Твёрдые тела, жидкости и газы

Твёрдые тела, жидкости и газы различаются расположением, движением и взаимодействием частиц. Эти различия объясняют форму, объём и переходы между состояниями. На примере воды рассмотрим нагревание, плавление, кипение и конденсацию, затем сравним кристаллы и аморфные тела.

1. Три состояния одного вещества

Кусочек льда можно взять щипцами, воду — перелить, а водяной пар — удержать только в закрытом пространстве. Во всех трёх случаях речь может идти об одном веществе, воде H₂O. Различаются его агрегатные состояния: твёрдое, жидкое и газообразное. Состояние зависит от условий, прежде всего температуры и давления.

При обычных физических переходах молекулярного вещества сами молекулы сохраняют состав. Меняются их расположение, движение и взаимодействия между ними. Когда лёд тает, вода не распадается на водород и кислород. Поэтому плавление, испарение и другие такие переходы относят к физическим явлениям.

Не следует считать, что любое вещество состоит из молекул. В предыдущем уроке мы познакомились с веществами немолекулярного строения. Частицами могут быть атомы, молекулы или ионы. Общая модель частиц помогает сравнить состояния, но устройство каждого вещества требует уточнения.

Граница модели. В школьном уроке рассматриваются три привычных состояния. Это не полный перечень всех состояний материи. Кроме того, некоторые вещества при нагревании разлагаются раньше, чем удаётся наблюдать их плавление или кипение при выбранном давлении.

2. Почему твёрдое тело сохраняет форму

В твёрдом теле частицы расположены близко друг к другу. Их взаимодействия удерживают устойчивую структуру, поэтому при небольшом внешнем воздействии тело сохраняет форму и собственный объём. Это не означает абсолютной неизменности: твёрдое тело можно деформировать, разрушить или расширить нагреванием.

Частицы твёрдого тела не неподвижны. Они совершают тепловые колебания около определённых положений. Выражение «нет движения» в краткой сравнительной таблице нельзя понимать буквально: отсутствует свободное поступательное движение, характерное для газа. В нашей модели выделена одна частица, чтобы можно было заметить её колебания.

Твёрдые вещества бывают кристаллическими и аморфными. У кристалла порядок расположения частиц регулярно повторяется на больших расстояниях по сравнению с размером частиц. У аморфного тела такого дальнего периодического порядка нет. Обычное стекло — пример аморфного твёрдого материала; лёд, поваренная соль и сахар — примеры кристаллических веществ.

Форма предмета и форма кристалла — разные понятия. Стеклянный куб может иметь чёткие внешние грани, но это не делает внутреннюю структуру стекла кристаллической. И наоборот, кусочек кристаллического вещества может быть обломком неправильной формы.

3. Почему жидкость течёт

В жидкости частицы тоже находятся близко. Притяжение между ними остаётся существенным, однако частицы могут перемещаться и менять соседей. Поэтому жидкость текуча: она принимает форму той части сосуда, которую занимает, но приблизительно сохраняет собственный объём.

Представим, что 200 мл воды без потерь перелили из узкого стакана в широкий. Уровень станет ниже, но объём останется 200 мл. Высота столба воды не является объёмом: нужно учитывать форму и размеры сосуда. Именно это показывает интерактив с изменением ширины. В нём не учитываются испарение и небольшая сжимаемость реальной жидкости.

Жидкости, как и твёрдые тела, трудно сжать: частицы уже близки. Они обычно гораздо плотнее газов. Но простое правило «твёрдое всегда плотнее жидкого» неверно. Вода — важное исключение: обычный лёд менее плотный, чем жидкая вода, и поэтому плавает. При замерзании воды формируется более открытая кристаллическая структура.

При описании состояния всегда называйте условия. Вода при комнатной температуре и обычном давлении — жидкость, но то же вещество может быть льдом или паром. Ртуть — жидкий металл при комнатной температуре: принадлежность к металлам сама по себе не определяет агрегатное состояние.

4. Почему газ занимает весь сосуд

В разреженном газе расстояния между частицами велики по сравнению с их размерами. Частицы перемещаются в разных направлениях, сталкиваются друг с другом и со стенками. Их взаимодействия между столкновениями обычно слабее влияют на движение, чем в жидкостях и твёрдых телах.

Газ не имеет собственной формы и собственного объёма. Он занимает весь доступный объём сосуда. Слово «собственный» важно: газ не является чем-то без объёма. Если газ заключён в сосуд объёмом один литр, его объём в данных условиях равен одному литру.

Газ можно заметно сжать, уменьшая промежутки между частицами. При расширении закрытого сосуда число частиц не увеличивается: они распределяются по большему пространству. В нашем интерактиве число точек остаётся одинаковым при любой ширине. Точки обозначают частицы, а не пузырьки и не кусочки окрашенного газа.

