Tri agregatna stanja: molekularna struktura krutina, tekućina i plinova. Građa plinovitih, tekućih i čvrstih tijela - Hipermarket znanja
1. Model strukture čvrstih tijela. Promjena agregatnih stanja tvari. Kristalna tijela. Svojstva monokristala. Amorfna tijela.
Krutina je agregatno stanje tvari, karakterizirano postojanošću oblika i prirodom kretanja atoma, koji izvode male vibracije oko ravnotežnih položaja.
U nedostatku vanjskih utjecaja čvrsto tijelo zadržava svoj oblik i volumen.
To se objašnjava činjenicom da je privlačnost među atomima (ili molekulama) veća nego kod tekućina (a posebno plinova). Dovoljno je držati atome blizu svojih ravnotežnih položaja.
Molekule ili atomi većine krutih tvari, kao što su led, sol, dijamant i metali, poredani su određenim redoslijedom. Takve čvrste tvari nazivaju se kristalan . Iako su čestice tih tijela u gibanju, ta gibanja predstavljaju oscilacije oko određenih točaka (ravnotežnih položaja). Čestice se ne mogu udaljiti od tih točaka, pa krutina zadržava svoj oblik i volumen.
Osim toga, za razliku od tekućina, točke ravnoteže atoma ili iona čvrstog tijela, budući da su povezane, nalaze se u vrhovima pravilne prostorne rešetke, koja se naziva kristalan.
Položaji ravnoteže u odnosu na koje dolazi do toplinskih vibracija čestica nazivaju se čvorovi kristalne rešetke.
monokristal- čvrsto tijelo čije čestice tvore monokristalnu rešetku (monokristal).
Jedno od glavnih svojstava monokristala, koje ih razlikuje od tekućina i plinova, jest anizotropija njihova fizička svojstva. Pod, ispod anizotropija se odnosi na ovisnost fizičkih svojstava o smjeru u kristalu . Anizotropna su mehanička svojstva (npr. poznato je da se tinjac lako ljušti u jednom smjeru, a vrlo teško u okomitom), električna svojstva (električna vodljivost mnogih kristala ovisi o smjeru), optička svojstva (fenomen dvolom i dikroizam - anizotropija apsorpcije; tako je npr. pojedinačni kristal turmalina "obojen" u različite boje - zelenu i smeđu, ovisno s koje strane ga gledate).
Polikristal- čvrsta tvar koja se sastoji od nasumično orijentiranih monokristala. Većina čvrstih tvari s kojima imamo posla u svakodnevnom životu su polikristalne - sol, šećer, razni metalni proizvodi. Nasumična orijentacija spojenih mikrokristala od kojih se sastoje dovodi do nestanka anizotropije svojstava.
Kristalna tijela imaju određeno talište.
Amorfna tijela. Osim kristalnih tijela, amorfna tijela također se svrstavaju u čvrste tvari. Amorfno znači "bezoblično" na grčkom.
Amorfna tijela- to su čvrsta tijela koja karakterizira neuredan raspored čestica u prostoru.
U tim tijelima, molekule (ili atomi) vibriraju oko nasumično smještenih točaka i, poput tekućih molekula, imaju određeno određeno vrijeme života. Ali, za razliku od tekućina, ovo vrijeme je jako dugo.
Amorfna tijela uključuju staklo, jantar, razne druge smole i plastiku. Iako na sobnoj temperaturi ova tijela zadržavaju svoj oblik, ali kako temperatura raste, postupno omekšavaju i počinju teći poput tekućina: Amorfna tijela nemaju određenu temperaturu ni talište.
U tome se razlikuju od kristalnih tijela, koja s porastom temperature ne prelaze postupno, već naglo u tekuće stanje (na vrlo određenoj temperaturi - talište).
Sva amorfna tijela izotropno, tj. imaju ista fizikalna svojstva u različitim smjerovima. Pri udaru se ponašaju kao čvrsta tijela - cijepaju se, a ako su izloženi jako dugo, teku.
Trenutno postoje mnoge tvari u amorfnom stanju dobivene umjetno, na primjer, amorfni i stakleni poluvodiči, magnetski materijali, pa čak i metali.
2. Disperzija svjetlosti. Vrste spektara. Spektrograf i spektroskop. Spektralna analiza. Vrste elektromagnetskog zračenja i njihova primjena u željezničkom prometu.
Zraka bijele svjetlosti koja prolazi kroz trokutastu prizmu ne samo da se skrene, već se i razloži na sastavne obojene zrake.
Ovaj je fenomen otkrio Isaac Newton nizom eksperimenata.
1. Model strukture tekućina. Zasićeni i nezasićeni parovi; ovisnost tlaka zasićene pare o temperaturi; ključanje. Vlažnost zraka; točka rosišta, higrometar, psihrometar.
Isparavanje - isparavanje koje se događa na bilo kojoj temperaturi sa slobodne površine tekućine. Tijekom toplinskog gibanja na bilo kojoj temperaturi, kinetička energija molekula tekućine ne premašuje značajno potencijalnu energiju njihove veze s drugim molekulama. Isparavanje je popraćeno hlađenjem tekućine. Brzina isparavanja ovisi o: otvorenoj površini, temperaturi i koncentraciji molekula u blizini tekućine.
Kondenzacija- proces prelaska tvari iz plinovitog u tekuće stanje.
Isparavanje tekućine u zatvorenoj posudi pri konstantnoj temperaturi dovodi do postupnog povećanja koncentracije molekula tvari koja isparava u plinovitom stanju. Neko vrijeme nakon početka isparavanja koncentracija tvari u plinovitom stanju dosegnut će vrijednost pri kojoj broj molekula koje se vraćaju u tekućinu postaje jednak broju molekula koje napuštaju tekućinu tijekom istog vremena. instalirano dinamička ravnoteža između procesa isparavanja i kondenzacije tvari.
Tvar u plinovitom stanju koja je u dinamičkoj ravnoteži s tekućinom naziva se zasićena para. (Para je skup molekula koje napuštaju tekućinu tijekom procesa isparavanja.) Para pri tlaku ispod zasićenog naziva se nezasićena.
Zbog stalnog isparavanja vode s površina rezervoara, tla i vegetacije, kao i disanja ljudi i životinja, atmosfera uvijek sadrži vodenu paru. Prema tome, atmosferski tlak je zbroj tlaka suhog zraka i vodene pare sadržane u njemu. Tlak vodene pare bit će maksimalan kada je zrak zasićen parom. Zasićena para se, za razliku od nezasićene pare, ne pokorava zakonima idealnog plina. Dakle, tlak zasićene pare ne ovisi o volumenu, već ovisi o temperaturi. Ova se ovisnost ne može izraziti jednostavnom formulom, stoga su na temelju eksperimentalne studije ovisnosti tlaka zasićene pare o temperaturi sastavljene tablice iz kojih se može odrediti njegov tlak na različitim temperaturama.
