مقدمه
حالت ماده یکی از اشکال متمایزی است که ماده می‌تواند در آن وجود داشته باشد. چهار حالت ماده در زندگی روزمره قابل مشاهده است: جامد، مایع، گاز و پلاسما.
از نظر تاریخی، تمایز بر اساس تفاوت کیفی خواص انجام می‌شود. ماده در حالت جامد، حجم و شکل ثابتی را حفظ می‌کند، ذرات (اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌ها) به هم نزدیک و در جای خود ثابت می‌شوند. ماده در حالت مایع یک حجم ثابت را حفظ می‌کند، اما شکل متغیری دارد که متناسب با ظرف آن سازگار است. ذرات آن هنوز به هم نزدیک هستند اما آزادانه حرکت می‌کنند. ماده در حالت گازی هم حجم و هم شکل متغیر دارد و هر دو متناسب با ظرف آن است. ذرات آن نه نزدیک به هم هستند و نه در جای خود ثابت شده‌اند. ماده در حالت پلاسما دارای حجم و شکل متغیری است و حاوی اتم‌های خنثی و همچنین تعداد قابل توجهی یون و الکترون است که هر دو می‌توانند آزادانه به اطراف حرکت کنند.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
جامدها
در یک جامد، ذرات تشکیل دهنده (یون‌ها، اتم‌ها یا مولکول‌ها) کاملاً در کنار هم قرار گرفته‌اند. نیروهای بین ذرات به قدری قوی هستند که ذرات نمی‌توانند آزادانه حرکت کنند بلکه فقط می‌توانند ارتعاش کنند. در نتیجه، یک جامد دارای یک شکل پایدار، مشخص و حجم مشخص است. جامدات فقط می‌توانند شکل خود را با نیروی خارجی تغییر دهند، مانند شکستگی یا برش.
در جامدات بلوری، ذرات (اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌ها) در یک الگوی تکراری منظم بسته بندی می‌شوند. ساختارهای مختلف بلوری وجود دارد و یک ماده می‌تواند بیش از یک ساختار (یا فاز جامد) داشته باشد. به عنوان مثال یخ دارای پانزده ساختار بلوری شناخته شده یا پانزده مرحله جامد است که در دما و فشارهای مختلف وجود دارد.
در جامدات بلوری، ذرات (اتم‌ها، مولکول‌ها یا یون‌ها) در یک الگوی تکراری منظم بسته بندی می‌شوند. ساختارهای مختلف بلوری وجود دارد و یک ماده می‌تواند بیش از یک ساختار (یا فاز جامد) داشته باشد. به عنوان مثال یخ دارای پانزده ساختار بلوری شناخته شده یا پانزده مرحله جامد است که در دما و فشارهای مختلف وجود دارد.مایع‌ها
یک مایع تقریباً غیرقابل تراکم است که با شکل ظرف خود مطابقت دارد. اگر دما و فشار ثابت باشد، حجم مشخص است. هنگامی که یک جامد بالاتر از نقطه ذوب خود گرم می‌شود، با توجه به اینکه فشار از نقطه سه تایی ماده بالاتر است، مایع می‌شود. نیروهای بین مولکولی یا بین اتمی هنوز مهم هستند اما مولکول‌ها دارای انرژی کافی برای حرکت نسبت به یکدیگر هستند و ساختار آن متحرک است. این به این معنی است که شکل مایع مشخص نیست بلکه توسط ظرف آن تعیین می‌شود. حجم معمولاً بیشتر از ماده جامد مربوطه است (آب یکی از مشهورترین استثناها می‌باشد.)
گازها
گاز ِیک سیال قابل تراکم است. یک گاز نه تنها با شکل ظرف خود مطابقت دارد بلکه برای پر شدن ظرف منبسط می‌شود. در یک گاز، مولکول‌ها انرژی جنبشی کافی دارند به طوری که تأثیر نیروهای بین مولکولی کم است (یا برای یک گاز ایده آل صفر) و فاصله معمول بین مولکول‌های همسایه بسیار بیشتر از اندازه مولکول است. یک گاز شکل و حجم مشخصی ندارد، اما کل ظرفی را که در آن محدود است اشغال می‌کند. مایعات ممکن است با گرم شدن در فشار ثابت به نقطه جوش یا با کاهش فشار در دمای ثابت به گاز تبدیل شود.
