ساختمان و خواص مواد

شاید تا به حال از خود پرسیده باشید که

چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟

چرا برخی از آن‌ها محکم تر از سایرین هستند؟

سؤالاتی از این دست ذهن را متوجه تفاوت‌‌های مواد از نظر خواص می‌‌کند و ما را در رابطه با علت این تفاوت‌‌ها، به تفکر بیشتر وادار می‌‌کند.

ماده چیست؟

تمام چیزهای غیر زنده ای که در اطراف ما هستند، ماده نام دارند. بعضی از مواد مانند چوب و سنگ شکل ثابتی دارند. موادی که در دمای معمولی شکل آنها تغییر نکند، جامد هستند. موادی که به شکل ظرف خودشان در آیند مایعهستند و موادی که در فضا پخش می شوند و با چشم دیده نمی شوند گاز هستند.

مواد از چه ساخته شده اند؟

اگر به دانه های شکر نگاه کنید می بینید از دانه های بسیار ریزی درست شده است که این ذره های بسیار کوچک با چشم معمولی قابل مشاهده نیستند. پس با میکروسکوپ های بسیار قوی آن را هزاران برابر درشت می کنند تابتوان آن ها را دید. به هر کدام از این ذره ها یک مولکول شکر گفته می شود.

مولکول هر ماده با ماده دیگر متفاوت است و به همین دلیل، مواد خاصیت های متفاوتی دارند. رنگ، بو و مزه از خاصیت های هر ماده هستند.

بنابراین تفاوت‌‌‌‌های موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌های عناصر تشکیل دهنده آن ها است. به راستی با دانستن ترکیب شیمیایی، خواص مواد معلوم خواهد شد؟

با کمی دقت و توجه به ترکیبات شیمیایی مواد پیرامون خویش در می‌‌یابیم که بسیاری از آن ها با وجود این که در رفتار و خواص با یکدیگر بسیار متفاوتند، دارای عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی یکسان می‌باشند و برخی دیگراز مواد با داشتن عناصر تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی متفاوت با یکدیگر، دارای خواص و رفتار مشابهی هستند.

پس چه چیزی به جز ترکیب شیمیایی موجب تفاوت در رفتار مواد می‌‌شود؟

برای جواب این سؤال لازم است که بیشتر با ساختار و ویژگی‌های مواد آشنا شویم.

ساختار مواد چیست؟

ساختار مواد ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها و مولکول‌‌های تشکیل دهنده آن مواد را مشخص می‌‌کند. برای شناخت ساختار مواد ابتدا باید به نوع اتصالات بین اتم‌‌ها و یون‌‌ها پی برد. پیوندهای شیمیایی نحوه اتصال میان اتم‌‌ها و یون‌‌ها را مشخص می‌‌کنند. بنابراین تفاوت پیوندهای شیمیایی مختلف را در ویژگی‌های این پیوندها می‌‌توان مشاهده کرد.

به عنوان مثال در نمک طعام به دلیل وجود پیوند خاصیت "رسانایی" مشاهده نمی‌شود اما مس به دلیل وجود پیوند فلزی خاصیت رسانایی دارد. زیرا الکترون‌‌های آزاد، امکان انتقال بار الکتریکی را در طول ماده فراهم می‌آورند.

 اما آیا تنها با دانستن نوع پیوندها تمامی خواص و رفتار یک ماده را می‌‌توان پیش‌‌بینی کرد؟

برای روشن شدن مطلب مثال معروفی را ارائه می‌‌کنیم. همانطور که می‌‌دانید گرافیت و الماس هر دو از اتم‌‌های کربن تشکیل شده‌‌اند اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یکدیگر متفاوت است؟

الماس سخت‌‌ترین ماده طبیعی و گرافیت نرم است. علت تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس در "چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی" این دو شکل کربن است. در گرافیت اتم‌‌های کربن شش ضلعی‌‌های پیوسته‌‌ای شبیه به یک لانه زنبور تشکیل می‌‌دهند که در یک سطح گسترده شده است. لایه‌‌های شش ضلعی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم، حجمی را تشکیل می‌‌دهند که به آن گرافیت می‌‌گوییم .

