חמשת המצבים של צבירת החומר - כִּימִיָה - 2025

מצבי הצבירה של חומר מקושרים העובדה שהיא יכולה להתקיים במדינות שונות, בהתאם לצפיפות הוצגה על ידי המולקולות המרכיבות אותה. מדע הפיזיקה הוא זה שאחראי על חקר טבעם ותכונותיהם של החומר והאנרגיה ביקום.

מושג החומר מוגדר ככל מה שמרכיב את היקום (אטומים, מולקולות ויונים), המהווה את כל המבנים הפיזיים הקיימים. חקירות מדעיות מסורתיות ראו את מצבי ההצטברות של החומר כאל אלו המיוצגים בשלושת הידועים: מוצק, נוזלי או גזי.

עם זאת, ישנם שני שלבים נוספים שנקבעו לאחרונה יותר, ומאפשרים לסווג אותם ככאלה ולהוסיפם לשלושת המצבים המקוריים (מה שמכונה פלזמה, ועיבוי Bose-Einstein).

אלה מייצגים צורות של חומר נדירים יותר מאשר אלה המסורתיים, אך בתנאים הנכונים מדגימים תכונות מהותיות וייחודיות מספיק כדי לסווג כמצבי צבירה.

מצבי צבירה של חומר

מוצק

מתכות מוצקות

כשמדברים על חומר במצב מוצק, ניתן להגדירו כאותו המולקולות המרכיבות אותו מאוחדות בצורה קומפקטית, ומאפשרות מעט מאוד מרווח ביניהן ומספקות אופי נוקשה למבנה שלה.

לפיכך, חומרים במצב צבירה זה אינם זורמים בחופשיות (כמו נוזלים) או מתרחבים בנפח (כמו גזים) ולמטרות יישומים שונים נחשבים לחומרים בלתי דחוסים.

בנוסף, הם יכולים להיות בעלי מבנים גבישיים, המאורגנים בצורה מסודרת וסדירה או באופן לא מסודר ולא סדיר, כמו מבנים אמורפיים.

במובן זה המוצקים אינם בהכרח הומוגניים במבנהם, ויכולים למצוא את אלה שהם הטרוגניים כימיים. יש להם את היכולת ללכת ישירות למצב הנוזלי בתהליך היתוך, כמו גם לעבור למצב הגזי על ידי סובלימציה.

סוגי מוצקים

חומרים מוצקים מחולקים למספר סיווגים:

מתכות: הם אותם מוצקים חזקים וצפופים שהם בדרך כלל מוליכים חשמליים מצוינים (בגלל האלקטרונים החופשיים שלהם) וחום (בגלל המוליכות התרמית שלהם). הם מהווים חלק ניכר משולחן האלמנטים התקופתי, וניתן לחבר אותם למתכת אחרת או לא מתכתית ליצירת סגסוגות. בהתאם למתכת המדוברת, ניתן למצוא אותם באופן טבעי או מיוצרים באופן מלאכותי.

מינרלים

הם אותם מוצקים הנוצרים באופן טבעי באמצעות תהליכים גיאולוגיים המתרחשים בלחץ גבוה.

מינרלים מקוטלגים בצורה כזו על ידי המבנה הגבישי שלהם עם תכונות אחידות, והם משתנים מאוד בסוגיהם בהתאם לחומר המדובר ומקורו. סוג זה של מוצק נפוץ מאוד בכל רחבי כדור הארץ.

קֵרָמִיקָה

הם מוצקים הנוצרים מחומרים אנאורגניים ולא מתכתיים, בדרך כלל על ידי יישום של חום, ויש להם מבנים גבישיים או חצי גבישיים.

המומחיות של סוג זה של חומר היא בכך שהוא יכול להפיץ טמפרטורות, השפעות וכוח גבוהים, מה שהופך אותו למרכיב מצוין לטכנולוגיות מתקדמות בתחום האווירונאוטיקה, האלקטרונית ואפילו הצבאית.

מוצקים אורגניים

הם אותם מוצקים המורכבים בעיקר מהיסודות פחמן ומימן, ויכולים להיות גם במולקולות חנקן, חמצן, זרחן, גופרית או הלוגן במבנה שלהם.

חומרים אלה משתנים מאוד, כאשר חומרים נעים מפולימרים טבעיים ומלאכותיים ועד שעוות פרפין שמקורם בפחמימנים.

חומרים מרוכבים

הם אותם חומרים מודרניים יחסית שפותחו על ידי חיבור לשני מוצקים או יותר, ויצרו חומר חדש עם מאפיינים של כל אחד ממרכיביו, ובכך מנצלים את תכונותיהם עבור חומר העולה על המקור. דוגמאות לכך כוללות בטון מזוין ועץ מורכב.

מוליכים למחצה

הם נקראים בזכות ההתנגדות והמוליכות החשמלית שלהם, שממקמת אותם בין מוליכים מתכתיים למשרנים לא מתכתיים. הם משמשים לעתים קרובות בתחום האלקטרוניקה המודרנית וכדי לצבור אנרגיה סולארית.

