Des questions sur ce qu'est un état d'agrégation, quelles caractéristiques et propriétés ont des solides, des liquides et des gaz, sont abordées dans plusieurs cours de formation. Il existe trois états classiques de la matière, avec leurs propres caractéristiques de structure. Leur compréhension est un point important pour appréhender les sciences de la Terre, du vivant et des activités de production. Ces questions sont étudiées par la physique, la chimie, la géographie, la géologie, la chimie physique et d'autres disciplines scientifiques. Les substances qui se trouvent dans certaines conditions dans l'un des trois types d'état de base peuvent changer avec une augmentation ou une diminution de la température ou de la pression. Considérez les transitions possibles d'un état d'agrégation à un autre, telles qu'elles se produisent dans la nature, la technologie et la vie quotidienne.
Quel est l'état de l'agrégation ?
Le mot d'origine latine "aggrego" traduit en russe signifie "attacher". Le terme scientifique désigne l'état d'un même corps, substance. Existence à certaines valeurs de température et différentes pressions de solides,gaz et liquides est caractéristique de toutes les coquilles de la Terre. En plus des trois états agrégés de base, il en existe également un quatrième. A température élevée et à pression constante, le gaz se transforme en plasma. Pour mieux comprendre ce qu'est un état d'agrégation, il est nécessaire de se souvenir des plus petites particules qui composent les substances et les corps.
Le schéma ci-dessus montre: a - gaz; b - liquide; c est un corps solide. Dans de telles figures, les cercles indiquent les éléments structurels des substances. C'est un symbole, en effet, les atomes, les molécules, les ions ne sont pas des boules solides. Les atomes sont constitués d'un noyau chargé positivement autour duquel des électrons chargés négativement se déplacent à grande vitesse. La connaissance de la structure microscopique de la matière aide à mieux comprendre les différences qui existent entre les différentes formes d'agrégats.
Représentations du microcosme: de la Grèce antique au XVIIe siècle
Les premières informations sur les particules qui composent les corps physiques sont apparues dans la Grèce antique. Les penseurs Démocrite et Épicure ont introduit un tel concept en tant qu'atome. Ils croyaient que ces plus petites particules indivisibles de différentes substances avaient une forme, certaines tailles, étaient capables de mouvement et d'interaction les unes avec les autres. L'atomistique est devenue l'enseignement le plus avancé de la Grèce antique pour son époque. Mais son développement s'est ralenti au Moyen Âge. Depuis lors, les scientifiques ont été persécutés par l'Inquisition de l'Église catholique romaine. Par conséquent, jusqu'aux temps modernes, il n'y avait pas de concept clair de ce qu'est l'état d'agrégation de la matière. Ce n'est qu'après le 17ème siècleles scientifiques R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier ont formulé les dispositions de la théorie atomique-moléculaire, qui n'ont pas perdu leur signification, même aujourd'hui.
Les atomes, les molécules, les ions sont des particules microscopiques de la structure de la matière
Une percée significative dans la compréhension du microcosme s'est produite au XXe siècle, lorsque le microscope électronique a été inventé. En tenant compte des découvertes faites par les scientifiques plus tôt, il a été possible de dresser une image harmonieuse du micromonde. Les théories décrivant l'état et le comportement des plus petites particules de matière sont assez complexes, elles appartiennent au domaine de la physique quantique. Pour comprendre les caractéristiques des différents états agrégés de la matière, il suffit de connaître les noms et les caractéristiques des principales particules structurelles qui forment différentes substances.
- Les atomes sont des particules chimiquement indivisibles. Préservé dans les réactions chimiques, mais détruit dans le nucléaire. Les métaux et de nombreuses autres substances de structure atomique ont un état solide d'agrégation dans des conditions normales.
- Les molécules sont des particules qui se décomposent et se forment lors de réactions chimiques. La structure moléculaire contient de l'oxygène, de l'eau, du dioxyde de carbone et du soufre. L'état global de l'oxygène, de l'azote, du dioxyde de soufre, du carbone et de l'oxygène dans des conditions normales est gazeux.
