập trung ở cả các cơ sở nghiên cứu hàn lâm và công nghiệp và có truyền thống lâu đời. Các tác phẩm của V.K., được hoàn thành vào những năm ba mươi ở Leningrad, đã được biết đến và công nhận rộng rãi. Fredericks tới V.N. Tsvetkova. Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu nhanh chóng tinh thể lỏng đã chứng kiến ​​các nhà nghiên cứu trong nước cũng có những đóng góp đáng kể vào sự phát triển nghiên cứu về tinh thể lỏng nói chung và đặc biệt là quang học của tinh thể lỏng. Vì vậy, các tác phẩm của I.G. Chistykova, A.P. Kapustina, SA Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov và nhiều nhà nghiên cứu Liên Xô khác được cộng đồng khoa học biết đến rộng rãi và là nền tảng cho một số ứng dụng kỹ thuật hiệu quả của tinh thể lỏng.
Sự tồn tại của tinh thể lỏng đã được thiết lập từ lâu, cụ thể là vào năm 1888, tức là gần một thế kỷ trước. Mặc dù các nhà khoa học đã gặp phải trạng thái vật chất này trước năm 1888 nhưng nó được phát hiện chính thức muộn hơn.
Người đầu tiên phát hiện ra tinh thể lỏng là nhà thực vật học người Áo Reinitzer. Trong khi nghiên cứu chất mới cholesteryl benzoate mà ông tổng hợp được, ông phát hiện ra rằng ở nhiệt độ 145°C, các tinh thể của chất này tan chảy, tạo thành một chất lỏng đục có khả năng tán xạ ánh sáng mạnh. Khi tiếp tục đun nóng, khi đạt đến nhiệt độ 179°C, chất lỏng trở nên trong suốt, tức là nó bắt đầu hoạt động về mặt quang học giống như một chất lỏng thông thường, ví dụ như nước. Cholesteryl benzoate thể hiện những đặc tính bất ngờ ở pha đục. Kiểm tra pha này dưới kính hiển vi phân cực, Reinitzer phát hiện ra rằng nó thể hiện tính lưỡng chiết. Điều này có nghĩa là chiết suất của ánh sáng, tức là tốc độ ánh sáng trong pha này, phụ thuộc vào độ phân cực.

9. Chất lỏng- trạng thái kết tụ của một chất, kết hợp các đặc điểm của trạng thái rắn (bảo toàn thể tích, độ bền kéo nhất định) và trạng thái khí (biến đổi hình dạng). Chất lỏng được đặc trưng bởi trật tự ngắn trong sự sắp xếp của các hạt (phân tử, nguyên tử) và sự khác biệt nhỏ về động năng chuyển động nhiệt của các phân tử và năng lượng tương tác tiềm năng của chúng. Chuyển động nhiệt của các phân tử chất lỏng bao gồm các dao động xung quanh vị trí cân bằng và những bước nhảy tương đối hiếm hoi từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng khác; tính lưu động của chất lỏng có liên quan đến điều này.

10. Chất lỏng siêu tới hạn(SCF) là trạng thái kết tụ của một chất trong đó sự khác biệt giữa pha lỏng và pha khí biến mất. Bất kỳ chất nào ở nhiệt độ và áp suất trên điểm tới hạn của nó đều là chất lỏng siêu tới hạn. Các tính chất của một chất ở trạng thái siêu tới hạn là trung gian giữa các tính chất của nó ở pha khí và pha lỏng. Do đó, SCF có mật độ cao, gần với chất lỏng và độ nhớt thấp như chất khí. Hệ số khuếch tán trong trường hợp này có giá trị trung gian giữa chất lỏng và chất khí. Các chất ở trạng thái siêu tới hạn có thể được sử dụng làm chất thay thế cho dung môi hữu cơ trong các quy trình công nghiệp và phòng thí nghiệm. Nước siêu tới hạn và carbon dioxide siêu tới hạn đã nhận được sự quan tâm và phân phối lớn nhất do một số tính chất nhất định.
Một trong những tính chất quan trọng nhất của trạng thái siêu tới hạn là khả năng hòa tan các chất. Bằng cách thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất của chất lỏng, bạn có thể thay đổi các đặc tính của nó trong phạm vi rộng. Vì vậy, có thể thu được một chất lỏng có tính chất gần giống với chất lỏng hoặc chất khí. Do đó, khả năng hòa tan của chất lỏng tăng lên khi mật độ ngày càng tăng (ở nhiệt độ không đổi). Vì mật độ tăng khi áp suất tăng, nên việc thay đổi áp suất có thể ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của chất lỏng (ở nhiệt độ không đổi). Trong trường hợp nhiệt độ, sự phụ thuộc vào các tính chất của chất lỏng có phần phức tạp hơn - ở mật độ không đổi, khả năng hòa tan của chất lỏng cũng tăng lên, nhưng gần điểm tới hạn, nhiệt độ tăng nhẹ có thể dẫn đến giảm mạnh. về mật độ và theo đó là khả năng hòa tan. Các chất lỏng siêu tới hạn trộn lẫn với nhau không giới hạn nên khi đạt đến điểm tới hạn của hỗn hợp, hệ thống sẽ luôn ở trạng thái một pha. Nhiệt độ tới hạn gần đúng của một hỗn hợp nhị phân có thể được tính bằng trung bình số học của các thông số tới hạn của các chất Tc(mix) = (phần mol A) x TcA + (phần mol B) x TcB.

11. Khí- (gaz của Pháp, từ tiếng Hy Lạp hỗn loạn - hỗn loạn), trạng thái kết tụ của một chất trong đó động năng của chuyển động nhiệt của các hạt của nó (phân tử, nguyên tử, ion) vượt quá đáng kể năng lượng tương tác giữa chúng, và do đó các hạt chuyển động tự do, lấp đầy đồng đều toàn bộ khối lượng được cung cấp cho nó khi không có từ trường bên ngoài.

