أسئلة حول ماهية حالة التجميع ، وما هي الميزات والخصائص التي تحتوي على المواد الصلبة والسوائل والغازات ، يتم أخذها في الاعتبار في العديد من الدورات التدريبية. هناك ثلاث حالات كلاسيكية للمادة ، لها سماتها المميزة الخاصة بالهيكل. يعتبر فهمهم نقطة مهمة في فهم علوم الأرض والكائنات الحية وأنشطة الإنتاج. تتم دراسة هذه الأسئلة عن طريق الفيزياء والكيمياء والجغرافيا والجيولوجيا والكيمياء الفيزيائية وغيرها من التخصصات العلمية. يمكن أن تتغير المواد التي تخضع لظروف معينة في أحد الأنواع الأساسية الثلاثة للحالة بزيادة أو نقصان درجة الحرارة أو الضغط. ضع في اعتبارك التحولات المحتملة من حالة تجميع إلى أخرى ، حيث يتم إجراؤها في الطبيعة والتكنولوجيا والحياة اليومية.
ما هي حالة التجميع؟
الكلمة ذات الأصل اللاتيني "أجريجو" مترجمة إلى الروسية تعني "إرفاق". يشير المصطلح العلمي إلى حالة نفس الجسم ، المادة. التواجد عند قيم درجة حرارة معينة وضغوط مختلفة من المواد الصلبة ،الغازات والسوائل هي سمة مميزة لجميع قذائف الأرض. بالإضافة إلى حالات التجميع الأساسية الثلاث ، هناك أيضًا حالة رابعة. عند درجة حرارة مرتفعة وضغط ثابت ، يتحول الغاز إلى بلازما. لفهم ماهية حالة التجمع بشكل أفضل ، من الضروري تذكر أصغر الجسيمات التي تتكون منها المواد والأجسام.
يوضح الرسم البياني أعلاه: أ - غاز ؛ ب - سائل ج جسم صلب. في مثل هذه الأشكال ، تشير الدوائر إلى العناصر الهيكلية للمواد. هذا رمز ، في الواقع ، الذرات والجزيئات والأيونات ليست كرات صلبة. تتكون الذرات من نواة موجبة الشحنة تتحرك حولها الإلكترونات سالبة الشحنة بسرعة عالية. تساعد معرفة التركيب المجهري للمادة على فهم الاختلافات الموجودة بين الأشكال التجميعية المختلفة بشكل أفضل.
تمثيلات للعالم المصغر: من اليونان القديمة إلى القرن السابع عشر
ظهرت المعلومات الأولى عن الجسيمات التي تتكون منها الأجسام المادية في اليونان القديمة. قدم المفكرون ديموقريطس وأبيقور مفهومًا كذرة. لقد اعتقدوا أن هذه الجسيمات الأصغر غير القابلة للتجزئة من مواد مختلفة لها شكل وأحجام معينة وقادرة على الحركة والتفاعل مع بعضها البعض. أصبح علم الذرات أكثر تعاليم اليونان القديمة تقدمًا في ذلك الوقت. لكن تطورها تباطأ في العصور الوسطى. منذ ذلك الحين ، اضطهد العلماء من قبل محاكم التفتيش التابعة للكنيسة الكاثوليكية الرومانية. لذلك ، حتى العصر الحديث ، لم يكن هناك مفهوم واضح لماهية حالة تجميع المادة. فقط بعد القرن السابع عشرصاغ العلماء R. Boyle و M. Lomonosov و D. D alton و A. Lavoisier أحكام النظرية الجزيئية الذرية التي لم تفقد أهميتها حتى اليوم.
