În această secțiune, vom analiza stări agregate, în care rezidă materia înconjurătoare și forțele de interacțiune dintre particulele de materie, inerente fiecăreia dintre stările agregate.
1. Stare solidă,
2. Stare lichidași
3. Stare gazoasă.
A patra stare de agregare se distinge adesea - plasmă.
Uneori, o stare plasmatică este considerată un tip de stare gazoasă.
Plasma - gaz ionizat parțial sau complet, cel mai adesea existând la temperaturi ridicate.
Plasma este cea mai comună stare a materiei din univers, deoarece materia stelelor se află în această stare.
Pentru fiecare stare agregată trăsături caracteristice în natura interacțiunii dintre particulele unei substanțe, care afectează proprietățile sale fizice și chimice.
Fiecare substanță poate fi în diferite stări de agregare. La temperaturi suficient de scăzute, toate substanțele sunt în stare solidă... Dar pe măsură ce se încălzesc, devin lichide, atunci gaze... La încălzirea ulterioară, se ionizează (atomii își pierd o parte din electroni) și trec în stare plasmă.
Gaz
Stare gazoasă(din Dutch.gas, se întoarce la greaca veche. Χάος ) caracterizată prin legături foarte slabe între particulele sale constitutive.
Moleculele sau atomii care formează gazul se mișcă haotic și, în cea mai mare parte a timpului, se află la distanțe mari (în comparație cu dimensiunea lor) unul de celălalt. Prin urmare forțele de interacțiune dintre particulele de gaz sunt neglijabile.
Principala caracteristică a gazului este că umple tot spațiul disponibil fără a forma o suprafață. Gazele sunt întotdeauna amestecate. Gazul este o substanță izotropă, adică proprietățile sale sunt independente de direcție.
În absența forțelor gravitaționale presiune la toate punctele gazului la fel. În câmpul forțelor gravitaționale, densitatea și presiunea nu sunt aceleași în fiecare punct, scăzând cu înălțimea. În consecință, în câmpul gravitațional, amestecul de gaze devine neomogen. Gazele grele tind să se scufunde mai jos și mai mult plămânii- pentru a merge sus.
Gazul are o compresibilitate ridicată- odată cu creșterea presiunii, densitatea acestuia crește. Când temperatura crește, acestea se extind.
Când este comprimat, gazul se poate transforma în lichid, dar condensul nu apare la nicio temperatură, ci la o temperatură sub temperatura critică. Temperatura critică este o caracteristică a unui anumit gaz și depinde de forțele de interacțiune dintre moleculele sale. Deci, de exemplu, gazul heliu poate fi lichefiat numai la temperaturi mai mici 4.2K.
Există gaze care, când sunt răcite, trec într-un solid, ocolind faza lichidă. Transformarea unui lichid într-un gaz se numește evaporare, iar transformarea directă a unui solid într-un gaz este sublimare.
Solid
Stare solidăîn comparație cu alte stări de agregare caracterizată prin stabilitatea formei.
Distinge cristalinși solide amorfe.
Starea cristalină a materiei
Stabilitatea formei solidelor se datorează faptului că majoritatea celor în stare solidă au structură cristalină.
În acest caz, distanțele dintre particulele substanței sunt mici, iar forțele de interacțiune dintre ele sunt mari, ceea ce determină stabilitatea formei.
Este ușor să fii convins de structura cristalină a multor solide prin divizarea unei bucăți de materie și examinarea fracturii rezultate. De obicei, pe o fractură (de exemplu, în zahăr, sulf, metale etc.), fețele mici de cristal situate la unghiuri diferite sunt clar vizibile, sclipitoare datorită reflectării diferite a luminii de către acestea.
În cazurile în care cristalele sunt foarte mici, structura cristalină a unei substanțe poate fi stabilită cu ajutorul unui microscop.
Forme de cristal
Fiecare substanță se formează cristale de o formă complet definită.
