החומרים מסביבנו – עולם של צורות ומצבים
החומרים שאנו נתקלים בהם בחיי היום-יום יכולים להיראות ולהרגיש שונים לחלוטין – מבטון קשיח ועמיד ועד גז דליל ונייד. מקור ההבדלים הללו נעוץ במצבי הצבירה (אופן התלכדות החלקיקים בחומר) בהם החומרים יכולים להתקיים – מוצק, נוזל, גז ופלזמה. כל אחד ממצבים אלו מעניק לחומר תכונות פיזיקליות וכימיות ייחודיות, הנובעות מהמבנה המולקולרי והאנרגיה הפנימית שלו.
מולקולות במבנים שונים – מוצקות וגמישות
מוצקים מורכבים ממולקולות הנעות בתנודות קטנות סביב מקומן הקבוע במרחב. מבנה זה יוצר חומרים קשיחים ובעלי צורה מוגדרת, כמו מתכות, אבנים ופלסטיקים. לעומת זאת, במצב הנוזלי המולקולות צמודות אחת לשנייה אך חופשיות יותר לזרום ולהתגלגל, דבר המאפשר גמישות ויכולת לקבל את צורת הכלי. דוגמאות לנוזלים נפוצים הם מים, שמן וחומצות.
תנועה חופשית וגז המתפשט
כאשר אנרגיית החום גוברת, המולקולות מתרחקות זו מזו ונעות באופן חופשי בכל הכיוונים – זהו מצב הגז. גזים כמו חמצן, חנקן ופחמן דו-חמצני אינם שומרים על צורה או נפח קבועים, אלא נוטים להתפשט בכל הנפח שהוקצב להם. מבנה המולקולות בגז משפיע על דרגות החופש התנועתיות שלהן, כך שמולקולות חד-אטומיות יהיו חופשיות יותר מאלה בעלות מבנה מורכב יותר.
פלזמה – חומר הטעון חשמלית
הפלזמה היא מצב צבירה (אופן התלכדות החלקיקים בחומר) ייחודי ויוצא דופן המאופיין בכך שחלק מהמולקולות או האטומים שלה הופכים להיות טעונים חשמלית. כך נוצרים יונים חופשיים, אלקטרונים ופרוטונים לא קשורים לגרעין. תופעה זו גורמת לפלזמה להתנהג באופן שונה מגזים רגילים – היא מוליכה חשמל ונשלטת באמצעות שדות אלקטרומגנטיים. פלזמה נפוצה בברקים, שכבות האטמוספירה העליונות וכמובן בכוכבים ענק הלוהטים והנפיצים ביקום.
מגוון טמפרטורות וכוחות לשינוי מצבים
על מנת לעבור ממצב צבירה אחד למשנהו, על החומרים לספוג או לאבד אנרגיה בצורת חום. המעבר מתרחש בנקודת טמפרטורה מוגדרת הקרויה “טמפרטורת המעבר” ומלווה בשינוי מבני וכימי של החומר המעורב. כך למשל, המים הופכים לקרח (התקשות) בטמפ’ 0 מעלות צלזיוס ולאדים (התאדות) בטמפ’ 100 מעלות. חשוב לציין שהלחץ גם משפיע על טמפרטורת המעבר, במקרים מסוימים אף באופן הפוך ממה שהיינו מצפים.
קשר טמפרטורה, לחץ וצורת חומר
תכונות המעבר בין מצבי הצבירה השונים עבור כל חומר מוצגות באופן קומפקטי באמצעות דיאגרמות פאזות. דיאגרמות אלו מראות את התחום האופייני של טמפרטורות ולחצים בהם חומר יכול להימצא במצב מוצק, נוזל, גז או פלזמה. הן גם מאפשרות לצפות במקרים חריגים בהם חומרים מסוימים “דולגים” על אחד ממצבי הצבירה, בשל תכונותיהם הייחודיות.
הכרת מצבי הצבירה והתנהגותם היא בסיס להבנת מגוון תופעות בתחומי המדע, הטכנולוגיה והמוצרים שאנו משתמשים בהם. היא מסייעת לנו להסביר מדוע חומרים מסוימים קשיחים או נוזלים, מדוע גזים נעים במהירויות גבוהות ואיך נוצרות פלזמות ברקים וכוכבים. בכך, הידע הזה מאפשר חדשנות ויישומים חדשים בתעשיות שונות.