Газ (газообразное состояние) агрегатное состояние вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью. Частицы газа почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда).
Газообразное состояние самое распространённое состояние вещества Вселенной (межзвёздное вещество, туманности, звёзды, атмосферы планет и т. д.). По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей. К газам иногда относят не только системы из атомов и молекул, но и системы из других частиц фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму.
Жидкость одно из агрегатных состояний вещества. Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.
Жидкость – это физическое тело, обладающее двумя свойствами: Обладает текучестью, благодаря которой она не имеет формы и принимает форму того сосуда, в котором она находится. Она мало изменяет форму и объем при изменении давления и температуры, в чем она сходна с твердым телом.
Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое. Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохраненные формы (внутренних частей жидкого тела). Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии. Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние стекло), выше в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления. Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза). Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей.
Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух. Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться. Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить» себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться. Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму например, капли воды в невесомости. Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности.
Испарение постепенный переход вещества из жидкости в газообразную фазу (пар). При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость через её поверхность и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости уходит больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение. Конденсация обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пара больше молекул, чем в пар из жидкости. Кипение процесс парообразования внутри жидкости. При достаточно высокой температуре давление пара становится выше давления внутри жидкости, и там начинают образовываться пузырьки пара, которые (в условиях земного притяжения) всплывают наверх. Смачивание поверхностное явление, возникающее при контакте жидкости с твёрдой поверхностью в присутствии пара, то есть на границах раздела трёх фаз. Смешиваемость способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло. Переход жидкостей из одного состояния в другое
Молекулярно - кинетическая теория дает возможность понять, почему вещество может находиться в разных агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом.
Внешними отличительными чертами этих состояний являются сжимаемость (изменение объема) и текучесть (сохранение формы).
С точки зрения молекулярно-кинетической теории, агрегатные состояния различаются по значению среднего расстояния между молекулами и характеру движения молекул друг относительно друга.
Увеличивая температуру газа при фиксированном давлении, можно получить частично, а затем полностью ионизованную плазму, которую часто считают четвертым состоянием вещества. С увеличением давления вещество может перейти в пятое - нейтронное - состояние, которое реализуется в природе в виде нейтронных звезд.
На основе МКТ рассмотрим различия и сходства теплового движения частиц газов, жидкостей и твердых тел.
Газы - это тела, в которых молекулы почти свободно хаотически двигаются в промежутках между столкновениями, во время которых резко меняется характер их движения. Согласно МКТ молекулы газа находятся друг от друга на расстояниях, превышающих размер самих молекул в несколько раз. В этом случае силы притяжения уже малы, поэтому, участвуя в хаотичном движении, молекулы газа могут удаляться на любое расстояние. Газ занимает объем сосуда любых размеров. Его можно существенно сжать под действием внешних сил.
Например, объем сосуда может в десятки тысяч раз превышать объем находящихся в нем молекул.
Газы легко сжимаются, если уменьшается среднее расстояние между молекулами, но форма молекулы не изменяется. Молекулы, двигаясь в пространстве с огромными скоростями - сотни метров в секунду, сталкиваются, затем отскакивают друг от друга в разные стороны подобно бильярдным шарам. Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга.
Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема.
Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа. Примером этому может служить воздушный шарик. Его невозможно надуть с одной стороны. Газ или воздух в шарике распространяется по всему объему.
Как можно судить о концентрации молекул внутри шарика? Чем больше газа внутри шарика, тем он плотнее накачан, т.е. становится более упругим.
Жидкости - это тела, образованные веществами, находящимися в состоянии, в котором не сохраняется форма тела под действием силы тяжести или небольшой нагрузки. Однако жидкость трудно сжимается даже под действием значительных сил.
Молекулы жидкости не образуют постоянной пространственной структуры; расположены друг от друга на расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул, почти вплотную друг к другу, поэтому молекула жидкости ведет себя иначе, чем молекула газа. Характер движения этих молекул представляет собой множество колебаний относительно положения равновесия, в результате столкновения с соседними молекулами, т.е. временное оседлое положение, чередуется со скачками на новое оседлое положение.
