Egenskaper och tillstånd av materia (fysik): en översikt

De fysiska egenskaperna hos materien ligger till grund för mycket av fysiken. Förutom att förstå materietillstånd, fasförändringar och kemiska egenskaper är det viktigt att diskutera materia förstå fysiska mängder som densitet (massa per volymenhet), massa (mängd materia) och tryck (kraft per enhet område).

Den vardagliga saken än du känner till är gjord av atomer. Det är därför som atomer ofta kallas byggstenar för materia. Det finns mer än 109 olika typer av atomer, och de representerar alla element i det periodiska systemet.

De två huvuddelarna av atomen är kärnan och elektronskalet. Kärnan är den tyngsta delen av atomen överlägset och är där det mesta av massan är. Det är en tätt bunden region i atomens centrum, och trots sin massa tar den relativt lite utrymme jämfört med resten av atomen. I kärnan finns protoner (positivt laddade partiklar) och neutroner (negativt laddade partiklar). Antalet protoner i kärnan avgör vilket element atomen är, och olika antal neutroner motsvarar olika isotoper av det elementet.

Elektronerna är negativt laddade partiklar som bildar ett diffust moln eller skal runt kärnan. I en neutralt laddad atom är antalet elektroner samma som antalet protoner. Om talet är annorlunda kallas atomen en jon.

Molekyler är atomer som hålls samman av kemiska bindningar. Det finns tre huvudtyper av kemiska bindningar: joniska, kovalenta och metalliska. Joniska bindningar uppstår när en negativ och positiv jon dras till varandra. En kovalent bindning är en bindning i vilken två atomer delar elektroner. Metallbindningar är bindningar där atomerna fungerar som positiva joner inbäddade i ett hav av fria elektroner.

De mikroskopiska egenskaperna hos atomer och molekyler ger upphov till de makroskopiska egenskaperna som bestämmer materiens beteende. Molekylernas svar på temperaturförändringar, bindningarnas styrka och så vidare leder till egenskaper som specifik värmekapacitet, flexibilitet, reaktivitet, konduktivitet och många andra.

Ett tillstånd av materia är en av många möjliga distinkta former som materia kan existera i. Det finns fyra tillståndstillstånd: fast, flytande, gas och plasma. Varje tillstånd har distinkta egenskaper som skiljer det från de andra tillstånden, och det finns fasövergångsprocesser genom vilka materia förändras från ett tillstånd till ett annat.

När du tänker på en solid, tänker du förmodligen på något hårt eller fast på något sätt. Men fasta ämnen kan också vara flexibla, deformerbara och formbara.

Fastämnen kännetecknas av sina tätt bundna molekyler. Materiet i fast tillstånd tenderar att vara tätare än när det är i flytande tillstånd (även om det finns undantag, särskilt vatten). Torrsubstanser håller sin form och har en fast volym.

En typ av fast ämne är enkristallinfast. I ett kristallint fast ämne är molekylerna ordnade i ett upprepande mönster genom hela materialet. Kristaller kan lätt identifieras med sin makroskopiska geometri och symmetri.

En annan typ av fast ämne är enamorffast. Detta är ett fast ämne i vilket molekylerna inte är ordnade i ett kristallgitter alls. Apolykristallinsolid är någonstans däremellan. Den består ofta av små, enkristallstrukturer, men utan ett upprepande mönster.

Vätskor är gjorda av molekyler som lätt kan flyta förbi varandra. Vattnet du dricker, oljan du lagar mat med och bensinen i din bil är vätskor. Till skillnad från fasta ämnen har vätskor formen av botten på behållaren.

Även om vätskor kan expandera och dra ihop sig vid olika temperaturer och tryck, är dessa förändringar ofta små, och för de flesta praktiska ändamål kan vätskor också antas ha en fast volym. Molekylerna i en vätska kan flyta förbi varandra.

En vätskes benägenhet att vara något "klibbig" när den är fäst på en yta kallasadhesion, och flytande molekylers förmåga att vilja hålla ihop (t.ex. när en vattendroppe bildar en boll på ett blad) kallassammanhållning​.

I en vätska beror trycket på djupet, och på grund av detta kommer nedsänkta eller delvis nedsänkta föremål att känna en flytande kraft på grund av skillnaden i tryck på toppen och botten av objektet. Archimedes princip beskriver denna effekt och förklarar hur föremål flyter eller sjunker i vätskor. Det kan sammanfattas av uttalandet att "den flytande kraften är lika med vikten på den förskjutna vätskan." Som sådan beror den flytande kraften på vätskans densitet och föremålets storlek. Föremål som är tätare än vätskan sjunker och de som är mindre täta kommer att flyta.

Gaser innehåller molekyler som lätt kan röra sig runt varandra. De tar sin behållares fulla form och volym och expanderar och dras mycket lätt. Viktiga egenskaper hos en gas inkluderar tryck, temperatur och volym. I själva verket är dessa tre kvantiteter tillräckliga för att fullständigt beskriva det makroskopiska tillståndet för en idealgas.

En idealgas är en gas där molekylerna kan approximeras som punktpartiklar och i vilka det antas att de inte interagerar med varandra. Den ideala gaslagen beskriver beteendet hos många gaser och ges av formeln

varPär tryck,Vär volym,när antalet mol av ett ämne,Rär den ideala gaskonstanten (R= 8,3145 J / molK) ochTär temperatur.

En alternativ formulering av denna lag är

varNär antalet molekyler ochkär Boltzmanns konstant (k​ = 1.38065 × 10^-23 J / K). (En skeptisk läsare kan verifiera detnR = Nk​.)

Gaser utövar också flytande krafter på föremål som är nedsänkta i dem. Medan de flesta vardagliga föremål är tätare än luften runt oss, vilket gör denna flytande kraft inte särskilt märkbar, är en heliumballong ett perfekt exempel på detta.

Plasma är en gas som har blivit så varm att elektronerna tenderar att lämna atomerna och lämnar positiva joner i ett hav av elektroner. Eftersom det finns ett lika stort antal positiva och negativa laddningar i plasma totalt sett anses det kvasi-neutral, även om separationen och den lokala klumpningen av laddningar får plasman att bete sig mycket annorlunda än en vanlig gas.

Plasma påverkas väsentligt av elektriska och magnetiska fält. Dessa fält behöver inte heller vara externa, eftersom laddningarna i själva plasma skapar elektriska fält och magnetfält när de rör sig, vilket påverkar varandra.

Vid lägre temperaturer och energier vill elektronerna och jonerna rekombineras till neutrala atomer, så för att ett plasmatillstånd ska upprätthållas krävs i allmänhet höga temperaturer. Men så kallad icke-termisk plasma kan skapas där elektronerna själva håller en hög temperatur medan de joniserade kärnorna inte gör det. Detta händer t.ex. i kvicksilverånga i en lysrör.

Det finns inte nödvändigtvis ett tydligt avbrott mellan en "normal" gas och plasma. Atomerna och molekylerna i en gas kan joniseras gradvis, vilket visar mer plasmalik dynamik ju närmare gasen kommer att bli helt joniserad. Plasma skiljer sig från standardgaser genom sin höga elektriska ledningsförmåga, det faktum att det fungerar som ett system med två distinkta typer av partiklar (positiva joner och negativa elektroner) i motsats till ett system med en typ (neutrala atomer eller molekyler) och partikelkollisioner och interaktioner som är mycket mer komplexa än 2-kropps "poolboll" -interaktioner i en standard gas.

Exempel på plasma inkluderar blixtar, jordens jonosfär, lysrör och gaser i solen.

Materie kan genomgå en fysisk förändring från en fas eller tillstånd till en annan. De viktigaste faktorerna som påverkar denna förändring är tryck och temperatur. Som en allmän regel måste ett fast ämne bli varmare för att bli en vätska, en vätska måste bli varmare för att förvandlas till en gas och en gas måste bli varmare för att bli joniserad och bli ett plasma. Temperaturerna vid vilka dessa övergångar sker beror på själva materialet och trycket. I själva verket är det möjligt att gå direkt från en fast substans till en gas (detta kallas sublimering) eller från en gas till en fast substans (deposition) under rätt förhållanden.

När ett fast ämne värms upp till smältpunkt blir det en vätska. Värmeenergi måste tillsättas för att värma fastämnet upp till smälttemperaturen, och sedan måste ytterligare värme tillsättas för att slutföra fasövergången innan temperaturen kan fortsätta att stiga. Delatent fusionsvärmeär en konstant associerad med varje speciellt material som bestämmer hur mycket energi som krävs för att smälta en enhetsmassa av ämnet.

Detta fungerar också i den andra riktningen. När en vätska svalnar måste den avge värmeenergi. När den väl har nått fryspunkten måste den fortsätta att avge energi för att genomgå fasövergången innan temperaturen kan fortsätta att sänka.

Liknande beteende inträffar när en vätska värms upp till sin kokpunkt. Värmeenergi tillsätts, vilket får temperaturen att stiga tills den börjar koka, vid vilken tidpunkt den tillsatta värmeenergin används för att orsaka fasövergången och temperaturen för den resulterande gasen kommer inte att stiga förrän all vätska har förändrats fas. En konstant som kallaslatent förångningsvärmebestämmer, för ett visst ämne, hur mycket energi som krävs för att ändra ämnets fas från vätska till gas per massenhet. Den latenta förångningsvärmen för ett ämne är i allmänhet mycket större än den latenta fusionsvärmen.

Kemiska egenskaper hos materia avgör vilka typer av kemiska reaktioner eller kemiska förändringar som kan uppstå. Kemiska egenskaper skiljer sig från fysikaliska egenskaper genom att de kräver någon form av kemisk förändring för att mäta dem.

Exempel på kemiska egenskaper inkluderar antändlighet (hur lätt det är för ett material att brinna), reaktivitet (hur lätt det genomgår kemiska reaktioner), stabilitet (hur troligt det är att motstå kemisk förändring) och typer av bindningar som materialet kan bilda med andra material.

När en kemisk reaktion inträffar förändras bindningarna mellan atomer och nya ämnen bildas. Vanliga typer av kemiska reaktioner inkluderar kombination (där två eller flera molekyler kombineras för att bilda en ny molekyl), sönderdelning (där en molekyl bryts isär i två eller flera olika molekyler) och förbränning (där föreningar kombineras med syre och frigör betydande mängder värme - oftare kallad "bränning") för att namnge en få.