Агрегатные состояния вещества
Разбираем, чем твёрдое, жидкое и газообразное состояния отличаются на уровне молекул: как они расположены, как двигаются и как взаимодействуют. Отдельно смотрим, чем кристалл отличается от аморфного тела.
аудио-обзор «Агрегатные состояния вещества»04:59- Одни молекулы — три состояния
- Газ, жидкость, твёрдое тело: что делают молекулы
- Кристаллы и аморфные тела
Молекулы воды в чайнике, в кубике льда и в паре над носиком — одни и те же. Почему же вода льётся и принимает форму стакана, лёд лежит и держит форму, а пар заполняет всю кухню?
Объяснить различия в строении газов, жидкостей и твёрдых тел, опираясь на положения МКТ
Определить по форме и объёму тела, в каком оно агрегатном состоянии, и объяснить это движением молекул
Отличать кристаллическое тело от аморфного по расположению частиц
Одни молекулы — три состояния
Начнём с главного: молекулы вещества не меняются. Молекула воды во льду, в жидкой воде и в паре одна и та же. Меняется другое — как молекулы расположены, как они двигаются и как друг с другом взаимодействуют (притягиваются и отталкиваются). Вот от этого и зависят макроскопические свойства: течёт вещество или нет, держит форму или нет.
Состояния одного и того же вещества (твёрдое, жидкое, газообразное), определяемые особенностями расположения, взаимодействия и движения его молекул при данных внешних условиях.
Слова «при данных внешних условиях» важны: одно и то же вещество в зависимости от условий может оказаться в любом из трёх состояний.
Как молекулы «держатся» друг за друга. Между молекулами действуют сразу две силы: притяжение и отталкивание. Если молекулы далеко, они почти не чувствуют друг друга. Если сблизить их слишком сильно, они начинают отталкиваться. Между этими крайностями есть «золотая середина».
Расстояние между центрами взаимодействующих молекул, на котором сила притяжения между ними уравновешивает силу отталкивания.
Модель с тележками поможет это почувствовать. Магниты между ними моделируют притяжение, а пружины — отталкивание при слишком сильном сближении. Есть положение, в котором притяжение и отталкивание уравновешиваются, — это и есть равновесное расстояние. Тележки могут смещаться около него туда-сюда, и молекулы делают то же самое. Оговорка: у настоящих молекул нет магнитов и пружин, это только качественная модель двух сил взаимодействия.
Молекулы воды во льду и в водяном паре — одинаковые или разные?
показать
Молекулы воды во льду и в водяном паре — одинаковые или разные?
Одинаковые. Молекулы вещества не меняются, различаются только расстояния между ними, характер их движения и взаимодействия.
Чем объясняется тот факт, что одно и то же вещество (например, вода) может существовать в виде льда, жидкости и пара?
Газ, жидкость, твёрдое тело: что делают молекулы
Представим три сценки. Газ — люди на огромной площади: каждый идёт куда хочет, друг друга почти не замечают. Жидкость — плотная толпа в вагоне метро: все вплотную, но при этом переминаются и перетекают с места на место. Твёрдое тело — зрители в кинозале: у каждого своё кресло, и он лишь ёрзает на месте.
Аналогия. Газ — площадь, где каждый сам по себе; жидкость — вагон метро, где все рядом, но можно перетекать; твёрдое тело — кинозал, где каждый сидит на своём месте. Оговорка: молекулы не «выбирают» путь, их движение хаотично, а не осознанное.
Как запомнить. Проверь себя двумя вопросами: «держит форму?» и «держит объём?». Газ — ни то ни другое, жидкость — только объём, твёрдое тело — и то и другое.
Состояние вещества, в котором среднее расстояние между молекулами значительно больше их размеров, силы взаимодействия между ними пренебрежимо малы; вещество не сохраняет ни форму, ни объём и занимает весь предоставленный ему объём.
Состояние вещества, в котором молекулы находятся близко друг к другу и сохраняют объём, но не фиксированы в пространстве (совершают колебания около временных положений равновесия и скачком меняют их), вследствие чего жидкость текуча и принимает форму сосуда.
Состояние вещества, в котором частицы (молекулы или атомы) находятся на расстояниях, близких к их размерам, и совершают малые колебания около фиксированных положений равновесия, за счёт чего тело сохраняет собственную форму и объём.
