Агрегатний стан
Існують певні стандарти, які вказують на наявність трьох типових агрегатних станів, а саме: тверда речовина, рідина та газ. Визначимо складові для кожного агрегатного стану.Тому в даному випадку найбільш актуальне питання, як розташовані діючі частинки в твердих тілах. У всіх інших випадках атоми (молекули) не мають настільки впорядкованої структури.
Особливості рідини
Необхідно звернути особливу увагу на те, що рідини є своєрідним проміжним ланкою між твердими станом тіла і його газоподібною фазою. Так, при зниженні температури рідина твердне, а при підвищенні її вище, ніж точка кипіння даної речовини, переходить у газоподібний стан. Однак рідина має спільні риси і з твердими, і з газоподібними речовинами. Так, у 1860 році видатний вітчизняний вчений Д. І. Менделєєв установив існування так званої критичної температури – абсолютного кипіння. Це таке значення, при якому зникає тонка межа між газом і речовиною в твердому стані.Наступний критерій, що об'єднує два сусідніх агрегатних стани, – ізотропності. В цьому випадку їх властивості однакові по всіх напрямах. Кристали, в свою чергу, анізотропні. Подібно газів, рідини не мають фіксованої форми і займають повністю об'єм посудини, в якому знаходяться. Тобто вони володіють низькою в'язкістю і високою плинністю. Стикаючись між собою, мікрочастинки рідини або газу здійснюють вільні переміщення. Раніше вважалося, що в обсязі, займаному рідиною, упорядкованого руху молекул немає. Таким чином, рідина і газ протиставлялися кристалам. Але в результаті подальших досліджень було доведено подібність між твердими і рідкими тілами. В рідкій фазі при температурі, близькій до затвердіння, тепловий рух нагадує рух в твердих тілах. У цьому випадку рідина все ж може мати певну структуру. Тому, даючи відповідь на таке питання, як розташовані частинки в твердих тілах в рідинах і газах, можна сказати, що в останніх хаотичний рух молекул, невпорядковане. а ось в твердих речовинах молекули займають в більшості випадків певний, фіксований положення.
Рідина при цьому є своєрідним проміжним ланкою. Причому чим ближче її температура до кипіння, тим більше молекули рухаються як в газах. Якщо ж температура ближче до переходу в тверду фазу, то мікрочастинки починають рухатися все більш і більш впорядковано.
Зміна стану речовин
Розглянемо на найпростішому прикладі зміна стану води. Лід – це тверда фаза води. Температура його - нижче нуля. При температурі, рівній нулю, лід починає танути і перетворюється у воду. Це пояснюється руйнуванням кристалічної решітки: при нагріванні частинки починають рухатися. Температура, при якій речовина змінює агрегатний стан, називається точкою плавлення (в нашому випадку у води вона дорівнює 0). Зауважимо, що температура льоду буде залишатися на одному рівні до повного його плавлення. При цьому атоми або молекули рідини будуть рухатися так само, як в твердих тілах. Після цього продовжимо нагрівати воду. Частинки при цьому починають рухатися інтенсивніше до тих пір, поки наше речовина не досягне наступної точки зміни агрегатного стану – точки кипіння. Такий момент настає при розриві зв'язків між утворюючими її молекулами за рахунок прискорення руху - тоді воно набуває вільний характер, і розглянута рідина переходить в газоподібну фазу. Процес трансформації речовини (води) з рідкої фази в газоподібну кипінням називається. Температуру, при якій вода закипає, називають точкою кипіння. У нашому випадку це значення дорівнює 100 градусів за Цельсієм (температура залежна від тиску, нормальний тиск становить одну атмосферу). Зауважимо: поки існуюча рідина цілком і повністю не перетвориться у пару, температура залишається постійної. Можливий і зворотний процес переходу води з газоподібного стану (пара) у рідину, що називається конденсація. Далі можна спостерігати процес замерзання - процес переходу рідини (води) у тверду форму (початковий стан описане вище – це лід). Описані вище процеси дозволяють отримати пряму відповідь на те, як розташовані частинки в твердих тілах, рідинах і газах. Розташування і стан молекул речовини залежить від його агрегатного стану.
Що таке тверде тіло? В ньому ведуть себе мікрочастинки?
