Zgłoś uwagi
Pokaż spis treści
Wróć do informacji o e-podręczniku

Jeśli oglądałeś w telewizji erupcję wulkanu, być może zafascynował cię wygląd ciekłej skały. Dlaczego zmieniła się ona w bazalt, gdy wystygła? A czy mogłaby wyparować? Jeśli chcesz poznać odpowiedzi na te pytania, czytaj dalej.

Źródło: Mariusz Kluźniak (https://www.flickr.com), . Wszystkie stany skupienia wody zebrane na jednym zdjęciu – już za chwilę dowiesz się, które z nich są widoczne gołym okiem
Już potrafisz
  • opisywać budowę materii – substancji złożonej z atomów i cząsteczek;

  • opisywać budowę cząsteczki składającej się z atomów połączonych ze sobą w ściśle określonych stosunkach ilościowych;

  • opisywać oddziaływanie cząsteczek: przy zbliżaniu się odpychają, przy oddalaniu – przyciągają.

Nauczysz się
  • wymieniać przykłady substancji występujących w trzech stanach skupienia;

  • opisywać różnice między ciałem stałym, cieczą i gazem (na podstawie kinetyczno‑cząsteczkowej budowy materii);

  • charakteryzować procesy przejścia między poszczególnymi stanami (fazami) skupienia.

1. Trzy stany skupienia

Gaz, ciecz i ciało stałe to trzy stany skupienia materii. Na zdjęciach widać kostkę lodu, wodę w szklance i kropelki mgły będące wynikiem skroplenia się pary wodnej.

Źródło: openuser (http://www.flickr.com), Nattu (http://commons.wikimedia.org), Ryan Hyde (https://www.flickr.com), edycja: Krzysztof Jaworski, licencja: CC BY-SA 2.0.

Mogłoby się wydawać, że parę wodną można zobaczyć. Tak jednak nie jest – to bezbarwny gaz. Tym, co zwykle określamy mianem pary wodnej i widzimy nad czajnikiem w postaci małej chmurki, są kropelki wody – takie same jak te tworzące chmury. Na zdjęciach znajduje się jeszcze jeden stan skupienia wody – lód, czyli woda w postaci ciała stałego.

Nasuwa się wniosek, że ta sama substancja (tutaj: woda) może występować w trzech różnych fazach (stanach skupienia):

  • faza lotna (para wodna, gaz);

  • faza ciekła (woda);

  • faza stała (lód).

Formy te różnią się tylko sposobem ułożenia cząsteczek i siłą oddziaływań między nimi.

Ćwiczenie 1

2. Zmiany stanów skupienia i ich wpływ na kształt i objętość ciał

Źródło: Tomorrow sp. z o.o., licencja: CC BY 3.0. Ta sama substancja – woda – może przyjąć trzy różne stany skupienia

Jaki wpływ na kształt i objętość ciała wywiera stan jego skupienia?

Kostka lodu (ciało stałe) zarówno w szklance, jak i poza nią ma taką samą objętość i taki sam kształt. Ciecze zachowują się inaczej. Gdyby nasza kostka lodu się stopiła, to niewątpliwie przybrałaby kształt naczynia, w którym została umieszczona. Jednak objętość powstałej wody byłaby taka sama – niezależnie od kształtu naczynia, w którym by się znalazła.

Próba przemiany wody w parę wodną spowodowałaby, że para wypełniłaby nie tylko szklankę, lecz także całe pomieszczenie.

Zapamiętaj!

Ciała stałe mają określony kształt i określoną objętość.
Ciecze przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują, ale ich objętość nie zmienia się.
Gazy – podobnie jak ciecze – przybierają kształt naczynia, w którym zostały umieszczone, lecz w przeciwieństwie do cieczy wypełniają całą jego objętość.

Ćwiczenie 2

3. Wpływ temperatury na zmiany stanu skupienia ciał

W otaczającym nas świecie często dochodzi do zmian stanów skupienia ciał. Przykładowo: gdy wrzucamy kostkę lodu do napoju, jest ona ciałem stałym, jednak szybko może się zmienić w ciecz. Innym przykładem jest żelazo, które najczęściej widzimy w postaci ciała stałego, ale gdy podgrzejemy ten metal w piecu hutniczym do temperatury ok. 1540°C, to zamieni się w ciecz. Rtęć, stosowana w termometrach laboratoryjnych, w temperaturze pokojowej jest cieczą, jednak po ochłodzeniu do temperatury poniżej –39°C staje się ciałem stałym. Przyjrzyj się, w jaki sposób można zmieniać stany skupienia ciał i jak nazywają się procesy, które do tych zmian prowadzą.