В жидкостях существует так называемый ближний порядок, т. е. упорядоченное расположение молекул сохраняется на расстояниях, равных нескольким молекулярным диаметрам. Молекула колеблется около своего положения равновесия: здесь сила отталкивания равна силе притяжения, т. е. суммарная сила взаимодействия молекулы равна нулю. Время оседлой жизни молекулы воды: время ее колебаний около одного определенного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10-11 с. Время же одного колебания значительно меньше 10-12-10-13 с. С повышением температуры время оседлой жизни молекул уменьшается.
Характер молекулярного движения в жидкостях, впервые установил советский физик Яков Ильич Френкель. Результаты его работы позволяют понять основные свойства жидкостей.
Молекулы жидкости находятся непосредственно друг возле друга. При уменьшении объема силы отталкивания становятся очень велики. Этим и объясняется малая сжимаемость жидкостей.
Жидкости текучи, т. е. не сохраняют своей формы, так как внешняя сила заметно не меняет числа перескоков молекул в секунду. Но перескоки молекул из одного оседлого положения в другое происходят преимущественно в направлении действия внешней силы. Вот почему жидкость течет и принимает форму сосуда.
Твердое тело - это агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы при значительных нагрузках (сравнимых с воздействием сил тяжести) и тепловым движением атомов в виде малых колебаний вокруг положений равновесия (отсюда возникновение деформаций лишь при больших внешних силах). Кроме того, расстояние между молекулами сравнимо с размером самих молекул, и между ними при сжатии возникают силы отталкивания (отсюда несжимаемость твердых тел).
Атомы или молекулы твердых тел, в отличие от атомов и молекул жидкостей, колеблются около определенных положений равновесия. По этой причине твердые тела сохраняют не только объем, но и форму. Потенциальная энергия взаимодействия молекул твердого тела существенно больше их кинетической энергии.
Есть еще одно важное различие между жидкостями и твердыми телами. Жидкость можно сравнить с толпой людей, где отдельные личности беспокойно толкутся на месте, а твердое тело подобно той же толпе людей, которые хотя и не стоят по стойке смирно, но выдерживают между собой в среднем определенные расстояния. Если соединить центры положений равновесия атомов или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической.
На рисунках изображены кристаллические решетки поваренной соли и алмаза. Внутренний порядок в расположении атомов кристаллов приводит к правильным внешним геометрическим формам.
Различают кристаллические и аморфные твердые тела.
В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, упорядоченность которых наблюдается лишь на расстояниях, сравнимых с межатомными.
В кристаллах периодичность в расположении этих точек наблюдается для сколь угодно отдаленных атомов.
С точки зрения МКТ эти свойства объясняются упорядоченным расположением атомов (молекул) в теле. Такое расположение длительное время не меняется.
Кристалл - это твердое тело, обладающее трехмерной периодической атомной или молекулярной структурой. Обычно такое тело имеет форму правильного симметричного многогранника. Крупные одиночные кристаллы называются монокристаллами. В природе встречаются монокристаллы различных размеров: от очень больших кристаллов кварца (до нескольких сотен килограммов) до мелких (россыпи кристаллов алмаза). Отличительной особенностью кристаллических тел является:
1) анизотропия монокристаллов (зависимость свойств от направления); например, если стеклянную банку положить, то её легко можно раздавить, встав на неё. Однако, если поставить банку, то она легко выдержит ваш вес;
2) наличие фиксированной температуры плавления.
Аморфное тело не имеет упорядоченной (кристаллической) структуры молекул, сохраняет форму только благодаря затрудненности перемещения молекул относительно друг друга.
При нагревании аморфное тело размягчается постепенно. Механические, тепловые и другие свойства одинаковы вдоль всех направлений такого тела.
