Preguntas sobre qué es un estado de agregación, qué características y propiedades tienen los sólidos, líquidos y gases, se consideran en varios cursos de capacitación. Hay tres estados clásicos de la materia, con sus propios rasgos característicos de la estructura. Su comprensión es un punto importante para comprender las ciencias de la Tierra, los organismos vivos y las actividades de producción. Estas preguntas son estudiadas por la física, la química, la geografía, la geología, la química física y otras disciplinas científicas. Las sustancias que se encuentran bajo ciertas condiciones en uno de los tres tipos básicos de estado pueden cambiar con un aumento o disminución de la temperatura o la presión. Considere las posibles transiciones de un estado de agregación a otro, tal como se llevan a cabo en la naturaleza, la tecnología y la vida cotidiana.
¿Cuál es el estado de agregación?
La palabra de origen latino "aggrego" traducida al ruso significa "adjuntar". El término científico se refiere al estado del mismo cuerpo, sustancia. Existencia a determinados valores de temperatura y diferentes presiones de sólidos,gases y líquidos es característico de todas las capas de la Tierra. Además de los tres estados agregados básicos, también hay un cuarto. A temperatura elevada y presión constante, el gas se convierte en plasma. Para comprender mejor qué es un estado de agregación, es necesario recordar las partículas más pequeñas que componen las sustancias y los cuerpos.
El diagrama anterior muestra: a - gas; b - líquido; c es un cuerpo sólido. En tales figuras, los círculos indican los elementos estructurales de las sustancias. Este es un símbolo, de hecho, los átomos, las moléculas, los iones no son bolas sólidas. Los átomos consisten en un núcleo cargado positivamente alrededor del cual los electrones cargados negativamente se mueven a gran velocidad. El conocimiento de la estructura microscópica de la materia ayuda a comprender mejor las diferencias que existen entre las diferentes formas agregadas.
Representaciones del microcosmos: desde la Antigua Grecia hasta el siglo XVII
La primera información sobre las partículas que componen los cuerpos físicos apareció en la antigua Grecia. Los pensadores Demócrito y Epicuro introdujeron el concepto de átomo. Creían que estas partículas indivisibles más pequeñas de diferentes sustancias tienen una forma, ciertos tamaños, son capaces de moverse e interactuar entre sí. La atomística se convirtió en la enseñanza más avanzada de la antigua Grecia para su época. Pero su desarrollo se ralentizó en la Edad Media. Desde entonces los científicos fueron perseguidos por la Inquisición de la Iglesia Católica Romana. Por lo tanto, hasta la época moderna no existía un concepto claro de cuál es el estado de agregación de la materia. Sólo después del siglo XVII.los científicos R. Boyle, M. Lomonosov, D. D alton, A. Lavoisier formularon las disposiciones de la teoría atómico-molecular, que no han perdido su importancia incluso hoy.
Átomos, moléculas, iones son partículas microscópicas de la estructura de la materia
Un avance significativo en la comprensión del microcosmos ocurrió en el siglo XX, cuando se inventó el microscopio electrónico. Teniendo en cuenta los descubrimientos realizados por los científicos anteriormente, fue posible armar una imagen armoniosa del micromundo. Las teorías que describen el estado y el comportamiento de las partículas más pequeñas de la materia son bastante complejas y pertenecen al campo de la física cuántica. Para comprender las características de los diferentes estados agregados de la materia, basta conocer los nombres y características de las principales partículas estructurales que forman las diferentes sustancias.
- Los átomos son partículas químicamente indivisibles. Conservado en reacciones químicas, pero destruido en nuclear. Los metales y muchas otras sustancias de estructura atómica tienen un estado sólido de agregación en condiciones normales.
- Las moléculas son partículas que se descomponen y forman en reacciones químicas. La estructura molecular tiene oxígeno, agua, dióxido de carbono, azufre. El estado agregado de oxígeno, nitrógeno, dióxido de azufre, carbono, oxígeno en condiciones normales es gaseoso.
- Los iones son partículas cargadas en las que los átomos y las moléculas se convierten cuando ganan o pierden electrones: partículas microscópicas cargadas negativamente. Muchas sales tienen una estructura iónica, por ejemplo, la sal de mesa, el hierro y el sulfato de cobre.
Hay sustancias cuyas partículas están dispuestas de cierta manera en el espacio. Posición relativa ordenadaátomos, iones, moléculas se llama red cristalina. Por lo general, las redes cristalinas iónicas y atómicas son típicas para sólidos, moleculares, para líquidos y gases. El diamante tiene una alta dureza. Su red cristalina atómica está formada por átomos de carbono. Pero el grafito blando también consta de átomos de este elemento químico. Solo que están ubicados de manera diferente en el espacio. El estado habitual de agregación del azufre es sólido, pero a altas temperaturas la sustancia se convierte en líquido y en una masa amorfa.
