Apa status materi. Apa yang dimaksud dengan keadaan agregat? Keadaan agregat materi. Benda padat dan cair
Keadaan agregasi suatu zat biasanya disebut kemampuannya untuk mempertahankan bentuk dan volumenya. Fitur tambahan adalah cara transisi suatu zat dari satu keadaan agregasi ke keadaan lain. Berdasarkan ini, ada tiga keadaan agregasi: padat, cair dan gas. Properti yang terlihat adalah sebagai berikut:
Solid - mempertahankan bentuk dan volumenya. Ia dapat melewati keduanya menjadi cairan dengan meleleh dan langsung menjadi gas dengan sublimasi.
- Cairan - mempertahankan volume, tetapi bukan bentuknya, yaitu memiliki fluiditas. Cairan yang tumpah cenderung menyebar tanpa batas di atas permukaan tempat ia dituangkan. Cairan dapat berubah menjadi padatan melalui kristalisasi, dan menjadi gas melalui penguapan.
- Gas - tidak mempertahankan bentuk maupun volume. Gas di luar wadah apa pun cenderung mengembang tanpa batas ke segala arah. Hanya gaya gravitasi yang dapat mencegahnya melakukan ini, karena itu atmosfer bumi tidak menghilang ke luar angkasa. Gas masuk ke dalam cairan melalui kondensasi, dan langsung ke benda padat dapat melewati pengendapan.
Transisi fase
Transisi suatu zat dari satu keadaan agregasi ke keadaan lain disebut transisi fase, karena keadaan ilmiah agregasi adalah fase suatu zat. Misalnya, air bisa ada dalam bentuk padat (es), cair (air biasa), dan gas (uap air).
Contoh air juga ditunjukkan dengan baik. Nongkrong di halaman untuk mengeringkan pada hari yang dingin dan tidak berangin segera membeku, tetapi setelah beberapa saat ternyata menjadi kering: es menyublim, langsung berubah menjadi uap air.
Biasanya, transisi fase dari padat ke cair dan gas membutuhkan pemanasan, tetapi suhu medium tidak meningkat dalam hal ini: energi panas dihabiskan untuk memutus ikatan internal dalam zat. Inilah yang disebut panas laten. Selama transisi fase terbalik (kondensasi, kristalisasi), panas ini dilepaskan.
Itulah mengapa luka bakar uap sangat berbahaya. Saat bersentuhan dengan kulit, itu mengembun. Panas laten penguapan / kondensasi air sangat tinggi: air dalam hal ini adalah zat yang tidak normal; itulah mengapa kehidupan di bumi menjadi mungkin. Dalam kasus pembakaran uap, panas laten kondensasi air "melepuh" tempat yang terbakar sangat dalam, dan konsekuensi dari pembakaran uap jauh lebih parah daripada dari api pada area tubuh yang sama.
Pseudofase
Fluiditas fase cair suatu zat ditentukan oleh viskositasnya, dan viskositas ditentukan oleh sifat ikatan internal, yang akan membahas bagian selanjutnya. Viskositas cairan bisa sangat tinggi dan cairan bisa mengalir tanpa disadari oleh mata.
Kaca adalah contoh klasik. Ini bukan padatan, tapi cairan yang sangat kental. Perhatikan bahwa lembaran kaca di gudang tidak pernah disimpan miring ke dinding. Dalam beberapa hari, mereka akan membungkuk karena beratnya sendiri dan tidak dapat digunakan lagi.
Contoh lain dari pseudo-solid adalah boot pitch dan aspal konstruksi. Jika Anda lupa potongan aspal sudut di atap, selama musim panas itu akan menyebar menjadi kue dan menempel di alasnya. Pseudo-padatan dapat dibedakan dari yang asli dengan sifat meleleh: yang asli mempertahankan bentuknya sampai menyebar sekaligus (solder selama penyolderan), atau mengapung, membiarkan genangan air dan anak sungai (es). Dan cairan yang sangat kental secara bertahap melunak, seperti nada atau bitumen yang sama.
Plastik adalah cairan yang sangat kental yang tidak terlihat selama bertahun-tahun dan dekade. Kemampuannya yang tinggi untuk mempertahankan bentuknya disediakan oleh berat molekul polimer yang sangat besar, dalam ribuan dan jutaan atom hidrogen.
Struktur fase materi
Dalam fase gas, molekul atau atom suatu zat sangat berjauhan satu sama lain, berkali-kali lebih besar dari jarak di antara mereka. Mereka berinteraksi satu sama lain sesekali dan tidak teratur, hanya dalam tabrakan. Interaksi itu sendiri elastis: mereka bertabrakan seperti bola keras, lalu terbang menjauh.
Dalam cairan, molekul / atom terus-menerus "merasakan" satu sama lain karena ikatan kimianya yang sangat lemah. Ikatan ini putus sepanjang waktu dan segera dipulihkan kembali, molekul-molekul cairan terus bergerak relatif satu sama lain, sehingga cairan mengalir. Tetapi untuk mengubahnya menjadi gas, Anda perlu memutuskan semua ikatan sekaligus, dan ini membutuhkan banyak energi, karena cairan mempertahankan volumenya.
Dalam hal ini, air berbeda dari zat lain karena molekulnya dalam cairan dihubungkan oleh apa yang disebut ikatan hidrogen, yang cukup kuat. Oleh karena itu, air dapat menjadi cairan dengan suhu normal seumur hidup. Banyak zat dengan berat molekul puluhan dan ratusan kali lebih besar dari air, dalam kondisi normal mereka adalah gas, sama seperti gas rumah tangga biasa.
