Frågor om vad som är aggregationstillstånd vilka egenskaper och egenskaper fasta ämnen, vätskor och gaser har diskuteras i flera träningskurser. Det finns tre klassiska materiatillstånd, med sina egna karakteristiska strukturella drag. Deras förståelse är en viktig punkt för att förstå jordens vetenskaper, levande organismer och industriella aktiviteter. Dessa frågor studeras av fysik, kemi, geografi, geologi, fysisk kemi och andra vetenskapliga discipliner. Ämnen som under vissa förhållanden befinner sig i en av tre grundtyper av tillstånd kan förändras med en ökning eller sänkning av temperatur och tryck. Låt oss överväga möjliga övergångar från ett tillstånd av aggregering till ett annat, eftersom de förekommer i naturen, tekniken och vardagen.
Vad är ett aggregationstillstånd?
Ordet av latinskt ursprung "aggrego" översatt till ryska betyder "att gå med". Den vetenskapliga termen syftar på tillståndet hos samma kropp, substans. Förekomsten av fasta ämnen, gaser och vätskor vid vissa temperaturer och olika tryck är karakteristisk för alla jordens skal. Utöver de tre grundläggande aggregeringstillstånden finns det också ett fjärde. Vid förhöjd temperatur och konstant tryck förvandlas gasen till plasma. För att bättre förstå vad ett aggregationstillstånd är, är det nödvändigt att komma ihåg de minsta partiklarna som utgör ämnen och kroppar.
Diagrammet ovan visar: a - gas; b—vätska; c är en solid kropp. I sådana bilder indikerar cirklar de strukturella elementen i ämnen. Detta är en symbol; i själva verket är atomer, molekyler och joner inte solida bollar. Atomer består av en positivt laddad kärna runt vilken negativt laddade elektroner rör sig med hög hastighet. Kunskap om materiens mikroskopiska struktur hjälper till att bättre förstå de skillnader som finns mellan olika aggregatformer.
Idéer om mikrokosmos: från antikens Grekland till 1600-talet
Den första informationen om partiklarna som utgör fysiska kroppar, framträdde i Antikens Grekland. Tänkarna Demokrit och Epikuros introducerade ett sådant koncept som atomen. De trodde att dessa minsta odelbara partiklar av olika ämnen har en form, vissa storlekar och kan röra sig och interagera med varandra. Atomism blev den mest avancerade läran i det antika Grekland för sin tid. Men dess utveckling avtog under medeltiden. Sedan dess har vetenskapsmän förföljts av den romersk-katolska kyrkans inkvisition. Fram till modern tid fanns det därför ingen klar uppfattning om vad materiens tillstånd var. Först efter 1600-talet formulerade forskarna R. Boyle, M. Lomonosov, D. Dalton, A. Lavoisier bestämmelserna i den atommolekylära teorin, som inte har förlorat sin betydelse idag.
Atomer, molekyler, joner - mikroskopiska partiklar av materiens struktur
Ett betydande genombrott för att förstå mikrovärlden inträffade på 1900-talet, när elektronmikroskopet uppfanns. Med hänsyn till de upptäckter som tidigare gjorts av forskare, var det möjligt att sätta ihop en sammanhängande bild av mikrovärlden. Teorier som beskriver tillståndet och beteendet hos de minsta materiens partiklar är ganska komplexa; de relaterar till området För att förstå egenskaperna hos olika aggregattillstånd av materia räcker det att känna till namnen och egenskaperna hos de huvudsakliga strukturella partiklarna som bildas olika ämnen.
- Atomer är kemiskt odelbara partiklar. Sparad i kemiska reaktioner, men förstörs i nukleära sådana. Metaller och många andra ämnen med atomstruktur har ett fast aggregationstillstånd under normala förhållanden.
- Molekyler är partiklar som bryts ner och bildas i kemiska reaktioner. syre, vatten, koldioxid, svavel. Det fysiska tillståndet för syre, kväve, svaveldioxid, kol, syre under normala förhållanden är gasformigt.
- Joner är de laddade partiklar som atomer och molekyler blir när de får eller förlorar elektroner - mikroskopiska negativt laddade partiklar. Många salter har en jonstruktur, till exempel bordssalt, järnsulfat och kopparsulfat.
Det finns ämnen vars partiklar finns i rymden på ett visst sätt. Den ordnade inbördes positionen för atomer, joner och molekyler kallas ett kristallgitter. Typiskt är joniska och atomära kristallgitter karakteristiska för fasta ämnen, molekylära - för vätskor och gaser. Diamant kännetecknas av sin höga hårdhet. Dess atomära kristallgitter bildas av kolatomer. Men mjuk grafit består också av atomer av detta kemiska element. Bara de är placerade annorlunda i rymden. Det vanliga tillståndet för aggregation av svavel är fast, men vid höga temperaturer förvandlas ämnet till en vätska och en amorf massa.
Ämnen i fast aggregationstillstånd
Fasta ämnen behåller under normala förhållanden sin volym och form. Till exempel ett sandkorn, ett sockerkorn, salt, en stenbit eller metall. Om du värmer socker börjar ämnet smälta och förvandlas till en trögflytande brun vätska. Låt oss sluta värma så får vi en solid igen. Detta betyder att ett av huvudvillkoren för övergången av ett fast ämne till en vätska är dess uppvärmning eller en ökning av den inre energin hos ämnets partiklar. Det fasta tillståndet för aggregation av salt, som används för mat, kan också ändras. Men för att smälta bordssalt behövs en högre temperatur än vid uppvärmning av socker. Faktum är att socker består av molekyler, och bordssalt består av laddade joner som är starkare attraherade av varandra. Fasta ämnen i flytande form behåller inte sin form eftersom kristallgittren förstörs.
Det flytande aggregerade tillståndet för saltet vid smältning förklaras av brytningen av bindningar mellan jonerna i kristallerna. Laddade partiklar som kan bära elektriska laddningar frigörs. Smälta salter leder elektricitet och är ledare. I den kemiska, metallurgiska och verkstadsindustrin omvandlas fasta ämnen till vätskor för att producera nya föreningar eller ge dem olika former. Metallegeringar har blivit utbredda. Det finns flera sätt att få dem, förknippade med förändringar i tillståndet för aggregering av fasta råvaror.
Vätska är ett av de grundläggande aggregationstillstånden
Om du häller 50 ml vatten i en rundbottnad kolv kommer du att märka att ämnet omedelbart tar formen av ett kemikaliekärl. Men så fort vi häller vattnet ur kolven kommer vätskan omedelbart att spridas över bordets yta. Volymen vatten kommer att förbli densamma - 50 ml, men dess form kommer att förändras. De listade egenskaperna är karakteristiska för den flytande formen av existens av materia. Det finns många vätskor organiskt material: alkoholer, vegetabiliska oljor, syror.
Mjölk är en emulsion, det vill säga en vätska som innehåller fettdroppar. En användbar flytande resurs är olja. Det utvinns ur brunnar med hjälp av borriggar på land och i havet. Havsvatten är också en råvara för industrin. Dess skillnad från sötvatten i floder och sjöar ligger i innehållet av lösta ämnen, främst salter. Vid avdunstning från ytan av reservoarer passerar endast H 2 O-molekyler till ångtillstånd, lösta ämnen kvarstår. Metoder för att erhålla användbara ämnen från havsvatten och metoder för dess rening baseras på denna egenskap.
När salterna är helt avlägsnade erhålls destillerat vatten. Det kokar vid 100°C och fryser vid 0°C. Saltlaken kokar och förvandlas till is vid andra temperaturer. Till exempel fryser vatten i Ishavet vid en yttemperatur på 2 °C.
Det fysiska tillståndet för kvicksilver under normala förhållanden är flytande. Denna silvergrå metall används ofta för att fylla medicinska termometrar. Vid upphettning stiger kvicksilverkolonnen på skalan och ämnet expanderar. Varför används alkohol tonad med röd färg och inte kvicksilver? Detta förklaras av egenskaperna hos flytande metall. Vid 30-graders frost förändras kvicksilverets aggregationstillstånd, ämnet blir fast.
Om den medicinska termometern går sönder och kvicksilvret rinner ut, är det farligt att samla silverkulorna med händerna. Det är skadligt att andas in kvicksilverånga, detta ämne är mycket giftigt. I sådana fall måste barn vända sig till sina föräldrar och vuxna för att få hjälp.
Gasformigt tillstånd
Gaser kan inte behålla sin volym eller form. Fyll kolven till toppen med syre (dess kemisk formel O 2). Så fort vi öppnar kolven kommer ämnets molekyler att börja blandas med luften i rummet. Detta sker tack vare Brownsk rörelse. Till och med den antika grekiske vetenskapsmannen Demokritos trodde att partiklar av materia är i konstant rörelse. I fasta ämnen Under normala förhållanden har atomer, molekyler och joner inte möjlighet att lämna kristallgittret eller frigöra sig från bindningar med andra partiklar. Detta är endast möjligt när en stor mängd energi tillförs utifrån.
I vätskor är avståndet mellan partiklar något större än i fasta ämnen, de kräver mindre energi för att bryta intermolekylära bindningar. Till exempel observeras syrets flytande tillstånd endast när gastemperaturen sjunker till -183 °C. Vid -223 °C bildar O 2 -molekyler ett fast ämne. När temperaturen stiger över dessa värden förvandlas syre till gas. Det är i denna form som det finns under normala förhållanden. Industriföretag driver speciella installationer för att separera atmosfärisk luft och få kväve och syre från den. Först kyls och flytande luften, och sedan höjs temperaturen gradvis. Kväve och syre omvandlas till gaser när olika förutsättningar.
Jordens atmosfär innehåller 21 volymprocent syre och 78 % kväve. Dessa ämnen finns inte i flytande form i planetens gashölje. Flytande syre är ljusblå till färgen och används för att fylla cylindrar vid högt tryck för användning i medicinska miljöer. Inom industri och byggnation behövs flytande gaser för att utföra många processer. Syre behövs för gassvetsning och skärning av metaller, och inom kemin för oxidationsreaktioner av oorganiska och organiska ämnen. Om du öppnar ventilen på en syrgasflaska minskar trycket och vätskan förvandlas till gas.
Flytande propan, metan och butan används i stor utsträckning inom energi, transport, industri och hushållsverksamhet. Dessa ämnen erhålls från naturgas eller under krackning (splittring) av petroleumråvara. Kolvätskor och gasblandningar spelar en viktig roll i många länders ekonomier. Men olje- och naturgasreserverna är kraftigt uttömda. Enligt forskare kommer denna råvara att hålla i 100-120 år. En alternativ energikälla är luftflöde (vind). Snabbströmmande floder och tidvatten vid stranden av hav och oceaner används för att driva kraftverk.
