Плазма и сверхкритическая жидкость

В общей химии мы часто обсуждаем различные состояния материи, включая твердые тела, жидкости и газы. Однако существуют еще два состояния материи, которые весьма интересны: плазма и сверхкритические жидкости. Эти состояния редко описываются в вводных курсах, но они необходимы для понимания продвинутой химии и физики. В этом уроке мы изучим плазму и сверхкритические жидкости более подробно, чтобы обеспечить глубокое понимание их свойств, применений и условий для их создания.

Плазма: четвертое состояние материи

Плазма часто обозначается как четвертое состояние материи, отдельное от твердых тел, жидкостей и газов. Это горячее состояние, в котором атомы в газе ионизуются, то есть они теряют электроны и становятся заряженными частицами. Это состояние материи в изобилии встречается во Вселенной. Фактически, звезды, включая Солнце, в основном состоят из плазмы.

        Состояние материи: Плазма
    

Визуализируем эту трансформацию:

переход от твердого тела к плазме

Когда газ нагревается до очень высокой температуры, происходят два важных изменения:

• Увеличенная энергия возбуждает электроны, высвобождая их из атомов или молекул, образуя ионы.
• Наличие свободных электронов и ионов означает, что плазма может проводить электричество, в отличие от других состояний материи.

Повседневный пример плазмы — неоновая вывеска, которая работает за счет пропускания электрического тока через газ при низком давлении, превращая его в плазму.

Свойства плазмы

Плазма обладает уникальными свойствами:

• Проводимость: Благодаря наличию заряженных частиц, плазма может проводить электрические токи.
• Магнитные поля: Плазма может генерировать и подвергаться воздействию магнитных полей благодаря движению заряженных частиц.
• Высокая энергия: Поскольку плазма образуется при высоких температурах, она содержит значительное количество тепловой энергии.

Эти свойства отличают плазму от других состояний материи, поскольку она ведет себя иначе в различных физических условиях.

Применения плазмы

Плазма имеет широкий круг применений:

• Освещение: Для производства света в люминесцентных и неоновых лампах используется плазма.
• Промышленность: Плазменные горелки режут и сваривают материалы с высокой точностью.
• Аэрокосмическая промышленность: Исследуется использование плазменных двигателей для космических аппаратов.
• Энергия слияния: Управляемый термоядерный синтез в плазме является сейчас объектом многочисленных исследований, нацеленных на имитацию процессов энерговыработки в звездах.

Сверхкритическая жидкость: за пределами газов и жидкостей

Сверхкритические жидкости не являются распространенными в повседневной жизни, но играют важную роль в промышленных процессах. Сверхкритическая жидкость — это такое состояние материи, которое возникает, когда вещество находится выше своей критической температуры и давления, где исчезает граница между жидкой и газообразной фазами.

        Состояние материи: Сверхкритическая жидкость
    

Давайте используем график, чтобы увидеть, когда жидкость становится сверхкритической:

Диаграмма фаз, показывающая сверхкритические жидкости

Вышеприведенная диаграмма является фазовой диаграммой, которая кратко показывает, как вещества ведут себя по-разному в различных условиях. Когда температура и давление вещества превышают критическую точку, оно переходит в сверхкритическое состояние. Эта фаза не имеет поверхностного натяжения, позволяя проникать в вещества как газ, но растворять вещества как жидкость.

Свойства сверхкритических жидкостей

Сверхкритические жидкости объединяют свойства жидкостей и газов:

• Плотность: Равна плотности жидкости, что позволяет веществам растворяться.
• Вязкость: Подобная вязкости газа, что позволяет легко течь и проникать в пористые материалы.
• Диффузия: Промежуточный уровень, позволяющий более быстрое распределение, чем в жидкостях.

Благодаря этим свойствам, сверхкритические жидкости находят широкое применение в различных областях.

Применения сверхкритических жидкостей

Сверхкритические жидкости используются в различных инновационных приложениях:

• Экстракция: Сверхкритический _CO2 используется для экстракции кофеина из кофе и для извлечения эфирных масел из растений.
• Обработка полимеров: Пластики помогают процессам вспенивания и пропитки благодаря своим уникальным растворимым свойствам.
• Химические реакции: Предоставление среды для гомогенного катализа, увеличивая эффективность и селективность в химических реакциях.

Эти применения подчеркивают коммерческую жизнеспособность и важность сверхкритических жидкостей в промышленных и химических процессах.

Заключение

Как плазма, так и сверхкритическая жидкость являются ключевыми состояниями материи, которые имеют широкие применения в науке и промышленности. В то время как плазма ассоциируется с высокоэнергетическими средами, сверхкритические жидкости известны своей способностью объединять свойства жидкости и газа. Понимание этих состояний предоставляет более широкий взгляд на то, как материя ведет себя в экстремальных условиях, демонстрируя многообразие и адаптивность веществ за пределами их нормальных состояний.

Комментарии