Dalam zat padat, semua molekulnya berada pada tempatnya karena ikatan kimia yang kuat di antara mereka, membentuk kisi kristal. Kristal dengan bentuk yang benar memerlukan kondisi khusus untuk pertumbuhannya dan oleh karena itu jarang ditemukan di alam. Sebagian besar padatan adalah konglomerat dari kristal kecil dan menit - kristalit, yang terikat erat oleh kekuatan sifat mekanik dan listrik.
Jika pembaca pernah melihat, misalnya, retak semi-poros mobil atau jeruji besi tuang, maka butiran kristalit pada patahan akan terlihat di sana. dengan mata yang sederhana... Dan pada pecahan porselen atau gerabah, mereka dapat diamati di bawah kaca pembesar.
Plasma
Fisikawan juga membedakan keadaan keempat agregasi materi - plasma. Dalam plasma, elektron dipisahkan dari inti atom, dan itu adalah campuran partikel bermuatan listrik. Plasma bisa sangat padat. Misalnya, satu sentimeter kubik plasma dari perut bintang - katai putih, memiliki berat puluhan dan ratusan ton.
Plasma diisolasi menjadi keadaan agregasi yang terpisah karena ia secara aktif berinteraksi dengan medan elektromagnetik karena partikelnya bermuatan. Di ruang bebas, plasma cenderung mengembang, mendingin, dan berubah menjadi gas. Tetapi di bawah pengaruh medan elektromagnetik, ia dapat mempertahankan bentuk dan volumenya di luar bejana, seperti benda padat. Sifat plasma ini digunakan dalam reaktor termonuklir - prototipe pembangkit listrik masa depan.
Zat bisa dalam berbagai keadaan agregasi: padat, cair, gas. Gaya molekuler di berbagai tingkat agregasi berbeda: dalam keadaan padat gaya adalah yang terbesar, dalam bentuk gas adalah yang terkecil. Perbedaan gaya molekuler menjelaskan properti yang muncul di berbagai status agregasi:
Dalam benda padat, jarak antar molekul kecil dan gaya interaksi berlaku. Oleh karena itu, padatan memiliki sifat mempertahankan bentuk dan volume. Molekul zat padat bergerak konstan, tetapi setiap molekul bergerak pada posisi kesetimbangan.
Pada zat cair, jarak antar molekul lebih besar yang berarti gaya interaksinya juga semakin kecil. Oleh karena itu, cairan mempertahankan volumenya, tetapi dengan mudah mengubah bentuknya.
Dalam gas, gaya interaksinya cukup kecil, karena jarak antar molekul gas beberapa puluh kali lebih besar dari ukuran molekulnya. Oleh karena itu, gas menempati seluruh volume yang disediakan untuknya.
Transisi dari satu keadaan agregasi ke keadaan lain
Definisi
Materi leleh $ - $ transisi materi dari keadaan padat menjadi cair.
Transisi fase ini selalu disertai dengan penyerapan energi, yaitu panas harus disuplai ke zat. Di mana energi internal materi meningkat. Peleburan hanya terjadi pada suhu tertentu yang disebut titik leleh. Setiap zat memiliki titik lelehnya sendiri. Misalnya, ice memiliki $ t_ (pl) \u003d 0 ^ 0 \\ textrm (C) $.
Saat peleburan terjadi, suhu zat tidak berubah.
Apa yang perlu dilakukan untuk melelehkan zat bermassa $ juta $? Pertama, Anda perlu memanaskannya ke titik leleh $ t_ (pl) $ dengan melaporkan jumlah panas $ c (\\ cdot) m (\\ cdot) (\\ Delta) T $, di mana $ c $ $ adalah kalor jenis substansi. Kemudian perlu ditambahkan jumlah kalor $ (\\ lambda) (\\ cdot) m $, di mana $ \\ lambda $ $ adalah kalor jenis fusi zat. Peleburan sendiri akan terjadi pada suhu konstan yang sama dengan suhu leleh.
Definisi
Kristalisasi (pemadatan) suatu zat $ - $ transisi zat dari cair menjadi padat.
Ini adalah proses peleburan yang kebalikannya. Kristalisasi selalu disertai dengan pelepasan energi, yaitu perlu menghilangkan panas dari zat. Dalam hal ini, energi internal zat berkurang. Itu terjadi hanya pada suhu tertentu, yang bertepatan dengan titik leleh.
Saat kristalisasi terjadi, suhu zat tidak berubah.
Apa yang harus dilakukan untuk mengkristalkan zat bermassa $ m $? Pertama, Anda perlu mendinginkannya hingga titik leleh $ t_ (pl) $, menghilangkan jumlah panas $ c (\\ cdot) m (\\ cdot) (\\ Delta) T $, di mana $ c $ $ adalah panas jenis substansi. Maka perlu untuk menghilangkan jumlah panas $ (\\ lambda) (\\ cdot) m $, di mana $ \\ lambda $ $ adalah kalor jenis fusi zat. Kristalisasi akan terjadi pada suhu konstan yang sama dengan titik leleh.
Definisi
Penguapan zat $ - $ transisi suatu zat dari cairan menjadi gas.
Transisi fase ini selalu disertai dengan penyerapan energi, yaitu panas harus disuplai ke zat. Dalam hal ini, energi internal zat meningkat.
Ada dua jenis penguapan: penguapan dan pendidihan.
Definisi
Penguapan $ - $ penguapan dari permukaan zat cair pada suhu berapa pun.
Laju penguapan tergantung pada:
suhu;
luas permukaan;
jenis cairan;
angin.
Definisi
Mendidih $ - $ penguapan seluruh volume zat cair, yang terjadi hanya pada suhu tertentu, disebut titik didih.
