מאפיינים ומצבי עניין (פיזיקה): סקירה כללית

התכונות הפיזיקליות של החומר עומדות בבסיס חלק ניכר מהפיזיקה. בנוסף להבנת מצבי חומר, שינויי פאזה ותכונות כימיות, כאשר אנו דנים בחומר, חשוב להבין כמויות פיזיקליות כגון צפיפות (מסה ליחידת נפח), מסה (כמות חומר) ולחץ (כוח ליחידה אֵזוֹר).

העניין היומיומי ממה שאתה מכיר עשוי מאטומים. זו הסיבה שאטומים מכונים בדרך כלל אבני הבניין של החומר. ישנם יותר מ 109 סוגים שונים של אטומים, והם מייצגים את כל האלמנטים בטבלה המחזורית.

שני החלקים העיקריים של האטום הם הגרעין ומעטפת האלקטרונים. הגרעין הוא החלק הכבד ביותר של האטום ללא ספק והוא המקום בו נמצא רוב המסה. זהו אזור מאוגד היטב במרכז האטום, ולמרות המסה שלו, הוא תופס מקום קטן יחסית לשאר האטום. בגרעין נמצאים פרוטונים (חלקיקים טעונים חיובית) ונויטרונים (חלקיקים טעונים שלילית). מספר הפרוטונים בגרעין קובע איזה יסוד האטום הוא, ומספרים שונים של נויטרונים תואמים איזוטופים שונים של אותו יסוד.

האלקטרונים הם חלקיקים טעונים שלילית היוצרים ענן או קליפה מפוזרים סביב הגרעין. באטום טעון ניטרלי, מספר האלקטרונים זהה למספר הפרוטונים. אם המספר שונה, אטום נקרא יון.

מולקולות הן אטומים המוחזקים יחד על ידי קשרים כימיים. ישנם שלושה סוגים עיקריים של קשרים כימיים: יוניים, קוולנטיים ומתכתיים. קשרים יוניים מתרחשים כאשר יון שלילי וחיובי נמשך זה לזה. קשר קוולנטי הוא קשר בו שני אטומים חולקים אלקטרונים. קשרים מתכתיים הם קשרים בהם האטומים פועלים כמו יונים חיוביים המוטבעים בים של אלקטרונים חופשיים.

התכונות המיקרוסקופיות של אטומים ומולקולות מולידות את התכונות המקרוסקופיות הקובעות את התנהגות החומר. תגובת המולקולות לשינויים בטמפרטורה, חוזק הקשרים וכן הלאה מובילים לתכונות כמו יכולת חום ספציפית, גמישות, תגובתיות, מוליכות ורבים אחרים.

מצב של חומר הוא אחד מרבים מהצורות הנבדלות האפשריות שהחומר יכול להתקיים בהן. ישנם ארבעה מצבי חומר: מוצק, נוזלי, גז ופלסמה. לכל מדינה יש תכונות מובחנות המבדילות אותו ממצבים אחרים, וישנם תהליכי מעבר פאזה לפיהם החומר משתנה ממצב אחד למשנהו.

כשאתה חושב על מוצק, אתה בטח חושב על משהו קשה או מוצק בצורה כלשהי. אך מוצקים יכולים להיות גמישים, מעוותים וניתנים גם כן.

מוצקים נבדלים על ידי מולקולות קשורות היטב. חומר במצב מוצק נוטה להיות צפוף יותר מאשר כאשר הוא נמצא במצב נוזלי (אם כי ישנם יוצאים מן הכלל, בעיקר מים). מוצקים אוחזים בצורתם ובעלי נפח קבוע.

סוג אחד של מוצק הואגְבִישִׁימוצק. במוצק גבישי המולקולות מסודרות בתבנית חוזרת לאורך החומר. ניתן לזהות גבישים בקלות על ידי הגיאומטריה והסימטריות המקרוסקופיות שלהם.

סוג אחר של מוצק הואגָלוּםמוצק. זהו מוצק בו המולקולות אינן מסודרות בסריג קריסטל כלל. ארב-גבישימוצק נמצא איפשהו בין לבין. לעתים קרובות הוא מורכב ממבנים קטנים וקריסטליים בודדים, אך ללא דפוס חוזר.

