สถานะของสสาร (โดยพิจารณาจากคุณสมบัติระดับจุลภาค)

บทความเกี่ยวกับสถานะของสสาร (โดยพิจารณาจากคุณสมบัติระดับจุลภาค)

ในชีวิตประจำวัน เรามักพบเจอกับสสารสามสถานะที่แตกต่างกัน ได้แก่ สสารของแข็ง (เช่น หิน เหล็ก เป็นต้น) ของเหลว (น้ำ น้ำมันเบนซิน เป็นต้น) และสสารก๊าซ (อากาศ เป็นต้น) เราสามารถจำแนกสถานะของสสารทั้งสามนี้ได้จากความสามารถในการคงรูปทรงและขนาดของตนเอง

โดยทั่วไปของแข็งจะรักษารูปทรงและปริมาตรคงที่ ส่วนของเหลวจะไม่รักษารูปทรง แต่จะปรับตัวให้เข้ากับภาชนะที่บรรจุอยู่ ตัวอย่างเช่น ถ้าเราใส่น้ำลงในแก้ว รูปทรงของแก้วก็จะเปลี่ยนไป ถ้าใส่น้ำลงในอ่างอาบน้ำ รูปทรงก็จะเปลี่ยนไปตามอ่างอาบน้ำ ปริมาตรของของเหลวมักจะคงที่เสมอ ถ้าวางแก้วน้ำลงในอ่างอาบน้ำ ปริมาณน้ำก็จะยังคงอยู่ในแก้ว รูปทรงของน้ำอาจเปลี่ยนแปลงได้ แต่ขนาดจะไม่เปลี่ยนแปลง อย่างไรก็ตาม จำนวนของของแข็งและของเหลวอาจเปลี่ยนแปลงได้หากได้รับแรงกระทำมากพอ

แล้วแก๊สล่ะ? แก๊สไม่มีรูปร่างและปริมาตรที่ตายตัว รูปร่างและขนาดของแก๊สจะปรับเปลี่ยนไปตามรูปร่างและขนาดของภาชนะที่มันบรรจุอยู่เสมอ ตัวอย่างเช่น ถ้าเราเติมแก๊สเข้าไปในยางรถยนต์ การเปลี่ยนแปลงของแก๊สก็จะเหมือนกับการเปลี่ยนแปลงของยางรถยนต์นั่นเอง เช่นเดียวกับปริมาตร เมื่ออยู่ในยาง แก๊สจะกระจายตัวไปเติมเต็มพื้นที่ยางทั้งหมด ในกรณีนี้ ปริมาณแก๊สจะเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาตรของยาง ถ้าเราเป่าลูกโป่ง (เราเติมอากาศเข้าไปในลูกโป่ง) รูปร่างและปริมาตรของอากาศก็จะเปลี่ยนแปลงไปตามรูปร่างและปริมาตรของลูกโป่งเช่นกัน

ที่ผ่านมา เราได้จำแนกสสารทั้งสามรูปแบบโดยอาศัยคุณสมบัติระดับมหภาค (คุณสมบัติระดับมหภาค = รูปร่างและขนาดของสสาร) เท่านั้น แน่นอนว่านี่เป็นเพียงผลจากการวัดและการสังเกตของเราในแต่ละวัน ต่อไปเราจะมาดูความแตกต่างระหว่างสสารทั้งสามรูปแบบโดยอาศัยคุณสมบัติระดับจุลภาค สสารแต่ละชนิดประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุล เมื่อเราบอกว่าหินมีความมั่นคง เราไม่เคยรู้เลยว่าเกิดอะไรขึ้นกับอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ภายในฐานของหินนั้น ทำให้หินกลายเป็นของแข็ง เช่นเดียวกับน้ำ เกิดอะไรขึ้นกับอะตอมหรือโมเลกุลที่รวมตัวกันเป็นแอ่ง ทำให้น้ำอยู่ในสถานะของเหลว และมองไม่เห็นบรรยากาศ

รูปแบบของสารขึ้นอยู่กับคุณสมบัติในระดับจุลภาค

ก่อนที่จะพูดถึงความแตกต่างระหว่างของแข็ง ของเหลว และก๊าซ โดยพิจารณาจากลักษณะทางจุลภาค เรามาทบทวนวัตถุชิ้นหนึ่งกันก่อน เช่น ก้อนหิน ถ้าเราสังเกตทรายอย่างละเอียด เราจะเห็นว่าแต่ละส่วนของก้อนหินเกาะติดกัน แม้ว่าจะถูกเตะและโยน รูปร่างและขนาดของมันก็ไม่เคยเปลี่ยนแปลง โดยปกติแล้ว องค์ประกอบทั้งหมดของหินจะอยู่ในหน่วยเดียวกันเสมอ ทำไมจึงเป็นเช่นนั้น? ลองคิดดูสักครู่

