§ 4. Агрегатні стани речовини. Фізичні властивості твердих тіл, рідин та газів
1. Речовини в природі можуть перебувати в трьох агрегатних станах: у твердому, рідкому і газоподібному. Так, вода при певних значеннях температури може бути твердою (лід), рідкою (вода), газоподібною (пара). Ртуть, яка застосовується, наприклад, у відомому вам медичному термометрі, перебуває в рідкому стані; якщо її охолодити до температури нижче -39 °С, то вона стане твердою, а якщо нагріти вище 357 °С, то вона перетвориться в газ.
Із прикладів, які згадувалися вище, а також із ваших власних спостережень можна зробити висновок, що властивості тіл у різних агрегатних станах різні. Розглянемо їх.
2. Тверде тіло має певну форму і певний об’єм. Його важко стиснути або розтягнути; якщо його стиснути, а потім відпустити, то воно, як правило, відновлює свою форму і свій об’єм. Виняток становлять деякі речовини, твердий стан яких близький за своїми властивостями до рідин (пластилін, віск).
3. Наллємо рідину в банку, переллємо її з банки в склянку, а потім — у чашку. У всіх випадках рідина буде набувати форму посудини, в яку вона налита. Це говорить про те, що рідина в земних умовах (де діє сила тяжіння) не має власної форми. Тільки дуже маленькі краплі рідини мають свою форму — форму кулі.
Об’єм рідини змінити надзвичайно важко. Це можна перевірити, якщо набрати воду в насос, закрити отвір внизу і спробувати стиснути воду. Навряд чи ваші спроби виявляться вдалими. Це означає, що рідина має власний об’єм, який не змінюється при деформації.
4. На відміну від рідини об’єм газу змінити досить легко. Наприклад, стиснувши руками м’яч або повітряну кульку, ми міняємо об’єм повітря, що наповнює їх. Газ не має власного об’єму, він займає повністю об’єм посудини, в якій знаходиться. Те ж можна сказати і про форму газу.
З розглянутих прикладів можна зробити висновок:
тверді тіла зберігають власну форму і власний об’єм; рідини зберігають власний об’єм, але не мають власної форми; гази не мають ні власного об’єму, ні власної форми. Тверді тіла і рідини важко стиснути, гази легко стискаються.
5. Чому ж гази, рідини і тверді тіла мають такі різні властивості? Пояснити це можна, використовуючи знання про те, що речовини складаються з частинок (молекул, атомів, йонів), які перебувають в безперервному хаотичному русі та взаємодіють між собою.
Перш за все слід мати на увазі, що молекули речовини в різних агрегатних станах однакові. Так, лід, вода і водяна пара складаються з молекул води, які містять два атоми гідрогену і один атом оксигену. Отже, причину відмінності властивостей речовини в різних станах треба шукати в розташуванні, характері руху і взаємодії молекул.
Оскільки гази займають увесь наданий їм об’єм, то очевидно, що сили притягання між молекулами газу малі. А це означає, що молекули перебувають на порівняно великих відстанях одна від одної. В середньому відстані між молекулами газу в десятки разів більші за відстані між молекулами рідини. Це підтверджується тим, що гази легко стискаються.
Малі сили притягання впливають і на характер руху молекул газу. Молекула газу рухається прямолінійно до зіткнення з іншою молекулою, в результаті чого змінює напрямок свого руху і рухається прямолінійно до наступного зіткнення.
6. Тверді тіла важко стиснути. Це пов’язано з тим, що їхні молекули (атоми, йони) перебувають близько одна від одної і при невеликій зміні відстані між ними різко зростають сили відштовхування. Порівняно велике притягання між молекулами твердих тіл призводить до того, що вони зберігають форму та об’єм.
Атоми або молекули більшості твердих тіл розташовані в певному порядку і утворюють кристалічну ґратку. На рисунку 10 зображено кристалічну ґратку алмазу. У вузлах кристалічної ґратки (положеннях рівноваги частинок) розташовані атоми карбону (С). Частинки твердого тіла (атоми, молекули або йони) здійснюють коливальний рух відносно вузлів кристалічної ґратки.