12. Huyết tương- (từ plasma Hy Lạp - được điêu khắc, tạo hình), một trạng thái của vật chất là khí bị ion hóa trong đó nồng độ điện tích dương và âm bằng nhau (gần như trung hòa). Phần lớn vật chất trong Vũ trụ ở trạng thái plasma: các ngôi sao, tinh vân thiên hà và môi trường liên sao. Gần Trái đất, plasma tồn tại dưới dạng gió mặt trời, từ quyển và tầng điện ly. Plasma nhiệt độ cao (T ~ 106 - 108K) từ hỗn hợp deuterium và tritium đang được nghiên cứu với mục đích thực hiện phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát. Plasma nhiệt độ thấp (T Ј 105K) được sử dụng trong nhiều thiết bị phóng khí khác nhau (laser khí, thiết bị ion, máy phát MHD, plasmatron, động cơ plasma, v.v.), cũng như trong công nghệ (xem Luyện kim plasma, Khoan plasma, Plasma công nghệ) .

13. Vật chất thoái hóa- là giai đoạn trung gian giữa plasma và neutronium. Nó được quan sát thấy ở các sao lùn trắng và đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của các ngôi sao. Khi các nguyên tử chịu nhiệt độ và áp suất cực cao, chúng sẽ mất electron (chúng trở thành khí electron). Nói cách khác, chúng bị ion hóa hoàn toàn (plasma). Áp suất của chất khí (plasma) đó được xác định bởi áp suất của các electron. Nếu mật độ rất cao, tất cả các hạt bị ép lại gần nhau hơn. Các electron có thể tồn tại ở những trạng thái có năng lượng cụ thể và không có hai electron nào có thể có cùng năng lượng (trừ khi spin của chúng ngược nhau). Do đó, trong chất khí đậm đặc, tất cả các mức năng lượng thấp hơn đều chứa đầy electron. Một loại khí như vậy được gọi là thoái hóa. Ở trạng thái này, các electron thể hiện áp suất electron suy biến, chống lại lực hấp dẫn.

14. Neutron- trạng thái kết tụ mà vật chất chuyển sang ở áp suất cực cao, trạng thái này vẫn không thể đạt được trong phòng thí nghiệm nhưng tồn tại bên trong các sao neutron. Trong quá trình chuyển sang trạng thái neutron, các electron của chất tương tác với proton và biến thành neutron. Kết quả là vật chất ở trạng thái neutron bao gồm toàn bộ neutron và có mật độ cỡ hạt nhân. Nhiệt độ của chất không được quá cao (tính theo năng lượng tương đương, không quá một trăm MeV).
Khi nhiệt độ tăng mạnh (hàng trăm MeV trở lên), nhiều meson khác nhau bắt đầu được sinh ra và hủy diệt ở trạng thái neutron. Khi nhiệt độ tăng thêm, quá trình giải giam xảy ra và chất này chuyển sang trạng thái plasma quark-gluon. Nó không còn bao gồm các hadron nữa mà bao gồm các quark và gluon liên tục được sinh ra và biến mất.

15. Plasma quark-gluon(chromoplasm) - trạng thái tổng hợp vật chất trong vật lý năng lượng cao và vật lý hạt cơ bản, trong đó vật chất hadron chuyển sang trạng thái tương tự như trạng thái tìm thấy electron và ion trong plasma thông thường.
Thông thường, vật chất trong hadron ở trạng thái được gọi là không màu (“trắng”). Nghĩa là, các quark có màu sắc khác nhau sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Một trạng thái tương tự tồn tại trong vật chất thông thường - khi tất cả các nguyên tử đều trung hòa về điện, nghĩa là
điện tích dương trong chúng được bù bằng điện tích âm. Ở nhiệt độ cao, quá trình ion hóa các nguyên tử có thể xảy ra, trong đó các điện tích bị tách ra và chất này trở nên “gần trung tính”, như người ta nói. Nghĩa là, toàn bộ đám mây vật chất vẫn trung tính, nhưng các hạt riêng lẻ của nó không còn trung tính nữa. Rõ ràng, điều tương tự cũng có thể xảy ra với vật chất hadronic - ở mức năng lượng rất cao, màu sắc được giải phóng và làm cho chất này “gần như không màu”.
Có lẽ, vật chất của Vũ trụ ở trạng thái plasma quark-gluon trong những khoảnh khắc đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Hiện nay plasma quark-gluon có thể được hình thành trong thời gian ngắn trong quá trình va chạm của các hạt có năng lượng rất cao.
Plasma quark-gluon được sản xuất thử nghiệm tại máy gia tốc RHIC tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven năm 2005. Nhiệt độ plasma tối đa 4 nghìn tỷ độ C đã đạt được ở đó vào tháng 2 năm 2010.

