Bài 1. Cấu trúc của chất. Sự chuyển thể

Mô hình động học phân tử về cấu tạo chất có những nội dung cơ bản sau:

1. Các chất được cấu tạo từ các hạt riêng biệt là phân tử.
2. Các phân tử chuyển động không ngừng. Nhiệt độ của vật càng cao thì tốc độ chuyển động trung bình của các phân tử cấu tạo nên vật càng lớn.
3. Giữa các phân tử có lực hút và đẩy gọi chung là lực liên kết phân tử.

Thuật ngữ phân tử trong mô hình trên được dùng để chỉ chung các hạt cấu tạo chất: phân tử, nguyên tử, ion.

Chuyển động Brown

Năm 1827, khi quan sát các hạt phấn hoa rất nhỏ trong nước bằng kính hiển vi, Brown thấy chúng chuyển động hỗn loạn, không ngừng. Chuyển động này được gọi là chuyển động Brown.

Chuyển động Brown là một trong những bằng chứng cho thấy các phân tử chuyển động hỗn loạn, không ngừng. Khi nhiệt độ của nước càng cao, các phân tử nước chuyển động càng nhanh nên chuyển động của các hạt nhỏ lơ lửng cũng mạnh hơn.

Dựa vào đặc điểm của phân tử có thể mô tả sơ lược cấu trúc của hầu hết các chất rắn, chất lỏng, chất khí:

• Khoảng cách giữa các phân tử càng lớn thì lực liên kết giữa chúng càng yếu.
• Các phân tử sắp xếp càng có trật tự thì lực liên kết giữa chúng càng mạnh.

So sánh ba thể: ở thể khí, các phân tử ở xa nhau và chuyển động hỗn loạn; ở thể rắn, các phân tử ở gần nhau, sắp xếp có trật tự và dao động quanh vị trí cân bằng; ở thể lỏng, các phân tử ở gần nhau nhưng sắp xếp kém trật tự hơn và có thể đổi chỗ cho nhau.

• Chất khí: không có hình dạng và thể tích riêng, luôn chiếm toàn bộ thể tích bình chứa và có thể nén được dễ dàng.
• Chất rắn: có thể tích và hình dạng riêng, rất khó nén.
• Chất lỏng: có thể tích riêng nhưng không có hình dạng riêng.

Các chất có thể chuyển từ thể này sang thể khác. Đa số các chất ở thể rắn khi nóng lên có thể chuyển sang thể lỏng, rồi từ thể lỏng sang thể khí. Ngược lại, đa số chất khí khi lạnh đi có thể chuyển sang thể lỏng, rồi từ thể lỏng sang thể rắn. Một số chất có thể chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể khí và ngược lại.

Các hình thức chuyển thể gồm: rắn → lỏng là nóng chảy; lỏng → rắn là đông đặc; lỏng → khí là hóa hơi; khí → lỏng là ngưng tụ; rắn → khí là thăng hoa; khí → rắn là ngưng kết.

Trong khi chuyển động hỗn loạn, các phân tử có thể va chạm vào nhau, truyền năng lượng cho nhau. Càng nhận được nhiều năng lượng thì các phân tử chuyển động hỗn loạn càng nhanh, khoảng cách trung bình giữa chúng càng tăng, lực liên kết giữa chúng càng yếu. Vì vậy mô hình động học phân tử có thể dùng để giải thích sơ lược các hiện tượng chuyển thể như hóa hơi và nóng chảy.

Sự hóa hơi có thể xảy ra dưới hai hình thức là bay hơi và sôi.

Bay hơi

Sự bay hơi là sự hóa hơi xảy ra ở mặt thoáng của chất lỏng. Do các phân tử chuyển động hỗn loạn và va chạm vào nhau, một số phân tử ở gần mặt thoáng có động năng đủ lớn để thắng lực liên kết của các phân tử khác, thoát ra khỏi mặt thoáng của chất lỏng và trở thành các phân tử ở thể hơi.

Khi bay hơi, những phân tử có động năng lớn dễ thoát ra ngoài nên động năng trung bình của các phân tử còn lại giảm; vì vậy nhiệt độ của chất lỏng có thể giảm.

Sôi

Khi nhiệt độ của nước tăng tới khoảng 100 °C dưới áp suất tiêu chuẩn \(1{,}01\times10^5\,\text{Pa}\), nước bắt đầu sôi. Khi đó các bọt chứa không khí và hơi nước nổi lên trong lòng nước, càng ngày càng nhiều, càng nổi lên trên thì thể tích các bọt khí càng tăng; tới mặt thoáng thì vỡ, không khí và hơi nước thoát ra ngoài khí quyển. Sự sôi là sự hóa hơi xảy ra đồng thời ở bên trong và trên mặt thoáng của chất lỏng.

Trong khi nước đang sôi, nhiệt độ của nước không tăng dù nước vẫn tiếp tục nhận năng lượng; năng lượng nhận được được dùng cho quá trình chuyển thể.

Chất rắn kết tinh là chất mà các hạt cấu tạo nên nó ở thể rắn liên kết với nhau một cách chặt chẽ, sắp xếp theo một trật tự hình học tuần hoàn tạo thành các mạng tinh thể. Chất rắn vô định hình là chất ở thể rắn mà các hạt cấu tạo nên nó không tạo thành mạng tinh thể.

Hầu hết kim loại là các chất kết tinh; thủy tinh, nhựa đường, các chất dẻo, ... là các chất vô định hình. Mỗi chất rắn kết tinh có nhiệt độ nóng chảy (hoặc đông đặc) xác định.

Khi được đun nóng, chất rắn kết tinh nhận năng lượng. Đến nhiệt độ nóng chảy, chất rắn bắt đầu chuyển thành chất lỏng.

Trong giai đoạn đang nóng chảy, dù vật tiếp tục nhận năng lượng nhưng nhiệt độ của chất rắn kết tinh không tăng. Năng lượng vật nhận được lúc này dùng để làm suy yếu và phá vỡ các liên kết trong mạng tinh thể, giúp các hạt thoát khỏi vị trí sắp xếp cố định để chuyển sang trạng thái lỏng.

Sau khi chất rắn nóng chảy hoàn toàn, nếu tiếp tục cung cấp năng lượng thì nhiệt độ của chất lỏng lại tăng.