Фази та класифікація матерії

Стани матерії

Матерія визначається як усе, що займає простір і має масу; вона оточує нас усюди. Тверді тіла та рідини є матерією цілком очевидно: ми бачимо, що вони займають простір, а їхня вага вказує на наявність маси. Гази також є матерією; якби гази не займали простору, повітряна куля залишалася б здутою, а не наповнювалася б при введенні в неї газу.

Твердий стан

Для таких металів, як золото чи плутоній, ця решітка зазвичай є кристалічною, що забезпечує такі властивості, як жорсткість, щільність та електропровідність. Рівні енергії є достатньо низькими, щоб атомні зв’язки залишалися цілісними, а дальній порядок зберігався.

Рідкий стан

Структура решітки руйнується до ближнього порядку: частинки безперервно перебудовуються, залишаючись у контакті. Рідини текучі, ефективно передають тиск і виявляють поверхневий натяг. Цей стан виникає, коли теплова енергія долає жорсткість твердої решітки, але не когезію між частинками.

Газоподібний стан

Міжатомні сили є мізерними порівняно з кінетичною енергією. Гази розширюються, заповнюючи доступний простір, є висококомпресійними та мають низьку щільність. Цей стан виникає, коли теплова енергія повністю долає сили зчеплення, дозволяючи частинкам поводитися незалежно.

Стан плазми

На відміну від звичайних газів, плазма є електропровідною, випромінює інтенсивну радіацію та сильно реагує на електромагнітні поля. Колективна поведінка домінує над рухом окремих частинок. У цьому стані звичайна хімічна структура перестає існувати — матерія керується переважно електромагнітними та ядерними взаємодіями.

Плазма представляє найбільш високоенергетичний класичний стан матерії, який зазвичай зустрічається у зорях, блискавках та у високоенергетичних астрофізичних або лабораторних явищах.

Маса та Вага

Матерія, що перебуває під дослідженням, може існувати як складний ансамбль різноманітних речовин. Такі зразки можуть приймати форму хімічних сполук, гомогенних розчинів або гетерогенних агрегатів, часто виглядаючи як сукупність різнорідних елементів. Незалежно від того, чи спостерігається окрема речовина, чи багатогранна суміш, властивості об’єкта вивчення визначаються як його хімічним складом, так і фізичним станом його складових частин.

Певні речовини виявляють характеристики, притаманні кільком станам матерії одночасно. Це явище часто спостерігається у гранульованих матеріалах, де загальний зразок складається з міріад дискретних частинок. Пісок, наприклад, може «пересипатися» у спосіб, що нагадує рідину, проте він складається з окремих піщинок, які залишаються рішуче твердими. Крім того, матерія може виявляти властивості різних станів, коли вона існує як суміш. Помітний приклад — хмари; хоча вони здаються такими, що поводяться як газ, насправді вони є аерозолями — сумішами, що складаються з повітря у газоподібному стані та найдрібніших частинок води, які можуть бути як рідкими краплями, так і твердими кристалами льоду.

Маса тіла є мірою кількості матерії, що міститься в ньому. Один із фундаментальних методів визначення маси об’єкта полягає у встановленні величини сили, необхідної для надання йому певного прискорення; наприклад, для прискорення автомобіля потрібна значно більша сила, ніж для велосипеда, через суттєво більшу масу автомобіля. Однак у загальній практиці масу частіше визначають за допомогою терезів — інструменту, що використовується для порівняння невідомої маси об’єкта зі стандартизованою еталонною масою.

Хоча вага фундаментально пов’язана з масою, вкрай важливо розрізняти ці два поняття. Вага позначає гравітаційну силу, що діє на тіло, величину, яка прямо пропорційна масі цього тіла. Отже, у той час як вага об’єкта коливається відповідно до місцевої інтенсивності гравітації, його маса залишається інваріантною властивістю. Розглянемо, наприклад, астронавта: її маса залишається незмінною після прибуття на поверхню Місяця, проте її вага зменшується до однієї шостої від земного значення, оскільки гравітаційне тяжіння Місяця становить лише частку від земного. Хоча вона може відчувати стан «невагомості», коли зовнішні сили незначні, у фізичному сенсі вона ніколи не буває «безмасовою», оскільки кількість матерії, з якої вона складається, залишається незмінною.

Закон збереження матерії

Узагальнює багато наукових спостережень щодо матерії: він стверджує, що не відбувається жодної помітної зміни загальної кількості наявної матерії, коли матерія перетворюється з одного типу на інший (хімічна зміна) або переходить між твердим, рідким чи газоподібним станами (фізична зміна). Пивоваріння та робота акумуляторів є прикладами збереження матерії.

