Агрегация күйі дегеніміз не, қатты, сұйық және газдардың қандай белгілері мен қасиеттері бар деген сұрақтар бірнеше оқу курстарында қарастырылады. Құрылымының өзіне тән белгілері бар материяның үш классикалық күйі бар. Оларды түсіну Жер, тірі организмдер және өндірістік әрекеттер туралы ғылымдарды түсінудің маңызды нүктесі болып табылады. Бұл сұрақтарды физика, химия, география, геология, физикалық химия және басқа да ғылыми пәндер зерттейді. Белгілі бір жағдайларда күйдің үш негізгі түрінің бірінде болатын заттар температураның немесе қысымның жоғарылауы немесе төмендеуімен өзгеруі мүмкін. Бір агрегация күйінен екіншісіне ауысу мүмкіндігін қарастырыңыз, өйткені олар табиғатта, технологияда және күнделікті өмірде жүзеге асырылады.
Біріктіру жағдайы қандай?
Латын тілінен шыққан «aggrego» сөзі орыс тіліне аударғанда «қосу» дегенді білдіреді. Ғылыми термин сол дененің, заттың күйін білдіреді. Қатты заттардың белгілі бір температура мәндерінде және әртүрлі қысымдарында болуы,газдар мен сұйықтар Жердің барлық қабықтарына тән. Үш негізгі агрегаттық күйден басқа, төртіншісі де бар. Жоғары температурада және тұрақты қысымда газ плазмаға айналады. Агрегация күйінің не екенін жақсырақ түсіну үшін заттар мен денелерді құрайтын ең кішкентай бөлшектерді есте сақтау қажет.
Жоғарыдағы диаграммада көрсетілген: a - газ; b - сұйық; c - қатты дене. Мұндай фигураларда шеңберлер заттардың құрылымдық элементтерін көрсетеді. Бұл символ, шын мәнінде атомдар, молекулалар, иондар қатты шарлар емес. Атомдар оң зарядталған ядродан тұрады, оның айналасында теріс зарядталған электрондар жоғары жылдамдықпен қозғалады. Заттың микроскопиялық құрылымын білу әртүрлі агрегаттық формалар арасындағы айырмашылықтарды жақсырақ түсінуге көмектеседі.
Микрокосмостың өкілдері: Ежелгі Грециядан 17 ғасырға дейін
Физикалық денелерді құрайтын бөлшектер туралы алғашқы мәліметтер Ежелгі Грецияда пайда болды. Атом деген ұғымды ойшылдар Демокрит пен Эпикур енгізді. Олар әртүрлі заттардың бұл ең кішкентай бөлінбейтін бөлшектерінің пішіні, белгілі бір өлшемдері бар, қозғалуға және бір-бірімен әрекеттесуге қабілетті деп есептеді. Атомистика ежелгі Грецияның өз заманындағы ең озық ілімі болды. Бірақ оның дамуы орта ғасырларда баяулады. Содан бері ғалымдар Рим-католик шіркеуінің инквизициясы тарапынан қудаланды. Сондықтан қазіргі заманға дейін материяның агрегаттық күйі қандай екендігі туралы нақты түсінік болған жоқ. Тек 17 ғасырдан кейінғалымдар Р. Бойл, М. Ломоносов, Д. Дальтон, А. Лавуазье бүгінгі күнге дейін маңызын жоймаған атом-молекулалық теорияның ережелерін тұжырымдаған.
Атомдар, молекулалар, иондар зат құрылымының микроскопиялық бөлшектері
Микроәлемді түсінудегі елеулі серпіліс электронды микроскоп ойлап табылған 20 ғасырда болды. Ғалымдар бұрын ашқан жаңалықтарды ескере отырып, микроәлемнің үйлесімді суретін біріктіруге мүмкіндік туды. Заттың ең кішкентай бөлшектерінің күйі мен мінез-құлқын сипаттайтын теориялар өте күрделі, олар кванттық физика саласына жатады. Заттың әртүрлі агрегаттық күйлерінің ерекшеліктерін түсіну үшін әртүрлі заттарды құрайтын негізгі құрылымдық бөлшектердің атаулары мен ерекшеліктерін білу жеткілікті.
- Атомдар химиялық бөлінбейтін бөлшектер. Химиялық реакцияларда сақталады, бірақ ядрода жойылады. Металдар және атомдық құрылымның көптеген басқа заттары қалыпты жағдайда қатты агрегаттық күйге ие болады.