ساختار گرافیت

در مقابل ساختار لایه‌ای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه‌ای است. در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها در یک سطح (در یک وجه) برقرار می‌‌شود در حالی که در ساختار الماس این پیوندها به صورت شبکه‌‌ای سه بعدی فضا را پر می‌‌کنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کوالانسی ایجاد می‌‌کند، در حالی که در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کوالانسی برقرار می‌نماید.

ساختار الماس

و اما عامل سوم در خواص مواد:

ریزساختار چیست؟

ممکن است تصور شود که مواد توده‌ای، شکل گسترش یافته ساختار اولیه است و بنابراین تمامی خواص و رفتار ساختار اولیه را دارا خواهد بود. این تصور با مشاهدات رفتاری مواد متفاوت است.

به عنوان مثال در ساختار گرافیت انتظار داریم که استحکام در راستاهای مختلف متفاوت باشد زیرا ساختار اولیه در جهت صفحات لانه زنبوری دارای استحکام بالا و در جهت عمود بر صفحات دارای استحکام کمی است. بنابراین گرافیت فقط در برخی جهات خاص می‌بایست "قابلیت حرکت لایه‌ها بر روی یکدیگر" را داشته باشد.

حالا سؤال اینجاست که اگر توده گرافیت گسترش همان ساختار اولیه گرافیت باشد، باید مداد تنها در یک جهت خاص قابلیت نوشتن داشته باشد زیرا ساختار گرافیت تنها لغزیدن لایه‌ها بر روی هم و کنده شدن نها از توده و چسبیدن‌شان به سطح کاغذ را در جهت خاصی میسر می‌سازد و در غیر از آن جهات خاص به دلیل وجود پیوندهای قوی درون لایه‌ها، امکان کنده شدن وجود نخواهد داشت. این تعبیر به آن معناست که مداد تنها در برخی جهات خاص می‌نویسد و در دیگر جهات مداد نخواهد نوشت در صورتی که به تجربه دریافته‌ایم که مداد در تمامی جهات می‌نویسد.

 پس دلیل این تناقض چیست؟

 یا ساختار گرافیت آنگونه که گمان می‌کنیم نیست؟ و یا اینکه توده گرافیت چیزی غیر از گسترش یکنواخت و هماهنگ ساختار گرافیت است؟

 طرحی ساده از ریزساختار ایده‌ل گرافیت

با بررسی میکروسکوپی گرافیت درمی‌یابیم‌ که توده گرافیت یکپارچه نیست بلکه متشکل از دانه‌های بسیاری است که هر یک به صورت مستقل و جدا از یکدیگر در درون خود دارای ساختار گرافیت هستند. به عبارت دیگر توده گرافیت را می‌توان اجتماع بی‌نظمی از بخش‌هایی که هر یک دارای ساختار گرافیت هستند، دانست.

طرحی ساده از ریزساختار واقعی گرافیت

نتیجه‌گیری

عوامل تاثیرگذار در خواص توده‌ای مواد عبارتند از عناصر تشکیل دهنده مواد، ساختار مواد و ریزساختار مواد. به صورتی ساده می‌توانیم خواص توده‌ای مواد را مشابه با خصوصیات یک شهر بدانیم. عناصر تشکیل دهنده مواد به صورت مصالح به کار گرفته شده در ساختمان‌های شهر، ساختار مواد که چگونگی قرارگرفتن عناصر در کنار یکدیگر و اتصالات میان نها را مشخص می‌کند به صورت ساختمان‌های شهر و ریزساختار که چگونگی کنار هم قرار گرفتن ساختار میکروسکوپی را معین می‌کند، به صورت الگوهای شهرسازی در نظر گرفته می‌شود. با این تشبیه خصوصیات یک شهر نه تنها به مصالح(ترکیب شیمیایی به کار رفته در آن) بلکه به معماری ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازی(ریزساختار) نیز به شدت وابسته خواهد بود.