§ 4. Агрегатні стани речовини. Фізичні властивості твердих тіл, рідин і газів

Агрегатний (від латинського слова aggregatus - приєднаний)

► 1. Агрегатний стан речовини — наслідок розташування, теплового руху та взаємодії атомів і молекул.

У природі більшість речовин можуть існувати у трьох станах - твердому, рідкому та газоподібному. Ці стани речовини називаються агрегатними станами. Четвертим агрегатним станом речовини є плазма.

Речовина може переходити з одного агрегатного стану в інший. Наприклад, кисень в оточуючому нас повітрі є газом. Але при температурі 193 ⁰C він перетворюється на рідину. Залізо в нормальних умовах є твердим, а при температурі 1535 ⁰C воно плавиться і переходить і рідкий стан. При цьому над розплавленим залізом буде знаходитись газ з атомів заліза, які з нього випарилась.

Ознайомимося з особливостями розташування, теплового руху та взаємодії атомів (молекул) речовини в різних агрегатних станах.

► 2. Особливості взаємодії молекул у твердих тілах, рідинах і газах.

Рухом і взаємодією молекул пояснюються багато властивостей речовини, зокрема, відмінність між твердим, рідким і газоподібним станами, а, отже, й особливості теплових процесів, які з речовиною відбуваються.

Розглянемо це на прикладі оксиду

Гідрогену. Він може перебувати у в трьох станах: в твердому у вигляді льоду, рідкому у вигляді води та газоподібному - у вигляді пари (рис. 17).

Відмінність цих станів зумовлена лише розміщенням, взаємодією і рухом молекул речовини (рис. 18).

Так, лід (твердий стан)зберігає свої об’єм і форму. Це пояснюється тим, сили взаємного притягання частинок твердого тіла дуже великі, а тому частинка твердого тіла не може віддалитися від сусідніх частинок на значні відстані. Тепловий рух частинок у твердому тілі представляє собою хаотичні коливання відносно певних точок - положень рівноваги. Ці точки утворюють характерну лише для даного виду речовини просторову фігуру - кристалічну гратку.У вершинах цієї фігури (рис. 18, а) розташовані частинки твердого тіла (атоми або молекули).

Цим пояснюється той факт, що об’єм льоду завжди більший від об’єму води, з якої він утворився. Описаний характер теплового руху і взаємодії частинок у твердих тілах визначає багато властивостей твердих тіл, зокрема те, що тверді тіла зберігають свої форму і об'єм, а також важко стискаються.

У воді {рідкий стан)молекули розміщені значно щільніше (рис. 18, б). Рух молекул рідини обмежений, але в поряд-кованих положень вони не мають (рис. 20, а). Молекули стрибками переходять на вільні місця і переміщуються на відстані, які наближено дорівнюють серед-

ній відстані між молекулами. Потім рух молекул повторюється. Внаслідок такого руху молекули рідини не розходяться на великі відстані, а тому рідина зберігає свій об⁹ єм.

Проте притягання молекул рідини ще

не таке велике, щоб рідина зберігала

свою форму. Рідина набирає форму посу-• ···    ·

дини, її легко перелити в іншу посудину

або розбризкати. Лише маленькі краплі

води можуть зберігати форму кульки на

стінках ванни, на віконному склі (рис.

19, б). Стискаючи рідину, ми так збли-····

жуємо η молекули, що вони починають відштовхуватися. Ось чому рідину важко стиснути.

Молекули водяної пари (газоподібний стан) перебувають на відстанях, значно більших від розмірів самих молекул (рис. 18, в). На таких відстанях молекули дуже слабко взаємодіють між собою. Вони постійно знаходяться в русі, а тому водяна пара, як і будь-який інший газ, швидко заповнює весь вільний простір (об’єм посудини або кімнати тощо). Зіштовхуючись між собою кілька мільярдів разів за секунду, молекули газу змінюють напрям руху і розлітаються у всіх напрямах (рис. 20).

У газах частинки не утримуються одна біля одної і розлітаються у всіх напрямах, займаючи вільний простір. Тому гази не мають певних об’єму і форми і легко стискаються під дією зовнішнього тиску.

Гази не мають власної вільної поверх-

ні, як тверді тіла або рідини, вони стискаються та розширюються.

Газам притаманна рухливість, тому, наприклад, природний газ зручно транспортувати газопроводами до будинків і підприємств.

