Zat apa pun terdiri dari molekul, dan sifat fisiknya bergantung pada bagaimana molekul disusun dan bagaimana mereka berinteraksi satu sama lain. V kehidupan biasa Kami mengamati tiga keadaan agregat materi - padat, cair dan gas.

Misalnya, air bisa dalam keadaan padat (es), cair (air) dan gas (uap).

Gas mengembang sampai memenuhi seluruh volume yang diberikan padanya. Jika kita menganggap gas pada tingkat molekuler, kita akan melihat molekul-molekul secara acak bergegas dan bertabrakan satu sama lain dan dengan dinding bejana, yang, bagaimanapun, praktis tidak berinteraksi satu sama lain. Jika Anda menambah atau mengurangi volume bejana, molekul akan mendistribusikan kembali secara merata dalam volume baru.

Tidak seperti gas pada suhu tertentu, ia menempati volume tetap, namun, ia juga berbentuk wadah yang diisi - tetapi hanya di bawah permukaannya. Pada tingkat molekuler, cara termudah untuk memikirkan cairan adalah sebagai molekul bulat yang, meskipun bersentuhan satu sama lain, memiliki kebebasan untuk berguling satu sama lain, seperti manik-manik bundar dalam toples. Tuang cairan ke dalam bejana - dan molekul akan dengan cepat menyebar dan mengisi bagian bawah volume bejana, sebagai akibatnya, cairan akan mengambil bentuknya, tetapi tidak akan menyebar dalam volume penuh bejana.

Padat memiliki bentuk sendiri, tidak menyebar pada volume wadahdan tidak mengambil bentuknya. Pada tingkat mikroskopis, atom terikat satu sama lain melalui ikatan kimia, dan posisinya relatif satu sama lain tetap. Pada saat yang sama, mereka dapat membentuk struktur teratur yang kaku - kisi kristal - dan tumpukan acak - benda amorf (inilah tepatnya struktur polimer, yang terlihat seperti pasta kusut dan lengket dalam mangkuk).

Tiga keadaan agregat klasik materi telah dijelaskan di atas. Namun, ada keadaan keempat, yang cenderung diklasifikasikan oleh fisikawan sebagai agregat. Ini adalah keadaan plasma. Plasma dicirikan oleh pelepasan sebagian atau seluruh elektron dari orbit atomnya, sedangkan elektron bebas itu sendiri tetap berada di dalam zat.

Kita dapat mengamati perubahan dalam keadaan agregat materi dengan mata kita sendiri di alam. Air dari permukaan badan air menguap dan membentuk awan. Jadi zat cair berubah menjadi gas. Di musim dingin, air di reservoir membeku, berubah menjadi padat, dan di musim semi meleleh lagi, kembali menjadi cair. Apa yang terjadi pada molekul suatu zat ketika berubah dari satu keadaan ke keadaan lain? Apakah mereka berubah? Apakah, misalnya, molekul es berbeda dari molekul uap? Jawabannya tegas: tidak. Molekulnya tetap sama persis. Energi kinetiknya berubah, dan, karenanya, sifat-sifat zat.

Energi molekul uap cukup tinggi untuk terbang terpisah sisi yang berbeda, dan ketika didinginkan, uap mengembun menjadi cairan, dan molekul masih memiliki energi yang cukup untuk hampir bergerak bebas, tetapi tidak cukup untuk melepaskan diri dari daya tarik molekul lain dan terbang menjauh. Dengan pendinginan lebih lanjut, air membeku, menjadi benda padat, dan energi molekul tidak lagi cukup bahkan untuk gerakan bebas di dalam tubuh. Mereka berosilasi di sekitar satu tempat, ditahan oleh gaya tarik menarik molekul lain.

Pengetahuan yang paling luas adalah tentang tiga keadaan agregasi: cair, padat, gas, kadang-kadang mereka berpikir tentang plasma, lebih jarang kristal cair. Akhir-akhir ini daftar 17 fase materi, diambil dari () Stephen Fry yang terkenal, telah menyebar di Internet. Karena itu, kami akan membicarakannya secara lebih rinci, karena. orang harus tahu lebih banyak tentang materi, jika hanya untuk lebih memahami proses yang terjadi di Alam Semesta.

Daftar keadaan agregat materi yang diberikan di bawah ini meningkat dari keadaan terdingin ke terpanas, dan seterusnya. dapat dilanjutkan. Pada saat yang sama, harus dipahami bahwa dari keadaan gas (No. 11), yang paling "diperluas", di kedua sisi daftar, tingkat kompresi zat dan tekanannya (dengan beberapa reservasi untuk yang belum dijelajahi tersebut keadaan hipotetis sebagai kuantum, sinar, atau simetris lemah) meningkat Setelah teks, grafik visual transisi fase materi diberikan.

1. kuantum- keadaan agregasi materi, dicapai ketika suhu turun ke nol mutlak, sebagai akibatnya ikatan internal hilang dan materi hancur menjadi quark bebas.

2. Kondensat Bose-Einstein- keadaan agregat materi, yang didasarkan pada boson yang didinginkan hingga suhu mendekati nol mutlak (kurang dari sepersejuta derajat di atas nol mutlak). Dalam keadaan sangat dingin seperti itu, sejumlah besar atom menemukan diri mereka dalam keadaan kuantum seminimal mungkin, dan efek kuantum mulai memanifestasikan dirinya pada tingkat makroskopik. Kondensat Bose-Einstein (sering disebut sebagai "Kondensat Bose", atau hanya "belakang") terjadi ketika Anda mendinginkan unsur kimia ke suhu yang sangat rendah (biasanya tepat di atas nol mutlak, minus 273 derajat Celcius). , adalah suhu teoretis pada yang semuanya berhenti bergerak).
Di sinilah hal-hal aneh mulai terjadi. Proses yang biasanya hanya dapat diamati pada tingkat atom sekarang terjadi pada skala yang cukup besar untuk diamati dengan mata telanjang. Misalnya, jika Anda memasukkan "punggung" ke dalam gelas kimia dan memberikan suhu yang diinginkan, zat tersebut akan mulai merangkak naik ke dinding dan akhirnya keluar dengan sendirinya.
Rupanya, di sini kita berhadapan dengan upaya sia-sia oleh materi untuk menurunkan energinya sendiri (yang sudah berada di level terendah dari semua level yang mungkin).
Memperlambat atom menggunakan peralatan pendingin menghasilkan keadaan kuantum tunggal yang dikenal sebagai kondensat Bose, atau Bose-Einstein. Fenomena ini diprediksi pada tahun 1925 oleh A. Einstein, sebagai hasil dari generalisasi karya S. Bose, di mana mekanika statistik dibangun untuk partikel, mulai dari foton tak bermassa hingga atom bermassa (naskah Einstein, yang dianggap hilang, ditemukan di perpustakaan Universitas Leiden pada tahun 2005). Hasil usaha Bose dan Einstein adalah konsep gas Bose, yang mematuhi statistik Bose-Einstein, yang menggambarkan distribusi statistik partikel identik dengan putaran bilangan bulat, yang disebut boson. Boson, yang, misalnya, merupakan partikel dasar individu - foton, dan seluruh atom, dapat berada satu sama lain dalam keadaan kuantum yang sama. Einstein menyarankan bahwa atom pendingin - boson ke suhu yang sangat rendah, akan menyebabkan mereka pergi (atau, dengan kata lain, mengembun) ke keadaan kuantum serendah mungkin. Kondensasi ini akan menghasilkan bentuk baru zat.
Transisi ini terjadi di bawah suhu kritis, yaitu untuk gas tiga dimensi homogen yang terdiri dari partikel yang tidak berinteraksi tanpa derajat kebebasan internal.