Усередині ізольованого контейнера ми розміщуємо кілька складових інгредієнтів; для нашої мети нехай кінцевий вміст включатиме пшеницю, воду, цукор, яйце, сіль та оливкову олію. Ця посудина потім піддається дії вібраційного змішувача для досягнення однорідного складу. Згодом контейнер поміщають у піч і випікають при температурі 200°C (400°F) протягом тридцяти-тридцяти п’яти хвилин.

Сама посудина спроектована з дискретною вторинною секцією, що містить механізм зворотного клапана та камеру, виготовлену з термічно стійкої гуми. Перед початком процесу випікання контейнер зважують, а загальну масу брутто ретельно фіксують.

Експеримент зі збереження матерії

Цей експеримент ілюструє, що початкова, незмінена матерія та подальша «суміш» продукту після випікання залишаються рівними за вагою. Отже, їхня маса також доведено є рівною, оскільки вимірювання проводилися в одному місці та за ідентичних умов навколишнього середовища.

Хоча цей закон збереження справедливий для кожного перетворення матерії, переконливі демонстрації є помітно рідкісними у повсякденному досвіді. Ця дефіцитність зумовлена тим, що поза суворими умовами, що підтримуються в лабораторії, рідко вдається зібрати всю сукупність речовин, утворених під час певного перетворення. Розглянемо, наприклад, біологічні процеси споживання та травлення: хоча вся матерія з оригінальної їжі суворо зберігається, значна частина засвоюється власною структурою тіла, тоді як решта виводиться у вигляді різних видів відходів. Як наслідок, емпірична перевірка цього закону шляхом прямого вимірювання залишається надзвичайно складним завданням у таких складних системах.

Крім того, як можна було помітити, ми сконструювали певні складні апарати — зокрема камеру з динамічними характеристиками об’єму та інші вдосконалення, детально описані в нашому експериментальному описі, — щоб зробити наші спостереження прозорими. Ці інновації служать для того, щоб продемонструвати, що реальність фізичних систем є багатогранним питанням, часто залежним від складності навколишнього світу, який функціонує як відкрита система.

Слід також визнати першорядну важливість суворого наукового підходу: на будь-якому етапі наукової діяльності необхідно брати до уваги як теоретичне, ідеалізоване ізольоване середовище, так і відкриті системи, що зустрічаються в природному світі.

Атоми та молекули

Атом являє собою найдрібнішу частинку елемента, яка зберігає властивості, притаманні цій речовині, і здатна вступати в хімічні сполуки. Розглянемо для ілюстрації елемент золото. Уявімо процес поділу золотого самородка навпіл, з подальшим багаторазовим подрібненням отриманих частин доти, доки не залишиться фрагмент золота настільки малий, що він не піддаватиметься подальшому поділу, незалежно від точності використовуваного інструменту. Ця остання, неподільна частина становить атом — термін, що походить від грецького atomos, що означає «неподільний». Цей атом перестав би бути золотом, якби його розділили ще далі.

Первинний постулат про те, що матерія складається з атомів, приписують грецьким філософам Левкіппу та Демокріту, які сформулювали свої вчення у п'ятому столітті до нашої ери. Проте лише на початку дев'ятнадцятого століття Джон Дальтон (1766–1844), британський шкільний вчитель, який плекав глибоку відданість науковим пошукам, обґрунтував цю гіпотезу за допомогою суворих кількісних вимірювань.

З тієї епохи неодноразові експерименти підтвердили численні аспекти цієї гіпотези, і згодом вона посіла місце основоположної теорії в царині хімії. Деякі інші положення атомної теорії Дальтона залишаються в ужитку й донині, хоча й підлягають незначним уточненням; вичерпний виклад цих принципів наведено в наступному дискурсі про атоми та молекули.

Макроскопічне фото: самородок золота (Au).

Мікроскопічне зображення структури золота у твердому стані.

Атом має настільки нескінченно малу величину, що людському розуму надзвичайно важко осягнути його розміри. До найдрібніших об'єктів, які можна розрізнити неозброєним оком, належить поодинока нитка павутиння; діаметр таких волокон становить приблизно см (0,0001 см). Хоча поперечний розріз окремої нитки майже неможливо розгледіти без допомоги мікроскопа, він залишається колосальним у порівнянні з атомним масштабом. Окремий атом вуглецю у згаданому павутинні має діаметр приблизно см (0,000000015 см); отже, знадобилося б близько 7 000 атомів вуглецю, щоб перекрити діаметр однієї нитки. Щоб надати учню чіткіше уявлення: якби атом вуглецю збільшили до розміру маленької монети, поперечний розріз павутинної нитки перевищив би розміри футбольного поля, що потребувало б приблизно 150 мільйонів таких «монет» для покриття її поверхні.

