คุณสมบัติ & สถานะของสสาร (ฟิสิกส์): ภาพรวม

คุณสมบัติทางกายภาพของสสารอยู่ภายใต้ฟิสิกส์ส่วนใหญ่ นอกจากการทำความเข้าใจสถานะของสสาร การเปลี่ยนแปลงเฟส และคุณสมบัติทางเคมีแล้ว เมื่อพูดถึงเรื่องแล้ว สิ่งสำคัญคือ เข้าใจปริมาณทางกายภาพ เช่น ความหนาแน่น (มวลต่อหน่วยปริมาตร) มวล (ปริมาณของสสาร) และความดัน (แรงต่อหน่วย พื้นที่)

เรื่องในชีวิตประจำวันกว่าที่คุณคุ้นเคยทำจากอะตอม นี่คือเหตุผลที่อะตอมมักถูกเรียกว่าหน่วยการสร้างของสสาร มีอะตอมที่แตกต่างกันมากกว่า 109 ชนิด และเป็นตัวแทนของธาตุทั้งหมดในตารางธาตุ

สองส่วนหลักของอะตอมคือนิวเคลียสและเปลือกอิเล็กตรอน นิวเคลียสเป็นส่วนที่หนักที่สุดของอะตอมและเป็นที่ที่มีมวลมากที่สุด เป็นบริเวณที่มีพันธะแน่นตรงกลางอะตอม และถึงแม้จะมีมวลมาก แต่ก็ใช้พื้นที่ค่อนข้างน้อยเมื่อเทียบกับส่วนที่เหลือของอะตอม ในนิวเคลียสมีโปรตอน (อนุภาคที่มีประจุบวก) และนิวตรอน (อนุภาคที่มีประจุลบ) จำนวนโปรตอนในนิวเคลียสกำหนดองค์ประกอบที่อะตอมเป็น และจำนวนนิวตรอนที่แตกต่างกันสอดคล้องกับไอโซโทปที่แตกต่างกันของธาตุนั้น

อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีประจุลบซึ่งก่อตัวเป็นเมฆหรือเปลือกที่กระจายตัวรอบนิวเคลียส ในอะตอมที่มีประจุเป็นกลาง จำนวนอิเล็กตรอนจะเท่ากับจำนวนโปรตอน ถ้าเลขไม่เท่ากัน อะตอมจะเรียกว่า ไอออน

โมเลกุลคืออะตอมที่ยึดติดกันด้วยพันธะเคมี พันธะเคมีมีสามประเภทหลัก: ไอออนิก โควาเลนต์ และโลหะ พันธะไอออนิกเกิดขึ้นเมื่อไอออนลบและประจุบวกถูกดึงดูดเข้าหากัน พันธะโควาเลนต์เป็นพันธะที่อะตอมสองอะตอมใช้อิเล็กตรอนร่วมกัน พันธะโลหะเป็นพันธะที่อะตอมทำหน้าที่เหมือนไอออนบวกที่ฝังอยู่ในทะเลของอิเล็กตรอนอิสระ

คุณสมบัติทางจุลทรรศน์ของอะตอมและโมเลกุลทำให้เกิดคุณสมบัติมหภาคที่กำหนดพฤติกรรมของสสาร การตอบสนองของโมเลกุลต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ความแข็งแรงของพันธะ และอื่นๆ นำไปสู่คุณสมบัติต่างๆ เช่น ความจุความร้อนจำเพาะ ความยืดหยุ่น การเกิดปฏิกิริยา การนำ และอื่นๆ อีกมากมาย

สถานะของสสารเป็นหนึ่งในรูปแบบที่แตกต่างกันมากมายที่สสารสามารถดำรงอยู่ได้ สสารมีสี่สถานะ: ของแข็ง ของเหลว ก๊าซ และพลาสมา แต่ละรัฐมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันซึ่งแยกความแตกต่างจากสถานะอื่น ๆ และมีกระบวนการเปลี่ยนเฟสโดยที่สสารเปลี่ยนจากสถานะหนึ่งไปอีกสถานะหนึ่ง

เมื่อคุณนึกถึงของแข็ง คุณอาจคิดถึงบางสิ่งที่แข็งหรือมั่นคงในทางใดทางหนึ่ง แต่ของแข็งสามารถยืดหยุ่นได้ เสียรูปและยืดหยุ่นได้เช่นกัน

