پیوند، ساختار و خواص ماده، پویایی برهمکنش عناصر و ترکیباتی را که تشکیل می دهند تعیین می کند. پیش بینی رفتار ماده در شرایط خاصی امکان پذیر است. شیمیدانان می توانند بر اساس درک خود از خواص ماده، مواد طبیعی را سنتز کنند یا مواد جدیدی ایجاد کنند.

سه حالت ماده

تحت محدوده طبیعی شرایط روی زمین، ماده سه حالت دارد: جامد، مایع و گاز. بیشتر واکنش های شیمیایی و دستکاری های شیمیایی در این حالت ها انجام می شود. آنها همچنین پایدارترین حالت های ماده روی زمین هستند.

حالات یا مراحل ماده عمدتاً به نحوه حرکت ذرات و فاصله آنها از یکدیگر مربوط می شود. به عنوان مثال، در دمای اتاق، آب مایع است. با این حال، در دمای 0 درجه سانتیگراد یا پایین تر، آب جامد است زیرا مولکول ها با قلاب زدن به یکدیگر سرعت خود را کاهش می دهند و فشرده تر می شوند. به طور مشابه، در دمای 100 درجه سانتیگراد یا بالاتر، مولکول های آب به دلیل انرژی گرمایی سریعتر شروع به حرکت می کنند که باعث جوشیدن آن می شود. هنگامی که آب می جوشد، بخار تولید می شود زیرا انرژی زیادی برای مولکول ها برای ماندن در فاز مایع وجود دارد. بنابراین با تولید بخار آب به حالت گاز تبدیل می شود.

در اینجا اطلاعات کمی در مورد سه حالت ماده وجود دارد:

• مواد جامد: ذرات مولکولی جامدات در جای خود قفل شده اند، زیرا ذرات به شدت به هم متصل هستند و نمی توانند از کنار یکدیگر بلغزند. از آنجا که فضای آزاد بسیار کمی بین ذرات وجود دارد، ماده جامد صلب می شود. شکل و حجم خود را حفظ می کند و فشرده سازی آن را عملا غیرممکن می کند.

• مایعات: مواد موجود در مایعات حجم ثابتی دارند اما شکل ظرفی را که اشغال می کنند به خود می گیرند. این به این دلیل است که ذرات به راحتی می توانند حرکت کنند یا از کنار یکدیگر بگذرند. مانند مواد جامد، مایعات نیز بسیار سخت فشرده می شوند. مایعات می توانند جریان داشته باشند، اما دینامیک سیال بسته به آن متفاوت است ویسکوزیته.

• گازها: مواد به شکل گاز حجم ثابتی ندارند. آنها شکل و حجم ظروفی را که اشغال می کنند فرض می کنند. ذرات گاز فضای زیادی برای حرکت دارند که باعث می شود به راحتی تراکم شوند.

مولکول های موجود در مواد جامد، مایع و گاز همگی ارتعاش دارند، اما در درجات مختلف. به عنوان مثال، مولکول ها در اجسام جامد به سختی حرکت می کنند، در حالی که ارتعاشات در واقع در مایع و گاز قابل مشاهده است که به عنوان شناخته شده است. حرکت براونی. حتی در مایع آرام و دست نخورده مانند آب، حرکات تصادفی ذرات گرد و غبار قابل مشاهده است. به طور مشابه، انتشار گازها در یک ظرف دست نخورده رخ می دهد.

پلاسما و BEC

علاوه بر جامدات، مایعات و گازها، دو حالت اضافی ماده وجود دارد که در شرایط خاص ظاهر می شوند: پلاسما و میعانات بوز-اینشتین (BEC). از این حالت ها نمی توان برای تولید مواد جدید استفاده کرد:

• پلاسما: پلاسما اساساً گاز یونیزه شده است. همچنین فراوان ترین شکل ماده پرانرژی موجود در ستارگان است. در پلاسما، برخی یا همه الکترون‌های مداری حذف می‌شوند و آنها را آزاد می‌کند تا درون گاز حرکت کنند. در ستارگان، پلاسما در اثر گرمای شدید همجوشی هسته ای ایجاد می شود و توسط نیروی گرانشی و نیروی مغناطیسی قوی ستاره ها در جای خود ثابت می شود. می توان آن را به طور مصنوعی با گرم کردن گازها یا اعمال برق ایجاد کرد. برخی از گازها به دلیل داشتن الکترون‌های آزاد که دارند راحت‌تر از سایرین یونیزه می‌شوند. گازهایی که الکترون های قوی در لایه بیرونی خود دارند نیاز دارند انرژی یونیزاسیون بالاتر.

