§ 2. Агрегатные состояния вещества

Определения и обозначения

Агрегатное состояние вещества — форма существования вещества, зависящая от расположения и движения его частиц. Иначе говоря, это способ, которым частицы вещества собраны и ведут себя вместе. По агрегатному состоянию можно объяснить наблюдаемые свойства вещества. Оно бывает твёрдым, жидким или газообразным.

Твёрдое состояние — состояние, в котором вещество сохраняет форму и объём, а частицы колеблются около определённых положений. Частицы не стоят на месте, но не перемещаются свободно по всему телу. Такое описание помогает понять, почему кусок льда или камень не меняет форму сам по себе. Оно также позволяет отличать твёрдое тело от жидкости.

Жидкое состояние — состояние, в котором вещество сохраняет объём, но принимает форму сосуда; частицы могут перемещаться относительно друг друга. Поэтому жидкость течёт и меняет очертания, если её перелить. При этом она не занимает весь сосуд, как газ. Это определение помогает не путать свойства жидкости и газа.

Газообразное состояние — состояние, в котором вещество не сохраняет ни форму, ни объём и заполняет весь предоставленный объём. Частицы газа свободно перемещаются и распространяются по доступному пространству. Поэтому газ может занимать сосуд любой формы. По этим признакам его отличают от твёрдого тела и жидкости.

Как это устроено

Свойства вещества зависят от расстояний между частицами, их движения и сил притяжения. В твёрдом теле частицы расположены близко, а взаимодействие между ними удерживает их в устойчивом порядке. В жидкости частицы также соседствуют друг с другом, но могут менять положение. В газе расстояния велики, а притяжение слабее влияет на движение частиц, поэтому они свободно разлетаются по всему доступному пространству.

Частицы твёрдого тела сохраняют преимущественно постоянные положения не потому, что они неподвижны. Их удерживают силы взаимодействия с соседними частицами, поэтому частица не может просто переместиться в другую часть тела. Она колеблется около своего положения, подобно тому как слегка покачивается на месте. Совместные колебания частиц не разрушают форму тела, пока условия не изменятся настолько, чтобы оно перешло в другое состояние.

В жидкости частицы могут сдвигаться и менять соседей, поэтому жидкость течёт и принимает форму сосуда. Однако частицы остаются близко друг к другу: притяжение не даёт им разлететься на большие расстояния. Именно поэтому объём жидкости меняется мало, хотя её форма зависит от ёмкости. Подвижность частиц объясняет текучесть, а близкое расположение — сохранение объёма.

В газе частицы находятся далеко друг от друга, и между ними много свободного пространства. Они движутся во всех направлениях и сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Из-за этого газ распространяется по сосуду и занимает весь его объём. Свободные промежутки позволяют сближать частицы при сжатии, поэтому газы сжимаются гораздо легче, чем жидкости и твёрдые тела.

Одно и то же вещество может менять агрегатное состояние, если меняются условия, например температура или давление. При этом меняются расположение и движение частиц, но химический состав вещества остаётся прежним. Так, вода может быть льдом, жидкостью или паром. Переход между состояниями не означает, что вместо воды образовалось другое вещество.

Сравнение агрегатных состояний вещества

Сравнивайте состояния по форме и объёму вместе: одного признака иногда недостаточно. Затем смотрите на расположение и движение частиц — они объясняют, почему вещество обладает такими свойствами. Строка о сжимаемости помогает связать наблюдаемое свойство с расстояниями между частицами.

Разбор задач

1. Определите агрегатное состояние воды в кубике льда, стакане и водяном паре.

Условие: нужно определить состояние одного вещества в трёх случаях. Для этого сопоставим каждую форму воды с признаками твёрдого тела, жидкости и газа. Полезно помнить, что состояние определяют по свойствам вещества, а не только по его названию.

1. Кубик сохраняет собственную форму и объём. Это признаки твёрдого состояния, поэтому вода в кубике льда — твёрдая.
2. В стакане вода сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Значит, в стакане она находится в жидком состоянии.
3. Водяной пар не сохраняет собственную форму и распространяется по доступному пространству. Это газообразное состояние воды.

Ответ: лёд — твёрдое состояние воды, вода в стакане — жидкое, водяной пар — газообразное. Во всех трёх случаях речь идёт об одном веществе, а не о трёх разных веществах. Различаются расположение и движение частиц.

2. Вещество сохраняет объём, но принимает форму сосуда. Определите его агрегатное состояние и объясните ответ.

