Zaktualizowano artykuł 10 października 2024
Czym jest materia?
Materia to podstawowy składnik wszystkich obiektów o określonej masie i objętości. To wszystko, co fizycznie zajmuje miejsce i posiada masę. Wszystkie przedmioty, które widzimy i dotykamy, składają się z materii. Jednym z głównych sposobów klasyfikowania materii jest jej stan (lub faza). Najbardziej powszechne stany materii to: ciała stałe, ciecze i gazy.
Choć większość ludzi jest najbardziej zaznajomiona z tymi trzema klasycznymi stanami materii, istnieją również bardziej skomplikowane stany, takie jak plazma (jonizowany gaz) czy kondensat Bosego-Einsteina (stan materii, w którym cząsteczki zachowują się jak jedna supercząsteczka). Co ciekawe, klasyczne stany materii mogą przechodzić w siebie nawzajem w odpowiednich warunkach. Na przykład, gdy kostka lodu (woda w stanie stałym) jest wystawiona na działanie temperatury pokojowej, stopi się, stając się wodą w stanie ciekłym. Podobnie, para wodna (woda w stanie gazowym) wydobywająca się z wrzącego czajnika może skroplić się na zimnej powierzchni, również stając się wodą w stanie ciekłym.
Klasyfikacja substancji
Rozumienie materii można również przedstawić z perspektywy chemika.
Aby lepiej zrozumieć ten system klasyfikacji, przyjrzyjmy się dwóm przykładom:
-
Mleko – Jak można zaklasyfikować mleko w tym systemie? Mleko na pierwszy rzut oka wydaje się mieć jednolitą konsystencję, ale w rzeczywistości jest to roztwór (mieszanina, w której składniki są równomiernie rozłożone). Jeśli przefiltrujemy mleko, oddzielą się od niego zawieszone ciała stałe, takie jak białka i lipidy (tłuszcze), pozostawiając klarowny płyn. Dalsze techniki rozdzielania tej cieczy ujawniają wiele różnych związków chemicznych. W skrócie, mleko to złożona mieszanina różnych substancji.
-
Złoty piasek plażowy – Jak można zaklasyfikować taki piasek? Większość ziaren tego piasku to albo jasne minerały nazywane skaleniem, albo czysty kwarc (twardy, przezroczysty minerał). Chociaż piasek plażowy składa się z różnych ziaren, można je fizycznie oddzielić na poszczególne minerały. Te minerały są związkami chemicznymi, co oznacza, że składają się z określonych atomów połączonych w określony sposób.
Teoria kinetyczno-molekularna materii
Właściwości charakterystyczne dla ciał stałych, cieczy i gazów można wyjaśnić za pomocą teorii kinetyczno-molekularnej.
Według tej teorii, wszystkie formy materii składają się z mikroskopijnych cząstek (atomów, cząsteczek lub jonów), które są nieustannie w ruchu:
- W ciałach stałych, cząstki są ściśle upakowane, zazwyczaj w regularnych strukturach, i wykonują wibracyjne ruchy w miejscu.
- W cieczach, chociaż cząstki są nadal blisko siebie, mają one większą swobodę ruchu i mogą przemieszczać się względem siebie.
- W gazach, cząstki są rozproszone i poruszają się swobodnie z dużą prędkością w losowych kierunkach.
W każdym z tych stanów, wzrost temperatury powoduje zwiększenie prędkości ruchu cząstek.
Przemiany stanów materii
Klasyczne stany materii (stały, ciekły i gazowy) mogą przekształcać się w inny stan poprzez procesy fizyczne. Te przemiany zachodzą głównie poprzez dostarczanie lub odbieranie energii w postaci ciepła. Na przykład, dodanie ciepła do lodu powoduje jego topienie się i przejście w stan ciekły, podczas gdy chłodzenie pary wodnej prowadzi do jej skraplania i powrotu do stanu ciekłego.
Inne stany skupienia materii
Oprócz klasycznych stanów skupienia, takich jak ciała stałe, ciecze i gazy, istnieją również inne, mniej znane stany materii.
-
Plazma: Kiedy gaz jest podgrzewany do ekstremalnie wysokich temperatur, jego atomy tracą zewnętrzne elektrony. W rezultacie powstaje zjonizowany gaz, nazywany plazmą. Plazma składa się z mieszanki jonów dodatnich, wolnych elektronów i niezjonizowanych atomów. Często określa się ją mianem „czwartego stanu materii”.
-
Kondensat Bosego-Einsteina: W latach dwudziestych XX wieku, Satyendra Bose i Albert Einstein przewidzieli istnienie stanu materii o bardzo niskiej energii. Ten unikalny stan, nazwany kondensatem Bosego-Einsteina, występuje przy ekstremalnie niskich temperaturach. Tylko nieliczne pierwiastki i cząstki subatomowe (cząstki mniejsze niż atomy) mogą osiągnąć ten stan. W 1995 roku naukowcom, Cornellowi i Weimanowi, udało się stworzyć kondensat Bosego-Einsteina z atomów rubidu.
Podsumowując, pojęcie „materia” odnosi się do wszystkiego, co ma masę i zajmuje przestrzeń. Dzięki różnorodności stanów skupienia i zaawansowanym badaniom naukowym, zdobywamy coraz głębsze zrozumienie tego, czym naprawdę jest materia.
