Günlük yaşantımızdan bildiğimiz gibi madde, katı, sıvı ya da gaz hallerinden birinde bulunur. Kabaca tanımlanırsa, belirli sıcaklık ve basınç altında, bir katının büyüklüğü ve biçimi değişmez. Sıvılar, akma Özelliğinde olduklarından, biçimlerini değiştirebilirler, ama hacimleri değişmeden kalır. Gazlarsa, içinde bulundukları kabı bütünüyle dolduracak biçimde genişlerler. Bazen katı, sıvı ve gaz halleri arasında pek açık bir ayrım olmayabilir, yani bunları ayırt etmek zorlaşır. Sözgelimi, zift ve cam gerçekte birer sıvıdır. Ne var ki, camın bu özelliği, ancak yüzyıllar sonra ortaya çıkar ve normal olarak, bundan önce cam, saydam olmayan bir biçimde billurlaşır. Katı haldeki bir maddenin birim hacminin yoğunluğu (sözgelimi lcm3'ünün gr?,m cinsinden ağırlığı), öteki hallerdeki yoğunluğundan daha büyüktür; gaz halindeyse en küçüktür.
Oda sıcaklığında ve basıncında maddeler, MOLEKÜL'lerden (atom grupları) oluşan bir yapıda bulunur. Farklı hallerde (katı, sıvı, gaz) bulunmalarının nedeni, bu moleküllerin birbiriyle ilişkilerinde or
taya çıkan farklılıklardır.
Katılar: Katı halde moleküller, kimyasal bağlar aracılığıyla, birbirlerine göre değişmez konumlarda bulunurlar. Bu bağların doğrultu ve uzunlukları, belirli bir kimyasal bileşik için değişmezdir. Dolayısıyle, çok sayıda molekül birbirine tutunarak, düzenli bir katı (billur) biçimi oluşturur. Billurların biçimi, söz konusu kimyasal bileşiğin ayırıcı niteliğidir. Sözgelimi, sofra tuzu billurları, küp biçimindedir.
Bazı bileşiklerde moleküller, birden çok biçimde birbirine bağlanabilir. Bu durumda farklı billur biçimleri ortaya çıkar. Bunların yoğunlukları da genellikle değişiktir. Bu duruma en güzel örnek, KARBON' dur. Karbon atomları, değişik düzende bağlanmaları sonucu, grafit ya da elmas olarak billurlaşabilir. Farklı alotropları belirtmek için «faz» terimi kullanılır.
Bütün METAL billurları, ile metal olmayan birkaç billur (grafit gibi), elektriği iletirler. Bunun nedeni, söz konusu maddelerin atomlarının, kolayca elektron yitirmesidir. Serbest kalan elektronlar, billur içinde hareket edeceklerinden, bir gerilim uygulandığında akım iletirler. YALITKAN'larda elektronlar, atoma çok sıkı bağlarla bağlanmışlardır. Bu yüzden, dıştan uygulanan bir elektrik alan, elektronları kolayca serbest duruma geçiremez. İletken ile yalıtkan, arasında yeralan ve «YARIİLETKEN» adı verilen başka maddeler de vardır. Bunların elektrik özellikleri, içlerine çok az miktarda yabancı madde karıştırılarak değiştirilebilir. Yarıiletkenler, daha çok TRANSİSTÖR'lerin ve ENTEGRE DEVRELER'in yapımında kullanılırlar.
Öte yandan, bir katının magnetik özellikleri, moleküller ile elektronlar arasındaki «bağ»a göre değişir (Bk. MAGNETİZMA). Normal olarak elektronlar, karşıt yönlerde magnetik alanlar oluştururlar ve böylece, birbirlerinin magnetik alanlarını yok ettiklerinden, herhangi bir magnetik etki gözlenmez. Yalnızca birkaç elementin (özellikle, demir, kobalt, nikel gibi) elektronları, karşıt yönlerde magnetik alan oluşturmazlar. Birbirlerinin magnetik alanı etkisinde kalarak aynı yönde dizildiklerinden, kuvvetli bir magnetik alan oluştururlar.
