Ιδιότητες και καταστάσεις του υλικού (Φυσική): Μια επισκόπηση

Οι φυσικές ιδιότητες της ύλης αποτελούν το κύριο μέρος της φυσικής. Εκτός από την κατανόηση των καταστάσεων της ύλης, των αλλαγών φάσης και των χημικών ιδιοτήτων, κατά τη συζήτηση της ύλης, είναι σημαντικό να κατανοήστε τις φυσικές ποσότητες όπως πυκνότητα (μάζα ανά μονάδα όγκου), μάζα (ποσότητα ύλης) και πίεση (δύναμη ανά μονάδα περιοχή).

Η καθημερινή ύλη από την οποία γνωρίζετε είναι φτιαγμένη από άτομα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα άτομα ονομάζονται συνήθως τα δομικά στοιχεία της ύλης. Υπάρχουν περισσότεροι από 109 διαφορετικοί τύποι ατόμων και αντιπροσωπεύουν όλα τα στοιχεία στον περιοδικό πίνακα.

Τα δύο κύρια μέρη του ατόμου είναι ο πυρήνας και το κέλυφος ηλεκτρονίων. Ο πυρήνας είναι μακράν το βαρύτερο μέρος του ατόμου και είναι εκεί όπου βρίσκεται το μεγαλύτερο μέρος της μάζας. Είναι μια στενά συνδεδεμένη περιοχή στο κέντρο του ατόμου, και παρά τη μάζα του, καταλαμβάνει σχετικά λίγο χώρο σε σύγκριση με το υπόλοιπο άτομο. Στον πυρήνα υπάρχουν πρωτόνια (θετικά φορτισμένα σωματίδια) και νετρόνια (αρνητικά φορτισμένα σωματίδια). Ο αριθμός των πρωτονίων στον πυρήνα καθορίζει ποιο στοιχείο είναι το άτομο και διαφορετικοί αριθμοί νετρονίων αντιστοιχούν σε διαφορετικά ισότοπα αυτού του στοιχείου.

Τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που σχηματίζουν ένα διάχυτο νέφος ή κέλυφος γύρω από τον πυρήνα. Σε ένα ουδέτερα φορτισμένο άτομο, ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι ο ίδιος με τον αριθμό των πρωτονίων. Εάν ο αριθμός είναι διαφορετικός, το άτομο ονομάζεται ιόν.

Τα μόρια είναι άτομα που συγκρατούνται από χημικούς δεσμούς. Υπάρχουν τρεις κύριοι τύποι χημικών δεσμών: ιοντικοί, ομοιοπολικοί και μεταλλικοί. Οι ιοντικοί δεσμοί εμφανίζονται όταν ένα αρνητικό και θετικό ιόν έλκονται μεταξύ τους. Ένας ομοιοπολικός δεσμός είναι ένας δεσμός στον οποίο δύο άτομα μοιράζονται ηλεκτρόνια. Οι μεταλλικοί δεσμοί είναι δεσμοί στους οποίους τα άτομα δρουν σαν θετικά ιόντα ενσωματωμένα σε μια θάλασσα ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Οι μικροσκοπικές ιδιότητες των ατόμων και των μορίων προκαλούν τις μακροσκοπικές ιδιότητες που καθορίζουν τη συμπεριφορά της ύλης. Η απόκριση των μορίων στις μεταβολές της θερμοκρασίας, της αντοχής των δεσμών και ούτω καθεξής οδηγεί σε ιδιότητες όπως ειδική θερμική ικανότητα, ευελιξία, αντιδραστικότητα, αγωγιμότητα και πολλά άλλα.

Η κατάσταση της ύλης είναι μία από τις πολλές πιθανές ξεχωριστές μορφές στις οποίες η ύλη μπορεί να υπάρχει. Υπάρχουν τέσσερις καταστάσεις της ύλης: στερεά, υγρά, αέρια και πλάσμα. Κάθε κατάσταση έχει ξεχωριστές ιδιότητες που τη διακρίνουν από τις άλλες καταστάσεις και υπάρχουν διαδικασίες μετάβασης φάσης με τις οποίες η ύλη αλλάζει από τη μία κατάσταση στην άλλη.

Όταν σκέφτεστε ένα συμπαγές, πιθανότατα σκέφτεστε κάτι σκληρό ή σταθερό με κάποιο τρόπο. Αλλά τα στερεά μπορούν επίσης να είναι εύκαμπτα, παραμορφώσιμα και ελαστικά.