- Les ions sont des particules chargées que les atomes et les molécules transforment lorsqu'ils gagnent ou perdent des électrons - des particules microscopiques chargées négativement. De nombreux sels ont une structure ionique, par exemple le sel de table, le sulfate de fer et de cuivre.
Il existe des substances dont les particules sont disposées d'une certaine manière dans l'espace. Position relative ordonnéeatomes, ions, molécules s'appelle un réseau cristallin. Habituellement, les réseaux cristallins ioniques et atomiques sont typiques pour les solides, moléculaires - pour les liquides et les gaz. Le diamant a une dureté élevée. Son réseau cristallin atomique est formé d'atomes de carbone. Mais le graphite mou est également constitué d'atomes de cet élément chimique. Seulement, ils sont situés différemment dans l'espace. L'état habituel d'agrégation du soufre est solide, mais à des températures élevées, la substance se transforme en un liquide et une masse amorphe.
Substances à l'état solide d'agrégation
Les corps solides dans des conditions normales conservent leur volume et leur forme. Par exemple, un grain de sable, un grain de sucre, de sel, un morceau de roche ou de métal. Si le sucre est chauffé, la substance commence à fondre et se transforme en un liquide brun visqueux. Arrêtez de chauffer - encore une fois, nous obtenons un solide. Cela signifie que l'une des principales conditions de la transition d'un solide vers un liquide est son échauffement ou une augmentation de l'énergie interne des particules d'une substance. L'état solide d'agrégation du sel, qui est utilisé dans les aliments, peut également être modifié. Mais pour faire fondre le sel de table, vous avez besoin d'une température plus élevée que lors du chauffage du sucre. Le fait est que le sucre est constitué de molécules et que le sel de table est constitué d'ions chargés, qui sont plus fortement attirés les uns par les autres. Les solides sous forme liquide ne conservent pas leur forme car les réseaux cristallins se décomposent.
L'état liquide d'agrégation du sel lors de la fusion s'explique par la rupture de la liaison entre les ions dans les cristaux. sont libérésparticules chargées pouvant transporter des charges électriques. Les sels fondus conduisent l'électricité et sont conducteurs. Dans les industries chimiques, métallurgiques et mécaniques, les solides sont transformés en liquides pour en tirer de nouveaux composés ou leur donner des formes différentes. Les alliages métalliques sont largement utilisés. Il existe plusieurs façons de les obtenir, liées aux changements d'état d'agrégation des matières premières solides.
Le liquide est l'un des états de base de l'agrégation
Si vous versez 50 ml d'eau dans un ballon à fond rond, vous pouvez voir que la substance prend immédiatement la forme d'un récipient chimique. Mais dès que nous versons l'eau du flacon, le liquide se répand immédiatement sur la surface de la table. Le volume d'eau restera le même - 50 ml, et sa forme changera. Ces caractéristiques sont caractéristiques de la forme liquide de l'existence de la matière. Les liquides sont de nombreuses substances organiques: alcools, huiles végétales, acides.
Le lait est une émulsion, c'est-à-dire un liquide dans lequel il y a des gouttelettes de graisse. Un minéral liquide utile est l'huile. Il est extrait de puits à l'aide d'appareils de forage sur terre et dans l'océan. L'eau de mer est aussi une matière première pour l'industrie. Sa différence avec l'eau douce des rivières et des lacs réside dans la teneur en substances dissoutes, principalement des sels. Lors de l'évaporation de la surface des masses d'eau, seules les molécules H2O passent à l'état de vapeur, les solutés restent. Les méthodes d'obtention de substances utiles à partir de l'eau de mer et les méthodes de purification sont basées sur cette propriété.
Quandélimination complète des sels, on obtient de l'eau distillée. Il bout à 100°C et gèle à 0°C. Les saumures bouillent et se transforment en glace à différentes températures. Par exemple, l'eau de l'océan Arctique gèle à une température de surface de 2 °C.
