მატერიის ფიზიკური თვისებები საფუძვლად უდევს ფიზიკის დიდ ნაწილს. მატერიის მდგომარეობების, ფაზის ცვლილებებისა და ქიმიური თვისებების გააზრების გარდა, მატერიის განხილვისას მნიშვნელოვანია გაიგონ ფიზიკური სიდიდეები, როგორიცაა სიმკვრივე (მასა ერთეულ მოცულობაში), მასა (მატერიის რაოდენობა) და წნევა (ძალა ერთეულზე) ფართობი).
ატომები და მოლეკულები
ყოველდღიური საკითხი, ვიდრე თქვენ იცნობთ, დამზადებულია ატომებისგან. ამიტომ ატომებს ჩვეულებრივ მატერიის სამშენებლო ბლოკებად უწოდებენ. 109-ზე მეტი სხვადასხვა ტიპის ატომია და ისინი წარმოადგენენ პერიოდულ ცხრილში არსებულ ყველა ელემენტს.
ატომის ორი ძირითადი ნაწილია ბირთვი და ელექტრონული გარსი. ბირთვი ატომის ყველაზე მძიმე ნაწილია და იქ არის მასის უმეტესი ნაწილი. ეს არის მჭიდროდ შეკრული რეგიონი ატომის ცენტრში და მიუხედავად მისი მასისა, იგი შედარებით მცირე ადგილს იკავებს დანარჩენ ატომთან შედარებით. ბირთვში არის პროტონები (დადებითად დამუხტული ნაწილაკები) და ნეიტრონები (უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკები). პროტონის რაოდენობა ბირთვში განსაზღვრავს რომელი ელემენტის ატომია და ნეიტრონების სხვადასხვა რაოდენობა შეესაბამება ამ ელემენტის სხვადასხვა იზოტოპებს.
ელექტრონები უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკებია, რომლებიც ბირთვის გარშემო დიფუზურ ღრუბელს ან გარსს ქმნიან. ნეიტრალურად დამუხტულ ატომში ელექტრონების რაოდენობა იგივეა, რაც პროტონების რაოდენობა. თუ რიცხვი განსხვავებულია, ატომს იონი ეწოდება.
მოლეკულები არის ატომები, რომლებიც ერთმანეთთან იკავებენ ქიმიურ კავშირებს. ქიმიური ბმების სამი ძირითადი ტიპი არსებობს: იონური, კოვალენტური და მეტალიკი. იონური ბმები წარმოიქმნება მაშინ, როდესაც ნეგატიური და პოზიტიური იონი იზიდავს ერთმანეთს. კოვალენტური ბმა არის კავშირი, რომელშიც ორ ატომს ელექტრონები აქვთ. მეტალის ბმები არის კავშირები, რომლებშიც ატომები მოქმედებენ პოზიტიური იონების მსგავსად თავისუფალი ელექტრონების ზღვაში.
ატომებისა და მოლეკულების მიკროსკოპული თვისებები იწვევს მაკროსკოპიულ თვისებებს, რომლებიც განსაზღვრავს მატერიის ქცევას. მოლეკულების რეაქცია ტემპერატურის ცვლილებებზე, ობლიგაციების სიმტკიცეზე და ა.შ. ყველა იწვევს თვისებებს, როგორიცაა სპეციფიკური სითბოს ტევადობა, მოქნილობა, რეაქტიულობა, გამტარობა და მრავალი სხვა.
მატერიის სახელმწიფოები
მატერიის მდგომარეობა არის მრავალი შესაძლო მკაფიო ფორმა, რომელშიც მატერია შეიძლება არსებობდეს. არსებობს მატერიის ოთხი მდგომარეობა: მყარი, თხევადი, გაზი და პლაზმა. თითოეულ სახელმწიფოს აქვს მკაფიო თვისებები, რომლებიც განასხვავებს მას სხვა სახელმწიფოებისგან და არსებობს ფაზის გადასვლის პროცესები, რომლითაც მატერია იცვლება ერთი მდგომარეობიდან მეორეში.
მყარი ნივთიერებების თვისებები
როდესაც მყარ ნივთზე ფიქრობთ, ალბათ რაიმე რთულ ან მყარ რამეზე ფიქრობთ. მაგრამ მყარი შეიძლება იყოს მოქნილი, დეფორმირებადი და დამშლელიც.