ננו-חומרים

הם מוצקים בממדים מיקרוסקופיים, מה שאומר שיש להם תכונות שונות מהגרסה הגדולה יותר שלהם. הם מוצאים יישומים בתחומים מיוחדים של מדע וטכנולוגיה, כמו למשל אחסון אנרגיה.

חומרים ביו-חומרים

מדובר בחומרים טבעיים וביולוגיים בעלי מאפיינים מורכבים וייחודיים, השונים מכל המוצקים האחרים בגלל מקורם הניתן לאורך מיליוני שנות אבולוציה. הם מורכבים מאלמנטים אורגניים שונים, ויכולים להיווצר ורפורמט בהתאם לתכונות המהותיות שיש להם.

נוזל

נוזל נקרא עניין שנמצא במצב כמעט בלתי דחוס, התופס את נפח המכל בו הוא נמצא.

שלא כמו מוצקים, נוזלים זורמים בחופשיות על פני השטח היכן שהם נמצאים, אך הם אינם מתרחבים באופן נפחי כמו גזים; מסיבה זו הם שומרים על צפיפות כמעט קבועה. יש להם גם את היכולת להרטיב או להרטיב את המשטחים שהם נוגעים בהם בגלל מתח פני השטח.

נוזלים נשלטים על ידי מאפיין המכונה צמיגות, המודד את עמידותם בפני עיוות על ידי גזירה או תנועה.

על סמך התנהגותם ביחס לצמיגות ולעיוות, ניתן לסווג נוזלים לנוזלים ניוטוניים ולא-ניוטוניים, אם כי לא ידונו בהרחבה במאמר זה.

חשוב לציין כי ישנם רק שני אלמנטים שנמצאים במצב זה של צבירה בתנאים רגילים: ברום וכספית, וצזיום, גליום, פרנקיום ורובידיום יכולים גם להגיע בקלות למצב נוזלי בתנאים נאותים.

ניתן להפוך אותם למצב מוצק על ידי תהליך מיצוק, ולהפוך אותם לגזים על ידי רתיחה.

סוגי נוזלים

על פי המבנה שלהם הנוזלים מחולקים לחמישה סוגים:

ממסים

המייצגים את כל אותם נוזלים נפוצים ונדירים, עם סוג אחד בלבד של מולקולות במבנה שלהם, ממסים הם אותם חומרים המשמשים להמסת חומרים מוצקים ונוזלים אחרים בפנים, ליצירת סוגים חדשים של נוזלים.

פתרונות

אלה הנוזלים בצורת תערובת הומוגנית, שנוצרה על ידי איחוד של מומס וממס, כאשר המומס יכול להיות נוזל מוצק או אחר.

תחליבים

הם מיוצגים כנוזלים שנוצרו על ידי ערבוב של שני נוזלים שלא ניתנים לחלוקה בדרך כלל. הם נצפים כנוזל המתלה בתוך אחר בצורה של כדוריות, וניתן למצוא אותם בצורה W / O (מים בשמן) או O / W (שמן במים), תלוי במבנה שלהם.

השעיות

המתלים הם הנוזלים שבהם יש חלקיקים מוצקים המותלים בממיס. הם יכולים להיווצר בטבע, אך הם נפוצים בעיקר בתחום התרופות.

תרסיסי תרסיס

הם נוצרים כאשר גז מועבר דרך נוזל והראשון מתפזר בשני. חומרים אלה הם נוזליים בטבעם עם מולקולות גזים, ויכולים להיפרד עם עליית הטמפרטורה.

גַז

גז נחשב למצב זה של חומר דחוס, בו המולקולות מופרדות ופוזרות במידה ניכרת, ושם הן מתרחבות בכדי לתפוס את נפח המכל בו הן נמצאות.

כמו כן, ישנם מספר אלמנטים הנמצאים במצב הגזי באופן טבעי ויכולים להצטרף לחומרים אחרים ליצירת תערובות גזים.

ניתן להמיר גזים ישירות לנוזלים בתהליך העיבוי, ולמוצקים בתהליך הנדיר של התצהיר. בנוסף, ניתן לחמם אותם לטמפרטורות גבוהות מאוד או לעבור דרך שדה אלקטרומגנטי חזק כדי ליינן אותם, ולהפוך אותם לפלזמה.

לאור אופים המסובך וחוסר היציבות שלהם תלוי בתנאי הסביבה, תכונות הגזים יכולות להשתנות בהתאם ללחץ והטמפרטורה בהן הם נמצאים, כך שלפעמים עובדים עם גזים בהנחה שהם "אידיאליים".

סוגי גזים

ישנם שלושה סוגים של גזים לפי מבנהם ומקורם, המתוארים להלן:

נטורליים טבעיים

הם מוגדרים כאל כל אותם יסודות שנמצאים במצב גזי בטבע ובתנאים רגילים, הנצפים על פני כדור הארץ וכוכבי לכת אחרים.

במקרה זה ניתן לכנות כדוגמאות חמצן, מימן, חנקן וגזים אצילים, בנוסף לכלור ופלואור.