3. Kondensat fermionik- keadaan agregasi suatu zat, mirip dengan penyangga, tetapi berbeda dalam strukturnya. Ketika mendekati nol mutlak, atom berperilaku berbeda tergantung pada besarnya momentum sudut mereka sendiri (spin). Boson memiliki putaran bilangan bulat, sedangkan fermion memiliki putaran yang merupakan kelipatan 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermion mematuhi prinsip pengecualian Pauli, yang menyatakan bahwa dua fermion tidak dapat memiliki keadaan kuantum yang sama. Untuk boson, tidak ada larangan seperti itu, dan karena itu mereka memiliki kesempatan untuk eksis dalam satu keadaan kuantum dan dengan demikian membentuk apa yang disebut kondensat Bose-Einstein. Proses pembentukan kondensat ini bertanggung jawab untuk transisi ke keadaan superkonduktor.
Elektron memiliki spin 1/2 dan karena itu merupakan fermion. Mereka bergabung menjadi pasangan (disebut pasangan Cooper), yang kemudian membentuk kondensat Bose.
Ilmuwan Amerika berusaha mendapatkan sejenis molekul dari atom fermion dengan pendinginan yang dalam. Perbedaan dari molekul nyata adalah bahwa tidak ada ikatan kimia antara atom-atom - mereka hanya bergerak bersama dengan cara yang berkorelasi. Ikatan antar atom ternyata lebih kuat daripada ikatan antar elektron pada pasangan Cooper. Untuk pasangan fermion yang terbentuk, putaran total tidak lagi kelipatan 1/2, oleh karena itu, mereka sudah berperilaku seperti boson dan dapat membentuk kondensat Bose dengan keadaan kuantum tunggal. Selama percobaan, gas dengan atom kalium-40 didinginkan hingga 300 nanokelvin, sementara gas tersebut ditutup dalam apa yang disebut perangkap optik. Kemudian medan magnet eksternal diterapkan, dengan bantuan yang memungkinkan untuk mengubah sifat interaksi antara atom - alih-alih tolakan yang kuat, daya tarik yang kuat mulai diamati. Saat menganalisis pengaruh medan magnet, adalah mungkin untuk menemukan nilai di mana atom mulai berperilaku seperti pasangan elektron Cooper. Pada tahap percobaan berikutnya, para ilmuwan mengusulkan untuk mendapatkan efek superkonduktivitas untuk kondensat fermionik.

4. Materi superfluida- keadaan di mana zat hampir tidak memiliki viskositas, dan selama aliran tidak mengalami gesekan dengan permukaan keras. Akibat dari hal tersebut misalnya efek menarik, sebagai "merambat" helium superfluida secara spontan dari bejana di sepanjang dindingnya melawan gravitasi. Tentu saja, tidak ada pelanggaran hukum kekekalan energi di sini. Dengan tidak adanya gaya gesekan, hanya gaya gravitasi yang bekerja pada helium, gaya interaksi interatomik antara helium dan dinding bejana dan antara atom helium. Jadi, kekuatan interaksi antar atom melebihi semua kekuatan lain yang digabungkan. Akibatnya, helium cenderung menyebar sebanyak mungkin ke semua permukaan yang mungkin, dan karena itu "berjalan" di sepanjang dinding bejana. Pada tahun 1938, ilmuwan Soviet Pyotr Kapitsa membuktikan bahwa helium dapat eksis dalam keadaan superfluida.
Perlu dicatat bahwa banyak sifat helium yang tidak biasa telah diketahui selama beberapa waktu. Namun, dalam beberapa tahun terakhir, unsur kimia ini telah "memanjakan" kita dengan efek yang menarik dan tidak terduga. Jadi, pada tahun 2004, Moses Chan dan Eun-Syong Kim dari University of Pennsylvania tertarik dengan dunia ilmiah mengklaim bahwa mereka telah berhasil memperoleh keadaan helium yang benar-benar baru - padatan superfluida. Dalam keadaan ini, beberapa atom helium dalam kisi kristal dapat mengalir di sekitar yang lain, dan dengan demikian helium dapat mengalir melalui dirinya sendiri. Efek "superhardness" secara teoritis diprediksi kembali pada tahun 1969. Dan pada tahun 2004 - seolah-olah konfirmasi eksperimental. Namun, eksperimen kemudian dan sangat aneh menunjukkan bahwa semuanya tidak sesederhana itu, dan, mungkin, interpretasi fenomena seperti itu, yang sebelumnya diambil untuk superfluiditas helium padat, tidak benar.
Eksperimen ilmuwan yang dipimpin oleh Humphrey Maris dari Brown University di Amerika Serikat itu sederhana dan elegan. Para ilmuwan menempatkan tabung reaksi terbalik ke dalam tangki tertutup helium cair. Bagian dari helium di dalam tabung reaksi dan di dalam tangki dibekukan sedemikian rupa sehingga batas antara cair dan padat di dalam tabung reaksi lebih tinggi daripada di dalam tangki. Dengan kata lain, ada helium cair di bagian atas tabung reaksi, dan helium padat di bagian bawah; itu dengan lancar masuk ke fase padat tangki, di mana sedikit helium cair dituangkan - lebih rendah dari tingkat cair dalam tabung reaksi. Jika helium cair mulai merembes melalui padatan, maka perbedaan level akan berkurang, dan kemudian kita dapat berbicara tentang helium superfluida padat. Dan pada prinsipnya, dalam tiga dari 13 percobaan, perbedaan level memang berkurang.

5. Materi super keras- keadaan agregasi di mana materi transparan dan dapat "mengalir" seperti cairan, tetapi sebenarnya tidak memiliki viskositas. Cairan seperti itu telah dikenal selama bertahun-tahun dan disebut superfluida. Faktanya adalah bahwa jika superfluida diaduk, itu akan bersirkulasi hampir selamanya, sedangkan cairan normal pada akhirnya akan tenang. Dua superfluida pertama diciptakan oleh para peneliti menggunakan helium-4 dan helium-3. Mereka didinginkan hampir ke nol mutlak - hingga minus 273 derajat Celcius. Dan dari helium-4, ilmuwan Amerika berhasil mendapatkan tubuh superhard. Mereka mengompres helium beku dengan tekanan lebih dari 60 kali, dan kemudian gelas berisi zat itu dipasang pada piringan yang berputar. Pada suhu 0,175 derajat Celcius, piringan tiba-tiba mulai berputar lebih bebas, yang menurut para ilmuwan, menunjukkan bahwa helium telah menjadi superbody.

6. Padat- keadaan agregasi materi, dicirikan oleh stabilitas bentuk dan sifat gerakan termal atom, yang membuat getaran kecil di sekitar posisi kesetimbangan. Keadaan stabil padatan adalah kristal. Membedakan zat padat dengan ikatan ionik, kovalen, logam, dan jenis ikatan antar atom lainnya, yang menentukan variasi sifat fisiknya. Sifat listrik dan beberapa sifat zat padat lainnya terutama ditentukan oleh sifat gerak elektron terluar atom-atomnya. Menurut sifat listriknya, zat padat dibagi menjadi dielektrik, semikonduktor, dan logam; menurut sifat magnetiknya, zat padat dibagi menjadi diamagnet, paramagnet, dan benda dengan struktur magnet yang teratur. Penyelidikan sifat-sifat benda padat telah menyatu menjadi bidang besar—fisika benda padat, yang perkembangannya dirangsang oleh kebutuhan teknologi.

7. Padatan amorf- keadaan agregasi zat yang kental, ditandai dengan isotropi sifat fisik karena susunan atom dan molekul yang tidak teratur. Dalam padatan amorf, atom bergetar di sekitar titik yang terletak secara acak. Berbeda dengan keadaan kristal, transisi dari amorf padat ke cair terjadi secara bertahap. Berbagai zat berada dalam keadaan amorf: gelas, resin, plastik, dll.

