Κατάσταση της ύλης

Η κατάσταση της ύλης ενός σώματος παραδοσιακά περιγράφει το πόσο εύκολα μεταβάλλεται το σχήμα και το μέγεθός του. Υπάρχουν τέσσερις βασικές καταστάσεις της ύλης η στερεά, η υγρή, η αέρια και το πλάσμα. Η κατάσταση στην οποία θα βρεθεί ένα σώμα εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την πίεση του περιβάλλοντός του. Η σύγχρονη περιγραφή της κατάστασης της ύλης γίνεται με σύγκριση των διαφορών σχέσης της κατάστασης των μορίων. Στερεά θεωρούνται τα υλικά στα οποία τα μόρια κρατούνται σε σταθερές θέσεις μεταξύ τους στο χώρο. Υγρά θεωρούνται τα υλικά στα οποία τα μόρια είναι κοντά μεταξύ τους αλλά όχι σε σταθερές θέσεις. Αέρια είναι τα υλικά στα οποία τα μόρια βρίσκονται σε σχετικά μεγάλη απόσταση μεταξύ τους και η θέση τους δεν επηρεάζεται από τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης των μορίων. Σαν τέταρτη κατάσταση της ύλης αναφέρεται το πλάσμα, ιδιαίτερα ιονισμένο αέριο σε υψηλή θερμοκρασία. Η ιονισμένη κατάσταση δημιουργεί ελκτικές και απωθητικές δυνάμεις που δίνουν ιδιαίτερες ιδιότητες στο πλάσμα που το ξεχωρίζουν από τα αέρια.

 Για μία καθαρή ουσία σε συγκεκριμένες συνθήκες αντιστοιχεί μια συγκεκριμένη κατάσταση. Η κατάσταση ενός μείγματος εξαρτάται από το διαχωρισμό ή μη των συστατικών. Διακρίνουμε τρεις περιπτώσεις τα ομογενή μίγματα, τα ετερογενή μίγματα και τα κολλοειδή. Τα ομογενή μίγματα συμπεριφέρονται όπως και οι καθαρές ουσίες, το μείγμα λαμβάνει συνολικά μια από τις τρεις βασικές καταστάσεις. Στα ετερογενή μίγματα διαχωρίζονται τα συστατικά του, τα οποία λαμβάνουν το κάθε ένα μια κατάσταση. Τα μέρη αυτού του διαχωρισμού ονομάζονται φάσεις . Κάθε φάση χαρακτηρίζεται ανάλογα με την κατάστασή της, για παράδειγμα: Σε ένα ποτήρι νερό, αν ρίξουμε πολύ λίγο αλάτι, θα προκύψει ένα ομογενές υγρό μείγμα. Αν στο νερό ρίχνουμε συνέχεια αλάτι, θα προκύψει κάποια στιγμή ίζημα. Αυτό είναι ένα ετερογενές μείγμα με μια υγρή φάση το ομογενές υγρό μείγμα αλατιού-νερού και μια στερεά φάση το ίζημα αλατιού. Αν στο νερό ρίξουμε λάδι (το οποίο δε διαλύεται στο νερό), θα πάρουμε ένα ετερογενές μείγμα με δύο υγρές φάσεις αυτή του νερού και αυτή του ελαίου.Σε μερικές περιπτώσεις οι διάφορες φάσεις είναι τόσες πολλές και τόσο μικρές που δε γίνονται αντιληπτές από τον άνθρωπο. Τότε αντιλαμβάνεται το μείγμα ως ενιαίο σαν τα ομογενή μίγματα, χωρίς όμως να είναι ομογενές μείγμα. Αυτά τα μίγματα ονομάζονται κολλοειδή . Λόγω της ιδιαιτερότητάς τους τα κολλοειδή ως ενιαία σώματα δε συμπεριφέρονται όπως τα στερεά, υγρά και αέρια, ώστε να θεωρούνται ξεχωριστή κατάσταση της ύλης. Στα κολλοειδή εντάσσονται πολλά σώματα όπως είναι τα νέφη, τα γελοειδή (ζελέ), οι αφροί και άλλα. Αν ένα σώμα βρίσκεται σε διαφορετική κατάσταση από αυτήν που αντιστοιχεί στις συνθήκες του περιβάλλοντός, τότε τη μεταβάλλει για να βρεθεί στην κατάλληλη. Ακόμα κι αν φαίνεται ότι είναι στην κατάλληλη κατάσταση, ένα μέρος του μετατρέπεται σε άλλη λόγω διαφοράς στη τάση ατμών. Η μετατροπή του στερεού σε υγρό ονομάζεται τήξη, ενώ η αντίστροφη διαδικασία ονομάζεται πήξη. Η μετατροπή από αέριο σε υγρό ονομάζεται υγροποίηση ή συμπύκνωση, ενώ η μετατροπή από αέριο σε στερεό ονομάζεται απόθεση. Στις παραπάνω μετατροπές δεν ενδιαφερόμαστε, αν αυτές προκλήθηκαν από την ασυμφωνία τρέχουσας και κατάλληλης κατάστασης ή λόγω μερικών πιέσεων. Όμως, στη μετατροπή υγρού σε αέριο διακρίνουμε δύο διαδικασίες το βρασμό και την εξάτμιση. Ο βρασμός οφείλεται στην ασυμφωνία τρέχουσας και κατάλληλης κατάστασης, ενώ η εξάτμιση γίνεται λόγω της μερικής πίεσης. Για αυτό ο βρασμός εμφανίζεται μόνο σε συγκεκριμένες συνθήκες και συμβαίνει σε όλην την έκταση του υγρού, ενώ η εξάτμιση μπορεί να γίνει σε οποιεσδήποτε συνθήκες και συμβαίνει μόνο στην επιφάνεια του υγρού. Γενικά, οι αλλαγές φάσεις (που δε οφείλονται στις μερικές πιέσεις) γίνονται σε συγκεκριμένες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης για την κάθε καθαρή ουσία. Για αυτό αυτές αποτελούν χαρακτηριστικές ιδιότητες του κάθε υλικού και μάλιστα αποτελούν τις συνθήκες ισορροπίας δύο διαφορετικών καταστάσεών του. Αντίθετα, στα μίγματα οι συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης, που απαιτούνται για τις αλλαγές φάσεων, εξαρτώνται από τις αναλογίες των συστατικών τους, άρα μεταβάλλονται Σημαντικό ρόλο στις αλλαγές φάσεις παίζει η θερμική ενέργεια. Συνήθως οι αλλαγές φάσης γίνονται σε κανονική πίεση (μία ατμόσφαιρα ή 760 mm Hg), οπότε οι μετατροπές οφείλονται στην αλλαγή της θερμοκρασίας, άρα και την πρόσληψη ή αποβολή θερμικής ενέργειας. Γενικά ένα σώμα είναι στερεό σε χαμηλές θερμοκρασίες, και καθώς αυτές αυξάνονται το σώμα μετατρέπεται διαδοχικά σε υγρό και έπειτα σε αέριο. Σε αυτήν την περίπτωση η θερμική ενέργεια του σώματος αυξάνεται. Αντίστροφα, ένα σώμα σε υψηλές θερμοκρασίες είναι αέριο και καθώς αυτή μειώνεται το σώμα μετατρέπεται διαδοχικά σε υγρό και έπειτα σε στερεό. Εδώ η θερμική ενέργεια του σώματος μειώνεται. Παρόλ' αυτά, υπάρχει περίπτωση απευθείας μετατροπής από στερεό σε αέριο, η οποία ονομάζεται εξάχνωση . Κατά την πρόσληψη ή αποβολή θερμικής ενέργειας το σώμα μεταβάλλει τη θερμοκρασία του, εκτός κι αν αλλάζει κατάσταση . Όταν ένα σώμα αλλάζει κατάσταση, τότε η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή, ενώ η ανταλλασσόμενη