נוזלים עשויים ממולקולות שיכולות לזרום בקלות זו על פני זו. המים שאתה שותה, השמן שאתה מבשל איתו והבנזין ברכב שלך הם נוזלים. בניגוד למוצקים, נוזלים לובשים את צורת תחתית המכל שלהם.

למרות שנוזלים יכולים להתרחב ולהתכווץ בטמפרטורות ולחצים שונים, שינויים אלה הם לעתים קרובות קטנים, ולמטרות המעשיות ביותר, ניתן להניח כי גם לנוזלים יש נפח קבוע. המולקולות בנוזל יכולות לזרום אחת על השנייה.

הנטייה של נוזל להיות מעט "דביקה" כאשר הוא מחובר למשטח נקראתהַדבָּקָה, והיכולת של מולקולות נוזליות לרצות להיצמד זו לזו (כגון כאשר טיפת מים יוצרת כדור על עלה) נקראתהִתלַכְּדוּת​.

בנוזל, הלחץ תלוי בעומק, ובשל כך חפצים שקועים או שקועים בחלקם ירגישו כוח צף עקב הפרש הלחץ בחלקו העליון והתחתון של האובייקט. העיקרון של ארכימדס מתאר אפקט זה ומסביר כיצד חפצים צפים או שוקעים בנוזלים. ניתן לסכם את ההצהרה כי "הכוח הצף שווה למשקל הנוזל העקור." ככזה, הכוח הצף תלוי בצפיפות הנוזל ובגודל האובייקט. חפצים שהם צפופים יותר מהנוזל ישקעו, ואלה שפחות צפופים יצופו.

גזים מכילים מולקולות שיכולות לנוע בקלות זו בזו. הם לוקחים את מלוא הצורה והנפח של המכולה שלהם ומתרבים ומתכווצים בקלות רבה. מאפיינים חשובים של גז כוללים לחץ, טמפרטורה ונפח. למעשה, שלושת הכמויות הללו מספיקות כדי לתאר לחלוטין את מצבו המקרוסקופי של גז אידיאלי.

גז אידיאלי הוא גז שבו ניתן לקרב את המולקולות כחלקיקי נקודה ובו ההנחה היא שהם אינם מתקשרים זה עם זה. חוק הגז האידיאלי מתאר את התנהגותם של גזים רבים וניתן על ידי הנוסחה

איפהפזה לחץ,והוא נפח,נהוא מספר השומות של חומר,רהוא קבוע הגז האידיאלי (ר= 8.3145 J / molK) ו-טהוא טמפרטורה.

ניסוח חלופי לחוק זה הוא

איפהנהוא מספר המולקולות וkהוא קבוע של בולצמן (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (קורא ספקן יכול לאמת זאתnR = Nk​.)

גזים מפעילים גם כוחות צפים על עצמים הטבולים בהם. בעוד שרוב האובייקטים היומיומיים צפופים יותר מהאוויר סביבנו, מה שהופך את הכוח הצף הזה לא מאוד מורגש, אך בלון הליום הוא דוגמה מושלמת לכך.

פלזמה היא גז שהתחמם כל כך שהאלקטרונים נוטים לעזוב את האטומים, ומשאירים יונים חיוביים בים של אלקטרונים. מכיוון שיש מספר שווה של מטענים חיוביים ושליליים בפלזמה באופן כללי, זה נחשב כמעט נייטרלי, אם כי ההפרדה והגוש המקומי של המטענים גורמים לפלזמה להתנהג בצורה שונה מאוד מ- גז רגיל.

פלזמה מושפעת באופן משמעותי משדות חשמליים ומגנטיים. גם שדות אלה אינם צריכים להיות חיצוניים, שכן המטענים בפלזמה עצמה יוצרים שדות חשמליים ושדות מגנטיים תוך כדי תנועה, המשפיעים זה על זה.

בטמפרטורות ובאנרגיות נמוכות יותר, האלקטרונים והיונים רוצים לשלב מחדש לאטומים ניטרליים, כך שכדי לשמור על מצב פלזמה בדרך כלל נדרש טמפרטורות גבוהות. עם זאת, ניתן ליצור מה שמכונה פלזמה לא תרמית כאשר האלקטרונים עצמם שומרים על טמפרטורה גבוהה ואילו הגרעינים המיוננים לא. זה קורה בגז אדי כספית במנורת פלורסנט, למשל.

