Агрегатные состояния веществ

В этом уроке вы рассмотрите, в каких трех состояниях могут находиться окружающие нас вещества, изучите физические процессы их взаимных переходов, а также узнаете, какие условия в науке принято называть нормальными.

Причины изменчивости веществ

Каждый из нас привык видеть воду в жидком состоянии, например текущей из крана. Но если зимой оставить ее на улице, она превратится в твердый лед. А если налить воду в чайник и поставить на плиту, она закипит и перейдет в газообразное состояние (невидимый пар).

Меняется ли при этом сама вода? Нет, она остается тем же самым веществом, просто меняет свою внешнюю форму.

Факторы, которые управляют этими изменениями в природе, — это температура и давление. В зависимости от этих условий любое вещество может находиться в одном из трех агрегатных состояний: газообразном, жидком и твердом.

Чтобы ученые во всем мире могли точно сравнивать свойства газов и жидкостей, Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) утвердил строгие стандарты для экспериментов.

Запомните эти эталонные значения нормальных условий: давление должно составлять ровно $101\space325\spaceПа$ (что равно $760$ $мм$ $рт.$ $ст.$), а температура — ровно $0\space^{\circ}\mathrm{C}$.

Как вы думаете, если мы возьмем кислород и сильно охладим его в специальной лаборатории до температуры $-183\space^{\circ}\mathrm{C}$, останется ли он невидимым газом?

Как вы думаете, если мы возьмем кислород и сильно охладим его в специальной лаборатории до температуры $-183\space^{\circ}\mathrm{C}$, останется ли он невидимым газом?

Свойства газов и законы их поведения

При обычных и нормальных условиях многие привычные нам вещества — кислород, водород, азот, углекислый газ, метан — являются газами. Почему они ведут себя именно так?

В газах молекулы слабо притягиваются друг к другу, а расстояние между частицами очень велико по сравнению с их собственными размерами. Из-за этого свободного пространства газы не имеют собственной формы и объема. Они всегда занимают абсолютно весь объем сосуда, в котором находятся.

Главное отличие газов от других состояний — они легко сжимаемы. Если мы уменьшим объем газа (например, сожмем воздух внутри закрытого шприца), его частицы начнут сталкиваться со стенками гораздо чаще, и от этого давление газа возрастет. Нагревание газа при постоянном давлении, наоборот, заставляет его расширяться.

Химики используют это свойство для важной практической задачи — проверки лабораторных приборов на герметичность. Представьте, что вы закрыли пробирку пробкой с газоотводной трубкой и опустили конец трубки в стакан с водой. Если просто согреть стенки пробирки теплом ладони, воздух внутри нагреется, начнет расширяться и из трубки в воду полетят пузырьки. Это доказывает, что прибор собран плотно и не пропускает газы.

{"questions":[{"content":"Ученый наполовину опустил поршень герметичного шприца, заполненного углекислым газом. Как изменилось поведение частиц газа внутри шприца? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","displayMode":"buttons","options":["Расстояние между молекулами увеличилось, а давление упало.","Число столкновений частиц со стенками сосуда увеличилось, а давление возросло.","Молекулы начали сильно притягиваться друг к другу и заняли определенные положения."],"answer":[1]}},"hints":["Вспомните, что происходит со свободным пространством между молекулами газа, когда мы уменьшаем его объем.","Давление газа напрямую зависит от того, как часто его невидимые частицы ударяются о внутренние стенки сосуда."],"explanation":"При уменьшении объема газа расстояние между молекулами сокращается, из-за чего они начинают чаще ударяться о стенки шприца, что ведет к росту давления."}],"mix":0}

Особенности жидкостей и процесс испарения

Если в газах молекулы практически независимы, то в жидкостях взаимодействие между молекулами настолько велико, что не позволяет им свободно отрываться друг от друга и удаляться на большие расстояния.

Поэтому жидкости обладают совершенно другими свойствами:

• Несжимаемость: в отличие от газов, жидкости практически невозможно сжать, так как их молекулы уже находятся близко друг к другу. При обычных условиях жидкостями являются вода, ртуть, этиловый спирт, азотная кислота и ацетон.
• Текучесть: это важнейшее свойство позволяет жидкостям легко менять внешнюю форму и принимать очертания того сосуда, в который их наливают. При этом собственный объем жидкость сохраняет неизменным.
• Стремление к форме шара: в состоянии невесомости, свободного падения или в виде крошечных капель на траве жидкость всегда стремится принять форму идеального шара.

