Maddenin Hal Değişimleri

Maddenin Hal Değişimi

Hal değişimi, bir maddenin sıcaklığı değişmeden moleküller arası potansiyel enerjisinin ısı alarak ya da vererek değişmesi sonucu meydana gelir Saf maddelerin hal değişimi sırasında, sıcaklığı değişmez

Madde, genel olarak dört fazda bulunur

Katı

Sıvı

Gaz

Plazma

Bunun dışında, madde farklı hallerde de bulunabilir Bu farklı halleriyle birlikte madde evrende (alt dallanmalarıyla birlikte) 20 farklı halde bulunabilir Ancak maddenin bu halleri dünyada doğal olarak bulunamaz Deney ortamında denenebilir veya uzaydaki varlığı saptanabilir

Maddenin bu genel dört hali birbirine dönüşebilir:

Katı, ısı alarak sıvı hale geçer Bu olaya erime denir

Katı, ısı alarak gaz hale geçer Bu olaya süblimleşme denir

Sıvı, ısı alarak gaz hale geçer Bu olaya kaynama, buharlaşma denir

Gaz, ısı alarak plazma hale geçer Bu olaya iyonizasyon denir

Plazma, ısı vererek gaz hale geçer Bu olaya deiyonizasyon denir

Gaz, ısı vererek sıvı hale geçer Bu olaya yoğunlaşma denir

Gaz, ısı vererek katı hale geçer Bu olaya kırağılaşma denir

Sıvı, ısı vererek katı hale geçer Bu olaya donma denir

Maddenin Katı Hali

Maddenin üç temel hali vardır:

Katı

Sıvı

Gaz

Bütün maddeler bu üç halden birinde bulunur ve herhangi bir madde olağan koşullarda yalnızca o haliyle bilinir Katı maddelerin, toz biçimine getirilmediği sürece, belirli bir biçimi ve hacmi vardır Maddenin öbür iki hali olan sıvı ve gazın kendi başına belirli bir biçimi yoktur; sıvılar bulunduğu kabın biçimini alır, gazlar ise kabın içinde yayılarak her tarafını doldurur Herhangi bir katı madde ile bir başka katı, sıvı ya da gaz arasındaki sınır çok belirgindir, ama sıvılar ve gazlar için durum böyle değildir

Bütün maddeler moleküllerden, molekül*ler de bir ya da daha çok atomdan oluşur Bir maddenin katı, sıvı ya da gaz halinde bulunması, moleküllerinin birbirine ne kadar yakın ya da uzak olduğuna bağlıdır Katılarda atomlar, kimyasal bağ denen çekim kuvvetlerinin etkisiyle, sıkışık biçimde bir arada tutulur Atomların oluşturduğu moleküller ise, bağ*lanma kuvvetinin (kohezyon) etkisiyle bulun*dukları konumu korurlar

Hemen hemen tüm katışıksız maddeler katı haldeyken kristal yapıdadır; yani bunların, molekülleri ve atomları düzenli bir biçimde yerleşmiştir Çok değişik türde kristal yapılı madde vardır Atom ve molekül yapıları düzenli bir yerleşim göstermeyen katı maddelere ise, amorf ya da kristal yapılı olmayan katılar denir Ama amorf gibi gözüken katıların pek çoğu aslında çok küçük kristallerden oluşmuş*tur; kurum, cam, plastik ve reçine gibi mad*deler ise gerçekten amorf katı maddelerdir Pek çok madde (bileşikler), katı haldeyken birden çok biçimde bulunabilir; bu özelliğe polimorfizm ya da çokbiçimlilik denir Örne*ğin, beyaz renkli bir katı madde olan kalsi*yum karbonat, doğada iki ayrı kristal yapıda bulunabilir; bunlar kalsit ve aragonittir Bazı kimyasal elementler de, katı haldeyken deği*şik biçimlerde bulunabilir Aynı elementin değişik biçimlerine alotrop ya da ayrı biçim denir Elmas ve grafit, katışıksız karbonun değişik alotroplarıdır

Katı hal, sıvı halin ve gaz halinin yanı sıra maddenin hallerinden biridir Katı maddelerin özelliği, sıcaklık değişmediği sürece biçim ve boyutlarının değişmemesidir Bunun nedeni, katıyı oluşturan atomlar arası ya da moleküller arası kuvvetlerin, ışıl titreşimlerin yıkıcı etkisine direnecek kadar güçlü olmalarıdır

Katı halin başlıca iki biçimi vardır:

Atomların madde içinde düzenli bir dağılımı bulunduğu billurlar (tuz, şeker, vb)

Atomların konumlarının düzensiz olduğu amorf madde (sözgelimi cam)

Billurların sıvılaşmaları için gereken erime noktası değişmezdir; amorf katılarsa, ısıtıldıklarında öncelikle esnekleşme eğilimi gösterirler

Bir katının molekülleri, olağan sıcaklıklar*da tamamen hareketsiz değildir; bu molekül*ler, bulundukları noktalarda sürekli titreşir*ler, ama bu titreşimleri komşu moleküllerin çekiminden kurtulacak ya da konumlarını değiştirecek kadar güçlü değildir Bu nedenle de katı, kendi biçimini korur Bir katı madde ısıtıldığı zaman, molekülleri daha büyük bir enerjiyle titreşir ve birbirlerinden daha çok uzaklaşırlar Katıların ısıtıldıkları zaman gen*leşmelerinin nedeni budur Eğer, ısıtma sürerse, titreşimler artar ve sonunda, katı yapıyı bir arada tutan çekim kuvvetlerini yenecek bir büyüklüğe ulaşır O zaman moleküller, çevrelerinde dolaşabilecek duruma gelirler ve katı eriyerek sıvı hale geçer Her katışıksız maddenin kendine özgü bir erime noktası vardır Örneğin buz 0°c'de erir ve suya dönüşür Katışıksız olmayan, yani katışık maddeler ise birkaç derecelik bir sıcaklık aralığında erir; ama bunların erime noktası her zaman, maddenin katışıksız halinin erime sıcaklığından daha düşüktür Bu nedenle erime noktası, herhangi bir madde*nin ne kadar katışıksız olduğunu gösteren iyi bir göstergedir Bazı katılar ısıtıldıklarında, sıvılaşmadan doğrudan gaz haline geçer Bu özelliğe süblimleşme ya da uçunum denir Örneğin katı karbon dioksit (kuru buz), iyot, güvelere karşı kullanılan naftalin ve katı parfümler sıvılaşmadan süblimleşir

Eğer bir katı madde bir sıvıya atıldığında erirse, yani sıvı (çözücü) içinde çözünürse, bir çözelti oluşturur Değişik katılar, değişik çözücülerde değişik biçimlerde çözünür; bu, o katıların kendileri*ne özgü bir özelliğidir Katıların öteki özellik*leri de, molekül yapılarına ve katıyı bir arada tutan bağların tipine bağlı olarak belirlenir Bu nedenle katıların, sertlik, gevreklik (kırılganlık), dövülebilirlik (katının biçimlendirilebilme kolaylığı), süneklik (katının silindirle*rin arasından çekilerek ya da dövülerek incel*tilebilme kolaylığı), basınca karşı direnç gibi pek çok özelliği birbirinden farklıdır

Maddenin katı hali önceleri fazlaca incelen*memişti ve bilim adamları daha çok gazları araştırmışlardı 20 yüzyılın başlarında ise, bilimsel araştırmalar sıvılar üzerinde yoğunlaştırıldı Ama bugün katı hal sanayi açısın*dan büyük önem taşımaktadırve günümüzde bu alanda binlerce bilim adamı araştırma yapmaktadır Katı hal ya da katılar fiziği, fiziğin yeni ama çok önemli bir dalı durumuna gelmiştir

Maddenin Sıvı Hali

Bütün maddeler bu üç halden birinde bulunur ve herhangi bir madde olağan koşullarda yalnızca o haliyle bilinir Katı maddelerin, toz biçimine getirilmediği sürece, belirli bir biçimi ve hacmi vardır Maddenin öbür iki hali olan sıvı ve gazın kendi başına belirli bir biçimi yoktur; sıvılar bulunduğu kabın biçimini alır, gazlar ise kabın içinde yayılarak her tarafını doldurur Herhangi bir katı madde ile bir başka katı, sıvı ya da gaz arasındaki sınır çok belirgindir, ama sıvılar ve gazlar için durum böyle değildir

Sıvı, maddenin ana hallerinden biridir Sıvılar, belli bir şekli olmayan maddelerdir, içine konuldukları kabın şeklini alırlar, akışkandırlar Sıvı molekülleri, sıvı hacmi içinde serbest hareket ederler, fakat partiküllerin ortak çekim kabiliyeti, hacmin izin verdiği ölçüdedir

Sıvının hacmi, onun sıcaklık ve basıncına bağlıdır Sıvılar iletkendir Fakat iletkenlikleri içlerine konulan maddelerle değişebilir
Örnek:

Su=yalıtkan

Tuz+su=iletken

şeker+su=yalıtkan

Ölçü Birimleri

Sıvıların miktarı hacim birimleri ile ölçülür; litre ve m3 gibi birimler kullanılır

Maddenin Gaz Hali

Maddenin, atomik ölçekten daha büyük ölçekte düşünülebilen üç evresinden biri

Sıcaklık sabit kalmak koşuluyla, büyüklüğü ne olursa olsun, içine konulduğu tüm uzayı sürekli biçimde kaplamaya çalışan madde olarak da tanımlanabilir Gazlar, yoğunluğu ve viskoziteleri düşük, sıkıştırılabilirliği yüksek, optik bakımdan saydam, kesinlikle rijit olmayan, başka gazlarla homojen biçimde karışabilen maddelerdir Bunun en basit örneği hava ve su buharıdır Yeterince yüksek sıcaklıklarda, bütün maddeler (birçoğu da bu duruma gelmeden önce kimyasal değişimler geçirerek) buharlaşır

Bazen gazlar örneğin karbon dioksit ve su buharında olduğu gibi, bir yanma ürünüdürler; bazıları da doğal olarak bulunan ya da petrol ve kömürden elde edilebilen metan ve hidrojen gibi doğrudan yakıt olarak kullanılabilirler Evrenin büyük bölümü, yıldızlararası hidrojenden oluşan gazlı bir ortamdır Gazlar bazen sıvılarda çözünmüş hâlde bulunurlar; çözünürlükleri basınçla birlikte artar, sıcaklıkla azalır Örneğin maden sodası, gazoz vbde kabarcıklar olması, içinde çözünmüş bulunan karbon dioksitten dolayıdır

Katı ya da sıvıların tersine, gaz molekülleri, kendi büyüklüklerine oranla birbirinden çok uzakta bulunurlar ve saniyede 100 metre dolayındaki hızlarla gelişigüzel ve serbestçe hareket ederler Belli bir sıcaklık ve basınçta eşit hacimli gazlar, eşit sayıda molekül içerirler İçinde bulundukları kabın çeperlerine çarpan molekülleri, gaz basıncının nedenini oluşturur Atmosfer de dünyada bulunan her şeye bir insan ağırlığının birkaç katı bir basınç uygular ve atmosfer basıncı olmasa insan anında kaynayıp patlar İdeal gazlar için basınç ve hacim çarpımı mutlak sıcaklıkla orantılıdır ve orantı sabitine evrensel gaz sabiti denir Molekülleri arasında küçük çekim kuvvetleri bulunan gerçek gazlar, yüksek basınçlarda, bu ideal davranıştan saparlar



Maddenin Dördüncü Hali

Maddenin Plazma Hali

Plazma, kimya ve fizikte "iyonize olmuş gaz" anlamına gelmektedir İyonize gaz için kullanılan plazma kelimesi 1920'li yıllardan beri fizik literatüründe yer etmeye başlamıştır Kendine özgü niteliklere sahip olduğundan, plazma hali maddenin katı, sıvı ve gaz halinden ayrı olarak incelenir Katı bir cisimde cismi oluşturan moleküllerin hareketi çok azdır, moleküllerin ortalama kinetik enerjisi herhangi bir yöntemle (örneğin ısıtarak) arttırıldığında cisim ilk önce sıvıya sonra da gaza dönüşür, ki gaz fazında elektronlar gayet hızlı hareket ederler Eğer gaz halinden sonra da ısı verilmeye devam edilirse iyonlaşma başlayabilir, bir elektron çekirdek çekiminden kurtulur ve serbest bir elektron uzayı meydana getirerek maddeye yeni bir form kazandırır Atomun bir elektronu eksik olacak ve net bir pozitif yüke sahip olacaktır Yeterince ısıtılmış gaz içinde iyonlaşma defalarca tekrarlanır ve serbest elektron ve iyon bulutları oluşmaya başlar Fakat bazı atomlar nötr kalmaya devam eder Oluşan bu iyon, elektron ve nötr atom karışımı, plazma olarak adlandırılır