Sustancias en estado sólido de agregación
Los cuerpos sólidos en condiciones normales conservan su volumen y forma. Por ejemplo, un grano de arena, un grano de azúcar, sal, un trozo de roca o metal. Si se calienta el azúcar, la sustancia comienza a derretirse y se convierte en un líquido marrón viscoso. Deja de calentar, nuevamente obtenemos un sólido. Esto significa que una de las principales condiciones para la transición de un sólido a un líquido es su calentamiento o un aumento en la energía interna de las partículas de una sustancia. También se puede cambiar el estado sólido de agregación de la sal, que se usa en los alimentos. Pero para derretir la sal de mesa, se necesita una temperatura más alta que cuando se calienta el azúcar. El hecho es que el azúcar consiste en moléculas y la sal de mesa consiste en iones cargados, que se atraen más fuertemente entre sí. Los sólidos en estado líquido no conservan su forma porque las redes cristalinas se rompen.
El estado líquido de agregación de la sal durante la fusión se explica por la ruptura del enlace entre los iones en los cristales. son liberadosPartículas cargadas que pueden transportar cargas eléctricas. Las sales fundidas conducen la electricidad y son conductoras. En la industria química, metalúrgica y de ingeniería, los sólidos se convierten en líquidos para obtener de ellos nuevos compuestos o darles formas diferentes. Las aleaciones de metal son ampliamente utilizadas. Existen varias formas de obtenerlos, asociadas a cambios en el estado de agregación de las materias primas sólidas.
El líquido es uno de los estados básicos de agregación
Si vierte 50 ml de agua en un matraz de fondo redondo, puede ver que la sustancia toma inmediatamente la forma de un recipiente químico. Pero tan pronto como vertemos el agua del matraz, el líquido se extenderá inmediatamente sobre la superficie de la mesa. El volumen de agua seguirá siendo el mismo: 50 ml, y su forma cambiará. Estos rasgos son característicos de la forma líquida de la existencia de la materia. Los líquidos son muchas sustancias orgánicas: alcoholes, aceites vegetales, ácidos.
La leche es una emulsión, es decir, un líquido en el que hay gotitas de grasa. Un mineral líquido útil es el petróleo. Se extrae de pozos utilizando plataformas de perforación en tierra y en el océano. El agua de mar es también materia prima para la industria. Su diferencia con el agua dulce de ríos y lagos radica en el contenido de sustancias disueltas, principalmente sales. Durante la evaporación desde la superficie de los cuerpos de agua, solo las moléculas de H2O pasan al estado de vapor, los solutos permanecen. Los métodos para obtener sustancias útiles del agua de mar y los métodos para su purificación se basan en esta propiedad.
CuandoEliminación completa de sales, se obtiene agua destilada. Hierve a 100°C y se congela a 0°C. Las salmueras hierven y se convierten en hielo a diferentes temperaturas. Por ejemplo, el agua del Océano Ártico se congela a una temperatura superficial de 2°C.
El estado agregado del mercurio en condiciones normales es líquido. Este metal gris plateado generalmente se llena con termómetros médicos. Cuando se calienta, la columna de mercurio se eleva en la escala, la sustancia se expande. ¿Por qué los termómetros de calle usan alcohol teñido de rojo y no mercurio? Esto se explica por las propiedades del metal líquido. Con heladas de 30 grados, el estado agregado del mercurio cambia, la sustancia se vuelve sólida.
Si se rompe un termómetro médico y se derrama mercurio, es peligroso recoger bolas plateadas con las manos. Es dañino inhalar vapor de mercurio, esta sustancia es muy tóxica. Los niños en tales casos deben buscar la ayuda de sus padres, adultos.
Estado del gas
Los gases no pueden conservar su volumen o forma. Llene el matraz hasta el tope con oxígeno (su fórmula química es O2). Tan pronto como abrimos el matraz, las moléculas de la sustancia comenzarán a mezclarse con el aire de la habitación. Esto se debe al movimiento browniano. Incluso el antiguo científico griego Demócrito creía que las partículas de materia están en constante movimiento. En los sólidos, en condiciones normales, los átomos, las moléculas y los iones no tienen la oportunidad de salir de la red cristalina para liberarse de los enlaces con otras partículas. Esto es posible sólo cuandograndes cantidades de energía del exterior.
En los líquidos, la distancia entre las partículas es ligeramente mayor que en los sólidos, requieren menos energía para romper los enlaces intermoleculares. Por ejemplo, el estado líquido agregado del oxígeno se observa solo cuando la temperatura del gas cae a -183 °C. A −223 °C, las moléculas O2 forman un sólido. Cuando la temperatura sube por encima de los valores dados, el oxígeno se convierte en gas. Es de esta forma que se encuentra en condiciones normales. En las empresas industriales existen instalaciones especiales para separar el aire atmosférico y obtener de él nitrógeno y oxígeno. Primero, el aire se enfría y se licua, y luego la temperatura se aumenta gradualmente. El nitrógeno y el oxígeno se convierten en gases en diferentes condiciones.
