Cấu trúc của chất. Sự chuyển thể

[Doremon]

Trong thế giới vật chất quanh ta – từ nước, không khí, đến kim loại hay đá – mỗi loại đều tồn tại ở những thể khác nhau: rắn, lỏng, hoặc khí. Khi nhiệt độ hoặc áp suất thay đổi, chất có thể chuyển từ thể này sang thể khác – ví dụ nước đá tan thành nước, nước sôi bốc hơi thành hơi nước.
Để hiểu bản chất của những hiện tượng đó, ta cần nắm được “cấu trúc của chất” và “cơ chế chuyển thể”, tức là cách các phân tử – những hạt cực nhỏ cấu tạo nên vật – chuyển động và tương tác với nhau. Đây là nền tảng cho toàn bộ chủ đề Nhiệt học

I. Mô hình động học phân tử về cấu tạo chất​

1. Các chất được cấu tạo từ các hạt riêng biệt​

Mọi vật chất đều được cấu tạo từ những phân tử nhỏ bé (hoặc nguyên tử, ion).

Giữa các phân tử luôn tồn tại khoảng cách nhất định, dù vật có vẻ liền khối bằng mắt thường.
Ví dụ:

• Trong nước, các phân tử $H_2O$ liên kết với nhau bằng liên kết hidro nhưng vẫn có thể trượt qua nhau → nước chảy được.
• Trong thép, các nguyên tử sắp xếp rất chặt → tạo thành cấu trúc rắn chắc.

2. Chuyển động của các phân tử​

Các phân tử chuyển động không ngừng, có thể dao động, trượt, hoặc bay tự do tùy theo thể của chất.

• Khi nhiệt độ tăng, năng lượng dao động của phân tử cũng tăng → vận tốc trung bình tăng.
• Mối quan hệ cơ bản: v tỉ lệ thuận với $\sqrt{T}$ trong đó $v$ là vận tốc trung bình của phân tử, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối.

3. Lực tương tác giữa các phân tử​

Giữa các phân tử có hai loại lực:

• Lực hút: kéo các phân tử lại gần nhau.
• Lực đẩy: xuất hiện khi các phân tử lại quá gần nhau.

Tổng hợp hai lực này gọi là lực liên kết phân tử.
Đây chính là yếu tố quyết định tính chất rắn, lỏng hay khí của chất.

II. Cấu trúc của các thể rắn, lỏng và khí​

Các thể khác nhau của chất có thể được hiểu qua mức độ trật tự sắp xếp và khoảng cách giữa các phân tử.

Thể của chất	Đặc điểm sắp xếp phân tử	Khoảng cách giữa các phân tử	Lực liên kết	Đặc điểm vật lí
Rắn	Sắp xếp có trật tự chặt chẽ	Rất nhỏ	Mạnh	Có hình dạng và thể tích xác định
Lỏng	Sắp xếp kém trật tự hơn	Lớn hơn rắn	Trung bình	Có thể tích xác định, hình dạng phụ thuộc vật chứa
Khí	Phân tử rất xa nhau, hỗn loạn	Rất lớn	Rất yếu	Không có hình dạng hay thể tích xác định

Hiểu sâu hơn:

• Khi khoảng cách tăng → lực liên kết yếu đi.
• Khi trật tự sắp xếp giảm → vật chuyển từ thể rắn sang thể lỏng, hoặc sang khí.

III. Sự chuyển thể của các chất​

1. Khái niệm về sự chuyển thể​

Sự chuyển thể là quá trình chất chuyển từ thể này sang thể khác do thay đổi nhiệt độ hoặc áp suất.
Các quá trình phổ biến:

• Rắn → Lỏng: Nóng chảy
• Lỏng → Rắn: Đông đặc
• Lỏng → Khí: Hóa hơi
• Khí → Lỏng: Ngưng tụ
• Rắn → Khí: Thăng hoa
• Khí → Rắn: Ngưng kết

Biểu đồ minh họa:

Rắn ↔ Lỏng ↔ Khí
  ↑          ↓
Thăng hoa  Ngưng kết

2. Giải thích theo mô hình động học phân tử​

Trong quá trình chuyển thể, năng lượng của các phân tử thay đổi:

• Khi nhận năng lượng (nhiệt) → phân tử chuyển động nhanh hơn → khoảng cách tăng → liên kết yếu đi → chất dễ chuyển sang thể “tự do” hơn.
• Khi mất năng lượng → chuyển động chậm lại → liên kết tăng → chất trở lại thể “chặt chẽ” hơn.

a. Sự hóa hơi – Bay hơi và sôi​

Sự hóa hơi là quá trình chất chuyển từ thể lỏng sang thể khí.

Bay hơi​

• Xảy ra ở mặt thoáng của chất lỏng.
• Có thể diễn ra ở mọi nhiệt độ.
• Các phân tử gần mặt thoáng nhận năng lượng đủ lớn để thoát khỏi lực liên kết và trở thành phân tử hơi.

