Właściwości i stany materii (fizyka): przegląd

Fizyczne właściwości materii leżą u podstaw fizyki. Oprócz zrozumienia stanów materii, zmian fazowych i właściwości chemicznych, przy omawianiu materii ważne jest, aby: zrozumieć wielkości fizyczne, takie jak gęstość (masa na jednostkę objętości), masa (ilość materii) i ciśnienie (siła na jednostkę) powierzchnia).

Codzienna materia, którą znasz, składa się z atomów. Dlatego atomy są powszechnie nazywane budulcami materii. Istnieje ponad 109 różnych typów atomów i reprezentują one wszystkie pierwiastki w układzie okresowym.

Dwie główne części atomu to jądro i powłoka elektronowa. Jądro jest zdecydowanie najcięższą częścią atomu i znajduje się tam, gdzie znajduje się większość masy. Jest to ściśle związany obszar w centrum atomu i pomimo swojej masy zajmuje stosunkowo mało miejsca w porównaniu z resztą atomu. W jądrze znajdują się protony (cząstki naładowane dodatnio) i neutrony (cząstki naładowane ujemnie). Liczba protonów w jądrze określa, który pierwiastek jest atomem, a różne liczby neutronów odpowiadają różnym izotopom tego pierwiastka.

Elektrony są ujemnie naładowanymi cząstkami, które tworzą rozproszoną chmurę lub powłokę wokół jądra. W neutralnie naładowanym atomie liczba elektronów jest taka sama jak liczba protonów. Jeśli liczba jest inna, atom nazywamy jonem.

Cząsteczki to atomy połączone wiązaniami chemicznymi. Istnieją trzy główne typy wiązań chemicznych: jonowe, kowalencyjne i metaliczne. Wiązania jonowe powstają, gdy jon ujemny i dodatni są przyciągane do siebie. Wiązanie kowalencyjne to wiązanie, w którym dwa atomy dzielą elektrony. Wiązania metaliczne to wiązania, w których atomy działają jak jony dodatnie osadzone w morzu wolnych elektronów.

Mikroskopowe właściwości atomów i cząsteczek dają początek właściwościom makroskopowym, które determinują zachowanie materii. Reakcja cząsteczek na zmiany temperatury, siła wiązań itd. prowadzi do takich właściwości jak ciepło właściwe, elastyczność, reaktywność, przewodność i wiele innych.

Stan materii jest jedną z wielu możliwych odrębnych form, w jakich może istnieć materia. Istnieją cztery stany skupienia materii: stały, ciekły, gazowy i plazmowy. Każdy stan ma odrębne właściwości, które odróżniają go od innych stanów, i istnieją procesy przejścia fazowego, dzięki którym materia przechodzi z jednego stanu do drugiego.

Kiedy myślisz o bryle, prawdopodobnie myślisz o czymś twardym lub twardym w jakiś sposób. Ale ciała stałe mogą być również elastyczne, odkształcalne i ciągliwe.

Ciała stałe wyróżniają się ściśle związanymi cząsteczkami. Materia w stanie stałym ma tendencję do większej gęstości niż w stanie ciekłym (choć są wyjątki, w szczególności woda). Bryły zachowują swój kształt i mają stałą objętość.

Jeden rodzaj ciała stałego tokrystalicznysolidny. W krystalicznym ciele stałym cząsteczki są ułożone w powtarzający się wzór w całym materiale. Kryształy można łatwo zidentyfikować na podstawie ich makroskopowej geometrii i symetrii.

Innym rodzajem ciała stałego jest anamorficznysolidny. Jest to ciało stałe, w którym cząsteczki nie są w ogóle ułożone w sieci krystalicznej. ZApolikrystalicznystałe jest gdzieś pomiędzy. Często składa się z małych, monokrystalicznych struktur, ale bez powtarzającego się wzoru.

Ciecze składają się z cząsteczek, które mogą łatwo przepływać obok siebie. Woda, którą pijesz, olej, z którym gotujesz, i benzyna w samochodzie to płyny. W przeciwieństwie do ciał stałych ciecze przybierają kształt dna pojemnika.