الذرات ، الجزيئات ، الأيونات هي جزيئات مجهرية لبنية المادة
حدث اختراق مهم في فهم العالم المصغر في القرن العشرين ، عندما تم اختراع المجهر الإلكتروني. مع الأخذ في الاعتبار الاكتشافات التي قام بها العلماء في وقت سابق ، كان من الممكن تكوين صورة متناغمة للعالم الصغير. النظريات التي تصف حالة وسلوك أصغر جسيمات المادة معقدة للغاية ؛ فهي تنتمي إلى مجال فيزياء الكم. لفهم ميزات الحالات التجميعية المختلفة للمادة ، يكفي معرفة أسماء وخصائص الجسيمات الهيكلية الرئيسية التي تشكل مواد مختلفة.
- الذرات هي جزيئات غير قابلة للتجزئة كيميائيا. محفوظة في التفاعلات الكيميائية ، لكنها دمرت في النووية. المعادن والعديد من المواد الأخرى ذات التركيب الذري لها حالة صلبة من التجميع في ظل الظروف العادية.
- الجزيئات هي جزيئات تتفكك وتتشكل في تفاعلات كيميائية. يحتوي التركيب الجزيئي على الأكسجين والماء وثاني أكسيد الكربون والكبريت. الحالة الكلية للأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكبريت والكربون والأكسجين في الظروف العادية تكون غازية.
- الأيونات هي جسيمات مشحونة تتحول إليها الذرات والجزيئات عندما تكتسب أو تفقد إلكترونات - جسيمات مجهرية سالبة الشحنة. العديد من الأملاح لها بنية أيونية ، على سبيل المثال ملح الطعام وكبريتات الحديد والنحاس
هناك مواد يتم ترتيب جزيئاتها بطريقة معينة في الفضاء. مرتب الموقف النسبيالذرات والأيونات والجزيئات تسمى شعرية بلورية. عادةً ما تكون المشابك البلورية الأيونية والذرية نموذجية للمواد الصلبة والجزيئية للسوائل والغازات. الماس لديه صلابة عالية. تتكون شبكتها البلورية الذرية من ذرات الكربون. لكن الجرافيت الناعم يتكون أيضًا من ذرات هذا العنصر الكيميائي. فقط هم موجودون بشكل مختلف في الفضاء. الحالة المعتادة لتجمع الكبريت تكون صلبة ، ولكن عند درجات الحرارة العالية تتحول المادة إلى سائل وكتلة غير متبلورة.
المواد في حالة صلبة من التجميع
تحتفظ الأجسام الصلبة في الظروف العادية بحجمها وشكلها. على سبيل المثال ، حبة رمل ، حبة سكر ، ملح ، قطعة من الصخر أو المعدن. إذا تم تسخين السكر ، تبدأ المادة في الذوبان وتتحول إلى سائل بني لزج. توقف عن التسخين - مرة أخرى نحصل على مادة صلبة. هذا يعني أن أحد الشروط الرئيسية لانتقال مادة صلبة إلى سائل هو تسخينها أو زيادة الطاقة الداخلية لجزيئات المادة. يمكن أيضًا تغيير الحالة الصلبة لتراكم الملح المستخدم في الطعام. ولكن لإذابة ملح الطعام ، فإنك تحتاج إلى درجة حرارة أعلى من تلك التي عند تسخين السكر. الحقيقة هي أن السكر يتكون من جزيئات ، ويتكون ملح الطعام من أيونات مشحونة ، والتي تنجذب بقوة إلى بعضها البعض. المواد الصلبة في صورة سائلة لا تحتفظ بشكلها لأن المشابك البلورية تتكسر.
تفسر الحالة السائلة لتجمع الملح أثناء الذوبان من خلال كسر الرابطة بين الأيونات في البلورات. تم إصدارهاالجسيمات المشحونة التي يمكن أن تحمل الشحنات الكهربائية. تعمل الأملاح المنصهرة على توصيل الكهرباء وهي موصلات. في الصناعات الكيميائية والمعدنية والهندسية ، يتم تحويل المواد الصلبة إلى سوائل للحصول على مركبات جديدة منها أو منحها أشكالًا مختلفة. السبائك المعدنية تستخدم على نطاق واسع. هناك عدة طرق للحصول عليها مرتبطة بالتغيرات في حالة تجميع المواد الخام الصلبة.
