Medžiagos fazės ir klasifikacija

Medžiagos būsenos

Medžiaga apibrėžiama kaip bet kas, kas užima erdvę ir turi masę; ji yra visur aplink mus. Kietieji kūnai ir skysčiai yra akivaizdi medžiaga: matome, kad jie užima erdvę, o jų svoris rodo, kad jie turi masę. Dujos taip pat yra medžiaga; jei dujos neužimtų erdvės, pripildytas dujų balionas liktų susitraukęs, o ne išsipūstų.

Kietoji būsena

Metaluose, tokiuose kaip auksas ar plutonis, ši gardelė paprastai yra kristalinė, suteikianti tokias savybes kaip standumas, tankis ir elektros laidumas. Energijos lygiai yra pakankamai žemi, kad atominiai ryšiai išliktų nepažeisti, o tolimoji tvarka būtų išsaugota.

Skystoji būsena

Gardelės struktūra suyra į artimąją tvarką: dalelės nuolat persitvarko išlikdamos kontakte. Skysčiai teka, efektyviai perduoda slėgį ir pasižymi paviršiaus įtempties savybėmis. Ši būsena atsiranda, kai šiluminė energija nugali kietosios gardelės standumą, bet ne sanglaudą tarp dalelių.

Dujinė būsena

Tarpatominės jėgos yra nereikšmingos, palyginti su kinetine energija. Dujos plečiasi užpildydamos visą prieinamą erdvę, yra labai suspaudžiamos ir pasižymi mažu tankiu. Ši būsena susidaro, kai šiluminė energija visiškai nugali sanglaudos jėgas, leisdama dalelėms elgtis nepriklausomai.

Plazmos būsena

Priešingai nei paprastos dujos, plazma yra laidi elektrai, spinduliuoja intensyvią radiaciją ir stipriai reaguoja į elektromagnetinius laukus. Kolektyvinis elgesys dominuoja prieš individualų dalelių judėjimą. Šioje būsenoje įprasta cheminė struktūra nustoja egzistuoti — medžiagą valdo pirmiausia elektromagnetinės ir branduolinio lygmens sąveikos.

Plazma reprezentuoja aukščiausios energijos klasikinę medžiagos būseną, dažniausiai aptinkamą žvaigždėse, žaibuose bei didelės energijos astrofizikiniuose ar laboratoriniuose reiškiniuose.

Masė ir svoris

Tiriamoji medžiaga gali egzistuoti kaip sudėtingas įvairių substancijų darinys. Tokie pavyzdžiai gali būti cheminiai junginiai, vienalyčiai tirpalai arba nevienalyčiai agregatai, dažnai pasirodantys kaip įvairiapusių bandinių rinkinys. Nesvarbu, ar stebima viena medžiaga, ar daugialypis mišinis, tyrimo objekto savybes lemia tiek jo cheminė sudėtis, tiek sudedamųjų dalių fizikinė būsena.

Kai kurios medžiagos vienu metu pasižymi kelioms būsenoms būdingomis charakteristikomis. Šis fenomenas dažnai stebimas granuliuotose medžiagose, kur bendras bandinys susideda iš daugybės diskrečių dalelių. Smėlis, pavyzdžiui, gali būti „pilamas“ būdu, primenančiu skystį, tačiau jis susideda iš atskirų grūdelių, kurie išlieka tvirti kietieji kūnai. Be to, medžiaga gali pasižymėti įvairių būsenų savybėmis, kai ji egzistuoja kaip mišinys. Ryškus pavyzdys — debesys; nors jie atrodo besielgiantys kaip dujos, iš tikrųjų tai yra aerozoliai — mišiniai, sudaryti iš dujinio būvio oro ir smulkių vandens dalelių, kurios gali būti arba skysti lašeliai, arba kieti ledo kristalai.