Varietatea formelor cristaline poate fi rezumată în șapte grupe:
1. Triclinnaya(paralelipiped),
2.Monoclinic(o prismă cu un paralelogram la bază),
3. Rombic(paralelipiped dreptunghiular),
4. Tetragonal(paralelipiped dreptunghiular cu un pătrat la bază),
5. Trigonal,
6. Hexagonal(prisma cu baza corectului centrat
hexagon),
7. Cub(cub).
Multe substanțe, în special fier, cupru, diamant, clorură de sodiu, cristalizează în sistem cubic... Cele mai simple forme ale acestui sistem sunt cub, octaedru, tetraedru.
Se cristalizează magneziu, zinc, gheață, cuarț sistem hexagonal... Principalele forme ale acestui sistem sunt - prisme hexagonale și bipiramidă.
Cristalele naturale, precum și cristalele obținute prin mijloace artificiale, rareori corespund exact formelor teoretice. De obicei, atunci când substanța topită se solidifică, cristalele cresc împreună și, prin urmare, forma fiecăruia dintre ele se dovedește a nu fi complet corectă.
Cu toate acestea, indiferent cât de inegal se produce dezvoltarea cristalului, oricât de distorsionată ar fi forma acestuia, unghiurile la care fețele cristalului converg pentru aceeași substanță rămân constante.
Anizotropie
Caracteristicile corpurilor cristaline nu se limitează doar la forma cristalelor. Deși substanța dintr-un cristal este complet omogenă, multe dintre proprietățile sale fizice - rezistență, conductivitate termică, atitudine față de lumină etc. - nu sunt întotdeauna aceleași în direcții diferite în interiorul cristalului. Această caracteristică importantă a substanțelor cristaline se numește anizotropie.
Structura internă a cristalelor. Rețele cristaline.
Forma exterioară a unui cristal reflectă structura sa internă și se datorează aranjării corecte a particulelor care alcătuiesc cristalul - molecule, atomi sau ioni.
Acest aranjament poate fi reprezentat ca zăbrele de cristal- un cadru de zăbrele format din linii drepte care se intersectează. În punctele de intersecție a liniilor - noduri cu zăbrele- centrele particulelor se află.
În funcție de natura particulelor situate în nodurile rețelei cristaline și de ce forțe de interacțiune dintre ele predomină într-un cristal dat, se disting următoarele tipuri rețele de cristal:
1.moleculare,
2.atomic,
3.ionicși
4.metal.
Rețelele moleculare și atomice sunt inerente substanțelor cu legătură covalentă, compușilor ionico-ionici, metal-metale și aliajele acestora.
Atomii se află în nodurile rețelelor atomice... Sunt legate între ele legătură covalentă.
Există relativ puține substanțe cu rețele atomice. Acestea includ diamant, siliciuși unii compuși anorganici.
Aceste substanțe se caracterizează prin duritate ridicată, sunt refractare și insolubile în aproape orice solvenți. Aceste proprietăți se datorează rezistenței lor legătură covalentă.
Moleculele sunt localizate la nivelul rețelelor moleculare... Sunt legate între ele forte intermoleculare.
Există o mulțime de substanțe cu rețea moleculară. Acestea includ nemetalice, cu excepția carbonului și siliciului, toate compusi organici cu comunicare neionică și mulți compuși anorganici.
Forțele interacțiunii intermoleculare sunt mult mai slabe decât forțele legăturilor covalente, prin urmare cristalele moleculare au duritate scăzută, fuzibile și volatile.
La locurile rețelelor ionice sunt localizate, alternând ioni încărcați pozitiv și negativ... Sunt legați între ei de forțe atracție electrostatică.
Compușii cu legături ionice care formează rețele ionice includ cele mai multe săruri și puțini oxizi.
Prin putere rețele ionice inferioare atomice, dar depășesc molecular.
Compușii ionici au puncte de topire relativ ridicate. În majoritatea cazurilor, volatilitatea lor nu este mare.
La locul rețelelor metalice sunt atomi de metal, între care electronii comuni acestor atomi se mișcă liber.
Prezența electronilor liberi în rețelele de cristal ale metalelor poate explica numeroasele lor proprietăți: plasticitate, maleabilitate, luciu metalic, conductivitate electrică și termică ridicată
Există substanțe în cristale, dintre care două tipuri de interacțiuni între particule joacă un rol semnificativ. Deci, în grafit, atomii de carbon sunt legați între ei în aceleași direcții. legătură covalentă, iar în altele - metal... Prin urmare, rețeaua de grafit poate fi, de asemenea, considerată ca fiind atomic, Si cum metal.
