Pertanyaan tentang apa itu keadaan agregasi, fitur dan sifat apa yang memiliki padatan, cairan, dan gas, dipertimbangkan dalam beberapa kursus pelatihan. Ada tiga keadaan klasik materi, dengan ciri khas strukturnya sendiri. Pemahaman mereka merupakan poin penting dalam memahami ilmu-ilmu kebumian, makhluk hidup, dan kegiatan produksi. Pertanyaan-pertanyaan ini dipelajari oleh fisika, kimia, geografi, geologi, kimia fisik dan disiplin ilmu lainnya. Zat yang berada dalam kondisi tertentu di salah satu dari tiga tipe dasar keadaan dapat berubah dengan kenaikan atau penurunan suhu atau tekanan. Pertimbangkan kemungkinan transisi dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya, seperti yang dilakukan di alam, teknologi, dan kehidupan sehari-hari.
Bagaimana keadaan agregasi?
Kata asal Latin "aggrego" diterjemahkan ke dalam bahasa Rusia berarti "melampirkan". Istilah ilmiah mengacu pada keadaan tubuh yang sama, zat. Keberadaan pada nilai suhu tertentu dan tekanan yang berbeda dari padatan,gas dan cairan adalah karakteristik dari semua cangkang Bumi. Selain tiga kondisi agregat dasar, ada juga yang keempat. Pada suhu tinggi dan tekanan konstan, gas berubah menjadi plasma. Untuk lebih memahami apa itu keadaan agregasi, perlu diingat partikel terkecil yang menyusun zat dan benda.
Diagram di atas menunjukkan: a - gas; b - cair; c. benda padat. Dalam gambar seperti itu, lingkaran menunjukkan elemen struktural zat. Ini adalah simbol, pada kenyataannya, atom, molekul, ion bukanlah bola padat. Atom terdiri dari inti bermuatan positif di mana elektron bermuatan negatif bergerak dengan kecepatan tinggi. Pengetahuan tentang struktur mikroskopis materi membantu untuk lebih memahami perbedaan yang ada di antara berbagai bentuk agregat.
Representasi mikrokosmos: dari Yunani Kuno hingga abad ke-17
Informasi pertama tentang partikel yang membentuk tubuh fisik muncul di Yunani kuno. Pemikir Democritus dan Epicurus memperkenalkan konsep seperti atom. Mereka percaya bahwa partikel terkecil dari zat yang berbeda ini memiliki bentuk, ukuran tertentu, yang mampu bergerak dan berinteraksi satu sama lain. Atomistik menjadi ajaran Yunani kuno yang paling maju pada masanya. Namun perkembangannya melambat pada Abad Pertengahan. Sejak itu para ilmuwan dianiaya oleh Inkuisisi Gereja Katolik Roma. Oleh karena itu, hingga zaman modern, tidak ada konsep yang jelas tentang apa itu keadaan agregasi materi. Hanya setelah abad ke-17ilmuwan R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier merumuskan ketentuan teori atom-molekul, yang tidak kehilangan signifikansinya bahkan hingga hari ini.
Atom, molekul, ion adalah partikel mikroskopis dari struktur materi
Terobosan signifikan dalam memahami mikrokosmos terjadi pada abad ke-20, ketika mikroskop elektron ditemukan. Mempertimbangkan penemuan yang dibuat oleh para ilmuwan sebelumnya, adalah mungkin untuk mengumpulkan gambaran yang harmonis tentang dunia mikro. Teori yang menggambarkan keadaan dan perilaku partikel terkecil dari materi cukup kompleks; mereka termasuk dalam bidang fisika kuantum. Untuk memahami ciri-ciri keadaan agregat materi yang berbeda, cukup dengan mengetahui nama dan ciri-ciri partikel struktural utama yang membentuk zat yang berbeda.
- Atom adalah partikel yang tidak dapat dibagi secara kimia. Diawetkan dalam reaksi kimia, tetapi dihancurkan dalam nuklir. Logam dan banyak zat lain dari struktur atom memiliki keadaan agregasi padat dalam kondisi normal.