7. У рідинах молекули розташовані також досить близько одна від одної. Тому рідини зберігають свій об’єм і погано стискаються. Але оскільки рідини не зберігають свою форму, можна припустити, що сили притягання між молекулами рідини менші, ніж між молекулами твердого тіла. Характер руху молекул рідини дуже складний. Вони розмішуються не так упорядковано, як молекули твердих тіл, але в більшому порядку, ніж молекули газів. Молекули рідини здійснюють коливальний рух відносно положень рівноваги, однак із плином часу ці положення рівноваги змішуються, тобто молекули перескакують з місця на місце.
На рисунку 11 показано розташування молекул води в різних агрегатних станах: а) — у твердому, б) — в рідкому, в) — у газоподібному.
Запитання для самоперевірки
- 1. Назвіть основні властивості твердих тіл; рідин; газів.
- 2. Користуючись рисунком 11, поясніть, чим відрізняється: а) будова газів, рідин і твердих тіл; б) характер руху молекул газів, рідин і твердих тіл; в) взаємодія молекул газів, рідин і твердих тіл.
- 3. Чому гази заповнюють увесь наданий їм об’єм?
- 4. Чому рідини погано стискаються?
- 5. Чому рідини не зберігають свою форму?
- 6. Чому тверді тіла зберігають форму та об’єм?
- 1. Випишіть з тексту параграфа і наведіть свої приклади речовин, що перебувають у різних агрегатних станах при температурах 0 °С — 100 °С. Заповніть таблицю 2.
Тверда речовина
Рідка речовина
Газоподібна речовина
Агрегатний стан речовини
Власна форма
Власний об’єм
Відстань між молекулами
Сили взаємодії між молекулами
Характер руху молекул
Робота з комп’ютером
Вивчіть матеріал уроку та виконайте запропоновані в електронному додатку завдання.
§ 2. Агрегатні стани речовини
Пояснення агрегатних станів речовини на основі молекулярно-кінетичного вчення про будову речовини. Одна й та сама речовина може перебувати у твердому, рідкому та газоподібному станах, які називають агрегатними станами речовини.
У природі різні стани тієї самої речовини найчастіше можна спостерігати на прикладі води (лід, вода, водяна пара). Склад цієї речовини в різних агрегатних станах незмінний — два атоми Гідрогену й один атом Оксигену (мал. 6).
Мал. 6. Склад молекули води однаковий у всіх її агрегатних станах (водяна пара, вода, лід)
На відміну від води, інші речовини в природі в усіх трьох агрегатних станах спостерігати складні
ше. Для цього потрібно створити відповідні умови (температура, тиск та інші). Назви таких речовин указують на їх агрегатний стан, наприклад, рідкий азот, пари ртуті, рідке олово.
З’ясуємо, у чому відмінність руху та взаємодії молекул речовини в різних агрегатних станах.
Газоподібний стан (або газ) 1 — це стан речовини, в якому окремі молекули слабо взаємодіють між собою й рухаються хаотично. Середня кінетична енергія молекул є більшою, ніж їхня потенціальна енергія.
1 Ще для означення цього стану вживають термін газуватий.
У газоподібному стані молекули майже не зазнають взаємного притягання. Зіштовхуючись між собою кілька мільярдів разів за секунду, вони змінюють напрям руху.
Відстань між атомами й молекулами газів набагато більша за їхні розміри (приблизно в десятки, а то й сотні разів). Цим, зокрема, пояснюється значна стисливість газів.
Слабкі сили притягання молекул газу не можуть утримати їх одну біля одної. Саме тому гази здатні безмежно розширюватись і не зберігають ані форми, ані об’єму, тобто займають весь об’єм посудини, в якій вони містяться (мал. 7).
Мал. 7 Опис властивостей газів: а — моделювання внутрішньої структури; б, в — відсутність власної форми, стисливість
Ці ознаки зумовлені тим, що молекули газу між короткочасними зіткненнями перебувають у вільному русі.
Більшість речовин переходять у газоподібний стан з рідкого або твердого внаслідок нагрівання. Перехід із рідкого в газоподібний стан називають випаровуванням, а протилежний йому перехід із газоподібного стану в рідкий — конденсацією. Перехід із твердого стану в газоподібний, минаючи рідкий, називають сублімацією, а протилежний — десублімацією. Прикладом сублімації є висихання білизни на морозі. Тобто у водяну пару перетворюється лід, а не вода. Прикладом десублімації є утворення інею із водяної пари.