السائل هو إحدى الحالات الأساسية للتجمع
إذا صببت 50 مل من الماء في دورق دائري ، يمكنك أن ترى أن المادة تأخذ على الفور شكل وعاء كيميائي. ولكن بمجرد أن نسكب الماء من القارورة ، ينتشر السائل على الفور على سطح الطاولة. سيبقى حجم الماء كما هو - 50 مل ، وسيتغير شكله. هذه السمات مميزة للشكل السائل لوجود المادة. السوائل هي مواد عضوية كثيرة: كحول ، زيوت نباتية ، أحماض.
الحليب مستحلب أي سائل فيه قطرات من الدهون. يعتبر الزيت من المعادن السائلة المفيدة. يتم استخراجها من الآبار باستخدام الحفارات البرية والبحرية. مياه البحر هي أيضا مادة خام للصناعة. يكمن اختلافها عن المياه العذبة للأنهار والبحيرات في محتوى المواد الذائبة ، وخاصة الأملاح. أثناء التبخر من سطح المسطحات المائية ، تمر جزيئات H2O فقط في حالة البخار ، وتبقى المواد المذابة. طرق الحصول على المواد المفيدة من مياه البحر وطرق تنقيتها تعتمد على هذه الخاصية.
متىالإزالة الكاملة للأملاح ، يتم الحصول على الماء المقطر. يغلي عند 100 درجة مئوية ويتجمد عند 0 درجة مئوية. تغلي المحاليل الملحية وتتحول إلى جليد عند درجات حرارة مختلفة. على سبيل المثال ، يتجمد الماء في المحيط المتجمد الشمالي عند درجة حرارة سطح 2 درجة مئوية.
الحالة الإجمالية للزئبق في ظل الظروف العادية عبارة عن سائل. عادة ما يتم ملء هذا المعدن الفضي الرمادي بمقاييس حرارة طبية. عند تسخينها ، يرتفع عمود الزئبق على نطاق واسع ، تتوسع المادة. لماذا تستخدم موازين الحرارة في الشوارع كحولًا أحمر اللون وليس الزئبق؟ ويفسر ذلك بخصائص المعدن السائل. عند الصقيع بدرجة 30 ، تتغير الحالة الإجمالية للزئبق ، وتصبح المادة صلبة.
إذا انكسر مقياس حرارة طبي وانسكب الزئبق ، فمن الخطير التقاط الكرات الفضية بيديك. استنشاق بخار الزئبق مضر ، فهذه المادة شديدة السمية. يجب على الأطفال في مثل هذه الحالات طلب المساعدة من والديهم والبالغين.
حالة الغاز
الغازات غير قادرة على الاحتفاظ بحجمها أو شكلها. املأ القارورة بالأكسجين إلى الأعلى (صيغتها الكيميائية هي O2). بمجرد فتح القارورة ، ستبدأ جزيئات المادة في الاختلاط مع هواء الغرفة. هذا بسبب الحركة البراونية. حتى العالم اليوناني القديم ديموقريطس اعتقد أن جسيمات المادة في حالة حركة مستمرة. في المواد الصلبة ، في ظل الظروف العادية ، لا تتاح للذرات والجزيئات والأيونات الفرصة لترك الشبكة البلورية ، لتحرير نفسها من الروابط مع الجسيمات الأخرى. هذا ممكن فقط عندماكميات كبيرة من الطاقة من الخارج.
