Artykuł o fazach materii (na podstawie właściwości mikroskopowych)
W życiu codziennym często spotykamy się z trzema różnymi stanami skupienia materii. Istnieją substancje stałe (np. kamienie, żelazo itp.), ciekłe (woda, benzyna itp.) oraz gazowe (powietrze itp.). Trójfazowość tych substancji można rozróżnić na podstawie ich zdolności do zachowania kształtu i rozmiaru.
Ciała stałe zazwyczaj zachowują stały kształt i objętość. Ciecz nie utrzymuje stałej formy, lecz dostosowuje się do pojemnika, w którym się znajduje. Na przykład, jeśli wlejemy wodę do szklanki, jej kształt zmienia się jak w przypadku szklanki. Jeśli wlejemy wodę do wanny, kształt zmienia się jak w wannie. Objętość cieczy jest zazwyczaj zawsze stała. Jeśli szklanka wody zostanie umieszczona w wannie, ilość wody pozostanie w szklance. Kształt wody może się zmieniać, ale jej objętość nigdy. Należy pamiętać, że liczba ciał stałych i cieczy może się zmieniać, jeśli zostanie zastosowana wystarczająca siła.
A co z gazem? Gaz nie ma stałego kształtu ani objętości. Kształt i objętość gazu są zawsze dostosowywane do kształtu i objętości pojemnika, w którym się znajduje. Na przykład, jeśli wlejemy gaz do opony w samochodzie, sposób, w jaki gaz się zmienia, jest jak opona w pojeździe. Podobnie jest z objętością. W obudowie gaz rozprzestrzenia się, wypełniając całą przestrzeń opony. W tym przypadku ilość gazu zmienia się jak objętość opony. Jeśli nadmuchamy balon (wlejemy powietrze do balonu), kształt i objętość powietrza ulegną zmianie, podobnie jak kształt i objętość balonu.
Do tej pory rozróżnialiśmy te trzy formy materii jedynie na podstawie ich właściwości makroskopowych (właściwości makroskopowe = kształt i rozmiar substancji). Oczywiście, opieramy się na wynikach naszych codziennych pomiarów i obserwacji. Zobaczymy różnicę między tymi trzema formami materii na podstawie ich właściwości mikroskopowych. Każda substancja składa się z atomów lub cząsteczek. Kiedy mówimy, że skała jest stabilna, nigdy nie wiemy, co dzieje się z atomami lub cząsteczkami znajdującymi się wewnątrz fundamentu, aby kamień stał się stały. Podobnie jest z wodą. Co jest nie tak z atomami lub cząsteczkami, które tworzą kałuże, przez co woda jest w stanie ciekłym, a atmosfera nie jest widoczna?
Formy substancji oparte na właściwościach mikroskopowych
Zanim omówimy różnice między ciałami stałymi, cieczami i substancjami gazowymi na podstawie ich cech mikroskopowych, przyjrzyjmy się pewnemu obiektowi. Na przykład kamieniom. Jeśli przyjrzymy się uważnie piaskowi, zauważymy, że każda część kamienia przylega do siebie. Mimo że jest kopany i rzucany, jego kształt i rozmiar nigdy się nie zmieniają. Zazwyczaj wszystkie elementy skały stanowią zawsze jedną całość. Dlaczego tak się dzieje? Zastanówmy się przez chwilę.
Wewnątrz kamienia znajdują się atomy lub cząsteczki. Teraz wyobraź sobie skałę. Wyobraź sobie, że piasek składa się z małych kawałków. Im więcej, tym mniejsze stają się kawałki kamienia. Wyobraź sobie atomy jako minimalną kulę. Zamiast tego, cząsteczki składają się z kilku kulek połączonych ze sobą.
W skale jest tak wiele cząsteczek lub atomów, które są minimalne. Czy potrafisz sobie wyobrazić atomy w kamieniu?
Średnica jednego atomu wynosi około 10-10 m. Jeśli wyobrazisz sobie atom jako kulę, średnica kuli będzie wynosić 10-10 metrów. Minimalne i niewidoczne gołym okiem… Tylko wyobrażalne. Cząsteczki to atomy, które się ze sobą łączą, więc rozmiar cząsteczki ma większe znaczenie niż rozmiar atomu. Ale też niewidoczne gołym okiem.
Jeśli atomy lub cząsteczki nie tworzą jednej całości, to oczywiście nie wszystkie części kamienia się ze sobą łączą. Każdy kawałek skały łączy się ze sobą, nadając jej stały kształt. Dlaczego atomy ani cząsteczki się nie rozdzielają?
Rzeczywiście, atomy lub cząsteczki przyciągają się nawzajem. Jeśli atomy lub cząsteczki nie przyciągają się do siebie, oczywiście, rozlatują się wszędzie. Każdy atom lub cząsteczka pożegna się z przyjacielem. W ten sposób kawałki kamienia będą rozrzucone wszędzie. Części skały również będą rozrzucone i ostatecznie nie będziemy ich w stanie zobaczyć. Kawałki kamienia również składają się z atomów lub cząsteczek. Rozmiar atomów jest niewielki, więc gdyby były oddzielne, oczywiście nie moglibyśmy ich zobaczyć… Ale rzeczywistość jest inna.