Tlak vodene pare u zraku pri određenoj temperaturi naziva se apsolutna vlažnost. Budući da je tlak pare proporcionalan koncentraciji molekula, apsolutna vlažnost može se definirati kao gustoća vodene pare prisutne u zraku pri određenoj temperaturi, izražena u kilogramima po kubnom metru (p).
Relativna vlažnost je omjer gustoće vodene pare (ili tlaka) u zraku na danoj temperaturi i gustoće (ili tlaka) vodene pare na toj istu temperaturu, izraženu u postocima, tj.
Najpovoljnija za čovjeka u srednjim klimatskim širinama je relativna vlažnost od 40-60%.
Snižavanjem temperature zraka može se para u njemu dovesti do zasićenja.
temperatura kondenzacijeje temperatura pri kojoj para u zraku postaje zasićena. Kada se postigne točka rosišta u zraku ili na predmetima s kojima dolazi u dodir, vodena para se počinje kondenzirati. Za određivanje vlažnosti zraka koriste se instrumenti koji se nazivaju higrometri i psihrometri.
Struktura plinova, tekućina i krutina. Značajke strukture rješenja. Koncept "reaktivnog polja"
Teorija strukture tekućina: usporedba sa strukturom plinova i krutina Građa (struktura) tekućina. Struktura tekućina trenutno je predmet pomnog proučavanja fizikalnih kemičara. Za istraživanja u ovom smjeru koriste se najsuvremenije metode, uključujući spektralne (IR, NMR, raspršenje svjetlosti različitih valnih duljina), raspršenje X-zraka, kvantno-mehaničke i statističke metode proračuna itd. Teorija tekućina mnogo je manje razvijena od teorije plinova, jer svojstva tekućina ovise o geometriji i polarnosti međusobno blisko smještenih molekula. Osim toga, nepostojanje specifične strukture tekućina otežava njihov formalizirani opis - u većini udžbenika puno je manje prostora posvećeno tekućinama nego plinovima i kristalnim krutinama. Koja su obilježja svakog od tri agregatna stanja tvari: čvrsto, tekuće i plinovito. (stol)
1) Čvrsto: tijelo zadržava volumen i oblik
2) Tekućine zadržavaju volumen, ali lako mijenjaju oblik.
3) Plin nema ni oblik ni volumen.
Ova stanja iste tvari ne razlikuju se po vrsti molekula (to je isto), već po tome kako se molekule nalaze i kako se kreću.
1) U plinovima je udaljenost između molekula puno veća od veličine samih molekula
2) Molekule tekućine se ne raspršuju na velike udaljenosti i tekućina u normalnim uvjetima zadržava svoj volumen.
3) Čestice čvrstih tijela poredane su određenim redoslijedom. Svaka se čestica giba oko određene točke u kristalnoj rešetki, poput njihala sata, odnosno oscilira.
Smanjenjem temperature tekućine se skrućuju, a kada se podignu iznad vrelišta prelaze u plinovito stanje. Sama ova činjenica ukazuje na to da tekućine zauzimaju međupoložaj između plinova i krutina, te da se razlikuju od oboje. Međutim, tekućina ima sličnosti sa svakim od ovih stanja.
Postoji temperatura pri kojoj granica između plina i tekućine potpuno nestaje. To je takozvana kritična točka. Za svaki plin postoji poznata temperatura iznad koje ne može biti tekući ni pri kakvom tlaku; na ovoj kritičnoj temperaturi nestaje granica (menisk) između tekućine i njezine zasićene pare. Postojanje kritične temperature ("apsolutno vrelište") ustanovio je D. I. Mendeleev 1860. Drugo svojstvo koje ujedinjuje tekućine i plinove je izotropija. Odnosno, na prvi se pogled može pretpostaviti da su tekućine bliže plinovima nego kristalima. Kao i plinovi, tekućine su izotropne, tj. svojstva su im ista u svim smjerovima. Kristali su, naprotiv, anizotropni: indeks loma, kompresibilnost, čvrstoća i mnoga druga svojstva kristala u različitim smjerovima pokazuju se različitima. Čvrste kristalne tvari imaju uređenu strukturu s elementima koji se ponavljaju, što im omogućuje proučavanje difrakcijom X-zraka (metoda difrakcije X-zraka, koristi se od 1912.).
Što je zajedničko tekućinama i plinovima?
A) Izotropija. Svojstva tekućina, kao i plinova, ista su u svim smjerovima, tj. su izotropni, za razliku od kristala koji su anizotropni.
B) Tekućine, kao i plinovi, nemaju određeni oblik i poprimaju oblik spremnika (niska viskoznost i velika fluidnost).
Molekule i tekućina i plinova kreću se prilično slobodno, sudarajući se jedna s drugom. Ranije se vjerovalo da se unutar volumena koji zauzima tekućina svaka udaljenost koja premašuje zbroj njihovih radijusa smatra jednako vjerojatnom, tj. težnja prema uređenom rasporedu molekula bila je odbijena. Tako su tekućine i plinovi bili u određenoj mjeri suprotstavljeni kristalima.
Kako su istraživanja napredovala, sve veći broj činjenica ukazivao je na prisutnost sličnosti između strukture tekućina i krutina. Na primjer, vrijednosti toplinskih kapaciteta i koeficijenata kompresibilnosti, posebno u blizini tališta, praktički se podudaraju jedna s drugom, dok se te vrijednosti za tekućinu i plin oštro razlikuju.
Već iz ovog primjera možemo zaključiti da slika toplinskog gibanja u tekućinama na temperaturi bliskoj temperaturi skrućivanja nalikuje toplinskom gibanju u čvrstim tvarima, a ne u plinovima. Uz to se mogu primijetiti tako značajne razlike između plinovitog i tekućeg stanja tvari. U plinovima su molekule raspoređene po prostoru potpuno kaotično, tj. potonji se smatra primjerom obrazovanja bez strukture. Tekućina još uvijek ima određenu strukturu. To je eksperimentalno potvrđeno difrakcijom X-zraka, koja pokazuje barem jedan jasan maksimum. Struktura tekućine je način na koji su njezine molekule raspoređene u prostoru. Tablica ilustrira sličnosti i razlike između plinovitog i tekućeg stanja.