θερμική ενέργεια αξιοποιείται στη διάλυση ή δημιουργία των διαμοριακών δυνάμεων. Αυτό το φαινόμενο σχετίζεται άμεσα με τη δομή του σώματος σε μικροσκοπικό, μοριακό επίπεδο. Επίσης, αυτή η δομή εξηγεί την ύπαρξη και συμπεριφορά των τριών καταστάσεων της ύλης. Εκτός από τη θερμότητα, σημαντικό ρόλο παίζει και η πίεση, όταν αυτή μεταβάλλεται. Τότε η μελέτη των αλλαγών φάσεων γίνεται με διαγράμματα φάσεων . Μεταξύ αερίων και ατμών δεν υπάρχουν μεγάλες διαφορές. Η βασική μεταξύ τους διάκριση συνίσταται στο ότι σε ΚΣ περιβάλλοντος τα μεν αέρια παρουσιάζονται υπό μορφή αερίου, ενώ οι ατμοί παρουσιάζονται ως υγρά (τα οποία όμως θερμαινόμενα μεταπίπτουν σε αέριο κατάσταση). Βασική όμως διάκριση μεταξύ αερίων και ατμών κατά την χρησιμοποίηση αυτών στις θερμικές μηχανές είναι ότι τα αέρια όσο κι αν συμπιεσθούν παραμένουν αέρια, δεν μετατρέπονται σε υγρά, παρά μόνο αν η συμπίεσή τους συνοδεύεται και με ανάλογη ψύξη. Αντίθετα οι ατμοί και με μικρή ακόμη συμπίεση ή ψύξη μετατρέπονται εύκολα σε υγρά . Ας φανταστούμε μία καθαρή ουσία σε συνθήκες ισορροπίας υγρής και αέριας κατάστασης. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, για να διατηρηθεί η ισορροπία αυξάνεται και η πίεση. Όσο εξελίσσεται αυτή η διαδικασία ένα υγρό μέρος της ουσίας διαλύεται στην αέρια φάση, ενώ ένα αέριο μέρος διαλύεται στην υγρή. Τελικά, προκύπτει ένα ρευστό το οποίο δεν είναι αμιγώς αέριο ή υγρό, οι δύο φάσεις έχουν διαλυθεί η μία μέσα στην άλλη. Το υπερκρίσιμο ρευστό αποτελεί έναν πολύ καλό διαλύτη Η ύλη σε μικροσκοπικό μοριακό επίπεδο απαρτίζεται από άτομα, μόρια και ιόντα, αυτά είναι τα δομικά συστατικά της. Οι διαμοριακές δυνάμεις ελκτικές και απωστικές που αναπτύσσονται μεταξύ τους, ώστε να σχηματιστούν διακριτά σώματα, καθορίζουν εκτός των άλλων, το σχήμα, το μέγεθός τους, όπως επίσης και την ευκολία και τον τρόπο με τον οποίο αυτά μεταβάλλονται . Πιο συγκεκριμένα: Στα στερεά οι διαμοριακές δυνάμεις είναι ισχυρές. Τα δομικά συστατικά τους ταλαντώνονται γύρω από συγκεκριμένες θέσεις, χωρίς να μπορούν να αλλάξουν θέση. Έτσι, τα στερεά έχουν συγκεκριμένο σχήμα και όγκο που δύσκολα μεταβάλλονται. Στα υγρά οι διαμοριακές δυνάμεις είναι σημαντικές. Τα δομικά συστατικά μπορούν να αλλάξουν θέση αλλά δε μπορούν να αλλάξουν τη μεταξύ τους απόσταση. Έτσι, τα υγρά δεν έχουν σχήμα, παίρνουν κάθε φορά το σχήμα του δοχείου τους, αλλά έχουν συγκεκριμένο όγκο. Στα αέρια οι διαμοριακές δυνάμεις είναι αμελητέες. Τα δομικά συστατικά είναι ελεύθερα. Έτσι, τα αέρια δεν έχουν συγκεκριμένο σχήμα και όγκο. Καταλαμβάνουν όλην την έκταση του δοχείου τους.