Questões sobre o que é um estado de agregação, quais características e propriedades possuem sólidos, líquidos e gases, são abordadas em diversos treinamentos. Existem três estados clássicos da matéria, com suas próprias características da estrutura. Sua compreensão é um ponto importante para a compreensão das ciências da Terra, dos organismos vivos e das atividades produtivas. Essas questões são estudadas pela física, química, geografia, geologia, físico-química e outras disciplinas científicas. Substâncias que estão sob certas condições em um dos três tipos básicos de estado podem mudar com o aumento ou diminuição da temperatura ou pressão. Considere as possíveis transições de um estado de agregação para outro, pois são realizadas na natureza, na tecnologia e na vida cotidiana.
Qual é o estado de agregação?
A palavra de origem latina "aggrego" traduzida para o russo significa "anexar". O termo científico refere-se ao estado do mesmo corpo, substância. Existência em determinados valores de temperatura e diferentes pressões de sólidos,gases e líquidos é característico de todas as conchas da Terra. Além dos três estados agregados básicos, há também um quarto. Em temperatura elevada e pressão constante, o gás se transforma em plasma. Para entender melhor o que é um estado de agregação, é preciso lembrar das menores partículas que compõem as substâncias e os corpos.
O diagrama acima mostra: a - gás; b - líquido; c é um corpo sólido. Em tais figuras, os círculos indicam os elementos estruturais das substâncias. Este é um símbolo, de fato, átomos, moléculas, íons não são bolas sólidas. Os átomos consistem em um núcleo carregado positivamente em torno do qual os elétrons carregados negativamente se movem em alta velocidade. O conhecimento da estrutura microscópica da matéria ajuda a entender melhor as diferenças que existem entre as diferentes formas agregadas.
Representações do microcosmo: da Grécia Antiga ao século XVII
As primeiras informações sobre as partículas que compõem os corpos físicos surgiram na Grécia antiga. Os pensadores Demócrito e Epicuro introduziram o conceito de átomo. Eles acreditavam que essas menores partículas indivisíveis de diferentes substâncias têm uma forma, certos tamanhos, são capazes de movimento e interação umas com as outras. A atomística tornou-se o ensino mais avançado da Grécia antiga para a época. Mas seu desenvolvimento desacelerou na Idade Média. Desde então, os cientistas foram perseguidos pela Inquisição da Igreja Católica Romana. Portanto, até os tempos modernos, não havia um conceito claro do que é o estado de agregação da matéria. Só depois do século XVIIos cientistas R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier formularam as provisões da teoria atômico-molecular, que não perderam seu significado até hoje.
Átomos, moléculas, íons são partículas microscópicas da estrutura da matéria
Um avanço significativo na compreensão do microcosmo ocorreu no século 20, quando o microscópio eletrônico foi inventado. Levando em conta as descobertas feitas pelos cientistas anteriormente, foi possível montar uma imagem harmoniosa do micromundo. As teorias que descrevem o estado e o comportamento das menores partículas da matéria são bastante complexas; elas pertencem ao campo da física quântica. Para entender as características dos diferentes estados agregados da matéria, basta conhecer os nomes e as características das principais partículas estruturais que formam as diferentes substâncias.
- Átomos são partículas quimicamente indivisíveis. Preservado em reações químicas, mas destruído em nuclear. Metais e muitas outras substâncias de estrutura atômica têm um estado sólido de agregação em condições normais.
- Moléculas são partículas que são quebradas e formadas em reações químicas. Estrutura molecular tem oxigênio, água, dióxido de carbono, enxofre. O estado agregado de oxigênio, nitrogênio, dióxido de enxofre, carbono, oxigênio em condições normais é gasoso.
- Íons são partículas carregadas em que átomos e moléculas se transformam quando ganham ou perdem elétrons - partículas microscópicas de carga negativa. Muitos sais têm uma estrutura iônica, por exemplo, sal de cozinha, sulfato de ferro e cobre.
Existem substâncias cujas partículas estão dispostas de uma certa maneira no espaço. Posição relativa ordenadaátomos, íons, moléculas é chamado de rede cristalina. Normalmente, as redes cristalinas iônicas e atômicas são típicas para sólidos, moleculares - para líquidos e gases. O diamante tem uma alta dureza. Sua rede cristalina atômica é formada por átomos de carbono. Mas o grafite macio também consiste em átomos desse elemento químico. Só que eles estão localizados de forma diferente no espaço. O estado usual de agregação do enxofre é sólido, mas em altas temperaturas a substância se transforma em um líquido e uma massa amorfa.