Kamień wygląda na solidny, każda jego część przylega do siebie. Możemy zatem wnioskować, że atomy lub cząsteczki tworzące ciała stałe muszą się przyciągać.
Siła przyciągania między atomami lub cząsteczkami to siła elektromagnetyczna. Obecność sił przyciągania powoduje, że atomy lub cząsteczki zbliżają się do siebie. Podczas zderzenia elektrony w najbardziej zewnętrznej części atomu lub cząsteczki odpychają się (odpychanie elektryczne). Odległość powoduje, że atomy i cząsteczki poruszają się do tyłu. Chociaż atomy lub cząsteczki poruszają się do tyłu, to jednak ze względu na przyciąganie ponownie się do siebie zbliżają. Atomy lub cząsteczki poruszają się tam i z powrotem (wibrując), zachowując minimalną odległość.
Różnica między ciałami stałymi, cieczami i gazami, oparta na rzeczywistych właściwościach mikroskopowych, polega na sile i słabości przyciągania między atomami lub cząsteczkami tych trzech substancji.
Solidne
W ciałach stałych siły przyciągania między atomami lub cząsteczkami są tak silne, że atomy lub cząsteczki tworzące ciało stałe zawsze pozostają w stałym położeniu. Atomy lub cząsteczki w ciałach stałych poruszają się tam i z powrotem (wibrują), ale nadal drgają w tym samym miejscu.
Siła przyciągania między atomami lub cząsteczkami tych ciał stałych sprawia, że ich kształt i objętość są zawsze stałe. Nawet rzucane lub uderzane, trudno zmienić kształt kamienia lub żelaza, ponieważ siła przyciągania między atomami lub cząsteczkami jest duża. Kiedy wrzucisz kamienie lub metal do wiadra lub wanny, objętość kamienia lub metalu nigdy się nie zmienia. Zatem silne przyciąganie między atomami lub cząsteczkami, z których zbudowane są te ciała stałe, sprawia, że pozostają one w jednej całości, a ich kształt wydaje się jednolity.
Pozycja atomów lub cząsteczek tworzących ciała stałe jest taka sama jak na obrazie (znanym również jako sieć krystaliczna). Ten obraz jest powiększony. Atomy lub cząsteczki są bardzo małe.
Ciecz
W cieczach siła przyciągania między atomami lub cząsteczkami jest słabsza, więc mogą one swobodnie poruszać się tam i z powrotem, nakładając się na siebie. Atomy lub cząsteczki tworzące ciecz mogą się wprawdzie swobodnie poruszać, ale nie mogą pożegnać się ze swoimi przyjaciółmi. Siła przyciągania wciąż zapobiega ich rozproszeniu.
Powód jest taki, że forma cieczy może się zmieniać, ale objętość jest zawsze stała. Kiedy wlewamy wodę do szklanki, siła przyciągania między atomami lub cząsteczkami nie jest wystarczająco silna, aby zmienić kształt wody, tak jak kształt szklanki. Kiedy wlewamy wodę do wanny, mniejsza siła przyciągania między atomami lub cząsteczkami sprawia, że woda dostosowuje swój kształt do kształtu wanny. Objętość cieczy jest zawsze stała, ponieważ siła przyciągania między atomami lub cząsteczkami nadal utrzymuje je razem. Atomy lub cząsteczki, z których powstaje woda, nie są rozproszone, więc objętość jest zawsze stała.
Położenie atomu lub cząsteczki budującej ciecz, jak na rysunku (strzałka pokazuje kierunek ruchu).
Gaz
W substancjach gazowych przyciąganie między atomami lub cząsteczkami jest słabe. Poruszają się one swobodnie, ponieważ nie ma między nimi wiązania. Słabe przyciąganie powoduje, że atomy lub cząsteczki tworzące substancję gazową są rozproszone wszędzie. Atomy tworzące substancję gazową poruszają się swobodniej niż atomy tworzące substancje stałe lub ciekłe.
Położenie atomów lub cząsteczek tworzących gaz pokazano na rysunku.
Słabe przyciąganie jest powodem, dla którego kształt i objętość substancji gazowej mogą się zmieniać, a oko nie widzi powietrza. Rozmiar atomów lub cząsteczek jest tak mały, że gdyby były rozproszone wszędzie, nie bylibyśmy w stanie ich dostrzec. Rozmiar piasku lub cukru jest znacznie większy niż atomów lub cząsteczek, więc nawet po rozproszeniu ziarenka piasku nadal są widoczne gołym okiem, choć jest to nieco trudne.
Substancje stałe i ciekłe można zobaczyć, ponieważ atomy lub cząsteczki nie są rozproszone. Siła przyciągania między substancjami stałymi i gazowymi pozwala na utrzymanie ich razem. Siła przyciągania działająca na substancję gazową jest słaba, co uniemożliwia jej utrzymanie atomów lub cząsteczek razem. To niewielkie przyciąganie jest również przyczyną płynięcia substancji gazowych i ciekłych.