Дозріла коробочка бавовнику

Структурний рівень

Клітинний рівень організації тканини бавовнику

Молекулярна структура волокнистих органічних тканин квітки бавовнику

Схема окремої органічної молекули в тканині бавовнику

Атом настільки легкий, що його масу так само важко собі уявити. Мільярд атомів свинцю (1 000 000 000 атомів) важать приблизно грама — ця маса є занадто малою, щоб її можна було зважити навіть на найчутливіших у світі терезах. Знадобилося б понад 300 000 000 000 000 атомів свинцю (300 трильйонів, або ), щоб їхнє зважування стало можливим, і навіть тоді вони важили б лише 0,0000001 грама.

У природі рідко можна зустріти скупчення окремих атомів. Лише кілька обраних елементів, таких як благородні гази — гелій, неон та аргон — складаються з поодиноких атомів, що рухаються незалежно один від одного. Інші елементи, як-от гази водень, азот, кисень та хлор, складаються з окремих одиниць, що являють собою пари атомів.

Зустріти скупчення окремих атомів вдається вкрай рідко. Лише кілька елементів, як-от гази гелій, неон та аргон, складаються з масиву поодиноких атомів, що пересуваються незалежно один від одного. Інші елементи, зокрема гази водень, азот, кисень та хлор, побудовані з одиниць, що складаються з пар атомів.

Одна з форм елемента фосфору складається з одиниць, що містять чотири атоми фосфору. Елемент сірка існує в різних формах, одна з яких складається з одиниць, утворених вісьмома атомами сірки. Такі одиниці називаються молекулами. Молекула складається з двох або більше атомів, з’єднаних потужними силами, що йменуються хімічними зв’язками.

Атоми в молекулі рухаються як єдине ціле, подібно до бляшанок напою в упаковці з шести штук або зв’язки ключів на одному кільці. Молекула може складатися з двох або більше однакових атомів, як у молекулах елементів водню, кисню та сірки; або ж вона може складатися з двох або більше різних атомів, як у молекулах води.

Кожна молекула води — це одиниця, що містить два атоми водню та один атом кисню. Кожна молекула глюкози — це одиниця, що містить шість атомів вуглецю, дванадцять атомів водню та шість атомів кисню. Подібно до атомів, молекули є неймовірно малими та легкими. Якби звичайну склянку води збільшили до розмірів Землі, молекули води всередині неї були б завбільшки з м’ячі для гольфу.

Водень

Кисень

Фосфор

Сірка

Вода

Вуглекислий газ

Глюкоза

Класифікація матерії

Задля спрощення викладу на початковому етапі, ми подамо тут стисле, проте цілком зрозуміле визначення класифікації матерії та метод її розрізнення.

Це, звісно, лише спрощений вступ до методів хімічної класифікації; проте належить від чогось розпочинати, і це місце є для того найдоцільнішим!

Матерію можна розподілити на кілька виразних категорій, дві з яких становлять суміші та чисті речовини. Чиста речовина має сталий склад; отже, всі зразки чистої речовини виявляють тотожну будову та властивості.

Наприклад, будь-який зразок цукрози (столового цукру) складається з 42,1% вуглецю, 6,5% водню та 51,4% кисню за масою. Будь-який примірник цукрози також виявляє однакові фізичні властивості — як-от температуру плавлення, колір та солодкий смак — незалежно від джерела, з якого його було виділено.

Чисті речовини можна надалі поділити на дві виразні класи: елементи та сполуки.

Ті чисті речовини, що їх неможливо розкласти на простіші речовини шляхом хімічних перетворень, іменуються елементами. Добре відомі приклади серед понад ста відкритих елементів охоплюють залізо, срібло, золото, алюміній, сірку, кисень та мідь.

З-поміж цих елементів приблизно дев’яносто трапляються в природному стані на Землі, тоді як біля двох десятків було створено штучно в умовах лабораторій.

Чисті речовини, які можна розщепити за допомогою хімічних змін, звуть сполуками. Такий розклад може дати або елементи, або інші сполуки, або і те, і інше. Оксид ртуті(II), помаранчева кристалічна тверда речовина, під дією тепла розкладається на елементи ртуть та кисень.

При нагріванні без доступу повітря сполука цукроза розкладається на елемент вуглець та сполуку воду. (Початкова стадія цього процесу, коли цукор буріє, відома як карамелізація — саме вона надає характерного солодкого та горіхового присмаку карамелізованим яблукам, цибулі та власне карамелі).

Хлорид срібла(I) є білою твердою речовиною, яку можна розкласти на її елементи, срібло та хлор, шляхом поглинання світла. Ця властивість лежить в основі застосування даної сполуки у фотографічних плівках та фотохромних окулярах (тих, чиї лінзи темнішають при потраплянні на них світла).