Τα στερεά διακρίνονται από τα στενά συνδεδεμένα μόρια τους. Η ύλη σε στερεά κατάσταση τείνει να είναι πιο πυκνή από ό, τι όταν βρίσκεται σε υγρή κατάσταση (αν και υπάρχουν εξαιρέσεις, κυρίως νερό). Τα στερεά διατηρούν το σχήμα τους και έχουν σταθερό όγκο.

Ένας τύπος στερεού είναι ακρυστάλλινοςστερεός. Σε ένα κρυσταλλικό στερεό, τα μόρια διατάσσονται με επαναλαμβανόμενο σχέδιο σε όλο το υλικό. Οι κρύσταλλοι αναγνωρίζονται εύκολα από τη μακροσκοπική γεωμετρία και τις συμμετρίες τους.

Ένας άλλος τύπος στερεού είναι έναςάμορφοςστερεός. Αυτό είναι ένα στερεό στο οποίο τα μόρια δεν είναι διατεταγμένα καθόλου σε κρυσταλλικό πλέγμα. ΕΝΑπολυκρυσταλλικότο στερεό είναι κάπου στο μεταξύ. Συχνά αποτελείται από μικρές, μονές κρυσταλλικές δομές, αλλά χωρίς επαναλαμβανόμενο μοτίβο.

Τα υγρά αποτελούνται από μόρια που μπορούν να ρέουν εύκολα μεταξύ τους. Το νερό που πίνετε, το λάδι με το οποίο μαγειρεύετε και η βενζίνη στο αυτοκίνητό σας είναι όλα υγρά. Σε αντίθεση με τα στερεά, τα υγρά έχουν τη μορφή του πυθμένα του δοχείου τους.

Αν και τα υγρά μπορούν να διαστέλλονται και να συστέλλονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις, αυτές οι αλλαγές είναι συχνά μικρές, και για τους περισσότερους πρακτικούς σκοπούς, τα υγρά μπορεί να θεωρηθεί ότι έχουν σταθερό όγκο επίσης. Τα μόρια σε ένα υγρό μπορούν να ρέουν το ένα δίπλα στο άλλο.

Η τάση ενός υγρού να είναι ελαφρώς «κολλώδης» όταν συνδέεται με μια επιφάνεια καλείταιπροσκόλλησηκαι η ικανότητα των υγρών μορίων να θέλουν να κολλήσουν μεταξύ τους (όπως όταν ένα σταγονίδιο νερού σχηματίζει μια μπάλα σε ένα φύλλο) ονομάζεταισυνοχή​.

Σε ένα υγρό, η πίεση εξαρτάται από το βάθος και εξαιτίας αυτού, τα βυθισμένα ή μερικώς βυθισμένα αντικείμενα θα αισθάνονται μια ισχυρή δύναμη λόγω της διαφοράς πίεσης στο πάνω και κάτω μέρος του αντικειμένου. Η αρχή του Αρχιμήδη περιγράφει αυτό το αποτέλεσμα και εξηγεί πώς τα αντικείμενα επιπλέουν ή βυθίζονται σε υγρά. Μπορεί να συνοψιστεί από τη δήλωση ότι «η πλευστή δύναμη είναι ίση με το βάρος του εκτοπισμένου υγρού». Ως τέτοια, η πλευστή δύναμη εξαρτάται από την πυκνότητα του υγρού και το μέγεθος του αντικειμένου. Αντικείμενα που είναι πιο πυκνά από το υγρό θα βυθιστούν και εκείνα που είναι λιγότερο πυκνά θα επιπλέουν.

Τα αέρια περιέχουν μόρια που μπορούν να κινούνται εύκολα μεταξύ τους. Παίρνουν το πλήρες σχήμα και τον όγκο του δοχείου τους και πολύ εύκολα επεκτείνονται και συστέλλονται. Σημαντικές ιδιότητες ενός αερίου περιλαμβάνουν πίεση, θερμοκρασία και όγκο. Στην πραγματικότητα, αυτές οι τρεις ποσότητες επαρκούν για να περιγράψουν πλήρως τη μακροσκοπική κατάσταση ενός ιδανικού αερίου.