Syre, liksom andra gaser, kan vara i det fjärde tillståndet av aggregation, vilket representerar ett plasma. Ovanlig övergång från fast tillstånd till gasformig - karakteristisk kristallint jod. Det mörklila ämnet genomgår sublimering - det förvandlas till en gas som kringgår det flytande tillståndet.
Hur görs övergångar från en aggregerad form av materia till en annan?
Förändringar i ämnens aggregerade tillstånd är inte förknippade med kemiska omvandlingar, dessa är fysikaliska fenomen. När temperaturen ökar smälter många fasta ämnen och förvandlas till vätskor. En ytterligare ökning av temperaturen kan leda till avdunstning, det vill säga till ämnets gasformiga tillstånd. I naturen och ekonomin är sådana övergångar karakteristiska för ett av de viktigaste ämnena på jorden. Is, vätska, ånga är vattentillstånd under olika yttre förhållanden. Föreningen är densamma, dess formel är H 2 O. Vid en temperatur på 0 ° C och under detta värde kristalliseras vatten, det vill säga förvandlas till is. När temperaturen stiger förstörs de resulterande kristallerna - isen smälter och flytande vatten erhålls igen. När den värms upp bildas avdunstning - omvandlingen av vatten till gas - sker även kl låga temperaturerÅh. Till exempel försvinner frusna pölar gradvis eftersom vattnet avdunstar. Även i frostigt väder torkar våt tvätt, men denna process tar längre tid än på en varm dag.
Alla de listade övergångarna av vatten från ett tillstånd till ett annat är av stor betydelse för jordens natur. Atmosfäriska fenomen, klimat och väder är förknippade med avdunstning av vatten från världshavets yta, överföring av fukt i form av moln och dimma till land och nederbörd (regn, snö, hagel). Dessa fenomen utgör grunden för världens vattenkretslopp i naturen.
Hur förändras svavelets aggregerade tillstånd?
Under normala förhållanden är svavel ljusa glänsande kristaller eller ljusgult pulver, dvs det är ett fast ämne. Det fysiska tillståndet för svavel förändras vid upphettning. Först, när temperaturen stiger till 190 °C, smälter det gula ämnet och förvandlas till en rörlig vätska.
Om du snabbt häller flytande svavel i kallt vatten får du en brun amorf massa. Med ytterligare uppvärmning av svavelsmältan blir den mer och mer trögflytande och mörknar. Vid temperaturer över 300 °C ändras svavelets aggregationstillstånd igen, ämnet får egenskaperna hos en vätska och blir rörligt. Dessa övergångar uppstår på grund av förmågan hos ett elements atomer att bilda kedjor av olika längd.
Varför kan ämnen vara i olika fysiska tillstånd?
Aggregeringstillståndet för svavel, ett enkelt ämne, är fast under vanliga förhållanden. Svaveldioxid är en gas, svavelsyra är en oljig vätska tyngre än vatten. Till skillnad från salt och salpetersyror det är inte flyktigt, molekyler avdunstar inte från dess yta. Vilket aggregationstillstånd har plastsvavel, som erhålls genom att värma upp kristaller?
I sin amorfa form har ämnet strukturen av en vätska, med obetydlig flytbarhet. Men plastsvavel behåller samtidigt sin form (som ett fast ämne). Existera flytande kristaller, som har ett antal karakteristiska egenskaper hos fasta ämnen. Ett ämnes tillstånd under olika förhållanden beror alltså på dess natur, temperatur, tryck och andra yttre förhållanden.
Vilka egenskaper finns i strukturen hos fasta ämnen?
De befintliga skillnaderna mellan materiens grundläggande aggregerade tillstånd förklaras av interaktionen mellan atomer, joner och molekyler. Varför leder till exempel materiens fasta tillstånd till kropparnas förmåga att behålla volym och form? I kristallgittret av en metall eller ett salt attraheras strukturella partiklar till varandra. I metaller interagerar positivt laddade joner med vad som kallas en "elektrongas", en samling fria elektroner i en metallbit. Saltkristaller uppstår på grund av attraktionen av motsatt laddade partiklar - joner. Avståndet mellan ovanstående strukturella enheter av fasta ämnen är mycket mindre än storleken på själva partiklarna. I det här fallet verkar elektrostatisk attraktion, den ger styrka, men avstötningen är inte tillräckligt stark.
För att förstöra det fasta tillståndet av aggregering av ett ämne måste ansträngning göras. Metaller, salter och atomära kristaller smälter vid mycket höga temperaturer. Till exempel blir järn flytande vid temperaturer över 1538 °C. Volfram är eldfast och används för att tillverka glödtrådar för glödlampor. Det finns legeringar som blir flytande vid temperaturer över 3000 °C. Många på jorden är i fast tillstånd. Dessa råvaror utvinns med hjälp av teknik i gruvor och stenbrott.
För att separera ens en jon från en kristall måste en stor mängd energi förbrukas. Men det räcker med att lösa salt i vatten för att kristallgittret ska sönderfalla! Detta fenomen förklaras fantastiska egenskaper vatten som ett polärt lösningsmedel. H 2 O-molekyler interagerar med saltjoner och förstör den kemiska bindningen mellan dem. Upplösning är alltså inte en enkel blandning av olika ämnen, utan en fysikalisk-kemisk interaktion mellan dem.
Hur interagerar flytande molekyler?
Vatten kan vara en vätska, ett fast ämne och en gas (ånga). Dessa är dess grundläggande aggregeringstillstånd under normala förhållanden. Vattenmolekyler består av en syreatom till vilken två väteatomer är bundna. Polarisering uppstår kemisk bindning i en molekyl uppträder en partiell negativ laddning på syreatomerna. Väte blir den positiva polen i molekylen, attraherad av syreatomen i en annan molekyl. Detta kallas "vätebindning".
Det flytande tillståndet av aggregation kännetecknas av avstånd mellan strukturella partiklar jämförbara med deras storlekar. Attraktion finns, men den är svag, så vattnet behåller inte sin form. Förångning uppstår på grund av förstörelsen av bindningar som sker på ytan av vätskan även vid rumstemperatur.
Finns intermolekylära interaktioner i gaser?
Ett ämnes gasformiga tillstånd skiljer sig från flytande och fast i ett antal parametrar. Det finns stora luckor mellan de strukturella partiklarna i gaser, mycket större än molekylernas storlek. I det här fallet verkar inte attraktionskrafterna alls. Det gasformiga aggregationstillståndet är karakteristiskt för ämnen som finns i luften: kväve, syre, koldioxid. På bilden nedan är den första kuben fylld med gas, den andra med vätska och den tredje med fast substans.
Många vätskor är flyktiga, molekyler av ämnet bryter av från deras yta och går ut i luften. Till exempel om öppningen av en öppen flaska med saltsyra ta med en bomullstuss doppad i ammoniak, då uppstår vit rök. En kemisk reaktion mellan saltsyra och ammoniak sker direkt i luften och producerar ammoniumklorid. I vilket tillstånd av aggregation befinner sig detta ämne? Dess partiklar som bildar vit rök är små fasta saltkristaller. Detta experiment måste utföras under huva, ämnena är giftiga.
Slutsats
Tillståndet för aggregation av gas studerades av många framstående fysiker och kemister: Avogadro, Boyle, Gay-Lussac, Clayperon, Mendeleev, Le Chatelier. Forskare har formulerat lagar som förklarar gasformiga ämnens beteende i kemiska reaktioner när yttre förhållanden förändras. Öppna mönster fanns inte bara med i skol- och universitetsläroböcker om fysik och kemi. Många kemiska industrier bygger på kunskap om ämnens beteende och egenskaper i olika aggregationstillstånd.
KOL, MED, kemiskt element Grupp IV i det periodiska systemet, atomvikt 12,00, serienummer 6. Tills nyligen ansågs kol inte ha några isotoper; Först nyligen har det varit möjligt att med hjälp av särskilt känsliga metoder upptäcka förekomsten av C 13-isotopen. Kol är ett av de viktigaste elementen när det gäller prevalens, antalet och mångfalden av dess föreningar, och biologisk betydelse(som en organogen), genom den omfattande tekniska användningen av själva kolet och dess föreningar (som råmaterial och som energikälla för industriella och hushållsbehov), och slutligen genom dess roll i utvecklingen av den kemiska vetenskapen. Kol i det fria tillståndet uppvisar ett uttalat fenomen av allotropi, känt i mer än ett och ett halvt sekel, men fortfarande inte helt studerat, både på grund av den extrema svårigheten att få kol i en kemiskt ren form, och på grund av att de flesta av konstanterna av allotropa modifieringar av kol varierar mycket beroende på morfologiska egenskaper hos deras struktur, bestämt av metoden och produktionsförhållandena.
Kol bildar två kristallina former - diamant och grafit och är också känt i amorft tillstånd i form av den sk. amorft kol. Den senares individualitet har ifrågasatts som ett resultat av nyare forskning: kol identifierades med grafit, med tanke på båda som morfologiska varianter av samma form - "svart kol", och skillnaden i deras egenskaper förklarades av den fysiska strukturen och graden av ämnets spridning. Men mycket nyligen har fakta erhållits som bekräftar förekomsten av kol som en speciell allotrop form (se nedan).
Naturliga källor och lager av kol. När det gäller prevalens i naturen rankas kol på 10:e plats bland grundämnena, och utgör 0,013 % av atmosfären, 0,0025 % av hydrosfären och cirka 0,35 % av jordskorpans totala massa. Det mesta av kolet finns i form av syreföreningar: atmosfärisk luft innehåller ~800 miljarder ton kol i form av CO 2 dioxid; i havets och havens vatten - upp till 50 000 miljarder ton kol i form av CO 2 -jon kolsyra och bikarbonater; i bergarter - olösliga karbonater (kalcium, magnesium och andra metaller), och enbart andelen CaCO 3 står för ~160·10 6 miljarder ton kol. Dessa kolossala reserver representerar dock inte något energivärde; mycket mer värdefulla är brännbara kolhaltiga material - fossilt kol, torv, sedan olja, kolvätegaser och andra naturliga bitumen. Reserven av dessa ämnen i jordskorpan är också ganska betydande: den totala massan av kol i fossila kol når ~6000 miljarder ton, i olja ~10 miljarder ton, etc. I det fria tillståndet är kol ganska sällsynt (diamant och del) av grafitämnet). Fossila kol innehåller nästan eller inget fritt kol: de består av kap. arr. med hög molekylvikt (polycyklisk) och mycket stabila föreningar av kol med andra grundämnen (H, O, N, S) har fortfarande studerats mycket lite. Kolföreningar av levande natur (jordklotets biosfär), syntetiserade i växt- och djurceller, kännetecknas av en extraordinär variation av egenskaper och sammansättningskvantiteter; vanligast i floraämnen – fibrer och lignin – spelar också en roll som energiresurser.