Аморфное состояние характерно для молекул, имеющих большую длину по сравнению с поперечным размером самих молекул (органические полимеры, стекла). При продолжительном воздействии малой силы аморфные тела, как и жидкости, обнаруживают текучесть.
1 слайд
2 слайд
3 слайд
Газы Газ (газообразное состояние) (от нидерл. gas) - агрегатное состояние вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью. Частицы газа почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения. Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется паром. Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма[и не образуют свободной поверхности, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда).
4 слайд
Газообразное состояние - самое распространённое состояние вещества Вселенной (межзвёздное вещество, туманности, звёзды, атмосферы планет и т. д.). По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны - от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей. К газам иногда] относят не только системы из атомов и молекул, но и системы из других частиц - фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму
5 слайд
Газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют не формы ни объёма Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
6 слайд
Жидкость Жидкость - одно из агрегатных состояний вещества. Основным свойством жидкости, отличающим её от других агрегатных состояний, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём.
7 слайд
Жидкость – это физическое тело, обладающее двумя свойствами: Обладает текучестью, благодаря которой она не имеет формы и принимает форму того сосуда, в котором она находится. Она мало изменяет форму и объем при изменении давления и температуры, в чем она сходна с твердым телом.
8 слайд
Жидкое состояние обычно считают промежуточным между твёрдым телом и газом: газ не сохраняет ни объём, ни форму, а твёрдое тело сохраняет и то, и другое. Форма жидких тел может полностью или отчасти определяться тем, что их поверхность ведёт себя как упругая мембрана. Так, вода может собираться в капли. Но жидкость способна течь даже под своей неподвижной поверхностью, и это тоже означает несохраненные формы (внутренних частей жидкого тела). Молекулы жидкости не имеют определённого положения, но в то же время им недоступна полная свобода перемещений. Между ними существует притяжение, достаточно сильное, чтобы удержать их на близком расстоянии. Вещество в жидком состоянии существует в определённом интервале температур, ниже которого переходит в твердое состояние (происходит кристаллизация либо превращение в твердотельное аморфное состояние - стекло), выше - в газообразное (происходит испарение). Границы этого интервала зависят от давления. Как правило, вещество в жидком состоянии имеет только одну модификацию. (Наиболее важные исключения - это квантовые жидкости и жидкие кристаллы.) Поэтому в большинстве случаев жидкость является не только агрегатным состоянием, но и термодинамической фазой (жидкая фаза). Все жидкости принято делить на чистые жидкости и смеси. Некоторые смеси жидкостей имеют большое значение для жизни: кровь, морская вода и др. Жидкости могут выполнять функцию растворителей.
9 слайд
Образование свободной поверхности и поверхностное натяжение Из-за сохранения объёма жидкость способна образовывать свободную поверхность. Такая поверхность является поверхностью раздела фаз данного вещества: по одну сторону находится жидкая фаза, по другую - газообразная (пар), и, возможно, другие газы, например, воздух. Если жидкая и газообразная фазы одного и того же вещества соприкасаются, возникают силы, которые стремятся уменьшить площадь поверхности раздела - силы поверхностного натяжения. Поверхность раздела ведёт себя как упругая мембрана, которая стремится стянуться. Поверхностное натяжение может быть объяснено притяжением между молекулами жидкости. Каждая молекула притягивает другие молекулы, стремится «окружить» себя ими, а значит, уйти с поверхности. Соответственно, поверхность стремится уменьшиться. Поэтому мыльные пузыри и пузыри при кипении стремятся принять сферическую форму: при данном объёме минимальной поверхностью обладает шар. Если на жидкость действуют только силы поверхностного натяжения, она обязательно примет сферическую форму - например, капли воды в невесомости. Маленькие объекты с плотностью, большей плотности жидкости, способны «плавать» на поверхности жидкости, так как сила тяготения меньше силы, препятствующей увеличению площади поверхности.
