Skupenstvo

Skupenstvo alebo fáza je charakteristika fyzikálneho stavu látky (predovšetkým usporiadanosti častíc v nej) podľa teploty a tlaku. Závisí od vzťahu medzi kinetickou energiou častíc a energiou ich vzájomného pôsobenia.

Fáza

Rôzne skupenstvá tej istej látky sa nazývajú fázy, napríklad mlieko pozostáva z dvoch „fáz“ – vody (tekuté skupenstvo) a tuku (pevné skupenstvo). Tento pojem je však relatívny – závisí od stupňa podrobnosti skúmania danej látky. Pri povrchnom skúmaní sa dá napríklad aj tvrdiť, že mlieko je len jednofázové – tekuté, a pojmy fáza a skupenstvo potom splývajú.

Čistá látka môže v rovnovážnom stave za danej teploty a tlaku existovať buď v jednej, v dvoch alebo najviac v troch fázach súčasne. Graficky to opisuje fázový diagram, niekedy nazývaný aj stavový diagram. Na os x sa zvyčajne nanáša teplota a na os y tlak. Jednotlivé oblasti roviny grafu zodpovedajú existencii jedinej fázy, hraničné krivky medzi oblasťami zodpovedajú koexistencii dvoch fáz a v bodoch, v ktorých sa stretávajú tri krivky (tzv. trojný bod), môžu existovať súčasne tri fázy.

Jednotlivé skupenstvá

Klasické skupenstvá:termochémia

• Pevné skupenstvo (označenie s, z latinského solidus): Pevná látka sa vyznačuje pevným, často pravidelným usporiadaním častíc. Teleso z pevnej látky udržuje svoj tvar, aj keď nie je uzavreté do nejakého objemu. Sily medzi časticami pevnej látky sú obvykle silnejšie ako sily, ktoré by spôsobili jeho rozpad, najčastejšie sa uvažuje gravitačná sila s veľkosťou porovnateľnou s pozemskými podmienkami.

• Kvapalné skupenstvo (označenie l, z latinského liquidus): V kvapaline sú častice látky stále držané pohromade slabými silami, ale už nie sú pevne usporiadané. Kvapaliny sa nedajú stlačiť. Kvapalinu treba uschovávať v nádobách, pretože nedokáže udržať svoj tvar – rozlieva sa. Hovoríme, že kvapalina je tekutina.

• Plynné skupenstvo (označenie g, z latinského gaseus): Plyn patrí s kvapalinou do skupiny tekutín. Častice plynu už nedržia pohromade žiadne sily a ovplyvňujú sa len pri vzájomných zrážkach. Oproti kvapaline býva plyn oveľa ľahšie stlačiteľný. Plyn sa nedá skladovať v otvorenej nádobe, musíme ho uzavrieť zo všetkých strán, pretože hoci stredná voľná dráha častíc je zvyčajne pomerne malá, predsa len by postupne z nádoby vyprchával. Zrejme by sa nám ani nepáčilo jeho postupné miešanie s okolitým plynom.

Podľa novších definícií sa pojmy pevné skupenstvo a kvapalné skupenstvo rušia a nahradzujú trocha inak definovanými pojmami kryštalické a amorfné skupenstvo (pozri kryštál a amorfná látka).

V termochémii sa skupenstvo látok uvádza priamo do chemickej rovnice, z ktorej sa potom stáva termochemická rovnica. V chémii sa okrem označení s, l a g používa i označenie aq (z latinského aquosus), ktoré označuje roztoky.

Ďalšie skupenstvá

Medzi ďalšie, menej bežné skupenstvá, patria napríklad:

• Za štvrté skupenstvo sa zvyčajne považuje plazma. Je to trochu zvláštne skupenstvo, pretože chémia už nedokáže opísať správanie látok v ňom. Z fyzikálneho hľadiska ale nie je jedno, či ide napríklad o plazmu vodíkovú alebo héliovú. Podstatným kritériom, podľa ktorého môžeme rozhodnúť, či je látka plazmou, je existencia niektorých kolektívnych procesov, napríklad spoločnej špecifickej reakcie na elektromagnetické pole. 99 % všetkej hmoty vo vesmíre je v skupenstve plazmy.
• kvarkovo-gluónová plazma sa označuje skupenstvo, ktoré sa dosahuje pri veľmi vysokej teplote (väčšej ako 10¹² K), kedy sa kvarky a gluóny začnú správať ako voľné častice. V tomto prípade už naozaj stráca zmysel hovoriť o prvkoch, z ktorých je látka zložená. Prvý raz bolo pozorované v 90. rokoch 20. storočia pri zrážkach jadier ťažkých prvkov na urýchľovačoch. Jeho objav oznámili 10. februára 2000.
• Boseho-Einsteinov kondenzát
• fermiónový kondezát (prvýkrát vytvorený americkou fyzičkou Deborah Jin v roku 2003)