در دمای زیر دمای بحرانی خود، گازی بخار نیز نامیده می‌شود و می‌توان تنها با فشرده سازی بدون خنک شدن، مایع شود. بخار می‌تواند در تعادل با یک مایع (یا جامد) وجود داشته باشد، در این صورت فشار گاز برابر با فشار بخار مایع (یا جامد) است.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
پلاسما
مانند گاز، پلاسما شکل یا حجم مشخصی ندارد. برخلاف گازها، پلاسما رسانای الکتریکی هستند، میدان‌های مغناطیسی و جریان الکتریکی تولید می‌کنند و به شدت به نیروهای الکترومغناطیسی واکنش نشان می‌دهند.
یک گاز معمولاً به دو روش به پلاسما تبدیل می‌شود. به عنوان مثال: یا از اختلاف ولتاژ بسیار زیاد بین دو نقطه یا قرار گرفتن در معرض دمای بسیار بالا. گرم شدن مواد در دمای بالا باعث ترک الکترون‌ها از اتم‌ها و در نتیجه وجود الکترون‌های آزاد می‌شود. این یک پلاسمای به اصطلاح نیمه یونیزه ایجاد می کند. در دماهای بسیار بالا، مانند آن‌هایی که در ستارگان وجود دارد، فرض بر این است که اساساً همه الکترون‌ها “آزاد” هستند و یک پلاسمای بسیار پرانرژی اساساً هسته‌های برهنه‌ای است که در دریای الکترون‌ها شنا می‌کنند. این به اصطلاح پلاسمای کاملا یونیزه می‌شود.
حالت پلاسما اغلب اشتباه درک می‌شود و اگرچه در شرایط عادی روی زمین به طور آزاد وجود ندارد اما معمولاً توسط صاعقه، جرقه‌های الکتریکی، چراغ های فلورسنت، نورهای نئون یا تلویزیون های پلاسما ایجاد می‌شود. تاج خورشید، برخی از انواع شعله‌ها و ستاره‌ها همه نمونه‌هایی از ماده روشن در حالت پلاسما هستند.
تبدیل حالات مختلف به یکدیگر
جامدات با ذوب شدن می‌توانند به مایعات تبدیل شوند و مایعات با یخ زدن (انجماد) به مواد جامد تبدیل می‌شوند. جامدات همچنین می‌توانند از طریق فرآیند تصعید مستقیماً به گازها تبدیل شوند و گازها نیز می توانند از طریق چگالش مستقیماً به مواد جامد تبدیل شوند. مایعات با تبخیر به گاز یا بخار تبدیل می‌شوند و گازها طی فرایند میعان به مایعات تبدیل می‌شوند.
نکات
- گاز بر خلاف جامد و مایع تراکم پذیر است.
- به طوری که اگر به یک نمونه گاز درون سرنگ یا سیلندر با پیستون فشار وارد کنیم، گاز فشرده‌تر و حجم آن کمتر می‌شود.
- گاز بر اثر افزایش فشار متراکم می‌شود اما اگر فشار کاهش یابد، فاصله‌ی بین مولکول‌های آن افزایش می‌یابد.
- بالاترین دمایی که یک مایع می‌تواند در آن وجود داشته باشد دمای بحرانی است.
- برای هر ماده یک نمودار فازی متفاوت وجود دارد.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
نمودار فازها
نمودار فاز در شیمی، فیزیک، مهندسی، کانی شناسی و علوم مواد نوعی نمودار است که برای نشان دادن شرایط (فشار، دما، حجم و…) استفاده می‌شود که در آن فازهای ترمودینامیکی متمایز (مانند حالت‌های جامد، مایع یا گازی) رخ می‌دهد و در تعادل زندگی می‌کنند. این نمودار می‌تواند به صورت دو بعدی (فشار، دما) یا به صورت سه بعدی (فشار، دما-حجم مخصوص) باشد.