Setiap zat memiliki titik didihnya sendiri. Misalnya, air memiliki $ t_ (bale) \u003d 100 ^ 0 \\ textrm (C) $. Saat perebusan terjadi, suhu zat tidak berubah.
Apa yang harus dilakukan untuk membuat zat massa $ m $ mendidih? Pertama, Anda perlu memanaskannya hingga titik didih $ t_ (mendidih) $, melaporkan jumlah panas $ c (\\ cdot) m (\\ cdot) (\\ Delta) T $, di mana $ c $ $ adalah kalor jenis substansi. Kemudian perlu ditambahkan jumlah kalor $ (L) (\\ cdot) m $, di mana $ L $ $ adalah kalor jenis penguapan zat. Pendidihan sendiri akan terjadi pada suhu konstan yang sama dengan titik didihnya.
Definisi
Kondensasi materi $ - $ transisi suatu zat dari gas menjadi cair.
Ini adalah proses kebalikan dari penguapan. Kondensasi selalu disertai dengan pelepasan energi, yaitu perlu menghilangkan panas dari zat. Dalam hal ini, energi internal zat berkurang. Itu hanya terjadi pada suhu tertentu, yang bertepatan dengan titik didih.
Saat kondensasi terjadi, suhu zat tidak berubah.
Apa yang harus dilakukan untuk memadatkan materi massa $ m $? Pertama, Anda perlu mendinginkannya hingga titik didih $ t_ (mendidih) $, menghilangkan jumlah panas $ c (\\ cdot) m (\\ cdot) (\\ Delta) T $, di mana $ c $ $ adalah kalor jenis substansi. Maka perlu untuk menghilangkan jumlah panas $ (L) (\\ cdot) m $, dimana $ L $ $ adalah kalor jenis penguapan zat. Pengembunan akan terjadi pada temperatur konstan sama dengan titik didih.
Tujuan pelajaran:
- untuk memperdalam dan menggeneralisasi pengetahuan tentang keadaan agregat materi, untuk mempelajari bagaimana substansi bisa.
Tujuan Pelajaran:
Pendidikan - untuk merumuskan gagasan tentang sifat-sifat padatan, gas, cairan.
Developing - pengembangan keterampilan siswa dalam berbicara, menganalisis, menyimpulkan materi yang telah dilalui dan dipelajari.
Pendidikan - menanamkan tenaga mental, menciptakan semua kondisi untuk meningkatkan minat pada subjek yang dipelajari.
Istilah dasar:
Status agregasi- ini adalah keadaan zat, yang dicirikan oleh sifat kualitatif tertentu: - kemampuan atau ketidakmampuan untuk mempertahankan bentuk dan volume; - ada atau tidak adanya order jarak pendek dan jarak jauh; - lainnya.
Gambar 6. Keadaan agregat materi saat suhu berubah.
Ketika suatu zat berpindah dari keadaan padat menjadi cair, maka ini disebut peleburan, proses sebaliknya adalah kristalisasi. Ketika suatu zat berpindah dari cairan ke gas, proses ini disebut penguapan, menjadi cairan dari gas - kondensasi. Dan transisi langsung ke gas dari padatan, melewati cairan - dengan sublimasi, proses sebaliknya - dengan desublimasi.
1. kristalisasi; 2. Mencair; 3. Kondensasi; 4. Pembangkit uap;
5. Sublimasi; 6. Desublimasi.
Kami terus mengamati contoh transisi ini kehidupan sehari-hari... Ketika es mencair, ia berubah menjadi air, dan air pada gilirannya menguap dan uap terbentuk. Jika kita melihat ke arah yang berlawanan, uap, yang mengembun, mulai mengalir lagi ke dalam air, dan air, pada gilirannya, membeku, menjadi es. Bau benda padat apa pun adalah sublimasi. Beberapa molekul keluar dari tubuh, sementara gas terbentuk, yang memberikan bau. Contoh dari proses kebalikannya adalah pola pada kaca di musim dingin, ketika uap di udara mengendap di kaca saat membeku.
Video tersebut menunjukkan perubahan status agregasi materi.
Blok kontrol.
1. Setelah membeku, air berubah menjadi es. Apakah molekul air berubah?
2. Di dalam ruangan mereka menggunakan eter medis. Dan karena itu, biasanya baunya menyengat di sana. Bagaimana keadaan eter?
3. Apa yang terjadi dengan bentuk cairan?
4. Es. Bagaimana keadaan airnya?
5. Apa yang terjadi jika air membeku?
Pekerjaan rumah.
Jawablah pertanyaan:
1. Bisakah Anda mengisi setengah volume bejana dengan gas? Mengapa?
2. Bisakah nitrogen dan oksigen menjadi cair pada suhu kamar?
3. Bisakah besi dan merkuri berada dalam bentuk gas pada suhu kamar?
4. Pada suatu hari musim dingin yang membekukan, kabut terbentuk di atas sungai. Apakah keadaan materi ini?
Kami percaya bahwa suatu zat memiliki tiga keadaan agregasi. Faktanya, setidaknya ada lima belas di antaranya, sementara daftar kondisi ini terus bertambah setiap hari. Ini adalah: padatan amorf, padat, neutronium, plasma kuark-gluon, materi sangat simetris, materi simetris lemah, kondensat fermion, kondensat Bose-Einstein dan materi asing.
Di bagian ini, kita akan melihat negara agregat, di mana materi di sekitarnya berada dan gaya interaksi antara partikel materi yang melekat di masing-masing keadaan agregat.
1. Kondisi padat,
2. Keadaan cair dan
3. Kondisi gas.
Keadaan agregat keempat sering dibedakan - plasma.