În mulți compuși anorganici, de exemplu, în BeO, ZnS, CuCl, conexiunea dintre particulele situate la nodurile de rețea este parțial ionicși parțial covalent... Prin urmare, rețelele acestor compuși pot fi privite ca intermediare între ionicși atomic.
Starea amorfă a materiei
Proprietățile substanțelor amorfe
Printre solide, există cele în fractura cărora nu pot fi găsite semne de cristale. De exemplu, dacă spargeți o bucată de sticlă obișnuită, atunci fractura sa va fi netedă și, spre deosebire de fracturile de cristal, este limitată nu la suprafețe plane, ci la suprafețe ovale.
Un model similar este observat atunci când bucăți de rășină, adeziv și alte substanțe sunt despărțite. Această stare a materiei se numește amorf.
Diferență între cristalinși amorf corpurile sunt deosebit de pronunțate în atitudinea lor față de încălzire.
În timp ce cristalele fiecărei substanțe se topesc la o temperatură strict definită și la aceeași temperatură există o tranziție de la un lichid la o stare solidă, corpurile amorfe nu au un punct de topire constant... Când este încălzit, corpul amorf se înmoaie treptat, începe să se răspândească și, în cele din urmă, devine complet lichid. Când este răcit, este și el se întărește treptat.
Datorită absenței unui punct de topire specific, corpurile amorfe au o capacitate diferită: multe dintre ele curg ca lichide, adică cu acțiune prelungită a forțelor relativ mici, își schimbă treptat forma. De exemplu, o bucată de rășină, așezată pe o suprafață plană, se întinde câteva săptămâni într-o cameră caldă, luând forma unui disc.
Structura substanțelor amorfe
Diferență între cristalină și amorfă starea materiei este următoarea.
Dispunerea ordonată a particulelor într-un cristal reflectată de celula unitară este reținută pe suprafețe mari de cristale, iar în cazul cristalelor bine formate - în întregime.
În corpurile amorfe, ordinea în aranjarea particulelor este observată numai în zone foarte mici... În plus, într-un număr de corpuri amorfe chiar și această ordonare locală este doar aproximativă.
Această distincție poate fi rezumată după cum urmează:
- structura cristalină se caracterizează prin ordinea pe termen lung,
- structura corpurilor amorfe - pentru vecini.
Exemple de substanțe amorfe.
Substanțele amorfe stabile includ sticlă(artificial și vulcanic), natural și artificial rășini, adezivi, parafină, ceară si etc.
Trecerea de la starea amorfă la cea cristalină.
Unele substanțe pot fi atât în stare cristalină, cât și în stare amorfă. Dioxid de siliciu SiO2 apare în mod natural ca fiind bine educat cristale de cuarț, precum și în starea amorfă ( silex mineral).
Unde starea cristalină este întotdeauna mai stabilă... Prin urmare, este imposibilă o tranziție spontană de la o substanță cristalină la una amorfă, iar transformarea inversă - o tranziție spontană de la o stare amorfă la o stare cristalină - este posibilă și uneori observată.
Un exemplu al unei astfel de transformări este devitrificare- cristalizarea spontană a sticlei la temperaturi ridicate, însoțită de distrugerea acesteia.
Stat amorf multe substanțe se obțin cu o rată ridicată de solidificare (răcire) a topiturii lichide.
Pentru metale și aliaje stare amorfa se formează, de regulă, dacă topirea este răcită într-un timp de ordinul fracțiilor de zeci de milisecunde. Pentru sticlă, este suficientă o rată de răcire mult mai mică.
Cuarţ (SiO2) are, de asemenea, o rată mică de cristalizare. Prin urmare, produsele aruncate din acesta sunt amorfe. Cu toate acestea, cuarțul natural, care avea sute și mii de ani de cristalizat în timpul răcirii scoarței terestre sau a straturilor adânci de vulcani, are o structură grosieră-cristalină, spre deosebire de sticla vulcanică, înghețată la suprafață și, prin urmare, amorfă.