3.1. Topnienie

Film prezentujący procesu topnienia ciała stałego na przykładzie stopu Wooda. Widoczna jest probówka, w której znajduje się stop Wooda. Próbówkę za pomocą szczypiec laboratoryjnych trzyma laborant. Umieszcza próbówkę nad palnikiem i podgrzewa ją. Następuje proces topnienia stopu. Równocześnie pojawia się napis informujący o temperaturze topnienia stopu Wooda.

Kiedy ogrzewamy ciało stałe, powodujemy wzrost amplitudy drgań cząsteczek wokół ich położeń równowagi. Gdy w wysokiej temperaturze cząsteczki znajdują się wystarczająco daleko od siebie, ciało stałe zmienia się w ciecz. Mówimy wówczas, że zaszło zjawisko topnienia. Użyty w filmie stop Wooda składa sie z kadmu, ołowiu, cyny i bizmutu.

topnienie

– zjawisko polegające na zmianie stanu skupienia ciała ze stałego w ciekły. Zachodzi w stałej temperaturze, nazywanej temperaturą topnienia. Jest ona charakterystyczna dla danej substancji.

Poniższa aplikacja przedstawia zachowanie się cząsteczek wody w stanie stałym, podczas topnienia i w stanie ciekłym.

Ćwiczenie 3

3.2. Krzepnięcie

Podczas ochładzania cieczy, czyli zmniejszania energii cząsteczek, z których jest ona zbudowana, w pewnej temperaturze ciecz zmieni swój stan skupienia na stały. Zjawisko to nazywamy krzepnięciem. Temperatura krzepnięcia danej substancji jest taka sama jak jej temperatura topnienia.

krzepnięcie

– zjawisko zmiany stanu skupienia ciała z ciekłego na stały. Jest to przemiana odwrotna do zjawiska topnienia.

Każde ciało ma charakterystyczną temperaturę krzepnięcia (topnienia). Przykładowo: ołów krzepnie w temperaturze 327°C, woda – 0°C , a wolfram, którego używamy w żarówkach – ok. 3400°C.

Film przedstawiający topnienie i krzepnięcie szczawianu potasu w przyspieszonym tempie, wraz z pokazaną temperaturą, w której proces zachodzi.
Ćwiczenie 4
Ciekawostka

Burza lodowa to zjawisko pogodowe, w trakcie którego krople deszczu natychmiast zamarzają na powierzchni, na którą spadły i tworzą warstwę lodu.

3.3. Mięknięcie

Niektóre ciała, np. wosk, szkło lub tworzywa sztuczne, nie mają określonej temperatury topnienia. Gdy ciała te są ogrzewane, robią się coraz bardziej miękkie, plastyczne i płynne.

mięknięcie

– zjawisko przejścia ciała ze stanu stałego do ciekłego bez ustalonej temperatury przemiany.

Mięknięcie jest podobne do topnienia, ale w odróżnieniu od niego odbywa się w pewnym (rosnącym) zakresie temperatur (topnienie ma zawsze określoną temperaturę). Temperatura, w której ten proces jest inicjowany, nazywa się temperaturą mięknięcia.

Źródło: Emmanuel Boutet (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 3.0.
Źródło: Travis Hornung (http://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0.
Ćwiczenie 5

3.4. Parowanie

Kałuże, które powstają podczas deszczu, w końcu zawsze wysychają. Podobnie jest z wilgotnym praniem. Jaka jest tego przyczyna? Odpowiada za to proces, który zachodzi w każdej temperaturze – parowanie. Pranie wysycha szybciej, gdy powietrze ma wyższą temperaturę. Podobnie kałuże znikają szybciej, gdy jest cieplej. Dlaczego? Podczas podgrzewania cieczy cząsteczki zaczynają przemieszczać się coraz szybciej. W rezultacie niektóre z nich poruszają się wystarczajaco szybko, by oderwać się od powierzchni cieczy i przejść w stan lotny.

parowanie

– zmiana stanu skupienia polegająca na przejściu ciała ze stanu ciekłego w parę (stan gazowy). Zjawisko to zachodzi na powierzchni cieczy.

Pozostaje jednak do wyjaśnienia wiele wątpliwości. Dlaczego niektóre ciecze w tej samej temperaturze parują szybciej niż inne? Szybciej wyparuje głęboka kałuża, czy rozległa, o dużej powierzchni? Pranie wyschnie szybciej w dzień wietrzny, czy bezwietrzny?

Im większa powierzchnia cieczy, tym więcej cząsteczek jednocześnie może się z niej uwolnić. Ruch powietrza nad powierzchnią (np. wiatr) znacznie przyspiesza proces parowania. Dzieje sie tak, ponieważ w pobliżu powierzchni cieczy gromadzi sie dużo cząsteczek pary. Powiew wiatru usuwa te cząsteczki i wtedy powierzchnię cieczy mogą opuszczać kolejne cząsteczki.

Zapamiętaj!

Parowanie cieczy zależy od:

  • rodzaju cieczy;

  • wielkości powierzchni cieczy;

  • ruchu powietrza nad cieczą;

  • temperatury cieczy;

  • ilości cząsteczek pary nad cieczą;

  • temperatury otoczenia.

Ćwiczenie 6
Ciekawostka

Parowanie odbywa się najszybciej w próżni, tzn. wtedy, gdy nad powierzchnią swobodną cieczy nie ma powietrza ani innego gazu.

Ciekawostka

Czy zwróciliście uwagę na to, że w języku potocznym mówimy „para wodna”, a nie „gaz wodny”, natomiast o powietrzu (a także tlenie, azocie czy wodorze) mówimy „gaz”, a nie „para powietrza, azotu, tlenu, wodoru”? Wynika z tego, że pojęcia gaz i para, choć oba potocznie nazywane „ciałami lotnymi”, nie są tożsame. Czym więc różni się gaz od pary? Różnią się sposobem skraplania. Jeżeli chcecie sie dokładniej zapoznać z tym zagadnieniem, to poszukajcie informacji o dwóch polskich fizykach – Zygmuncie Wróblewskim i Karolu Olszewskim.

3.5. Wrzenie

Powszechnie znanym zjawiskiem jest wrzenie wody, podczas którego niezliczona ilość bąbelków pojawia się w całej jej objętości. W taki bardzo charakterystyczny sposób proces wrzenia przebiega we wszystkich cieczach.

wrzenie

– przemiana cieczy w gaz, przypominająca zjawisko parowania. Zjawisko zachodzi jednak nie tylko na powierzchni cieczy, lecz w całej jej objętości.

Każda ciecz ma określoną temperaturę wrzenia. Temperatura ta w dużej mierze zależy od warunków zewnętrznych.

Doświadczenie 1
Problem badawczy

Jaka jest temperatura wrzenia wody w temperaturze pokojowej i przy normalnym ciśnieniu powietrza?

Hipoteza

Wrzenie wody zachodzi w stałej temperaturze wynoszącej 100oC.

Co będzie potrzebne
  • zlewka lub inne naczynie (może być metalowy garnuszek);

  • palnik gazowy albo kuchenka (ewentualnie grzałka elektryczna);

  • woda;

  • termometr;

  • podkładka, np. ceramiczna, pod zlewkę (nie można jej ogrzewać bezpośrednio płomieniem palnika);

  • statyw do termometru;

  • stojak do zlewki.

Instrukcja
  1. Napełnij zlewkę wodą do ¾ objętości.

  2. Ustaw zlewkę na stojaku nad palnikiem gazowym i podłóż pod nią podkładkę (lub użyj grzałki albo kuchenki).

  3. Na statywie ustaw termometr, tak by jego końcówka zanurzyła się w wodzie (końcówka termometru nie może dotykać dna ani ścianek naczynia).

  4. Obserwuj zmianę wskazań termometru aż woda się zagotuje.

Jaką temperaturę miała woda podczas wrzenia? Czy ta temperatura się zmieniała?

Podsumowanie

Woda wrze w stałej temperaturze wynoszącej ok. 100°C.

