Fazy i klasyfikacja materii

Stany skupienia materii

Materia definiowana jest jako wszystko, co zajmuje przestrzeń i posiada masę; otacza nas ona z każdej strony. Ciała stałe i ciecze są materią w sposób oczywisty: dostrzegamy, że zajmują przestrzeń, a ich ciężar wskazuje na posiadanie masy. Gazy również stanowią materię; gdyby gazy nie zajmowały przestrzeni, balon po napełnieniu pozostałby zapadnięty, zamiast zwiększyć swą objętość.

Stan stały

W przypadku metali, takich jak złoto czy pluton, sieć ta jest zazwyczaj krystaliczna, co warunkuje właściwości takie jak sztywność, gęstość i przewodnictwo elektryczne. Poziomy energii są na tyle niskie, że wiązania atomowe pozostają nienaruszone, a uporządkowanie dalekiego zasięgu zostaje zachowane.

Stan ciekły

Struktura sieci zapada się do uporządkowania bliskiego zasięgu: cząsteczki nieustannie zmieniają swoje ułożenie, pozostając w kontakcie. Ciecze płyną, skutecznie przenoszą ciśnienie i wykazują napięcie powierzchniowe. Stan ten pojawia się, gdy energia termiczna przezwycięża sztywność sieci stałej, lecz nie siły spójności między cząsteczkami.

Stan gazowy

Siły międzyatomowe są pomijalne w porównaniu z energią kinetyczną. Gazy rozprzestrzeniają się, aby wypełnić dostępną przestrzeń, są wysoce ściśliwe i charakteryzują się niską gęstością. Stan ten występuje, gdy energia termiczna w pełni pokonuje siły spójności, pozwalając cząsteczkom zachowywać się niezależnie.

Stan plazmy

W przeciwieństwie do zwykłych gazów, plazma przewodzi prąd elektryczny, emituje intensywne promieniowanie i silnie reaguje na pola elektromagnetyczne. Zachowania zbiorowe dominują nad ruchem poszczególnych cząstek. W tym stanie konwencjonalna struktura chemiczna przestaje istnieć — materia rządzona jest głównie przez oddziaływania elektromagnetyczne i jądrowe.

Plazma reprezentuje najwyższy energetycznie klasyczny stan materii, powszechnie spotykany w gwiazdach, piorunach oraz wysokoenergetycznych zjawiskach astrofizycznych lub laboratoryjnych.

Masa i ciężar

Badana materia może występować jako złożony układ różnorodnych substancji. Takie próbki mogą przyjmować formę związków chemicznych, roztworów jednorodnych lub agregatów niejednorodnych, jawiąc się często jako zbiór zróżnicowanych elementów. Bez względu na to, czy obserwujemy pojedynczą substancję, czy wieloaspektową mieszaninę, właściwości obiektu badań zdeterminowane są zarówno przez jego skład chemiczny, jak i stan fizyczny części składowych.

Niektóre substancje przejawiają cechy przypisywane wielu stanom skupienia jednocześnie. Zjawisko to obserwuje się często w materiałach ziarnistych, gdzie próbka zbiorcza składa się z miriad oddzielnych cząstek. Piasek, na przykład, może być „przesypywany” w sposób sugerujący ciecz, a jednak składa się z poszczególnych ziaren, które pozostają zdecydowanie ciałami stałymi. Ponadto materia może wykazywać właściwości różnych stanów, gdy występuje w formie mieszaniny. Godny uwagi przykład stanowią chmury; choć wydają się zachowywać jak gaz, są w istocie aerozolami — mieszaninami gazowego powietrza i drobnych cząsteczek wody, które mogą być albo ciekłymi kroplami, albo stałymi kryształkami lodu.

