Вещество во Вселенной
Все вещества состоят из атомов, объединяющихся в разном количестве и сочетаниях. К настоящему времени на Земле обнаружено 92 типа атомов.
Они называются химическими элементами.Только представьте: почти все во Вселенной — звезды, Земля, растения, люди — состоит из одних первичных материалов! Они возникли очень давно. Насколько мы можем судить, это произошло вскоре после Большого взрыва, около 15 млрд лет назад, когда свет отделился от вещества, а Вселенная начала расширяться. Тогда возникли элементарные частицы, из которых и состоит известная нам материя.
Правильные ингредиенты
До этого Вселенная представляла собой своеобразную взрывчатую субстанцию. Описать это состояние невозможно даже в терминах современной физики. Не существовало ни времени, ни пространства в нашем понимании. Температура была бесконечно велика. Не было ни света, ни вещества как отдельных явлений.
Затем появились кварки, объединяясь, они образовали нейтроны (незаряженные частицы), протоны (положительно заряженные частицы) и электроны (отрицательно заряженные частицы). Из этих трех составляющих и сформировались атомы всех веществ.
В первые три минуты после Большого взрыва образовались наиболее легкие атомы. Простейший из них, атом водорода, состоит из протона и электрона. Атом дейтерия — разновидности водорода – имеет протон, нейтрон и электрон. Следующий по массе атом — атом гелия. Его ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, а оболочка — из двух электронов. Сразу после Большого взрыва в мире еще не было сложных структур. Но появились основные ингредиенты, из которых и образовалась Вселенная: примерно 90% водорода, около 10% гелия и немного лития.
Мечта алхимика
Под действием сил гравитации изначально неупорядоченное вещество постепенно собиралось в галактики, в которых те же силы гравитации привели к возникновению звезд. Ядро звезды работает как термоядерный реактор: там происходит реакция термоядерного синтеза — слияние ядер. В результате из водорода возникают другие элементы. Внутри звезды, как в огромном тигле, выплавляются атомы более сложных элементов. В ходе цепи реакций слияния ядер последовательно образуются углерод, кремний, железо и множество других химических элементов. После образования железа дальнейшее слияние ядер в такого рода реакциях уже невозможно. Более тяжелые элементы (в том числе один из самых тяжелых – уран) смогут возникнуть только в конце жизни звезды, во время взрыва сверхновой. Таким образом, в процессе звездной эволюции легкие — простые — элементы превращаются в более сложные и тяжелые.
Кажущаяся простота
В наши дни известно 117 элементов, из которых 92 обнаружены в природе (в атмосфере и составе земной коры). Упорядоченную систему элементов впервые построил в 1869 г. русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев. Но в то время ничего не было известно о строении атомов, и причины, определяющие порядок элементов и распределение их свойств в системе, были неясны. Поэтому периодическая система Менделеева носила скорее эмпирический характер. В 1922 г. более полную классификацию элементов составил датский ученый Нильс Бор. Сейчас известны и описаны, по-видимому, все встречающиеся в природе элементы.
Но наука не стоит на месте. Сегодня ученые пытаются разобраться уже в фундаментальных основах строения материи, исследуя еще более простые, чем химические элементы, ее составляющие, такие, как кварки, глюоны и бозоны. Современная стандартная модель строения материи предполагает существование 12 частиц, из которых состоит все вещество во Вселенной. Собственно, частиц 24, потому что у каждой есть античастица. Фотоны, из которых состоит свет, не имеют массы и, вероятно, являются одновременно частицами и античастицами.
Источник
Х и м и я
Коллоидная химия
Агрегатные состояния вещества.
В этом разделе мы рассмотрим агрегатные состояния, в которых пребывает окружающая нас материя и силы взаимодействия между частицами вещества, свойственные каждому из агрегатных состояний.
Принято считать, что вещество может находиться в одном из трёх агрегатных состояниях:
1. Состояние твёрдого тела,
2. Жидкое состояние и
3. Газообразное состояние.
Часто выделяют четвёртое агрегатное состояние – плазму.
Иногда, состояние плазмы считают одним из видов газообразного состояния.
Плазма — частично или полностью ионизированный газ, чаще всего существующий при высоких температурах.