في السوائل ، تكون المسافة بين الجسيمات أكبر قليلاً منها في المواد الصلبة ، فهي تتطلب طاقة أقل لكسر الروابط بين الجزيئات. على سبيل المثال ، يتم ملاحظة الحالة الكلية السائلة للأكسجين فقط عندما تنخفض درجة حرارة الغاز إلى -183 درجة مئوية. عند −223 درجة مئوية ، تشكل جزيئات O2مادة صلبة. عندما ترتفع درجة الحرارة عن القيم المعطاة ، يتحول الأكسجين إلى غاز. في هذا الشكل يكون في ظل الظروف العادية. توجد في المنشآت الصناعية منشآت خاصة لفصل الهواء الجوي والحصول على النيتروجين والأكسجين منه. أولاً ، يتم تبريد الهواء وتسييله ، ثم تزداد درجة الحرارة تدريجياً. يتحول النيتروجين والأكسجين إلى غازات تحت ظروف مختلفة.
يحتوي الغلاف الجوي للأرض على 21٪ أكسجين و 78٪ نيتروجين من حيث الحجم. في شكل سائل ، لا توجد هذه المواد في الغلاف الغازي للكوكب. للأكسجين السائل لون أزرق فاتح ويتم تعبئته بضغط عالٍ في أسطوانات لاستخدامها في المرافق الطبية. في الصناعة والبناء ، تعتبر الغازات المسالة ضرورية للعديد من العمليات. الأكسجين ضروري للحام بالغاز وقطع المعادن ، في الكيمياء - لتفاعلات الأكسدة للمواد غير العضوية والعضوية. إذا فتحت صمام أسطوانة الأكسجين ينخفض الضغط ويتحول السائل إلى غاز
البروبان المسال والميثان والبيوتان تستخدم على نطاق واسع في الطاقة والنقل والصناعة والأنشطة المنزلية. يتم الحصول على هذه المواد من الغاز الطبيعي أو عن طريق التكسير(تقسيم) النفط الخام. تلعب المخاليط الكربونية السائلة والغازية دورًا مهمًا في اقتصاد العديد من البلدان. لكن احتياطيات النفط والغاز الطبيعي استُنفدت بشدة. وفقًا للعلماء ، ستستمر هذه المادة الخام لمدة 100-120 عامًا. مصدر بديل للطاقة هو تدفق الهواء (الرياح). تستخدم الأنهار سريعة التدفق والمد والجزر على شواطئ البحار والمحيطات لتشغيل محطات توليد الطاقة.
الأكسجين ، مثل الغازات الأخرى ، يمكن أن يكون في الحالة الرابعة للتجمع ، ويمثل البلازما. يعتبر الانتقال غير المعتاد من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية سمة مميزة لليود البلوري. مادة أرجوانية داكنة تخضع للتسامي - تتحول إلى غاز ، متجاوزة الحالة السائلة.
كيف يتم الانتقال من شكل مجمع للمادة إلى آخر؟
التغييرات في الحالة الكلية للمواد لا ترتبط بالتحولات الكيميائية ، إنها ظواهر فيزيائية. عندما ترتفع درجة الحرارة ، تذوب العديد من المواد الصلبة وتتحول إلى سوائل. يمكن أن تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى التبخر ، أي إلى الحالة الغازية للمادة. في الطبيعة والاقتصاد ، هذه التحولات هي سمة من سمات واحدة من المواد الرئيسية على الأرض. الجليد والسائل والبخار هي حالة الماء في ظل ظروف خارجية مختلفة. المركب هو نفسه ، صيغته هي H2O. عند درجة حرارة 0 درجة مئوية وأقل من هذه القيمة ، يتبلور الماء ، أي يتحول إلى جليد. عندما ترتفع درجة الحرارة ، يتم تدمير البلورات الناتجة - يذوب الجليد ، ويتم الحصول على الماء السائل مرة أخرى. عندما يتم تسخينه يتكون بخار الماء. التبخر -تحويل الماء إلى غاز - يذهب حتى في درجات حرارة منخفضة. على سبيل المثال ، تختفي البرك المتجمدة تدريجيًا لأن الماء يتبخر. حتى في الطقس البارد ، تجف الملابس المبللة ، لكن هذه العملية تستغرق وقتًا أطول من الأيام الحارة.