Деякі речовини не мають газоподібного стану. Це речовини зі складною хімічною будовою, які при підвищенні температури розпадаються внаслідок хімічних реакцій раніше, ніж перетворюються на газ.
Здебільшого, у звичних для людини земних умовах, певний газ має однакову густину, температуру, тиск у будь-якій точці посудини, яку займає. Однак це не універсальний закон. Наприклад, повітря в полі тяжіння нашої планети має різну густину, тиск і температуру: ці величини зменшуються з віддаленням від поверхні Землі.
У рідині молекули перебувають на відстанях, сумірних із їхніми розмірами. На таких відстанях сила, з якою притягуються молекули, має велике значення. Тому потенціальна енергія притягання молекул рідини більша, ніж кінетична енергія їхнього теплового руху. Однак молекули рідини достатньо рухливі, тому вони часто змінюють своє положення, рухаючись «стрибками». Молекули рідини перебувають здебільшого в щільному оточенні сусідніх молекул. Коли ж раптово поруч виникає розрідження, то молекула проникає в нього. Таким чином вона потрапляє в «компанію» інших молекул і перебуває там поки не з’явиться можливість для нового «стрибка». Рухаючись, молекули рідини в будь-який момент часу мають більш-менш упорядковане розташування, яке називають ближнім порядком. Однак цей порядок на великих відстанях не зберігається і саме тому й називається ближнім порядком.
У рідкому стані речовина зберігає об’єм, але не тримає форму. Це означає, що рідина може займати тільки частину об’єму посудини, але вільно перетікати й проникати в усі її закутки (мал. 8).
Мал. 8. Опис властивостей рідин: а — моделювання внутрішньої структури; б, в — текучість, наявність вільної поверхні, відсутність власної форми, збереження об’єму
Рідина, на відміну від газу, має добре визначену поверхню. Такі явища, як змочування тіл, утворення крапель зумовлені саме особливостями взаємодії молекул, що містяться в поверхневому шарі рідини (мал. 9).
Мал. 9. Явище поверхневого натягу та його моделювання
Вам, мабуть, доводилося бачити, як краплина води може розтікатися по поверхні, а може набувати форму кульки. Це зумовлено співвідношенням між силами притягання молекул рідини між собою та з молекулами твердого тіла, з яким контактує рідина.
Якщо молекули рідини притягуються одна до одної слабше, ніж до молекул твердого тіла, — то рідина розтікається (змочує поверхню) (мал. 10, а, с. 16).
А якщо сили притягання між молекулами самої рідини сильніші, ніж сили притягання цих молекул до молекул твердого тіла, — то рідина набуває форму кулі (не змочує поверхню) (мал. 10, б, с. 16).
Мал. 10. Явища змочування (а) і незмочування (б)
Для більшості речовин рідина — проміжний стан між газом і твердим тілом. Речовина може переходити в рідкий стан із твердого в результаті процесу, який називається плавленням, або з газоподібного — в результаті конденсації. Зворотний процес переходу з рідкого стану у твердий називається твердненням (або кристалізацією). У газоподібний стан рідина переходить унаслідок процесу пароутворення (кипіння й випаровування).
Оскільки можна вважати, що в рідин, як і в газів, рухливість молекул досить значна, то їхні фізичні властивості не залежать від порядку розташування молекул. Проте існують ще й рідкі кристали, які досить широко використовуються в сучасних годинниках, моніторах і телевізорах. Зазвичай довгі, вузькі молекули рідкого кристалу розміщуються так, як зображено на малюнку 11.
Мал. 11. Модель внутрішньої будови рідких кристалів
У твердих тілах структурні частинки (атоми або молекули) перебувають дуже близько одна від одної. Саме тому сили притягання між молекулами є досить великими. Оскільки середня потенціальна енергія взаємного притягання молекул значно більша за їхню кінетичну енергію, то молекули можуть лише хаотично коливатись відносно своїх положень. Вільно переміщуватись (так само, як у рідинах або газах) молекули твердих тіл не можуть. Саме цим пояснюється те, що тверді тіла мають певну форму та об’єм (мал. 12).