16. Chất lạ- trạng thái kết tụ trong đó vật chất bị nén đến giá trị mật độ tối đa, nó có thể tồn tại dưới dạng “súp quark”. Một cm khối vật chất ở trạng thái này sẽ nặng hàng tỷ tấn; Ngoài ra, nó sẽ biến đổi bất kỳ chất bình thường nào mà nó tiếp xúc thành dạng “lạ” tương tự đồng thời giải phóng một lượng năng lượng đáng kể.
Năng lượng có thể giải phóng khi lõi ngôi sao biến thành "vật chất lạ" sẽ dẫn tới một vụ nổ siêu mạnh của một "quark nova" - và theo Leahy và Uyed, đây chính xác là những gì các nhà thiên văn quan sát được vào tháng 9 năm 2006.
Quá trình hình thành chất này bắt đầu từ một siêu tân tinh thông thường, trong đó một ngôi sao khổng lồ quay vào. Kết quả của vụ nổ đầu tiên là một ngôi sao neutron được hình thành. Nhưng, theo Leahy và Uyed, nó không tồn tại được lâu - vì chuyển động quay của nó dường như bị chậm lại bởi từ trường của chính nó, nó bắt đầu co lại hơn nữa, tạo thành một khối "vật chất lạ", dẫn đến một mạnh hơn trong một vụ nổ siêu tân tinh thông thường, giải phóng năng lượng - và các lớp vật chất bên ngoài của cựu sao neutron, bay vào không gian xung quanh với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng.

17. Chất đối xứng mạnh mẽ- đây là một chất bị nén đến mức các vi hạt bên trong nó xếp chồng lên nhau và cơ thể tự sụp đổ thành một lỗ đen. Thuật ngữ “đối xứng” được giải thích như sau: Chúng ta hãy lấy các trạng thái tổng hợp của vật chất mà mọi người ở trường đều biết - rắn, lỏng, khí. Để xác định rõ ràng, chúng ta hãy xem một tinh thể vô hạn lý tưởng là một chất rắn. Có một sự đối xứng nhất định, được gọi là sự đối xứng rời rạc đối với sự truyền. Điều này có nghĩa là nếu bạn di chuyển mạng tinh thể một khoảng bằng khoảng cách giữa hai nguyên tử thì sẽ không có gì thay đổi trong đó - tinh thể sẽ trùng khớp với chính nó. Nếu tinh thể tan chảy thì tính đối xứng của chất lỏng thu được sẽ khác: nó sẽ tăng lên. Trong một tinh thể, chỉ những điểm cách xa nhau ở những khoảng cách nhất định, cái gọi là các nút của mạng tinh thể, trong đó có các nguyên tử giống hệt nhau, là tương đương nhau.
Chất lỏng đồng nhất trong toàn bộ thể tích của nó, tất cả các điểm của nó không thể phân biệt được với nhau. Điều này có nghĩa là chất lỏng có thể bị dịch chuyển theo bất kỳ khoảng cách tùy ý nào (và không chỉ một số khoảng cách rời rạc, như trong tinh thể) hoặc bị quay theo bất kỳ góc tùy ý nào (điều này hoàn toàn không thể thực hiện được trong tinh thể) và nó sẽ trùng với chính nó. Mức độ đối xứng của nó cao hơn. Khí thậm chí còn đối xứng hơn: chất lỏng chiếm một thể tích nhất định trong bình và có sự bất đối xứng bên trong bình, nơi có chất lỏng và những điểm không có chất lỏng. Khí chiếm toàn bộ thể tích cung cấp cho nó và theo nghĩa này, tất cả các điểm của nó không thể phân biệt được với nhau. Tuy nhiên, ở đây sẽ đúng hơn nếu nói không phải về điểm mà là về các yếu tố nhỏ nhưng vĩ mô, bởi vì ở cấp độ vi mô vẫn có những khác biệt. Tại một số thời điểm tại một thời điểm nhất định có các nguyên tử hoặc phân tử, trong khi ở những thời điểm khác thì không có. Sự đối xứng chỉ được quan sát ở mức trung bình, qua một số thông số thể tích vĩ mô hoặc theo thời gian.
Nhưng vẫn không có sự đối xứng tức thời ở cấp độ vi mô. Nếu chất này bị nén rất mạnh, đến những áp suất không thể chấp nhận được trong cuộc sống hàng ngày, bị nén đến mức các nguyên tử bị nghiền nát, vỏ của chúng xuyên qua nhau và các hạt nhân bắt đầu chạm vào nhau, thì sự đối xứng xuất hiện ở cấp độ vi mô. Tất cả các hạt nhân đều giống hệt nhau và ép vào nhau, không chỉ có khoảng cách giữa các nguyên tử mà còn có khoảng cách giữa các hạt nhân và chất trở nên đồng nhất (chất lạ).
Nhưng cũng có một mức độ vi mô. Hạt nhân được tạo thành từ các proton và neutron chuyển động xung quanh bên trong hạt nhân. Ngoài ra còn có một số không gian giữa chúng. Nếu tiếp tục nén để hạt nhân bị nghiền nát thì các nucleon sẽ ép chặt vào nhau. Sau đó, ở cấp độ vi mô, sự đối xứng sẽ xuất hiện, điều này không tồn tại ngay cả trong hạt nhân thông thường.
Từ những gì đã nói, người ta có thể nhận thấy một xu hướng rất rõ ràng: nhiệt độ càng cao và áp suất càng lớn thì vật chất càng trở nên đối xứng. Dựa trên những cân nhắc này, một chất được nén đến mức tối đa được gọi là có tính đối xứng cao.

18. Vật chất đối xứng yếu- một trạng thái đối lập với vật chất đối xứng mạnh về tính chất của nó, hiện diện trong Vũ trụ sơ khai ở nhiệt độ gần bằng nhiệt độ Planck, có lẽ 10-12 giây sau Vụ nổ lớn, khi các lực mạnh, yếu và điện từ đại diện cho một siêu lực duy nhất. Ở trạng thái này, chất bị nén đến mức khối lượng của nó biến thành năng lượng, bắt đầu phồng lên, tức là giãn nở vô thời hạn. Vẫn chưa thể đạt được năng lượng để đạt được siêu năng lực bằng thực nghiệm và chuyển vật chất vào pha này trong điều kiện trên mặt đất, mặc dù những nỗ lực như vậy đã được thực hiện tại Máy Va chạm Hadron Lớn để nghiên cứu vũ trụ sơ khai. Do không có tương tác hấp dẫn trong siêu lực hình thành nên chất này nên siêu lực không đủ đối xứng so với lực siêu đối xứng chứa cả 4 loại tương tác. Vì vậy, trạng thái tập hợp này nhận được một cái tên như vậy.