Plinska faza Tekuća faza
1. Udaljenost između molekula l obično je (za niske tlakove) puno veća od polumjera molekule r: l r ; Gotovo cijeli volumen V koji zauzima plin je slobodni volumen. U tekućoj fazi, naprotiv, l 2. Prosječna kinetička energija čestica, jednaka 3/2kT, veća je od potencijalne energije njihove međumolekulske interakcije U. Potencijalna energija interakcije molekula veća je od prosječne kinetičke energija njihovog gibanja: U3/2 kT
3. Čestice se sudaraju tijekom translatornog gibanja, faktor frekvencije sudara ovisi o masi čestica, njihovoj veličini i temperaturi.Svaka čestica prolazi kroz oscilatorno gibanje u kavezu koji stvaraju molekule koje je okružuju. Amplituda vibracija a ovisi o slobodnom volumenu, a (Vf/ L)1/3
4. Difuzija čestica nastaje kao rezultat njihovog translatornog gibanja, koeficijent difuzije D 0,1 - 1 cm2/s (p 105 Pa) i ovisi o tlaku plina
(D p-1) Difuzija nastaje kao rezultat skakanja čestice iz jedne stanice u drugu s aktivacijskom energijom ED,
D e-ED/RT u neviskoznim tekućinama
D 0,3 - 3 cm2/dan.
5. Čestica se slobodno okreće, frekvencija rotacije r određena je samo momentima tromosti čestice i temperaturom, frekvencija rotacije r T1/2 Rotacija je inhibirana stijenkama ćelije, rotacija čestice čestice prati prevladavanje potencijalne barijere Er, koja ovisi o silama međumolekularnog međudjelovanja, vr e- Er/RT
Međutim, tekuće stanje je blisko čvrstom stanju po nizu važnih pokazatelja (kvazikristalnost). Nakupljanje eksperimentalnih činjenica pokazalo je da tekućine i kristali imaju mnogo toga zajedničkog. Fizikalno-kemijska istraživanja pojedinih tekućina pokazala su da gotovo sve posjeduju neke elemente kristalne strukture.
Prvo, međumolekulske udaljenosti u tekućini su bliske onima u krutini. To dokazuje činjenica da kada se potonji topi, volumen tvari se malo mijenja (obično se povećava za ne više od 10%). Drugo, energija međumolekularnog međudjelovanja u tekućini i krutom tijelu malo se razlikuje. To proizlazi iz činjenice da je toplina taljenja puno manja od topline isparavanja. Na primjer, za vodu Hpl = 6 kJ/mol, a Hsp = 45 kJ/mol; za benzen Hpl = 11 kJ/mol, a Hsp = 48 kJ/mol.
Treće, toplinski kapacitet tvari vrlo se malo mijenja tijekom taljenja, tj. to je blisko za obje ove države. Iz toga slijedi da je priroda gibanja čestica u tekućini bliska onoj u krutom tijelu. Četvrto, tekućina, kao i krutina, može izdržati velike vlačne sile bez pucanja.
Razlika između tekućine i krutine je fluidnost: krutina zadržava svoj oblik, tekućina ga lako mijenja čak i pod utjecajem male sile. Ova svojstva proizlaze iz takvih strukturnih značajki tekućine kao što su snažna međumolekulska interakcija, poredak kratkog dometa u rasporedu molekula i sposobnost molekula da relativno brzo mijenjaju svoj položaj. Zagrijavanjem tekućine od točke ledišta do točke vrelišta postupno se mijenjaju njezina svojstva, a zagrijavanjem postupno raste njezina sličnost s plinom.
Svatko od nas može se lako prisjetiti mnogih tvari koje smatra tekućinama. Međutim, nije tako jednostavno dati točnu definiciju ovog agregatnog stanja, budući da tekućine imaju takva fizikalna svojstva da u nekim aspektima nalikuju krutim tvarima, au drugim na plinove. Sličnosti između tekućina i krutina najizraženije su kod staklastih materijala. Njihov prijelaz iz krutog u tekuće s porastom temperature događa se postupno, a ne kao izraženo talište, jednostavno postaju sve mekši, pa je nemoguće naznačiti u kojem temperaturnom području ih treba nazivati krutinama, a u kojim tekućinama. Možemo samo reći da je viskoznost staklaste tvari u tekućem stanju manja nego u krutom stanju. Čvrsta stakla se stoga često nazivaju prehlađenim tekućinama. Čini se da je najkarakterističnije svojstvo tekućina, koje ih razlikuje od krutina, mala viskoznost, tj. veliki promet. Zahvaljujući njemu poprimaju oblik posude u koju se ulijevaju. Na molekularnoj razini, visoka fluidnost znači relativno veću slobodu čestica tekućine. U tom pogledu tekućine nalikuju plinovima, iako su sile međumolekularnog međudjelovanja između tekućina veće, molekule su smještene bliže jedna drugoj i ograničenije su u kretanju.
Tome se može pristupiti drugačije - sa stajališta ideje dalekometnog i kratkodometnog reda. Red dalekog dometa postoji u kristalnim čvrstim tijelima, čiji su atomi raspoređeni na strogo uređen način, tvoreći trodimenzionalne strukture koje se mogu dobiti ponavljanjem jedinične ćelije mnogo puta. U tekućinama i staklu nema dalekosežnog reda. To, međutim, ne znači da oni uopće nisu naručeni. Broj najbližih susjeda za sve atome je gotovo isti, ali raspored atoma kako se udaljavaju od bilo kojeg odabranog položaja postaje sve kaotičniji. Dakle, red postoji samo na malim udaljenostima, otuda i naziv: poredak kratkog dometa. Adekvatan matematički opis strukture tekućine može se dati samo uz pomoć statističke fizike. Na primjer, ako se tekućina sastoji od identičnih kuglastih molekula, tada se njezina struktura može opisati radijalnom funkcijom distribucije g(r), koja daje vjerojatnost otkrivanja bilo koje molekule na udaljenosti r od dane odabrane kao referentne točke. Ova se funkcija može pronaći eksperimentalno proučavanjem difrakcije x-zraka ili neutrona, a s pojavom brzih računala, počela se izračunavati pomoću računalne simulacije, na temelju postojećih podataka o prirodi sila koje djeluju između molekula, ili na pretpostavkama o tim silama, kao i na Newtonovim zakonima mehanike. Usporedbom teorijski i eksperimentalno dobivenih radijalnih funkcija raspodjele moguće je provjeriti ispravnost pretpostavki o prirodi međumolekulskih sila.
U organskim tvarima, čije molekule imaju izduženi oblik, u jednom ili drugom temperaturnom području ponekad se nalaze područja tekuće faze s dalekosežnim orijentacijskim poretkom, što se očituje u tendenciji paralelnog poravnavanja dugih osi molekule. U tom slučaju orijentacijsko sređivanje može biti popraćeno koordinacijskim sređivanjem centara molekula. Tekuće faze ovog tipa obično se nazivaju tekućim kristalima. Tekuće kristalno stanje je posredno između kristalnog i tekućeg. Tekući kristali posjeduju i fluidnost i anizotropiju (optičku, električnu, magnetsku). Ponekad se ovo stanje naziva mezomorfno (mezofaza) - zbog nepostojanja dalekosežnog reda. Gornja granica postojanja je temperatura bistrenja (izotropna tekućina). Termotropne (mezogene) FA postoje iznad određene temperature. Tipični su cijanobifenili. Liotropni - kada se otopi, na primjer, vodene otopine sapuna, polipeptida, lipida, DNA. Proučavanje tekućih kristala (mezofaza - taljenje u dva stupnja - mutna talina, zatim prozirna, prijelaz iz kristalne faze u tekućinu kroz intermedijarni oblik s anizotropnim optičkim svojstvima) važno je za tehnološke svrhe - prikaz tekućih kristala.
