ما الأمر'؟
"المادة" هي كل ما يشغل مساحة (له حجم) وله كتلة. إنه يشكل كل شيء في الكون بشكل أو شكل ما؛ إنه كل شيء في الكون. إنه يشكل كوكبنا والكون كله.
على الأرض، توجد كل المادة في واحدة من ثلاث حالات مختلفة: صلبة أو سائلة أو غازية.
هل تعلم أن البشر يتكونون من حالات المادة الثلاث الرئيسية؟
تسمى الحالة التي توجد فيها المادة في درجة حرارة الغرفة بحالتها القياسية. على سبيل المثال، في درجة حرارة الغرفة يوجد الماء في حالة سائلة. توجد بعض المواد على شكل غازات في درجة حرارة الغرفة (الأكسجين وثاني أكسيد الكربون)، بينما توجد مواد أخرى، مثل الماء، على شكل سوائل. توجد معظم المعادن في صورة مواد صلبة في درجة حرارة الغرفة. يتمتع الزئبق بخصائص مثيرة للاهتمام كونه معدنًا وسائلًا في حالته القياسية.
وتتكون كل حالة من هذه الحالات من جزيئات صغيرة. تعتمد حالة المادة على عدد الجزيئات التي تتكون منها.
صلب
عادةً ما يتم وصف شيء ما بأنه مادة صلبة إذا كان بإمكانه الحفاظ على شكله الخاص ويصعب ضغطه. على سبيل المثال، الماء في الحالة الصلبة هو الجليد. في المادة الصلبة، تكون الجزيئات مترابطة بشكل وثيق ولها كثافة عالية.
سائل
إن السائل مثل الماء يمكن أن يتدفق أو يجري ولكن لا يمكن أن يتمدد أو يضغط. في السوائل، تكون الجزيئات قريبة من بعضها بشكل خاص ولكنها ليست قريبة من بعضها البعض مثل المادة الصلبة؛ تتمتع الجزيئات بالقدرة على التحرك والانزلاق فوق بعضها البعض. المادة السائلة ليس لها شكل خاص بها، بل تأخذ شكل الوعاء الذي توضع فيه. ومن أمثلة السوائل الماء والحليب والعصير والبنزين وعصير الليمون وما إلى ذلك.
غاز
يمكن للغاز أن يتدفق ويتوسع ويمكن عصره. الماء في شكل غاز هو بخار. إذا كان في حاوية غير مغلقة فإنه يهرب. في الغازات، تكون الجزيئات أكثر انتشارًا منها في المواد الصلبة أو السائلة، وتتصادم بشكل عشوائي مع بعضها البعض. سوف يملأ الغاز أي حاوية، ولكن إذا لم تكن الحاوية مغلقة، فسوف يتسرب الغاز. يمكن ضغط الغاز بسهولة أكبر بكثير من ضغطه السائل أو الصلب.
تغير حالات المادة
يمكن أن توجد المادة في حالة صلبة أو سائلة أو غازية، ويمكن تحديد الحالة التي تكون فيها المادة إلى حد كبير من خلال درجة حرارتها. كل مادة لها درجة حرارة عتبة فريدة تتغير بعدها حالتها. وبعد تجاوز درجة الحرارة تلك، فإن المادة ستغير طورها، وبالتالي تتغير حالة المادة. في ظل ظروف الضغط المستمر، تكون درجة الحرارة هي المحدد الأساسي لطور المادة.
اعتمادًا على درجة حرارتها، يمكن للمادة أن تتغير حالتها. إن الانصهار والتجميد والغليان والتبخر والتكثيف والتسامي والترسيب هي الطرق التي تغير بها المادة حالتها.
عند درجات الحرارة المنخفضة، تقل حركة الجزيئات وتكون لدى المواد طاقة داخلية أقل. سوف تستقر الجزيئات في حالات منخفضة الطاقة بالنسبة لبعضها البعض وتتحرك قليلاً جدًا، وهو ما يميز المادة الصلبة. مع ارتفاع درجة الحرارة، يتم تطبيق طاقة حرارية إضافية على الأجزاء المكونة للمادة الصلبة، مما يسبب حركة جزيئية إضافية. تبدأ الجزيئات في الضغط على بعضها البعض ويزداد الحجم الإجمالي للمادة. وفي هذه المرحلة دخلت المادة إلى الحالة السائلة. تحدث الحالة الغازية عندما تمتص الجزيئات قدرًا كبيرًا من الطاقة الحرارية بسبب ارتفاع درجات الحرارة بحيث تصبح حرة في التحرك حول بعضها البعض بسرعات عالية.