Substâncias em estado sólido de agregação
Corpos sólidos em condições normais mantêm seu volume e forma. Por exemplo, um grão de areia, um grão de açúcar, sal, um pedaço de pedra ou metal. Se o açúcar for aquecido, a substância começa a derreter, transformando-se em um líquido marrom viscoso. Pare de aquecer - novamente temos um sólido. Isso significa que uma das principais condições para a transição de um sólido para um líquido é o aquecimento ou o aumento da energia interna das partículas de uma substância. O estado sólido de agregação do sal, que é utilizado na alimentação, também pode ser alterado. Mas para derreter o sal de mesa, você precisa de uma temperatura mais alta do que ao aquecer o açúcar. O fato é que o açúcar consiste em moléculas e o sal de mesa consiste em íons carregados, que são mais fortemente atraídos um pelo outro. Sólidos na forma líquida não mantêm sua forma porque as redes cristalinas se quebram.
O estado líquido de agregação do sal durante a fusão é explicado pela quebra da ligação entre os íons nos cristais. são liberadospartículas carregadas que podem transportar cargas elétricas. Os sais fundidos conduzem eletricidade e são condutores. Nas indústrias química, metalúrgica e de engenharia, os sólidos são convertidos em líquidos para obter deles novos compostos ou dar-lhes formas diferentes. As ligas metálicas são amplamente utilizadas. Existem várias formas de obtê-los, associadas a alterações no estado de agregação das matérias-primas sólidas.
Líquido é um dos estados básicos de agregação
Se você derramar 50 ml de água em um frasco de fundo redondo, verá que a substância imediatamente assume a forma de um recipiente químico. Mas assim que derramarmos a água do frasco, o líquido se espalhará imediatamente pela superfície da mesa. O volume de água permanecerá o mesmo - 50 ml e sua forma mudará. Essas características são características da forma líquida da existência da matéria. Os líquidos são muitas substâncias orgânicas: álcoois, óleos vegetais, ácidos.
O leite é uma emulsão, ou seja, um líquido no qual existem gotículas de gordura. Um mineral líquido útil é o petróleo. É extraído de poços usando sondas de perfuração em terra e no oceano. A água do mar também é matéria-prima para a indústria. Sua diferença da água doce de rios e lagos está no conteúdo de substâncias dissolvidas, principalmente sais. Durante a evaporação da superfície dos corpos d'água, apenas as moléculas de H2O passam para o estado de vapor, os solutos permanecem. Métodos para obter substâncias úteis da água do mar e métodos para sua purificação são baseados nesta propriedade.
Quandoremoção completa dos sais, obtém-se água destilada. Ele ferve a 100°C e congela a 0°C. As salmouras fervem e se transformam em gelo em diferentes temperaturas. Por exemplo, a água no Oceano Ártico congela a uma temperatura superficial de 2°C.
O estado agregado do mercúrio em condições normais é líquido. Este metal cinza-prata é geralmente preenchido com termômetros médicos. Quando aquecida, a coluna de mercúrio sobe na escala, a substância se expande. Por que os termômetros de rua usam álcool tingido de vermelho e não mercúrio? Isso é explicado pelas propriedades do metal líquido. Em geadas de 30 graus, o estado agregado do mercúrio muda, a substância se torna sólida.
Se um termômetro médico quebrar e derramar mercúrio, é perigoso pegar bolas de prata com as mãos. É prejudicial inalar vapor de mercúrio, esta substância é muito tóxica. Crianças em tais casos devem procurar ajuda de seus pais, adultos.
Estado do gás
Os gases são incapazes de reter seu volume ou forma. Encha o frasco até o topo com oxigênio (sua fórmula química é O2). Assim que abrirmos o frasco, as moléculas da substância começarão a se misturar com o ar da sala. Isso se deve ao movimento browniano. Até o antigo cientista grego Demócrito acreditava que as partículas da matéria estão em constante movimento. Nos sólidos, em condições normais, átomos, moléculas, íons não têm a oportunidade de deixar a rede cristalina, de se libertar das ligações com outras partículas. Isso só é possível quandograndes quantidades de energia de fora.
Nos líquidos, a distância entre as partículas é um pouco maior do que nos sólidos, elas requerem menos energia para quebrar as ligações intermoleculares. Por exemplo, o estado líquido agregado do oxigênio é observado apenas quando a temperatura do gás cai para -183°C. A -223 °C, as moléculas O2 formam um sólido. Quando a temperatura sobe acima dos valores dados, o oxigênio se transforma em um gás. É nesta forma que está em condições normais. Nas empresas industriais, existem instalações especiais para separar o ar atmosférico e obter dele nitrogênio e oxigênio. Primeiro, o ar é resfriado e liquefeito e, em seguida, a temperatura é aumentada gradualmente. Nitrogênio e oxigênio se transformam em gases sob diferentes condições.
