Eigenschaften & Aggregatzustände (Physik): Ein Überblick

Die physikalischen Eigenschaften der Materie liegen einem Großteil der Physik zugrunde. Neben dem Verständnis von Materiezuständen, Phasenänderungen und chemischen Eigenschaften ist es bei der Diskussion von Materie wichtig, physikalische Größen wie Dichte (Masse pro Volumeneinheit), Masse (Menge der Materie) und Druck (Kraft pro Einheit) verstehen Bereich).

Die alltägliche Materie, mit der Sie vertraut sind, besteht aus Atomen. Aus diesem Grund werden Atome allgemein als Bausteine ​​der Materie bezeichnet. Es gibt mehr als 109 verschiedene Arten von Atomen und sie repräsentieren alle Elemente des Periodensystems.

Die zwei Hauptteile des Atoms sind der Kern und die Elektronenhülle. Der Atomkern ist der bei weitem schwerste Teil des Atoms und enthält den größten Teil der Masse. Es ist ein fest gebundener Bereich im Zentrum des Atoms und nimmt trotz seiner Masse im Vergleich zum Rest des Atoms relativ wenig Platz ein. Im Kern befinden sich Protonen (positiv geladene Teilchen) und Neutronen (negativ geladene Teilchen). Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt, welches Element das Atom ist, und unterschiedliche Anzahlen von Neutronen entsprechen verschiedenen Isotopen dieses Elements.

Die Elektronen sind negativ geladene Teilchen, die eine diffuse Wolke oder Hülle um den Kern bilden. In einem neutral geladenen Atom ist die Anzahl der Elektronen gleich der Anzahl der Protonen. Bei einer anderen Zahl wird das Atom als Ion bezeichnet.

Moleküle sind Atome, die durch chemische Bindungen zusammengehalten werden. Es gibt drei Haupttypen chemischer Bindungen: ionisch, kovalent und metallisch. Ionenbindungen treten auf, wenn ein negatives und ein positives Ion voneinander angezogen werden. Eine kovalente Bindung ist eine Bindung, bei der zwei Atome Elektronen teilen. Metallische Bindungen sind Bindungen, bei denen die Atome wie positive Ionen wirken, die in ein Meer freier Elektronen eingebettet sind.

Aus den mikroskopischen Eigenschaften von Atomen und Molekülen entstehen die makroskopischen Eigenschaften, die das Verhalten der Materie bestimmen. Die Reaktion der Moleküle auf Temperaturänderungen, die Stärke der Bindungen usw. führen zu Eigenschaften wie spezifischer Wärmekapazität, Flexibilität, Reaktivität, Leitfähigkeit und vielem mehr.

Ein Aggregatzustand ist eine von vielen möglichen unterschiedlichen Formen, in denen Materie existieren kann. Es gibt vier Aggregatzustände: fest, flüssig, gasförmig und Plasma. Jeder Zustand hat unterschiedliche Eigenschaften, die ihn von den anderen unterscheiden, und es gibt Phasenübergangsprozesse, durch die Materie von einem Zustand in einen anderen wechselt.

Wenn Sie an einen Festkörper denken, denken Sie wahrscheinlich an etwas Hartes oder Festes. Festkörper können aber auch flexibel, verformbar und formbar sein.

Festkörper zeichnen sich durch ihre fest gebundenen Moleküle aus. Materie im festen Zustand ist tendenziell dichter als im flüssigen Zustand (obwohl es Ausnahmen gibt, vor allem Wasser). Festkörper behalten ihre Form und haben ein festes Volumen.

Eine Art von Festkörper ist akristallinsolide. In einem kristallinen Festkörper sind die Moleküle in einem sich wiederholenden Muster im gesamten Material angeordnet. Kristalle sind leicht an ihrer makroskopischen Geometrie und Symmetrie zu erkennen.

Eine andere Art von Feststoff ist einamorphsolide. Dies ist ein Festkörper, bei dem die Moleküle überhaupt nicht in einem Kristallgitter angeordnet sind. EINpolykristallinsolide liegt irgendwo dazwischen. Es besteht oft aus kleinen, einkristallinen Strukturen, jedoch ohne sich wiederholendes Muster.

Flüssigkeiten bestehen aus Molekülen, die leicht aneinander vorbeifließen können. Das Wasser, das Sie trinken, das Öl, mit dem Sie kochen, und das Benzin in Ihrem Auto sind alles Flüssigkeiten. Im Gegensatz zu Feststoffen nehmen Flüssigkeiten die Form des Bodens ihres Behälters an.

Obwohl sich Flüssigkeiten bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken ausdehnen und zusammenziehen können, sind diese Änderungen oft gering, und für die meisten praktischen Zwecke kann davon ausgegangen werden, dass Flüssigkeiten auch ein festes Volumen haben. Die Moleküle einer Flüssigkeit können aneinander vorbeifließen.

Die Neigung einer Flüssigkeit, leicht „klebrig“ zu sein, wenn sie an einer Oberfläche haftet, wird als. bezeichnetAdhäsion, und die Fähigkeit von Flüssigkeitsmolekülen, zusammenkleben zu wollen (z. B. wenn ein Wassertropfen auf einem Blatt eine Kugel bildet) heißtZusammenhalt​.

In einer Flüssigkeit hängt der Druck von der Tiefe ab, und aus diesem Grund spüren untergetauchte oder teilweise untergetauchte Objekte aufgrund des Druckunterschieds auf der Ober- und Unterseite des Objekts eine Auftriebskraft. Das archimedische Prinzip beschreibt diesen Effekt und erklärt, wie Gegenstände in Flüssigkeiten schwimmen oder sinken. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass „die Auftriebskraft gleich dem Gewicht der verdrängten Flüssigkeit ist“. Als solche hängt die Auftriebskraft von der Dichte der Flüssigkeit und der Größe des Objekts ab. Gegenstände, die dichter als die Flüssigkeit sind, sinken, und diejenigen, die weniger dicht sind, schwimmen.

Gase enthalten Moleküle, die sich leicht umeinander bewegen können. Sie nehmen die volle Form und das volle Volumen ihres Behälters an und können sich sehr leicht ausdehnen und zusammenziehen. Wichtige Eigenschaften eines Gases sind Druck, Temperatur und Volumen. Tatsächlich reichen diese drei Größen aus, um den makroskopischen Zustand eines idealen Gases vollständig zu beschreiben.

Ein ideales Gas ist ein Gas, bei dem die Moleküle als Punktteilchen angenähert werden können und bei dem angenommen wird, dass sie nicht miteinander wechselwirken. Das ideale Gasgesetz beschreibt das Verhalten vieler Gase und wird durch die Formel

woPist Druck,Vist Volumen,neinist die Molzahl eines Stoffes,Rist die ideale Gaskonstante (R= 8,3145 J/molK) undTist die Temperatur.

Eine alternative Formulierung dieses Gesetzes ist

woNeinist die Anzahl der Moleküle undkist die Boltzmann-Konstante (k​ = 1.38065 × 10^-23 J/K). (Ein skeptischer Leser kann das bestätigennR = Nk​.)

Gase üben auch Auftriebskräfte auf darin eingetauchte Gegenstände aus. Während die meisten Alltagsgegenstände dichter sind als die Luft um uns herum, so dass diese Auftriebskraft nicht sehr spürbar ist, ist ein Heliumballon ein perfektes Beispiel dafür.

Plasma ist ein Gas, das so heiß geworden ist, dass die Elektronen dazu neigen, die Atome zu verlassen und positive Ionen in einem Elektronenmeer zurücklassen. Da es im Plasma insgesamt gleich viele positive und negative Ladungen gibt, wird davon ausgegangen quasi neutral, obwohl sich das Plasma durch die Trennung und lokale Ladungsbündelung ganz anders verhält als a normales Gas.

Plasma wird maßgeblich durch elektrische und magnetische Felder beeinflusst. Auch diese Felder müssen nicht von außen sein, da die Ladungen im Plasma selbst bei ihrer Bewegung elektrische Felder und magnetische Felder erzeugen, die sich gegenseitig beeinflussen.

Bei niedrigeren Temperaturen und Energien wollen die Elektronen und Ionen zu neutralen Atomen rekombinieren, so dass für die Aufrechterhaltung eines Plasmazustands im Allgemeinen hohe Temperaturen erforderlich sind. Es kann jedoch ein sogenanntes nichtthermisches Plasma erzeugt werden, bei dem die Elektronen selbst eine hohe Temperatur halten, während die ionisierten Kerne dies nicht tun. Dies geschieht beispielsweise in Quecksilberdampfgas in einer Leuchtstofflampe.