جميع التحولات المدرجة للمياه من حالة إلى أخرى لها أهمية كبيرة لطبيعة الأرض. ترتبط ظواهر الغلاف الجوي والمناخ والطقس بتبخر المياه من سطح المحيطات ، وانتقال الرطوبة على شكل غيوم وضباب إلى الأرض ، وهطول الأمطار (المطر والثلج والبرد). تشكل هذه الظواهر أساس دورة المياه العالمية في الطبيعة.
كيف تتغير الحالات الكلية للكبريت؟
في الظروف العادية ، يكون الكبريت عبارة عن بلورات لامعة لامعة أو مسحوق أصفر فاتح ، أي أنه مادة صلبة. تتغير الحالة الكلية للكبريت عند التسخين. أولاً ، عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 190 درجة مئوية ، تذوب المادة الصفراء وتتحول إلى سائل متحرك.
إذا صببت الكبريت السائل بسرعة في الماء البارد ، تحصل على كتلة بنية غير متبلورة. مع زيادة تسخين ذوبان الكبريت ، يصبح أكثر وأكثر لزوجة ويظلم. عند درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية ، تتغير حالة تراكم الكبريت مرة أخرى ، تكتسب المادة خصائص السائل ، وتصبح متحركة. تحدث هذه التحولات بسبب قدرة ذرات العنصر على تكوين سلاسل بأطوال مختلفة.
لماذا يمكن أن تكون المواد في حالات فيزيائية مختلفة؟
حالة تجمع الكبريت - مادة بسيطة - صلبة في ظل الظروف العادية. ثاني أكسيد الكبريت - غاز ، حامض الكبريتيك -سائل زيتي أثقل من الماء. على عكس أحماض الهيدروكلوريك والنتريك ، فهو ليس متطايرًا ، ولا تتبخر الجزيئات من سطحه. ما هي حالة تراكم الكبريت البلاستيكي التي يتم الحصول عليها عن طريق تسخين البلورات؟
في شكل غير متبلور ، تحتوي المادة على هيكل سائل ، مع سيولة طفيفة. لكن الكبريت البلاستيكي يحتفظ في نفس الوقت بشكله (كمادة صلبة). توجد بلورات سائلة لها عدد من الخصائص المميزة للمواد الصلبة. وبالتالي ، فإن حالة المادة في ظل ظروف مختلفة تعتمد على طبيعتها ودرجة حرارتها وضغطها والظروف الخارجية الأخرى.
ما هي السمات في هيكل المواد الصلبة؟
يتم تفسير الاختلافات الموجودة بين الحالات التجميعية الأساسية للمادة من خلال التفاعل بين الذرات والأيونات والجزيئات. على سبيل المثال ، لماذا تؤدي الحالة التراكمية الصلبة للمادة إلى قدرة الأجسام على الحفاظ على الحجم والشكل؟ في الشبكة البلورية للمعدن أو الملح ، تنجذب الجزيئات الهيكلية إلى بعضها البعض. في المعادن ، تتفاعل الأيونات الموجبة الشحنة مع ما يسمى بـ "غاز الإلكترون" - وهو تراكم الإلكترونات الحرة في قطعة معدنية. تنشأ بلورات الملح بسبب جاذبية الجسيمات المشحونة - الأيونات. المسافة بين الوحدات الهيكلية المذكورة أعلاه للمواد الصلبة أصغر بكثير من حجم الجسيمات نفسها. في هذه الحالة ، يعمل التجاذب الكهروستاتيكي ، ويعطي القوة ، والتنافر ليس قوياً بما فيه الكفاية.
لتدمير الحالة الصلبة لتجميع المادة ، من الضرورييبذل جهد. تذوب المعادن والأملاح والبلورات الذرية في درجات حرارة عالية جدًا. على سبيل المثال ، يصبح الحديد سائلاً عند درجات حرارة أعلى من 1538 درجة مئوية. التنجستن مقاوم للصهر ويستخدم لصنع خيوط متوهجة للمصابيح الكهربائية. هناك سبائك تصبح سائلة عند درجات حرارة أعلى من 3000 درجة مئوية. العديد من الصخور والمعادن على الأرض في حالة صلبة. يتم استخراج هذه المادة الخام بمساعدة المعدات في المناجم والمحاجر.