Kadang-kadang, keadaan plasma dianggap sebagai jenis keadaan gas.
Plasma - gas terionisasi sebagian atau seluruhnya, paling sering terjadi pada suhu tinggi.
Plasma adalah keadaan materi yang paling umum di alam semesta, karena materi bintang berada dalam keadaan ini.
Untuk semuanya negara agregat ciri karakteristik dalam sifat interaksi antara partikel suatu zat, yang mempengaruhi sifat fisik dan kimianya.
Setiap zat dapat berada dalam keadaan agregasi yang berbeda. Pada suhu yang cukup rendah, semua zat masuk keadaan padat... Tapi saat memanas, mereka menjadi cairankemudian gas... Setelah pemanasan lebih lanjut, mereka terionisasi (atom kehilangan sebagian elektronnya) dan masuk ke keadaan plasma.
Gas
Kondisi gas (dari Dutch.gas, kembali ke bahasa Yunani kuno. Χάος ) dicirikan oleh ikatan yang sangat lemah antara partikel penyusunnya.
Molekul atau atom yang membentuk gas bergerak secara kacau dan, untuk sebagian besar waktu, jarak satu sama lain (dibandingkan dengan ukurannya) sangat besar. Karena itu gaya interaksi antara partikel gas dapat diabaikan.
Fitur utama gas adalah ia mengisi semua ruang yang tersedia tanpa membentuk permukaan. Gas selalu tercampur. Gas adalah zat isotropik, yaitu, propertinya tidak bergantung pada arah.
Dengan tidak adanya gaya gravitasi tekanan di semua titik gas sama. Dalam bidang gaya gravitasi, massa jenis dan tekanan tidak sama di setiap titik, semakin berkurang seiring dengan ketinggian. Dengan demikian, dalam bidang gravitasi, campuran gas menjadi tidak homogen. Gas berat cenderung tenggelam lebih rendah dan lebih banyak paru-paru - naik.
Gas memiliki kompresibilitas tinggi - dengan meningkatnya tekanan, kepadatannya meningkat. Saat suhu naik, mereka mengembang.
Gas terkompresi bisa berubah menjadi cairan, tetapi kondensasi tidak terjadi pada suhu apa pun, tetapi pada suhu di bawah suhu kritis. Temperatur kritis merupakan karakteristik gas tertentu dan bergantung pada gaya interaksi antar molekulnya. Misalnya gas helium hanya dapat dicairkan pada suhu di bawah 4.2K.
Ada gas yang, ketika didinginkan, berubah menjadi padat, melewati fase cair. Transformasi cairan menjadi gas disebut penguapan, dan transformasi langsung dari zat padat menjadi gas disebut sublimasi.
Padat
Kondisi padat dibandingkan dengan keadaan agregasi lainnya ditandai dengan stabilitas bentuk.
Membedakan kristal dan padatan amorf.
Keadaan kristal materi
Kestabilan bentuk padatan ini disebabkan oleh fakta yang dimiliki sebagian besar dalam keadaan padat struktur kristal.
Dalam hal ini, jarak antara partikel zat kecil, dan gaya interaksi di antara mereka besar, yang menentukan kestabilan bentuk.
Sangat mudah untuk diyakinkan tentang struktur kristal banyak padatan dengan memecah suatu materi dan memeriksa fraktur yang dihasilkan. Biasanya, pada fraktur (misalnya, pada gula, sulfur, logam, dll.), Permukaan kristal kecil yang terletak pada sudut berbeda terlihat jelas, berkilauan karena pantulan cahaya yang berbeda olehnya.
Dalam kasus di mana kristal sangat kecil, struktur kristal suatu zat dapat ditentukan dengan menggunakan mikroskop.
Bentuk kristal
Setiap bentuk substansi kristal bentuk yang cukup pasti.
Variasi bentuk kristal dapat diringkas dalam tujuh kelompok:
1. Triclinnaya (paralelipiped),
2. Monoklinik (prisma dengan jajaran genjang di alasnya),
3. Berbentuk belah ketupat (paralelepiped persegi panjang),
4. Tetragonal (persegi panjang paralelepiped dengan persegi di alasnya),
5. Trigonal,
6. Heksagonal (prisma dengan alas yang benar di tengah
segi enam),
7. Kubik (kubus).
Banyak zat, khususnya besi, tembaga, intan, natrium klorida, mengkristal sistem kubik... Bentuk paling sederhana dari sistem ini adalah kubus, oktahedron, tetrahedron.
Magnesium, seng, es, kuarsa mengkristal sistem heksagonal... Bentuk utama dari sistem ini adalah - prisma hex dan bipiramida.
Kristal alami, serta kristal yang diperoleh dengan cara buatan, jarang benar-benar sesuai dengan bentuk teoretis. Biasanya, ketika zat cair membeku, kristal-kristal tersebut tumbuh bersama dan oleh karena itu bentuk masing-masing kristal tersebut ternyata tidak sepenuhnya benar.
Namun, betapapun tidak merata perkembangan kristal terjadi, tidak peduli seberapa terdistorsi bentuknya, sudut di mana permukaan kristal bertemu untuk zat yang sama tetap konstan.
Anisotropi
Ciri-ciri badan kristal tidak terbatas hanya pada bentuk kristal. Meskipun zat dalam kristal benar-benar homogen, banyak di antaranya properti fisik - kekuatan, konduktivitas termal, sikap terhadap cahaya, dll. - tidak selalu sama dalam arah yang berbeda di dalam kristal. Fitur penting dari zat kristal disebut anisotropi.
Struktur internal kristal. Kisi kristal.