Ще один агрегатний стан речовини -плазма(рис. 21). Це газ, який складається з позитивних і негативних йонів. Такий стан речовини використовують, зокрема, у плазмових телевізорах.

► 3. Кристалічні та аморфні тіла.

Є два різновиди твердого стану. Це кристали та аморфні тіла.Розглянемо особливості їх будови та фізичні властивості.

Тверді тіла, які мають впорядковане розташування своїх частинок, що періодично повторюється у просторі, називаються кристалами.Частинки кристалу утворюють у просторі правильну кристалічну гратку(рис. 23).

Основою кристалічної ґратки є елементарна комірка - фігура найменшого розміру, послідовним переміщенням якої можна побудувати весь кристал (на рис. 22 така комірка кольорова). Отже, кристалічні тіла характеризуються просторовою періодичністю в розміщенні рівноважних положень частинок. Щоб краще уявляти собі елементарні комірки, центри атомів (молекул) на рисунках показують за допомогою кульок та ліній,

які їх з’єднують. Насправді таких ліній

• ·

не існує. Ix проводять лише для того,

щоб зосередити увагу на особливостях того чи іншого просторового розташування частинок. Щоб краще розрізняти атоми різних речовин, з яких утворений даний кристал, їх зображають різними кольорами (рис. 23).

Кристали мають правильну поперечну форму. Наприклад, якщо розглядати кухонну сіль через лупу, то можна побачити, що кристали солі мають форму куба. А форма сніжинки свідчить про геометричну правильність будови кристалічного тіла - льоду (рис. 24).

Навіть в одному агрегатному стані одна й та сама речовина може мати різні властивості. Наприклад, за хімічним складом і алмаз, і графіт є простою речовиною, що складається з атомів Карбону. Але їх кристалічні ґратки суттєво різні (рис. 25, а, рис. 25, б відповідно)

Перебуваючи в кристалічних ґратках на постійних місцях, частинки зазнають безперервних теплових коливань.

Є монокристали та полікристали. Монокристал - це одиночний кристал, який має форму правильного багатогранника. Монокристали рідко досягають розмірів в декілька сантиметрів (рис. 26, а). Монокристалічними є дорогоцінне каміння, ісландський шпат, топаз). Найчастіше у природі зустрічаються полікристали - сукупність монокристалів (рис. 26, б), які хаотично зрослися між собою (кам’яна сіль, цукор, кварц, лід, залізо, мідь).

Аморфні тіла. Окрім кристалічних

твердих тіл, є й аморфні, яким притаманні властивості як твердих тіл, так і рідин.

На відміну від кристалів, у аморфних тіл відсутній порядок в розташуванні атомів. У аморфних тілах атоми коливаються навколо хаотично розміщених точок, що не мають просторової періодичності (рис. 27, а)

До аморфних тіл належать скло, смола, смола, каніфоль, віск, пластмаси, цукровий льодяник.

Отже, кристали і аморфні тіла є твердими тілами. Але їх фізичні властивості значно відрізняються. З цих двох станів більш стійким є кристалічний.

Під час нагрівання тверді тіла перетворюються на рідини. Кристалічні - за певної температури, яка залежить від речовини твердого тіла. Аморфні тіла з твердого стану переходять до рідкого поступово: спочатку вони розм’якшуються, а потім стають рідкими. Це пов’язане з тим, що навіть у твердому стані аморфні тіла не мають строгої періодичності у розташування атомів.

Тверді тіла різняться й іншими фізичними властивостями, наприклад, здатністю передавати теплоту або проводити електричний струм. Із такими їх особливостями ви ознайомитеся при подальшому вивченні фізики.

Аморфний - від грецького слова amorphous - безформний.

ПОГЛИБТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Плазма

При нагріванні речовини зростає швидкість руху її окремих частинок (атомів, молекул) і відбувається руйнування структури речовини: тверде тіло перетворюється на рідину, рідина - на газ. При подальшому нагріванні газу швидкість руху молекул газу настільки зростає, що починає відбуватися процес відриву електронів від атомів. Утворюється особливий стан газу - плазма. Отже, плазма - це сукупність однакового числа позитивних і негативних йонів.

У природних умовах біля поверхні Землі плазма практично відсутня. З’являється вона лише у верхніх шарах атмосфери -йоносфері. У космічному просторі плазма - це найбільш поширений стан речовини. Сонце, гарячі зірки, які мають дуже високі температури, повністю складаються з плазми. А, отже, без зна-

ння законів фізики плазми неможливо зрозуміти еволюцію зірок і розвиток Всесвіту.