- Молекулалар химиялық реакцияларда ыдырап, түзілетін бөлшектер. Молекулалық құрылымында оттегі, су, көмірқышқыл газы, күкірт бар. Қалыпты жағдайда оттегінің, азоттың, күкірт диоксидінің, көміртегінің, оттегінің агрегаттық күйі газ тәрізді.
- Иондар – атомдар мен молекулалар электрон алған немесе жоғалтқан кезде айналатын зарядталған бөлшектер – микроскопиялық теріс зарядталған бөлшектер. Көптеген тұздардың иондық құрылымы бар, мысалы, ас тұзы, темір және мыс сульфаты.
Бөлшектері кеңістікте белгілі бір тәртіпте орналасқан заттар бар. Реттелген салыстырмалы позицияатомдар, иондар, молекулалар кристалдық тор деп аталады. Әдетте иондық және атомдық кристалдық торлар қатты денелерге, молекулалық - сұйықтар мен газдарға тән. Алмаздың қаттылығы жоғары. Оның атомдық кристалдық торын көміртек атомдары құрайды. Бірақ жұмсақ графит де осы химиялық элемент атомдарынан тұрады. Тек олар кеңістікте әртүрлі орналасады. Күкірттің әдеттегі агрегаттық күйі қатты, бірақ жоғары температурада зат сұйық және аморфты массаға айналады.
Қатты агрегаттық күйдегі заттар
Қатты денелер қалыпты жағдайда көлемі мен пішінін сақтайды. Мысалы, құм дәні, қант дәні, тұз, тас немесе металдың бір бөлігі. Қантты қыздырса, зат ери бастайды, тұтқыр қоңыр сұйықтыққа айналады. Қыздыруды тоқтатыңыз - біз қайтадан қатты зат аламыз. Бұл қатты дененің сұйық күйге өтуінің негізгі шарттарының бірі оның қызуы немесе зат бөлшектерінің ішкі энергиясының артуы екенін білдіреді. Азық-түлікте қолданылатын тұздың агрегациясының қатты күйі де өзгеруі мүмкін. Бірақ ас тұзын еріту үшін қантты қыздырғанға қарағанда жоғары температура қажет. Өйткені, қант молекулалардан тұрады, ал ас тұзы бір-біріне күштірек тартылатын зарядталған иондардан тұрады. Сұйық күйдегі қатты заттар пішінін сақтамайды, өйткені кристалдық торлар ыдырайды.
Тұздың балқыту кезіндегі агрегациясының сұйық күйі кристалдардағы иондар арасындағы байланыстың үзілуімен түсіндіріледі. босатыладыэлектр зарядтарын тасымалдай алатын зарядталған бөлшектер. Балқытылған тұздар электр тогын өткізеді және өткізгіш болып табылады. Химия, металлургия және машина жасау өнеркәсібінде қатты денелерді олардан жаңа қосылыстар алу немесе әртүрлі пішіндер беру үшін сұйықтықтарға айналдырады. Металл қорытпалары кеңінен қолданылады. Қатты шикізаттың агрегаттық күйінің өзгеруіне байланысты оларды алудың бірнеше жолы бар.
Сұйықтық - біріктірудің негізгі күйлерінің бірі
Дөңгелек түбі бар колбаға 50 мл су құйсаңыз, заттың бірден химиялық ыдыс пішінін алатынын көруге болады. Бірақ біз колбадан суды төге салысымен, сұйықтық үстелдің бетіне бірден таралады. Судың көлемі өзгеріссіз қалады - 50 мл, ал оның пішіні өзгереді. Бұл белгілер заттың тіршілік етуінің сұйық түріне тән. Сұйықтар көптеген органикалық заттар: спирттер, өсімдік майлары, қышқылдар.
Сүт эмульсия, яғни май тамшылары бар сұйықтық. Пайдалы сұйық минерал - бұл май. Ол құрлықтағы және мұхиттағы бұрғылау қондырғыларының көмегімен ұңғымалардан алынады. Теңіз суы да өнеркәсіптің шикізаты болып табылады. Оның өзендер мен көлдердің тұщы суларынан айырмашылығы еріген заттардың, негізінен тұздардың құрамында. Су объектілерінің бетінен булану кезінде бу күйіне тек H2O молекулалары ғана өтеді, еріген заттар қалады. Теңіз суынан пайдалы заттарды алу әдістері және оны тазарту әдістері осы қасиетке негізделген.