Bentuk luar kristal memantulkannya struktur internal dan karena pengaturan yang benar dari partikel yang membentuk kristal - molekul, atom atau ion.
Susunan ini dapat direpresentasikan sebagai kisi kristal - kerangka kisi yang dibentuk dengan memotong garis lurus. Di titik-titik perpotongan garis - node kisi - pusat-pusat partikel berada.
Bergantung pada sifat partikel yang terletak di simpul kisi kristal, dan pada gaya interaksi apa yang berlaku di antara mereka dalam kristal tertentu, jenis berikut dibedakan kisi kristal:
1. molekul,
2. atom,
3. ionik dan
4. logam.
Kisi molekul dan atom melekat pada zat dengan ikatan kovalen, senyawa ionik - ionik, logam - logam dan paduannya.
Atom berada di simpul kisi atom... Mereka terkait satu sama lain ikatan kovalen.
Ada relatif sedikit zat dengan kisi atom. Ini termasuk berlian, silikon dan beberapa senyawa anorganik.
Zat ini dicirikan dengan kekerasan tinggi, tahan api dan tidak larut di hampir semua pelarut. Properti ini karena kekuatannya ikatan kovalen.
Molekul terletak di situs kisi molekuler... Mereka terkait satu sama lain gaya antarmolekul.
Ada banyak zat dengan kisi molekuler. Ini termasuk non-logamkecuali karbon dan silikon, semuanya senyawa organik dengan komunikasi non-ionik dan banyak senyawa anorganik.
Gaya interaksi antarmolekul jauh lebih lemah daripada gaya ikatan kovalen; oleh karena itu, kristal molekuler memiliki kekerasan yang rendah, dapat melebur dan mudah menguap.
Di situs kisi ionik berada, ion bermuatan positif dan negatif bergantian... Mereka diikat oleh kekuatan tarikan elektrostatis.
Senyawa dengan ikatan ionik yang membentuk kisi ionik termasuk kebanyakan garam dan sedikit oksida.
Dengan kekuatan kisi ionik lebih rendah daripada atom, tetapi melebihi molekuler.
Senyawa ionik memiliki titik leleh yang relatif tinggi. Dalam banyak kasus, volatilitasnya tidak terlalu bagus.
Di situs kisi logam terdapat atom logam, di mana elektron yang umum pada atom ini bergerak bebas.
Kehadiran elektron bebas dalam kisi kristal logam dapat menjelaskan banyak sifatnya: plastisitas, kelenturan, kilau logam, konduktivitas listrik dan termal yang tinggi
Ada zat dalam kristal yang dua jenis interaksi antar partikelnya memainkan peran penting. Jadi, dalam grafit, atom karbon terikat satu sama lain dalam arah yang sama ikatan kovalen, dan lainnya - logam... Oleh karena itu, kisi grafit dapat dianggap sebagai atom, Dan bagaimana logam.
Dalam banyak senyawa anorganik, misalnya dalam BeO, ZnS, CuCl, hubungan antara partikel yang terletak di simpul kisi sebagian ionikdan sebagian kovalen... Oleh karena itu, kisi dari senyawa tersebut dapat dianggap sebagai perantara ionik dan atom.
Keadaan materi amorf
Sifat zat amorf
Di antara padatan, ada yang dalam fraktur yang tidak ditemukan tanda-tanda kristal. Misalnya, jika Anda memecahkan sepotong kaca biasa, maka retakannya akan halus dan, tidak seperti pecahan kristal, pecahannya tidak terbatas pada permukaan datar, tetapi pada permukaan oval.
Pola serupa diamati ketika potongan resin, lem dan beberapa zat lainnya terbelah. Keadaan materi ini disebut amorf.
Perbedaan antara kristal dan amorf tubuh terutama terlihat dalam sikap mereka terhadap pemanasan.
Sementara kristal dari setiap zat meleleh pada suhu yang ditentukan secara ketat dan pada suhu yang sama terdapat transisi dari bentuk cair ke bentuk padat, benda amorf tidak memiliki titik leleh yang konstan... Saat dipanaskan, tubuh amorf secara bertahap melunak, mulai menyebar dan, akhirnya, menjadi cair sepenuhnya. Saat didinginkan, itu juga secara bertahap mengeras.
Karena tidak adanya titik leleh tertentu, benda amorf memiliki kemampuan yang berbeda: banyak dari mereka mengalir seperti cairan, yaitu dengan aksi kekuatan yang relatif kecil dalam waktu yang lama, mereka secara bertahap mengubah bentuknya. Misalnya, sepotong resin, diletakkan di atas permukaan datar, menyebar selama beberapa minggu di ruangan yang hangat, mengambil bentuk cakram.
Struktur zat amorf
Perbedaan antara kristal dan amorf keadaan materi adalah sebagai berikut.
Susunan partikel yang teratur dalam sebuah kristal, yang dipantulkan oleh sel satuan, dipertahankan di area kristal yang luas, dan dalam kasus kristal yang terbentuk dengan baik - secara keseluruhan.
Dalam benda amorf, urutan pengaturan partikel hanya diamati di area yang sangat kecil... Selain itu, di sejumlah benda amorf bahkan tatanan lokal ini hanya perkiraan.
Perbedaan ini dapat diringkas sebagai berikut:
- struktur kristal dicirikan oleh tatanan jarak jauh,
- struktur tubuh amorf - ke tetangga.
Contoh zat amorf.
Zat amorf stabil termasuk kaca (buatan dan vulkanik), alami dan buatan resin, perekat, parafin, lilin dan sebagainya.
Transisi dari keadaan amorf ke kristal.