Воздух — смесь газов, большинство которых невидимы. Пустая на вид закрытая банка обычно содержит воздух. Газообразное состояние не означает обязательный цвет или запах, а невидимость не означает отсутствие вещества. Газ оказывает давление на стенки, имеет массу и может участвовать в физических и химических процессах.

5. Переходы между состояниями

Плавление — переход твёрдого вещества в жидкость. Обратный процесс для образования кристаллического вещества называют кристаллизацией; для воды в быту говорят «замерзание». Чистый кристалл при заданном давлении плавится при определённой температуре. Аморфные материалы обычно размягчаются постепенно в некотором температурном интервале.

Парообразование — переход жидкости в газ. Оно может идти как испарение или как кипение. Испарение происходит с поверхности при разных температурах. Лужа высыхает и в прохладную погоду. Кипение происходит с образованием и ростом пузырьков пара по всему объёму жидкости при соответствующей температуре и давлении.

Конденсация в узком смысле — переход газа в жидкость. Именно так образуются капли на холодной поверхности. Иногда термин используют шире, включая переход газа непосредственно в твёрдое состояние. Чтобы различать маршруты, в тренажёре для перехода газ → твёрдое используется название десублимация.

Сублимация, или возгонка, — переход из твёрдого состояния прямо в газообразное, минуя жидкое. Лёд может постепенно убывать в сухом морозном воздухе без таяния. Твёрдый углекислый газ, «сухой лёд», при обычном атмосферном давлении также сублимирует. Иней, возникающий из водяного пара, служит примером обратного маршрута.

Переходы зависят не только от температуры, но и от давления. Температура кипения воды около 100 °C относится к нормальному атмосферному давлению. В горах, где давление ниже, вода кипит при меньшей температуре. Нельзя переносить число 100 °C на любые условия.

6. Что происходит при нагревании воды

Проследим идеализированную последовательность для чистой воды при нормальном атмосферном давлении. Сначала лёд нагревается от отрицательной температуры до 0 °C. Затем начинается плавление: рядом существуют лёд и жидкая вода. Пока весь лёд не расплавился, подводимое тепло расходуется на фазовый переход, а температура смеси остаётся около 0 °C.

После окончания плавления температура жидкой воды может расти. При достижении примерно 100 °C начинается кипение. Пока жидкость превращается в пар при постоянном давлении, температура кипящей воды остаётся примерно постоянной. Когда вся порция стала паром, дополнительный подвод тепла может повысить температуру пара.

Переход в другое состояние не происходит мгновенно со всей порцией вещества. При плавлении сосуществуют лёд и вода, при кипении — вода и пар. Поэтому одна только температура в точке перехода не позволяет сказать, что вся порция уже полностью жидкая или газообразная.

Шкала нагревания проходит через пять этапов: нагревание льда, плавление, нагревание воды, кипение и нагревание пара. Ползунок одновременно меняет температуру, распределение 180 условных молекул между фазами и положение точки на графике. При плавлении и кипении меняются доли фаз, а температура при постоянном давлении остаётся постоянной. Длина участков графика условная: по ней нельзя сравнивать затраты энергии или длительность процессов. Сам водяной пар невидим; светлые точки показывают его молекулы условно.

7. Откуда берутся капли и как перемешиваются вещества

Холодный стакан может покрыться водой снаружи, даже если его стенки целы. В окружающем воздухе есть водяной пар. Около холодной поверхности воздух охлаждается; при подходящих условиях часть пара конденсируется. Источник наружных капель — воздух, а не вода, прошедшая сквозь стекло.

Сам водяной пар прозрачен. Белое облачко над горячей водой обычно образовано мелкими каплями, возникшими при охлаждении и конденсации пара. Туман также состоит из мельчайших жидких капель. Отдельную молекулу воды обычным глазом не увидеть.

Непрерывное движение частиц помогает объяснить диффузию — взаимное проникновение и перемешивание веществ. Если два газа соприкасаются, их частицы движутся, и первоначальное разделение постепенно исчезает. При этом частицы не превращаются друг в друга. На схеме урока сохраняются 24 голубые и 24 фиолетовые точки.

Растекающийся в стакане краситель — красивое наблюдение, но по одним видимым струям нельзя судить только о диффузии. В воде могут существовать течения, вызванные разницей плотности или температуры. Поэтому фотографическая иллюстрация и условная модель перемешивания газов решают разные задачи: одна показывает явление, другая помогает выделить роль движения частиц.

8. Кристаллическая решётка и поваренная соль

Кристаллическая решётка — модель регулярного расположения частиц в кристалле. В роли частиц могут выступать атомы, молекулы или ионы. Решётка — не клетчатая сетка, вставленная в вещество: линии и шарики являются способом показать структуру.