Kol upprätthåller en konstant fördelning i naturen tack vare en kontinuerlig cykel, vars cykel består av syntesen av komplexa organiska ämnen i växt- och djurceller och den omvända sönderdelningen av dessa ämnen under deras oxidativa nedbrytning (förbränning, sönderfall, andning), vilket leder till bildningen av CO 2, som återigen används växter för syntes. Det allmänna schemat för denna cykel kan vara presenteras i följande form:
Kolproduktion. Kolhaltiga föreningar av vegetabiliskt och animaliskt ursprung är instabila vid höga temperaturer och, när de värms upp till minst 150-400°C utan tillgång till luft, sönderfaller de, frigör vatten och flyktiga kolföreningar och lämnar en fast icke-flyktig rest rik på kol och vanligtvis kallas kol. Denna pyrolytiska process kallas förkolning, eller torrdestillation, och används ofta inom teknik. Högtemperaturpyrolys av fossila kol, olja och torv (vid en temperatur på 450-1150°C) leder till frigöring av kol i grafitform (koks, retortkol). Ju högre förkolningstemperatur utgångsmaterialen har, desto närmare är det resulterande kolet eller koksen fritt kol i sammansättning och grafit i egenskaper.
Amorft kol, bildat vid temperaturer under 800°C, kan inte. vi betraktar det som fritt kol, eftersom det innehåller betydande mängder kemiskt bundna andra grundämnen, Ch. arr. väte och syre. Av de tekniska produkterna är aktivt kol och sot närmast amorft kol i egenskaper. Det renaste kolet kan vara erhållen genom förkolning av rent socker eller piperonal, specialbehandling av gassot, etc. Konstgjord grafit, erhållen med elektrotermiska medel, är nästan rent kol till sin sammansättning. Naturlig grafit är alltid förorenad med mineralföroreningar och innehåller även en viss mängd bundet väte (H) och syre (O); i ett relativt rent tillstånd kanske det. erhålls först efter ett antal specialbehandlingar: mekanisk berikning, tvättning, behandling med oxidationsmedel och kalcinering vid höga temperaturer tills flyktiga ämnen är helt avlägsnade. Inom koltekniken sysslar man aldrig med helt rent kol; Detta gäller inte bara naturliga kolråvaror, utan också produkterna från dess anrikning, uppgradering och termisk nedbrytning (pyrolys). Nedan visas kolinnehållet i vissa kolhaltiga material (i %):
Fysikaliska egenskaper hos kol. Fritt kol är nästan helt osmältbart, icke-flyktigt och vid vanliga temperaturer olösligt i något av de kända lösningsmedlen. Det löser sig endast i vissa smälta metaller, särskilt vid temperaturer som närmar sig de senares kokpunkt: i järn (upp till 5 %), silver (upp till 6 %) | rutenium (upp till 4%), kobolt, nickel, guld och platina. I frånvaro av syre är kol det mest värmebeständiga materialet; Det flytande tillståndet för rent kol är okänt, och dess omvandling till ånga börjar först vid temperaturer över 3000°C. Därför utfördes bestämningen av egenskaperna hos kol uteslutande för det fasta tillståndet av aggregation. Av kolmodifieringarna har diamant de mest konstanta fysikaliska egenskaperna; egenskaperna hos grafit i dess olika prover (även de renaste) varierar avsevärt; Egenskaperna hos amorft kol är ännu mer varierande. Det viktigaste fysiska konstanter olika modifieringar av kol jämförs i tabellen.
Diamant är ett typiskt dielektrikum, medan grafit och kol har metallisk elektrisk ledningsförmåga. I absolut värde varierar deras ledningsförmåga över ett mycket brett område, men för kol är den alltid lägre än för grafiter; i grafiter närmar sig ledningsförmågan hos riktiga metaller. Värmekapaciteten för alla kolmodifieringar vid temperaturer >1000°C tenderar till ett konstant värde på 0,47. Vid temperaturer under -180°C blir diamantens värmekapacitet försvinnande liten och vid -27°C blir den praktiskt taget noll.
Kolets kemiska egenskaper. Vid upphettning över 1000°C omvandlas både diamant och kol gradvis till grafit, vilket därför bör betraktas som den mest stabila (vid höga temperaturer) monotropa formen av kol. Omvandlingen av amorft kol till grafit börjar tydligen runt 800°C och slutar vid 1100°C (vid denna sista punkt förlorar kol sin adsorptionsaktivitet och förmåga att återaktivera, och dess elektriska ledningsförmåga ökar kraftigt, förblir nästan konstant i framtiden). Fritt kol kännetecknas av tröghet vid vanliga temperaturer och betydande aktivitet vid höga temperaturer. Amorft kol är det mest kemiskt aktiva, medan diamant är det mest motståndskraftiga. Till exempel reagerar fluor med kol vid en temperatur av 15°C, med grafit endast vid 500°C och med diamant vid 700°C. När det upphettas i luft börjar poröst kol att oxidera under 100°C, grafit vid ca 650°C och diamant över 800°C. Vid temperaturer på 300°C och över kombineras kol med svavel för att bilda koldisulfid CS 2. Vid temperaturer över 1800°C börjar kol (kol) interagera med kväve och bildar (i små mängder) cyanogen C 2 N 2. Interaktionen mellan kol och väte börjar vid 1200°C, och i temperaturområdet 1200-1500°C bildas endast metan CH 4; över 1500°C - en blandning av metan, eten (C2H4) och acetylen (C2H2); vid temperaturer av storleksordningen 3000°C erhålls nästan uteslutande acetylen. Vid ljusbågens temperatur kommer kol i direkt kombination med metaller, kisel och bor och bildar motsvarande karbider. Direkta eller indirekta sätt kan. kolföreningar med alla kända grundämnen erhölls, förutom gaser av nollgruppen. Kol är ett icke-metalliskt grundämne som uppvisar vissa tecken på amfotericitet. Kolatomen har en diameter på 1,50 Ᾰ (1Ᾰ = 10 -8 cm) och innehåller i den yttre sfären 4 valenselektroner, som lika lätt ges upp eller adderas till 8; därför är den normala valensen för kol, både syre och väte, fyra. I de allra flesta av dess föreningar är kol fyrvärt; Endast ett litet antal föreningar av tvåvärt kol (kolmonoxid och dess acetaler, isonitriler, fulminatsyra och dess salter) och trevärt kol (den så kallade "fria radikalen") är kända.
Med syre bildar kol två normala oxider: sur koldioxid CO 2 och neutral kolmonoxid CO. Dessutom finns det ett antal kolsuboxider som innehåller mer än 1 C-atom och som inte har någon teknisk betydelse; Av dessa är den mest kända suboxiden med sammansättningen C 3 O 2 (en gas med en kokpunkt på +7 ° C och en smältpunkt på -111 ° C). Den första produkten av förbränning av kol och dess föreningar är CO 2, bildad enligt ekvationen:
C+O2 = CO2 +97600 kal.
Bildandet av CO under ofullständig förbränning av bränsle är resultatet av sekundär återhämtningsprocessen; Reduktionsmedlet i detta fall är själva kolet, som vid temperaturer över 450°C reagerar med CO 2 enligt ekvationen:
CO2+C = 2СО -38800 kal;
denna reaktion är reversibel; över 950°C blir omvandlingen av CO 2 till CO nästan fullständig, vilket utförs i gasalstrande ugnar. Den energimässigt reducerande förmågan hos kol vid höga temperaturer används också vid produktion av vattengas (H 2 O + C = CO + H 2 -28380 cal) och i metallurgiska processer för att erhålla fri metall från dess oxid. Allotropa former av kol reagerar olika på verkan av vissa oxidationsmedel: till exempel har en blandning av KCIO 3 + HNO 3 ingen effekt på diamant alls, amorft kol oxideras fullständigt till CO 2, medan grafit producerar aromatiska föreningar - grafitsyror med den empiriska formeln (C 2 OH) x och framåt mellitsyra C6(COOH)6. Föreningar av kol med väte - kolväten - är extremt många; av dem framställs de flesta andra organiska föreningar genetiskt, som förutom kol oftast innehåller H, O, N, S och halogener.
Den exceptionella mångfalden av organiska föreningar, av vilka upp till 2 miljoner är kända, beror på vissa egenskaper hos kol som grundämne. 1) Kol kännetecknas av en stark kemisk bindning med de flesta andra grundämnen, både metalliska och icke-metalliska, på grund av vilken det bildar ganska stabila föreningar med båda. När det kombineras med andra element har kol mycket liten tendens att bilda joner. De flesta organiska föreningar är av homeopolär typ och dissocierar inte under normala förhållanden; Att bryta intramolekylära bindningar i dem kräver ofta utgifterna för en betydande mängd energi. När man bedömer styrkan i samband bör man dock särskilja; a) absolut bindningsstyrka, mätt termokemiskt, och b) bindningens förmåga att bryta under påverkan av olika reagens; dessa två egenskaper sammanfaller inte alltid. 2) Kolatomer binder med varandra med exceptionell lätthet (icke-polär), bildar kolkedjor, öppna eller slutna. Längden på sådana kedjor är uppenbarligen inte föremål för några restriktioner; Således är ganska stabila molekyler med öppna kedjor med 64 kolatomer kända. Förlängningen och komplexiteten hos öppna kedjor påverkar inte styrkan i anslutningen av deras länkar med varandra eller med andra element. Bland slutna kedjor bildas 6- och 5-ledade ringar lättast, även om ringade kedjor innehållande från 3 till 18 kolatomer är kända. Kolatomernas förmåga att sammankoppla väl förklarar grafitens speciella egenskaper och mekanismen för förkolningsprocesser; det klargör också det faktum att kol är okänt i form av diatomiska C2-molekyler, vilket kan förväntas i analogi med andra lätta icke-metalliska element (i ångform består kol av monoatomiska molekyler). 3) På grund av bindningarnas opolära natur har många kolföreningar kemisk tröghet inte bara externt (långsam reaktion), utan även internt (svårigheter med intramolekylära omarrangemang). Närvaron av stora "passiva motstånd" komplicerar i hög grad den spontana omvandlingen av instabila former till stabila, vilket ofta minskar hastigheten för sådan omvandling till noll. Resultatet av detta är möjligheten att realisera ett stort antal isomera former som är nästan lika stabila vid vanliga temperaturer.
