新しい集約状態。物質の状態

24.09.2019

ほぼすべての既知の物質は、条件に応じて、気体、液体、固体、またはプラズマ状態になります。これはと呼ばれます 物質の状態 。身体の状態は影響しない化学的性質そして化学構造物質だが影響を与える体調(密度、粘度、温度など) と化学プロセスの速度。たとえば、水は気体状態では蒸気、液体状態では液体、固体状態では氷、雪、霜になります。化学組成同じものですが、物理的性質が異なります。違い物理的性質は、物質の分子間の距離とそれらの間の引力の違いに関連しています。

ガスの特徴分子間の距離は大きく、引力は小さい。気体分子は混沌とした運動をしています。これは、ガスの密度が低く、独自の形状を持たず、供給された体積全体を占有し、圧力が変化するとガスの体積が変化することを説明しています。

液体状態分子は互いに接近し、分子間引力が増大し、分子は無秩序な並進運動をします。したがって、液体の密度は気体の密度よりもはるかに大きく、特定の体積は圧力にほとんど依存しませんが、液体はそれ自体の形状を持たず、提供された容器の形状になります。それらは「短距離秩序」、つまり結晶構造の基本によって特徴付けられます（後で説明します）。

固体の場合 粒子 (分子、原子、イオン) は互いに非常に接近しているため、引力と反発力のバランスが取れています。つまり、粒子は振動運動を示し、並進運動は示しません。したがって、固体の粒子は空間内の特定の点に位置し、「長距離秩序」（後で説明します）によって特徴付けられ、固体は特定の形状と体積を持ちます。

プラズマ荷電粒子 (電子、原子核、イオン) が無秩序に運動するあらゆる物体です。自然界ではプラズマ状態が支配的であり、高温、放電、高エネルギー電磁放射などのイオン化要因の影響下で発生します。プラズマには 2 つのタイプがあります。等温そして ガス排出 . 1つ目は高温の影響下で発生し、非常に安定しており、太陽、星、球状の稲妻など、長時間存在します。 2 番目は放電の影響下で発生し、放電がある場合にのみ安定します。電界たとえば、ガス照明管などです。プラズマは、理想気体の法則に従うイオン化された気体と考えることができます。

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このセクションのすべてのトピック:

ヴォロネジ 2011
講義 No. 1 (2 時間) 導入の質問: 1. 化学の主題。自然の研究と技術の発展における化学の重要性。

2.ベース
化学の基本的な定量法則化学の基本的な定量法則には、組成不変の法則、倍数比の法則、および当量の法則が含まれます。これらの法則は、 – XIIIの終わり 19 世紀初頭

何世紀にもわたって、そして
原子の構造の現代モデル核心部現代理論

原子の構造は、J. トムソンの研究にあります（彼は 1897 年に電子を発見し、1904 年に原子の構造のモデルを提案しました。それによると、原子は帯電した球体です）
軌道量子番号 0 1 2 3 4

l の各値は、特殊な形状の軌道に対応します。たとえば、s 軌道は球形、p 軌道はダンベル形です。
同じシェル内で、下位レベルのエネルギーはシリーズ E で増加します。

多電子原子の構造
他のシステムと同様に、原子は最小限のエネルギーを求めます。これは、電子の特定の状態で達成されます。軌道上の電子の特定の分布における。記録元素の周期的性質元素の電子構造は周期的に変化するため、それに応じて元素の特性は、その性質によって決まります。

電子構造
、イオン化エネルギーなど、

D.I.メンデレーエフによる元素周期表
1869年、D.I.メンデレーエフは周期律の発見を発表しました。その現代的な定式化は次のとおりです：元素の特性とその化合物の形状と特性

化学結合の一般的な特徴
物質の構造の学説は、さまざまな集合状態における物質の構造の多様性の理由を説明します。最新の物理的および物理化学的方法により、実験的に決定することが可能になります。

化学結合の種類
接続、その形成中に再構築電子殻起こらないことを分子間の相互作用といいます。分子間の相互作用の主な種類は次のとおりです。

分子の空間構造
分子の空間構造は、分子内の原子の数と結合による電子対の数による電子雲の重なりの空間方向に依存します。

物質の気体の状態。理想気体の法則。本物のガス
ガスは自然界にありふれたものであり、テクノロジーの分野で広く使用されています。燃料、冷却剤、自動車の原料として使用されます。化学工業、機械的な動作を行うための作動流体

物質の液体状態の特徴
液体は、その性質上、気体と固体の中間の位置を占めます。沸点近くでは、それらは気体に似ています。それらは流体であり、何も持っていません。ある形、非晶質

いくつかの物質の特徴
物質結晶の種類エネルギー結晶格子、kJ/mol 温度

熱力学の一般概念
熱力学は変換を研究する科学ですいろいろな形エネルギーを相互に注入し、これらの変換の法則を確立します。独立した学問として

熱化学。化学反応による熱の影響
あらゆる化学プロセス、および物質の多くの物理的変化（蒸発、凝縮、融解、多形変化など）には、常に内部貯蔵量の変化が伴います。

ヘスの法則とそれによる結果
数多くの情報に基づいて、実験研究ロシアの学者 G.I. ヘスは、熱化学の基本法則、つまり熱の合計の不変の法則を発見しました。

熱機関の動作原理。システム効率
熱機関は、熱を仕事に変換する装置です。最初の熱機関が発明されたのは、 XVIII後期世紀（蒸気）。今は2つあります

自由で束縛されたエネルギー。システムのエントロピー
どのような形式のエネルギーも完全に熱に変換できることが知られていますが、熱は他の種類のエネルギーに部分的にのみ変換され、条件付きでシステムの内部エネルギーが蓄えられます。