3.6. Skraplanie

Skąd na chłodnym lustrze lub zimnej szybie biorą się kropelki wody? Gdy para wodna natrafi na chłodny przedmiot, obniża swoją temperaturę i przechodzi ze stanu gazowego w ciekły (w języku fizyki mówimy, że para wodna się skropliła). Kropelki skroplonej pary zaczynają się łączyć ze sobą i w efekcie możemy zaobserwować pojawiające się krople wody.

skraplanie

– zjawisko polegające na przejściu pary lub gazu w stan ciekły.

Skraplanie pary wodnej możemy zaobserwować, gdy para wodna wydostaje się z czajnika – w pewnej odległości od dzióbka czajnika pojawia się mgiełka. To właśnie skroplona para wodna, która się ochłodziła, ponieważ trafiła na powietrze o niższej temperaturze. W ten sam sposób powstają chmury. Zjawisko to można też zaobserwować w chłodniach kominowych w elektrowniach.

Źródło: Horia Varlan (http://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0.
Ćwiczenie 7

3.7. Sublimacja

Dlaczego zimą, mimo że temperatura powietrza jest bardzo niska, z czasem maleje ilość śniegu? Nie widać przecież, żeby się roztopił, tym bardziej że termometr za oknem wskazuje temperaturę poniżej 0°C.

Źródło: Tomorrow sp.z o.o., licencja: CC BY 3.0.

Czasem wyczuwamy zapach naftaliny. Niektórzy z was wiedzą, że taki zapach rozchodzi sie od kulek włożonych do szaf, które chronią ubrania przed molami. Jak działa taka kulka? Czujemy jej zapach – można by pomyśleć, że wyparowała, ale parowanie to przejście ze stanu ciekłego w gazowy, a kulka pozostaje przecież w stanie stałym. Zarówno ubywanie śniegu, jak i rozchodzenie się zapachu od kulek naftaliny to proces nazywany sublimacją.

sublimacja

– zjawisko bezpośredniego przejścia ciała ze stanu stałego w stan gazowy, z pominięciem stanu ciekłego.

3.8. Resublimacja

Chłodnym rankiem, o różnych porach roku, gdy temperatura otoczenia przy gruncie spada poniżej 0°C, możemy zaobserwować zjawisko powstawania szronu na trawie, liściach czy nawet siatkach ogrodzeń. Szron powstaje w wyniku gwałtownego oziębienia się wilgotnego powietrza. Mechanizm powstawania tego zjawiska możesz obejrzeć na poniższym filmie.

Uwaga!

Nie powinieneś przeprowadzać tego doświadczenia samodzielnie w warunkach domowych. Jeśli w domu masz tzw. syfon, doświadczenie możesz wykonywać tylko pod nadzorem osoby dorosłej, która potrafi posługiwać się syfonem do otrzymywania wody gazowanej.

Demonstrator bierze nabój gazowy i szpikulec w drugą rękę. Przebija membranę lutu zamykającą szyjkę naboju. Dziura musi być dość duża. Szybko wyjmuje ostrze szpikulca i demonstruje do kamery trzymany w ręku nabój, z którego gwałtownie wydobywa się gaz. Szyjka naboju gwałtownie się ochładza na skutek adiabatycznego rozprężania gazu, na szyjce pojawia się biały szron z pary wodnej zawartej w powietrzu.

Za powstawanie szronu odpowiada zjawisko resublimacji – para wodna zamienia się bezpośrednio w kryształki lodu – ciało stałe.

resublimacja

– zjawisko bezpośredniego przejścia ciała ze stanu gazowego w stan stały, z pominięciem stanu ciekłego.

Polecenie 1

Zastanów się i odpowiedz na pytanie: dlaczego w zamrażalniku twojej lodówki powstaje szron?

Ćwiczenie 8

4. Czwarty stan skupienia – plazma

Opisaliśmy większość przejść spotykanych na co dzień, zachodzących między różnymi stanami skupienia materii (zwanych też często przemianami fazowymi). Do którego z poznanych stanów skupienia materii można zaliczyć piorun albo płomień świecy?

Źródło: Smabs Sputzer (http://www.flickr.com), licencja: CC BY 2.0.