Несмотря на притяжение, некоторые частицы на поверхности жидкости двигаются быстрее остальных. Они способны преодолевать силы межмолекулярного притяжения, отрываться от поверхности и улетать вверх, превращаясь в газ. Этот процесс называют испарением.

При увеличении температуры молекулы начинают двигаться активнее, испарение становится интенсивнее, и наконец, при определенной температуре жидкость бурно закипает. Каждое вещество имеет свою строго определенную температуру кипения. При нормальном атмосферном давлении вода закипает при температуре $100\space^{\circ}\mathrm{C}$, ацетон — при $56\space^{\circ}\mathrm{C}$, а уксусная кислота — при $118\space^{\circ}\mathrm{C}$.

Если же начать охлаждать жидкость, ее молекулы будут перемещаться все меньше. При некоторой температуре они займут фиксированные положения относительно друг друга. Этот процесс перехода из жидкого состояния в твердое называют кристаллизацией (например, превращение воды в лед при охлаждении до $0\space^{\circ}\mathrm{C}$ .

{"questions":[{"content":"Распределите указанные вещества по двум группам в зависимости от их агрегатного состояния при обычных условиях. [[grouper-1]]","widgets":{"grouper-1":{"type":"grouper","labels":["Группа 1: Жидкости","Группа 2: Газы"],"items":[["ртуть","этиловый спирт","ацетон"],["азот","метан","водород"]]}},"hints":["Вспомните, какие из этих веществ обладают текучестью и сохраняют объем, а какие — занимают весь предоставленный им сосуд.","Ртуть и спирт при комнатной температуре всегда остаются жидкими, в то время как компоненты воздуха и горючие газы вроде метана — газообразны."],"explanation":"Ртуть, спирт и ацетон обладают текучестью и практически несжимаемы при обычных условиях, поэтому они жидкие. Азот, метан и водород не имеют формы и объема, занимая весь сосуд, что свойственно газам."}],"mix":0}

Твердое состояние и скрытые переходы вещества

Твердые тела обладают самой строгой структурой: они прочно сохраняют и свои форму, и свой объем. Частицы, образующие твердое тело, сохраняют свое взаимное положение относительно друг друга и перестают свободно перемещаться. Они могут совершать лишь небольшие колебания на одном месте. При обычных условиях твердыми являются поваренная соль, железо, сахар, сера.

При нагревании твердого вещества его частицы колеблются все сильнее, и при температуре плавления происходит плавление — переход в жидкое состояние.

Но в химии существуют удивительные прямые переходы, минуя жидкую фазу:

• Сублимация, или возгонка — это способность некоторых веществ переходить из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое. Яркий пример — кристаллический йод, который при обычных условиях не имеет жидкого состояния (привычный нам медицинский йод — это всего лишь его раствор в спирте). Благодаря возгонке мокрое белье можно легко высушить на сильном морозе: лед в тканях напрямую превращается в пар.
• Десублимация — это обратный процесс, когда газообразное вещество минуя стадию жидкости превращается в твердое. В природе мы наблюдаем десублимацию каждую осень и зиму, когда невидимый водяной пар из холодного воздуха мгновенно превращается в красивые кристаллики инея на ветвях деревьев и проводах.

Все эти взаимные переходы — плавление, испарение, конденсация, кристаллизация, возгонка и десублимация — не меняют состав самого вещества. Молекулы остаются прежними. Именно поэтому такие явления называют физическими.

{"questions":[{"content":"Ученик заметил, что после резкого похолодания на металлических поручнях моста появился пушистый белый иней. Какой физический процесс привел к образованию инея из водяного пара атмосферы? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","displayMode":"buttons","options":["Кристаллизация","Десублимация","Конденсация"],"answer":[1]}},"hints":["Обратите внимание: вещество перешло в твердое состояние (кристаллики льда) напрямую из газообразного (водяной пар), минуя жидкую стадию воды.","Вспомните название процесса, который является прямой противоположностью возгонки (сублимации)."],"explanation":"Превращение газообразного вещества сразу в твердое, минуя жидкое состояние, называется десублимацией, примером чего и является образование инея."}],"mix":0}

В зависимости от условий вещество может находиться в любом из трех агрегатных состояний:

Из одного агрегатного состояния оно может переходить в другое:

Часто задаваемые вопросы