همه ما در اطراف خود موادی می بینیم که حالت های جامد، مایع و گاز دارند. می خواهیم بدانیم که هر کدام از این حالت های ماده چه ویژگی هایی دارند؟
آیا به غیر از این سه حالت، ماده به حالت های دیگری هم در طبیعت وجود دارد؟
ابتدا به بررسی سه حالت معروف ماده می پردازیم.
جامد
به اجسام جامد اطراف خود نگاه کنید. ویژگی شاخص آنها این است که حجم و شکل معین دارند . اما چرا؟
مواد از اتم ها یا مولکول ها ساخته شده اند. اندازه اتم ها حدود یک تا چند آنگستروم است واندازه مولکولها که از اتمها ساخته شده اند، بستگی به تعداد اتم ها دارد.
در جامدات، مولکولها یا اتمها توسط نیروهای الکتریکی محکم به هم متصل شدند به این معنی که هر کدام نمی توانند آزادانه حرکت کنند بلکه فقط می تواننددر جای خود مثل فنر نوسان کنند. چون اگر بیش از حد دور یا نزدیک شوند نیروی بین مولکولی مانند نیروی کشسانی فنر آنها را به جای خود برمی گرداند. در نتیجه جامد یک ساختار پایدار، شکل و حجم مشخص دارد. جامدها فقط وقتی می توانند شکل خود را تغییر دهند که یک نیروی خارجی به آنها وارد شود تا نیرهای بین مولکولی را از بین ببرد. مثل نیروی بر خورد که در شکستن شیشه وارد می شود یا نیرویی که توسط اره در بریدن چوب وارد می شود و یا انرژی گرمایی که موجب ذوب شدن یخ می شود و…
حال اگرمولکولهای جامد مانند شکل زیر در ساختار منظم قرار گرفته باشند، به آن جامد بلورین می گوییم. بلور یعنی ذرات سازنده جامد در آرایش منظم سه بعدی قرار گرفته باشند. اگر مایعی را به آهستگی سرد کنیم، مولکولها فرصت پیدا می کنند تا در طرح های منظم خود را مرتب کنند. فلزها، نمک، الماس و بیشتر مواد معدنی مثال هایی از جامدهای بلورین هستند.
اگر سرعت سرد سازی به حدی باشد که مولکولها نتوانند حرکت کنند تا به صورت منظم چیده شوند، در همان طرحی که در حالت مایع داشتند، باقی می مانند. . به این جامد ها، جامدهای بی شکل (آمورف) می گویند. شیشه مثالی از یک آمورف است. یکی از ویژگی های آمورف ها این است که اگر به مدت بسیار طولانی در یک حالت قرار داشته باشند، بر اثر گرانش زمین، مواد قسمتهای بالاتر به سمت پایین حرکت می کنند. مثلا در شیشه های بسیار قدیمی، قسمت بالای شیشه اندکی از قسمت پایین نازک تر است.
مایع
در مایع ها نیروهای بین مولکولی هنوز مهم هستند و فاصله مولکول ها در مایعات و جامدات تقریبا یکسان است. اما مولکولهای مایع به اندازه کافی انرژی دارند تا بتوانند اندکی نسبت به هم حرکت کنند. به همین دلیل مایعات نظم و تقارن جامدات را ندارند. و این یعنی شکل یک مایع مشخص نیست بلکه توسط ظرفی که در آن قرار می گیرد، تعیین می شود. نکته دیگر این است که مایعات تمایل به جاری شدن دارند و حجم آنها در دماها و فشار مختلف، ثابت است.
