چه چیزی خواص مواد را مشخص می‌‌كند؟

مقدمه

شاید تا بحال از خود پرسیده باشید كه چرا مواد مختلف با هم متفاوتند؟ چرا برخی از آن‌ها محكم تر از سایرین هستند؟ چرا برخی از مواد رسانا و برخی نارسانا؟ چرا نور می‌تواند از بعضی از مواد عبور ‌كند و از بعضی دیگر نه؟

سئوالاتی 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. با اطلاعاتی كه ما از ساختمان عناصر و تفاوت‌‌های موجود در عناصر داریم شاید گمان كنیم كه تفاوت‌‌‌‌های موجود در مواد مختلف حاصل تفاوت‌‌های عناصر تشكیل دهنده آنها است. با این تفكر مواد تنها متاثر از تنوع عناصر تشكیل دهنده خود خواهند بود و تمامی ویژگی‌‌های رفتاری مواد با شناخت عناصر تشكیل دهنده آنها روشن خواهد شد. بر این اساس مشخص شدن عناصر تشكیل دهنده یعنی تعیین تركیب شیمیایی همه اسرار مربوط به خصوصیات مواد را آشكار می‌‌كند. براستی 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 آنها 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 بجز تركیب شیمیایی موجب تفاوت در رفتار مواد می‌‌شود؟

برای جواب این سئوال 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. به طور حتم با پیوندهای شیمیایی آشنایی دارید. 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 یونی كه منجر به محصور شدن الكترون‌‌ها می‌‌شود، خاصیت "رسانایی" مشاهده نمی‌شود زیرا الكترون‌‌ها كه حامل و انتقال دهنده‌ی بار الكتریكی هستند، به دلیل محصور شدن امكان حركت ندارند و چیزی برای انتقال بار الكتریكی در میان ماده وجود نخواهد داشت. در مقابل در فلزات، مانند مس، به دلیل وجود پیوند فلزی كه موجب آزادی الكترون‌‌ها می‌‌شود و امكان تحرك الكترون‌‌ها را فراهم می‌‌نماید، می‌‌توانیم خاصیت رسانایی را انتظار داشته باشیم. زیرا الكترون‌‌های آزاد، امكان انتقال بار الكتریكی را در طول ماده فراهم می‌آورند. همانطور كه ذكر شد اطلاع از نوع پیوندهای اتمی می‌‌تواند به شناخت ما از رفتار و خواص مواد كمك كند. 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 و هر دو "ریخت‌‌های" مختلفی از عنصر كربن هستند. اما چرا خواص گرافیت و الماس تا این حد با یكدیگر متفاوت است؟ الماس به عنوان سخت‌‌ترین ماده طبیعی معرفی می‌‌گردد و گرافیت به دلیل نرمی بسیار، به عنوان ماده "روانساز" به كار گرفته می‌‌شود! تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتم‌‌های كربن نمی‌‌توان نسبت داد زیرا در هر دو شكل این ماده - كه تنها دارای اتم‌‌های كربن است - یك نوع پیوند شیمیایی وجود دارد. بلكه علت 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. واضح است كه در ساختار گرافیت دو نوع اتصال وجود خواهد داشت: یك نوع اتصال، اتصالی است كه بین اتم‌‌های كربن هر لایه لانه زنبوری وجود دارد و جنس آن از نوع پیوند كوالانسی است. نوع دوم اتصالی است كه لایه‌‌های لانه زنبوری را به یكدیگر وصل می‌كند. بدیهی است كه این نوع از جنس اتصالات اولیه یعنی پیوندهای اتمی نیست. بنابراین پیوند به هم پیوستگی دوم - كه قدرت به هم پیوستگی لایه‌‌ها را مشخص می‌‌كند - ضعیف‌‌تر از اتصال اولیه كه یك پیوند كوالانسی است، خواهد بود. پس می‌توان انتظار داشت كه گرافیت، در جهت صفهات لانه‌زنبوری به دلیل داشتن پیوند قوی كووالانسی استحكام بالایی داشته باشد؛ بالعكس، این ساختار در جهت عمود بر صفحات لانه زنبوری به علت وجود پیوند ضعیف ثانویه بین لایه‌ها، به مراتب كمتر از استحكام درون آنها، دارای مقاومت است. از طرفی به دلیل پیوندهای ضعیف بین لایه‌‌ای انتظار می‌‌رود كه با اعمال نیرویی بیشتر، لایه‌‌های لانه زنبوری بتوانند بر روی یكدیگر بلغزند.



شكل 1- ساختار گرافیت


<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.



شكل 2- ساختار الماس


با توضیحاتی كه راجع به تفاوت‌‌های ساختاری گرافیت و الماس داده شد مشخص می‌‌گردد كه دلیل نرمی گرافیت و سختی الماس در چیست. همانطور كه دیدید ساختار با مشخص كردن نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشكیل دهنده مواد، تاثیر به سزایی در خواص مواد دارد. بنابراین از طریق مطالعه در ساختار مواد، بسیاری از رفتارها و خواص آنها را می‌‌توان پیش‌‌بینی كرد. همچنین برای دستیابی به برخی از خواص می‌‌توان ساختار متناسب با آنها را طراحی نمود.

ریزساختار چیست؟

با شناختی كه نسبت به ساختار مواد پیدا كرده‌اید، ممكن است گمان كنید موادی كه ما به صورت توده‌ای در اطراف خود می‌بینیم از گسترده‌تر شدن نظم ساختاری اولیه به وجود آمده‌اند. به عبارت دیگر 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 ما 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. می‌دانیم كه از گرافیت به عنوان ماده اصلی مغز مداد استفاده می‌شود و اثری كه از مداد بر روی كاغذ باقی می‌ماند در حقیقت لایه‌‌های نازك گرافیت است كه با مالش نوك مداد بر روی كاغذ، از سطح آن كنده شده و بر روی كاغذ می‌چسبد و همانطور كه پیش‌تر اشاره شد لایه‌های گرافیت به دلیل پیوند ضعیف ثانویه امكان لغزش و حتی جدا شدن از یكدیگر را دارند. حالا سئوال 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 آنها 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 و این تصور با تجربه هر روزه ما از بكارگیری مداد متفاوت و متناقض است زیرا به تجربه دریافته‌ایم كه مداد در تمامی جهات می‌نویسد. ما مداد را در هر زاویه و هر جهتی نسبت به كاغذ حركت دهیم مداد خواهد نوشت. پس دلیل این تناقض چیست؟ آیا ساختار گرافیت آنگونه كه گمان می‌كنیم نیست؟ و یا اینكه توده گرافیت چیزی غیر از گسترش یكنواخت و هماهنگ ساختار گرافیت است؟



شكل 3- طرحی ساده از ریزساختار ایده‌آل گرافیت


برای درك درست از رفتار توده‌ای مواد لازم است كه با ریزساختار آنها آشنا بشویم. با بررسی میكروسكوپی گرافیت درمی‌یابیم‌ كه توده گرافیت یكپارچه نیست بلكه این توده 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.



شكل 4- طرحی ساده از ریزساختار واقعی گرافیت


تفاوت این نوع ریزساختار از نوعی كه پیش‌تر تصور می‌كردیم، یعنی یك توده گسترده از ساختار گرافیت، در دامنه نظم آنهاست. در تصور اول ما توده گرافیت را یك ساختار یكپارچه و منظم از ساختار گرافیت كه در تمام توده گسترش یافته می‌دانستیم در این حالت نظم حاكم بر ساختار، یك نظم با دامنه بلند كه تمام توده را می‌پوشاند در نظر گرفته می‌شود اما در عمل نظم ساختار گرافیت به صورت محلی و با دامنه‌های كوتاه مشاهده می‌شود. این بی‌نظمی در قرار گرفتن توده‌های دارای ساختار گرافیت باعث می‌شود. تنوع و گوناگونی فراوانی در بخش‌های گرافیت كه هر یك زاویه و جهت خاصی دارند، وجود داشته باشد. بنابراین همیشه بخش‌هایی كه زاویه و جهت مناسب برای حركت و كنده شدن لایه‌ها را دارند، وجود خواهد داشت و ما بدون نگرانی از جهت و زاویه قرار گرفتن مداد می‌توانیم از نوشتن آن مطمئن شویم.

نتیجه‌گیری

عوامل تاثیرگذار در خواص توده‌ای مواد را به صورت اجمالی و ساده شناختیم. این عوامل عبارت بودند 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 بكار گرفته شده در ساختمان‌های شهر، ساختار مواد كه چگونگی قرارگرفتن عناصر در كنار یكدیگر و اتصالات میان آنها 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 بكار رفته در آن) بلكه به معماری ساختمان‌ها(ساختار) و نحوه شهرسازی(ریزساختار) نیز بشدت وابسته خواهد بود.

نوشته شده در تاریخ سه شنبه 17 آبان 1390    | توسط: سیدمحمدامین شاهمرادی    |    | نظرات()