Lichide
Lichidul este o stare intermediară între un solid și un gaz.
Stare lichida este intermediar între gazos și cristalin. Conform unor proprietăți, lichidele sunt aproape de gaze, pe alții - să solide.
Cu gazele, lichidele sunt reunite, în primul rând, de către izotropieși fluiditate... Acesta din urmă determină capacitatea lichidului de a-și schimba ușor forma.
dar densitate mareși compresibilitate redusă lichidele le apropie de ele solide.
Capacitatea lichidelor de a-și schimba cu ușurință forma indică absența forțelor rigide de interacțiune intermoleculară în ele.
În același timp, compresibilitatea redusă a lichidelor, care determină capacitatea de a menține un volum constant la o anumită temperatură, indică prezența, deși nu rigidă, dar totuși forțe semnificative de interacțiune între particule.
Raportul dintre energia potențială și energia cinetică.
Fiecare stare de agregare este caracterizată de propriul raport între potențialul și energiile cinetice ale particulelor de materie.
La solide, energia potențială medie a particulelor este mai mare decât energia cinetică medie a acestora. Prin urmare, în solide, particulele ocupă anumite poziții una față de cealaltă și vibrează numai față de aceste poziții.
Pentru gaze, raportul energetic este invers, ca urmare a căruia moleculele de gaz sunt întotdeauna într-o stare de mișcare haotică și forțele de aderență dintre molecule sunt practic absente, astfel încât gazul ocupă întotdeauna întregul volum care i-a fost furnizat.
În cazul lichidelor, energiile cinetice și potențiale ale particulelor sunt aproximativ aceleași, adică particulele sunt conectate între ele, dar nu rigid. Prin urmare, lichidele sunt fluide, dar au un volum constant la o temperatură dată.
Structurile lichidelor și ale corpurilor amorfe sunt similare.
Ca rezultat al aplicării metodelor de analiză structurală la lichide, sa constatat că structura lichidele sunt ca niște corpuri amorfe... Majoritatea lichidelor au ordine strânsă- numărul celor mai apropiați vecini pentru fiecare moleculă și poziția lor relativă sunt aproximativ aceleași în întregul volum al lichidului.
Gradul de ordonare a particulelor este diferit pentru diferite lichide. În plus, se schimbă odată cu temperatura.
La temperaturi scăzute, depășind ușor punctul de topire al unei substanțe date, gradul de ordonare a aranjării particulelor unui lichid dat este ridicat.
Pe măsură ce temperatura crește, aceasta scade și pe măsură ce se încălzește, proprietățile lichidului se apropie tot mai mult de proprietățile gazului... Când se atinge temperatura critică, distincția dintre lichid și gaz dispare.
Datorită similitudinii în structura internă a lichidelor și a corpurilor amorfe, acestea din urmă sunt adesea considerate lichide cu o vâscozitate foarte mare și numai substanțele în stare cristalină sunt denumite solide.
Prin asemănare corpuri amorfe lichidele, totuși, trebuie amintit că în corpurile amorfe, spre deosebire de lichidele obișnuite, particulele au o mobilitate nesemnificativă - la fel ca în cristale.
- Stare solidă
- Stare lichida
- Stare gazoasă
- Schimbarea stării materiei
Studiile de chimie contează. Ce este „substanța”? Substanța este tot ceea ce are masă și volum. O substanță poate fi în una din cele trei stări de agregare: solid, lichid, gazos.
1. Stare solidă
Particulele (moleculele) dintr-un solid sunt combinate într-o structură rigidă repetată - zăbrele de cristal... Particulele din rețeaua de cristal produc mici vibrații în jurul centrelor de echilibru. Solidul are formăși volum.
2. Stare lichidă
Spre deosebire de solide, un lichid nu are o formă definită, ci are un volum. Acest lucru se datorează faptului că în lichide particulele se află la o distanță mai mare una de alta decât în solide și se mișcă mai activ.
Deoarece particulele din lichide sunt localizate mai puțin dens decât în solidele, ele nu pot forma o rețea cristalină, prin urmare, lichidele nu au o formă definită.
