1.1: Матерія та енергія

Last updated
Save as PDF

Page ID: 25489

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

У чому справа?

Справа в тому, що має масу і займає простір.

Матерія є природним матеріалом, з якого складається Всесвіт. Матерія складається з крихітних частинок, які називаються атомами, що утримуються разом силами, званими зв'язками. Матерія класифікується як чиста речовина, якщо вона має постійний і незмінний склад типу атомів. Наша матерія - це або елемент, або з'єднання.

Елемент

Елемент - це чиста речовина, яка складається тільки з одного типу атома.

Наприклад, вуглець, показаний на рис. 1.1.1, є елементом. Елементи не можуть перетворити в більш просту матерію фізичними або хімічними методами. Існує близько сотні різних елементів, відомих в цей час. Наприклад, водень, кисень, вуглець, азот, натрій, хлор, залізо, кобальт, золото, срібло - це кілька елементів.

Кінчик свинцевого олівця, що складається з атомів вуглецю, збільшено, щоб проілюструвати атом вуглецю. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Наконечник олівця вуглецевий -елемент, який складається з одного типу атома, як показано на моделі.

Символ елемента

Елементи представлені символами, першим алфавітом їх англійської або неанглійської назви, написаним великими літерами. Наприклад, С для вуглецю, O для кисню, а Н - для водню. Зазвичай інший алфавіт також вибирається з назви елемента і пишеться маленькою літерою, наприклад, He для гелію, Co для кобальту. Деякі символи елементів походять від неанглійських назв, наприклад, Fe для заліза походить від латинської назви Ferrum, а Au для золота - від латинської назви Aurum.

Дві послідовні великі літери не являють собою елемент; вони можуть бути двома різними елементами, об'єднаними.

CO не є символом елемента; це чиста речовина, яка являє собою комбінацію вуглецю і кисню, відповідно, пов'язаних між собою в співвідношенні атомів 1:1.

Молекула

Молекула - це група з двох або більше атомів, що утримуються разом силами, званими хімічними зв'язками. Молекула - це найменша частинка речовини, яка може вільно існувати. Єдиний атом деяких елементів здатний існувати вільно, і він також вважається молекулою. Наприклад, He, O ₂, P ₄ і S ₈ є прикладами елементів, що мають молекули, що складаються з одного, двох, чотирьох і восьми атомів одного елемента відповідно, як показано на рис. 1.1.2. Хоча металеві елементи існують як величезна кількість атомів, з'єднаних між собою особливим типом зв'язку, який називається металевими зв'язками, їх символом є символ одного атома, наприклад, Fe для заліза та Au для золота.

Моделі деяких молекул — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Моделі молекул деяких елементів.

З'єднання

З'єднання - це чиста речовина, що складається з атомів двох або більше різних елементів в постійному цілому числовому співвідношенні, утримуваних разом хімічними зв'язками.

Символ з'єднання - це поєднання його складових елементів з індексом праворуч від символу елемента, що представляє собою ціле числове відношення атомів елемента в з'єднанні. Наприклад, H ₂ O символізує сполуку під назвою вода, що складається з атомів водню (H) та кисню (O) у співвідношенні 2:1. Аналогічно, NaCl є символом сполуки кухонної солі, що складається з атомів натрію (Na) та хлору (Cl) у співвідношенні 1:1. Якщо символ з'єднання також представляє молекулу сполуки, його називають молекулярною формулою. Наприклад, H ₂ O - молекульна формула води. З іншого боку, кухонна сіль - це ще один клас сполук, що складається з величезної кількості атомів її складових елементів, розташованих у певному розташуванні в тривимірному просторі, званому кристалічною решіткою, як показано на рис. 1.1.3. Коли сполуковий символ не представляє молекулу, він представляє лише просте співвідношення цілого числа складових елементів; це називається хімічною формулою сполуки. Наприклад, NaCl - це хімічна формула з'єднання, званого кухонною сіллю.

Кристал хлориду натрію — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Хлорид натрію (NaCl) - з'єднання, кристал (зліва) і модель, що показує кристалічну решітку (праворуч). Джерело: Галіт (Сіль) USGOV.jpg і Benjah-BMM27 (говорити · внесок) /Громадське надбання.

Ілюстрація кристалічної решітки хлориду натрію — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Хлорид натрію (NaCl) - з'єднання, кристал (зліва) і модель, що показує кристалічну решітку (праворуч). Джерело: Галіт (Сіль) USGOV.jpg і Benjah-BMM27 (говорити · внесок) /Громадське надбання.

Закон певної пропорції або закон постійного складу

Хімічна сполука завжди містить кількість атомів його складових елементів у фіксованому співвідношенні, або сполуки утворюються за визначеними масовими співвідношеннями реагуючих елементів.

