2.2: Стани матерії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18125

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

Як описано в розділі 2.1, молекула води складається з двох атомів водню, пов'язаних з одним атомом кисню (H ₂ O). Всі молекули води абсолютно однакові (однакове співвідношення елементів, однаковий геометричний малюнок зв'язку), але ми стикаємося з водою в трьох різних формах в навколишньому світі. При низькій температурі вода існує як тверда речовина (лід). З підвищенням температури вода існує як рідина, а при високій температурі, як водяна пара, газ. Ці три форми води представляють три стани речовини: тверді речовини, рідини та гази. Стани речовини є прикладами фізичних властивостей речовини. Інші фізичні властивості включають зовнішній вигляд (блискучий, тьмяний, гладкий, шорсткий), запах, електропровідність, теплопровідність, твердість і щільність, щоб назвати лише деякі. Більш детально ми поговоримо про щільність в наступному розділі, але спочатку давайте розглянемо стани речовини і чим вони відрізняються на атомному рівні.

Якщо лід, рідка вода і водяна пара все складаються з однакових молекул, то на що пояснюється різниця в їх властивостях? Поки ми говорили про молекули так, ніби вони стояли на місці, але насправді вони завжди рухаються. У хімії ми часто пояснюємо стани речовини з точки зору кінетичної молекулярної теорії (КМТ). Слово кінетичний відноситься до руху, а кінетична молекулярна теорія говорить про те, що атоми і молекули завжди знаходяться в русі. Енергія, пов'язана з цим рухом, називається кінетичною енергією. Кількість кінетичної енергії, яку має частка, є прямою функцією температури, і саме кінетична енергія молекул води в різних умовах визначає різні властивості трьох станів води.

Атоми і молекули рухаються по-різному в різних умовах через сил, що притягують їх один до одного, званих міжмолекулярними силами. Міжмолекулярні сили - загальний термін, що описує той факт, що всі атоми, і молекули поділяють певне властиве один одному тяжіння. Ці сили привабливості набагато слабкіше зв'язків, які утримують молекули разом, але у великому скупченні атомів або молекул сума всіх цих привабливих сил може бути досить значною.

Тепер розглянемо групу молекул або атомів, згрупованих разом і утримуваних на місці цими привабливими силами. При низькій температурі молекули або атоми залишаться склеєними в грудці певної форми та структури, як вода у вигляді кубика льоду. Це називається твердою фазою. На атомному рівні молекули або атоми в твердій речовині тісно упаковані, і хоча вони все ще швидко рухаються, їх рухи настільки малі, що їх можна вважати вібруючими щодо фіксованого положення. Як аналогія тут, подумайте про жменьку маленьких магнітів, склеєних у тверду масу. Тверді речовини і рідини є найбільш щільно упакованими станами речовини. Через міжмолекулярних сил тверді речовини мають певну форму, яка не залежить від ємності, в яку вони поміщені. Оскільки енергія додається до системи, як правило, у вигляді тепла, окремі молекули або атоми набувають достатньо енергії, щоб подолати деякі привабливі міжмолекулярні сили між ними, щоб сусідні частинки могли вільно рухатися повз або ковзати одна над одною. Такий стан речовини називається рідкою фазою. Як і в твердій речовині, в рідині сили привабливості досить сильні, щоб утримувати молекули або атоми близько один до одного, тому вони не легко стискаються і мають певний об'єм. На відміну від твердого тіла, однак, частинки будуть текти (ковзати один над одним), так що вони можуть прийняти форму свого контейнера.

Нарешті, якщо в систему вводиться достатня кількість енергії, окремі молекули або атоми набувають достатньо енергії, щоб повністю розірвати всі привабливі сили між ними, і вони можуть вільно відокремлюватися і швидко переміщатися по всьому об'єму свого контейнера. Це називається газовою фазою, і атоми або молекули в газовій фазі повністю заповнить будь-який контейнер, який вони займають, набуваючи форму та об'єм свого контейнера. Оскільки між частинками в газі так багато простору, газ сильно стискається, а це означає, що молекули можуть бути змушені ближче один до одного, щоб поміститися в набагато меншому просторі. Всі ми знайомі з балонами стисненого газу, де стисливість газів експлуатується, щоб дозволити транспортувати велику кількість газу в дуже малому просторі.