3. Starea gazoasă
Particulele dintr-un gaz sunt situate la distanțe chiar mai mari decât în lichide. Mai mult, particulele sunt în mod constant în mișcare haotică (dezordonată). Prin urmare, gazele tind să umple în mod uniform volumul oferit acestora (de unde și faptul că gazele nu au o formă definită).
4. Schimbarea stării materiei
Să luăm un exemplu banal și să urmăm procesul de schimbare a stării apei.
În stare solidă, apa este gheață. Temperatura gheții este mai mică de 0 o C. Când este încălzită, gheața începe să se topească și să se transforme în apă. Acest lucru se datorează faptului că particulele de gheață din rețeaua de cristal încep să se miște atunci când sunt încălzite, drept urmare rețeaua este distrusă. Se numește temperatura la care se topește o substanță punct de topire substanțe. Punctul de topire al apei este de 0 ° C.
Trebuie remarcat faptul că până la topirea completă a gheții, temperatura gheții va fi de 0 ° C.
| În timpul schimbărilor de fază ale materiei, temperatura rămâne constantă |
După ce gheața s-a transformat complet în apă, vom continua să încălzim. Temperatura apei va crește, iar mișcarea particulelor sub influența căldurii se va accelera din ce în ce mai mult. Acest lucru se întâmplă până când apa atinge următorul punct de schimbare de stare - fierbere.
Acest moment vine când legăturile particulelor de apă sunt complet rupte și mișcarea lor devine liberă: apa se transformă în abur.
| Se numește procesul de tranziție a unei substanțe de la un lichid la o stare gazoasă fierbere |
Se numește temperatura la care fierbe lichidul Punct de fierbere.
Vă rugăm să rețineți că punctul de fierbere depinde de presiune. La presiune normală (760 mm Hg), punctul de fierbere al apei este de 100 o C.
Prin analogie cu topirea: până când apa se transformă complet în abur, temperatura va fi constantă.
Rezuma. Ca rezultat al încălzirii, am obținut diferite stări de fază ale apei:
Gheață → apă → abur sau H 2 0 (s) → H 2 0 (l) → H 2 0 (g)
Ce se întâmplă dacă începem să răcim vaporii de apă? Nu trebuie să fiți „șapte întinderi în frunte” pentru a ghici - va avea loc procesul invers al schimbărilor de fază în apă:
Abur → apă → gheață
Există unele substanțe care trec direct de la o stare solidă la o stare gazoasă, ocolind faza lichidă. Acest proces se numește sublimare sau sublimare... Deci, de exemplu, se comportă „gheața uscată” (dioxid de azot CO 2). Când se încălzește, nu veți vedea o picătură de apă - „gheața uscată” va părea să se evapore în fața ochilor noștri.
Se numește procesul invers de sublimare (tranziția unei substanțe de la un gaz la o stare solidă) desublimare.
Stabilirea unei ordini ideale în dispunerea atomilor, adică formarea unui solid, este împiedicată de mișcările termice, a căror caracteristică principală este, după cum știm, haosul și tulburarea. Prin urmare, pentru ca o substanță să fie în stare solidă, temperatura acesteia trebuie să fie suficient de scăzută - atât de scăzută încât energia mișcărilor termice să fie mai mică decât energia potențială de interacțiune a atomilor.
Un cristal complet ideal, în care toți atomii sunt în echilibru și au energie minimă, un corp poate fi doar la zero absolut. De fapt, toate substanțele devin solide la temperaturi mult mai ridicate. Singura excepție este heliul, care rămâne lichid chiar și la zero absolut, dar acest lucru se datorează unor efecte cuantice, pe care le vom discuta pe scurt mai jos.
O substanță poate intra într-o stare solidă atât dintr-un lichid, cât și dintr-o stare gazoasă. În ambele cazuri, o astfel de tranziție este o tranziție de la o stare lipsită de simetrie la o stare în care simetria există (aceasta se referă în orice caz la ordinea pe termen lung care există în cristale, dar nu există nici în substanțe lichide, nici gazoase ) ... Prin urmare, trecerea la starea solidă trebuie să se producă brusc, adică la o anumită temperatură, spre deosebire de trecerea de la gaz la lichid, care, după cum știm, poate avea loc și în mod continuu.