Es gibt nicht unbedingt eine klare Grenze zwischen einem „normalen“ Gas und Plasma. Die Atome und Moleküle in einem Gas können nach und nach ionisiert werden und zeigen eine plasmaähnlichere Dynamik, je näher das Gas der vollständigen Ionisierung kommt. Plasma unterscheidet sich von Standardgasen durch seine hohe elektrische Leitfähigkeit, da es sich wie ein System mit zwei unterschiedlichen Teilchenarten (positive Ionen und negative Elektronen) verhält. im Gegensatz zu einem System mit einem Typ (neutrale Atome oder Moleküle) und Teilchenkollisionen und Wechselwirkungen, die viel komplexer sind als die 2-Körper-„Poolball“-Wechselwirkungen in einem Standard Gas.

Beispiele für Plasma sind Blitze, die Ionosphäre der Erde, Leuchtstoffröhren und Gase in der Sonne.

Materie kann sich von einer Phase oder einem Zustand in eine andere physisch verändern. Die Hauptfaktoren, die diese Änderung beeinflussen, sind Druck und Temperatur. Als allgemeine Regel gilt, dass ein Festkörper wärmer werden muss, um in eine Flüssigkeit zu werden, eine Flüssigkeit muss wärmer werden, um ein Gas zu werden, und ein Gas muss wärmer werden, um ionisiert zu werden und ein Plasma zu werden. Die Temperaturen, bei denen diese Übergänge auftreten, hängen vom Material selbst sowie vom Druck ab. Tatsächlich ist es unter den richtigen Bedingungen möglich, direkt von einem Festkörper zu einem Gas (dies wird als Sublimation bezeichnet) oder von einem Gas zu einem Festkörper (Abscheidung) überzugehen.

Wird ein Feststoff auf seinen Schmelzpunkt erhitzt, wird er flüssig. Es muss Wärmeenergie zugeführt werden, um den Feststoff auf die Schmelztemperatur zu erhitzen, und dann muss zusätzliche Wärme zugeführt werden, um den Phasenübergang abzuschließen, bevor die Temperatur weiter ansteigen kann. Daslatente Schmelzwärmeist eine Konstante, die jedem bestimmten Material zugeordnet ist und bestimmt, wie viel Energie erforderlich ist, um eine Masseneinheit des Stoffes zu schmelzen.

Das funktioniert auch in die andere Richtung. Wenn eine Flüssigkeit abkühlt, muss sie Wärmeenergie abgeben. Sobald es den Gefrierpunkt erreicht hat, muss es weiter Energie abgeben, um den Phasenübergang zu durchlaufen, bevor die Temperatur weiter sinken kann.

Ein ähnliches Verhalten tritt auf, wenn eine Flüssigkeit bis zum Siedepunkt erhitzt wird. Es wird Wärmeenergie hinzugefügt, wodurch die Temperatur ansteigt, bis sie zu sieden beginnt, an welchem ​​Punkt die hinzugefügte Wärmeenergie verwendet wird um den Phasenübergang zu verursachen, und die Temperatur des resultierenden Gases wird nicht ansteigen, bis sich die gesamte Flüssigkeit verändert hat Phase. Eine Konstante namenslatente Verdampfungswärmebestimmt für einen bestimmten Stoff, wie viel Energie pro Masseneinheit erforderlich ist, um die Phase des Stoffes von flüssig in gasförmig zu ändern. Die latente Verdampfungswärme eines Stoffes ist im Allgemeinen viel größer als die latente Schmelzwärme.

Chemische Eigenschaften von Materie bestimmen, welche Arten von chemischen Reaktionen oder chemischen Veränderungen auftreten können. Chemische Eigenschaften unterscheiden sich von physikalischen Eigenschaften dadurch, dass sie eine chemische Veränderung erfordern, um sie zu messen.

Beispiele für chemische Eigenschaften sind Entflammbarkeit (wie leicht ein Material brennt), Reaktivität (wie leicht es chemische Reaktionen), Stabilität (wie wahrscheinlich ist es, chemischen Veränderungen zu widerstehen) und Arten von Bindungen, die das Material mit anderen eingehen kann Materialien.

Bei einer chemischen Reaktion werden die Bindungen zwischen den Atomen verändert und neue Stoffe gebildet. Zu den gängigen Arten chemischer Reaktionen gehören die Kombination (bei der sich zwei oder mehr Moleküle zu einem neuen Molekül verbinden), die Zersetzung (bei der ein Molekül in zwei Teile zerfällt) oder mehr verschiedene Moleküle) und Verbrennung (bei der sich Verbindungen mit Sauerstoff verbinden und erhebliche Mengen an Wärme freisetzen – häufiger als „Verbrennen“ bezeichnet), um a. zu nennen wenige.