A atmosfera da Terra contém 21% de oxigênio e 78% de nitrogênio em volume. Na forma líquida, essas substâncias não são encontradas no envoltório gasoso do planeta. O oxigênio líquido tem uma cor azul clara e é enchido a alta pressão em cilindros para uso em instalações médicas. Na indústria e construção, os gases liquefeitos são necessários para muitos processos. O oxigênio é necessário para soldagem a gás e corte de metais, em química - para as reações de oxidação de substâncias inorgânicas e orgânicas. Se você abrir a válvula do cilindro de oxigênio, a pressão diminui, o líquido se transforma em gás.
Propano, metano e butano liquefeitos são amplamente utilizados em energia, transporte, indústria e atividades domésticas. Essas substâncias são obtidas a partir do gás natural ou por craqueamento(splitting) de petróleo bruto. As misturas de carbono líquido e gasoso desempenham um papel importante na economia de muitos países. Mas as reservas de petróleo e gás natural estão severamente esgotadas. Segundo os cientistas, essa matéria-prima durará de 100 a 120 anos. Uma fonte alternativa de energia é o fluxo de ar (vento). Rios de fluxo rápido, marés nas margens dos mares e oceanos são usados para operar usinas de energia.
Oxigênio, como outros gases, pode estar no quarto estado de agregação, representando um plasma. Uma transição incomum de um estado sólido para um gasoso é uma característica do iodo cristalino. Uma substância roxa escura sofre sublimação - transforma-se em gás, contornando o estado líquido.
Como são realizadas as transições de uma forma agregada de matéria para outra?
Mudanças no estado agregado das substâncias não estão associadas a transformações químicas, são fenômenos físicos. Quando a temperatura aumenta, muitos sólidos derretem e se transformam em líquidos. Um aumento adicional da temperatura pode levar à evaporação, ou seja, ao estado gasoso da substância. Na natureza e na economia, tais transições são características de uma das principais substâncias da Terra. Gelo, líquido, vapor são os estados da água sob diferentes condições externas. O composto é o mesmo, sua fórmula é H2O. A uma temperatura de 0°C e abaixo deste valor, a água cristaliza, ou seja, transforma-se em gelo. Quando a temperatura aumenta, os cristais resultantes são destruídos - o gelo derrete, a água líquida é novamente obtida. Quando é aquecido, o vapor de água é formado. Evaporação -a transformação da água em gás - ocorre mesmo em baixas temperaturas. Por exemplo, poças congeladas desaparecem gradualmente porque a água evapora. Mesmo com tempo gelado, as roupas molhadas secam, mas esse processo leva mais tempo do que em um dia quente.
Todas as transições listadas da água de um estado para outro são de grande importância para a natureza da Terra. Fenômenos atmosféricos, clima e clima estão associados à evaporação da água da superfície dos oceanos, à transferência de umidade na forma de nuvens e neblina para a terra, precipitação (chuva, neve, granizo). Esses fenômenos formam a base do ciclo mundial da água na natureza.
Como os estados agregados do enxofre mudam?
Em condições normais, o enxofre é cristais brilhantes brilhantes ou um pó amarelo claro, ou seja, é um sólido. O estado agregado do enxofre muda quando aquecido. Primeiro, quando a temperatura sobe para 190°C, a substância amarela derrete, transformando-se em um líquido móvel.
Se você derramar rapidamente enxofre líquido em água fria, obterá uma massa amorfa marrom. Com o aquecimento adicional do enxofre fundido, ele se torna cada vez mais viscoso e escurece. Em temperaturas acima de 300 ° C, o estado de agregação do enxofre muda novamente, a substância adquire as propriedades de um líquido, torna-se móvel. Essas transições ocorrem devido à capacidade dos átomos do elemento de formar cadeias de diferentes comprimentos.
Por que as substâncias podem estar em diferentes estados físicos?
O estado de agregação do enxofre - uma substância simples - é sólido em condições normais. Dióxido de enxofre - gás, ácido sulfúrico -líquido oleoso mais pesado que a água. Ao contrário dos ácidos clorídrico e nítrico, não é volátil; as moléculas não evaporam de sua superfície. Qual é o estado de agregação do enxofre plástico, obtido pelo aquecimento de cristais?
