Vật chất là gì? Vật chất là bất cứ thứ gì chiếm không gian và có khối lượng. Tất cả các đối tượng vật chất đều được cấu tạo từ vật chất, và đặc tính dễ dàng quan sát được của vật chất là trạng thái hoặc pha của nó.
Các trạng thái kinh điển của vật chất là rắn, lỏng và khí. Một số trạng thái khác, bao gồm plasma và chất ngưng tụ Bose-Einstein, cũng tồn tại, nhưng đó là các trạng thái kinh điển có thể chuyển trực tiếp thành bất kỳ trạng thái cổ điển nào khác.
Ví dụ, một khối nước đá (nước rắn) để trên băng ghế ở nhiệt độ phòng nhanh chóng chuyển thành nước lỏng, trong khi một tia hơi nước (nước ở thể khí) từ vòi của một ấm đun nước sôi chuyển thành nước lỏng khi được dẫn lên bề mặt lạnh.
Phân loại vật chất
Một cách khác để suy nghĩ về vật chất là theo quan điểm của nhà hóa học. Sơ đồ sau đây cho thấy một cách phân loại vật chất với các nguyên tố và hợp chất rất cần lưu ý.
Để xem hệ thống phân loại này hoạt động như thế nào, chúng ta hãy lấy hai ví dụ:
- Làm thế nào để sữa phù hợp với sơ đồ này? Sữa có thành phần đồng nhất, và nó là một dung dịch (đồng nhất). Lọc sữa sẽ tách ra các chất rắn lơ lửng (protein và lipid), để lại một chất lỏng trong suốt. Việc áp dụng các kỹ thuật tách khác nhau cho chất lỏng này tạo ra nhiều loại hợp chất hóa học. Sữa là một hỗn hợp phức tạp của các chất.
- Làm thế nào để cát bãi biển vàng phù hợp với sơ đồ này? Hầu hết các hạt cát ở bãi biển vàng đều là fenspat màu sáng hoặc thạch anh trong. Cát bãi biển có thành phần không đồng nhất, nhưng các hạt có thể được phân tách về mặt vật lý thành các nhóm khoáng chất. Khoáng chất cát là các hợp chất hóa học.
Thuyết phân tử động học của vật chất
Chất rắn, chất lỏng và chất khí đều có những tính chất đặc trưng riêng. Để giải thích những đặc tính này ra đời như thế nào, lý thuyết động học-phân tử đã được phát triển.
Theo lý thuyết này, tất cả vật chất đều được tạo thành từ các hạt cực kỳ nhỏ (nguyên tử, phân tử hoặc ion), chúng luôn chuyển động:
- Trong chất rắn, các hạt này được xếp chặt chẽ với nhau, thường là một mảng đều đặn và dao động qua lại.
- Trong chất lỏng, các hạt vẫn được đóng gói chặt chẽ, nhưng cũng như dao động, chúng có thể di chuyển qua lại giữa các hạt khác.
- Ở trạng thái khí, các hạt nằm cách xa nhau so với nhau và chuyển động xung quanh với chuyển động nhanh, ngẫu nhiên.
Ba trạng thái kinh điển của vật chất được so sánh ở cấp độ phân tử. Trong chất rắn, các hạt dao động về những vị trí cố định. Trong chất lỏng, các hạt dao động và chuyển động qua lại giữa các hạt khác. Các hạt khí có khoảng cách rộng rãi và chuyển động với tốc độ nhanh, ngẫu nhiên.
Mối quan hệ giữa các trạng thái của vật chất
Các trạng thái cổ điển của vật chất (rắn, lỏng và khí) có thể chuyển trực tiếp sang bất kỳ trạng thái cổ điển nào khác. Thêm nhiệt vào hệ thống hoặc loại bỏ nhiệt ra khỏi hệ thống đều có thể đạt được điều này.
Hai trạng thái khác của vật chất
Khi một chất khí bị nung nóng đến nhiệt độ rất cao, các nguyên tử ở thể khí bị tước bỏ các electron bên ngoài. Điều này tạo ra khí ‘ion hóa’ bao gồm một hỗn hợp năng lượng cao của các ion dương, electron và nguyên tử. Khí đã được chuyển đổi thành plasma, thường được gọi là ‘trạng thái thứ tư của vật chất’.
Vào những năm 1920, hai nhà khoa học Satyendra Bose và Albert Einstein đã tiên đoán về sự tồn tại của một trạng thái vật chất ở cuối năng lượng cực thấp của thang nhiệt độ. Họ gọi trạng thái này là ‘ngưng tụ Bose-Einstein’. Chỉ có một số nguyên tố và hạt hạ nguyên tử được chọn có thể đạt được trạng thái này. Mãi đến năm 1995, hai nhà khoa học Cornell và Weiman mới có thể tạo ra chất ngưng tụ này từ các nguyên tử của rubidi.
Đọc thêm:
Năng lượng tối, vật chất tối
