Четыре основные состояния вещества

Словарь химических терминов
Магнитное поле – область вокруг магнита или электрического тока, которая описывает магнитное влияние на движущиеся электрические заряды, токи и магнитные материалы. Движущийся электрический заряд в магнитном поле испытывает силу, перпендикулярную его скорости.

Материя – все, что имеет массу и занимает пространство; она состоит из атомов и соединений, которые составляют физические и химические свойства. Для получения более подробной информации о концепции материи ознакомьтесь с этой статьей!

Фаза и вещество иногда используются как синонимы; однако возможно образование нескольких фаз, которые находятся в одном и том же состоянии вещества (например, как твердые вещества могут иметь разные кристаллические структуры).

Каковы состояния материи?

Состояния материи относятся к физическим формам, которые может принимать материя. Существует три основных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Состояние вещества зависит от его температуры и давления. Например, при комнатной температуре и давлении вода является жидкостью, но если ее нагреть до достаточно высокой температуры, она превратится в газ (пар), а если ее охладить до достаточно низкой температуры, она превратится в твердое вещество (лед). Поведение вещества также меняется в зависимости от его состояния. Твердые тела имеют фиксированную форму и объем, в то время как жидкости имеют фиксированный объем, но могут принимать форму своего контейнера, а газы не имеют ни фиксированной формы, ни фиксированного объема. Свойства вещества, такие как его плотность, проводимость и вязкость, также варьируются в зависимости от его состояния вещества.

Существует четыре основных состояния вещества, если вы включаете плазму. Кроме того, существует множество промежуточных состояний, многие из которых существуют только в экстремальных условиях; всего их двадцать!

Из-за их различий в свойствах, являющихся их отличительными факторами, давайте рассмотрим некоторые из состояний вещества ниже:

Твердые тела
В твердом состоянии частицы плотно упакованы вместе в фиксированном расположении. Из-за сильных сил, удерживающих их вместе, частицы твердого тела способны перемещаться вперед и назад только с небольшими колебаниями; другими словами, они остаются в своих фиксированных положениях. В результате твердые тела имеют самую низкую кинетическую энергию из всех состояний вещества.

Частицы соединения связаны либо в организованной геометрической решетке, либо в случайной неструктурированной форме. Присутствующие материалы и условия, в которых создается твердое вещество, определяют, будет ли оно кристаллическим или аморфным твердым веществом. Обычно, когда условия устойчивы (например, медленное и постепенное охлаждение / нагрев), частицы имеют шанс выровняться равномерно. Однако, когда происходят экстремальные и быстрые изменения температуры, результатом, скорее всего, будет твердое вещество неопределенной формы.

Твердые тела имеют определенную форму и объем, что означает, что они имеют фиксированное положение и не будут соответствовать форме их контейнера. Поскольку их частицы настолько плотно упакованы, твердые вещества, как правило, имеют высокую плотность, и их трудно сжимать дальше без использования большой внешней силы.

Классы твердых тел
Осознаем мы это или нет, но вокруг нас так много типов твердых веществ — от поваренной соли до деревянного стула! Поскольку типы сил и связей между частицами могут различаться, существуют разные классы твердых тел. К этим классам относятся металлы, минералы, (стеклянная) керамика, органические молекулы, композитные материалы, полупроводники, наноматериалы и биоматериалы. Из-за их различных силовых взаимодействий эти категории твердых веществ имеют разные физические и химические свойства. Эти свойства включают эластичность, проводимость, пропускание света, пластичность и многое другое.

Жидкости
В жидком состоянии частицы имеют больше свободы для обтекания друг друга, поскольку они более свободно упакованы, чем твердое вещество. Из-за более слабых сил, удерживающих их частицы вместе, жидкости соответствуют форме их контейнера. Однако взаимодействие достаточно сильное, чтобы частицы притягивались друг к другу. В результате жидкости являются несжимаемыми; это означает, что жидкости имеют фиксированный объем (независимо от формы их контейнера), пока температура и давление поддерживаются постоянными. Поскольку движение частиц больше, чем в твердом теле, жидкости имеют более высокое значение кинетической энергии.

Твердые вещества при нагревании до температуры плавления могут поглощать тепловую энергию, которая приводит в движение частицы. Как только в систему поступит достаточно энергии, чтобы ослабить силы, удерживающие их неподвижными, частицам будет позволено больше двигаться по мере их перехода в жидкое состояние. Некоторые свойства, на которые следует обратить внимание при исследовании жидкостей, - это плавучесть, поверхностное натяжение, текучесть и плотность.

Газы
В газообразном состоянии частицы имеют еще большую свободу передвижения, чем в жидкости. Здесь частицы могут двигаться в случайных направлениях, не притягивая друг друга. Молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы межмолекулярные силы, удерживающие их вместе, были незначительными, что является причиной их количества движения. Как и жидкости, газы не имеют определенной формы; следовательно, они также соответствуют форме их контейнера. Однако, в отличие от жидкостей, газы сжимаемы — они не имеют фиксированного объема; это означает, что частицы газа будут распространяться, заполняя контейнер, в котором они находятся. Из-за расстояния между частицами газа бесцветный газ обычно невидим для человеческого глаза. Вот почему у нас есть способы обнаружения газов, такие как детекторы окиси углерода!