Қашантұздарды толық жою, тазартылған су алынады. Ол 100°С-та қайнап, 0°С-та қатады. Тұзды ерітінділер әртүрлі температурада қайнап, мұзға айналады. Мысалы, Солтүстік Мұзды мұхиттағы су бетінің температурасы 2°C болғанда қатып қалады.
Сынаптың қалыпты жағдайдағы жиынтық күйі сұйық. Бұл күміс-сұр металл әдетте медициналық термометрлермен толтырылады. Қыздырған кезде сынап бағанасы шкала бойынша көтеріледі, зат кеңейеді. Неліктен көше термометрлері сынапты емес, қызыл түсті спиртті пайдаланады? Бұл сұйық металдың қасиеттерімен түсіндіріледі. 30 градус аязда сынаптың жиынтық күйі өзгереді, зат қатты болады.
Медициналық термометр сынып, сынап төгілсе, күміс шарларды қолмен алу қауіпті. Сынап буын жұту зиянды, бұл зат өте улы. Мұндай жағдайда балалар ата-анасынан, ересектерден көмек сұрауы керек.
Газ күйі
Газдар көлемін немесе пішінін сақтай алмайды. Колбаны басына дейін оттегімен толтырыңыз (оның химиялық формуласы O2). Колбаны ашқан бойда заттың молекулалары бөлмедегі ауамен араласа бастайды. Бұл броундық қозғалысқа байланысты. Тіпті ежелгі грек ғалымы Демокрит заттың бөлшектері үздіксіз қозғалыста болады деп есептеген. Қатты денелерде қалыпты жағдайда атомдардың, молекулалардың, иондардың кристалдық тордан шығуға, басқа бөлшектермен байланыстарынан босауға мүмкіндіктері болмайды. Бұл кезде ғана мүмкін боладысырттан келетін үлкен энергия.
Сұйықтықта бөлшектердің арақашықтығы қатты заттарға қарағанда біршама үлкен, молекулааралық байланысты үзу үшін олар аз энергияны қажет етеді. Мысалы, оттегінің сұйық агрегаттық күйі тек газдың температурасы -183 °C дейін төмендегенде байқалады. −223 °C температурада O2 молекулалары қатты зат түзеді. Температура берілген мәндерден жоғары көтерілгенде, оттегі газға айналады. Дәл осы пішінде ол қалыпты жағдайда болады. Өнеркәсіптік кәсіпорындарда атмосфералық ауаны бөліп, одан азот пен оттегін алуға арналған арнайы қондырғылар бар. Алдымен ауа салқындатылып, сұйылтылады, содан кейін температура біртіндеп көтеріледі. Азот пен оттегі әртүрлі жағдайларда газға айналады.
Жер атмосферасының көлемі бойынша 21% оттегі және 78% азот бар. Сұйық күйінде бұл заттар планетаның газ қабығында кездеспейді. Сұйық оттегінің ашық көк түсі бар және медициналық мекемелерде пайдалану үшін цилиндрлерге жоғары қысыммен толтырылады. Өнеркәсіпте және құрылыста сұйытылған газдар көптеген процестер үшін қажет. Оттегі металдарды газбен пісіру және кесу үшін қажет, химияда бейорганикалық және органикалық заттардың тотығу реакциялары үшін қажет. Оттегі баллонының клапанын ашсаңыз, қысым төмендейді, сұйықтық газға айналады.
Сұйытылған пропан, метан және бутан энергетикада, көлікте, өнеркәсіпте және тұрмыстық қызметте кеңінен қолданылады. Бұл заттар табиғи газдан немесе крекинг арқылы алынадышикі мұнайды (бөлу). Көміртекті сұйық және газ тәрізді қоспалар көптеген елдердің экономикасында маңызды рөл атқарады. Бірақ мұнай мен табиғи газ қоры айтарлықтай таусылды. Ғалымдардың айтуынша, бұл шикізат 100-120 жылға жетеді. Баламалы энергия көзі - ауа ағыны (жел). Жылдам ағып жатқан өзендер, теңіздер мен мұхиттар жағалауларындағы толқындар электр станцияларын пайдалану үшін пайдаланылады.
Оттегі, басқа газдар сияқты, плазманы білдіретін төртінші агрегаттық күйде болуы мүмкін. Қатты күйден газ тәрізді күйге әдеттен тыс өту кристалдық йодқа тән қасиет болып табылады. Қою күлгін зат сублимациядан өтеді - сұйық күйді айналып өтіп, газға айналады.