Molekule u plinu gibaju se kaotično (nasumično). U plinovima je udaljenost između atoma ili molekula u prosjeku višestruko veća od veličine samih molekula. Molekule u plinu gibaju se velikim brzinama (stotine m/s). Kada se sudare, odbijaju se jedna od druge kao apsolutno elastične lopte, mijenjajući veličinu i smjer brzina. Na velikim udaljenostima između molekula, privlačne sile su male i ne mogu zadržati molekule plina jedne blizu drugih. Stoga se plinovi mogu neograničeno širiti. Plinovi se lako komprimiraju, prosječna udaljenost između molekula se smanjuje, ali i dalje ostaje veća od njihove veličine. Plinovi ne zadržavaju ni oblik ni volumen; njihov volumen i oblik podudaraju se s volumenom i oblikom posude koju ispunjavaju. Brojni udari molekula o stijenke posude stvaraju tlak plina.
Atomi i molekule krutih tijela vibriraju oko određenih ravnotežnih položaja. Stoga čvrsta tijela zadržavaju i volumen i oblik. Ako mentalno povežete središta ravnotežnih položaja atoma ili iona krutine, dobit ćete kristalnu rešetku.
Molekule tekućine nalaze se gotovo blizu jedna drugoj. Stoga se tekućine vrlo teško sabijaju i zadržavaju svoj volumen. Molekule tekućine vibriraju oko ravnotežnog položaja. S vremena na vrijeme molekula prelazi iz jednog stacionarnog stanja u drugo, obično u smjeru djelovanja vanjske sile. Vrijeme ustaljenog stanja molekule je kratko i smanjuje se s porastom temperature, a vrijeme prijelaza molekule u novo ustaljeno stanje još je kraće. Dakle, tekućine su tekuće, ne zadržavaju svoj oblik i poprimaju oblik posude u koju su ulivene.
Kinetička teorija tekućina Razvijena od strane Ya. I. Frenkela, kinetička teorija tekućina razmatra tekućinu kao dinamički sustav čestica, djelomično podsjećajući na kristalno stanje. Na temperaturama blizu tališta toplinsko gibanje u tekućini svodi se uglavnom na harmonijske vibracije čestica oko određenih prosječnih ravnotežnih položaja. Za razliku od kristalnog stanja, ovi ravnotežni položaji molekula u tekućini su po prirodi privremeni za svaku molekulu. Nakon osciliranja oko jednog ravnotežnog položaja neko vrijeme t, molekula skače na novi položaj koji se nalazi u blizini. Takav skok se događa s utroškom energije U, stoga vrijeme "staloženog života" t ovisi o temperaturi na sljedeći način: t = t0 eU/RT, gdje je t0 period jednog titraja oko ravnotežnog položaja. Za vodu na sobnoj temperaturi t » 10-10 s, t0 = 1,4 x 10-12 s, tj. jedna molekula, nakon što je izvršila oko 100 titraja, skoči u novi položaj, gdje nastavlja oscilirati. Iz podataka o raspršenju X-zraka i neutrona moguće je izračunati funkciju gustoće raspodjele čestica ovisno o udaljenosti r od jedne čestice odabrane kao središta. U prisutnosti dalekosežnog reda u kristalnom krutom tijelu, funkcija (r) ima niz jasnih maksimuma i minimuma. U tekućini se, zbog velike pokretljivosti čestica, održava samo red kratkog dometa. To jasno proizlazi iz difraktograma X-zraka tekućina: funkcija (r) za tekućinu ima jasan prvi maksimum, zamagljen drugi, a zatim (r) = const. Kinetička teorija opisuje taljenje na sljedeći način. U kristalnoj rešetki krutog tijela uvijek postoje male količine slobodnih mjesta (rupa) koje polako lutaju po kristalu. Što je temperatura bliža talištu, veća je koncentracija "rupa" i one se brže kreću kroz uzorak. Na točki taljenja proces stvaranja “rupa” poprima lavinski kooperativni karakter, sustav čestica postaje dinamičan, dalekosežni red nestaje i pojavljuje se fluidnost. Odlučujuću ulogu u topljenju ima stvaranje slobodnog volumena u tekućini, što sustav čini fluidnim. Najvažnija razlika između tekućeg i čvrstog kristalnog tijela je u tome što u tekućini postoji slobodan volumen čiji značajan dio ima oblik fluktuacija („rupa“), čije lutanje kroz tekućinu daje takav karakteristična kvaliteta kao fluidnost. Broj takvih "rupa", njihov volumen i pokretljivost ovise o temperaturi. Pri niskim temperaturama tekućina, ako se nije pretvorila u kristalno tijelo, postaje amorfna krutina s vrlo niskom fluidnošću zbog smanjenja volumena i pokretljivosti "rupa". Uz kinetičku teoriju, posljednjih se desetljeća uspješno razvija statistička teorija tekućina.