化学反応の方向に対する温度の影響
DH DS DG 反応方向 DH< 0 DS >0DG< 0

化学反応速度論の概念
化学反応速度論は、化学反応の速度と、反応物の性質と濃度、圧力、圧力などのさまざまな要因への依存性を研究するものです。

化学反応の速度に影響を与える要因。集団行動の法則
化学反応の速度は、次の要因によって影響されます。反応する物質の性質と濃度。温度、溶媒の性質、触媒の存在など。

分子の活性化理論。アレニウス方程式
衝突の数は反応する物質の濃度に比例するため、化学反応の速度は反応する分子の衝突の数に依存します。ただし、すべてがテーブルであるわけではありません

触媒反応の特徴。触媒作用の理論
化学反応の速度は触媒を使用して制御できます。反応に参加し、その速度を変化させ（ほとんどの場合増加させ）、反応の最後に残る物質

可逆的反応と不可逆的反応。化学バランスの兆候
すべての反応は、可逆性と不可逆性の 2 つのグループに分類できます。不可逆反応には、沈殿、解離性の低い物質の形成、またはガスの放出が伴います。リバーシブルレア

化学平衡定数
可逆的な化学反応を考えてみましょう全体像、すべての物質が同じ凝集状態にあります。たとえば、液体: aA + bB D cC + dD、ここで

ギブズ位相則。水の図
化学的相互作用は起こらず、転移のみが観察される不均一平衡系の質的特徴コンポーネント 1 つの集約状態からのシステム

水の位相規則は次の形式になります。
С = 1+ 2 – Ф = 3 – Ф = 1 の場合、С = 2 (システムは二変量です) Ф = 2、その後 С = 1 (システムは単一変量です) Ф = 3、その後 С = 0 (システムは非バリアントです) Ф = 4、その後 C = -1 (

物質の化学的親和性の概念。化学反応の等温線、等圧線、等量線の方程式
「化学的親和性」という用語は、物質が互いに化学的相互作用を起こす能力を指します。 U さまざまな物質それは反応する元素の性質によって異なります

溶媒和物（水和物）の溶解理論
溶液は 2 つ以上の物質からなる均質な系であり、その組成はかなり広い範囲内で変化する可能性があり、許容される溶液です。

溶液の一般的な性質
で 19 年後半何世紀にもわたって、ラウルト、ヴァント・ホフ、アレニウスは、溶液の濃度と圧力を結び付ける非常に重要なパターンを確立しました。飽和蒸気溶液に対する溶媒、温度

液体溶液の種類。溶解性
液体溶液を形成する能力は、さまざまな個々の物質でさまざまな程度に発現されます。物質によっては無制限に溶解できるもの（水とアルコール）もあれば、限られた程度にしか溶解しないものもあります。

弱電解質の性質
水または極性分子からなる他の溶媒に溶解すると、電解質は解離を受けます。多かれ少なかれ、ポジティブとネガティブに分かれます

強電解質の性質
水溶液中でほぼ完全に解離する電解質を強電解質と呼びます。強電解質には、すでに体内に含まれているほとんどの塩が含まれています。

これらの条件下では、コロイド粒子は電荷と水和シェルを獲得し、その沈殿が妨げられます。
コロイド系を製造するための分散方法には、次のものが含まれます。機械的 - 粉砕、粉砕、粉砕など。電気 – 作用下での金属ゾルの生成

コロイド溶液の安定性。凝固。解膠
コロイド溶液の安定性は、この溶液の基本的な特性、つまり粒子サイズの保存（凝集安定性）の恒常性として理解されます。

コロイド分散系の性質
コロイド分散系のすべての特性は、分子動力学的、光学的、界面動力学的という 3 つの主要なグループに分類できます。

分子動力学を考えてみましょう
代謝プロセスの特徴化学反応

交換と酸化還元（Ox-Red）に分けられます。反応によって酸化状態が変化しない場合、そのような反応は交換反応と呼ばれます。それらは可能です
酸化還元反応の特徴

酸化還元反応中、物質の酸化状態が変化します。反応は、同じ反応体積内で起こる反応に分けることができます (たとえば、
電気化学の一般概念。第一種および第二種の導体

電気化学は、電気エネルギーと化学エネルギーの相互変換のパターンを研究する化学の一分野です。
電気化学プロセスは分割できる

電極電位の概念
ガルバニ電池で起こるプロセス、つまり化学エネルギーを電気エネルギーに変換するプロセスを考えてみましょう。

ガルバニ素子は電気化学素子と呼ばれます
ガルバニックダニエルジャコビセル

たとえば、Daniel-Jacobi ガルバニ電池など、2 つの電極がそれぞれのイオンの溶液中にあるシステムを考えてみましょう。それは 2 つの半要素で構成されています: 亜鉛板、浸漬
自発的なプロセス中に、電極の平衡電位が確立されます。電流が流れると電極の電位が変化します。電極電位変化

電解。ファラデーの法則
電気分解は、電極から供給される電流の影響下で電極上で起こるプロセスです。外部ソース電解質を流れる電流。

選出時
金属腐食

腐食とは、環境との物理的および化学的相互作用の結果として生じる金属の破壊です。これは、ギブズエネルギーシステムの減少に伴って起こる自発的なプロセスです。
ポリマーの製造方法

