Eigenschappen en toestanden van materie (natuurkunde): een overzicht

De fysieke eigenschappen van materie liggen ten grondslag aan veel van de natuurkunde. Naast het begrijpen van toestanden van materie, faseveranderingen en chemische eigenschappen, is het bij het bespreken van materie belangrijk om: fysieke grootheden begrijpen zoals dichtheid (massa per volume-eenheid), massa (hoeveelheid materie) en druk (kracht per eenheid) Oppervlakte).

De alledaagse materie die je kent, is gemaakt van atomen. Dit is de reden waarom atomen gewoonlijk de bouwstenen van materie worden genoemd. Er zijn meer dan 109 verschillende soorten atomen en ze vertegenwoordigen alle elementen van het periodiek systeem.

De twee belangrijkste delen van het atoom zijn de kern en de elektronenschil. De kern is verreweg het zwaarste deel van het atoom en daar zit de meeste massa. Het is een strak gebonden gebied in het midden van het atoom en ondanks zijn massa neemt het relatief weinig ruimte in beslag in vergelijking met de rest van het atoom. In de kern bevinden zich protonen (positief geladen deeltjes) en neutronen (negatief geladen deeltjes). Het aantal protonen in de kern bepaalt welk element het atoom is, en verschillende aantallen neutronen komen overeen met verschillende isotopen van dat element.

De elektronen zijn negatief geladen deeltjes die een diffuse wolk of schil rond de kern vormen. In een neutraal geladen atoom is het aantal elektronen gelijk aan het aantal protonen. Als het getal anders is, wordt het atoom een ​​ion genoemd.

Moleculen zijn atomen die bij elkaar worden gehouden door chemische bindingen. Er zijn drie hoofdtypen chemische bindingen: ionisch, covalent en metallisch. Ionische bindingen ontstaan ​​wanneer een negatief en positief ion door elkaar worden aangetrokken. Een covalente binding is een binding waarin twee atomen elektronen delen. Metaalbindingen zijn bindingen waarin de atomen werken als positieve ionen ingebed in een zee van vrije elektronen.

De microscopische eigenschappen van atomen en moleculen geven aanleiding tot de macroscopische eigenschappen die het gedrag van materie bepalen. De reactie van de moleculen op temperatuurveranderingen, de sterkte van de bindingen enzovoort leiden allemaal tot eigenschappen zoals specifieke warmtecapaciteit, flexibiliteit, reactiviteit, geleidbaarheid en vele andere.

Een toestand van materie is een van de vele mogelijke verschillende vormen waarin materie kan bestaan. Er zijn vier toestanden van materie: vast, vloeibaar, gas en plasma. Elke toestand heeft verschillende eigenschappen die hem onderscheiden van de andere toestanden, en er zijn faseovergangsprocessen waarbij materie van de ene toestand naar de andere verandert.

Als je aan een solide denkt, denk je waarschijnlijk op de een of andere manier aan iets hards of stevigs. Maar vaste stoffen kunnen ook flexibel, vervormbaar en kneedbaar zijn.

Vaste stoffen onderscheiden zich door hun strak gebonden moleculen. Materie in vaste toestand heeft de neiging dichter te zijn dan wanneer het in vloeibare toestand is (hoewel er uitzonderingen zijn, met name water). Vaste stoffen behouden hun vorm en hebben een vast volume.

Een type vaste stof is akristallijnsolide. In een kristallijne vaste stof zijn de moleculen gerangschikt in een herhalend patroon door het materiaal. Kristallen zijn gemakkelijk te herkennen aan hun macroscopische geometrie en symmetrieën.

Een ander type vaste stof is eenamorfsolide. Dit is een vaste stof waarin de moleculen helemaal niet in een kristalrooster zijn gerangschikt. EENpolykristallijnsolide zit ergens tussenin. Het is vaak samengesteld uit kleine eenkristalstructuren, maar zonder een herhalend patroon.

Vloeistoffen zijn gemaakt van moleculen die gemakkelijk langs elkaar heen kunnen stromen. Het water dat je drinkt, de olie waarmee je kookt en de benzine in je auto zijn allemaal vloeistoffen. In tegenstelling tot vaste stoffen nemen vloeistoffen de vorm aan van de bodem van hun container.

