Καταστάσεις της ύλης — στερεό, υγρό, αέριο και πλάσμα

Οι καταστάσεις της ύλης είναι οι φυσικές μορφές που μπορεί να πάρει μια ουσία: στερεό, υγρό, αέριο και πλάσμα. Η βασική εικόνα είναι απλή. Τα στερεά διατηρούν σχήμα και όγκο, τα υγρά διατηρούν τον όγκο αλλά παίρνουν το σχήμα του δοχείου τους, τα αέρια απλώνονται ώστε να γεμίσουν το δοχείο και το πλάσμα είναι μια κατάσταση παρόμοια με αέριο που αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια.

Αυτές ονομάζονται επίσης φάσεις της ύλης. Όταν μια ουσία αλλάζει κατάσταση, η χημική της ταυτότητα δεν αλλάζει. Αυτό που αλλάζει είναι η απόσταση μεταξύ των σωματιδίων, η κίνησή τους και το πόσο ισχυρά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.

Τι καθορίζει την κατάσταση της ύλης

Στο επίπεδο των σωματιδίων, κάθε κατάσταση είναι μια διαφορετική ισορροπία ανάμεσα στην κίνηση και την έλξη. Αν τα σωματίδια συγκρατούνται ισχυρά στις θέσεις τους, η ουσία συμπεριφέρεται ως στερεό. Αν παραμένουν κοντά αλλά μπορούν να ολισθαίνουν το ένα δίπλα στο άλλο, συμπεριφέρεται ως υγρό. Αν κινούνται ελεύθερα και απομακρύνονται μεταξύ τους, συμπεριφέρεται ως αέριο.

Σημασία έχει και η πίεση, όχι μόνο η θερμοκρασία. Μια κατάσταση που είναι σταθερή σε ένα σύνολο συνθηκών μπορεί να αλλάξει σε άλλο.

Στερεό, υγρό, αέριο και πλάσμα

Το στερεό διατηρεί σχήμα και όγκο

Σε ένα στερεό, τα σωματίδια είναι πολύ κοντά μεταξύ τους και παραμένουν σε σταθερές θέσεις το ένα ως προς το άλλο. Εξακολουθούν να κινούνται, αλλά κυρίως με ταλάντωση. Γι’ αυτό ένα στερεό διατηρεί και το σχήμα και τον όγκο του.

Το υγρό διατηρεί όγκο αλλά όχι σχήμα

Σε ένα υγρό, τα σωματίδια παραμένουν κοντά μεταξύ τους, αλλά μπορούν να κινούνται το ένα δίπλα στο άλλο. Γι’ αυτό ένα υγρό διατηρεί σχεδόν σταθερό όγκο, ενώ παίρνει το σχήμα του δοχείου του.

Το αέριο γεμίζει το δοχείο

Σε ένα αέριο, τα σωματίδια βρίσκονται πολύ πιο μακριά μεταξύ τους και κινούνται ελεύθερα μέσα στο δοχείο. Ένα αέριο δεν διατηρεί δικό του σχήμα ή όγκο σε συνηθισμένες συνθήκες. Διαστέλλεται ώστε να γεμίσει τον διαθέσιμο χώρο.

Το πλάσμα περιέχει φορτισμένα σωματίδια

Το πλάσμα συχνά περιγράφεται ως ιονισμένο αέριο. Σχηματίζεται όταν παρέχεται αρκετή ενέργεια ώστε κάποια ηλεκτρόνια να αποσπαστούν από άτομα ή μόρια. Επειδή το πλάσμα περιέχει φορτισμένα σωματίδια, μπορεί να ανταποκρίνεται σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία με τρόπους που ένα συνηθισμένο ουδέτερο αέριο δεν μπορεί.

Λυμένο παράδειγμα: νερό ως πάγος, υγρό νερό και υδρατμός

Το νερό είναι ένα πολύ καλό παράδειγμα, επειδή η ουσία παραμένει $H_2O$ σε κάθε κατάσταση. Η ταυτότητα μένει ίδια, ενώ αλλάζει η συμπεριφορά των σωματιδίων.

Ο πάγος είναι στερεό νερό. Τα μόριά του συγκρατούνται σε μια οργανωμένη δομή, γι’ αυτό διατηρεί το σχήμα του.

Το υγρό νερό έχει μόρια που παραμένουν κοντά μεταξύ τους αλλά κινούνται το ένα γύρω από το άλλο, γι’ αυτό ρέει και παίρνει το σχήμα ενός ποτηριού ή ενός μπουκαλιού.

Ο υδρατμός είναι νερό σε αέρια κατάσταση. Τα μόρια βρίσκονται αρκετά μακριά μεταξύ τους ώστε το δείγμα να απλώνεται και να γεμίζει τον διαθέσιμο χώρο. Στην καθημερινή ομιλία, οι άνθρωποι συχνά αποκαλούν τον ζεστό υδρατμό «ατμό», αλλά το ορατό λευκό νέφος πάνω από έναν βραστήρα συνήθως περιέχει και πολύ μικρά σταγονίδια υγρού.