Почему так. В газе молекулы далеко, взаимодействие мало — ничто не удерживает их вместе, они свободно разлетаются и занимают весь сосуд. В жидкости молекулы близко, поэтому объём сохраняется; но они время от времени скачком перебираются в новые положения равновесия — отсюда текучесть. В твёрдом теле частицы колеблются около фиксированных мест и не перескакивают — поэтому сохраняются и форма, и объём.
| Признак | Газ | Жидкость | Твёрдое тело |
|---|---|---|---|
Расстояние между молекулами | Намного больше размеров молекул | Малое, молекулы рядом | Близко к размерам частиц |
Взаимодействие | Пренебрежимо мало | Заметное | Заметное |
Движение молекул | Свободно разлетаются | Колебания и скачки в новые положения | Малые колебания около фиксированных мест |
Форма | Не сохраняет | Принимает форму сосуда | Сохраняет |
Объём | Не сохраняет | Сохраняет | Сохраняет |
Почему жидкость принимает форму сосуда, а объём сохраняет?
показать
Почему жидкость принимает форму сосуда, а объём сохраняет?
Молекулы расположены близко друг к другу — объём сохраняется. Но они не закреплены на местах и скачком меняют положения равновесия — поэтому жидкость текуча и принимает форму сосуда.
В твёрдом теле молекулы неподвижны.
Они совершают малые колебания около фиксированных положений равновесия — просто не перескакивают на другие места.
Какое из перечисленных свойств характерно для веществ в жидком агрегатном состоянии?
Кристаллы и аморфные тела
Твёрдые тела бывают разные. Соль и сахар из пачки состоят из мелких блестящих кристалликов, а оконное стекло или смола — нет. Различие опять в расположении частиц: в одних телах частицы выстроены как по линейке, в других — как попало.
Твёрдое состояние вещества, в котором молекулы и атомы расположены в строго определённом порядке, образующем повторяющуюся пространственную структуру — кристаллическую решётку.
Места устойчивого равновесного расположения атомов или молекул в кристаллической решётке.
Представь клетчатую сетку из шариков: каждый шарик — в своём узле, и порядок повторяется по всей сетке. Частицы колеблются около узлов, как тележки около своего равновесного положения.
Твёрдое состояние вещества, характеризующееся отсутствием кристаллической решётки и дальнего порядка в расположении частиц (порядок наблюдается только в пределах ближнего окружения атома); обладает свойствами высокой вязкости и медленной текучести.
Аналогия. Кристалл — строй солдат на плацу: где ни посмотри, ряды одинаковые. Аморфное тело — толпа, которую «заморозили» на месте: рядом с каждым человеком соседи стоят более-менее аккуратно, а в целом порядка нет. Оговорка: аморфное тело — всё же твёрдое, частицы не разбежались.
Как запомнить. Правило самопроверки: если порядок повторяется далеко (по всей решётке) — кристалл; если порядок только рядом с атомом — аморфное тело.
| Признак | Кристаллическое | Аморфное |
|---|---|---|
Решётка | Есть, повторяется по всему телу | Нет |
Порядок частиц | Дальний, строгий | Только ближний, вокруг атома |
Текучесть | Нет, форма сохраняется | Медленная, высокая вязкость |
Что такое узлы кристаллической решётки?
показать
Что такое узлы кристаллической решётки?
Места устойчивого равновесного расположения атомов или молекул в кристаллической решётке; частицы колеблются около этих мест.
Опыт: вырастить кристалл соли или сахара
Программа предлагает вырастить кристаллы поваренной соли или сахара. Общая идея: растворить вещество в тёплой воде, налить раствор в ёмкость и оставить, чтобы вода медленно испарялась; на нитке или на дне частицы выстраиваются в решётку и вырастают кристаллы. Подробные пропорции и сроки бери из описания опыта в учебнике или от учителя — в этом материале точных данных нет.
Что представляют собой «узлы кристаллической решётки»?
Молекулы воды везде одинаковые, различается их расположение и движение. В паре они далеко друг от друга и почти не взаимодействуют — поэтому пар разлетается и заполняет всю кухню. В жидкой воде молекулы рядом, объём сохраняется, но они скачком меняют положения равновесия — вода течёт и принимает форму стакана. Во льду частицы колеблются около фиксированных узлов решётки и не перескакивают — лёд держит и форму, и объём.
