"الكحول" من التاريخ هل تعلم ذلك في القرن الرابع. قبل الميلاد ه. هل عرف الناس كيفية صنع المشروبات التي تحتوي على الكحول الإيثيلي؟ تم إنتاج النبيذ عن طريق تخمير عصائر الفاكهة والتوت. ومع ذلك، تعلموا استخراج العنصر المسكر منه في وقت لاحق. في القرن الحادي عشر قام الكيميائيون بالتقاط أبخرة مادة متطايرة تنطلق عند تسخين النبيذ. التعريف الكحول (الكحولات المتقادمة) هي مركبات عضوية تحتوي على واحدة أو أكثر من مجموعات الهيدروكسيل (هيدروكسيل، OH) المرتبطة مباشرة بذرة الكربون في جذري الهيدروكربون الصيغة العامة للكيميائيين الكحولات هي CxHy(OH) n الصيغة العامة للكحولات المشبعة أحادية الهيدريك CnH2n+1OH تصنيف الكحولات حسب عدد مجموعات الهيدروكسيل CxHy(OH)n كحولات أحادية الهيدريك CH3 - CH2 - CH2 OH جلايكول ثنائي الهيدريك CH3 - CH - CH2 OH OH الجلسرين الترياتومي CH2 - CH - CH2 OH OH OH تصنيف الكحولات حسب طبيعة الجذر الهيدروكربوني الجذري الهيدروكربوني CxHy(OH)n CxHy(OH)n الحد الأقصى CH3 CH3 –– CH CH2 CH2 2 ––CH 2 OH OH غير مشبع غير مشبع CH CH2 = CH CH––CH CH2 2 = 2 OH OH Aromatic Aromatic CH CH2 OH 2 --OH تسمية الكحولات انظر إلى الجدول واستنتج حول تسمية الكحولات التسمية والأيزومرية عند تكوين أسماء الكحوليات، أ (عامة ) تضاف اللاحقة إلى اسم الهيدروكربون المقابل للكحول. تشير الأرقام الموجودة بعد اللاحقة إلى موضع مجموعة الهيدروكسيل في السلسلة الرئيسية: H | ح- ج – أوه | H ميثانول H H H |3 |2 |1 H- C – C – C -OH | | | ح ح ح بروبانول-1 ح ح ح | 1 | 2 |3 ح – ج – ج – ج – ح | | | H OH H بروبانول -2 أنواع الأيزومرية 1. الأيزومرية لموضع المجموعة الوظيفية (البروبانول -1 والبروبانول -2) 2. الأيزومرية للهيكل العظمي الكربوني CH3-CH2-CH2-CH2-OH بيوتانول-1 CH3-CH -CH2-OH | CH3 2-ميثيل بروبانول-1 3. الأيزومرية البينية - الكحولات متصاوغة مع الإيثرات: CH3-CH2-OH إيثانول CH3-O-CH3 ثنائي ميثيل إيثر الخلاصة تتكون أسماء الكحولات الأحادية الهيدريك من اسم الهيدروكربون ذو أطول سلسلة كربون تحتوي على مجموعة هيدروكسيل بإضافة اللاحقة -ol بالنسبة للكحولات متعددة الهيدرات، قبل اللاحقة -ol في اليونانية (-di-، -tri-، ...) يشار إلى عدد مجموعات الهيدروكسيل على سبيل المثال: CH3-CH2-OH الإيثانول أنواع تصاوغ الكحوليات الهيكلية 1. سلسلة الكربون 2. مواقع المجموعة الوظيفية الخواص الفيزيائية الكحولات السفلية (C1-C11) هي سوائل متطايرة ذات رائحة نفاذة الكحولات الأعلى (C12- وما فوق) هي مواد صلبة ذات رائحة لطيفة الخصائص الفيزيائية اسم الصيغة Pl. جم/سم3 tpl.C tboil.C ميثيل CH3OH 0.792 -97 64 إيثيل C2H5OH 0.790 -114 78 بروبيل CH3CH2CH2OH 0.804 -120 92 إيزوبروبيل CH3-CH(OH)-CH3 0.786 -88 82 بوتيل CH3CH2CH2OH 0، 81 0 -90 118 ميزات الخصائص الفيزيائية: حالة التجميع كحول الميثيل (الممثل الأول لسلسلة الكحول المتماثلة) سائل. ربما لديها وزن جزيئي مرتفع؟ لا. أقل بكثير من ثاني أكسيد الكربون. ما هي اذا؟ R – O … H – O …H – O H R R اتضح أن الأمر كله يتعلق بالروابط الهيدروجينية التي تتشكل بين جزيئات الكحول وتمنع الجزيئات الفردية من الطيران بعيدًا. سمة من الخصائص الفيزيائية: الذوبان في الماء. الكحولات المنخفضة قابلة للذوبان في الماء، والأعلى الكحولات غير قابلة للذوبان. لماذا؟ CH3 – O…H – O…N – O N H CH3 ماذا لو كان الجذر كبيرًا؟ CH3 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – O ... H – O H H روابط الهيدروجين ضعيفة جدًا بحيث لا يمكنها الاحتفاظ بجزيء الكحول الذي يحتوي على جزء كبير غير قابل للذوبان بين جزيئات الماء خاصية الخواص الفيزيائية: الانكماش لماذا لا يستخدم الحجم أبدًا عندما حل المسائل الحسابية ولكن فقط بالكتلة؟ مزيج 500 مل من الكحول و 500 مل من الماء. نحصل على 930 مل من المحلول. الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الكحول والماء قوية جدًا بحيث يتناقص الحجم الإجمالي للمحلول، "ضغطه" (من الكلمة اللاتينية contraktio - الضغط). بعض ممثلي الكحوليات كحول أحادي الهيدريك - الميثانول سائل عديم اللون بدرجة غليان 64 درجة مئوية ورائحة مميزة أخف من الماء. يحترق بلهب عديم اللون. يستخدم كمذيب ووقود في محركات الاحتراق الداخلي الميثانول هو سم يعتمد التأثير السام للميثانول على تلف الجهاز العصبي والأوعية الدموية. يؤدي تناول 5-10 مل من الميثانول إلى التسمم الشديد، و 30 مل أو أكثر يؤدي إلى الوفاة كحول أحادي الهيدريك - إيثانول سائل عديم اللون ذو رائحة مميزة وطعم حارق، درجة غليانه 78 درجة مئوية. أخف من الماء. يختلط معها في أي علاقة. سهل الاشتعال، ويحترق بلهب مزرق ضعيف. الصداقة مع شرطة المرور هل المدمنون على الكحول أصدقاء مع شرطة المرور؟ ولكن كيف! هل سبق لك أن أوقفك مفتش شرطة المرور؟ هل سبق لك أن تنفست في أنبوب؟ إذا لم تكن محظوظا، فقد حدث تفاعل أكسدة للكحول، حيث تغير اللون، وكان عليك دفع سؤال مثير للاهتمام. الكحول مادة غريبة حيوية - وهي مواد غير موجودة في جسم الإنسان، ولكنها تؤثر على وظائفه الحيوية. كل هذا يتوقف على الجرعة. 1. الكحول مادة مغذية تمد الجسم بالطاقة. وفي العصور الوسطى، كان الجسم يحصل على حوالي 25% من طاقته من خلال تناول الكحول؛ 2. الكحول دواء له تأثير مطهر ومضاد للجراثيم؛ 3. الكحول هو السم الذي يعطل العمليات البيولوجية الطبيعية، ويدمر الأعضاء الداخلية والنفسية، وإذا تم تناوله بشكل مفرط، يؤدي إلى الوفاة. استخدام الإيثانول يستخدم الكحول الإيثيلي في تحضير المشروبات الكحولية المختلفة. في الطب لتحضير مستخلصات النباتات الطبية وكذلك للتطهير. في مستحضرات التجميل والعطور، يعتبر الإيثانول مذيباً للعطور والمستحضرات. الآثار الضارة للإيثانول في بداية التسمم، تعاني هياكل القشرة الدماغية؛ يتم قمع نشاط مراكز الدماغ التي تتحكم في السلوك: يتم فقد السيطرة العقلانية على الإجراءات، ويتناقص الموقف الحرج تجاه الذات. I. P. Pavlov أطلق على هذه الحالة اسم "أعمال شغب في القشرة الدماغية" مع وجود نسبة عالية جدًا من الكحول في الدم، يتم تثبيط نشاط المراكز الحركية في الدماغ، وتتأثر وظيفة المخيخ بشكل أساسي - يفقد الشخص تمامًا اتجاهه الضار آثار الإيثانول التغيرات في بنية الدماغ الناجمة عن سنوات عديدة من التسمم بالكحول، تكاد تكون غير قابلة للشفاء، وحتى بعد الامتناع عن شرب الكحول لفترة طويلة، فإنها تستمر. إذا لم يتمكن الشخص من التوقف، فإن الانحرافات العضوية، وبالتالي العقلية، عن الآثار الضارة للإيثانول الكحول له تأثير سلبي للغاية على الأوعية الدموية في الدماغ. في بداية التسمم، فإنها تتوسع، ويتباطأ تدفق الدم فيها، مما يؤدي إلى احتقان الدماغ. بعد ذلك، بالإضافة إلى الكحول، تبدأ المنتجات الضارة لانهيارها غير الكامل في التراكم في الدم، ويحدث تشنج حاد، ويحدث تضيق الأوعية، وتتطور مضاعفات خطيرة، مثل السكتات الدماغية، مما يؤدي إلى إعاقة شديدة وحتى الموت. أسئلة للمراجعة 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. حاوية واحدة بدون ملصق تحتوي على ماء، والأخرى تحتوي على كحول. هل من الممكن استخدام مؤشر للتعرف عليهم؟ من يملك شرف الحصول على الكحول النقي؟ هل يمكن أن يكون الكحول مادة صلبة؟ الوزن الجزيئي للميثانول هو 32، وثاني أكسيد الكربون هو 44. استنتج حالة تجميع الكحول. امزجي لترًا من الكحول ولترًا من الماء. تحديد حجم الخليط. كيفية خداع مفتش شرطة المرور؟ هل يمكن للكحول المطلق اللامائي أن يعطي الماء؟ ما هي المواد الغريبة الحيوية وما علاقتها بالكحول؟ الإجابات 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. هذا مستحيل. لا تؤثر المؤشرات على الكحولات ومحاليلها المائية. بالطبع الكيميائيين. ربما إذا كان هذا الكحول يحتوي على 12 ذرة كربون أو أكثر. ولا يمكن استخلاص أي استنتاج من هذه البيانات. الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الكحول، نظرا لانخفاض الوزن الجزيئي لهذه الجزيئات، تجعل درجة غليان الكحول مرتفعة بشكل غير طبيعي. لن يكون حجم الخليط لترين، ولكنه أصغر بكثير، حوالي 1 لتر - 860 مل. لا تشرب أثناء القيادة. ربما إذا قمت بتسخينه وإضافة conc. حمض الكبريتيك. لا تتكاسل وتذكر كل ما سمعته عن الكحول، قرر بنفسك مرة واحدة وإلى الأبد ما هي جرعتك……. وهل هناك حاجة على الإطلاق؟؟؟؟؟؟ كحول متعدد الهيدريك إيثيلين جليكول إيثيلين جليكول هو ممثل للكحولات ثنائية الهيدريك المشبعة - الجليكول. تم إعطاء اسم الجليكول بسبب المذاق الحلو للعديد من ممثلي السلسلة (اليونانية "جليكوس" - حلوة) ؛ جلايكول الإثيلين هو سائل شراب ذو طعم حلو وعديم الرائحة وسام. يمتزج جيدًا مع الماء والكحول، وهو استرطابي. تطبيق جلايكول الإيثيلين من الخصائص المهمة للإيثيلين جلايكول هي القدرة على خفض نقطة تجمد الماء، ولهذا السبب يتم استخدام المادة على نطاق واسع كأحد مكونات مضادات التجمد في السيارات والسوائل المضادة للتجمد؛ يتم استخدامه لإنتاج اللافسان (ألياف صناعية قيمة). يعتبر جلايكول الإثيلين سمًا. تختلف الجرعات المسببة للتسمم المميت بالإيثيلين جليكول بشكل كبير - من 100 إلى 600 مل. وفقا لعدد من المؤلفين، الجرعة المميتة للإنسان هي 50-150 مل. معدل الوفيات بسبب جلايكول الإيثيلين مرتفع للغاية ويمثل أكثر من 60٪ من جميع حالات التسمم. لم تتم دراسة آلية التأثير السام للإيثيلين جلايكول بشكل كافٍ حتى الآن. يتم امتصاص جلايكول الإثيلين بسرعة (بما في ذلك من خلال مسام الجلد) ويدور في الدم دون تغيير لعدة ساعات، ويصل إلى أقصى تركيز له بعد 2-5 ساعات. ثم ينخفض محتواه في الدم تدريجياً، ويثبت في الأنسجة الجلسرين الكحولي متعدد الهيدرات. الجلسرين هو كحول مشبع ثلاثي الهيدرات. سائل عديم اللون، لزج، استرطابي، حلو المذاق. قابل للامتزاج مع الماء بأي نسبة، وهو مذيب جيد. يتفاعل مع حمض النيتريك لتكوين النتروجليسرين. مع الأحماض الكربوكسيلية تشكل الدهون والزيوت CH2 – CH – CH2 OH OH OH تطبيقات الجلسرين يستخدم في إنتاج متفجرات النتروجليسرين. عند معالجة الجلود. كمكون لبعض المواد اللاصقة؛ في إنتاج البلاستيك، يتم استخدام الجلسرين كمادة ملدنة. في إنتاج الحلويات والمشروبات (كمضافات غذائية E422) تفاعل نوعي للكحولات متعددة الهيدرات تفاعل نوعي للكحولات متعددة الهيدرات التفاعل مع الكحولات متعددة الهيدرات هو تفاعلها مع راسب تم الحصول عليه حديثًا من هيدروكسيد النحاس (II) ، والذي يذوب لتكوين مهام الحل الأزرق البنفسجي الساطع: املأ بطاقة العمل الخاصة بالدرس؛ الإجابة على أسئلة الاختبار؛ حل لغز الكلمات المتقاطعة ورقة عمل لدرس "الكحولات" الصيغة العامة للكحولات اسم المواد: CH3OH CH3-CH2-CH2-CH2-OH CH2(OH)-CH2(OH) اكتب الصيغة البنائية البروبانول -2 ما تعريف ذرية الكحول؟ اذكر استخدامات الإيثانول ما هي الكحوليات المستخدمة في صناعة الأغذية؟ ما هو الكحول الذي يسبب التسمم القاتل عند دخول 30 مل إلى الجسم؟ ما هي المادة المستخدمة كسائل مضاد للتجمد؟ كيفية التمييز بين الكحول متعدد الهيدرات والكحول أحادي الهيدريك؟ طرق التحضير مختبرياً التحلل المائي للهالوكانات: R-CL+NaOH R-OH+NaCL هيه الألكينات: CH2=CH2+H2O C2H5OH هدرجة مركبات الكاربونيل الصناعية تخليق الميثانول من غاز التخليق CO+2H2 CH3-OH (عند الضغط المرتفع ودرجة الحرارة المرتفعة ومحفز أكسيد الزنك) تميه الألكينات تخمير الجلوكوز: C6H12O6 2C2H5OH+2CO2 الخواص الكيميائية I. التفاعلات مع تمزق رابطة RO-H تتفاعل الكحوليات مع الفلزات القلوية والفلزات الأرضية القلوية لتشكل ما يشبه الملح مركبات - كحولات 2СH CH CH OH + 2Na 2CH CH CH ONa + H 2CH CH OH + Ca (CH CH O) Ca + H 3 2 3 2 2 3 3 2 2 2 2 2 2 التفاعل مع الأحماض العضوية (رد فعل الأسترة) يؤدي إلى تكوين استرات. CH COOHH + HOC H CH COОC H (أسيتات الإيثيل (أسيتات الإيثيل)) + H O 3 2 5 3 2 5 2 II. التفاعلات التي تنطوي على كسر رابطة R-OH مع هاليدات الهيدروجين: R-OH + HBr R-Br + H2O III. تفاعلات الأكسدة حرق الكحول: 2С3H7ОH + 9O2 6СO2 + 8H2O تحت تأثير العوامل المؤكسدة: تتحول الكحولات الأولية إلى ألدهيدات والكحولات الثانوية إلى كيتونات IV. يحدث الجفاف عند تسخينه باستخدام كواشف إزالة الماء (conc. H2SO4). 1. يؤدي الجفاف داخل الجزيئات إلى تكوين الألكينات CH3–CH2–OH CH2=CH2 + H2O 2. الجفاف بين الجزيئات يعطي الإيثرات R-OH + H-O–R R–O–R(ether) + H2O
يمكن أن تكون جميع المواد في حالات تجميع مختلفة - صلبة وسائلة وغازية وبلازما. في العصور القديمة كان يعتقد أن العالم يتكون من الأرض والماء والهواء والنار. تتوافق الحالات الإجمالية للمواد مع هذا التقسيم البصري. تظهر التجربة أن الحدود بين حالات التجميع اعتباطية للغاية. تعتبر الغازات ذات الضغط المنخفض ودرجات الحرارة المنخفضة مثالية؛ حيث تتوافق الجزيئات الموجودة فيها مع نقاط مادية لا يمكن أن تتصادم إلا وفقًا لقوانين التأثير المرن. إن قوى التفاعل بين الجزيئات في لحظة الاصطدام لا تذكر، وتحدث الاصطدامات نفسها دون فقدان الطاقة الميكانيكية. ولكن مع زيادة المسافة بين الجزيئات، يجب أيضًا أخذ تفاعل الجزيئات في الاعتبار. تبدأ هذه التفاعلات في التأثير على التحول من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة أو الصلبة. يمكن أن تحدث أنواع مختلفة من التفاعلات بين الجزيئات.
قوى التفاعل بين الجزيئات غير قابلة للإشباع، وتختلف عن قوى التفاعل الكيميائي للذرات، مما يؤدي إلى تكوين الجزيئات. يمكن أن تكون كهروستاتيكية بسبب التفاعلات بين الجسيمات المشحونة. لقد أظهرت التجربة أن التفاعل الكمومي الذي يعتمد على المسافة والتوجه المتبادل للجزيئات لا يكاد يذكر عند المسافات بين الجزيئات التي تزيد عن 10 -9 م. وفي الغازات المتخلخلة يمكن إهماله أو يمكن افتراض طاقة التفاعل المحتملة يساوي عمليا الصفر. على مسافات قصيرة، تكون هذه الطاقة صغيرة، وتعمل قوى التجاذب المتبادلة
في - التنافر والقوة المتبادلة
جذب وتنافر الجزيئات متوازن و و= 0. هنا يتم تحديد القوى من خلال ارتباطها بالطاقة الكامنة، لكن الجسيمات تتحرك، وتمتلك احتياطيًا معينًا من الطاقة الحركية.
gii. دع جزيءًا ما يكون بلا حراك ويصطدم به جزيء آخر به مثل هذا الإمداد من الطاقة. عندما تقترب الجزيئات من بعضها البعض، تقوم القوى الجذابة بعمل إيجابي وتقل الطاقة الكامنة لتفاعلها إلى مسافة بعيدة. وفي الوقت نفسه، تزداد الطاقة الحركية (والسرعة). وعندما تصبح المسافة أقل، سيتم استبدال قوى الجذب بقوى تنافر. يكون العمل الذي يبذله الجزيء ضد هذه القوى سالبًا.
سوف يقترب الجزيء من الجزيء الثابت حتى تتحول طاقته الحركية بالكامل إلى إمكانات. الحد الأدنى للمسافة د،تسمى المسافة التي يمكن للجزيئات أن تقترب منها القطر الفعال للجزيء.بعد التوقف، سيبدأ الجزيء في الابتعاد تحت تأثير القوى البغيضة بسرعة متزايدة. بعد أن تجاوز المسافة مرة أخرى، سوف يقع الجزيء في منطقة القوى الجذابة، مما سيبطئ عملية إزالته. ويعتمد القطر الفعال على الاحتياطي الأولي من الطاقة الحركية، أي. هذه القيمة ليست ثابتة. على مسافات متساوية، يكون لطاقة التفاعل الكامنة قيمة كبيرة بلا حدود أو "حاجز" يمنع مراكز الجزيئات من الاقتراب لمسافة أصغر. تحدد نسبة متوسط طاقة التفاعل المحتملة إلى متوسط الطاقة الحركية حالة تجميع المادة: بالنسبة للغازات والسوائل والمواد الصلبة
تشمل المادة المكثفة السوائل والمواد الصلبة. فيها، تقع الذرات والجزيئات قريبة، ولمس تقريبا. متوسط المسافة بين مراكز الجزيئات في السوائل والمواد الصلبة هو في حدود (2 -5) 10 -10 م وكثافاتها متساوية تقريبًا. تتجاوز المسافات بين الذرات المسافات التي تخترق فيها السحب الإلكترونية بعضها البعض لدرجة أنه تنشأ قوى تنافر. للمقارنة، في الغازات في الظروف العادية يبلغ متوسط المسافة بين الجزيئات حوالي 33 × 10 -10 م.
في السوائلالتفاعل بين الجزيئات له تأثير أقوى، حيث تتجلى الحركة الحرارية للجزيئات في اهتزازات ضعيفة حول موضع التوازن وحتى القفز من موضع إلى آخر. ولذلك، فهي تحتوي فقط على ترتيب قصير المدى في ترتيب الجسيمات، أي الاتساق في ترتيب أقرب الجسيمات فقط، والسيولة المميزة.
المواد الصلبةوهي تتميز بالصلابة الهيكلية، ولها حجم وشكل محددان بدقة، والتي تتغير بشكل أقل بكثير تحت تأثير درجة الحرارة والضغط. في المواد الصلبة، تكون الحالات غير المتبلورة والبلورية ممكنة. هناك أيضًا مواد وسيطة - بلورات سائلة. لكن الذرات في المواد الصلبة ليست ثابتة على الإطلاق، كما قد يظن المرء. يتقلب كل واحد منهم طوال الوقت تحت تأثير القوى المرنة الناشئة بين جيرانه. معظم العناصر والمركبات لها بنية بلورية تحت المجهر.
وبالتالي، تبدو حبيبات ملح الطعام وكأنها مكعبات مثالية. في البلورات، يتم تثبيت الذرات في مواقع الشبكة البلورية ويمكن أن تهتز فقط بالقرب من مواقع الشبكة. تشكل البلورات مواد صلبة حقيقية، وتحتل المواد الصلبة مثل البلاستيك أو الأسفلت موقعًا متوسطًا بين المواد الصلبة والسوائل. الجسم غير المتبلور، مثل السائل، له ترتيب قصير المدى، لكن احتمالية القفزات منخفضة. وبالتالي، يمكن اعتبار الزجاج سائلًا فائق التبريد مع زيادة اللزوجة. تتمتع البلورات السائلة بسيولة السوائل، ولكنها تحتفظ بالترتيب المنظم للذرات ولها تباين في الخصائص.
الروابط الكيميائية للذرات (وحوالي) في البلورات هي نفسها الموجودة في الجزيئات. يتم تحديد بنية المواد الصلبة وصلابتها من خلال الاختلافات في القوى الكهروستاتيكية التي تربط الذرات التي يتكون منها الجسم معًا. يمكن للآلية التي تربط الذرات في الجزيئات أن تؤدي إلى تكوين هياكل دورية صلبة يمكن اعتبارها جزيئات كبيرة. مثل الجزيئات الأيونية والتساهمية، هناك بلورات أيونية وتساهمية. ترتبط الشبكات الأيونية في البلورات معًا بواسطة روابط أيونية (انظر الشكل 7.1). هيكل ملح الطعام هو أن كل أيون صوديوم له ستة جيران - أيونات الكلور. يتوافق هذا التوزيع مع الحد الأدنى من الطاقة، أي أنه عندما يتم تشكيل مثل هذا التكوين، يتم تحرير الحد الأقصى من الطاقة. ولذلك، عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون نقطة الانصهار، يكون هناك ميل لتكوين بلورات نقية. مع ارتفاع درجة الحرارة، تكون الطاقة الحركية الحرارية كافية لكسر الرابطة، وستبدأ البلورة في الذوبان، وسيبدأ الهيكل في الانهيار. تعدد الأشكال البلوري هو القدرة على تكوين حالات ذات هياكل بلورية مختلفة.
عندما يتغير توزيع الشحنة الكهربائية في الذرات المحايدة، يمكن أن تحدث تفاعلات ضعيفة بين الجيران. تسمى هذه الرابطة جزيئية أو فان دير فالس (كما هو الحال في جزيء الهيدروجين). لكن قوى الجذب الكهروستاتيكية يمكن أن تنشأ أيضًا بين الذرات المحايدة، ومن ثم لا تحدث أي إعادة ترتيب في الأغلفة الإلكترونية للذرات. يؤدي التنافر المتبادل عند اقتراب الأغلفة الإلكترونية من بعضها البعض إلى تغيير مركز ثقل الشحنات السالبة بالنسبة للشحنات الموجبة. تقوم كل ذرة بتحريض ثنائي القطب الكهربائي في الأخرى، وهذا يؤدي إلى تجاذبها. هذا هو عمل القوى بين الجزيئات أو قوى فان دير فالس، التي لها نصف قطر كبير من العمل.