پدیده پخش در مایعات
اگر چند قطره جوهر در لیوان آبی بریزید، مشاهده می کنید که جوهر در آب پخش می شود و به تدریج کل آب داخل لیوان رنگی می شود. به نظر شما دلیل این پدیده چیست؟
می بینیم که ذرات خارجی (جوهر) ، از جایی که غلظت آن بیشتر است (همان نقطه ای که آن را در آب ریختیم) به سمت جایی حرکت می کنند که غلظت کمتری از آن ماده در مایع وجود دارد (بقیه مایع). به این پدیده پخش در مایع می گویند. مانند شکل زیر:
احتمالا فکر می کنیم که این پدیده به خاطر ویژگی مولکول های مایع باشد. برای اینکه درستی نظر خود را بررسی کنیم ، باید عوامل تاثیر گذار بر آن را بدانیم:
- دما: در یک لیوان آب سرد و یک لیوان آب جوش چند قطره جوهر بریزید. کدام یک زودتر رنگی می شود؟ آب جوش. بنابر این اگر دمای مایعمان بیشتر باشد، می بینیم که سرعت پخش بیشتر می شود .
- ویژگی های مایع حلال: دو حالت را در نظر بگیرید. یکی حالتی که رنگ را داخل ظرفی از عسل بریزیم و دیگری اینکه آن را در ظرف آب بریزیم؟ در کدام ظرف زود تر پخش می شود؟ قطعا آب.
- ویژگی ماده حل شونده: دو لیوان آب در نظر بگیرید. در یکی شیره شربت و در دیگری جوهر بریزید. کدام یک زودتر رنگی می شوند؟ آن که ماده حل شونده سبک تری داشت.
- فاصله: یک پارچ بزرگ و یک لیوان آب را در نظر بگیرید. کدام یک زودتر رنگی می شود؟ لیوان که کوچکتر است.
بنابر این تا اینجا ۴ عامل موثر در انتقال مولکولهای رنگ را دانستیم. فاصله، دما، ویژگی ماده حل شونده و حلال.
مولکول های رنگ در مایع شروع به حر کت می کنند . در این مسیر برخورد با مولکولهای مایع انرژی بیشتری برای حرکت به آنها می دهد.
بنابراین مطابق شکل مدام به ذرات مایع برخورد می کنند. هر چه فاصله بیشتر باشد، زمان بیشتری طول می کشد تا به نقطه انتهایی برسد. هرچه دما بیشتر باشد، انرژی و سرعت حرکت مولکولهای مایع بیشتر است و این انرژی را به مولکول حل شونده منتقل می کنند. هر چه مولکول حلال یا حل شونده سنگین تر باشد، سرعت حرکتشان کمتر است و بنابر این زمان بیشتری برای انتقال نیاز دارد.
بنابر این به این نتیجه رسیدیم که پدیده پخش مربوط به ویژگی حرکت مولکول های مایع است.
بیشتر بدانید: چرا آب داغ زودتر از آب سرد یخ می زند ؟
بلور مایع
در دماهای خاصی بعضی از مواد تبدیل به بلور مایع می شوند. یعنی مانند مایعات تمایل به جاری شدن دارند ولی بعضی از ویژگی های جامدات که به خاطر منظم بودن مولکولها است، را نیز دارند. مولکولهای کریستال مایع مانند شکل زیر جهت گیری دارند.
بلور مایع برای اولین بار در سال ۱۸۸۸ کشف شد و به صورت طبیعی و در کاربرد های تکنولوژی یافت می شود. غشای سلول و نمایشگر های LCD مثال هایی از کریستال مایع هستن.
یک ویژگی جالب بلور مایع این است که وقتی بین دو لایه شفاف شیشه ای باشد، در شرایط معمولی، می تواند نور را از خود عبور دهد اما با اعمال میدان الکتریکی، بلور مایع نور را از خود عبور نمی دهد و محفظه بلور تیره می شود. اگر تنها به بعضی از قسمت های بلور مایع میدان الکتریکی اعمال شود، همان قسمت ها فقط تیره می شوند. در واقع کریستال مایع به میدان مغناطیسی هم واکنش می دهد. علت واکنش دادن به میدان الکتریکی و مغناطیسی، دو قطبی بودن مولکول های آن است. به این معنی که یک سر مولکول به صورت جزئی بار مثبت و سر دیگر به طور جزئی بار منفی دارد بنابر این تحت تاثیر میدان ها قرار می گیرند. در اثر میدان الکتریکی مولکول های بلور مایع می توانند جریان پیدا کنند و جهت دهی شوند. از این ویژگی در نمایشگر های LCD استفاده شده است.