Kūno masė yra jame esančio medžiagos kiekio matas. Vienas pamatinių objekto masės nustatymo metodų apima jėgos, reikalingos suteikti tam tikrą pagreitį, nustatymą; pavyzdžiui, automobiliui pagreitinti reikia kur kas didesnės jėgos nei dviračiui, dėl gerokai didesnės automobilio masės. Tačiau įprastinėje praktikoje masė dažniau nustatoma naudojant svarstykles — instrumentą, skirtą palyginti nežinomą objekto masę su standartizuota etalonine mase.

Nors svoris yra tiesiogiai susijęs su mase, būtina atskirti šias dvi sąvokas. Svoris nurodo kūną veikiančią gravitacijos jėgą — dydį, kuris yra tiesiogiai proporcingas to kūno masei. Todėl, nors objekto svoris kinta priklausomai nuo vietinės gravitacijos intensyvumo, jo masė išlieka nekintanti savybė. Panagrinėkime astronautę: jos masė nepasikeičia jai nusileidus Mėnulio paviršiuje, tačiau jos svoris sumažėja iki šeštadalio žemiškosios vertės, nes Mėnulio gravitacinė trauka tėra Žemės traukos dalis. Nors ji gali patirti „nesvarumo“ pojūtį, kai išorinės jėgos yra nereikšmingos, fizine prasme ji niekada nėra „bemasi“, nes medžiagos kiekis, iš kurio ji sudaryta, išlieka pastovus.

Medžiagos tvermės dėsnis

Apibendrina daugybę mokslinių medžiagos stebėjimų: jame teigiama, kad bendras medžiagos kiekis pastebimai nesikeičia, kai medžiaga virsta iš vienos rūšies į kitą (cheminis pokytis) arba keičia būsenas tarp kietosios, skystosios ar dujinės (fizikinis pokytis). Alaus virimas ir baterijų veikimas yra medžiagos tvermės pavyzdžiai.

Izoliuotame inde sumaišome kelis ingredientus; mūsų tikslui tebūna tai kviečiai, vanduo, cukrus, kiaušinis, druska ir alyvuogių aliejus. Šis indas vėliau paveikiamas vibraciniu maišytuvu, kad būtų pasiekta vienalytė sudėtis. Po to indas dedamas į krosnį ir kepamas 200°C (400°F) temperatūroje nuo trisdešimties iki trisdešimt penkių minučių.

Pats indas sukonstruotas su atskira antrine sekcija, turinčia atbulinio vožtuvo mechanizmą ir kamerą, pagamintą iš termiškai atsparios gumos. Prieš prasidedant kepimo procesui, indas pasveriamas, o bendras bendrasis svoris kruopščiai užfiksuojamas.

Medžiagos tvermės eksperimentas

Šis eksperimentas iliustruoja, kad pradinė, nepakeista medžiaga ir vėlesnė „sriuba“ po kepimo proceso išlieka lygaus svorio. Vadinasi, įrodyta, kad ir jų masė yra lygi, nes matavimai buvo atlikti toje pačioje vietoje ir identiškomis aplinkos sąlygomis.

Nors šis tvermės dėsnis galioja kiekvienam medžiagos virsmui, įtikinami įrodymai kasdienėje patirtyje yra pastebimai reti. Šis stygius atsiranda todėl, kad už griežtų laboratorinių sąlygų ribų retai pavyksta surinkti visas specifinės transformacijos metu susidariusias medžiagas. Pavyzdžiui, apsvarstykite biologinius virškinimo ir pasisavinimo procesus: nors visa medžiaga iš originalaus maisto griežtai išlieka, didelė jos dalis įsilieja į paties kūno struktūrą, o likusi dalis pašalinama kaip įvairios atliekos. Todėl empirinis šio dėsnio patikrinimas tiesioginiu matavimu tokiose sudėtingose sistemose išlieka dideliu iššūkiu.