Să luăm în considerare mai întâi transformarea lichid-solid. Procesul de formare a unui solid la răcirea unui lichid este un proces de formare a cristalelor (cristalizare) (și are loc la o anumită temperatură de cristalizare sau solidificare. Deoarece în timpul unei astfel de transformări energia scade, este însoțită de eliberare de energie sub formă de căldură latentă de cristalizare - apare de asemenea brusc la aceeași temperatură și este însoțită de absorbția energiei sub formă
acea căldură de fuziune, egală în mărime cu căldura cristalizării.
Acest lucru este clar văzut din graficul dependenței temperaturii lichidului de răcire de timp, prezentat în Fig. 179 (curba a). Secțiunea 1 a curbei a oferă cursul unei scăderi monotone a temperaturii lichidului datorită eliminării căldurii din acesta. Secțiunea orizontală 2 arată că la o anumită valoare a temperaturii, scăderea acesteia se oprește, în ciuda faptului că îndepărtarea căldurii continuă. După un timp, temperatura începe să scadă din nou (secțiunea 3). Temperatura corespunzătoare secțiunii 2 este temperatura de cristalizare. Căldura eliberată în timpul cristalizării compensează îndepărtarea căldurii din substanță și, prin urmare, scăderea temperaturii este oprită temporar. După sfârșitul procesului de cristalizare, temperatura corpului acum solid începe să scadă din nou.
Acest curs al graficului scăderii temperaturii este tipic pentru corpurile cristaline. La răcirea lichidelor care nu cristalizează (substanțe amorfe), nu se eliberează căldură latentă și graficul de răcire este o curbă monotonă fără a opri răcirea.
În procesul invers al tranziției unei substanțe de la o stare solidă la o stare lichidă (topire), se observă o oprire a creșterii temperaturii pe curba de încălzire, datorită absorbției căldurii latente de topire - căldură, datorată la care se produce distrugerea rețelei de cristal (curba din Fig. 179).
Pentru începutul cristalizării, este necesară prezența unui centru sau a unor centre de cristalizare. Astfel de centre ar putea servi ca acumulări aleatorii de particule lichide care se aderă una la cealaltă, la care se pot uni din ce în ce mai multe particule până când întregul lichid se transformă într-un solid. Cu toate acestea, formarea unor astfel de acumulări în lichid în sine este împiedicată de mișcări termice, care le distrug chiar înainte de a avea timp să dobândească orice dimensiune vizibilă. Cristalizarea este mult facilitată dacă particule solide suficient de mari sub formă de boabe de praf și corpuri sunt prezente încă de la început în lichid, care devin centre de cristalizare.
Formarea centrelor de cristalizare în lichidul în sine este facilitată, desigur, cu scăderea temperaturii. Prin urmare, cristalizarea unui lichid pur, lipsit de formațiuni străine,
începe de obicei la o temperatură ușor mai mică decât temperatura de cristalizare adevărată. În condiții normale, există multe centre de cristalizare într-un lichid de cristalizare, astfel încât în lichidul care se formează multe cristale se formează împreună, iar substanța solidificată se dovedește a fi policristalină.
Numai în condiții speciale, care sunt de obicei dificil de realizat, este posibil să se obțină un singur cristal - un singur cristal care crește dintr-un singur centru de cristalizare. Dacă în acest caz se asigură aceleași condiții pentru acumularea particulelor pentru toate direcțiile, atunci cristalul se obține în mod corect fațetat în funcție de proprietățile sale de simetrie.
Tranziția lichid - solid, precum și transformarea inversă, este o tranziție de fază, deoarece stările lichide și solide pot fi considerate ca două faze ale unei substanțe. Ambele faze la temperatura de cristalizare (topire) pot intra în contact una cu cealaltă, fiind în echilibru (gheața, de exemplu, poate pluti în apă fără a se topi), la fel cum lichidul și vaporii săi saturați pot fi în echilibru.