Katılar içindeki BAĞ'lar bütünüyle rijit değildir. Dışardan bir kuvvet uygulandığında, atomlar hafifçe hareket ederek birbirlerine yaklaşabilirler. Bu kuvvet ortadan kalktığında, eksi yüklü elektronların birbirini itmesi sonucu, atomlar yeniden eski konumlarını almaya zorlanırlar. Böylece katı, eski biçimini kazanır. Bu olaya «ESNEKLİK» adı verilir. Bundan başka, atomlar, sürekli olarak, ortalama konumları çevresinde titreşim yaparlar. Bu titreşimin ortalama enerjisi, o kütlenin SICAKLIK derecesinin bir ölçüsüdür (gerçekte, mutlak sıfır sıcaklığında bile bir takım titreşimler vardır). Katının sıcaklığı arttıkça, titreşimlerin genliği de artar ve bağların boyu hafifçe uzar. Sıcaklık arttıkça billurun genleşmesinin nedeni budur (ısıl genleşme).
Sıvılar: Sıvılarda, moleküller arasındaki çekim kuvveti, onları hareketsiz tutacak kadar büyük değildir. Hattâ bir sıvı ile içinde bulunduğu kabın molekülleri arasındaki çekim kuvveti, sıvının molekülleri arasındaki çekim kuvvetinden çok > daha büyüktür. Sözgelimi, temiz bir cam üstüne konulan bir damla su, ince bir tabaka halinde yayılacaktır; çünkü su molekülleri ile cam arasındaki çekim kuvveti büyüktür. Buna karşılık, cam biraz yağlı olursa, su molekülleri arasındaki çekim kuvveti daha büyük olacağından, damla yayılmaz. «YÜZEY GERİLİMİ» adı verilen bu olay, bir cam kapta bulunan su yüzeyinin aldığı biçimde de gözlenebilir. Su, değme noktasında biraz yukarı doğru yükseldiğinden, toplam su yüzeyi eğri bir biçim alır. Kılcal borularda (çok dar boru) bulunan su, bu kuvvetin etkisiyle, yerçekimine ters yönde (yerçekimine karşı) yükselir. Kurutma kağıdının lifleri arasındaki çok küçük boşluklar da bu tür bir kılcal etki doğurduğundan, sıvıları kolayca içine çekebilmektedir.
Katılarda olduğu gibi, sıcaklık arttıkça sıvılar da, hacim bakımından genleşirler. Ancak, suyun bir ayrıcalığı vardır. 4°C'ın altındaki sıcaklıklarda, sıcaklık düşürüldükçe su genleşir. Bunun nedeni, hidrojen bağlarının oluşmasıdır. Suyun, sıfır derecede donduğunda kapladığı hacim, sıvı haldeyken kapladığı hacimden daha büyüktür. Bu yüzden, kış aylarında donan su boruları patlar; ayrıca buz parçaları su üstünde yüzebilir. Su dışında, aşağı yukarı bütün maddeler, dondukları zaman küçülürler ve sıvı içine bırakıldıklarında dibe batarlar.
Gazlar: Gaz molekülleri, birbirlerinden çok uzak olduğundan ve çok hızlı hareket ettiklerinden, aralarındaki çekim kuvveti çok zayıftır. Dolayısıyle bunları, bütünüyle bağımsız tanecikler olarak düşünmek daha doğrudur (ideal gaz kabulü). Gaz moleküllerinin hızı, sıcaklığa bağlıdır; içinde bulundukları kabın çeperlerine uyguladıkları kuvvete, “basınç” denir. Gazın oluşturduğu basınç, hem moleküllerinin hızına, hem de moleküllerin kabın çeperlerine çarpma sıklığına bağlıdır. Çarpma sıklığıysa, gazın yoğunluğuyla ilişkilidir. İdeal gazın sıcaklığı, basıncı ve yoğunluğu arasındaki ilişki, GAZ YASALARI'yla verilir.
Basıncın çok yüksek ya da sıcaklığın çok düşük olduğu durumlarda, moleküller arasındaki kuvvetler önem kazanır ve öngörülen gaz yasalarına uymayan bir özellik ortaya çıkar. Koşullar sınıra ulaştığında, gaz sıvılaşır.
Faz değişiklikleri: Bir halden ötekine ya da bir alotroptan ötekine faz değişikliği olması için, sıcaklık
ya da basıncın değişmesi gerekir. Bu iki koşulun önemi şu Örnekle gösterilebilir: Su bir dağın tepesinde, 100°C'ın altında bir sıcaklıkta kaynar; çünkü buradaki basınç, deniz düzeyindekinden daha azdır. Bununla birlikte, belirli bir basınç altında, arı maddelerin kaynama ve erime noktaları değişmez. Bu özellikten, organik kimyada, bileşiklerin tanınmasında! yararlanılır. Bilinmeyen bir maddenin kaynama ve erime noktalan, kimyasal çpzÜMLEME'yle tanımlama yapıldıktan sonra, bunun doğruluğunu sınamak için kullanılır.