ของแข็งมีความโดดเด่นด้วยโมเลกุลที่มีพันธะแน่น สสารในสถานะของแข็งมีแนวโน้มที่จะมีความหนาแน่นมากกว่าเมื่ออยู่ในสถานะของเหลว (แม้ว่าจะมีข้อยกเว้น โดยเฉพาะน้ำ) ของแข็งมีรูปร่างและมีปริมาตรคงที่

ของแข็งชนิดหนึ่งคือ aผลึกแข็ง ในของแข็งที่เป็นผลึก โมเลกุลจะถูกจัดเรียงในรูปแบบที่ซ้ำกันทั่วทั้งวัสดุ คริสตัลสามารถระบุได้ง่ายด้วยรูปทรงมหภาคและความสมมาตร

ของแข็งอีกประเภทหนึ่งคือ anอสัณฐานแข็ง นี่เป็นของแข็งที่โมเลกุลไม่ได้จัดเรียงเป็นผลึกขัดแตะเลย อาคริสตัลไลน์ของแข็งอยู่ที่ไหนสักแห่งในระหว่าง มักประกอบด้วยโครงสร้างผลึกเดี่ยวขนาดเล็ก แต่ไม่มีรูปแบบซ้ำ

ของเหลวประกอบด้วยโมเลกุลที่สามารถไหลผ่านกันได้ง่าย น้ำที่คุณดื่ม น้ำมันที่คุณใช้ปรุงอาหาร และน้ำมันเบนซินในรถของคุณล้วนเป็นของเหลว ของเหลวมีรูปร่างเหมือนก้นภาชนะต่างจากของแข็ง

แม้ว่าของเหลวสามารถขยายตัวและหดตัวได้ที่อุณหภูมิและความดันต่างกัน แต่การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้มักเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อย และสำหรับวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติส่วนใหญ่ ของเหลวสามารถสันนิษฐานได้ว่ามีปริมาตรคงที่เช่นกัน โมเลกุลในของเหลวสามารถไหลผ่านกันและกันได้

แนวโน้มของของเหลวที่จะ "เหนียว" เล็กน้อยเมื่อยึดติดกับพื้นผิวเรียกว่าการยึดเกาะและความสามารถของโมเลกุลของเหลวที่ต้องการเกาะติดกัน (เช่น เมื่อหยดน้ำก่อตัวเป็นลูกบอลบนใบไม้) เรียกว่าการติดต่อกัน​.

ในของเหลว ความดันขึ้นอยู่กับความลึก และด้วยเหตุนี้ วัตถุที่จมอยู่ใต้น้ำหรือบางส่วนที่จมอยู่ใต้น้ำจะรู้สึกถึงแรงลอยตัวเนื่องจากความแตกต่างของแรงกดที่ด้านบนและด้านล่างของวัตถุ หลักการของอาร์คิมิดีสอธิบายผลกระทบนี้และอธิบายว่าวัตถุลอยหรือจมลงในของเหลวได้อย่างไร สรุปได้ว่า “แรงลอยตัวเท่ากับน้ำหนักของของเหลวที่ถูกแทนที่” ดังนั้นแรงลอยตัวจึงขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของของเหลวและขนาดของวัตถุ วัตถุที่มีความหนาแน่นมากกว่าของเหลวจะจม และวัตถุที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าจะลอย

ก๊าซมีโมเลกุลที่สามารถเคลื่อนที่เข้าหากันได้ง่าย พวกเขามีรูปร่างและปริมาตรเต็มของภาชนะและขยายและหดตัวได้ง่ายมาก คุณสมบัติที่สำคัญของก๊าซ ได้แก่ ความดัน อุณหภูมิ และปริมาตร อันที่จริง ปริมาณทั้งสามนี้เพียงพอที่จะอธิบายสถานะมหภาคของก๊าซในอุดมคติได้อย่างสมบูรณ์

ก๊าซในอุดมคติคือก๊าซที่โมเลกุลสามารถประมาณเป็นอนุภาคจุดและสันนิษฐานได้ว่าไม่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน กฎของแก๊สในอุดมคติอธิบายพฤติกรรมของก๊าซหลายชนิดและกำหนดโดยสูตร

ที่ไหนพีคือความกดดันวีคือปริมาณนคือจำนวนโมลของสารRเป็นค่าคงที่แก๊สในอุดมคติ (R= 8.3145 J/molK) และตู่คืออุณหภูมิ

บัญญัติทางเลือกของกฎหมายนี้คือ

ที่ไหนนู๋คือจำนวนโมเลกุลและkคือค่าคงที่ของโบลต์ซมันน์ (k​ = 1.38065 × 10^-23 เจ/เค). (ผู้อ่านที่สงสัยสามารถยืนยันได้ว่าnR = Nk​.)

