W czym rzecz'?
„Materia” to wszystko, co zajmuje przestrzeń (ma objętość) i ma masę. Tworzy wszystko we wszechświecie w pewnym kształcie i formie; to wszystko we wszechświecie. Tworzy naszą planetę i cały wszechświat.
Na Ziemi cała materia występuje w jednym z trzech różnych stanów: stałym, ciekłym lub gazowym.
Czy wiesz, że ludzie składają się ze wszystkich trzech głównych stanów materii?
Stan, w którym substancja występuje w temperaturze pokojowej, nazywa się jej stanem standardowym. Na przykład w temperaturze pokojowej woda występuje w postaci cieczy. Niektóre substancje występują w temperaturze pokojowej w postaci gazów (tlen i dwutlenek węgla), podczas gdy inne, jak woda, występują w postaci cieczy. Większość metali występuje w postaci stałej w temperaturze pokojowej. Rtęć ma interesujące właściwości, ponieważ jest zarówno metalem, jak i cieczą w stanie standardowym.
Każdy z tych stanów składa się z maleńkich cząstek. Stan skupienia zależy od liczby cząstek, z których się składają.
Solidny
Coś jest zwykle opisywane jako bryła, jeśli może utrzymać swój własny kształt i jest trudne do skompresowania. Na przykład woda w postaci stałej to lód. W ciele stałym cząsteczki są ściśle upakowane i mają dużą gęstość.
Płyn
Ciecz taka jak woda może płynąć lub płynąć, ale nie można jej rozciągać ani ściskać. W cieczach cząsteczki są szczególnie blisko siebie, ale nie tak blisko siebie, jak w przypadku substancji stałej; cząsteczki mają zdolność poruszania się i przesuwania obok siebie. Płynna substancja nie ma własnego kształtu, przyjmuje kształt pojemnika, w którym jest trzymana. Przykładami cieczy są woda, mleko, sok, benzyna, lemoniada itp.
Gaz
Gaz może przepływać, rozszerzać się i ulegać ściskaniu. Woda w postaci gazowej to para. Jeśli znajduje się w niezamkniętym pojemniku, wydostaje się na zewnątrz. W gazach cząsteczki są znacznie bardziej rozproszone niż w ciałach stałych czy cieczach i zderzają się ze sobą losowo. Gaz wypełni każdy pojemnik, ale jeśli pojemnik nie zostanie zamknięty, gaz ucieknie. Gaz można sprężyć znacznie łatwiej niż ciecz lub ciało stałe.
Zmieniające się stany materii
Materia może występować w stanie stałym, ciekłym lub gazowym, a stan, w jakim znajduje się substancja, można w dużej mierze określić na podstawie jej temperatury. Każda substancja ma unikalną temperaturę progową, po przekroczeniu której zmienia swój stan. Po przekroczeniu tej temperatury progowej substancja zmieni swoją fazę, zmieniając tym samym stan skupienia. W warunkach stałego ciśnienia temperatura jest głównym wyznacznikiem fazy substancji.
W zależności od temperatury materia może zmieniać stan. Topienie, zamrażanie, wrzenie, parowanie, kondensacja, sublimacja i osadzanie to sposoby zmiany stanu materiału.
W niskich temperaturach ruch molekularny maleje, a substancje mają mniejszą energię wewnętrzną. Cząsteczki będą wchodzić w stany niskoenergetyczne względem siebie i będą się bardzo mało poruszać, co jest charakterystyczne dla materii stałej. Wraz ze wzrostem temperatury do części składowych ciała stałego doprowadzana jest dodatkowa energia cieplna, co powoduje dodatkowy ruch molekularny. Cząsteczki zaczynają na siebie naciskać i całkowita objętość substancji wzrasta. W tym momencie materia przeszła w stan ciekły. Stan gazowy występuje, gdy cząsteczki pochłonęły tak dużo energii cieplnej w wyniku podwyższonej temperatury, że mogą swobodnie poruszać się wokół siebie z dużymi prędkościami.