10 слайд
Испарение - постепенный переход вещества из жидкости в газообразную фазу (пар). При тепловом движении некоторые молекулы покидают жидкость через её поверхность и переходят в пар. Вместе с тем, часть молекул переходит обратно из пара в жидкость. Если из жидкости уходит больше молекул, чем приходит, то имеет место испарение. Конденсация - обратный процесс, переход вещества из газообразного состояния в жидкое. При этом в жидкость переходит из пара больше молекул, чем в пар из жидкости. Кипение- процесс парообразования внутри жидкости. При достаточно высокой температуре давление пара становится выше давления внутри жидкости, и там начинают образовываться пузырьки пара, которые (в условиях земного притяжения) всплывают наверх. Смачивание - поверхностное явление, возникающее при контакте жидкости с твёрдой поверхностью в присутствии пара, то есть на границах раздела трёх фаз. Смешиваемость- способность жидкостей растворяться друг в друге. Пример смешиваемых жидкостей: вода и этиловый спирт, пример несмешиваемых: вода и жидкое масло. Переход жидкостей из одного состояния в другое
11 слайд
Твёрдые тела Твёрдое тело - это одно из четырёх агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия.
Цель урока: Рассмотреть особенности строения и свойства газообразных, жидких и твёрдых тел с точки зрения молекулярно – кинетической теории.
Задачи урока:
Развивать:
Тип урока: Урок изучения нового материала.
Форма урока: комбинированный
Комплексно-методическое обеспечение: Компьютер, экран, мультимедийный проектор, авторская презентация , образцы кристаллов, тестовые задания.
Межпредметные связи:
Учитель: Здравствуйте. Ещё Наполеон I говорил: “Воображение правит миром”. А Демокрит утверждал, что “Ничего не существует кроме атомов”.
Согласитесь! Мир удивителен и многообразен. Человек издавна пытался объяснить необъяснимое, увидеть невидимое, услышать неслышимое. Оглядываясь вокруг себя, он размышлял о природе и пытался решить загадки, которые она перед ним ставила.
Русский поэт Фёдор Иванович Тютчев писал.
Не то, что мните вы, природа:
Не слепок, не бездушный лик –
В ней есть душа, в ней есть свобода,
В ней есть любовь, в ней есть язык.
Но со временем человек стал понимать, что именно закон стоит во главе всего, что нас окружает.
Вы, конечно же, ежедневно сталкиваетесь с различными физическими явлениями, которыми управляет закон, и в большинстве случаев можете предсказать, как они закончатся. Например, предскажите, чем закончатся следующие события:
Учитель: Итак, давая свои ответы, вы руководствовались определенными знаниями, полученными ранее. Мы с вами каждый день наблюдаем целый ряд окружающих нас предметов: столы, стулья, книги, ручки, тетради, автомобили и т.д. Скажите, они нам только кажутся сплошными или они на самом деле являются таковыми?
Ученик: Только кажутся.
Учитель: Тогда скажите, из чего состоят все вещества?
Ученик: Из молекул или атомов
Учитель: А, как вы думаете, молекулы различных веществ одинаковы или нет? Докажите.
Ученик: Нет. Они имеют разные химические соединения.
Учитель: Лед, вода и водяной пар состоят из одних и тех же молекул или нет?
Ученик: Да.
Учитель: Почему?
Ученик: Потому что это одно и то же вещество, но в разном виде
Учитель: Вот, ребята, мы и подошли к теме нашего урока. Откройте рабочие тетради, запишите дату и тему нашего урока: “Строение газообразных, жидких и твёрдых тел”.
(Слайд 2).
В мире нет двух совершенно одинаковых предметов. Невозможно найти две одинаковые песчинки в горе песка или два одинаковых листика на дереве, а вот молекулы одного и того же вещества совершенно одинаковы. Например, воду мы привыкли видеть в жидком состоянии. Химическая формула воды H 2 O. В газообразном состоянии – это пары воды. (Какова химическая формула?). В твёрдом состоянии, это лёд или снег. Всё та же химическая формула - H 2 O.
