Starile fizice ale materiei

STARILE FIZICE ALE MATERIEI

1. Clasificarea substantelor dupa starile de agregare

La nivel macroscopic materia se prezinta in trei stari net diferite, numite stari de agregare: gazoasa, lichida si solida, fiecare cu proprietatile ei specifice. Din punct de vedere fenomenologic, cele trei stari de agregare pot fi caracterizate astfel:

starea gazoasa - nu are nici forma si nici volum propriu;

starea lichida - nu are forma proprie, insa are volum propriu;

starea solida - are si forma si volum propriu.

Substantele aflate in stare solida, in functie de aranjarea spatiala a particulelor componente, in conditii normale de temperatura si presiune, se clasifica in:

solide cristaline - in care particulele componente sunt aranjate ordonat si periodic in spatiu in nodurile unei retele numita retea cristalina;

solide amorfe - in care particulele componente nu mai sunt dispuse ordonat, de aceea starea amorfa este o stare intermediara intre starea cristalina si cea lichida.

Existenta starilor de agregare ale materiei poate fi explicata daca se tine cont de miscarea, interactiunea si structura particulelor ce alcatuiesc corpurile. Particulele se gasesc intr-o stare de miscare numita agitatie termica, care este dependenta de temperatura si are un caracter haotic. Aceasta miscare confera particulelor energie cinetica, insa in acelasi timp particulele interactioneaza intre ele ceea ce determina aparitia energiei potentiala. Interactiunea dintre particule este exprimata prin fortele intermoleculare, care pot fi de tip electric, van der Waals, etc., toate impreuna fiind numite forte de coeziune. Intre fortele de coeziune din cele trei stari de agregare exista urmatoarea relatie:

F_gaz < F_lichid < F_solid (1)

2. Transformari de faza

Aprecierea asupra starii de agregare a materiei se face in conditii normale de temperatura si presiune (T= 293 K, p = 1 atm), insa o substanta poate exista in toate cele trei stari de agregare, in functie de conditiile de temperatura si presiune la care este supusa. Trecerea dintr-o stare de agregare in alta se numeste transformare de faza.

In figura 1. este prezentata diagrama de stare si procesele care apar cand au loc transformarile de faza.

Punctul triplu (PT) - reprezinta punctul in care coexista toate cele trei stari de agregare, in echilibru dinamic fiind caracterizat de o anumita temperatura si presiune, specifice substantei respective.

Punctul critic (PC) - este punctul peste a carui temperatura gazul nu mai poate fi lichefiat, indiferent cat de mult ar creste presiunea.

Un sistem material poate fi constituit din mai multe componente, fie in aceeasi stare de agregare, fie in stari diferite. Daca mediul este continuu, fara zone separate, sistemul este monofazic. Cand in sistem exista zone de discontinuetate, sistemul este polifazic, iar suprafata de separatie dintre doua zone se numeste interfata.

Fig. 1. Diagrama de stare; PT - punct triplu, PC - punct critic, (a) topire si solidificare; (b) vaporizare si condensare; (c) sublimare si desublimare.

Stari de agregare in organismele vii

Din punct de vedere al starii de agregare materia vie este heterogena, fiind un sistem polifazic. Totusi, ca urmare a adaptarii organismelor vii la diferitele conditii de mediu, se poate decela existenta substantei in cele trei stari de agregare.

Gazele in sistemele vii se gasesc sub trei forme:

nedizolvate in alveolele pulmonare, sinisuri osoase, in tubul digestiv etc;

dizolvate in diversele lichide: plasma, lichid cefalorahidian etc;

combinate cu unele biomolecule, cum este hemoglobina.

Starea lichida este prezenta in organism sub diferite forme:

lichide circulante: sange, plasma, lichid cefalorahidian;

mediu lichid: citoplasma, lichidul interstitial;

lichide de secretie;

lichide de excretie: urina, transpiratia;

structuri fluide: mediile refringente din ochi, membrana celilara.

Lichidele biologice nu sunt niciodata lichide pure, ele sunt sisteme de dispersie complexe de cele trei tipuri: solutii, coloizi sau suspensii. Solventul tuturor lichidelor biologice este apa, ce se gaseste in cantitate mare in organismele vii si poseda proprietati speciale, care vor fi studiate in capitolul urmator.

Starea solida in organismele vii se gaseste sub forma de:

structuri microscopice: macromolecule, organite citoplasmatice, organite nucleare, citoschelet, dispozitive contractile, structuri solide extracelulare, cum ar fi substanta fundamentala din tesutul conjunctiv, cartilaginos si osos, scheletul celulozic la plante;

solide cristaline si amorfe: oase, dinti, par;

structuri complexe care din punct de vedere macroscopic se comporta ca solide: muschi, organe, peretii vaselor sangvine.

In organismele vii nu exista intotdeauna o delimitare precisa intre starile de agregare ale substantei din cauza existentei starilor de intermediare si mixte. De exemplu, sangele este un fluid cu o alcatuire complexa, ce contine elemente figurate (leucocite, hematii, trombocite) cu proprietati de solide plastice si elastice si in care sunt dizolvate gaze ca oxigen, bioxid de carbon, azot etc.

4. Cristale lichide

Cristalele lichide sunt o clasa speciala de substante care din punct de vedere al mobilitatii se comporta ca lichidele, insa au proprietati asemanatoare cristalelor, de exemplu, optic, ele sunt birefringente. Starea de cristal lichid poate fi obtinuta prin topirea, prin racirea materialului topit sau prin actiunea unui solvent (in cazul substantelor liotrope).

In cazul substantelor de interes biologic, cristalele lichide sunt substante organice la care tranzitia solid - lichid se face prin intermediul unor stari stabile in care substanta este anizotropa, dar fluida. Aceste faze intermediare se numesc mezofaze, faze mezomorfe sau fluide condensate cu anizotropie spontana.

Orientarea spatiala a moleculelor sau a agregatelor moleculare este o caracteristica impotanta care confera substantei proprietati de cristal lichid. Pentru a se forma faze mezomorfe stabile, moleculele trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii:

sa fie alungite si sa aiba parti asezate in acelasi plan (exemplu ciclul benzoic);

axa lunga a moleculei sa contina legaturi duble sau triple care sa-I ofere rigiditate;

trunchiul rigid al moleculei sa contina dipoli electrici permanenti, puternici, dar si grupari care se pot polariza usor;

la extremitatile moleculei trebuie sa existe grupari dipolare slabe.

In cazul materiei vii se cunosc trei tipuri de structuri moleculare care pot indeplini aceste cerinte, si anume:

molecule organice mici, de exemplu esterii colesterorului (observatie: colesterolul insasi nu este cristal lichid);

agregate moleculare elicoidale lungi, sub forma de baghete (exemple ADN-ul si anumite virusuri);

structuri asociate care sunt amestecuri de amfoliti cu solventi polari, cum ar fi apa, obtinandu-se la o anumita concentratie o orientare a gruparilor hidrofile si hidrofobe (exemplu membrana celulara).

Cristalele lichide, in functie de conditiile de formare a fazei mezomorfe, se pot clasifica in:

a)  termotrope - care se obtin intr-un anumit domeniu de temperatura (Fig. 2). Dupa orientarea spatiala a moleculelor, acestea se impart in:

nemantice - in care toate moleculele se aranjeaza cu axa lunga dupa o directie preferentiala. Aceste cristale au o transparenta de 100%, insa nu au activitate optica.

colesterice - sunt formate din straturi in care moleculele sunt orientate cu axa lunga paralel. Straturile sunt rotite continuu spre stanga sau spre dreapta cu un anumit unghi, ce difera de la un strat la altul, obtinandu-se astfel o structura de tip elicoidal. Aceste cristale sunt optic active.

smectice - care au o structura stratificata, grosimea unui strat fiind egala cu axa lunga a moleculelor (exemplu mielina).

Fig. 2. Cristale lichide termotrope. (a) nemantice, (b) colesterice, (c) smectice.

b) liotrope - se obtin intr-un anumit domeniu de concentratie.

Lichidele biologice, fiind formate dintr-o parte hidrofila si din doua parti hidrofobe, au un caracter amfoter. Astfel, intr-un anumit domeniu de concentratie al mediului apos, care este puternic polar, ele formeaza structuri micelare sferice, cilindrice, prismatice sau structuri lamelare (fig. ).

Fig. Cristale lichide liotrope.

Micelele sunt complexe moleculare, rezultate in urma interactiunilor de tip van der Waals ale unor compusi moleculari, care pot fi constituiti din molecule mici sau macromolecule. Stabilitatea acestor agregate moleculare este asigurata de legaturile hidrofile si interactiunile hidrofobe.

Acest tip de structura moleculara se regaseste in membranele celulare, care au caracteristicile unor cristale lichide.