- Molekul adalah partikel yang terurai dan terbentuk dalam reaksi kimia. Struktur molekul memiliki oksigen, air, karbon dioksida, belerang. Keadaan agregat oksigen, nitrogen, sulfur dioksida, karbon, oksigen dalam kondisi normal adalah gas.
- Ion adalah partikel bermuatan yang berubah menjadi atom dan molekul ketika mereka mendapatkan atau kehilangan elektron - partikel bermuatan negatif mikroskopis. Banyak garam memiliki struktur ionik, misalnya garam meja, besi dan tembaga sulfat.
Ada zat yang partikelnya tersusun dengan cara tertentu di ruang angkasa. Posisi relatif yang dipesanatom, ion, molekul disebut kisi kristal. Biasanya kisi kristal ionik dan atomik khas untuk padatan, molekul - untuk cairan dan gas. Berlian memiliki kekerasan yang tinggi. Kisi kristal atomnya dibentuk oleh atom karbon. Tetapi grafit lunak juga terdiri dari atom-atom unsur kimia ini. Hanya saja mereka terletak berbeda di luar angkasa. Keadaan agregasi belerang yang biasa adalah padat, tetapi pada suhu tinggi zat berubah menjadi cairan dan massa amorf.
Substansi dalam keadaan agregasi yang solid
Benda padat dalam kondisi normal mempertahankan volume dan bentuknya. Misalnya sebutir pasir, sebutir gula, garam, sebongkah batu atau logam. Jika gula dipanaskan, zat tersebut mulai meleleh, berubah menjadi cairan cokelat kental. Hentikan pemanasan - sekali lagi kita mendapatkan padatan. Ini berarti bahwa salah satu syarat utama untuk transisi padatan menjadi cairan adalah pemanasannya atau peningkatan energi internal partikel suatu zat. Keadaan agregasi garam yang padat, yang digunakan dalam makanan, juga dapat diubah. Tetapi untuk melelehkan garam meja, Anda membutuhkan suhu yang lebih tinggi daripada saat memanaskan gula. Faktanya adalah bahwa gula terdiri dari molekul, dan garam meja terdiri dari ion bermuatan, yang tertarik satu sama lain lebih kuat. Padatan dalam bentuk cair tidak mempertahankan bentuknya karena kisi-kisi kristal rusak.
Keadaan cair dari agregasi garam selama pencairan dijelaskan oleh pemutusan ikatan antara ion dalam kristal. dilepaskanpartikel bermuatan yang dapat membawa muatan listrik. Garam cair menghantarkan listrik dan merupakan konduktor. Dalam industri kimia, metalurgi dan teknik, padatan diubah menjadi cairan untuk mendapatkan senyawa baru darinya atau memberikan bentuk yang berbeda. Paduan logam banyak digunakan. Ada beberapa cara untuk mendapatkannya, terkait dengan perubahan keadaan agregasi bahan baku padat.
Cairan adalah salah satu keadaan dasar agregasi
Jika Anda menuangkan 50 ml air ke dalam labu alas bulat, Anda dapat melihat bahwa zat tersebut segera berbentuk wadah kimia. Tapi begitu kita menuangkan air dari labu, cairan itu akan langsung menyebar ke permukaan meja. Volume air akan tetap sama - 50 ml, dan bentuknya akan berubah. Ciri-ciri ini adalah ciri wujud cair dari keberadaan materi. Cairan adalah banyak zat organik: alkohol, minyak nabati, asam.
Susu adalah emulsi, yaitu cairan yang di dalamnya terdapat butiran-butiran lemak. Mineral cair yang berguna adalah minyak. Itu diekstraksi dari sumur menggunakan rig pengeboran di darat dan di laut. Air laut juga merupakan bahan baku industri. Perbedaannya dengan air tawar sungai dan danau terletak pada kandungan zat terlarut, terutama garam. Selama penguapan dari permukaan badan air, hanya molekul H2O yang masuk ke keadaan uap, zat terlarut tetap ada. Metode untuk memperoleh zat yang berguna dari air laut dan metode pemurniannya didasarkan pada properti ini.