אין בהכרח ניתוק מובהק בין גז "רגיל" לפלזמה. האטומים והמולקולות בגז יכולים להתיינן במעלות, ולהראות יותר דינמיקה פלסמלית ככל שהגז מתקרב למינון מלא. פלזמה מובחנת מגזים סטנדרטיים על ידי המוליכות החשמלית הגבוהה שלה, העובדה שהיא פועלת כמו מערכת עם שני סוגים שונים של חלקיקים (יונים חיוביים ואלקטרונים שליליים) בניגוד למערכת עם סוג אחד (אטומים או מולקולות ניטרליות), והתנגשויות חלקיקים ואינטראקציות מורכבות הרבה יותר מאינטראקציות "כדור בריכה" דו-גוף בתקן גַז.

דוגמאות לפלזמה כוללות ברקים, יונוספירה של כדור הארץ, תאורה פלואורסצנטית וגזים בשמש.

חומר יכול לעבור שינוי פיזי משלב או מצב אחד למשנהו. הגורמים העיקריים המשפיעים על שינוי זה הם לחץ וטמפרטורה. ככלל, מוצק חייב להיות חם יותר כדי להפוך לנוזל, נוזל חייב להיות חם יותר כדי להפוך לגז, וגז חייב להתחמם כדי להיות מיונן ולהפוך לפלזמה. הטמפרטורות שבהן מעברים אלה מתרחשים תלויות בחומר עצמו וכן בלחץ. למעשה, אפשר לעבור היישר ממוצק לגז (זה נקרא סובלימציה) או מגז למוצק (בתצהיר) בתנאים הנכונים.

כאשר מוצק מחומם לנקודת ההיתוך שלו, הוא הופך לנוזל. יש להוסיף אנרגיית חום כדי לחמם את המוצק עד לטמפרטורת ההיתוך, ואז להוסיף חום נוסף כדי להשלים את מעבר השלב לפני שהטמפרטורה יכולה להמשיך ולעלות. החום היתוך סמויהוא קבוע הקשור לכל חומר מסוים הקובע כמה אנרגיה נדרשת כדי להמיס מסת יחידתית של החומר.

זה עובד גם בכיוון השני. כשנוזל מתקרר, עליו להוציא אנרגיית חום. ברגע שהוא מגיע לנקודת הקפאה, עליו להמשיך ולהפיץ אנרגיה על מנת לעבור את מעבר השלב לפני שהטמפרטורה יכולה להמשיך לרדת.

התנהגות דומה מתרחשת כאשר מחממים נוזל לנקודת הרתיחה שלו. מוסיפים אנרגיית חום וגורמת לטמפרטורה לעלות, עד שהיא מתחילה לרתוח, ובשלב זה משתמשים באנרגיית החום הנוספת כדי לגרום למעבר פאזה, והטמפרטורה של הגז שנוצר לא תעלה עד שכל הנוזל השתנה שלב. קבוע שנקראחום אידוי סמויקובע, עבור חומר מסוים, כמה אנרגיה נדרשת כדי לשנות את שלב החומר מנוזל לגז ליחידת מסת. חום האידוי הסמוי של חומר גדול בדרך כלל הרבה יותר מחום היתוך הסמוי.

תכונות כימיות של חומר קובעות אילו סוגים של תגובות כימיות או שינויים כימיים יכולים להתרחש. מאפיינים כימיים נבדלים מהתכונות הפיזיקליות בכך שהם דורשים שינוי כימי כלשהו על מנת למדוד אותם.

דוגמאות לתכונות כימיות כוללות דליקות (כמה קל לחומר לשרוף), תגובתיות (כמה קל הוא עובר תגובות כימיות), יציבות (עד כמה הסיכוי להתנגד לשינוי כימי) וסוגי קשרים שהחומר יכול ליצור עם אחרים חומרים.

כאשר מתרחשת תגובה כימית, הקשרים בין האטומים משתנים ונוצרים חומרים חדשים. סוגים נפוצים של תגובות כימיות כוללים שילוב (שבו שתי מולקולות או יותר מתאחדות ליצירת מולקולה חדשה), פירוק (שבו מולקולה מתפרקת לשניים או מולקולות שונות יותר) ובעירה (בהן תרכובות משתלבות עם חמצן, ומשחררות כמויות משמעותיות של חום - המכונה בדרך כלל "שריפה") לשם מְעַטִים.