ポリマーは、分子量が数千から数百万の高分子化合物です。高分子分子はこう呼ばれます
ポリマー構造

ポリマー高分子は、直鎖状、分枝状、およびネットワーク状にすることができます。
線状ポリマーは、一次元要素の長い鎖から構築されるポリマーです。

ポリマーの性質
ポリマーの性質は化学的性質と物理的性質に分けられます。どちらの特性も、ポリマーの構造的特徴、その製造方法、およびポリマーに導入されるポリマーの性質に関連しています。

ポリマーの応用
繊維、フィルム、ゴム、ワニス、接着剤、プラスチック、複合材料（コンポジット）はポリマーから製造されます。

繊維は溶液を絞ることによって得られます。
でカチオンを識別するためのいくつかの試薬試薬式カチオン反応生成物アリザリン C14H6O

機器による分析方法

近年

機器を用いた分析方法には、速度、高感度、同時に測定できる機能など、多くの利点があります。 集約状態。液体。熱力学の位相。相転移。講義 1.16 すべての物質は 3 つの凝集状態で存在できます。固体、液体

そして

ガス状の。それらの間の移行には、多くの物理的特性 (密度、熱伝導率など) の急激な変化が伴います。凝集の状態は、物質が置かれている物理的条件によって異なります。物質内に複数の凝集状態が存在するのは、その分子 (原子) の熱運動の違いと、さまざまな条件下での相互作用の違いによるものです。その粒子（分子、原子）は、それらの間の相互作用の位置エネルギーを大幅に超えているため、粒子はほぼ自由に動き、それらが位置する容器を完全に満たし、その形状をとります。気体の状態では、物質はそれ自体の体積も形状も持ちません。圧力と温度を変化させると、どんな物質も気体に変わります。

液体- 物質の凝集状態、固体と気体の中間。粒子の高い移動性と粒子間の自由空間が小さいことが特徴です。これにより、液体はその体積を維持し、容器の形状を保ちます。液体中では、分子は互いに非常に近くに位置しています。したがって、液体の密度は気体の密度よりもはるかに大きくなります（常圧で）。液体の性質は、液晶を除いてどの方向でも同じ（等方性）です。加熱されるか密度が減少すると、液体の特性、熱伝導率、粘度は、通常、気体の特性に向かって変化します。

液体分子の熱運動は、集合的な振動運動と、ある平衡位置から別の平衡位置へ時々発生する分子のジャンプの組み合わせで構成されます。

固体（結晶）体- 形状の安定性と原子の熱運動の性質によって特徴付けられる、物質の凝集状態。この動きは固体を構成する原子（またはイオン）の振動です。振動の振幅は通常、原子間距離に比べて小さいです。

液体の性質。

液体状態の物質の分子はほぼ近くに位置します。分子が結晶の体積全体にわたって規則正しい構造を形成し、固定された中心の周りで熱振動を起こすことができる固体結晶体とは異なり、液体分子はより大きな自由度を持っています。液体の各分子は、固体と同様に、隣接する分子によって四方八方から「挟まれ」、特定の平衡位置の周囲で熱振動を受けます。ただし、場合によっては、分子が近くの空きサイトに移動することがあります。このような液体の飛び込みは非常に頻繁に発生します。したがって、分子は結晶のように特定の中心に結合せず、液体の体積全体にわたって移動できます。これは液体の流動性を説明します。近接して配置された分子間の強い相互作用により、それらは複数の分子を含む局所的な（不安定な）規則的なグループを形成することがあります。この現象はと呼ばれます 近い注文.

分子が高密度に充填されているため、液体の圧縮率、つまり圧力の変化に伴う体積の変化は非常に小さくなります。気体に比べて数万分の1、数十万分の1です。例えば、水の体積を1%変えるには、圧力を約200倍上げる必要があります。大気圧と比較したこの圧力の増加は、深さ約 2 km で達成されます。

液体は固体と同様、温度の変化に応じて体積が変化します。温度範囲がそれほど大きくない場合、体積の相対変化 Δ V / V 0は温度変化Δに比例します T:

係数 β は次のように呼ばれます。 体積膨張の温度係数。液体のこの係数は固体の場合の数十倍です。たとえば、温度 20 °C の水の場合、β ≈ 2 10 –4 K –1、鋼の場合 - β st ≈ 3.6 10 –5 K –1、石英ガラスの場合 - β kV ≈ 9 10 – 6 K – 1.

熱膨張水には、地球上の生命にとって興味深く重要な異常が存在します。 4 °C 未満の温度では、温度が低下するにつれて水は膨張します (β< 0). Максимум плотности ρ в = 10 3 кг/м 3 вода имеет при температуре 4 °С.

水は凍ると膨張するので、凍った水域の表面には氷が浮かんだままになります。氷の下の凍った水の温度は0℃です。貯水池の底のより密度の高い水の層では、温度は約 4 °C です。このおかげで、生命は凍った貯水池の水の中に存在することができます。

ほとんど興味深い機能液体は存在です 自由表面。液体は、気体とは異なり、注がれた容器の全容積を満たすわけではありません。液体と気体（または蒸気）の間には界面が形成され、液体の他の部分と比べて特殊な状態になります。液体の境界層にある分子は、深さの分子とは異なり、同じ液体の他の分子に四方八方囲まれていません。液体内の分子の 1 つに隣接する分子から作用する分子間相互作用の力は、平均して相互に補償されます。境界層内の分子はすべて、液体内部にある分子に引き付けられます (気体 (または蒸気) 分子から特定の液体分子に作用する力は無視できます)。その結果、特定の合力が発生し、液体の奥深くに向けられます。表面分子は、分子間引力によって液体中に引き込まれます。ただし、境界層の分子を含むすべての分子は平衡状態になければなりません。この平衡は、表面層の分子と液体内の最も近い分子との間の距離をわずかに縮めることによって達成されます。分子間の距離が近づくと、反発力が発生します。液体内の分子間の平均距離が r 0 の場合、表面層の分子はやや高密度になるため、追加の予備が存在します。位置エネルギー内部分子と比較して。圧縮率が非常に低いため、より高密度に充填された表面層が存在しても、液体の体積に目立った変化は生じないことに留意する必要があります。分子が表面から液体中に移動すると、分子間相互作用の力がプラスの働きをします。逆に、液体の深さから一定数の分子を表面に引き出す（つまり、液体の表面積を増やす）には、外力ポジティブな仕事をしなければならないあ外部、変化Δに比例 S表面積:

あ外部 = σΔ S.