ونظرًا لأن ذرة الهيدروجين صغيرة جدًا ويمكن إزاحة إلكترونها بسهولة، فإنها غالبًا ما تنجذب إلى ذرتين في وقت واحد، مما يشكل رابطة هيدروجينية. الرابطة الهيدروجينية مسؤولة أيضًا عن تفاعل جزيئات الماء مع بعضها البعض. وهو يشرح العديد من الخصائص الفريدة للماء والجليد (الشكل 7.4).
الرابطة التساهمية(أو الذرية) يتم تحقيقها بسبب التفاعل الداخلي للذرات المحايدة. مثال على هذه الرابطة هو الرابطة الموجودة في جزيء الميثان. إن مجموعة الكربون شديدة الترابط هي الماس (يتم استبدال أربع ذرات هيدروجين بأربع ذرات كربون).
وهكذا، فإن الكربون، المبني على رابطة تساهمية، يشكل بلورة على شكل الماس. وكل ذرة محاطة بأربع ذرات، لتشكل رباعيًا منتظمًا. لكن كل واحد منهم هو أيضًا قمة رباعي السطوح المجاور. وفي ظل ظروف أخرى، تتبلور نفس ذرات الكربون إلى الجرافيت.وفي الجرافيت، ترتبط أيضًا بروابط ذرية، ولكنها تشكل مستويات من خلايا قرص العسل السداسية القادرة على القص. المسافة بين الذرات الموجودة عند رؤوس الأشكال السداسية هي 0.142 نانومتر. وتقع الطبقات على مسافة 0.335 نانومتر، أي. تكون روابطها ضعيفة، لذا فإن الجرافيت يكون بلاستيكيًا وناعمًا (الشكل 7.5). في عام 1990، حدثت طفرة في الأبحاث سببها الإعلان عن اكتشاف مادة جديدة - الفوليريت,تتكون من جزيئات الكربون - الفوليرين. هذا الشكل من الكربون جزيئي، أي. الحد الأدنى للعنصر ليس ذرة، بل جزيء. تم تسميته على اسم المهندس المعماري R. Fuller، الذي حصل في عام 1954 على براءة اختراع لبناء هياكل مصنوعة من السداسيات والخماسيات التي تشكل نصف الكرة الأرضية. جزيء من 60 تم اكتشاف ذرات الكربون التي يبلغ قطرها 0.71 نانومتر عام 1985، ثم تم اكتشاف الجزيئات وغيرها. جميعهم لديهم أسطح مستقرة،
لكن الجزيئات الأكثر استقرارًا كانت C60 و مع 70 . ومن المنطقي أن نفترض أن الجرافيت يستخدم كمادة أولية لتخليق الفوليرين. إذا كان الأمر كذلك، فيجب أن يكون نصف قطر القطعة السداسية 0.37 نانومتر. ولكن تبين أنها تساوي 0.357 نانومتر. ويرجع هذا الفارق البالغ 2% إلى أن ذرات الكربون تقع على سطح كروي عند رؤوس 20 شكلاً سداسيًا منتظمًا ورث من الجرافيت، و12 شكلًا خماسيًا منتظمًا، أي. التصميم يشبه كرة القدم. اتضح أنه عند "خياطتها" في كرة مغلقة، تحولت بعض الأشكال السداسية المسطحة إلى أشكال خماسية. في درجة حرارة الغرفة، تتكثف جزيئات C60 لتكوين بنية حيث يحتوي كل جزيء على 12 جيرانًا متباعدين بمقدار 0.3 نانومتر. في ت= 349 K يحدث انتقال طوري من الدرجة الأولى - يتم إعادة ترتيب الشبكة إلى شبكة مكعبة. البلورة نفسها عبارة عن شبه موصل، ولكن عند إضافة فلز قلوي إلى الفيلم البلوري C 60، تحدث الموصلية الفائقة عند درجة حرارة 19 كلفن. وإذا تم إدخال ذرة أو أخرى في هذا الجزيء المجوف، فيمكن استخدامها كأساس لـ إنشاء وسط تخزين بكثافة معلوماتية عالية جدًا: ستصل كثافة التسجيل إلى 4-10 12 بت/سم2 . للمقارنة، يعطي فيلم من مادة مغناطيسية حديدية كثافة تسجيل تصل إلى 107 بت/سم2، والأقراص الضوئية، أي. تقنية الليزر - 10 8 بت / سم 2. يتمتع هذا الكربون أيضًا بخصائص فريدة أخرى، ذات أهمية خاصة في الطب والصيدلة.
يتجلى في بلورات معدنية اتصال معدني,عندما تتخلى جميع ذرات المعدن عن إلكترونات التكافؤ الخاصة بها "للاستخدام الجماعي". وهي مرتبطة بشكل ضعيف بالهياكل الذرية ويمكنها التحرك بحرية على طول الشبكة البلورية. حوالي 2/5 من العناصر الكيميائية عبارة عن معادن. في المعادن (باستثناء الزئبق)، تتشكل الرابطة عندما تتداخل المدارات الشاغرة لذرات المعدن ويتم إزالة الإلكترونات بسبب تكوين شبكة بلورية. اتضح أن الكاتيونات الشبكية مغلفة بغاز الإلكترون. تحدث الرابطة المعدنية عندما تتجمع الذرات معًا على مسافة أصغر من حجم سحابة الإلكترونات الخارجية. وبهذا التكوين (مبدأ باولي) تزداد طاقة الإلكترونات الخارجية، وتبدأ النوى المجاورة في جذب هذه الإلكترونات الخارجية، مما يؤدي إلى طمس السحب الإلكترونية وتوزيعها بالتساوي في جميع أنحاء المعدن وتحويلها إلى غاز إلكتروني. هذه هي الطريقة التي تنشأ بها إلكترونات التوصيل، وهو ما يفسر الموصلية الكهربائية العالية للمعادن. في البلورات الأيونية والتساهمية تكون الإلكترونات الخارجية مرتبطة عمليا، وتكون موصلية هذه المواد الصلبة صغيرة جدا، وتسمى العوازل.
يتم تحديد الطاقة الداخلية للسوائل من خلال مجموع الطاقات الداخلية للأنظمة الفرعية العيانية التي يمكن تقسيمها عقليًا، وطاقات تفاعل هذه الأنظمة الفرعية. يتم التفاعل من خلال قوى جزيئية يبلغ نصف قطر تأثيرها حوالي 10 -9 م. بالنسبة للأنظمة الكبيرة، تتناسب طاقة التفاعل مع مساحة التلامس، لذا فهي صغيرة، مثل جزء الطبقة السطحية، ولكن هذا ليس ضروري. وتسمى الطاقة السطحية ويجب أن تؤخذ بعين الاعتبار في المشاكل المتعلقة بالتوتر السطحي. عادة، تحتل السوائل حجمًا أكبر بوزن متساوٍ، أي أن لها كثافة أقل. ولكن لماذا تتناقص أحجام الجليد والبزموت أثناء الذوبان، وحتى بعد نقطة الانصهار، تحافظ على هذا الاتجاه لبعض الوقت؟ وتبين أن هذه المواد في الحالة السائلة تكون أكثر كثافة.
في السائل، يتم التأثير على كل ذرة من قبل جيرانها، وتتأرجح داخل بئر الإمكانات متباين الخواص الذي تخلقه. على عكس الجسم الصلب، فإن هذه الحفرة ضحلة، حيث أن الجيران البعيدين ليس لديهم أي تأثير تقريبًا. تتغير البيئة المباشرة للجزيئات في السائل، أي يتدفق السائل. عند الوصول إلى درجة حرارة معينة، يغلي السائل أثناء الغليان، وتبقى درجة الحرارة ثابتة. يتم إنفاق الطاقة الواردة على كسر الروابط، ويتحول السائل عند كسره بالكامل إلى غاز.
كثافة السوائل أكبر بكثير من كثافة الغازات عند نفس الضغوط ودرجات الحرارة. وبذلك يكون حجم الماء عند الغليان 1/1600 فقط من حجم نفس كتلة بخار الماء. حجم السائل يعتمد قليلا على الضغط ودرجة الحرارة. في الظروف العادية (20 درجة مئوية والضغط 1.013 10 5 باسكال)، يشغل الماء حجمًا قدره 1 لتر. عندما تنخفض درجة الحرارة إلى 10 درجات مئوية، ينخفض الحجم بمقدار 0.0021 فقط، وعندما يزيد الضغط، ينخفض بمقدار النصف.
على الرغم من عدم وجود نموذج مثالي بسيط للسائل حتى الآن، فقد تمت دراسة بنيته المجهرية بشكل كافٍ مما يجعل من الممكن تفسير معظم خصائصه العيانية نوعيًا. حقيقة أن تماسك الجزيئات في السوائل أضعف منه في الجسم الصلب، لاحظه جاليليو؛ وتفاجأ بتراكم قطرات كبيرة من الماء على أوراق الكرنب ولم تنتشر فوق الورقة. الزئبق المسكوب أو قطرات الماء على سطح دهني تأخذ شكل كرات صغيرة بسبب التصاقها. إذا انجذبت جزيئات مادة ما إلى جزيئات مادة أخرى، فإننا نتحدث عن ذلك ترطيب،على سبيل المثال، الغراء والخشب والزيت والمعادن (على الرغم من الضغط الهائل، يتم الاحتفاظ بالزيت في المحامل). لكن الماء يرتفع في أنابيب رفيعة تسمى الشعيرات الدموية، وكلما كانت الأنبوبة أرق كلما ارتفع إلى أعلى. ولا يمكن أن يكون هناك تفسير آخر غير تأثير تبليل الماء والزجاج. إن قوى الترطيب بين الزجاج والماء أكبر منها بين جزيئات الماء. أما بالنسبة للزئبق فإن التأثير يكون عكسيا: حيث يكون تبلل الزئبق والزجاج أضعف من قوى الالتصاق بين ذرات الزئبق. لاحظ جاليليو أن الإبرة المزيتة بالدهون يمكن أن تطفو على الماء، على الرغم من أن هذا يتعارض مع قانون أرخميدس. عندما تطفو الإبرة، يمكنك ذلك
لكن لاحظ انحرافًا طفيفًا لسطح الماء، محاولًا تقويمه كما كان. قوى الالتصاق بين جزيئات الماء كافية لمنع سقوط الإبرة في الماء. الطبقة السطحية تحمي الماء مثل الفيلم التوتر السطحي،والتي تميل إلى إعطاء شكل الماء أصغر سطح – كروي. لكن الإبرة لن تطفو على سطح الكحول، لأنه عند إضافة الكحول إلى الماء، ينخفض التوتر السطحي وتغوص الإبرة. يقلل الصابون أيضًا من التوتر السطحي، لذا فإن رغوة الصابون الساخنة، التي تخترق الشقوق والشقوق، تغسل الأوساخ بشكل أفضل، خاصة تلك التي تحتوي على الشحوم، في حين أن الماء النظيف سوف يلتف ببساطة إلى قطرات.
البلازما هي الحالة الرابعة للمادة، وهي عبارة عن غاز يتكون من مجموعة من الجزيئات المشحونة التي تتفاعل عبر مسافات طويلة. وفي هذه الحالة يكون عدد الشحنات الموجبة والسالبة متساويًا تقريبًا، بحيث تكون البلازما محايدة كهربائيًا. من العناصر الأربعة، البلازما يتوافق مع النار. لتحويل الغاز إلى حالة البلازما، يجب أن يكون تأين،إزالة الإلكترونات من الذرات. يمكن أن يتم التأين عن طريق التسخين أو التفريغ الكهربائي أو الإشعاع الصلب. المادة في الكون هي في الأساس في حالة مؤينة. في النجوم، يحدث التأين حراريا، في السدم المتخلخلة والغاز بين النجوم - عن طريق الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن النجوم. تتكون شمسنا أيضًا من البلازما؛ ويعمل إشعاعها على تأين الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض، والتي تسمى الأيونوسفير,تعتمد إمكانية الاتصال اللاسلكي لمسافات طويلة على حالتها. في الظروف الأرضية، نادرا ما توجد البلازما - في مصابيح الفلورسنت أو في قوس اللحام الكهربائي. في المختبرات والتكنولوجيا، يتم الحصول على البلازما في أغلب الأحيان عن طريق التفريغ الكهربائي. في الطبيعة، البرق يفعل هذا. أثناء التأين عن طريق التفريغ، تحدث انهيارات إلكتروناتية، على غرار عملية التفاعل المتسلسل. للحصول على الطاقة النووية الحرارية، يتم استخدام طريقة الحقن: يتم حقن أيونات الغاز المتسارعة إلى سرعات عالية جدًا في مصائد مغناطيسية، مما يجذب الإلكترونات من البيئة، ويشكل البلازما. ويستخدم أيضًا التأين بالضغط - موجات الصدمة. تحدث طريقة التأين هذه في النجوم فائقة الكثافة وربما في قلب الأرض.
