Учим химию. 2. Агрегатные состояния вещества.
Давайте рассмотрим это понятие. «Агрегатное» произошло, очевидно, от слова «агрегат». Что же такое агрегат? Рассмотрим определение термина в различных словарях.
Энциклопедический словарь
Агрегат - (от лат. aggrego - присоединяю) - 1) унифицированный узел машины(напр., электродвигатель, насос), выполняющий определенные функции. Агрегаты обладают полной взаимозаменяемостью. 2) Несколько машин, работающих в комплексе (машинно-тракторный и другие агрегаты). Соединение агрегата в машину или машин в агрегат называется агрегатированием. 3)Совокупность минеральных зерен или их сростков, образующих горную породу или ее часть.
Словарь Даля.
Агрегат - что-либо по внешности целое, но бессвязное, составное; сбор, набор, подбор, скоп; спай, слежка, сгнетка.
Словарь Ожегова
1) Агрегат - Соединение для общей работы двух или нескольких разнотипных машин
2) Агрегат - Часть какой-нибудь машины, узел для выполнения определенных операций
Словарь иностранных слов.
Агрегат- 1. Соединение для общей работы двух или нескольких разнотипных машин. Посевной агрегат. 2. Часть какой-нибудь машины, которая предназначена для выполнения определенной операции и может быть полностью заменена другой такой же частью (например, двигатель или коробка передач автомобиля).
Словарь Ушакова.
Агрегат - 1. Смесь, соединение разных частей в одно целое. 2. Сложная машина, состоящая из нескольких, соединенных в одно целое, машин.
Как видно, термин «агрегат» обозначает объединенное материальное тело. Какое отношение это имеет к состоянию вещества? Кто ввел это обозначение для состояния вещества я так и не нашел. Создается ощущение, что кто-то из советских философов просто хотел подчеркнуть материальность материи, а не подумал о разночтении термина, что приводит или к механическому использованию, а для думающих людей - к путанице в голове.
Посмотрел, как рассматривается состояние вещества в англоязычных странах – просто «состояние материи». Совместим «агрегатное состояние вещества» и «состояние материи»: удалим «агрегатное» из первого, заменим во втором материю на вещество, так как не каждая материя является веществом, получаем «состояние вещества», и далее будем использовать этот термин.
По современным представлениям вещества могут находиться в жидком, твердом, газообразном состоянии и в состоянии плазмы, которое иногда называют четвертым состоянием вещества.
2.1. Газ, газовые законы.
Изучение любой науки, как и любого языка, требует понимания используемых слов и терминов. Многие из них были известны с древних времен, многие появились в последние столетия.
Слово «газ» нам известно с детства и кажется, что оно существовало всегда. Но это не совсем так. Слова «газ» появилось около 1600 г., когда оно было придумано ученым И. Б. ван Гельмонтом для обозначения вещества, им полученного и названного первоначально «мёртвым воздухом» или «лесным газом». До Ван Гельмонта единственным известным и изученным воздухоподобным веществом был сам воздух, который казался достаточно характерным и непохожим на другие вещества.
Наверное, алхимики в своих опытах получали что-то подобное «воздуху» и «пару», но эти вещества были почти неуловимы, их трудно было изучать и наблюдать и легко было не заметить.
Ван Гельмонт первым из химиков обратил внимание на пары, образующиеся в процессе некоторых реакций, и начал их изучать.
Он обнаружил, что пары в чем-то напоминают воздух, но во многом от него и отличаются. В частности, он нашел, что на воздух похожи и пары, образующиеся при горении дерева, хотя ведут себя они несколько иначе.
Гельмонт писал: «Такой пар я назвал газ, потому что он почти не отличается от хаоса древних». Происхождение названия «газ» иногда связывают с голландским словом gisten — бродить или gist — дрожжи, закваска. Он наблюдал за образованием этого газа при действии кислот на известняк, при брожении молодого вина и при приготовлении пива, а также при горении угля. Он впервые использовал слово «газ» для описания состояния материи и установил четыре вида газов — это известные нам сегодня как угарный газ, углекислый газ, «веселящий газ» и метан. Постепенно термин распространился на другие летучие вещества.