8. Kristal cair- ini adalah keadaan agregasi spesifik suatu zat di mana ia secara bersamaan menunjukkan sifat-sifat kristal dan cairan. Kita harus segera membuat reservasi bahwa tidak semua zat bisa berada dalam keadaan kristal cair. Namun, beberapa zat organik dengan molekul kompleks dapat membentuk keadaan agregasi tertentu - kristal cair. Keadaan ini dilakukan selama pencairan kristal zat tertentu. Ketika mereka meleleh, fase kristal cair terbentuk, yang berbeda dari cairan biasa. Fase ini ada dalam kisaran dari suhu leleh kristal hingga suhu yang lebih tinggi, ketika dipanaskan hingga kristal cair berubah menjadi cairan biasa.
Bagaimana kristal cair berbeda dari cairan dan kristal biasa dan bagaimana kemiripannya dengan mereka? Seperti cairan biasa, kristal cair memiliki fluiditas dan berbentuk wadah di mana ia ditempatkan. Dalam hal ini berbeda dari kristal yang diketahui semua orang. Namun, terlepas dari sifat ini, yang menyatukannya dengan cairan, ia memiliki karakteristik sifat kristal. Ini adalah urutan dalam ruang molekul yang membentuk kristal. Benar, urutan ini tidak selengkap pada kristal biasa, tetapi, bagaimanapun, itu secara signifikan mempengaruhi sifat-sifat kristal cair, yang membedakannya dari cairan biasa. Urutan spasial yang tidak lengkap dari molekul-molekul yang membentuk kristal cair memanifestasikan dirinya dalam kenyataan bahwa dalam kristal cair tidak ada keteraturan lengkap dalam pengaturan spasial pusat gravitasi molekul, meskipun mungkin ada keteraturan parsial. Ini berarti bahwa mereka tidak memiliki kisi kristal yang kaku. Oleh karena itu, kristal cair, seperti cairan biasa, memiliki sifat fluiditas.
Sifat wajib kristal cair, yang membawa mereka lebih dekat ke kristal biasa, adalah adanya keteraturan dalam orientasi spasial molekul. Urutan orientasi seperti itu dapat memanifestasikan dirinya, misalnya, dalam kenyataan bahwa semua sumbu panjang molekul dalam sampel kristal cair diorientasikan dengan cara yang sama. Molekul-molekul ini harus memiliki bentuk memanjang. Selain urutan sumbu molekul yang paling sederhana, urutan orientasi molekul yang lebih kompleks dapat diwujudkan dalam kristal cair.
Tergantung pada jenis urutan sumbu molekul, kristal cair dibagi menjadi tiga jenis: nematic, smectic dan cholesteric.
Penelitian tentang fisika kristal cair dan aplikasinya saat ini sedang dilakukan secara luas di semua negara paling maju di dunia. Penelitian dalam negeri terkonsentrasi baik di lembaga penelitian akademis dan industri dan memiliki tradisi panjang. Karya-karya V.K. Frederiks ke V.N. Tsvetkov. Dalam beberapa tahun terakhir, studi cepat kristal cair, peneliti Rusia juga memberikan kontribusi yang signifikan terhadap pengembangan teori kristal cair secara umum dan, khususnya, optik kristal cair. Jadi, karya-karya I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov dan banyak peneliti Soviet lainnya dikenal luas oleh komunitas ilmiah dan berfungsi sebagai dasar untuk sejumlah aplikasi teknis yang efektif dari kristal cair.
Keberadaan kristal cair sudah sangat lama diketahui, yaitu pada tahun 1888, yaitu hampir seabad yang lalu. Meskipun para ilmuwan telah menemukan keadaan materi ini sebelum tahun 1888, secara resmi ditemukan kemudian.
Yang pertama menemukan kristal cair adalah ahli botani Austria Reinitzer. Menyelidiki zat baru cholesteryl benzoate yang disintesis olehnya, ia menemukan bahwa pada suhu 145 ° C, kristal zat ini meleleh, membentuk cairan keruh yang sangat menghamburkan cahaya. Dengan pemanasan lanjutan, setelah mencapai suhu 179 ° C, cairan menjadi jernih, yaitu, mulai berperilaku optik seperti cairan biasa, seperti air. Kolesterol benzoat menunjukkan sifat yang tidak terduga pada fase keruh. Meneliti fase ini di bawah mikroskop polarisasi, Reinitzer menemukan bahwa ia memiliki birefringence. Ini berarti bahwa indeks bias cahaya, yaitu kecepatan cahaya dalam fase ini, bergantung pada polarisasi.

9. Cairan- keadaan agregasi suatu zat, menggabungkan fitur keadaan padat (kekekalan volume, kekuatan tarik tertentu) dan keadaan gas (variabilitas bentuk). Cairan dicirikan oleh keteraturan jarak pendek dalam susunan partikel (molekul, atom) dan perbedaan kecil dalam energi kinetik dari gerakan termal molekul dan energi potensial interaksinya. Gerakan termal molekul cair terdiri dari osilasi di sekitar posisi kesetimbangan dan lompatan yang relatif jarang dari satu posisi setimbang ke posisi setimbang lainnya, yang dikaitkan dengan fluiditas cairan.

10. Cairan superkritis(GFR) adalah keadaan agregasi suatu zat, di mana perbedaan antara fase cair dan gas menghilang. Setiap zat pada suhu dan tekanan di atas titik kritis adalah cairan superkritis. Sifat-sifat zat dalam keadaan superkritis adalah perantara antara sifat-sifatnya dalam fase gas dan cair. Dengan demikian, SCF memiliki densitas tinggi, dekat dengan cairan, dan viskositas rendah, seperti gas. Koefisien difusi dalam hal ini memiliki nilai antara antara cair dan gas. Zat dalam keadaan superkritis dapat digunakan sebagai pengganti Pelarut organik dalam proses laboratorium dan industri. Air superkritis dan karbon dioksida superkritis telah menerima minat dan distribusi terbesar sehubungan dengan sifat-sifat tertentu.
Salah satu sifat terpenting dari keadaan superkritis adalah kemampuan untuk melarutkan zat. Dengan mengubah suhu atau tekanan fluida, seseorang dapat mengubah sifat-sifatnya dalam rentang yang luas. Dengan demikian, dimungkinkan untuk mendapatkan cairan yang sifatnya dekat dengan cairan atau gas. Dengan demikian, daya larut cairan meningkat dengan meningkatnya kepadatan (pada suhu konstan). Karena densitas meningkat dengan meningkatnya tekanan, mengubah tekanan dapat mempengaruhi daya larut fluida (pada suhu konstan). Dalam kasus suhu, ketergantungan sifat fluida agak lebih rumit - pada kerapatan konstan, daya larut fluida juga meningkat, namun, mendekati titik kritis, sedikit peningkatan suhu dapat menyebabkan penurunan tajam dalam kerapatan. , dan, karenanya, daya larut. Fluida superkritis bercampur satu sama lain tanpa batas, sehingga ketika titik kritis campuran tercapai, sistem akan selalu fase tunggal. Perkiraan suhu kritis campuran biner dapat dihitung sebagai rata-rata aritmatika dari parameter kritis zat Tc(campuran) = (fraksi mol A) x TcA + (fraksi mol B) x TcB.

11. Gas- (Gaz Prancis, dari kekacauan Yunani - kekacauan), keadaan agregat materi di mana energi kinetik dari gerakan termal partikelnya (molekul, atom, ion) secara signifikan melebihi energi potensial interaksi di antara mereka, dan oleh karena itu partikel bergerak bebas, mengisi secara seragam tanpa adanya bidang eksternal, seluruh volume disediakan untuk mereka.

12. Plasma- (dari plasma Yunani - dibentuk, berbentuk), keadaan materi, yang merupakan gas terionisasi, di mana konsentrasi muatan positif dan negatif adalah sama (semu netral). Sebagian besar materi di Alam Semesta berada dalam keadaan plasma: bintang, nebula galaksi, dan medium antarbintang. Di dekat Bumi, plasma ada dalam bentuk angin matahari, magnetosfer dan ionosfer. Plasma suhu tinggi (T ~ 106 - 108 K) dari campuran deuterium dan tritium sedang dipelajari dengan tujuan untuk menerapkan kontrol fusi termonuklir. Plasma suhu rendah (T 105K) digunakan di berbagai perangkat pelepasan gas (laser gas, perangkat ion, generator MHD, obor plasma, mesin plasma, dll.), serta dalam teknologi (lihat Metalurgi plasma, Pengeboran plasma, Teknologi plasma).

13. Materi yang merosot- adalah tahap peralihan antara plasma dan neutronium. Ini diamati pada katai putih dan memainkan peran penting dalam evolusi bintang. Ketika atom berada di bawah kondisi suhu dan tekanan yang sangat tinggi, mereka kehilangan elektronnya (mereka berubah menjadi gas elektron). Dengan kata lain, mereka sepenuhnya terionisasi (plasma). Tekanan gas seperti itu (plasma) ditentukan oleh tekanan elektron. Jika densitas sangat tinggi, semua partikel dipaksa untuk mendekati satu sama lain. Elektron dapat berada dalam keadaan dengan energi tertentu, dan dua elektron tidak dapat memiliki energi yang sama (kecuali jika spinnya berlawanan). Jadi, dalam gas padat, semua tingkat energi yang lebih rendah ternyata diisi dengan elektron. Gas seperti itu disebut degenerasi. Dalam keadaan ini, elektron menunjukkan tekanan elektron merosot yang melawan gaya gravitasi.