ก๊าซยังออกแรงลอยตัวกับวัตถุที่แช่อยู่ในนั้น ในขณะที่วัตถุในชีวิตประจำวันส่วนใหญ่จะหนาแน่นกว่าอากาศรอบตัวเรา ทำให้แรงลอยตัวนี้ไม่เด่นชัดนัก บอลลูนฮีเลียมเป็นตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบสำหรับสิ่งนี้

พลาสมาเป็นก๊าซที่ร้อนจัดจนอิเล็กตรอนมักจะปล่อยอะตอมออกจากไอออนบวกในทะเลอิเล็กตรอน เนื่องจากมีประจุบวกและประจุลบในพลาสมาโดยรวมเท่ากัน จึงถือว่า กึ่งเป็นกลางแม้ว่าการแยกและการรวมตัวของประจุในท้องถิ่นจะทำให้พลาสมามีพฤติกรรมแตกต่างไปจาก ก๊าซปกติ

พลาสมาได้รับอิทธิพลอย่างมากจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก สนามเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องอยู่ภายนอกเช่นกัน เนื่องจากประจุในพลาสมาเองสร้างสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กขณะเคลื่อนที่ ซึ่งมีอิทธิพลต่อกันและกัน

ที่อุณหภูมิและพลังงานที่ต่ำกว่า อิเล็กตรอนและไอออนต้องการรวมตัวกันใหม่เป็นอะตอมที่เป็นกลาง ดังนั้นโดยทั่วไปแล้ว การรักษาสถานะพลาสม่าจะต้องใช้อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม พลาสม่าที่เรียกว่า non-thermal สามารถสร้างขึ้นได้ โดยที่อิเล็กตรอนเองก็รักษาอุณหภูมิที่สูงได้ในขณะที่นิวเคลียสแตกตัวเป็นไอออน สิ่งนี้เกิดขึ้นในก๊าซไอปรอทในหลอดฟลูออเรสเซนต์เป็นต้น

ไม่จำเป็นต้องมีจุดตัดที่ชัดเจนระหว่างก๊าซ "ปกติ" และพลาสมา อะตอมและโมเลกุลในก๊าซสามารถแตกตัวเป็นไอออนได้ทีละองศา โดยจะแสดงไดนามิกของพลาสมามากขึ้น ยิ่งก๊าซเข้าใกล้การแตกตัวเป็นไอออนเต็มที่ พลาสม่าแตกต่างจากก๊าซมาตรฐานด้วยค่าการนำไฟฟ้าที่สูง ความจริงที่ว่ามันทำหน้าที่เหมือนระบบที่มีอนุภาคที่แตกต่างกันสองประเภท (ไอออนบวกและอิเล็กตรอนเชิงลบ) ตรงข้ามกับระบบที่มีประเภทเดียว (อะตอมหรือโมเลกุลเป็นกลาง) และการชนกันของอนุภาคและปฏิสัมพันธ์ที่ซับซ้อนกว่าปฏิสัมพันธ์แบบ "พูลบอล" 2 ตัวในมาตรฐาน แก๊ส.

