Što je materija'?
'Materija' je sve što zauzima prostor (ima volumen) i ima masu. Ono čini sve u svemiru u nekom obliku; to je sve u svemiru. Ono čini naš planet i cijeli svemir.
Na Zemlji sva materija postoji u jednom od tri različita stanja: kruto, tekuće ili plinovito.
Znate li da se ljudi sastoje od sva tri glavna agregatna stanja?
Stanje u kojem se tvar nalazi na sobnoj temperaturi naziva se njezino standardno stanje. Na primjer, na sobnoj temperaturi voda postoji kao tekućina. Neke tvari postoje kao plinovi na sobnoj temperaturi (kisik i ugljikov dioksid), dok druge, poput vode, postoje kao tekućine. Većina metala postoji kao krutina na sobnoj temperaturi. Živa ima zanimljiva svojstva da je i metal i tekućina u svom standardnom stanju.
Svako od ovih stanja sastoji se od sitnih čestica. Agregatno stanje ovisi o broju čestica od kojih se sastoje.
Čvrsto
Nešto se obično opisuje kao kruto ako može zadržati vlastiti oblik i teško ga je sabiti. Na primjer, voda u krutom obliku je led. U krutini su molekule tijesno zbijene jedna uz drugu i imaju veliku gustoću.
Tekućina
Tekućina poput vode može teći ili teći, ali se ne može istegnuti ili stisnuti. U tekućinama su molekule posebno blizu jedna drugoj, ali ne toliko jedna drugoj kao čvrsta tvar; molekule imaju sposobnost kretanja i klizanja jedna pored druge. Tekuća tvar nema vlastiti oblik, poprimit će oblik posude u kojoj se drži. Primjeri tekućine su voda, mlijeko, sok, benzin, limunada itd.
Plin
Plin može teći, širiti se i može se istisnuti. Voda u plinovitom obliku je para. Ako je u nezatvorenom spremniku, pobjegne. U plinovima su molekule mnogo raširenije nego u krutim tvarima ili tekućinama i nasumično se sudaraju jedna s drugom. Plin će ispuniti bilo koju posudu, ali ako posuda nije zatvorena, plin će izaći. Plin se može komprimirati mnogo lakše nego tekućina ili krutina.
Promjenjiva agregatna stanja
Materija može postojati u krutom, tekućem ili plinovitom stanju, a stanje u kojem se tvar nalazi može se uvelike odrediti njezinom temperaturom. Svaka tvar ima jedinstvenu graničnu temperaturu nakon koje mijenja svoje stanje. Nakon prijelaza tog temperaturnog praga, tvar će promijeniti svoju fazu, čime se mijenja agregatno stanje. U uvjetima konstantnog tlaka, temperatura je primarna determinanta faze tvari.
Ovisno o svojoj temperaturi, materija može promijeniti stanje. Taljenje, smrzavanje, vrenje, isparavanje, kondenzacija, sublimacija i taloženje su načini na koje materijal mijenja stanje.
Pri niskim temperaturama molekularno gibanje se smanjuje i tvari imaju manju unutarnju energiju. Molekule će se smjestiti u niskoenergetska stanja jedna u odnosu na drugu i kretati se vrlo malo, što je karakteristično za čvrstu tvar. Kako temperatura raste, dodatna toplinska energija se prenosi na sastavne dijelove krutine, što uzrokuje dodatno molekularno gibanje. Molekule se počinju gurati jedna o drugu i ukupni volumen tvari se povećava. U ovom trenutku, materija je prešla u tekuće stanje. Plinovito stanje postoji kada su molekule apsorbirale toliko toplinske energije zbog povišenih temperatura da se slobodno kreću jedna oko druge velikim brzinama.
Ako je tlak konstantan, stanje tvari u potpunosti će ovisiti o temperaturi kojoj je izložena. Iz tog razloga, led se topi ako se izvadi iz zamrzivača, a voda proključa iz posude ako se predugo ostavi na previsokoj temperaturi. Temperatura je samo mjera količine toplinske energije prisutne u okolini. Kada se tvar stavi u okolinu različite temperature, dolazi do izmjene topline između tvari i okoline, što dovodi do postizanja ravnotežne temperature. Dakle, kada je kocka leda izložena toplini, njezine molekule vode apsorbiraju toplinsku energiju iz okolne atmosfere i počinju se kretati energičnije, uzrokujući topljenje vodenog leda u tekuću vodu.
Taljenje je proces promjene čvrste tvari u tekućinu. Kada se krutina zagrijava, čestice dobivaju više energije i počinju brže vibrirati. Na određenoj temperaturi čestice toliko vibriraju da se njihova uređena struktura raspada. U ovom trenutku, krutina se topi u tekućinu. Temperatura na kojoj se ta promjena iz krutog u tekuće stanje događa naziva se talište. Svaka krutina ima određeno talište pri normalnom tlaku zraka. Pri nižem tlaku zraka, primjerice na planini, točka taljenja se snižava.
Isparavanje je proces promjene tekućine u plin. Ostavite li malo vode u posudi sa širokim grlom, primijetit ćete da će dio vode nakon nekog vremena nestati. Tekuća voda prelazi u plin (vodena para) – to je isparavanje. Nastaje kada se tekućina pretvori u plin daleko ispod svoje točke vrelišta. Uvijek postoje neke čestice u tekućini koje imaju dovoljno energije da se oslobode od ostalih i postanu plin.
Kondenzacija je proces promjene plina u tekućinu. Na primjer, vodene pare u zraku se ujutro nakon hladne noći hlade i pretvaraju u sitne kapljice tekuće vode (rosa) na lišću i prozorima. Hladniji objekti često apsorbiraju energiju toplijih predmeta.