لفصل أيون واحد عن البلورة ، من الضروري إنفاق كمية كبيرة من الطاقة. لكن بعد كل شيء ، يكفي إذابة الملح في الماء حتى تتفكك الشبكة البلورية! تفسر هذه الظاهرة بالخصائص المذهلة للماء كمذيب قطبي. H2O تتفاعل جزيئات O مع أيونات الملح ، وتدمر الرابطة الكيميائية بينها. وبالتالي ، فإن الذوبان ليس مجرد خلط لمواد مختلفة ، بل تفاعل فيزيائي وكيميائي بينهما.
كيف تتفاعل جزيئات السوائل؟
يمكن أن يكون الماء سائلًا وصلبًا وغازًا (بخارًا). هذه هي حالات التجميع الرئيسية في ظل الظروف العادية. تتكون جزيئات الماء من ذرة أكسجين واحدة مع ذرتين من الهيدروجين مرتبطة بها. يوجد استقطاب للرابطة الكيميائية في الجزيء ، تظهر شحنة سالبة جزئية على ذرات الأكسجين. يصبح الهيدروجين هو القطب الموجب في الجزيء وينجذب إلى ذرة الأكسجين لجزيء آخر. هذه القوة الضعيفة تسمى "رابطة الهيدروجين".
تميز الحالة السائلة للتجميعمسافات بين الجسيمات الهيكلية مماثلة لأحجامها. التجاذب موجود ولكنه ضعيف فلا يحتفظ الماء بشكله. يحدث التبخر نتيجة تدمير الروابط التي تحدث على سطح السائل حتى في درجة حرارة الغرفة.
هل توجد تفاعلات بين الجزيئات في الغازات؟
تختلف الحالة الغازية للمادة عن الحالة السائلة والصلبة في عدد من المعلمات. بين الجزيئات الهيكلية للغازات توجد فجوات كبيرة ، أكبر بكثير من حجم الجزيئات. في هذه الحالة ، لا تعمل قوى الجذب على الإطلاق. تعتبر حالة التجميع الغازية مميزة للمواد الموجودة في الهواء: النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون. في الصورة أدناه المكعب الأول مليء بالغاز ، والمكعب الثاني بسائل ، والثالث بمادة صلبة.
العديد من السوائل متطايرة ، جزيئات مادة ما تنفصل عن سطحها وتنتقل إلى الهواء. على سبيل المثال ، إذا أحضرت قطعة قطن مغموسة في الأمونيا إلى فتحة زجاجة مفتوحة من حمض الهيدروكلوريك ، يظهر دخان أبيض. في الهواء مباشرة ، يحدث تفاعل كيميائي بين حمض الهيدروكلوريك والأمونيا ، يتم الحصول على كلوريد الأمونيوم. في أي حالة من المواد هذه المادة؟ جزيئاته ، التي تشكل دخانًا أبيض ، هي أصغر بلورات ملح صلبة. يجب إجراء هذه التجربة تحت غطاء دخان ، المواد سامة.
الخلاصة
تمت دراسة حالة تراكم الغاز من قبل العديد من الفيزيائيين والكيميائيين البارزين: Avogadro ، Boyle ، Gay-Lussac ،كلابيرون ، مندليف ، لو شاتيليه. صاغ العلماء قوانين تشرح سلوك المواد الغازية في التفاعلات الكيميائية عندما تتغير الظروف الخارجية. الانتظام المفتوحة لم تدخل فقط في كتب الفيزياء والكيمياء المدرسية والجامعية. تعتمد العديد من الصناعات الكيميائية على المعرفة حول سلوك وخصائص المواد في حالات التجميع المختلفة.
