Materia to wszystko, co zajmuje przestrzeń i ma masę. Wszystkie obiekty fizyczne składają się z materii, a łatwą do zaobserwowania właściwością materii jest jej stan lub faza. Klasyczne stany materii to ciało stałe, ciecz i gaz. Istnieje kilka innych stanów, w tym plazma i kondensat Bosego-Einsteina, ale to stany klasyczne mogą bezpośrednio przechodzić w każdy z pozostałych stanów klasycznych.
Na przykład, kostka lodu (woda w stanie stałym) pozostawiona na ławce w temperaturze pokojowej szybko zmienia się w wodę ciekłą, podczas gdy strumień pary (woda gazowa) z wylewki gotującego się czajnika zmienia się w wodę ciekłą, gdy zostanie skierowany na zimną powierzchnię.
Klasyfikacja materii
Inny sposób myślenia o materii jest z punktu widzenia chemika. Poniższy schemat pokazuje sposób klasyfikacji materii z uwzględnieniem pierwiastków i związków chemicznych.
Aby zobaczyć, jak działa ten system klasyfikacji, weźmy dwa przykłady:
- Jak mleko pasuje do tego systemu? Mleko ma jednolity skład i jest roztworem (jednorodnym). Filtrowanie mleka spowoduje oddzielenie zawiesin (białek i lipidów), pozostawiając klarowną ciecz. Zastosowanie różnych technik separacji do tej cieczy daje wiele kategorii związków chemicznych. Mleko jest złożoną mieszaniną substancji.
- Jak złoty piasek plażowy pasuje do tego systemu? Większość ziaren złotego piasku plażowego to albo jasny skaleń lub czysty kwarc. Piasek plażowy ma niejednolity skład, ale ziarna mogą być fizycznie podzielone na grupy mineralne. Minerały piasku są związkami chemicznymi.
Kinetyczno-molekularna teoria materii
Ciała stałe, ciecze i gazy mają swoje charakterystyczne właściwości. Aby wyjaśnić, jak powstają te właściwości, opracowano teorię kinetyczno-molekularną.
Według tej teorii cała materia składa się z niezwykle małych cząsteczek (atomów, cząsteczek lub jonów), które są w ciągłym ruchu:
- W ciałach stałych cząsteczki te są ciasno upakowane razem, zwykle w regularnym układzie, i wibrują tam i z powrotem.
- W cieczach, cząsteczki są nadal ciasno upakowane, ale jak również wibracje, mogą poruszać się nad i między sobą.
- W stanie gazowym, cząsteczki są rozmieszczone względem siebie i poruszają się szybkim, przypadkowym ruchem.
Dla każdego z tych stanów, im wyższa temperatura, tym szybciej poruszają się cząsteczki.
Zależności między stanami materii
Klasyczne stany materii (ciało stałe, ciecz i gaz) mogą przechodzić bezpośrednio w każdy z pozostałych stanów klasycznych. Można to osiągnąć albo dodając ciepło do układu, albo usuwając ciepło z układu.
Dwa inne stany materii
Gdy gaz jest podgrzewany do bardzo wysokiej temperatury, atomy gazowe są pozbawiane swoich zewnętrznych elektronów. W ten sposób powstaje „zjonizowany” gaz, który składa się z wysokoenergetycznej mieszanki jonów dodatnich, elektronów i atomów. Gaz został przekształcony w plazmę, często określaną jako „czwarty stan materii”.
W latach dwudziestych XX wieku dwaj naukowcy, Satyendra Bose i Albert Einstein, przewidzieli istnienie stanu materii na skrajnie niskim energetycznie końcu skali temperatur. Nazwali ten stan „kondensatem Bosego-Einsteina”. Istnieje tylko kilka wybranych pierwiastków i cząstek subatomowych, które mogą osiągnąć ten stan. Dopiero w 1995 r. dwóm naukowcom, Cornellowi i Weimanowi, udało się wytworzyć taki kondensat z atomów rubidu.
Natura nauki
W terminologii naukowej teoria oznacza, że coś zostało udowodnione i jest powszechnie uznawane za prawdziwe. Teorie naukowe są dobrze ugruntowanymi, wysoce uzasadnionymi, wewnętrznie spójnymi systemami wyjaśnień. Kinetyczno-molekularna teoria materii dostarcza takiego systemu wyjaśnień dla obserwowanych właściwości materii.