תרכובות טבעיות

מדובר בגזים הנוצרים בטבע על ידי תהליכים ביולוגיים ועשויים משני אלמנטים או יותר. לרוב הם מורכבים ממימן, חמצן וחנקן, אם כי במקרים נדירים מאוד הם יכולים להיווצר גם עם גזים אצילים.

מְלָאכוּתִי

אלה הגזים שנוצרו על ידי האדם מתרכובות טבעיות, המיוצרים כדי לענות על הצרכים שיש לאדם. גזים מלאכותיים מסוימים כמו כלור פלואורו פחמימנים, חומרי הרדמה וסטרילנטים עשויים להיות רעילים או מזהמים יותר ממה שחשבו בעבר, ולכן ישנן תקנות המגבילות את השימוש המסיבי בהן.

פְּלַסמָה

מצב צבירת חומר זה תואר לראשונה בשנות העשרים ומאופיין באי קיומו על פני כדור הארץ.

זה מופיע רק כאשר גז ניטרלי נתון לשדה אלקטרומגנטי חזק למדי, ויוצר מחלקה של גז מיונן המוליך מאוד לחשמל, וזה גם שונה מספיק משאר מצבי הצבירה הקיימים כדי לזכות בסיווג משלו כמדינה. .

ניתן למנות את החומר במצב זה כדי להפוך שוב לגז, אך זהו תהליך מורכב הדורש תנאים קיצוניים.

משערים כי פלזמה מייצגת את מצב החומר השופע ביותר ביקום; טיעונים אלה מבוססים על קיומו של מה שמכונה "חומר אפל", שהוצע על ידי פיסיקאים קוונטיים כדי להסביר תופעות כבידה בחלל.

סוגי פלזמה

ישנם שלושה סוגים של פלזמה, המסווגים רק לפי מקורם; זה קורה אפילו באותה סיווג, מכיוון שהפלזמות שונות מאוד זו מזו והידיעה אחת איננה מספיקה כדי לדעת את כולן.

מְלָאכוּתִי

זה פלזמה מעשה ידי אדם, כמו אלה שנמצאים בתוך מסכים, מנורות פלורסנט ושלטים של ניאון, ובמונעי טילים.

ארץ

זו הפלזמה שנוצרת בדרך זו או אחרת על ידי כדור הארץ, ומבהירה שהיא מתרחשת בעיקר באטמוספירה או בסביבות דומות אחרות וכי היא אינה מתרחשת על פני השטח. הוא כולל ברק, רוח הקוטב, היונוספרה והמגנטוספרה.

מֶרחָב

זו הפלזמה שנצפתה בחלל ויוצרת מבנים בגדלים שונים, המשתנים ממספר מטרים עד להארכות עצומות של שנות אור.

פלזמה זו נצפתה בכוכבים (כולל השמש שלנו), ברוח השמש, במדיום הבין-כוכבי ובין-גלקטי, כמו גם בערפיליות הבין-כוכביות.

בונד-איינשטיין עיבוי

עיבוי בוזה-איינשטיין הוא מושג עדכני יחסית. מקורו בשנת 1924, אז פיזו הפיזיקאים אלברט איינשטיין וסטיאנדרה נאת בוס את קיומה בדרך כללית.

מצב זה של חומר מתואר כגז מדולל של בוזונים - חלקיקים יסודיים או מורכבים הקשורים להיותם נשאי אנרגיה - אשר התקררו לטמפרטורות קרובות מאוד לאפס מוחלט (-273.15 K).

בתנאים אלה, הבוזונים המרכיבים של העיבוי עוברים למצבם הקוונטי המינימלי, וגורמים להם להציג תכונות של תופעות מיקרוסקופיות ייחודיות וספציפיות המפרידות אותם מגזים רגילים.

המולקולות של מעובה BE מציגות מאפיינים של מוליכות-על; כלומר, קיים היעדר התנגדות חשמלית. הם יכולים גם להראות מאפייני שטחיות, מה שהופך את החומר לצמיגות אפסית, כך שהוא יכול לזרום ללא אובדן אנרגיה קינטית בגלל חיכוך.

בשל חוסר היציבות והקיום הקצר של החומר במצב זה, עדיין נחקרים השימושים האפשריים לסוגים אלו של תרכובות.

זו הסיבה, בנוסף לשימוש במחקרים שניסו להאט את מהירות האור, לא הושגו יישומים רבים עבור סוג זה של חומר. עם זאת, יש אינדיקציות שזה עשוי לעזור לאנושות במספר גדול של תפקידים עתידיים.

הפניות

1. BBC. (sf). מדינות החומר. נשלח מ- bbc.com
2. למידה, ל. (Sf). סיווג החומר. נשלח מ kurs.lumenlearning.com
3. LiveScience. (sf). מדינות החומר. נשלח מ- livescience.com
4. האוניברסיטה, פ '(sf). מדינות החומר. נשלח מ- chem.purdue.edu
5. ויקיפדיה. (sf). מצב צבירה. נשלח מ- en.wikipedia.org