Kapanpenghapusan lengkap garam, air suling diperoleh. Mendidih pada 100 °C dan membeku pada 0 °C. Air asin mendidih dan berubah menjadi es pada suhu yang berbeda. Misalnya, air di Samudra Arktik membeku pada suhu permukaan 2°C.
Keadaan agregat merkuri dalam kondisi normal adalah cair. Logam abu-abu perak ini biasanya diisi dengan termometer medis. Saat dipanaskan, kolom merkuri naik pada skala, zat itu memuai. Mengapa termometer jalanan menggunakan alkohol berwarna merah dan bukan merkuri? Ini dijelaskan oleh sifat-sifat logam cair. Pada suhu beku 30 derajat, keadaan agregat merkuri berubah, zat menjadi padat.
Jika termometer medis pecah dan merkuri tumpah, berbahaya mengambil bola perak dengan tangan Anda. Menghirup uap merkuri berbahaya, zat ini sangat beracun. Anak-anak dalam kasus seperti itu harus mencari bantuan dari orang tua mereka, orang dewasa.
Kondisi gas
Gas tidak dapat mempertahankan volume atau bentuknya. Isi labu sampai penuh dengan oksigen (rumus kimianya adalah O2). Segera setelah kita membuka labu, molekul zat akan mulai bercampur dengan udara di dalam ruangan. Hal ini disebabkan oleh gerak Brown. Bahkan ilmuwan Yunani kuno Democritus percaya bahwa partikel materi selalu bergerak. Dalam padatan, dalam kondisi normal, atom, molekul, ion tidak memiliki kesempatan untuk meninggalkan kisi kristal, untuk membebaskan diri dari ikatan dengan partikel lain. Ini hanya mungkin jikasejumlah besar energi dari luar.
Dalam cairan, jarak antar partikel sedikit lebih besar dari pada padatan, mereka membutuhkan lebih sedikit energi untuk memutuskan ikatan antarmolekul. Misalnya, keadaan agregat cair oksigen diamati hanya ketika suhu gas turun menjadi -183 °C. Pada 223 °C, molekul O2 membentuk padatan. Ketika suhu naik di atas nilai yang diberikan, oksigen berubah menjadi gas. Dalam bentuk inilah ia berada dalam kondisi normal. Di perusahaan industri, ada instalasi khusus untuk memisahkan udara atmosfer dan memperoleh nitrogen dan oksigen darinya. Pertama, udara didinginkan dan dicairkan, dan kemudian suhu dinaikkan secara bertahap. Nitrogen dan oksigen berubah menjadi gas dalam kondisi yang berbeda.
Atmosfer bumi mengandung 21% oksigen dan 78% nitrogen berdasarkan volume. Dalam bentuk cair, zat-zat ini tidak ditemukan dalam selubung gas planet ini. Oksigen cair memiliki warna biru muda dan diisi dengan tekanan tinggi ke dalam silinder untuk digunakan di fasilitas medis. Dalam industri dan konstruksi, gas cair diperlukan untuk banyak proses. Oksigen diperlukan untuk pengelasan gas dan pemotongan logam, dalam kimia - untuk reaksi oksidasi zat anorganik dan organik. Jika Anda membuka katup tabung oksigen, tekanan berkurang, cairan berubah menjadi gas.
Propana, metana, dan butana cair banyak digunakan dalam energi, transportasi, industri, dan aktivitas rumah tangga. Zat-zat ini diperoleh dari gas alam atau dengan cracking(pemisahan) minyak mentah. Campuran karbon cair dan gas memainkan peran penting dalam perekonomian banyak negara. Tapi cadangan minyak dan gas alam sangat menipis. Menurut para ilmuwan, bahan baku ini akan bertahan selama 100-120 tahun. Sumber energi alternatif adalah aliran udara (angin). Sungai yang berarus deras, pasang surut di tepi laut dan samudera digunakan untuk mengoperasikan pembangkit listrik.
Oksigen, seperti gas lainnya, dapat berada dalam keadaan agregasi keempat, mewakili plasma. Transisi yang tidak biasa dari wujud padat ke gas adalah ciri khas yodium kristal. Zat ungu tua mengalami sublimasi - berubah menjadi gas, melewati keadaan cair.