Beberapa zat bisa berbentuk kristal dan amorf. Silikon dioksida SiO 2 terjadi secara alami serta terpelajar kristal kuarsa, serta dalam keadaan amorf ( batu api mineral).
Di mana keadaan kristal selalu lebih stabil... Oleh karena itu, transisi spontan dari zat kristal ke zat amorf tidak mungkin, dan transformasi sebaliknya - transisi spontan dari keadaan amorf ke kristal - dimungkinkan dan kadang-kadang diamati.
Contoh dari transformasi semacam itu adalah devitrifikasi - kristalisasi kaca secara spontan pada suhu tinggi, disertai dengan kerusakannya.
Keadaan amorf banyak zat diperoleh dengan laju pemadatan (pendinginan) lelehan cairan yang tinggi.
Untuk logam dan paduan keadaan amorf terbentuk, sebagai suatu peraturan, jika lelehan didinginkan dalam waktu urutan pecahan puluhan milidetik. Tingkat pendinginan yang jauh lebih rendah sudah cukup untuk kaca.
Kuarsa (SiO 2) juga memiliki laju kristalisasi yang rendah. Oleh karena itu, produk yang dilemparkan darinya bersifat amorf. Namun, kuarsa alami, yang memiliki ratusan dan ribuan tahun untuk mengkristal selama pendinginan kerak bumi atau lapisan dalam gunung berapi, memiliki struktur kristal kasar, berbeda dengan kaca vulkanik, membeku di permukaan dan karena itu amorf.
Cairan
Cairan adalah keadaan perantara antara padatan dan gas.
Keadaan cair adalah perantara antara gas dan kristal. Menurut beberapa sifat, zat cair dekat dengan gas, pada orang lain - untuk padatan.
Gas-gas cair disatukan, pertama-tama, oleh isotropi dan ketidakstabilan... Yang terakhir menentukan kemampuan zat cair untuk dengan mudah mengubah bentuknya.
tapi kepadatan tinggi dan kompresibilitas rendah cairan mendekatkan mereka padatan.
Kemampuan zat cair untuk dengan mudah mengubah bentuknya menunjukkan tidak adanya gaya kaku interaksi antarmolekul di dalamnya.
Pada saat yang sama, kompresibilitas cairan yang rendah, yang menentukan kemampuan untuk mempertahankan volume konstan pada suhu tertentu, menunjukkan adanya, meskipun tidak kaku, tetapi masih gaya interaksi yang signifikan antar partikel.
Rasio energi potensial dan kinetik.
Setiap keadaan agregasi dicirikan oleh rasionya sendiri antara energi potensial dan energi kinetik partikel materi.
Dalam benda padat, energi potensial rata-rata partikel lebih besar daripada energi kinetik rata-ratanya. Oleh karena itu, dalam padatan, partikel menempati posisi tertentu relatif satu sama lain dan hanya bergetar relatif terhadap posisi ini.
Untuk gas, rasio energinya terbalik, akibatnya molekul gas selalu dalam keadaan gerakan kacau dan gaya adhesi antar molekul praktis tidak ada, sehingga gas selalu menempati seluruh volume yang disediakan padanya.
Dalam kasus cairan, energi kinetik dan energi potensial partikelnya kira-kira sama, yaitu partikel terhubung satu sama lain, tetapi tidak secara kaku. Oleh karena itu, cairan adalah fluida, tetapi memiliki volume yang konstan pada suhu tertentu.
Struktur cairan dan benda amorf serupa.
Sebagai hasil dari penerapan metode analisis struktur pada zat cair, ditemukan struktur tersebut cairan seperti benda amorf... Kebanyakan cairan memiliki tutup pesanan - jumlah tetangga terdekat untuk setiap molekul dan posisi relatifnya kira-kira sama di seluruh volume cairan.
Derajat urutan partikel berbeda untuk cairan yang berbeda. Selain itu, berubah seiring suhu.
Pada suhu rendah, sedikit melebihi titik leleh zat tertentu, tingkat keteraturan dalam susunan partikel cairan tertentu sangat besar.
Dengan meningkatnya suhu, itu turun dan saat memanas, sifat zat cair semakin mendekati sifat gas... Ketika suhu kritis tercapai, perbedaan antara cairan dan gas menghilang.
Karena kesamaan dalam struktur internal cairan dan benda amorf, yang terakhir ini sering dianggap sebagai cairan dengan viskositas yang sangat tinggi, dan hanya zat dalam bentuk kristal yang diklasifikasikan sebagai padatan.
Dengan menyamakan tubuh amorf cairan, bagaimanapun, harus diingat bahwa dalam benda amorf, berbeda dengan cairan biasa, partikel memiliki mobilitas yang tidak signifikan - sama seperti pada kristal.
Negara bagian gabungan. Cairan. Fase dalam termodinamika. Transisi fase.
Kuliah 1.16
Semua zat dapat berada dalam tiga keadaan agregasi - padat, cairdan berbentuk gas... Transisi di antara mereka disertai dengan perubahan mendadak pada sejumlah sifat fisik (kerapatan, konduktivitas termal, dll.).
Keadaan agregasi bergantung pada kondisi fisik tempat zat tersebut berada. Adanya beberapa keadaan agregasi dalam suatu zat disebabkan oleh perbedaan gerakan termal molekulnya (atom) dan interaksinya dalam kondisi yang berbeda.
Gas - keadaan agregat materi, di mana partikel tidak terikat atau terikat sangat lemah oleh gaya interaksi; energi kinetik dari gerakan termal partikelnya (molekul, atom) secara signifikan melebihi energi potensial interaksi di antara mereka, sehingga partikel-partikel tersebut bergerak hampir bebas, mengisi penuh wadah tempat mereka berada, dan mengambil bentuknya. Dalam keadaan gas, zat tidak memiliki volume maupun bentuknya sendiri. Zat apa pun dapat diubah menjadi gas dengan mengubah tekanan dan suhu.