Ένα ιδανικό αέριο είναι ένα αέριο στο οποίο τα μόρια μπορούν να προσεγγιστούν ως σωματίδια σημείου και στο οποίο θεωρείται ότι δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ο ιδανικός νόμος για το αέριο περιγράφει τη συμπεριφορά πολλών αερίων και δίνεται από τον τύπο

όπουΠείναι πίεση,Βείναι όγκος,νείναι ο αριθμός γραμμομορίων μιας ουσίας,Ρείναι η ιδανική σταθερά αερίου (Ρ= 8,3145 J / molK) καιΤείναι θερμοκρασία.

Μια εναλλακτική διατύπωση αυτού του νόμου είναι

όπουΝείναι ο αριθμός των μορίων καικείναι η σταθερά του Boltzmann (κ​ = 1.38065 × 10^-23 J / Κ). (Ένας δύσπιστος αναγνώστης μπορεί να το επιβεβαιώσειnR = Nk​.)

Τα αέρια ασκούν επίσης ισχυρές δυνάμεις σε αντικείμενα που βυθίζονται σε αυτά. Ενώ τα περισσότερα καθημερινά αντικείμενα είναι πυκνότερα από τον αέρα γύρω μας, καθιστώντας αυτή την πλευστή δύναμη όχι πολύ αισθητή, ένα μπαλόνι ηλίου είναι ένα τέλειο παράδειγμα αυτού.

Το πλάσμα είναι ένα αέριο που έχει γίνει τόσο ζεστό που τα ηλεκτρόνια τείνουν να εγκαταλείπουν τα άτομα, αφήνοντας θετικά ιόντα σε μια θάλασσα ηλεκτρονίων. Επειδή υπάρχει ίσος αριθμός θετικών και αρνητικών φορτίων στο πλάσμα συνολικά, θεωρείται σχεδόν ουδέτερο, αν και ο διαχωρισμός και η τοπική συσσώρευση φορτίων προκαλεί το πλάσμα να συμπεριφέρεται πολύ διαφορετικά από ένα κανονικό αέριο.

Το πλάσμα επηρεάζεται σημαντικά από ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Αυτά τα πεδία δεν χρειάζεται να είναι εξωτερικά, καθώς τα φορτία στο ίδιο το πλάσμα δημιουργούν ηλεκτρικά πεδία και μαγνητικά πεδία καθώς κινούνται, τα οποία επηρεάζουν το ένα το άλλο.

Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες και ενέργειες, τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα θέλουν να ανασυνδυαστούν σε ουδέτερα άτομα, έτσι ώστε η κατάσταση του πλάσματος να διατηρηθεί γενικά απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες. Ωστόσο, το λεγόμενο μη θερμικό πλάσμα μπορεί να δημιουργηθεί όπου τα ίδια τα ηλεκτρόνια διατηρούν υψηλή θερμοκρασία ενώ οι ιονισμένοι πυρήνες δεν το κάνουν. Αυτό συμβαίνει για παράδειγμα σε αέρια υδραργύρου σε λαμπτήρα φθορισμού.

Δεν υπάρχει απαραιτήτως μια ξεχωριστή διακοπή μεταξύ ενός «φυσιολογικού» αερίου και πλάσματος. Τα άτομα και τα μόρια ενός αερίου μπορούν να ιονιστούν κατά μοίρες, δείχνοντας περισσότερες πλασμικές δυναμικές όσο πλησιάζει το αέριο να ιονιστεί πλήρως. Το πλάσμα διακρίνεται από τα στάνταρ αέρια λόγω της υψηλής ηλεκτρικής αγωγιμότητας του, το γεγονός ότι λειτουργεί σαν ένα σύστημα με δύο διαφορετικούς τύπους σωματιδίων (θετικά ιόντα και αρνητικά ηλεκτρόνια) σε αντίθεση με ένα σύστημα με έναν τύπο (ουδέτερα άτομα ή μόρια), και συγκρούσεις σωματιδίων και αλληλεπιδράσεις που είναι πολύ πιο περίπλοκες από τις αλληλεπιδράσεις 2 μπλοκ πισίνας σε ένα πρότυπο αέριο.

Παραδείγματα πλάσματος περιλαμβάνουν κεραυνό, ιοντόσφαιρα της Γης, φωτισμό φθορισμού και αέρια στον ήλιο.