Материяның бір жиынтық түрінен екіншісіне ауысу қалай жүзеге асады?
Заттардың жиынтық күйінің өзгеруі химиялық өзгерістермен байланысты емес, бұл физикалық құбылыстар. Температура көтерілген кезде көптеген қатты заттар еріп, сұйықтыққа айналады. Температураның одан әрі жоғарылауы булануға, яғни заттың газ күйіне әкелуі мүмкін. Табиғатта және шаруашылықта мұндай ауысулар жердегі негізгі заттардың біріне тән. Мұз, сұйық, бу – әртүрлі сыртқы жағдайларда судың күйлері. Қосылыс бірдей, формуласы H2O. 0°С және осы мәннен төмен температурада су кристалданады, яғни мұзға айналады. Температура көтерілген кезде пайда болған кристалдар жойылады - мұз ериді, қайтадан сұйық су алынады. Оны қыздырған кезде су буы пайда болады. Булану -судың газға айналуы - тіпті төмен температурада да жүреді. Мысалы, мұздатылған шалшықтар бірте-бірте жоғалады, себебі су буланып кетеді. Тіпті аязды ауа-райында дымқыл киім кебеді, бірақ бұл процесс ыстық күнге қарағанда ұзағырақ уақыт алады.
Судың бір күйден екінші күйге ауысуларының барлығы Жер табиғаты үшін үлкен маңызға ие. Атмосфералық құбылыстар, климат және ауа райы мұхиттар бетіндегі судың булануымен, ылғалдың бұлт және тұман түріндегі құрлыққа ауысуымен, жауын-шашынмен (жаңбыр, қар, бұршақ) байланысты. Бұл құбылыстар табиғаттағы дүниежүзілік су айналымының негізін құрайды.
Күкірттің агрегаттық күйлері қалай өзгереді?
Қалыпты жағдайда күкірт - бұл ашық жылтыр кристалдар немесе ашық сары ұнтақ, яғни ол қатты зат. Күкірттің агрегаттық күйі қыздырғанда өзгереді. Біріншіден, температура 190 ° C дейін көтерілгенде, сары зат жылжымалы сұйықтыққа айнала отырып, еріп кетеді.
Сұйық күкіртті суық суға тез құйсаңыз, қоңыр түсті аморфты масса аласыз. Күкірт балқымасын әрі қарай қыздырған сайын ол тұтқыр болып, қараңғыланады. 300°С жоғары температурада күкірттің агрегация күйі қайтадан өзгереді, зат сұйықтық қасиетіне ие болады, қозғалғыш болады. Бұл ауысулар элемент атомдарының әртүрлі ұзындықтағы тізбектер құру қабілетіне байланысты болады.
Неліктен заттар әртүрлі физикалық күйде болуы мүмкін?
Күкірттің агрегаттық күйі – жай зат – қалыпты жағдайда қатты күйде болады. Күкірт диоксиді – газ, күкірт қышқылы –судан ауыр майлы сұйықтық. Тұз және азот қышқылдарынан айырмашылығы ол ұшқыш емес, молекулалар оның бетінен буланбайды. Кристалдарды қыздыру арқылы алынатын пластикалық күкірттің агрегаттық күйі қандай?
Аморфты түрде заттың сұйық құрылымы бар, аздап өтімділігі бар. Бірақ пластикалық күкірт бір уақытта пішінін (қатты зат ретінде) сақтайды. Қатты денелерге тән бірқатар қасиеттерге ие сұйық кристалдар бар. Осылайша, әртүрлі жағдайларда заттың күйі оның табиғатына, температурасына, қысымына және басқа сыртқы жағдайларға байланысты.
Қатты денелердің құрылысындағы ерекшеліктері қандай?
Заттың негізгі агрегаттық күйлері арасындағы бар айырмашылықтар атомдар, иондар және молекулалар арасындағы өзара әрекеттесу арқылы түсіндіріледі. Мысалы, неліктен заттың қатты агрегаттық күйі денелердің көлемі мен пішінін сақтау қабілетіне әкеледі? Металлдың немесе тұздың кристалдық торында құрылымдық бөлшектер бір-біріне тартылады. Металдарда оң зарядталған иондар «электрондық газ» деп аталатын затпен әрекеттеседі - металл кесіндісінде бос электрондардың жиналуы. Тұз кристалдары қарама-қарсы зарядталған бөлшектердің – иондардың тартылуынан пайда болады. Қатты денелердің жоғарыда аталған құрылымдық бірліктерінің арасындағы қашықтық бөлшектердің өздерінің өлшемдерінен әлдеқайда аз. Бұл жағдайда электростатикалық тартылыс әрекет етеді, ол күш береді, ал итеру күші жеткіліксіз.