Cair - keadaan agregasi materi, antara padat dan gas. Ini ditandai dengan mobilitas partikel yang tinggi dan ruang bebas kecil di antara mereka. Ini mengarah pada fakta bahwa cairan mempertahankan volumenya dan mengambil bentuk bejana. Dalam cairan, molekul sangat dekat satu sama lain. Oleh karena itu, massa jenis zat cair jauh lebih tinggi daripada massa jenis gas (pada tekanan normal). Sifat-sifat zat cair sama ke segala arah (isotropik), kecuali kristal cair. Saat memanaskan atau menurunkan kerapatan, sifat cairan, konduktivitas termal, viskositas berubah, sebagai suatu peraturan, ke arah mendekati sifat gas.
Gerakan termal molekul cair terdiri dari kombinasi gerakan getaran kolektif dan lompatan molekul sesekali dari satu posisi kesetimbangan ke posisi lain.
Benda padat (kristal) - keadaan agregasi materi, ditandai dengan stabilitas bentuk dan sifat gerak termal atom. Gerakan ini adalah getaran dari atom (atau ion) yang menyusun benda padat. Amplitudo getaran biasanya kecil dibandingkan dengan jarak antar atom.
Sifat cairan.
Molekul suatu zat dalam wujud cair terletak hampir berdekatan satu sama lain. Berbeda dengan padatan kristal, di mana molekul membentuk struktur teratur di seluruh volume kristal dan dapat melakukan getaran termal di sekitar pusat tetap, molekul cair memiliki kebebasan yang lebih besar. Setiap molekul cairan, seperti dalam padatan, "dijepit" di semua sisi oleh molekul tetangganya dan melakukan getaran termal pada posisi kesetimbangan tertentu. Namun, dari waktu ke waktu, molekul apa pun dapat berpindah ke tempat kosong yang berdekatan. Lonjakan cairan seperti itu cukup sering terjadi; Oleh karena itu, molekul tidak terikat pada pusat tertentu, seperti pada kristal, dan dapat bergerak ke seluruh volume cairan. Ini menjelaskan fluiditas cairan. Karena interaksi yang kuat antara molekul-molekul yang berjarak dekat, mereka dapat membentuk kelompok-kelompok terurut lokal (tidak stabil) yang mengandung beberapa molekul. Fenomena ini disebut pesanan singkat.
Karena pengemasan molekul yang rapat, kompresibilitas cairan, yaitu perubahan volume dengan perubahan tekanan, sangat kecil; itu puluhan dan ratusan ribu kali lebih sedikit dari pada gas. Misalnya, untuk mengubah volume air sebesar 1%, Anda perlu menaikkan tekanan sekitar 200 kali lipat. Peningkatan tekanan seperti itu dibandingkan dengan tekanan atmosfer dicapai pada kedalaman sekitar 2 km.
Cairan, seperti benda padat, mengubah volumenya saat suhu berubah. Untuk rentang suhu yang tidak terlalu besar, volume relatif berubah Δ V. / V. 0 sebanding dengan perubahan suhu Δ T:
| |
Koefisien β disebut koefisien suhu ekspansi volumetrik... Koefisien untuk zat cair ini puluhan kali lebih tinggi dari pada zat padat. Untuk air, misalnya, pada suhu 20 ° C β dalam ≈ 2 · 10 –4 K –1, untuk baja - β st ≈ 3,6 · 10 –5 K –1, untuk kaca kuarsa - β q ≈ 9 · 10 - 6 K –1.
Ekspansi termal air memiliki anomali yang menarik dan penting bagi kehidupan di Bumi. Pada suhu di bawah 4 ° C, air mengembang seiring dengan penurunan suhu (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.
Saat air membeku, ia mengembang, sehingga es tetap mengapung di permukaan reservoir yang membeku. Suhu air beku di bawah es adalah 0 ° С. Pada lapisan air yang lebih padat di dasar reservoir, suhunya sekitar 4 ° C. Berkat ini, kehidupan bisa ada di air waduk yang membekukan.
Fitur cairan yang paling menarik adalah keberadaannya permukaan bebas... Cairan, tidak seperti gas, tidak memenuhi seluruh volume bejana tempat ia dituangkan. Antara cairan dan gas (atau uap), suatu bentuk antarmuka, yang berada dalam kondisi khusus dibandingkan dengan sisa massa cairan. Molekul pada lapisan batas suatu cairan, tidak seperti molekul pada kedalamannya, tidak dikelilingi oleh molekul lain dari cairan yang sama dari semua sisi. Gaya interaksi antarmolekul yang bekerja pada salah satu molekul di dalam cairan dari sisi molekul tetangganya, rata-rata, saling dikompensasikan. Setiap molekul di lapisan batas ditarik oleh molekul di dalam cairan (gaya yang bekerja pada molekul cair tertentu dari sisi molekul gas (atau uap) dapat diabaikan). Akibatnya, gaya resultan tertentu muncul, diarahkan jauh ke dalam cairan. Molekul permukaan ditarik ke dalam cairan oleh gaya tarik antarmolekul. Tetapi semua molekul, termasuk yang ada di lapisan batas, harus berada dalam kesetimbangan. Kesetimbangan ini dicapai karena sedikit penurunan jarak antara molekul lapisan permukaan dan tetangga terdekatnya di dalam cairan. Dengan penurunan jarak antar molekul, gaya tolak muncul. Jika jarak rata-rata antar molekul di dalam zat cair adalah r 0, maka molekul dari lapisan permukaan dikemas agak lebih padat, dan oleh karena itu mereka memiliki penyimpanan energi potensial tambahan dibandingkan dengan molekul bagian dalam. Harus diingat bahwa karena kompresibilitas yang sangat rendah, keberadaan lapisan permukaan yang lebih padat tidak menyebabkan perubahan yang nyata dalam volume cairan. Jika molekul bergerak dari permukaan ke bagian dalam cairan, gaya interaksi antarmolekul akan bekerja secara positif. Sebaliknya, untuk menarik sejumlah molekul dari kedalaman cairan ke permukaan (yaitu, untuk meningkatkan luas permukaan cairan), kekuatan luar harus melakukan pekerjaan yang positif SEBUAH ext, sebanding dengan perubahan Δ S luas permukaan:
| SEBUAH ext \u003d σΔ S. |
Koefisien σ disebut koefisien tegangan permukaan (σ\u003e 0). Jadi, koefisien tegangan permukaan sama dengan usaha yang dibutuhkan untuk menambah luas permukaan zat cair pada suhu konstan sebesar satu unit.