Из-за свойств этого состояния вещества математический анализ газов может быть затруднен. Вот почему существует Закон идеального газа, который устанавливает условия для того, как газ должен действовать в ‘идеальных’ условиях. Существуют также различные математические соотношения, которые устанавливают условия для поведения газов, такие как Закон Бойля, Закон Чарльза, закон Гей-Люссака, Закон Генри, закон комбинированного газа и закон Авогадро.

Чистые газы против газовой смеси
Чистый газ может состоять из отдельных атомов (например, благородных газов, таких как неон и аргон), элементарных молекул с одним типом атома (например, двухатомных газов, таких как O2 и N2) или сложных молекул с несколькими типами атомов (например, диоксид углерода). С другой стороны, газовая смесь содержит множество чистых газов. Распространенным примером газовой смеси является воздух в атмосфере Земли (который содержит азот, кислород, аргон и несколько других газов).

Плазма
Это менее известное состояние вещества представляет собой подмножество газов. Подобно газам, плазма не имеет определенной формы или объема и имеет меньшую плотность. Опять же, это означает, что частицы будут соответствовать как форме, так и объему контейнера, в котором они хранятся. Однако, в то время как газы состоят из молекул с нулевым суммарным зарядом, плазма состоит из заряженных частиц. Они состоят из свободно движущегося моря электронов с положительно заряженными ядрами, “плавающими”. В результате плазма может проводить электрические заряды и взаимодействовать с другими электромагнитными силами.

Плазма может стать газом одним из двух способов. Во-первых, воздействие большой разности напряжений (равной или превышающей разность зарядов 2) снимет электрический заряд и ионизирует его, придав ему нейтральный заряд газа. Во-вторых, при воздействии на плазму высокотемпературных условий электроны покидают атомы, в результате чего образуются свободные электроны. Поскольку свободны только некоторые электроны, это называется частично ионизированной плазмой. В некоторых экстремальных условиях можно предположить, что все электроны свободны; это называется полностью ионизированной плазмой.

Плазма составляет приблизительно 99% Вселенной. Он светится в форме звезд, туманностей и полярных сияний. Кроме того, слой земной атмосферы, известный как ионосфера, считается плазмой. Вспышки молний в небе и неоновые вывески на городских улицах - другие примеры плазмы.

Примеры промежуточных состояний вещества

Конденсат Бозе-Эйнштейна (BEC)
В 1995 году ученые продемонстрировали искусственное состояние вещества: конденсат Бозе-Эйнштейна. Это группа атомов, охлажденных почти до абсолютного нуля (-273,15 ° C). При этой температуре атомы не имеют свободной энергии для перемещения относительно друг друга. Поэтому они начинают объединяться в единое квантовое состояние и становятся идентичными, ведя себя как единый атом. Конденсаты Бозе-Эйнштейна играют важную роль в разработке энергоэффективных лазеров и сверхбыстрых оптических переключателей.

Конденсат цветного стекла
У этого типа материи есть теория! Предположительно, он существует внутри атомных ядер, когда они сталкиваются во время движения, близкого к скорости света. В соответствии с теорией относительности Эйнштейна ядро с высокой энергией может казаться сжатым; в результате глюоны внутри ядра выглядят как стена, движущаяся со скоростью света. Плотность глюонной стенки может увеличиваться, и насыщенное глюонное вещество известно как конденсат цветного стекла. Это состояние материи важно, потому что оно было предложено в качестве универсальной формы материи для анализа и описания свойств высокоэнергетических, сильно взаимодействующих частиц.

Состояния вещества в различных условиях
При стандартной температуре и давлении (STP) большинство веществ существуют в виде газов, но при разных условиях они могут принимать разные состояния. Например, при низких температурах и высоких давлениях некоторые вещества могут существовать одновременно в виде твердого, жидкого или газообразного вещества в состоянии, известном как тройная точка. Другие вещества могут существовать в виде твердого вещества и газа одновременно, в состоянии, известном как сублимация. Свойства вещества, такие как его плотность, проводимость и вязкость, также варьируются в зависимости от его состояния вещества. В химии на уровне средней школы или колледжа учащиеся узнают о различных состояниях вещества и о том, как предсказывать и объяснять фазовые переходы между ними.

Состояния вещества могут меняться при изменении температуры или давления вещества. Например, когда вещество нагревается, энергия его молекул увеличивается, заставляя их двигаться быстрее и дальше друг от друга. Это может привести к изменению состояния вещества, например, к плавлению твердого вещества в жидкость или к кипению жидкости, превращающейся в газ. Аналогично, когда вещество охлаждается, энергия его молекул уменьшается, заставляя их двигаться медленнее и ближе друг к другу. Это может привести к изменению состояния вещества, например, к замерзанию жидкости, превращению ее в твердое вещество, или к конденсации газа, превращающегося в жидкость.

Давление вещества также может влиять на его состояние вещества. Например, увеличение давления на газ может привести к его конденсации и превращению в жидкость, в то время как уменьшение давления на жидкость может привести к ее испарению и превращению в газ. Эти изменения температуры и давления вызваны множеством факторов, таких как добавление или отвод тепла, изменения объема вещества или присутствие других веществ, которые могут повлиять на его состояние.