Състояния на веществата

Познати са ни трите агрегатни състояния на веществата, които срещаме в ежедневието си. При изключително високи температури се получава четвърто състояние. Но при нормални условия едно вещество може да бъде в твърдо състояние, течност или газ. Първият пример, за който се сещам е водата. Твърдото състояние се получава, когато веществото се изстуди достатъчно. Със заптоплянето се преминава към течно състояние. Когато се загрее още повече, се получава газообразно състояние. От студено към топло. В примера с водата, нейното твърдо състояние е лед. Когато тя е течност я наричаме течна вода. Всички я познаваме така. В газообразното си състояние е водна пара. Да помислим малко над това, като ползваме примера с водата, а за другите молекули ще имаме аналогия. Какво прави водата да става твърда, когато е студено, и течна на топло? За мен течностите са любопитни с това, че не са лесни за описване, още повече пък газовете. Да нарисуваме молекулата на водата. Имаме кислороден атом. Той се свързва с водородни атоми. Остават и две свободни двойки валентни електрони при кислородния атом. Преди няколко видеа видяхме, че кислородът е много повече електроотрицателен от водорода. Кислородът придърпва към себе си електроните, споделени от атомите тук и тук, от двете страни на тези линии, където единият електрон е от кислорода, а другият е от водорода. Но поради относителната електроотрицателност на кислорода, той обсебва тази двойка. Тези електрони са в орбита повече време около кислорода, отколкото са около водорода. Като резултат от това кислородната част на молекулата придобива частично отрицателен заряд. Вече говорехме за това. Водородната част на молекулите е с лек положителен заряд. Да приемем, че тези молекули са с много ниска кинетична енергия. Тогава те не се движат особено, положителните страни при водорода се привличат силно към отрицателните страни, където е кислородът на съседни молекули. Да нарисувам още молекули. Когато говорим за състоянието на цялото вещество, имаме предвид начина, по който си взаимодействат молекулите му. Не само връзките между атомите вътре в самата молекула. Ще нарисувам копие на тази моелкула, дори няколко. Водородът ще е близо до този кислород, те се привличат поради частичния отрицателен заряд на кислорода и частичния положителен на водорода. Ще сложа още една молекула ето тук. Тъй като първата молекула има още един водород, този кислороден атом ще е близо до него. Тук ще се привлече друг кислороден атом чрез своя частичено отрицателен заряд. Той пък е свързан с два водородни атома с частично положителни заряди. Вече се вижда формата на решетка. Сега ще начертая полярните връзки между частиците. Това са полярни връзки, защото самите молекули са полярни. Решетката става още по-ясна. Всяка от тези молекули е с ниска кинетична енергия. Казваме също, че средната кинетична енергия на това вещество е доста ниска. Какво представлява средната кинетична енергия? Това е температурата. Тази решетъчна структура е твърдо вещество. Тези молекули не се движат една спрямо друга. Мога да добавям нови до безкрайност, те ще образуват същата постянна структура. От твърдо състояние при добавяне на кинетична енергия, което ще рече добавяне на топлина, молекулите започват да вибрират все повече наоколо. В комисксите рисуват вибрацията с такива кавички. Това не е особено научно. Но виждаме как вибрират, мърдат се наоколо по малко. Тези стрелки също показват вибрация. Не само наляво и надясно, вибрират във всички посоки. Когато топлината в твърдото вещество става все повече, молекулите ще запазят структурата си. Няма да се преместят една спрямо друга, но ще преобразуват топлината в друг вид енергия: в кинетична енергия, изразяваща се като вибриране на молекулите. Когато молекулите вибрират достатъчно силно с достатъчно голяма кинетична енергия... какво ще се случи? Да вземем тази, тя вибрира доста силно и все по-силно с добавянето на топлина. Тази прави същото. По някое време полярните връзки между тях ще отслабнат прекалено, няма да издържат на вибрациите. Когато това се случи, молекулите... ще нарисувам още няколко... молекулите ще започнат да се отделят една от друга. Изведнъж молекулите се отделят. Но още се привличат помежду си. Например тази се плъзга насам, другата - натам, още молекули се движат насам... Но още се привличат помежду си. Макар, че кинетичната енергия е стигнала до точката, в която вибрациите скъсват връзките между полярните страни на молекулите, Вибрацията, или кинетичната енергия на всяка молекула, още не е достатъчна за да ги раздели напълно. Те се плъзгат една покрай друга. Това е поведението при течно състояние. Има атоми, които се стремят един към друг, но се приплъзват покрай другите, кинетичната им енергия е достатъчна, за да разрушат твърдата решетъчна