• میعانات بوز-انیشتین: در حالی که پلاسما در دمای بالا وجود دارد، بوز-Eمیعانات روده برعکس است: فقط می تواند در دمایی بسیار نزدیک به صفر مطلق وجود داشته باشد. وقتی دمای نزدیک به صفر می رسد، اتم ها به سختی حرکت می کنند – تقریباً هیچ انرژی رایگانی برای انجام این کار در دسترس نیست. در این حالت، توده اتم ها مانند یک اتم عمل می کنند. میعانات سپس می تواند از ابری از گاز منتشر ساخته شود. آزمایش‌ها معمولاً از اتم‌های روبیدیم با خنک کردن آنها با لیزر برای از بین بردن انرژی استفاده می‌کنند. خنک کننده تبخیری برای خنک کردن بیشتر اتم های روبیدیم تا نزدیک به صفر مطلق اعمال می شود.

برای نکات بازنگری GCSE در مورد سه حالت ماده اینجا را کلیک کنید.

ترکیبات یونی

ترکیبات یونی از یون هایی تشکیل شده اند که توسط نیروهای الکترواستاتیکی به نام پیوند یونی در کنار هم نگه داشته می شوند. این یک نوع پیوند است که با انحلال در آن جدا می شود حلال های قطبی مثل آب. در اینجا، یون ها به اجزای دارای بار مثبت و بار منفی تقسیم می شوند. به عنوان مثال، اگر کلرید سدیم یا نمک خوراکی در آب حل شود، یون های سدیم با بار مثبت از یون های کلرید با بار منفی جدا می شوند.

ترکیبات یونی معمولاً ترکیبات نمکی، باز و اسیدی هستند. ترکیبات نمک جامد و کریستالی هستند. هر یون معمولاً چندین همسایه یونی دارد که الگوهای شبکه کریستالی منظم را تشکیل می دهند. بنابراین، آنها به عنوان بخشی از مولکول های منفرد در نظر گرفته نمی شوند، بلکه بخشی از ساختارهای بلوری پیوسته و سه بعدی هستند.

برای مشاهده نمونه سوالات آزمون GCSE برای ترکیبات یونی روی این کلیک کنید.

مولکول های کوچک

مولکول های کوچک مولکول های ساده و سبک وزنی هستند که از دو یا چند اتم تشکیل شده اند. پیوند کووالانسی. این می تواند یک مولکول عنصری یا یک مولکول ترکیبی باشد. در مواد عنصری یا ترکیبی، تعداد اتم های عناصر در هر مولکول ثابت می ماند. موادی که دارای پیوند یونی هستند، مولکول تشکیل نمی دهند.

موادی با مولکول های کوچک حاوی اتم های کمی در هر مولکول هستند. آنها همچنین در مقایسه با مولکول های دیگر، مانند مولکول های پلیمر، سبک تر هستند. اندازه متوسط ​​آنها حدود 0.1 نانومتر یا 1 × 10 است^-10 متر عرض نمونه ای از یک ماده حاوی مولکول های کوچک آب است که در آن قطر آنها حدود 0.3 نانومتر است. در مقایسه، DNA 2 نانومتر عرض دارد و می تواند تا چند متر کشیده شود. یک انسان مولکول DNA در کروموزومبه عنوان مثال، در هنگام کشش، طولی در حدود دو متر دارد.

برای ویرایش GCSE برای مولکول های کوچک روی این کلیک کنید.

مولکول های کووالانسی غول پیکر

مولکول های کووالانسی غول پیکر دارای پیوند کووالانسی هستند و حاوی تعداد زیادی اتم هستند که ساختارهای شبکه کووالانسی غول پیکر را تشکیل می دهند. بهترین نمونه‌های شناخته‌شده در این مورد عبارتند از: سیلیکون عنصری، دی اکسید سیلیکون، و دو شکل عنصری کربن: الماس و گرافیت.

در دمای اتاق، موادی که ساختار کووالانسی غول‌پیکری دارند، جامد هستند. نقطه ذوب و نقطه جوش آنها بسیار بالا است زیرا مقادیر زیادی انرژی برای غلبه بر پیوندهای کووالانسی مورد نیاز است. به عنوان مثال، گرافیت دارای نقطه ذوب 3600 درجه سانتیگراد است. در مقایسه، نقطه ذوب آهن 1538 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 2862 درجه سانتیگراد است.