L'état global du mercure dans des conditions normales est un liquide. Ce métal gris argenté est généralement rempli de thermomètres médicaux. Lorsqu'elle est chauffée, la colonne de mercure monte sur l'échelle, la substance se dilate. Pourquoi les thermomètres de rue utilisent-ils de l'alcool teinté de rouge et non du mercure ? Cela s'explique par les propriétés du métal liquide. Aux gelées de 30 degrés, l'état global du mercure change, la substance devient solide.
Si un thermomètre médical se brise et que du mercure se répand, il est dangereux de ramasser des boules d'argent avec les mains. Il est nocif d'inhaler les vapeurs de mercure, cette substance est très toxique. Les enfants dans de tels cas devraient demander l'aide de leurs parents, des adultes.
État du gaz
Les gaz sont incapables de conserver leur volume ou leur forme. Remplissez le flacon d'oxygène jusqu'en haut (sa formule chimique est O2). Dès que nous ouvrons le flacon, les molécules de la substance commencent à se mélanger à l'air de la pièce. Ceci est dû au mouvement brownien. Même l'ancien scientifique grec Démocrite croyait que les particules de matière sont en mouvement constant. Dans les solides, dans des conditions normales, les atomes, les molécules, les ions n'ont pas la possibilité de quitter le réseau cristallin, de se libérer des liaisons avec d'autres particules. Ceci n'est possible que lorsquede grandes quantités d'énergie provenant de l'extérieur.
Dans les liquides, la distance entre les particules est légèrement plus grande que dans les solides, ils nécessitent moins d'énergie pour rompre les liaisons intermoléculaires. Par exemple, l'état d'agrégat liquide de l'oxygène n'est observé que lorsque la température du gaz chute à -183 ° C. À −223 °C, les molécules O2 forment un solide. Lorsque la température dépasse les valeurs indiquées, l'oxygène se transforme en gaz. C'est sous cette forme qu'il est dans des conditions normales. Dans les entreprises industrielles, il existe des installations spéciales pour séparer l'air atmosphérique et en extraire l'azote et l'oxygène. Tout d'abord, l'air est refroidi et liquéfié, puis la température est progressivement augmentée. L'azote et l'oxygène se transforment en gaz dans des conditions différentes.
L'atmosphère terrestre contient 21 % d'oxygène et 78 % d'azote en volume. Sous forme liquide, ces substances ne se trouvent pas dans l'enveloppe gazeuse de la planète. L'oxygène liquide a une couleur bleu clair et est rempli à haute pression dans des bouteilles destinées à être utilisées dans des établissements médicaux. Dans l'industrie et la construction, les gaz liquéfiés sont nécessaires à de nombreux processus. L'oxygène est nécessaire pour le soudage au gaz et le coupage des métaux, en chimie - pour les réactions d'oxydation des substances inorganiques et organiques. Si vous ouvrez la valve de la bouteille d'oxygène, la pression diminue, le liquide se transforme en gaz.
Le propane, le méthane et le butane liquéfiés sont largement utilisés dans les secteurs de l'énergie, des transports, de l'industrie et des ménages. Ces substances sont obtenues à partir de gaz naturel ou par craquage(fractionnement) du pétrole brut. Les mélanges de carbone liquide et gazeux jouent un rôle important dans l'économie de nombreux pays. Mais les réserves de pétrole et de gaz naturel sont gravement épuisées. Selon les scientifiques, cette matière première durera 100 à 120 ans. Une autre source d'énergie est le flux d'air (vent). Les rivières à débit rapide, les marées sur les rives des mers et des océans sont utilisées pour faire fonctionner les centrales électriques.
L'oxygène, comme les autres gaz, peut être dans le quatrième état d'agrégation, représentant un plasma. Une transition inhabituelle d'un état solide à un état gazeux est une caractéristique de l'iode cristallin. Une substance violet foncé subit une sublimation - se transforme en gaz, contournant l'état liquide.
Comment s'effectuent les transitions d'une forme agrégée de matière à une autre ?
