حالات المادة (بناءً على الخصائص المجهرية)

مقال عن حالات المادة (بناءً على الخصائص المجهرية)

في حياتنا اليومية، نصادف عادةً ثلاث حالات مختلفة للمادة. فهناك المواد الصلبة (مثل الحجارة والحديد وغيرها)، والسوائل (مثل الماء والبنزين وغيرها)، والغازات (مثل الهواء وغيرها). ويمكن تمييز هذه الحالات الثلاث بناءً على قدرتها على الحفاظ على شكلها وحجمها.

تحافظ المواد الصلبة عادةً على شكل وحجم ثابتين. أما السوائل، فلا تحافظ على شكلها، بل تتكيف مع الوعاء الذي تشغله. على سبيل المثال، إذا وضعنا الماء في كوب، يتغير شكله ليصبح كوبًا. وإذا وضعنا الماء في حوض الاستحمام، يتغير شكله ليصبح حوضًا. عادةً ما يكون حجم السائل ثابتًا. فكوب الماء إذا وُضع في حوض الاستحمام، تبقى كمية الماء فيه كما هي. قد يتغير شكل الماء، لكن حجمه لا يتغير أبدًا. تذكر أن عدد المواد الصلبة والسائلة قد يتغير إذا تعرضت لقوة كافية.

ماذا عن الغاز؟ ليس للغاز شكل أو حجم ثابتان. يتغير شكله وحجمه باستمرار تبعًا لشكل وحجم الوعاء الذي يحتويه. على سبيل المثال، إذا ملأنا إطار سيارة بالغاز، فإن طريقة تغير الغاز تشبه تغير الإطار داخل السيارة. وينطبق الأمر نفسه على الحجم؛ فعندما يكون الغاز داخل غلاف، ينتشر ليملأ كامل مساحة الإطار. في هذه الحالة، يتغير حجم الغاز كما يتغير حجم الإطار. وإذا نفخنا بالونًا (أي ملأناه بالهواء)، فإن شكل وحجم الهواء سيتغيران كما يتغير شكل وحجم البالون.

حتى الآن، ميزنا فقط بين أشكال المادة الثلاثة بناءً على خصائصها العيانية (الخصائص العيانية = شكل المادة وحجمها). بالطبع، هذا يعتمد على نتائج قياساتنا وملاحظاتنا اليومية. سنرى الفرق بين أشكال المادة الثلاثة بناءً على خصائصها المجهرية. تتكون كل مادة من ذرات أو جزيئات. عندما نقول إن الصخرة مستقرة، لا نعرف أبدًا ما يحدث للذرات أو الجزيئات الموجودة داخلها حتى تصبح صلبة. الأمر نفسه ينطبق على الماء. ما الذي يحدث للذرات أو الجزيئات التي تُشكّل بركًا بحيث يكون الماء سائلًا، ولا يمكن رؤية الغلاف الجوي؟

تتشكل المادة بناءً على الخصائص المجهرية

قبل مناقشة الاختلافات بين المواد الصلبة والسائلة والغازية بناءً على خصائصها المجهرية، دعونا نتأمل جسمًا ما، كالحجارة مثلاً. إذا نظرنا بدقة إلى الرمل، سنلاحظ أن أجزاء الحجر متماسكة. فرغم ركله ورميه، لا يتغير شكله ولا حجمه. عادةً ما تكون جميع عناصر الصخرة وحدةً واحدة. لماذا؟ لنفكر في الأمر قليلاً.

داخل الحجر، توجد ذرات أو جزيئات. تخيل الآن صخرة. حاول أن تتخيل أن الرمل يتكون من قطع صغيرة. كلما زاد حجم الحجر، كلما صغرت قطعه. تخيل الذرات ككرة صغيرة. أما الجزيئات، فتتكون من عدة كرات ملتصقة ببعضها.

يحتوي الصخر على عدد هائل من الجزيئات أو الذرات ذات الحجم الصغير. هل يمكنك تخيل الذرات الموجودة في الحجر؟

يبلغ قطر الذرة الواحدة حوالي 10⁻¹⁰ ^متر . إذا تخيلنا الذرة ككرة، فإن قطر الكرة يبلغ 10⁻¹⁰ ^متر . حجمها ضئيل للغاية ولا يمكن رؤيتها بالعين المجردة، بل يمكن تخيله فقط. أما الجزيئات فهي ذرات مترابطة، لذا فإن حجم الجزيء أكبر بكثير من حجم الذرة، ولكنه أيضاً لا يمكن رؤيته بالعين المجردة.

إذا لم تكن الذرات أو الجزيئات وحدةً واحدة، فمن الطبيعي ألا تلتصق جميع أجزاء الحجر ببعضها. تلتصق كل قطعة من الصخر ببعضها حتى يصبح شكل الصخر صلبًا. فلماذا لا تنفصل الذرات أو الجزيئات؟

في الواقع، تتجاذب الذرات أو الجزيئات فيما بينها. لو لم تتجاذب، لتفرقت في كل مكان. كل ذرة أو جزيء سيفترق عن ذرة أو جزيء آخر. وهكذا، تتناثر قطع الحجر في كل مكان. تتناثر أجزاء الصخر أيضًا، ولن نتمكن من رؤيتها. قطع الحجر هي الأخرى مكونة من ذرات أو جزيئات. حجم الذرات متناهي الصغر، لذا لو كانت منفصلة، ​​لما استطعنا رؤيتها... لكن الواقع ليس كذلك.

