Що таке «матерія»?
«Матерія» — це все, що займає простір (має об’єм) і має масу. Він складає все у Всесвіті в тій чи іншій формі; це все у всесвіті. З нього складається наша планета і весь Всесвіт.
На Землі вся речовина існує в одному з трьох різних станів: твердому, рідкому або газоподібному.
Чи знаєте ви, що люди складаються з усіх трьох основних станів матерії?
Стан, у якому речовина знаходиться при кімнатній температурі, називається її стандартним станом. Наприклад, при кімнатній температурі вода існує у вигляді рідини. Деякі речовини існують у вигляді газів при кімнатній температурі (кисень і вуглекислий газ), тоді як інші, як вода, існують у вигляді рідин. Більшість металів існують у твердому стані при кімнатній температурі. Ртуть має цікаві властивості бути як металом, так і рідиною у своєму стандартному стані.
Кожен із цих станів складається з крихітних частинок. Агрегатний стан залежить від кількості частинок, з яких вони складаються.
Твердий
Щось зазвичай описується як тверде тіло, якщо воно може зберігати власну форму і його важко стиснути. Наприклад, вода в твердому стані - це лід. У твердому тілі молекули щільно упаковані одна до одної і мають високу щільність.
Рідина
Така рідина, як вода, може текти або текти, але її не можна розтягнути або стиснути. У рідинах молекули розташовані особливо близько одна до одної, але не так близько, як у твердій речовині; молекули мають здатність рухатися і ковзати одна повз одну. Рідка речовина не має власної форми, вона приймає форму ємності, яку тримає. Прикладами рідини є вода, молоко, сік, бензин, лимонад тощо.
газ
Газ може текти, розширюватися та стискатися. Вода в газоподібному вигляді є парою. Якщо він знаходиться в незапечатаному контейнері, він втече. У газах молекули набагато більш розкидані, ніж у твердих тілах або рідинах, і вони випадково стикаються одна з одною. Газ заповнить будь-яку ємність, але якщо ємність не запечатана, газ вийде. Газ стискається набагато легше, ніж рідина або тверде тіло.
Зміна агрегатних станів
Речовина може існувати в твердому, рідкому або газоподібному стані, і стан, у якому знаходиться речовина, може значною мірою визначатися її температурою. Кожна речовина має унікальну порогову температуру, після якої вона змінює свій стан. Після перевищення порогової температури речовина змінить свою фазу, таким чином змінивши стан речовини. За умов постійного тиску температура є основним визначальним фактором фази речовини.
Залежно від температури речовина може змінювати стан. Плавлення, заморожування, кипіння, випаровування, конденсація, сублімація та осадження - це способи зміни стану матеріалу.
При низьких температурах рух молекул зменшується, і речовини мають меншу внутрішню енергію. Молекули переходять у стани з низькою енергією відносно одна одної та рухаються дуже мало, що характерно для твердої матерії. З підвищенням температури до складових частин твердого тіла прикладається додаткова теплова енергія, що викликає додатковий молекулярний рух. Молекули починають натискати одна на одну, і загальний об’єм речовини збільшується. У цей момент речовина перейшла в рідкий стан. Газоподібний стан існує, коли молекули поглинули стільки теплової енергії через підвищення температури, що вони можуть вільно рухатися одна навколо одної з високими швидкостями.
Якщо тиск постійний, то стан речовини повністю залежатиме від температури, якій вона піддається. З цієї причини лід тане, якщо його вийняти з морозильника, а вода википає з каструлі, якщо її довго залишати при надто високій температурі. Температура - це просто вимірювання кількості теплової енергії, присутньої в навколишньому середовищі. Коли речовина поміщається в середовище з іншою температурою, відбувається теплообмін між речовиною та оточенням, що призводить до досягнення рівноважної температури. Отже, коли кубик льоду піддається впливу тепла, його молекули води поглинають теплову енергію з навколишньої атмосфери та починають рухатися більш енергійно, змушуючи водяний лід танути в рідку воду.
Плавлення - це процес перетворення твердої речовини в рідину. Коли тверде тіло нагрівається, частинки отримують більше енергії та починають вібрувати швидше. При певній температурі частинки вібрують настільки сильно, що їх упорядкована структура руйнується. У цей момент тверда речовина плавиться в рідину. Температура, при якій відбувається цей перехід із твердого стану в рідкий, називається точкою плавлення. Кожна тверда речовина має встановлену температуру плавлення при нормальному тиску повітря. При нижчому тиску повітря, наприклад на горі, температура плавлення знижується.
Випаровування - це процес перетворення рідини на газ. Якщо ви залишите трохи води в ємності з широким горлом, ви помітите, що через деякий час частина води зникне. Рідка вода перетворюється на газ (водяну пару) – це випаровування. Це відбувається, коли рідина перетворюється на газ, температура якого значно нижче температури кипіння. У рідині завжди є частинки, які мають достатньо енергії, щоб відірватися від решти й стати газом.
Конденсація - це процес перетворення газу в рідину. Наприклад, водяна пара в повітрі охолоджується і вранці після холодної ночі перетворюється на крихітні краплі рідкої води (роси) на листках і вікнах. Холодніші об'єкти часто поглинають енергію від більш гарячих об'єктів.