Біля поверхні Землі плазма утворюється лише під час спалахів блискавки. Плазма заповнює лампи денного світла, скляні трубки неонової реклами.

Розширте науковий кругозір

Найбільші кристали природного походження

З давніх-давен кристали привертали увагу людей своїм зовнішнім виглядом. Ix навіть наділяли магічними властивостями.

Але у наш час кристали мають суто практичну цінність: вони є основою багатьох технічних пристроїв; кристали дорогоцінного каміння використовуються для виготовлення ювелірних прикрас. Важливою характеристикою кристалу є його розмір. Найбільші кристали природного походження заховані в глибинах двох печер, які знаходяться у Мексиці (рис. 28). На жаль, побачити це диво можуть не всі внаслідок екстремальних умов в печерах (температура у них досягає 65 °С).

Фізичні дослідження в Україні

Вирощування штучних кристалів

Сьогодні фізика і техніка досягли такого рівня, коли учені можуть штучно вирощувати кристали навіть більшого розміру, ніж це робить природа.

Зокрема, у 2009 році в лабораторіях Інституту монокристалів Національної академії наук України (м. Харків) був вирощений один з найбільших у світі монокристалів масою 504, 5 кг (рис. 29).

Для його створення використовувалася новітня технологія, яка дозволяє за 18-19 днів вирощувати кристали діаметром 0,5 м. Українські вчені впевнені, що після розроблення відповідного обладнання вони зможуть вирощувати й набагато більші екземпляри. До речі,

Інститут монокристалів є одним з лідерів у розробці й удосконаленні техніки вирощування монокристалів, а також виготовлення кристалів різного призначення та найвищої якості. Дослідження й напрацювання науковців цього інституту користуються попитом не лише в Україні, але й далеко за її межами, оскільки кристали використовуються у медичному обладнанні для діагностування небезпечних хвороб, на митних пунктах для виявлення шкідливих вантажів, в оборонній промисловості.

Від теорії до практики

Що таке сапфірове скло?

Це не скло, а кристалічне тіло. Воно виготовляється із сапфірів, одержаних штучним способом. Сапфірове скло - це надтвердий матеріал, а тому воно використовується для виготовлення дуже міцного скла, зокрема, куленепробивного. Сапфірове скло також встановлюється у вітринах великих торговельних центрів, у коштовних швейцарських годинниках. Найближчим часом компанія Apple планує розпочати масове виготовлення сапфірового скла для смартфонів та айфонів (рис. ЗО).

Подумайте і дайте відповідь

1.    У яких агрегатних станах може перебувати речовина? Наведіть приклади різних агрегатних станів.

2.    Чи відрізняються молекули однієї й тієї самої речовини у твердому, рідкому та газоподібному станах?

3.    Які особливості розташування, теплового руху та взаємодії атомів і молекул у кристалічних тілах? аморфних тілах? рідинах? газах?

4.    Що таке монокристали? полікристали?

5.    Чим зумовлені відмінності у фізичних властивостях твердих тіл, рідин і газів?

6*. Що представляє собою плазма?

Розв’яжіть задачі та оцініть результати Вправа 4.

1. Накресліть у зошит таблицю та заповніть її.

2.    Визначте за наведеним описом, про який агрегатний стан речовини йдеться:

а)    речовина прозора, безбарвна, легко стискається;

б)    речовина легко змінює форму, але погано стискається;

в)    речовина має власний об’єм і форму, а також важко стискається.

3.    Ви, мабуть, коштували цукровий льодяник (пригадайте, це - аморфне тіло). Тоді ви помічали, що у результаті тривалого зберігання він вкривається кристалами цукру. Також ви бачили, що скло, яке теж є аморфним тіло, з часом тьмяніє, що відбувається внаслідок утворення в ньому кристалів. Користуючись цими фактами, які вам відомі з особистого досвіду, обґрунтуйте, який стан твердого тіла є стійкішим: кристалічний чи аморфний?

4.    Учені Інституту монокристалів HAH України виростили один з найбільших у світі прямокутних сапфірів розмірами 350 х 500 х 50 мм. Визначте масу цього дорогоцінного кристалу, якщо його густина 5143

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут