Các trạng thái của vật chất — Rắn, lỏng, khí và plasma

Các trạng thái của vật chất là những dạng vật lý mà một chất có thể tồn tại: rắn, lỏng, khí và plasma. Hình dung nhanh thì khá đơn giản. Chất rắn giữ hình dạng và thể tích, chất lỏng giữ thể tích nhưng nhận hình dạng của vật chứa, chất khí lan ra để lấp đầy vật chứa, còn plasma là trạng thái giống chất khí gồm các hạt mang điện.

Chúng cũng được gọi là các pha của vật chất. Khi một chất thay đổi trạng thái, bản chất hóa học của nó không thay đổi. Điều thay đổi là khoảng cách giữa các hạt, chuyển động của các hạt và mức độ tương tác mạnh giữa chúng.

Điều Gì Quyết Định Trạng Thái Của Vật Chất

Ở mức độ hạt, mỗi trạng thái là một sự cân bằng khác nhau giữa chuyển động và lực hút. Nếu các hạt bị giữ chặt tại chỗ, chất đó có tính chất như chất rắn. Nếu chúng vẫn ở gần nhau nhưng có thể trượt qua nhau, nó có tính chất như chất lỏng. Nếu chúng chuyển động tự do và phân tán ra xa, nó có tính chất như chất khí.

Áp suất cũng quan trọng, không chỉ riêng nhiệt độ. Một trạng thái bền trong một bộ điều kiện có thể thay đổi dưới bộ điều kiện khác.

Giải Thích Chất Rắn, Chất Lỏng, Chất Khí Và Plasma

Chất Rắn Giữ Hình Dạng Và Thể Tích

Trong chất rắn, các hạt xếp rất gần nhau và giữ vị trí cố định tương đối với nhau. Chúng vẫn chuyển động, nhưng chủ yếu là dao động. Đó là lý do chất rắn giữ được cả hình dạng lẫn thể tích.

Chất Lỏng Giữ Thể Tích Nhưng Không Giữ Hình Dạng

Trong chất lỏng, các hạt vẫn ở gần nhau, nhưng chúng có thể chuyển động lướt qua nhau. Vì vậy, chất lỏng giữ thể tích gần như cố định trong khi nhận hình dạng của vật chứa.

Chất Khí Lấp Đầy Vật Chứa

Trong chất khí, các hạt ở xa nhau hơn nhiều và chuyển động tự do trong vật chứa. Chất khí không giữ hình dạng hay thể tích riêng của nó trong điều kiện thông thường. Nó nở ra để chiếm toàn bộ không gian có sẵn.

Plasma Chứa Các Hạt Mang Điện

Plasma thường được mô tả là một chất khí bị ion hóa. Nó hình thành khi được cung cấp đủ năng lượng để một số electron tách khỏi nguyên tử hoặc phân tử. Vì plasma chứa các hạt mang điện, nó có thể phản ứng với điện trường và từ trường theo những cách mà một chất khí trung hòa thông thường không thể.

Ví Dụ Có Lời Giải: Nước Dưới Dạng Băng, Nước Lỏng Và Hơi Nước

Nước là một ví dụ rất rõ vì chất này vẫn là $H_2O$ ở mọi trạng thái. Bản chất của chất giữ nguyên trong khi cách các hạt hành xử thay đổi.

Băng là nước ở trạng thái rắn. Các phân tử của nó được giữ trong một cấu trúc có tổ chức, nên nó giữ được hình dạng.

Nước lỏng có các phân tử vẫn ở gần nhau nhưng chuyển động quanh nhau, nên nó chảy và nhận hình dạng của cốc hoặc chai.

Hơi nước là nước ở trạng thái khí. Các phân tử ở đủ xa nhau để mẫu chất lan ra lấp đầy không gian có sẵn. Trong lời nói hằng ngày, người ta thường gọi hơi nước nóng là "steam", nhưng đám mây trắng nhìn thấy phía trên ấm đun nước thường cũng chứa các giọt chất lỏng rất nhỏ.

Ví dụ này cho thấy sự khác nhau giữa biến đổi vật lý và biến đổi hóa học. Sự nóng chảy và sự sôi không tạo ra chất mới. Mẫu chất vẫn là nước, nên chỉ có trạng thái thay đổi.

Sự Chuyển Trạng Thái Xảy Ra Như Thế Nào

Khi nhiệt độ hoặc áp suất thay đổi, vật chất có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác.

• Nóng chảy: rắn sang lỏng
• Đông đặc: lỏng sang rắn
• Hóa hơi: lỏng sang khí
• Ngưng tụ: khí sang lỏng
• Thăng hoa: rắn sang khí
• Ngưng kết: khí sang rắn

Ở áp suất thông thường trong lớp học, việc tăng nhiệt độ thường đẩy một chất theo hướng các hạt tự do hơn, như từ rắn sang lỏng hoặc từ lỏng sang khí. Nhưng áp suất có thể làm thay đổi kết quả. Đó là lý do sơ đồ pha cần cả nhiệt độ lẫn áp suất.

Những Nhầm Lẫn Thường Gặp Về Các Trạng Thái Của Vật Chất

Nhầm Sự Thay Đổi Trạng Thái Với Biến Đổi Hóa Học

Nếu băng tan thành nước, đó không phải là phản ứng hóa học. Các phân tử vẫn là $H_2O$.

Nghĩ Rằng Các Hạt Trong Chất Rắn Không Chuyển Động

Chúng có chuyển động. Trong chất rắn, chuyển động chủ yếu là dao động quanh các vị trí cố định chứ không phải chuyển động tự do khắp mẫu chất.

Cho Rằng Chất Khí Không Có Thể Tích

Một mẫu chất khí vẫn chiếm thể tích. Điểm quan trọng là nó không giữ một thể tích cố định của riêng nó khi kích thước vật chứa có thể thay đổi.

Coi Plasma Chỉ Là "Chất Khí Rất Nóng"

Nhiệt độ cao có thể tạo ra plasma, nhưng điểm khác biệt quan trọng là sự ion hóa. Plasma chứa các hạt mang điện, nên nó có tính chất khác.

Bạn Dùng Ý Tưởng Này Ở Đâu Trong Hóa Học

Các trạng thái của vật chất xuất hiện sớm trong hóa học vì chúng hỗ trợ nhiều ý tưởng học sau này: đường cong đun nóng, sự chuyển pha, tính chất của chất khí, mô hình hạt và các quan sát trong phòng thí nghiệm.

Khái niệm này cũng quan trọng ngoài lớp hóa học. Nó giúp giải thích vì sao chất lỏng có thể rót, vì sao chất khí dễ nén hơn chất lỏng, vì sao sương giá có thể hình thành trực tiếp từ hơi nước trong những điều kiện thích hợp, và vì sao sét cùng các ngôi sao có liên quan đến plasma.

Cách Nhanh Để Kiểm Tra Mức Độ Hiểu Của Bạn

Hãy lấy một chất và đặt cùng ba câu hỏi ở mỗi trạng thái:

1. Nó có giữ hình dạng riêng không?
2. Nó có giữ thể tích riêng không?
3. Các hạt của nó chuyển động tự do đến mức nào?

Nếu bạn có thể trả lời ba câu hỏi đó cho băng, nước lỏng và hơi nước, thì khái niệm này thường đã đủ rõ để dùng trong các chủ đề nâng cao hơn.

Hãy Thử Một Trường Hợp Tương Tự

Hãy tự làm phiên bản của bạn với carbon dioxide: so sánh đá khô, carbon dioxide ở thể khí và các điều kiện mà dưới đó trạng thái này chuyển thành trạng thái kia. Đây là bước tiếp theo tốt vì nó buộc bạn phải nghĩ đến cả nhiệt độ lẫn áp suất, chứ không chỉ riêng việc đun nóng.