Vad är materia'?
'Materia' är allt som upptar utrymme (har volym) och har massa. Det utgör allt i universum i någon form eller form; det är allt i universum. Den utgör vår planet och hela universum.
På jorden finns all materia i ett av tre olika tillstånd: fast, flytande eller gas.
Vet du att människor är gjorda av materiens alla tre huvudtillstånd?
Tillståndet i vilket ett ämne existerar vid rumstemperatur kallas dess standardtillstånd. Till exempel, vid rumstemperatur finns vatten som en vätska. Vissa ämnen finns som gaser vid rumstemperatur (syre och koldioxid), medan andra, som vatten, finns som vätskor. De flesta metaller finns som fasta ämnen vid rumstemperatur. Kvicksilver har de intressanta egenskaperna att vara både en metall och en vätska i standardtillstånd.
Vart och ett av dessa tillstånd består av små partiklar. Materiens tillstånd beror på antalet partiklar de består av.
Fast
Något brukar beskrivas som fast om det kan hålla sin egen form och är svårt att komprimera. Till exempel är vatten i fast form is. I ett fast ämne är molekylerna tätt packade tillsammans och de har en hög densitet.
Flytande
En vätska som vatten kan rinna eller rinna men den kan inte sträckas ut eller klämmas. I vätskor är molekylerna särskilt nära varandra men inte lika nära varandra som fast materia; molekyler har förmågan att röra sig och glida förbi varandra. En flytande substans har ingen egen form, den kommer att anta formen av behållaren den hålls i. Exempel på vätska är vatten, mjölk, juice, bensin, lemonad etc.
Gas
Gas kan flöda, expandera och kan pressas. Vatten i gasform är ånga. Om det är i en oförseglad behållare rymmer det. I gaser är molekylerna mycket mer utspridda än i fasta ämnen eller vätskor, och de kolliderar slumpmässigt med varandra. En gas kommer att fylla vilken behållare som helst, men om behållaren inte är förseglad kommer gasen att strömma ut. Gas kan komprimeras mycket lättare än flytande eller fast.
Ändrar materiens tillstånd
Materia kan existera i fast, flytande eller gasformigt tillstånd, och tillståndet ett ämne är i kan till stor del bestämmas av dess temperatur. Varje ämne har en unik tröskeltemperatur varefter den ändrar tillstånd. Efter att tröskeltemperaturen har passerats kommer ämnet att ändra sin fas, vilket ändrar tillståndet i materien. Under förhållanden med konstant tryck är temperaturen den primära bestämningsfaktorn för ett ämnes fas.
Beroende på dess temperatur kan materia ändra tillstånd. Smältning, frysning, kokning, avdunstning, kondensation, sublimering och avsättning är sätt på vilka ett material ändrar tillstånd.
Vid låga temperaturer minskar den molekylära rörelsen och ämnen har mindre intern energi. Molekyler kommer att bosätta sig i lågenergitillstånd i förhållande till varandra och röra sig väldigt lite, vilket är karakteristiskt för fast materia. När temperaturen ökar appliceras ytterligare värmeenergi på beståndsdelarna i ett fast ämne, vilket orsakar ytterligare molekylär rörelse. Molekyler börjar trycka mot varandra och den totala volymen av ett ämne ökar. Vid denna tidpunkt har ämnet gått in i flytande tillstånd. Ett gasformigt tillstånd uppstår när molekyler har absorberat så mycket värmeenergi på grund av ökade temperaturer att de är fria att röra sig runt varandra i höga hastigheter.
Om trycket är konstant kommer tillståndet för ett ämne att bero helt på den temperatur det utsätts för. Av denna anledning smälter isen om den tas ut ur frysen och vattnet kokar upp ur en kastrull om den får stå vid för hög temperatur för länge. Temperaturen är bara ett mått på mängden värmeenergi som finns i omgivningen. När ett ämne placeras i en omgivning med en annan temperatur, utbyts värme mellan ämnet och omgivningen, vilket gör att båda uppnår en jämviktstemperatur. Så när en isbit utsätts för värme absorberar dess vattenmolekyler värmeenergi från den omgivande atmosfären och börjar röra sig mer energiskt, vilket gör att vattenisen smälter till flytande vatten.
Smältning är processen att omvandla ett fast ämne till en vätska. När ett fast ämne värms upp får partiklarna mer energi och börjar vibrera snabbare. Vid en viss temperatur vibrerar partiklarna så mycket att deras ordnade struktur bryts ner. Vid denna tidpunkt smälter det fasta ämnet till en vätska. Temperaturen vid vilken denna förändring från fast till flytande sker kallas smältpunkten. Varje fast ämne har en inställd smältpunkt vid normalt lufttryck. Vid lägre lufttryck, till exempel uppför ett berg, sänks smältpunkten.
Avdunstning är processen att omvandla en vätska till en gas. Om du lämnar lite vatten i en behållare med bred mun kommer du att märka att en del av vattnet försvinner efter en tid. Flytande vatten ändras till en gas (vattenångor) – detta är avdunstning. Det uppstår när en vätska förvandlas till en gas långt under dess kokpunkt. Det finns alltid några partiklar i en vätska som har tillräckligt med energi för att bryta sig loss från resten och bli en gas.
Kondensation är processen att omvandla en gas till en vätska. Vattenångor i luften svalnar till exempel och förvandlas till små droppar flytande vatten (dagg) på löv och fönster på morgonen efter en kall natt. Kallare föremål absorberar ofta energi från hetare föremål.