Be to, kaip galbūt pastebėjote, mes sukonstravome tam tikrus sudėtingus aparatus — ypač kamerą su dinaminio tūrio galimybėmis ir kitus eksperimento aprašyme detaliai nurodytus patobulinimus — kad mūsų stebėjimai būtų skaidrūs. Šios inovacijos skirtos parodyti, kad fizikinių sistemų realybė yra daugialypis klausimas, dažnai priklausantis nuo pasaulio, kaip atviros sistemos, sudėtingumo.

Taip pat būtina pripažinti griežto mokslinio požiūrio svarbą: bet kuriame mokslinės veiklos etape būtina atsižvelgti tiek į teorinę, idealizuotą izoliuotą aplinką, tiek į atviras sistemas, susitinkamas natūraliame pasaulyje.

Atomai ir molekulės

Atomas reprezentuoja pačią mažiausią elemento dalelę, išsaugančią prigimtines tos medžiagos savybes bei gebančią dalyvauti cheminiuose junginiuose. Iliustracijai pasitelkime aukso elementą. Įsivaizduokime aukso grynuolio dalijimą pusiau, o vėliau gautų dalių pakartotinį skaidymą tol, kol liks toks menkas aukso fragmentas, jog šis nepasiduos tolesniam dalijimui, nepaisant naudojamo instrumento subtilumo. Ši galutinė, neredukuojama dalis sudaro atomą — terminą, kildinamą iš graikų kalbos žodžio atomos, reiškiančio „nedalus“. Šis atomas nebebūtų auksas, jei būtų skaidomas toliau.

Pirminis postulatas, jog materija yra sudaryta iš atomų, priskiriamas graikų filosofams Leukipui ir Demokritui, kurie suformulavo savo doktrinas penktajame amžiuje prieš mūsų erą. Visgi, tik XIX amžiaus aušroje Johnas Daltonas (1766–1844), britų mokytojas, pasižymėjęs giliu atsidavimu moksliniam tyrinėjimui, pagrindė šią hipotezę griežtais kiekybiniais matavimais.

Nuo tos epochis pakartotiniai eksperimentai patvirtino daugybę šios hipotezės aspektų, ir vėliau ji tapo pamatine chemijos mokslo teorija. Kai kurie kiti Daltono atomistinės teorijos principai tebėra taikomi iki šiol, nors jiems ir buvo atliktos nedidelės korekcijos; išsamus šių principų išdėstymas pateikiamas tolesniame diskurse apie atomus ir molekules.

Makroskopinė nuotrauka: aukso grynuolis (Au).

Mikroskopinis aukso struktūros vaizdas kietojoje būsenoje.

Atomas pasižymi tokio infinitezimalaus dydžio mastu, jog jo matmenis žmogaus protui suvokti išlieka be galo sunku. Tarp smulkiausių plika akimi įžiūrimų objektų yra viena voratinklio gija; tokių gijų skersmuo siekia maždaug cm (0,0001 cm). Nors vienos gijos skerspjūvį beveik neįmanoma pastebėti be mikroskopo pagalbos, lyginant su atomine skale, jis išlieka kolosaliu. Vieno anglies atomo minėtoje gijoje skersmuo yra maždaug cm (0,000000015 cm); todėl norint padengti vienos gijos skersmenį prireiktų apie 7 000 anglies atomų. Siekiant suteikti mokiniui aiškesnę perspektyvą: jei anglies atomas būtų padidintas iki mažos monetos dydžio, voratinklio gijos skerspjūvis tuomet viršytų futbolo aikštės matmenis, o jo paviršiui padengti prireiktų maždaug 150 milijonų tokių „monetų“.

Sunokusi medvilnės dėžutė

Struktūrinis lygmuo

Medvilnės audinio organizacijos ląstelinis lygmuo

Medvilnės žiedo skaidulinių organinių audinių molekulinė struktūra

Atskiros organinės molekulės schema medvilnės audinyje

Atomas yra toks lengvas, kad jo masę taip pat sunku įsivaizduoti. Milijardas švino atomų (1 000 000 000 atomų) sveria apie gramų; tai masė, kuri yra gerokai per maža, kad ją būtų galima pasverti net ir pačiomis jautriausiomis pasaulio svarstyklėmis. Prireiktų daugiau nei 300 000 000 000 000 švino atomų (300 trilijonų arba ), kad būtų įmanoma juos pasverti, ir net tuomet jie svertų vos 0,0000001 gramo.