اجزای مشترک نمودار فاز خطوط تعادلی یا مرزهای فازی هستند، که به خطوطی اشاره می‌کنند که شرایطی را نشان می‌دهند که در آن چند فاز می‌توانند در تعادل با هم زندگی کنند. انتقال فاز در امتداد خطوط تعادل رخ می‌دهد.
نقاط سه گانه نقاطی هستند که روی نمودارهای فازی محل تلاقی خطوط تعادل وجود دارد. نقاط سه گانه شرایطی را نشان می‌دهد که در آن سه فاز مختلف می‌توانند همزمان زندگی کنند. به عنوان مثال: نمودار فاز آب دارای یک نقطه سه گانه متناظر با دما و فشار واحد است که در آن آب جامد، مایع و گازی می‌توانند در یک تعادل پایدار با هم زندگی کنند (۱۶/۲۷۳ K و فشار بخار جزئی ۶۱۱.۶۵۷ Pa).
در نمودار، سمت راست، مرز فاز بین مایع و گاز به طور نامحدود ادامه ندارد. درعوض، در نقطه‌ای از نمودار فازی به نام نقطه بحرانی خاتمه می‌یابد. این واقعیت را منعکس می‌کند که در دمای و فشارهای بسیار بالا، فازهای مایع و گاز قابل تشخیص نیستند و به عنوان یک سیال فوق بحرانی شناخته می‌شود.
بر هم کنش‌های مولکولی
به طور کلی چهار نوع پیوند یا برهم کنش وجود دارد: پیوند یونی، پیوند کووالانسی، پیوندهای هیدروژنی و برهم کنش‌های واندر والس. به اتصال یا نیروی بین اتم‌های همسایه در یک مولکول یا ترکیب پیوند گفته می‌شود. پیوندهای یونی، کوالانسی و هیدروژنی از نوع پیوندهای شیمیایی هستند. پیوندهای شیمیایی نیروهایی هستند که اتم‌ها را برای ساختن ترکیبات یا مولکول‌ها کنار هم نگه می‌دارند و اتصالات بین اتم‌های یک مولکول است. این پیوندها شامل هر دو بر هم کنش‌های قوی درون مولکولی مانند پیوندهای کووالانسی و پیوندهای یونی است. آنها به نیروهای بین مولکولی ضعیف‌تری مانندبرهم کنش‌های دو قطبی دو قطبی، نیروهای پراکندگی لندن و پیوند هیدروژن مربوط هستند.
اتمهایی که الکترونگاتیویته‌های نسبتاً مشابه‌ای دارند الکترون بین آنها به اشتراک گذاشته می‌شود و توسط پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند. در واقع برهم کنش بین دو اتم که شامل تقسیم یک یا چند الکترون برای کمک به هر اتم برای رسیدن به قاعده هشت‌تایی می‌باشد. این تعامل معمولاً بین دو غیر فلز شکل می‌گیرد.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
اتمهایی که اختلاف زیادی در الکترونگاتیویته دارند الکترون‌ها را واگذار می‌کنند و یون‌ها را تشکیل می‌دهند سپس یون‌ها به یکدیگر جذب می‌شوند. این جاذبه به عنوان پیوند یونی شناخته می‌شود. در واقع این پیوند جاذبه‌ای بین دو یون مورد استفاده برای ایجاد یک ترکیب یونی است و این جاذبه معمولاً بین فلز و غیر فلز شکل می‌گیرد.
نیروهای درون مولکولی یا intramolecular: به بر هم کنش‌های درون یک مولکول اشاره دارد.
نیروهای بین مولکولی یا intermolecular: به بر هم کنش‌های بین دو یا چند مولکول اشاره دارد.