أي قوة تؤثر على الأيونات والإلكترونات تسبب تيارًا كهربائيًا. وإذا لم يكن مقترنًا بحقول خارجية ولم يكن منغلقًا داخل البلازما فإنه يصبح مستقطبًا. تخضع البلازما لقوانين الغاز، ولكن عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي، والذي ينظم حركة الجسيمات المشحونة، فإنها تظهر خصائص غير عادية تمامًا بالنسبة للغاز. في المجال المغناطيسي القوي، تبدأ الجسيمات بالدوران حول خطوط المجال، وتتحرك بحرية على طول المجال المغناطيسي. يقولون أن هذه الحركة الحلزونية تغير بنية خطوط المجال ويتم "تجميد" المجال في البلازما. يتم وصف البلازما النادرة بواسطة نظام من الجسيمات، بينما يتم وصف البلازما الأكثر كثافة بواسطة النموذج السائل.
الموصلية الكهربائية العالية للبلازما هي الفرق الرئيسي بينها وبين الغاز. تصل موصلية البلازما الباردة للسطح الشمسي (0.8 · 10 -19 ي) إلى موصلية المعادن، وعند درجة الحرارة النووية الحرارية (1.6 · 10 -15 ي) تقوم بلازما الهيدروجين بتوصيل التيار أفضل 20 مرة من النحاس في الظروف العادية. وبما أن البلازما قادرة على توصيل التيار، فغالبًا ما يتم تطبيق نموذج السائل الموصل عليها. ويعتبر وسطاً مستمراً، رغم أن قابليته للانضغاط تميزه عن السائل العادي، إلا أن هذا الاختلاف لا يظهر إلا في التدفقات التي تكون سرعتها أكبر من سرعة الصوت. تتم دراسة سلوك السائل الموصل في علم يسمى الهيدروديناميكية المغناطيسية.في الفضاء، أي بلازما هي موصل مثالي، وقوانين المجال المتجمد لها تطبيق واسع. يتيح لنا نموذج السائل الموصل فهم آلية حبس البلازما بواسطة المجال المغناطيسي. وهكذا تنبعث تيارات البلازما من الشمس، مما يؤثر على الغلاف الجوي للأرض. لا يحتوي التدفق نفسه على مجال مغناطيسي، ولكن لا يمكن أن يخترقه مجال غريب وفقًا لقانون التجميد. تدفع تيارات البلازما الشمسية المجالات المغناطيسية الخارجية بين الكواكب خارج محيط الشمس. يظهر التجويف المغناطيسي حيث يكون المجال أضعف. وعندما تقترب هذه التدفقات من البلازما الجسيمية من الأرض، فإنها تصطدم بالمجال المغناطيسي للأرض وتضطر إلى التدفق حولها وفق نفس القانون. اتضح أنه نوع من التجويف حيث يتم جمع المجال المغناطيسي وحيث لا تخترق تدفقات البلازما. تتراكم على سطحه الجسيمات المشحونة التي تم اكتشافها بواسطة الصواريخ والأقمار الصناعية - وهذا هو حزام الإشعاع الخارجي للأرض. كما تم استخدام هذه الأفكار في حل مشاكل حبس البلازما بواسطة مجال مغناطيسي في أجهزة خاصة - توكاماك (من اختصار الكلمات: غرفة حلقية، مغناطيس). مع وجود البلازما المتأينة بالكامل في هذه الأنظمة وغيرها، تُعلق الآمال على الحصول على تفاعل نووي حراري يمكن التحكم فيه على الأرض. وهذا من شأنه أن يوفر مصدرًا نظيفًا ورخيصًا للطاقة (مياه البحر). ويجري العمل أيضًا لإنتاج البلازما والاحتفاظ بها باستخدام إشعاع الليزر المركز.
تمت مناقشة الأسئلة حول حالة التجميع، وما هي خصائص وخصائص المواد الصلبة والسوائل والغازات، في العديد من الدورات التدريبية. هناك ثلاث حالات كلاسيكية للمادة، مع سماتها الهيكلية المميزة. ويعتبر فهمهم نقطة مهمة في فهم علوم الأرض والكائنات الحية والأنشطة الصناعية. وتدرس هذه الأسئلة الفيزياء والكيمياء والجغرافيا والجيولوجيا والكيمياء الفيزيائية وغيرها من التخصصات العلمية. المواد التي تكون، في ظل ظروف معينة، في أحد الأنواع الثلاثة الأساسية للحالة يمكن أن تتغير مع زيادة أو نقصان في درجة الحرارة والضغط. دعونا ننظر في التحولات المحتملة من حالة التجمع إلى أخرى، كما تحدث في الطبيعة والتكنولوجيا والحياة اليومية.
ما هي حالة التجميع؟
الكلمة ذات الأصل اللاتيني "aggrego" المترجمة إلى الروسية تعني "الانضمام". يشير المصطلح العلمي إلى حالة نفس الجسم، المادة. إن وجود المواد الصلبة والغازات والسوائل عند درجات حرارة معينة وضغوط مختلفة هو سمة مميزة لجميع قذائف الأرض. بالإضافة إلى حالات التجميع الأساسية الثلاث، هناك أيضًا حالة رابعة. عند درجة حرارة مرتفعة وضغط ثابت، يتحول الغاز إلى بلازما. لفهم ما هي حالة التجميع بشكل أفضل، من الضروري أن نتذكر أصغر الجزيئات التي تشكل المواد والأجسام.
يوضح الرسم البياني أعلاه: أ - الغاز؛ ب - السائل؛ ج- جسم صلب. في مثل هذه الصور، تشير الدوائر إلى العناصر الهيكلية للمواد. وهذا رمز؛ في الواقع، الذرات والجزيئات والأيونات ليست كرات صلبة. تتكون الذرات من نواة موجبة الشحنة تتحرك حولها الإلكترونات سالبة الشحنة بسرعة عالية. تساعد المعرفة حول البنية المجهرية للمادة على فهم الاختلافات الموجودة بين الأشكال المجمعة المختلفة بشكل أفضل.
أفكار حول العالم الصغير: من اليونان القديمة إلى القرن السابع عشر
ظهرت المعلومات الأولى عن الجزيئات التي تشكل الأجسام المادية في اليونان القديمة. قدم المفكران ديموقريطس وأبيقور مفهومًا مثل الذرة. لقد اعتقدوا أن هذه الجزيئات الأصغر غير القابلة للتجزئة من المواد المختلفة لها شكل وأحجام معينة وقادرة على الحركة والتفاعل مع بعضها البعض. أصبحت النظرية الذرية أكثر التعاليم تقدمًا في اليونان القديمة في وقتها. لكن تطورها تباطأ في العصور الوسطى. منذ ذلك الحين تعرض العلماء للاضطهاد من قبل محاكم التفتيش التابعة للكنيسة الرومانية الكاثوليكية. لذلك، حتى العصر الحديث، لم يكن هناك مفهوم واضح لحالة المادة. فقط بعد القرن السابع عشر، قام العلماء R. Boyle، M. Lomonosov، D. Dalton، A. Lavoisier بصياغة أحكام النظرية الذرية الجزيئية، التي لم تفقد أهميتها اليوم.
الذرات والجزيئات والأيونات - جزيئات مجهرية لبنية المادة
حدث تقدم كبير في فهم العالم الصغير في القرن العشرين، عندما تم اختراع المجهر الإلكتروني. مع الأخذ في الاعتبار الاكتشافات التي قام بها العلماء في وقت سابق، كان من الممكن تجميع صورة متماسكة للعالم الصغير. النظريات التي تصف حالة وسلوك أصغر جسيمات المادة معقدة للغاية، فهي تتعلق بمجال فهم خصائص الحالات التجميعية المختلفة للمادة، يكفي معرفة أسماء وخصائص الجسيمات الهيكلية الرئيسية التي تتشكل؛ مواد مختلفة.
- الذرات هي جسيمات غير قابلة للتجزئة كيميائيا. يتم حفظها في التفاعلات الكيميائية، ولكن يتم تدميرها في التفاعلات النووية. تتمتع المعادن والعديد من المواد الأخرى ذات البنية الذرية بحالة تجميع صلبة في الظروف العادية.
- الجزيئات هي جزيئات تتحلل وتتشكل في التفاعلات الكيميائية. الأكسجين، الماء، ثاني أكسيد الكربون، الكبريت. الحالة الفيزيائية للأكسجين والنيتروجين وثاني أكسيد الكبريت والكربون والأكسجين في الظروف العادية هي غازية.
- الأيونات هي الجسيمات المشحونة التي تتحول إليها الذرات والجزيئات عندما تكتسب أو تفقد إلكترونات، وهي جسيمات مجهرية سالبة الشحنة. العديد من الأملاح لها بنية أيونية، على سبيل المثال ملح الطعام وكبريتات الحديد وكبريتات النحاس.
هناك مواد تتواجد جزيئاتها في الفضاء بطريقة معينة. يسمى الوضع المتبادل المنظم للذرات والأيونات والجزيئات بالشبكة البلورية. عادةً ما تكون الشبكات البلورية الأيونية والذرية مميزة للمواد الصلبة والجزيئية للسوائل والغازات. يتميز الماس بصلابته العالية. وتتكون شبكتها البلورية الذرية من ذرات الكربون. لكن الجرافيت الناعم يتكون أيضًا من ذرات هذا العنصر الكيميائي. فقط هم موجودون بشكل مختلف في الفضاء. الحالة المعتادة لتجميع الكبريت صلبة، ولكن عند درجات الحرارة المرتفعة تتحول المادة إلى كتلة سائلة وغير متبلورة.
المواد في حالة صلبة من التجميع
تحتفظ المواد الصلبة في الظروف العادية بحجمها وشكلها. على سبيل المثال، حبة رمل، حبة سكر، ملح، قطعة من الصخر أو المعدن. إذا قمت بتسخين السكر، تبدأ المادة في الذوبان، وتتحول إلى سائل بني لزج. دعونا نتوقف عن التسخين وسنحصل على مادة صلبة مرة أخرى. وهذا يعني أن أحد الشروط الرئيسية لانتقال المادة الصلبة إلى سائل هو تسخينها أو زيادة الطاقة الداخلية لجزيئات المادة. يمكن أيضًا تغيير الحالة الصلبة لتجمع الملح المستخدم في الطعام. ولكن لإذابة ملح الطعام، هناك حاجة إلى درجة حرارة أعلى مما كانت عليه عند تسخين السكر. الحقيقة هي أن السكر يتكون من جزيئات، وملح الطعام يتكون من أيونات مشحونة تنجذب بقوة أكبر لبعضها البعض. لا تحتفظ المواد الصلبة السائلة بشكلها بسبب تدمير الشبكات البلورية.
يتم تفسير الحالة الإجمالية السائلة للملح عند الذوبان من خلال كسر الروابط بين الأيونات الموجودة في البلورات. يتم إطلاق الجسيمات المشحونة التي يمكنها حمل الشحنات الكهربائية. الأملاح المنصهرة توصل الكهرباء وهي موصلة. وفي الصناعات الكيميائية والمعدنية والهندسية، يتم تحويل المواد الصلبة إلى سوائل لإنتاج مركبات جديدة أو إعطائها أشكالاً مختلفة. أصبحت السبائك المعدنية واسعة الانتشار. هناك عدة طرق للحصول عليها مرتبطة بالتغيرات في حالة تجميع المواد الخام الصلبة.
السائل هو أحد الحالات الأساسية للتجميع
إذا قمت بصب 50 مل من الماء في دورق ذو قاع مستدير، ستلاحظ أن المادة ستأخذ على الفور شكل وعاء كيميائي. ولكن بمجرد أن نسكب الماء من القارورة، سينتشر السائل على الفور على سطح الطاولة. سيبقى حجم الماء كما هو - 50 مل، لكن شكله سيتغير. الميزات المذكورة هي سمة من سمات الشكل السائل لوجود المادة. العديد من المواد العضوية هي سوائل: الكحوليات والزيوت النباتية والأحماض.
والحليب مستحلب، أي سائل يحتوي على قطرات من الدهن. المورد السائل المفيد هو النفط. يتم استخراجه من الآبار باستخدام منصات الحفر على الأرض وفي المحيط. مياه البحر هي أيضا مادة خام للصناعة. ويكمن اختلافه عن المياه العذبة في الأنهار والبحيرات في محتوى المواد الذائبة، وخاصة الأملاح. عند التبخر من سطح الخزانات، تمر جزيئات H 2 O فقط إلى حالة البخار، وتبقى المواد المذابة. تعتمد طرق الحصول على مواد مفيدة من مياه البحر وطرق تنقيتها على هذه الخاصية.