ตัวอย่างของพลาสม่า ได้แก่ ฟ้าผ่า ไอโอโนสเฟียร์ของโลก แสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ และก๊าซในดวงอาทิตย์

สสารสามารถผ่านการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพจากระยะหนึ่งไปอีกระยะหนึ่ง ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงนี้คือความดันและอุณหภูมิ ตามกฎทั่วไป ของแข็งจะต้องอุ่นขึ้นเพื่อกลายเป็นของเหลว ของเหลวจะต้องอุ่นขึ้นจึงจะกลายเป็นก๊าซ และก๊าซจะต้องอุ่นขึ้นเพื่อให้กลายเป็นไอออไนซ์และกลายเป็นพลาสมา อุณหภูมิที่เกิดการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ขึ้นอยู่กับตัววัสดุเองและความดัน ในความเป็นจริง เป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนจากของแข็งเป็นแก๊สโดยตรง (เรียกว่าการระเหิด) หรือจากแก๊สเป็นของแข็ง (การสะสม) ภายใต้สภาวะที่เหมาะสม

เมื่อของแข็งถูกทำให้ร้อนจนถึงจุดหลอมเหลว มันจะกลายเป็นของเหลว ต้องเติมพลังงานความร้อนเพื่อทำให้ของแข็งร้อนจนถึงอุณหภูมิหลอมเหลว จากนั้นต้องเติมความร้อนเพิ่มเติมเพื่อทำให้การเปลี่ยนเฟสสมบูรณ์ก่อนที่อุณหภูมิจะสูงขึ้นต่อไปความร้อนแฝงของการหลอมเหลวเป็นค่าคงที่ที่เกี่ยวข้องกับวัสดุแต่ละชนิดที่กำหนดว่าต้องใช้พลังงานเท่าใดในการละลายมวลหน่วยของสาร

สิ่งนี้ทำงานในทิศทางอื่นเช่นกัน เมื่อของเหลวเย็นตัวลง จะต้องปล่อยพลังงานความร้อนออกมา เมื่อถึงจุดเยือกแข็งแล้ว จะต้องปล่อยพลังงานต่อไปเพื่อผ่านการเปลี่ยนเฟสก่อนที่อุณหภูมิจะลดลงต่อไป

ลักษณะการทำงานที่คล้ายกันเกิดขึ้นเมื่อของเหลวถูกทำให้ร้อนจนถึงจุดเดือด เพิ่มพลังงานความร้อนทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นจนเริ่มเดือด พลังงานความร้อนที่เพิ่มเข้ามาจะถูกใช้ เพื่อทำให้เกิดการเปลี่ยนเฟสและอุณหภูมิของก๊าซที่เกิดขึ้นจะไม่เพิ่มขึ้นจนกว่าของเหลวทั้งหมดจะเปลี่ยนไป เฟส. ค่าคงที่ที่เรียกว่าความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอกำหนดสำหรับสารเฉพาะว่าต้องใช้พลังงานเท่าใดในการเปลี่ยนเฟสของสารจากของเหลวเป็นก๊าซต่อหน่วยมวล ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของสารโดยทั่วไปจะมากกว่าความร้อนแฝงของการหลอมรวมอย่างมาก

คุณสมบัติทางเคมีของสสารเป็นตัวกำหนดประเภทของปฏิกิริยาเคมีหรือการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่อาจเกิดขึ้นได้ คุณสมบัติทางเคมีแตกต่างจากคุณสมบัติทางกายภาพเนื่องจากต้องมีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีบางอย่างเพื่อวัด

ตัวอย่างของคุณสมบัติทางเคมี ได้แก่ ความสามารถในการติดไฟ (ง่ายแค่ไหนสำหรับวัสดุที่จะเผาไหม้) การเกิดปฏิกิริยา (ผ่านได้ง่ายเพียงใด ปฏิกิริยาเคมี) ความคงตัว (แนวโน้มที่จะต้านทานการเปลี่ยนแปลงทางเคมี) และประเภทของพันธะที่วัสดุสามารถเกิดขึ้นได้ วัสดุ

เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมี พันธะระหว่างอะตอมจะเปลี่ยนไปและเกิดสารใหม่ขึ้น ปฏิกิริยาเคมีประเภททั่วไป ได้แก่ การรวมกัน (ซึ่งโมเลกุลตั้งแต่สองโมเลกุลขึ้นไปรวมกันเป็นโมเลกุลใหม่) การสลายตัว (ซึ่งโมเลกุลจะแตกออกเป็นสองส่วน หรือมากกว่าโมเลกุลต่างๆ) และการเผาไหม้ (ซึ่งสารประกอบรวมกับออกซิเจน ปล่อยความร้อนออกมาเป็นจำนวนมาก หรือที่เรียกกันทั่วไปว่า "การเผาไหม้") เพื่อตั้งชื่อ น้อย.