Hệ thống vật liệu: Phân loại, giai đoạn và ví dụ
Các hệ thống vật chất là tất cả những hệ thống bao gồm vật chất và được cách ly với phần còn lại của vũ trụ cần nghiên cứu. Vật chất ở khắp mọi nơi, mang lại hình dạng và ý nghĩa thực sự cho nhận thức của cuộc sống hàng ngày, nhưng khi bạn muốn nghiên cứu một phần của vật chất, bạn coi thường môi trường xung quanh và nói về một hệ thống vật chất.
Chúng rất khác nhau, vì có các vật liệu tinh khiết và hợp chất, cũng như các trạng thái và giai đoạn tổng hợp khác nhau. Làm thế nào để xác định ranh giới giữa hệ thống vật liệu và môi trường xung quanh? Tất cả mọi thứ phụ thuộc vào các biến được xem xét. Ví dụ, trong hình dưới cùng, mỗi viên đá cẩm thạch có thể là hệ thống đang được nghiên cứu.
Tuy nhiên, nếu người ta muốn tính đến màu sắc thay đổi, thì cần phải xem xét tất cả các viên bi của máy pha chế. Bởi vì máy không được quan tâm, đây là môi trường của các viên bi. Do đó, hệ thống vật chất của ví dụ trở thành khối lượng của các viên bi và tính chất của chúng (có thể là nhai kẹo cao su, bạc hà, v.v.).
Tuy nhiên, về mặt hóa học, các hệ thống vật liệu được định nghĩa là bất kỳ chất nguyên chất hoặc hỗn hợp nào của chúng, được phân loại theo các khía cạnh vật lý của chúng.
Phân loại
Hệ thống vật liệu đồng nhất
Vật liệu được nghiên cứu có thể cho thấy sự xuất hiện đồng đều, trong đó tính chất của nó không đổi bất kể mẫu được phân tích. Nói cách khác: loại hệ thống này được đặc trưng bởi có một pha vật chất ngay từ cái nhìn đầu tiên.
Chất và hợp chất tinh khiết
Nếu một chất tinh khiết được phân tích, thì sẽ thấy rằng các tính chất hóa lý trùng khớp trong cùng các giá trị và kết quả, ngay cả khi nhiều mẫu được lấy (và ở các khu vực địa lý khác nhau).
Ví dụ, nếu một mẫu canxi được so sánh với một mẫu từ Châu Á, Châu Âu, Châu Phi và Châu Mỹ, tất cả chúng sẽ có cùng tính chất. Điều tương tự sẽ xảy ra nếu một mẫu than nguyên chất được lấy.
Mặt khác, một hợp chất nguyên chất cũng biểu hiện ở trên. Nếu một bảng đen được đảm bảo được làm bằng một vật liệu duy nhất, thì nó sẽ được phân loại là một hệ thống vật liệu đồng nhất.
Tuy nhiên, điều này không xảy ra đối với một mẫu khoáng sản, vì nó thường chứa tạp chất từ các khoáng chất liên quan khác, và trong trường hợp này là một hệ thống vật liệu không đồng nhất. Ngoài ra, những hệ thống vật chất như cây, đá, núi hoặc sông rơi vào phân loại cuối cùng này.
Giải thể
Giấm thương mại là dung dịch nước axit axetic 5%; nghĩa là, 5 ml axit axetic tinh khiết hòa tan trong 100 mL nước. Tuy nhiên, sự xuất hiện của nó là một chất lỏng trong suốt, mặc dù trong thực tế, nó là hai hợp chất tinh khiết (nước và axit axetic) kết hợp.
Hệ thống vật liệu không đồng nhất
Trái ngược với sự đồng nhất, trong loại hệ thống này, cả ngoại hình lẫn tính chất đều không đổi, không đều trong suốt phần mở rộng của nó.
Ngoài ra, nó có thể trải qua các kỹ thuật tách vật lý hoặc hóa học, từ đó các pha được chiết xuất, mỗi pha được coi là một hệ thống đồng nhất.
Các giai đoạn
Trong hình trên, trạng thái của vật chất và những thay đổi của nó được hiển thị. Chúng liên quan chặt chẽ với các giai đoạn của vật chất bởi vì, mặc dù chúng giống nhau, nhưng chúng thể hiện một số khác biệt tinh tế.
Do đó, các pha của một hệ vật liệu là chất rắn, chất lỏng và chất khí. Đó là, đối với một đối tượng nhất định được phân tích, điều này có thể áp dụng bất kỳ giai đoạn nào trước đó.
Tuy nhiên, vì các tương tác trong chất rắn rất mạnh và chúng phụ thuộc vào các biến như áp suất và nhiệt độ, một hệ thống có thể có hoặc không có các pha rắn khác nhau.
Ví dụ, hợp chất X, chất rắn ở nhiệt độ phòng, có pha I; nhưng khi áp suất rơi vào nó rất cao, các phân tử của nó sắp xếp lại gọn hơn, và sau đó một quá trình chuyển đổi xảy ra từ pha I sang pha II.
Thậm chí có những pha khác, chẳng hạn như III và IV, có nguồn gốc từ II ở các nhiệt độ khác nhau. Do đó, hệ vật liệu đồng nhất của X của pha rắn rõ ràng có thể thu được tới bốn pha rắn: I, II, III và IV.
Trong trường hợp hệ thống chất lỏng và khí, nói chung các phân tử chỉ có thể áp dụng một pha duy nhất trong các trạng thái vật chất này. Nói cách khác, có thể không có pha khí I và II khác.
Sơ đồ pha
Có nhiều sơ đồ pha: một số cho một hợp chất hoặc một chất (như một trong hình trên) và một số khác cho các hệ nhị phân (ví dụ như muối trong nước) hoặc hệ thống ternary (ba thành phần).
"Đơn giản" nhất trong tất cả là sơ đồ pha cho một chất. Do đó, đối với chất giả thuyết Y, pha của nó được biểu diễn dưới dạng hàm của áp suất (trục y) và nhiệt độ (trục x).
Ở áp suất thấp, nó là một chất khí, bất kể nhiệt độ của nó là bao nhiêu. Tuy nhiên, bằng cách tăng áp suất khí Y được lắng đọng trong chất rắn Y.
Tuy nhiên, ở nhiệt độ trên điểm tới hạn của khí Y ngưng tụ trong chất lỏng Y và nếu áp suất tăng (tăng theo chiều dọc thông qua sơ đồ), chất lỏng sẽ đông cứng lại.
Mỗi dòng đại diện cho sự cân bằng giữa hai giai đoạn phân tách: rắn-khí, lỏng-khí, rắn-lỏng, lỏng-rắn và rắn-lỏng-khí ở điểm ba.
Ngoài ra, từ điểm tới hạn Y, không có sự phân biệt vật lý nào được thể hiện giữa pha khí và pha lỏng: nó tạo thành thứ gọi là chất lỏng siêu tới hạn.
Ví dụ
- Quả cầu là một hệ vật chất, vì hàm lượng của nó là khí và do đó, có bản chất hóa học; Nếu khí ít đậm đặc hơn không khí, khinh khí cầu sẽ bay lên trời.
- Hệ thống nhị phân nước-dầu có hai giai đoạn: một cho nước và một giai đoạn, một cách hợp lý, cho dầu. Tập hợp của cả hai là hệ không đồng nhất, trong khi các lớp riêng lẻ là hệ thống đồng nhất. Nếu bạn muốn chiết xuất dầu, bạn sẽ cần thực hiện chiết xuất lỏng-lỏng với dung môi hữu cơ và dễ bay hơi.
- Một hệ thống rắn-rắn có thể bao gồm hỗn hợp đường trắng và đường nâu. Ở đây, sự khác biệt về màu sắc giữa các tinh thể làm cho trường hợp này trở thành một hệ thống không đồng nhất.
- Nước biển là một ví dụ khác về hệ thống vật liệu đồng nhất. Nó bao gồm một sự hòa tan của nhiều ion, chịu trách nhiệm cho vị mặn đặc trưng của nó. Nếu một mẫu nước biển bị bay hơi trong một thùng chứa, nó sẽ lắng đọng trong muối trắng này.
