Proprietăți și stări ale materiei (fizică): o prezentare generală

Proprietățile fizice ale materiei stau la baza majorității fizicii. Pe lângă înțelegerea stărilor de materie, a modificărilor de fază și a proprietăților chimice, este important să discutați despre materie înțelegeți cantități fizice, cum ar fi densitatea (masa pe unitate de volum), masa (cantitatea de materie) și presiunea (forța pe unitate) zonă).

Problema de zi cu zi decât sunteți familiarizați este făcută din atomi. Acesta este motivul pentru care atomii sunt numiți în mod obișnuit elementele de bază ale materiei. Există mai mult de 109 tipuri diferite de atomi și reprezintă toate elementele de pe tabelul periodic.

Cele două părți principale ale atomului sunt nucleul și cochilia electronilor. Nucleul este cea mai grea parte a atomului de departe și este locul în care se află cea mai mare parte a masei. Este o regiune strâns legată în centrul atomului și, în ciuda masei sale, ocupă relativ puțin spațiu în comparație cu restul atomului. În nucleu sunt protoni (particule încărcate pozitiv) și neutroni (particule încărcate negativ). Numărul de protoni din nucleu determină ce element este atomul și un număr diferit de neutroni corespunde diferiților izotopi ai acelui element.

Electronii sunt particule încărcate negativ care formează un nor difuz sau înveliș în jurul nucleului. Într-un atom încărcat neutru, numărul de electroni este același cu numărul de protoni. Dacă numărul este diferit, atomul se numește ion.

Moleculele sunt atomi care sunt ținuți împreună prin legături chimice. Există trei tipuri majore de legături chimice: ionice, covalente și metalice. Legăturile ionice apar atunci când un ion negativ și pozitiv sunt atrași unul de celălalt. O legătură covalentă este o legătură în care doi atomi împart electroni. Legăturile metalice sunt legături în care atomii acționează ca niște ioni pozitivi încorporați într-o mare de electroni liberi.

Proprietățile microscopice ale atomilor și moleculelor dau naștere proprietăților macroscopice care determină comportamentul materiei. Răspunsul moleculelor la schimbările de temperatură, rezistența legăturilor și așa mai departe conduc la proprietăți precum capacitatea termică specifică, flexibilitatea, reactivitatea, conductivitatea și multe altele.

O stare a materiei este una dintre multele posibile forme distincte în care poate exista materia. Există patru stări ale materiei: solid, lichid, gaz și plasmă. Fiecare stare are proprietăți distincte care o diferențiază de celelalte state și există procese de tranziție de fază prin care materia se schimbă de la o stare la alta.

Când te gândești la un solid, probabil că te gândești la ceva greu sau ferm într-un fel. Dar și solidele pot fi flexibile, deformabile și maleabile.

Solidele se disting prin moleculele lor strâns legate. Materia în stare solidă tinde să fie mai densă decât atunci când este în stare lichidă (deși există excepții, în special apa). Solidele își păstrează forma și au un volum fix.

Un tip de solid este uncristalinsolid. Într-un solid cristalin, moleculele sunt aranjate într-un model care se repetă în întregul material. Cristalele sunt ușor identificabile prin geometria și simetriile lor macroscopice.

Un alt tip de solid este unamorfsolid. Acesta este un solid în care moleculele nu sunt deloc aranjate într-o rețea de cristal. Apolicristalinsolid este undeva la mijloc. Este adesea compus din structuri mici, monocristale, dar fără un model care se repetă.

Lichidele sunt formate din molecule care pot curge ușor una peste alta. Apa pe care o bei, uleiul cu care gătești și benzina din mașină sunt toate lichide. Spre deosebire de solide, lichidele iau forma fundului recipientului lor.

Deși lichidele se pot extinde și se pot contracta la diferite temperaturi și presiuni, aceste schimbări sunt adesea mici și, în cele mai multe scopuri practice, se poate presupune că și lichidele au un volum fix. Moleculele dintr-un lichid pot curge unele peste altele.

Se numește înclinația unui lichid de a fi ușor „lipicios” atunci când este atașat la o suprafațăadeziune, și capacitatea moleculelor lichide de a dori să se lipească (cum ar fi atunci când o picătură de apă formează o minge pe o frunză) se numeștecoeziune​.

Într-un lichid, presiunea depinde de adâncime și, din această cauză, obiectele scufundate sau parțial scufundate vor simți o forță plutitoare datorită diferenței de presiune pe partea superioară și inferioară a obiectului. Principiul lui Arhimede descrie acest efect și explică modul în care obiectele plutesc sau se scufundă în lichide. Se poate rezuma prin afirmația că „forța flotantă este egală cu greutatea lichidului deplasat”. Ca atare, forța plutitoare depinde de densitatea lichidului și de mărimea obiectului. Obiectele care sunt mai dense decât lichidul se vor scufunda, iar cele mai puțin dense vor pluti.

Gazele conțin molecule care se pot mișca ușor una în jurul celeilalte. Ei iau forma și volumul complet al containerului și se extind și se contractă foarte ușor. Proprietățile importante ale unui gaz includ presiunea, temperatura și volumul. De fapt, aceste trei cantități sunt suficiente pentru a descrie complet starea macroscopică a unui gaz ideal.

Un gaz ideal este un gaz în care moleculele pot fi aproximate ca particule punctuale și în care se presupune că nu interacționează între ele. Legea ideală a gazelor descrie comportamentul multor gaze și este dată de formulă

UndePeste presiune,Veste volum,neste numărul de aluniți ai unei substanțe,Reste constanta ideala a gazului (R= 8,3145 J / molK) șiTeste temperatura.