14. Neutronium- keadaan agregasi di mana zat lewat ketika lebih tekanan tinggi, sejauh ini tidak dapat dicapai di laboratorium, tetapi ada di dalam bintang neutron. Selama transisi ke keadaan neutron, elektron materi berinteraksi dengan proton dan berubah menjadi neutron. Akibatnya, materi dalam keadaan neutron seluruhnya terdiri dari neutron dan memiliki kerapatan orde nuklir. Suhu zat dalam hal ini tidak boleh terlalu tinggi (dalam energi yang setara, tidak lebih dari seratus MeV).
Dengan peningkatan suhu yang kuat (ratusan MeV ke atas), dalam keadaan neutron, berbagai meson mulai lahir dan musnah. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, dekoneksi terjadi, dan materi masuk ke keadaan plasma quark-gluon. Itu tidak lagi terdiri dari hadron, tetapi dari quark dan gluon yang terus-menerus lahir dan menghilang.

15. Plasma kuark-gluon(kromoplasma) - keadaan agregat materi dalam fisika energi tinggi dan fisika partikel dasar, di mana materi hadronik masuk ke keadaan yang mirip dengan keadaan di mana elektron dan ion ditemukan dalam plasma biasa.
Biasanya materi dalam hadron berada dalam keadaan yang disebut tidak berwarna ("putih"). Artinya, quark dengan warna berbeda saling mengimbangi. Keadaan serupa ada dalam materi biasa - ketika semua atom netral secara listrik, yaitu,
muatan positif di dalamnya dikompensasi oleh yang negatif. Pada suhu tinggi, ionisasi atom dapat terjadi, sementara muatan dipisahkan, dan zat menjadi, seperti yang mereka katakan, "semu netral". Artinya, seluruh awan materi secara keseluruhan tetap netral, dan partikel individualnya berhenti menjadi netral. Agaknya, hal yang sama dapat terjadi dengan materi hadronik - pada energi yang sangat tinggi, warna dilepaskan dan membuat zat "semu tak berwarna".
Agaknya, materi Semesta berada dalam keadaan plasma quark-gluon pada saat-saat pertama setelah Big Bang. Sekarang plasma quark-gluon dapat dibentuk untuk waktu yang singkat dalam tumbukan partikel berenergi sangat tinggi.
Plasma kuark-gluon diperoleh secara eksperimental di akselerator RHIC di Brookhaven National Laboratory pada tahun 2005. Suhu plasma maksimum 4 triliun derajat Celcius diperoleh di sana pada Februari 2010.

16. Zat aneh- keadaan agregasi, di mana materi dikompresi ke nilai batas kepadatan, itu bisa ada dalam bentuk "sup quark". Satu sentimeter kubik materi di negara bagian ini akan memiliki berat miliaran ton; selain itu, ia akan mengubah zat normal apa pun yang bersentuhan dengannya menjadi bentuk "aneh" yang sama dengan pelepasan sejumlah besar energi.
Energi yang dapat dilepaskan selama transformasi substansi inti bintang menjadi "zat aneh" akan menyebabkan ledakan "quark nova" yang sangat kuat - dan, menurut Leahy dan Wyed, justru ledakan ini yang diamati para astronom pada bulan September 2006.
Proses pembentukan zat ini dimulai dengan supernova biasa, di mana bintang masif berubah. Sebagai hasil dari ledakan pertama, sebuah bintang neutron terbentuk. Namun, menurut Leahy dan Wyed, itu tidak berlangsung lama - karena rotasinya tampaknya diperlambat oleh medan magnetnya sendiri, ia mulai menyusut lebih banyak lagi, dengan pembentukan gumpalan "benda aneh", yang menyebabkan bahkan lebih kuat daripada dalam ledakan supernova normal, pelepasan energi - dan lapisan luar zat bintang neutron sebelumnya, terbang ke ruang sekitarnya dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya.

17. Materi yang sangat simetris- ini adalah zat yang dikompresi sedemikian rupa sehingga partikel mikro di dalamnya berlapis satu sama lain, dan tubuh itu sendiri runtuh ke dalam lubang hitam. Istilah "simetri" dijelaskan sebagai berikut: Mari kita ambil keadaan agregat materi yang diketahui semua orang dari bangku sekolah - padat, cair, gas. Untuk kepastian, pertimbangkan kristal tak terbatas yang ideal sebagai padatan. Ini memiliki tertentu, yang disebut simetri diskrit sehubungan dengan terjemahan. Ini berarti bahwa jika kisi kristal digeser dengan jarak yang sama dengan interval antara dua atom, tidak ada yang berubah di dalamnya - kristal akan bertepatan dengan dirinya sendiri. Jika kristal dicairkan, maka simetri cairan yang dihasilkan akan berbeda: itu akan meningkat. Dalam kristal, hanya titik-titik yang berjauhan satu sama lain pada jarak tertentu, yang disebut simpul kisi kristal, di mana atom identik berada, adalah setara.
Cairan itu homogen di seluruh volumenya, semua titiknya tidak dapat dibedakan satu sama lain. Ini berarti bahwa cairan dapat dipindahkan oleh jarak sembarang (dan bukan hanya jarak tertentu, seperti dalam kristal) atau diputar oleh sudut sembarang (yang tidak dapat dilakukan dalam kristal sama sekali) dan itu akan bertepatan dengan dirinya sendiri. Derajat simetrinya lebih tinggi. Gas bahkan lebih simetris: cairan menempati volume tertentu di dalam bejana dan ada asimetri di dalam bejana, di mana ada cairan, dan titik-titik di mana tidak ada. Gas, di sisi lain, menempati seluruh volume yang disediakan untuknya, dan dalam pengertian ini semua titiknya tidak dapat dibedakan satu sama lain. Namun demikian, akan lebih tepat untuk berbicara di sini bukan tentang poin, tetapi tentang elemen kecil, tetapi makroskopis, karena pada tingkat mikroskopis masih ada perbedaan. Di beberapa titik di saat ini waktu memiliki atom atau molekul, sementara yang lain tidak. Simetri hanya diamati rata-rata, baik dalam beberapa parameter volume makroskopik, atau dalam waktu.
Tetapi masih belum ada simetri instan pada tingkat mikroskopis. Jika zat dikompresi dengan sangat kuat, pada tekanan yang tidak dapat diterima dalam kehidupan sehari-hari, dikompresi sehingga atom-atom dihancurkan, cangkangnya saling menembus, dan inti mulai bersentuhan, simetri muncul pada tingkat mikroskopis. Semua inti adalah sama dan saling menekan, tidak hanya ada jarak antar atom, tetapi juga antar inti, dan zat menjadi homogen (zat asing).
Tetapi ada juga tingkat submikroskopis. Inti terdiri dari proton dan neutron yang bergerak di dalam inti. Ada juga beberapa ruang di antara mereka. Jika Anda terus mengompres sehingga inti juga hancur, nukleon akan saling menekan dengan kuat. Kemudian, pada tingkat submikroskopis, simetri akan muncul, yang bahkan tidak ada di dalam inti biasa.
Dari apa yang telah dikatakan, seseorang dapat melihat tren yang cukup pasti: semakin tinggi suhu dan lebih banyak tekanan, semakin simetris benda tersebut. Berdasarkan pertimbangan tersebut, zat yang dimampatkan secara maksimal disebut sangat simetris.

18. Materi simetris lemah- keadaan yang berlawanan dengan materi yang sangat simetris dalam sifat-sifatnya, yang hadir di Alam Semesta paling awal pada suhu yang mendekati suhu Planck, mungkin 10-12 detik setelah Big Bang, ketika gaya kuat, lemah, dan elektromagnetik adalah kekuatan super tunggal . Dalam keadaan ini, materi dikompresi sedemikian rupa sehingga massanya diubah menjadi energi, yang mulai mengembang, yaitu mengembang tanpa batas. Masih belum mungkin untuk mencapai energi untuk produksi eksperimental negara adidaya dan transfer materi ke fase ini di bawah kondisi terestrial, meskipun upaya semacam itu dilakukan di Large Hadron Collider untuk mempelajari alam semesta awal. Karena tidak adanya interaksi gravitasi dalam komposisi gaya super yang membentuk zat ini, gaya super tidak cukup simetris dibandingkan dengan gaya supersimetris, yang berisi keempat jenis interaksi. Oleh karena itu, keadaan agregasi ini menerima nama seperti itu.