19. Chất tia- trên thực tế, đây không còn là vật chất nữa mà là năng lượng ở dạng nguyên chất. Tuy nhiên, chính trạng thái kết hợp giả định này mà một vật thể đạt tới tốc độ ánh sáng sẽ có. Nó cũng có thể thu được bằng cách làm nóng cơ thể đến nhiệt độ Planck (1032K), nghĩa là tăng tốc các phân tử của chất này lên tốc độ ánh sáng. Theo thuyết tương đối, khi tốc độ đạt hơn 0,99 s, khối lượng của cơ thể bắt đầu tăng nhanh hơn nhiều so với gia tốc “bình thường”; ngoài ra, cơ thể dài ra, nóng lên, nghĩa là nó bắt đầu phát ra tia hồng ngoại. Khi vượt qua ngưỡng 0,999 giây, vật thể thay đổi hoàn toàn và bắt đầu chuyển pha nhanh sang trạng thái tia. Theo công thức của Einstein, xét toàn bộ, khối lượng ngày càng tăng của chất cuối cùng bao gồm các khối lượng tách ra khỏi vật thể dưới dạng nhiệt, tia X, quang học và các bức xạ khác, năng lượng của mỗi chất được mô tả bằng công thức: số hạng tiếp theo trong công thức. Như vậy, một vật thể đạt tới tốc độ ánh sáng sẽ bắt đầu phát ra trong mọi quang phổ, tăng chiều dài và chậm dần theo thời gian, mỏng dần đến độ dài Planck, nghĩa là khi đạt tốc độ c, vật thể sẽ biến thành một vật dài vô hạn và chùm tia mỏng, chuyển động với tốc độ ánh sáng và bao gồm các photon không có chiều dài, khối lượng vô hạn của nó sẽ được chuyển hóa hoàn toàn thành năng lượng. Vì vậy, chất như vậy được gọi là tia.

Các câu hỏi về trạng thái kết tụ là gì, những đặc điểm và tính chất của chất rắn, chất lỏng và chất khí, sẽ được thảo luận trong một số khóa đào tạo. Có ba trạng thái cổ điển của vật chất, với những đặc điểm cấu trúc đặc trưng của chúng. Sự hiểu biết của họ là một điểm quan trọng trong việc tìm hiểu khoa học về Trái đất, các sinh vật sống và các hoạt động công nghiệp. 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, trong những điều kiện nhất định, ở một trong ba loại trạng thái cơ bản có thể thay đổi khi tăng hoặc giảm nhiệt độ và áp suất. Chúng ta hãy xem xét những chuyển đổi có thể có từ trạng thái tổng hợp này sang trạng thái tổng hợp khác, khi chúng xảy ra trong tự nhiên, công nghệ và cuộc sống hàng ngày.

Trạng thái tổng hợp là gì?

Từ gốc Latin "aggrego" được dịch sang tiếng Nga có nghĩa là "tham gia". Thuật ngữ khoa học dùng để chỉ trạng thái của cùng một cơ thể, chất. Sự tồn tại của chất rắn, khí và chất lỏng ở nhiệt độ nhất định và áp suất khác nhau là đặc điểm của tất cả các lớp vỏ trên Trái đất. Ngoài ba trạng thái tập 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 kết tụ là gì, cần nhớ những hạt nhỏ nhất tạo nên các chất và vật thể.

Sơ đồ trên thể hiện: a - khí; b—chất lỏng; c là vật rắn. Trong những bức tranh như vậy, các vòng tròn biểu thị các thành phần cấu trúc của chất. Đây là một biểu tượng; trên thực tế, nguyên tử, phân tử và ion không phải là những quả bóng rắn. Nguyên tử bao gồm một hạt nhân tích điện dương xung quanh đó 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.

Ý tưởng về thế giới vi mô: từ Hy Lạp cổ đại đến thế kỷ 17

Thông tin đầu tiên về các hạt 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 nguyên tử. Họ tin rằng những hạt nhỏ nhất không thể phân chia của các chất khác nhau có hình dạng, kích thước nhất định và có khả năng chuyển động và tương tác với nhau. Chủ nghĩa nguyên tử đã trở thành phương pháp giảng dạy tiên tiến nhất của Hy Lạp cổ đại vào thời đó. Nhưng sự phát triển của nó đã chậm lại vào thời Trung cổ. Kể từ đó các nhà khoa học bị bức hại bởi Tòa án dị giáo của Giáo hội Công giáo La Mã. Vì vậy, cho đến thời hiện đại, vẫn chưa có khái niệm rõ ràng về trạng thái của vật chất là gì. Chỉ sau thế kỷ 17, các nhà khoa học R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier mới xây dựng các quy định của lý thuyết nguyên tử-phân tử, những điều vẫn không mất đi ý nghĩa cho đến ngày nay.

Nguyên tử, phân tử, ion - những hạt cực nhỏ trong cấu tạo của vật chất

Một bước đột phá đáng kể trong việc tìm hiểu thế giới vi mô xảy ra vào thế kỷ 20, khi kính hiển vi điện tử được phát minh. Có tính đến những khám phá của các nhà khoa học trước đó, có thể ghép lại thành một bức tranh mạch lạc về thế giới vi mô. Các lý thuyết mô tả trạng thái và hành vi của các hạt vật chất nhỏ nhất khá phức tạp, chúng liên quan đến lĩnh vực Để hiểu được đặc điểm của các trạng thái tổng hợp khác nhau của vật chất, chỉ cần biết tên và đặc điểm của các hạt cấu trúc chính hình thành nên chúng là đủ. chất khác nhau.