Bagaimana transisi dari satu bentuk materi agregat ke bentuk materi lainnya dilakukan?
Perubahan keadaan agregat zat tidak terkait dengan transformasi kimia, ini adalah fenomena fisik. Ketika suhu naik, banyak padatan meleleh dan berubah menjadi cairan. Peningkatan suhu lebih lanjut dapat menyebabkan penguapan, yaitu, ke keadaan gas dari zat tersebut. Di alam dan ekonomi, transisi semacam itu adalah karakteristik dari salah satu zat utama di Bumi. Es, cair, uap adalah keadaan air di bawah kondisi eksternal yang berbeda. Senyawanya sama, rumusnya adalah H2O. Pada suhu 0 ° C dan di bawah nilai ini, air mengkristal, yaitu berubah menjadi es. Ketika suhu naik, kristal yang dihasilkan dihancurkan - es mencair, air cair diperoleh kembali. Ketika dipanaskan, uap air terbentuk. Penguapan -transformasi air menjadi gas - bahkan pada suhu rendah. Misalnya, genangan air yang membeku berangsur-angsur menghilang karena airnya menguap. Bahkan dalam cuaca dingin, pakaian basah akan mengering, tetapi proses ini memakan waktu lebih lama daripada di hari yang panas.
Semua transisi air yang terdaftar dari satu keadaan ke keadaan lain sangat penting bagi sifat Bumi. Fenomena atmosfer, iklim, dan cuaca dikaitkan dengan penguapan air dari permukaan lautan, perpindahan uap air dalam bentuk awan dan kabut ke daratan, curah hujan (hujan, salju, hujan es). Fenomena ini membentuk dasar dari siklus air dunia di alam.
Bagaimana keadaan agregat belerang berubah?
Dalam kondisi normal, belerang adalah kristal mengkilap cerah atau bubuk kuning muda, yaitu padat. Keadaan agregat belerang berubah ketika dipanaskan. Pertama, ketika suhu naik ke 190 ° C, zat kuning meleleh, berubah menjadi cairan bergerak.
Jika Anda dengan cepat menuangkan belerang cair ke dalam air dingin, Anda mendapatkan massa amorf berwarna coklat. Dengan pemanasan lebih lanjut dari lelehan belerang, itu menjadi semakin kental dan menjadi gelap. Pada suhu di atas 300 ° C, keadaan agregasi belerang berubah lagi, zat memperoleh sifat-sifat cairan, menjadi bergerak. Transisi ini terjadi karena kemampuan atom unsur untuk membentuk rantai dengan panjang yang berbeda.
Mengapa zat dapat memiliki wujud fisik yang berbeda?
Keadaan agregasi belerang - zat sederhana - padat dalam kondisi normal. Sulfur dioksida - gas, asam sulfat -cairan berminyak lebih berat dari air. Tidak seperti asam klorida dan asam nitrat, ia tidak mudah menguap; molekul tidak menguap dari permukaannya. Bagaimana keadaan agregasi belerang plastik, yang diperoleh dengan memanaskan kristal?
Dalam bentuk amorf, zat tersebut memiliki struktur cairan, dengan sedikit fluiditas. Tetapi belerang plastik secara bersamaan mempertahankan bentuknya (sebagai padatan). Ada kristal cair yang memiliki sejumlah sifat karakteristik padatan. Jadi, keadaan materi di bawah kondisi yang berbeda tergantung pada sifatnya, suhu, tekanan dan kondisi eksternal lainnya.
Apa saja ciri-ciri struktur padatan?
Perbedaan yang ada antara keadaan agregat dasar materi dijelaskan oleh interaksi antara atom, ion, dan molekul. Misalnya, mengapa keadaan agregat padat materi menyebabkan kemampuan benda untuk mempertahankan volume dan bentuk? Dalam kisi kristal logam atau garam, partikel struktural tertarik satu sama lain. Dalam logam, ion bermuatan positif berinteraksi dengan apa yang disebut "gas elektron" - akumulasi elektron bebas dalam sepotong logam. Kristal garam muncul karena tarikan partikel bermuatan berlawanan - ion. Jarak antara unit struktural padatan di atas jauh lebih kecil daripada ukuran partikel itu sendiri. Dalam hal ini, gaya tarik elektrostatik bekerja, memberikan kekuatan, dan tolakan tidak cukup kuat.