19. Materi radiasi- ini, pada kenyataannya, bukan lagi zat, tetapi energi dalam bentuknya yang paling murni. Namun, keadaan agregasi hipotetis inilah yang akan diambil oleh benda yang telah mencapai kecepatan cahaya. Itu juga dapat diperoleh dengan memanaskan tubuh ke suhu Planck (1032K), yaitu dengan mendispersikan molekul zat dengan kecepatan cahaya. Sebagai berikut dari teori relativitas, ketika kecepatan mencapai lebih dari 0,99 s, massa tubuh mulai tumbuh jauh lebih cepat daripada dengan akselerasi "normal", di samping itu, tubuh memanjang, memanas, yaitu mulai memancar dalam spektrum inframerah. Saat melintasi ambang 0,999 s, tubuh berubah secara dramatis dan memulai transisi fase cepat hingga status berkas. Sebagai berikut dari rumus Einstein, diambil secara lengkap, massa tumbuh zat akhir terdiri dari massa yang terpisah dari tubuh dalam bentuk radiasi termal, sinar-X, optik dan lainnya, yang energinya masing-masing adalah dijelaskan oleh istilah berikutnya dalam rumus. Jadi, sebuah benda yang mendekati kecepatan cahaya akan mulai memancar di semua spektrum, bertambah panjang dan melambat dalam waktu, menipis hingga panjang Planck, yaitu, setelah mencapai kecepatan c, benda akan berubah menjadi panjang dan kurus yang tak terhingga. sinar yang bergerak dengan kecepatan cahaya dan terdiri dari foton yang tidak memiliki panjang, dan massanya yang tak terbatas akan sepenuhnya berubah menjadi energi. Karena itu, zat semacam itu disebut radiasi.

pengantar

1. Keadaan agregat materi - gas

2. Keadaan agregat materi - cair

3. Keadaan agregat materi - padat

4. Keadaan materi keempat adalah plasma

Kesimpulan

Daftar literatur yang digunakan

pengantar

Seperti yang Anda ketahui, banyak zat di alam dapat berada dalam tiga wujud: padat, cair, dan gas.

Interaksi partikel materi dalam keadaan padat paling menonjol. Jarak antar molekul kira-kira sama dengan ukurannya sendiri. Ini mengarah pada interaksi yang cukup kuat, yang secara praktis menghilangkan peluang partikel untuk bergerak: mereka berosilasi di sekitar posisi keseimbangan tertentu. Mereka mempertahankan bentuk dan volumenya.

Sifat-sifat cairan juga dijelaskan oleh strukturnya. Partikel materi dalam cairan berinteraksi kurang intensif daripada dalam padatan, dan oleh karena itu mereka dapat mengubah lokasinya dengan cepat - cairan tidak mempertahankan bentuknya - mereka cair.

Gas adalah kumpulan molekul yang bergerak secara acak ke segala arah secara independen satu sama lain. Gas tidak memiliki bentuknya sendiri, mereka menempati seluruh volume yang disediakan untuknya dan mudah dikompresi.

Ada keadaan materi lain - plasma.

Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk mempertimbangkan keadaan agregat materi yang ada, untuk mengidentifikasi semua kelebihan dan kekurangannya.

Untuk melakukan ini, perlu untuk melakukan dan mempertimbangkan keadaan agregat berikut:

2. cairan

3. padat

3. Keadaan agregat materi - padat

Padat, salah satu dari empat keadaan agregasi materi, yang berbeda dari keadaan agregasi lainnya (cairan, gas, plasma)) stabilitas bentuk dan sifat gerak termal atom yang membuat getaran kecil di sekitar posisi kesetimbangan. Seiring dengan keadaan kristal T. t., ada keadaan amorf, termasuk keadaan kaca. Kristal dicirikan oleh keteraturan jarak jauh dalam susunan atom. Tidak ada urutan jarak jauh dalam tubuh amorf.