Chociaż ciecze mogą rozszerzać się i kurczyć w różnych temperaturach i ciśnieniach, zmiany te są często niewielkie i dla większości praktycznych celów można założyć, że ciecze mają również stałą objętość. Cząsteczki w cieczy mogą przepływać obok siebie.

Skłonność cieczy do bycia lekko „lepkim” po przyklejeniu do powierzchni nazywa sięprzyczepność, a zdolność cząsteczek cieczy do sklejania się (np. gdy kropla wody tworzy kulkę na liściu) nazywa sięspójność​.

W cieczy ciśnienie zależy od głębokości i z tego powodu zanurzone lub częściowo zanurzone obiekty będą odczuwać siłę wyporu z powodu różnicy ciśnień na górze i na dole obiektu. Zasada Archimedesa opisuje ten efekt i wyjaśnia, w jaki sposób przedmioty unoszą się lub toną w cieczach. Można to podsumować stwierdzeniem, że „siła wyporu jest równa ciężarowi wypartej cieczy”. Jako taka siła wyporu zależy od gęstości cieczy i wielkości obiektu. Obiekty gęstsze od cieczy zatopią się, a te mniej gęste będą unosić się na wodzie.

Gazy zawierają cząsteczki, które mogą się łatwo poruszać wokół siebie. Przyjmują pełny kształt i objętość pojemnika i bardzo łatwo rozszerzają się i kurczą. Ważnymi właściwościami gazu są ciśnienie, temperatura i objętość. W rzeczywistości te trzy wielkości są wystarczające, aby całkowicie opisać stan makroskopowy gazu doskonałego.

Gaz doskonały to gaz, w którym cząsteczki można przybliżyć jako cząstki punktowe i w którym zakłada się, że nie wchodzą ze sobą w interakcje. Prawo gazu doskonałego opisuje zachowanie wielu gazów i jest wyrażone wzorem

gdziePjest presja,Vto objętość,nieto liczba moli substancji,Rjest idealną stałą gazową (R= 8,3145 J/molK) iTjest temperatura.

Alternatywnym sformułowaniem tego prawa jest:

gdzieNto liczba cząsteczek ikjest stałą Boltzmanna (k​ = 1.38065 × 10^-23 J/K). (Sceptyczny czytelnik może to sprawdzićnR = Nk​.)

Gazy wywierają również siły wyporu na zanurzone w nich przedmioty. Podczas gdy większość przedmiotów codziennego użytku jest gęstsza niż otaczające nas powietrze, przez co ta siła wyporu nie jest zbyt zauważalna, balon z helem jest tego doskonałym przykładem.

Plazma to gaz, który stał się tak gorący, że elektrony mają tendencję do opuszczania atomów, pozostawiając dodatnie jony w morzu elektronów. Ponieważ w całej plazmie jest taka sama liczba ładunków dodatnich i ujemnych, uważa się, że quasi-neutralny, chociaż separacja i lokalne zlepianie ładunków powoduje, że plazma zachowuje się zupełnie inaczej niż zwykły gaz.

Na plazmę duży wpływ mają pola elektryczne i magnetyczne. Te pola również nie muszą być zewnętrzne, ponieważ ładunki w samej plazmie wytwarzają podczas ruchu pola elektryczne i magnetyczne, które wzajemnie na siebie oddziałują.

W niższych temperaturach i energiach elektrony i jony chcą ponownie połączyć się w neutralne atomy, więc utrzymanie stanu plazmy wymaga na ogół wysokich temperatur. Można jednak stworzyć tak zwaną plazmę nietermiczną, w której same elektrony utrzymują wysoką temperaturę, a zjonizowane jądra nie. Dzieje się tak na przykład w gazie rtęciowym w lampie fluorescencyjnej.

