Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

4.3: Фізичні стани речовини

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    25293

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Цілі навчання

    • Для опису твердих, рідких і газових фаз.

    Вода може приймати різні форми. При низьких температурах (нижче\(0^\text{o} \text{C}\)) він являє собою тверду речовину. Коли при «нормальних» температурах (між\(0^\text{o} \text{C}\) і\(100^\text{o} \text{C}\)), це рідина. У той час як при температурі вище\(100^\text{o} \text{C}\), вода є газом (парою). Стан, в якому знаходиться вода, залежить від температури. Кожен стан (тверде, рідке, газове) має свій унікальний набір фізичних властивостей. Матерія зазвичай існує в одному з трьох станів: твердому, рідкому або газовому.

    Малюнок\(\PageIndex{1}\): Матерія зазвичай класифікується на три класичні стани, причому плазма іноді додається як четвертий стан. Зліва направо: кварц (твердий), вода (рідина), діоксид азоту (газ).

    Держава, яку експонує дана речовина, також є фізичною властивістю. Деякі речовини існують у вигляді газів кімнатної температури (кисень і вуглекислий газ), а інші, як вода і ртутний метал, існують у вигляді рідин. Більшість металів існують у вигляді твердих речовин при кімнатній температурі. Всі речовини можуть існувати в будь-якому з цих трьох станів. \(\PageIndex{2}\)На малюнку показані відмінності між твердими речовинами, рідинами та газами на молекулярному рівні. Тверда речовина має певний обсяг і форму, рідина має певний обсяг, але не має певної форми, а газ не має ні певного обсягу, ні форми.

    Малюнок\(\PageIndex{2}\): Представлення твердого, рідкого та газового станів. (а) Тверда O 2 має фіксований обсяг і форму, а молекули щільно упаковані разом. (b) Рідина O 2 відповідає формі свого контейнера, але має фіксований об'єм; вона містить відносно щільно упаковані молекули. (c) Газоподібний O 2 повністю заповнює свій контейнер - незалежно від розміру або форми контейнера - і складається з широко відокремлених молекул.

    Плазма: четвертий стан речовини

    Технічно кажучи, четвертий стан речовини, який називається плазмою, існує, але він природним чином не зустрічається на землі, тому ми опустимо його з нашого дослідження тут.

    Плазмовий глобус

    Плазмовий глобус, що працює в затемненій кімнаті. (CC BY-SA 3.0; Дуб шоколадний).

    Тверді речовини

    У твердому стані окремі частинки речовини знаходяться у фіксованому положенні відносно один одного, оскільки не вистачає теплової енергії для подолання міжмолекулярних взаємодій між частинками. В результаті тверді речовини мають певну форму і обсяг. Більшість твердих речовин тверді, але деякі (наприклад, воски) відносно м'які. Багато твердих речовин, що складаються з іонів, також можуть бути досить крихкими.

    Тверді речовини визначаються наступними характеристиками:

    • Певна форма (жорстка)
    • Певний обсяг
    • Частинки вібрують навколо нерухомих осей

    Якби ми охолоджували рідку ртуть до температури її замерзання\(-39^\text{o} \text{C}\), і при правильних умовах тиску, ми б помітили, що всі частинки рідини перейдуть у твердий стан. Ртуть може затвердіти, коли її температура доведена до температури замерзання. Однак при поверненні до умов кімнатної температури ртуть довго не існує в твердому стані, а повертається назад в більш поширену рідку форму.

    Тверді тіла зазвичай мають свої складові частинки, розташовані в регулярному тривимірному масиві чергуються позитивних і негативних іонів, які називаються кристалом. Ефект цього регулярного розташування частинок іноді видно макроскопічно, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\). Деякі тверді речовини, особливо ті, що складаються з великих молекул, не можуть легко організувати свої частинки в таких звичайних кристалах і існують як аморфні (буквально, «без форми») тверді речовини. Скло є одним із прикладів аморфного твердого речовини.