1. Nguyên tử là hạt không thể phân chia về mặt hóa học. Chúng được bảo quản trong các phản ứng hóa học nhưng bị phá hủy trong các phản ứng hạt nhân. Kim loại và nhiều chất khác có cấu trúc nguyên tử có trạng thái kết tụ rắn trong điều kiện bình thường.
2. Phân tử là các hạt bị phá vỡ và hình thành trong các phản ứng hóa học. oxy, nước, carbon dioxide, lưu huỳnh. Trạng thái vật lý của oxy, nitơ, sulfur dioxide, carbon, oxy trong điều kiện bình thường là khí.
3. Ion là các hạt tích điện mà nguyên tử và phân tử trở thành khi chúng nhận hoặc mất đi electron—các hạt tích điện âm cực nhỏ. Nhiều muối có cấu trúc ion, ví dụ như muối ăn, sắt sunfat và đồng sunfat.

Có những chất mà các hạt của chúng nằm trong không gian theo một cách nhất định. Vị trí tương hỗ có trật tự của các nguyên tử, ion và phân tử được gọi là mạng tinh thể. Thông thường, mạng tinh thể ion và nguyên tử là đặc trưng của chất rắn, phân tử - dành cho chất lỏng và chất khí. Kim cương được phân biệt bởi độ cứng cao. Mạng tinh thể nguyên tử của nó được hình thành bởi các nguyên tử carbon. 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 kết tụ thông thường của lưu huỳnh là rắn, nhưng ở nhiệt độ cao chất này biến thành chất lỏng và khối vô định hình.

Các chất ở trạng thái kết tụ rắn

Chất rắn ở điều kiện bình thường vẫn giữ được thể tích và hình dạng. Ví dụ như một hạt cát, một hạt đường, một hạt muối, một cục đá hay một miếng kim loại. Nếu bạn đun nóng đường, chất này bắt đầu tan chảy, biến thành chất lỏng sền sệt màu nâu. Hãy ngừng sưởi ấm và chúng ta sẽ có được chất rắn trở lại. Điều này có nghĩa là một trong những điều kiện chính để chuyển chất rắn thành chất lỏng là sự nóng lên của nó hoặc sự tăng nội năng của các hạt chất đó. Trạng thái kết tụ rắn của muối được sử dụng làm thực phẩm cũng có thể được thay đổi. Nhưng để làm tan chảy muối ăn thì 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 hút nhau mạnh hơn. Chất rắn ở dạng lỏng không giữ được hình dạng do mạng tinh thể bị phá hủy.

Trạng thái tổng hợp lỏng của muối khi tan chảy được giải thích bằng sự phá vỡ liên kết giữa các ion trong tinh thể. Các hạt tích điện có thể mang điện được giải phóng. Muối nóng chảy dẫn điện và là chất dẫn điện. Trong các ngành công nghiệp hóa chất, luyện kim và kỹ thuật, chất rắn được chuyển đổi thành chất lỏng để tạo ra các hợp chất mới hoặc tạo cho chúng các dạng khác nhau. Hợp kim kim loại đã trở nên phổ biến. Có một số cách để có được chúng, liên quan đến những thay đổi về trạng thái tổng hợp của nguyên liệu thô rắn.

Chất lỏng là một trong những trạng thái kết tụ cơ bản

Nếu đổ 50 ml nước vào bình đáy tròn, bạn sẽ nhận thấy chất đó ngay lập tức có hình dạng của một bình đựng hóa chất. Nhưng ngay khi chúng ta đổ nước ra khỏi bình, chất lỏng sẽ ngay lập tức lan ra khắp mặt bàn. Thể tích nước sẽ giữ nguyên - 50 ml, nhưng hình dạng của nó sẽ thay đổi. Các đặc điểm được liệt kê là đặc trưng của dạng tồn tại lỏng của vật chất. Nhiều chất hữu cơ ở dạng lỏng: rượu, dầu thực vật, axit.

Sữa là một dạng nhũ tương, tức là chất lỏng chứa các giọt chất béo. Một nguồn tài nguyên lỏng hữu ích là dầu. Nó được chiết xuất từ ​​​​giếng sử dụng giàn khoan trên đất liền và trên đại dương. Nước biển còn là nguyên liệu cho công nghiệp. Sự khác biệt của nó với nước ngọt ở sông hồ nằm ở hàm lượng các chất hòa tan, chủ yếu là muối. Khi bay hơi khỏi bề mặt bể chứa, chỉ có phân tử H 2 O chuyển sang trạng thái hơi, các chất hòa tan còn lại. Các phương pháp thu được các chất hữu ích từ nước biển và các phương pháp làm sạch nước biển đều dựa trên đặc tính này.

Khi loại bỏ hoàn toàn muối, thu được nước cất. Nó sôi ở 100°C và đông đặc ở 0°C. Nước muối sôi và biến thành băng ở nhiệt độ khác. Ví dụ, nước ở Bắc Băng Dương đóng băng ở nhiệt độ bề mặt 2°C.

Trạng thái vật lý của thủy ngân trong điều kiện bình thường là chất lỏng. Kim loại màu xám bạc này thường được sử dụng để làm nhiệt kế y tế. Khi đun nóng, cột thủy ngân dâng lên và chất đó nở ra. Tại sao người ta sử dụng cồn pha sơn đỏ mà không phải thủy ngân? Điều này được giải thích là do tính chất của kim loại lỏng. Ở nhiệt độ sương giá 30 độ, trạng thái kết tụ của thủy ngân thay đổi, chất này trở nên rắn chắc.