Оксид ртуті(II) (HgO)

Сполука розкладається на сріблясті краплі рідкої ртуті та невидимий газоподібний кисень.

Властивості сполучених елементів відмінні від тих, що притаманні їм у вільному, або несполученому стані. До прикладу, білий кристалічний цукор (сахароза) є сполукою, що постає внаслідок хімічної злуки елемента вуглецю, який в одній зі своїх вільних форм є чорною твердою речовиною, та двох елементів — водню й кисню, які у вільному стані є безбарвними газами. Вільний натрій, елемент, що являє собою м’яку, блискучу металічну тверду речовину, та вільний хлор, елемент, що є жовто-зеленим газом, сполучаються, утворюючи хлорид натрію (кухонну сіль) — сполуку, яка є білою кристалічною твердою речовиною.

Суміш складається з двох або більше видів матерії, що можуть бути присутні у змінних кількостях і можуть бути розділені шляхом фізичних змін, як-от випаровування (про що читач докладніше дізнається далі). Суміш, склад якої різниться від точки до точки, зветься неоднорідною (гетерогенною) сумішшю. Італійська заправка для салату є типовим прикладом неоднорідної суміші.

Її склад може варіюватися, оскільки ми можемо приготувати її з різних кількостей олії, оцту та трав. Вона не є однаковою в кожній точці суміші — одна крапля може складатися переважно з оцту, тоді як інша може містити здебільшого олію або трави, бо олія та оцет розділяються, а трави осідають на дно. Іншими прикладами неоднорідних сумішей є печиво з шоколадними крихтами (де ми бачимо окремі шматочки шоколаду, горіхів та тіста) і граніт (де спостерігач може розрізнити кварц, слюду, польовий шпат та інше).

Однорідна суміш, яку також іменують розчином, виявляє рівномірний склад і має візуально однаковий вигляд у всій своїй масі. Прикладом розчину є спортивний напій, що складається з води, цукру, барвників, ароматизаторів та електролітів, рівномірно змішаних між собою.

Кожна крапля спортивного напою смакує однаково, бо кожна містить однакову кількість води, цукру та інших складників. Належить зауважити, що склад спортивного напою може змінюватися — його можна виготовити з дещо більшою або меншою кількістю цукру, ароматизатора чи інших компонентів, і він усе одно залишатиметься спортивним напоєм. До інших прикладів однорідних сумішей належать повітря, кленовий сироп, бензин та розчин солі у воді.

Хоча існує трохи більше 100 елементів, десятки мільйонів хімічних сполук постають внаслідок різних комбінацій цих елементів. Кожна сполука має специфічний склад і володіє визначеними хімічними та фізичними властивостями, за якими ми можемо відрізнити її від усіх інших сполук. І, звісно, існує незліченна кількість способів поєднання елементів і сполук для утворення різних сумішей. Стислий огляд того, як розрізняти основні класифікації матерії, подано на схемі:

Одинадцять елементів складають приблизно дев’яносто дев’ять відсотків земної кори та атмосфери. З цієї загальної кількості кисень становить майже половину, тоді як на кремній припадає близько чверті. Більшість елементів на Землі виявляються в хімічному поєднанні з іншими; проте біля однієї чверті елементів можна знайти також і у вільному стані.

Розклад води: експеримент проти реальності

Вода складається з елементів гідрогену та оксигену, поєднаних у співвідношенні 2 до 1. Воду можна розкласти на гази водень та кисень шляхом додавання енергії. Одним із способів зробити це є використання батареї або джерела живлення.

Розклад води передбачає перегрупування атомів у молекулах води в інші молекули, кожна з яких складається з двох атомів гідрогену та двох атомів оксигену відповідно. Дві молекули води утворюють одну молекулу кисню та дві молекули водню.

Представлення того, що відбувається, , буде детальніше розглянуто в наступних розділах.

Розклад води / Виробництво водню

Два утворені гази мають суттєво різні властивості. Кисень не є легкозаймистим, але необхідний для горіння палива, а водень є надзвичайно легкозаймистим і потужним джерелом енергії. Як ці знання можна застосувати в нашому світі? Одне із застосувань стосується досліджень у галузі створення більш енергоефективного транспорту. Автомобілі на паливних елементах (FCV) працюють на водні замість бензину.

Вони ефективніші за автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння, не забруднюють довкілля та зменшують викиди парникових газів, що робить нас менш залежними від викопного палива. Однак автомобілі на паливних елементах поки що не є економічно життєздатними, а поточне виробництво водню залежить від природного газу. Якщо ми зможемо розробити процес економічного розкладу води або виробництва водню в інший екологічно безпечний спосіб, такі автомобілі можуть стати транспортом майбутнього.

Концепція генерації енергії шляхом хімічної реакції водню та кисню