При изучении газов впервые была использована техника точных измерений, т. е. количественного исследования явлений. С чем работали ученые в те времена? В качестве объекта исследования были жидкие или твердые тела, основным инструментом воздействия на вещества – тепловая обработка, средствами измерений – весы и меры объема.
Первое упоминание о весах относится к шестому тысячелетию до нашей эры. Предполагают, что весы в виде равноплечего коромысла с подвешенными чашками появились впервые в Древнем Вавилоне и Египте. в виде равноплечего коромысла с подвешенными чашками появились впервые в Древнем Вавилоне и Египте. В XII веке арабский ученый аль-Хазини описал сверхточные (для того времени) весы с чашками, точность которых составляла около 0,005 грамма. Исторически многие меры веса были кратны эталону – массе зерна (семени) растений – пшеницы, ячменя, бобовых, риса, горчицы, некоторых кактусов. Далее было предложено использовать в качестве единицы массы - массу 1 см; воды при температуре 4 °C и давлении в 1 атмосферу - грамм. В настоящее время в системе СИ грамм определяется как 1/1000 килограмма. Почему я привожу единицы измерений – потому что некоторые преподаватели химии вместо контрольных вопросов и задач по существу химических вопросов, задают задачи по пересчету единиц измерений из одной системы в другую.
Объем — это вместимость геометрического тела, т. е. части пространства, ограниченной одной или несколькими замкнутыми поверхностями. Архимед нашел общий метод, позволяющий определить любую площадь или объем. С объемом понятно – в химии это количественная характеристика пространства, занимаемого телом или веществом. Объём тела или вместимость сосуда определяется его формой и линейными размерами. Единиц измерения расстояния было много, и в каждой стране разные, например, в Англии – ярд, фунт, линк, в России – пядь, аршин, вершок. В метрической системе основной единицей измерения расстояния в метрической системе измерений является метр. Объем замеряли с давних лет. В разных странах были свои меры объема, например: английские 1 пинта = 0,57 л, 1 кварта = 2 пинты = 1,23 л, 1 галлон = 8 пинтам = 4,55 л; русские: бочка = 40 вёдер = 492 л, ведро = 12,3 л, четверть = 1/4 ведра = 3,075 л. штоф = 1/8 ведра = 1,54 л, кружка = 1/10 ведра = 1,23 л, чарка = 1/10 кружки = 0,123 л, шкалик (косушка) = 1/2 чарки = 0,0615 л.
Разнообразие мер объема затрудняло сравнение их при обмене, торговле, поэтому в настоящее время принята единая система измерений – система СИ, в которой объем измеряют в кубических метрах; от них образуются производные единицы, такие как кубический сантиметр, кубический дециметр (литр) и т. д.
Использую только такие методы исследования, как вес и объем, ученые начали создавать теоретические основы физики и химии. В те времена не было таких разграничений между этими предметами, и изучение состава вещества тесно переплелось с определением их физических свойств. Для этого постоянно создавались новые и усовершенствовались измерительные приборы.
К концу жизни Ван Гельмонта интерес к газам и особенно к воздуху — наиболее распространенному газу неожиданно возрос. Началом изучения газового состояния считается открытие атмосферного давления Э. Торричелли.
Он провёл опыт, где взял стеклянную, запаянную с одного конца, трубку длиной примерно 1м и заполнил её ртутью. Другой конец трубки заткнули. Трубку опустили заткнутым концом в чашу и открыли её, вследствие чего часть ртути вылилась в чашу. Высота столба ртути получилась примерно 760 мм. В промежутке между вершиной столба ртути и концом трубки безвоздушное пространство. Был сделан вывод, что атмосфера давит на поверхность ртути, в то время как ртуть находится в равновесии. Из этого следует, что давление ртути в трубке равняется атмосферному давлению.
