Bài viết về các trạng thái vật chất (dựa trên các tính chất vi mô)
Trong cuộc sống thường nhật, chúng ta thường bắt gặp ba trạng thái khác nhau của vật chất. Đó là chất rắn (ví dụ: đá, sắt, v.v.), chất lỏng (nước, xăng, v.v.) và chất khí (không khí, v.v.). Ba trạng thái này có thể được phân biệt dựa trên khả năng duy trì hình dạng và kích thước của chúng.
Chất rắn thường giữ nguyên hình dạng và thể tích cố định. Chất lỏng không giữ nguyên hình dạng mà tự điều chỉnh theo hình dạng của vật chứa. Ví dụ, nếu ta đổ nước vào cốc, hình dạng của nước sẽ thay đổi giống như chiếc cốc. Nếu đổ nước vào bồn tắm, hình dạng của nước cũng sẽ thay đổi giống như bồn tắm. Thể tích của chất lỏng thường không đổi. Một cốc nước nếu được đặt trong bồn tắm, lượng nước vẫn giữ nguyên trong cốc. Hình dạng của nước có thể thay đổi, nhưng thể tích thì không bao giờ thay đổi. Cần lưu ý rằng số lượng chất rắn và chất lỏng có thể thay đổi nếu tác động một lực đủ lớn.
Còn về khí thì sao? Khí không có hình dạng và thể tích cố định. Hình dạng và kích thước của khí luôn được điều chỉnh theo hình dạng và kích thước của vật chứa mà nó chiếm giữ. Ví dụ, nếu ta bơm khí vào lốp xe ô tô, cách khí thay đổi cũng giống như cách khí thay đổi trong lốp xe. Tương tự với thể tích. Khi ở trong vỏ lốp, khí sẽ lan rộng để lấp đầy toàn bộ không gian của lốp. Trong trường hợp này, lượng khí thay đổi giống như thể tích của lốp. Nếu ta thổi một quả bóng bay (bơm không khí vào bóng bay), hình dạng và thể tích của không khí sẽ thay đổi, giống như hình dạng và thể tích của quả bóng bay.
Cho đến nay, chúng ta mới chỉ phân biệt ba dạng vật chất dựa trên các tính chất vĩ mô của chúng (tính chất vĩ mô = hình dạng và kích thước của chất). Tất nhiên, điều này dựa trên kết quả đo lường và quan sát hàng ngày của chúng ta. Chúng ta sẽ xem xét sự khác biệt giữa ba dạng vật chất dựa trên các tính chất vi mô của chúng. Mỗi chất đều được cấu tạo từ các nguyên tử hoặc phân tử. Khi ta nói một tảng đá ổn định, ta không bao giờ biết điều gì xảy ra với các nguyên tử hoặc phân tử bên trong cấu trúc nền khiến đá trở nên rắn chắc. Tương tự với nước. Điều gì xảy ra với các nguyên tử hoặc phân tử tạo thành các khối khiến nước ở trạng thái lỏng, và không khí không thể nhìn thấy được?
Các dạng chất được hình thành dựa trên các đặc tính vi mô.
Trước khi thảo luận về sự khác biệt giữa chất rắn, chất lỏng và chất khí dựa trên đặc điểm vi mô của chúng, chúng ta hãy xem xét một vật thể. Ví dụ, đá. Nếu chúng ta quan sát kỹ cát, chúng ta sẽ thấy rằng mỗi phần của viên đá đều dính chặt vào nhau. Ngay cả khi bị đá và ném, hình dạng và kích thước của nó không bao giờ thay đổi. Thông thường, tất cả các thành phần của đá luôn nằm trong một khối thống nhất. Tại sao lại như vậy? Chúng ta hãy suy nghĩ một chút.
Bên trong viên đá có các nguyên tử hoặc phân tử. Bây giờ hãy tưởng tượng một tảng đá. Hãy thử tưởng tượng cát được cấu tạo từ những mảnh nhỏ. Hơn nữa, các mảnh đá càng ngày càng nhỏ hơn. Hãy tưởng tượng các nguyên tử giống như một quả cầu nhỏ nhất. Thay vào đó, các phân tử bao gồm nhiều quả cầu nhỏ kết dính lại với nhau.
Trong đá, có rất nhiều phân tử hoặc nguyên tử với kích thước tối thiểu. Bạn có thể hình dung được các nguyên tử trong một viên đá không?
Đường kính của một nguyên tử vào khoảng 10⁻¹⁰ m . Nếu bạn hình dung nguyên tử như một quả cầu, thì đường kính của quả cầu là 10⁻¹⁰ mét . Kích thước này rất nhỏ và không thể nhìn thấy bằng mắt thường… Chỉ có thể tưởng tượng được. Phân tử là các nguyên tử liên kết với nhau, vì vậy kích thước của phân tử lớn hơn nhiều so với nguyên tử. Nhưng chúng cũng không thể nhìn thấy bằng mắt thường.
Nếu các nguyên tử hoặc phân tử không tạo thành một khối thống nhất, thì tất nhiên, các phần của viên đá sẽ không dính liền với nhau. Mỗi mảnh đá dính liền với nhau tạo nên hình dạng rắn chắc của viên đá. Tại sao các nguyên tử hoặc phân tử không tách rời nhau?
