Bütün maddeler atomlardan oluşur. Her madde (oksijen, kurşun, gümüş, neon …) benzersiz sayıda proton, nötron ve elektrona sahiptir. Örneğin oksijen, 8 proton, 8 nötron ve 8 elektrona sahiptir. Hidrojen ise 1 proton ve 1 elektrona sahiptir. Atomlar, başka atomlarla birleşerek molekülleri oluşturabilir. Örneğin, su molekülleri iki hidrojen(H) atomu ve bir oksijen (O) atomu içerir ve kimyasal olarak H2O olarak adlandırılır. Oksijen ve azot havanın ana bileşenleridir ve doğada iki atomlu (iki atomlu) moleküller halinde bulunurlar. Maddeler molekül türünden bağımsız olarak katı, sıvı veya gaz olarak bulunur. Maddenin bu özelliğine maddenin hali ya da fazı denir.
Maddenin doğal 4 hali bulunmaktadır. Bunlar katılar, sıvılar, gazlar ve plazmadır. Bu durumlar, dış koşullara ve bir malzemedeki atomların organizasyonuna bağlıdır. Beşinci durum, Bose-Einstein yoğuşmalarıdır. Bose-Einstein yoğuşmaları ve nötron-dejenere madde gibi bazı haller yalnızca aşırı soğuk veya aşırı yoğun madde gibi aşırı durumlarda ortaya çıkar. Fermiyonik yoğuşması (örneğin, süperakışkanlar) ve kuark-gluon plazmaları gibi diğer fazların da mümkün olduğuna inanılmaktadır ancak bu haller şimdilik teoride kalmaktadır.
Kimyasal bir denklemde maddenin hali, katı için (k), sıvı için (s) ve gaz için (g) olarak gösterilir. Sulu bir çözelti ise (aq) ile gösterilir. Plazma halindeki madde, kimyasal denklemlerde nadiren kullanılır, bu nedenle onu ifade edecek standart bir sembol yoktur. Nadir denklemlerde plazma (p) ile sembolize edilir.
Maddenin 4 Temel, Klasik Hali
Maddenin 4 hali olan katı, sıvı, gaz ve plazmanın aralarındaki fark, bileşik moleküllerin etkileşimlerinin gücü ile belirlenir. Sıvılara ve gazlara akışkanlar denir çünkü akabilir veya hareket edebilirler.
1-Katılar
Katılar, birbirine sıkıca bağlı atomlardan oluşur, bu nedenle şekillerini korurlar ve sabit hacimlere sahiptirler. Katıların molekülleri arasında çok güçlü etkileşimler vardır. Bu, moleküllerin birbirine yakın olmasına ve çok az hareket etmesine neden olur. Bir maddenin molekülleri en yavaş olduğunda katı halde olduğu söylenir. Katılarda, moleküller sadece konumlarında titreşme eğilimindedir. Bu hareket eksikliği nedeniyle, katıların iyi tanımlanmış bir şekli ve hacmi vardır. Günlük hayatımızdaki çoğu madde katıdır. Sıvılar katılar kadar sıkı bir şekilde bir arada tutulmazlar. Örneğin bir buz küpü suyun katıya dönüşmüş halidir. Buz küpündeki su molekülleri ısındıkça uyarılır ve daha hızlı hareket etmeye başlarlar. Sonunda moleküller o kadar hızlı hareket etmeye başlar ki buz erir ve bu süreçle katıdan sıvıya dönüşür. Bu faz değişiminin gerçekleştiği sıcaklık o maddenin erime/donma noktası olarak bilinir ve her bir bileşik için benzersiz bir özelliktir. Faz değişimi, bir maddenin bir formundan diğerine değiştiği herhangi bir zamanı tanımlamak için kullanılan terimdir. Ortama daha fazla ısı eklenirse, sıvı su molekülleri o maddenin kaynama noktasına yaklaştıkça buharlaşır ve sonunda gaz haline gelir.
2-Sıvılar
Bir sıvının bileşen molekülleri hala birbirleriyle güçlü bir şekilde etkileşime girer ancak katılarda olduğu kadar güçlü değildir. Daha zayıf olduğu için moleküller birbirlerinin yanından geçebilirler. Bunun anlamı, katıların aksine sıvıların belirli bir şekli olmadığıdır. Bununla birlikte, belirli bir hacme sahiptirler. Bir sıvı, yer çekimi alanı içinde serbest bir yüzey ile içinde bulunduğu kabın şeklini alır. Mikrogravitede (yer çekimsiz ortamda) bir sıvı serbest bir yüzeyin içinde bir küre oluşturur. Yer çekiminden bağımsız olarak, bir sıvı sabit bir hacme sahiptir. Örneğin, su muhtemelen hayatımızda en çok kullanılan ve bilinen sıvıdır. Kaplar arasında su aktarıldığında su miktarı (hacim) değişmez ancak içinde bulunduğu kabın şeklini alır.
3-Gazlar
Gazlar zayıf moleküler kuvvetlere sahiptir, bu nedenle içinde bulundukları kabın şeklini ve hacmini alarak kabını doldurur. Gazlar, hacimleri sabit olmadığı için önceki iki halden (katı ve sıvıdan) farklı olarak kolayca sıkıştırılabilir. Gaz halinde moleküller arasında neredeyse hiç etkileşim yoktur. Gaz molekülleri arasında çok az etkileşim olduğundan, hemen hemen her yere gidebilirler. Bir balon düşünülürse, balon şişirildiğinde o hacme ve şekle sıkışmış pek çok gaz vardır. Gaz balondan çıkarılırsa, tüm odayı doldurur. Böylece gaz hem şeklini hem de hacmini değiştirir. Etrafımızı saran hava aslında bir gaz karışımıdır. Hava öncelikle azot gazı, oksijen gazı ve karbondioksitten oluşur.
4-Plazma
Maddenin üç normal fazı uzun yıllardır bilinmekte, fizik ve kimya derslerinde incelenmektedir. Plazma, incelemeye başlanan nispeten yeni bir durumdur. Güneşte olduğu gibi yüksek sıcaklık veya basınçlarda bir plazma oluşur. Bu tür ekstrem koşullarda elektronlar çekirdeğin etrafındaki yörüngelerinden sıyrılır ve arkalarında pozitif yüklü bir iyon bırakırlar. Gazların karışımı (yüklü iyon, nötr atom, serbest elektronlardan oluşan) plazma olarak bilinir. Neon ışıklı tabelalar plazmanın yaygın bir örneğidir. Evrendeki maddelerin % 99’u plazma halindedir. Plazma, bazı benzersiz niteliklere sahiptir. Plazma, sıvı veya gaz gibi bir sıvıdır ancak plazmada bulunan yüklü parçacıklar (iyonlar) nedeniyle elektromanyetik kuvvetlere tepki verir ve üretir. NASA şu anda bir iyon tahrik sistemi için plazmaların kullanımı konusunda araştırma yapmaktadır.
Bose-Einstein Yoğuşması![Maddenin 4 Temel Hali ve Bose-Einstein Yoğuşması]()
Bose-Einstein yoğuşması bilim insanları tarafından 1995’te oluşturulmuştur. ABD’nin Colorado eyaletindeki Boulder şehrinde bulunan “Ortak Astrofizik Enstitüsü” olan JILA’daki iki bilim insanı (Carl Weiman ve Eric Cornell) mıknatıslar ve lazer kullanarak rubidyum elementini mutlak sıfır noktasına kadar soğutmuşlardır. Çok düşük olan bu sıcaklıkta moleküler hareketi durmaya çok yaklaşır. Bir atomdan diğer atoma hemen hemen hiç enerji aktarılmadığı için element atomları bir araya toplanır. Artık çok sayıda ayrı atom yerine bir tek”süper atom” vardır. Bose-Einstein yoğuşması kuantum mekaniğinin makroskopik düzeyde incelenmesi amacıyla kullanılır. Işık, bir Bose-Einstein yoğuşmasından geçerken yavaşlıyor gibi görünür ve parçacık / dalga paradoksu kolaylıkla incelenebilir. Bose-Einstein yoğuşması bir süper akışkanın veya sürtünmeden akan bir akışkanın özelliklerinin çoğuna sahiptir. Maddenin bu hali ayrıca kara deliklerde var olabilecek koşulların simülasyonu için kullanılmaktadır.