係数 σ を表面張力係数といいます (σ > 0)。したがって、表面張力係数は、一定温度での液体の表面積を 1 単位増やすのに必要な仕事に等しくなります。

SI では、表面張力係数は 1 あたりのジュール単位で測定されます。 メーター平方 (J/m2) またはメートルあたりのニュートン (1 N/m = 1 J/m2)。

その結果、液体の表層の分子には過剰な分子が存在します。 位置エネルギー。位置エネルギー E液体表面の p はその面積に比例します。 (1.16.1)

力学から、系の平衡状態はその位置エネルギーの最小値に対応することが知られています。したがって、液体の自由表面はその面積を減少させる傾向があるということになります。このため、液体の自由滴は球形になります。液体は、その表面に接線方向に作用する力がこの表面を収縮 (引っ張り) しているかのように動作します。これらの力は次のように呼ばれます 表面張力.

表面張力の存在により、液体の表面は弾性を持った引き伸ばされたフィルムのように見えますが、唯一の違いは、フィルムの弾性力がその表面積 (つまり、フィルムの変形方法) と表面張力に依存することです。力は液体の表面積には依存しません。

表面張力はフィルムの表面を小さくする傾向があります。したがって、次のように書くことができます: (1.16.2)

したがって、表面張力係数 σ は、表面を境界付ける線の単位長さあたりに作用する表面張力の係数として定義できます ( 私- この線の長さ)。

液滴や内部では表面張力の作用により、シャボン玉過圧Δが発生する p。心の中で半径の球状の滴を切り取った場合 R 2 つの半分に分ける場合、長さ 2π の切断境界に適用される表面張力の作用により、それぞれが平衡状態になければなりません。 Rおよび領域 π に作用する過剰な圧力 R 2 つのセクション (図 1.16.1)。平衡状態は次のように書かれます。

液体、固体、気体の境界付近では、液体の自由表面の形状は液体分子と固体分子の間の相互作用の力に依存します (気体 (または蒸気) 分子との相互作用は無視できます)。もしこれらの力がさらなる強さ液体自体の分子間の相互作用、次に液体の分子間の相互作用 濡れる固体の表面。この場合、液体は、特定の液体と固体のペアの特徴である特定の鋭角 θ で固体の表面に近づきます。角度 θ は次のように呼ばれます。 接触角。液体分子間の相互作用力が固体分子との相互作用力を上回ると、接触角θは鈍角になります（図1.16.2(2)）。この場合、彼らは液体だと言います 濡れない固体の表面。それ以外の場合（角度 - 鋭角）液体 濡れる表面（図1.16.2(1)）。で 完全な湿潤θ = 0、で 完全な非湿潤性θ = 180°。

毛細管現象小さな直径の管の中の液体の上昇または下降と呼ばれます - 毛細血管。湿潤液体は毛細管を通って上昇し、非湿潤液体は下降します。

図 1.16.3 は、特定の半径の毛細管を示しています r、下端で密度ρの湿潤液中に下げられます。キャピラリーの上端は開いています。キャピラリー内の液体の上昇は、キャピラリー内の液体の柱に作用する重力の大きさが合力と等しくなるまで続きます。 F n 液体と毛細管の表面との接触境界に沿って作用する表面張力： F t = F n、ここで F t = mg = ρ hπ r 2 g, F n = σ2π r cosθ。

これから次のようになります。

完全に濡れている場合、θ = 0、cos θ = 1。この場合

完全に非濡れの場合、θ = 180°、cos θ = –1、したがって、 h < 0. Уровень несмачивающей жидкости в капилляре опускается ниже уровня жидкости в сосуде, в которую опущен капилляр.

水はきれいなガラス表面をほぼ完全に濡らします。逆に、水銀はガラス表面を完全に濡らすことはありません。したがって、ガラス毛細管内の水銀レベルは容器内のレベルよりも低下します。

すべての物質は 4 つの形態のいずれかで存在できます。それらはそれぞれ、物質の凝集の特定の状態です。地球の自然界では、同時に 3 つで表現されるのは 1 つだけです。これは水です。蒸発、溶解、硬化の両方が容易に確認できます。つまり、蒸気、水、氷です。科学者は物質の集合状態を変える方法を学びました。彼らにとって最大の困難はプラズマだけです。この条件には特別な条件が必要です。

それは何ですか、何に依存しますか、そしてそれはどのように特徴付けられますか?