Gamtoje retai aptinkama pavienių atomų sankaupų. Tik keli rinktiniai elementai, tokie kaip tauriosios dujos helis, neonas ir argonas, susideda iš pavienių atomų, kurie juda nepriklausomai vienas nuo kito. Kiti elementai, pavyzdžiui, dujiniai vandenilis, azotas, deguonis ir chloras, yra sudaryti iš atskirų vienetų, susidedančių iš atomų porų.

Pavienių atomų rinkiniai aptinkami retai. Tik keletas elementų, pavyzdžiui, dujos helis, neonas ir argonas, susideda iš pavienių atomų sankaupos, kurioje atomai juda nepriklausomai vienas nuo kito. Kiti elementai, tokie kaip dujos vandenilis, azotas, deguonis ir chloras, yra sudaryti iš vienetų, susidedančių iš atomų porų.

Viena iš fosforo elemento formų susideda iš vienetų, sudarytų iš keturių fosforo atomų. Sieros elementas egzistuoja įvairiomis formomis, iš kurių viena susideda iš vienetų, sudarytų iš aštuonių sieros atomų. Šie vienetai vadinami molekulėmis. Molekulė susideda iš dviejų ar daugiau atomų, sujungtų stipriomis jėgomis, vadinamomis cheminiais ryšiais.

Molekulėje esantys atomai juda kaip vientisas vienetas, panašiai kaip skardinės šešių gėrimų pakuotėje arba raktų ryšulys ant vieno žiedo. Molekulė gali susidėti iš dviejų ar daugiau identiškų atomų, kaip antai vandenilio, deguonies ir sieros elementų molekulės; arba ji gali susidėti iš dviejų ar daugiau skirtingų atomų, pavyzdžiui, vandens molekulės.

Kiekviena vandens molekulė yra vienetas, turintis du vandenilio atomus ir vieną deguonies atomą. Kiekviena gliukozės molekulė yra vienetas, turintis šešis anglies atomus, dvylika vandenilio atomų ir šešis deguonies atomus. Kaip ir atomai, molekulės yra neįtikėtinai mažos ir lengvos. Jei paprasta stiklinė vandens būtų padidinta iki Žemės rutulio dydžio, vandens molekulės jos viduje būtų maždaug golfo kamuoliuko dydžio.

Vandenilis

Deguonis

Fosforas

Siera

Vanduo

Anglies dioksidas

Gliukozė

Materijos klasifikacija

Siekdami supaprastinti pradinę padėtį, čia pateiksime aiškią bei lengvai suprantamą materijos klasifikacijos apibrėžtį ir jos skyrimo metodą.

Žinoma, tai tėra supaprastintas įvadas į cheminės klasifikacijos technikas; visgi dera nuo ko nors pradėti, tad ši vieta tam itin tinkama!

Materija gali būti skirstoma į kelias skirtingas kategorijas, iš kurių dvi yra mišiniai ir grynosios medžiagos. Grynoji medžiaga pasižymi pastovia sudėtimi; vadinasi, visi grynosios medžiagos bandiniai pasižymi lygiai tokia pat sandara bei savybėmis.

Pavyzdžiui, bet kurį sacharozės (stalo cukraus) mėginį masės atžvilgiu sudaro 42,1 % anglies, 6,5 % vandenilio ir 51,4 % deguonies. Bet kuris sacharozės egzempliorius taip pat pasižymi tomis pačiomis fizikinėmis savybėmis — tokiomis kaip lydymosi temperatūra, spalva bei saldumas — nepriklausomai nuo šaltinio, iš kurio jis buvo išskirtas.