Smrzavanje je proces promjene tekućine u krutinu. To je suprotno od topljenja. Na primjer, lava je tekuća stijena koja eruptira kroz vulkan na temperaturama do 1500 O C (2732 O F) kroz vulkan. Međutim, užarena lava se hladi pri susretu s površinom Zemlje i ponovno se pretvara u čvrstu stijenu.
Vrenje – Kada se tekućina zagrijava, čestice dobivaju više energije. Počinju se brže kretati i udaljavati. Na određenoj temperaturi čestice se međusobno odvajaju i tekućina se pretvara u plin. Ovo je točka vrenja. Vrelište tvari uvijek je isto; ne varira. Na primjer, voda proključa kada dosegne točku ključanja od 100ºC (212ºF). To je temperatura na kojoj se voda pretvara u paru. Para je nevidljiv plin. Kada dođe do poklopca, ponovno se ohladi u tekućinu.
Sublimacija je pretvorba krutine u plin bez da ona postane tekuća. Najlakši primjer sublimacije mogao bi biti suhi led. Suhi led je čvrsti ugljikov dioksid (CO2). Nevjerojatno, kada ostavite suhi led u sobi, on se jednostavno pretvori u plin bez da postane tekući. Jeste li ikada čuli za tekući ugljikov dioksid? Može se napraviti, ali ne u normalnim situacijama. Ugljen je još jedan primjer spoja koji se neće rastopiti pri normalnom atmosferskom tlaku. Sublimirati će na vrlo visokim temperaturama.
Taloženje je pretvorba plina u krutinu. Nastaje kada plin postane krutina bez prolaska kroz tekuće stanje tvari. Bliže polovima može se vidjeti mraz u zimskim jutrima. Ti mali kristali inja na biljkama nakupljaju se kada vodena para iz zraka postane čvrsta na lišću biljaka.
Kemijske promjene nasuprot fizičkim promjenama
Važno je razumjeti razliku između kemijskih i fizičkih promjena. Fizičke promjene obično se odnose na fizičko stanje materije, a kemijske promjene događaju se kada se molekularne veze pokidaju ili stvaraju tijekom kemijske reakcije. Kemijske promjene odvijaju se na molekularnoj razini.
Bez promjena na molekulama
Rastezanje gumene trake, punjenje balona zrakom ili drobljenje limenke, sve su to primjeri fizičkih promjena. To su promjene samo u obliku predmeta. Nema promjena u agregatnom stanju jer se energija na molekularnoj razini nije promijenila. U fizičkoj promjeni ne dolazi do promjene u molekulama, molekule su još uvijek iste bez stvaranja ili prekida novih kemijskih veza.
Slično tome, topljenje kockica leda, kipuća voda ili smrzavanje tekuće vode fizičke su promjene koje nastaju dodavanjem energije. Promjene u fazi ili agregatnom stanju, tj. kruto u tekuće, tekuće u plin, tekuće u kruto sve su fizičke promjene. Fizičke radnje poput promjene temperature ili tlaka mogu uzrokovati fizičke promjene. Na primjer, kod topljenja leda ili smrzavanja tekuće vode ne dolazi do kemijske promjene, molekule vode su još uvijek molekule vode.
Mijenjanje molekula
Kemijske promjene događaju se u mnogo manjem opsegu. Dok neki eksperimenti pokazuju očite kemijske promjene, kao što je promjena boje, većina kemijskih promjena nije vidljiva. Kemijska promjena kad vodikov peroksid (H2O2) postane voda ne može se vidjeti jer su obje tekućine bistre. Međutim, iza kulisa stvaraju se i uništavaju milijarde kemijskih veza. Kada se vodikov peroksid pretvori u vodu, mogu se vidjeti mjehurići plinovitog kisika (O2). Ti mjehurići su dokaz kemijskih promjena.
Topljenje kocke šećera je fizička promjena jer je tvar još uvijek šećer. Spaljivanje kocke šećera je kemijska promjena. Vatra aktivira kemijsku reakciju između šećera i kisika. Kisik u zraku reagira sa šećerom i kemijske veze se prekidaju.
Kada je željezo izloženo plinu kisika u zraku, željezo hrđa. Ovaj proces se može vidjeti kroz dugo vremensko razdoblje. Molekule mijenjaju svoju strukturu kako željezo oksidira, na kraju postajući željezni oksid. Hrđave cijevi u napuštenim zgradama primjeri su procesa oksidacije iz stvarnog svijeta.
Promjena može biti reverzibilna ili nepovratna
Povratna promjena je promjena koja se može ponovno vratiti. Na primjer, ako se kocka leda otopi, ona postaje voda, ali je možemo ponovno zamrznuti da postane kocka leda kako bi se mogla vratiti u svoje prvobitno stanje. Taljenje i zagrijavanje su primjeri reverzibilnih promjena.
Nepovratna promjena je promjena koja se ne može ponovno promijeniti. Na primjer, ako se smjesa za kolač ispeče ona postaje torta i ne možemo je ponovno pretvoriti u smjesu. Promjena je nepovratna jer je došlo do kemijske reakcije. Spaljivanje ili miješanje tekućine sa sodom bikarbonom primjer je nepovratnih promjena.
Kratka snimka određenih pojmova i povezanih faznih promjena:
Fuzija/taljenje – Čvrsto u tekuće stanje
Smrzavanje – od tekućine do krutine
Isparavanje/ključanje – od tekućine do plina
Kondenzacija – plin u tekućinu
Sublimacija – Čvrsto u plin
Taloženje – plin u krutinu
