Materie is het 'spul' waaruit het universum bestaat - alles wat ruimte in beslag neemt en massa heeft, is materie.
Alle materie bestaat uit atomen, die op hun beurt weer bestaan uit protonen, neutronen en elektronen.
Atomen komen samen om moleculen te vormen, die de bouwstenen zijn voor alle soorten materie, volgens de Washington State University. Zowel atomen als moleculen worden bij elkaar gehouden door een vorm van potentiële energie die chemische energie wordt genoemd. In tegenstelling tot kinetische energie, de energie van een bewegend object, is potentiële energie de energie die in een object is opgeslagen.
De vijf fasen van materie
Er zijn vier natuurlijke toestanden: vaste stoffen, vloeistoffen, gassen en plasma. De vijfde staat is het door de mens gemaakte Bose-Einstein-condensaat.
Vaste stoffen
In een vaste stof zijn deeltjes stevig tegen elkaar gepakt, zodat ze niet veel bewegen. De elektronen van elk atoom zijn constant in beweging, dus de atomen hebben een kleine trilling, maar ze zijn gefixeerd in hun positie. Hierdoor hebben deeltjes in een vaste stof een zeer lage kinetische energie.
Vaste stoffen hebben een duidelijke vorm, evenals massa en volume, en passen niet bij de vorm van de container waarin ze worden geplaatst. Vaste stoffen hebben ook een hoge dichtheid, wat betekent dat de deeltjes stevig samen zijn gepakt.
Vloeistoffen
In een vloeistof zijn de deeltjes losser verpakt dan in een vaste stof en kunnen ze om elkaar heen stromen, waardoor de vloeistof een onbepaalde vorm krijgt. Daarom zal de vloeistof zich aanpassen aan de vorm van de container.
Net als vaste stoffen zijn vloeistoffen (waarvan de meeste een lagere dichtheid hebben dan vaste stoffen) ongelooflijk moeilijk te comprimeren.
Gassen
In een gas hebben de deeltjes veel ruimte ertussen en hebben ze een hoge kinetische energie. Een gas heeft geen definitieve vorm of volume. Als ze niet beperkt zijn, zullen de deeltjes van een gas zich voor onbepaalde tijd verspreiden; indien beperkt, zal het gas uitzetten om zijn container te vullen. Wanneer een gas onder druk wordt gezet door het volume van de container te verkleinen, wordt de ruimte tussen deeltjes verkleind en wordt het gas samengeperst.
Plasma
Plasma is hier op aarde geen gewone materietoestand, maar volgens het Jefferson Laboratory is het misschien wel de meest voorkomende materietoestand in het universum. Sterren zijn in wezen oververhitte plasmaballen.
Plasma bestaat uit sterk geladen deeltjes met een extreem hoge kinetische energie. De edelgassen (helium, neon, argon, krypton, xenon en radon) worden vaak gebruikt om gloeiende tekens te maken door ze met behulp van elektriciteit te ioniseren in de plasmastatus.
Bose-Einstein-condensaat
Het Bose-Einstein-condensaat (BEC) werd in 1995 door wetenschappers gemaakt. Met behulp van een combinatie van lasers en magneten, kochten Eric Cornell en Carl Weiman, wetenschappers van het Joint Institute for Lab Astrophysics (JILA) in Boulder, Colorado, een monster rubidium af tot op enkele graden van het absolute nulpunt. Bij deze extreem lage temperatuur komt de moleculaire beweging bijna tot stilstand. Omdat er bijna geen kinetische energie wordt overgedragen van het ene atoom naar het andere, beginnen de atomen samen te klonteren. Er zijn niet langer duizenden afzonderlijke atomen, slechts één 'superatoom'.
Een BEC wordt gebruikt om kwantummechanica op macroscopisch niveau te bestuderen. Licht lijkt te vertragen wanneer het door een BEC gaat, waardoor wetenschappers de deeltjes / golfparadox kunnen bestuderen. Een BEC heeft ook veel van de eigenschappen van een supervloeistof, of een vloeistof die zonder wrijving stroomt. BEC's worden ook gebruikt om omstandigheden te simuleren die in zwarte gaten zouden kunnen voorkomen.