Na forma amorfa, a substância tem a estrutura de um líquido, com leve fluidez. Mas o enxofre plástico simultaneamente mantém sua forma (como um sólido). Existem cristais líquidos que possuem uma série de propriedades características dos sólidos. Assim, o estado da matéria sob diferentes condições depende de sua natureza, temperatura, pressão e outras condições externas.
Quais são as características da estrutura dos sólidos?
As diferenças existentes entre os estados agregados básicos da matéria são explicadas pela interação entre átomos, íons e moléculas. Por exemplo, por que o estado sólido agregado da matéria leva à capacidade dos corpos de manter o volume e a forma? Na rede cristalina de um metal ou sal, as partículas estruturais são atraídas umas pelas outras. Nos metais, os íons carregados positivamente interagem com o chamado "gás de elétrons" - o acúmulo de elétrons livres em um pedaço de metal. Os cristais de sal surgem devido à atração de partículas de carga oposta - íons. A distância entre as unidades estruturais de sólidos acima é muito menor do que o tamanho das próprias partículas. Neste caso, a atração eletrostática atua, dá força e a repulsão não é forte o suficiente.
Para destruir o estado sólido de agregação da matéria, é necessáriofaça um esforço. Metais, sais, cristais atômicos derretem a temperaturas muito altas. Por exemplo, o ferro torna-se líquido a temperaturas acima de 1538°C. O tungstênio é refratário e é usado para fazer filamentos incandescentes para lâmpadas. Existem ligas que se tornam líquidas a temperaturas acima de 3000°C. Muitas rochas e minerais na Terra estão em estado sólido. Essa matéria-prima é extraída com auxílio de equipamentos em minas e pedreiras.
Para separar um único íon de um cristal, é necessário gastar uma grande quantidade de energia. Mas, afinal, basta dissolver o sal na água para a rede cristalina se desintegrar! Esse fenômeno é explicado pelas incríveis propriedades da água como solvente polar. As moléculas de H2O interagem com íons de sal, destruindo a ligação química entre eles. Assim, a dissolução não é uma simples mistura de diferentes substâncias, mas uma interação física e química entre elas.
Como as moléculas dos líquidos interagem?
A água pode ser líquida, sólida e gasosa (vapor). Estes são seus principais estados de agregação em condições normais. As moléculas de água são compostas de um átomo de oxigênio com dois átomos de hidrogênio ligados a ele. Há uma polarização da ligação química na molécula, uma carga negativa parcial aparece nos átomos de oxigênio. O hidrogênio se torna o pólo positivo da molécula e é atraído pelo átomo de oxigênio de outra molécula. Essa força fraca é chamada de "ligação de hidrogênio".
Estado líquido de agregação caracterizadistâncias entre partículas estruturais comparáveis com seus tamanhos. A atração existe, mas é fraca, então a água não mantém sua forma. A vaporização ocorre devido à destruição das ligações, que ocorre na superfície do líquido mesmo à temperatura ambiente.
Existem interações intermoleculares em gases?
O estado gasoso da matéria difere do líquido e do sólido em vários parâmetros. Entre as partículas estruturais dos gases existem grandes lacunas, muito maiores do que o tamanho das moléculas. Nesse caso, as forças de atração não funcionam. O estado gasoso de agregação é característico das substâncias presentes no ar: nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono. Na figura abaixo, o primeiro cubo é preenchido com um gás, o segundo com um líquido e o terceiro com um sólido.
Muitos líquidos são voláteis, moléculas de uma substância se desprendem de sua superfície e passam para o ar. Por exemplo, se você levar um cotonete embebido em amônia para a abertura de uma garrafa aberta de ácido clorídrico, aparecerá uma fumaça branca. Bem no ar, ocorre uma reação química entre o ácido clorídrico e a amônia, obtendo-se o cloreto de amônio. Em que estado da matéria se encontra esta substância? Suas partículas, que formam fumaça branca, são os menores cristais sólidos de sal. Este experimento deve ser realizado sob uma coifa, as substâncias são tóxicas.
Conclusão
O estado de agregação do gás foi estudado por muitos físicos e químicos destacados: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Os cientistas formularam leis que explicam o comportamento de substâncias gasosas em reações químicas quando as condições externas mudam. As regularidades abertas não entraram apenas nos livros escolares e universitários de física e química. Muitas indústrias químicas são baseadas no conhecimento sobre o comportamento e as propriedades das substâncias em diferentes estados agregados.