Allotropi och atomstruktur av kol . Röntgenanalys gjorde det möjligt att på ett tillförlitligt sätt fastställa atomstrukturen hos diamant och grafit. Samma forskningsmetod belyser frågan om förekomsten av en tredje allotrop modifiering av kol, som i huvudsak är en fråga om kolets amorfitet eller kristallinitet: om kol är en amorf formation, så kan det inte det. identifieras varken med grafit eller med diamant, utan måste betraktas som en speciell form av kol, som en individuell enkel substans. I diamant är kolatomer ordnade på ett sådant sätt att varje atom ligger i mitten av en tetraeder, vars hörn är 4 intilliggande atomer; var och en av de senare är i sin tur centrum för en annan liknande tetraeder; avstånden mellan intilliggande atomer är 1,54 Ᾰ (kanten på en elementär kub i kristallgittret är 3,55 Ᾰ). Denna struktur är den mest kompakta; den motsvarar diamantens höga hårdhet, densitet och kemiska tröghet (likformig fördelning av valenskrafter). Den ömsesidiga kopplingen av kolatomer i diamantgittret är densamma som i molekylerna för de flesta organiska föreningar i fettserien (tetraedrisk modell av kol). I grafitkristaller är kolatomer ordnade i täta lager, åtskilda 3,35-3,41 Ᾰ från varandra; riktningen för dessa skikt sammanfaller med klyvningsplanen och glidplanen under mekaniska deformationer. I varje lagers plan bildar atomerna ett rutnät med hexagonala celler (företag); sidan av en sådan hexagon är 1,42-1,45 Ᾰ. I intilliggande lager ligger inte hexagonerna under varandra: deras vertikala sammanfallning upprepas först efter 2 lager i det tredje. De tre bindningarna av varje kolatom ligger i samma plan och bildar vinklar på 120°; Den 4:e bindningen riktas växelvis i en eller annan riktning från planet till atomerna i angränsande lager. Avstånden mellan atomer i ett lager är strikt konstanta, men avståndet mellan enskilda lager kan vara ändras av yttre påverkan: till exempel, när den pressas under tryck upp till 5000 atm, minskar den till 2,9 Ᾰ, och när grafit sväller i koncentrerad HNO 3, ökar den till 8 Ᾰ. I ett skikts plan är kolatomer bundna homeopolärt (som i kolvätekedjor), men bindningarna mellan atomer i intilliggande skikt är ganska metalliska till sin natur; detta framgår av det faktum att den elektriska ledningsförmågan hos grafitkristaller i riktningen vinkelrät mot skikten är ~100 gånger högre än ledningsförmågan i skiktets riktning. Den där. grafit har egenskaperna hos en metall i ena riktningen och egenskaperna hos en icke-metall i den andra. Arrangemanget av kolatomer i varje lager av grafitgittret är exakt detsamma som i molekylerna av komplexa nukleära aromatiska föreningar. Denna konfiguration förklarar väl grafitens skarpa anisotropi, exceptionellt utvecklad klyvning, antifriktionsegenskaper och bildandet av aromatiska föreningar under dess oxidation. Den amorfa modifieringen av svart kol existerar tydligen som en oberoende form (O. Ruff). För det är det mest troliga en skumliknande cellstruktur, utan någon regelbundenhet; väggarna i sådana celler bildas av lager av aktiva atomer kol ca 3 atomer tjocka. I praktiken ligger den aktiva substansen i kol vanligtvis under ett skal av tätt belägna inaktiva kolatomer, grafitiskt orienterade och penetreras av inneslutningar av mycket små grafitkristalliter. Det finns förmodligen ingen specifik punkt för omvandling av kol → grafit: mellan båda modifieringarna finns en kontinuerlig övergång, under vilken den slumpmässigt sammansatta massan av C-atomer av amorft kol omvandlas till ett regelbundet kristallgitter av grafit. På grund av deras slumpmässiga arrangemang uppvisar kolatomer i amorft kol en maximal restaffinitet, som (enligt Langmuirs idéer om identiteten av adsorptionskrafter med valenskrafter) motsvarar den höga adsorption och katalytiska aktivitet som är så karakteristisk för kol. Kolatomer orienterade i kristallgittret spenderar all sin affinitet (i diamant) eller det mesta (i grafit) på ömsesidig vidhäftning; Detta motsvarar en minskning av kemisk aktivitet och adsorptionsaktivitet. I diamant är adsorption endast möjlig på ytan av en enda kristall, medan i grafit kan kvarvarande valens uppträda på båda ytorna av varje platt gitter (i "sprickorna" mellan atomskikten), vilket bekräftas av det faktum att grafit kan svälla i vätskor (HNO 3) och mekanismen för dess oxidation till grafitsyra.
Teknisk betydelse av kol. När det gäller b. eller m. av fritt kol som erhålls under processerna för förkolning och koksning, då dess användning inom tekniken är baserad på både dess kemiska (tröghet, reducerande förmåga) och dess fysikaliska egenskaper (värmebeständighet, elektrisk ledningsförmåga, adsorptionsförmåga). Sålunda används koks och träkol, förutom att de delvis används direkt som flamfritt bränsle, för att producera gasformigt bränsle (generatorgaser); i metallurgi av järnhaltiga och icke-järnhaltiga metaller - för reduktion av metalloxider (Fe, Cu, Zn, Ni, Cr, Mn, W, Mo, Sn, As, Sb, Bi); inom kemisk teknik - som reduktionsmedel vid framställning av sulfider (Na, Ca, Ba) från sulfater, vattenfria kloridsalter (Mg, Al), från metalloxider, vid framställning av lösligt glas och fosfor - som råvara för produktion av kalciumkarbid, karborundum och andra karbider koldisulfid, etc.; inom byggbranschen - som ett värmeisolerande material. Retortkol och koks fungerar som material för elektroder i elektriska ugnar, elektrolytbad och galvaniska celler, för tillverkning av ljusbågskol, reostater, kommutatorborstar, smältdeglar, etc., och även som munstycke i kemisk utrustning av torntyp. Förutom ovanstående applikationer används träkol för att producera koncentrerad kolmonoxid, cyanidsalter, för cementering av stål, används i stor utsträckning som adsorbent, som katalysator för vissa syntetiska reaktioner, och ingår slutligen i svartkrut och andra sprängämnen och pyrotekniska kompositioner.
Analytisk bestämning av kol. Kol bestäms kvalitativt genom att förkolna ett prov av ett ämne utan tillgång till luft (vilket inte är lämpligt för alla ämnen) eller, vilket är mycket mer tillförlitligt, genom dess uttömmande oxidation, till exempel genom kalcinering i en blandning med kopparoxid, och bildningen av CO 2 bevisas genom vanliga reaktioner. För att kvantifiera kol bränns ett prov av ämnet i en syreatmosfär; den resulterande CO 2 fångas upp av en alkalilösning och bestäms efter vikt eller volym med användning av konventionella metoder för kvantitativ analys. Denna metod är lämplig för att bestämma kol inte bara i organiska föreningar och tekniska kol, utan även i metaller.
Icke-saltbildande (likgiltiga, likgiltiga) oxider CO, SiO, N 2 0, NO.
Saltbildande oxider:
Grundläggande. Oxider vars hydrater är baser. Metalloxider med oxidationstillstånd +1 och +2 (mindre ofta +3). Exempel: Na 2 O - natriumoxid, CaO - kalciumoxid, CuO - koppar (II) oxid, CoO - kobolt (II) oxid, Bi 2 O 3 - vismut (III) oxid, Mn 2 O 3 - mangan (III) oxid).
Amfotär. Oxider vars hydrater är amfotära hydroxider. Metalloxider med oxidationstillstånd +3 och +4 (mindre ofta +2). Exempel: Al 2 O 3 - aluminiumoxid, Cr 2 O 3 - krom (III) oxid, SnO 2 - tenn (IV) oxid, MnO 2 - mangan (IV) oxid, ZnO - zinkoxid, BeO - berylliumoxid.
Surt. Oxider vars hydrater är syrehaltiga syror. Icke-metalloxider. Exempel: P 2 O 3 - fosforoxid (III), CO 2 - koloxid (IV), N 2 O 5 - kväveoxid (V), SO 3 - svaveloxid (VI), Cl 2 O 7 - kloroxid ( VII). Metalloxider med oxidationstillstånd +5, +6 och +7. Exempel: Sb 2 O 5 - antimon (V) oxid. CrOz - krom (VI) oxid, MnOz - mangan (VI) oxid, Mn 2 O 7 - mangan (VII) oxid.
Förändring i oxidernas natur med ökande oxidationstillstånd hos metallen
Fysikaliska egenskaper
Oxider är fasta, flytande och gasformiga, av olika färg. Till exempel: koppar(II)oxid CuO är svart, kalciumoxid CaO är vit - fasta ämnen. Svaveloxid (VI) SO 3 är en färglös flyktig vätska och kolmonoxid (IV) CO 2 är en färglös gas under vanliga förhållanden.
Aggregeringstillstånd
CaO, CuO, Li2O och andra basiska oxider; ZnO, Al2O3, Cr2O3 och andra amfotära oxider; SiO 2, P 2 O 5, CrO 3 och andra sura oxider.
SO 3, Cl 2 O 7, Mn 2 O 7, etc.
Gasformig:
CO 2, SO 2, N 2 O, NO, NO 2, etc.
Vattenlöslighet
Löslig:
a) basiska oxider av alkali- och jordalkalimetaller;
b) nästan alla sura oxider (undantag: SiO 2).
Olöslig:
a) alla andra basiska oxider;
b) alla amfotära oxider
Kemiska egenskaper
1. Syra-basegenskaper
Vanliga egenskaper hos basiska, sura och amfotera oxider är syra-bas-interaktioner, som illustreras av följande diagram:
(endast för oxider av alkali- och jordalkalimetaller) (förutom SiO 2).
Amfotera oxider, som har egenskaperna hos både basiska och sura oxider, interagerar med starka syror och alkalier:
2. Redoxegenskaper
Om ett grundämne har ett variabelt oxidationstillstånd (s.o.), då dess oxider med lågt s. O. kan uppvisa reducerande egenskaper och oxider med hög c. O. - oxidativ.
Exempel på reaktioner där oxider fungerar som reduktionsmedel:
Oxidation av oxider med lågt c. O. till oxider med hög c. O. element.
2C +2 O + O2 = 2C +4 O2
2S +4 O2 + O2 = 2S +6 O3
2N +2 O + O2 = 2N +4 O2
Kol(II)monoxid reducerar metaller från deras oxider och väte från vatten.