Niekoniecznie istnieje wyraźne odcięcie między „normalnym” gazem a plazmą. Atomy i molekuły w gazie mogą ulegać stopniowej jonizacji, wykazując tym bardziej dynamikę plazmopodobną, im bliżej gazu zbliża się do pełnej jonizacji. Plazma różni się od standardowych gazów wysoką przewodnością elektryczną, ponieważ działa jak system z dwoma różnymi typami cząstek (jony dodatnie i elektrony ujemne) w przeciwieństwie do układu z jednym typem (obojętne atomy lub cząsteczki) oraz zderzeniami i oddziaływaniami cząstek, które są znacznie bardziej złożone niż oddziaływania dwuciałowej „kuli bilardowej” w standardzie gaz.

Przykładami plazmy są błyskawice, jonosfera Ziemi, oświetlenie fluorescencyjne i gazy słoneczne.

Materia może ulegać fizycznej zmianie z jednej fazy lub stanu w inny. Głównymi czynnikami wpływającymi na tę zmianę są ciśnienie i temperatura. Zgodnie z ogólną zasadą, ciało stałe musi stać się cieplejsze, aby zamienić się w ciecz, ciecz musi się nagrzać, aby zamienić się w gaz, a gaz musi stać się cieplejszy, aby stać się zjonizowanym i stać się plazmą. Temperatury, w których zachodzą te przejścia, zależą od samego materiału oraz ciśnienia. W rzeczywistości możliwe jest przejście bezpośrednio z ciała stałego w gaz (nazywa się to sublimacją) lub z gazu w ciało stałe (osadzanie) w odpowiednich warunkach.

Gdy ciało stałe zostanie podgrzane do temperatury topnienia, staje się cieczą. Należy dodać energię cieplną, aby ogrzać ciało stałe do temperatury topnienia, a następnie należy dodać dodatkowe ciepło, aby zakończyć przemianę fazową, zanim temperatura będzie mogła dalej rosnąć.utajone ciepło topnieniajest stałą powiązaną z każdym konkretnym materiałem, która określa, ile energii potrzeba do stopienia jednostki masy substancji.

Działa to również w drugą stronę. Gdy ciecz schładza się, musi wydzielać energię cieplną. Gdy osiągnie punkt zamarzania, musi nadal wydzielać energię, aby przejść przemianę fazową, zanim temperatura będzie mogła dalej spadać.

Podobne zachowanie ma miejsce, gdy ciecz jest podgrzewana do temperatury wrzenia. Energia cieplna jest dodawana, powodując wzrost temperatury, aż zacznie wrzeć, w którym to momencie dodana energia cieplna jest wykorzystywana spowodować przemianę fazową, a temperatura powstałego gazu nie wzrośnie, dopóki cała ciecz się nie zmieni faza. Stała zwanautajone ciepło parowaniaokreśla, dla danej substancji, ile energii jest potrzebne do zmiany fazy substancji z ciekłej na gazową na jednostkę masy. Utajone ciepło parowania substancji jest na ogół znacznie większe niż utajone ciepło topnienia.

Właściwości chemiczne materii określają, jakie mogą wystąpić reakcje chemiczne lub zmiany chemiczne. Właściwości chemiczne różnią się od właściwości fizycznych tym, że wymagają pewnego rodzaju zmiany chemicznej, aby je zmierzyć.

Przykładami właściwości chemicznych są łatwopalność (jak łatwo materiał ulega spaleniu), reaktywność (jak łatwo ulega reakcje chemiczne), stabilność (jak prawdopodobne jest, że jest odporny na zmiany chemiczne) i rodzaje wiązań, jakie materiał może tworzyć z innymi materiały.

Gdy zachodzi reakcja chemiczna, wiązania między atomami ulegają zmianie i powstają nowe substancje. Typowe typy reakcji chemicznych obejmują kombinację (w której dwie lub więcej cząsteczek łączą się, tworząc nową cząsteczkę), rozkład (w którym cząsteczka rozpada się na dwie lub więcej różnych cząsteczek) i spalania (w którym związki łączą się z tlenem, uwalniając znaczne ilości ciepła – częściej określane jako „spalanie”), aby nazwać mało.