Thực tế, các nguyên tử hoặc phân tử đang hút nhau. Nếu các nguyên tử hoặc phân tử không hút nhau, dĩ nhiên chúng sẽ bay tứ tung. Mỗi nguyên tử hoặc phân tử sẽ nói lời tạm biệt với một người bạn của mình. Vì vậy, các mảnh đá sẽ bị phân tán khắp nơi. Các mảnh vỡ của đá cũng sẽ bị phân tán, và cuối cùng chúng ta không thể nhìn thấy chúng. Các mảnh đá cũng được cấu tạo từ các nguyên tử hoặc phân tử. Kích thước của các nguyên tử rất nhỏ, vì vậy nếu chúng tách rời nhau, dĩ nhiên chúng ta không thể nhìn thấy chúng… Nhưng thực tế không phải như vậy.
Hòn đá trông rất rắn chắc, mỗi phần của hòn đá đều dính chặt vào nhau. Do đó, ta có thể kết luận rằng các nguyên tử hoặc phân tử tạo nên vật thể rắn phải hút nhau.
Lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử là lực điện từ. Sự hiện diện của lực hút làm cho các nguyên tử hoặc phân tử xích lại gần nhau. Khi chúng va chạm, các electron ở lớp ngoài cùng của nguyên tử hoặc phân tử đẩy nhau (lực đẩy điện). Khoảng cách khiến các nguyên tử và phân tử chuyển động ngược chiều nhau. Mặc dù các nguyên tử hoặc phân tử chuyển động ngược chiều, nhưng vì có lực hút, chúng lại tiến gần nhau. Các nguyên tử hoặc phân tử chuyển động qua lại (dao động) trong khi duy trì khoảng cách tối thiểu.
Sự khác biệt giữa chất rắn, chất lỏng và chất khí dựa trên các tính chất vi mô thực tế nằm ở độ mạnh và yếu của lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử của ba chất này.
Rắn
Trong chất rắn, lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử mạnh đến mức các nguyên tử hoặc phân tử tạo nên chất rắn luôn ở một vị trí cố định. Các nguyên tử hoặc phân tử trong chất rắn chuyển động qua lại (dao động), nhưng chúng vẫn dao động tại cùng một vị trí.
Lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử của các chất rắn này là lý do khiến hình dạng và thể tích của chúng luôn cố định. Ngay cả khi bị ném hoặc va đập, hình dạng của đá hoặc sắt cũng khó thay đổi vì lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử rất mạnh. Khi bạn cho đá hoặc kim loại vào xô hoặc bồn tắm, thể tích của đá hoặc kim loại không bao giờ thay đổi. Vì vậy, lực hút mạnh giữa các nguyên tử hoặc phân tử cấu thành nên các chất rắn này khiến chúng giữ nguyên hình dạng và trông rắn chắc.
Vị trí của các nguyên tử hoặc phân tử tạo nên chất rắn giống như hình ảnh này (còn được gọi là mạng tinh thể). Hình ảnh này được phóng to. Các nguyên tử hoặc phân tử rất nhỏ.
Chất lỏng
Trong chất lỏng, lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử yếu hơn, vì vậy chúng hoàn toàn tự do di chuyển qua lại và chồng lên nhau. Các nguyên tử hoặc phân tử tạo nên chất lỏng thực sự có thể di chuyển tự do, nhưng chúng không thể "tạm biệt" những người bạn của mình. Độ lớn của lực hút vẫn đủ để giữ chúng không bị phân tán.
Lý do là, dạng lỏng có thể thay đổi, nhưng thể tích thì luôn cố định. Khi ta đổ nước vào cốc, lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử không đủ mạnh để làm cho hình dạng của nước thay đổi theo hình dạng của cốc. Khi ta đổ nước vào bồn tắm, lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử yếu hơn khiến nước tự điều chỉnh hình dạng của nó theo hình dạng của bồn tắm. Thể tích của chất lỏng luôn cố định vì lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử vẫn đủ mạnh để giữ chúng lại với nhau. Các nguyên tử hoặc phân tử tạo nên nước không bị phân tán, vì vậy thể tích luôn cố định.
Vị trí của nguyên tử hoặc phân tử cấu tạo nên chất lỏng, như trong hình (mũi tên chỉ hướng chuyển động).
Xăng
Trong chất khí, lực hút giữa các nguyên tử hoặc phân tử rất yếu. Chúng chuyển động tự do vì không có liên kết nào giữa chúng. Lực hút yếu này khiến các nguyên tử hoặc phân tử tạo nên chất khí phân tán khắp nơi. Các nguyên tử tạo nên chất khí tự do hơn các nguyên tử tạo nên chất rắn hoặc chất lỏng.
Vị trí của các nguyên tử hoặc phân tử tạo thành khí được thể hiện trong hình vẽ.
Một lực hút mong manh là lý do khiến hình dạng và thể tích của chất khí có thể thay đổi, và tại sao mắt không thể nhìn thấy không khí. Kích thước của nguyên tử hoặc phân tử rất nhỏ, nếu chúng phân tán khắp nơi thì ta không thể nhìn thấy. Kích thước của cát hoặc đường lớn hơn nhiều so với nguyên tử hoặc phân tử, vì vậy ngay cả khi phân tán, các hạt cát vẫn có thể nhìn thấy bằng mắt thường, mặc dù hơi khó quan sát.
Các chất rắn hoặc lỏng có thể nhìn thấy được vì các nguyên tử hoặc phân tử không bị phân tán. Lực hút trong chất rắn và chất khí vẫn đủ mạnh để giữ chúng lại với nhau. Lực hút trong chất khí yếu hơn nên không đủ mạnh để giữ các nguyên tử hoặc phân tử lại với nhau. Lực hút yếu này cũng là lý do tại sao chất khí và chất lỏng có thể chảy.