C +2O + FeO = Fe + 2C +4 O2
C+2O + H2O = H2 + 2C +4O2
Exempel på reaktioner där oxider fungerar som oxidationsmedel:
Reduktion av oxider med högt o. grundämnen till oxider med lågt c. O. eller tills enkla ämnen.
C +4O2 + C = 2C +2O
2S +6 O3 + H2S = 4S +4 O2 + H2O
C+4O2 + Mg = C0 + 2MgO
Cr +32O3 + 2Al = 2Cr0 + 2Al2O3
Cu +20 + H2 = Cu0 + H2O
Användning av oxider av lågaktiva metaller för oxidation av organiska ämnen.
Vissa oxider där grundämnet har en mellanliggande c. o., kapabel till disproportionering;
Till exempel:
2NO2 + 2NaOH = NaNO2 + NaNO3 + H2O
Metoder för att erhålla
1. Interaktion mellan enkla ämnen - metaller och icke-metaller - med syre:
4Li + O2 = 2Li2O;
2Cu + O2 = 2CuO;
4P + 5O2 = 2P2O5
2. Dehydrering av olösliga baser, amfotära hydroxider och vissa syror:
Cu(OH)2 = CuO + H2O
2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O
H2SO3 = SO2 + H2O
H 2 SiO 3 = SiO 2 + H 2 O
3. Nedbrytning av några salter:
2Cu(NO 3) 2 = 2CuO + 4NO 2 + O 2
CaCO 3 = CaO + CO 2
(CuOH) 2 CO 3 = 2 CuO + CO 2 + H 2 O
4. Oxidation av komplexa ämnen med syre:
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + H 2 O
4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O
5. Reduktion av oxiderande syror med metaller och icke-metaller:
Cu + H2SO4 (konc) = CuSO4 + SO2 + 2H2O
10HNO3 (konc) + 4Ca = 4Ca(NO3)2 + N2O + 5H2O
2HNO3 (utspädd) + S = H2SO4 + 2NO
6. Interomvandlingar av oxider under redoxreaktioner (se redoxegenskaper hos oxider).
Kol (C)– typisk icke-metall; i det periodiska systemet är det i den andra perioden av grupp IV, den huvudsakliga undergruppen. Serienummer 6, Ar = 12.011 amu, kärnladdning +6.Fysikaliska egenskaper: kol bildar många allotropa modifieringar: diamant- ett av de hårdaste ämnena grafit, kol, sot.
En kolatom har 6 elektroner: 1s 2 2s 2 2p 2 . De två sista elektronerna är belägna i separata p-orbitaler och är oparade. I princip skulle detta par kunna uppta samma orbital, men i detta fall ökar interelektronrepulsionen kraftigt. Av denna anledning tar en av dem 2p x, och den andra, antingen 2p y , eller 2p z orbitaler.
Skillnaden i energin för s- och p-subnivåerna i det yttre lagret är liten, så atomen går ganska lätt in i ett exciterat tillstånd, där en av de två elektronerna från 2s-orbitalen övergår till en fri. 2 gnugga. Ett valenstillstånd visas med konfigurationen 1s 2 2s 1 2p x 1 2p y 1 2p z 1 . Det är detta tillstånd av kolatomen som är karakteristiskt för diamantgittret - tetraedriskt rumsligt arrangemang av hybridorbitaler, identisk längd och energi för bindningar.
Detta fenomen är känt för att kallas sp 3 -hybridisering, och de framväxande funktionerna är sp3-hybrid . Bildandet av fyra sp 3-bindningar ger kolatomen ett mer stabilt tillstånd än tre r-r- och en s-s-anslutning. Förutom sp 3-hybridisering observeras även sp 2- och sp-hybridisering vid kolatomen . I det första fallet uppstår ömsesidig överlappning s- och två p-orbitaler. Tre ekvivalenta sp 2 hybridorbitaler bildas, belägna i samma plan i en vinkel på 120° mot varandra. Den tredje omloppsbanan p är oförändrad och riktad vinkelrätt mot planet sp2.
Under sp-hybridisering överlappar s- och p-orbitalen. En vinkel på 180° uppstår mellan de två ekvivalenta hybridorbitaler som bildas, medan de två p-orbitalerna för varje atom förblir oförändrade.
Allotropi av kol. Diamant och grafit
I en grafitkristall är kolatomer belägna i parallella plan och upptar hörn av vanliga hexagoner. Varje kolatom är ansluten till tre närliggande sp 2 hybridbindningar. Mellan parallella plan kommunikation utförs på grund av van der Waals styrkor. De fria p-orbitalerna för varje atom är riktade vinkelrätt mot planen för kovalenta bindningar. Deras överlappning förklarar den ytterligare π-bindningen mellan kolatomerna. Alltså från valenstillståndet i vilket kolatomerna i ett ämne finns bestämmer egenskaperna hos detta ämne.
Kolets kemiska egenskaper
De mest karakteristiska oxidationstillstånden är: +4, +2.
Vid låga temperaturer är kol inert, men vid upphettning ökar dess aktivitet.
Kol som reduktionsmedel:
- med syre
C 0 + O 2 – t° = CO 2 koldioxid
med syrebrist - ofullständig förbränning:
2C 0 + O 2 – t° = 2C +2 O kolmonoxid
- med fluor
C + 2F 2 = CF 4
- med vattenånga
C 0 + H 2 O – 1200° = C + 2 O + H 2 vattengas
- med metalloxider. Det är så metall smälts ur malm.
C 0 + 2CuO – t° = 2Cu + C +4 O 2
- med syror - oxidationsmedel:
C0 + 2H2SO4 (konc.) = C +4O2 + 2S02 + 2H2O
C0 + 4HNO3 (konc.) = C +4O2 + 4NO2 + 2H2O
- bildar koldisulfid med svavel:
C + 2S 2 = CS 2.
Kol som oxidationsmedel:
- bildar karbider med vissa metaller
4Al + 3C0 = Al4C3
Ca + 2C0 = CaC2-4
- med väte - metan (liksom ett stort antal organiska föreningar)
CO + 2H2 = CH4
— bildar karborundum med kisel (vid 2000 °C i en elektrisk ugn):
Att hitta kol i naturen
Fritt kol förekommer i form av diamant och grafit. I form av föreningar finns kol i mineraler: krita, marmor, kalksten - CaCO 3, dolomit - MgCO 3 *CaCO 3; kolkarbonater - Mg(HCO 3) 2 och Ca(HCO 3) 2, CO 2 är en del av luften; kol är det viktigaste integrerad del naturliga organiska föreningar - gas, olja, kol, torv, är en del av organiska ämnen, proteiner, fetter, kolhydrater, aminosyror som utgör levande organismer.
Oorganiska kolföreningar
Varken C 4+-joner eller C 4- ‑ under några normala förhållanden kemiska processer bildas inte: kolföreningar innehåller kovalenta bindningar med olika polaritet.
Kolmonoxid CO
Kolmonoxid; färglös, luktlös, lätt löslig i vatten, löslig i organiska lösningsmedel, giftig, kokpunkt = -192°C; t pl. = -205°C.
Mottagande
1) Inom industrin (i gasgeneratorer):
C + O 2 = CO 2
2) I laboratoriet - termisk nedbrytning myrsyra eller oxalsyra i närvaro av H 2 SO 4 (konc.):
HCOOH = H2O + CO
H 2 C 2 O 4 = CO + CO 2 + H 2 O
Kemiska egenskaper
Under normala förhållanden är CO inert; vid upphettning - ett reduktionsmedel; icke-saltbildande oxid.
1) med syre
2C +2 O + O2 = 2C +4 O2
2) med metalloxider
C+2O + CuO = Cu + C+4O2
3) med klor (i ljuset)
CO + Cl 2 – hn = COCl 2 (fosgen)
4) reagerar med alkalismältor (under tryck)
CO + NaOH = HCOONa (natriumformiat)
5) bildar karbonyler med övergångsmetaller
Ni + 4CO – t° = Ni(CO) 4
Fe + 5CO – t° = Fe(CO) 5
Kolmonoxid (IV) CO2
Koldioxid, färglös, luktfri, löslighet i vatten - 0,9V CO 2 löser sig i 1V H 2 O (under normala förhållanden); tyngre än luft; t°pl = -78,5°C (fast CO 2 kallas "torris"); stöder inte förbränning.
Mottagande
- Termisk nedbrytning av kolsyrasalter (karbonater). Kalkstensbränning:
CaCO 3 – t° = CaO + CO 2
- Effekten av starka syror på karbonater och bikarbonater:
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2
NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2
KemiskegenskaperCO2
Syraoxid: Reagerar med basiska oxider och baser för att bilda kolsyrasalter
Na 2 O + CO 2 = Na 2 CO 3
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O
NaOH + CO 2 = NaHCO 3
Vid förhöjda temperaturer kan uppvisa oxiderande egenskaper
C +4 O 2 + 2Mg – t° = 2Mg +2 O + C 0
Kvalitativ reaktion
Grumlighet av kalkvatten:
Ca(OH) 2 + CO 2 = CaCO 3 ¯ (vit fällning) + H 2 O
Det försvinner när CO 2 leds genom kalkvatten under lång tid, pga olösligt kalciumkarbonat förvandlas till lösligt bikarbonat:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 = Ca(HCO 3) 2
Kolsyra och desssalt
H 2CO 3 - En svag syra, den finns bara i vattenlösning:
CO 2 + H 2 O ↔ H 2 CO 3
Tvåbasisk:
H 2 CO 3 ↔ H + + HCO 3 - Syrasalter - bikarbonater, bikarbonater
HCO 3 - ↔ H + + CO 3 2- Mediumsalter - karbonater
Alla syrors egenskaper är karakteristiska.
Karbonater och bikarbonater kan omvandlas till varandra:
2NaHCO 3 – t° = Na 2 CO 3 + H 2 O + CO 2
Na2CO3 + H2O + CO2 = 2NaHCO3
Metallkarbonater (förutom alkaliska metaller) dekarboxylat när det upphettas för att bilda en oxid:
CuCO 3 – t° = CuO + CO 2
Kvalitativ reaktion- "kokande" under påverkan av en stark syra:
Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2
CO32- + 2H+ = H2O + CO2
Karbider
Kalciumkarbid:
CaO + 3 C = CaC2 + CO
CaC2 + 2 H2O = Ca(OH)2 + C2H2.
Acetylen frigörs när zink, kadmium, lantan och ceriumkarbider reagerar med vatten:
2 LaC2 + 6 H2O = 2La(OH)3 + 2 C2H2 + H2.
Be 2 C och Al 4 C 3 sönderdelas med vatten för att bilda metan:
Al4C3 + 12 H2O = 4 Al(OH)3 = 3 CH4.