Struktura leda i vode. Najvažnija i najčešća tekućina u normalnim uvjetima je voda. Ovo je najčešća molekula na Zemlji! Izvrsno je otapalo. Na primjer, sve biološke tekućine sadrže vodu. Voda otapa mnoge anorganske (soli, kiseline, baze) i organske tvari (alkoholi, šećeri, karboksilne kiseline, amini). Kakva je struktura te tekućine? Ponovno ćemo se morati vratiti na pitanje koje smo razmatrali u prvom predavanju, naime na tako specifičnu međumolekularnu interakciju kao što je vodikova veza. Voda, kako u tekućem tako iu kristalnom obliku, pokazuje anomalna svojstva upravo zbog prisutnosti mnogih vodikovih veza. Koja su to anomalna svojstva: visoko vrelište, visoko talište i visoka entalpija isparavanja. Pogledajmo prvo graf, zatim tablicu, a zatim dijagram vodikove veze između dvije molekule vode. Zapravo, svaka molekula vode oko sebe koordinira 4 druge molekule vode: dvije zahvaljujući kisiku, kao donoru dva usamljena elektronska para dvama protoniranim vodikovima, i dvije zahvaljujući protoniranim vodikovima, koordiniranim s kisikom drugih molekula vode. U prethodnom predavanju pokazao sam vam slajd s grafovima tališta, vrelišta i entalpije isparavanja hidrida VI skupine ovisno o periodu. Ove ovisnosti imaju jasnu anomaliju za kisikov hidrid. Svi ovi parametri za vodu su zamjetno viši od onih predviđenih iz gotovo linearne ovisnosti za sljedeće hidride sumpora, selena i telura. To smo objasnili postojanjem vodikove veze između protoniranog vodika i akceptora gustoće elektrona – kisika. Vodikova veza se najuspješnije proučava pomoću vibracijske infracrvene spektroskopije. Slobodna OH skupina ima karakterističnu vibracijsku energiju koja uzrokuje naizmjenično produljivanje i skraćivanje O-H veze, što dovodi do karakterističnog pojasa u infracrvenom apsorpcijskom spektru molekule. Međutim, ako je OH skupina uključena u vodikovu vezu, atom vodika postaje vezan atomima s obje strane i tako se njegova vibracija "prigušuje", a frekvencija se smanjuje. Sljedeća tablica pokazuje da povećanje snage i "koncentracije" vodikove veze dovodi do smanjenja frekvencije apsorpcije. Na gornjoj slici, krivulja 1 odgovara maksimumu infracrvenog apsorpcijskog spektra O-H skupina u ledu (gdje su sve H-veze povezane); krivulja 2 odgovara maksimumu infracrvenog apsorpcijskog spektra O-H skupina pojedinačnih molekula H2O otopljenih u CCl4 (gdje nema H veza - otopina H2O u CCl4 je previše razrijeđena); a krivulja 3 odgovara apsorpcijskom spektru tekuće vode. Kad bi u tekućoj vodi postojale dvije vrste O-H skupina - one koje tvore vodikove veze i one koje ih ne čine - i neke O-H skupine u vodi bi vibrirale na isti način (s istom frekvencijom) kao u ledu (gdje tvore H- veze), a drugi - kao u okruženju CCl4 (gdje ne tvore H-veze). Tada bi spektar vode imao dva maksimuma, koji odgovaraju dvama stanjima O-H skupina, njihovim dvjema karakterističnim frekvencijama titranja: s frekvencijom na kojoj skupina vibrira, ona apsorbira svjetlost. Ali slika "dva maksimuma" se ne promatra! Umjesto toga, na krivulji 3 vidimo jedan, vrlo zamagljen maksimum, koji se proteže od maksimuma krivulje 1 do maksimuma krivulje 2. To znači da sve O-H skupine u tekućoj vodi tvore vodikove veze - ali sve te veze imaju različitu energiju, “ labav” (imaju različitu energiju) i na različite načine. To pokazuje da je slika u kojoj su neke od vodikovih veza u vodi prekinute, a neke očuvane, strogo govoreći, netočna. Međutim, toliko je jednostavan i prikladan za opisivanje termodinamičkih svojstava vode da se široko koristi - i mi ćemo se također osvrnuti na njega. Ali moramo imati na umu da to nije posve točno.
Stoga je IR spektroskopija moćna metoda za proučavanje vodikovih veza, a mnogo informacija o strukturi tekućina i krutina povezanih s njom dobiveno je ovom spektralnom metodom. Kao rezultat toga, za tekuću vodu model poput leda (model O.Ya. Samoilova) jedan je od najčešće prihvaćenih. Prema ovom modelu, tekuća voda ima tetraedarski okvir sličan ledu koji je poremećen toplinskim gibanjem (dokaz i posljedica toplinskog gibanja - Brownovo gibanje, koje je prvi uočio engleski botaničar Robert Brown 1827. godine na peludi pod mikroskopom) (svaka voda molekula u kristalu leda povezana je vodikovim vezama sa smanjenom energijom u odnosu na onu u ledu – “labave” vodikove veze) s četiri molekule vode koje ga okružuju), praznine ovog okvira djelomično su ispunjene molekulama vode, a molekule vode smješteni u šupljinama i u čvorovima okvira poput leda energetski su nejednaki.
Za razliku od vode, u kristalu leda, u čvorovima kristalne rešetke nalaze se molekule vode jednake energije i mogu vršiti samo vibracijska gibanja. U takvom kristalu postoji red i kratkog i dugog dometa. U tekućoj vodi (kao iu polarnoj tekućini) neki elementi kristalne strukture su sačuvani (pa čak iu plinovitoj fazi molekule tekućine su raspoređene u male, nestabilne klastere), ali ne postoji dalekosežni red. Dakle, struktura tekućine razlikuje se od strukture plina u prisutnosti reda kratkog dometa, ali se razlikuje od strukture kristala u odsutnosti reda dugog dometa. To je najuvjerljivije dokazano proučavanjem raspršenja X-zraka. Tri susjeda svake molekule u tekućoj vodi nalaze se u jednom sloju i na većoj su udaljenosti od njega (0,294 nm) od četvrte molekule iz susjednog sloja (0,276 nm). Svaka molekula vode u okviru poput leda tvori jednu zrcalno simetričnu (jaku) i tri centralno simetrične (manje jake) veze. Prvi se odnosi na veze između molekula vode određenog sloja i susjednih slojeva, a ostatak - na veze između molekula vode istog sloja. Stoga je četvrtina svih veza zrcalno simetrična, a tri četvrtine centralno simetrična. Ideje o tetraedarskom okruženju molekula vode dovele su do zaključka o visokoj delikatnosti njegove strukture i prisutnosti šupljina u njoj, čije su dimenzije jednake ili veće od dimenzija molekula vode.
Elementi strukture tekuće vode. a - elementarni vodeni tetraedar (otvoreni kružići - atomi kisika, crne polovice - mogući položaji protona na vodikovoj vezi); b - zrcalno simetričan raspored tetraedara; c - centralno simetričan raspored; d - položaj centara kisika u strukturi običnog leda. Vodu karakteriziraju značajne sile međumolekularnog međudjelovanja zbog vodikovih veza, koje tvore prostornu mrežu. Kao što smo rekli u prethodnom predavanju, vodikova veza nastaje zbog sposobnosti atoma vodika spojenog na elektronegativni element da formira dodatnu vezu s elektronegativnim atomom druge molekule. Vodikova veza je relativno jaka i iznosi nekoliko 20-30 kilodžula po molu. Po snazi zauzima srednje mjesto između van der Waalsove energije i energije tipične ionske veze. U molekuli vode energija kemijske veze H-O iznosi 456 kJ/mol, a energija vodikove veze H…O 21 kJ/mol.
Vodikovi spojevi
Molekulska težina Temperatura, C
Zamrzavanje Vrenje
H2Te 130 -51 -4
H2Se 81 -64 -42
H2S 34 -82 -61
H2O 18 0! +100!
Struktura leda. Normalan led. Isprekidana linija - H-veze. U ažurnoj strukturi leda vidljive su male šupljine okružene molekulama H2O.