نیروهای جاذبه و دافعه
نیروهای بین مولکولی نیروهایی هستند که واسطه برهم کنش بین اتم‌ها هستند، از جمله نیروهای جاذبه یا دافعه که بین اتم‌ها و سایر انواع ذرات همسایه عمل می‌کنند، مانند اتم‌ها یا یون‌ها. نیروهای بین مولکولی نسبت به نیروهای درون مولکولی (نیروهایی که یک مولکول را در کنار هم نگه می‌دارند) ضعیف هستند. به عنوان مثال: پیوند کووالانسی، شامل تقسیم جفت الکترون بین اتم‌ها، بسیار قوی تر از نیروهای موجود بین مولکول‌های همسایه است. هر دو مجموعه نیروها قسمت‌های اساسی میدان‌های نیرو هستند که اغلب در مکانیک مولکولی استفاده می‌شوند.
بررسی نیروهای بین مولکولی از مشاهدات ماکروسکوپی شروع شده و وجود نیروها در سطح مولکولی را نشان می‌دهد. این مشاهدات شامل رفتار ترمودینامیکی گاز غیر ایده آل است که توسط ضرایب ویروس، فشار بخار، ویسکوزیته، کشش سطحی و داده‌های جذب منعکس شده است.
نیروهای جذب بین مولکول‌ها، اتم‌ها و یون‌ها را به عنوان نیروهای بین مولکولی (IMF) شناخته می‌شوند. این اصطلاح کلی برای جاذبه‌های بین واحدهای شیمیایی گسسته است. تمام این نیروها توسط الکترواستاتیک (نیروهایی که بین ذرات باردار احساس می شوند) هدایت می‌شوند. در مولکول‌ها این نیروها به دلیل الکترون‌های موجود در مولکول ها بوجود می‌آیند. به طور کلی سه نوع نیروی بین مولکولی داریم که آنها را معرفی خواهیم کرد.
پتانسیل لنارد جونز
پتانسیل لنارد جونز یک پتانسیل تقریبی برای توصیف برهم‌کنش میان دو ذره (اتم یا مولکول) است که در فاصله‌های دور نیروی رباینده و در فاصله‌های نزدیک نیروی راننده دارند. نیروی رباینده نیروی واندروالسی و نیروی راننده نیروی رانش ناشی از هم‌پوشانی
ابر الکترونی دو ذره است. رابطه آن به صورت زیر نوشته می‌شود که در آن اپسیلون عمق پتانسیل و سیگما فاصله‌ای است که در آن پتانسیل صفر می‌شود.
دو قطبی‌ها
این‌ها نیروهایی بین مولکول‌های قطبی هستند مولکولی با گشتاور دو قطبی دائمی، (μ). پیوندهای ثانویه در مقایسه با پیوندهای اولیه ضعیف هستند. آنها در بیشتر مواد یافت می‌شوند، اما اثرات آنها اغلب تحت تأثیر قدرت اتصال اولیه قرار می‌گیرد. پیوند ثانویه به دلیل نیروهای تولید شده توسط دو قطبی اتمی یا مولکولی اتفاق می‌افتد. دو قطبی‌ها با نوسان تصادفی الکترون‌های اطراف اتم‌های متقارن الکتریکی تولید می‌شوند.
هنگامی که دو قطبی تصادفی در یک اتم تشکیل شد، دو قطبی در اتم مجاور القا می‌شود. این دو قطبی‌ها باعث ایجاد یک جاذبه ضعیف بین انتهای باردار مخالف دو قطبی می‌شوند. پیوند مشاهده شده در تصویر پیوند موجود در مولکول‌های N۲ است و به پیوند وان در والس معروف است. ابتدا در مولکول اول سمت چپ دو قطبی تصادفی به وجود می‌آید و این قطب‌ها به مولکول دوم القا می‌شود.