Сейчас для измерения атмосферного давления используют анероид (в переводе с греческого - безжидкостный). Вспомним его устройство. Главная часть его - металлическая коробочка с волнистой (гофрированной) поверхностью. Из этой коробочки выкачан воздух, а чтобы атмосферное давление не раздавило коробочку, ее крышка пружиной оттягивается вверх. При увеличении атмосферного давления крышка прогибается вниз и натягивает пружину. При уменьшении давления пружина выпрямляет крышку. К пружине с помощью передаточного механизма прикреплена стрелка-указатель, которая продвигается вправо или влево при изменении давления. Под стрелкой укреплена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра. Из опыта Торричелли следует и другой вывод – в трубке над ртутью – безвоздушное пространство, т.е. вакуум.
Можно усложнить опыт. Загнуть стеклянную трубку с разной высотой концов, и запаять с короткого конца. Воздух находится во всем объеме трубки. Зальем туда ртуть. Она опускается, но не доходит до верха короткого конца. Воздух оказался сжатым, он занимает какой-то объем. Вот это и есть опыт Бойля, благодаря которому он открыл свой закон. Что пишут про этот опыт. Чтобы доказать, что воздух обладает способностью сопротивления, Бойль взял сифонообразную трубку, запаянную на коротком конце (черт. 1). Когда в длинное колено наливали ртуть, то она сжимала воздух, заключенный в коротком колене, тем значительнее, чем более было налито ртути в другом. Когда ртуть в коротком колене доходила до уровня AB, в длинном она была на уровне CD, значит, упругость сжатого воздуха была такова, что он мог поддерживать давление ртутного столба высотою от AB до CD. Наливая различные, все большие и большие количества ртути в длинное колено трубки, Бойль записывал высоты ртутного столба и соответственные объемы сжатого воздуха, но сначала не обратил внимания на численные их соотношения. Его ученик Ричард Тоунлей, просматривая числа таблицы, заметил, что объемы запертого воздуха обратно пропорциональны давлениям, на него производимым. После этого Бойль многократно повторял и разнообразил опыты и доказал, что тот же закон приложим к случаям увеличения объема воздуха. Для этого он пользовался цилиндрическим сосудом (черт. 2), который был наполнен ртутью; погружая туда трубку А с открытыми концами до тех пор, пока над ртутью оставалась часть AB, длиною равная 1 дюйму, Б. закрывал и заклеивал отверстие А и затем поднимал трубку. При этом объем AB увеличивался и наконец обращался в объем AD — вдвое больший; ртуть же поднималась на высоту В'D, которая была почти вдвое менее. Очевидно, что воздух, заключавшийся в DA, не имел достаточной упругости, чтобы давить на поверхность D с такою силою, как он прежде давил на В; разность упругостей в обоих положениях трубки имеет мерою столб DB', , упругость воздуха в удвоенном объеме AD составляет почти ровно половину прежней. Французский ученый Мариотт (Edme Mariotte, 1620—1684) произвел ряд опытов совершенно таким же образом и нашел тот же закон, который обыкновенно и называется его именем; только англичане называют его законом Бойля. А мы говорим о законе Бойля – Мариотта, который звучит так: «объемы некоторого определенного количества сухого воздуха при постоянной температуре обратно пропорциональны давлениям, на него производимым, а следовательно, и упругостям его, плотность же воздуха прямо пропорциональна этому давлению»; или, «объем воздуха обратно пропорционален давлению, на него производимому».
Если обозначить начальный объем газа буквою v, а давление, под которым он находится, — буквой р, если сжатый объем газа будет v1, а давление, всегда измеряемое высотою ртутного столба, будет р1; то закон выразится пропорцией: v/v1 = р1/р; откуда pv = p1v1, т. е. произведение объема газа на соответственное давление есть величина постоянная.
Так появились первые характеристики газа – объем и давление; следовательно, требуются устройства для их измерения. Для измерения объема используем инструменты для измерения длины, для измерения давления – манометры.