Тверде тіло – це стан матеріальної середовища, відмітна особливість якого полягає в збереженні постійної форми і постійний характер теплового руху мікрочастинок, які здійснюють незначні коливання. Тіла можуть перебувати в твердому, рідкому і газоподібному стані. Є ще й четвертий стан, який сучасні вчені схильні відносити до числа агрегатних - це так звана плазма. Отже, в першому випадку будь-яка речовина, як правило, має постійну незмінну форму, і на це має ключове вплив на те, як розташовані частинки в твердих тілах. На мікроскопічному рівні видно, що атоми, з яких складається тверде тіло, з'єднані один з одним хімічними зв'язками і знаходяться у вузлах кристалічної решітки. Але є і виключення — аморфні речовини, які знаходяться в твердому стані, але наявністю кристалічної решітки не можуть похвалитися. Саме відштовхуючись від цього і можна дати відповідь на те, як розташовані частинки в твердих тілах. Фізика в першому випадку вказує на те, що атоми або молекули знаходяться у вузлах решітки. А ось у другому випадку такої впорядкованості вже точно немає, і таке речовина більш схоже на рідину.Фізика і можливе будова твердого тіла
У цьому випадку речовина прагне зберегти свій об'єм і, звичайно ж, форму. Тобто для того, щоб змінити останню, необхідно докласти зусилля, і не має значення, металевий це предмет, шматок пластику або пластилін. Причина полягає в його молекулярну будову. А якщо точніше висловитися, у взаємодію молекул, з яких складається тіло. Вони в даному разі розташовані найближче. Таке розташування молекул носить повторюваний характер. Саме тому сили взаємного притягання між кожним з таких компонентів дуже великі. Взаємодію мікрочастинок пояснює характер їх руху. Форму або об'єм такого твердого тіла скорегувати в ту або іншу сторону дуже важко. Частинки твердого тіла нездатні хаотично рухатися по всьому об'єму твердого тіла, а можуть лише коливатися біля певної точки простору. Молекули твердого тіла хаотично коливаються у різні сторони, але натикаються на собі подібні, які повертають їх у початковий стан. Саме тому частинки в твердих тілах розташовуються, як правило, у суворо визначеному порядку.
Частинки і їх розташування в твердому тілі
Тверді тіла можуть бути трьох видів: кристалічні, аморфні і композити. Саме хімічний склад впливає на розташування частинок в твердих тілах. Кристалічні тверді тіла володіють впорядкованою структурою. Їх молекули або атоми утворюють просторову кристалічну решітку правильної форми. Таким чином, тверде тіло, що знаходиться в кристалічному стані, має певну кристалічну решітку, яка, в свою чергу, ставить певні фізичні властивості. Це і є відповідь на те, як розташовані частинки в твердому тілі. Наведемо приклад: багато років тому в Петербурзі на складі зберігався запас білих блискучих олов'яних ґудзиків, які при зниженні температури втратили свій блиск і з білих стали сірими. Гудзики розсипалися в сірий порошок. «Олов'яна чума» - так назвали цю «хворобу», але насправді це була перебудова структури кристалів під впливом низької температури. Олово при переході з білої різновиди в сіру розсипається в порошок. Кристали, в свою чергу, поділяються на моно - і полікристали.
Монокристали і полікристали
Монокристали (кухонна сіль) – це поодинокі однорідні кристали, представлені безперервної кристалічною решіткою у формі правильних багатокутників. Полікристали (пісок, цукор, метали, каміння) – це кристалічні тіла, які зрослися з дрібних, хаотично розташованих кристалів. У кристалах спостерігається таке явище, як анізотропія.Аморфність: особливий випадок
Аморфні тіла (смола, каніфоль, скло, бурштин) не мають чіткого строгого порядку у розташуванні частинок. Це нестандартний випадок того, в якому порядку знаходяться частинки в твердих тілах. В даному випадку спостерігається явище ізотропія, фізичні властивості аморфних тіл однакові по всіх напрямах. При високих температурах вони стають подібні в'язких рідин, а при низьких - схожі на тверді тіла. При зовнішньому впливі одночасно виявляють пружні властивості, тобто при ударі розколюються на мініатюрні частинки, як тверді тіла, і плинність: при тривалому температурному впливі починають текти, як рідина. Не мають певних температур плавлення та кристалізації. При нагріванні аморфні тіла розм'якшуються.Приклади аморфних речовин
Візьмемо, наприклад, звичайний цукор і з'ясуємо розташування частинок в твердих тілах в різних випадках на його прикладі. У цьому випадку один і той же матеріал може зустрічатися в кристалічному або аморфному вигляді. Якщо розплавлений цукор застигає повільно, молекули утворюють рівні ряди – кристали (кусковий цукор або цукровий пісок). Якщо розплавлений цукор, наприклад, вилити в холодну воду, остигання відбудеться дуже швидко, і частинки не встигнуть сформувати правильні ряди - розплав затвердіє, не утворюючи кристалів. Так виходить цукровий льодяник (це і є некристаллический цукор). Але через деякий час така речовина може перекристаллизоваться, частки збираються в правильні ряди. Якщо цукровий льодяник полежить кілька місяців, він почне покриватися пухким шаром. Так з'являються на поверхні кристали. Для цукру строком буде кілька місяців, а для каменю – мільйони років. Унікальним прикладом може служити вуглець. Графіт – це кристалічний вуглець, його структура шарувата. А алмаз – це найтвердіший на землі мінерал, здатний різати скло і розпилювати камені, його застосовують для буріння та полірування. У цьому випадку речовина одне – вуглець, але особливість полягає в здатності утворювати різні кристаллические форми. Це ще один варіант відповіді на те, як розташовані частинки в твердому тілі.