Плазма является самым распространённым состоянием вещества во вселенной, поскоьку материя звёд пребывает именно в этом состоянии.
Для каждого агрегатного состояния характерны особенности в характере взаимодействия между частицами вещества, что влияет на его физические и химические свойства.
Каждое вещество может пребывать в разных агрегатных состояниях. При достаточно низких температурах все вещества находятся в твёрдом состоянии. Но по мере нагрева они становятся жидкостями, затем газами. При дальнейшем нагревании они ионизируются (атомы теряют часть своих электронов) и переходят в состояние плазмы.
Газообразное состояние (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. Χάος) характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами.
Образующие газ молекулы или атомы хаотически движутся и при этом преобладающую часть времени находятся на больших (в сравнении с их размерами) растояниях друг от друга. Вследствие этого силы взаимодействия между частицами газа пренебрежимо малы.
Основной особенностью газа является то, что он заполняет все доступное пространство, не образуя поверхности. Газы всегда смешиваются. Газ — изотропное вещество, то есть его свойства не зависят от направления.
При отсутствии сил тяготения давление во всех точках газа одинаково. В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой. Соответственно, в поле сил тяжести смесь газов становится неоднородной. Тяжелые газы имеют тенденцию оседать ниже, а более легкие — подниматься вверх.
Газ имеет высокую сжимаемость — при увеличении давления возрастает его плотность. При повышении температуры расширяются.
При сжатии газ может перейти в жидкость, но конденсация происходит не при любой температуре, а при температуре, ниже критической температуры. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно ожижить только при температуре, ниже от 4,2 К.
Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твердое тело, минуя жидкую фазу. Превращения жидкости в газ называется испарением, а непосредственное превращение твердого тела в газ — сублимацией.
Твёрдое тело
Состояние твёрдого тела в сравнении с другими агрегатными состояниями характеризуется стабильностью формы.
Различают кристаллические и аморфные твёрдые тела.
Кристаллическое состояние вещества
Стабильность формы твёрдых тел связана с тем, что большинство, находящихся в твёрдом состоянии имеет кристалическое строение.
В этом случае расстояния между частицами вещества малы, а силы взаимодействия между ними велики, что и определяет стабильность формы.
В кристаллическом строении многих твёрдых тел легко убедиться, расколов кусок вещества и рассмотрев полученный излом. Обычно на изломе (например, у сахара, серы, металлов и пр.) хорошо заметны расположенные под разными углами мелкие грани кристаллов, поблескивающие вследствии различного отражения ими света.
В тех случаях, когда кристаллы очень малы, кристаллическое строение вещества можно установить при помощи микроскопа.
Каждое вещество образует кристаллы совершенно определённой формы.
Разнообразие кристаллических форм может быть сведено к семи группам:
1. Триклинная (параллелепипед),
2. Моноклинная (призма с параллелограммом в основании),
3. Ромбическая (прямоугольный параллелепипед),
4. Тетрагональная (прямоугольный параллелепипед с квадратом в основании),
6. Гексагональная (призма с основанием правильного центрированного шестиугольника),
7. Кубическая (куб).
Многие вещества, в частности железо, медь, алмаз, хлорид натрия кристализуются в кубической системе. Простейшими формами этой системы являются куб, октаэдр, тетраэдр.
Магний, цинк, лёд, кварц кристализуются в гексагональной системе. Основные формы этой системы – шестигранные призмы и бипирамида.
Природные кристаллы, а также кристаллы, получаемые искусственным путём, редко в точности соответствуют теоретическим формам. Обычно при затвердевании расплавленного вещества кристаллы срастаются вместе и потому форма каждого из них оказывается не вполне правильной.
Однако как бы неравномерно не происходило развитие кристалла, как бы ни была искажена его форма, углы, под которыми сходятся грани кристалла у одного и того же вещества остаются постоянными.
Особенности кристаллических тел не ограничиваются только формой кристаллов. Хотя вещество в кристалле совершенно однородно, многие из его физических свойств – прочность, теплопроводность, отношение к свету и др. – не всегда одинаковы по различным направлениям внутри кристалла. Эта важная особенность кристаллических веществ называется анизотропией.
Внутреннее строение кристаллов. Кристаллические решётки.
Внешняя форма кристалла отражает его внутреннее строение и обусловлена правильным расположением частиц, составляющих кристалл, — молекул, атомов или ионов.
