§ 10. Агрегатний стан речовини. наноматеріали

Чи доводилось вам бачити морозним зимовим днем швидку гірську річку? навколо лежить сніг, завмерли дерева, вкриті інеєм, що сяє в сонячних променях, а вода в річці не замерзає. надзвичайно чиста, прозора, вона тече, розбиваючись об обмерзле каміння. Чому вода не замерзає? Чому з'явився на деревах іній? У чому відмінність води і льоду? У цьому параграфі ви обов'язково знайдете відповіді на ці запитання.

спостерігаємо різні агрегатні стани речовини

Ви вже знаєте, що лід (сніг, іній) і вода — це різні агрегатні стани води: рідкий і твердий. Поява інею на деревах пояснюється просто: у повітрі завжди є водяна пара, яка, охолоджуючись, конденсується й осідає у вигляді інею. Водяна пара — це третій стан води — газоподібний (іноді використовують термін «газуватий»).

Наведемо ще приклад. Ви знаєте про небезпеку розбити медичний термометр із ртуттю — густою рідиною сріблястого кольору, яка, випаровуючись, утворює дуже отруйну пару. А от за температури, нижчої від -39 °С, ртуть перетворюється на твердий метал. Таким чином, ртуть, як і вода, може перебувати у твердому, рідкому та газоподібному станах.

Практично будь-яка речовина залежно від фізичних умов може перебувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному.

Існує ще один агрегатний стан речовини — плазма — частково або повністю йонізований газ, тобто газ, який складається з величезної кількості заряджених частинок (йонів і електронів) та нейтральних атомів

і молекул. Наприклад, ртуть у плазмовому стані міститься в увімкнених ртутних лампах (так звані лампи денного світла). У Всесвіті плазма є найпоширенішим станом речовини (рис. 10.1).

Водяна пара, вода, лід утворені однаковими молекулами, — молекулами води. Чому ж різняться фізичні властивості речовин, які утворені однаковими молекулами, але перебувають у різних агрегатних станах? Причина відмінностей полягає в тому, що молекули по-різному рухаються та взаємодіють. Які ж властивості мають речовини в різних агрегатних станах? Як при цьому рухаються та взаємодіють молекули?

Спостерігаємо та пояснюємо фізичні властивості твердих тіл

рис. 10.2. Незважаючи на зовнішні відмінності, всі тверді тіла зберігають об'єм і форму

рис. 10.3. Моделі кристалічних ґраток: а — алмазу, б — графіту. Кульками зображено центри атомів Карбону; ліній, що з'єднують атоми, насправді не існує, їх проведено лише для того, щоб продемонструвати характер просторового розташування атомів

Тверді тіла на рис. 10.2 різняться кольором, формою тощо, вони складаються з різних речовин. Разом із тим вони мають спільні фізичні властивості, притаманні всім твердим тілам.

Тверді тіла зберігають об’єм і форму. Річ у тім, що частинки (молекули, атоми, йони) твердих тіл розташовані в положеннях рівноваги. У цих положеннях сила притягання і сила відштовхування між частинками дорівнюють одна одній. У разі спроби збільшити або зменшити відстань між частинками (тобто збільшити або зменшити розмір тіла) виникає міжмолекулярне притягання або відштовхування відповідно. Крім того, частинки твердих тіл практично не пересуваються — вони лише безперервно коливаються.

розрізняємо кристалічні й аморфні речовини

У ході вивчення будови твердих тіл з’ясовано, що частинки більшості речовин у твердому стані розташовані в чітко визначеному порядку, тобто, як кажуть фізики, утворюють кристалічні ґратки. Такі речовини називають кристалічними. Прикладами кристалічних речовин можуть бути алмаз, графіт (рис. 10.3), лід, сіль (рис. 10.4), метали тощо.

Порядок розташування частинок у кристалічній ґратці речовини визначає фізичні властивості речовини. Так, алмаз і графіт складаються з тих самих атомів Карбону, однак ці речовини дуже різняться, оскільки в них по-різному розташовані атоми (див. рис. 10.3).

Існує група твердих речовин (скло, віск, смола, бурштин тощо), частинки яких не утворюють кристалічні ґратки і в цілому розташовані безладно. Такі речовини називають аморфними.

За певних умов тверді тіла плавляться, тобто переходять у рідкий стан. Кожна кристалічна речовина плавиться за певної температури. На відміну від кристалічних, аморфні речовини не мають певної температури

плавлення — вони переходять у рідкий стан, поступово розм’якшуючись. Докладніше про плавлення твердих тіл див. у § 11.

рис. 10.4. Моделі кристалічних ґраток: а — льоду (H₂O — молекула води: зелені кульки — центри атомів Окси-гену, жовті — атомів Гідрогену); б — кухонної солі (сині кульки — центри йонів натрію, червоні — йонів Хлору)

Спостерігаємо і пояснюємо фізичні властивості рідин

Рідина легко змінює свою форму, набуваючи форми тієї посудини, в якій міститься, проте об’єм рідини при цьому залишається незмінним (рис. 10.5). Більш того, якщо спробувати стиснути рідину, це зробити не вдасться. Щоб довести нестисливість рідин*, науковці провели дослід: воду налили у свинцеву кулю, яку запаяли, а потім стиснули потужним пресом. Вода не стислась, а просочилася крізь стінки кулі.