Les changements dans l'état agrégé des substances ne sont pas associés à des transformations chimiques, ce sont des phénomènes physiques. Lorsque la température augmente, de nombreux solides fondent et se transforment en liquides. Une nouvelle augmentation de la température peut conduire à l'évaporation, c'est-à-dire à l'état gazeux de la substance. Dans la nature et l'économie, de telles transitions sont caractéristiques de l'une des principales substances sur Terre. Glace, liquide, vapeur sont les états de l'eau sous différentes conditions extérieures. Le composé est le même, sa formule est H2O. A une température de 0°C et en dessous de cette valeur, l'eau cristallise, c'est-à-dire qu'elle se transforme en glace. Lorsque la température augmente, les cristaux résultants sont détruits - la glace fond, de l'eau liquide est à nouveau obtenue. Lorsqu'il est chauffé, de la vapeur d'eau se forme. Évaporation -la transformation de l'eau en gaz - va même à basse température. Par exemple, les flaques d'eau gelées disparaissent progressivement car l'eau s'évapore. Même par temps glacial, les vêtements mouillés sèchent, mais ce processus prend plus de temps que par temps chaud.
Toutes les transitions répertoriées de l'eau d'un état à un autre sont d'une grande importance pour la nature de la Terre. Les phénomènes atmosphériques, climatiques et météorologiques sont associés à l'évaporation de l'eau de la surface des océans, au transfert d'humidité sous forme de nuages et de brouillard vers la terre, aux précipitations (pluie, neige, grêle). Ces phénomènes forment la base du cycle mondial de l'eau dans la nature.
Comment les états agrégés du soufre changent ?
Dans des conditions normales, le soufre se présente sous la forme de cristaux brillants ou d'une poudre jaune clair, c'est-à-dire qu'il s'agit d'un solide. L'état global du soufre change lorsqu'il est chauffé. Tout d'abord, lorsque la température monte à 190 ° C, la substance jaune fond et se transforme en un liquide mobile.
Si vous versez rapidement du soufre liquide dans de l'eau froide, vous obtenez une masse brune amorphe. Avec un chauffage supplémentaire de la masse fondue de soufre, elle devient de plus en plus visqueuse et s'assombrit. À des températures supérieures à 300 ° C, l'état d'agrégation du soufre change à nouveau, la substance acquiert les propriétés d'un liquide, devient mobile. Ces transitions se produisent en raison de la capacité des atomes de l'élément à former des chaînes de différentes longueurs.
Pourquoi les substances peuvent-elles se trouver dans différents états physiques ?
L'état d'agrégation du soufre - une substance simple - est solide dans des conditions normales. Anhydride sulfureux - gaz, acide sulfurique -liquide huileux plus lourd que l'eau. Contrairement aux acides chlorhydrique et nitrique, il n'est pas volatil, les molécules ne s'évaporent pas de sa surface. Quel est l'état d'agrégation du soufre plastique obtenu en chauffant des cristaux ?
Sous une forme amorphe, la substance a la structure d'un liquide, avec une légère fluidité. Mais le soufre plastique conserve simultanément sa forme (en tant que solide). Il existe des cristaux liquides qui ont un certain nombre de propriétés caractéristiques des solides. Ainsi, l'état de la matière dans différentes conditions dépend de sa nature, de sa température, de sa pression et d'autres conditions externes.
Quelles sont les caractéristiques de la structure des solides ?
Les différences existantes entre les états agrégés de base de la matière s'expliquent par l'interaction entre les atomes, les ions et les molécules. Par exemple, pourquoi l'état d'agrégat solide de la matière conduit-il à la capacité des corps à conserver leur volume et leur forme ? Dans le réseau cristallin d'un métal ou d'un sel, les particules structurelles sont attirées les unes vers les autres. Dans les métaux, les ions chargés positivement interagissent avec le soi-disant "gaz d'électrons" - l'accumulation d'électrons libres dans un morceau de métal. Les cristaux de sel apparaissent en raison de l'attraction de particules chargées de manière opposée - les ions. La distance entre les unités structurelles ci-dessus des solides est beaucoup plus petite que la taille des particules elles-mêmes. Dans ce cas, l'attraction électrostatique agit, elle donne de la force et la répulsion n'est pas assez forte.