Bir kap içindeki su, bir yandan kaynayıp, bir yandan da buharlaşırken, sürekli ısı alır; ama bu sırada herhangi bir sıcaklık değişikliği söz konusu değildir. «Buharlaşma ısısı» adı verilen bu ısı, sıvı içinde çekim kuvvetleri sonucu bir arada tutulan molekülleri ayırmak için gerekli enerjiyi sağlamaktadır. Buharlaşma ısısından BUHAR MAKİNASI'nda yararlanılır. Bu makinada, basınç altında kaynayan suyun oluşturduğu buhar basıncı, bir pistonu harekete geçirmede kullanılır. Buhar yanığı, kaynar su yanığından daha tehlikelidir. Çünkü, buhar içinde yoğunlaşmış olarak bulunan buharlaşma ısısı, deriyi daha çok yakar.
Bir maddenin erime noktası, basınca, kaynama noktası kadar bağlı değildir. Bir katıyı eritmek için, genellikle buharlaşma ısısından daha düşük olan bir erime ısısı gerekir.
Faz değişiklikleri, sıcaklık değiştirilmeden, basınçla da ortaya çıkarılabilir. Su buharı, 374°C'm altındaki sıcaklıklarda yeterince sıkıştırılırsa, sıvılaşır; ama kritik sıcaklığın (374°C) üstünde, hiç bir basınç, buharı sıvılaştıramaz. Kritik sıcaklık, gazdan gaza değişir. Sözgelimi, hidrojenin kritik sıcaklığı —240°C'tır. Bu yüzden, ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın, hidrojen oda sıcaklığında sıvılaştırılamaz. Normal koşullarda kritik sıcaklığın üstünde bulunan gazlara «sürekli gaz», bu sıcaklığın altındakilere ise «buhar» adı verilir.
Başka haller: Son bilimsel araştırmalar, maddenin bilinen üç hali dışında, bir başka faz içinde de bulunabileceğini göstermiştir. Bunlara SIVI BİLLURLAR Örnek gösterilebilir. Sıvı billurlar, uzun moleküllerden oluşurlar ve sıvılardaki gibi hareketlidirler; ama tıpkı katılardaki gibi, moleküllerinin tümü aynı doğrultuda dizilidir. Ancak, —271cC'ın altında bulunan bir sıvı helyum olan helyumII, bir üstün akişkandır. Viskozitesi sıfırdır (yani iç sürtünmesi hiç yoktur). Dolayısıyle, bir açık kaba konduğunda, kabın iç çeperlerinden yukarı doğru tırmanıp, dış çeperlerden aşağı doğru inerek, akıp gidebilir.
Evrendeki maddelerin pek çoğu ne katı, ne sıvı, ne de gaz halinde bulunur. Burada plazma hali söz konusudur. Plazma hali, bazı elektronların atomlardan ayrıldığı, çok yüksek sıcaklıktaki bir madde ortamıdır. Bütün yıldızlar ve bunlar arasındaki maddenin çoğu, plazma («maddenin dördüncü hali») biçimindedir. Plazma, birçok durumda, elektrik bakımından iletken bir gaz olarak ele alınabilir. Yüksek sıcaklıkları nedeniyle denetimlerinin çok güç olmasına karşılık, laboratuvarlarda plazma örnekleri gerçekleştirilebilmiştir.
Gökbilim, aşırı yoğun maddelerin varlığını kanıtlamıştır. Bu maddelerin içinde basınç çok yüksek olduğundan, normal atomların varlığı düşünülemez. Söz sonusu maddeler atomlardan çok, temel taneciklerien yapılmış sıvı ya da gaz Özelliği gösterirler. «.Beyaz 2üce» denilen yıldızları, çekim kuvvetinden elektronlar korurlar. Bu yıldızların yoğunluğu, suyun yoğunluğunun on milyon katı kadardır. Nötron yıldızlarıy:3a (radyo dalgası yayınladıkları zaman «pulsar» diye adlandırılırlar), milyonlarca kez daha yoğundurlar ve kütleleri, nötronların basıncıyla korunur. Daha yüksek yoğunluklu maddelerse, «karadelik»ler diye adlandırılan görünmeyen kütleleri oluştururlar. Bunların çekim alanı son derece büyük olduğundan, ışık enerjisi bile «dışarı çıkamaz».


Kaynak:4-cilt: 4

Nüve Forum » kütüphane » Bilim ve Teknoloji » Araçlar ve Gereçler »