Здатність рідин зберігати свій об’єм пояснюється тим, що, як і в твердих тілах, частинки в рідинах розташовані щільно (рис. 10.6), однак вони не тільки коливаються на тому самому місці в оточенні найближчих «сусідів», але й досить легко можуть пересуватися в межах рідини. Тому рідини зберігають об’єм, але не зберігають форми — вони є плинними.

Сподіваємося, що тепер ви легко зможете пояснити, чому рідини майже неможливо стиснути.

пояснюємо фізичні властивості газів

Слово «газ» походить від грецького «хаос», «безлад». І справді, для газоподібного стану речовини характерний повний безлад у взаємному розташуванні та русі частинок.

Частинки газу розташовані на відстанях, які в десятки та сотні разів перевищують розміри самих частинок. На таких відстанях частинки практично не взаємодіють одна з одною, тому вони розлітаються й газ займає весь наданий об’єм. Великими відстанями між частинками пояснюється й той факт, що гази легко стискаються.

Ця властивість рідин залежить від тиску і температури.

Щоб зрозуміти, як рухаються молекули та атоми газу, уявімо рух однієї частинки. Ось вона рухається в якомусь напрямку, зіштовхується з іншою частинкою, змінює напрямок і швидкість свого руху й летить далі, до наступного удару (рис. 10.7). Чим більшою є кількість частинок у певному об’ємі, тим частіше вони зіштовхуються. Наприклад, кожна частинка, що входить до складу повітря в класній кімнаті, зіштовхується з іншими та змінює швидкість свого руху приблизно п’ять мільярдів разів за секунду.

Дізнаємося про наноматеріали

«Поки що ми мусимо користуватися атомарними структурами, які пропонує нам природа... Але в принципі фізик міг би створити будь-яку речовину за заданою хімічною формулою», — заявив у 1959 р. у своїй лекції «Там, унизу, — повно місця» американський фізик Річард Фейнман (рис. 10.8).

Фейнман припустив, що за допомогою певного «маніпулятора» можна брати окремі атоми та молекули і, складаючи їх як цеглинки, створювати нові матеріали. Науковець заклав майбутні основи нанотехнологій, а також позначив основні напрями їхнього розвитку. Це і надщільний запис інформації, і розробка мініатюрних комп’ютерів, і створення хірургічних інструментів, які виконують операції безпосередньо в організмі людини. Фейнман говорив: «Було б цікаво для хірургії, якби ви могли проковтнути хірурга. Ви введете механічного хірурга в кровоносні судини, він пройде до серця й «огляне» там.».

На той час ідеї Фейнмана здавалися фантастикою. Але вже в 1981 р. був створений сканувальний тунельний мікроскоп, з’явилася можливість маніпулювати речовиною на атомарному рівні та отримувати матеріали з унікальними властивостями — наноматеріали.

Згідно з тлумачним словником, матеріали — це предмети, речовини, сировина, що йдуть на виготовлення різноманітних виробів. Префікс нано- (у перекладі з грецької

«гном, карлик») використовується для запису частинних одиниць СІ і означає «одна мільярдна». Відповідно об’єкти, один із лінійних розмірів яких розташований у межах від 1 до 100 нанометрів (1-100 нм), називають нанооб’єктами (рис. 10.9). Отже, нано-матеріали — це предмети, речовина, сировина, які штучно створені з використанням нанооб’єктів і призначені для виготовлення різноманітних виробів.

Виявляємо властивості наноматеріалів та перспективи їхнього застосування

Властивості наноматеріалів дуже сильно відрізняються від властивостей звичайних речовин (навіть якщо і ті, й інші складаються з атомів однакового виду), тому їх можна розглядати як особливий стан речовини.

На відміну від звичайних об’єктів, які складаються з величезної кількості частинок (атомів, молекул, йонів), нанооб’єкти можуть складатися лише з кількох десятків частинок. Саме тому вони мають малий розмір. Це дозволяє розмістити на невеликій площі велику кількість нанооб’єктів, що є дуже важливим, наприклад, для наноелектроніки та запису інформації. Нанооб’єкти можуть проникати в будь-які ділянки тіла людини або частини машини, тому їх, наприклад, можна використовувати в медицині для доправлення ліків у певні частини організму (рис. 10.10).

Крім того, нанооб’єкти мають величезну частку атомів, розміщених на поверхні. Це в декілька разів прискорює взаємодію нанооб’єкту і середовища, в яке він поміщений. Саме тому наноматеріали є дуже добрими каталізаторами, які дозволяють у мільйони разів прискорити хімічні реакції. Так, наночастинки титан діоксиду можуть розкладати воду на водень і кисень під дією звичайного сонячного світла, нанопористі речовини ефективно поглинають домішки й токсини, а поверхня, вкрита гідрофобним нанопорошком, не «боїться» забруднення та намокання, бо відштовхує всі рідини.