Чиста речовина, тобто елементи або сполуки, має фіксовану частку атомів елемент/с, незалежних від джерела або способу їх отримання, також називається хімічним або речовиною. Атоми в сполуці утримуються між собою привабливими силами, які називаються хімічними зв'язками. Складові елементи в сполуці можуть бути розділені лише шляхом розриву хімічних зв'язків і створення нових хімічних зв'язків, що є хімічною реакцією.

Суміш

Два або більше чистих речовин, змішаних таким чином, що співвідношення атомів складових елементів є змінним, називається сумішшю.

Наприклад, кухонну сіль можна змішувати з водою, але співвідношення солі (NaCl) до води (Н ₂ О) можна варіювати, щоб дати менше солоної або більш солоної води в суміші. Суміш, в якій компоненти ретельно перемішуються, а склад постійний протягом заданого зразка, являє собою однорідну суміш або розчин. Наприклад, кухонна сіль, розчинена у воді, є прикладом однорідної суміші або розчину. Інші приклади однорідної суміші включають цукор, розчинений у воді; повітря, що представляє собою суміш азоту, кисню, вуглекислого газу та інших газів; і металеві сплави, такі як латунь, суміш металів міді та цинку тощо.

Залізні пломби і сірчаний порошок -приклад неоднорідної суміші — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Гетерогенна суміш заліза і сірки (зліва), розділена магнітом (праворуч). Джерело: Асульт/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)

Відокремлення залізних опилок від сірки магнітом -приклад поділу гетерогенної суміші фізичним методом — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Гетерогенна суміш заліза і сірки (зліва), розділена магнітом (праворуч). Джерело: Асульт/CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)

Якщо компоненти суміші не ретельно перемішуються і склад змінюється в межах різних областей даного зразка, то це неоднорідна суміш. Наприклад, порошок сірки (S), змішаний із залізною (Fe) начинкою, являє собою гетерогенну суміш, показану на рис. 1.1.4. Інші приклади гетерогенних сумішей включають дим, який є сумішшю повітря та частинок вуглецю; смог, який являє собою суміш крапель рідкої води, зважених у повітрі; і апельсиновий сік, який являє собою суміш цукру, води, частинок клітковини тощо Рис. 1.1.5 ілюструє класифікацію описаного питання вище.

Схеми класифікації речовини — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Класифікація матерії.

стани матерії

Матерія існує в одному з чотирьох фізичних станів або фаз, тобто тверде (s), рідина (l), газ (g) або плазма. Рис. 1.1.6 ілюструє чотири стани речовини на молекулярному рівні, а на рис. 1.1.7 показані приклади чотирьох станів речовини.

Модель, що ілюструє фізичні стани речовини на молекулярному рівні — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Чотири стану речовини на молекулярному рівні. Джерело: https://www.hiclipart.com/free-trans...mwpjm/download

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Приклади чотирьох станів речовини. За годинниковою стрілкою зверху ліворуч знаходяться тверді, рідинні, плазмові та газові, представлені крижаною скульптурою, краплею води, електричною дугою від котушки Тесла та повітрям навколо хмар відповідно. Джерело: Дух469/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Твердотільний

У твердому стані частинки , тобто атоми або молекули, знаходяться дуже близько один до одного і утримуються сильно міжмолекулярними силами. Частинки можуть вібрувати навколо своїх середніх позицій, але вони не можуть ковзати один за одного. Розширення і скорочення в твердому стані незначні. Тверда речовина має фіксовану форму і фіксований обсяг.

рідкий стан

У рідкому стані частинки досить близькі, щоб відчувати сильні міжмолекулярні взаємодії, які зазвичай не дозволяють частинкам перетинати межу рідини, але частинки можуть переміщатися всередині рідини. Отже, частинки в рідині можуть текти і набувати форму ємності, але мати фіксований обсяг. Розширення і скорочення мізерно малі в рідкому стані.

Газовий стан

У газовому стані частинки знаходяться далеко один від одного. Міжмолекулярні взаємодії незначні в газовій фазі через великі відстані між частинками. Молекули газу рухаються по прямих лініях у випадкових напрямках, поки не зіткнуться з іншими молекулами або стінками контейнера. Зіткнення пружні; тобто молекули відскакують, як пружні кулі, і загальна кінетична енергія системи зберігається. Якщо вони потрапляють у космос, частинки продовжують рухатися в космос. Іншими словами, частинки в газі можуть текти, набувати форми контейнера та розширюватися або скорочуватися, щоб заповнити наявний простір. Гази не мають фіксованої форми і не мають фіксованого обсягу.

стан плазми

У стані плазми частинки знаходяться далеко один від одного, як гази, і частина негативного заряду частинок, т. Е. Е. Е. Іншими словами, атоми в стані плазми іонізовані. Стан плазми не поширений на землі, але це найпоширеніший стан речовини у Всесвіті. Наприклад, речовина на сонці і зірках знаходиться в плазматичному стані. Приклади стану плазми на землі включають речовину в блискавках та електричних іскрах.

Що таке енергія

Енергія - це кількісне властивість, передане об'єкту і впізнаване у вигляді виконання роботи або як тепло або світло. Простими словами: енергія - це вміння виконувати роботу.