მყარი გამოირჩევა მჭიდროდ შეკრული მოლეკულებით. მყარ მდგომარეობაში მატერია უფრო მკვრივია ვიდრე თხევად მდგომარეობაში (თუმცა არსებობს გამონაკლისები, განსაკუთრებით წყალი). მყარი ინახავს ფორმას და აქვს ფიქსირებული მოცულობა.
მყარი ერთი ტიპია აკრისტალურიმყარი. კრისტალურ მყარ ნივთიერებაში, მოლეკულები განლაგებულია განმეორებითი ნიმუშით მთელ მასალაში. კრისტალები ადვილად იდენტიფიცირდება მაკროსკოპული გეომეტრიითა და სიმეტრიით.
მყარი სხვა ტიპიაამორფულიმყარი. ეს არის მყარი, რომელშიც მოლეკულები საერთოდ არ არის განლაგებული კრისტალურ ქსელში. აპოლიკრისტალურიმყარი სადღაც შუალედშია. იგი ხშირად შედგება მცირე, ერთი ბროლის სტრუქტურებისგან, მაგრამ განმეორებითი ნიმუშის გარეშე.
სითხეების თვისებები
სითხე მზადდება იმ მოლეკულებისგან, რომლებსაც ერთმანეთის გადაადგილება მარტივად შეუძლიათ. წყალი, რომელსაც სვამთ, ზეთი, რომელსაც თქვენ ამზადებთ და მანქანაში არსებული ბენზინი სითხეა. მყარი ნივთიერებებისგან განსხვავებით, სითხეები მიიღება მათი ჭურჭლის ფსკერის ფორმას.
მიუხედავად იმისა, რომ სითხეები შეიძლება გაფართოვდეს და შეიკუმშოს სხვადასხვა ტემპერატურასა და წნევაზე, ეს ცვლილებები ხშირად მცირეა და უმეტეს პრაქტიკული მიზნებისათვის შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ სითხეებს აქვთ ფიქსირებული მოცულობაც. თხევადში მოლეკულები შეიძლება გადავიდნენ ერთმანეთთან.
სითხის მიდრეკილება ოდნავ "წებოვანი" იყოს ზედაპირზე მიბმულიადჰეზიადა თხევადი მოლეკულების ერთმანეთთან შეერთების უნარს (მაგალითად, როდესაც წყლის წვეთი ფოთოლზე ბურთს ქმნის) ეწოდებაერთიანობა.
სითხეში წნევა დამოკიდებულია სიღრმეზე და ამის გამო, ჩაძირული ან ნაწილობრივ ჩაძირული ობიექტები გრძნობენ გამაძლიერებელ ძალას, ზეწოლის სხვაობის გამო, ობიექტის ზედა და ქვედა ნაწილზე. არქიმედეს პრინციპი აღწერს ამ ეფექტს და განმარტავს, თუ როგორ მოძრაობენ ან იძირებიან ობიექტები სითხეებში. მისი შეჯამება შეიძლება გაკეთდეს განცხადებით, რომ ”გამაძლიერებელი ძალა ტოლია გადაადგილებული სითხის წონას”. როგორც ასეთი, გამაძლიერებელი ძალა დამოკიდებულია სითხის სიმკვრივეზე და ობიექტის ზომაზე. ობიექტები, რომლებიც სითხეში უფრო მკვრივია, ჩაიძირებიან და ისინი, რომლებიც ნაკლებად მკვრივია, ცურავს.
გაზების თვისებები
გაზები შეიცავს მოლეკულებს, რომლებსაც ადვილად შეუძლიათ მოძრაობა ერთმანეთის გარშემო. ისინი იღებენ კონტეინერის სრულ ფორმასა და მოცულობას და ძალიან ადვილად აფართოებენ და იკუმშებიან. გაზის მნიშვნელოვანი თვისებებია წნევა, ტემპერატურა და მოცულობა. სინამდვილეში, ეს სამი რაოდენობა საკმარისია იდეალური აირის მაკროსკოპიული მდგომარეობის სრულად აღსაწერად.