Untuk menghancurkan keadaan padat agregasi materi, perluberusaha. Logam, garam, kristal atom meleleh pada suhu yang sangat tinggi. Misalnya, besi menjadi cair pada suhu di atas 1538 °C. Tungsten tahan api dan digunakan untuk membuat filamen pijar untuk bola lampu. Ada paduan yang menjadi cair pada suhu di atas 3000 °C. Banyak batuan dan mineral di Bumi dalam keadaan padat. Bahan baku ini diekstraksi dengan bantuan peralatan di pertambangan dan penggalian.
Untuk melepaskan bahkan satu ion dari kristal, perlu mengeluarkan sejumlah besar energi. Tetapi bagaimanapun juga, itu cukup untuk melarutkan garam dalam air agar kisi kristal hancur! Fenomena ini dijelaskan oleh sifat menakjubkan air sebagai pelarut polar. Molekul H2O berinteraksi dengan ion garam, menghancurkan ikatan kimia di antara mereka. Jadi, pembubaran bukanlah pencampuran sederhana zat yang berbeda, tetapi interaksi fisik dan kimia di antara mereka.
Bagaimana molekul zat cair berinteraksi?
Air bisa berbentuk cair, padat dan gas (uap). Ini adalah status agregasi utamanya dalam kondisi normal. Molekul air terdiri dari satu atom oksigen dengan dua atom hidrogen terikat padanya. Ada polarisasi ikatan kimia dalam molekul, muatan negatif parsial muncul pada atom oksigen. Hidrogen menjadi kutub positif dalam molekul dan tertarik ke atom oksigen dari molekul lain. Gaya lemah ini disebut "ikatan hidrogen".
Karakteristik keadaan cair dari agregasijarak antara partikel struktural sebanding dengan ukurannya. Daya tariknya ada, tetapi lemah, sehingga air tidak mempertahankan bentuknya. Penguapan terjadi karena rusaknya ikatan, yang terjadi pada permukaan cairan bahkan pada suhu kamar.
Apakah interaksi antarmolekul ada dalam gas?
Keadaan zat gas berbeda dari cair dan padat dalam sejumlah parameter. Antara partikel struktural gas ada celah besar, jauh lebih besar dari ukuran molekul. Dalam hal ini, gaya tarik menarik tidak bekerja sama sekali. Keadaan agregasi gas adalah karakteristik zat yang ada di udara: nitrogen, oksigen, karbon dioksida. Pada gambar di bawah, kubus pertama berisi gas, kubus kedua berisi cairan, dan kubus ketiga berisi benda padat.
Banyak cairan yang mudah menguap, molekul suatu zat terlepas dari permukaannya dan melayang ke udara. Misalnya, jika Anda membawa kapas yang dicelupkan ke dalam amonia ke pembukaan botol asam klorida yang terbuka, asap putih akan muncul. Tepat di udara, reaksi kimia terjadi antara asam klorida dan amonia, amonium klorida diperoleh. Dalam keadaan materi apa zat ini berada? Partikelnya, yang membentuk asap putih, adalah kristal padat terkecil dari garam. Eksperimen ini harus dilakukan di bawah lemari asam, bahannya beracun.
Kesimpulan
Keadaan agregasi gas dipelajari oleh banyak fisikawan dan kimiawan terkemuka: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Para ilmuwan telah merumuskan hukum yang menjelaskan perilaku zat gas dalam reaksi kimia ketika kondisi eksternal berubah. Buka keteraturan tidak hanya masuk sekolah dan universitas buku teks fisika dan kimia. Banyak industri kimia didasarkan pada pengetahuan tentang perilaku dan sifat zat dalam keadaan agregat yang berbeda.