物体が別の物質状態に移行したとしても、それは何か別のものが現れたという意味ではありません。物質はそのままです。液体に水分子があれば、氷と水蒸気も同じ分子になります。変化するのは、それらの位置、移動速度、相互作用の力だけです。

「集約状態 (グレード 8)」というトピックを学習する場合、そのうちの 3 つだけが考慮されます。これらは液体、気体、固体です。それらの症状は身体的条件によって異なります環境。これらの条件の特徴を表に示します。

集約状態の名前	固体	液体	ガス
その特性	ボリュームのある形状を維持します	一定の体積を持ち、容器の形をとる	一定の体積と形状を持たない
分子配列	結晶格子の節点で	無秩序な	混沌とした
それらの間の距離	分子の大きさに匹敵する	分子の大きさとほぼ同じ	サイズよりも大幅に大きい
分子の動き方	格子ノードの周りで振動する	平衡点からは動かないが、時々大きく飛躍する	不安定で時々衝突する
彼らはどのように相互作用するのでしょうか？	強く惹かれている	お互いに強く惹かれ合っている	引き付けず、衝撃時に反発力が発生する

最初の状態: 固体

他のものとの基本的な違いは、分子の位置が厳密に定義されていることです。凝集の固体状態について話すとき、ほとんどの場合、結晶を意味します。それらの格子構造は対称であり、厳密に周期的です。したがって、体がどれだけ広がっても、それは常に保存されます。物質の分子の振動運動だけでは、この格子を破壊するのに十分ではありません。

しかし、不定形の物体も存在します。原子の配置には厳密な構造がありません。彼らはどこにでもいる可能性があります。しかし、この場所は結晶体と同じくらい安定しています。非晶質物質と結晶質物質の違いは、特定の溶融（凝固）温度を持たず、流動性を特徴とすることです。鮮やかな例ガラスやプラスチックなどの物質。

第二の状態: 液体

この物質の状態は、固体と気体の中間です。したがって、最初と 2 番目のいくつかのプロパティを組み合わせます。したがって、粒子間の距離と相互作用は結晶の場合と同様です。しかし、場所と動きはガスに近いです。したがって、液体はその形状を保持せず、注がれた容器全体に広がります。

第三の状態: ガス

「物理学」と呼ばれる科学にとって、気体という形での凝集状態は最後の場所ではありません。結局のところ、彼女は自分の周りの世界を研究しており、その世界の空気は非常に一般的です。

この状態の特徴は、分子間に相互作用力が実質的に存在しないことです。これは彼らの自由な動きを説明しています。そのため、ガス状物質はそれに供給される全容積を満たす。さらに、必要な量だけ温度を上げるだけで、すべてをこの状態に移行させることができます。

第 4 の状態: プラズマ

この物質の凝集状態は、完全または部分的にイオン化された気体です。これは、その中に含まれるマイナスとプラスに帯電した粒子の数がほぼ同じであることを意味します。この状況はガスが加熱されると発生します。次に、熱イオン化のプロセスが急激に加速します。それは、分子が原子に分割されるという事実にあります。後者はイオンに変わります。

宇宙内では、この状態は非常に一般的です。なぜなら、そこにはすべての星とそれらの間の媒体が含まれているからです。地球の表面の境界内で非常にまれに発生します。電離層と太陽風を除けば、プラズマは雷雨のときにのみ発生します。稲妻の閃光では、大気ガスが物質の第 4 の状態に変化する条件が作成されます。

しかし、これはプラズマが実験室で作成されなかったという意味ではありません。私たちが最初に再現できたのは、ガスの放出でした。プラズマは現在、蛍光灯やネオン広告に使われています。

状態間の移行はどのように行われるのでしょうか?

これを行うには、以下を作成する必要があります特定の条件: 一定の圧力と特定の温度。この場合、物質の集合状態の変化にはエネルギーの放出または吸収が伴う。さらに、この移行は電光石火の速度で起こるのではなく、ある程度の時間がかかります。この間ずっと、条件は変わらないままでなければなりません。この遷移は、熱平衡を維持する 2 つの形態の物質が同時に存在することによって起こります。

物質の最初の 3 つの状態は、相互に変化する可能性があります。直接プロセスと逆プロセスがあります。それらには次の名前があります。

溶融（固体から液体へ）および結晶たとえば、氷が溶けて水が固まる。
気化（液体から気体へ）そして結露例としては、水の蒸発と蒸気からの生成が挙げられます。
昇華（固体から気体へ）そして 昇華解除たとえば、最初の乾燥フレーバーの蒸発、および冷ややかなパターンガラスの上で2番目まで。

融解と結晶化の物理学

固体を加熱すると、と呼ばれる特定の温度になります。融点特定の物質の凝集状態の変化が始まり、これを融解といいます。このプロセスにはエネルギーの吸収が含まれます。熱量そして文字によって指定されます Q。それを計算するには、次のことを知る必要があります 比熱溶融で表されます λ 。そして、式は次の式になります。

Q = λ * mここで、m は融解に関与する物質の質量です。

逆のプロセス、つまり液体の結晶化が発生した場合は、この条件が繰り返されます。唯一の違いは、エネルギーが放出され、式にマイナス記号が表示されることです。

蒸発と凝縮の物理学

物質が加熱され続けると、激しい蒸発が始まる温度に徐々に近づきます。このプロセスは蒸発と呼ばれます。これもエネルギーの吸収を特徴としています。計算するためにのみ知っておく必要があります 気化比熱 r。そして、式は次のようになります。

Q = r * m.