İyonize olma durumu, en az bir elektronun atom ya da molekülden ayrıldığı anlamına gelir Serbest elektrik yükü sayesinde plazma yüksek bir elektrik iletkenliğine kavuşur ve elektromanyetik alanlardan kolaylıkla etkilenir Atmosferin üstünde, manyetosferde, özellikle kutuplara yakın bölgelerde görülen auroralar, güneş rüzgarlarından kaynaklanan yüklü parçacıklarla çarpışan oksijen atomlarının iyonize olması ile oluşurlar ve enfes görüntüler verirler
Evrende madde dört halde bulunur Bunlar;

Katı

Sıvı

Gaz

Plazma

halleridir Mikroskobik açıdan plazma, sürekli hareket eden ve etkileşen yüklü parçacıklar topluluğu olarak ifade edilir Plazma içinde nötral atom ya da moleküllerin olması plazma halini değiştirmez

Plazmanın birim hacmi içindeki negatif yüklü parçacıkların sayısı (genelde elektronlar) pozitif yüklü parçacık sayısına (genelde iyonlar) yaklaşık olarak eşit olduğundan, plazma elektriksel olarak nötraldir

Maddenin Dört Hali

Katı halde atomlar belirli uzaklıklara sahiptir

Sıvı halde atomlar arası uzaklık artar

Gaz halinde ise atomlar arasındaki bağ uzunlukları daha da artar

Plazma halinde ise atomlar iyonlaşır ve sürekli olarak birbirleri ile çarpışırlar

İlk bakışta plazma halinin, özellikleri açısından gaz halinden çok farklı olmadığı izlenimi oluşmaktadır Oysa ki plazma çok önemli özelliklere sahiptir

Plazmanın temel karakteristik özellikleri aşağıda verilmiştir:

Yukarıda açıklandığı gibi plazma elektriksel olarak nötraldir ve plazma çok iyi bir iletkendir Bazen gümüşün ve bakırın iletkenliğinden 102 kat daha fazla iletkenlik gösterebilmektedir

Plazmanın içinde bir noktada bir pertürbasyon oluşursa, bu pertürbasyonun etkisi tüm plazmaya elektromagnetik dalga hızı ile taşınılır Gaz halinde bu taşınım, akustik dalgaların hızıyla, akustik sinyalin taşınımına benzer Gazların taşınımı sırasında parçacıklar arasındaki çarpışma kısa mesafelidir Plazmanın taşınımı durumunda ise yüklü parçacıklar arasındaki etkileşim elektromagnetik dalgalar yardımıyla uzun mesafede olur

Plazma elektriksel olarak nötral olmasına rağmen elektrik ve magnetik alanlarla etkileşebilir

Plazma koşullarındaki kimyasal reaksiyonlar (plazma-kimyasal reaksiyonlar), gaz fazındaki kimyasal reaksiyonlardan büyüklük mertebesi açısından çok daha hızlıdır

Evrende en çok bulunan hal plazma halidir ve evrenin %99'undan fazlası plazma halindedir Evrendeki tüm yıldızlar, Güneş, Gezegenler ve gezegenler arası boşluklar, üzerinde yaşadığımız dünyamız plazma halinden başlayarak bu günkü hallerini almışlardır Gerçekte plazma hali bir maddenin ilk halidir Plazma, doğal olarak kendisi ile çevresi, elektrik ve magnetik alanlarla etkileşim biçimleri açısından kendine özgü niteliklere sahiptir Plazma, iyonlar, elektronlar, yüksüz atom ve moleküller ile fotonlardan oluşan, bazı atomlar iyonlaşırken bazı iyonların elektronlarla birleşip atoma dönüştüğü, protonların sürekli olarak bir yandan ortaya çıktığı bir yandan da soğutulduğu bir karışım olarak düşünülebilir

Dünyamızda bulunan maddelerin büyük çoğunluğu katı, sıvı ve gaz hallerindedirler Maddenin plazma hali örneğin, yıldırımda, mum alevinde, kutup ışığında ve neon lambaları gibi elektrik boşalmalı lambalarda gözlenir

Plazmanın temel bir farka karşın gazlarla ortak belli sayıda mekanik özelliği vardır: Coulomb çekim ve ritimleri çok uzaklarda etkili olduğundan plazmanın her parçacığı diğeri ile sürekli olarak etkileşim halindedir