Заморожування - це процес перетворення рідини на тверду. Це протилежність плавленню. Наприклад, лава — це рідка гірська порода, яка вивергається через вулкан за температури 1500 ° C (2732 ° F). Однак розпечена лава охолоджується, коли вона стикається з поверхнею Землі, і знову перетворюється на тверду скелю.
Кипіння – коли рідина нагрівається, частинки отримують більше енергії. Вони починають рухатися швидше і далі один від одного. При певній температурі частинки відриваються одна від одної, і рідина перетворюється на газ. Це точка кипіння. Температура кипіння речовини завжди однакова; воно не змінюється. Наприклад, вода закипає, коли вона досягає точки кипіння 100ºC (212ºF). Це температура, при якій вода перетворюється на пару. Пара – невидимий газ. Коли він досягає кришки, він знову охолоджується до рідини.
Сублімація - це перетворення твердої речовини в газ без переходу в рідину. Найпростішим прикладом сублімації може бути сухий лід. Сухий лід - це твердий вуглекислий газ (CO2). Дивно, але коли ви залишаєте сухий лід у кімнаті, він просто перетворюється на газ, не стаючи рідким. Ви коли-небудь чули про рідкий вуглекислий газ? Це можна зробити, але не в звичайних ситуаціях. Вугілля є ще одним прикладом сполуки, яка не плавиться за нормального атмосферного тиску. Він сублімується при дуже високих температурах.
Осадження — це перетворення газу в тверду речовину. Це відбувається, коли газ стає твердим, не переходячи через рідкий стан речовини. Ближче до полюсів зимовими ранками видно іній. Ці маленькі кристали інею на рослинах накопичуються, коли водяна пара з повітря стає твердою на листках рослин.
Хімічні зміни проти фізичних змін
Важливо розуміти різницю між хімічними та фізичними змінами. Фізичні зміни зазвичай стосуються фізичного стану речовини, а хімічні зміни відбуваються, коли молекулярні зв’язки розриваються або створюються під час хімічної реакції. Хімічні зміни відбуваються на молекулярному рівні.
Без змін у молекулах
Розтягування гумової стрічки, наповнення повітряною кулькою або розчавлення банки – все це приклади фізичних змін. Це зміни лише у формі предметів. Агрегатний стан не змінюється, тому що енергія на молекулярному рівні не змінилася. Під час фізичних змін молекули не змінюються, молекули залишаються незмінними, без нових хімічних зв’язків, створених або розірваних.
Подібним чином танення кубиків льоду, кип’ятіння води або замерзання рідкої води є фізичними змінами в результаті додавання енергії. Зміни у фазі або стані речовини, тобто з твердого на рідке, з рідкого на газ, з рідкого на тверде, є фізичними змінами. Такі фізичні дії, як зміна температури або тиску, можуть спричинити фізичні зміни. Наприклад, під час танення льоду або замерзання рідкої води не відбувається хімічних змін, молекули води залишаються молекулами води.
Зміна молекул
Хімічні зміни відбуваються в набагато меншому масштабі. Хоча деякі експерименти демонструють очевидні хімічні зміни, наприклад зміну кольору, більшість хімічних змін не видно. Хімічні зміни, коли перекис водню (H2O2) стає водою, не видно, оскільки обидві рідини прозорі. Однак за лаштунками створюються та руйнуються мільярди хімічних зв’язків. Коли перекис водню перетворюється на воду, можна побачити бульбашки газоподібного кисню (O2). Ці бульбашки є доказом хімічних змін.
Розплавлення кубика цукру є фізичною зміною, оскільки речовина все ще є цукром. Спалювання кубика цукру - це хімічна зміна. Вогонь активує хімічну реакцію між цукром і киснем. Кисень повітря реагує з цукром, і хімічні зв’язки розриваються.
Коли залізо піддається впливу кисню в повітрі, залізо іржавіє. Цей процес можна спостерігати протягом тривалого часу. Молекули змінюють свою структуру в міру окислення заліза, зрештою стаючи оксидом заліза. Іржаві труби в покинутих будівлях є реальними прикладами процесу окислення.
Зміна може бути оборотною або незворотною
Зворотна зміна – це зміна, яку можна повернути знову. Наприклад, якщо кубик льоду розтопити, він стане водою, але ми можемо знову заморозити його, щоб він став кубиком льоду, щоб він міг повернутися до свого початкового стану. Плавлення і нагрівання є прикладами оборотних змін.
Незворотна зміна — це зміна, яку неможливо змінити знову. Наприклад, якщо суміш для торта випікається, вона стає тортом, і ми не можемо перетворити її назад на суміш. Зміна незворотна, оскільки відбулася хімічна реакція. Спалювання або змішування рідини з бікарбонатом соди є прикладом незворотних змін.
Короткий знімок певних умов і відповідних змін фази:
Розплавлення/плавлення – з твердого стану в рідину
Заморожування – від рідини до твердої речовини
Випаровування/кипіння – перетворення рідини в газ
Конденсація – перетворення газу в рідину
Сублімація – від твердого до газу
Осадження – газ до твердої речовини