Первым был, естественно, ртутный манометр - давление можно измерить высотой ртутного столба, единицы – мм ртутного столба.
В технике в группу приборов измеряющих избыточное давление входят:
Манометры — приборы, которые измеряют избыточное давление — положительную разность между абсолютным и барометрическим давлением;
Вакуумметры — приборы, измеряющие разрежения (давления ниже атмосферного).
Мановакуумметры — манометры измеряющие как избыточное, так и вакуумметрическое давление.
Перейдем к количественным единицам измерения давления. Давле;ние — физическая величина, численно равная силе F, действующей на единицу площади поверхности S перпендикулярно этой поверхности. Для количественного описания величин давления используют такие величины, как: Бар - единица измерения давления, примерно равная одной атмосфере; Торр - миллиме;тр рту;тного столба; (русское обозначение: мм рт. ст.; — внесистемная единица измерения давления, равная 101 325 / 760 ; 133,322 368 4 Па; иногда называется «торр» (русское обозначение —торр, международное — Torr) в честь Эванджелисты Торричелли. Паска;ль (русское обозначение: Па) — единица измерения давления(механического напряжения) в Международной системе единиц (СИ). Паскаль равен давлению, вызываемому силой, равной одному ньютону, равномерно распределённой по нормальной к ней поверхности площадью один квадратный метр. Вспомним, что такое Ньютон.
Ньютон — производная единица. Исходя из второго закона Ньютона она определяется как сила, изменяющая за 1секунду скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы. Таким образом, 1 Н = 1 кг•м/с2. Отсюда размерность Паскаля - Н/м2 – 1кг/м*с2.
Нормальная, стандартная или физическая атмосфера (русское обозначение: атм — равна давлению столба ртути высотой 760 мм на его горизонтальное основание при плотности ртути 13 595,04 кг/м3, температуре 0 °C и при нормальном ускорении свободного падения 9,80665 м/с2. В соответствии с определением 1 атм = 101 325 Па = 1,033233 атм.
Метр водяного столба — единица давления, применяемая в ряде отраслей техники (главным образом в гидравлике). Обозначения: русское: м вод. ст. 1 м вод. ст. равен гидростатическому давлению столба воды высотой в 1 м при наибольшей плотности воды (то есть при температуре около 4 °C) и ускорении свободного падения g = 9,80665 м/сек;.
В законе Мариотта дополнительно указывается – «при постоянной температуре». Рассмотрим, что такое температура.
До изобретения измерительного прибора как термометр, о тепловом состоянии люди могли судить только по своим непосредственным ощущениям: тепло или прохладно, горячо или холодно.
История теплоты и температуры началась, когда в 1592 году Галилео Галилей создал первый прибор для наблюдений за изменениями температуры, назвав его термоскопом. Термоскоп представлял собой небольшой стеклянный шарик с припаянной стеклянной трубкой. Шарик нагревали, а конец трубки опускали в воду. Когда шарик охлаждался, давление в нем уменьшалось, и вода в трубке под действием атмосферного давления поднималась на определенную высоту вверх. При потеплении уровень воды в трубки опускался вниз. Недостатком прибора было то, что по нему можно было судить только об относительной степени нагрева или охлаждения тела, так как шкалы у него еще не было.
Позднее флорентийские ученые усовершенствовали термоскоп Галилея, добавив к нему шкалу из бусин и откачав из шарика воздух.
Понятием "температура" мы пользуемся с детства– температура тела - показатель теплового состояния организма животных и человека, температура воздуха, воды и т.д А впервые термин «Температура» обнаруживается в 1624 г. в книге "Математические развлечения", которую издал Лерешон
Чтобы измерять температуру в быту, промышленности и даже в прикладной науке не нужно знать, что такое «температура». Достаточно довольно расплывчатого представления, что «температура – это степень нагретости тела». Действительно, большинство практических приборов для измерения температуры фактически измеряют другие свойства веществ, меняющиеся от этой степени нагретости, такие как давление, объем, электрическое сопротивление и т.д. Затем их показания автоматически или вручную пересчитываются в единицы температуры.