Повертаючись до нашого прикладу води, при низькій температурі вода існує як тверда, крижана. Коли тверда речовина нагрівається, молекули води набувають достатньо енергії, щоб подолати найсильнішу з привабливих сил між ними, і лід тане, утворюючи рідку воду. Цей перехід від твердої фази до рідкої відбувається при фіксованій температурі для кожної речовини, званої температурою плавлення. Температура плавлення твердої речовини є однією з фізичних властивостей цієї твердої речовини. Якщо ми видалимо енергію з молекул рідини, вони сповільниться достатньо, щоб привабливі сили знову заволоділися і утвориться тверде тіло. Температура, яка це відбувається, називається температурою замерзання і є тією ж температурою, що і температура плавлення.

Оскільки в систему потрапляє більше енергії, вода нагрівається, молекули починають рухатися все швидше і швидше, поки в системі нарешті не буде достатньо енергії, щоб повністю подолати привабливі сили. Коли це відбувається, молекули води можуть вільно відлітати один від одного, заповнювати будь-яку ємність, яку вони займають, і стають газом. Перехід з рідкої фази в газову відбувається при фіксованій температурі для кожної речовини і називається температурою кипіння. Як і температура плавлення, температура кипіння - ще одна фізична властивість рідини.

Фазові переходи для типового речовини можуть бути показані за допомогою простої діаграми, що показує фізичні стани, розділені переходами за температурами плавлення і кипіння. Наприклад, якщо вам кажуть, що чиста речовина на 15˚ C вище його температури кипіння, ви можете скористатися діаграмою для побудови температури щодо температури кипіння. Оскільки ви знаходитесь вище температури кипіння, речовина буде існувати в газовій фазі.

Однак є деякі винятки з правил зміни держави, які ми щойно встановили,. Наприклад, лід - це тверда речовина, а молекули всередині міцно утримуються між собою міжмолекулярними силами. Поверхневі молекули, однак, піддаються впливу і вони мають можливість поглинати енергію з навколишнього середовища (подумайте про клаптику снігу в яскравий сонячний день). Якщо деякі з цих поверхневих молекул поглинають достатньо енергії, вони можуть зламати привабливі сили, які утримують їх, і вийти як газ (водяна пара), ніколи не проходячи через рідку фазу. Перехід з твердого тіла безпосередньо в газ називається сублімацією. Зворотний процес, прямий перехід від газу до твердого тіла, називається осадженням. Мабуть, найпоширенішим прикладом твердого речовини, яке не тане, а лише підноситься, є сухий лід (твердий вуглекислий газ; СО ₂). Ця властивість сухого льоду - це те, що робить його хорошим холодоагентом для транспортування швидкопсувних продуктів. Він досить холодний, зберігаючи речі добре замороженими, але не плавиться в брудну рідину, оскільки нагрівається під час відвантаження.

Так само, як поверхневі молекули в твердих тілах можуть переміщатися безпосередньо в газову фазу, поверхневі молекули в рідинях також поглинають енергію з навколишнього середовища і переходять у газову фазу, навіть якщо сама рідина знаходиться нижче температури кипіння. Це процес пароутворення (випаровування). Зворотний процес, перехід від газу до рідини, називається конденсацією. Рідкі речовини піддаються випаровуванню, а простір над будь-якою рідиною має молекули цієї речовини в газовому стані. Це називається тиском пари рідини, а тиск пари (при заданій температурі) - ще одне з фізичних властивостей рідких речовин.

Підсумовуючи те, що ми знаємо про різні стани матерії:

У газі:

молекули або атоми сильно розділені, що робить газ сильно стисливим,
сили притягання між частинками мінімальні, що дозволяє газу набувати форму і обсяг своєї ємності.

У рідині:

молекули або атоми розташовані близько, що робить рідину набагато менш стисливою, ніж газ,
сили притягання між частинками є проміжними, дозволяючи молекулам або атомам рухатися повз, або ковзати один над одним,
рідини мають певний обсяг, але приймуть форму своєї ємності.

У твердому вигляді:

сили притягання сильні, утримуючи атоми або молекули у відносно фіксованих положеннях,
сусідні атоми або молекули знаходяться близько один до одного, що робить тверде тіло не стискається і надає йому певну форму, яка не залежить від форми і розміру його контейнера.