Keadaan agregasi- keadaan materi yang dicirikan oleh sifat kualitatif tertentu: kemampuan atau ketidakmampuan untuk mempertahankan volume dan bentuk, ada atau tidak adanya keteraturan jangka panjang dan jangka pendek, dan lain-lain. Perubahan keadaan agregasi dapat disertai dengan perubahan mendadak energi bebas, entropi, densitas dan sifat fisik dasar lainnya.
Ada tiga keadaan utama agregasi: padat, cair dan gas. Terkadang tidak sepenuhnya benar untuk mengklasifikasikan plasma sebagai keadaan agregasi. Ada keadaan agregasi lain, misalnya, kristal cair atau kondensat Bose-Einstein. Perubahan keadaan agregasi adalah proses termodinamika yang disebut transisi fase. Varietas berikut dibedakan: dari padat ke cair - meleleh; dari cair ke gas - penguapan dan pendidihan; dari padat ke gas - sublimasi; dari gas ke cair atau padat - kondensasi; dari cair ke padat - kristalisasi. Ciri khas adalah tidak adanya batas yang tajam dari transisi ke keadaan plasma.
Definisi keadaan agregat tidak selalu ketat. Jadi, ada benda amorf yang mempertahankan struktur cairan dan memiliki sedikit fluiditas dan kemampuan untuk mempertahankan bentuk; kristal cair adalah cairan, tetapi pada saat yang sama mereka memiliki beberapa sifat padatan, khususnya, mereka dapat mempolarisasi radiasi elektromagnetik yang melewatinya. Untuk menggambarkan berbagai keadaan dalam fisika, lebih dari konsep luas fase termodinamika. Fenomena yang menggambarkan transisi dari satu fase ke fase lainnya disebut fenomena kritis.
Keadaan fisik materi bergantung pada kondisi fisik, di mana ia berada, terutama pada suhu dan tekanan. Besaran yang menentukan adalah perbandingan antara energi potensial rata-rata interaksi molekul dengan energi kinetik rata-ratanya. Jadi, untuk benda padat rasio ini lebih besar dari 1, untuk gas kurang dari 1, dan untuk cairan kira-kira sama dengan 1. Transisi dari satu keadaan agregasi suatu zat ke yang lain disertai dengan perubahan mendadak dalam nilai hubungan yang diberikan terkait dengan perubahan mendadak dalam jarak antarmolekul dan interaksi antarmolekul. Dalam gas, jarak antarmolekulnya besar, molekulnya hampir tidak berinteraksi satu sama lain dan bergerak hampir bebas, mengisi seluruh volume. Dalam cairan dan padatan - media kental - molekul (atom) terletak lebih dekat satu sama lain dan berinteraksi lebih kuat.
Ini mengarah pada pelestarian cairan dan padatan volumenya. Namun, sifat pergerakan molekul dalam padatan dan cairan berbeda, yang menjelaskan perbedaan struktur dan sifat mereka.
Dalam padatan dalam keadaan kristal, atom hanya bergetar di dekat simpul kisi kristal; struktur badan-badan ini dicirikan derajat tinggi keteraturan - keteraturan jangka panjang dan jangka pendek. Pergerakan termal molekul (atom) cairan adalah kombinasi fluktuasi kecil di sekitar posisi kesetimbangan dan lompatan yang sering dari satu posisi setimbang ke posisi setimbang lainnya. Yang terakhir menentukan keberadaan dalam cairan hanya dengan urutan jarak pendek dalam susunan partikel, serta mobilitas dan fluiditas yang melekat pada mereka.
sebuah. Padat- keadaan yang ditandai dengan kemampuan untuk mempertahankan volume dan bentuk. Atom dari benda padat hanya membuat getaran kecil di sekitar keadaan setimbang. Ada pesanan jangka panjang dan jangka pendek.
B. Cairan- keadaan materi di mana ia memiliki kompresibilitas rendah, yaitu, ia mempertahankan volumenya dengan baik, tetapi tidak dapat mempertahankan bentuknya. Cairan dengan mudah mengambil bentuk wadah di mana ia ditempatkan. Atom atau molekul cairan bergetar mendekati keadaan setimbang, terkunci oleh atom lain, dan sering melompat ke tempat bebas lainnya. Hanya ada pesanan jarak pendek.
Meleleh- ini adalah transisi suatu zat dari keadaan agregasi padat (lihat Keadaan agregat materi) ke cairan. Proses ini terjadi selama pemanasan, ketika sejumlah panas +Q diberikan ke tubuh. Misalnya, timah logam dengan titik leleh rendah berpindah dari keadaan padat ke keadaan cair jika dipanaskan hingga suhu 327 ° C. Timbal mudah meleleh menjadi tungku gas, misalnya, dalam sendok baja tahan karat (diketahui bahwa suhu nyala kompor gas adalah 600-850 °C, dan titik leleh baja adalah 1300-1500 °C).
Jika, saat melelehkan timbal, suhunya diukur, maka dapat ditemukan bahwa pada awalnya secara bertahap meningkat, tetapi setelah beberapa saat tetap konstan, meskipun dipanaskan lebih lanjut. Momen ini sesuai dengan pencairan. Temperatur dijaga konstan sampai semua timah meleleh, dan baru setelah itu mulai naik lagi. Ketika timbal cair didinginkan, kebalikannya diamati: suhu turun sampai pemadatan dimulai dan tetap konstan sepanjang waktu sampai timbal masuk ke fase padat, dan kemudian berkurang lagi.
Semua zat murni berperilaku dengan cara yang sama. Keteguhan suhu selama peleburan sangat penting secara praktis, karena memungkinkan kalibrasi termometer, membuat sekering dan indikator yang meleleh pada suhu yang ditentukan secara ketat.
Atom-atom dalam kristal bergetar di sekitar posisi kesetimbangannya. Saat suhu naik, amplitudo osilasi meningkat dan mencapai nilai kritis tertentu, setelah itu sel kristal dihancurkan. Ini membutuhkan tambahan energi termal, oleh karena itu, selama proses peleburan, suhu tidak naik, meskipun panas terus mengalir.
Titik leleh suatu zat tergantung pada tekanan. Untuk zat yang volumenya meningkat selama peleburan (dan sebagian besar dari mereka), peningkatan tekanan meningkatkan titik leleh dan sebaliknya. Di air, volume berkurang selama pencairan (karena itu, ketika membeku, air memecahkan pipa), dan ketika tekanan meningkat, es meleleh pada suhu yang lebih rendah. Bismut, galium, dan beberapa jenis besi tuang berperilaku serupa.
v. Gas- kondisi yang ditandai dengan kompresibilitas yang baik, kurangnya kemampuan untuk mempertahankan volume dan bentuk. Gas cenderung menempati seluruh volume yang disediakan untuk itu. Atom atau molekul gas berperilaku relatif bebas, jarak di antara mereka jauh lebih besar daripada ukurannya.
Plasma, sering disebut sebagai keadaan agregasi materi, berbeda dari gas dalam tingkat ionisasi atom yang tinggi. Sebagian besar materi barionik (berdasarkan massa sekitar 99,9%) di Semesta berada dalam keadaan plasma.
g.C cairan superkritis- Terjadi dengan peningkatan suhu dan tekanan secara simultan ke titik kritis, di mana kerapatan gas dibandingkan dengan kerapatan cairan; dalam hal ini, batas antara fase cair dan gas menghilang. Fluida superkritis memiliki daya larut yang sangat tinggi.
D. Kondensat Bose-Einstein- diperoleh dengan mendinginkan gas Bose hingga suhu mendekati nol mutlak. Akibatnya, beberapa atom berada dalam keadaan dengan energi nol (yaitu, dalam keadaan kuantum serendah mungkin). Kondensat Bose-Einstein menunjukkan sejumlah sifat kuantum seperti superfluiditas dan resonansi Fischbach.
e. Kondensat Fermionik- adalah Bose-kondensasi dalam mode BCS dari "pasangan atom Cooper" dalam gas yang terdiri dari atom fermion. (Berbeda dengan mode tradisional kondensasi Bose-Einstein dari senyawa boson).
Kondensat atom fermionik semacam itu adalah "kerabat" superkonduktor, tetapi dengan suhu kritis orde suhu kamar ke atas.
Materi terdegenerasi - Gas Fermi Tahap 1 Gas degenerasi elektron, yang diamati pada katai putih, memainkan peran penting dalam evolusi bintang. Tahap ke-2 adalah keadaan neutron di mana materi lewat di bawah tekanan sangat tinggi, yang belum dapat dicapai di laboratorium, tetapi ada di dalam bintang neutron. Selama transisi ke keadaan neutron, elektron materi berinteraksi dengan proton dan berubah menjadi neutron. Akibatnya, materi dalam keadaan neutron seluruhnya terdiri dari neutron dan memiliki kerapatan orde nuklir. Suhu zat dalam hal ini tidak boleh terlalu tinggi (dalam energi yang setara, tidak lebih dari seratus MeV).
Dengan peningkatan suhu yang kuat (ratusan MeV ke atas), dalam keadaan neutron, berbagai meson mulai lahir dan musnah. Dengan peningkatan suhu lebih lanjut, dekoneksi terjadi, dan materi masuk ke keadaan plasma quark-gluon. Itu tidak lagi terdiri dari hadron, tetapi dari quark dan gluon yang terus-menerus lahir dan menghilang. Mungkin deconfinement terjadi dalam dua tahap.
Dengan peningkatan tekanan tak terbatas lebih lanjut tanpa peningkatan suhu, materi runtuh ke dalam lubang hitam.
Dengan peningkatan simultan dalam tekanan dan suhu, partikel lain ditambahkan ke quark dan gluon. Apa yang terjadi pada materi, ruang dan waktu pada suhu yang mendekati suhu Planck masih belum diketahui.
negara bagian lain
Selama pendinginan dalam, beberapa (tidak semua) zat masuk ke keadaan superkonduktor atau superfluida. Keadaan-keadaan ini, tentu saja, adalah fase termodinamika yang terpisah, tetapi mereka hampir tidak layak disebut keadaan materi agregat baru karena non-universalitasnya.
Zat-zat yang tidak homogen seperti pasta, gel, suspensi, aerosol, dll., yang dalam kondisi tertentu menunjukkan sifat-sifat padatan dan cairan dan bahkan gas, biasanya diklasifikasikan sebagai bahan terdispersi, dan bukan pada keadaan agregat materi tertentu .

Pertanyaan tentang apa itu keadaan agregasi, fitur dan sifat apa yang dimiliki padatan, cairan, dan gas dipertimbangkan dalam beberapa kursus pelatihan. Ada tiga keadaan klasik materi, dengan ciri khas strukturnya sendiri. Pemahaman mereka adalah poin penting dalam memahami ilmu-ilmu tentang Bumi, makhluk hidup, kegiatan produksi. Pertanyaan-pertanyaan ini dipelajari oleh fisika, kimia, geografi, geologi, kimia fisik dan disiplin ilmu lainnya. Zat yang berada dalam kondisi tertentu di salah satu dari tiga tipe dasar keadaan dapat berubah dengan kenaikan atau penurunan suhu atau tekanan. Mari kita pertimbangkan kemungkinan transisi dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya, seperti yang dilakukan di alam, teknologi, dan kehidupan sehari-hari.

Apa itu keadaan agregasi?

Kata asal Latin "aggrego" dalam terjemahan ke dalam bahasa Rusia berarti "melekat". Istilah ilmiah mengacu pada keadaan tubuh yang sama, zat. Keberadaan di bawah tertentu nilai suhu dan tekanan yang berbeda dari padatan, gas dan cairan khas untuk semua cangkang Bumi. Selain tiga kondisi agregat dasar, ada juga yang keempat. Pada suhu tinggi dan tekanan konstan, gas berubah menjadi plasma. Untuk lebih memahami apa itu keadaan agregasi, perlu diingat partikel terkecil yang membentuk zat dan benda.

Diagram di atas menunjukkan: a - gas; b - cair; c adalah benda tegar. Dalam gambar-gambar ini, lingkaran mewakili elemen struktural zat. Ini simbol, pada kenyataannya, atom, molekul, ion bukanlah bola padat. Atom terdiri dari inti bermuatan positif di mana elektron bermuatan negatif bergerak dengan kecepatan tinggi. Pengetahuan tentang struktur mikroskopis materi membantu untuk lebih memahami perbedaan yang ada di antara berbagai bentuk agregat.

Gagasan tentang dunia mikro: dari Yunani Kuno hingga abad ke-17

Informasi pertama tentang partikel yang membentuk tubuh fisik muncul di Yunani kuno. Pemikir Democritus dan Epicurus memperkenalkan konsep seperti atom. Mereka percaya bahwa partikel terkecil yang tidak dapat dibagi ini zat yang berbeda mempunyai bentuk, ukuran tertentu, mampu bergerak dan berinteraksi satu sama lain. Atomistik menjadi ajaran Yunani kuno yang paling maju pada masanya. Namun perkembangannya melambat pada Abad Pertengahan. Sejak itu para ilmuwan dianiaya oleh Inkuisisi Gereja Katolik Roma. Oleh karena itu, sampai zaman modern, tidak ada konsep yang jelas tentang apa itu keadaan agregasi materi. Hanya setelah abad ke-17 para ilmuwan R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier merumuskan ketentuan teori atom-molekul, yang tidak kehilangan signifikansinya bahkan hingga hari ini.