Dalam SI, tegangan permukaan diukur dalam joule per meterpersegi (J / m 2) atau dalam newton per meter (1 N / m \u003d 1 J / m 2).
Akibatnya, molekul pada lapisan permukaan cairan memiliki kelebihan dibandingkan dengan molekul di dalam cairan energi potensial... Energi potensial E p permukaan cairan sebanding dengan luasnya: (1.16.1)
Dari mekanika diketahui bahwa keadaan kesetimbangan suatu sistem sesuai dengan nilai minimum energi potensial. Oleh karena itu, permukaan bebas dari cairan cenderung mengurangi luasnya. Karena alasan ini, setetes cairan berbentuk bola. Fluida berperilaku seolah-olah gaya bekerja secara tangensial ke permukaannya, sehingga mengurangi (menarik) permukaan ini. Gaya-gaya ini disebut gaya tegangan permukaan.
Adanya gaya tegangan permukaan membuat permukaan cairan mirip dengan film elastis yang diregangkan, dengan satu-satunya perbedaan bahwa gaya elastis dalam film bergantung pada luas permukaannya (yaitu, bagaimana film dideformasi), dan gaya tegangan permukaan tidak tergantung pada cairan luas permukaan.
Gaya tegangan permukaan cenderung mengecilkan permukaan film. Oleh karena itu, kita dapat menulis: (1.16.2)
Jadi, koefisien tegangan permukaan σ dapat didefinisikan sebagai modulus gaya tegangan permukaan yang bekerja pada panjang satuan garis yang membatasi permukaan ( ladalah panjang garis ini).
Karena aksi gaya tegangan permukaan dalam tetesan cairan dan di dalam gelembung sabun tekanan berlebih Δ p... Jika Anda secara mental memotong penurunan radius bola R menjadi dua bagian, maka masing-masing harus berada dalam kesetimbangan di bawah aksi gaya tegangan permukaan yang diterapkan pada batas potong 2π R dan gaya tekanan berlebih yang bekerja pada area π R 2 bagian (Gambar 1.16.1). Kondisi ekuilibrium ditulis sebagai
Di dekat batas antara zat cair, zat padat, dan gas, bentuk permukaan bebas zat cair bergantung pada gaya interaksi molekul cair dengan molekul padat (interaksi dengan molekul gas (atau uap) dapat diabaikan). Jika gaya ini lebih besar dari gaya interaksi antara molekul cairan itu sendiri, maka cairan basah permukaan benda padat. Dalam hal ini, zat cair mendekati permukaan zat padat pada sudut akut tertentu certain, yang merupakan karakteristik dari pasangan zat cair - zat padat. Sudut θ disebut sudut tepi... Jika gaya interaksi antar molekul cairan melebihi gaya interaksinya dengan molekul padatan, maka sudut kontak contact menjadi tumpul (Gbr. 1.16.2 (2)). Dalam hal ini, mereka mengatakan bahwa cairan tidak basah permukaan benda padat. Jika tidak (sudut - tajam) cairan basahpermukaan (Gambar 1.16.2 (1)). Kapan pembasahan penuhθ \u003d 0, untuk tidak membasahi lengkapθ \u003d 180 °.
Fenomena kapiler disebut naik atau turunnya cairan dalam tabung berdiameter kecil - kapiler... Cairan pembasah naik melalui kapiler, cairan non-pembasah turun.
Gambar 1.16.3 menunjukkan tabung kapiler dengan radius tertentu rditurunkan ujung bawahnya menjadi cairan pembasahan dengan kepadatan ρ. Ujung atas kapiler terbuka. Kenaikan zat cair di kapiler berlanjut hingga gaya gravitasi yang bekerja pada kolom cairan di kapiler menjadi sama besarnya dengan yang dihasilkan. F n gaya tegangan permukaan yang bekerja di sepanjang antarmuka antara cairan dan permukaan kapiler: F t \u003d F n, dimana F t \u003d mg = ρ hπ r 2 g, F n \u003d σ2π r cos θ.
Ini menyiratkan:
Dengan pembasahan lengkap θ \u003d 0, cos θ \u003d 1. Dalam kasus ini
Dengan non-pembasahan lengkap θ \u003d 180 °, cos θ \u003d –1 dan, oleh karena itu, h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.
Air hampir sepenuhnya membasahi permukaan kaca yang bersih. Sebaliknya, merkuri tidak sepenuhnya membasahi permukaan kaca. Oleh karena itu, tingkat merkuri di kapiler kaca turun di bawah level di dalam bejana.