    Решітчаста структура кварцу діоксиду кремнію, атоми кисню сині, а атоми кремнію червоніВипадкова мережева структура склоподібного діоксиду кремнію, атоми кисню сині, а атоми кремнію червоні
    Малюнок\(\PageIndex{3}\): (зліва) Періодична кристалічна гратчаста структура кварцу\(SiO_2\) in two-dimensions. (праворуч) Випадкова мережева структура склоподібного\(SiO_2\) in two-dimensions. Note that, as in the crystal, each Silicon atom is bonded to 4 oxygen atoms, where the fourth oxygen atom is obscured from view in this plane. Images used with permission (public domain)

    Рідини

    Якщо частинки речовини мають достатньо енергії, щоб частково подолати міжмолекулярні взаємодії, то частинки можуть переміщатися один про одного, залишаючись в контакті. Це описує рідкий стан. У рідині частинки все ще знаходяться в тісному контакті, тому рідини мають певний обсяг. Однак, оскільки частинки можуть рухатися один про одного досить вільно, рідина не має певної форми і приймає форму, продиктовану її ємністю.

    Рідини мають такі характеристики:

    • Немає певної форми (приймає форму свого контейнера)
    • Має певний обсяг
    • Частинки вільно переміщаються один над одним, але все одно притягуються один до одного

    Звична рідина - ртутний метал. Ртуть - аномалія. Це єдиний метал, про який ми знаємо, - це рідина при кімнатній температурі. Ртуть також має здатність прилипати до себе (поверхневий натяг) - властивість проявляти всі рідини. Ртуть має відносно високий поверхневий натяг, що робить її дуже унікальною. Тут ви бачите ртуть у звичайній рідкій формі.

    Відео\(\PageIndex{1}\): Ртуть кипить, щоб стати газом.

    Якщо ми нагріваємо рідку ртуть до температури кипіння\(357^\text{o} \text{C}\), і при правильних умовах тиску, ми помітили б, що всі частинки в рідкому стані переходять в газовий стан.

    Гази

    Якщо частинки речовини мають достатньо енергії для повного подолання міжмолекулярних взаємодій, то частинки можуть відокремлюватися один від одного і переміщатися хаотично в просторі. Це описує стан газу, яке ми розглянемо більш детально в іншому місці. Як і рідини, гази не мають певної форми, але на відміну від твердих речовин і рідин, гази також не мають певного обсягу. Перехід від твердого до рідкого зазвичай не суттєво змінює обсяг речовини. Однак перехід від рідини до газу значно збільшує обсяг речовини, в 1 000 і більше разів. Гази мають такі характеристики:

    • Немає певної форми (приймає форму свого контейнера)
    • Немає певного обсягу
    • Частинки рухаються у випадковому русі з невеликим або зовсім відсутнім потягом один до одного
    • Високо стисливий
    Таблиця\(\PageIndex{1}\): Характеристика трьох станів речовини
    Характеристика Тверді речовини Рідини Гази
    форма певним невизначений невизначений
    обсяг певним певним невизначений
    відносна сила міжмолекулярної взаємодії сильна помірний слабкі
    відносні положення частинок в контакті і закріплені на місці в контакті, але не фіксований не в контакті, випадкові позиції

    Приклад\(\PageIndex{1}\)

    Який стан або стани матерії описує кожне твердження?

    1. Цей стан має певний обсяг, але ніякої певної форми.
    2. Цей стан не має певного обсягу.
    3. Цей стан дозволяє окремим частинкам рухатися, залишаючись в контакті.

    Рішення

    1. Це твердження описує рідкий стан.
    2. Це твердження описує стан газу.
    3. Це твердження описує рідкий стан.

    Вправа\(\PageIndex{1}\)

    Який стан або стани матерії описує кожне твердження?

    1. Цей стан має окремі частинки в нерухомому положенні по відношенню один до одного.
    2. Цей стан має окремі частинки далеко один від одного в просторі.
    3. Цей стан має певну форму.
    Відповідь a:
    твердий
    Відповідь б:
    газ
    Відповідь c:
    твердий

    Резюме

    • Існують три стани речовини - тверде, рідке і газове.
    • Тверді речовини мають певну форму і обсяг.
    • Рідини мають певний обсяг, але приймають форму ємності.
    • Гази не мають певної форми або обсягу

    Дописувачі та атрибуція