La fel cum punctul de fierbere depinde de presiune, temperatura de cristalizare (și punctul său de topire echivalent) depinde și de presiune, de obicei crescând odată cu creșterea presiunii. Crește deoarece presiunea externă aduce atomii mai aproape unul de celălalt și, pentru distrugerea rețelei cristaline în timpul topirii, atomii trebuie separați unul de celălalt: la presiune mai mare, acest lucru necesită mai multă energie a mișcărilor termice, adică o temperatura.
În fig. 180 arată un grafic de temperatură de topire (cristalizare) versus presiune. O curbă solidă împarte întreaga zonă în două. Aria din stânga curbei corespunde stării solide, iar aria din dreapta curbei corespunde stării lichide. Orice punct aflat pe curba de topire în sine corespunde echilibrului fazelor solide și lichide: la aceste presiuni și temperaturi, substanța în stările lichide și solide este în echilibru, în contact una cu cealaltă, iar lichidul nu se solidifică, iar solidul nu se topește.
Linia punctată din Fig. 180 arată curba de topire pentru acele câteva substanțe (bismut, antimoniu, gheață, germaniu), în care volumul nu scade, ci crește în timpul solidificării. Astfel de
substanțe, în mod natural, punctul de topire scade odată cu creșterea presiunii.
O modificare a punctului de topire este asociată cu o modificare a presiunii de către raportul Clapeyron - Clausius:
Iată temperatura de topire (cristalizare) și, respectiv, sunt volumele molare ale fazelor lichide și solide și căldura molară de fuziune.
Această formulă este valabilă și pentru alte tranziții de fază. În special, în cazul evaporării și condensării, formula Clapeyron-Clausius a fost derivată în Ch. VII [cf. (105.6)].
Din formula Clapeyron - Clausius, se poate observa că semnul modificării temperaturii de topire cu o modificare a presiunii este determinat de care dintre cele două cantități este sau mai mult. Abruptitatea curbei depinde, de asemenea, de valoarea căldurii latente de tranziție, cu cât punctul de topire se modifică mai puțin cu presiunea. Masa 20 arată valorile căldurilor de fuziune specifice (adică pe unitate de masă) pentru unele substanțe.
Tabelul 20 (vezi scanarea) Căldura specifică de fuziune pentru unele substanțe
Ecuația Clapeyron - Clausius poate fi scrisă în următoarea formă:
Această ecuație arată cum se modifică presiunea sub care se află ambele faze de echilibru pe măsură ce temperatura se schimbă.
Un solid poate fi format nu numai prin cristalizarea unui lichid, ci și prin condensarea unui gaz (vapori) într-un cristal, ocolind faza lichidă. În acest caz, se eliberează și căldura latentă de tranziție, care, totuși, este întotdeauna mai mare decât căldura latentă de fuziune. La urma urmei, formarea unui solid la o anumită temperatură și presiune poate avea loc atât direct din starea gazoasă, cât și prin lichefiere preliminară, în ambele
cazuri, stările inițiale și finale sunt aceleași. Înseamnă că diferența de energie a acestor stări este aceeași. Între timp, în al doilea caz, în primul rând, căldura latentă de condensare este eliberată în timpul tranziției de la starea gazoasă la cea lichidă și, în al doilea rând, căldura latentă de cristalizare în timpul tranziției de la lichid la starea solidă. Prin urmare, rezultă că căldura latentă în formarea directă a unui solid din faza gazoasă ar trebui să fie egală cu suma căldurii de condensare și cristalizare din lichid. Acest lucru se aplică numai căldurilor măsurate la punctul de topire. La temperaturi mai scăzute, crește căldura de condens din gaz.
Procesul invers de evaporare a unui solid se numește de obicei sublimare sau sublimare. Particulele care se evaporă dintr-un solid formează vapori deasupra acestuia, exact la fel cum se întâmplă atunci când un lichid se evaporă. La anumite presiuni și temperaturi, aburul și solidele pot fi în echilibru. Aburul în echilibru cu un solid se mai numește abur saturat. Ca și în cazul unui lichid, elasticitatea vaporilor saturați asupra unui corp solid depinde de temperatură, scăzând rapid odată cu scăderea temperaturii, astfel încât pentru multe solide la temperaturi obișnuite, elasticitatea vaporilor saturați este neglijabilă.