Условие сообщает сразу два свойства: объём остаётся прежним, а собственная форма не сохраняется. Нужно учесть их вместе, не ограничиваясь только тем, что вещество меняет очертания. Сравним сочетание признаков с известными свойствами агрегатных состояний.

1. Твёрдое тело сохраняет и объём, и форму, поэтому описание ему не подходит. Газ не сохраняет собственный объём, а занимает весь объём сосуда.
2. Жидкость сохраняет почти постоянный объём, но может менять форму при переливании. Это совпадает с обоими признаками из условия.
3. Подвижность частиц жидкости объясняет, почему она принимает форму сосуда. Близкое расположение частиц объясняет, почему она не разлетается и сохраняет объём.

Ответ: это жидкое состояние. Вывод сделан по двум признакам одновременно, а объяснение показывает, как свойства связаны с поведением частиц. Если бы вещество занимало весь объём ёмкости, это указывало бы на газ.

3. Сравните, как расположены и движутся частицы одного вещества в твёрдом, жидком и газообразном состояниях, и объясните различия в сжимаемости.

Условие просит сравнить одно вещество в трёх состояниях и связать модель частиц со сжимаемостью. Здесь важно описать не только движение, но и расстояния между частицами. Чем больше свободного пространства между ними, тем легче сблизить их при сжатии.

1. В твёрдом состоянии частицы расположены близко и колеблются около определённых положений. В жидкости частицы тоже близко, но могут перемещаться относительно друг друга.
2. В газообразном состоянии частицы далеко друг от друга и свободно движутся. Поэтому газ можно сжать сильнее: при сжатии уменьшается свободное расстояние между частицами.
3. В твёрдом теле и жидкости частицы уже находятся близко. Свободного пространства между ними мало, поэтому эти состояния сжимаются значительно хуже газа.

Ответ: частицы твёрдого тела колеблются на местах, частицы жидкости перемещаются рядом друг с другом, а частицы газа свободно движутся далеко друг от друга. Газ сжимаем лучше, потому что между его частицами больше свободного пространства. В твёрдом теле и жидкости частицы расположены теснее.

Типичные ошибки

Ошибка: считать частицы твёрдого тела неподвижными. Так думают, потому что само тело сохраняет форму и кажется неподвижным, но сохранение формы не означает остановку частиц. Они непрерывно колеблются около определённых положений. Проверка: если в объяснении движения частиц нет совсем, вспомните, что движение происходит во всех агрегатных состояниях.

Ошибка: путать свойства жидкости и газа. Оба состояния могут принимать форму сосуда, поэтому кажется, что они ведут себя одинаково. Однако жидкость сохраняет почти постоянный объём, а газ распространяется по всему доступному объёму. Проверка: задайте два вопроса — сохраняется ли объём и заполняется ли весь сосуд.

Ошибка: утверждать, что при переходе между состояниями вещество обязательно становится другим веществом. Это заключение делают, когда видят, что лёд, вода и пар выглядят по-разному. На самом деле меняются состояние и свойства, но не химический состав воды. Проверка: отличайте изменение формы существования вещества от изменения самого вещества.

Ошибка: считать, что газ не имеет объёма. Вероятно, так говорят потому, что газ не сохраняет собственный объём и может расширяться. Но газ занимает весь объём, который ему предоставлен, например объём закрытого сосуда. Проверка: уточните, говорится ли о собственном неизменном объёме или о пространстве, которое газ фактически занял.

Связь с другими темами

Чтобы понять агрегатные состояния, нужно знать, что вещества состоят из частиц и что частицы непрерывно движутся. Эти представления помогают объяснить свойства вещества не только по наблюдениям, но и с помощью простой модели. Если представить, как расположены и движутся частицы, становится понятнее, почему тело сохраняет форму, жидкость течёт, а газ распространяется.

Модель движения и взаимодействия частиц пригодится при изучении строения вещества и тепловых явлений. Она помогает рассуждать о том, как изменение условий влияет на движение частиц и агрегатное состояние. Эти знания также связаны с химическими реакциями: понимание того, что вещество состоит из частиц, служит основой для объяснения превращений веществ.

Что запомнить

• Вещество может существовать в твёрдом, жидком и газообразном состояниях.
• В твёрдом состоянии вещество сохраняет форму и объём.
• Жидкость сохраняет объём, но принимает форму сосуда.
• Газ не сохраняет ни форму, ни объём и заполняет весь сосуд.
• Частицы вещества движутся во всех агрегатных состояниях.
• Агрегатное состояние зависит от расположения, движения и взаимодействия частиц.