ساختارهای کووالانسی غول پیکر عمدتاً رسانای الکتریکی نیستند زیرا هیچ ذره باردار نمی تواند آزادانه در ساختارها حرکت کند. اما برخی از آنها مانند سیلیکون نیمه هادی هستند. گرافیت تنها ساختار کووالانسی غول پیکری است که رسانای الکتریکی بسیار خوبی است. این به این دلیل است که الکترون اضافی دارد: هر اتم کربن در گرافیت دارای یک الکترون آزاد است الکترون ظرفیت، و اینها بین لایه ها جابجا می شوند.

برای بازبینی سوالات GCSE در مورد مولکول های کووالانسی غول پیکر، این را دنبال کنید.

فلزات و آلیاژها

بیشتر عناصر فلزی یا متالوئیدی هستند. تقریباً 95 مورد از 118 عنصر موجود در جدول تناوبی عناصر به عنوان فلزات طبقه بندی می شوند. با این حال، مرزهای بین فلزات، نافلزات و متالوئیدها به دلیل دقیق نبودن تعاریف دسته‌ها، اندکی در نوسان است: هیچ تعاریف پذیرفته‌شده جهانی از مرزها وجود ندارد.

ویژگی اصلی عناصر فلزی رسانایی الکتریکی آنهاست. بسیاری از عناصری که معمولاً در دمای اتاق فلزی در نظر گرفته نمی شوند در دمای نزدیک به صفر مطلق فلزی می شوند. سایر عناصر و ترکیبات آنها نیز تحت فشار زیاد فلزی می شوند. به عنوان مثال، ید زمانی که تحت فشاری بین 40000 تا 170000 برابر فشار معمولی جو در سطح دریا قرار گیرد به فلز تبدیل می شود.

فلزات و آلیاژهایی که ارزش صنعتی و تجاری دارند عموماً سخت و چکش خوار هستند. آنها همچنین رسانای خوبی برای الکتریسیته و انرژی حرارتی هستند. آلیاژها ترکیبی از حداقل یک فلز و عناصر دیگر هستند. به طور معمول، دو یا چند فلز برای تشکیل آلیاژهایی مانند برنج و فولاد ترکیب می شوند. آلیاژها نسبت به هر یک از ترکیبات خود دارای خواص متفاوت یا بهبود یافته ای هستند. به عنوان مثال، فولاد ضد زنگ آلیاژی از آهن، کروم و کربن است. آهن خالص نرم است و به راحتی خورده می شود.

برای بازبینی سوالات GCSE در مورد فلزات و آلیاژها، این را دنبال کنید.

علم نانو

علم نانو مطالعه ساختارها و مواد در مقیاس بسیار کوچک است. نانومتر یک میلیاردم متر است. برای داشتن ایده کوچک بودن یک نانومتر، اندازه باکتری ها از 0.5 تا 5.0 میکرومتر (0.05 تا 0.5 نانومتر) متغیر است – در واقع، یک میلیارد باکتری می توانند روی سر یک سنجاق قرار بگیرند. علم نانو با اجسامی که زیر میکروسکوپی هستند یا اجسامی که حتی با کمک میکروسکوپ نوری قابل مشاهده نیستند سر و کار دارد. در این سطح نانو، خواص فیزیکی و شیمیایی ماده می تواند تغییر کند.

علم نانو بر روش‌هایی برای استفاده از مولکول‌های نانومقیاس به عنوان ماشین تمرکز دارد. یکی از کوچک‌ترین ماشین‌های مولکولی ایجاد شده، یک آسانسور مولکولی برای یک ریزتراشه آزمایشی است و اندازه آن حدود 0.7 نانومتر است. برای مطالعه بیشتر، دانشمندی که اولین نانوماشین ها را ایجاد کرد برنده جایزه شد جایزه نوبل فیزیک در سال 2016. فناوری نانو از این جهت مهم است که این پتانسیل را دارد که طیف متنوعی از زمینه‌ها، از مراقبت‌های بهداشتی گرفته تا تولید را متحول کند.

برای بازبینی سوالات GCSE در مورد علم نانو، این را دنبال کنید.

درباره آموزش شیمی در مرکز منابع آموزشی شیمی ما اطلاعات بیشتری کسب کنید.