สถานะของสสาร — ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา

สถานะของสสารคือรูปแบบทางกายภาพที่สารหนึ่ง ๆ สามารถเป็นได้ ได้แก่ ของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา ภาพรวมแบบสั้น ๆ เข้าใจได้ไม่ยาก ของแข็งคงรูปร่างและปริมาตร ของเหลวคงปริมาตรแต่เปลี่ยนรูปร่างตามภาชนะ แก๊สจะแผ่กระจายจนเต็มภาชนะ และพลาสมาเป็นสถานะคล้ายแก๊สที่ประกอบด้วยอนุภาคมีประจุ

สิ่งเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่าเฟสของสสาร เมื่อสารเปลี่ยนสถานะ อัตลักษณ์ทางเคมีของมันจะไม่เปลี่ยน สิ่งที่เปลี่ยนคือระยะห่างระหว่างอนุภาค การเคลื่อนที่ของอนุภาค และความแรงของแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอนุภาค

อะไรเป็นตัวกำหนดสถานะของสสาร

ในระดับอนุภาค แต่ละสถานะคือสมดุลที่แตกต่างกันระหว่างการเคลื่อนที่กับแรงดึงดูด ถ้าอนุภาคถูกยึดไว้แน่น สารนั้นจะมีพฤติกรรมเป็นของแข็ง ถ้าอนุภาคยังอยู่ใกล้กันแต่เลื่อนผ่านกันได้ ก็จะมีพฤติกรรมเป็นของเหลว ถ้าอนุภาคเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระและกระจายออกไป ก็จะมีพฤติกรรมเป็นแก๊ส

ความดันก็มีผลเช่นกัน ไม่ใช่แค่อุณหภูมิเท่านั้น สถานะที่เสถียรภายใต้เงื่อนไขชุดหนึ่ง อาจเปลี่ยนไปได้ภายใต้อีกชุดหนึ่ง

อธิบายของแข็ง ของเหลว แก๊ส และพลาสมา

ของแข็งคงรูปร่างและปริมาตร

ในของแข็ง อนุภาคเรียงตัวชิดกันและอยู่ในตำแหน่งคงที่เมื่อเทียบกับกันและกัน อนุภาคยังคงเคลื่อนที่ แต่ส่วนใหญ่เป็นการสั่น นั่นจึงเป็นเหตุผลที่ของแข็งคงทั้งรูปร่างและปริมาตร

ของเหลวคงปริมาตรแต่ไม่คงรูปร่าง

ในของเหลว อนุภาคยังคงอยู่ใกล้กัน แต่สามารถเคลื่อนผ่านกันได้ นั่นจึงเป็นเหตุผลที่ของเหลวคงปริมาตรได้เกือบคงที่ ขณะเดียวกันก็เปลี่ยนรูปร่างตามภาชนะที่บรรจุ

แก๊สแผ่เต็มภาชนะ

ในแก๊ส อนุภาคอยู่ห่างกันมากกว่าและเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระทั่วทั้งภาชนะ ภายใต้สภาวะปกติ แก๊สจะไม่คงรูปร่างหรือปริมาตรของตัวเอง มันจะขยายตัวเพื่อเติมเต็มพื้นที่ที่มีอยู่

พลาสมามีอนุภาคที่มีประจุ

พลาสมามักถูกอธิบายว่าเป็นแก๊สที่แตกตัวเป็นไอออน มันเกิดขึ้นเมื่อได้รับพลังงานมากพอจนทำให้อิเล็กตรอนบางส่วนแยกออกจากอะตอมหรือโมเลกุล เนื่องจากพลาสมามีอนุภาคที่มีประจุ มันจึงตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กได้ในแบบที่แก๊สเป็นกลางทั่วไปทำไม่ได้

ตัวอย่างวิเคราะห์: น้ำในรูปน้ำแข็ง น้ำเหลว และไอน้ำ

น้ำเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนมาก เพราะสารยังคงเป็น $H_2O$ ในทุกสถานะ อัตลักษณ์ของสารคงเดิม แต่พฤติกรรมของอนุภาคเปลี่ยนไป

น้ำแข็งคือน้ำในสถานะของแข็ง โมเลกุลของมันถูกยึดอยู่ในโครงสร้างที่เป็นระเบียบ จึงคงรูปร่างได้

น้ำเหลวมีโมเลกุลที่ยังอยู่ใกล้กัน แต่เคลื่อนที่ผ่านกันได้ จึงไหลได้และเปลี่ยนรูปร่างตามแก้วหรือขวดที่บรรจุ

ไอน้ำคือน้ำในสถานะแก๊ส โมเลกุลอยู่ห่างกันมากพอที่ตัวอย่างสารจะแผ่กระจายไปเต็มพื้นที่ที่มีอยู่ ในภาษาพูดทั่วไป คนมักเรียกไอน้ำร้อนว่า "ไอน้ำ" แต่กลุ่มเมฆสีขาวที่มองเห็นเหนือกาต้มน้ำมักมีหยดของเหลวขนาดเล็กปนอยู่ด้วย

ตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมี การหลอมเหลวและการเดือดไม่ได้สร้างสารใหม่ ตัวอย่างสารยังคงเป็นน้ำ ดังนั้นสิ่งที่เปลี่ยนจึงมีเพียงสถานะเท่านั้น

การเปลี่ยนสถานะเกิดขึ้นได้อย่างไร

เมื่ออุณหภูมิหรือความดันเปลี่ยน สสารสามารถเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปสู่อีกสถานะหนึ่งได้

• การหลอมเหลว: ของแข็งเป็นของเหลว
• การแข็งตัว: ของเหลวเป็นของแข็ง
• การกลายเป็นไอ: ของเหลวเป็นแก๊ส
• การควบแน่น: แก๊สเป็นของเหลว
• การระเหิด: ของแข็งเป็นแก๊ส
• การระเหิดกลับ: แก๊สเป็นของแข็ง

ที่ความดันปกติในห้องเรียน การให้ความร้อนมักผลักให้สารไปสู่สภาพที่อนุภาคมีอิสระมากขึ้น เช่น จากของแข็งเป็นของเหลว หรือจากของเหลวเป็นแก๊ส แต่ความดันสามารถเปลี่ยนผลลัพธ์ได้ นั่นจึงเป็นเหตุผลที่แผนภาพเฟสต้องใช้ทั้งอุณหภูมิและความดัน

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อยเกี่ยวกับสถานะของสสาร

สับสนระหว่างการเปลี่ยนสถานะกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมี

ถ้าน้ำแข็งละลายเป็นน้ำ นั่นไม่ใช่ปฏิกิริยาเคมี โมเลกุลยังคงเป็น $H_2O$

คิดว่าอนุภาคในของแข็งไม่เคลื่อนที่

จริง ๆ แล้วมันเคลื่อนที่ ในของแข็ง การเคลื่อนที่ส่วนใหญ่เป็นการสั่นรอบตำแหน่งคงที่ มากกว่าการเคลื่อนที่อย่างอิสระทั่วทั้งตัวอย่างสาร

คิดว่าแก๊สไม่มีปริมาตร

ตัวอย่างแก๊สมีปริมาตรจริง ประเด็นสำคัญคือมันไม่คงปริมาตรคงที่ของตัวเอง เมื่อขนาดของภาชนะสามารถเปลี่ยนได้

มองว่าพลาสมาเป็นแค่ "แก๊สที่ร้อนมาก"

อุณหภูมิสูงสามารถทำให้เกิดพลาสมาได้ แต่ความแตกต่างที่สำคัญคือการแตกตัวเป็นไอออน พลาสมามีอนุภาคที่มีประจุ ซึ่งทำให้มันมีพฤติกรรมแตกต่างจากแก๊สทั่วไป

แนวคิดนี้ถูกใช้ตรงไหนในวิชาเคมี

สถานะของสสารปรากฏตั้งแต่ช่วงต้นของการเรียนเคมี เพราะเป็นพื้นฐานของแนวคิดอีกหลายเรื่องในภายหลัง เช่น กราฟการให้ความร้อน การเปลี่ยนสถานะ พฤติกรรมของแก๊ส แบบจำลองอนุภาค และการสังเกตในห้องปฏิบัติการ

แนวคิดนี้ยังสำคัญนอกห้องเรียนเคมีด้วย มันช่วยอธิบายว่าทำไมของเหลวจึงเทได้ ทำไมแก๊สจึงอัดได้ง่ายกว่าของเหลว ทำไมน้ำค้างแข็งจึงอาจเกิดจากไอน้ำได้โดยตรงภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม และทำไมฟ้าแลบกับดาวฤกษ์จึงเกี่ยวข้องกับพลาสมา

วิธีเร็ว ๆ ในการตรวจความเข้าใจของคุณ

เลือกสารหนึ่งชนิด แล้วถามคำถามเดิมสามข้อในแต่ละสถานะ:

1. มันคงรูปร่างของตัวเองหรือไม่?
2. มันคงปริมาตรของตัวเองหรือไม่?
3. อนุภาคของมันเคลื่อนที่ได้อิสระแค่ไหน?

ถ้าคุณตอบคำถามทั้งสามข้อนี้ได้สำหรับน้ำแข็ง น้ำเหลว และไอน้ำ โดยทั่วไปก็ถือว่าเข้าใจแนวคิดนี้ชัดพอที่จะนำไปใช้กับหัวข้อที่ซับซ้อนขึ้นได้

ลองกรณีที่คล้ายกัน

ลองทำแบบฝึกของคุณเองกับคาร์บอนไดออกไซด์ โดยเปรียบเทียบน้ำแข็งแห้ง คาร์บอนไดออกไซด์ในสถานะแก๊ส และเงื่อนไขที่ทำให้สถานะหนึ่งเปลี่ยนเป็นอีกสถานะหนึ่ง นี่เป็นขั้นต่อไปที่ดี เพราะจะบังคับให้คุณคิดทั้งเรื่องอุณหภูมิและความดัน ไม่ใช่แค่การให้ความร้อนเพียงอย่างเดียว