Hoewel vloeistoffen bij verschillende temperaturen en drukken kunnen uitzetten en krimpen, zijn deze veranderingen vaak klein, en voor de meeste praktische doeleinden kan worden aangenomen dat vloeistoffen ook een vast volume hebben. De moleculen in een vloeistof kunnen langs elkaar heen stromen.

De neiging van een vloeistof om enigszins "plakkerig" te zijn wanneer deze aan een oppervlak wordt bevestigd, wordt genoemdadhesie, en het vermogen van vloeibare moleculen om aan elkaar te willen kleven (zoals wanneer een waterdruppel een bal op een blad vormt) wordt genoemdsamenhang​.

In een vloeistof is de druk afhankelijk van de diepte en hierdoor zullen ondergedompelde of gedeeltelijk ondergedompelde objecten een opwaartse kracht voelen vanwege het drukverschil aan de boven- en onderkant van het object. Het principe van Archimedes beschrijft dit effect en verklaart hoe objecten in vloeistoffen drijven of zinken. Het kan worden samengevat door de stelling dat "de opwaartse kracht gelijk is aan het gewicht van de verplaatste vloeistof." Als zodanig hangt de opwaartse kracht af van de dichtheid van de vloeistof en de grootte van het object. Voorwerpen met een grotere dichtheid dan de vloeistof zinken, objecten met een lagere dichtheid blijven drijven.

Gassen bevatten moleculen die gemakkelijk om elkaar heen kunnen bewegen. Ze nemen de volledige vorm en het volume van hun container aan en zetten heel gemakkelijk uit en krimpen. Belangrijke eigenschappen van een gas zijn onder meer druk, temperatuur en volume. In feite zijn deze drie grootheden voldoende om de macroscopische toestand van een ideaal gas volledig te beschrijven.

Een ideaal gas is een gas waarin de moleculen benaderd kunnen worden als puntdeeltjes en waarvan wordt aangenomen dat ze geen interactie met elkaar hebben. De ideale gaswet beschrijft het gedrag van veel gassen en wordt gegeven door de formule

waarPis druk,Vis volume,neeis het aantal mol van een stof,Ris de ideale gasconstante (R= 8,3145 J/molK) enTtemperatuur is.

Een alternatieve formulering van deze wet is:

waarneeis het aantal moleculen enkis de constante van Boltzmann (k​ = 1.38065 × 10^-23 J/K). (Een sceptische lezer kan dat verifiërennR = Nk​.)

Gassen oefenen ook drijvende krachten uit op objecten die erin zijn ondergedompeld. Hoewel de meeste alledaagse voorwerpen dichter zijn dan de lucht om ons heen, waardoor deze opwaartse kracht niet erg merkbaar is, is een heliumballon hier een perfect voorbeeld van.

Plasma is een gas dat zo heet is geworden dat de elektronen de neiging hebben de atomen te verlaten, waardoor positieve ionen in een zee van elektronen achterblijven. Omdat er in het algemeen een gelijk aantal positieve en negatieve ladingen in het plasma zijn, wordt dit beschouwd als: quasi-neutraal, hoewel de scheiding en lokale klontering van ladingen ervoor zorgt dat het plasma zich heel anders gedraagt ​​dan a gewone benzine.

Plasma wordt sterk beïnvloed door elektrische en magnetische velden. Deze velden hoeven ook niet extern te zijn, omdat de ladingen in het plasma zelf elektrische velden en magnetische velden creëren terwijl ze bewegen, die elkaar beïnvloeden.

Bij lagere temperaturen en energieën willen de elektronen en ionen recombineren tot neutrale atomen, dus voor het handhaven van een plasmatoestand zijn over het algemeen hoge temperaturen vereist. Er kan echter zogenaamd niet-thermisch plasma worden gecreëerd waarbij de elektronen zelf een hoge temperatuur behouden terwijl de geïoniseerde kernen dat niet doen. Dit gebeurt bijvoorbeeld in kwikdampgas in een fluorescentielamp.

Er is niet noodzakelijk een duidelijke grens tussen een "normaal" gas en plasma. De atomen en moleculen in een gas kunnen stapsgewijs geïoniseerd raken, en vertonen meer plasma-achtige dynamiek naarmate het gas dichter bij volledig geïoniseerd komt. Plasma onderscheidt zich van standaardgassen door zijn hoge elektrische geleidbaarheid, het feit dat het werkt als een systeem met twee verschillende soorten deeltjes (positieve ionen en negatieve elektronen) in tegenstelling tot een systeem met één type (neutrale atomen of moleculen), en deeltjesbotsingen en interacties die veel complexer zijn dan de 2-lichamen "poolbal" -interacties in een standaard gas.

Voorbeelden van plasma zijn bliksem, de ionosfeer van de aarde, TL-verlichting en gassen in de zon.

Materie kan een fysieke verandering ondergaan van de ene fase of toestand naar de andere. De belangrijkste factoren die deze verandering beïnvloeden zijn druk en temperatuur. Als algemene regel geldt dat een vaste stof warmer moet worden om in een vloeistof te veranderen, een vloeistof moet warmer worden om in een gas te veranderen en een gas moet warmer worden om geïoniseerd te worden en een plasma te worden. De temperaturen waarbij deze overgangen plaatsvinden, zijn zowel afhankelijk van het materiaal zelf als van de druk. In feite is het mogelijk om onder de juiste omstandigheden rechtstreeks van een vaste stof naar een gas (dit heet sublimatie) of van een gas naar een vaste stof (depositie) te gaan.

Wanneer een vaste stof wordt verwarmd tot het smeltpunt, wordt het een vloeistof. Warmte-energie moet worden toegevoegd om de vaste stof tot de smelttemperatuur te verwarmen, en vervolgens moet extra warmte worden toegevoegd om de faseovergang te voltooien voordat de temperatuur kan blijven stijgen. Delatente warmte van fusieis een constante die bij elk specifiek materiaal hoort en die bepaalt hoeveel energie er nodig is om een ​​eenheidsmassa van de stof te smelten.

Dit werkt ook in de andere richting. Als een vloeistof afkoelt, moet deze warmte-energie afgeven. Zodra het het vriespunt bereikt, moet het energie blijven afgeven om de faseovergang te ondergaan voordat de temperatuur kan blijven dalen.

Vergelijkbaar gedrag treedt op wanneer een vloeistof wordt verwarmd tot het kookpunt. Warmte-energie wordt toegevoegd, waardoor de temperatuur stijgt, totdat het begint te koken, waarna de toegevoegde warmte-energie wordt gebruikt om de faseovergang te veroorzaken, en de temperatuur van het resulterende gas zal niet stijgen totdat alle vloeistof is veranderd; fase. Een constante genaamd deLatente warmte van verdampingbepaalt voor een bepaalde stof hoeveel energie er nodig is om de fase van de stof van vloeibaar naar gas te veranderen per massa-eenheid. De latente verdampingswarmte van een stof is over het algemeen veel groter dan de latente smeltwarmte.

Chemische eigenschappen van materie bepalen welke soorten chemische reacties of chemische veranderingen kunnen optreden. Chemische eigenschappen onderscheiden zich van fysieke eigenschappen doordat ze een soort chemische verandering vereisen om ze te meten.

Voorbeelden van chemische eigenschappen zijn ontvlambaarheid (hoe gemakkelijk kan een materiaal verbranden), reactiviteit (hoe gemakkelijk wordt het chemische reacties), stabiliteit (hoe waarschijnlijk het is om weerstand te bieden aan chemische veranderingen) en soorten bindingen die het materiaal kan vormen met andere materialen.

Wanneer een chemische reactie plaatsvindt, worden de bindingen tussen atomen gewijzigd en worden nieuwe stoffen gevormd. Veelvoorkomende soorten chemische reacties zijn onder meer combinatie (waarbij twee of meer moleculen samen een nieuw molecuul vormen), ontleding (waarbij een molecuul uiteenvalt in twee of meer verschillende moleculen) en verbranding (waarbij verbindingen worden gecombineerd met zuurstof, waarbij aanzienlijke hoeveelheden warmte vrijkomen - beter bekend als "verbranding") om een weinig.