Рис. 10.10. Нанокапсули — мікро-    Рис. 10.11. Нанотрубки — протяжні

контейнери, які захищають ліки    циліндричні структури діаметром від

під час їх транспортування    одного до кількох десятків нанометрів

до хворої частини організму    і довжиною до кількох мікрометрів

Важливою особливістю нанооб’єктів є відсутність дефектів, тому, наприклад, нанотрубки (рис. 10.11) у десятки разів міцніші за сталь і приблизно в чотири рази легші за неї. Якби вдалося зробити такі трубки досить довгими й виготовити з них кабель, то отриманий кабель проводив би електричний струм у сотні разів краще за мідний.

Зрозуміло, що ми окреслили лише невелику частину перспектив застосування наноматеріалів. Зараз нанонаука дуже швидко розвивається. На думку багатьох експертів, XXI ст. буде століттям нанотехнологій.

Підбиваємо підсумки

Практично будь-яка речовина залежно від фізичних умов може існувати в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому, газоподібному. Коли речовина переходить з одного агрегатного стану в інший, змінюються взаємне розташування частинок речовини (молекул, атомів, йонів) і характер їхнього руху.

Існує четвертий агрегатний стан — плазма. Плазма — це частково або повністю йонізований газ.

Останнім часом набувають широкого застосування наноматеріали. Властивості наноматеріалів суттєво відрізняються від властивостей звичайних речовин, їх також можна розглядати як особливий стан речовини.

Контрольні запитання

1. Чи можна стверджувати, що ртуть — завжди рідина, а повітря — завжди газ? 2. Чи відрізняються одна від одної молекули водяної пари та льоду? 3. У якому стані перебуває речовина в надрах зір? 4. Чому тверді тіла зберігають об’єм і форму? 5. У чому подібність і в чому відмінність кристалічних й аморфних речовин? 6. Як рухаються і як розташовані молекули в рідинах? 7. Чому гази займають весь наданий об’єм? 8. Наведіть приклади нанооб’єктів. 9. Які властивості наноматеріалів можуть забезпечити їх широке використання?

Вправа № 10

1.    Виберіть одну правильну відповідь. Якщо перелити рідину з однієї посудини в іншу, рідина:

а) змінить і форму, і об’єм;    в) збереже об’єм, але змінить форму;

б) збереже і форму, і об’єм;    г) збереже форму, але змінить об’єм.

2.    Вода випарувалась і перетворилася на пару. Чи змінилися при цьому молекули води? Як змінилися розташування молекул і характер їхнього руху?

3.    Чи може газ заповнити банку наполовину?

4.    Чи можна стверджувати, що в закритій посудині, яка частково заповнена водою, над поверхнею рідини води немає?

5.    У чайнику кипить вода. Чи справді ми бачимо водяну пару, що виходить із носика?

6.    Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про нанороботів та галузі їхнього майбутнього застосування. Підготуйте презентацію або коротке повідомлення.

7.    З наведених назв фізичних величин оберіть ті, що є характеристикою речовини: а) густина; б) маса; в) об’єм; г) питома теплоємність; д) температура; е) швидкість руху.

Експериментальне завдання

«Тверда рідина». Аморфні тіла називають дуже в’язкими рідинами. Використовуючи свічку та, наприклад, маркер, доведіть, що віск, нехай дуже повільно, але тече. Для цього покладіть маркер на підвіконня, зверху на маркер (перпендикулярно до нього) покладіть свічку й залиште так на кілька днів. Поясніть результати експерименту.

Фізика і техніка в Україні

Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова HAH України (Київ)

Сучасне життя неможливо уявити без застосування металів. На жаль, природа не створила «ідеального» металу. Деякі (титан) мають велику міцність, невелику густину, проте досить дорого коштують, інші (алюміній) мають малий опір і водночас недостатню міцність. Тож протягом століть учені намагаються покращити властивості металів, зберігаючи їхні «добрі» якості та зменшуючи «погані».

Квантова фізика XX ст. надала можливість цілеспрямовано змінювати властивості металів. Процес базується на вивченні мікроструктури металів за допомогою різних методів, інститут металофізики, історія якого розпочинається в 1945 р., має для цього один із найбільших арсеналів сучасних приладів. Тому винайдення в кінці XX ст. наномате-ріалів учені інституту зустріли всебічно озброєними.

наукові розробки інституту спрямовані на вивчення мікроструктури металів за різних температур, в умовах швидкого нагрівання та охолодження, радіаційного та ультразвукового випромінювання. Створено матеріали з унікальними властивостями, які використовують для авіаційної та автомобільної промисловостей, космічної техніки, виробів медичного призначення.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бар'яхтар