Jeśli ciśnienie jest stałe, stan substancji będzie zależał całkowicie od temperatury, na którą jest ona wystawiona. Z tego powodu lód topi się, jeśli zostanie wyjęty z zamrażarki, a woda wygotuje się z garnka, jeśli pozostanie zbyt długo w zbyt wysokiej temperaturze. Temperatura jest jedynie miarą ilości energii cieplnej obecnej w otoczeniu. Kiedy substancja zostanie umieszczona w otoczeniu o różnej temperaturze, następuje wymiana ciepła pomiędzy substancją a otoczeniem, powodując osiągnięcie przez obie substancje temperatury równowagi. Kiedy więc kostka lodu zostaje wystawiona na działanie ciepła, cząsteczki wody absorbują energię cieplną z otaczającej atmosfery i zaczynają poruszać się z większą energią, powodując stopienie lodu wodnego w wodę w stanie ciekłym.
Topienie to proces zamiany ciała stałego w ciecz. Kiedy ciało stałe jest podgrzewane, cząstki otrzymują więcej energii i zaczynają wibrować szybciej. W określonej temperaturze cząstki wibrują tak bardzo, że ich uporządkowana struktura ulega zniszczeniu. W tym momencie ciało stałe topi się w ciecz. Temperaturę, w której następuje zmiana stanu stałego w ciekły, nazywa się temperaturą topnienia. Każde ciało stałe ma ustaloną temperaturę topnienia przy normalnym ciśnieniu powietrza. Przy niższym ciśnieniu powietrza, na przykład w górach, temperatura topnienia spada.
Parowanie to proces zamiany cieczy w gaz. Jeśli zostawisz trochę wody w pojemniku z szeroką szyją, zauważysz, że po pewnym czasie część wody zniknie. Woda w stanie ciekłym zmienia się w gaz (parę wodną) – jest to parowanie. Występuje, gdy ciecz zamienia się w gaz znacznie poniżej swojej temperatury wrzenia. W cieczy zawsze znajdują się cząstki, które mają wystarczającą energię, aby uwolnić się od reszty i stać się gazem.
Kondensacja to proces zamiany gazu w ciecz. Na przykład para wodna w powietrzu ochładza się i rano po zimnej nocy zamienia się w maleńkie krople ciekłej wody (rosy) na liściach i oknach. Chłodniejsze obiekty często pochłaniają energię z cieplejszych obiektów.
Zamrażanie to proces zamiany cieczy w ciało stałe. Jest to przeciwieństwo topnienia. Na przykład lawa to płynna skała, która wybucha przez wulkan w temperaturach sięgających 1500 o C (2732 o F). Jednak rozpalona do czerwoności lawa ochładza się po zetknięciu z powierzchnią Ziemi i ponownie zamienia się w litą skałę.
Gotowanie – gdy ciecz jest podgrzewana, cząstki otrzymują więcej energii. Zaczynają poruszać się szybciej i dalej od siebie. W określonej temperaturze cząsteczki oddzielają się od siebie, a ciecz zamienia się w gaz. To jest temperatura wrzenia. Temperatura wrzenia substancji jest zawsze taka sama; to się nie różni. Na przykład woda wrze, gdy osiąga temperaturę wrzenia 100°C (212°F). Jest to temperatura, w której woda zamienia się w parę. Para jest niewidzialnym gazem. Po dotarciu do pokrywy ochładza się z powrotem do postaci cieczy.
Sublimacja to przemiana ciała stałego w gaz bez przejścia w ciecz. Najłatwiejszym przykładem sublimacji może być suchy lód. Suchy lód to stały dwutlenek węgla (CO2). O dziwo, kiedy zostawisz suchy lód w pomieszczeniu, po prostu zamienia się on w gaz, nie przechodząc w ciecz. Czy słyszałeś kiedyś o ciekłym dwutlenku węgla? Można to zrobić, ale nie w normalnych sytuacjach. Węgiel jest kolejnym przykładem związku, który nie topi się pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym. Sublimuje w bardzo wysokich temperaturach.
Osadzanie to przemiana gazu w ciało stałe. Dzieje się tak, gdy gaz przechodzi w stan stały, nie przechodząc przez stan ciekły. Bliżej biegunów można zobaczyć szron w zimowe poranki. Te małe kryształki szronu na roślinach gromadzą się, gdy para wodna z powietrza zestala się na liściach roślin.