Masa ciała stanowi miarę ilości materii w nim zawartej. Jedna z fundamentalnych metod wyznaczania masy obiektu polega na określeniu wielkości siły wymaganej do nadania mu określonego przyspieszenia; przykładowo, znacznie większa siła konieczna jest do przyspieszenia samochodu niż roweru, co wynika z nieporównywalnie większej masy auta. W powszechnej praktyce masa częściej wyznaczana jest jednak przy użyciu wagi — instrumentu służącego do porównywania nieznanej masy obiektu ze znormalizowaną masą wzorcową.

Choć ciężar jest nierozerwalnie związany z masą, imperatywem jest rozróżnienie tych dwóch pojęć. Ciężar oznacza siłę grawitacji wywieraną na ciało, wielkość, która pozostaje w bezpośredniej proporcji do masy owego ciała. W konsekwencji, podczas gdy ciężar obiektu ulega wahaniom w zależności od lokalnego natężenia grawitacji, jego masa pozostaje właściwością niezmienną. Rozważmy przykład astronauty: jego masa nie ulega zmianie po dotarciu na powierzchnię Księżyca, jednakże jego ciężar zostaje zredukowany do zaledwie jednej szóstej wartości ziemskiej, jako że przyciąganie grawitacyjne Księżyca stanowi jedynie ułamek ziemskiego. Jakkolwiek może on doświadczać uczucia „nieważkości” przy pomijalnych siłach zewnętrznych, w sensie fizycznym nigdy nie staje się „bezwładny”, gdyż ilość materii, z której się składa, pozostaje stała.

Prawo zachowania masy

Podsumowuje ono wiele obserwacji naukowych dotyczących materii: stanowi, iż nie następuje żadna wykrywalna zmiana całkowitej ilości materii, gdy materia ulega przekształceniu z jednego rodzaju w inny (zmiana chemiczna) lub przechodzi między stanami stałym, ciekłym bądź gazowym (zmiana fizyczna). Warzone piwo oraz działanie ogniw galwanicznych dostarczają przykładów zachowania masy.

Wewnątrz odizolowanego pojemnika umieszczamy kilka składników; dla celów naszego wywodu niech ostateczna zawartość obejmuje pszenicę, wodę, cukier, jajko, sól oraz oliwę z oliwek. Naczynie to zostaje następnie poddane działaniu mieszalnika wibracyjnego w celu uzyskania jednolitej kompozycji. Następnie pojemnik umieszcza się w piecu i piecze w temperaturze 200°C (400°F) przez okres trzydziestu do trzydziestu pięciu minut.

Samo naczynie zostało zaprojektowane z oddzielną sekcją wtórną, wyposażoną w mechanizm zaworu zwrotnego oraz komorę wykonaną z gumy odpornej termicznie. Przed rozpoczęciem procesu pieczenia pojemnik zostaje zważony, a całkowita masa brutto skrupulatnie odnotowana.

Eksperyment zachowania masy

Eksperyment ten ilustruje, że pierwotna, niezmodyfikowana materia oraz późniejszy produkt po wypieku pozostają równe pod względem ciężaru. W konsekwencji ich masa również okazuje się być równa, jako że pomiary zostały przeprowadzone w tym samym miejscu i w identycznych warunkach środowiskowych.

Jakkolwiek prawo zachowania masy pozostaje słuszne dla każdej konwersji materii, przekonujące dowody są nadzwyczaj rzadkie w potocznym doświadczeniu. Niedostatek ten wynika z faktu, iż poza rygorystycznymi warunkami utrzymywanymi w laboratorium, rzadko udaje się zgromadzić całość substancji powstałych podczas konkretnej przemiany. Rozważmy procesy biologiczne — spożywanie i trawienie pokarmu: choć cała materia z pierwotnego pożywienia zostaje ściśle zachowana, znaczna jej część zostaje włączona w strukturę organizmu, podczas gdy reszta zostaje wydalona w formie różnego rodzaju odpadów. W rezultacie empiryczna weryfikacja tego prawa drogą bezpośredniego pomiaru pozostaje nie lada wyzwaniem w tak złożonych układach.

Ponadto, jak można było zauważyć, zaprojektowaliśmy pewne wyszukane aparatury — w szczególności komorę o dynamicznej objętości oraz inne udoskonalenia szczegółowo opisane w naszym opisie eksperymentalnym — aby uczynić nasze obserwacje przejrzystymi. Innowacje te służą wykazaniu, iż rzeczywistość układów fizycznych jest zagadnieniem wieloaspektowym, zależnym od złożoności świata, który funkcjonuje jako układ otwarty.

Należy również uznać nadrzędne znaczenie rygorystycznego podejścia naukowego: na każdym etapie swej drogi naukowej należy brać pod uwagę zarówno teoretyczne, wyidealizowane środowisko izolowane, jak i układy otwarte napotykane w świecie naturalnym.

Atomy i Cząsteczki

Atom stanowi najdrobniejszą cząstkę pierwiastka, która zachowuje nieodłączne właściwości danej substancji i jest zdolna do wchodzenia w kombinacje chemiczne. Rozważmy, dla zilustrowania zagadnienia, pierwiastek złota. Wyobraźmy sobie czynność dzielenia samorodka złota na połowy, a następnie powtarzanie tej operacji na otrzymanych częściach tak długo, aż pozostanie fragment złota tak maleńki, że oprze się dalszemu podziałowi, niezależnie od precyzji użytego narzędzia. Ta ostateczna, niepodzielna część stanowi atom — termin wywodzący się z greckiego atomos, co oznacza „niepodzielny”. Ów atom przestałby być złotem, gdyby został poddany dalszemu podziałowi.

Pierwotny postulat głoszący, że materia składa się z atomów, przypisuje się greckim filozofom Leucypowi i Demokrytowi, którzy sformułowali swoje doktryny w piątym wieku p.n.e. Niemniej jednak, dopiero u progu dziewiętnastego wieku John Dalton (1766–1844), brytyjski nauczyciel darzący badanie naukowe głębokim oddaniem, uzasadnił tę hipotezę za pomocą rygorystycznych pomiarów ilościowych.

Od tamtej epoki wielokrotne doświadczenia potwierdziły liczne aspekty tej hipotezy, która w konsekwencji urosła do rangi teorii fundamentalnej w dziedzinie chemii. Pewne inne założenia teorii atomowej Daltona pozostają w użyciu do dnia dzisiejszego, aczkolwiek podlegają drobnym poprawkom; wyczerpujący wykład tych zasad został przedstawiony w dalszej części traktatu o atomach i cząsteczkach.

Zdjęcie makroskopowe: samorodek złota (Au).

Obraz mikroskopowy struktury złota w stanie stałym.

Atom posiada wielkość tak infinitezymalną, iż jego wymiary pozostają nadzwyczaj trudne do pojęcia dla ludzkiego umysłu. Do najdrobniejszych obiektów dostrzegalnych gołym okiem należy pojedyncza nić pajęczej sieci; włókna takie mierzą w przybliżeniu cm (0,0001 cm) średnicy. Choć przekrój pojedynczego pasma jest niemal niemożliwy do dostrzeżenia bez pomocy mikroskopu, pozostaje on kolosalny w zestawieniu ze skalą atomową. Pojedynczy atom węgla w rzeczonej sieci posiada średnicę około cm (0,000000015 cm); w konsekwencji potrzeba by około 7 000 atomów węgla, aby objąć średnicę jednej nici. Aby zapewnić uczniowi klarowniejszą perspektywę: gdyby atom węgla został powiększony do rozmiarów małej monety, wówczas przekrój pajęczego włókna przekroczyłby wymiary boiska piłkarskiego, wymagając około 150 milionów takich „monet” dla pokrycia swej powierzchni.

Dojrzała torebka bawełny

Poziom strukturalny

Poziom komórkowy organizacji tkanki bawełny

Struktura molekularna włóknistych tkanek organicznych kwiatu bawełny

Schemat pojedynczej cząsteczki organicznej w tkance bawełny

Atom jest tak lekki, że jego masę również trudno jest sobie wyobrazić. Miliard atomów ołowiu (1 000 000 000 atomów) waży około grama – jest to masa zdecydowanie zbyt mała, aby można ją było wyznaczyć nawet na najczulszych wagach świata. Potrzeba by ponad 300 000 000 000 000 atomów ołowiu (300 bilionów, czyli ), aby ich zważenie stało się możliwe, a i wówczas ważyłyby one zaledwie 0,0000001 grama.

Rzadko spotyka się w naturze skupiska pojedynczych atomów. Tylko nieliczne, wybrane pierwiastki, takie jak gazy szlachetne — hel, neon i argon — składają się z odosobnionych atomów, które poruszają się niezależnie od siebie. Inne pierwiastki, jak gazy: wodór, azot, tlen i chlor, zbudowane są z odrębnych jednostek składających się z par atomów.

Rzadkim zjawiskiem jest występowanie zbiorów pojedynczych atomów. Zaledwie kilka pierwiastków, takich jak gazy: hel, neon i argon, składa się z gromady pojedynczych atomów, które poruszają się niezależnie od siebie. Inne pierwiastki, do których należą gazy: wodór, azot, tlen i chlor, złożone są z jednostek składających się z par atomów.

Jedna z odmian pierwiastka fosforu składa się z jednostek zbudowanych z czterech atomów fosforu. Pierwiastek siarka występuje w rozmaitych postaciach, z których jedna składa się z jednostek złożonych z ośmiu atomów siarki. Jednostki te zwiemy cząsteczkami. Cząsteczka składa się z dwóch lub większej liczby atomów połączonych potężnymi oddziaływaniami zwanymi wiązaniami chemicznymi.

Atomy w cząsteczce poruszają się wspólnie jako całość, podobnie jak puszki napoju w opakowaniu zbiorczym lub pęk kluczy spiętych wspólnym kółkiem. Cząsteczka może składać się z dwóch lub więcej identycznych atomów, jak ma to miejsce w cząsteczkach pierwiastków takich jak wodór, tlen i siarka; może też składać się z dwóch lub więcej różnych atomów, co obserwujemy w cząsteczkach wody.

Każda cząsteczka wody jest jednostką zawierającą dwa atomy wodoru i jeden atom tlenu. Każda cząsteczka glukozy jest jednostką zawierającą sześć atomów węgla, dwanaście atomów wodoru i sześć atomów tlenu. Podobnie jak atomy, cząsteczki są niewiarygodnie małe i lekkie. Gdyby zwykłą szklankę wody powiększyć do rozmiarów Ziemi, znajdujące się w niej cząsteczki wody osiągnęłyby w przybliżeniu wielkość piłeczek golfowych.

Wodór

Tlen

Fosfor

Siarka

Woda

Dwutlenek węgla

Glukoza

Klasyfikacja Materii

Celem uproszczenia stanu rzeczy na wstępie, przedłożymy tutaj jasną i przystępną definicję klasyfikacji materii wraz z metodą jej rozróżniania.

Stanowi to rzecz jasna jedynie uproszczone wprowadzenie do technik klasyfikacji chemicznej; niemniej jednak, od czegoś należy zacząć, a miejsce to jest ku temu najwłaściwsze!

Materię można podzielić na kilka odrębnych kategorii, z których dwie stanowią mieszaniny oraz substancje czyste. Substancja czysta odznacza się stałym składem; co za tym idzie, wszystkie próbki danej substancji czystej wykazują identyczną budowę oraz właściwości.

Dla przykładu, każda próbka sacharozy (cukru trzcinowego) składa się w 42,1% z węgla, 6,5% z wodoru oraz 51,4% z tlenu pod względem masy. Każdy okaz sacharozy wykazuje również te same właściwości fizyczne — takie jak temperatura topnienia, barwa i słodycz — niezależnie od źródła, z którego został wyodrębniony.

Substancje czyste można dalej podzielić na dwie odrębne klasy: pierwiastki oraz związki chemiczne.

Te substancje czyste, których nie można rozłożyć na substancje prostsze drogą przemiany chemicznej, nazywa się pierwiastkami. Powszechnie znane przykłady pośród ponad stu odkrytych pierwiastków obejmują żelazo, srebro, złoto, glin, siarkę, tlen oraz miedź.

Spośród tych pierwiastków około dziewięćdziesięciu występuje w stanie naturalnym na Ziemi, podczas gdy około dwudziestu czterech zostało wytworzonych sztucznie w laboratoriach.

Substancje czyste, które dają się rozłożyć za pomocą przemian chemicznych, nazywa się związkami. Rozkład ów może prowadzić do powstania pierwiastków, innych związków lub obu naraz. Tlenek rtęci(II), będący pomarańczowym ciałem stałym o strukturze krystalicznej, można rozłożyć pod wpływem ciepła na pierwiastki: rtęć i tlen.

Sacharoza, ogrzewana bez dostępu powietrza, ulega rozkładowi na pierwiastek węgiel oraz związek chemiczny — wodę. (Wstępne stadium tego procesu, gdy cukier brunatnieje, zwane jest karmelizacją — to właśnie ona nadaje charakterystyczny słodki i orzechowy smak jabłkom w karmelu, karmelizowanej cebuli tudzież karmelowi).

Chlorek srebra(I) jest białym ciałem stałym, które można rozłożyć na pierwiastki składowe, srebro i chlor, poprzez absorpcję światła. Właściwość ta stanowi podstawę zastosowania owego związku w błonach fotograficznych oraz okularach fotochromowych (tych wyposażonych w soczewki ciemniejące pod wpływem światła).

Tlenek rtęci(II) (HgO)

Związek rozkłada się na srebrzyste krople płynnej rtęci oraz niewidoczny gazowy tlen.

Właściwości pierwiastków w stanie związanym odmienne są od tych, które cechują je w stanie wolnym, czyli niezwiązanym. Dla przykładu, biały krystaliczny cukier (sacharoza) stanowi związek chemiczny będący wynikiem połączenia pierwiastka węgla — który w jednej ze swych wolnych postaci jest czarnym ciałem stałym — oraz dwóch pierwiastków: wodoru i tlenu, będących w stanie wolnym bezbarwnymi gazami. Sód w stanie wolnym, będący pierwiastkiem pod postacią miękkiego, lśniącego metalu, oraz wolny chlor, będący pierwiastkiem w formie żółto-zielonego gazu, łączą się, tworząc chlorek sodu (sól kuchenną) — związek stanowiący białe, krystaliczne ciało stałe.

Mieszanina składa się z dwóch lub więcej rodzajów materii, które mogą występować w zmiennych proporcjach i dają się rozdzielić drogą przemian fizycznych, jak mianowicie odparowywanie (o czym czytelnik poweźmie szersze nauki w dalszym toku wykladu). Mieszanina, której skład zmienia się w zależności od punktu badania, nazywana jest mieszaniną niejednorodną (heterogeniczną). Sos sałatkowy w stylu włoskim stanowi wymowny przykład takiej mieszaniny niejednorodnej.

Skład jego może ulegać zmianie, albowiem przyrządzić go można z rozmaitych ilości oliwy, octu tudzież ziół. Nie wykazuje on jednorodności w całej swej objętości — jedna kropla może składać się głównie z octu, podczas gdy inna zawierać będzie przeważnie oliwę lub zioła, jako że oliwa i ocet ulegają rozdzieleniu, zioła zaś osiadają na dnie. Innymi przykładami mieszanin niejednorodnych są ciastka z kawałkami czekolady (w których dostrzec można oddzielne drobiny czekolady, orzechów i ciasta) oraz granit (w którym obserwator wyodrębnić może kwarc, mikę, skaleń i inne minerały).

Mieszanina jednorodna, zwana również roztworem, odznacza się składem jednolitym i pod względem wizualnym jawi się jako tożsama w całej swej masie. Przykładem roztworu jest napój dla sportowców, składający się z wody, cukru, barwników, aromatów i elektrolitów, zmieszanych ze sobą w sposób całkowicie jednolity.

Każda kropla napoju dla sportowców smakuje tak samo, gdyż każda zawiera identyczne ilości wody, cukru oraz innych komponentów. Należy jednak zauważyć, że skład owego napoju może być zmienny — dopuszcza się sporządzenie go z nieco większą lub mniejszą ilością cukru lub aromatu, a wciąż pozostanie on napojem dla sportowców. Inne przykłady mieszanin jednorodnych obejmują powietrze, syrop klonowy, benzynę oraz roztwór soli w wodzie.

Jakkolwiek istnieje zaledwie nieco ponad sto pierwiastków, to dziesiątki milionów związków chemicznych powstają z rozmaitych ich kombinacji. Każdy związek posiada specyficzny skład oraz wykazuje określone właściwości chemiczne i fizyczne, dzięki którym możemy go odróżnić od wszelkich innych związków. I oczywiście istnieją niezliczone sposoby łączenia pierwiastków i związków w celu tworzenia rozmaitych mieszanin. Podsumowanie metod rozróżniania głównych klasyfikacji materii przedstawiono na poniższym schemacie:

Jedenaście pierwiastków stanowi w przybliżeniu dziewięćdziesiąt dziewięć setnych skorupy ziemskiej tudzież atmosfery. Z owej całkowitej ilości tlen stanowi niemal połowę, podczas gdy na krzem przypada około jednej czwartej. Większość pierwiastków na Ziemi znajduje się w chemicznem połączeniu z innemi; niemniej jednak, około jednej czwartej pierwiastków można odnaleźć także w stanie wolnym.

Rozkład wody, eksperyment a rzeczywistość

Woda składa się z pierwiastków wodoru i tlenu połączonych w stosunku 2 do 1. Wodę można rozłożyć na gazowy wodór i tlen poprzez dostarczenie energii. Jednym ze sposobów jest użycie baterii lub zasilacza.

Rozkład wody wiąże się z przegrupowaniem atomów w cząsteczkach wody w inne cząsteczki, składające się odpowiednio z dwóch atomów wodoru i dwóch atomów tlenu. Dwie cząsteczki wody tworzą jedną cząsteczkę tlenu i dwie cząsteczki wodoru.

Zapis tego, co zachodzi, , zostanie omówiony bardziej szczegółowo w kolejnych rozdziałach.

Rozkład wody / Produkcja wodoru

Dwa powstałe gazy mają wyraźnie różne właściwości. Tlen nie jest palny, ale jest niezbędny do spalania paliwa, natomiast wodór jest wysoce łatwopalny i stanowi potężne źródło energii. Jak tę wiedzę można zastosować w naszym świecie? Jedno z zastosowań dotyczy badań nad bardziej oszczędnymi środkami transportu. Pojazdy z ogniwami paliwowymi (FCV) zasilane są wodorem zamiast benzyny.

Są one bardziej wydajne niż pojazdy z silnikami spalinowymi, nie zanieczyszczają środowiska i ograniczają emisję gazów cieplarnianych, czyniąc nas mniej zależnymi od paliw kopalnych. Pojazdy FCV nie są jednak jeszcze opłacalne ekonomicznie, a obecna produkcja wodoru zależy od gazu ziemnego. Jeśli uda nam się opracować proces ekonomicznego rozkładu wody lub produkcji wodoru w inny sposób przyjazny dla środowiska, pojazdy FCV mogą stać się rozwiązaniem przyszłości.

Koncepcja generowania energii poprzez reakcję chemiczną wodoru i tlenu