Dakle, struktura leda je ažurna struktura molekula vode povezanih jedna s drugom samo vodikovim vezama. Raspored molekula vode u strukturi leda određuje prisutnost širokih kanala u strukturi. Kako se led topi, molekule vode "padaju" u te kanale, što objašnjava povećanje gustoće vode u usporedbi s gustoćom leda. Kristali leda javljaju se u obliku pravilnih šesterokutnih ploča, pločastih tvorevina i sraslina složenih oblika. Strukturu normalnog leda određuju vodikove H veze: to je dobro za geometriju ovih veza (O-H je okrenuto izravno prema O), ali nije tako dobro za tijesan Vander Waalsov kontakt molekula H2O. Stoga je struktura leda otvorena, u njoj molekule H2O obavijaju mikroskopske (manje od molekule H2O) pore. Čipkasta struktura leda dovodi do dva dobro poznata učinka: (1) led je manje gust od vode, on pluta u njoj; i (2) pod jakim pritiskom – npr. oštrica klizaljke otapa led. Većina vodikovih veza koje postoje u ledu također su sačuvane u tekućoj vodi. To proizlazi iz male topline taljenja leda (80 cal/g) u usporedbi s toplinom vrenja vode (600 cal/g pri 0°C). Moglo bi se reći da je u tekućoj vodi prekinuto samo 80/(600+80) = 12% H-veza koje postoje u ledu. Međutim, ova slika - da su neke od vodikovih veza u vodi prekinute, a neke su očuvane - nije sasvim točna: naprotiv, sve vodikove veze u vodi postaju labave. To dobro ilustriraju sljedeći eksperimentalni podaci.
Struktura rješenja. Od konkretnih primjera za vodu, prijeđimo na druge tekućine. Različite tekućine razlikuju se jedna od druge po veličini svojih molekula i prirodi međumolekulskih interakcija. Dakle, u svakoj specifičnoj tekućini postoji određena pseudokristalna struktura, karakterizirana redom kratkog dometa i, u određenoj mjeri, podsjeća na strukturu dobivenu kada se tekućina zamrzne i pretvori u krutinu. Kada se neka druga tvar otopi, tj. Kada nastane otopina, mijenja se priroda međumolekulskih interakcija i pojavljuje se nova struktura s drugačijim rasporedom čestica nego u čistom otapalu. Ova struktura ovisi o sastavu otopine i specifična je za svaku pojedinu otopinu. Stvaranje tekućih otopina obično prati proces solvatacije, tj. poravnanje molekula otapala oko molekula otopljene tvari zbog djelovanja međumolekulskih sila. Postoji solvatacija kratkog i dugog dometa, tj. Oko molekula (čestica) otopljene tvari nastaju primarne i sekundarne solvatne ljuske. U primarnoj solvatnoj ljusci nalaze se molekule otapala u neposrednoj blizini, koje se kreću zajedno s molekulama otopljene tvari. Broj molekula otapala smještenih u primarnoj solvatacijskoj ljusci naziva se solvatacijskim koordinacijskim brojem, koji ovisi i o prirodi otapala i o prirodi otopljene tvari. Sekundarna solvatacijska ljuska uključuje molekule otapala koje se nalaze na značajno većim udaljenostima i utječu na procese koji se odvijaju u otopini zbog interakcije s primarnom solvatacijskom ljuskom.
Kada se razmatra stabilnost solvata, razlikuje se kinetička i termodinamička stabilnost.
U vodenim otopinama, kvantitativne karakteristike kinetičke hidratacije (O.Ya. Samoilov) su vrijednosti i/ i Ei=Ei-E, gdje su i i prosječno vrijeme zadržavanja molekula vode u ravnoteži položaj blizu i-tog iona i u čistoj vodi, a Ei i E su energija aktivacije izmjene i energija aktivacije procesa samodifuzije u vodi. Ove su količine međusobno povezane približnim odnosom:
i/ exp(Ei/RT) U ovom slučaju,
ako je EI 0, i/ 1 (izmjena molekula vode najbližih ionu događa se rjeđe (sporije) nego izmjena između molekula u čistoj vodi) – pozitivna hidratacija
ako je EI 0, i/ 1 (izmjena molekula vode najbližih ionu događa se češće (brže) od izmjene između molekula u čistoj vodi) – negativna hidratacija
Dakle, za litijev ion EI = 1,7 kJ/mol, a za cezijev ion Ei= - 1,4 kJ/mol, tj. mali "tvrdi" ion litija jače drži molekule vode od velikog i "difuznog" iona cezija koji ima isti naboj. Termodinamička stabilnost nastalih solvata određena je promjenom Gibbsove energije tijekom solvatacije (solvG) = (solvH) - T(solvS). Što je ova vrijednost negativnija, to je solvat stabilniji. To je uglavnom određeno negativnim vrijednostima entalpije solvatacije.
Pojam rješenja i teorije rješenja. Prave otopine nastaju spontano kada dvije ili više tvari dođu u dodir, zbog razaranja veza između čestica jedne vrste i stvaranja veza druge vrste te distribucije tvari po volumenu zbog difuzije. Otopine prema svojstvima dijelimo na idealne i stvarne, otopine elektrolita i neelektrolita, razrijeđene i koncentrirane, nezasićene, zasićene i prezasićene. Svojstva rastera ovise o prirodi i veličini IMF-a. Te interakcije mogu biti fizičke prirode (van der Waalsove sile) i složene fizikalno-kemijske prirode (vodikova veza, ionsko-molekularni, kompleksi prijenosa naboja itd.). Proces stvaranja otopine karakterizira istodobna manifestacija privlačnih i odbojnih sila između međusobno djelujućih čestica. U nedostatku odbojnih sila, čestice bi se spajale (lijepile) i tekućine bi se mogle beskonačno komprimirati; u nedostatku privlačnih sila ne bi se mogle dobiti tekućine ili krutine. U prethodnom predavanju smo se osvrnuli na fizikalne i kemijske teorije otopina.
Međutim, stvaranje jedinstvene teorije otopina nailazi na značajne poteškoće i za sada još nije stvorena, iako se istraživanja provode korištenjem najsuvremenijih metoda kvantne mehanike, statističke termodinamike i fizike, kristalokemije, rendgenske difrakcije. analiza, optičke metode i NMR metode. Reaktivno polje. Nastavljajući razmatranje sila međumolekularnog međudjelovanja, razmotrimo koncept "reaktivnog polja", koji je važan za razumijevanje strukture i strukture kondenzirane tvari i stvarnih plinova, posebno tekućeg stanja, a time i cjelokupne fizikalne kemije. tekućih otopina.
