У цьому матеріалі не тільки розказано про те, як розташовані частинки в твердих тілах, але і як рухаються вони в газах або в рідинах. Також будуть описані види кристалічних решіток у різних речовинах.
Агрегатний стан
Існують певні стандарти, що вказують на наявність трьох типових агрегатних станів, а саме: тверда речовина, рідина і газ.
Визначимо складові для кожного агрегатного стану.
- Тверді речовини практично стабільні за обсягом і формою. Останню змінити вкрай проблематично без додаткових енергетичних витрат.
- Рідина може легко змінювати форму, але при цьому зберігає об'єм.
- Газоподібні речовини не зберігають ні форму, ні об'єм.
Головним критерієм, за яким визначається агрегатний стан, є розташування молекул і способи їх руху. У газоподібній речовині мінімальна відстань між окремо взятими молекулами значно більше їх самих. У свою чергу, молекули рідких речовин не розходяться на великі відстані в звичайних для них умовах і зберігають свій обсяг. Діючі частинки в твердих тілах розташовуються в строго визначеному порядку, кожна з них, подібно маятнику годинника, рухається біля певної точки в кристалічній решітці. Це надає твердим речовинам особливу міцність і жорсткість.
Тому в даному випадку найбільш актуальним є 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 своєрідною проміжною ланкою між твердими станом тіла і його газоподібною фазою. Так, при зниженні температури рідина затвердіває, а при підвищенні її вище, ніж точка кипіння даної речовини, переходить в газоподібний стан. Однак рідина має спільні риси і з твердими, і з газоподібними речовинами. Так, у 1860 році видатний вітчизняний вчений Д. І. Менделєєв встановив 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, - ізотропність. У даному випадку їх властивості однакові на всіх напрямках. Кристали, в свою чергу, анізотропні. Подібно до газів, рідини не мають фіксованої форми і займають повністю обсяг судини, в якій знаходяться. Тобто вони мають низьку в'язкість і високу плинність. Стикаючись між собою, мікрочастинки рідини або газу здійснюють вільні переміщення. Раніше вважалося, що в обсязі, що займається рідиною, впорядкованого руху молекул немає. Таким чином, рідина і газ протиставлялися кристалам. Але в результаті наступних досліджень було доведено схожість між твердими і рідкими тілами.
У рідкій фазі при температурі, близькій до ствердівання, тепловий рух нагадує рух у 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 рух молекул хаотичний, неупорядкований. а ось у твердих речовинах молекули займають у більшості випадків певне, фіксоване положення.
Рідина при цьому є своєрідною проміжною 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
Розгляньмо на найпростішому прикладі зміну стану води. Лід - це тверда фаза води. Температура його - нижче нуля. При температурі, що дорівнює нулю, лід починає танути і перетворюється на воду. Це пояснюється руйнуванням кристалічної решітки: при нагріванні частинки починають рухатися. Температура, за якої речовина змінює агрегатний стан, називається точкою плавлення (у нашому випадку у води вона дорівнює 0). Зауважимо, що температура льоду залишатиметься на одному рівні до повного його плавлення. При цьому атоми або молекули рідини рухатимуться так само, як у твердих тілах.
Після цього продовжимо нагрівати воду. Частинки при цьому починають рухатися інтенсивніше до тих пір, поки наша 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 він набуває вільного характеру, і розглянута рідина переходить в газоподібну фазу. Процес трансформації речовини (води) з рідкої фази в газоподібну називається кипінням.
Температуру, за якої 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 на пар, температура її залишається постійною.
Можливий і зворотний процес переходу води з газоподібного стану (пара) в рідину, який називається конденсація.
Далі можна спостерігати процес замерзання - процес переходу рідини (води) у тверду форму (вихідний стан описано вище - це лід). Описані раніше процеси дозволяють отримати пряму відповідь на те, як розташовані частинки в твердих тілах, в рідинах і газах. Розташування і стан молекул речовини залежить від його агрегатного стану.
Що таке тверде тіло? Як у ньому поводяться мікрочастинки
Тверде тіло - це стан матеріального середовища, відмінна особливість якого полягає у збереженні постійної форми і постійному характері теплового руху мікрочастинок, що 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 чинить ключовий вплив 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 й виняток - аморфні речовини, які перебувають у 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 подібної впорядкованості вже точно немає, і така речовина більш схожа на рідину.
