2.14: Природа матерії та стани матерії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19081

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

Ми знайомі з матерією в різних формах. Ми живемо в атмосфері газу, яка в основному є N ₂ з приблизно 1/4 стільки ж кисню, O ₂, за обсягом. Ми усвідомлюємо газ в атмосфері лише тоді, коли з ним щось не так, наприклад, забруднення дратівливими забруднювачами повітря. Людина, що вступає в атмосферу чистого N ₂, не помітить нічого поганого відразу, але помре протягом декількох хвилин не тому, що N ₂ токсичний, а тому, що в атмосфері не вистачає цілющого кисню. Та ж атмосфера, якою ми дихаємо, містить воду в газовій формі у вигляді водяної пари. І ми теж знайомі, звичайно, з рідкою водою і з твердим льодом.

Повітря, яким ми дихаємо, як і більшість речовин, являє собою суміш, що складається з двох і більше речовин. Повітря - це однорідна суміш, що означає, що молекули повітря змішуються між собою на молекулярному рівні. Немає ніякого способу, щоб ми могли розібрати повітря простими механічними засобами, такими як погляд на нього під лупою та вибір його окремих складових. Ще однією поширеною речовиною, яка є однорідною сумішшю, є питна вода, яка в основному є молекулами Н ₂ О, але яка також містить розчинені O ₂ і N ₂ з повітря, розчинені іони кальцію (Ca ² ⁺), хлор, доданий для дезінфекції, та інші матеріали.

Гетерогенна суміш - це та, яка містить помітні і виразні частинки, які, принаймні, можуть бути розібрані механічним шляхом. Бетон являє собою неоднорідну суміш. Ретельний огляд шматка битого бетону показує, що в ньому містяться частинки піску і породи, закладені в затверділий портландцемент.

Матеріал, який складається лише з одного виду речовини, відомий як чиста речовина. Абсолютно чистих речовин досягти практично неможливо. Гіперчиста вода, яка бере участь у виробничих операціях напівпровідників, наближається Іншим прикладом є 99,9995% чистого гелію газу, що використовується в комбінованому газовому хроматографі/мас-спектрометрі приладі, який використовується для хімічного аналізу забруднювачів повітря та води.

Суміші дуже важливі в практиці зеленої хімії. Серед інших причин, чому це так, полягає в тому, що відділення домішок від сумішей при переробці сировини та в переробці матеріалів часто є одним з найбільш клопітких і дорогих аспектів утилізації матеріалів і може генерувати велику кількість відходів. Домішки можуть зробити суміші токсичними. Наприклад, токсичний миш'як, який знаходиться безпосередньо нижче фосфору в таблиці Менделєєва і має хімічні властивості, аналогічні фосфору, зустрічається як домішка в фосфатних рудах, з яких видобувається елементарний фосфор. Це не є проблемою для фосфору, який використовується як добриво, оскільки невелика кількість миш'яку, що додається в ґрунт, незначна порівняно з миш'яком, природним чином присутнім у ґрунті. Але, якщо фосфор повинен бути перетворений в фосфорну кислоту і фосфатні солі для додавання в безалкогольні напої або в їжу, домішка миш'яку не може переноситися через її токсичність, що вимагає видалення цього елемента за значних витрат.

Багато побічними продуктами виробничих операцій є суміші. Наприклад, хлорорганічні розчинники, що використовуються для очищення і знежирення оброблюваних деталей - це суміші, які містять жир та інші домішки. В рамках процесу переробки цих розчинників домішки повинні бути видалені дорогими процесами, такими як дистиляція. Поділ складових суміші часто є одним з найдорожчих аспектів переробки матеріалів.

Стани матерії

Як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\), трьома загальними станами речовини є гази, рідини та тверді речовини. Їх легко ілюструє вода, найбільш звичною формою якої є рідка вода. Лід являє собою тверду речовину, а водяна пара в атмосфері або в паропроводі - газ.

\(\PageIndex{1}\)Малюнок Ілюстрація трьох станів матерії.

Гази, такі як ті, що складають повітря навколо нас, складаються здебільшого з порожнього простору, через який молекули речовини, що складають газ, постійно рухаються, відскакуючи один від одного або стінок контейнера мільйони разів на секунду. Кількість газу розширюється, щоб заповнити ємність, в яку він поміщений. Оскільки вони в основному порожній простір, гази можуть бути значно стиснуті; вичавлювати газ, і він реагує зменшеним об'ємом. Температура газу в основному є вираженням тенденції молекул газу рухатися швидше; більш високі температури означають більш швидкий молекулярний рух і більше молекул відскакують один від одного або стінок контейнера в секунду. Постійний вплив молекул газу на стінки ємності є причиною тиску газу. Через вільного руху молекул відносно один одного і наявності в основному порожнього простору кількість газу набуває обсяг і форму ємності, в яку він поміщений. Фізична поведінка газів описується кількома газовими законами, що стосуються обсягів газу до кількості газу, тиску та температури. Розрахунки за цими законами розглядаються на початку глави 10.

Молекули рідин можуть переміщатися відносно один одного, але не можуть бути стиснуті між собою в значній мірі, тому рідини не стискаються. Рідини дійсно набувають форму тієї частини ємності, яку вони займають. Молекули твердих тіл займають фіксовані положення відносно один одного. Тому тверді речовини не можуть бути значно стиснуті, а твердий предмет зберігає свою форму незалежно від ємності, в яку він поміщений.