Vielas fāzes un klasifikācija

Vielas stāvokļi

Matērija tiek definēta kā jebkas, kas aizņem telpu un kam piemīt masa; tā ir visur mums apkārt. Cietvielas un šķidrumi ir acīmredzamākas matērijas formas: mēs redzam, ka tie aizņem telpu, un to svars mums vēsta, ka tiem piemīt masa. Arī gāzes ir matērija; ja gāzes neaizņemtu telpu, gaisa balons paliktu sapplacis, nevis izplestos, kad tiek piepildīts ar gāzi.

Cietais stāvoklis

Metāliem, piemēram, zeltam vai plutonijam, šis režģis parasti ir kristālisks, nodrošinot tādas īpašības kā stingrību, blīvumu un elektrovadītspēju. Enerģijas līmeņi ir pietiekami zemi, lai atomu saites paliktu neskartas un tiktu saglabāta tālā kārtība.

Šķidrais stāvoklis

Režģa struktūra sabrūk tuvajā kārtībā: daļiņas nepārtraukti pārkārtojas, paliekot saskarē. Šķidrumi plūst, efektīvi pārraida spiedienu un uzrāda virsmas spraigumu. Šis stāvoklis rodas, kad siltumenerģija pārvar cietā režģa stingrību, bet ne koheziju starp daļiņām.

Gāzveida stāvoklis

Starpatomu spēki ir niecīgi salīdzinājumā ar kinētisko enerģiju. Gāzes izplešas, lai aizpildītu pieejamo telpu, ir viegli saspiežamas un tām piemīt zems blīvums. Šis stāvoklis iestājas, kad siltumenerģija pilnībā pārvar kohēzijas spēkus, ļaujot daļiņām rīkoties neatkarīgi.

Plazmas stāvoklis

Atšķirībā no parastām gāzēm, plazma ir elektrovadītspējīga, izstaro intensīvu radiāciju un spēcīgi reaģē uz elektromagnētiskajiem laukiem. Kolektīvā uzvedība dominē pār individuālo daļiņu kustību. Šajā stāvoklī parastā ķīmiskā struktūra vairs nepastāv — vielu galvenokārt pārvalda elektromagnētiskā un kodolmēroga mijiedarbība.

Plazma pārstāv augstākās enerģijas klasisko vielas stāvokli, kas parasti sastopams zvaigznēs, zibenī un dažādās augstas enerģijas astrofizikālajās vai laboratorijas parādībās.

Masa un svars

Pētāmā matērija var pastāvēt kā sarežģīta dažādu substanču kopa. Šādi paraugi var izpausties kā ķīmiski savienojumi, homogēni šķīdumi vai heterogēni agregāti, bieži parādoties kā daudzveidīgu paraugu kolekcija. Neatkarīgi no tā, vai tiek novērota viena substance vai daudzšķautņains maisījums, pētāmā objekta īpašības nosaka gan tā ķīmiskais sastāvs, gan tā sastāvdaļu fizikālais stāvoklis.

Noteiktas substances vienlaikus var uzrādīt īpašības, kas saistītas ar vairākiem vielas stāvokļiem. Šī parādība bieži novērojama granulētos materiālos, kur kopējais paraugs sastāv no neskaitāmām atsevišķām daļiņām. Smiltis, piemēram, var „liet” veidā, kas liek domāt par šķidrumu, tomēr tās sastāv no atsevišķiem graudiņiem, kas paliek nešaubīgi cieti. Turklāt vielai var būt vairāku stāvokļu īpašības, ja tā ir maisījums. Zīmīgs piemērs ir mākoņi; lai gan šķiet, ka tie uzvedas līdzīgi gāzēm, tie patiesībā ir aerosoli — maisījumi, ko veido gaiss gāzveida stāvoklī un sīkas ūdens daļiņas, kas var būt gan šķidri pilieni, gan cieti ledus kristāli.

Ķermeņa masa ir tajā esošā vielas daudzuma mērs. Viena fundamentāla metode objekta masas noteikšanai ietver spēka lieluma noteikšanu, kas nepieciešams, lai piešķirtu noteiktu paātrinājumu; piemēram, automašīnas paātrināšanai nepieciešams daudz lielāks spēks nekā velosipēdam, jo automašīnai ir nesamērojami lielāka masa. Tomēr ikdienas praksē masu biežāk nosaka, izmantojot svarus — instrumentu, ar ko nezināmo objekta masu salīdzina ar standartizētu etalonmasu.

Lai gan svars ir fundamentāli saistīts ar masu, ir būtiski nošķirt šos abus jēdzienus. Svars apzīmē gravitācijas spēku, kas iedarbojas uz ķermeni, un šis lielums ir tieši proporcionāls ķermeņa masai. Tādējādi, kamēr objekta svars svārstās atkarībā no vietējās gravitācijas intensitātes, tā masa paliek nemainīga īpašība. Apsveriet, piemēram, astronauti: viņas masa nemainās, nonākot uz Mēness virsmas, tomēr viņas svars samazinās līdz tikai vienai sestdaļai no tā vērtības uz Zemes, jo Mēness gravitācijas vilkme ir tikai daļa no Zemes gravitācijas. Lai gan viņa var izjust „bezsvara” stāvokli brīžos, kad ārējie spēki ir niecīgi, fiziskā izpratnē viņa nekad nav „bezmasas”, jo vielas daudzums, ko viņa veido, paliek konstants.

Vielas saglabāšanās likums

Apkopojot daudzus zinātniskus novērojumus par matēriju, šis likums nosaka: kopējā vielas daudzumā nav konstatējamas izmaiņas, kad viela pārvēršas no viena veida citā (ķīmiskas pārmaiņas) vai mainās starp cietu, šķidru vai gāzveida stāvokli (fizikālas pārmaiņas). Alus brūvēšana un bateriju darbība ir spilgti vielas saglabāšanās piemēri.

Izolētā traukā mēs ievietojam vairākas sastāvdaļas; mūsu mērķim pieņemsim, ka galīgais saturs ietver kviešus, ūdeni, cukuru, olu, sāli un olīveļļu. Šis trauks tiek pakļauts vibrācijas maisītāja iedarbībai, lai panāktu viendabīgu sastāvu. Pēc tam trauks tiek ievietots krāsnī un cepts 200°C (400°F) temperatūrā trīsdesmit līdz trīsdesmit piecas minūtes.

Pati tvertne ir izstrādāta ar atsevišķu sekundāro sekciju, kurā iestrādāts pretvārsta mehānisms un kamera, kas izgatavota no termiski izturīgas gumijas. Pirms cepšanas procesa sākuma trauks tiek nosvērts, un kopējais bruto svars tiek rūpīgi reģistrēts.

Vielas saglabāšanās eksperiments

Šis eksperiments ilustrē, ka sākotnējā, nemainītā viela un tai sekojošais pēcepšanas produkta „maisījums” saglabājas vienādi pēc svara. Līdz ar to ir pierādīts, ka arī to masa ir vienāda, jo mērījumi tika veikti tajā pašā vietā un identiskos vides apstākļos.

Lai gan šis saglabāšanās likums ir spēkā katrā vielas pārvērtībā, pārliecinoši demonstrējumi ikdienas pieredzē ir sastopami visai reti. Šis trūkums skaidrojams ar to, ka ārpus stingriem laboratorijas apstākļiem reti izdodas savākt visu materiālu, kas rodas konkrētās pārvērtības laikā. Apsveriet, piemēram, bioloģiskos uztura uzņemšanas un gremošanas procesus: lai gan visa viela no sākotnējā uztura tiek stingri saglabāta, ievērojama daļa tiek asimilēta paša ķermeņa struktūrā, bet atlikums tiek izvadīts dažādu atkritumu veidā. Tā rezultātā šī likuma empīriska pārbaude ar tiešiem mērījumiem šādās sarežģītās sistēmās joprojām ir milzīgs izaicinājums.

Turklāt, kā jau tika atzīmēts, mēs esam konstruējuši noteiktas sarežģītas aparatūras — it īpaši kameru ar dinamiskām tilpuma iespējām un citus mūsu eksperimentālajā aprakstā minētos uzlabojumus —, lai padarītu mūsu novērojumus caurskatāmus. Šīs inovācijas kalpo par pierādījumu tam, ka fizikālo sistēmu realitāte ir daudzšķautņains jautājums, kas bieži vien ir atkarīgs no apkārtējās pasaules sarežģītības, kura darbojas kā atvērta sistēma.

Jāatzīst arī stingras zinātniskās pieejas vissvarīgākā nozīme: jebkurā zinātniskās darbības posmā ir būtiski ņemt vērā gan teorētisko, idealizēto izolēto vidi, gan dabas pasaulē sastopamās atvērtās sistēmas.

Atomi un molekulas

Atoms ir vissīkākā elementa daļiņa, kas saglabā šai vielai piemītošās īpašības un spēj iesaistīties ķīmiskos savienojumos. Uzskatāmībai aplūkosim elementu zeltu. Iedomājieties procesu, kurā zelta tīrradnis tiek pārdalīts uz pusēm, un pēc tam iegūtās daļas tiek atkārtoti dalītas, līdz paliek tik niecīgs zelta fragments, ka tas nepakļaujas tālākai dalīšanai, neatkarīgi no izmantotā instrumenta smalkuma. Šī pēdējā, nereducējamā daļa veido atomu — terminu, kas cēlies no grieķu vārda atomos, kas nozīmē „nedalāms“. Šis atoms vairs nebūtu zelts, ja to sadalītu vēl vairāk.

Sākotnējais postulāts, ka matērija sastāv no atomiem, tiek piedēvēts grieķu filozofiem Leikipam un Demokritam, kuri savas mācības formulēja piektajā gadsimtā pirms mūsu ēras. Tomēr tikai deviņpadsmitā gadsimta rītausmā Džons Daltons (1766–1844), britu skolotājs, kurš ar neviltotu aizrautību nodevās zinātniskajai pētniecībai, pamatoja šo hipotēzi ar stingriem kvantitatīviem mērījumiem.

Kopš tā laika atkārtoti eksperimenti ir apstiprinājuši daudzus šīs hipotēzes aspektus, un vēlāk tā ir kļuvusi par vienu no ķīmijas zinātnes pamatteorijām. Atsevišķas citas Daltona atomteorijas atziņas tiek izmantotas vēl šodien, lai gan tajās ir veikti nelieli labojumi; visaptverošs šo principu izklāsts ir sniegts turpmākajā apcerē par atomiem un molekulām.

Makroskopiska fotogrāfija: zelta tīrradnis (Au).

Zelta struktūras mikroskopiskais attēls cietā stāvoklī.

Atoms ir tik bezgalīgi mazs lielums, ka tā izmērus cilvēka prātam ir ārkārtīgi grūti aptvert. Viens no vissīkākajiem objektiem, kas saskatāms ar neapbruņotu aci, ir viens zirnekļtīkla pavediens; šādu pavedienu diametrs ir aptuveni cm (0,0001 cm). Lai gan viena pavediena šķērsgriezumu bez mikroskopa palīdzības saskatīt ir gandrīz neiespējami, tas joprojām ir kolosāls, mērot pret atomu mērogu. Viena oglekļa atoma diametrs minētajā pavedienā ir aptuveni cm (0,000000015 cm); tādējādi būtu nepieciešami aptuveni 7000 oglekļa atomu, lai nosegtu viena pavediena diametru. Lai sniegtu audzēknim skaidrāku priekšstatu: ja oglekļa atoms tiktu palielināts līdz nelielas monētas izmēram, zirnekļa pavediena šķērsgriezums tad pārsniegtu futbola laukuma izmērus, un tā virsmas noklāšanai būtu nepieciešami aptuveni 150 miljoni šādu «monētu».

Nobriedusi kokvilnas pogaļa

Strukturālais līmenis

Kokvilnas audu organizācijas šūnu līmenis

Kokvilnas zieda šķiedraino organisko audu molekulārā struktūra

Atsevišķas organiskās molekulas shēma kokvilnas audos

Atoms ir tik viegls, ka arī tā masu ir grūti iztēloties. Miljards svina atomu (1 000 000 000 atomu) sver aptuveni gramu; šī masa ir pārlieku niecīga, lai to varētu nosvērt pat uz pasaulē jutīgākajiem svariem. Būtu nepieciešams vairāk nekā 300 000 000 000 000 svina atomu (300 triljoni jeb ), lai tos būtu iespējams nosvērt, un pat tad tie svērtu tikai 0,0000001 gramu.

Dabā reti ir sastopami atsevišķu atomu kopumi. Tikai daži izvēlēti elementi, piemēram, cēlgāzes — hēlijs, neons un argons —, sastāv no atsevišķiem atomiem, kas pārvietojas neatkarīgi viens no otra. Citi elementi, piemēram, gāzveida ūdeņradis, slāpeklis, skābeklis un hlors, sastāv no atsevišķām vienībām, kuras veido atomu pāri.

Atrast atsevišķu atomu kolekcijas ir neierasts gadījums. Tikai daži elementi, piemēram, gāzes hēlijs, neons un argons, sastāv no atsevišķu atomu kopuma, kas pārvietojas neatkarīgi viens no otra. Citi elementi, piemēram, gāzes ūdeņradis, slāpeklis, skābeklis un hlors, ir veidoti no vienībām, kas sastāv no atomu pāriem.

Viena no elementa fosfora formām sastāv no vienībām, kuras veido četri fosfora atomi. Elements sērs eksistē dažādās formās, no kurām viena sastāv no vienībām, kuras veido astoņi sēra atomi. Šīs vienības sauc par molekulām. Molekula sastāv no diviem vai vairākiem atomiem, ko kopā satur spēcīgi spēki, kurus dēvē par ķīmiskajām saitēm.

Atomi molekulā pārvietojas kā viena vienība, līdzīgi kā skārdenes sešu dzērienu iepakojumā vai atslēgu saišķis, kas pievienots vienam atslēgu gredzenam. Molekula var sastāvēt no diviem vai vairākiem identiskiem atomiem, kā tas ir molekulās, kas atrodamas elementos ūdeņradis, skābeklis un sērs; vai arī tā var sastāvēt no diviem vai vairākiem dažādiem atomiem, kā tas ir ūdens molekulās.

Katra ūdens molekula ir vienība, kas satur divus ūdeņraža atomus un vienu skābekļa atomu. Katra glikozes molekula ir vienība, kas satur sešus oglekļa atomus, divpadsmit ūdeņraža atomus un sešus skābekļa atomus. Tāpat kā atomi, arī molekulas ir neticami mazas un vieglas. Ja parastu ūdens glāzi palielinātu līdz Zemes izmēram, tajā esošās ūdens molekulas būtu aptuveni golfa bumbiņu lielumā.

Ūdeņradis

Skābeklis

Fosfors

Sērs

Ūdens

Oglekļa dioksīds

Glikoze

Matērijas klasifikācija

Lai sākotnēji vienkāršotu izklāstu, mēs šeit sniegsim vienkāršu, taču labi saprotamu matērijas klasifikācijas definīciju un pieeju tās izšķiršanai.

Tas, protams, ir tikai vienkāršots ievads ķīmiskās klasifikācijas metodēs, taču kaut kur ir jāsāk, un šī vieta tam ir vispiemērotākā!

Matēriju var iedalīt vairākās noteiktās kategorijās, no kurām divas ir maisījumi un tīras vielas. Tīrai vielai piemīt nemainīgs sastāvs; tādēļ visi tīras vielas paraugi uzrāda tieši tādu pašu uzbūvi un īpašības.

Piemēram, jebkurš saharozes (galda cukura) paraugs sastāv no 42,1% oglekļa, 6,5% ūdeņraža un 51,4% skābekļa pēc masas. Jebkurš saharozes eksemplārs arī uzrāda tās pašas fizikālās īpašības — tādas kā kušanas temperatūra, krāsa un saldums — neatkarīgi no avota, no kura tas ticis izolēts.

Tīras vielas var tālāk iedalīt divās noteiktās klasēs: elementos un savienojumos.

Tās tīrās vielas, kuras nevar sadalīt vienkāršākās vielās ar ķīmisku pārvērtību palīdzību, dēvē par elementiem. Pazīstami piemēri starp vairāk nekā simts zināmajiem elementiem ietver dzelzi, sudrabu, zeltu, alumīniju, sēru, skābekli un varu.

No šiem elementiem aptuveni deviņdesmit ir sastopami dabā uz Zemes, turpretī aptuveni divi duči ir mākslīgi radīti laboratorijās.

Tīras vielas, kuras var sadalīt ar ķīmiskām pārvērtībām, sauc par savienojumiem. Šāda sadalīšanās var radīt vai nu elementus, vai citus savienojumus, vai abus. Dzīvsudraba(II) oksīdu, oranžu, kristālisku cietvielu, ar karstuma palīdzību var sadalīt elementos dzīvsudrabā un skābeklī.

Karsējot bezgaisa vidē, savienojums saharoze sadalās elementā ogleklī un savienojumā ūdenī. (Šī procesa sākuma stadija, kad cukurs kļūst brūns, ir pazīstama kā karamelizācija — tieši tā piešķir raksturīgo saldo un riekstaino garšu karamelizētiem āboliem, karamelizētiem sīpoliem un karamelei).

Sudraba(I) hlorīds ir balta cietviela, ko var sadalīt tās elementos, sudrabā un hlorā, absorbējot gaismu. Šī īpašība ir pamatā šī savienojuma izmantošanai fotofilmās un fotohromajās briļļu lēcās (tādās, kuru lēcas aptumšojas, tiekot pakļautas gaismai).

Dzīvsudraba(II) oksīds (HgO)

Savienojums sadalās sudrabainos šķidra dzīvsudraba pilienos un neredzamā skābekļa gāzē.

Savienotu elementu īpašības mēdz būt pavisam citas nekā tām, kas piemīt brīvā jeb nesavienotā stāvoklī. Piemēram, baltais, kristāliskais cukurs (sacharoze) ir savienojums, kas rodas ķīmiskā zlukā starp elementu oglekli, kas vienā no savām nesavienotajām formām ir melna cietviela, un diviem elementiem — ūdeņradi un skābekli, kas nesavienotā veidā ir bezkrāsainas gāzes. Brīvs nātrijs, kas ir mīksta, spīdīga, metāliska cietviela, un brīvs hlors, kas ir dzeltenzaļa gāze, savienojas, veidojot nātrija hlorīdu (vārāmo sāli) — savienojumu, kas izpaužas kā balta, kristāliska cietviela.

Maisījums sastāv no divu jeb vairāku veidu matērijas, kas var atrasties mainīgos daudzumos un ir atdalāmi ar fiziskām pārmaiņām, piemēram, iztvaicēšanu (par ko lasītājs gūs plašāku pamācību vēlāk). Maisījumu, kura sastāvs dažādos punktos mēdz mainīties, dēvē par heterogēnu jeb neviendabīgu maisījumu. Itāļu mērce ir uzskatāms heterogēna maisījuma piemērs.

Tā sastāvs var būt dažāds, jo to varam pagatavot no mainīgiem eļļas, etiķa un garšaugu daudzumiem. Tas nav vienāds visā maisījuma tilpumā — viena pile var sastāvēt galvenokārt no etiķa, turpretī cita pile var saturēt lielākoties eļļu vai garšaugus, jo eļļa un etiķis mēdz atdalīties, bet garšaugi — nogulsnēties. Citi heterogēnu maisījumu piemēri ir šokolādes cepumi (kur mēs varam saskatīt atsevišķus šokolādes, riekstu un mīklas gabaliņus) un granīts (kurā novērotājs var izšķirt kvarcu, vizlu, laukšpatu un citus minerālus).

Homogēnam maisījumam, ko dēvē arī par šķīdumu, piemīt vienmērīgs sastāvs, un tas visā tilpumā izskatās vienāds. Šķīduma piemērs ir sporta dzēriens, kas sastāv no vienmērīgi sajaukta ūdens, cukura, krāsvielām, aromātvielām un elektrolītiem.

Katra sporta dzēriena pile garšo vienādi, jo katra pile satur tos pašus ūdens, cukura un citu sastāvdaļu daudzumus. Jāatzīmē, ka sporta dzēriena sastāvs var mainīties — to varētu pagatavot ar nedaudz lielāku vai mazāku cukura, aromātvielu vai citu komponentu daudzumu, un tas joprojām paliktu sporta dzēriens. Citi homogēnu maisījumu piemēri ir gaiss, kļavu sīrups, benzīns un sāls šķīdums ūdenī.

Lai gan pastāv tikai nedaudz vairāk par 100 elementiem, no šo elementu dažādām kombinācijām izriet desmitiem miljonu ķīmisku savienojumu. Katram savienojumam piemīt specifisks sastāvs un noteiktas ķīmiskās un fiziskās īpašības, pēc kurām mēs to varam atšķirt no visiem pārējiem savienojumiem. Un, protams, pastāv neskaitāmi veidi, kā kombinēt elementus un savienojumus, veidojot dažādus maisījumus. Kopsavilkums par to, kā atšķirt dažādas galvenās matērijas klasifikācijas, ir parādīts šajā shēmā:

Vienpadsmit elementi veido aptuveni deviņdesmit deviņas simtdaļas no Zemes garozas un atmosfēras. No šī kopējā daudzuma skābeklis aizņem gandrīz pusi, turpretim silīcijs sastāda aptuveni vienu ceturto daļu. Lielākā daļa uz Zemes sastopamo elementu ir atrodami ķīmiskos savienojumos ar citiem; tomēr aptuveni viena ceturtdaļa elementu ir sastopama arī brīvā stāvoklī.

Ūdens sadalīšanās: eksperiments pret realitāti

Ūdens sastāv no ūdeņraža un skābekļa elementiem, kas apvienoti attiecībā 2 pret 1. Pievadot enerģiju, ūdeni var sadalīt ūdeņraža un skābekļa gāzēs. Viens veids, kā to izdarīt, ir izmantojot akumulatoru vai barošanas bloku.

Ūdens sadalīšanās ietver ūdens molekulu atomu pārkārtošanos citās molekulās, kas attiecīgi sastāv no diviem ūdeņraža atomiem un diviem skābekļa atomiem. No divām ūdens molekulām veidojas viena skābekļa molekula un divas ūdeņraža molekulas.

Notiekošā attēlojums, , tiks padziļināti pētīts turpmākajās nodaļās.

Ūdens sadalīšanās / Ūdeņraža ieguve

Abām iegūtajām gāzēm ir krietni atšķirīgas īpašības. Skābeklis nav uzliesmojošs, bet ir nepieciešams degvielas sadedzināšanai, savukārt ūdeņradis ir viegli uzliesmojošs un jaudīgs enerģijas avots. Kā šīs zināšanas varētu tikt pielietotas mūsu pasaulē? Viens no pielietojumiem ietver pētījumus par degvielas ziņā efektīvākiem transportlīdzekļiem. Degvielas šūnu automobiļi (FCV) darbojas ar ūdeņradi, nevis benzīnu.

Tie ir efektīvāki par transportlīdzekļiem ar iekšdedzes dzinējiem, nepiesārņo vidi un samazina siltumnīcefekta gāzu emisijas, padarot mūs mazāk atkarīgus no fosilā kurināmā. Tomēr FCV vēl nav ekonomiski dzīvotspējīgi, un pašreizējā ūdeņraža ieguve ir atkarīga no dabasgāzes. Ja mēs spēsim izstrādāt procesu ekonomiskai ūdens sadalīšanai vai iegūt ūdeņradi citā videi draudzīgā veidā, FCV var kļūt par nākotnes risinājumu.

Enerģijas ražošanas koncepcija ūdeņraža un skābekļa ķīmiskajā reakcijā