Atom, molekul, ion - partikel mikroskopis dari struktur materi

Terobosan signifikan dalam memahami mikrokosmos terjadi pada abad ke-20, ketika mikroskop elektron ditemukan. Mempertimbangkan penemuan yang dibuat oleh para ilmuwan sebelumnya, adalah mungkin untuk mengumpulkan gambaran yang harmonis tentang dunia mikro. Teori yang menggambarkan keadaan dan perilaku partikel terkecil dari materi cukup kompleks, mereka termasuk dalam bidang.Untuk memahami fitur dari berbagai keadaan agregat materi, cukup dengan mengetahui nama dan fitur partikel struktural utama yang membentuk berbagai zat.

1. Atom adalah partikel kimia yang tidak dapat dibagi. Disimpan di reaksi kimia, tetapi dihancurkan dalam nuklir. Logam dan banyak zat lain dari struktur atom memiliki keadaan agregasi yang solid ketika: kondisi normal.
2. Molekul adalah partikel yang dipecah dan dibentuk dalam reaksi kimia. oksigen, air, karbon dioksida, belerang. Keadaan agregasi oksigen, nitrogen, sulfur dioksida, karbon, oksigen dalam kondisi normal adalah gas.
3. Ion adalah partikel bermuatan yang berubah menjadi atom dan molekul ketika mereka mendapatkan atau kehilangan elektron - partikel bermuatan negatif mikroskopis. Banyak garam memiliki struktur ionik, misalnya garam meja, besi dan tembaga sulfat.

Ada zat yang partikelnya terletak di ruang angkasa dengan cara tertentu. Posisi timbal balik yang teratur dari atom, ion, molekul disebut kisi kristal. Biasanya kisi kristal ionik dan atomik khas untuk padatan, molekul - untuk cairan dan gas. Berlian memiliki kekerasan yang tinggi. Kisi kristal atomnya dibentuk oleh atom karbon. Tetapi grafit lunak juga terdiri dari atom-atom ini unsur kimia. Hanya saja mereka terletak berbeda di luar angkasa. Keadaan agregasi belerang yang biasa adalah padatan, tetapi pada suhu tinggi zat tersebut berubah menjadi cairan dan massa amorf.

Zat dalam keadaan agregasi yang solid

Padatan dalam kondisi normal mempertahankan volume dan bentuknya. Misalnya sebutir pasir, sebutir gula, garam, sebongkah batu atau logam. Jika gula dipanaskan, zat tersebut mulai meleleh, berubah menjadi cairan cokelat kental. Hentikan pemanasan - sekali lagi kita mendapatkan padatan. Ini berarti bahwa salah satu syarat utama untuk transisi padatan menjadi cairan adalah pemanasannya atau peningkatan energi internal partikel-partikel zat tersebut. Keadaan padat agregasi garam, yang digunakan dalam makanan, juga dapat diubah. Tetapi untuk melelehkan garam meja, Anda membutuhkan suhu yang lebih tinggi daripada saat memanaskan gula. Faktanya adalah bahwa gula terdiri dari molekul, dan garam meja terdiri dari ion bermuatan, yang lebih kuat tertarik satu sama lain. Padatan dalam bentuk cair tidak mempertahankan bentuknya karena kisi-kisi kristal rusak.

Keadaan cair dari agregasi garam selama pencairan dijelaskan oleh pemutusan ikatan antara ion-ion dalam kristal. Partikel bermuatan dilepaskan yang dapat membawa muatan listrik. Garam cair menghantarkan listrik dan merupakan konduktor. Dalam industri kimia, metalurgi dan teknik, padatan diubah menjadi cairan untuk mendapatkan senyawa baru darinya atau memberikan bentuk yang berbeda. Paduan logam banyak digunakan. Ada beberapa cara untuk mendapatkannya, terkait dengan perubahan keadaan agregasi bahan baku padat.

Cairan adalah salah satu keadaan dasar agregasi

Jika Anda menuangkan 50 ml air ke dalam labu alas bulat, Anda akan melihat bahwa zat tersebut segera berbentuk wadah kimia. Tapi begitu kita menuangkan air dari labu, cairan itu akan langsung menyebar ke permukaan meja. Volume air akan tetap sama - 50 ml, dan bentuknya akan berubah. Ciri-ciri ini adalah ciri wujud cair dari keberadaan materi. Cairan adalah banyak zat organik: alkohol, Minyak sayur, asam.

Susu adalah emulsi, yaitu cairan yang di dalamnya terdapat tetesan-tetesan lemak. Mineral cair yang berguna adalah minyak. Itu diekstraksi dari sumur menggunakan rig pengeboran di darat dan di laut. Air laut juga merupakan bahan baku industri. Perbedaannya dengan air tawar sungai dan danau terletak pada kandungan zat terlarut, terutama garam. Selama penguapan dari permukaan badan air, hanya molekul H2O yang masuk ke keadaan uap, zat terlarut tetap ada. Metode untuk memperoleh zat bermanfaat dari air laut dan cara membersihkannya.

Dengan penghilangan garam sepenuhnya, air suling diperoleh. Mendidih pada 100 °C dan membeku pada 0 °C. Air asin mendidih dan berubah menjadi es pada suhu yang berbeda. Misalnya, air di Samudra Arktik membeku pada suhu permukaan 2°C.

Keadaan agregat merkuri dalam kondisi normal adalah cair. Logam abu-abu perak ini biasanya diisi dengan termometer medis. Saat dipanaskan, kolom merkuri naik pada skala, zat itu memuai. Mengapa alkohol diwarnai dengan cat merah yang digunakan, dan bukan merkuri? Ini dijelaskan oleh sifat-sifat logam cair. Pada salju 30 derajat, keadaan agregasi merkuri berubah, zat menjadi padat.

Jika termometer medis rusak dan air raksa tumpah, maka berbahaya untuk mengumpulkan bola perak dengan tangan Anda. Menghirup uap merkuri berbahaya, zat ini sangat beracun. Anak-anak dalam kasus seperti itu perlu mencari bantuan dari orang tua, orang dewasa.

keadaan gas

Gas tidak dapat mempertahankan volume atau bentuknya. Isi labu ke atas dengan oksigen rumus kimia Tentang 2). Segera setelah kita membuka labu, molekul zat akan mulai bercampur dengan udara di dalam ruangan. Hal ini disebabkan oleh gerak Brown. Bahkan ilmuwan Yunani kuno Democritus percaya bahwa partikel materi selalu bergerak. Dalam padatan, dalam kondisi normal, atom, molekul, ion tidak memiliki kesempatan untuk meninggalkan kisi kristal, untuk membebaskan diri dari ikatan dengan partikel lain. Ini hanya mungkin jika sejumlah besar energi disuplai dari luar.

Dalam cairan, jarak antar partikel sedikit lebih besar dari pada padatan; mereka membutuhkan lebih sedikit energi untuk memutuskan ikatan antarmolekul. Misalnya, keadaan agregat cair oksigen diamati hanya ketika suhu gas turun menjadi -183 °C. Pada -223°C, molekul O2 membentuk padatan. Ketika suhu naik di atas nilai yang diberikan, oksigen berubah menjadi gas. Dalam bentuk inilah ia berada dalam kondisi normal. pada perusahaan industri ada instalasi khusus untuk memisahkan udara atmosfer dan memperoleh nitrogen dan oksigen darinya. Pertama, udara didinginkan dan dicairkan, dan kemudian suhunya dinaikkan secara bertahap. Nitrogen dan oksigen berubah menjadi gas dalam kondisi yang berbeda.

Atmosfer bumi mengandung 21% oksigen dan 78% nitrogen berdasarkan volume. Dalam bentuk cair, zat-zat ini tidak ditemukan dalam selubung gas planet ini. Oksigen cair memiliki warna biru muda dan diisi dengan tekanan tinggi ke dalam silinder untuk digunakan di fasilitas medis. Dalam industri dan konstruksi, gas cair diperlukan untuk banyak proses. Oksigen diperlukan untuk pengelasan gas dan pemotongan logam, dalam kimia - untuk reaksi oksidasi zat anorganik dan organik. Jika Anda membuka katup tabung oksigen, tekanan berkurang, cairan berubah menjadi gas.

Ditemukan propana cair, metana, dan butana aplikasi luas dalam energi, transportasi, industri dan kegiatan rumah tangga penduduk. Zat-zat ini diperoleh dari gas alam atau selama cracking (pembelahan) bahan baku minyak bumi. Campuran karbon cair dan gas memainkan peran penting dalam perekonomian banyak negara. Tapi cadangan minyak dan gas alam sangat menipis. Menurut para ilmuwan, bahan baku ini akan bertahan selama 100-120 tahun. Sumber energi alternatif adalah aliran udara (angin). Sungai yang berarus deras, pasang surut di tepi laut dan samudera digunakan untuk mengoperasikan pembangkit listrik.