وعندما تتم إزالة الأملاح بالكامل، يتم الحصول على الماء المقطر. يغلي عند 100 درجة مئوية ويتجمد عند 0 درجة مئوية. تغلي المحاليل الملحية وتتحول إلى ثلج عند درجات حرارة أخرى. على سبيل المثال، يتجمد الماء في المحيط المتجمد الشمالي عند درجة حرارة سطحية قدرها 2 درجة مئوية.
الحالة الفيزيائية للزئبق في الظروف العادية تكون سائلة. يستخدم هذا المعدن ذو اللون الرمادي الفضي عادة لملء موازين الحرارة الطبية. عند تسخينه، يرتفع عمود الزئبق على الميزان وتتوسع المادة. لماذا يتم استخدام الكحول الملون بالطلاء الأحمر وليس الزئبق؟ ويفسر ذلك خصائص المعدن السائل. عند درجة حرارة 30 درجة صقيع، تتغير حالة تجمع الزئبق، وتصبح المادة صلبة.
إذا انكسر مقياس الحرارة الطبي وانسكب الزئبق، فإن جمع الكرات الفضية بيديك أمر خطير. من المضر استنشاق بخار الزئبق، فهذه المادة شديدة السمية. في مثل هذه الحالات، يحتاج الأطفال إلى اللجوء إلى والديهم والكبار للحصول على المساعدة.
الحالة الغازية
الغازات غير قادرة على الحفاظ على حجمها أو شكلها. دعونا نملأ القارورة إلى الأعلى بالأكسجين (صيغته الكيميائية هي O2). بمجرد فتح القارورة، ستبدأ جزيئات المادة في الاختلاط مع الهواء الموجود في الغرفة. يحدث هذا بسبب الحركة البراونية. حتى العالم اليوناني القديم ديموقريطس كان يعتقد أن جزيئات المادة في حركة مستمرة. في المواد الصلبة، في ظل الظروف العادية، لا تتاح للذرات والجزيئات والأيونات الفرصة لمغادرة الشبكة البلورية أو تحرير نفسها من الروابط مع الجزيئات الأخرى. وهذا ممكن فقط عندما يتم توفير كمية كبيرة من الطاقة من الخارج.
في السوائل، تكون المسافة بين الجزيئات أكبر قليلاً مما هي عليه في المواد الصلبة؛ فهي تتطلب طاقة أقل لكسر الروابط بين الجزيئات. على سبيل المثال، يتم ملاحظة الحالة السائلة للأكسجين فقط عندما تنخفض درجة حرارة الغاز إلى -183 درجة مئوية. عند -223 درجة مئوية، تشكل جزيئات O 2 مادة صلبة. وعندما ترتفع درجة الحرارة عن هذه القيم، يتحول الأكسجين إلى غاز. وفي هذا الشكل يتم العثور عليه في الظروف العادية. تقوم المؤسسات الصناعية بتشغيل منشآت خاصة لفصل الهواء الجوي والحصول على النيتروجين والأكسجين منه. أولا، يتم تبريد الهواء وتسييله، ومن ثم يتم زيادة درجة الحرارة تدريجيا. يتحول النيتروجين والأكسجين إلى غازات تحت ظروف مختلفة.
يحتوي الغلاف الجوي للأرض على 21% من حجم الأكسجين و78% نيتروجين. ولا توجد هذه المواد في صورة سائلة في الغلاف الغازي للكوكب. الأكسجين السائل لونه أزرق فاتح ويستخدم لملء الأسطوانات تحت ضغط مرتفع لاستخدامه في الإعدادات الطبية. في الصناعة والبناء، هناك حاجة إلى الغازات المسالة لتنفيذ العديد من العمليات. الأكسجين ضروري لحام الغاز وقطع المعادن، وفي الكيمياء لتفاعلات الأكسدة للمواد غير العضوية والعضوية. إذا قمت بفتح صمام أسطوانة الأكسجين، ينخفض الضغط ويتحول السائل إلى غاز.
ويستخدم البروبان والميثان والبيوتان المسال على نطاق واسع في مجالات الطاقة والنقل والصناعة والأنشطة المنزلية. يتم الحصول على هذه المواد من الغاز الطبيعي أو أثناء تكسير (تقسيم) المواد الخام البترولية. تلعب مخاليط الكربون السائلة والغازية دورًا مهمًا في اقتصادات العديد من البلدان. لكن احتياطيات النفط والغاز الطبيعي مستنزفة بشدة. وفقا للعلماء، فإن هذه المادة الخام سوف تستمر لمدة 100-120 سنة. مصدر بديل للطاقة هو تدفق الهواء (الرياح). وتستخدم الأنهار والمد والجزر سريعة الجريان على شواطئ البحار والمحيطات لتشغيل محطات توليد الطاقة.
الأكسجين، مثل الغازات الأخرى، يمكن أن يكون في الحالة الرابعة من التجميع، وهو ما يمثل البلازما. يعد الانتقال غير المعتاد من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية سمة مميزة لليود البلوري. تخضع المادة الأرجوانية الداكنة للتسامي - فهي تتحول إلى غاز متجاوزة الحالة السائلة.
كيف تتم التحولات من شكل مجمع للمادة إلى شكل آخر؟
لا ترتبط التغيرات في الحالة الإجمالية للمواد بالتحولات الكيميائية، فهذه ظواهر فيزيائية. مع ارتفاع درجة الحرارة، تذوب العديد من المواد الصلبة وتتحول إلى سوائل. يمكن أن تؤدي الزيادة الإضافية في درجة الحرارة إلى التبخر، أي إلى الحالة الغازية للمادة. في الطبيعة والاقتصاد، تتميز هذه التحولات بإحدى المواد الرئيسية على الأرض. الجليد والسائل والبخار هي حالات من الماء تحت ظروف خارجية مختلفة. المركب هو نفسه، صيغته هي H 2 O. عند درجة حرارة 0 درجة مئوية وأقل من هذه القيمة، يتبلور الماء، أي يتحول إلى جليد. مع ارتفاع درجة الحرارة، يتم تدمير البلورات الناتجة - يذوب الجليد، ويتم الحصول على الماء السائل مرة أخرى. عند تسخينه، يتشكل التبخر - تحول الماء إلى غاز - حتى في درجات الحرارة المنخفضة. على سبيل المثال، تختفي البرك المتجمدة تدريجيًا بسبب تبخر الماء. حتى في الطقس البارد، يجف الغسيل الرطب، لكن هذه العملية تستغرق وقتًا أطول مما تستغرقه في يوم حار.
جميع تحولات المياه المدرجة من دولة إلى أخرى لها أهمية كبيرة بالنسبة لطبيعة الأرض. ترتبط الظواهر الجوية والمناخ والطقس بتبخر الماء من سطح المحيط العالمي، وانتقال الرطوبة على شكل غيوم وضباب إلى الأرض، وهطول الأمطار (المطر والثلج والبرد). تشكل هذه الظواهر أساس دورة المياه العالمية في الطبيعة.
كيف تتغير الحالات الإجمالية للكبريت؟
في الظروف العادية يكون الكبريت عبارة عن بلورات لامعة لامعة أو مسحوق أصفر فاتح، أي أنه مادة صلبة. تتغير الحالة الفيزيائية للكبريت عند تسخينه. أولاً، عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 190 درجة مئوية، تذوب المادة الصفراء، وتتحول إلى سائل متنقل.
إذا قمت بصب الكبريت السائل بسرعة في الماء البارد، فستحصل على كتلة بنية غير متبلورة. مع زيادة تسخين ذوبان الكبريت، يصبح أكثر لزوجة وأكثر قتامة. عند درجات حرارة أعلى من 300 درجة مئوية، تتغير حالة تجميع الكبريت مرة أخرى، وتكتسب المادة خصائص السائل وتصبح متحركة. تنشأ هذه التحولات بسبب قدرة ذرات العنصر على تكوين سلاسل ذات أطوال مختلفة.
لماذا يمكن أن تكون المواد في حالات فيزيائية مختلفة؟
حالة تجمع الكبريت، وهو مادة بسيطة، تكون صلبة في الظروف العادية. ثاني أكسيد الكبريت هو غاز، وحمض الكبريتيك هو سائل زيتي أثقل من الماء. وعلى عكس أحماض الهيدروكلوريك والنيتريك، فهو غير متطاير؛ ولا تتبخر جزيئاته من سطحه. ما هي حالة التجميع التي يمتلكها الكبريت البلاستيكي، والذي يتم الحصول عليه عن طريق تسخين البلورات؟
في شكلها غير المتبلور، تحتوي المادة على هيكل سائل، مع سيولة ضئيلة. لكن الكبريت البلاستيكي يحتفظ في نفس الوقت بشكله (كمادة صلبة). هناك بلورات سائلة لها عدد من الخصائص المميزة للمواد الصلبة. وبالتالي، فإن حالة المادة في ظل ظروف مختلفة تعتمد على طبيعتها ودرجة حرارتها وضغطها والظروف الخارجية الأخرى.
ما هي الميزات الموجودة في بنية المواد الصلبة؟
يتم تفسير الاختلافات الموجودة بين الحالات الإجمالية الأساسية للمادة من خلال التفاعل بين الذرات والأيونات والجزيئات. على سبيل المثال، لماذا تؤدي الحالة الصلبة للمادة إلى قدرة الأجسام على الحفاظ على الحجم والشكل؟ في الشبكة البلورية للمعدن أو الملح، تنجذب الجزيئات الهيكلية إلى بعضها البعض. في المعادن، تتفاعل الأيونات الموجبة الشحنة مع ما يسمى "غاز الإلكترون"، وهو عبارة عن مجموعة من الإلكترونات الحرة في قطعة من المعدن. تنشأ بلورات الملح نتيجة لجذب الجزيئات المشحونة بشكل معاكس - الأيونات. المسافة بين الوحدات الهيكلية المذكورة أعلاه للمواد الصلبة أصغر بكثير من أحجام الجسيمات نفسها. في هذه الحالة، يعمل الجذب الكهروستاتيكي، فهو يضفي القوة، لكن التنافر ليس قويًا بدرجة كافية.
لتدمير الحالة الصلبة لتجميع المادة، يجب بذل الجهد. تذوب المعادن والأملاح والبلورات الذرية عند درجات حرارة عالية جدًا. على سبيل المثال، يصبح الحديد سائلاً عند درجات حرارة أعلى من 1538 درجة مئوية. التنغستن مادة حرارية وتستخدم في صناعة الخيوط المتوهجة للمصابيح الكهربائية. هناك سبائك تصبح سائلة عند درجات حرارة أعلى من 3000 درجة مئوية. كثيرون على الأرض في حالة صلبة. ويتم استخراج هذه المواد الخام باستخدام التكنولوجيا في المناجم والمحاجر.
لفصل أيون واحد من البلورة، يجب إنفاق كمية كبيرة من الطاقة. لكن يكفي إذابة الملح في الماء حتى تتفكك الشبكة البلورية! يتم تفسير هذه الظاهرة من خلال الخصائص المذهلة للمياه كمذيب قطبي. تتفاعل جزيئات H2O مع أيونات الملح، مما يؤدي إلى تدمير الرابطة الكيميائية بينهما. وبالتالي، فإن الذوبان ليس مجرد خلط لمواد مختلفة، بل هو تفاعل فيزيائي وكيميائي بينهما.
كيف تتفاعل الجزيئات السائلة؟
يمكن أن يكون الماء سائلاً، وصلباً، وغازياً (بخار). هذه هي الحالات الأساسية للتجميع في ظل الظروف العادية. تتكون جزيئات الماء من ذرة أكسجين واحدة ترتبط بها ذرتان هيدروجين. ويحدث استقطاب الرابطة الكيميائية في الجزيء، وتظهر شحنة سالبة جزئية على ذرات الأكسجين. ويصبح الهيدروجين هو القطب الموجب في الجزيء، حيث تنجذب إليه ذرة الأكسجين في جزيء آخر. وهذا ما يسمى "الترابط الهيدروجيني".
تتميز الحالة السائلة للتجميع بوجود مسافات بين الجزيئات الهيكلية مماثلة لأحجامها. الجذب موجود ولكنه ضعيف فلا يحتفظ الماء بشكله. يحدث التبخر بسبب تدمير الروابط التي تحدث على سطح السائل حتى في درجة حرارة الغرفة.