Те, що ми зазвичай стикаємося, крім матерії, - це енергія. Існує два основних типи енергій, тобто кінетична енергія рухомих об'єктів і потенційна енергія, що зберігається положенням об'єкта в силовому полі.

Кінетична енергія

Енергія рухомих об'єктів - кінетична енергія. Математична форма кінетичної енергії (КЕ) - це\(K E=\frac{1}{2} m v^{2}\), де m - маса, а v - швидкість рухомого об'єкта. Приклади кінетичної енергії включають енергію всіх рухомих об'єктів, які ми бачимо навколо, як рухомі транспортні засоби або рухома турбіна, яка виробляє електроенергію. Теплова енергія - це також кінетична енергія атомів і молекул в речовині.

Потенційна енергія

Потенційна енергія обумовлена положенням об'єкта в силовому полі. Приклади силових полів, відповідальних за потенційну енергію, включають електричні, магнітні, гравітаційні та пружні сили. Прикладами потенційних енергій є електрична енергія і гравітаційна енергія. Світло - це потенційна енергія за рахунок рухомих електричних і магнітних полів. Хімічна енергія - це потенційна енергія, що зберігається в хімічних зв'язках в електростатичній потенційній енергії.

Потенційна енергія гравітації - це енергія, обумовлена положенням або висотою щодо землі. Земля притягує інші об'єкти силою\( F = mg\), де F - сила, m - маса об'єкта, а g - прискорення за рахунок сили тяжіння. Коли об'єкт падає, потенційна енергія змінюється на кілька форм енергії, включаючи кінетичну енергію, працює проти тертя повітря, звуку та роботи, виконаної при деформаціях, коли він потрапляє на землю.

Хімічна потенційна енергія - це енергія, обумовлена хімічними зв'язками, які утримують атоми разом у молекулі або з'єднанні за допомогою електричних сил між негативними електронами заряду та ядрами позитивного заряду. Утворення зв'язків завжди вивільняє енергію, а розрив зв'язку поглинає ту ж енергію. Кожен зв'язок має різну енергію зв'язку. При хімічних реакціях деякі зв'язки розриваються, і утворюються деякі зв'язки.

Поєднання кінетичної та потенційної енергії також можливе, наприклад, у механічних хвиль. Звукова хвиля - це механічна хвиля, яка поєднує кінетичну та потенційну енергію - кінетичну, оскільки частинки рухаються та потенціюють завдяки еластичності матеріалу, в якому поширюється деформація (звук).

Екзотермічні та ендотермічні реакції

Спалювання метану - приклад екзотермічної реакції — Малюнок\(\PageIndex{8}\): Спалювання метану —приклад екзотермічної реакції, яка виділяє енергію в якості тепла, що використовується для приготування їжі (зліва), а фотосинтез - приклад ендотермічної реакції, яка поглинає енергію (праворуч). Джерело: https://www.hiclipart.com/free-trans...imhhh/download та https://www.hiclipart.com/free-trans... -кліпарт-mslhq

Приклад фотосинтезу та ендотермічної реакції — Малюнок\(\PageIndex{8}\): Спалювання метану —приклад екзотермічної реакції, яка виділяє енергію в якості тепла, що використовується для приготування їжі (зліва), а фотосинтез - приклад ендотермічної реакції, яка поглинає енергію (праворуч). Джерело: https://www.hiclipart.com/free-trans...imhhh/download та https://www.hiclipart.com/free-trans... -кліпарт-mslhq

Баланс між енергією, необхідною для розриву зв'язків, і енергією, що виділяється при утворенні нових зв'язків, визначає, чи виділяє хімічна реакція енергію або поглинає енергію. Хімічні реакції, що виділяють енергію, називаються екзотермічними реакціями. Наприклад, при згорянні газу метану в кухонних пальниках виділяється енергія. Реакція, яка поглинає енергію, називається ендотермічної реакцією. Наприклад, фотосинтез перетворює вуглекислий газ і воду в глюкозу, поглинаючи сонячне світло, як показано на рис. 1.1.8.

Закон збереження енергії

Ілюстрація закону збереження енергії — Малюнок\(\PageIndex{9}\): Енергія може трансформуватися з однієї форми в іншу, але енергія не може бути ні створена, ні знищена. Джерело: https://www.hiclipart.com/free-trans...muhlp/download

Закон енергозбереження стверджує, що енергія може трансформуватися з однієї форми в іншу, але загальна енергія ізольованої системи залишається колишньою.

Енергія може трансформуватися з однієї форми в іншу, або через роботу, або тепло. Коливальний маятник - приклад кінетичної і гравітаційної потенційної енергії, періодично перетворюється один в одного за допомогою роботи. Енергія випромінювання в сонячному світлі переходить в хімічну енергію при фотосинтезі, потім на нагрівання і роботу в процесі метаболізму глюкози, але загальна енергія залишається такою ж, як показано на рис. 1.1.9.