Заттың агрегаттық қатты күйін жою үшін қажеттырысу. Металдар, тұздар, атомдық кристалдар өте жоғары температурада балқиды. Мысалы, темір 1538 °C жоғары температурада сұйық күйге айналады. Вольфрам отқа төзімді және электр шамдары үшін қыздыру жіптерін жасау үшін қолданылады. 3000 °C жоғары температурада сұйық күйге түсетін қорытпалар бар. Жер бетіндегі көптеген тау жыныстары мен минералдар қатты күйде. Бұл шикізат шахталар мен карьерлердегі жабдықтың көмегімен алынады.
Кристалдан бір ионды да ажырату үшін көп энергия жұмсау керек. Бірақ кристалдық тордың ыдырауы үшін тұзды суда еріту жеткілікті! Бұл құбылыс судың полярлық еріткіш ретіндегі таңғажайып қасиеттерімен түсіндіріледі. H2O молекулалары тұз иондарымен әрекеттесіп, олардың арасындағы химиялық байланысты бұзады. Осылайша, еру әртүрлі заттардың қарапайым араласуы емес, олардың арасындағы физикалық және химиялық әрекеттесу болып табылады.
Сұйықтардың молекулалары қалай әрекеттеседі?
Су сұйық, қатты және газ (бу) болуы мүмкін. Бұл қалыпты жағдайда оның негізгі агрегаттық күйлері. Су молекулалары екі сутегі атомымен байланысқан бір оттегі атомынан тұрады. Молекуладағы химиялық байланыстың поляризациясы бар, оттегі атомдарында ішінара теріс заряд пайда болады. Сутегі молекуладағы оң полюске айналады және басқа молекуланың оттегі атомына тартылады. Бұл әлсіз күш «сутектік байланыс» деп аталады.
Агрегацияның сұйық күйінің сипаттамасыолардың өлшемдерімен салыстырылатын құрылымдық бөлшектер арасындағы қашықтық. Аттракцион бар, бірақ ол әлсіз, сондықтан су өзінің пішінін сақтамайды. Булану тіпті бөлме температурасында сұйықтықтың бетінде пайда болатын байланыстардың бұзылуына байланысты болады.
Газдарда молекулааралық әрекеттесулер бар ма?
Заттың газ күйі бірқатар параметрлер бойынша сұйық және қатты күйден ерекшеленеді. Газдардың құрылымдық бөлшектерінің арасында молекулалардың өлшемдерінен әлдеқайда үлкен саңылаулар бар. Бұл жағдайда тартылыс күштері мүлдем жұмыс істемейді. Агрегацияның газ тәрізді күйі ауада болатын заттарға тән: азот, оттегі, көмірқышқыл газы. Төмендегі суретте бірінші текше газбен, екіншісі сұйықтықпен, ал үшіншісі қатты затпен толтырылған.
Көптеген сұйықтықтар ұшқыш, заттың молекулалары олардың бетінен үзіліп, ауаға өтеді. Мысалы, тұз қышқылының ашық бөтелкесінің аузына аммиакқа батырылған мақта тампонын әкелсеңіз, ақ түтін пайда болады. Дәл ауада тұз қышқылы мен аммиак арасында химиялық реакция жүреді, аммоний хлориді алынады. Бұл зат заттың қандай күйінде? Оның ақ түтін түзетін бөлшектері тұздың ең ұсақ қатты кристалдары болып табылады. Бұл экспериментті сорғыш астында жүргізу керек, заттар улы.
Қорытынды
Газдың агрегаттық күйін көптеген көрнекті физиктер мен химиктер зерттеген: Авогадро, Бойль, Гей-Люссак,Клайперон, Менделеев, Ле Шателье. Ғалымдар сыртқы жағдайлар өзгерген кезде химиялық реакциялардағы газ тәрізді заттардың әрекетін түсіндіретін заңдарды тұжырымдады. Ашық заңдылықтар мектеп пен университеттің физика, химия оқулықтарына еніп қана қойған жоқ. Көптеген химиялық өнеркәсіптер әртүрлі агрегаттық күйлердегі заттардың мінез-құлқы мен қасиеттері туралы білімге негізделген.