Это расположение можно представить в виде кристаллической решётки – пространственного каркаса, образованного пересекающимися прямыми линиями. В точках пересечения линий – узлах решётки – лежат центры частиц.
В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах кристаллической решётки, и от того, какие силы взаимодействия между ними преобладают в данном кристалле, различают следующие виды кристаллических решёток:
Молекулярные и атомные решётки присущи веществам с ковалентной связью, ионные – ионным соединениям, металические – металам и их сплавам.
Атомные кристаллические решётки
В узлах атомных решёток находятся атомы. Они связаны друг с другом ковалентной связью.
Веществ, обладающих атомными решётками, сравнительно мало. К ним принадлежат алмаз, кремний и некоторые неорганические соединения.
Эти вещества характеризуются высокой твёрдостью, они тугоплавки и нерастворимы практически ни в каких растворителях. Такие их свойства объясняются прочностью ковалентной связи.
Молекулярные кристаллические решётки
В узлах молекулярных решёток находятся молекулы. Они связаны друг с другом межмолекулярными силами.
Веществ с молекулярной решёткой очень много. К ним принадлежат неметаллы, за исключением углерода и кремния, все органические соединения с неионной связью и многие неорганические соединения.
Силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее сил ковалентной связи, поэтому молекулярные кристаллы имеют небольшую твёрдость, легкоплавки и летучи.
Ионные кристаллические решётки
В узлах ионных решёток располагаются, чередуясь положительно и отрицательно заряженные ионы. Они связаны друг с другом силами электростатического притяжения.
К соединениям с ионной связью, образующим ионные решётки, относится большинство солей и небольшое число оксидов.
По прочности ионные решётки уступают атомным, но превышают молекулярные.
Ионные соединения имеют сравнительно высокие температуры плавления. Летучесть их в большинстве случаев не велика.
Металлические кристаллические решётки
В узлах металлических решёток находятся атомы металла, между которыми свободно движутся общие для этих атомов электроны.
Наличием свободных электронов в кристаллических решётках металлов можно объяснить их многие свойства: пластичность, ковкость, металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность
Существуют вещества, в кристаллах которых значительную роль играют два рода взаимодействия между частицами. Так, в графите атомы углерода связаны друг с другом в одних направлениях ковалентной связью, а в других – металлической. Поэтому решётку графита можно рассматривать и как атомную, и как металлическую.
Во многих неорганических соединениях, например, в BeO, ZnS, CuCl, связь между частицами, находящимися в узлах решётки, является частично ионной, а частично ковалентной. Поэтому решётки подобных соединений можно рассматривать как промежуточные между ионными и атомными.
Аморфное состояние вещества
Свойства аморфных веществ
Среди твёрдых тел встречаются такие, в изломе которых нельзя обнаружить никаких признаков кристаллов. Например, если расколоть кусок обыкновенного стекла, то его излом окажется гладким и, в отличие от изломов кристаллов, ограничен не плоскими, а овальными поверхностями.
Подобная же картина наблюдается при раскалывании кусков смолы, клея и некоторых других веществ. Такое состояние вещества называется аморфным.
Различие между кристаллическими и аморфными телами особенно резко проявляется в их отношении к нагреванию.
В то время как кристаллы каждого вещества плавятся при строго определённой температуре и при той же температуре происходит переход из жидкого состояния в твёрдое, аморфные тела не имеют постоянной температуры плавления. При нагревании аморфное тело постепенно размягчается, начинает растекаться и, наконец, становится совсем жидким. При охлаждении оно также постепенно затвердевает.
В связи с отсутствием определённой температуры плавления аморфные тела обладают другой способностью: многие из них подобно жидкостям текучи, т.е. при длительном действии сравнительно небольших сил они постепенно изменяют свою форму. Например, кусок смолы, положенный на плоскую поверхность, в теплом помещении на несколько недель растекается, принимая форму диска.
Строение аморфных веществ
Различие между кристаллическим и аморфным состоянием вещества состоит в следующем.
Упорядоченное расположение частиц в кристалле, отражаемое элементарной ячейкой, сохраняется на больших участках кристаллов, а в случае хорошо образованных кристаллов – во всём их объёме.
