Maddenin Özellikleri ve Halleri (Fizik): Genel Bir Bakış

Maddenin fiziksel özellikleri fiziğin çoğunun temelini oluşturur. Maddenin hallerini, faz değişimlerini ve kimyasal özelliklerini anlamanın yanı sıra, maddeyi tartışırken, yoğunluk (birim hacim başına kütle), kütle (madde miktarı) ve basınç (birim başına kuvvet) gibi fiziksel nicelikleri anlamak alan).

Alışık olduğunuzdan daha günlük madde atomlardan yapılmıştır. Bu nedenle atomlara genellikle maddenin yapı taşları denir. 109'dan fazla farklı atom türü vardır ve bunlar periyodik tablodaki tüm elementleri temsil eder.

Atomun iki ana parçası çekirdek ve elektron kabuğudur. Çekirdek, atomun açık ara en ağır kısmıdır ve kütlenin çoğunun bulunduğu yerdir. Atomun merkezinde sıkıca bağlı bir bölgedir ve kütlesine rağmen atomun geri kalanına kıyasla nispeten az yer kaplar. Çekirdekte protonlar (pozitif yüklü parçacıklar) ve nötronlar (negatif yüklü parçacıklar) bulunur. Çekirdekteki proton sayısı atomun hangi element olduğunu belirler ve farklı sayıda nötron o elementin farklı izotoplarına karşılık gelir.

Elektronlar, çekirdeğin etrafında dağınık bir bulut veya kabuk oluşturan negatif yüklü parçacıklardır. Nötr yüklü bir atomda elektron sayısı ile proton sayısı aynıdır. Sayı farklıysa, atoma iyon denir.

Moleküller, kimyasal bağlarla bir arada tutulan atomlardır. Üç ana kimyasal bağ türü vardır: iyonik, kovalent ve metalik. İyonik bağlar, negatif ve pozitif bir iyon birbirine çekildiğinde oluşur. Kovalent bağ, iki atomun elektronları paylaştığı bir bağdır. Metalik bağlar, atomların bir serbest elektron denizinde gömülü pozitif iyonlar gibi davrandığı bağlardır.

Atomların ve moleküllerin mikroskobik özellikleri, maddenin davranışını belirleyen makroskobik özelliklere yol açar. Moleküllerin sıcaklıktaki değişikliklere tepkisi, bağların gücü vb. özelliklerin tümü, özgül ısı kapasitesi, esneklik, reaktivite, iletkenlik ve diğerleri gibi özelliklere yol açar.

Maddenin hali, maddenin var olabileceği birçok olası farklı formdan biridir. Maddenin dört hali vardır: katı, sıvı, gaz ve plazma. Her bir durumun kendisini diğer durumlardan ayıran farklı özellikleri vardır ve maddenin bir halden diğerine geçtiği faz geçiş süreçleri vardır.

Katı bir şey düşündüğünüzde, muhtemelen bir şekilde sert veya sağlam bir şey düşünürsünüz. Ancak katılar esnek, deforme olabilir ve dövülebilir de olabilir.

Katılar, sıkıca bağlı molekülleri ile ayırt edilirler. Katı haldeki madde, sıvı halindeyken olduğundan daha yoğun olma eğilimindedir (istisnalar olsa da, özellikle su). Katılar şeklini korur ve sabit bir hacme sahiptir.

Bir tür katı, birkristalkatı. Kristal bir katıda, moleküller malzeme boyunca tekrar eden bir düzende düzenlenir. Kristaller, makroskopik geometrileri ve simetrileri ile kolayca tanımlanabilir.

Başka bir katı türü,amorfkatı. Bu, moleküllerin kristal bir kafes içinde hiç düzenlenmediği bir katıdır. birpolikristalkatı arasında bir yerdedir. Genellikle küçük, tek kristal yapılardan oluşur, ancak yinelenen bir model yoktur.

Sıvılar, birbirlerinin üzerinden kolayca akabilen moleküllerden yapılmıştır. İçtiğiniz su, pişirdiğiniz yağ ve arabanızdaki benzin sıvıdır. Katılardan farklı olarak sıvılar bulundukları kabın tabanının şeklini alırlar.