Reaktivno polje javlja se u smjesama polarnih i nepolarnih molekula, na primjer, za smjese ugljikovodika i naftenskih kiselina. Polarne molekule utječu poljem određene simetrije (simetrija polja određena je simetrijom slobodnih molekulskih orbitala) i intenzitetom H na nepolarne molekule. Potonji su polarizirani zbog razdvajanja naboja, što dovodi do pojave (indukcije) dipola. Molekula s induciranim dipolom, zauzvrat, utječe na polarnu molekulu, mijenjajući njeno elektromagnetsko polje, tj. pobuđuje reaktivno (odzivno) polje. Pojava reaktivnog polja dovodi do povećanja energije međudjelovanja čestica, što se izražava u stvaranju jakih solvacijskih ljuski polarnih molekula u mješavini polarnih i nepolarnih molekula.
Energija reaktivnog polja izračunava se pomoću sljedeće formule: gdje je:
znak "-" - određuje privlačnost molekula
S – statička električna permitivnost
beskonačan – dielektrična konstanta zbog elektronske i atomske polarizabilnosti molekula
NA - Avogadrov broj
VM – volumen koji zauzima 1 mol polarne tvari u izotropnoj tekućini v = dipolni moment
ER - energija 1 mola polarne tvari u otopini
Koncept "reaktivnog polja" omogućit će nam bolje razumijevanje strukture čistih tekućina i otopina. Kvantnokemijski pristup proučavanju reaktivnog polja razvijen je u radovima M. V. Bazilevskog i njegovih kolega na Znanstveno-istraživačkom institutu za fiziku i kemiju nazvan. L. Ya. Karpova Dakle, problem tekućeg stanja čeka svoje mlade istraživače. Karte su u vašim rukama.
U prethodna dva odlomka ispitali smo strukturu i svojstva čvrstih tijela – kristalnih i amorfnih. Prijeđimo sada na proučavanje strukture i svojstava tekućina.
Karakteristična značajka tekućine je fluidnost– sposobnost promjene oblika u kratkom vremenu pod utjecajem čak i malih sila. Zahvaljujući tome tekućine teku u mlazovima, teku u mlazovima i poprimaju oblik posude u koju se ulijevaju.
Sposobnost promjene oblika različito je izražena u različitim tekućinama. Pogledajte sliku. Pod utjecajem približno jednake gravitacije medu je potrebno više vremena da promijeni svoj oblik nego vodi. Stoga kažu da te tvari imaju nejednake viskoznost: med ima više od vode. To se objašnjava nejednako složenom strukturom molekula vode i meda. Voda se sastoji od molekula koje nalikuju kvrgavim kuglicama, dok se med sastoji od molekula koje izgledaju poput grana drveta. Stoga, dok se med kreće, "grane" njegovih molekula zahvaćaju jedna s drugom, dajući mu veću viskoznost od vode.
Važno: mijenjajući oblik, tekućina zadržava svoj volumen. Razmotrimo eksperiment (vidi sliku). Tekućina u čaši ima oblik cilindra i volumen 300 ml. Nakon ulijevanja u posudu tekućina je poprimila plosnati oblik, ali je zadržala isti volumen: 300 ml. To se objašnjava privlačenjem i odbijanjem njegovih čestica: one u prosjeku i dalje ostaju na istoj udaljenosti jedna od druge.
Još jedan Zajedničko svojstvo svih tekućina je njihovo podvrgavanje Pascalovom zakonu. U 7. razredu naučili smo da opisuje svojstvo tekućina i plinova da prenose pritisak koji na njih djeluje u svim smjerovima (vidi § 4-c). Imajte na umu da manje viskozne tekućine to rade brzo, dok viskoznim treba dugo vremena.
Struktura tekućina. U teoriji molekularne kinetike vjeruje se da u tekućinama, kao i u amorfnim tijelima, ne postoji strogi red u rasporedu čestica, odnosno one nisu jednake gustoće. Praznine su različitih veličina, uključujući i takve da tamo može stati još jedna čestica. To im omogućuje skok s "gusto naseljenih" mjesta na slobodnija. Skakanje svake čestice tekućine događa se vrlo često: nekoliko milijardi puta u sekundi.
Ako neka vanjska sila (npr. gravitacija) djeluje na tekućinu, kretanje i skakanje čestica događat će se uglavnom u smjeru njezina djelovanja (dolje). To će uzrokovati da tekućina poprimi oblik izdužene kapi ili tekućeg toka (vidi sliku). Tako, Fluidnost tekućina objašnjava se skokovima njihovih čestica iz jednog stabilnog položaja u drugi.
Skokovi tekućih čestica događaju se često, ali mnogo češće njihove čestice, kao u krutim tvarima, osciliraju na jednom mjestu, neprekidno djelujući jedna na drugu. Stoga čak i mala kompresija tekućine dovodi do oštrog "otvrdnjavanja" interakcije čestica, što znači nagli porast pritiska tekućine na stijenke posude u kojoj je komprimirana. Ovo objašnjava prijenos tlaka tekućinama, odnosno Pascalov zakon, a ujedno i svojstvo tekućina da se odupiru pritisku, odnosno da zadrže volumen.
Imajte na umu da je tekućina koja zadržava svoj volumen uvjetni prikaz. To znači da se u usporedbi s plinovima, koji se lako komprimiraju čak i snagom dječje ruke (na primjer, u balonu), tekućine mogu smatrati nestlačivim. Međutim, na dubini od 10 km u Svjetskom oceanu voda je pod tako visokim pritiskom da svaki kilogram vode smanjuje svoj volumen za 5% - s 1 litre na 950 ml. Koristeći veći pritisak, tekućine se mogu još više komprimirati.
Sva neživa tvar sastoji se od čestica koje se mogu ponašati drugačije. Struktura plinovitih, tekućih i čvrstih tijela ima svoje karakteristike. Čestice u krutim tvarima drže se zajedno jer su vrlo blizu jedna drugoj, što ih čini vrlo čvrstima. Osim toga, oni mogu zadržati određeni oblik, budući da se njihove najmanje čestice praktički ne kreću, već samo vibriraju. Molekule u tekućinama su prilično blizu jedna drugoj, ali se mogu slobodno kretati, pa nemaju svoj oblik. Čestice u plinovima kreću se vrlo brzo i oko njih obično ima puno prostora, što znači da se mogu lako stisnuti.
Svojstva i struktura čvrstih tijela
Kakva je struktura i strukturne značajke čvrstih tijela? Sastoje se od čestica koje su smještene vrlo blizu jedna drugoj. Ne mogu se kretati i stoga njihov oblik ostaje fiksan. Koja su svojstva čvrste tvari? Ne komprimira se, ali ako se zagrijava, njegov volumen će se povećavati s povećanjem temperature. To se događa jer čestice počinju vibrirati i kretati se, uzrokujući smanjenje gustoće.
Jedna od karakteristika čvrstih tijela je da imaju stalan oblik. Kada se krutina zagrijava, kretanje čestica se povećava. Čestice koje se brže kreću sudaraju se jače, uzrokujući da svaka čestica gura svoje susjede. Stoga povećanje temperature obično rezultira povećanjem tjelesne snage.