Nếu nhiệt kế y tế bị vỡ và thủy ngân tràn ra ngoài thì việc dùng tay nhặt những quả bóng bạc là rất nguy hiểm. Hít phải hơi thủy ngân có hại, chất này rất độc. Trong những trường hợp như vậy, trẻ cần phải nhờ đến sự giúp đỡ của cha mẹ và người lớn.

Thể khí

Khí không thể duy trì thể tích hoặc hình dạng của chúng. Đổ đầy oxy vào bình (công thức hóa học của nó là O2). Ngay khi chúng ta mở bình, các phân tử của chất đó sẽ bắt đầu hòa trộn với không khí trong phòng. Điều này xảy ra do chuyển động Brown. Ngay cả nhà khoa học Hy Lạp cổ đại Democritus cũng tin rằng các hạt vật chất chuyển động không ngừng. Ở chất rắn, trong điều kiện bình thường, các nguyên tử, phân tử và ion không có cơ hội rời khỏi mạng tinh thể hoặc tự giải phóng khỏi liên kết với các hạt khác. Điều này chỉ có thể thực hiện được khi một lượng lớn năng lượng được cung cấp từ bên ngoài.

Trong chất lỏng, khoảng cách giữa các hạt lớn hơn một chút so với trong chất rắn; chúng cần ít năng lượng hơn để phá vỡ liên kết giữa các phân tử. Ví dụ, trạng thái lỏng của oxy chỉ được quan sát thấy khi nhiệt độ khí giảm xuống −183 °C. Ở −223 °C, các phân tử O 2 tạo thành chất rắn. Khi nhiệt độ tăng lên trên các giá trị này, oxy sẽ chuyển thành khí. Ở dạng này, nó được tìm thấy trong điều kiện bình thường. Các doanh nghiệp công nghiệp vận hành các hệ thống lắp đặt đặc biệt để tách không khí trong khí quyển và thu được nitơ và oxy từ nó. Đầu tiên, không khí được làm mát và hóa lỏng, sau đó nhiệt độ tăng dần. Nitơ và oxy biến thành khí ở những điều kiện khác nhau.

Bầu khí quyển của Trái đất chứa 21% thể tích oxy và 78% nitơ. Những chất này không được tìm thấy ở dạng lỏng trong lớp vỏ khí của hành tinh. Oxy lỏng có màu xanh nhạt và được sử dụng để đổ đầy bình chứa ở áp suất cao để sử dụng trong môi trường y tế. Trong công nghiệp và xây dựng, khí hóa lỏng cần thiết để thực hiện nhiều quá trình. Oxy cần thiết cho hàn khí và cắt kim loại, và trong hóa học cho các phản ứng oxy hóa các chất vô cơ và hữu cơ. Nếu bạn mở van của bình oxy, áp suất sẽ giảm và chất lỏng chuyển thành khí.

Propane, metan và butan hóa lỏng được sử dụng rộng rãi trong các hoạt động năng lượng, giao thông, công nghiệp và gia đình. Những chất này thu được từ khí tự nhiên hoặc trong quá trình nứt (tách) nguyên liệu dầu mỏ. Hỗn hợp khí và lỏng carbon đóng một vai trò quan trọng trong nền kinh tế của nhiều quốc gia. Nhưng trữ lượng dầu và khí tự nhiên đang 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 dòng không khí (gió). Các dòng sông và thủy triều chảy xiết trên bờ biển và đại dương được sử dụng để vận hành các nhà máy điện.

Oxy, giống như các loại khí khác, có thể ở trạng thái kết tụ thứ tư, đại diện cho plasma. Sự chuyển đổi bất thường từ trạng thái rắn sang trạng thái khí là đặc điểm đặc trưng của iốt tinh thể. Chất màu tím sẫm trải qua quá trình thăng hoa - nó biến thành chất khí, bỏ qua trạng thái lỏng.

Sự chuyển đổi từ dạng vật chất tổng hợp này sang dạng vật chất tổng hợp khác được thực hiện như thế nào?

Những thay đổi về trạng thái tổng hợp của các chất không liên quan đến các biến đổi hóa học, đây là những hiện tượng vật lý. Khi nhiệt độ tăng lên, nhiều chất rắn tan chảy và biến thành chất lỏng. Nhiệt độ tăng thêm có thể dẫn đến sự bay hơi, nghĩa 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 những trạng thái của nước ở những điều kiện bên ngoài khác nhau. Hợp chất này giống nhau, công thức của nó là H 2 O. Ở nhiệt độ 0 ° C và dưới giá trị này, nước kết tinh, tức là biến thành băng. Khi nhiệt độ tăng lên, các tinh thể thu được sẽ bị phá hủy - băng tan và nước lỏng lại thu được. Khi nó được làm nóng, sự bay hơi được hình thành - sự chuyển đổi nước thành khí - ngay cả ở nhiệt độ thấp. Ví dụ, những vũng nước đóng băng dần dần biến mất vì nước bốc hơi. Ngay cả trong thời tiết băng giá, đồ giặt ướt vẫn khô, nhưng quá trình này mất nhiều thời gian 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 có liên quan đến sự bốc hơi nước từ bề mặt Đại dương Thế giới, sự truyền hơi ẩm dưới dạng mây và sương mù vào đất liền và lượng mưa (mưa, tuyết, mưa đá). Những hiện tượng này tạo thành nền tảng của vòng tuần hoàn nước thế giới trong tự nhiên.

Trạng thái tổng hợp của lưu huỳnh thay đổi như thế nào?