Sıvılar farklı sıcaklık ve basınçlarda genleşip büzülebilse de, bu değişiklikler genellikle küçüktür ve çoğu pratik amaçlar için sıvıların da sabit bir hacme sahip olduğu varsayılabilir. Bir sıvıdaki moleküller birbirlerinin üzerinden akabilir.

Bir sıvının bir yüzeye yapıştırıldığında hafifçe "yapışkan" olma eğilimine sıvı denir.yapışma, ve sıvı moleküllerin birbirine yapışmayı isteme yeteneğine (örneğin bir su damlasının bir yaprak üzerinde top oluşturması gibi) denir.uyum​.

Bir sıvıda basınç derinliğe bağlıdır ve bu nedenle batık veya kısmen batık nesneler, nesnenin üstündeki ve altındaki basınç farkı nedeniyle bir kaldırma kuvveti hissedecektir. Arşimet ilkesi bu etkiyi tanımlar ve nesnelerin sıvılarda nasıl yüzdüğünü veya battığını açıklar. "Kaldırma kuvveti, yer değiştiren sıvının ağırlığına eşittir" ifadesiyle özetlenebilir. Bu nedenle kaldırma kuvveti sıvının yoğunluğuna ve cismin boyutuna bağlıdır. Sıvıdan daha yoğun olan nesneler batar ve daha az yoğun olanlar yüzer.

Gazlar, birbirlerinin etrafında kolayca hareket edebilen moleküller içerir. Kaplarının tam şeklini ve hacmini alırlar ve çok kolay genişleyip büzülürler. Bir gazın önemli özellikleri arasında basınç, sıcaklık ve hacim bulunur. Aslında, bu üç miktar, ideal bir gazın makroskopik durumunu tam olarak tanımlamak için yeterlidir.

İdeal gaz, moleküllerin nokta parçacıklar olarak yaklaştırılabildiği ve birbirleriyle etkileşmedikleri varsayılan bir gazdır. İdeal gaz yasası, birçok gazın davranışını tanımlar ve formülle verilir.

neredePbasınçtır,Vhacimdir,nbir maddenin mol sayısıdır,$ideal gaz sabitidir ($= 8.3145 J/molK) veTsıcaklıktır.

Bu yasanın alternatif bir formülasyonu

neredeNmolekül sayısı vekBoltzmann sabitidir (k​ = 1.38065 × 10^-23 J/K). (Şüpheci bir okuyucu bunu doğrulayabilirnR = Nk​.)

Gazlar ayrıca içine daldırılan nesnelere kaldırma kuvveti uygular. Gündelik nesnelerin çoğu, etrafımızdaki havadan daha yoğun olduğundan, bu kaldırma kuvveti pek fark edilmez olsa da, bir helyum balonu bunun mükemmel bir örneğidir.

Plazma, elektronların elektron denizinde pozitif iyonlar bırakarak atomları terk etme eğiliminde olduğu kadar ısınan bir gazdır. Genel olarak plazmada eşit sayıda pozitif ve negatif yük bulunduğundan, yarı-nötr, ancak yüklerin ayrılması ve yerel kümelenmesi plazmanın normalden çok farklı davranmasına neden olur. normal gaz.

Plazma, elektrik ve manyetik alanlardan önemli ölçüde etkilenir. Plazmadaki yükler hareket ettikçe birbirlerini etkileyen elektrik alanları ve manyetik alanlar oluşturduğundan, bu alanların harici olması da gerekmez.

Daha düşük sıcaklıklarda ve enerjilerde, elektronlar ve iyonlar nötr atomlar halinde yeniden birleştirmek isterler, bu nedenle bir plazma durumunun korunması için genellikle yüksek sıcaklıklar gerekir. Bununla birlikte, elektronların kendilerinin yüksek bir sıcaklığı koruduğu, iyonize çekirdeklerin olmadığı yerde, termal olmayan plazma oluşturulabilir. Bu, örneğin bir flüoresan lambadaki cıva buharı gazında olur.