Η ύλη μπορεί να υποστεί φυσική αλλαγή από τη μία φάση ή την κατάσταση στην άλλη. Οι κύριοι παράγοντες που επηρεάζουν αυτήν την αλλαγή είναι η πίεση και η θερμοκρασία. Κατά γενικό κανόνα, ένα στερεό πρέπει να γίνει θερμότερο για να μετατραπεί σε υγρό, ένα υγρό πρέπει να γίνει θερμότερο για να μετατραπεί σε αέριο και ένα αέριο πρέπει να γίνει θερμότερο για να ιονιστεί και να γίνει πλάσμα. Οι θερμοκρασίες στις οποίες συμβαίνουν αυτές οι μεταβάσεις εξαρτώνται από το ίδιο το υλικό καθώς και από την πίεση. Στην πραγματικότητα, είναι δυνατή η μετάβαση κατευθείαν από ένα στερεό σε ένα αέριο (αυτό ονομάζεται εξάχνωση) ή από ένα αέριο σε ένα στερεό (εναπόθεση) υπό τις σωστές συνθήκες.

Όταν ένα στερεό θερμαίνεται στο σημείο τήξης του, γίνεται υγρό. Πρέπει να προστεθεί θερμική ενέργεια για να θερμανθεί το στερεό μέχρι τη θερμοκρασία τήξης και, στη συνέχεια, πρέπει να προστεθεί επιπλέον θερμότητα για να ολοκληρωθεί η μετάβαση φάσης προτού η θερμοκρασία συνεχίσει να αυξάνεται. ολανθάνουσα θερμότητα σύντηξηςείναι μια σταθερά που σχετίζεται με κάθε συγκεκριμένο υλικό που καθορίζει πόση ενέργεια απαιτείται για να λιώσει μια μονάδα μάζας της ουσίας.

Αυτό λειτουργεί και προς την άλλη κατεύθυνση. Καθώς ένα υγρό ψύχεται, πρέπει να εκπέμπει θερμική ενέργεια. Μόλις φτάσει στο σημείο ψύξης, πρέπει να συνεχίσει να εκπέμπει ενέργεια για να περάσει τη μετάβαση φάσης προτού η θερμοκρασία συνεχίσει να μειώνεται.

Παρόμοια συμπεριφορά συμβαίνει όταν ένα υγρό θερμαίνεται στο σημείο βρασμού του. Προστίθεται θερμική ενέργεια, προκαλώντας την αύξηση της θερμοκρασίας, έως ότου αρχίσει να βράζει, οπότε χρησιμοποιείται η προστιθέμενη θερμική ενέργεια να προκαλέσει τη μετάβαση φάσης και η θερμοκρασία του προκύπτοντος αερίου δεν θα αυξηθεί έως ότου αλλάξει όλο το υγρό φάση. Μια σταθερά που ονομάζεταιλανθάνουσα θερμότητα εξάτμισηςκαθορίζει, για μια συγκεκριμένη ουσία, πόση ενέργεια απαιτείται για να αλλάξει η φάση της ουσίας από υγρό σε αέριο ανά μονάδα μάζας. Η λανθάνουσα θερμότητα εξάτμισης για μια ουσία είναι γενικά πολύ μεγαλύτερη από την λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης.

Οι χημικές ιδιότητες της ύλης καθορίζουν τι είδους χημικές αντιδράσεις ή χημικές αλλαγές μπορούν να συμβούν. Οι χημικές ιδιότητες διαφέρουν από τις φυσικές ιδιότητες στο ότι απαιτούν κάποιο είδος χημικής αλλαγής για τη μέτρησή τους.

Παραδείγματα χημικών ιδιοτήτων περιλαμβάνουν την ευφλεκτότητα (πόσο εύκολο είναι να καεί ένα υλικό), την αντιδραστικότητα (πόσο εύκολα υφίσταται χημικές αντιδράσεις), σταθερότητα (πόσο πιθανό είναι να αντισταθεί στη χημική αλλαγή) και τύποι δεσμών που μπορεί να σχηματίσει το υλικό με άλλους υλικά.

Όταν συμβαίνει μια χημική αντίδραση, οι δεσμοί μεταξύ των ατόμων μεταβάλλονται και σχηματίζονται νέες ουσίες. Οι συνήθεις τύποι χημικών αντιδράσεων περιλαμβάνουν συνδυασμό (στον οποίο δύο ή περισσότερα μόρια συνδυάζονται για να σχηματίσουν ένα νέο μόριο), αποσύνθεση (στην οποία ένα μόριο χωρίζεται σε δύο ή περισσότερα διαφορετικά μόρια) και καύση (στην οποία οι ενώσεις συνδυάζονται με οξυγόνο, απελευθερώνοντας σημαντικές ποσότητες θερμότητας - πιο συχνά αναφέρεται ως «καύση») για να ονομάσουμε ένα λίγοι.