يبدو الحجر صلباً، فكل جزء منه ملتصق ببعضه. ومن ثم، نستنتج أن الذرات أو الجزيئات التي تُكوّن الأجسام الصلبة لا بد أن تتجاذب فيما بينها.

قوة التجاذب بين الذرات أو الجزيئات هي قوة كهرومغناطيسية. وجود قوى التجاذب يجعل الذرات أو الجزيئات تتقارب. عندما ترغب في التصادم، تتنافر الإلكترونات الموجودة في الجزء الخارجي من الذرة أو الجزيء (تنافر كهربائي). هذه المسافة تجعل الذرات والجزيئات تتحرك للخلف. على الرغم من تحركها للخلف، إلا أنها تقترب من بعضها مرة أخرى بسبب وجود التجاذب. تتحرك الذرات أو الجزيئات ذهابًا وإيابًا (تهتز) مع الحفاظ على مسافة دنيا بينها.

يكمن الفرق بين المواد الصلبة والسائلة والغازية بناءً على الخصائص المجهرية الفعلية في قوة وضعف التجاذب بين ذرات أو جزيئات المواد الثلاث.

سوليد

في المواد الصلبة، تكون قوى التجاذب بين الذرات أو الجزيئات قوية للغاية لدرجة أن الذرات أو الجزيئات المكونة للمواد الصلبة تبقى دائمًا في موضع ثابت. تتحرك الذرات أو الجزيئات في المواد الصلبة ذهابًا وإيابًا (تهتز)، لكنها تظل تهتز في نفس المكان.

إن قوة التجاذب بين ذرات أو جزيئات هذه المواد الصلبة هي السبب في ثبات شكلها وحجمها. فحتى عند رميها أو ضربها، يصعب تغيير شكل الحجر أو الحديد نظرًا لقوة التجاذب بين ذراتها أو جزيئاتها. فعند وضع الصخور أو المعادن في دلو أو حوض استحمام، لا يتغير حجمها. لذا، فإن قوة التجاذب بين الذرات أو الجزيئات المكونة لهذه المواد الصلبة تجعلها متماسكة، فيبدو شكلها صلبًا.

يُشبه ترتيب الذرات أو الجزيئات التي تُكوّن المواد الصلبة الصورةَ المُكبّرة (المعروفة أيضًا بالشبكة البلورية). هذه الصورة مُكبّرة. الذرات أو الجزيئات صغيرة جدًا.

سائل

في السوائل، تكون قوة التجاذب بين الذرات أو الجزيئات أضعف، لذا فهي حرة تمامًا في الحركة ذهابًا وإيابًا، متداخلةً مع بعضها البعض. صحيح أن الذرات أو الجزيئات المكونة للسائل تستطيع التحرك بحرية، لكنها لا تستطيع الانفصال عن بعضها. فقوة التجاذب كافية لمنعها من التفرق.

السبب هو أن شكل السائل قد يتغير، لكن حجمه يبقى ثابتًا. فعندما نضع الماء في كوب، لا تكون قوة التجاذب بين الذرات أو الجزيئات قوية بما يكفي لتغيير شكل الماء ليأخذ شكل الكوب. وعندما نضع الماء في حوض الاستحمام، فإن ضعف قوة التجاذب بين الذرات أو الجزيئات يجعل الماء يتخذ شكل الحوض. ويبقى حجم السائل ثابتًا لأن قوة التجاذب بين الذرات أو الجزيئات لا تزال قادرة على إبقائها متماسكة. فالذرات أو الجزيئات المكونة للماء لا تتشتت، لذا يبقى حجمه ثابتًا.

موضع الذرة أو الجزيء المكون للسائل، كما هو موضح في الصورة (يشير السهم إلى اتجاه الحركة).

غاز

في المواد الغازية، يكون التجاذب بين الذرات أو الجزيئات ضعيفًا، فتتحرك بحرية لعدم وجود روابط بينها. هذا التجاذب الهش يجعل الذرات أو الجزيئات المكونة للمادة الغازية متناثرة في كل مكان. وتكون ذرات المادة الغازية أكثر حرية من ذرات المواد الصلبة أو السائلة.

يوضح الشكل موضع الذرات أو الجزيئات التي تشكل الغاز.

إن التجاذب الهش هو السبب في تغير شكل وحجم المادة الغازية، وهو أيضاً السبب في عدم قدرة العين على رؤية الهواء. حجم الذرات أو الجزيئات صغير جداً لدرجة أننا لا نستطيع رؤيتها إذا تشتتت في كل مكان. أما حجم حبيبات الرمل أو السكر فهو أكبر بكثير من الذرات أو الجزيئات، لذا حتى لو تشتتت، يمكن رؤية حبيبات الرمل بالعين المجردة، وإن كان ذلك صعباً بعض الشيء.

يمكن رؤية المواد الصلبة والسائلة لأن ذراتها أو جزيئاتها غير متناثرة. فقوة التجاذب في المواد الصلبة والغازية كافية لإبقائها متماسكة. أما في الغازات، فقوة التجاذب ضعيفة لدرجة أنها لا تستطيع إبقاء ذراتها أو جزيئاتها متماسكة. وهذا التجاذب الضعيف هو أيضاً سبب قدرة الغازات والسوائل على التدفق.