同じ量の熱が放出されると、逆のプロセスまたは凝縮が発生します。したがって、式に再びマイナスが表示されます。

レッスンの目標:

物質の集合状態に関する知識を深め、一般化し、物質がどのような状態で存在できるかを研究します。

レッスンの目標:

教育 – 固体、気体、液体の特性についての概念を定式化します。

発達 – 生徒のスピーチスキルの発達、分析、対象および学習した内容の結論。

教育 – 予防接種精神的な仕事、研究対象への関心を高めるためのすべての条件の作成。

重要な用語:

物理的状態- これは、特定の定性的特性によって特徴付けられる物質の状態です。 - 形状と体積を維持できるかどうか。 - 短距離および長距離秩序の有無。 - 他人によって。

図6. 温度が変化したときの物質の集合状態。

物質が固体状態から液体状態に変化することを融解といい、その逆のプロセスを結晶化といいます。物質が液体から気体に変化するとき、このプロセスは気化と呼ばれ、気体から液体に変化するプロセスは凝縮と呼ばれます。そして、から直接ガスへの移行固体、液体をバイパスする - 昇華、逆のプロセス - 脱昇華。

1.結晶化; 2. 溶ける。 3. 結露。 4. 蒸発;

5.昇華。 6. 昇華解除。

私たちはこうした移行の例を常に目にしています。日常生活。氷が溶けると水になり、その水が蒸発して水蒸気が発生します。逆に見ると、蒸気は凝縮して水に戻り始め、水は凍って氷になります。あらゆる固体の匂いは昇華されます。一部の分子が体から抜け出してガスが発生し、臭いが発生します。逆のプロセスの例としては、空気中の蒸気が凍ってガラス上に沈着する冬場のガラスの模様があります。

物質の凝集状態の変化を動画でご覧いただけます。

コントロールブロック。

1.凍った後、水は氷になりました。水の分子が変化したのでしょうか？

2.医療用イーサは屋内で使用されます。そのため、そこにはいつも彼の匂いが強く漂っています。エーテルはどのような状態にあるのでしょうか?

3.液体の形はどうなるの？

4.氷。これはどのような状態の水なのでしょうか？

5.水が凍るとどうなりますか?

宿題。

質問に答える：

1. 容器の容積の半分をガスで満たすことは可能ですか? なぜ？

2.窒素と酸素は室温で液体の状態で存在できますか?

3.鉄と水銀は室温で気体状態で存在できますか?

4. 凍りつくような冬の日、川の上に霧が発生しました。これはどのような状態ですか?

私たちは物質には 3 つの集合状態があると考えています。実際、それらは少なくとも 15 個あり、これらの症状のリストは日々増え続けています。これらは、非晶質固体、固体、中性子、クオーク・グルーオン・プラズマ、強い対称性物質、弱い対称性物質、フェルミオン凝縮体、ボース・アインシュタイン凝縮体、ストレンジ物質です。

日常の実践では、私たちは個々の原子、分子、イオンを個別に扱うのではなく、実際の物質、つまり全体を扱わなければなりません。大量粒子。相互作用の性質に応じて、固体、液体、気体、プラズマの 4 種類の凝集状態が区別されます。物質は、適切な相転移の結果として、ある凝集状態から別の状態に変化することがあります。

物質が何らかの凝集状態にあるかどうかは、粒子間に作用する力、粒子間の距離、および粒子の動きの特徴によって決まります。集約の各状態は、一連の特定のプロパティによって特徴付けられます。

凝集状態に応じた物質の性質:

州	財産
*ガス状の*	体積全体を占め、容器の形をとる能力。圧縮性; 分子の無秩序な運動の結果としての急速な拡散。ポテンシャルを超える粒子の運動エネルギーの大幅な超過、E kinetic。
*> E電位*	液体物質が占める容器の部分の形状をとる能力。容器全体が満たされるまで拡張できない。圧縮率が低い。拡散が遅い。流動性。
*粒子の位置エネルギーと運動エネルギーの可算性、E kinetic。 ≈ E電位*	難しい保存する能力自分の形そしてボリューム。非常に低い圧縮率（高圧下）粒子の振動運動により非常に遅い拡散。離職率はありません。<Е потенц.

システム内の秩序の程度に従って、凝集の各状態は、粒子の運動エネルギーと位置エネルギーの間の独自の関係によって特徴付けられます。固体では、粒子は特定の位置を占め、その周囲でのみ振動するため、ポテンシャルが運動力よりも優先されます。気体の場合、気体分子は常に無秩序に運動し、それらの間に凝集力がほとんどないため、気体は体積全体を占めます。そのため、位置エネルギーと運動エネルギーの間には逆の関係があります。液体の場合、粒子の運動エネルギーと位置エネルギーはほぼ同じであり、粒子間には非剛的な接続が存在するため、液体は流動性と一定の体積によって特徴付けられます。

物質の粒子が規則的な幾何学的構造を形成し、粒子間の結合エネルギーが熱振動のエネルギーよりも大きく、既存の構造が破壊されない場合、その物質は固体状態にあることを意味します。しかし、ある温度からは、熱振動のエネルギーが粒子間の結合のエネルギーを超えます。この場合、粒子は接触したままですが、互いに相対的に移動します。その結果、幾何学的構造が破壊され、物質は液体状態になります。熱振動が大きくなりすぎて粒子間の結合が実質的に失われると、物質は気体状態になります。「理想的な」気体では、粒子はあらゆる方向に自由に動きます。

温度が上昇すると、物質は秩序のある状態（固体）から無秩序な状態（気体）に移行します。液体の状態は粒子の中間状態になります。

凝集の 4 番目の状態はプラズマと呼ばれ、中性の粒子とイオン化した粒子と電子の混合物からなるガスです。プラズマは、運動の乱れが最大となる粒子の大きな衝突エネルギーにより、超高温 (10 5 ～ 10 7 ℃) で形成されます。他の物質の状態と同様、プラズマの必須の特徴は電気的中性です。しかし、プラズマ中の粒子の無秩序な動きの結果として、個々の帯電したマイクロゾーンが出現する可能性があり、それが電磁放射線の発生源となります。プラズマ状態では、物質は星や他の宇宙物体上に存在するだけでなく、熱核反応中にも存在します。