структура. Когато добавим още кинетична енергия, още топлина към това състояние, вече ще се разделят, няма да могат да бъдат близо едни до други. При добавяне на кинетична енергия, частиците ще започнат да изглеждат така. Напълно разделени и движещи се хаотично самостоятелно. Напълно независими са при идеалния газ, но в общия случай на газ те вече не се докосват помежду си. Може понякога да се сблъскат, но имат толкова много собствена кинетична енергия, че всяка се движи сама за себе си и не се докосват. Така може да си представиш какво представлява състоянието газ. Например това, че газът трудно се вижда. Защо не го виждаме? Защото между молекулите му има големи разстояния. Те не въздействат на светлината така, както течното или твърдото вещество. Да разгледаме и твърдото състояние: тук примерът с леда не е особено подходящ, тъй като водата е едно от малкото вещества, за което твърдото състояние е с по-малка плътност от течното. Това е причината ледът да плава. Затова айсбергите не потъват до дъното на океана. Затова езерата не замръзват напълно. Но повечето други течности освен водата са с по-малка плътност от твърдите си състояния. През тях, като течности, се вижда малко по-добре, те имат по-малка дифракция, отколкото твърдите им състояния. При газовете е най-ясна разликата. Дори и при водата: водните пари. Течното състояние очевидно е много по-плътно от газообразното. При газовете молекулите подскачат наоколо и не се докосват. Поради това повече светлина преминава през веществото. А как да измерим количеството топлина, необходимо да направи това с водата? За да обясня това, ще начертая графика, наречена фазова диаграма. Тя показва нещо доста разбираемо. На тази ос е количеството топлина, което добавям към системата, а тук е температурата. След малко ще покажем и агрегатните състояния. Топлината често се обозначава с q. Понякога се говори за промяна на топлината. Тогава се използва буквата h или H, с делта отпред: делта означава промяна. Може да срещнеш и думата „енталпия“. Ще я запиша. И така, какво е енталпия? Звучи подобно на емпатия, но е съвсем различно нещо. Поне за мен. Енталпията има отношение към топлината. Към съдържанието на топлина. За наше улеснение, можеш да си представяш промяната в енталпията като промяна на топлината. Тази дума изглежда се е появила, за да не скучаят изучаващите химия и да имат нови думи в речника си. Най-лесно е да си я преведем като „съдържание на топлина“. Промяната в енталпията е промяна в топлината. Запомни, че независимо дали говорим за топлина, кинетична енергия, потенциална енергия, енталпия, в различните случаи ще се използва различни термини, понякога взаимнозаменяеми: те всички са форми на енергията. Всички те се измерват в джаули. Има и други мерни единици за тях, но общоприетата е джаул. Енергията е способността да се извършва работа. Каква е единицата за работа? Познай... тя е джаул. Равна е на силата по разстоянието. Отклоних се малко. Да се върнем на думата енталпия. Полезна е в химията, защото се използва често в тази наука. В ежедневието не е толкова позната, но можеш да си я представиш като съдържание на топлина, тя е това. И така, на тази ос е топлината. В левия край топлината е малко, а надясно става повече. А по вертикалната ос е температурата. При ниски температури сме долу, при по-високи сме нагоре. Температурата отговаря на средната кинетична енергия. Тук агрегатното състояние е твърдо. Отбелязвам го в негов собствен цвят, нега е лилаво, малко по-ярко лилаво. Като добавям топлина, температурата също расте. Топлината е форма на енергията. Какво се случва, когато добавям топлина към тези молекули? Те ще вибрират повече. Или с други думи, повишавам тяхната средна кинетична енергия: тя се измерва чрез температурата. Като добавям топлина към твърдото състояние, средната кинетична енергия се покачва. Да запиша това. Тук веществото е в твърдо състояние. И сега се случва нещо много интересно. Да речем, че нашето вещество е вода. Какво се случва при 0°C? Това отговаря на 273,15 келвина. Те са тук на вертикалната ос. Какво се случва с леда? Той се превръща в течност. Ледът се топи. Не при всички твърди вещества е така, тук говорим за водата. В нашия пример дотук е лед. Не всички твърди вещества са лед. Например камъкът е твърдо състояние на магмата. Мога да продължа и с други примери, но тук е интересно какво става с водата при 0°C. Според посоката по оста, дали вървим наляво или надясно, това е точката на замръзване на водата или точката на топене на леда. Когато добавям топлина, температурата вече не се покачва. За определен период температурата ще остане постоянна. Сега ще го начертая. Температурата е постоянна в тези граници. Докато тя е постоянна, веществото остава твърдо. Състоянието още е твърдо. И чак тук преминава в течно състояние. Ето тук. И така, добавихме