ภายในก้อนหินนั้นมีอะตอมหรือโมเลกุลอยู่ ลองนึกภาพก้อนหินดูสิ ลองนึกภาพว่าทรายนั้นประกอบด้วยชิ้นเล็กๆ และชิ้นส่วนของก้อนหินก็จะเล็กลงเรื่อยๆ ลองนึกภาพอะตอมเหมือนลูกบอลขนาดเล็กที่สุด ในทางกลับกัน โมเลกุลนั้นประกอบด้วยลูกบอลหลายๆ ลูกที่ยึดติดกัน

ในหินนั้น มีโมเลกุลหรืออะตอมอยู่มากมายนับไม่ถ้วน คุณลองนึกภาพอะตอมในก้อนหินดูสิ?

อะตอมหนึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10⁻¹⁰ ^เมตรถ้าลองนึกภาพอะตอมเหมือนลูกบอล เส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอลก็จะเป็น 10⁻¹⁰ ^เมตรเล็กมากจนมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า... เป็นเพียงสิ่งที่จินตนาการได้เท่านั้น โมเลกุลคืออะตอมที่รวมตัวกัน ดังนั้นขนาดของโมเลกุลจึงใหญ่กว่าอะตอมมาก แต่ก็ยังมองไม่เห็นด้วยตาเปล่าเช่นกัน

ถ้าอะตอมหรือโมเลกุลไม่ได้รวมเป็นหน่วยเดียวกัน แน่นอนว่าทุกส่วนของหินจะไม่ยึดติดกัน แต่หินแต่ละชิ้นจะยึดติดกันจนเกิดเป็นรูปทรงที่แข็งแรง ทำไมอะตอมหรือโมเลกุลจึงไม่แยกออกจากกัน?

แน่นอนว่าอะตอมหรือโมเลกุลต่างดึงดูดซึ่งกันและกัน หากอะตอมหรือโมเลกุลไม่ดึงดูดกัน พวกมันก็จะกระจัดกระจายไปทั่ว ทุกอะตอมหรือโมเลกุลย่อมต้องบอกลาเพื่อนของมัน ดังนั้นชิ้นส่วนของหินจึงกระจัดกระจายไปทั่วทุกหนแห่ง ชิ้นส่วนของหินก็จะกระจัดกระจายเช่นกัน และในที่สุดเราก็มองไม่เห็นพวกมัน ชิ้นส่วนของหินก็ประกอบด้วยอะตอมหรือโมเลกุลเช่นกัน ขนาดของอะตอมนั้นเล็กมาก ดังนั้นหากพวกมันแยกจากกัน แน่นอนว่าเราก็มองไม่เห็นพวกมัน... แต่ความเป็นจริงนั้นไม่เป็นเช่นนั้น

ก้อนหินดูแข็งแรง แต่ละส่วนของก้อนหินยึดติดกัน ดังนั้นเราจึงสรุปได้ว่าอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นวัตถุแข็งจะต้องดึงดูดซึ่งกันและกัน

แรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลคือแรงแม่เหล็กไฟฟ้า การมีอยู่ของแรงดึงดูดทำให้อะตอมหรือโมเลกุลอยู่ใกล้กัน เมื่อต้องการชนกัน อิเล็กตรอนในส่วนนอกสุดของอะตอมหรือโมเลกุลจะผลักกัน (แรงผลักทางไฟฟ้า) ระยะห่างทำให้อะตอมและโมเลกุลเคลื่อนที่ถอยหลัง แม้ว่าอะตอมหรือโมเลกุลจะเคลื่อนที่ถอยหลัง แต่เนื่องจากมีแรงดึงดูด พวกมันจึงเข้าใกล้กันอีกครั้ง อะตอมหรือโมเลกุลจะเคลื่อนที่ไปมา (สั่น) ในขณะที่รักษาระยะห่างขั้นต่ำไว้

ความแตกต่างระหว่างของแข็ง ของเหลว และก๊าซ โดยพิจารณาจากคุณสมบัติระดับจุลภาคที่แท้จริงนั้น อยู่ที่ความแข็งแรงและความอ่อนแอของแรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลของสารทั้งสามชนิด

ของแข็ง

ในของแข็ง แรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลนั้นรุนแรงมากจนอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นของแข็งจะอยู่ในตำแหน่งคงที่เสมอ อะตอมหรือโมเลกุลในของแข็งอาจเคลื่อนที่ไปมา (สั่น) แต่ก็ยังคงสั่นอยู่ในตำแหน่งเดิม

แรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลของของแข็งเหล่านี้เป็นสาเหตุที่ทำให้รูปร่างและปริมาตรของของแข็งนั้นคงที่เสมอ แม้ว่าจะถูกโยนหรือกระแทก รูปร่างของหินหรือเหล็กก็ยากที่จะเปลี่ยนแปลง เพราะแรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลนั้นแข็งแรง เมื่อคุณใส่หินหรือโลหะลงในถังหรืออ่างอาบน้ำ ปริมาตรของหินหรือโลหะจะไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้น แรงดึงดูดที่แข็งแกร่งระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบขึ้นเป็นของแข็งเหล่านี้ ทำให้พวกมันคงอยู่เป็นหน่วยเดียวและมีรูปร่างเป็นของแข็ง

ตำแหน่งของอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นของแข็งนั้นมีลักษณะดังภาพ (หรือที่เรียกว่าโครงผลึก) ภาพนี้เป็นภาพขยาย อะตอมหรือโมเลกุลมีขนาดเล็กมาก

น้ำ

ในของเหลว แรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลนั้นอ่อนกว่า ดังนั้นพวกมันจึงเคลื่อนที่ไปมาได้อย่างอิสระและทับซ้อนกันได้ อะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นของเหลวนั้นสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระก็จริง แต่พวกมันไม่สามารถแยกจากกันได้ แรงดึงดูดที่มีอยู่ยังคงเพียงพอที่จะป้องกันไม่ให้พวกมันกระจัดกระจายไป

เหตุผลก็คือ รูปทรงของของเหลวสามารถเปลี่ยนแปลงได้ แต่ปริมาตรนั้นคงที่เสมอ เมื่อเราใส่น้ำลงในแก้ว แรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลนั้นไม่แข็งแรงพอที่จะทำให้รูปร่างของน้ำเปลี่ยนแปลงไปตามรูปทรงของแก้ว เมื่อเราใส่น้ำลงในอ่างอาบน้ำ แรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลที่น้อยลงจะทำให้น้ำปรับรูปร่างให้เข้ากับรูปทรงของอ่าง ปริมาตรของของเหลวนั้นคงที่เสมอ เพราะแรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลยังคงยึดเหนี่ยวพวกมันไว้ด้วยกันได้ อะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นน้ำนั้นไม่ได้กระจัดกระจาย ดังนั้นปริมาตรจึงคงที่เสมอ

ตำแหน่งของอะตอมหรือโมเลกุลที่ประกอบเป็นของเหลว ดังแสดงในภาพ (ลูกศรแสดงทิศทางการเคลื่อนที่)

ก๊าซ

ในสสารที่เป็นแก๊ส แรงดึงดูดระหว่างอะตอมหรือโมเลกุลนั้นอ่อนมาก พวกมันจึงเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระเพราะไม่มีพันธะระหว่างกัน แรงดึงดูดที่อ่อนแอทำให้โมเลกุลหรืออะตอมที่ประกอบเป็นสสารแก๊สกระจัดกระจายไปทั่ว อะตอมที่ประกอบเป็นสสารแก๊สนั้นมีความอิสระมากกว่าอะตอมที่ประกอบเป็นสสารของแข็งหรือของเหลว

ตำแหน่งของอะตอมหรือโมเลกุลที่รวมตัวกันเป็นแก๊สแสดงได้ดังรูป

แรงดึงดูดที่เปราะบางเป็นสาเหตุที่ทำให้รูปร่างและปริมาตรของก๊าซเปลี่ยนแปลงได้ และเป็นเหตุผลที่ตาไม่สามารถมองเห็นอากาศได้ ขนาดของอะตอมหรือโมเลกุลนั้นเล็กมาก หากพวกมันกระจัดกระจายไปทั่ว เราก็จะไม่สามารถมองเห็นได้ ขนาดของทรายหรือน้ำตาลนั้นใหญ่กว่าอะตอมหรือโมเลกุลมาก ดังนั้นแม้จะกระจัดกระจาย เม็ดทรายก็ยังสามารถมองเห็นได้ด้วยตา แม้ว่าจะค่อนข้างยากก็ตาม

เราสามารถมองเห็นสารที่เป็นของแข็งหรือของเหลวได้ เนื่องจากอะตอมหรือโมเลกุลไม่ได้กระจัดกระจาย แรงดึงดูดในสารที่เป็นของแข็งและก๊าซยังคงสามารถยึดเหนี่ยวพวกมันไว้ด้วยกันได้ ในขณะที่แรงดึงดูดในสารที่เป็นก๊าซนั้นอ่อนมาก จึงไม่สามารถยึดเหนี่ยวอะตอมหรือโมเลกุลไว้ด้วยกันได้ แรงดึงดูดที่น้อยนี้เองที่เป็นสาเหตุให้สารที่เป็นก๊าซและของเหลวสามารถไหลได้