Inom tekniken används titankarbider TiC, volfram W 2 C (hårda legeringar), kisel SiC (karborundum - som slipmedel och material för värmare).
Cyanid
erhålls genom att värma soda i en atmosfär av ammoniak och kolmonoxid:
Na 2 CO 3 + 2 NH 3 + 3 CO = 2 NaCN + 2 H 2 O + H 2 + 2 CO 2
Blåväte HCN är en viktig produkt från den kemiska industrin och används i stor utsträckning i organisk syntes. Dess globala produktion når 200 tusen ton per år. Cyanidanjonens elektroniska struktur liknar kolmonoxid (II); sådana partiklar kallas isoelektroniska:
C = O: [:C = N:] –
Cyanider (0,1-0,2% vattenlösning) används vid guldbrytning:
2 Au + 4 KCN + H2O + 0,5 O2 = 2 K + 2 KOH.
När man kokar lösningar av cyanid med svavel eller smältande fasta ämnen bildas de tiocyanater:
KCN + S = KSCN.
När cyanider av lågaktiva metaller värms upp erhålls cyanid: Hg(CN) 2 = Hg + (CN) 2. Cyanidlösningar oxideras till cyanater:
2 KCN + O2 = 2 KOCN.
Cyansyra finns i två former:
H-N=C=O; H-O-C = N:
1828 erhöll Friedrich Wöhler (1800-1882) urea från ammoniumcyanat: NH 4 OCN = CO(NH 2) 2 genom att indunsta en vattenlösning.
Denna händelse brukar betraktas som den syntetiska kemins seger över "vitalistisk teori".
Det finns en isomer av cyansyra - explosiv syra
H-O-N=C.
Dess salter (kvicksilverfulminat Hg(ONC) 2) används i stöttändare.
Syntes urea(urea):
CO2 + 2NH3 = CO(NH2)2 + H2O. Vid 130°C och 100 atm.
Urea är en kolsyraamid; det finns också dess "kväveanalog" - guanidin.
Karbonater
De viktigaste oorganiska kolföreningarna är salter av kolsyra (karbonater). H2CO3 är en svag syra (Ki = 1,3 10-4; K2 = 5 10-11). Karbonatbuffertstöd koldioxidjämvikt i atmosfären. Världens hav har en enorm buffertkapacitet eftersom de är det öppna system. Den huvudsakliga buffertreaktionen är jämvikten under dissociationen av kolsyra:
H2CO3 ↔ H+ + HCO3-.
När surheten minskar sker ytterligare absorption av koldioxid från atmosfären med bildandet av syra:
CO2 + H2O ↔ H2CO3.
När surheten ökar löses karbonatstenar (skal, krita och kalkstenssediment i havet) upp; detta kompenserar för förlusten av kolkarbonatjoner:
H + + CO 3 2- ↔ HCO 3 —
CaCO 3 (fast) ↔ Ca 2+ + CO 3 2-
Fasta karbonater förvandlas till lösliga bikarbonater. Det är denna process att kemiskt lösa upp överskott av koldioxid som motverkar " växthuseffekt» – Global uppvärmning på grund av absorptionen av termisk strålning från jorden av koldioxid. Ungefär en tredjedel av världens produktion av soda (natriumkarbonat Na 2 CO 3) används i glasproduktion.
Den vanligaste kunskapen handlar om tre aggregationstillstånd: flytande, fast, gasformig; ibland minns de plasma, mer sällan flytande kristallin. Nyligen har en lista med 17 faser av materia, hämtad från den berömda () Stephen Fry, spridits på Internet. Därför kommer vi att berätta om dem mer i detalj, eftersom... Du bör veta lite mer om materia, om så bara för att bättre förstå de processer som sker i universum.
Listan över aggregattillstånd av materia som ges nedan ökar från de kallaste tillstånden till de hetaste osv. kan fortsätta. Samtidigt bör det förstås att från det gasformiga tillståndet (nr 11), det mest "okomprimerade", till båda sidor av listan, graden av kompression av ämnet och dess tryck (med vissa reservationer för sådana ostuderade hypotetiska tillstånd som kvant, stråle eller svagt symmetriska) ökar Efter texten visas en visuell graf över fasövergångar av materia.
1. Kvantum- ett tillstånd av aggregation av materia, uppnått när temperaturen sjunker till absoluta nollpunkten, som ett resultat av vilket interna bindningar försvinner och materia smulas sönder till fria kvarkar.
2. Bose-Einstein-kondensat- ett tillstånd av aggregation av materia, vars grund är bosoner, kylda till temperaturer nära absolut noll (mindre än en miljondels grad över absolut noll). I ett så väldigt svalt tillstånd räcker det stort antal atomer befinner sig i sina minsta möjliga kvanttillstånd och kvanteffekter börjar manifestera sig på makroskopisk nivå. Ett Bose-Einstein-kondensat (ofta kallat ett Bose-kondensat, eller helt enkelt "beck") uppstår när du kyler ett kemiskt element till extremt låga temperaturer (vanligtvis strax över absoluta nollpunkten, minus 273 grader Celsius). , är den teoretiska temperaturen vid vilken allting slutar röra sig).
Det är här det börjar hända helt konstiga saker med ämnet. Processer som vanligtvis bara observeras på atomnivå sker nu på skalor som är tillräckligt stora för att kunna observeras med blotta ögat. Till exempel, om du placerar "tillbaka" i en laboratoriebägare och ger önskad temperatur, kommer ämnet att börja krypa uppför väggen och så småningom komma ut av sig själv.
Tydligen har vi här att göra med ett meningslöst försök från ett ämne att sänka sin egen energi (som redan är på den lägsta av alla möjliga nivåer).
Att sakta ner atomer med hjälp av kylutrustning producerar ett singulärt kvanttillstånd som kallas ett Bose- eller Bose-Einstein-kondensat. Detta fenomen förutspåddes 1925 av A. Einstein, som ett resultat av en generalisering av S. Boses arbete, där statistisk mekanik byggdes för partiklar som sträckte sig från masslösa fotoner till massbärande atomer (Einsteins manuskript, som anses vara förlorat, upptäcktes i biblioteket vid Leiden University 2005). Bose och Einsteins ansträngningar resulterade i Boses koncept om en gas som är föremål för Bose–Einstein-statistik, som beskriver den statistiska fördelningen av identiska partiklar med heltalsspinn som kallas bosoner. Bosoner, som till exempel är individuella elementarpartiklar - fotoner och hela atomer, kan vara i samma kvanttillstånd med varandra. Einstein föreslog att kylning av bosonatomer till mycket låga temperaturer skulle få dem att omvandlas (eller, med andra ord, kondensera) till lägsta möjliga kvanttillstånd. Resultatet av sådan kondensering kommer att bli uppkomsten av en ny form av materia.
Denna övergång sker under den kritiska temperaturen, som är för en homogen tredimensionell gas bestående av icke-interagerande partiklar utan några inre frihetsgrader.
3. Fermionkondensat- ett tillstånd av aggregering av ett ämne, som liknar underlaget, men har olika struktur. När de närmar sig absolut noll, beter sig atomer olika beroende på storleken på deras eget rörelsemängd (spin). Bosoner har heltalsspinn, medan fermioner har snurr som är multiplar av 1/2 (1/2, 3/2, 5/2). Fermioner följer Paulis uteslutningsprincip, som säger att inga två fermioner kan ha samma kvanttillstånd. Det finns inget sådant förbud för bosoner, och därför har de möjlighet att existera i ett kvanttillstånd och därigenom bilda det så kallade Bose-Einstein-kondensatet. Processen för bildning av detta kondensat är ansvarig för övergången till det supraledande tillståndet.
Elektroner har spin 1/2 och klassas därför som fermioner. De kombineras till par (kallade Cooper-par), som sedan bildar ett Bose-kondensat.
Amerikanska forskare har försökt få fram ett slags molekyler från fermionatomer genom djupkylning. Skillnaden mot verkliga molekyler var att det inte fanns någon kemisk bindning mellan atomerna - de rörde sig helt enkelt ihop på ett korrelerat sätt. Bindningen mellan atomer visade sig vara ännu starkare än mellan elektroner i Cooper-par. De resulterande paren av fermioner har en total spin som inte längre är en multipel av 1/2, därför beter de sig redan som bosoner och kan bilda ett Bose-kondensat med ett enda kvanttillstånd. Under experimentet kyldes en gas av kalium-40 atomer till 300 nanokelvin medan gasen inneslutes i en så kallad optisk fälla. Sedan applicerades ett externt magnetfält, med hjälp av vilket det var möjligt att ändra karaktären av interaktioner mellan atomer - istället för stark repulsion började en stark attraktion observeras. När man analyserade påverkan av magnetfältet var det möjligt att hitta ett värde vid vilket atomerna började bete sig som Cooper-elektronpar. I nästa steg av experimentet förväntar sig forskarna att få supraledningseffekter för fermionkondensatet.
4. Superflytande ämne- ett tillstånd där ett ämne praktiskt taget inte har någon viskositet och under flödet inte upplever friktion med en fast yta. Konsekvensen av detta är till exempel en så intressant effekt som att superfluid helium helt spontant "kryper ut" från kärlet längs dess väggar mot tyngdkraften. Naturligtvis finns det inget brott mot lagen om bevarande av energi här. I frånvaro av friktionskrafter påverkas helium endast av gravitationskrafter, krafterna för interatomisk interaktion mellan helium och kärlets väggar och mellan heliumatomer. Så krafterna för interatomisk interaktion överstiger alla andra krafter tillsammans. Som ett resultat tenderar helium att spridas så mycket som möjligt över alla möjliga ytor och därför "färdas" längs kärlets väggar. 1938 bevisade den sovjetiska forskaren Pyotr Kapitsa att helium kan existera i ett superfluid tillstånd.
Det är värt att notera att många av heliums ovanliga egenskaper har varit kända under ganska lång tid. Dock även i senaste åren detta kemiska element skämmer bort oss med intressanta och oväntade effekter. Så, 2004, fascinerade Moses Chan och Eun-Syong Kim från University of Pennsylvania den vetenskapliga världen med tillkännagivandet att de hade lyckats få ett helt nytt tillstånd av helium - ett superfluid fast ämne. I detta tillstånd kan vissa heliumatomer i kristallgittret strömma runt andra, och helium kan därmed strömma genom sig själv. Effekten av "superhårdhet" förutspåddes teoretiskt redan 1969. Och sedan 2004 verkade det finnas experimentell bekräftelse. Senare och mycket intressanta experiment visade dock att allt inte är så enkelt, och kanske är denna tolkning av fenomenet, som tidigare accepterats som superfluiditeten av fast helium, felaktig.