Λόγω έλλειψης των διαμοριακών δυνάμεων στα αέρια, η συμπεριφορά τους μπορεί να περιγραφεί με μία εξίσωση, την εξίσωση των ιδανικών αερίων. Αυτή η εξίσωση ισχύει ποιοτικά και για τα υγρά, ίσως γενικώς για τα ρευστά. Η ποσοτικής της όμως ακρίβεια χάνεται όταν ένα αέριο βρίσκεται κοντά σε συνθήκες υγροποίησης . Υπάρχει ένα σύνολο από ιδιότητες που σχετίζονται με τον όγκο και το σχήμα της ύλης, άρα και με την κατάστασή της. Μερικές από αυτές είναι η συμπιεστότητα, η ρευστότητα, το ιξώδες, η σταθερότητα. Συμπιεστότητα (ή διασταλτικότητα) : Είναι η ιδιότητα της ύλης να μειώνεται εύκολα ο όγκος της. Τα στερεά και τα υγρά είναι ασυμπίεστα, ενώ τα αέρια συμπιεστά. Η συμπιεστότητα των αερίων εξαρτάται σύμφωνα με την εξίσωση των ιδανικών αερίων, από την ευκολία μεταβολής της θερμοκρασίας και της πίεσης.Ρευστότητα: Είναι η ιδιότητα της ύλης να ρέει, δηλαδή να μπορεί να μεταφέρεται αλλάζοντας σχήμα. Τα σώματα που έχουν αυτήν την ιδιότητα ονομάζονται ρευστά. Τα υγρά και τα αέρια, καθώς και τα κολλοειδή είναι ρευστά. Τα στερεά γενικά δεν είναι ρευστά. Ωστόσο, στην επιστήμη της γεωλογίας έχει διατυπωθεί η θεωρία ότι τα στερεά είναι και αυτά ρευστά Ιξώδες: Είναι η ιδιότητα των ρευστών να αντιστέκονται στη ροή τους. Για παράδειγμα το μέλι έχει πολύ μεγαλύτερο ιξώδες από ότι το νερό. Όταν το ιξώδες γίνεται υπερβολικά μεγάλο, ή τείνει στο άπειρο, τότε το ρευστό τείνει να μη ρέει, άρα να μην αλλάζει σχήμα, δηλαδή τείνει να είναι στερεό.Σταθερότητα: Όσον αφορά τις καταστάσεις της ύλης μερικές καταστάσεις προκύπτουν όχι μόνο από τις συνθήκες που τελικά επικρατούν στο περιβάλλον, αλλά και από τον τρόπο με τον οποίο αυτές διαμορφώθηκαν. Τότε μπορούν να προκύψουν ορισμένες καταστάσεις της ύλης, οι οποίες είναι εξαιρετικά ασταθείς και οι οποίες πολύ εύκολα υποκύπτουν σε άλλες σταθερές καταστάσεις. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το υπέρκορο υγρό διάλυμα, το οποίο με μία απλή κρούση στο δοχείο μετατρέπεται σε ετερογενές μίγμα. Ίσως μια τέτοια κατάσταση είναι και το υπερκρίσιμο ρευστό. Σε μερικές ακραίες συνθήκες καταρρέει η δομή της ύλης όπως περιγράφτηκε παραπάνω και πλέον δεν αποτελείται από άτομα, μόρια και ιόντα. Τότε η ύλη εμφανίζεται με διαφορετικές μορφές: Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες η ύλη είναι αέρια. Αν η θερμοκρασία αυξάνεται συνεχώς κάποια στιγμή τα ηλεκτρόνια των εξωτερικών στιβάδων ξεφεύγουν από τα άτομα και κινούνται ελεύθερα στο σώμα, ενώ τα άτομα μετατρέπονται σε κατιόντα. Έτσι, το σώμα αποτελείται πλέον από ελευθέρα κινούμενα ηλεκτρόνια και κατιόντα. Αυτή η κατάσταση της ύλης έχει πολλές ομοιότητες με τα αέρια (κυρίως τα θερμά), αλλά επειδή αποτελείται από φορτισμένα σωματίδια, επηρεάζεται περισσότερο από ηλεκτρικά, μαγνητικά πεδία και την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και όχι από τη θερμοκρασία και την πίεση. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες η ύλη είναι στερεή. Αν η θερμοκρασία μειώνεται συνεχώς (φτάνει το απόλυτο μηδέν), τότε η κινητική ενέργεια των σωματιδίων που απαρτίζουν την ύλη (ηλεκτρόνια, πρωτόνια, νετρόνια) δεν είναι αρκετή για να τα συγκρατήσει στις τροχιές τους και όλα τους καταρρέουν σε μια σημειακή ιδιομορφία (διαφορετική από αυτή της μαύρης τρύπας). Στον πυρήνα ενός γερασμένου άστρου υπάρχουν εξαιρετικά μεγάλες πιέσεις, αλλά και θερμοκρασίες. Τότε καταρρέει η εσωτερική δομή των ατόμων, τα ηλεκτρόνια αντιδρούν με τα πρωτόνια δημιουργώντας νετρόνια, τα οποία συσσωρεύονται στο κέντρο του. Αυτά είναι τόσα πολλά, ώστε ένα ολόκληρο ουράνιο σώμα αρκετά μεγάλων διαστάσεων να αποτελείται αποκλειστικά από νετρόνια. Αυτή η κατάσταση της ύλης είναι εξαιρετικά συμπυκνωμένη δημιουργεί ισχυρό βαρυτικό πεδίο και εκπέμπει υψηλής ενέργειας ακτινοβολία Χ και γ Απ΄ όλα τα υλικά σώματα εκείνα που ενδιαφέρουν περισσότερο την Τεχνική ή Τεχνολογία είναι: Από τα στερεά: Διάφορα ορυκτά, διάφορα μέταλλα όπως ο σίδηρος, ο χαλκός, το νικέλιο, ο κασσίτερος, ο ψευδάργυρος, το αλουμίνιο κ.λπ., καθώς και τα λεγόμενα στερεά καύσιμα όπως το ξύλο, η τύρφη, ο λιγνίτης, ο λιθάνθρακας, ο ανθρακίτης κ.λπ. Από τα υγρά: το νερό, τα διάφορα υγρά καύσιμα όπως το πετρέλαιο, η βενζίνη, το οινόπνευμα κ.λπ., διάφορα λιπαντικά, τα οξέα όπως το θειϊκό οξύ, υδροχλωρικό οξύ, νιτρικό οξύ κ.ά. Από τα αέρια: ο ατμοσφαιρικός αέρας, το οξυγόνο, το υδρογόνο, το άζωτο, το μονοξείδιο του άνθρακα, το διοξείδιο του άνθρακα, η αμμωνία, το φωταέριο, το φυσικό αέριο κ.λπ. και τέλος Από τους ατμούς: οι ατμοί ύδατος (υδρατμοί), σπανιότερα της βενζίνης, και άλλων υγρών καυσίμων. Επίσης και οι ατμοί ορισμένων υγρών που χρησιμοποιούνται ως ψυκτικές ουσίες στις ψυκτικές μηχανές όπως π.χ. ατμοί αμμωνίας, διοξειδίου του θείου, διοξειδίου του άνθρακα, των διαφόρων freon (φρέον) κ.λπ. Ιδιότητες της ύλης Κατάσταση αερίων και ατμών Διάγραμμα φάσεων Εξίσωση των ιδανικών αερίων Ebbing Gammon, General Chemistry, Copyright 1999 Houghton Mifflin Company, μετάφραση Νικόλαος Δ. Κλούρας, Copyright 2002 Εκδοτικός οίκος ΤΡΑΥΛΟΣ, ISBN 960-7990-66-8Χημεία Β΄Λυκείου, Copyright 2006 Οργανισμός Εκδόσεων Διδακτικών ΒιβλίωνTom Benson, ιστοσελίδα www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/state.html, Glenn Research Center https://web.archive.org/web/20091030232541/http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/state.html