Межмолекулярное строение твердых тел, жидкостей и газов. Агрегатные состояния

Чтобы подробнее рассмотреть свойства веществ, нам необходимо разобраться в их молекулярном строении. 

Рассмотрим пример. После дождя появилась лужа. Если ударит мороз, и лужа замерзнет, то по ней уже можно будет проехаться. В жару вода из лужи быстро испарится, превратившись в пар. Но разве в этих случаях лужа будет состоять из другого вещества?

Нет, она все так же состоит из одних и тех же молекул. Лед, пар и вода — это одно и то же вещество, но молекулы в нем могут по-разному располагаться и взаимодействовать.

В таких случаях говорят, что вещество способно пребывать в разных состояниях или переходить из одного в другое (рисунок 1).

Агрегатные состояние вещества

Агрегатные состояния — это состояния одного вещества, при которых его свойства значительно различаются. Оно определяется расположением молекул вещества и характером их движения.

Какие три состояния вещества вам известны? Различают 3 основных агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное.

Но у веществ существуют и другие состояния. При очень больших температурах молекулы склонны распадаться на составляющие их атомы, ионы и электроны, о которых пойдет речь позже. Из этих частиц состоит плазма — одно из состояний вещества.

Мы можем ее наблюдать в виде пламени костра или свечи. Вещества, из которых состоит Солнце, тоже пребывают в плазменном состоянии, плазма в атмосфере вызывает полярное сияние. На свойствах плазмы базируется принцип работы плазменных телевизоров.

Бывают неустойчивые состояния веществ: переохлажденные или перегретые жидкости. Они достигаются охлаждением жидкости ниже температуры кристаллизации либо нагревом ее выше температуры испарения при определенных условиях. При этом, незначительное внешнее воздействие на такую жидкость вызывает ее резкий переход в твердое либо газообразное состояние.

Но сейчас мы рассмотрим подробнее основные агрегатные состояния.

Твердое агрегатное состояние

Твердым можно назвать любой предмет, сохраняющий свою форму, если его специально не разрушать. Другими словами — это такое агрегатное состояние вещества, при котором оно сохраняет свой объем и форму.

Молекулы/атомы в таком веществе находятся на определенных позициях, они могут колебаться на своих местах, но их положение по отношению к другим молекулам/атомам практически не меняется (рисунок 2).

В твердых кристаллических веществах атомы образуют кристаллическую решетку (лед, соль, металлы и др.) — рисунок 3.

В твердых телах притяжение между молекулами (атомами) намного больше, чем у жидкостей. Поэтому в обычных условиях твердые тела сохраняют свою форму и объем.

В твердых аморфных веществах атомы расположены беспорядочно, не имеют кристаллической структуры, но и не находятся в постоянном движении (смола, янтарь). Обычно характеризуются невысокой температурой плавления, из-за чего могут легко переходить в другое агрегатное состояние и обладать текучестью.

{"questions":[{"content":"Выберите правильное определение <b>твердого аморфного вещества</b>.[[choice-11]]","widgets":{"choice-11":{"type":"choice","options":["Вещество, в котором атомы расположены беспорядочно, не имеют кристаллической структуры, но и не находятся в постоянном движении.","Вещество, в котором атомы расположены беспорядочно, не имеют кристаллической структуры и находятся в постоянном движении.","Вещество, в котором атомы образуют кристаллическую решетку."],"answer":[0]}}}]}

Жидкое агрегатное состояние

К жидкостям относят тела, изменить форму которых очень легко, чего нельзя сказать про их объем.

Например, налив воду из графина в стакан, жидкость примет форму сосуда, но её объем останется прежним (рисунок 4).

Наполним шприц водой, закроем пальцем отверстие и попробуем сжать воду. У нас ничего не получится. Жидкость практически несжимаема. Это такое агрегатное состояние, в котором тело способно сохранять свой объем, но не сохраняет форму.

Молекулы жидкости находятся довольно близко (расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул) и их взаимодействие ощутимое. Молекулярное строение жидкости представлено на рисунке 5.

Также на свойстве жидкости легко изменять свою форму основано изготовление предметов из расплавленного стекла (рисунок 6).

Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем, но не сохраняет форму.

В состоянии невесомости жидкость имеет форму шара, потому что внешние силы уравновешены и форма определяется только силами молекулярного взаимодействия. У последних нет единого направления, поэтому форма жидкости симметрична в любых направлениях.

{"questions":[{"content":"Какую форму принимает жидкость в <b>состоянии невесомости</b>?[[choice-26]]","widgets":{"choice-26":{"type":"choice","options":["Форму шара","Форма сосуда","Круглую форму","Газообразную форму"],"explanations":["Верно! В невесомости внешние силы уравновешены и форма определяется только силами молекулярного взаимодействия. У последних нет единого направления, поэтому форма жидкости симметрична в любых направлениях.","","",""],"answer":[0]}}}]}

Газообразное агрегатное состояние

Большинство газов бесцветны и прозрачны, а потому невидимы. Его присутствие мы можем почувствовать при дуновении ветра, сквозняка в комнате или же на примере простых опытов (рисунок 7).

Опустим в воду воронку, предварительно соединив ее резиновой трубкой со стеклянной трубочкой. Из трубочки начнут выходить пузырьки воздуха, которые до этого были в воронке и во всей системе в целом. Подобные простые опыты подтверждают наличие воздуха вокруг нас.

Каково расположение молекул газа? Молекулы газа находятся на больших расстояниях друг от друга и в постоянном хаотичном движении. Поэтому часто взаимодействие между молекулами газа не учитывается, и большое пространство между частицами позволяет сильно сжимать газы. Молекулярное строение газа представлено на рисунке 8.

Газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Они принимают форму сосуда и полностью заполняют предоставленный им объем.

{"questions":[{"content":"Сопоставьте свойства объема и формы в соответствии с <b>агрегатными состояниями</b>.[[matcher-1]]","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["Твердое","Жидкое","Газообразное"],"items":["вещество сохраняет объем и форму","вещество сохраняет объем, но не сохраняет форму","вещество не имеет собственной формы и постоянного объема","вещество не сохраняет объем, но сохраняет форму"]}}}]}

Задания

Существенно сжать бутылку, наполненную водой, у нас не получится. Максимум, вы только помнете бутылку, но ее объем останется прежним. Связано это с тем, что в воде расстояние между молекулами небольшое, и она практически несжимаема.

А вот когда мы выльем из бутылки воду, то сможем значительно деформировать бутылку и уменьшить ее объем. Почему? Теперь бутылку наполняет воздух. А его молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга, поэтому нам было так легко сжать этот газ внутри бутылки.

Через некоторое время вы увидите, что уровень воды в стакане поднялся. Он стал выше уровня воды в блюдце (рисунок 10).

После того, как мы поставили горячий стакан с таким же воздухом внутри на блюдце с холодной водой, между всеми этими телами начался теплообмен. Это означает, что вода начала нагреваться, а воздух в стакане, наоборот, начал охлаждаться.

А что происходит с телами при их охлаждении или нагревании? Они соответственно сжимаются или расширяются. Так, через 15 минут теплый воздух охладился и сжался, а вода, наоборот, расширилась и заняла место в стакане.

На самом деле, здесь большое значение имеет давление, которое оказывают те или иные тела, включая и воздух вокруг нас. Об этом понятии вы узнаете на следующих уроках.