Experimentet av forskare ledd av Humphrey Maris från Brown University i USA var enkelt och elegant. Forskare placerade ett uppochnervänt provrör i en stängd tank som innehöll flytande helium. De frös en del av heliumet i provröret och i reservoaren på ett sådant sätt att gränsen mellan vätska och fast inuti provröret var högre än i reservoaren. Med andra ord, i den övre delen av provröret fanns flytande helium, i den nedre delen fanns det fast helium, det passerade smidigt in i den fasta fasen av reservoaren, över vilken lite flytande helium hälldes - lägre än vätskan nivån i provröret. Om flytande helium började läcka genom fast helium, skulle skillnaden i nivåer minska, och då kan vi prata om fast superfluid helium. Och i princip, i tre av de 13 experimenten, minskade faktiskt skillnaden i nivåer.
5. Superhårt ämne- ett tillstånd av aggregation där materia är transparent och kan "flyta" som en vätska, men i själva verket saknar viskositet. Sådana vätskor har varit kända i många år, de kallas superfluids. Faktum är att om en supervätska rörs om kommer den att cirkulera nästan för evigt, medan en normal vätska så småningom kommer att lugna ner sig. De två första supervätskorna skapades av forskare som använde helium-4 och helium-3. De kyldes till nästan absolut noll - minus 273 grader Celsius. Och från helium-4 lyckades amerikanska forskare få en supersolid kropp. De komprimerade fruset helium med mer än 60 gånger trycket och placerade sedan glaset fyllt med ämnet på en roterande skiva. Vid en temperatur på 0,175 grader Celsius började skivan plötsligt snurra mer fritt, vilket forskare säger tyder på att helium har blivit en superkropp.
6. Fast- ett tillstånd av aggregering av ett ämne, kännetecknat av formstabilitet och arten av den termiska rörelsen av atomer, som utför små vibrationer runt jämviktspositioner. Det stabila tillståndet för fasta ämnen är kristallint. Det finns fasta ämnen med joniska, kovalenta, metalliska och andra typer av bindningar mellan atomer, vilket bestämmer mångfalden av deras fysikaliska egenskaper. De elektriska och vissa andra egenskaperna hos fasta ämnen bestäms huvudsakligen av arten av rörelsen hos de yttre elektronerna i dess atomer. Baserat på deras elektriska egenskaper delas fasta ämnen in i dielektrikum, halvledare och metaller; baserat på deras magnetiska egenskaper delas fasta ämnen in i diamagnetiska, paramagnetiska och kroppar med en ordnad magnetisk struktur. Forskning om fasta ämnens egenskaper har kombinerats till stort område— fasta tillståndets fysik, vars utveckling stimuleras av teknikens behov.
7. Amorft fast ämne- ett kondenserat tillstånd av aggregering av ett ämne, kännetecknat av isotropi av fysikaliska egenskaper på grund av det oordnade arrangemanget av atomer och molekyler. I amorfa fasta ämnen vibrerar atomer runt slumpmässigt placerade punkter. Till skillnad från det kristallina tillståndet sker övergången från fast amorft till flytande gradvis. Olika ämnen är i amorft tillstånd: glas, hartser, plaster etc.
8. Flytande kristallär ett specifikt aggregationstillstånd för ett ämne där det samtidigt uppvisar egenskaperna hos en kristall och en vätska. Det bör genast noteras att inte alla ämnen kan vara i flytande kristallint tillstånd. Vissa organiska ämnen med komplexa molekyler kan dock bilda ett specifikt aggregationstillstånd - flytande kristallin. Detta tillstånd uppstår när kristaller av vissa ämnen smälter. När de smälter bildas en flytande kristallin fas som skiljer sig från vanliga vätskor. Denna fas existerar i intervallet från kristallens smälttemperatur till någon högre temperatur, vid upphettning till vilken den flytande kristallen förvandlas till en vanlig vätska.
Hur skiljer sig en flytande kristall från en flytande och en vanlig kristall och hur liknar den dem? Liksom en vanlig vätska har en flytande kristall flytbarhet och tar formen av behållaren i vilken den placeras. Det är så det skiljer sig från de kristaller som alla känner till. Men trots denna egenskap, som förenar den med en vätska, har den en egenskap som är karakteristisk för kristaller. Detta är ordningen i rymden av molekylerna som bildar kristallen. Det är sant att denna ordning inte är lika komplett som i vanliga kristaller, men ändå påverkar den avsevärt egenskaperna hos flytande kristaller, vilket skiljer dem från vanliga vätskor. Ofullständig rumslig ordning av molekylerna som bildar en flytande kristall manifesteras i det faktum att det i flytande kristaller inte finns någon fullständig ordning i det rumsliga arrangemanget av molekylernas tyngdpunkter, även om det kan finnas partiell ordning. Det betyder att de inte har ett styvt kristallgitter. Därför har flytande kristaller, liksom vanliga vätskor, egenskapen att flyta.
En obligatorisk egenskap hos flytande kristaller, som för dem närmare vanliga kristaller, är närvaron av en ordning av rumslig orientering av molekylerna. Denna orienteringsordning kan till exempel visa sig i det faktum att alla molekylernas långa axlar i ett flytande kristallprov är orienterade på samma sätt. Dessa molekyler måste ha en långsträckt form. Förutom den enklaste namngivna ordningen av molekylära axlar, kan en mer komplex orienteringsordning av molekyler förekomma i en flytande kristall.
Beroende på typen av ordning av de molekylära axlarna delas flytande kristaller in i tre typer: nematiska, smektiska och kolesteriska.
Forskning om flytande kristallers fysik och deras tillämpningar bedrivs för närvarande på bred front i alla världens mest utvecklade länder. Den inhemska forskningen är koncentrerad till både akademiska och industriella forskningsinstitutioner och har en lång tradition. Verken av V.K., färdigställda på trettiotalet i Leningrad, blev allmänt kända och erkända. Fredericks till V.N. Tsvetkova. Under de senaste åren har den snabba studien av flytande kristaller sett att inhemska forskare också ger ett betydande bidrag till utvecklingen av studiet av flytande kristaller i allmänhet och, i synnerhet, optiken för flytande kristaller. Verken av I.G. Chistyakova, A.P. Kapustina, S.A. Brazovsky, S.A. Pikina, L.M. Blinov och många andra sovjetiska forskare är allmänt kända för det vetenskapliga samfundet och fungerar som grunden för ett antal effektiva tekniska tillämpningar av flytande kristaller.
Förekomsten av flytande kristaller etablerades för länge sedan, nämligen 1888, det vill säga nästan ett sekel sedan. Även om forskare stötte på detta tillstånd före 1888, upptäcktes det officiellt senare.
Den första som upptäckte flytande kristaller var den österrikiske botanikern Reinitzer. När han studerade det nya ämnet kolesterylbensoat som han syntetiserade upptäckte han att vid en temperatur på 145°C smälter kristallerna av detta ämne och bildar en grumlig vätska som starkt sprider ljus. När uppvärmningen fortsätter, efter att ha uppnått en temperatur på 179°C, blir vätskan klar, d.v.s. den börjar bete sig optiskt som en vanlig vätska, till exempel vatten. Kolesterylbensoat visade oväntade egenskaper i den grumliga fasen. Genom att undersöka denna fas under ett polariserande mikroskop upptäckte Reinitzer att den uppvisar dubbelbrytning. Detta betyder att ljusets brytningsindex, det vill säga ljusets hastighet i denna fas, beror på polarisationen.
9. Vätska- tillståndet för aggregation av ett ämne, som kombinerar egenskaperna hos ett fast tillstånd (bevarande av volym, en viss draghållfasthet) och ett gasformigt tillstånd (formvariabilitet). Vätskor kännetecknas av ordning på kort räckvidd i arrangemanget av partiklar (molekyler, atomer) och en liten skillnad i kinetisk energi för termisk rörelse hos molekyler och deras potentiella interaktionsenergi. Den termiska rörelsen hos vätskemolekyler består av svängningar runt jämviktspositioner och relativt sällsynta hopp från en jämviktsposition till en annan; vätskans flytbarhet är förknippad med detta.
10. Superkritisk vätska(SCF) är ett tillstånd av aggregering av ett ämne där skillnaden mellan vätske- och gasfasen försvinner. Varje ämne vid en temperatur och ett tryck över sin kritiska punkt är en superkritisk vätska. Egenskaperna hos ett ämne i superkritiskt tillstånd ligger mellan dess egenskaper i gas- och vätskefasen. Således har SCF en hög densitet, nära en vätska, och låg viskositet, som gaser. Diffusionskoefficienten har i detta fall ett värde mellan vätska och gas. Ämnen i superkritiskt tillstånd kan användas som substitut för organiska lösningsmedel i laboratorie- och industriprocesser. Superkritiskt vatten och superkritisk koldioxid har fått störst intresse och spridning på grund av vissa egenskaper.
En av de mest viktiga egenskaper superkritiskt tillstånd är förmågan att lösa upp ämnen. Genom att ändra temperaturen eller trycket på vätskan kan du ändra dess egenskaper över ett brett område. Således är det möjligt att erhålla en vätska vars egenskaper är nära antingen en vätska eller en gas. Således ökar upplösningsförmågan hos en vätska med ökande densitet (vid en konstant temperatur). Eftersom densiteten ökar med ökande tryck kan en förändring av trycket påverka vätskans upplösningsförmåga (vid konstant temperatur). När det gäller temperatur är beroendet av vätskans egenskaper något mer komplext - vid konstant densitet ökar också vätskans upplösningsförmåga, men nära den kritiska punkten kan en liten temperaturökning leda till ett kraftigt fall i densitet och följaktligen upplösningsförmågan. Superkritiska vätskor blandas med varandra utan begränsning, så när den kritiska punkten för blandningen nås kommer systemet alltid att vara enfas. Den ungefärliga kritiska temperaturen för en binär blandning kan beräknas som det aritmetiska medelvärdet av de kritiska parametrarna för ämnena Tc(mix) = (molfraktion A) x TcA + (molfraktion B) x TcB.
11. Gasformig- (franska gaz, från grekiska kaos - kaos), tillståndet för aggregering av ett ämne i vilket rörelseenergi Den termiska rörelsen av dess partiklar (molekyler, atomer, joner) överstiger avsevärt den potentiella energin för interaktioner mellan dem, och därför rör sig partiklarna fritt och fyller jämnt hela volymen som tillhandahålls dem i frånvaro av yttre fält.