Trong điều kiện bình thường, lưu huỳnh là tinh thể sáng bóng hoặc bột màu vàng nhạt, tức là nó là chất rắn. Trạng thái vật lý của lưu huỳnh thay đổi khi đun nóng. Đầu tiên, khi nhiệt độ tăng lên 190°C, chất màu vàng tan chảy, biến thành chất lỏng di động.

Nếu đổ nhanh lưu huỳnh lỏng vào nước lạnh, bạn sẽ thu được 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 kết tụ của lưu huỳnh lại thay đổi, chất này thu được các đặc tính của chất lỏng và trở nên linh động. Những chuyển đổi này phát sinh do khả năng các nguyên tử của một nguyên tố tạo thành các chuỗi có độ dài khác nhau.

Tại sao các chất có thể ở những trạng thái vật lý khác nhau?

Trạng thái kết tụ của lưu huỳnh, một chất đơn giản, là chất rắn trong điều kiện bình thường. Lưu huỳnh đioxit là chất khí, axit sunfuric là chất lỏng 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. Lưu huỳnh nhựa có trạng thái kết tụ nào, thu được bằng cách đun nóng tinh thể?

Ở dạng vô định hình, chất này có cấu trúc chất lỏng, độ lưu động không đáng kể. Nhưng lưu huỳnh nhựa đồng thời vẫn giữ được hình dạng (dưới dạng chất rắn). Có những tinh thể lỏng có một số tính chất đặc trưng của chất rắn. Do đó, trạng thái của một chất trong các điều kiện khác nhau phụ thuộc vào bản chất, nhiệt độ, áp suất và các điều kiện bên ngoài khác của nó.

Những đặc điểm tồn tại trong cấu trúc của chất rắn?

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 rắn của vật chất lại dẫn đến khả năng duy trì thể tích và hình dạng của vật thể? Trong mạng tinh thể của kim loại hoặc muối, các hạt cấu trúc bị thu hút lẫn nhau. Trong kim loại, các ion tích điện dương tương tác với cái gọi là “khí điện tử”, một tập hợp các electron tự do trong một miếng kim loại. Tinh thể muối hình thành do lực hút của các hạt tích điện trái dấu - các ion. Khoảng cách giữa các đơn vị cấu trúc trên của chất rắn nhỏ hơn nhiều so với kích thước của các hạt. Trong trường hợp này, lực hút tĩnh điện tác dụng, nó truyền sức mạnh nhưng lực đẩy không đủ mạnh.

Để phá hủy trạng thái kết tụ rắn của một chất, cần phải nỗ lực. Kim loại, muối và tinh thể nguyên tử tan 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 sợi đốt cho bóng đèn. Có những hợp kim trở thành chất lỏng ở nhiệt độ trên 3000 ° C. Nhiều người trên Trái đất đang ở trạng thái rắn. Những nguyên liệu thô này được khai thác bằng công nghệ trong các mỏ và mỏ đá.

Để tách dù chỉ một ion ra khỏi tinh thể, phải tiêu tốn một lượng lớn năng lượng. Nhưng chỉ cần hòa tan muối vào nước là đủ để mạng tinh thể tan rã! Hiện tượng này được giải thích là do nước có tính chất tuyệt vời như một dung môi phân cực. Các phân tử H 2 O tương tác với các ion muối, phá hủy liên kết hóa học giữa chúng. Vì vậy, sự hòa tan không phải là sự pha trộn đơn giản của các chất khác nhau mà là sự tương tác hóa lý giữa chúng.

Các phân tử chất lỏng tương tác như thế nào?

Nước có thể là chất lỏng, chất rắn và chất khí (hơi nước). Đây là những trạng thái kết tụ cơ bản của nó trong điều kiện bình thường. Các phân tử nước bao gồm một nguyên tử oxy liên kết với hai nguyên tử hydro. Sự phân cực của liên kết hóa học trong phân tử xảy ra và một phần điện tích âm xuất hiện trên các nguyên tử oxy. Hydro trở thành cực dương trong phân tử, bị thu hút bởi nguyên tử oxy của phân tử khác. Điều này được gọi là "liên kết hydro".

Trạng thái kết tụ lỏng được đặc trưng bởi khoảng cách giữa các hạt cấu trúc tương đương với kích thước của chúng. Lực hấp dẫn tồn tại nhưng yếu nên nước không giữ được hình dạng. Sự bay hơi xảy ra do sự phá hủy các liên kết xảy ra trên bề mặt chất lỏng ngay cả ở nhiệt độ phòng.

Tương tác giữa các phân tử có tồn tại trong chất khí không?

Trạng thái khí của một chất khác với trạng thái lỏng và rắn ở một số thông số. Có những khoảng trống lớn giữa các hạt cấu trúc của khí, lớn hơn nhiều so với kích thước của phân tử. Trong trường hợp này, lực hấp dẫn hoàn toàn không tác dụng. Trạng thái kết tụ ở thể khí là đặc trưng của các chất có trong không khí: nitơ, oxy, carbon dioxide. Trong hình bên dưới, khối thứ nhất chứa đầy khí, khối thứ hai chứa chất lỏng và khối thứ ba chứa đầy chất rắn.

Nhiều chất lỏng dễ bay hơi; các phân tử của chất này tách ra khỏi bề mặt và bay vào không khí. Ví dụ, nếu bạn mang một miếng bông gòn nhúng vào amoniac đến mở nắp chai axit clohydric thì sẽ xuất hiện khói trắng. Phản ứng hóa học giữa axit clohydric và amoniac xảy ra ngay trong không khí, tạo ra amoni clorua. Chất này ở trạng thái kết tụ nào? Các hạt của nó tạo thành khói trắng là những tinh thể muối rắn nhỏ. Thí nghiệm này phải được thực hiện trong điều kiện kín đáo, các chất này rất độc hại.