Одно вещество может быть твёрдым, жидким или газообразным; молекулы при этом одни и те же
Различия определяются расстоянием между молекулами, их тепловым движением и взаимодействием
Газ не сохраняет ни форму, ни объём; жидкость сохраняет объём и текуча; твёрдое тело сохраняет и форму, и объём
Кристалл — дальний порядок и решётка; аморфное тело — только ближний порядок и медленная текучесть
твёрдое, жидкое, газообразное состояния одного и того же вещества
твёрдое состояние с кристаллической решёткой
твёрдое состояние без решётки и дальнего порядка
места устойчивого равновесного расположения атомов или молекул
расстояние, на котором притяжение уравновешивает отталкивание
- Газ
ни форму, ни объём не сохраняет
- Жидкость
сохраняет объём, принимает форму сосуда
- Твёрдое тело
сохраняет форму и объём
- Равновесное расстояние
притяжение уравновешивает отталкивание
| Признак | Газ | Жидкость | Твёрдое тело |
|---|---|---|---|
Расстояние между молекулами | Намного больше размеров | Малое | Близко к размерам частиц |
Движение молекул | Свободно разлетаются | Скачки между положениями | Колебания около узлов |
Форма | Нет | По сосуду | Своя |
Объём | Нет | Сохраняется | Сохраняется |
| Признак | Кристалл | Аморфное тело |
|---|---|---|
Решётка | Есть | Нет |
Порядок | Дальний | Только ближний |
Текучесть | Нет | Медленная |
Аморфные тела текут — только очень медленно: у них высокая вязкость и медленная текучесть.
Молекулы одного вещества одинаковы во всех состояниях: лёд, вода и пар состоят из одних и тех же молекул.
Какими свойствами относительно формы и объёма обладают жидкости?
Жидкости сохраняют объём, но не сохраняют форму.
Так это спрашивают на экзамене
демоверсии ФИПИВ гейзерную трубку из бокового протока поступила порция пара. Часть воды вылилась, и над паром остался столб воды высотой 10 м. Вода на этой глубине находится при температуре 125 °С. Атмосферное давление Па. Закипит или нет поднятая паром вода? Ответ поясните.
Если выстрелить из мелкокалиберной пневматической винтовки в варёное яйцо, то в яйце образуется отверстие.
Если выстрелить из мелкокалиберной пневматической винтовки в варёное яйцо, то в яйце образуется отверстие. Что произойдёт, если выстрелить в сырое яйцо? Ответ поясните.
Одно и то же вещество (например, вода) может находиться в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. Чем обусловлено существование этих различных агрегатных состояний?
Инфографика
Слайды
Конспектвесь параграф сжатым текстом — для повторения перед контрольнойпоказать целикомсвернуть
Агрегатные состояния вещества: Учебное пособие
Данное пособие систематизирует знания о физических свойствах вещества в различных агрегатных состояниях, а также объясняет эти свойства с точки зрения молекулярно-кинетической теории (МКТ).
1. Основные характеристики агрегатных состояний
Одно и то же вещество (например, вода) может существовать в трех различных состояниях в зависимости от внешних условий. При этом молекулы вещества остаются неизменными; различия обусловлены характером их движения и взаимодействия.
Сравнительная таблица свойств
Свойство · Твердое тело · Жидкость · Газ
- Форма — Сохраняет собственную форму; Принимает форму сосуда (текучесть); Не имеет формы, занимает весь объем
- Объем — Сохраняет собственный объем; Сохраняет собственный объем; Не имеет собственного объема
- Сжимаемость — Практически несжимаемы; Трудно сжать; Легко сжать
- Расстояние между молекулами — Сравнимо с размерами самих молекул; Малое (молекулы расположены близко); Значительно больше размеров молекул
- Взаимодействие — Сильное; Достаточное для удержания объема; Почти отсутствует
2. Молекулярная структура и взаимодействие
Существование различных агрегатных состояний определяется соотношением двух факторов: хаотического движения молекул (стремится разбросать их) и сил взаимодействия (стремятся сблизить их).
Силы взаимодействия
Молекулы взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания. Это взаимодействие проявляется только на малых расстояниях:
- Равновесное расстояние: Состояние, при котором силы притяжения равны силам отталкивания.
- Расстояние > равновесного: Преобладают силы притяжения.
- Расстояние < равновесного: Преобладают силы отталкивания (возникают при попытке сблизить молекулы сильнее, чем позволяет их структура).
