Materia

Materia to substancja budująca wszechświat. Za wyjątkiem reakcji jądrowych w trakcie których materia jest zamieniana na energię, materia nie może być tworzona ani niszczona. Jest jednak możliwa zmiana rodzaju materii. Różne typy materii mogą się łączyć albo rozpadać, tworząc nowe typy o odmiennych właściwościach. Jednak, całkowita ilość materii w trakcie tych przemian się nie zmienia – nie może być ona tworzona bądź niszczona.

Rodzaje materii

Cała materia wszechświata może zbudowana jest z elementów – pierwiastków. Zgodnie z definicją , pierwiastek to substancja, która nie może być rozłożona na prostsze substancje w reakcji chemicznej. Pierwiastek jest najbardziej podstawową, lecz wciąż zachowującą swoje właściwości formą materii. Zastosowanie w nurkowaniu: Zrozumienie różnic pomiędzy typami materii jest konieczne dla zrozumienia jej zachowania w trakcie nurkowania – np. dlaczego hel nie reaguje z innymi substancjami, co czyni go odpowiednim gazem dla głębokich nurkowań technicznych. Dla przykładu, przyjrzyjmy się wodzie. Nie jest ona pierwiastkiem, gdyż można ją rozbić na prostsze składniki – wodór i tlen. Wodór i tlen nie mogą być jednak rozbite na jeszcze prostsze substacje w trakcie reakcji chemicznych – są one pierwiastkami. Wszystkie substancje, tworzące otaczające nas obiekty, a także nasze ciała, składają się z pierwiastków w różnych zestawieniach i proporcjach. Do dnia dzisiejszego, naukowcy opisali i nazwali sto kilkanaście pierwiastków; z tej liczby około 90 występuje naturalnie w przyrodzie, zaś pozostałe zostały sztucznie wytworzone w laboratoriach jądrowych. Synteza nowych pierwiastków przeprowadzana jest w akceleratorach, w których naukowcy wywołują łączenie jąder naturalnie występujących pierwiastków lub ich rozpad. Gdy to się stanie, utworzone substancje nie mogą zostać rozbite na prostsze substancje w wyniku reakcji chemicznych (choć niekiedy są tak nietrwałe, że w krótkim czasie samoczynnie rozpadają się na prostsze elementy) – i mają nowe, odmienne właściwości. Zgodnie z definicją, są nowymi pierwiastkami. Reakcje jądrowe mogą prowadzić do zamiany materii w energię. Z pewnością spotkałeś się ze słynnym równaniem Alberta Einsteina:

<math> E = mc^2 </math>

W równaniu tym, E oznacza energię, m – masę (materii) a c2 – prędkość światła podniesioną do kwadratu. Jako że kwadrat prędkości światła jest naprawdę dużą wielkością, równanie Einsteina demonstruje, jak niewielka ilość materii może zostać przetworzona na ogromną ilość energii. To właśnie jest podstawą energetyki jądrowej – czy w elektrowniach dostarczających prąd elektryczny do domów, czy w łodziach podwodnych, czy w Słońcu, które umożliwia istnienie życia na Ziemi.

Podstawową porcją pierwiastka jest atom. Atom (nazwa pochodzi od greckiego słowa atomos – niepodzielny) jest najmniejszą porcją pierwiastka, która wciąż wykazuje jego specyficzne właściwości. Atomy są tak małe, że potrzeba by wielu milionów atomów ułożonych jeden obok drugiego, aby łączna długość takiego szeregu osiągnąła grubość tej strony.