Phần kết luận

Trạng thái kết tụ của khí đã được nghiên cứu bởi nhiều nhà vật lý và hóa học xuất sắc: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendeleev, Le Chatelier. Các nhà khoa học đã xây dựng các định luật giải thích hành vi của các chất khí trong các phản ứng hóa học khi điều kiện bên ngoài thay đổi. Các mô hình mở không chỉ được đưa vào sách giáo khoa vật lý và hóa học ở trường phổ thông 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 kết tụ khác nhau.

Bài giảng 4. Trạng thái tổng hợp của vật chất

1. Trạng thái rắn của vật chất.

2. Trạng thái lỏng của vật chất.

3. Trạng thái khí của vật chất.

Các chất có thể ở ba trạng thái kết tụ: rắn, lỏng và khí. Ở nhiệt độ rất cao, một loại trạng thái khí xuất hiện - plasma (trạng thái plasma).

1. Trạng thái rắn của vật chất được đặc trưng bởi thực tế là năng lượng tương tác giữa các hạt cao hơn động năng chuyển động của chúng. Hầu hết các chất ở trạng thái rắn đều có cấu trúc tinh thể. Mỗi chất tạo thành các tinh thể có hình dạng nhất định. Ví dụ, natri clorua có tinh thể ở dạng hình khối, phèn ở dạng bát diện và natri nitrat ở dạng lăng kính.

Dạng tinh thể của chất này là ổn định nhất. Sự sắp xếp của các hạt trong vật rắn được mô tả dưới dạng mạng, tại các nút trong đó có một số hạt nhất định được nối với nhau bằng các đường tưởng tượng. Có bốn loại mạng tinh thể chính: nguyên tử, phân tử, ion và kim loại.

Mạng tinh thể nguyên tửđược hình thành bởi các nguyên tử trung tính được kết nối bằng liên kết cộng hóa trị (kim cương, than chì, silicon). Mạng tinh thể phân tử có naphtalen, sucrose, glucose. Các thành phần cấu trúc của mạng này là các phân tử phân cực và không phân cực. Mạng tinh thể ionđược hình thành bởi các ion tích điện dương và âm (natri clorua, kali clorua) xen kẽ thường xuyên trong không gian. Tất cả các kim loại đều có mạng tinh thể kim loại. Các nút của nó chứa các ion tích điện dương, giữa đó có các electron ở trạng thái tự do.

Các chất kết tinh có một số tính năng. Một trong số đó là tính dị hướng - sự khác biệt về tính chất vật lý của tinh thể theo các hướng khác nhau bên trong tinh thể.

2. Ở trạng thái lỏng của vật chất, năng lượng tương tác giữa các phân tử của các hạt tương xứng với động năng chuyển động của chúng. Trạng thái này là trạng thái trung gian giữa khí và tinh thể. Không giống như chất khí, lực hút lẫn nhau lớn tác dụng giữa các phân tử chất lỏng, lực này quyết định bản chất của chuyển động phân tử. Chuyển động nhiệt của phân tử chất lỏng bao gồm dao động và chuyển động tịnh tiến. Mỗi phân tử dao động xung quanh một điểm cân bằng nhất định trong một thời gian, sau đó di chuyển và lại chiếm vị trí cân bằng. Điều này quyết định tính lưu loát của nó. Lực hút giữa các phân tử ngăn cản các phân tử di chuyển xa nhau khi chúng di chuyển.

Các tính chất của chất lỏng cũng phụ thuộc vào thể tích phân tử và hình dạng bề mặt của chúng. Nếu các phân tử chất lỏng có cực thì chúng kết hợp (liên kết) thành một phức chất phức tạp. Những chất lỏng như vậy được gọi là liên kết (nước, axeton, rượu). Οʜᴎ có t kip cao hơn, độ biến động thấp hơn và hằng số điện môi cao hơn.

Như bạn đã biết, chất lỏng có sức căng bề mặt. Sức căng bề mặt- ϶ᴛᴏ năng lượng bề mặt trên một đơn vị bề mặt: ϭ = E/S, trong đó ϭ là sức căng bề mặt; E – năng lượng bề mặt; S – diện tích bề mặt. Liên kết giữa các phân tử trong chất lỏng càng mạnh thì sức căng bề mặt của nó càng lớn. Những chất làm giảm sức căng bề mặt được gọi là chất hoạt động bề mặt.

Một tính chất khác của chất lỏng là độ nhớt. Độ nhớt là lực cản xảy ra khi một số lớp chất lỏng chuyển động so với các lớp khác khi nó chuyển động. Một số chất lỏng có độ nhớt cao (mật ong, mala), trong khi một số chất lỏng khác có độ nhớt thấp (nước, rượu etylic).

3. Ở trạng thái khí của một chất, năng lượng tương tác giữa các phân tử của các hạt nhỏ hơn động năng của chúng. Vì lý do này, các phân tử khí không được giữ lại với nhau mà chuyển động tự do trong thể tích. Khí được đặc trưng bởi các đặc tính sau: 1) phân bố đồng đều trong toàn bộ thể tích của bình chứa chúng; 2) mật độ thấp so với chất lỏng và chất rắn; 3) khả năng nén dễ dàng.

Trong chất khí, các phân tử nằm ở khoảng cách rất xa nhau, lực hút giữa chúng rất nhỏ. Ở khoảng cách lớn giữa các phân tử, những lực này thực tế không có. Chất khí ở trạng thái này thường được gọi là lý tưởng. Khí thực ở áp suất cao và nhiệt độ thấp không tuân theo phương trình trạng thái của khí lý tưởng (phương trình Mendeleev-Clapeyron), vì trong những điều kiện này, lực tương tác giữa các phân tử bắt đầu xuất hiện.