هل هناك تفاعلات بين الجزيئات في الغازات؟
تختلف الحالة الغازية للمادة عن الحالة السائلة والصلبة في عدد من العوامل. هناك فجوات كبيرة بين الجزيئات الهيكلية للغازات، أكبر بكثير من أحجام الجزيئات. في هذه الحالة، لا تعمل قوى الجذب على الإطلاق. حالة التجميع الغازية هي سمة من سمات المواد الموجودة في الهواء: النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون. في الصورة أدناه، المكعب الأول مملوء بالغاز، والثاني بالسائل، والثالث بالصلب.
العديد من السوائل متطايرة؛ حيث تنفصل جزيئات المادة عن سطحها وتنتقل إلى الهواء. على سبيل المثال، إذا أحضرت قطعة قطن مغموسة في الأمونيا إلى فتحة زجاجة حمض الهيدروكلوريك المفتوحة، فسيظهر دخان أبيض. يحدث تفاعل كيميائي بين حمض الهيدروكلوريك والأمونيا في الهواء مباشرة، مما يؤدي إلى إنتاج كلوريد الأمونيوم. في أي حالة من التجمع هي هذه المادة؟ جزيئاته التي تشكل الدخان الأبيض هي بلورات صلبة صغيرة من الملح. يجب إجراء هذه التجربة تحت غطاء محرك السيارة؛ فالمواد سامة.
خاتمة
تمت دراسة حالة تجميع الغاز من قبل العديد من الفيزيائيين والكيميائيين البارزين: أفوجادرو، بويل، جاي لوساك، كلايبيرون، منديليف، لو شاتيليه. لقد صاغ العلماء قوانين تشرح سلوك المواد الغازية في التفاعلات الكيميائية عندما تتغير الظروف الخارجية. لم يتم تضمين الأنماط المفتوحة في الكتب المدرسية والجامعية في الفيزياء والكيمياء فقط. تعتمد العديد من الصناعات الكيميائية على المعرفة حول سلوك وخصائص المواد في حالات التجميع المختلفة.
المعرفة الأكثر شيوعا هي حول ثلاث حالات التجميع: السائل، الصلب، الغازي؛ في بعض الأحيان يتذكرون البلازما، في كثير من الأحيان بلورية سائلة. في الآونة الأخيرة، انتشرت على شبكة الإنترنت قائمة مكونة من 17 مرحلة للمادة، مأخوذة من () ستيفن فراي الشهير. لذلك سنخبركم عنها بمزيد من التفصيل، لأن... يجب أن تعرف المزيد عن المادة، فقط من أجل فهم أفضل للعمليات التي تحدث في الكون.
قائمة الحالات الإجمالية للمادة الواردة أدناه تزداد من الحالات الباردة إلى الحالات الأكثر سخونة، وما إلى ذلك. يمكن أن يستمر. وفي الوقت نفسه، ينبغي أن يكون مفهوما أنه من الحالة الغازية (رقم 11)، الأكثر "غير مضغوطة"، إلى جانبي القائمة، درجة ضغط المادة وضغطها (مع بعض التحفظات على مثل هذه المواد غير المدروسة تزداد الحالات الافتراضية مثل الكم أو الشعاع أو التناظر الضعيف) بعد النص، يظهر رسم بياني مرئي للتحولات الطورية للمادة.
1. الكم- حالة تجميع المادة، تتحقق عندما تنخفض درجة الحرارة إلى الصفر المطلق، ونتيجة لذلك تختفي الروابط الداخلية وتتفتت المادة إلى كواركات حرة.
2. مكثفات بوز-آينشتاين- حالة من تجميع المادة، أساسها البوزونات، يتم تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق (أقل من جزء من المليون من الدرجة فوق الصفر المطلق). في مثل هذه الحالة شديدة البرودة، يجد عدد كبير بما فيه الكفاية من الذرات نفسها في أدنى حالاتها الكمومية الممكنة وتبدأ التأثيرات الكمومية في الظهور على المستوى العياني. يحدث تكاثف بوز-آينشتاين (غالبًا ما يسمى مكثف بوز، أو ببساطة "بيك") عند تبريد عنصر كيميائي إلى درجات حرارة منخفضة للغاية (عادةً أعلى بقليل من الصفر المطلق، سالب 273 درجة مئوية، هي درجة الحرارة النظرية التي يحدث عندها كل شيء). يتوقف عن الحركة).
هذا هو المكان الذي تبدأ فيه أشياء غريبة تمامًا في الحدوث للمادة. العمليات التي تتم ملاحظتها عادةً على المستوى الذري فقط تحدث الآن على مقاييس كبيرة بما يكفي لمراقبتها بالعين المجردة. على سبيل المثال، إذا وضعت "الخلف" في كوب مختبري وقمت بتوفير درجة الحرارة المطلوبة، فستبدأ المادة في الزحف إلى أعلى الجدار وتخرج في النهاية من تلقاء نفسها.
على ما يبدو، نحن هنا نتعامل مع محاولة غير مجدية من قبل مادة لخفض طاقتها (والتي هي بالفعل في أدنى المستويات الممكنة).
يؤدي إبطاء الذرات باستخدام معدات التبريد إلى إنتاج حالة كمومية فريدة تُعرف باسم مكثف بوز، أو بوز-آينشتاين. تم التنبؤ بهذه الظاهرة في عام 1925 من قبل أ. أينشتاين، نتيجة لتعميم عمل س. بوز، حيث تم بناء الميكانيكا الإحصائية لجسيمات تتراوح من الفوتونات عديمة الكتلة إلى الذرات ذات الكتلة (تم اكتشاف مخطوطة أينشتاين، التي تعتبر مفقودة). في مكتبة جامعة ليدن عام 2005). كانت نتيجة جهود بوز وأينشتاين هي مفهوم بوز للغاز الخاضع لإحصائيات بوز-آينشتاين، والتي تصف التوزيع الإحصائي للجسيمات المتماثلة ذات عدد صحيح من الدوران يسمى البوزونات. البوزونات، والتي هي، على سبيل المثال، جسيمات أولية فردية - فوتونات، وذرات بأكملها، يمكن أن تكون في نفس الحالات الكمومية مع بعضها البعض. اقترح أينشتاين أن تبريد ذرات البوزون إلى درجات حرارة منخفضة جدًا سيؤدي إلى تحولها (أو بمعنى آخر، تكثيفها) إلى أدنى حالة كمومية ممكنة. وستكون نتيجة هذا التكثيف ظهور شكل جديد من المادة.
ويحدث هذا التحول تحت درجة الحرارة الحرجة، وهي بالنسبة لغاز متجانس ثلاثي الأبعاد يتكون من جزيئات غير متفاعلة دون أي درجات حرية داخلية.
3. مكثفات الفرميون- حالة تجميع مادة تشبه الركيزة ولكنها مختلفة في البنية. عندما تقترب الذرات من الصفر المطلق، تتصرف بشكل مختلف اعتمادًا على حجم زخمها الزاوي (الدوران المغزلي). البوزونات لها عدد صحيح من الدوران، في حين أن الفرميونات لها عدد من مضاعفات 1/2 (1/2، 3/2، 5/2). تخضع الفرميونات لمبدأ استبعاد باولي، الذي ينص على أنه لا يمكن لفرميونات أن يكون لهما نفس الحالة الكمومية. لا يوجد مثل هذا الحظر على البوزونات، وبالتالي لديهم الفرصة للوجود في حالة كمومية واحدة وبالتالي تشكيل ما يسمى بمكثفات بوز-آينشتاين. إن عملية تكوين هذا المكثف هي المسؤولة عن الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق.
تدور الإلكترونات بمقدار 1/2، وبالتالي يتم تصنيفها على أنها فرميونات. تتحد في أزواج (تسمى أزواج كوبر)، والتي تشكل بعد ذلك مكثفات بوز.
لقد حاول العلماء الأمريكيون الحصول على نوع من الجزيئات من ذرات الفرميون عن طريق التبريد العميق. كان الاختلاف عن الجزيئات الحقيقية هو عدم وجود رابطة كيميائية بين الذرات، بل ببساطة تحركت معًا بطريقة مترابطة. وتبين أن الرابطة بين الذرات أقوى من الرابطة بين الإلكترونات في أزواج كوبر. تحتوي أزواج الفرميونات الناتجة على دوران إجمالي لم يعد مضاعفًا لـ 1/2، وبالتالي، فهي تتصرف بالفعل مثل البوزونات ويمكنها تشكيل مكثفات بوز بحالة كمومية واحدة. خلال التجربة، تم تبريد غاز من ذرات البوتاسيوم-40 إلى 300 نانوكلفن، بينما تم وضع الغاز في ما يسمى بالمصيدة الضوئية. ثم تم تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، حيث كان من الممكن تغيير طبيعة التفاعلات بين الذرات - بدلا من التنافر القوي، بدأ الجذب القوي في ملاحظةه. عند تحليل تأثير المجال المغناطيسي، كان من الممكن العثور على القيمة التي تبدأ عندها الذرات في التصرف كأزواج كوبر من الإلكترونات. وفي المرحلة التالية من التجربة، يتوقع العلماء الحصول على تأثيرات الموصلية الفائقة لمكثفات الفرميون.
4. مادة فائقة السيولة- حالة تكون فيها المادة عديمة اللزوجة تقريبًا، ولا تتعرض أثناء التدفق للاحتكاك مع سطح صلب. ونتيجة ذلك، على سبيل المثال، هي تأثير مثير للاهتمام مثل "الزحف" التلقائي الكامل للهيليوم فائق السيولة من الوعاء على طول جدرانه ضد قوة الجاذبية. بالطبع، لا يوجد انتهاك لقانون الحفاظ على الطاقة هنا. في غياب قوى الاحتكاك، يتأثر الهيليوم فقط بقوى الجاذبية، وهي قوى التفاعل بين الذرات بين الهيليوم وجدران الوعاء وبين ذرات الهيليوم. لذا فإن قوى التفاعل بين الذرات تفوق جميع القوى الأخرى مجتمعة. ونتيجة لذلك، يميل الهيليوم إلى الانتشار قدر الإمكان على جميع الأسطح الممكنة، وبالتالي "يسافر" على طول جدران الوعاء. في عام 1938، أثبت العالم السوفييتي بيوتر كابيتسا أن الهيليوم يمكن أن يتواجد في حالة سائلة فائقة.
تجدر الإشارة إلى أن العديد من الخصائص غير العادية للهيليوم معروفة منذ بعض الوقت. ومع ذلك، في السنوات الأخيرة، دللنا هذا العنصر الكيميائي بتأثيرات مثيرة للاهتمام وغير متوقعة. لذلك، في عام 2004، أثار موسى تشان وأون سيونج كيم من جامعة بنسلفانيا اهتمام العالم العلمي بإعلان نجاحهما في الحصول على حالة جديدة تمامًا من الهيليوم - وهو مادة صلبة فائقة السوائل. في هذه الحالة، يمكن لبعض ذرات الهيليوم في الشبكة البلورية أن تتدفق حول ذرات أخرى، وبالتالي يمكن أن يتدفق الهيليوم من خلال نفسه. تم التنبؤ بتأثير "الصلابة الفائقة" نظريًا في عام 1969. وبعد ذلك في عام 2004 بدا أن هناك تأكيدًا تجريبيًا. ومع ذلك، أظهرت التجارب اللاحقة والمثيرة للاهتمام أنه ليس كل شيء بهذه البساطة، وربما يكون هذا التفسير لهذه الظاهرة، التي تم قبولها سابقًا على أنها سيولة فائقة للهيليوم الصلب، غير صحيح.
وكانت تجربة العلماء بقيادة همفري ماريس من جامعة براون بالولايات المتحدة الأمريكية بسيطة وأنيقة. وضع العلماء أنبوب اختبار مقلوبًا في خزان مغلق يحتوي على الهيليوم السائل. قاموا بتجميد جزء من الهيليوم في أنبوب الاختبار وفي الخزان بحيث تكون الحدود بين السائل والصلب داخل أنبوب الاختبار أعلى مما كانت عليه في الخزان. بمعنى آخر، في الجزء العلوي من أنبوب الاختبار كان هناك هيليوم سائل، وفي الجزء السفلي كان هناك هيليوم صلب، وقد مر بسلاسة إلى المرحلة الصلبة من الخزان، حيث تم سكب القليل من الهيليوم السائل - أقل من السائل المستوى في أنبوب الاختبار. إذا بدأ الهيليوم السائل بالتسرب عبر الهيليوم الصلب، فإن الفرق في المستويات سينخفض، ومن ثم يمكننا التحدث عن الهيليوم الصلب فائق السيولة. ومن حيث المبدأ، في ثلاث من التجارب الـ 13، انخفض الفرق في المستويات بالفعل.