Кристалл поваренной соли состоит из положительных ионов натрия Na⁺ и отрицательных ионов хлора Cl⁻. В объёмной структуре каждый ион натрия имеет шесть ближайших соседей — ионов хлора, а каждый ион хлора окружён шестью ближайшими ионами натрия. Ионы противоположных знаков притягиваются, а взаимодействия всей системы поддерживают структуру.

Формула NaCl показывает соотношение натрия и хлора 1 : 1. Она не означает, что в кристалле существуют отдельные изолированные молекулы NaCl. Один ион взаимодействует с окружающими частицами общей решётки. Шесть соседей у иона также не означают формулу NaCl₆: соседние ионы принадлежат общей протяжённой структуре.

Характерная форма отдельного кристалла соли — куб. Однако в солонке встречаются обломки и сросшиеся кристаллы, а не только идеальные кубики. Внешние грани связаны с внутренним порядком и неодинаковой скоростью роста по разным направлениям. Измельчение кристалла не превращает вещество в аморфное: в небольших обломках может сохраняться кристаллическая структура.

Кристаллы других веществ могут иметь другую форму. Сросток нескольких кристаллов на общей поверхности называют друзой. Ветвящиеся образования, напоминающие деревья, — дендриты. Эти формы отражают условия роста и строение вещества. Большой размер, прозрачность и ювелирная ценность не являются обязательными признаками кристалла.

В переключателе «Кристалл / Аморфное тело» показана только идея повторяющегося порядка. Плоское расположение одинаковых кружков не воспроизводит конкретную решётку соли, льда или стекла. Реальный кристалл объёмен, а аморфное вещество не лишено взаимодействий и локальной структуры.

9. Разобранные примеры и самостоятельные задания

Пример 1. 200 мл воды перелили в более широкий сосуд. Что изменилось? Форма порции и высота уровня; при отсутствии потерь объём остался 200 мл. Объяснение: частицы жидкости могут менять взаимное расположение, но остаются близки друг к другу.

Пример 2. Закрытый сосуд с газом расширили с 400 до 560 мл. Стало ли частиц больше? Нет: вещество не добавляли. Изменился доступный объём и средние расстояния между частицами. Из одной только картинки нельзя определить изменение температуры или точное давление: нужны дополнительные условия.

Пример 3. Лёд при 0 °C получает тепло, но термометр некоторое время показывает ту же температуру. Тепло не «исчезло»: идёт плавление, перестраиваются взаимодействия между молекулами. После полного плавления вода при продолжении нагревания начнёт повышать температуру.

1. Почему вода растекается по дну миски, а кусочек льда сохраняет форму?
2. Почему парообразование не всегда означает кипение?
3. Назовите процессы: ледяная корка убывает на морозе; на окне возникает иней; лёд тает.
4. Чем внешние капли на холодном стакане отличаются от водяного пара?
5. Объясните, почему соль — кристаллическое вещество, даже если она выглядит порошком.
6. Есть ли у газа объём? Сформулируйте ответ так, чтобы не потерять слово «собственный».

Ответы и объяснения

1. В жидкости частицы перемещаются и меняют соседей, а в твёрдом теле колеблются около устойчивых положений.
2. Испарение идёт с поверхности при разных температурах; кипение сопровождается образованием пузырьков пара в объёме.
3. Сублимация; десублимация; плавление.
4. Капли — жидкая вода, а пар — газообразная вода. Состав молекул одинаков.
5. Порошок состоит из мелких кристаллов и их обломков. Внутренний порядок не определяется размером крупинки.
6. Газ имеет объём, равный доступному объёму сосуда, но не сохраняет собственного объёма независимо от сосуда.

10. Заметки для учителя

Начните с вопроса о форме и объёме знакомых тел, затем переходите к модели частиц. Просите ученика сначала предсказать результат, потом изменить ползунок и объяснить наблюдение. Проверяйте, не заменяет ли ученик слово «частицы» словами «капли» или «пузырьки» при описании газа.

В сравнительной таблице полезно писать «сохраняет собственный объём» вместо краткого «есть объём». Для твёрдых тел уточняйте колебания. Различайте связи внутри молекулы воды и взаимодействия между молекулами: плавление не является разложением H₂O.

Различайте процессы: парообразование включает испарение и кипение, а переход газа непосредственно в твёрдое состояние имеет специальное название «десублимация». Аморфные материалы в жизни могут быть сложными смесями; для первого сравнения удобно использовать обычное стекло и кристалл соли.

Для наблюдения достаточно рассмотреть поваренную соль и сахар через лупу или увидеть конденсат на холодном стакане. Работа с нагреванием и сухим льдом для прохождения урока не нужна. Подробные 3D-модели здесь ещё не подключены: круглые кнопки открывают превью будущих сцен. Движение можно остановить; на телефоне и при reduced motion схемы статичны, но ручные задания доступны.

Вернуться к интерактивам