それぞれの凝集状態は、まず温度と圧力の範囲によって決まります。したがって、視覚的な定量的特性には、凝集状態の圧力と温度への依存性を示す物質の状態図が使用されます。

相転移曲線を持つ物質の状態図: 1 - 溶融 - 結晶化、2 - 沸騰 - 凝縮、3 - 昇華 - 脱昇華

状態図は、結晶、液体、気体の状態に対応する 3 つの主要な領域で構成されます。個々の領域は、相転移を反映する曲線で区切られています。

固体状態から液体へ、またその逆に液体から固体へ (融解-結晶化曲線 - 緑色の点線のグラフ)
液体から気体への変換、および気体から液体への逆変換 (沸騰-凝縮曲線 - 青いグラフ)
固体から気体へ、および気体から固体へ(昇華-脱昇華曲線 - 赤いグラフ)。

これらの曲線の交差座標は三重点と呼ばれます。三重点では、特定の圧力 P = P in および特定の温度 T = T in の条件下で、物質は 3 つの凝集状態で同時に存在できます。固体状態は同じ蒸気圧を持っています。座標 P in と T in は、3 つの相すべてが同時に共存できる圧力と温度の唯一の値です。

状態の状態図上の点 K は、温度 Tk に対応します。温度は、粒子の運動エネルギーが相互作用のエネルギーを超え、したがって液相と気相の間の分離線が消えるいわゆる臨界温度です。物質はどんな圧力でも気体状態で存在します。

状態図の分析から、三重点 (P in) よりも高い高圧では、固体物質の加熱はその融解で終了します。たとえば、P 1 では融解が点で起こります。 d。温度が Td から Te にさらに上昇すると、所定の圧力 P1 で物質が沸騰します。三重点 P in の圧力よりも低い圧力 P 2 で物質を加熱すると、結晶状態から気体状態 (点) への直接の転移が起こります。 q）、つまり昇華します。ほとんどの物質では、三重点の圧力は飽和蒸気圧 (P in

Pは飽和水蒸気なので、このような物質の結晶を加熱すると溶けずに蒸発、つまり昇華します。たとえば、ヨウ素の結晶または「ドライアイス」（固体 CO 2）はこのように動作します。

物質の状態図の解析

気体の状態

通常の条件 (273 K、101325 Pa) では、分子が 1 つ (He、Ne、Ar) または複数の単純な原子 (H 2、N 2、O 2) で構成される単純な物質と、複雑な物質の両方が気体状態で存在する可能性があります。低分子量の状態物質 (CH 4、HCl、C 2 H 6)。

気体粒子の運動エネルギーは位置エネルギーを上回るため、気体状態の分子はランダムに動き続けます。粒子間の距離が長いため、気体中の分子間相互作用の力は非常に小さく、粒子を互いに引きつけて保持するには十分ではありません。このため、気体は独自の形状を持たず、密度が低く、圧縮および膨張する能力が高いという特徴があります。したがって、ガスは常に、それが配置されている容器の壁を全方向に均等に押します。

気体の最も重要なパラメーター (圧力 P、温度 T、物質の量 n、モル質量 M、質量 m) 間の関係を研究するには、物質の気体状態の最も単純なモデルが使用されます。 理想気体、これは次の仮定に基づいています。

ガス粒子間の相互作用は無視できます。
粒子自体は、独自のサイズを持たない物質点です。

理想気体モデルを記述する最も一般的な方程式は、次の方程式であると考えられます。 メンデレーエフ＝クラペイロン物質1モルの場合:

ただし、実際の気体の挙動は、原則として理想気体の挙動とは異なります。これは、まず、実際のガスの分子間にはまだわずかな相互引力が存在し、ガスをある程度まで圧縮するという事実によって説明されます。これを考慮すると、総ガス圧力は次の量だけ増加します。 ある/V2これは、分子の相互引力によって生じる追加の内圧を考慮しています。その結果、全ガス圧力は次の和で表されます。 P+ あ/V2。第二に、実際の気体の分子は、小さいとはいえ、明確に定義された体積を持っています。 b したがって、空間内のすべてのガスの実際の体積は次のようになります。 V— b 。考慮した値をメンデレーエフ-クラペイロン方程式に代入すると、と呼ばれる実在気体の状態方程式が得られます。 ファンデルワールス方程式:

どこあそして b — 実際のガスごとに実際に決定される経験的係数。係数が確立されています。ある液化しやすいガス (CO 2 、NH 3 など) では値が大きくなり、係数は b - 逆に、大きさが大きいほど、ガス分子 (ガス状炭化水素など) は大きくなります。

ファンデルワールス方程式は、メンデレーエフ-クラペイロン方程式よりも実際の気体の挙動をはるかに正確に記述しますが、それにもかかわらず、その明確な物理的意味により、実際の計算で広く使用されています。気体の理想状態は限定された想像上のケースですが、それに対応する法則は単純であり、低圧および高温の条件下で多くの気体の特性を記述するためにそれらを適用できる可能性があるため、理想気体モデルは非常に優れたものになります。便利。

物質の液体状態

特定の物質の液体状態は、その物質の性質 (組成) に特徴的な特定の温度および圧力範囲では熱力学的に安定しています。液体状態の上限温度は沸点であり、この温度を超えると物質は安定した圧力条件下で気体状態になります。液体の安定な存在状態の下限は結晶化（固化）温度です。 101.3 kPa の圧力で測定された沸騰温度と結晶化温度は標準温度と呼ばれます。

