Matērijas īpašības un stāvokļi (fizika): pārskats

Vielas fizikālās īpašības ir fizikas pamatā. Papildus vielas stāvokļu, fāzes izmaiņu un ķīmisko īpašību izpratnei, apspriežot vielu, ir svarīgi: saprast fizikālos lielumus, piemēram, blīvumu (masa uz tilpuma vienību), masu (vielas daudzumu) un spiedienu (spēku uz vienu vienību) apgabals).

Ikdienas lieta, kas jums nav pazīstama, sastāv no atomiem. Tāpēc atomus parasti sauc par matērijas celtniecības elementiem. Ir vairāk nekā 109 dažādu veidu atomi, un tie atspoguļo visus periodiskās tabulas elementus.

Divas galvenās atoma daļas ir kodols un elektronu apvalks. Kodols ir līdz šim smagākā atoma daļa, un tajā atrodas lielākā daļa masas. Tas ir cieši saistīts reģions atoma centrā, un, neskatoties uz tā masu, tas aizņem salīdzinoši maz vietas, salīdzinot ar pārējo atomu. Kodolā ir protoni (pozitīvi lādētas daļiņas) un neitroni (negatīvi lādētas daļiņas). Protonu skaits kodolā nosaka, kurš elements ir atoms, un atšķirīgs neitronu skaits atbilst dažādiem šī elementa izotopiem.

Elektroni ir negatīvi lādētas daļiņas, kas ap kodolu veido izkliedētu mākoni vai apvalku. Neitrāli lādētā atomā elektronu skaits ir vienāds ar protonu skaitu. Ja skaitlis ir atšķirīgs, atomu sauc par jonu.

Molekulas ir atomi, kurus satur kopā ķīmiskās saites. Ir trīs galvenie ķīmisko saišu veidi: jonu, kovalentu un metāla. Jonu saites rodas, kad viens otram tiek piesaistīts negatīvs un pozitīvs jons. Kovalentā saite ir saite, kurā diviem atomiem ir kopīgi elektroni. Metāliskās saites ir saites, kurās atomi darbojas kā pozitīvi joni, kas iestrādāti brīvo elektronu jūrā.

Atomu un molekulu mikroskopiskās īpašības rada makroskopiskās īpašības, kas nosaka vielas uzvedību. Molekulu reakcija uz temperatūras izmaiņām, saišu stiprumu un tā tālāk noved pie tādām īpašībām kā īpatnējā siltuma jauda, ​​elastība, reaktivitāte, vadītspēja un daudzas citas.

Matērijas stāvoklis ir viena no daudzajām iespējamām atšķirīgajām formām, kurā matērija var pastāvēt. Ir četri vielas stāvokļi: cieta, šķidra, gāze un plazma. Katram stāvoklim ir atšķirīgas īpašības, kas to atšķir no citiem stāvokļiem, un ir fāzes pārejas procesi, kuru laikā matērija mainās no viena stāvokļa uz citu.

Kad jūs domājat par cietu, jūs, iespējams, kaut ko domājat par kaut ko cietu vai stingru. Bet cietās vielas var būt arī elastīgas, deformējamas un kaļamas.

Cietās vielas atšķiras ar cieši saistītām molekulām. Matērija cietā stāvoklī parasti ir blīvāka nekā šķidrā stāvoklī (lai gan ir arī izņēmumi, galvenokārt ūdens). Cietie materiāli saglabā savu formu un tiem ir noteikts tilpums.

Viena veida cietviela irkristālisksciets. Kristāliskā cietvielā molekulas visā materiālā ir sakārtotas atkārtojošā veidā. Kristālus ir viegli identificēt pēc to makroskopiskās ģeometrijas un simetrijas.

Cits cieto vielu veids iramorfsciets. Šī ir cieta viela, kurā molekulas vispār nav sakārtotas kristāla režģī. Apolikristālisksciets ir kaut kur pa vidu. To bieži veido mazas, viena kristāla struktūras, bet bez atkārtojoša modeļa.

Šķidrumi ir izgatavoti no molekulām, kuras var viegli plūst garām viena otrai. Ūdens, ko dzerat, eļļa, ar kuru gatavojat, un benzīns automašīnā ir visi šķidrumi. Atšķirībā no cietvielām šķidrumi iegūst to trauka dibena formu.