O formulare alternativă a acestei legi este

UndeNeste numărul de molecule șikeste constanta lui Boltzmann (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (Un cititor sceptic poate verifica astanR = Nk​.)

Gazele exercită, de asemenea, forțe plutitoare asupra obiectelor scufundate în ele. În timp ce majoritatea obiectelor de zi cu zi sunt mai dense decât aerul din jurul nostru, ceea ce face ca această forță plutitoare să nu fie foarte vizibilă, un balon cu heliu este un exemplu perfect în acest sens.

Plasma este un gaz care a devenit atât de fierbinte încât electronii tind să părăsească atomii, lăsând ioni pozitivi într-o mare de electroni. Deoarece există un număr egal de sarcini pozitive și negative în plasmă, este luată în considerare cvasi-neutru, deși separarea și aglomerarea locală a sarcinilor determină plasma să se comporte foarte diferit de a gaz normal.

Plasma este influențată semnificativ de câmpurile electrice și magnetice. Nici aceste câmpuri nu trebuie să fie externe, deoarece sarcinile din plasmă în sine creează câmpuri electrice și câmpuri magnetice pe măsură ce se mișcă, care se influențează reciproc.

La temperaturi și energii mai scăzute, electronii și ionii doresc să se recombineze în atomi neutri, astfel încât menținerea unei stări de plasmă necesită, în general, temperaturi ridicate. Cu toate acestea, așa-numita plasmă non-termică poate fi creată acolo unde electronii înșiși mențin o temperatură ridicată, în timp ce nucleii ionizați nu. Acest lucru se întâmplă, de exemplu, în gazul cu vapori de mercur dintr-o lampă fluorescentă.

Nu există neapărat o separare distinctă între un gaz „normal” și plasmă. Atomii și moleculele dintr-un gaz pot deveni ionizate cu grade, afișând o dinamică mai plasmatică cu cât gazul se apropie de a fi complet ionizat. Plasma se distinge de gazele standard prin conductivitatea sa electrică ridicată, faptul că acționează ca un sistem cu două tipuri distincte de particule (ioni pozitivi și electroni negativi) spre deosebire de un sistem cu un singur tip (atomi neutri sau molecule) și coliziuni de particule și interacțiuni care sunt mult mai complexe decât interacțiunile cu „corp de bilă” cu 2 corpuri într-un standard gaz.

Exemple de plasmă includ fulgerul, ionosfera Pământului, iluminatul fluorescent și gazele din soare.

Materia poate suferi o schimbare fizică de la o fază sau stare la alta. Principalii factori care afectează această schimbare sunt presiunea și temperatura. Ca regulă generală, un solid trebuie să devină mai cald pentru a se transforma într-un lichid, un lichid trebuie să devină mai cald pentru a se transforma într-un gaz, iar un gaz trebuie să se încălzească pentru a deveni ionizat și a deveni plasmă. Temperaturile la care se produc aceste tranziții depind de materialul în sine, precum și de presiune. De fapt, este posibil să treci direct de la un solid la un gaz (aceasta se numește sublimare) sau de la un gaz la un solid (depunere) în condițiile potrivite.

Când un solid este încălzit până la punctul său de topire, acesta devine un lichid. Trebuie adăugată energie termică pentru a încălzi solidul până la temperatura de topire și apoi trebuie adăugată căldură suplimentară pentru a finaliza tranziția de fază înainte ca temperatura să poată continua să crească.căldura latentă de fuziuneeste o constantă asociată cu fiecare material special care determină câtă energie este necesară pentru a topi o masă unitară a substanței.

Acest lucru funcționează și în cealaltă direcție. Pe măsură ce un lichid se răcește, acesta trebuie să emită energie termică. Odată ce ajunge la punctul de îngheț, trebuie să continue să dea energie pentru a trece de tranziția de fază înainte ca temperatura să poată continua să scadă.

Un comportament similar apare atunci când un lichid este încălzit până la punctul său de fierbere. Se adaugă energie termică, determinând creșterea temperaturii, până când începe să fiarbă, moment în care se folosește energia termică adăugată pentru a provoca tranziția de fază, iar temperatura gazului rezultat nu va crește până când nu s-a schimbat tot lichidul fază. O constantă numităcăldură latentă de vaporizaredetermină, pentru o anumită substanță, câtă energie este necesară pentru a schimba faza substanței din lichid în gaz pe unitate de masă. Căldura latentă de vaporizare pentru o substanță este în general mult mai mare decât căldura latentă de fuziune.

Proprietățile chimice ale materiei determină ce tipuri de reacții chimice sau modificări chimice pot apărea. Proprietățile chimice sunt distincte de proprietățile fizice prin faptul că necesită un fel de schimbare chimică pentru a le măsura.

Exemple de proprietăți chimice includ inflamabilitatea (cât de ușor este pentru un material să ardă), reactivitatea (cât de ușor este supusă reacții chimice), stabilitate (cât de probabil este să reziste schimbărilor chimice) și tipuri de legături pe care materialul le poate forma cu altele materiale.

Când apare o reacție chimică, legăturile dintre atomi sunt modificate și se formează substanțe noi. Tipurile obișnuite de reacții chimice includ combinația (în care două sau mai multe molecule se combină pentru a forma o nouă moleculă), descompunerea (în care o moleculă se separă în două sau mai multe molecule diferite) și combustie (în care compușii se combină cu oxigenul, eliberând cantități semnificative de căldură - denumită mai frecvent „arsură”) pentru a numi un putini.