La atmósfera de la Tierra contiene 21% de oxígeno y 78% de nitrógeno por volumen. En forma líquida, estas sustancias no se encuentran en la envoltura gaseosa del planeta. El oxígeno líquido tiene un color azul claro y se llena a alta presión en cilindros para uso en instalaciones médicas. En la industria y la construcción, los gases licuados son necesarios para muchos procesos. El oxígeno es necesario para la soldadura y el corte de metales con gas, en química, para las reacciones de oxidación de sustancias inorgánicas y orgánicas. Si abre la válvula del cilindro de oxígeno, la presión disminuye, el líquido se convierte en gas.
El propano, el metano y el butano licuados se utilizan ampliamente en la energía, el transporte, la industria y las actividades domésticas. Estas sustancias se obtienen a partir del gas natural o por craqueo(desdoblamiento) del petróleo crudo. Las mezclas de carbono líquido y gaseoso juegan un papel importante en la economía de muchos países. Pero las reservas de petróleo y gas natural están severamente agotadas. Según los científicos, esta materia prima durará entre 100 y 120 años. Una fuente alternativa de energía es el flujo de aire (viento). Los ríos caudalosos, las mareas en las costas de los mares y océanos se utilizan para hacer funcionar las centrales eléctricas.
El oxígeno, como otros gases, puede estar en el cuarto estado de agregación, representando un plasma. Una transición inusual de un estado sólido a gaseoso es un rasgo característico del yodo cristalino. Una sustancia de color púrpura oscuro se sublima: se convierte en gas, sin pasar por el estado líquido.
¿Cómo se llevan a cabo las transiciones de una forma agregada de materia a otra?
Los cambios en el estado agregado de las sustancias no están asociados con transformaciones químicas, estos son fenómenos físicos. Cuando la temperatura sube, muchos sólidos se derriten y se vuelven líquidos. Un aumento adicional de la temperatura puede conducir a la evaporación, es decir, al estado gaseoso de la sustancia. En la naturaleza y la economía, tales transiciones son características de una de las principales sustancias de la Tierra. Hielo, líquido, vapor son los estados del agua bajo diferentes condiciones externas. El compuesto es el mismo, su fórmula es H2O. A una temperatura de 0 °C y por debajo de este valor, el agua se cristaliza, es decir, se convierte en hielo. Cuando la temperatura aumenta, los cristales resultantes se destruyen: el hielo se derrite y se obtiene nuevamente agua líquida. Cuando se calienta, se forma vapor de agua. Evaporación -la transformación del agua en gas - va incluso a bajas temperaturas. Por ejemplo, los charcos congelados desaparecen gradualmente porque el agua se evapora. Incluso en climas helados, la ropa mojada se seca, pero este proceso lleva más tiempo que en un día caluroso.
Todas las transiciones enumeradas del agua de un estado a otro son de gran importancia para la naturaleza de la Tierra. Los fenómenos atmosféricos, el clima y el tiempo están asociados con la evaporación del agua de la superficie de los océanos, la transferencia de humedad en forma de nubes y niebla a la tierra, las precipitaciones (lluvia, nieve, granizo). Estos fenómenos forman la base del ciclo mundial del agua en la naturaleza.
¿Cómo cambian los estados agregados del azufre?
En condiciones normales, el azufre es un cristal brillante o un polvo amarillo claro, es decir, es un sólido. El estado agregado del azufre cambia cuando se calienta. Primero, cuando la temperatura sube a 190 °C, la sustancia amarilla se derrite y se convierte en un líquido móvil.
Si vierte rápidamente azufre líquido en agua fría, obtiene una masa amorfa marrón. Con un mayor calentamiento de la fusión de azufre, se vuelve más y más viscoso y se oscurece. A temperaturas superiores a 300 ° C, el estado de agregación del azufre cambia nuevamente, la sustancia adquiere las propiedades de un líquido, se vuelve móvil. Estas transiciones ocurren debido a la capacidad de los átomos del elemento para formar cadenas de diferentes longitudes.
¿Por qué las sustancias pueden estar en diferentes estados físicos?
El estado de agregación del azufre, una sustancia simple, es sólido en condiciones normales. Dióxido de azufre - gas, ácido sulfúrico -Líquido aceitoso más pesado que el agua. A diferencia de los ácidos clorhídrico y nítrico, no es volátil, las moléculas no se evaporan de su superficie. ¿Cuál es el estado de agregación del azufre plástico, que se obtiene calentando cristales?