Тогда возникает вопрос: если молекулы одного и того же вещества совершенно одинаковы, то почему это вещество может находиться в разных агрегатных состояниях?
Вот на этот вопрос нам с вами и предстоит ответить сегодня на уроке. (Слайд 3)
Различают четыре агрегатных состояния вещества:
Сегодня мы поговорим о трёх из них. Прежде познакомимся с понятием – фазовый переход. (Слайд 4)
Фазовый переход – переход системы из одного агрегатного состояния в другое. При фазовом переходе скачкообразно изменяется какая-либо физическая величина (плотность, внутренняя энергия)
Реализация агрегатного состояния вещества зависит от соотношения кинетической и потенциальной энергии молекул, входящих в его состав.
Перед вами на столах лежат опорные конспекты. (Приложение 3) . Что символизирует каждый рисунок? (Разные агрегатные состояния)
Облачко – газообразное состояние вещества, бутылка – жидкое, кубик – твёрдое состояние. Поэтапно разберём строение газообразных, жидких и твёрдых тел. Выводы запишем в тетрадях.
Расстояние между атомами или молекулами в газах в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние между молекулами, но молекулы не сдавливают друг друга. Молекулы движутся с огромными скоростями - сотни метров в секунду. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга в разные стороны. Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема.
Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу, поэтому молекула жидкости ведет себя иначе, чем молекула газа. Зажатая, как в “клетке”, другими молекулами, она совершает “бег на месте” (колеблется около положения равновесия, сталкиваясь с соседними молекулами). Лишь время от времени она совершает “ прыжок”, прорываясь сквозь “прутья клетки”, но тут же попадает в новую клетку, образованную новыми соседями. Время оседлой жизни молекулы воды, т. е. время колебаний около одного определенного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10 -11 с. Время же одного колебания значительно меньше (10 -12 -10 -13 с). С повышением температуры время оседлой жизни молекул уменьшается.
Молекулы жидкости находятся непосредственно друг возле друга. При попытке изменить объем жидкости (даже на малую величину) начинается деформация самих молекул, для этого нужны очень большие силы. Этим и объясняется малая сжимаемость жидкостей.
Как известно, жидкости текучи, т. е. не сохраняют своей формы, они принимают форму сосуда.
Характер молекулярного движения в жидкостях, впервые установленный советским физиком Я. И. Френкелем, позволяет понять основные свойства жидкостей. (Приложение 5)
Атомы или молекулы твердых тел в отличие от атомов и молекул жидкостей колеблются около определенных положений равновесия. Правда, иногда молекулы меняют положение равновесия, но происходит это редко. Вот почему твердые тела сохраняют не только объем, но и форму.
Есть еще одно важное различие между жидкостями и твердыми телами.
Жидкость можно сравнить с толпой людей, где отдельные индивидуумы беспокойно толкутся на месте, а твердое тело подобно стройной когорте тех же индивидуумов, которые хотя и не стоят по стойке смирно, но выдерживают между собой в среднем определенные интервалы. Если соединить центры положений равновесия атомов или ионов твердого тела, то получится правильная пространственная решетка, называемая кристаллической.
На рисунках изображены кристаллические решетки поваренной соли и алмаза. Внутренний порядок в расположении атомов кристаллов приводит к правильным внешним геометрическим формам.
Итак, пришло время ответить на поставленный в начале урока вопрос: от чего зависит, что одно и то же вещество может находиться в разных агрегатных состояниях?
Ответы учащихся: От расстояния между частицами, от сил взаимодействия, т.е от того, как расположены молекулы, как они движутся и как взаимодействуют друг с другом.
Оценку “5” получает учащийся, набравший наибольшее количество баллов.
А теперь давайте подведем итоги нашей работы на сегодняшнем уроке. Что нового узнали на уроке? Какие оценки получили.
Учитель:
Решать загадки можно вечно.
Вселенная ведь бесконечна.
Спасибо всем нам за урок,
А главное, чтоб был он впрок!
Литература:
