Молекулярная природа материи – определение, состояния, типы, примеры

Различные формы, которые принимают различные фазы материи, называются состоянием материи. Наиболее распространенное состояние материи, которое легко наблюдать в повседневной жизни, — твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Есть много других известных нам состояний, таких как конденсат Бозе-Эйнштейна и нейтронно-вырожденная материя, но эти состояния существуют только в экстремальных погодных условиях, таких как ультрахолодная или сверхплотная материя. Также присутствуют другие теоретические состояния, такие как кварк-глюонная плазма. С ранних стадий различие между состояниями материи основывается на качественных различиях свойств.

• Твердое тело всегда поддерживает фиксированный объем и форму, а составляющие частицы, которыми являются атомы, молекулы и ионы, остаются близко друг к другу и фиксируются на месте.
• Тогда как жидкое состояние всегда сохраняет фиксированный объем, но принимает форму сосуда. Входящие в его состав частицы находятся близко друг к другу, но движутся более свободно по сравнению с твердыми телами.
• В газообразном состоянии и форма, и объем изменчивы, адаптируясь к контейнеру. Входящие в его состав частицы наиболее подвижны и никогда не остаются неподвижными на одном и том же месте.
• В плазменном состоянии вещество имеет переменную форму и объем, но также имеет нейтральные атомы. Он содержит огромное количество электронов и ионов, и те и другие могут свободно перемещаться. Плазма также является наиболее распространенной формой видимой материи во Вселенной.

Фундаментальные состояния материи

Твердые тела

В твердом теле составляющие частицы (ионы, атомы или молекулы) очень плотно упакованы. Силы между частицами настолько сильны, что частицы не могут свободно двигаться, а могут только вибрировать. В результате чего твердое тело имеет устойчивую, определенную форму и определенный объем. Твердые тела могут изменить свою форму только под действием внешней силы, например, когда их ломают или разрезают.

В кристаллических твердых телах составляющие частицы упакованы в организованном порядке и повторяющемся образце. Положение следующей частицы можно легко предсказать. Существует несколько кристаллических структур, и одно вещество может иметь несколько структур. Например, железо при температурах ниже 912°C имеет объемно-центрированную кубическую структуру и гранецентрированную кубическую структуру между 912 и 1394°C. Сам лед имеет пятнадцать известных кристаллических структур или пятнадцать твердых фаз, которые существуют при различных температурах и давлениях. Стекло представляет собой некристаллическое и аморфное твердое вещество. Стекло и различные другие некристаллические и аморфные твердые тела не имеют дальнего порядка и не имеют основных состояний теплового равновесия; именно поэтому они описываются как неклассические состояния материи. Твердые вещества могут быть превращены в жидкости путем плавления, а также могут быть преобразованы непосредственно в газы с помощью процесса сублимации.

Жидкость

Жидкость также называется жидкостью, и она имеет почти несжимаемую природу, что означает, что она адаптируется к форме своего сосуда, но также сохраняет постоянный объем и не зависит от давления. Объем жидкости определен, если давление и температура постоянны. Когда давление выше тройной точки вещества и вещество нагревается выше точки плавления, оно становится жидкостью. Межмолекулярные силы все еще действуют, но теперь у молекул достаточно энергии, чтобы двигаться больше, чем в твердых телах, и структура подвижна. По этой причине объем жидкости не определен и равен объему сосуда. Критическая температура жидкости – это наивысшая температура, при которой она может существовать.

Газ

Газ также относится к категории жидкости и сжимаем. Газ не только принимает форму сосуда, но и расширяется, заполняя весь сосуд. В случае газа составляющие молекулы обладают достаточной кинетической энергией, так что влияние межмолекулярных сил мало, а межмолекулярные расстояния намного больше, чем размер молекулы. В случае идеального газа межмолекулярные силы равны нулю. Газ не имеет определенной формы или объема, но они занимают весь сосуд, в котором он хранится. Если мы нагреем жидкость до точки кипения при постоянном давлении, она превратится в газ.

Газ также называют паром при температуре ниже его критической температуры. При использовании только сжатия газ можно сжижать даже без его охлаждения. Пар и жидкость могут находиться в равновесии, и в этом случае давление пара над жидкостью равно давлению газа. Газ, температура и давление которого выше критической температуры и критического давления соответственно, называется сверхкритической жидкостью (СКФ). Он обладает всеми физическими свойствами газа, но его высокая плотность в некоторых случаях является причиной свойств растворителя, что приводит к множеству полезных практических применений.

Плазма

Как и газ, плазма также не имеет определенной формы или объема. Но в отличие от газов плазма электропроводна, она может создавать магнитные поля и электрические токи, а также сильно реагировать на электромагнитные силы. Есть положительно заряженное ядро, плавающее в море диссоциированных и свободных электронов. Это море электронов является причиной того, что плазма способна проводить электричество.

Состояние плазмы очень распространено на Земле, в отличие от того, что обычно считается редким. Большинство людей наблюдают это в повседневной жизни и даже не осознают этого. Молнии, искры, флуоресцентные лампы, плазменные телевизоры — типичные примеры материи в плазменном состоянии.

Типы межмолекулярных сил

В основном существуют три типа межмолекулярных сил. Это лондонские дисперсионные силы (LDF), водородные связи и диполь-дипольные взаимодействия. Молекулы тоже могут иметь смесь всех трех сил одновременно, но ЛДФ у них точно есть.

Лондонские дисперсионные силы (LDF): лондонские дисперсионные силы всегда существуют в любом веществе. Не имеет значения, состоит ли вещество из полярных или неполярных молекул. Формирование временных и мгновенных полярностей молекулы приводит к ЛДФ. Эти полярности образуются из-за циркуляции электронов.

Если в молекуле существует мгновенная полярность, то эта молекула может индуцировать полярность противоположного знака в соседней молекуле. Это приводит к ряду сил притяжения между соседними молекулами. Хорошо известно, что молекулы с большей молекулярной массой имеют больше электронов. Будучи более многочисленным, электронное облако становится более деформируемым из-за близлежащих зарядов, и эта характеристика известна как поляризуемость. Это доказывает, что молекулы с более высокой молекулярной массой имеют высокую ЛДФ, и это делает их температуру плавления, температуру кипения и энтальпии испарения выше.

Диполь-дипольные взаимодействия: молекулы, которые имеют постоянные дипольные моменты из-за неравномерного распределения электронов, испытывают диполь-дипольные взаимодействия. Из-за неравномерного распределения электронов одна сторона молекулы становится частично положительной, а другая — частично отрицательной. Вещества, которые имеют диполь-дипольные взаимодействия, обычно имеют более высокую температуру плавления и температуру кипения по сравнению с молекулами, которые имеют только ЛДФ.

Водородные связи: очень сильный диполь образуется, когда атом водорода ковалентно связывается с азотом, кислородом или фтором. Эти диполи вызывают диполь-дипольные взаимодействия, и эти взаимодействия называются водородными связями. Водородная связь является частным случаем диполь-дипольного взаимодействия.

What is Kinetic Theory?

The theory that completely describes the gases behaviour. It also assumes that gas is made up of fast-moving atoms or molecules. As solids are hard there is no intermolecular space in them, they are highly densely packed. These intermolecular gaps are larger in liquids as compared to solids. In gases, they are very loosely packed because of very high and random intermolecular spaces.

The kinetic theory completely explains the random movements of these molecules of a gas. The kinetic theory explains the following things: Pressure and temperature interpretation at the molecular level is described. It goes along with Avogadro’s theory and various gas laws. It also explains the specific heat capacity of a variety of gases.

Молекулярная природа материи

Различные ученые выдвинули множество гипотез об атомном поведении материи. Согласно этим гипотезам, все во Вселенной состоит из атомов. Атомы — это не что иное, как крошечные частицы, которые всегда движутся в каком-то порядке. Они притягиваются друг к другу, когда расстояние между ними уменьшается. Но когда они вынуждены находиться в непосредственной близости друг от друга, они раскаиваются из-за того, что имеют одинаковые обвинения.

Одна из таких теорий была предложена Дальтоном и стала известна как молекулярная теория материи. Эта теория приводит к тому, что материя состоит из молекул, а эти молекулы состоят из атомов.

• Согласно закону Гей-Люссака, при химическом соединении двух или более газов с образованием новых газов их объемы находятся в малых целых отношениях.
• Согласно закону Авогадро, все газы при одинаковых температуре и давлении имеют одинаковое число молекул в равных объемах.
• Все эти принципы являются доказательством молекулярной природы газов. Кинетическая теория основана на молекулярной теории Дальтона.
• Теория Дальтона имела успех, потому что он сказал, что материя состоит из молекул, а они состоят из атомов, и теперь мы можем наблюдать атомную структуру с помощью электронного микроскопа.

Примеры вопросов

Вопрос 1: Дайте определение закону Бойля.

Отвечать:

According to Boyle’s Law, the pressure of a gas is inversely proportional with the volume, given that the temperature and number of moles of the gas are fixed.

Вопрос 2: Почему гелий и водород не сжижаются при комнатной температуре даже после приложения очень высокого давления?

Отвечать:

Hydrogen and helium have a critical temperature that is lower than the room temperature. For the liquefaction of gas, the temperature must be lower than the critical temperature.

Вопрос 3: Что такое частицы материи?

Отвечать:

The matter is made up of elementary particles at the most fundamental level, such as quarks and leptons. This class of elementary particles also includes electrons. Quarks get fused into protons and neutrons and form atoms of the elements of the periodic table, such as hydrogen, oxygen, and iron, along with electrons.

Вопрос 4: Каково значение закона Авогадро?

Отвечать:

Avogadro’s law is the relation between the volume and amount of gases. It’s useful to save money and time in the long run. For instance, for the production of biodiesel and fuel cells, we can use methanol, which is a compound. By knowing the pressure and temperature we can find out the molar mass during the industrial synthesis of methanol.

Вопрос 5: Почему важны три состояния материи?

Отвечать:

Three types of matter are solids, liquids, and gases. A complete understanding of the particle nature of matter is vital. ‘ Small solid bits ‘ or ‘ small liquid drops, ‘ do not form the matter, but what forms the matter is atoms and molecules. These atoms and molecules determine the physical and chemical characteristics of matter.