Lai gan šķidrumi var izplesties un sarauties dažādās temperatūrās un spiedienos, šīs izmaiņas bieži ir nelielas, un praktiskākos nolūkos var pieņemt, ka šķidrumiem ir arī noteikts tilpums. Šķidrumā esošās molekulas var plūst garām viena otrai.

Tiek saukta šķidruma tieksme būt nedaudz “lipīgai”, kad tā ir piestiprināta pie virsmassaķere, un tiek saukta šķidro molekulu spēja turēties kopā (piemēram, kad ūdens piliens veido bumbu uz lapas).kohēzija​.

Šķidrumā spiediens ir atkarīgs no dziļuma, un tāpēc iegremdēti vai daļēji iegremdēti priekšmeti jutīs strauju spēku spiediena atšķirības dēļ objekta augšdaļā un apakšā. Arhimēda princips apraksta šo efektu un izskaidro, kā objekti peld vai grimst šķidrumos. To var apkopot ar apgalvojumu, ka “peldošais spēks ir vienāds ar pārvietotā šķidruma svaru”. Peldošais spēks kā tāds ir atkarīgs no šķidruma blīvuma un objekta lieluma. Objekti, kas ir blīvāki par šķidrumu, nogrims, un tie, kas ir mazāk blīvi, peldēs.

Gāzes satur molekulas, kuras var viegli pārvietoties viena otrai apkārt. Viņi iegūst pilnu konteinera formu un tilpumu, ļoti viegli izplešas un saraujas. Svarīgas gāzes īpašības ir spiediens, temperatūra un tilpums. Patiesībā šie trīs daudzumi ir pietiekami, lai pilnībā aprakstītu ideālas gāzes makroskopisko stāvokli.

Ideāla gāze ir gāze, kurā molekulas var tuvināt kā punktu daļiņas un kurā tiek pieņemts, ka tās savstarpēji nesadarbojas. Ideāls gāzes likums apraksta daudzu gāzu uzvedību, un to nosaka formula

kurPir spiediens,Vir tilpums,nir vielas molu skaits,Rir ideāla gāzes konstante (R= 8,3145 J / molK) unTir temperatūra.

Alternatīva šī likuma formulēšana ir

kurNir molekulu skaits unkir Boltzmana konstante (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Skeptisks lasītājs to var pārbaudītnR = Nk​.)

Gāzes uz tiem iegremdētiem priekšmetiem iedarbojas arī ar strauju spēku. Kaut arī lielākā daļa ikdienas priekšmetu ir blīvāki par gaisu mums apkārt, padarot šo peldošo spēku ne pārāk pamanāmu, hēlija balons ir lielisks piemērs tam.

Plazma ir gāze, kas ir kļuvusi tik karsta, ka elektroni mēdz atstāt atomus, atstājot pozitīvos jonus elektronu jūrā. Tā kā plazmā kopumā ir vienāds pozitīvo un negatīvo lādiņu skaits, tiek uzskatīts gandrīz neitrāls, lai gan lādiņu atdalīšana un lokāla salipšana izraisa plazmas uzvedību pavisam savādāk nekā a regulāra gāze.

Plazmu ievērojami ietekmē elektriskie un magnētiskie lauki. Arī šiem laukiem nav jābūt ārējiem, jo ​​pašas plazmas lādiņi pārvietojoties rada elektriskos laukus un magnētiskos laukus, kas ietekmē viens otru.

Zemākā temperatūrā un enerģijā elektroni un joni vēlas rekombinēties neitrālos atomos, tāpēc plazmas stāvokļa uzturēšanai parasti ir nepieciešama augsta temperatūra. Tomēr var izveidot tā saukto termisko plazmu, kur paši elektroni uztur augstu temperatūru, bet jonizētie kodoli to nedara. Tas notiek dzīvsudraba tvaiku gāzē, piemēram, dienasgaismas spuldzē.

Starp "normālu" gāzi un plazmu ne vienmēr ir atšķirība. Gāzē esošie atomi un molekulas var kļūt jonizēti par grādiem, parādot lielāku plazmas līdzīgo dinamiku, jo tuvāk gāze nonāk līdz pilnīgai jonizācijai. Plazmu no standarta gāzēm atšķir tā augstā elektrovadītspēja, tas, ka tā darbojas kā sistēma ar diviem atšķirīgiem daļiņu veidiem (pozitīvie joni un negatīvie elektroni) atšķirībā no sistēmas ar viena veida (neitrāliem atomiem vai molekulām) un daļiņu sadursmēm un mijiedarbību, kas ir daudz sarežģītāka nekā 2 ķermeņa “baseina bumbas” mijiedarbība standartā gāze.

Plazmas piemēri ir zibens, Zemes jonosfēra, dienasgaismas apgaismojums un saules gāzes.

Matērija var fiziski mainīties no vienas fāzes vai stāvokļa uz citu. Galvenie faktori, kas ietekmē šīs izmaiņas, ir spiediens un temperatūra. Parasti cietai vielai jākļūst siltākai, lai pārvērstos par šķidrumu, šķidrumam jākļūst siltākam, lai pārvērstos par gāzi, un gāzei jākļūst siltākai, lai tā jonizētos un kļūtu par plazmu. Temperatūra, kādā notiek šīs pārejas, ir atkarīga no paša materiāla, kā arī no spiediena. Faktiski pareizos apstākļos ir iespējams pāriet tieši no cietas vielas uz gāzi (to sauc par sublimāciju) vai no gāzes uz cietu vielu (nogulsnēšanos).

Kad cietviela tiek uzkarsēta līdz tās kušanas temperatūrai, tā kļūst par šķidrumu. Siltuma enerģija jāpievieno, lai cietvielu sasildītu līdz kušanas temperatūrai, un pēc tam jāpievieno papildu siltums, lai pabeigtu fāzes pāreju, pirms temperatūra var turpināt paaugstināties. Thelatents kodolsintēzes siltumsir konstante, kas saistīta ar katru konkrēto materiālu, kas nosaka enerģijas daudzumu, kas vajadzīgs vielas masas vienības kausēšanai.

Tas darbojas arī otrā virzienā. Kad šķidrums atdziest, tam jāizdod siltuma enerģija. Kad tas sasniedz sasalšanas temperatūru, tam jāturpina izdot enerģiju, lai izietu fāzes pāreja, pirms temperatūra var turpināt pazemināties.

Līdzīga rīcība notiek, kad šķidrums tiek uzkarsēts līdz vārīšanās temperatūrai. Pievieno siltumenerģiju, izraisot temperatūras paaugstināšanos, līdz tā sāk vārīties, un tajā brīdī tiek izmantota pievienotā siltumenerģija izraisīt fāzes pāreju, un iegūtās gāzes temperatūra nepalielināsies, kamēr viss šķidrums nav mainījies fāze. Konstantu sauc parlatentais iztvaikošanas siltumskonkrētai vielai nosaka, cik daudz enerģijas ir nepieciešams, lai vielas fāzi no šķidruma mainītu uz gāzi uz masas vienību. Vielas latentais iztvaikošanas siltums parasti ir daudz lielāks par latento saplūšanas siltumu.

Vielas ķīmiskās īpašības nosaka, kāda veida ķīmiskās reakcijas vai ķīmiskās izmaiņas var notikt. Ķīmiskās īpašības atšķiras no fizikālajām īpašībām, jo ​​to mērīšanai nepieciešamas kaut kādas ķīmiskas izmaiņas.

Ķīmisko īpašību piemēri ir uzliesmojamība (cik viegli materiāls var sadedzināt), reaktivitāte (cik viegli tā iziet) ķīmiskās reakcijas), stabilitāte (cik liela varbūtība ir pretoties ķīmiskām izmaiņām) un saišu veidi, kurus materiāls var veidot ar citiem materiāliem.

Kad notiek ķīmiska reakcija, saites starp atomiem tiek mainītas un veidojas jaunas vielas. Parastie ķīmisko reakciju veidi ietver kombināciju (kurā divas vai vairākas molekulas apvienojas, veidojot jaunu molekulu), sadalīšanos (kurā molekula sadalās divās daļās) vai vairāk dažādas molekulas) un sadegšana (kurā savienojumi apvienojas ar skābekli, atbrīvojot ievērojamu daudzumu siltuma - ko parasti dēvē par “dedzināšanu”), lai nosauktu maz.