یکی دیگر از موارد پیوند ثانویه زمانی ایجاد می‌شود که به دلیل آرایش نامتقارن نواحی مثبت و منفی، دو قطبی دائمی در یک مولکول وجود داشته باشد. مولکول‌های دارای دو قطبی دائمی می‌توانند دو قطبی را در مولکول‌های الکتریکی متقارن مجاور القا کنند (و بنابراین پیوند ضعیفی ایجاد می‌کنند) یا می‌توانند پیوندهایی با دیگر دائمی‌ها ایجاد کنند.
پیوند هیدروژنی
پیوند هیدروژنی. این یک مورد خاص از نیروهای دو قطبی دو قطبی شدید است که هنگام اتصال یک اتم هیدروژن به یک اتم با الکترونگاتیویته بسیار زیاد رخ می‌دهد. اتم‌های با الکترونگاتیویته بالا شامل N ، O یا F باشد.
مشاهده و انجام آزمایش در سایت آزتو
پیوند هیدروژنی شکل قوی‌تر پیوند ثانویه است و از پیوند مولکولی قطبی تشکیل می‌شود. به عنوان مثال: در هیدروژن فلوئورید و آب تشکیل می‌شوند. سمت هیدروژن مولکول مثبت تر از اتمی است که به آن متصل است و باعث می‌شود یک جاذبه با انتهای منفی مولکول دیگر تشکیل شود. به دلیل پیوند هیدروژنی نقاط ذوب و جوش آب و HF هر دو غیر طبیعی بالا هستند (برای وزن اتمی). در تصویر زیر سمت چپ مولکول‌های آب و در سمت راست مولکول HF و نیروهای جاذبه آنها را مشاهده می‌کنید.
نیروهای وان در والس
این نیرو چندین نام دارد: دو قطبی ناشی از دو قطبی القایی، نیروهای پراکندگی، نیروهای لندن یا نیروهای ون در والس. نیروهای پراکندگی اغلب “ضعیف ترین” نامیده می‌شوند اما از آنجا که در همه جا وجود دارد مهم‌ترین آنها است. هر مولکولی دارای نیروهای پراکندگی است. آنها نه تنها این نیروها را دارند، بلکه می‌توانند در کل مولکول جمع شوند تا قابل توجه باشند. نیروهای پراکندگی از طریق قابلیت قطبش، α اندازه گیری می‌شود. قطبش پذیری α برای ترکیبات غیر قطبی است، لحظه دو قطبی μ برای ترکیبات قطبی است.
در فیزیک مولکولی، نیروی وان در والس به نام دانشمند هلندی یوهانس دیدریک ون در والس نام گذاری شده است. این نیرو یک برهم کنش وابسته به فاصله بین اتم‌ها یا مولکول‌ها است. برخلاف پیوندهای یونی یا کووالانسی، این جاذبه ها از پیوند الکترونیکی شیمیایی حاصل نمی‌شوند. آنها نسبتاً ضعیف هستند و بنابراین بیشتر در معرض آشفتگی هستند. نیروی وان در والس در فواصل طولانی‌تر بین مولکول‌های متقابل به سرعت از بین می‌رود.
نیروی وان در والس در زمینه‌های مختلف از جمله شیمی فوق مولکولی، زیست شناسی ساختاری، علوم پلیمر، فناوری نانو، علوم سطحی و فیزیک ماده متراکم نقش اساسی دارد. همچنین زمینه بسیاری از خصوصیات ترکیبات آلی و جامدات مولکولی از جمله حلالیت آنها در محیط‌های قطبی و غیر قطبی است.
حال به تصویر زیر نگاه کنید. این تصویر تمام نیروهای بین مولکولی و درون مولکولی را بر حسب قدرت آنها نشان داده است. در نمودار زیر متوجه می‌شوید که وقتی اندازه مولکولی که زمانی که اندازه مولکولی که نیروهای پرداکندگی دارد افزایش می‌یابد، نیروهای پراکندگی توانایی بیشتری دارند. قطبیت به طور قابل توجهی با افزایش سطح مقطع (سایز) افزایش می‌یابد. همانطور که در تصویر نیز نوشته شده جاذبه صفر تنها درگازهای ایده آل اتفاق می‌افتد.