известно количество топлина, а веществото остана твърдо. Но така достигнахме точката, в която ледът се стопи до течност. През цялото това време се е топял. Така можеш да си го представиш. И така, продължаваме да добавяме още топлина и течността също се загрява. И стигаме до следващата интересна температура за водата. Това е 100°C или 373 келвина. Ще използвам Целзий, защото е по-познато. Какво се случва? При тази температура водата се изпарява, или иначе казано: кипи. Но какво се случва с частиците ѝ? Те стават кинетично активни. Но подобно на преминаването от твърдо състояние в течност, е нужно да се добави известно количество енергия към системата. Тук вече то е доста голямо. Водата се превръща в пара, но не става по-гореща. Добавяме все повече топлина, но температурата е постоянна. След малко ще обясним какво се случва тук. И накрая, в тази точка, всичката вода се е изпарила. От тук нататък парата може да става по-гореща, когато добавяме още топлина към системата. Това е ясно, че като добавяме топлина, температурата ще се увеличава. Но, интересно, какво ли се случва в тези зони? И там добавяхме топлина. Тук превдъщахме топлината в кинетична енергия. Температурата отговаря на средната кинетична енергия. Но какво става с топлината ето тук? Тук пък топлината не добавя кинетична енергия към системата. Температурата не се увеличава. Но ледът се превръща в течна вода. В този интервал кинетичната енергия, или топлината, се използва, за да разруши тези връзки. Така тя довежда молекулата до състояние на по-висока енергия. Сега ще обясня какво означава състояние на по-висока енергия. Ако я нямаше цялата тази топлина и кинетична енергия, молекулите щяха да са доста близко една до друга. Като близостта ми до земята, когато съм стъпил на нея. Когато пътувам със самолет, съм в състояние на по-висока енергия. Моята потенциална енергия там е по-голяма. Имам потенциала да падна към земята. По подобен начин и молекулите, когато се отдалечат при преминаването им от твърдо към течно състояние, имат потенциала да „паднат“ една към друга. Но поради голямата си кинетична енергия не успяват да паднат. Но енергията им се увеличава. Потенциалната им енергия е по-голяма, защото имат накъде да „падат“ една към друга. На теория, като „падат“ по този начин, могат да извършат работа. Тук добавяме топлина към системата, като количеството топлина за тази фаза се нарича специфична топлина на втвърдяване. Тя е еднакво количество топлина и за двете посоки: и към твърдо, и към течно състояние. От твърдо към течно се нарича топлина на топене. Това е топлината, нужна да се добави, за да се стопи леда до течност. В обратната посока тя е топлината, нужна да се отнеме от водата при 0°C, за да стане на лед. Отнемаме тази потенциална енергия и приближаваме молекулите една към друга. Можем да си представим как тази топлина се преобразува в кинетична енергия. При промяната на състоянието от твърдо към течно, топлината се използва, за да се добави потенциална енергия към системата. Раздалечаването на молекулите е свързано с увеличение на потенциалната им енергия. Ако едно тяло се отдалечи от земята, то ще има повече потенциална енергия, тъй като гравитацията ще се стреми да го придърпа обратно към земята. Докато пада, ще може да извърши работа. Например, един водопад може да извършва работа. Той може да задвижи турбина. Различни падащи вещества също могат да задвижат турбина. И така, когато се стигне до течност, тя просто става все по-топла. Тук топлината отново се използва за кинетична енергия. Тя кара молекулите на водата да се разминават с все по-големи скорости. По някое време те съвсем загубват връзка помежду си. Те вече няма да се плъзгат една покрай друга, ами ще отскачат. Това се случва тук. Това е топлината на изпарение. Случва се същото нещо. Преди се приплъзваха една покрай друга, сега съвсем се откъсват. Сега определено имат разстояние, от което да „паднат“. И когато добавим това количество топлина, вече само нагряваме парата. Получихме газообразна вода и вече я нагряваме. Тя става все по-гореща. Когато за пръв път се срещнах с тази идея, ми стана интересно как допреди това си представях водата при 0°C винаги като лед. Но това не е винаги така! Ако имаме течна вода и постепенно я охлаждаме, докато стигне 0°C, така отнемаме топлина от нея. Ще получим вода с температура 0°C, която още не е лед. По същия начин можем да получим вода с температура 100°C, която още не е станала на водна пара. Тя иска добавяне на още енергия. Но можем да имаме и водна пара при 100°C. Или течна вода при 0°C. Надявам се това видео да обогати представата ти за агрегатните състояния на веществата. В следващата задача ще помислим колко температура е нужна, за да прескочим тази линия. Дори ще можем да пресмятаме с колко точно ледени кубчета да охлаждаме напитките си.