ساختمان و خواص مواد

شاید تا به حال از خود پرسیده باشید كه

چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟

چرا برخی از آن‌ها محكم تر از سایرین هستند؟

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

ماده چیست؟

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

اگر به دانه های شكر نگاه كنید می بینید از دانه های بسیار ریزی درست شده است كه این ذره های بسیار كوچك با چشم معمولی قابل مشاهده نیستند. پس با میكروسكوپ های بسیار قوی آن را هزاران برابر درشت می كنند تابتوان آن ها را دید. به هر كدام از این ذره ها یك مولكول شكر گفته می شود.

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

با كمی دقت و توجه به تركیبات شیمیایی مواد پیرامون خویش در می‌‌یابیم كه بسیاری از آن ها با وجود این كه در رفتار و خواص با یكدیگر بسیار متفاوتند، دارای عناصر تشكیل دهنده و تركیب شیمیایی یكسان می‌باشند و برخی دیگراز مواد با داشتن عناصر تشكیل دهنده و تركیب شیمیایی متفاوت با یكدیگر، دارای خواص و رفتار مشابهی هستند.

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

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

ساختار مواد چیست؟

ساختار مواد ارتباط بین اتم‌‌ها، یون‌‌ها و مولكول‌‌های تشكیل دهنده آن مواد را مشخص می‌‌كند. 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 می‌‌كنند. بنابراین تفاوت پیوندهای شیمیایی مختلف را در ویژگی‌های این پیوندها می‌‌توان مشاهده كرد.

به عنوان مثال در نمك طعام به دلیل وجود پیوند خاصیت "رسانایی" مشاهده نمی‌شود اما مس به دلیل وجود پیوند فلزی خاصیت رسانایی دارد. زیرا الكترون‌‌های آزاد، امكان انتقال بار الكتریكی را در طول ماده فراهم می‌آورند.

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

برای روشن شدن مطلب مثال معروفی را ارائه می‌‌كنیم. همانطور كه می‌‌دانید گرافیت و الماس هر دو از اتم‌‌های كربن تشكیل شده‌‌اند اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یكدیگر 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 شكل كربن است. در گرافیت اتم‌‌های كربن شش ضلعی‌‌های پیوسته‌‌ای شبیه به یك لانه زنبور تشكیل می‌‌دهند كه در یك سطح گسترده شده است. لایه‌‌های شش ضلعی ساخته شده با قرار گرفتن روی هم، حجمی را تشكیل می‌‌دهند كه به آن گرافیت می‌‌گوییم .

در مقابل ساختار لایه‌ای گرافیت، الماس دارای یك ساختار شبكه‌ای است. در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها در یك سطح (در یك وجه) برقرار می‌‌شود در حالی كه در ساختار الماس این پیوندها به صورت شبكه‌‌ای سه بعدی فضا را پر می‌‌كنند. در ساختار گرافیت هر اتم كربن با سه اتم كربن دیگر اتصال اتمی از جنس كوالانسی ایجاد می‌‌كند، در حالی كه در ساختار الماس هر اتم كربن با چهار اتم كربن دیگر پیوند اتمی و از جنس كوالانسی برقرار می‌نماید.

ساختار الماس

و اما عامل سوم در خواص مواد:

ریزساختار چیست؟

ممكن است تصور شود كه مواد توده‌ای، شكل 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 كه استحكام در راستاهای مختلف متفاوت باشد زیرا ساختار اولیه در جهت صفحات لانه زنبوری دارای استحكام بالا و در جهت عمود بر صفحات دارای استحكام كمی است. بنابراین گرافیت فقط در برخی جهات خاص می‌بایست "قابلیت حركت لایه‌ها بر روی یكدیگر" را داشته باشد.

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

 پس دلیل این تناقض چیست؟

یا ساختار گرافیت آنگونه كه گمان می‌كنیم نیست؟ و یا اینكه توده گرافیت چیزی غیر از گسترش یكنواخت و هماهنگ ساختار گرافیت است؟

 طرحی ساده از ریزساختار ایده‌ل گرافیت

با بررسی میكروسكوپی گرافیت درمی‌یابیم‌ كه توده گرافیت یكپارچه نیست بلكه متشكل از دانه‌های بسیاری است كه هر یك به صورت مستقل و جدا از یكدیگر در درون خود دارای ساختار گرافیت هستند. به عبارت دیگر توده گرافیت را می‌توان اجتماع بی‌نظمی از بخش‌هایی كه هر یك دارای ساختار گرافیت هستند، دانست.

طرحی ساده از ریزساختار واقعی گرافیت

نتیجه‌گیری

عوامل تاثیرگذار در خواص توده‌ای مواد عبارتند از عناصر تشكیل دهنده مواد، ساختار مواد و ریزساختار مواد. به صورتی ساده می‌توانیم خواص توده‌ای مواد را مشابه با خصوصیات یك شهر بدانیم. عناصر تشكیل دهنده مواد به صورت مصالح به كار گرفته شده در ساختمان‌های شهر، ساختار مواد كه چگونگی قرارگرفتن عناصر در كنار یكدیگر و اتصالات میان نها را مشخص می‌كند به صورت ساختمان‌های شهر و ریزساختار كه چگونگی كنار هم قرار گرفتن ساختار میكروسكوپی را معین می‌كند، به صورت الگوهای شهرسازی در نظر گرفته می‌شود. با این تشبیه خصوصیات یك شهر نه تنها به مصالح(تركیب شیمیایی به كار رفته در آن) بلكه به معماری ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازی(ریزساختار) نیز به شدت وابسته خواهد بود.

تهیه و تنظیم: فاطمه گودرزی