Frysning är processen att omvandla en vätska till en fast substans. Det är motsatsen till smältning. Till exempel är lava flytande sten, som bryter ut genom en vulkan vid temperaturer så höga som 1 500 O C (2 732 O F) genom en vulkan. Den glödheta lavan svalnar dock när den möter jordens yta och förvandlas tillbaka till fast sten igen.
Kokning – När en vätska värms upp får partiklarna mer energi. De börjar röra sig snabbare och längre ifrån varandra. Vid en viss temperatur bryter partiklarna loss från varandra och vätskan förvandlas till gas. Detta är kokpunkten. Kokpunkten för ett ämne är alltid densamma; det varierar inte. Till exempel, vatten kokar när det når sin kokpunkt på 100ºC (212ºF). Detta är den temperatur vid vilken vatten förvandlas till ånga. Ånga är en osynlig gas. När den når locket svalnar den tillbaka till en vätska.
Sublimering är omvandlingen av ett fast ämne till en gas utan att det blir flytande. Det enklaste exemplet på sublimering kan vara torris. Torris är fast koldioxid (CO2). Otroligt nog, när du lämnar torris ute i ett rum förvandlas den bara till en gas utan att den blir flytande. Har du någonsin hört talas om flytande koldioxid? Det kan göras, men inte i normala situationer. Kol är ett annat exempel på en förening som inte kommer att smälta vid normalt atmosfärstryck. Det kommer att sublimeras vid mycket höga temperaturer.
Deposition är omvandlingen av en gas till ett fast ämne. Det uppstår när en gas blir en fast substans utan att gå igenom materiens flytande tillstånd. Närmare polerna kan man se frost på vintermorgnarna. Dessa små frostkristaller på växter byggs upp när vattenånga från luften blir fast på växternas blad.
Kemiska förändringar kontra fysiska förändringar
Det är viktigt att förstå skillnaden mellan kemiska och fysiska förändringar. Fysiska förändringar handlar vanligtvis om materiens fysiska tillstånd, och kemiska förändringar sker när molekylära bindningar bryts eller skapas under en kemisk reaktion. Kemiska förändringar sker på molekylär nivå.
Ingen förändring av molekyler
Att sträcka ut ett gummiband, fylla luften i en ballong eller krossa en burk är alla exempel på fysiska förändringar. Dessa är förändringar endast i formen på föremålen. Det finns inga förändringar i materiens tillstånd eftersom energin på molekylär nivå inte förändrades. I en fysisk förändring sker ingen förändring i molekyler, molekyler är fortfarande desamma utan några nya kemiska bindningar skapade eller brutna.
På samma sätt är smältande isbitar, kokande vatten eller fryst flytande vatten alla fysiska förändringar genom att tillföra energi. Förändringar i materiens fas eller tillstånd, dvs fast till vätska, vätska till gas, vätska till fast är alla fysiska förändringar. Fysiska handlingar som att ändra temperatur eller tryck kan orsaka fysiska förändringar. Till exempel, i smältande is eller frysning av flytande vatten sker ingen kemisk förändring, vattenmolekylerna är fortfarande vattenmolekyler.
Ändra molekylerna
Kemiska förändringar sker i mycket mindre skala. Medan vissa experiment visar uppenbara kemiska förändringar, såsom en färgförändring, är de flesta kemiska förändringar inte synliga. Den kemiska förändringen när väteperoxid (H2O2) blir vatten kan inte ses eftersom båda vätskorna är klara. Men bakom kulisserna skapas och förstörs miljarder kemiska bindningar. När väteperoxid ändras till vatten kan man se bubblor av syre (O2) gas. Dessa bubblor är bevis på kemiska förändringar.
Att smälta en sockerbit är en fysisk förändring eftersom ämnet fortfarande är socker. Att bränna en sockerbit är en kemisk förändring. Eld aktiverar en kemisk reaktion mellan socker och syre. Syret i luften reagerar med sockret och de kemiska bindningarna bryts.
När järn utsätts för syrgas i luften rostar järn. Denna process kan ses över en lång tidsperiod. Molekylerna ändrar sin struktur när järnet oxideras och blir så småningom järnoxid. Rostiga rör i övergivna byggnader är verkliga exempel på oxidationsprocessen.
Förändring kan vara reversibel eller irreversibel
En reversibel förändring är en förändring som kan ändras tillbaka igen. Till exempel, om en isbit smälts blir den vatten men vi kan frysa den igen för att bli en isbit så att den kan återgå till sitt ursprungliga tillstånd. Smältning och uppvärmning är exempel på reversibla förändringar.
En oåterkallelig förändring är en förändring som inte kan ändras tillbaka igen. Till exempel, om en kakblandning gräddas blir den en kaka och vi kan inte förvandla den tillbaka till en blandning. Förändringen är irreversibel eftersom en kemisk reaktion har ägt rum. Att bränna eller blanda en vätska med bikarbonat av läsk är ett exempel på irreversibla förändringar.
En snabb ögonblicksbild av vissa termer och relaterade fasförändringar:
Fusion/smältning – Fast till en vätska
Frysning – Flytande till en fast substans
Förångning/kokning – Vätska till en gas
Kondensation – Gas till en vätska
Sublimering – Fast till en gas
Deposition – Gas till ett fast ämne