“Normal” bir gaz ve plazma arasında mutlaka belirgin bir ayrım yoktur. Bir gazdaki atomlar ve moleküller derece derece iyonize hale gelebilir ve gaz tamamen iyonize olmaya yaklaştıkça daha fazla plazma benzeri dinamikler sergiler. Plazma, yüksek elektriksel iletkenliği ve iki farklı parçacık tipine (pozitif iyonlar ve negatif elektronlar) sahip bir sistem gibi davranmasıyla standart gazlardan ayrılır. tek tip (nötr atomlar veya moleküller) ve bir standarttaki 2 gövdeli “havuz topu” etkileşimlerinden çok daha karmaşık olan parçacık çarpışmaları ve etkileşimleri olan bir sistemin aksine gaz.

Plazma örnekleri arasında şimşek, Dünya'nın iyonosferi, floresan aydınlatma ve güneşteki gazlar sayılabilir.

Madde, bir fazdan veya halden diğerine fiziksel bir değişime uğrayabilir. Bu değişimi etkileyen ana faktörler basınç ve sıcaklıktır. Genel bir kural olarak, bir katının sıvıya dönüşmesi için ısınması, bir sıvının gaza dönüşmesi için ısınması ve bir gazın iyonize olması ve plazma olması için ısınması gerekir. Bu geçişlerin meydana geldiği sıcaklıklar, basınca olduğu kadar malzemenin kendisine de bağlıdır. Aslında doğru koşullarda katıdan gaza (buna süblimleşme denir) veya gazdan katıya (birikim) geçmek mümkündür.

Bir katı, erime noktasına kadar ısıtıldığında sıvı hale gelir. Katıyı erime sıcaklığına kadar ısıtmak için ısı enerjisi eklenmeli ve daha sonra sıcaklık yükselmeye devam etmeden önce faz geçişini tamamlamak için ek ısı eklenmelidir.gizli füzyon ısısımaddenin birim kütlesini eritmek için ne kadar enerji gerektiğini belirleyen her bir özel malzemeyle ilişkili bir sabittir.

Bu, diğer yönde de çalışır. Bir sıvı soğurken, ısı enerjisi vermelidir. Donma noktasına ulaştığında, sıcaklığın düşmeye devam edebilmesi için faz geçişinden geçmek için enerji vermeye devam etmesi gerekir.

Benzer davranış, bir sıvı kaynama noktasına kadar ısıtıldığında meydana gelir. Isı enerjisi eklenir, sıcaklığın yükselmesine neden olur, kaynamaya başlayana kadar, bu noktada eklenen ısı enerjisi kullanılır. faz geçişine neden olur ve ortaya çıkan gazın sıcaklığı, sıvının tamamı değişene kadar yükselmez. evre. denilen bir sabitGizli buharlaşma ısısıbelirli bir madde için, maddenin fazını sıvıdan gaza değiştirmek için birim kütle başına ne kadar enerji gerektiğini belirler. Bir maddenin gizli buharlaşma ısısı, genellikle füzyon gizli ısısından çok daha büyüktür.

Maddenin kimyasal özellikleri, ne tür kimyasal reaksiyonların veya kimyasal değişikliklerin meydana gelebileceğini belirler. Kimyasal özellikler, fiziksel özelliklerden farklıdır, çünkü onları ölçmek için bir çeşit kimyasal değişim gerektirirler.

Kimyasal özelliklerin örnekleri arasında yanıcılık (bir malzemenin yanması ne kadar kolay), reaktivite (ne kadar kolay kimyasal reaksiyonlar), kararlılık (kimyasal değişime direnme olasılığı) ve malzemenin diğerleriyle oluşturabileceği bağ türleri malzemeler.

Bir kimyasal tepkime meydana geldiğinde atomlar arasındaki bağlar değişir ve yeni maddeler oluşur. Kimyasal reaksiyonların yaygın türleri arasında kombinasyon (iki veya daha fazla molekülün yeni bir molekül oluşturmak üzere birleştiği), ayrışma (bir molekülün ikiye ayrıldığı) yer alır. veya daha farklı moleküller) ve yanma (bileşenlerin oksijenle birleşerek önemli miktarlarda ısı açığa çıkarması - daha yaygın olarak "yanma" olarak adlandırılır) az.