На данном этапе нам будет достаточно знать, что температура – понятие относительно, и ее мы замеряем относительно чего нибудь, что хорошо видно при выборе градусов температуры.
В 17 веке воздушный термоскоп был преобразован в спиртовой флорентийским ученым Торричелли. Прибор был перевернут шариком вниз, сосуд с водой удалили, а в трубку налили спирт. Действие прибора основывалось на расширении спирта при нагревании, — теперь показания не зависели от атмосферного давления. Это был один из первых жидкостных термометров.
На тот момент показания приборов еще не согласовывались друг с другом, поскольку никакой конкретной системы при градуировке шкал не учитывалось. В 1694 году Карло Ренальдини предложил принять в качестве двух крайних точек температуру таяния льда и температуру кипения воды.
В 1714 году Д.Г. Фаренгейт изготовил ртутный термометр. На шкале он обозначил три фиксированные точки: нижняя, 32 °F — температура замерзания солевого раствора, 96 ° — температура тела человека, верхняя 212 ° F — температура кипения воды. Термометром Фаренгейта пользовались в англоязычных странах вплоть до 70-х годов 20 века, а в США пользуются и до сих пор.
Еще одна шкала была предложена французским ученым Реомюром в 1730 году. Он делал опыты со спиртовым термометром и пришел к выводу, что шкала может быть построена в соответствии с тепловым расширением спирта. Установив, что применяемый им спирт, смешанный с водой в пропорции 5:1, расширяется в отношении 1000:1080 при изменении температуры от точки замерзания до точки кипения воды, ученый предложил использовать шкалу от 0 до 80 градусов. Приняв за 0 ° температуру таяния льда, а за 80 ° температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении.
В 1742 году шведский ученый Андрес Цельсий предложил шкалу для ртутного термометра, в которой промежуток между крайними точками был разделен на 100 градусов. При этом сначала температура кипения воды была обозначена как 0 °, а температура таяния льда как 100 °. Однако в таком виде шкала оказалась не очень удобной, и позднее астрономом М. Штремером и ботаником К. Линнеем было принято решение поменять крайние точки местами.
М.В. Ломоносовым был предложен жидкостный термометр, имеющий шкалу со 150 делениями от точки плавления льда до точки кипения воды. И.Г. Ламберту принадлежит создание воздушного термометра со шкалой 375 °, где за один градус принималась одна тысячная часть расширения объема воздуха. Были также попытки создать термометр на основе расширения твердых тел. Так в 1747 голландец П. Мушенбруг использовал расширение железного бруска для измерения температуры плавления ряда металлов. К концу 18 века количество различных температурных шкал значительно увеличилось. По данным «Пилометрии» Ламберта на тот момент их насчитывалось 19. Температурные шкалы, о которых шла речь выше, отличает то, что точка отсчета для них была выбрана произвольно. В 1848 г. английский физик Вильям Томсон (лорд Кельвин) доказал возможность создания абсолютной шкалы температур, нуль которой не зависит от свойств воды или вещества, заполняющего термометр. Точкой отсчета в «шкале Кельвина» послужило значение абсолютного нуля: ;273,15° С. При этой температуре прекращается тепловое движение молекул. Следовательно, становится невозможным дальнейшее охлаждение тел.
Такова основная история возникновения термометра и термометрических шкал. На сегодняшний день используются термометры со шкалой Цельсия, Фаренгейта (в США), а также со шкалой Кельвина в научных исследованиях. В настоящее время температуру измеряют с помощью приборов, действие которых основано на различных термометрических свойствах жидкостей, газов и твердых тел. И если в 18 веке был настоящий «бум» открытий в области систем измерения температуры, то с прошлого века началась новая пора открытий в области способов измерения температуры.
Сегодня существует множество устройств, применяемых в промышленности, в быту, в научных исследованиях – термометры расширения и термометры манометрические, термоэлектрические и термометры сопротивления, а также пирометрические термометры, позволяющие измерять температуру бесконтактным способом.