5. مادة فائقة الصلابة- حالة من التجمع تكون فيها المادة شفافة ويمكن أن "تتدفق" كالسائل، لكنها في الحقيقة خالية من اللزوجة. وقد عرفت هذه السوائل منذ سنوات عديدة باسم السوائل الفائقة. والحقيقة هي أنه إذا تم تحريك السائل الفائق، فإنه سوف يدور إلى الأبد تقريبًا، في حين أن السائل العادي سوف يهدأ في النهاية. تم إنشاء أول سائلين فائقين بواسطة الباحثين باستخدام الهيليوم 4 والهيليوم 3. تم تبريدها إلى الصفر المطلق تقريبًا - 273 درجة مئوية تحت الصفر. ومن الهيليوم -4 تمكن العلماء الأمريكيون من الحصول على جسم فائق الصلابة. وقاموا بضغط الهيليوم المتجمد بضغط أكثر من 60 مرة، ثم وضعوا الزجاج المملوء بالمادة على قرص دوار. عند درجة حرارة 0.175 درجة مئوية، بدأ القرص فجأة بالدوران بحرية أكبر، وهو ما يقول العلماء إنه يشير إلى أن الهيليوم أصبح جسمًا فائقًا.
6. الصلبة- حالة تجمع المادة، تتميز بثبات الشكل وطبيعة الحركة الحرارية للذرات، التي تؤدي اهتزازات صغيرة حول مواضع التوازن. الحالة المستقرة للمواد الصلبة بلورية. هناك مواد صلبة ذات روابط أيونية وتساهمية ومعدنية وأنواع أخرى من الروابط بين الذرات، مما يحدد تنوع خواصها الفيزيائية. تتحدد الخواص الكهربائية وبعض الخواص الأخرى للمواد الصلبة بشكل رئيسي من خلال طبيعة حركة الإلكترونات الخارجية لذراتها. بناءً على خواصها الكهربائية، تنقسم المواد الصلبة إلى عوازل، وأشباه موصلات، ومعادن؛ وبناءً على خواصها المغناطيسية، تنقسم المواد الصلبة إلى أجسام ثنائية مغناطيسية، وشبه مغناطيسية، وأجسام ذات بنية مغناطيسية مرتبة. لقد اندمجت دراسات خصائص المواد الصلبة في مجال كبير - فيزياء الحالة الصلبة، التي تم تحفيز تطويرها من خلال احتياجات التكنولوجيا.
7. مادة صلبة غير متبلورة- حالة تجميع مكثفة لمادة تتميز بتباين الخواص الفيزيائية بسبب الترتيب غير المنتظم للذرات والجزيئات. في المواد الصلبة غير المتبلورة، تهتز الذرات حول نقاط تقع بشكل عشوائي. على عكس الحالة البلورية، يحدث الانتقال من الحالة الصلبة غير المتبلورة إلى الحالة السائلة تدريجيًا. توجد مواد مختلفة في حالة غير متبلورة: الزجاج، والراتنجات، والبلاستيك، وما إلى ذلك.
8. الكريستال السائلهي حالة محددة من تجميع المادة التي تظهر فيها في نفس الوقت خصائص البلورة والسائل. تجدر الإشارة على الفور إلى أنه لا يمكن أن تكون جميع المواد في حالة بلورية سائلة. ومع ذلك، فإن بعض المواد العضوية ذات الجزيئات المعقدة يمكن أن تشكل حالة معينة من التجميع - بلورية سائلة. تحدث هذه الحالة عندما تذوب بلورات بعض المواد. عندما تذوب، يتم تشكيل مرحلة بلورية سائلة، والتي تختلف عن السوائل العادية. توجد هذه المرحلة في المدى من درجة حرارة انصهار البلورة إلى درجة حرارة أعلى، عند تسخينها تتحول البلورة السائلة إلى سائل عادي.
كيف تختلف البلورة السائلة عن البلورة السائلة والعادية وكيف تشبههما؟ مثل السائل العادي، تتمتع البلورة السائلة بالسيولة وتأخذ شكل الوعاء الذي توضع فيه. وهذا يختلف عن البلورات المعروفة لدى الجميع. ومع ذلك، وعلى الرغم من هذه الخاصية التي توحده مع السائل، إلا أنه يمتلك خاصية مميزة للبلورات. هذا هو الترتيب في الفضاء للجزيئات التي تشكل البلورة. صحيح أن هذا الترتيب ليس كاملاً كما هو الحال في البلورات العادية، لكنه مع ذلك يؤثر بشكل كبير على خصائص البلورات السائلة، مما يميزها عن السوائل العادية. يتجلى الترتيب المكاني غير المكتمل للجزيئات التي تشكل البلورة السائلة في حقيقة أنه في البلورات السائلة لا يوجد ترتيب كامل في الترتيب المكاني لمراكز ثقل الجزيئات، على الرغم من أنه قد يكون هناك ترتيب جزئي. هذا يعني أنه ليس لديهم شبكة بلورية صلبة. ولذلك فإن البلورات السائلة، مثل السوائل العادية، لها خاصية السيولة.
الخاصية الإلزامية للبلورات السائلة، والتي تقربها من البلورات العادية، هي وجود ترتيب للتوجه المكاني للجزيئات. يمكن أن يتجلى هذا الترتيب في الاتجاه، على سبيل المثال، في حقيقة أن جميع المحاور الطويلة للجزيئات في عينة بلورية سائلة موجهة بنفس الطريقة. يجب أن يكون لهذه الجزيئات شكل ممدود. بالإضافة إلى أبسط ترتيب مسمى للمحاور الجزيئية، يمكن أن يحدث ترتيب اتجاهي أكثر تعقيدًا للجزيئات في البلورة السائلة.
اعتمادا على نوع ترتيب المحاور الجزيئية، تنقسم البلورات السائلة إلى ثلاثة أنواع: الخيطية، اللزجية والكوليسترولية.
يتم حاليًا إجراء الأبحاث حول فيزياء البلورات السائلة وتطبيقاتها على نطاق واسع في جميع البلدان الأكثر تقدمًا في العالم. وتتركز البحوث المحلية في كل من مؤسسات البحث الأكاديمية والصناعية ولها تقليد طويل. أصبحت أعمال V. K.، التي تم الانتهاء منها في الثلاثينيات في لينينغراد، معروفة ومعترف بها على نطاق واسع. فريدريكس إلى ف.ن. تسفيتكوفا. في السنوات الأخيرة، شهدت الدراسة السريعة للبلورات السائلة قيام الباحثين المحليين أيضًا بتقديم مساهمة كبيرة في تطوير دراسة البلورات السائلة بشكل عام، وعلى وجه الخصوص، بصريات البلورات السائلة. وهكذا فإن أعمال آي جي. تشيستياكوفا، أ.ب. كابوستينا، S.A. برازوفسكي، س. بيكينا، إل إم. بلينوف والعديد من الباحثين السوفييت الآخرين معروفون على نطاق واسع في المجتمع العلمي ويعملون كأساس لعدد من التطبيقات التقنية الفعالة للبلورات السائلة.
لقد تم إثبات وجود البلورات السائلة منذ زمن طويل، أي في عام 1888، أي منذ قرن تقريبًا. ورغم أن العلماء واجهوا هذه الحالة من المادة قبل عام 1888، إلا أنه تم اكتشافها رسميًا لاحقًا.
أول من اكتشف البلورات السائلة كان عالم النبات النمساوي راينيتزر. وأثناء دراسته للمادة الجديدة بنزوات الكولستريل التي قام بتصنيعها، اكتشف أنه عند درجة حرارة 145 درجة مئوية تذوب بلورات هذه المادة، لتشكل سائلاً غائماً ينثر الضوء بقوة. مع استمرار التسخين، عند الوصول إلى درجة حرارة 179 درجة مئوية، يصبح السائل صافيا، أي أنه يبدأ بالتصرف بصريا مثل السائل العادي، على سبيل المثال الماء. أظهرت بنزوات الكولستريل خصائص غير متوقعة في المرحلة العكرة. وبفحص هذه المرحلة تحت المجهر المستقطب، اكتشف راينيتزر أنها تظهر انكسارًا مزدوجًا. وهذا يعني أن معامل انكسار الضوء، أي سرعة الضوء في هذه المرحلة، يعتمد على الاستقطاب.
9. السائل- حالة تجميع المادة التي تجمع بين خصائص الحالة الصلبة (الحفاظ على الحجم، وقوة شد معينة) والحالة الغازية (تقلب الشكل). تتميز السوائل بترتيب قصير المدى في ترتيب الجزيئات (الجزيئات، الذرات) وبفارق بسيط في الطاقة الحركية للحركة الحرارية للجزيئات وطاقة تفاعلها المحتملة. تتكون الحركة الحرارية لجزيئات السائل من تذبذبات حول مواضع التوازن وقفزات نادرة نسبيًا من موضع توازن إلى آخر، وترتبط بذلك سيولة السائل.
10. السوائل فوق الحرجة(SCF) هي حالة تجميع المادة التي يختفي فيها الفرق بين الطور السائل والغازي. أي مادة عند درجة حرارة وضغط أعلى من النقطة الحرجة هي سائل فوق الحرج. خصائص المادة في الحالة فوق الحرجة تكون وسطية بين خصائصها في المرحلتين الغازية والسائلة. وبالتالي، فإن SCF له كثافة عالية، قريبة من السائل، ولزوجة منخفضة، مثل الغازات. معامل الانتشار في هذه الحالة له قيمة متوسطة بين السائل والغاز. يمكن استخدام المواد في الحالة فوق الحرجة كبدائل للمذيبات العضوية في العمليات المختبرية والصناعية. حظي الماء فوق الحرج وثاني أكسيد الكربون فوق الحرج بأكبر قدر من الاهتمام والتوزيع بسبب خصائص معينة.
من أهم خصائص الحالة فوق الحرجة هي القدرة على إذابة المواد. عن طريق تغيير درجة حرارة أو ضغط السائل، يمكنك تغيير خصائصه على نطاق واسع. وبالتالي، من الممكن الحصول على سائل تكون خصائصه قريبة من السائل أو الغاز. وبالتالي، فإن قدرة السائل على الذوبان تزداد مع زيادة الكثافة (عند درجة حرارة ثابتة). وبما أن الكثافة تزداد مع زيادة الضغط، فإن تغيير الضغط يمكن أن يؤثر على قدرة السائل على الذوبان (عند درجة حرارة ثابتة). في حالة درجة الحرارة، يكون الاعتماد على خصائص السائل أكثر تعقيدًا إلى حد ما - عند كثافة ثابتة، تزداد أيضًا قدرة ذوبان السائل، ولكن بالقرب من النقطة الحرجة، يمكن أن تؤدي الزيادة الطفيفة في درجة الحرارة إلى انخفاض حاد في الكثافة، وبالتالي القدرة على الذوبان. تمتزج السوائل فوق الحرجة مع بعضها البعض بلا حدود، لذلك عند الوصول إلى النقطة الحرجة للخليط، سيكون النظام دائمًا أحادي الطور. يمكن حساب درجة الحرارة الحرجة التقريبية لخليط ثنائي كالوسط الحسابي للمعاملات الحرجة للمواد Tc(mix) = (الكسر المولي A) x TcA + (الكسر المولي B) x TcB.
11. غازية- (غاز فرنسي، من الفوضى اليونانية - الفوضى)، حالة تجميع مادة تتجاوز فيها الطاقة الحركية للحركة الحرارية لجزيئاتها (الجزيئات، الذرات، الأيونات) بشكل كبير الطاقة الكامنة للتفاعلات بينها، وبالتالي تتحرك الجزيئات بحرية، وتملأ بشكل موحد في غياب الحقول الخارجية الحجم بأكمله المقدم لها.
12. البلازما- (من البلازما اليونانية – منحوتة، مشكلة)، حالة من حالات المادة عبارة عن غاز متأين يتساوى فيه تركيز الشحنات الموجبة والسالبة (شبه الحياد). الغالبية العظمى من المادة في الكون موجودة في حالة البلازما: النجوم، السدم المجرية، والوسط النجمي. بالقرب من الأرض، توجد البلازما في شكل الرياح الشمسية والغلاف المغناطيسي والغلاف الأيوني. تتم دراسة البلازما ذات درجة الحرارة العالية (T ~ 106 - 108K) من خليط من الديوتيريوم والتريتيوم بهدف تنفيذ الاندماج النووي الحراري الخاضع للرقابة. تُستخدم البلازما ذات درجة الحرارة المنخفضة (T Ј 105K) في العديد من أجهزة تفريغ الغاز (أشعة الليزر الغازية، والأجهزة الأيونية، ومولدات MHD، والبلازماترونات، ومحركات البلازما، وما إلى ذلك)، وكذلك في التكنولوجيا (انظر تعدين البلازما، وحفر البلازما، والبلازما). تكنولوجيا) .