Grynosios medžiagos gali būti toliau skirstomos į dvi skirtingas klases: elementus ir junginius.

Tos grynosios medžiagos, kurių neįmanoma suskaidyti į paprastesnes medžiagas cheminio virsmo būdu, vadinamos elementais. Gerai žinomi pavyzdžiai tarp daugiau nei šimto atrastų elementų yra geležis, sidabras, auksas, aliuminis, siera, deguonis bei varis.

Iš šių elementų apie devyniasdešimt natūraliai randami Žemėje, o apie dvi dešimtis buvo dirbtinai sukurta laboratorijose.

Grynosios medžiagos, kurios gali būti suskaidytos cheminiais pokyčiais, vadinamos junginiais. Šio suskaidymo metu gali susidaryti arba elementai, arba kiti junginiai, arba abejų derinys. Gyvsidabrio(II) oksidas, oranžinė kristalinė kietoji medžiaga, kaitinamas gali būti suskaidytas į elementus — gyvsidabrį ir deguonį.

Kaitinamas be oro prieigos, sacharozės junginys suskyla į anglies elementą ir vandens junginį. (Pradinė šio proceso stadija, kai cukrus ruduoja, yra žinoma kaip karamelizacija — būtent ji suteikia būdingą saldų ir riešutų poskonį obuoliams karamelėje, karamelizuotiems svogūnams bei pačiai karamelei).

Sidabro(I) chloridas yra balta kietoji medžiaga, kurią, sugeriant šviesą, galima suskaidyti į jos elementus — sidabrą ir chlorą. Ši savybė yra pagrindas naudoti šį junginį fotofilmams ir fotochrominiams akiniams (tiems, kurių lęšiai tamsėja apšviesti šviesos).

Gyvsidabrio(II) oksidas (HgO)

Junginys suskyla į sidabriškus skysto gyvsidabrio lašelius ir nematomas deguonies dujas.

Sujungtųjų elementų savybės skiriasi nuo tų, kurios pasireiškia laisvojoje arba nesujungtoje būsenoje. Pavyzdžiui, baltasis kristalinis cukrus (sacharozė) yra junginys, susidarantis chemiškai susijungus anglies elementui, kuris viena iš savo laisvųjų formų yra juoda kietoji medžiaga, bei dviem elementams — vandeniliui ir deguoniui, kurie nesujungti yra bespalvės dujos. Laisvasis natris, minkštas, blizgus, metalinis kietas elementas, ir laisvasis chloras, elementas, esantis geltonai žalsvos spalvos dujos, jungiasi sudarydami natrio chloridą (valgomąją druską) — junginį, kuris yra balta kristalinė kietoji medžiaga.

Mišinį sudaro dvi ar daugiau materijos rūšių, kurios gali būti pateikiamos kintamais kiekiais ir gali būti atskiriamos fizikiniais pokyčiais, tokiais kaip garinimas (apie tai skaitytojas vėliau gaus išsamesnių pamokymų). Mišinys, kurio sudėtis skirtinguose taškuose kinta, vadinamas nevienalyčiu arba heterogeniniu mišiniu. Italinis užpilas yra tipiškas nevienalyčio mišinio pavyzdys.

Jo sudėtis gali kisti, kadangi galime jį paruošti iš skirtingo aliejaus, acto bei žolelių kiekio. Jis nėra vienodas visame mišinio tūryje — vienas lašas gali susidėti daugiausia iš acto, tuo tarpu kitas gali turėti daugiausia aliejaus ar žolelių, nes aliejus ir actas atsiskiria, o žolelės nusėda. Kiti nevienalyčių mišinių pavyzdžiai yra sausainiai su šokolado gabalėliais (kuriuose galime matyti atskiras šokolado, riešutų ir tešlos daleles) bei granitas (kuriame stebėtojas gali išskirti kvarcą, žėrutį, lauko špatą ir kitus mineralus).