იდეალური გაზი არის გაზი, რომელშიც მოლეკულების მიახლოება შესაძლებელია წერტილოვანი ნაწილაკების სახით და რომელშიც ჩათვლიან, რომ ისინი ერთმანეთთან ურთიერთქმედებენ. გაზის იდეალური კანონი აღწერს მრავალი გაზების ქცევას და მოცემულია ფორმულით
PV = nRT
სადპარის ზეწოლა,ვარის მოცულობა,ნარის ნივთიერების მოლების რაოდენობა,რარის გაზის იდეალური მუდმივა (რ= 8.3145 J / molK) დათარის ტემპერატურა.
ამ კანონის ალტერნატიული ფორმულირებაა
PV = NkT
სადნარის მოლეკულების რაოდენობა დაკბოლცმანის მუდმივია (კ = 1.38065 × 10-23 კ / კ). (სკეპტიკოს მკითხველს შეუძლია ამის გადამოწმებაnR = Nk.)
გაზები ასევე ახდენენ გამაძლიერებელ ძალებს მათში ჩაძირულ ობიექტებზე. მიუხედავად იმისა, რომ ყოველდღიური საგნების უმეტესობა უფრო მკვრივია, ვიდრე ჩვენს გარშემო არსებული ჰაერი, რაც ამ ძლიერ ძალას არც ისე შესამჩნევს ხდის, ჰელიუმის ბუშტი ამის შესანიშნავი მაგალითია.
პლაზმის თვისებები
პლაზმა არის გაზი, რომელიც იმდენად ცხელი გახდა, რომ ელექტრონებს აქვთ ატომების დატოვება, ხოლო ელექტრონულ ზღვაში პოზიტიურ იონებს ტოვებენ. რადგან მთლიანობაში პლაზმაში დადებითი და უარყოფითი მუხტების თანაბარია, იგი განიხილება კვაზი-ნეიტრალური, თუმცა ბრალდების გამოყოფა და ადგილობრივი დაგროვება იწვევს პლაზმის ძალიან განსხვავებულად ქცევას ვიდრე ა რეგულარული გაზი.
პლაზმაზე მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს ელექტრო და მაგნიტური ველები. არც ეს ველები უნდა იყოს გარე, რადგან პლაზმაში არსებული მუხტები მოძრაობისას ქმნის ელექტრულ ველებს და მაგნიტურ ველებს, რომლებიც გავლენას ახდენენ ერთმანეთზე.
დაბალ ტემპერატურასა და ენერგიაზე ელექტრონებსა და იონებს სურთ ნეიტრალური ატომების გაერთიანება, ამიტომ პლაზმური მდგომარეობის შენარჩუნებისათვის ზოგადად საჭიროა მაღალი ტემპერატურა. ამასთან, შეიძლება შეიქმნას ე.წ. არა თერმული პლაზმა, სადაც ელექტრონები ინარჩუნებენ მაღალ ტემპერატურას, ხოლო იონიზირებული ბირთვები. მაგალითად, ეს ხდება მერკური-ორთქლის გაზში, ფლუორესცენტულ ნათურაში.
სულაც არ არის მკაფიო გათიშვა "ნორმალურ" გაზსა და პლაზმას შორის. გაზის ატომები და მოლეკულები შეიძლება იონიზირდეს გრადუსით, რაც უფრო მეტ პლაზმურ დინამიკას აჩვენებს, რაც უფრო ახლოვდება გაზის სრულად იონიზება. პლაზმა სტანდარტული გაზებისგან გამოირჩევა მაღალი ელექტრული გამტარობით, ის ფაქტი, რომ იგი მოქმედებს სისტემის მსგავსად ორი განსხვავებული ტიპის ნაწილაკებით (დადებითი იონები და უარყოფითი ელექტრონები) განსხვავებით ერთი ტიპის სისტემისა (ნეიტრალური ატომები ან მოლეკულები) და ნაწილაკების შეჯახება და ურთიერთქმედება გაცილებით რთულია, ვიდრე სტანდარტულ სტანდარტში არსებული 2-კორპუსის "აუზის ბურთულიანი" ურთიერთქმედება. გაზი
პლაზმის მაგალითებია ელვა, დედამიწის იონოსფერო, ფლუორესცენტული განათება და გაზები მზეზე.