12. Plasma- (från grekiskans plasma - skulpterad, formad), ett materiatillstånd som är en joniserad gas där koncentrationerna av positiva och negativa laddningar är lika (kvasineutralitet). Den stora majoriteten av materia i universum är i plasmatillståndet: stjärnor, galaktiska nebulosor och det interstellära mediet. Nära jorden finns plasma i form av solvinden, magnetosfären och jonosfären. Högtemperaturplasma (T ~ 106 - 108K) från en blandning av deuterium och tritium studeras i syfte att implementera kontrollerad termonukleär fusion. Lågtemperaturplasma (T Ј 105K) används i olika gasurladdningsanordningar (gaslasrar, jonanordningar, MHD-generatorer, plasmatroner, plasmamotorer, etc.), såväl som inom teknik (se Plasmametallurgi, Plasmaborrning, Plasma teknik).
13. Degenererad materia— är ett mellanstadium mellan plasma och neutronium. Det observeras i vita dvärgar och spelar en viktig roll i utvecklingen av stjärnor. När atomer utsätts för extremt höga temperaturer och tryck förlorar de sina elektroner (de blir elektrongas). Med andra ord är de helt joniserade (plasma). Trycket hos en sådan gas (plasma) bestäms av elektronernas tryck. Om densiteten är mycket hög tvingas alla partiklar närmare varandra. Elektroner kan existera i tillstånd med specifika energier, och inga två elektroner kan ha samma energi (om inte deras snurr är motsatta). I en tät gas är alltså alla lägre energinivåer fyllda med elektroner. En sådan gas kallas degenererad. I detta tillstånd uppvisar elektroner ett degenererat elektrontryck, vilket motverkar gravitationskrafterna.
14. Neutronium- ett aggregationstillstånd där materia passerar vid ultrahögt tryck, som fortfarande är ouppnåeligt i laboratoriet, men som finns inuti neutronstjärnor. Under övergången till neutrontillståndet interagerar ämnets elektroner med protoner och förvandlas till neutroner. Som ett resultat består materia i neutrontillståndet helt av neutroner och har en densitet i storleksordningen kärnkraft. Temperaturen på ämnet bör inte vara för hög (i energiekvivalent, inte mer än hundra MeV).
Med en kraftig temperaturökning (hundratals MeV och uppåt) börjar olika mesoner att födas och förintas i neutrontillståndet. Med en ytterligare ökning av temperaturen uppstår avgränsning, och ämnet övergår i tillståndet av kvark-gluonplasma. Den består inte längre av hadroner, utan av att ständigt födas och försvinna kvarkar och gluoner.
15. Quark-gluon plasma(kromoplasma) - tillstånd av aggregation av materia i högenergifysik och fysik elementarpartiklar, där hadronisk materia går in i ett tillstånd som liknar det tillstånd där elektroner och joner finns i vanlig plasma.
Typiskt är ämnet i hadroner i det så kallade färglösa (”vita”) tillståndet. Det vill säga kvarkar av olika färg tar ut varandra. Ett liknande tillstånd finns i vanlig materia - när alla atomer är elektriskt neutrala, dvs.
positiva laddningar i dem kompenseras av negativa. Vid höga temperaturer kan jonisering av atomer inträffa, under vilken laddningarna separeras, och ämnet blir, som de säger, "kvasineutralt". Det vill säga, hela materiamolnet som helhet förblir neutralt, men dess individuella partiklar upphör att vara neutrala. Samma sak kan tydligen hända med hadronisk materia - vid mycket höga energier frigörs färg och gör ämnet "kvasifärglöst".
Förmodligen var universums materia i ett tillstånd av kvarg-gluonplasma under de första ögonblicken efter Big Bang. Nu kan kvarg-gluonplasma bildas under en kort tid vid kollisioner av partiklar med mycket hög energi.
Quark-gluonplasma producerades experimentellt vid RHIC-acceleratorn vid Brookhaven National Laboratory 2005. Den maximala plasmatemperaturen på 4 biljoner grader Celsius erhölls där i februari 2010.
16. Konstig substans- ett aggregationstillstånd där materia komprimeras till maximala densitetsvärden; det kan existera i form av "kvarksoppa". En kubikcentimeter materia i detta tillstånd kommer att väga miljarder ton; dessutom kommer den att omvandla alla normala ämnen som den kommer i kontakt med till samma "märkliga" form med frigörande av en betydande mängd energi.
Energin som kan frigöras när stjärnans kärna förvandlas till "konstig materia" kommer att leda till en superkraftig explosion av en "kvarknova" - och enligt Leahy och Uyed är det precis vad astronomer observerade i september 2006.
Processen för bildning av detta ämne började med en vanlig supernova, som blev till massiv stjärna. Som ett resultat av den första explosionen bildades en neutronstjärna. Men enligt Leahy och Uyed var den mycket kortlivad eftersom dess rotation verkade bromsas av sig själv magnetiskt fält, började den krympa ännu mer, med bildandet av en koagel av "konstig materia", vilket ledde till en ännu kraftigare frigöring av energi än vid en normal supernovaexplosion - och de yttre skikten av det tidigare ämnet neutronstjärna, sprids ut i det omgivande utrymmet med en hastighet nära ljusets hastighet.
17. Starkt symmetrisk substans- detta är ett ämne som är komprimerat till en sådan grad att mikropartiklarna inuti det läggs på varandra och kroppen själv kollapsar i svart hål. Termen "symmetri" förklaras på följande sätt: Låt oss ta de aggregerade materiantillstånden som är kända för alla från skolan - fast, flytande, gasformig. För visshetens skull, låt oss betrakta en ideal oändlig kristall som en fast substans. Det finns en viss, så kallad diskret symmetri med avseende på överföring. Det betyder att om du flyttar kristallgittret med ett avstånd som är lika med intervallet mellan två atomer kommer ingenting att förändras i det - kristallen kommer att sammanfalla med sig själv. Om kristallen smälts kommer symmetrin hos den resulterande vätskan att vara annorlunda: den kommer att öka. I en kristall, endast punkter som är avlägsna från varandra på vissa avstånd, var de så kallade noderna i kristallgittret, i vilka identiska atomer fanns, likvärdiga.
Vätskan är homogen genom hela sin volym, alla dess punkter går inte att skilja från varandra. Detta innebär att vätskor kan förskjutas med vilka som helst godtyckliga avstånd (och inte bara några diskreta sådana, som i en kristall) eller roteras av vilka som helst godtyckliga vinklar (vilket inte kan göras i kristaller alls) och det kommer att sammanfalla med sig själv. Dess grad av symmetri är högre. Gas är ännu mer symmetrisk: vätskan upptar en viss volym i kärlet och det finns en asymmetri inuti kärlet där det finns vätska och punkter där det inte är det. Gas upptar hela volymen som den tillhandahålls, och i denna mening är alla dess punkter omöjliga att skilja från varandra. Ändå skulle det här vara mer korrekt att inte tala om punkter, utan om små, men makroskopiska element, för på mikroskopisk nivå finns det fortfarande skillnader. Vid vissa tillfällen vid en given tidpunkt finns det atomer eller molekyler, medan det vid andra inte finns det. Symmetri observeras endast i genomsnitt, antingen över vissa makroskopiska volymparametrar eller över tid.
Men det finns fortfarande ingen omedelbar symmetri på mikroskopisk nivå. Om ett ämne komprimeras mycket kraftigt, till tryck som är oacceptabla i vardagen, komprimeras så att atomerna krossas, deras skal tränger in i varandra och kärnorna börjar beröra, uppstår symmetri på mikroskopisk nivå. Alla kärnor är identiska och pressade mot varandra, det finns inte bara interatomära, utan även internukleära avstånd, och substansen blir homogen (konstig substans).
Men det finns också en submikroskopisk nivå. Kärnor är uppbyggda av protoner och neutroner som rör sig inuti kärnan. Det finns också lite utrymme mellan dem. Om du fortsätter att komprimera så att kärnorna krossas kommer nukleonerna att trycka hårt mot varandra. Då, på submikroskopisk nivå, kommer symmetri att uppstå, som inte finns ens inuti vanliga kärnor.
Av det sagda kan man urskilja en mycket bestämd trend: ju högre temperatur och ju högre tryck, desto mer symmetrisk blir ämnet. Baserat på dessa överväganden kallas ett ämne som komprimerats till dess maximalt mycket symmetriskt.
18. Svagt symmetrisk materia- ett tillstånd som är motsatt till starkt symmetrisk materia i dess egenskaper, närvarande i det mycket tidiga universum vid en temperatur nära Plancks, kanske 10-12 sekunder efter Big Bang, då de starka, svaga och elektromagnetiska krafterna representerade en enda superkraft. I detta tillstånd komprimeras ämnet i en sådan utsträckning att dess massa förvandlas till energi, som börjar blåsa upp, det vill säga expandera på obestämd tid. Det är ännu inte möjligt att uppnå energierna för att experimentellt erhålla superkraft och överföra materia till denna fas under jordiska förhållanden, även om sådana försök gjordes vid Large Hadron Collider för att studera det tidiga universum. På grund av frånvaron av gravitationsinteraktion i superkraften som bildar detta ämne, är superkraften inte tillräckligt symmetrisk i jämförelse med den supersymmetriska kraften som innehåller alla 4 typer av interaktioner. Därför fick detta aggregationstillstånd ett sådant namn.
19. Strålämne– detta är faktiskt inte längre materia alls, utan energi i sin rena form. Men det är just detta hypotetiska aggregationstillstånd som en kropp som har nått ljusets hastighet kommer att ta. Det kan också erhållas genom att värma upp kroppen till Planck-temperaturen (1032K), det vill säga accelerera ämnets molekyler till ljusets hastighet. Som följer av relativitetsteorin, när en hastighet når mer än 0,99 s, börjar kroppens massa att växa mycket snabbare än med "normal" acceleration; dessutom förlängs kroppen, värms upp, det vill säga den börjar att växa stråla i det infraröda spektrumet. När tröskeln på 0,999 s passerar förändras kroppen radikalt och börjar en snabb fasövergång upp till stråltillståndet. Som följer av Einsteins formel, taget i sin helhet, består den växande massan av det slutliga ämnet av massor separerade från kroppen i form av termisk, röntgenstrålning, optisk och annan strålning, vars energi beskrivs av nästa term i formeln. Således kommer en kropp som närmar sig ljusets hastighet att börja sända ut i alla spektra, växa i längd och sakta ner med tiden, tunnas ut till Plancklängden, det vill säga när den når hastighet c, kommer kroppen att förvandlas till en oändligt lång och tunn stråle, som rör sig med ljusets hastighet och består av fotoner som inte har någon längd, och dess oändliga massa kommer att omvandlas fullständigt till energi. Därför kallas ett sådant ämne stråle.