Появление прибора для измерения температуры привело к изучению влияния температуры на другие характеристики газа – объем и давление.
Жак Алекса;ндр Сеза;р Шарль - изобретатель наполняемого водородом, или другим газом легче воздуха, воздушного шара. Первый его воздушный шар, наполненный им водородом, поднялся в Париже с Марсова поля 2 августа 1783 года; в том же году 3 декабря он, вместе с Робертом, предпринял свое первое воздушное путешествие.
В «Annales de chimie et de physique", XLIII, стр. 137, 1802. „Gilbert's Ann.", XII, стр. 257. Гей-Люссак упоминает, что Шарль уже за 15 лет до него заметил равномерность расширения главнейших газов, но не опубликовал своих наблюдений. Шарль при своих опытах наполнял чашку баро¬метра исследуемым газом и держал его один раз при температуре окружающего воздуха, а другой раз при температуре кипения воды, и наблюдал при этом высоту уровня ртути.
Таким образом он открыл названный его именем закон: при постоянном объёме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре или
Р/Т = const
Зависимость объема газа от температуры изучалась многими учеными, но закон назван Законом Гей – Люссака. Устройство, которым пользовался Гей-Люссак для выявления особенностей теплового расширения газов, изображено
на рис. Предварительно осушенный газ помещался в баллончик A. Баллон с газом был погружен в сосуд с водой, температура которой изменялась с помощью нагревателя. Температура газа измерялась двумя термометрами T и T'. В трубке, ведущей к баллончику с газом, помещалась капля ртути, которая как пробка запирала в баллоне некоторую постоянную массу газа. При расширении газа капля смещалась влево. Меняя температуру газа от точки замерзания воды до точки ее кипения, Гей-Люссак последовательно определял изменение объема газа, находящегося в баллоне. Опыты проводились при постоянном атмосферном давлении. Первоначально исследовалось поведение воздуха и паров эфира. В нагреваемый сосуд с этой целью были вставлены две одинаковый трубки. Гей-Люссак, сравнивая процессы расширения паров эфира и воздуха, не обнаружил в них существенной разницы. Кроме эфира в опыте использовались окись азота, водород, циан и некоторые другие газы.
В современной формулировке закон Ж. Гей-Люссака звучит следующим образом:
«При неизменном давлении отношение объема данной массы газа к его абсолютной температуре есть величина постоянная.»
Математически это закон можно записать так: V/T = const.
Если обозначить начальный и конечный объемы газа V1 и V2, а его начальное и конечное давления – T1 и T2, тогда при неизменных давлении и массе газа будет справедливо соотношение: V1*T2 = V2* T1.
Есть желание издать этот учебник по химии, больше для учителей химии, преподавателей ВУЗов,школьников, студентов, но "Денег нет" и "кому не нравится зарплата учителя. идите в бизнес", поэтому выполняю работы по химии (Решение задач, консультации. рефераты), для школьников, студентов колледжей и ВУЗов - технических, педагогических, лесотехнических, медицинских, экономических, пищевых, институтов МЧС, и др, например, таких как:
Сайт основной - http://lomonoc.a5.ru/#/Главная
РГППУ - http://ugppuchemistry.simplesite.com/
УГЛТУ - http://usfeuchemistry.simplesite.com/
УРФУ - http://urfuchemistry.simplesite.com/
УрГУПС - http://usurtchemistry.simplesite.com/
УРГЭУ - http://urgeuchemistry.simplesite.com/
УРГАУ - http://urgauchemistry.simplesite.com/
ПФА - http://pfachemistry.simplesite.com/
КемТИПП - http://kemtippchemistry.simplesite.com/
УГМУ - http://usmachemistry.simplesite.com/
УрИ ГПС МЧС России - http://uigpschemistry.simplesite.com/
Ошибок не бывает, замечания преподавателей - только по оформлению согласно их МУ.
Будут предложения - обращайтесь.