В аморфных телах упорядоченность в расположении частиц наблюдается только на очень малых участках. Кроме того, в ряде аморфных тел даже эта местная упорядоченность носит лишь приблизительный характер.
Это различие можно коротко сформулировать следующим образом:
- структура кристаллов характеризуется дальним порядком,
- структура аморфных тел – ближним.
Примеры аморфных веществ.
К стабильно-аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др.
Переход из аморфного состояния в кристаллическое.
Некоторые вещества могут находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Диоксид кремния SiO2 встречается в природе в виде хорошо образованных кристаллов кварца, а также в аморфном состоянии (минерал кремень).
При этом кристаллическое состояние всегда более устойчиво. Поэтому самопроизвольный переход из кристаллического вещества в аморфное невозможен, а обратное превращение – самопроизвольный переход из аморфного состояния в кристаллическое – возможно и иногда наблюдается.
Примером такого превращения служит расстеклование – самопроизволная кристаллизация стекла при повышенных температурах, сопровождающаяся его разрушением.
Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава.
У металлов и сплавов аморфное состояние формируется, как правило, если расплав охлаждается за время порядка долей-десятков миллисекунд. Для стёкол достаточно намного меньшей скорости охлаждения.
Кварц (SiO2) также имеет низкую скорость кристаллизации. Поэтому отлитые из него изделия получаются аморфными. Однако природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоёв вулканов, имеет крупнокристаллическое строение, в отличие от вулканического стекла, застывшего на поверхности и поэтому аморфного.
Жидкости
Жидкость – промежуточное состояние между твёрдым телом и газом.
Жидкое состояние является промежуточным между газообразным и кристаллическим. По одним свойствам жидкости близки к газам, по другим – к твёрдым телам.
С газами жидкости сближает, прежде всего, их изотропность и текучесть. Последняя обуславливает способность жидкости легко изменять свою форму.
Однако высокая плотность и малая сжимаемость жидкостей приближает их к твёрдым телам.
Способность жидкостей легко изменять свою форму говорит об отсутствии в них жёстких сил межмолекулярного взаимодействия.
В то же время низкая сжимаемость жидкостей, обусловливающая способность сохранять постоянный при данной температуре объём, указывает на присутствие хотя и не жёстких, но всё же значительных сил взаимодействия между частицами.
Соотношение потенциальной и кинетической энергии.
Для каждого агрегатного состояния характерно своё соотношение между потенциальной и кинетической энергиями частиц вещества.
У твёрдых тел средняя потенциальная энергия частиц больше их средней кинетической энергии. Поэтому в твёрдых телах частицы занимают определённые положения друг относительно друга и лишь колеблются относительно этих положений.
Для газов соотношение энергий обратное, вследствии чего молекулы газов всегда находятся в состоянии хаотического движения и силы сцепления между молекулами практически отсутствуют, так что газ всегда занимает весь предоставленный ему объём.
В случае жидкостей кинетическая и потенциальная энергия частиц приблизительно одинаковы, т.е. частицы связаны друг с другом, но не жёстко. Поэтому жидкости текучи, но имеют постоянный при данной температуре объём.
Стуктуры жидкостей и аморфных тел схожи.
В результате применения к жидкостям методов структурного анализа установлено, что по структуре жидкости подобны аморфным телам. В большинстве жидкостей наблюдается ближний порядок – число ближайших соседей у каждой молекулы и их взаимное расположение приблизительно одинаковы во всём объёме жидкости.
Степень упорядоченности частиц у различных жидкостей различна. Кроме того, она изменяется при изменении температуры.
При низких температурах, незначительно превышающих температуру плавления данного вещества, степень упорядоченности расположения частиц данной жидкости велика.
С ростом температуры она падает и по мере нагревания свойства жидкости всё больше и больше приближаются к свойствам газа. При достижении критической температуры различие между жидкостью и газом исчезает.
Вследствии сходства во внутренней структуре жидкостей и аморфных тел последние часто рассматриваются как жидкости с очень высокой вязкостью, а к твёрдым телам относят только вещества в кристаллическом состоянии.
Уподобляя аморфные тела жидкостям, следует, однако, помнить, что в аморфных телах в отличие от обычных жидкостей частицы имеют незначительную подвижность – такую же как в кристаллах.
Источник