Мал. 12. Опис властивостей твердих тіл: а — моделювання внутрішньої структури; б — наявність форми та об’єму
Тверді тіла можуть бути кристалічними або аморфними. Прикладами кристалічних тіл є кварц, золото, лід, гірський кришталь, кремній, галіт (кам’яна сіль) та багато інших. Для кристалічних твердих тіл характерне впорядковане розташування молекул (мал. 13). Просторові фігури, у вершинах яких містяться структурні частки речовини, називаються комірками кристалічної ґратки. Такі комірки в кристалі повторюються в усіх трьох напрямах. Саме тому кристалам притаманний дальній порядок.
Мал. 13. Кристалічні тіла: а — моделювання внутрішньої структури; б — зразки кристалів
Тверді тіла, яким, так само як рідинам, дальній порядок не притаманний, називаються аморфними (наприклад, смола, парафін) (мал. 14, с. 18).
Мал. 14. Аморфні тіла: а — моделювання внутрішньої структури; б — зразки аморфних тіл
Певна впорядкованість у розташуванні молекул твердих тіл зумовлює їхні фізичні властивості (теплопровідність, електропровідність, пружність та інші).
Вивчаючи теплові явища, ми найчастіше будемо досліджувати такі речовини:
- гази — повітря, водяна пара, кисень, вуглекислий газ;
- рідини — вода, нафта, ртуть, гас;
- тверді тіла — лід, алюміній, залізо, чавун, смола, парафін, пластмаси.
Тому не зайвим буде пригадати все, що ви вивчали про ці речовини на уроках хімії, географії та біології.
Зміни агрегатного стану речовини. Будь-яке тверде тіло завдяки нагріванню може перейти в рідкий або газоподібний стан, тобто розплавитись або безпосередньо випаруватись. І навпаки, кожна рідина може стати твердим тілом, якщо її достатньою мірою охолодити (мал. 15). Кожній речовині потрібно створити відповідні умови (температура, тиск та ін.) для зміни агрегатного стану.
Мал. 15. Схематичне зображення процесів, що приводять до змін агрегатних станів
Наприклад, ртуть необхідно охолодити до -39 °С, щоб вона затвердла, тоді як залізо плавиться за 1539 °С. Ще вищою є температура плавлення таких сполук, як карбіди та оксиди. За температури вище 6000 °С жодна з відомих нам речовин не може існувати як тверде тіло.
Випаровуються не тільки рідини, а й тверді тіла. Так, шматок вольфраму за кімнатної температури навіть через тисячу років практично не втратить своєї маси. Якщо ж його помістити у вакуум за температури близько 3000 °С, то вже через день маса вольфраму зменшиться (приблизно на 1,7 грама з квадратного сантиметра поверхні).
Але ви повинні запам’ятати, що при зміні агрегатного стану склад молекул речовини не змінюється.
Плазма. Природно, виникає запитання: чи переходить газ у якийсь новий стан за значного збільшення температури? Такий стан існує, а речовина, яка перебуває в ньому, отримала назву плазма.
Плазмою називають різновид газу, який складається із «зруйнованих атомів»: йонів та окремих електронів. Плазма може утворитися за значного нагрівання газу. При цьому молекули настільки інтенсивно рухаються, що під час зіткнення, унаслідок великої сили удару, вони можуть втратити свої зовнішні електрони і в результаті з’являються вільні електрони та йони.
Прикладом плазми (мал. 16) є речовина, з якої складаються Сонце та інші зорі. У земних умовах плазму можна спостерігати в атмосферних явищах: блискавка, північне сяйво. Полум’я також є плазмою.
Мал. 16. Плазма
Підбиваємо підсумки
Речовини можуть перебувати в різних агрегатних станах.
Склад молекули однієї й тієї самої речовини у твердому, рідкому та газоподібному станах однаковий.
Той чи інший агрегатний стан речовини визначається відмінністю між характером руху і взаємодії молекул.
Я знаю, вмію й розумію
- 1. Які особливості руху молекул у рідкому, твердому та газоподібному станах?
- 2. Що можна сказати про сили притягання між структурними частинками речовини в різних агрегатних станах?
- 3. Яке співвідношення між кінетичною та потенціальною енергіями молекул для газоподібного, рідкого і твердого станів речовини?
- 4. Яка середня відстань між молекулами в газах, рідинах і твердих тілах у порівнянні з розмірами самих молекул?
- 1. Чому тверді тіла й рідини не розпадаються на окремі молекули?
- 2. Що є причиною зміни агрегатного стану речовини?