Kristalna struktura čvrstih tijela
Međumolekulske sile međudjelovanja između susjednih molekula krutine dovoljno su jake da ih drže u fiksnom položaju. Ako su te najmanje čestice u visoko uređenoj konfiguraciji, onda se takve strukture obično nazivaju kristalnim. Pitanjima unutarnjeg reda čestica (atoma, iona, molekula) elementa ili spoja bavi se posebna znanost – kristalografija.
Krutine su također od posebnog interesa. Proučavajući ponašanje čestica i njihovu strukturu, kemičari mogu objasniti i predvidjeti kako će se određene vrste materijala ponašati pod određenim uvjetima. Najmanje čestice krutine raspoređene su u rešetku. To je takozvani pravilan raspored čestica, pri čemu važnu ulogu imaju različite kemijske veze među njima.
Tračna teorija strukture čvrstog tijela smatra ga skupom atoma, od kojih se svaki sastoji od jezgre i elektrona. U kristalnoj strukturi jezgre atoma nalaze se u čvorovima kristalne rešetke, koju karakterizira određena prostorna periodičnost.
Kakva je struktura tekućine?
Struktura krutina i tekućina slična je po tome što se čestice od kojih se sastoje nalaze blizu. Razlika je u tome što se molekule slobodno kreću, budući da je sila privlačenja među njima mnogo slabija nego u čvrstom tijelu.
Koja svojstva ima tekućina? Prvi je fluidnost, a drugi je da će tekućina poprimiti oblik posude u kojoj se nalazi. Ako ga zagrijete, glasnoća će se povećati. Zbog velike blizine čestica jedna drugoj, tekućina se ne može komprimirati.
Kakva je struktura i struktura plinovitih tijela?
Čestice plina raspoređene su nasumično, toliko su udaljene jedna od druge da se između njih ne može pojaviti nikakva privlačna sila. Koja svojstva ima plin i kakva je građa plinovitih tijela? Plin u pravilu ravnomjerno ispunjava cijeli prostor u kojem je postavljen. Lako se stisne. Brzina čestica plinovitog tijela raste s porastom temperature. Istodobno se povećava i pritisak.
Građu plinovitih, tekućih i čvrstih tijela karakterizira različita udaljenost između najmanjih čestica tih tvari. Čestice plina mnogo su udaljenije od čvrstih ili tekućih čestica. U zraku je, na primjer, prosječna udaljenost između čestica otprilike deset puta veća od promjera svake čestice. Dakle, volumen molekula zauzima samo oko 0,1% ukupnog volumena. Preostalih 99,9% je prazan prostor. Nasuprot tome, čestice tekućine ispunjavaju oko 70% ukupnog volumena tekućine.
Svaka se čestica plina slobodno kreće pravocrtno dok se ne sudari s drugom česticom (plinom, tekućinom ili krutom tvari). Čestice se obično kreću prilično brzo, a nakon što se dvije sudare, odbiju se jedna o drugu i same nastave put. Ovi sudari mijenjaju smjer i brzinu. Ova svojstva čestica plina omogućuju plinovima da se šire kako bi ispunili bilo koji oblik ili volumen.
Promjena stanja
Struktura plinovitih, tekućih i čvrstih tijela može se promijeniti ako su izložena određenom vanjskom utjecaju. Oni se čak mogu transformirati u jedno drugom stanje pod određenim uvjetima, kao što je tijekom zagrijavanja ili hlađenja.
- Isparavanje. Struktura i svojstva tekućih tijela omogućuju im da se pod određenim uvjetima pretvore u potpuno drugačije agregatno stanje. Na primjer, ako slučajno prolijete benzin dok dolijevate gorivo u automobil, brzo možete primijetiti njegov oštar miris. Kako se to događa? Čestice se kreću kroz tekućinu, na kraju stižući do površine. Njihovo usmjereno gibanje može odnijeti te molekule izvan površine u prostor iznad tekućine, ali gravitacija će ih povući natrag. S druge strane, ako se čestica kreće vrlo brzo, može se odvojiti od drugih na znatnu udaljenost. Dakle, s povećanjem brzine čestica, što se obično događa pri zagrijavanju, dolazi do procesa isparavanja, odnosno pretvaranja tekućine u plin.
Ponašanje tijela u različitim agregatnim stanjima
Struktura plinova, tekućina i krutih tvari uglavnom je posljedica činjenice da se sve te tvari sastoje od atoma, molekula ili iona, ali ponašanje tih čestica može biti potpuno drugačije. Čestice plina su nasumično razmaknute jedna od druge, molekule tekućine su blizu jedna drugoj, ali nisu tako krute strukture kao u krutom tijelu. Čestice plina vibriraju i kreću se velikim brzinama. Atomi i molekule tekućine vibriraju, kreću se i klize jedni pored drugih. Čestice čvrstog tijela također mogu titrati, ali im kretanje kao takvo nije svojstveno.
Značajke unutarnje strukture
Da biste razumjeli ponašanje materije, prvo morate proučiti značajke njezine unutarnje strukture. Koje su unutarnje razlike između granita, maslinovog ulja i helija u balonu? Jednostavan model strukture materije pomoći će odgovoriti na ovo pitanje.
Model je pojednostavljena verzija stvarnog objekta ili tvari. Na primjer, prije nego što počne stvarna gradnja, arhitekti prvo konstruiraju model građevinskog projekta. Takav pojednostavljeni model ne mora nužno podrazumijevati točan opis, ali u isto vrijeme može dati približnu ideju o tome kakva će određena struktura biti.
Pojednostavljeni modeli
U znanosti, međutim, modeli nisu uvijek fizička tijela. U prošlom stoljeću došlo je do značajnog povećanja ljudskog razumijevanja fizičkog svijeta. Međutim, veliki dio akumuliranog znanja i iskustva temelji se na izuzetno složenim konceptima, kao što su matematičke, kemijske i fizikalne formule.
Da biste sve ovo razumjeli, morate biti prilično dobro upućeni u ove egzaktne i složene znanosti. Znanstvenici su razvili pojednostavljene modele za vizualizaciju, objašnjenje i predviđanje fizičkih pojava. Sve to uvelike pojednostavljuje razumijevanje zašto neka tijela imaju stalan oblik i volumen na određenoj temperaturi, dok ih druga mogu mijenjati i tako dalje.
Sva materija sastoji se od sitnih čestica. Te su čestice u stalnom kretanju. Količina kretanja povezana je s temperaturom. Povećana temperatura ukazuje na povećanje brzine kretanja. Struktura plinovitih, tekućih i čvrstih tijela razlikuje se po slobodi kretanja njihovih čestica, kao i po tome koliko se čestice međusobno privlače. Fizički ovisi o njegovom fizičkom stanju. Vodena para, tekuća voda i led imaju ista kemijska svojstva, ali se fizikalna svojstva bitno razlikuju.