Een fase doorlopen
Het toevoegen of verwijderen van energie uit materie veroorzaakt een fysieke verandering als materie van de ene staat naar de andere gaat. Door bijvoorbeeld thermische energie (warmte) toe te voegen aan vloeibaar water wordt het stoom of damp (een gas). En door energie uit vloeibaar water te verwijderen, wordt het ijs (een vaste stof). Fysieke veranderingen kunnen ook worden veroorzaakt door beweging en druk.
Smelten en vriezen
Wanneer warmte wordt toegepast op een vaste stof, beginnen de deeltjes sneller te trillen en verder uit elkaar te bewegen. Wanneer de stof een bepaalde combinatie van temperatuur en druk, het smeltpunt, bereikt, begint de vaste stof te smelten en wordt het een vloeistof.
Wanneer twee toestanden van materie, zoals vast en vloeibaar, de evenwichtstemperatuur en -druk hebben, zal extra warmte die aan het systeem wordt toegevoegd niet tot gevolg hebben dat de algehele temperatuur van de stof stijgt totdat het gehele monster dezelfde fysische toestand bereikt. Als je bijvoorbeeld ijs in een glas water doet en het op kamertemperatuur laat staan, zullen het ijs en water uiteindelijk op dezelfde temperatuur komen. Terwijl het ijs smelt door de warmte die uit het water komt, blijft het op nul graden Celsius totdat het hele ijsblokje smelt voordat het verder opwarmt.
Wanneer warmte uit een vloeistof wordt verwijderd, vertragen de deeltjes ervan en beginnen ze zich op één locatie in de stof te nestelen. Wanneer de stof bij een bepaalde druk, het vriespunt, een voldoende koele temperatuur bereikt, wordt de vloeistof een vaste stof.
De meeste vloeistoffen trekken samen als ze bevriezen. Water zet echter uit als het in ijs bevriest, waardoor de moleculen verder uit elkaar duwen en de dichtheid afneemt, daarom drijft ijs bovenop water.
Het toevoegen van extra stoffen, zoals zout in water, kan zowel het smelt- als het vriespunt veranderen. Als u bijvoorbeeld zout aan sneeuw toevoegt, daalt de temperatuur die water op de wegen bevriest, waardoor het veiliger is voor chauffeurs.
Er is ook een punt, bekend als het drievoudige punt, waar vaste stoffen, vloeistoffen en gassen allemaal tegelijkertijd bestaan. Water bestaat bijvoorbeeld in alle drie de staten bij een temperatuur van 273,16 Kelvin en een druk van 611,2 Pascal.
Sublimatie
Wanneer een vaste stof direct in een gas wordt omgezet zonder door een vloeibare fase te gaan, staat het proces bekend als sublimatie. Dit kan gebeuren wanneer de temperatuur van het monster snel wordt verhoogd tot boven het kookpunt (flash-verdamping) of wanneer een stof wordt "gevriesdroogd" door het onder vacuüm te koelen, zodat het water in de stof sublimeert en wordt verwijderd uit het voorbeeld. Enkele vluchtige stoffen ondergaan sublimatie bij kamertemperatuur en druk, zoals bevroren kooldioxide of droogijs.
Verdamping
Verdamping is de omzetting van een vloeistof in een gas en kan plaatsvinden door verdamping of koken.
Doordat de deeltjes van een vloeistof constant in beweging zijn, botsen ze vaak met elkaar. Elke botsing zorgt er ook voor dat energie wordt overgedragen en als er voldoende energie wordt overgebracht naar deeltjes dichtbij het oppervlak, kunnen ze volledig van het monster worden weggeslagen als vrije gasdeeltjes. Vloeistoffen koelen af terwijl ze verdampen omdat de energie die wordt overgebracht naar oppervlaktemoleculen, waardoor ze ontsnappen, met zich meegesleept wordt.
Vloeistof kookt wanneer voldoende warmte aan een vloeistof wordt toegevoegd om dampbellen onder het oppervlak te veroorzaken. Dit kookpunt is de temperatuur en druk waarbij een vloeistof een gas wordt.
Condensatie en afzetting
Condensatie treedt op wanneer een gas energie verliest en samenkomt om een vloeistof te vormen. Zo condenseert waterdamp in vloeibaar water.
Afzetting vindt plaats wanneer een gas direct in een vaste stof verandert, zonder door de vloeibare fase te gaan. Waterdamp wordt ijs of vorst wanneer de lucht die een vaste stof raakt, zoals een grassprietje, koeler is dan de rest van de lucht.