گاز
گازها مانند مایعات شکل مشخص ندارند ولی تفاوت آنها این است که بر خلاف مایعات که حجم مشخص دارند، گازها حجم مشخصی ندارند و در ظرف پخش می شوند تا کل حجم ظرف را اشغال کنند. مولکول های گاز، آنقدر انرژی دارند که بتوانند آزادانه حرکت کنند و مقید به نیروهای بین مولکولی که در جامدات و مایعات وجود داشت نیستند. فاصله ی بین مولکولهای گاز خیلی بیشتر از اندازه مولکول است. مثلا اندازه مولکول های هوا بین ۱ تا ۳ آنگستروم است اما فاصله بین مولکول ها در شرایط عادی ۳۵ آنگستروم است.
فعالیت: آزمایش زیر را انجام دهید. پیستون یک سرنگ را بالا بکشید تا مقداری هوا داخل شود. سپی جلوی راه خروج را بگیرید و پیستون را به پایین فشار دهید. مشاهده می کنید که پیستون پایین میرود. حال همین آزمایش را با مایعات انجام دهید. می بینید که هر چه تلاش کنید نمی توانید پیستون را به پایین حرکت دهید. می بینید که گازها متراکم می شوند اما مایعات متراکم نمی شوند. دلیل این پدیده نیروی بین مولکولی در مایعات است که اجازه نمی دهد مولکولهای مایع از حدی به یکدیگر نزدیک تر شوند. به دلیل همین نیروهای بین مولکولی است که مایعات حجم مشخص دارند ولی گازها حجم مشخصی ندارند.
پخش در گازها
در بالا دیدیم که پدیده پخش در مایعات به علت حرکت مولکولهای مایع اتفاق می افتد. چون مولکولهای گاز هم می توانند حرکت کنند پس همین پدیده در گازها هم اتفاق می افتد. مانند وقتی که درب شیشه عطر را باز می کنید و پس از مدتی در انتهای اتاق بوی آن را حس می کنید.
پلاسما ، چهارمین حالت ماده
تا به حال فکر کرده اید که جرقه ای که توسط الکتریسیته ساکن ایجاد شده است، چیست؟ یا رعد و برق؟ یا دنباله ستاره دنباله دار؟
همه اینها و خیلی چیزهای دیگر در حقیقت ۹۹٫۹ درصد از جهان از پلاسما ساخته شده است. پلاسما حالتی از ماده است که با سه حالت معروف ماده فرق می کند. مثلا یک قطعه یخ را در نظر بگیرید. یخ جامد است. وقتی به آن حرارت می دهیم، ذوب می شود و به حالت مایع در می آید. اگر باز هم به آن حرارت دهیم، بخار می شود و به حالت گاز در می آید. اگر به حرارت دادن ادامه دهیم ، مولکولهای آب داخل آن به اتم های آزاد هیدروژن و اکسیژن تبدیل می شوند. با حرارت دادن بیشتر، فرآیند یونازیسیون آغاز می شود. به این معنی که الکترون ها با بار منفی از اتم می گریزند. بنابر این یونهای مثبت باقی می مانند. این مخلوط از بار های مثبت و منفی آزاد، پلاسما است. در دماهای بالا هر گازی می تواند به پلاسما تبدیل شود.
ویدیو آموزشی حالت های ماده
ویدیو آموزشی زیر را که توسط استاد مصطفی کبیری در مورد حالت های ماده تهیه شده است، مشاهده کنید.
مشاهده در یوتیوب | مشاهده در آپارات