13. المادة المتحللة- هي مرحلة وسيطة بين البلازما والنيوترونيوم. ويلاحظ في الأقزام البيضاء ويلعب دورا هاما في تطور النجوم. عندما تتعرض الذرات لدرجات حرارة وضغوط عالية للغاية، فإنها تفقد إلكتروناتها (تتحول إلى غاز الإلكترون). وبعبارة أخرى، فهي متأينة تماما (البلازما). يتم تحديد ضغط هذا الغاز (البلازما) بواسطة ضغط الإلكترونات. إذا كانت الكثافة عالية جدًا، فإن جميع الجزيئات تقترب من بعضها البعض. يمكن أن توجد الإلكترونات في حالات ذات طاقات محددة، ولا يمكن أن يكون لإلكترونين نفس الطاقة (ما لم يكن دورانهما معاكسين). وهكذا، في الغاز الكثيف، تمتلئ جميع مستويات الطاقة المنخفضة بالإلكترونات. ويسمى مثل هذا الغاز منحط. في هذه الحالة، تظهر الإلكترونات ضغطًا إلكترونيًا متدهورًا، مما يقاوم قوى الجاذبية.
14. النيوترونيوم- حالة من التجميع تمر فيها المادة عند ضغط مرتفع جدًا، وهو أمر لا يمكن تحقيقه في المختبر حتى الآن، ولكنه موجود داخل النجوم النيوترونية. أثناء الانتقال إلى الحالة النيوترونية، تتفاعل إلكترونات المادة مع البروتونات وتتحول إلى نيوترونات. ونتيجة لذلك، فإن المادة في الحالة النيوترونية تتكون بالكامل من نيوترونات ولها كثافة على الترتيب النووي. لا ينبغي أن تكون درجة حرارة المادة مرتفعة جدًا (في ما يعادل الطاقة لا تزيد عن مائة ميغا إلكترون فولت).
مع زيادة قوية في درجة الحرارة (مئات MeV وما فوق)، تبدأ الميزونات المختلفة في النشوء والإبادة في الحالة النيوترونية. مع زيادة أخرى في درجة الحرارة، يحدث فك الاحتجاز، وتنتقل المادة إلى حالة بلازما كوارك-جلون. لم تعد تتكون من هادرونات، بل تتكون باستمرار من كواركات وجلونات وتختفي.
15. بلازما كوارك جلون(الكروموبلازم) - حالة تجميع المادة في فيزياء الطاقة العالية وفيزياء الجسيمات الأولية، حيث تنتقل المادة الهادرونية إلى حالة مشابهة للحالة التي توجد فيها الإلكترونات والأيونات في البلازما العادية.
عادةً ما تكون المادة الموجودة في الهادرونات في حالة تسمى عديم اللون ("الأبيض"). أي أن الكواركات ذات الألوان المختلفة تلغي بعضها البعض. توجد حالة مماثلة في المادة العادية - عندما تكون جميع الذرات متعادلة كهربائيًا، أي:
يتم تعويض الشحنات الإيجابية فيها بشحنات سلبية. عند درجات الحرارة المرتفعة يمكن أن يحدث تأين للذرات، يتم خلاله فصل الشحنات، وتصبح المادة، كما يقولون، "شبه محايدة". وهذا يعني أن سحابة المادة بأكملها تظل محايدة، لكن جزيئاتها الفردية تتوقف عن أن تكون محايدة. يبدو أن نفس الشيء يمكن أن يحدث مع مادة الهادرون - عند الطاقات العالية جدًا، يتم إطلاق اللون ويجعل المادة "شبه عديمة اللون".
من المفترض أن مادة الكون كانت في حالة بلازما كوارك-غلوون في اللحظات الأولى بعد الانفجار الكبير. الآن يمكن أن تتشكل بلازما كوارك غلوون لفترة قصيرة أثناء اصطدام جسيمات ذات طاقات عالية جدًا.
تم إنتاج بلازما كوارك غلوون تجريبيا في مسرع RHIC في مختبر بروكهافن الوطني في عام 2005. تم الحصول على درجة حرارة البلازما القصوى البالغة 4 تريليون درجة مئوية هناك في فبراير 2010.
16. مادة غريبة- حالة التجميع التي يتم فيها ضغط المادة إلى قيم الكثافة القصوى؛ ويمكن أن توجد على شكل "حساء الكوارك". السنتيمتر المكعب من المادة في هذه الحالة سوف يزن مليارات الأطنان؛ بالإضافة إلى ذلك، فإنه سيحول أي مادة عادية يتلامس معها إلى نفس الشكل "الغريب" مع إطلاق كمية كبيرة من الطاقة.
إن الطاقة التي يمكن إطلاقها عندما يتحول قلب النجم إلى "مادة غريبة" ستؤدي إلى انفجار فائق القوة لـ "كوارك نوفا" - وهذا بالضبط ما لاحظه علماء الفلك في سبتمبر 2006، وفقًا لليهي وأويد.
بدأت عملية تكوين هذه المادة بمستعر أعظم عادي تحول إليه نجم ضخم. نتيجة للانفجار الأول، تم تشكيل نجم نيوتروني. ولكن، وفقًا لليهي وأويد، لم يدم طويلًا جدًا - حيث بدا أن دورانه قد تباطأ بسبب مجاله المغناطيسي، وبدأ في الانكماش أكثر، مكونًا كتلة من "مادة غريبة"، مما أدى إلى تعادل متساوي. أكثر قوة أثناء انفجار سوبر نوفا عادي، يتم إطلاق الطاقة - والطبقات الخارجية للمادة للنجم النيوتروني السابق، وتنتشر في الفضاء المحيط بسرعة قريبة من سرعة الضوء.
17. مادة متناظرة بقوة- هذه مادة مضغوطة لدرجة أن الجزيئات الدقيقة الموجودة بداخلها تتراكم فوق بعضها البعض، وينهار الجسم نفسه ويتحول إلى ثقب أسود. يتم شرح مصطلح "التناظر" على النحو التالي: لنأخذ الحالات التجميعية للمادة المعروفة للجميع من المدرسة - الصلبة والسائلة والغازية. من أجل الوضوح، دعونا نعتبر البلورة اللانهائية المثالية مادة صلبة. هناك ما يسمى بالتماثل المنفصل فيما يتعلق بالنقل. هذا يعني أنه إذا قمت بتحريك الشبكة البلورية لمسافة تساوي الفاصل الزمني بين ذرتين، فلن يتغير شيء فيها - ستتزامن البلورة مع نفسها. إذا تم ذوبان البلورة، فإن تناسق السائل الناتج سيكون مختلفا: سيزداد. في البلورة، فقط النقاط البعيدة عن بعضها البعض على مسافات معينة، كانت ما يسمى العقد من الشبكة البلورية، التي توجد فيها ذرات متطابقة، متكافئة.
السائل متجانس في كامل حجمه، ولا يمكن تمييز جميع نقاطه عن بعضها البعض. هذا يعني أن السوائل يمكن إزاحتها بأي مسافات عشوائية (وليس فقط بعض المسافات المنفصلة، كما هو الحال في البلورة) أو تدويرها بأي زوايا عشوائية (وهو ما لا يمكن القيام به في البلورات على الإطلاق) وسوف تتزامن مع نفسها. درجة التماثل أعلى. الغاز أكثر تناسقًا: يحتل السائل حجمًا معينًا في الوعاء، ويوجد عدم تناسق داخل الوعاء حيث يوجد سائل ونقاط حيث لا يوجد. يحتل الغاز كامل الحجم المقدم له، وبهذا المعنى، لا يمكن تمييز جميع نقاطه عن بعضها البعض. ومع ذلك، سيكون من الأصح الحديث ليس عن النقاط، ولكن عن العناصر الصغيرة، ولكن العيانية، لأنه على المستوى المجهري لا تزال هناك اختلافات. في بعض النقاط في لحظة معينة من الزمن توجد ذرات أو جزيئات، بينما في نقاط أخرى لا توجد. يتم ملاحظة التماثل فقط في المتوسط، إما عبر بعض معلمات الحجم العيانية أو بمرور الوقت.
ولكن لا يوجد حتى الآن أي تناظر فوري على المستوى المجهري هنا. إذا تم ضغط المادة بقوة شديدة، إلى ضغوط غير مقبولة في الحياة اليومية، مضغوطة بحيث تنسحق الذرات، وتخترق قذائفها بعضها البعض، وتبدأ النوى بالتلامس، ينشأ التناظر على المستوى المجهري. جميع النوى متطابقة ومضغوطة ضد بعضها البعض، ولا توجد مسافات بين الذرات فحسب، بل توجد أيضًا مسافات بين النواة، وتصبح المادة متجانسة (مادة غريبة).
ولكن هناك أيضًا مستوى دون مجهري. تتكون النوى من بروتونات ونيوترونات تتحرك داخل النواة. هناك أيضًا بعض المساحة بينهما. إذا واصلت الضغط بحيث يتم سحق النوى، فإن النيوكليونات سوف تضغط بإحكام على بعضها البعض. ومن ثم، على المستوى دون المجهري، سيظهر التناظر، الذي لا يوجد حتى داخل النوى العادية.
مما قيل، يمكن للمرء أن يميز اتجاهًا واضحًا للغاية: كلما ارتفعت درجة الحرارة وزاد الضغط، أصبحت المادة أكثر تناسقًا. وبناءً على هذه الاعتبارات، فإن المادة المضغوطة إلى الحد الأقصى تسمى شديدة التناظر.
18. مادة ضعيفة التماثل- حالة معاكسة للمادة شديدة التناظر في خصائصها، وكانت موجودة في بداية الكون عند درجة حرارة قريبة من درجة حرارة بلانك، ربما بعد 10-12 ثانية من الانفجار الكبير، عندما كانت القوى القوية والضعيفة والكهرومغناطيسية تمثل قوة عظمى واحدة. في هذه الحالة، يتم ضغط المادة إلى حد أن كتلتها تتحول إلى طاقة، والتي تبدأ في التضخم، أي التوسع إلى أجل غير مسمى. ليس من الممكن حتى الآن تحقيق الطاقات اللازمة للحصول على قوة عظمى تجريبيًا ونقل المادة إلى هذا الطور في ظل الظروف الأرضية، على الرغم من إجراء مثل هذه المحاولات في مصادم الهادرونات الكبير لدراسة الكون المبكر. نظرًا لغياب تفاعل الجاذبية في القوة العظمى التي تشكل هذه المادة، فإن القوة الفائقة ليست متناظرة بدرجة كافية مقارنة بالقوة الفائقة التناظر التي تحتوي على جميع أنواع التفاعلات الأربعة. ولذلك، تلقت حالة التجميع هذه مثل هذا الاسم.
19. مادة راي- هذه، في الواقع، لم تعد مادة على الإطلاق، ولكن الطاقة في شكلها النقي. ومع ذلك، فإن حالة التجميع الافتراضية هذه هي بالتحديد التي سيتخذها الجسم الذي وصل إلى سرعة الضوء. ويمكن الحصول عليه أيضًا عن طريق تسخين الجسم إلى درجة حرارة بلانك (1032 كلفن)، أي تسريع جزيئات المادة إلى سرعة الضوء. على النحو التالي من النظرية النسبية، عندما تصل السرعة إلى أكثر من 0.99 ثانية، تبدأ كتلة الجسم في النمو بشكل أسرع بكثير من التسارع "العادي"، بالإضافة إلى ذلك، يستطيل الجسم، مع ارتفاع درجات الحرارة، أي أنه يبدأ تشع في طيف الأشعة تحت الحمراء. عند تجاوز عتبة 0.999 ثانية، يتغير الجسم بشكل جذري ويبدأ مرحلة انتقالية سريعة حتى حالة الشعاع. وكما يلي من صيغة أينشتاين، مأخوذة في مجملها، فإن الكتلة المتنامية للمادة النهائية تتكون من كتل مفصولة عن الجسم على شكل إشعاع حراري وأشعة سينية وإشعاع ضوئي وغيرها، ويتم وصف طاقة كل منها بواسطة المصطلح التالي في الصيغة. وهكذا فإن الجسم الذي يقترب من سرعة الضوء سيبدأ في انبعاث جميع الأطياف، وينمو في الطول ويتباطأ مع الزمن، ويتضاءل إلى طول بلانك، أي أنه عند الوصول إلى السرعة c، سيتحول الجسم إلى جسم طويل بلا حدود و شعاع رفيع يتحرك بسرعة الضوء ويتكون من فوتونات ليس لها طول وكتلته اللانهائية سوف يتحول بالكامل إلى طاقة. لذلك، تسمى هذه المادة راي.