Oksigen, seperti gas lainnya, dapat berada dalam keadaan agregasi keempat, mewakili plasma. Transisi yang tidak biasa dari wujud padat ke gas adalah ciri khas yodium kristal. Zat ungu tua mengalami sublimasi - berubah menjadi gas, melewati keadaan cair.

Bagaimana transisi dari satu bentuk agregat materi ke yang lain dilakukan?

Perubahan keadaan agregat zat tidak terkait dengan transformasi kimia, ini adalah fenomena fisik. Ketika suhu naik, banyak padatan meleleh dan berubah menjadi cairan. Peningkatan suhu lebih lanjut dapat menyebabkan penguapan, yaitu, ke keadaan gas dari zat tersebut. Di alam dan ekonomi, transisi semacam itu adalah karakteristik dari salah satu zat utama di Bumi. Es, cair, uap adalah keadaan air di bawah kondisi eksternal yang berbeda. Senyawanya sama, rumusnya adalah H 2 O. Pada suhu 0 ° C dan di bawah nilai ini, air mengkristal, yaitu berubah menjadi es. Ketika suhu naik, kristal yang dihasilkan dihancurkan - es mencair, air cair diperoleh kembali. Ketika dipanaskan, penguapan terbentuk - transformasi air menjadi gas - berlangsung bahkan ketika suhu rendah. Misalnya, genangan air yang membeku berangsur-angsur menghilang karena airnya menguap. Bahkan dalam cuaca dingin, pakaian basah mengering, tetapi proses ini lebih lama daripada di hari yang panas.

Semua transisi air yang terdaftar dari satu keadaan ke keadaan lain sangat penting bagi sifat Bumi. Fenomena atmosfer, iklim, dan cuaca dikaitkan dengan penguapan air dari permukaan lautan, perpindahan uap air dalam bentuk awan dan kabut ke daratan, curah hujan (hujan, salju, hujan es). Fenomena ini membentuk dasar dari siklus air dunia di alam.

Bagaimana keadaan agregat belerang berubah?

Dalam kondisi normal, belerang adalah kristal mengkilap cerah atau bubuk kuning muda, yaitu padat. Keadaan agregat belerang berubah ketika dipanaskan. Pertama, ketika suhu naik hingga 190 ° C, zat kuning meleleh, berubah menjadi cairan bergerak.

Jika Anda dengan cepat menuangkan belerang cair ke dalam air dingin, Anda mendapatkan massa amorf berwarna coklat. Dengan pemanasan lebih lanjut dari lelehan belerang, itu menjadi semakin kental dan menjadi gelap. Pada suhu di atas 300 ° C, keadaan agregasi belerang berubah lagi, zat memperoleh sifat-sifat cairan, menjadi bergerak. Transisi ini muncul karena kemampuan atom unsur untuk membentuk rantai dengan panjang yang berbeda.

Mengapa zat dapat berada dalam keadaan fisik yang berbeda?

Keadaan agregat belerang - zat sederhana- padat dalam kondisi normal. Sulfur dioksida adalah gas, asam sulfat adalah cairan berminyak lebih berat dari air. Tidak seperti asam klorida dan asam nitrat, ia tidak mudah menguap; molekul tidak menguap dari permukaannya. Apa keadaan agregasi yang memiliki belerang plastik, yang diperoleh dengan memanaskan kristal?

Dalam bentuk amorf, zat tersebut memiliki struktur cairan, memiliki sedikit fluiditas. Tetapi belerang plastik secara bersamaan mempertahankan bentuknya (sebagai padatan). Ada kristal cair yang memiliki sejumlah sifat karakteristik padatan. Jadi, keadaan suatu zat dalam kondisi yang berbeda tergantung pada sifatnya, suhu, tekanan, dan faktor lainnya. kondisi eksternal.

Apa saja ciri-ciri struktur benda padat?

Perbedaan yang ada antara keadaan agregat utama materi dijelaskan oleh interaksi antara atom, ion, dan molekul. Misalnya, mengapa keadaan agregat padat materi menyebabkan kemampuan benda untuk mempertahankan volume dan bentuk? Dalam kisi kristal logam atau garam, partikel struktural tertarik satu sama lain. Dalam logam, ion bermuatan positif berinteraksi dengan apa yang disebut "gas elektron" - akumulasi elektron bebas dalam sepotong logam. Kristal garam muncul karena tarikan partikel bermuatan berlawanan - ion. Jarak antara unit struktural padatan di atas jauh lebih kecil daripada ukuran partikel itu sendiri. Dalam hal ini, tarik-menarik elektrostatik bertindak, itu memberi kekuatan, dan tolakan tidak cukup kuat.

Untuk menghancurkan keadaan padat agregasi suatu zat, upaya harus dilakukan. Logam, garam, kristal atom meleleh pada suhu yang sangat tinggi. Misalnya, besi menjadi cair pada suhu di atas 1538 °C. Tungsten tahan api dan digunakan untuk membuat filamen pijar untuk bola lampu. Ada paduan yang menjadi cair pada suhu di atas 3000 °C. Banyak di Bumi berada dalam keadaan padat. Bahan baku ini diekstraksi dengan bantuan peralatan di tambang dan penggalian.

Untuk melepaskan bahkan satu ion dari kristal, perlu mengeluarkan sejumlah besar energi. Tetapi bagaimanapun juga, itu cukup untuk melarutkan garam dalam air agar kisi kristal hancur! Fenomena ini dijelaskan properti luar biasa air sebagai pelarut polar. Molekul H2O berinteraksi dengan ion garam, menghancurkan ikatan kimia di antara mereka. Jadi, pembubaran bukanlah pencampuran sederhana zat yang berbeda, tetapi interaksi fisik dan kimia di antara mereka.

Bagaimana molekul zat cair berinteraksi?

Air dapat berupa cair, padat dan gas (uap). Ini adalah status agregasi utamanya dalam kondisi normal. Molekul air terdiri dari satu atom oksigen dengan dua atom hidrogen terikat padanya. Ada polarisasi ikatan kimia dalam molekul, muatan negatif parsial muncul pada atom oksigen. Hidrogen menjadi kutub positif dalam molekul dan tertarik ke atom oksigen dari molekul lain. Ini disebut "ikatan hidrogen".

Keadaan agregasi cair dicirikan oleh jarak antara partikel struktural yang sebanding dengan ukurannya. Daya tariknya ada, tetapi lemah, sehingga air tidak mempertahankan bentuknya. Penguapan terjadi karena penghancuran ikatan, yang terjadi pada permukaan cairan bahkan pada suhu kamar.

Apakah ada interaksi antarmolekul dalam gas?

Keadaan gas suatu zat berbeda dari cair dan padat dalam sejumlah parameter. Di antara partikel struktural gas ada: celah besar jauh lebih besar dari ukuran molekul. Dalam hal ini, gaya tarik menarik tidak bekerja sama sekali. Keadaan agregasi gas adalah karakteristik zat yang ada dalam komposisi udara: nitrogen, oksigen, karbon dioksida. Pada gambar di bawah, kubus pertama diisi dengan gas, yang kedua dengan cairan, dan yang ketiga dengan padatan.

Banyak cairan yang mudah menguap; molekul suatu zat terlepas dari permukaannya dan masuk ke udara. Misalnya, jika untuk membuka botol terbuka dengan asam hidroklorik bawa kapas yang dicelupkan amonia kemudian muncul asap putih. Tepat di udara, reaksi kimia terjadi antara asam klorida dan amonia, amonium klorida diperoleh. Dalam keadaan materi apa zat ini berada? Partikelnya, yang membentuk asap putih, adalah kristal padat terkecil dari garam. Eksperimen ini harus dilakukan di bawah kap knalpot, zatnya beracun.

Kesimpulan

Keadaan agregasi gas telah dipelajari oleh banyak orang fisikawan terkemuka dan ahli kimia: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Claiperon, Mendeleev, Le Chatelier. Para ilmuwan telah merumuskan hukum yang menjelaskan perilaku zat gas dalam reaksi kimia ketika kondisi eksternal berubah. Keteraturan terbuka tidak hanya masuk ke sekolah dan universitas buku teks fisika dan kimia. Banyak industri kimia didasarkan pada pengetahuan tentang perilaku dan sifat zat dalam keadaan agregasi yang berbeda.