Фізика і можлива будова твердого тіла
У цьому випадку речовина прагне зберегти свій обсяг і, звичайно ж, форму. Тобто для того, щоб змінити останню, необхідно докласти зусиль, і не має значення, чи це металевий предмет, шматок пластику або пластилін. Причина полягає в його молекулярній будові. А якщо точніше висловитися, у взаємодії молекул, з яких складається тіло. Вони в даному випадку розташовані найбільш близько. Таке розташування молекул носить повторюваний характер. Саме тому сили взаємного тяжіння між кожним з таких компонентів дуже великі.
Взаємодія мікрочастинок пояснює характер їхнього руху. Форму або об'єм подібного твердого тіла скоригувати в ту чи 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 коливаються хаотично в різні боки, але натикаються на собі подібні, які повертають їх у початковий стан. Саме тому частинки в твердих тілах розташовуються, як правило, в строго визначеному порядку.
Частинки та їхнє розташування в твердому тілі
Тверді тіла можуть бути трьох видів: кристалічні, аморфні та композити. Саме хімічний склад впливає на розташування частинок у твердих тілах.
Кристалічні тверді тіла мають упорядковану структуру. Їх молекули або атоми утворюють кристалічну просторову решітку правильної форми. Таким чином, тверде тіло, що знаходиться в кристалічному стані, має певну кристалічну решітку, яка, в свою чергу, задає 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. Ґудзики 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 білого різновиду в сіру розсипається в порошок. Кристали діляться на моно- і полікристали.
Монокристали і полікристали
Монокристали (поварена сіль) - це одиночні однорідні кристали, представлені безперервною 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 суворого порядку в розташуванні частинок. Це нестандартний випадок того, в якому порядку знаходяться частинки в твердих тілах. У даному випадку спостерігається явище ізотропії, фізичні властивості аморфних тіл однакові за всіма напрямками. При високих температурах вони стають подібні в'язким рідинам, а при низьких - схожі на тверді тіла. При зовнішньому впливі одночасно виявляють пружність властивості, тобто при ударі розколюються на мініатюрні частинки, як тверді тіла, і плинність: при тривалому температурному впливі починають течу, як рідини. Не мають певних температур плавлення і кристалізації. При нагріванні аморфні тіла розм'якшуються.
Приклади аморфних речовин
Візьмемо, наприклад, звичайний цукор і з'ясуємо розташування частинок у твердих тілах у 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, охолонення відбудеться дуже швидко, і частинки не встигнуть сформувати правильні ряди - розплав затвердіє, не утворюючи кристалів. Так виходить цукровий льодяник (це і є некристалічний цукор).
Але через деякий час така речовина може перекристалізуватися, частинки збираються в правильні ряди. Якщо цукровий льодяник полежить кілька місяців, він почне покриватися пухким шаром. Так з'являються на поверхні кристали. Для цукру терміном буде кілька місяців, а для каменю - мільйони років. Унікальним прикладом може бути вуглець. Графіт - це кристалічний вуглець, структура його шаровиста. А алмаз - це найбільш твердий на землі мінерал, здатний різати скло і розпилювати каміння, його застосовують для буріння і полірування. У цьому випадку речовина одна - вуглець, але особливість полягає в здатності утворювати різні кристалічні форми. Це ще один варіант відповіді на те, як розташовані частинки в твердому тілі.
Підсумки. Ув'язнення
Будова і розташування частинок у твердих тілах залежить від того, до якого виду належить розглянута речовина. Якщо речовина кристалічна, то розташування мікрочастинок буде носити впорядкований характер. Аморфні структури такою особливістю не володіють. А ось композити можуть належати як до першої, так і до другої групи.
В одному випадку рідина поводиться аналогічно твердій речовині (при низькій температурі, яка близька до температури кристалізації), але може вести і як газ (при її підвищенні). Тому в цьому оглядовому матеріалі було розглянуто, як розташовані частинки не тільки в твердих тілах, а й в інших основних агрегатних станах речовини.