Faz Geçişleri
Herhangi bir madde herhangi bir fazda bulunabilir. Bir maddenin hali veya fazı, basınç ve sıcaklık koşullarına bağlı olarak değişebilir, bu koşullar varlıklarını destekleyecek şekilde değiştikçe diğer fazlara geçebilir. Örneğin, sıcaklıktaki bir artışla katı sıvıya geçiş yapar. Mutlak sıfıra yakın bir madde katı halde bulunur. Bu maddeye ısı eklendiğinde, erime noktasında bir sıvı halinde erir, kaynama noktasında bir gaz halinde kaynar ve yeterince yüksek ısıtılırsa, elektronların ana atomlarını terk edecek kadar enerjilendiği bir plazma durumuna girer. Bir gaz, kaynama noktasının altındaki bir sıcaklığa soğutulduğunda, yoğuşma adı verilen bir süreçte sıvı hale döner. Sıvı bir numuneyi erime noktasının altına soğutmak, kristalizasyon veya donma olarak bilinen bir süreçte katı fazına geri dönmesine neden olur. Bazı benzersiz koşullar altında, bazı bileşikler hal veya faz değişimlerinde sıvı halini atlayabilir ve katıdan gaza veya gazdan katı hale geçebilir. Örneğin, erime/donma noktaları çok düşük olan CO2 (kuru buz) gibi bileşikler bir kez ısıtıldığında süblimleşmeye uğrarlar ve katı hallerinden doğrudan gaza dönüşürler. Başka bir örnek, bulutlarda karın oluşum sürecidir. Donma noktasının altındaki hava sıcaklıklarında, bulutları oluşturan gaz halindeki su buharı çökelmeye başlar ve bulut içinde gaz halinden buz kristallerine dönüşür. Bu kristaller çok ağırlaştıklarında bir kar tanesi şeklinde yere düşerler.
Sıvı, gaz ve katı haller arası geçişler en iyi suda gözlenir. Standart atmosfer koşulları altında su sıvı halde bulunur. Ancak sıcaklık 0 santigrat derecenin veya 32 derece Fahrenhaytın altına düşürülürse, su sıvı halden buz adı verilen bir katıya dönüşür. Benzer şekilde, bir su hacmi 100 santigrat derecenin veya 212 derece Fahrenhaytın üzerinde ısıtılırsa, su sıvı halden su buharı adı verilen gaz hale dönüşür. Maddenin halindeki değişimler kimyasal değişimler değil fiziksel değişimlerdir. Bir su buharı molekülü, bir sıvı su molekülü veya bir buz molekülü ile aynı kimyasal bileşime ( H2O’ya) sahiptir.
Klasik Olmayan Haller
Maddenin cam (amorf katı), bir dereceye kadar düzensiz kristaller, sıvı kristal halleri, manyetik düzenli haller, mikrofaz-ayrımlı hal, kuantum spin sıvı gibi klasik olmayan bazı halleri de bulunmaktadır. Cam, sıvı duruma doğru ısıtıldığında cam geçişi sergileyen kristal olmayan veya amorf (şekilsiz) bir katı malzemedir. Camlar, inorganik ağlar (silikat artı katkı maddelerinden yapılmış pencere camı gibi), sulu çözeltiler, iyonik eriyikler, moleküler sıvılar, metalik alaşımlar ve polimerler gibi oldukça farklı malzeme sınıflarından yapılabilir. Termodinamik olarak, bir cam kristal muadiline göre yarı kararlı bir durumdadır. Bununla birlikte, dönüşüm oranı pratikte hemen hemen sıfırdır. Bir plastik kristal, uzun erimli konumsal düzene sahip, ancak dönme özgürlüğünü koruyan kurucu moleküllere sahip moleküler bir katıdır; oryantasyonel bir camda bu serbestlik derecesi, söndürülmüş düzensiz bir durumda dondurulur. Benzer şekilde, bir spin camda manyetik düzensizlik donmuştur. Sıvı kristal haller, hareketli sıvılarla düzenli ya da sıralı katılar arasında ara özelliklere sahiptir. Genellikle bir sıvı gibi akabilirler ancak uzun erimli düzen sergilerler. LCD (sıvı kristal ekranlar) teknolojisinde sıvı kristaller kullanılmaktadır. Geçiş metalleri manyetik düzene sahiptir. Manyetik düzen 
halindeki maddelerin ferromanyet ve antiferromanyet dışında ferrimanyet durumları söz konusudur. Mikrofaz ayrımlı hal kopolimerlerde görülebilir. Kuantum sıvı hali denilen düzensiz durumu etkileşimde bulunan kuantum spinleri oluşturur. Düzensizlik son derece düşük sıcaklıklarda bile korunur.
Yukarıda adı geçen hallerden başka çok düşük sıcaklık halleri kapsamına giren Kuantum Hall, tuhaf madde ve fotonik madde durumları; yüksek enerjili bir durum olan dejenere madde ve Renkli amorf yoğunlaşması; çok yüksek enerjili haller gibi durumlar bulunmaktadır. Bunların dışında süper katı, süper amorf, string-net sıvısı, kararlı jel ve karanlık madde olarak adlandırılan hallerin de bulunduğu teorik olarak öngörülmektedir.
Kaynakça:
https://courses.lumenlearning.com/earthscience/chapter/states-of-matter/
https://www.livescience.com/46506-states-of-matter.html
https://www.matematiksel.org/maddenin-3-degil-simdilik-5-hali-vardir/
Yazar: Müşerref Özdaş