İlginç bir farklılık olarak gazların boşalan her şeyi doldurma özelliği varken plazmanın toplaşma özelliği olduğu görülebilir Bir manyetik alanın etkisi ile elektrikli tanecikler alan çizgilerini etrafında helezonik yörüngeler çizerek harekete başlar

Plazmanın Özellikleri

Plazma dış ortama karşı elektriksel olarak nötrdür Yani plazma içerisindeki pozitif yüklerin (iyonların yükleri ) sayısı, negatif yüklerin (elektronlar) sayısına eşittir

Plazma içerisindeki ayrışma, iyonizasyon ve bu olayların tersi olan yeniden yapılanma olayları sürekli meydana gelir Adı geçen bu olaylar kendi aralarında plazma içerisinde bir dinamik denge halinde bulunurlar

Plazma iyi bir elektrik ve ısı iletkenidir Plazma içerisindeki parçacıklar bir enerji taşıyıcısıdırlar Dolayısıyla elektrik ve ısı enerjisini de iletirler (taşınırlar) Plazma içerisindeki hızlarının yüksek oluşu nedeniyle özellikle elektronlar elektrik ve ısı iletiminde esas rolü oynarlar

Plazma yüksek sıcaklık ve enerji yoğunluğuna sahiptir Plazmanın sıcaklığı, enerji yoğunluğu, iyonizasyon derecesi (iyonize olmuş atom sayısının toplam atom sayısına oranı) ve plazma çıkış hızı (elektron hızı) plazma ekseni üzerinde maksimumdur

Plazmaya elektrik ve magnetik alan uygulandığında plazmada bir takım değişikliklere sebep olabilir Plazma içerisindeki parçacığa Lorentz kuvveti etki eder (F=qE+qVB )

Plazmanın birçok tanımı yapılır Bunların hepsi bizi plazmanın yüklü parçacıklar topluluğu olduğu sonucuna götürür

Peki ama her yüklü parçacıklar topluluğu plazma mıdır?

Tabii ki her yüklü parçacıklar topluluğuna plazma diyemeyiz Bunu söyleyebilmemiz için incelediğimiz materyalin bazı özelliklerini bilmeli ve ona göre karar vermeliyiz İşte bu karar verme sürecinde kullandığımız kıstaslar "Plazma Parametreleri"dir Bu parametreler sayesinde biz, çalıştığımız materyalin bir plazma olup olmadığını bulabileceğimiz gibi, o materyalin neyin plazması olduğunu da bulmamız mümkündür

Temel parametreler dışında plazma parametrelerini 6 ana başlık altında toplayabiliriz Bunlar:

Plazma sıcaklığı veya daha basitçe Elektron sıcaklığı

Plazma Yoğunluğu

İyonizasyon Derecesi

Debye Uzunluğu

Plazma Frekansı

Plazma Beta (β) dır

Plazmayı Oluşturan Elemanlar

Nötral atom ve nötral molekül: İhtiva ettikleri pozitif yüklerin sayısının, negatif yüklerin sayısına eşit olan atom veya moleküllerdir Nötral bir moleküle, o elemente özel bir ayrışma enerjisinden daha büyük bir enerji verilirse, bu molekül atomlarına ayrışır
İyon: İhtiva ettiği (+) yük sayısı, (-) yük sayısından büyük olan atomlardır ya da bunun tersi olabilir Nötral bir atoma, o elementle özel bir iyonizasyon enerjisinden daha büyük bir enerji verildiği zaman, bu atom en az bir elektronunu (negatif yükünü) kaybeder ve iyon haline geçer, yani iyonize olur
Elektron: Atomun negatif yükü olup, değeri 1,6x10-19 Coulomb'dur
Foton: Enerji yüklü ışın parçasıdır Işın enerjisi taşıyıcısıdır
Uyarılmış Atom: Üzerine iyonizasyon enerjisinden daha küçük bir enerji almış, elektron kaybetmiş atomdur Bu atoma o elementin iyonizasyon enerjisinden daha küçük bir enerji verilirse, bu atomun çevresindeki elektronlar atomu terk etmeyip, bunlardan bir veya bir kaçı yörünge değiştirir Yani bir üst enerji seviyesine geçer Böylece uyarılmış atom olur
Uyarma: Enerji alarak bir üst enerji seviyesine geçiş
Sükunete Gelme: Enerji vererek (foton) bir alt seviyeye geçiş