Агрегатные состояния
Твёрдое, жидкое, газообразное — и плазма. Материя существует в разных состояниях в зависимости от температуры и давления. Их понимание открывает молекулярный мир за повседневными явлениями.
Четыре состояния материи
Постоянные форма и объём. Частицы плотно упакованы и колеблются на месте.
Постоянный объём, изменчивая форма. Частицы близки, но могут перемещаться.
Изменчивы форма и объём. Частицы далеко друг от друга, движутся быстро и хаотично.
Ионизированный газ — электроны и ионы. Есть в звёздах и молниях.
Твёрдые тела
В твёрдом теле частицы плотно упакованы в регулярном или нерегулярном порядке. Они колеблются в фиксированных положениях и не могут свободно перемещаться. Отсюда — определённые форма и объём.
Частицы упорядочены в регулярной решётке. Имеют чёткую температуру плавления. Примеры: соль, алмаз, лёд, металлы.
Частицы расположены случайно. Размягчаются в диапазоне температур, а не при одной. Примеры: стекло, каучук, большинство пластиков.
Жидкости
В жидкости частицы близки, но могут скользить друг относительно друга. Отсюда — постоянный объём и нет постоянной формы: жидкость принимает форму сосуда.
Ключевые свойства: вязкость (сопротивление течению — мёд вязче воды), поверхностное натяжение (водомерки ходят по воде именно из-за него) и капиллярное действие (вода поднимается в тонких трубках — так растения переносят воду).
Газы
В газе частицы далеко друг от друга и хаотично движутся с большой скоростью. У газов нет постоянных формы и объёма — они занимают весь сосуд. Столкновения со стенками создают давление.
Поведение идеального газа описывает уравнение состояния: PV = nRT, где P — давление, V — объём, n — количество вещества, R — универсальная газовая постоянная, T — температура.
Плазма
Плазма — высокоэнергетическое состояние, где электроны отрываются от атомов и образуется смесь свободных электронов и положительных ионов. Образуется при очень высоких температурах или в сильных электромагнитных полях.
Примеры: Солнце и все звёзды, молнии, неоновые и люминесцентные лампы, плазменные экраны, реакторы термоядерного синтеза. Плазма реагирует на магнитные поля — поэтому в термоядерных реакторах её удерживают мощными магнитами.
Фазовые переходы
Вещество переходит между состояниями при добавлении или отводе энергии (обычно тепла). Эти переходы называются фазовыми.
| Переход | Из → В | Энергия | Пример |
|---|---|---|---|
| Плавление | Твёрдое → Жидкое | Поглощается | Лёд тает при 0°C |
| Замерзание | Жидкое → Твёрдое | Выделяется | Вода замерзает при 0°C |
| Испарение | Жидкое → Газ | Поглощается | Вода кипит при 100°C |
| Конденсация | Газ → Жидкое | Выделяется | Роса на траве |
| Сублимация | Твёрдое → Газ | Поглощается | Сухой лёд (CO₂) испаряется |
| Десублимация | Газ → Твёрдое | Выделяется | Иней на окнах |
Законы газов
P₁V₁ = P₂V₂При постоянной температуре давление и объём обратно пропорциональны. Сжимаешь газ → растёт давление.
V₁/T₁ = V₂/T₂При постоянном давлении объём и температура прямо пропорциональны. Нагреваешь газ → он расширяется.
P₁/T₁ = P₂/T₂При постоянном объёме давление и температура прямо пропорциональны. Нагреваешь закрытый сосуд → растёт давление.
PV = nRTОбъединяет все три закона. Связывает давление, объём, температуру и количество газа.
Межмолекулярные силы
Межмолекулярные силы — притяжения между молекулами. Они определяют температуры плавления и кипения, растворимость. Сильнее силы — выше температура кипения.
Между молекулами со связями O-H, N-H или F-H. Объясняют, почему у воды необычно высокая температура кипения (100°C вместо ожидаемых −80°C).
Между полярными молекулами. Положительный конец одной притягивает отрицательный конец другой.
Есть у всех молекул. Возникают из-за временных флуктуаций электронного облака. У больших молекул сильнее.