Zmiany chemiczne a zmiany fizyczne
Ważne jest, aby zrozumieć różnicę między zmianami chemicznymi i fizycznymi. Zmiany fizyczne dotyczą zwykle fizycznego stanu materii, a zmiany chemiczne zachodzą, gdy wiązania molekularne zostają zerwane lub utworzone podczas reakcji chemicznej. Zmiany chemiczne zachodzą na poziomie molekularnym.
Brak zmian w cząsteczkach
Rozciąganie gumki, napełnianie balonu powietrzem lub zgniatanie puszki to przykłady zmian fizycznych. Są to zmiany jedynie w kształcie przedmiotów. Nie ma zmian w stanie materii, ponieważ energia na poziomie molekularnym nie uległa zmianie. W przypadku zmiany fizycznej nie następuje żadna zmiana w cząsteczkach, cząsteczki pozostają takie same, bez tworzenia lub zrywania nowych wiązań chemicznych.
Podobnie topienie kostek lodu, gotowanie wody lub zamrażanie wody w stanie ciekłym to zmiany fizyczne polegające na dodaniu energii. Zmiany fazy lub stanu skupienia, tj. ze stanu stałego w ciecz, cieczy w gaz, cieczy w ciało stałe, są zmianami fizycznymi. Działania fizyczne, takie jak zmiana temperatury lub ciśnienia, mogą powodować zmiany fizyczne. Na przykład podczas topnienia lodu lub zamarzania wody w stanie ciekłym nie zachodzą żadne zmiany chemiczne, cząsteczki wody pozostają cząsteczkami wody.
Zmiana cząsteczek
Zmiany chemiczne zachodzą na znacznie mniejszą skalę. Chociaż niektóre eksperymenty wykazują oczywiste zmiany chemiczne, takie jak zmiana koloru, większość zmian chemicznych nie jest widoczna. Nie widać przemiany chemicznej, gdy nadtlenek wodoru (H2O2) zamienia się w wodę, ponieważ obie ciecze są przejrzyste. Jednak za kulisami powstają i niszczą miliardy wiązań chemicznych. Kiedy nadtlenek wodoru zamienia się w wodę, można zobaczyć pęcherzyki gazowego tlenu (O2). Te bąbelki są dowodem zmian chemicznych.
Topienie kostki cukru jest zmianą fizyczną, ponieważ substancją jest nadal cukier. Spalanie kostki cukru to przemiana chemiczna. Ogień aktywuje reakcję chemiczną pomiędzy cukrem i tlenem. Tlen zawarty w powietrzu reaguje z cukrem i wiązania chemiczne zostają zerwane.
Kiedy żelazo jest wystawione na działanie tlenu zawartego w powietrzu, żelazo rdzewieje. Proces ten można zaobserwować po długim okresie czasu. Cząsteczki zmieniają swoją strukturę w miarę utleniania żelaza, ostatecznie przekształcając się w tlenek żelaza. Zardzewiałe rury w opuszczonych budynkach to rzeczywiste przykłady procesu utleniania.
Zmiana może być odwracalna lub nieodwracalna
Zmiana odwracalna to zmiana, którą można ponownie zmienić. Na przykład, jeśli kostka lodu się stopi, stanie się wodą, ale możemy ją ponownie zamrozić, aby stała się kostką lodu, dzięki czemu może powrócić do swojego pierwotnego stanu. Topienie i ogrzewanie to przykłady zmian odwracalnych.
Zmiana nieodwracalna to zmiana, której nie da się już cofnąć. Na przykład, jeśli piecze się mieszankę ciasta, staje się ona ciastem i nie można jej z powrotem zamienić w mieszankę. Zmiana jest nieodwracalna, ponieważ nastąpiła reakcja chemiczna. Przykładem zmian nieodwracalnych jest spalenie lub zmieszanie cieczy z sodą oczyszczoną.
Szybki przegląd niektórych terminów i powiązanych zmian fazowych:
Topienie/topienie – Ciało stałe w ciecz
Zamrażanie – Płyn do ciała stałego
Parowanie/wrzenie – Ciecz przechodzi w gaz
Kondensacja – gaz do cieczy
Sublimacja – ciało stałe przechodzące w gaz
Osadzanie – gaz do ciała stałego