通常の液体は等方性、つまり物質内のあらゆる方向における物理的特性の均一性によって特徴付けられます。等方性については、不変性、方向の選択に関する対称性などの他の用語が使用されることもあります。

液体状態の性質に関する見解を形成する際には、メンデレーエフ (1860) によって発見された臨界状態の考え方が重要です。

臨界状態とは、液体とその飽和蒸気が同じ物理的性質を獲得するため、液体とその蒸気の間の分離限界がなくなる平衡状態です。

臨界状態では、液体とその飽和蒸気の密度と比容積の両方の値が同じになります。

物質の液体状態は、気体と固体の中間の状態です。一部の特性は液体状態を固体状態に近づけます。固体が原子間半径または分子間半径が数十万に及ぶ距離にわたって広がる粒子の厳密な秩序によって特徴付けられる場合、液体状態では、原則として、秩序立った粒子は数十個しか観察されません。これは、液体物質の異なる場所にある粒子間の秩序が急速に生じ、同様に急速に粒子の熱振動によって再び「侵食」されるという事実によって説明されます。同時に、粒子の「充填」全体の密度は固体の密度とほとんど変わらないため、液体の密度はほとんどの固体の密度とそれほど変わりません。さらに、液体の圧縮能力は固体の圧縮能力とほぼ同じくらい低いです (気体の圧縮能力の約 20,000 分の 1)。

構造分析により、液体がいわゆる 近い注文これは、各分子の最も近い「隣接分子」の数とその相対的な位置が、ボリューム全体を通じてほぼ同じであることを意味します。

分子間相互作用力によって結合された、異なる組成の比較的少数の粒子を、 クラスタ 。液体中のすべての粒子が同一である場合、そのようなクラスターは次のように呼ばれます。仲間。短距離秩序が観察されるのはクラスターと連合体です。

さまざまな液体の秩序度は温度に依存します。融点よりわずかに高い低温では、粒子の配列の秩序度は非常に高くなります。温度が上昇すると温度は低下し、加熱すると液体の特性は気体の特性に似てきます。臨界温度に達すると、液体と気体の状態の違いがなくなります。

液体状態が固体状態に近いことは、標準蒸発エンタルピー DН 0 蒸発および融解 DН 0 融解の値によって確認されます。 DH 0 蒸発の値は、101.3 kPa で 1 モルの液体を蒸気に変換するのに必要な熱量を示していることを思い出してください。同じ条件下で 1 モルの水蒸気が液体に凝縮するのに同じ量の熱が費やされます (つまり、DH 0 の蒸発 = DH 0 の凝縮)。 101.3 kPa で 1 モルの固体を液体に変換するのに消費される熱量は次のように呼ばれます。 標準融解エンタルピー; 常圧条件下で 1 モルの液体が結晶化する際に同じ量の熱が放出されます (DH 0 融解 = DH 0 結晶化)。 DH 0 が蒸発することが知られています。<< DН 0 плавления, поскольку переход из твердого состояния в жидкое сопровождается меньшим нарушением межмолекулярного притяжения, чем переход из жидкого в газообразное состояние.

ただし、液体の他の重要な特性は気体の特性によりよく似ています。したがって、気体と同様に、液体も流れることができます。この性質は次のように呼ばれます。 流動性 。彼らは流れに抵抗することができます、つまり、彼らは生得的な性質を持っています粘度。これらの特性は、分子間の引力、液体物質の分子量、その他の要因の影響を受けます。液体の粘度は気体の粘度の約 100 倍です。気体と同様に、液体も拡散できますが、液体粒子は気体粒子よりも密に詰まっているため、拡散がはるかに遅くなります。

気体にも固体にも特徴のない、液体状態の最も興味深い特性の 1 つは次のとおりです。 表面張力 .

液体の表面張力線図

液体ボリューム内にある分子は、あらゆる側面から分子間力によって均一に作用されます。しかし、液体の表面ではこれらの力のバランスが崩れ、その結果、表面分子は液体の内部に向かう何らかの合力の影響下に置かれます。このため、液体の表面は張った状態になります。表面張力は、液体粒子を内部に保持し、それによって液体の表面が収縮するのを防ぐ最小の力です。

固体の構造と性質

天然物でも人工物でも、ほとんどの既知の物質は通常の状態では固体状態です。現在知られているすべての化合物のうち、約 95% が固体であり、構造材料だけでなく機能材料の基礎となるため重要になっています。

建設資材は、工具、家庭用品、その他のさまざまな構造物の製造に使用される固体物質またはその組成物です。
機能性材料は固体物質であり、その用途はその中に特定の有益な特性が存在するかどうかによって決まります。

例えば、鉄、アルミニウム、コンクリート、セラミックスなどは構造材料に属し、半導体や蛍光体は機能材料に属します。

固体状態では、物質の粒子間の距離は小さく、粒子自体と同じオーダーの大きさです。それらの間の相互作用エネルギーは非常に高いため、粒子の自由な動きは妨げられます。粒子は、特定の平衡位置の周囲、たとえば結晶格子の節の周囲でのみ振動することができます。粒子が自由に移動できないことは、固体の最も特徴的な特徴の 1 つである、独自の形状と体積の存在につながります。固体の圧縮率は非常に低く、密度は高く、温度変化にほとんど依存しません。固体物質内で起こるすべてのプロセスはゆっくりと起こります。固体の化学量論の法則は、気体や液体の物質とは異なり、一般に広い意味を持ちます。

固体の詳細な説明はこの資料には膨大すぎるため、別の記事で説明します。