Vienalytis mišinys, dar vadinamas tirpalu, pasižymi vienoda sudėtimi ir vizualiai atrodo toks pat visame savo tūryje. Tirpalo pavyzdys yra sportinis gėrimas, susidedantis iš vandens, cukraus, dažiklių, kvapiųjų medžiagų bei elektrolitų, kurie yra tolygiai sumaišyti.

Kiekvienas sportinio gėrimo lašas yra tokio pat skonio, nes kiekviename laše yra tie patys vandens, cukraus ir kitų komponentų kiekiai. Pažymėtina, kad sportinio gėrimo sudėtis gali kisti — jis gali būti pagamintas su kiek didesniu ar mažesniu cukraus, aromatų ar kitų dalių kiekiu ir vis tiek išlikti sportiniu gėrimu. Kiti vienalyčių mišinių pavyzdžiai yra oras, klevų sirupas, benzinas bei druskos tirpalas vandenyje.

Nors tėra kiek daugiau nei 100 elementų, dėl skirtingų šių elementų derinių susidaro dešimtys milijonų cheminių junginių. Kiekvienas junginis turi specifinę sudėtį bei pasižymi nustatytomis cheminėmis ir fizikinėmis savybėmis, pagal kurias galime jį atskirti nuo visų kitų junginių. Ir, žinoma, esama begalės būdų jungti elementus bei junginius sudarant įvairiausius mišinius. Santrauka, kaip atskirti įvairias pagrindines materijos klasifikacijas, pateikiama šioje schemoje:

Vienuolika elementų sudaro apytikriai devyniasdešimt devynis nuošimčius Žemės plutos bei atmosferos. Iš šio bendro kiekio deguonis sudaro bemaž pusę, tuo tarpu silicis apima maždaug ketvirtadalį. Didžioji dalis Žemės elementų randami cheminiuose junginiuose su kitais; visgi, apie vieną ketvirtadalį elementų galima aptikti ir laisvajame būvyje.

Vandens skaidymas: eksperimentas ir tikrovė

Vandenį sudaro vandenilio ir deguonies elementai, susijungę santykiu 2 su 1. Vandenį galima suskaidyti į vandenilio ir deguonies dujas suteikiant energijos. Vienas iš būdų tai padaryti yra naudojant bateriją arba maitinimo šaltinį.

Vandens skaidymas apima vandens molekulių atomų persitvarkymą į kitokias molekules, susidedančias atitinkamai iš dviejų vandenilio atomų ir dviejų deguonies atomų. Iš dviejų vandens molekulių susidaro viena deguonies molekulė ir dvi vandenilio molekulės.

Tai, kas vyksta, vaizduojanti išraiška, , bus išsamiau nagrinėjama vėlesniuose skyriuose.

Vandens skaidymas / Vandenilio gamyba

Dvi susidariusios dujos pasižymi visiškai skirtingomis savybėmis. Deguonis nėra degus, tačiau jis būtinas kurui degti, o vandenilis yra labai degus ir galingas energijos šaltinis. Kaip šios žinios galėtų būti pritaikytos mūsų pasaulyje? Viena iš pritaikymo sričių yra efektyviau kurą naudojančio transporto tyrimai. Kuro elementais varomos transporto priemonės (FCV) naudoja vandenilį, o ne benziną.

Jos yra efektyvesnės už transporto priemones su vidaus degimo varikliais, neteršia aplinkos ir mažina šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisiją, todėl tampame mažiau priklausomi nuo iškastinio kuro. Tačiau FCV dar nėra ekonomiškai perspektyvios, o dabartinė vandenilio gamyba priklauso nuo gamtinių dujų. Jei pavyktų sukurti procesą, leidžiantį ekonomiškai skaidyti vandenį arba gaminti vandenilį kitu aplinkai nekenksmingu būdu, FCV gali tapti ateities transportu.

Energijos gamybos vykstant vandenilio ir deguonies cheminei reakcijai koncepcija