Pour détruire l'état solide d'agrégation de la matière, il fautfaire un effort. Les métaux, les sels, les cristaux atomiques fondent à très haute température. Par exemple, le fer devient liquide à des températures supérieures à 1538 °C. Le tungstène est réfractaire et est utilisé pour fabriquer des filaments incandescents pour les ampoules électriques. Certains alliages deviennent liquides à des températures supérieures à 3000 °C. De nombreuses roches et minéraux sur Terre sont à l'état solide. Cette matière première est extraite à l'aide d'équipements dans les mines et les carrières.
Pour détacher un seul ion d'un cristal, il faut dépenser une grande quantité d'énergie. Mais après tout, il suffit de dissoudre du sel dans de l'eau pour que le réseau cristallin se désagrège ! Ce phénomène s'explique par les propriétés étonnantes de l'eau en tant que solvant polaire. Les molécules H2O interagissent avec les ions de sel, détruisant la liaison chimique entre eux. Ainsi, la dissolution n'est pas un simple mélange de différentes substances, mais une interaction physique et chimique entre elles.
Comment interagissent les molécules des liquides ?
L'eau peut être liquide, solide et gazeuse (vapeur). Ce sont ses principaux états d'agrégation dans des conditions normales. Les molécules d'eau sont constituées d'un atome d'oxygène auquel sont liés deux atomes d'hydrogène. Il y a une polarisation de la liaison chimique dans la molécule, une charge négative partielle apparaît sur les atomes d'oxygène. L'hydrogène devient le pôle positif de la molécule et est attiré par l'atome d'oxygène d'une autre molécule. Cette force faible est appelée "liaison hydrogène".
L'état liquide d'agrégation caractérisedistances entre les particules structurales comparables à leurs tailles. L'attraction existe, mais elle est faible, donc l'eau ne conserve pas sa forme. La vaporisation se produit en raison de la destruction des liaisons, qui se produit à la surface du liquide même à température ambiante.
Existe-t-il des interactions intermoléculaires dans les gaz ?
L'état gazeux de la matière diffère du liquide et du solide par un certain nombre de paramètres. Entre les particules structurelles des gaz, il existe de grands espaces, beaucoup plus grands que la taille des molécules. Dans ce cas, les forces d'attraction ne fonctionnent pas du tout. L'état gazeux d'agrégation est caractéristique des substances présentes dans l'air: azote, oxygène, gaz carbonique. Dans l'image ci-dessous, le premier cube est rempli d'un gaz, le second d'un liquide et le troisième d'un solide.
De nombreux liquides sont volatils, les molécules d'une substance se détachent de leur surface et passent dans l'air. Par exemple, si vous apportez un coton-tige imbibé d'ammoniac à l'ouverture d'une bouteille ouverte d'acide chlorhydrique, une fumée blanche apparaît. Dans l'air, une réaction chimique se produit entre l'acide chlorhydrique et l'ammoniac, le chlorure d'ammonium est obtenu. Dans quel état de la matière se trouve cette substance ? Ses particules, qui forment une fumée blanche, sont les plus petits cristaux solides de sel. Cette expérience doit être réalisée sous une hotte aspirante, les substances sont toxiques.
Conclusion
L'état d'agrégation des gaz a été étudié par de nombreux physiciens et chimistes éminents: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaipéron, Mendeleïev, Le Chatelier. Les scientifiques ont formulé des lois qui expliquent le comportement des substances gazeuses dans les réactions chimiques lorsque les conditions extérieures changent. Les régularités ouvertes n'entraient pas seulement dans les manuels scolaires et universitaires de physique et de chimie. De nombreuses industries chimiques reposent sur la connaissance du comportement et des propriétés des substances dans différents états d'agrégats.