- Большие расстояния: Если расстояние в несколько раз превышает размеры молекул, силы взаимодействия практически исчезают.
Особенности движения в различных средах
- Газы: Молекулы движутся быстро и хаотично. Большую часть времени движение прямолинейно, направление меняется только при столкновениях.
- Жидкости: Положения молекул не фиксированы. Молекула совершает колебания (от нескольких десятков до сотен) около положения равновесия, после чего скачком меняет место и начинает колебаться уже с новыми соседями.
- Твердые тела: Молекулы совершают медленные колебания около фиксированных положений равновесия.
3. Классификация твердых тел
Твердые вещества делятся на две основные группы в зависимости от внутреннего порядка расположения частиц:
- Кристаллические вещества: Характеризуются строгим порядком и повторяющейся структурой — кристаллической решеткой. Точки, в которых расположены атомы или молекулы, называются узлами.
- Примеры: алмаз, лед, поваренная соль, железо.
- Аморфные вещества: Характеризуются беспорядочным расположением частиц. Порядок наблюдается только в непосредственной близости к конкретному атому и быстро исчезает с увеличением расстояния. Обладают свойством текучести, но проявляется оно крайне медленно.
- Примеры: янтарь, опал, смолы.
4. Контрольные вопросы (краткие ответы)
- Почему газы не имеют собственного объема и легко сжимаются? Ответ: Потому что среднее расстояние между молекулами газа значительно больше их размеров, а силы взаимодействия между ними почти отсутствуют.
- Что удерживает жидкость от распада, несмотря на ее текучесть? Ответ: Взаимодействие между молекулами жидкости достаточно велико, чтобы удерживать их близко друг к другу и сохранять постоянный объем.
- Как меняется характер взаимодействия молекул при их чрезмерном сближении? Ответ: При сокращении расстояния меньше равновесного начинают преобладать силы отталкивания.
- В чем главное структурное различие между кристаллом железа и куском янтаря? Ответ: Железо имеет кристаллическую решетку со строгим порядком атомов, а янтарь находится в аморфном состоянии с беспорядочным расположением молекул.
- Какое состояние вещества было бы единственно возможным, если бы молекулы перестали взаимодействовать, но продолжали двигаться? Ответ: Газообразное.
5. Темы для развернутых ответов (эссе)
- Роль теплового движения и межмолекулярных сил в формировании агрегатных состояний. (Опишите баланс между энергией движения частиц и силами их сцепления).
- Сравнительный анализ жидкостей и аморфных тел. (Раскройте сходство в их текучести и различия в степени подвижности молекул).
- Физическая модель взаимодействия молекул на примере магнитов и пружин. (Проанализируйте, какие физические процессы имитируют магниты, а какие — пружины в данной модели, и каковы ограничения этой наглядной схемы).
6. Глоссарий терминов
- Агрегатное состояние — состояние вещества (твердое, жидкое, газообразное), определяемое физическими условиями и характером расположения, движения и взаимодействия его частиц.
- Аморфное состояние — твердое состояние вещества, характеризующееся отсутствием кристаллической решетки и хаотичным расположением молекул.
- Кристаллическая решетка — вспомогательная геометрическая структура, описывающая строго упорядоченное расположение атомов или молекул в кристалле.
- Равновесное расстояние — расстояние между молекулами, при котором силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга.
- Текучесть — свойство жидкостей и аморфных тел изменять свою форму под внешним воздействием, не сохраняя ее.
- Узлы кристаллической решетки — точки (места), в которых преимущественно находятся атомы или молекулы кристаллического вещества.
Таблица понятийтермин, определение и пример в одном местепоказать целикомсвернуть
| Термин | Определение | Пример |
|---|---|---|
| Твёрдое тело | Состояние вещества, характеризующееся наличием собственного объёма и формы; молекулы колеблются около положений равновесия, а взаимодействие между ними велико. | Лёд, ртуть (в твёрдом состоянии), поваренная соль, алмаз, железо |
| Жидкость | Состояние вещества, которое сохраняет объём, но не сохраняет форму (текуче); молекулы находятся близко друг к другу, но их положения не фиксированы. | Вода, ртуть (в жидком состоянии) |
| Газ | Состояние вещества, не обладающее ни собственной формой, ни собственным объёмом; занимает весь предоставленный объём, легко сжимается, молекулы почти не взаимодействуют. | Водяной пар (водный газ) |