Tốc độ bay hơi phụ thuộc vào:

• Nhiệt độ: càng cao → phân tử có động năng lớn hơn.
• Diện tích mặt thoáng: càng lớn → bay hơi càng nhanh.
• Gió và độ ẩm không khí: gió mạnh, độ ẩm thấp → bay hơi nhanh hơn.

Sôi​

• Xảy ra đồng thời ở mặt thoáng và trong lòng chất lỏng.
• Xảy ra ở nhiệt độ xác định (gọi là nhiệt độ sôi, ký hiệu $T_s$).
• Trong quá trình sôi, nhiệt độ không đổi dù vật tiếp tục nhận nhiệt.

Ví dụ: Nước sôi ở $T_s = 100^\circ C$ (ở áp suất thường). Khi đó, mọi phân tử nước trong lòng và bề mặt đều hóa hơi đồng loạt.

b. Sự nóng chảy và đông đặc​

Nóng chảy​

• Là quá trình chất rắn chuyển sang lỏng khi được nung nóng.
• Khi nhận nhiệt, các phân tử dao động mạnh hơn, khoảng cách tăng, một số phân tử thoát khỏi vị trí cân bằng → bắt đầu nóng chảy.

Trong suốt quá trình:

• Vật nhận năng lượng $Q$ nhưng nhiệt độ không đổi.
• Nhiệt lượng này được dùng để phá vỡ liên kết giữa các phân tử.

$Q = \lambda m$​

trong đó:

• $\lambda$ là nhiệt nóng chảy riêng ($J/kg$)
• $m$ là khối lượng chất ($kg$)

Đông đặc​

• Quá trình ngược lại: chất lỏng → rắn.
• Khi chất lỏng mất năng lượng, các phân tử liên kết lại thành cấu trúc trật tự.
• Nhiệt độ đông đặc = Nhiệt độ nóng chảy (đối với cùng một chất).

Chất rắn vô định hình​

• Không có nhiệt độ nóng chảy xác định.
• Khi nung nóng, vật mềm dần, rồi chuyển sang lỏng, nhiệt độ tăng liên tục.
  Ví dụ: nhựa, thủy tinh.

IV. Tổng kết và ghi nhớ nhanh​

Hiện tượng	Thể biến đổi	Nhiệt độ có thay đổi?	Đặc điểm nổi bật
Bay hơi	Lỏng → Khí	Có	Diễn ra ở mặt thoáng, mọi nhiệt độ
Sôi	Lỏng → Khí	Không	Xảy ra trong toàn bộ chất lỏng, ở nhiệt độ xác định
Nóng chảy	Rắn → Lỏng	Không	Liên kết bị phá vỡ, nhiệt độ cố định
Đông đặc	Lỏng → Rắn	Không	Liên kết hình thành, nhiệt độ cố định
Thăng hoa	Rắn → Khí	Có	Một số chất như i-ốt, băng khô
Ngưng kết	Khí → Rắn	Có	Ngược lại của thăng hoa

Ghi nhớ ngắn gọn:

• Nhiệt độ càng cao → chuyển động phân tử càng nhanh.
• Khoảng cách càng lớn → lực liên kết càng yếu.
• Nóng chảy và đông đặc xảy ra ở cùng nhiệt độ.
• Bay hơi mọi lúc, sôi ở nhiệt độ xác định.

 

[Doremon]

Hãy dựa trên những kiến thức đã học về cấu tạo chất để giải thích tại sao cùng một chất lại có thể tồn tại ở các thể khác nhau là rắn, lỏng, khí?
Trả lời
Chúng ta thường biết rằng vật chất tồn tại chủ yếu ở ba trạng thái: rắn, lỏng và khí. Trong đó, các nguyên tử trong chất rắn được sắp xếp dày đặc hơn so với chất lỏng, và các nguyên tử trong chất lỏng lại dày đặc hơn so với chất khí. Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến việc vật chất tồn tại ở trạng thái nào.

Ví dụ: Các thí nghiệm cho thấy rằng khi nhiệt độ cao hơn 4°C, các phân tử nước chuyển động mạnh hơn. Do đó, các liên kết hiđrô (H) bị phá vỡ khi các phân tử nước va chạm với nhau bởi chuyển động nhiệt và lực hút tĩnh điện. Điều này đồng nghĩa với việc các liên kết hiđrô không còn đủ mạnh để giữ các phân tử nước gần nhau. Ngược lại, khi nhiệt độ giảm xuống dưới 4°C, chuyển động của các phân tử chậm lại, cho phép các liên kết hiđrô hình thành và duy trì. Khi đó, cấu trúc của nước thay đổi, tạo thành mạng tinh thể đặc trưng.