En forma amorfa, la sustancia tiene la estructura de un líquido, con una ligera fluidez. Pero el azufre plástico al mismo tiempo conserva su forma (como un sólido). Hay cristales líquidos que tienen una serie de propiedades características de los sólidos. Así, el estado de la materia bajo diferentes condiciones depende de su naturaleza, temperatura, presión y otras condiciones externas.
¿Cuáles son las características de la estructura de los sólidos?
Las diferencias existentes entre los estados agregados básicos de la materia se explican por la interacción entre átomos, iones y moléculas. Por ejemplo, ¿por qué el estado de agregado sólido de la materia conduce a la capacidad de los cuerpos para mantener el volumen y la forma? En la red cristalina de un metal o una sal, las partículas estructurales se atraen entre sí. En los metales, los iones cargados positivamente interactúan con el llamado "gas de electrones", la acumulación de electrones libres en una pieza de metal. Los cristales de sal surgen debido a la atracción de partículas con carga opuesta: iones. La distancia entre las unidades estructurales de sólidos anteriores es mucho menor que el tamaño de las partículas mismas. En este caso, la atracción electrostática actúa, da fuerza y la repulsión no es lo suficientemente fuerte.
Para destruir el estado sólido de agregación de la materia, es necesarioHaz un esfuerzo. Los metales, las sales, los cristales atómicos se funden a temperaturas muy altas. Por ejemplo, el hierro se vuelve líquido a temperaturas superiores a 1538 °C. El tungsteno es refractario y se utiliza para fabricar filamentos incandescentes para bombillas. Hay aleaciones que se vuelven líquidas a temperaturas superiores a 3000 °C. Muchas rocas y minerales en la Tierra se encuentran en estado sólido. Esta materia prima se extrae con la ayuda de equipos en minas y canteras.
Para separar incluso un ion de un cristal, es necesario gastar una gran cantidad de energía. ¡Pero después de todo, es suficiente disolver sal en agua para que la red cristalina se desintegre! Este fenómeno se explica por las sorprendentes propiedades del agua como disolvente polar. Las moléculas H2O interactúan con los iones de sal, destruyendo el enlace químico entre ellos. Así, la disolución no es una simple mezcla de diferentes sustancias, sino una interacción física y química entre ellas.
¿Cómo interactúan las moléculas de los líquidos?
El agua puede ser líquida, sólida y gaseosa (vapor). Estos son sus principales estados de agregación en condiciones normales. Las moléculas de agua están formadas por un átomo de oxígeno con dos átomos de hidrógeno unidos a él. Hay una polarización del enlace químico en la molécula, aparece una carga negativa parcial en los átomos de oxígeno. El hidrógeno se convierte en el polo positivo de la molécula y es atraído por el átomo de oxígeno de otra molécula. Esta fuerza débil se llama "enlace de hidrógeno".
Caracterización del estado líquido de agregacióndistancias entre partículas estructurales comparables con sus tamaños. La atracción existe, pero es débil, por lo que el agua no conserva su forma. La vaporización se produce debido a la destrucción de los enlaces, que se produce en la superficie del líquido incluso a temperatura ambiente.
¿Existen interacciones intermoleculares en los gases?
El estado gaseoso de la materia difiere del líquido y el sólido en varios parámetros. Entre las partículas estructurales de los gases existen grandes espacios, mucho mayores que el tamaño de las moléculas. En este caso, las fuerzas de atracción no funcionan en absoluto. El estado gaseoso de agregación es característico de las sustancias presentes en el aire: nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono. En la imagen de abajo, el primer cubo está lleno de un gas, el segundo de un líquido y el tercero de un sólido.
Muchos líquidos son volátiles, las moléculas de una sustancia se desprenden de su superficie y pasan al aire. Por ejemplo, si acerca un bastoncillo de algodón humedecido en amoníaco a la boca de una botella abierta de ácido clorhídrico, aparece humo blanco. Justo en el aire, se produce una reacción química entre el ácido clorhídrico y el amoníaco, se obtiene cloruro de amonio. ¿En qué estado de la materia se encuentra esta sustancia? Sus partículas, que forman humo blanco, son los cristales sólidos más pequeños de sal. Este experimento debe llevarse a cabo bajo una campana de humos, las sustancias son tóxicas.
Conclusión
El estado de agregación del gas fue estudiado por muchos físicos y químicos destacados: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac,Klaiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Los científicos han formulado leyes que explican el comportamiento de las sustancias gaseosas en las reacciones químicas cuando cambian las condiciones externas. Las regularidades abiertas no solo entraron en los libros de texto escolares y universitarios de física y química. Muchas industrias químicas se basan en el conocimiento sobre el comportamiento y las propiedades de las sustancias en diferentes estados agregados.