Αυτό το παράδειγμα δείχνει τη διαφορά ανάμεσα σε μια φυσική μεταβολή και μια χημική μεταβολή. Η τήξη και ο βρασμός δεν δημιουργούν νέα ουσία. Το δείγμα παραμένει νερό, άρα αλλάζει μόνο η κατάσταση.

Πώς συμβαίνουν οι αλλαγές κατάστασης

Όταν αλλάζει η θερμοκρασία ή η πίεση, η ύλη μπορεί να περάσει από τη μία κατάσταση στην άλλη.

• Τήξη: στερεό σε υγρό
• Πήξη: υγρό σε στερεό
• Εξάτμιση: υγρό σε αέριο
• Συμπύκνωση: αέριο σε υγρό
• Εξάχνωση: στερεό σε αέριο
• Απόθεση: αέριο σε στερεό

Σε συνηθισμένη σχολική πίεση, η θέρμανση συνήθως ωθεί μια ουσία προς μεγαλύτερη ελευθερία κίνησης των σωματιδίων, όπως από στερεό σε υγρό ή από υγρό σε αέριο. Όμως η πίεση μπορεί να αλλάξει το αποτέλεσμα. Γι’ αυτό ένα διάγραμμα φάσεων χρειάζεται και θερμοκρασία και πίεση.

Συνηθισμένα λάθη για τις καταστάσεις της ύλης

Σύγχυση αλλαγής κατάστασης με χημική μεταβολή

Αν ο πάγος λιώσει και γίνει νερό, αυτό δεν είναι χημική αντίδραση. Τα μόρια παραμένουν $H_2O$.

Η ιδέα ότι τα σωματίδια σε ένα στερεό δεν κινούνται

Κινούνται. Σε ένα στερεό, η κίνηση είναι κυρίως ταλάντωση γύρω από σταθερές θέσεις και όχι ελεύθερη μετακίνηση μέσα στο δείγμα.

Η υπόθεση ότι ένα αέριο δεν έχει όγκο

Ένα δείγμα αερίου πράγματι καταλαμβάνει όγκο. Το βασικό σημείο είναι ότι δεν διατηρεί έναν δικό του σταθερό όγκο όταν το μέγεθος του δοχείου μπορεί να αλλάξει.

Η αντιμετώπιση του πλάσματος ως απλώς «πολύ θερμού αερίου»

Η υψηλή θερμοκρασία μπορεί να παράγει πλάσμα, αλλά η σημαντική διαφορά είναι ο ιονισμός. Το πλάσμα περιέχει φορτισμένα σωματίδια, και αυτό του δίνει διαφορετική συμπεριφορά.

Πού χρησιμοποιείς αυτή την ιδέα στη χημεία

Οι καταστάσεις της ύλης εμφανίζονται νωρίς στη χημεία, επειδή στηρίζουν πολλές μεταγενέστερες ιδέες: καμπύλες θέρμανσης, αλλαγές φάσης, συμπεριφορά αερίων, σωματιδιακά μοντέλα και εργαστηριακές παρατηρήσεις.

Η έννοια αυτή έχει σημασία και έξω από το μάθημα της χημείας. Βοηθά να εξηγηθεί γιατί τα υγρά χύνονται, γιατί τα αέρια συμπιέζονται πιο εύκολα από τα υγρά, γιατί μπορεί να σχηματιστεί πάχνη απευθείας από υδρατμό στις κατάλληλες συνθήκες και γιατί οι αστραπές και τα άστρα περιλαμβάνουν πλάσμα.

Ένας γρήγορος τρόπος να ελέγξεις αν το κατάλαβες

Πάρε μία ουσία και κάνε τις ίδιες τρεις ερωτήσεις σε κάθε κατάσταση:

1. Διατηρεί το δικό της σχήμα;
2. Διατηρεί τον δικό της όγκο;
3. Πόσο ελεύθερα κινούνται τα σωματίδιά της;

Αν μπορείς να απαντήσεις σε αυτές τις τρεις ερωτήσεις για τον πάγο, το υγρό νερό και τον υδρατμό, τότε η έννοια είναι συνήθως αρκετά ξεκάθαρη ώστε να τη χρησιμοποιήσεις σε πιο προχωρημένα θέματα.

Δοκίμασε μια παρόμοια περίπτωση

Δοκίμασε τη δική σου εκδοχή με το διοξείδιο του άνθρακα: σύγκρινε τον ξηρό πάγο, το αέριο διοξείδιο του άνθρακα και τις συνθήκες κάτω από τις οποίες το ένα μετατρέπεται στο άλλο. Αυτό είναι ένα καλό επόμενο βήμα, επειδή σε αναγκάζει να σκεφτείς και τη θερμοκρασία και την πίεση, όχι μόνο τη θέρμανση.