ფაზის ცვლილებები
მატერიამ შეიძლება ფიზიკური ცვლილება განიცადოს ერთი ფაზიდან ან მდგომარეობიდან მეორეში. ძირითადი ფაქტორები, რომლებიც გავლენას ახდენენ ამ ცვლილებაზე, არის წნევა და ტემპერატურა. ზოგადი წესის თანახმად, მყარი უნდა გახდეს თბილი, თხევადი რომ გადაიქცეს, თხევადი უნდა გახდეს თბილი, რომ გახდეს გაზი და გაზი უნდა გახდეს თბილი, რომ იონიზირდეს და გახდეს პლაზმა. ტემპერატურა, რომელზეც ხდება ეს გადასვლები, დამოკიდებულია როგორც მასალაზე, ისე წნევაზე. სინამდვილეში, შესაძლებელია მყარიდან პირდაპირ გაზზე გადასვლა (ამას სუბილაცია ეწოდება) ან გაზიდან მყარი (დეპონირება) სწორი პირობებში.
როდესაც მყარი თბება დნობის წერტილამდე, ის ხდება თხევადი. სითბოს ენერგია უნდა დაემატოს, რომ მყარი გახურდეს დნობის ტემპერატურამდე და შემდეგ უნდა დაემატოს დამატებითი სითბო ფაზის გადასვლის დასრულებამდე, სანამ ტემპერატურა გააგრძელებს ზრდას.შერწყმის ლატენტური სითბოარის მუდმივი ასოცირებული თითოეულ კონკრეტულ მასალასთან, რომელიც განსაზღვრავს, თუ რამდენი ენერგია საჭიროა ნივთიერების ერთეული მასის გასანელებლად.
ეს სხვა მიმართულებითაც მუშაობს. როგორც თხევადი გაცივდება, მას სითბოს ენერგია უნდა გამოყოს. გაყინვის წერტილამდე მიაღწევს, მან უნდა განაგრძოს ენერგიის გაცემა, რათა მოხდეს ფაზის გადასვლა, სანამ ტემპერატურა განაგრძობს დაცემას.
მსგავსი ქცევა ხდება მაშინ, როდესაც სითხე თბება დუღილის წერტილამდე. ემატება სითბოს ენერგია, რაც იწვევს ტემპერატურის მომატებას, სანამ არ დაიწყებს დუღილს, ამ დროს გამოიყენება დამატებული სითბოს ენერგია გამოიწვიოს ფაზის გადასვლა და შედეგად გაზის ტემპერატურა არ მოიმატებს მანამ, სანამ ყველა სითხე არ შეიცვლება ფაზა მუდმივი ე.წ.ორთქლის ფარული სითბოგანსაზღვრავს, კონკრეტული ნივთიერებისათვის, რამდენი ენერგიაა საჭირო ნივთიერების ფაზის თხევადიდან გაზზე შეცვლაზე ერთ მასაზე. ნივთიერებისათვის ორთქლის ფარული სითბო ზოგადად გაცილებით მეტია, ვიდრე შერწყმის ლატენტური სითბო.
ქიმიური თვისებები
მატერიის ქიმიური თვისებები განსაზღვრავს რა სახის ქიმიური რეაქციები ან ქიმიური ცვლილებები შეიძლება მოხდეს. ქიმიური თვისებები განსხვავდება ფიზიკური თვისებებისგან, რადგან მათ გაზომვას საჭიროებს ერთგვარი ქიმიური ცვლილებები.
ქიმიური თვისებების მაგალითებია აალებადობა (რამდენად ადვილია მასალის დაწვა), რეაქტიულობა (რამდენად ადვილად განიცდის მას ქიმიური რეაქციები), სტაბილურობა (რამდენად შესაძლებელია წინააღმდეგობა გაუწიოს ქიმიურ ცვლილებებს) და ბმულების ტიპები, რომელთა შექმნას მასალას შეუძლია სხვასთან მასალები.
როდესაც ხდება ქიმიური რეაქცია, ატომებს შორის კავშირები იცვლება და წარმოიქმნება ახალი ნივთიერებები. ქიმიური რეაქციების გავრცელებულ ტიპებში შედის კომბინაცია (რომელშიც ორი ან მეტი მოლეკულა გაერთიანდება და ქმნის ახალ მოლეკულას), დაშლა (რომელშიც მოლეკულა იშლება ორ ნაწილად) ან უფრო მეტი სხვადასხვა მოლეკულა) და წვა (რომელშიც ნაერთები ერწყმიან ჟანგბადს, გამოყოფენ მნიშვნელოვან რაოდენობას სითბოს - უფრო ხშირად მოიხსენიება როგორც "წვა"), რამდენიმე