Atomy z kolei są utworzone z jeszcze mniejszych elementów, tzw. cząstek elementarnych, do których należą obdarzone ujemnym ładunkiem elektrony, obdarzone ładunkiem dodatnim protony, i pozbawione ładunku neutrony. Naładowane cząstki – elektrony i protony – wzajemnie się przyciągają, co zapewnia trwałość całemu układowi. A ponieważ ilość elektronów i protonów w atomie jest taka sama (za wyjątkiem atomów zjonizowanych, o których będziemy mówić wkrótce), całkowity ładunek atomu jest neutralny (brak ładunku). Neutrony i protony mają w przybliżeniu te same rozmiary, i utrzymywane razem przez siły jądrowe znajdują się w jądrze, umiejscowionym w centrum atomu. Protony nadają jądru ładunek dodatni; wokół jądra, po orbitalach, krążą ujemnie naładowane i znacznie mniejsze elektrony, tworzące chmurę elektronową. Średnica chmury elektronowej jest jakieś sto tysięcy razy większa od średnicy jądra; jeżeli wyobrazimy sobie, że jądro atomu wodoru ma wielkość pomarańczy, w tej samej skali średnica całego atomu wyniosłaby około 6 kilometrów.

Elektrony poruszają się po przewidywalnych orbitach, określanych jako powłoki elektronowe. Każda powłoka może pomieścić określoną liczbę elektronów. Wkrótce do tego przejdziemy – przy opisie sposobu, w jaki atomy mogą łączyć się, tworząc bardziej złożone formy materii.

Chociaż jądro jest tak małe w stosunku do całego atomu, stanowi 99,9% całej jego masy. Wynika to z faktu, że protony i neutrony są mniej-więcej 2000 razy cięższe od elektronów. Całkowita masa wszystkich wchodzących w skład atomu cząstek elementarnych to masa atomowa. Oprócz masy, pierwiastki różnią się przede wszystkim liczbą protonów w jądrze, czyli liczbą atomową. Różne atomy tego pierwiastka, przy tej samej liczbie protonów, mogą mieć różną liczbę neutronów (czyli różną masę atomową). Takie odmiany tego samego pierwiastka określane są jako izotopy. Na różne sposoby atomy łączą się między sobą, tworząc cząsteczki. Cząsteczki złożone z więcej niż jednego pierwiastka to związki chemiczne. Cząsteczka stanowi najmniejszą porcję związku chemicznego, która posiada wszystkie włściwości tego związku. Przykładem może być dwutlenek węgla, CO2, którego każda cząsteczka składa się z jednego atomu węgla i dwóch atomów tlenu.

Także atomy jednego pierwiastka mogą się łączyć i tworzyć cząsteczki – czyli występować jako pierwiastki w formie cząsteczkowej. Przykładem może być azot, który w powietrzu występuje w formie azotu cząsteczkowego (), którego każdą cząsteczkę tworzą dwa atomy azotu. Związki chemiczne zazwyczaj mają właściwości całkowicie różne od właściwości tworzących je pierwiatków. Znakomitym tego przykładem jest woda, H2O. W formie cząsteczkowej, oba pierwiastki wchodzące w skład wody, wodór i tlen, w temperaturze pokojowej są stosunkowo reaktywnymi gazami (czyli łatwo reagują z innymi substancjami). Woda, produkt reakcji między wodorem i tlenem, w temperaturze pokojowej jest względnie niereaktywną cieczą - substancją o zupełnie odmiennych cechach niż wyjściowe składniki. Podobnie, właściwości pierwiastków w formie cząsteczkowej, np. cząsteczkowego azotu (N2), mogą istotnie się różnić od właściwości pierwiastków w formie atomowej (N) – o ile w formie atomowej w ogóle występują. W cząsteczkach, atomy są połączone ze sobą poprzez wiązania chemiczne. Proces tworzenia wiązania chemicznego to reakcja chemiczna. Tylko pierwiastki o odpowiedniej strukturze atomowej, a dokładniej – o odpowiedniej konfiguracji elektronów na powłokach elektronowych – mogą tworzyć wiązania chemiczne. Atom o konfiguracji elektronowej, która pozwala mu utworzyć wiązanie chemiczne, jest określany jako reaktywny.

Reaktywność atomu zależy od ilości elektronów na jego najbardziej zewnętrznej powłoce – powłoce walencyjnej. Jeśli zewnętrzna powłoka jest pełna, czyli zawiera tyle elektronów ile może się na niej pomieścić, atom nie będzie łatwo tworzył wiązań z innymi – będzie niereaktywny. Przykładami takich bardzo stabilnych gazów są hel i neon. Jak dowiesz się wkrótce, nurkowie techniczni i komercyjni często używają helu jako gazu oddechowego, między innymi ze względu na jego niereaktywność.

Atomy z mniejszą ilością elektronów na powłoce walencyjnej mogą stosunkowo łatwo tworzyć wiązania, lecz tylko z niektórymi pierwiastkami. Generalnie, tworzą wiązania z innymi atomami w taki sposób, aby wypełnić swoją powłokę walencyjną. Mogą to być wiązania jonowe lub wiązania kowalencyjne. Wiązanie jonowe powstaje, gdy jeden atom przejmuje elektron (lub elektrony) od innego atomu (lub atomów), w taki sposób, by skompletować swoją powłokę walencyjną. W ten sposób, atom który utracił ujemnie naładowany elektron uzyskuje całkowity ładunek dodatni, zaś atom który przyjął dodatkowy elektron przybiera całkowity ładunek ujemny. Przeciwnie naładowane atomy przyciągają się wzajemnie.

Przykładem wiązania jonowego jest sól kuchenna, czyli chlorek sodu – NaCl. Atom sodu posiada tylko jeden ze swoich 11 elektronów na zewnętrznej powłoce, zaś atom chloru na powłoce walencyjnej posiada siedem elektronów, choć dla skompletowania powłoki potrzebuje ośmiu. Dlatego atom chloru przejmuje samotny elektron z zewnętrznej powłoki atomu sodu, kompletując własną powłokę walencyjną; posiada teraz o jeden elektron więcej niż wynosi liczba protonów, i jego całkowity ładunek jest ujemny. Atom sodu, oddawszy jeden elekron z zewnętrznej powłoki i odsłoniwszy wypełnioną drugą powłokę, która teraz staje się zewnętrzną – posiada o jeden proton więcej niż wynosi liczba elektronów, i jego całkowity ładunek jest dodatni. Dwa przeciwnie naładowane jony przyciągają się wzajemnie, tworząc wiązanie jonowe.

Niektóre atomy tworząc związek ani nie oddają elektronów, ani ich nie przyjmują celem wypełnienia powłoki. Zamiast tego, dwa lub więcej atomów uwspólnia część elektronów, w ten sposób wypełniając swoje powłoki. Są to tak zwane wiązania kowalencyjne; najbardziej znanym przykładem związku w którym występują jest cząsteczka wody.

W wypadku wody, tlen i wodór, dwa wysoce reaktywne pierwiastki, łączą się tworząc stabilny związek chemiczny. Aby uzyskać komplet elektronów na powłoce walencyjnej, atom tlenu potrzebuje dodatkowo dwóch elektronów (posiada sześć, potrzebuje ośmiu). Każdy z atomów wodoru posiada natomiast tylko jeden elektron, a potrzebuje dwóch do skompletowania pierwszej powłoki. Poprzez uwspólnienie dwóch elektronów z atomu tlenu i po jednym elektronie z dwóch atomów wodoru, atom tlenu uzyskuje dwa elektrony potrzebne mu do skompletowania powłoki, a każdy z atomów wodoru uzyskuje brakujący jeden elektron. W związku z tym, w skład cząsteczki wody wchodzą tlen (O) i wodór (H) w niezmiennej proporcji – jeden atom tlenu na dwa atomy wodoru. Zapisuje się to jako H2O – jest to zapewne najbardziej rozpoznawalny wzór chemiczny na świecie. Taka budowa cząsteczkowa daje wodzie szereg wyjątkowych własności, o których dowiesz się niebawem.

Stany skupienia materii.

Pierwiastki i związki chemiczne mogą występować w jednym z trzech stanów skupienia: jako ciała stałe, ciecze i gazy. Na przykład, woda może występować jako ciecz, lecz również jako ciało stałe (lód) oraz gaz (para wodna). Stan skupienia zależy od tego, jak blisko siebie znajdują się cząsteczki danej substancji, i jak sztywne są połączenia między nimi.

Zastosowanie w nurkowaniu: Różne stany materii różnią się swoim zachowaniem pod ciśnieniem. Na przykład, gazy ulegają sprężeniu w stopniu proporcjonalnym do ciśnienia, zaś ciecze i ciała stałe są nieściśliwe (w warunkach spotykanych podczas nurkowania).

Generalnie, najważniejszym czynnikiem wpływającym na stan skupienia substancji jest temperatura, ponieważ właśnie ona wpływa na szybkość poruszania się, lub drgania, cząsteczek. Temperatura jest właśnie miarą tempa poruszania się cząsteczek danej substancji: im szybszy ruch cząsteczek, tym wyższa temperatura, podczas gdy spowolnienie drgań cząsteczek oznacza oziębienie substancji.

Gdy cząsteczki danej substancji znajdują się blisko siebie i są sztywno połączone w regularny sposób, taka substancja jest w stanie stałym. Gdy rośnie temperatura, cząsteczki zaczynają poruszać się coraz szybciej, wypadają ze swoich ustalonych pozycji i zaczynają się przemieszczać względem siebie, ale ciągle pozostają blisko. Ten stan skupienia okreśamy jako ciekły. Gdy temperatura dalej rośnie, cząsteczki zaczynają się oddalać od siebie i rozpraszać, tworząc gaz. Dobrym przykładem są lód, woda i para, gdzie ciało stałe (lód) reprezentuje stan „najzimniejszy”, a gaz (para wodna) - „najcieplejszy” tej samej substancji.

Ciśnienie również jest jednym z czynników wpływających na stan skupienia, ale w większości sytuacji, z którymi mamy do czynienia na codzień, nie jest ono bardzo istotne. Im wyższe ciśnienie, tym trudniej substancja przechodzi ze stanu ciekłego w gazowy, i tym wyższa temperatura jest potrzebna do przejścia cieczy w gaz. Dobrym przykładem są butle z gazem propan-butan, który pod wysokim ciśnieniem wewnątrz butli jest cieczą, lecz wypływa z butli na zewnątrz jako gaz. Podobnie, temperatura wrzenia gotowanej wody zmienia się wraz z wysokością – im wyżej się znajdujemy, tym woda wre w niższej temperaturze. Na wysokości 7600 metrów woda wre w temperaturze 76°C, podczas gdy na poziomie morza temperatura wrzenia wynosi 100°C.

Przyciąganie grawitacyjne, masa i ciężar.

Materia oddziałuje na inną materię poprzez przyciąganie grawitacyjne. Siła przyciągania jest wprost proporcjonalna do masy ciała, i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości od niego. W większości sytuacji w życiu codziennym, pod uwagę bierzemy tylko przyciąganie ziemskie. Ty przyciągasz Ziemię w ten sam sposób, w jaki Ziemia przyciąga ciebie, siła przyciągania ziemskiego działająca na ciebie jest bez porównania większa od siły, z jaką twoje ciało przyciąga Ziemię. Gdy jednak weźmiemy pod uwagę Księżyc, dwukierunkowe dziłanie siły grawitacji staje się bardziej wyraźne. Siła przyciągania ziemskiego utrzymuje Księżyc na orbicie wokółziemskiej, ale siła przyciągania Księżyca wystarcza do podnoszenia wody w oceanach, co wywołuje pływy.

Masa jest jedną z cech materii; według fizycznej definicji, jest ona miarą bezwładności ciała, a potocznie jest to ilość materii i energii zgromadzonej w ciele. W praktyce, zazwyczaj określamy masę ciała poprzez jego ciężar, czyli przez określenie działającej na ciało siły grawitacji. Różnica jest istotna – przedmiot, którego ciężar na Ziemi wynosi 60 kg, na Księżycu będzie ważył 10 kg. Masa przedmiotu nie uległa zmianie, ale przez niższą wartość siły grawitacji na Księżycu, obniżył się jego ciężar.

Dopóki jednak nie rozpoczniemy nurkowania na innych planetach, jako płetwonurkowie będziemy mieli do czynienia jedynie z siłą przyciągania ziemskiego. Dlatego możemy używać określeń ciężar i masa zamiennie, przynajmniej do celów nurkowych, mimo iż z technicznego punktu widzenia są to różne pojęcia.