„Exotické“ skupenstvá:

• supratekutá látka
• suprapevná látka
• degenerovaná látka
• silno symetrická látka
• slabo symetrická látka
• podivná hmota

Prechody medzi skupenstvami/fázami

Prechodmi hmoty z jedného skupenstva na druhé (fázový prechod) sa zaoberá termodynamika.

Pevná látka – kvapalina

Prechodu od pevnej látky ku kvapaline hovoríme topenie. Opačný jav sa nazýva tuhnutie. Aby teleso prešlo z pevnej fázy do kvapalnej, musíme mu dodať skupenské teplo topenia. Na mikroskopickej úrovni sa to rovná dodaniu energie častici, ktorá bude väčšia ako energia väzby, ktorá časticu v pevnej látke drží.

Netreba, aby pevné teleso malo nejakú konkrétnu teplotu, aby sa niektoré častice z neho uvoľňovali do kvapalnej fázy. No v prípade, že teplota dosiahne bodu topenia, prechod do kvapalnej fázy nastane spontánne v celom jeho objeme.

Kvapalina – plyn

Prechod od kvapaliny k plynu sa nazýva vyparovanie. Opačný jav sa nazýva kondenzácia (skvapalňovanie). Aby teleso prešlo z kvapalnej fázy do plynnej, musíme mu dodať skupenské teplo varu. Na mikroskopickej úrovni sa to rovná dodaniu energie častici, ktorá bude väčšia ako energia väzby, ktorá časticu v kvapaline drží.

Netreba, aby kvapalné teleso malo nejakú konkrétnu teplotu, aby sa niektoré častice z neho uvoľňovali do plynnej fázy. No v prípade, že teplota dosiahne teplotu varu, prechod do plynnej fázy nastane spontánne v celom jeho objeme. Vtedy hovoríme o vare.

Pevná látka – plyn

Ak častici na makroskopickej úrovni dodáme toľko energie, že sa pretrhne nie len väzba, ktorá ju držala na pevnom mieste, ale aj väzba, ktorá by ju udržala v kvapaline, častica sa uvoľní ako plyn. V niektorých vhodných prípadoch možno tento prechod pozorovať aj na makroskopickej úrovni a hovorí sa mu sublimácia. Opačný jav sa nazýva desublimácia. Niekedy sa môžeme stretnúť s pojmom sublimácia pre obidva smery.

Prechod k plazme

Tu nie je rozhodujúce, či prvé skupenstvo je plynné, kvapalné alebo pevné. Látka sa zmení kvalitatívne v úplne novom smere – uvoľní časť alebo všetky svoje elektróny z atómových obalov. Rozhodujúce pritom nie je, ako silná ionizácia prebehne, ale či táto ionizácia bude mať vplyv na kolektívne správanie látky. Aj veľmi slabo ionizovaná látka môže byť plazmou (napríklad ionosféra), ale na druhej strane taký plameň ohňa sa za plazmu zvyčajne nepovažuje.

Ekvivalentom skupenského tepla tu môže byť energia potrebná na ionizáciu.

Prechod ku kvarkovo-gluónovej plazme

Tento prechod bol zatiaľ pozorovaný len vo veľmi špeciálnych prípadoch. Dodnes nie je úplne jasné, aké deje pri prechode z normálneho stavu hmoty (v zmysle existencie nukleónov) do stavu kvarkovo-gluónovej plazmy prebiehajú. Veľa odpovedí pravdepodobne prinesie urýchľovač častíc LHC (Large Hadron Collider) v CERNe s práve (rok 2005) dokončovanou sústavou detektorov pre projekt ALICE (A Large Ion Collider Experiment).

Iné projekty

Fyzikálny portál Chemický portál

Wikicitáty

• Wikicitáty ponúkajú citáty od alebo o Skupenstvo