În fig. 181 prezintă un grafic de presiune a vaporilor saturați față de temperatură. Această curbă este linia de echilibru dintre fazele solide și cele gazoase. Regiunea din stânga curbei corespunde stării solide, în dreapta acesteia stării gazoase. Sublimarea, la fel ca topirea, este asociată cu distrugerea rețelei și necesită cheltuirea energiei necesare pentru aceasta. Această energie se manifestă sub forma căldurii latente de sublimare (sublimare), egală, bineînțeles, cu căldura latentă de condensare. Prin urmare, căldura sublimării este egală cu suma căldurilor de fuziune și vaporizare.
Orice substanță este formată din molecule, iar proprietățile sale fizice depind de modul în care moleculele sunt ordonate și de modul în care interacționează între ele. În viața obișnuită, observăm trei stări de agregare a materiei - solidă, lichidă și gazoasă.
De exemplu, apa poate fi în stare solidă (gheață), lichidă (apă) și gazoasă (vapori).
Gaz se extinde până când umple întregul volum alocat. Dacă luăm în considerare gazul la nivel molecular, vom vedea molecule care se aruncă la întâmplare și se ciocnesc între ele și cu pereții vasului, care, cu toate acestea, practic nu interacționează între ele. Dacă volumul vasului este mărit sau micșorat, moleculele vor fi redistribuite uniform în noul volum.
Spre deosebire de gazul la o anumită temperatură, acesta ocupă un volum fix, cu toate acestea, ia și forma unui vas care trebuie umplut - dar numai sub nivelul său de suprafață. La nivel molecular, un lichid este cel mai ușor reprezentat sub formă de molecule sferice, care, deși sunt în contact strâns unul cu celălalt, au libertatea de a se rostogoli unul față de celălalt, ca mărgele rotunde într-un borcan. Se toarnă lichid în vas - iar moleculele se vor răspândi rapid și vor umple partea inferioară a volumului vasului, ca urmare, lichidul își va lua forma, dar nu se va răspândi la volumul complet al vasului.
Solid are forma sa proprie, nu se întinde pe volumul containerului
și nu își ia forma. La nivel microscopic, atomii sunt atașați între ei prin legături chimice, iar poziția lor una față de alta este fixă. În același timp, pot forma atât structuri rigide ordonate - rețele de cristal -, cât și o grămadă dezordonată - corpuri amorfe (aceasta este exact structura polimerilor, care arată ca niște paste încâlcite și lipite împreună într-un castron).
Mai sus, au fost descrise trei stări clasice de agregare. Există, totuși, o a patra stare, pe care fizicienii sunt înclinați să o atribuie numărului de agregate. Aceasta este o stare de plasmă. Plasma se caracterizează prin eliminarea parțială sau completă a electronilor de pe orbitele lor atomice, în timp ce electronii liberi rămân în interiorul substanței.
Putem observa schimbarea stărilor agregate ale materiei cu ochii noștri în natură. Apa de la suprafața rezervoarelor se evaporă și se formează nori. Acesta este modul în care lichidul se transformă în gaz. Iarna, apa din rezervoare îngheață, transformându-se într-o stare solidă, iar primăvara se topește din nou, transformându-se înapoi în lichid. Ce se întâmplă cu moleculele unei substanțe atunci când aceasta trece dintr-o stare în alta? Se schimbă? De exemplu, sunt moleculele de gheață diferite de moleculele de vapori? Răspunsul este fără echivoc: nu. Moleculele rămân exact aceleași. Energia lor cinetică se schimbă și, în consecință, proprietățile substanței.
Energia moleculelor de vapori este suficient de mare pentru a zbura în direcții diferite și, atunci când este răcită, vaporii se condensează într-un lichid, iar moleculele au încă suficientă energie pentru mișcare aproape liberă, dar nu suficientă pentru a se desprinde de atracția altor molecule și zboară departe. Odată cu răcirea ulterioară, apa îngheață, devenind solidă, iar energia moleculelor nu mai este suficientă nici măcar pentru libera circulație în interiorul corpului. Vibrează în jurul unui singur loc, ținut de forțele de atracție ale altor molecule.