Obserwacje otaczającego świata pokazały, że istnieje jeszcze czwarty stan skupienia materii, nazywany plazmą. Plazma to nic innego jak właśnie płomień świecy lub to, z czego zbudowane jest wnętrze gwiazdy.
Plazmę możesz zobaczyć także w lampkach nazywanych potocznie kulami plazmowymi.

Źródło: ahisgett (http://www.flickr.com), licencja: CC BY 3.0.
Ciekawostka

Plazmotron to urządzenie, którego zadaniem jest wytwarzanie plazmy. Znalazł zastosowanie w technice cięcia i spawania materiałów wyjątkowo trudnych w obróbce, takich jak stal nierdzewna czy beton.

Podsumowanie

  • Ciała występują w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym.

  • Ciała stałe mają określone: kształt i objętość.

  • Ciecze przyjmują kształt naczynia, w którym się znajdują, ale zachowują swoją objętość.

  • Gazy – podobnie jak ciecze – przybierają kształt naczynia, w którym zostały umieszczone, ale w przeciwieństwie do cieczy wypełniają całą jego objętość.

  • Na co dzień obserwujemy wiele zjawisk związanych ze zmianami stanów skupienia. Podsumujmy je za pomocą schematu.

    Źródło: Krzysztof Jaworski, Dariusz Kajewski, licencja: CC BY 3.0.

  • Zjawisko topnienia polega na zmianie stanu skupienia ciała ze stanu stałego w stan ciekły. Zachodzi w stałej temperaturze, nazywanej temperaturą topnienia.

  • Krzepnięcie to zmiana stanu skupienia ciała z ciekłego na stały. Proces ten może przebiegać w odwrotną stronę (topnienie).

  • Niektóre ciała przechodzą ze stanu stałego do stanu ciekłego bez ustalonej temperatury przemiany. W pewnym przedziale temperatur ciało stopniowo mięknie i przechodzi w ciecz. Taki proces nazywamy mięknięciem.

  • Parowanie zmiana stanu skupienia polegająca na przejściu ciała ze stanu ciekłego w parę (stan gazowy). Zachodzi na powierzchni cieczy.

  • Wrzenie to przemiana cieczy w gaz. Przypomina parowanie, ale w przeciwieństwie do niego nie odbywa się jedynie na powierzchni cieczy, ale jednocześnie w całej jej objętości.

  • Skraplanie to zjawisko polegające na przejściu pary lub gazu w stan ciekły.

  • Sublimacja to zjawisko bezpośredniego przejścia ze stanu stałego w stan gazowy, z pominięciem stanu ciekłego.

  • Resublimacja to zjawisko bezpośredniego przejścia ze stanu gazowego w stan stały, z pominięciem stanu ciekłego.

  • Plazma – czwarty stan skupienia materii, w którym nośniki dodatnich i ujemnych ładunków tworzą gaz.

Praca domowa
Polecenie 2.1

Podczas gorącej kąpieli na łazienkowym lustrze pojawiają się małe kropelki wody. Wyjaśnij pisemnie, jak nazywa się to zjawisko i dlaczego ono zachodzi..

Polecenie 2.2

Wymienione substancje (wszystkie znajdują się w temperaturze pokojowej, a ciśnienie jest normalne) przyporządkuj do odpowiednich kolumn: dwutlenek węgla, mgła, koks, rtęć, guma, tlen, hel, nafta, kurz, wodór, scukrzony miód.

Substancje i ich stany skupienia

Gaz

Ciecz

Ciało stałe

     
     
     
     

Słowniczek

para wodna

– woda znajdująca się w stanie lotnym. Para wodna w wyższej temperaturze przechodzi w gaz.

plazma

– czwarty stan skupienia materii, w którym nośniki dodatnich i ujemnych ładunków tworzą rodzaj gazu (gaz zjonizowany).

stan skupienia

– postać występowania materii. Wyróżniamy trzy stany skupienia: gaz, ciecz i ciało stałe.

stop Wooda (stop Lipowitza)

– stop o bardzo niskiej temperaturze topnienia (66,5°C). W skład tego stopu wchodzą: bizmut, ołów, cyna i kadm. Stop Wooda stosowany jest głównie w jubilerstwie (służy do lutowania).

szron

– osad atmosferyczny; wynik kontaktu pary wodnej z podłożem o temperaturze niższej niż 0°C. Zachodzi wówczas zjawisko resublimacji pary wodnej.