إذا كان الضغط ثابتًا، فإن حالة المادة ستعتمد كليًا على درجة الحرارة التي تتعرض لها. لهذا السبب، يذوب الجليد إذا أخرجته من الثلاجة، ويغلي الماء من الوعاء إذا ترك في درجة حرارة عالية جدًا لفترة طويلة جدًا. درجة الحرارة هي مجرد قياس لكمية الطاقة الحرارية الموجودة في المناطق المحيطة. عند وضع مادة ما في محيط ذي درجة حرارة مختلفة، يتم تبادل الحرارة بين المادة والوسط المحيط، مما يؤدي إلى تحقيق درجة حرارة متوازنة. لذلك عندما يتعرض مكعب من الثلج للحرارة، تمتص جزيئات الماء الموجودة فيه الطاقة الحرارية من الجو المحيط وتبدأ في التحرك بقوة أكبر، مما يتسبب في ذوبان جليد الماء إلى ماء سائل.
الذوبان هو عملية تحول المادة الصلبة إلى سائلة. عندما يتم تسخين مادة صلبة، يتم إعطاء الجزيئات المزيد من الطاقة وتبدأ في الاهتزاز بشكل أسرع. عند درجة حرارة معينة، تهتز الجسيمات كثيرًا بحيث ينهار هيكلها المنظم. عند هذه النقطة، تذوب المادة الصلبة إلى سائل. وتسمى درجة الحرارة التي يحدث عندها هذا التحول من الحالة الصلبة إلى السائلة بنقطة الانصهار. كل مادة صلبة لها نقطة انصهار محددة عند ضغط الهواء العادي. عند ضغط الهواء المنخفض، مثل أعلى الجبل، تنخفض نقطة الانصهار.
التبخر هو عملية تحول السائل إلى غاز. إذا تركت بعض الماء في وعاء واسع الفوهة، ستلاحظ أن بعض الماء سيختفي بعد مرور بعض الوقت. يتحول الماء السائل إلى غاز (أبخرة الماء) – وهذا ما يسمى التبخر. ويحدث ذلك عندما يتحول السائل إلى غاز عند درجة حرارة أقل بكثير من نقطة الغليان. توجد دائمًا بعض الجزيئات في السائل لديها طاقة كافية للتحرر من الباقي لتصبح غازًا.
التكثيف هو عملية تحول الغاز إلى سائل. على سبيل المثال، يبرد بخار الماء الموجود في الهواء ويتحول إلى قطرات صغيرة من الماء السائل (الندى) على أوراق الشجر والنوافذ في الصباح بعد ليلة باردة. غالبًا ما تمتص الأجسام الباردة الطاقة من الأجسام الأكثر سخونة.
التجميد هو عملية تحويل السائل إلى مادة صلبة. وهو عكس الذوبان. على سبيل المثال، الحمم البركانية عبارة عن صخور سائلة، تثور من خلال البركان عند درجات حرارة تصل إلى 1500 درجة مئوية (2732 درجة فهرنهايت) من خلال البركان. ومع ذلك، تبرد الحمم الحمراء الساخنة عندما تلتقي بسطح الأرض، وتتحول مرة أخرى إلى صخور صلبة مرة أخرى.
الغليان - عندما يتم تسخين السائل، يتم إعطاء الجزيئات المزيد من الطاقة. يبدأون في التحرك بشكل أسرع وأبعد. عند درجة حرارة معينة، تتحرر الجزيئات من بعضها البعض ويتحول السائل إلى غاز. هذه هي نقطة الغليان. درجة غليان المادة هي نفسها دائمًا؛ لا يختلف. على سبيل المثال، يغلي الماء عندما يصل إلى نقطة الغليان البالغة 100 درجة مئوية (212 درجة فهرنهايت). هذه هي درجة الحرارة التي يتحول عندها الماء إلى بخار. البخار هو غاز غير مرئي. عندما يصل إلى الغطاء فإنه يبرد مرة أخرى إلى السائل.
التسامي هو تحويل المادة الصلبة إلى غاز دون أن تصبح سائلة. أسهل مثال على التسامي قد يكون الثلج الجاف. الثلج الجاف هو ثاني أكسيد الكربون الصلب (CO2). ومن المثير للدهشة، أنه عندما تترك الثلج الجاف في الغرفة، فإنه يتحول إلى غاز دون أن يصبح سائلاً. هل سمعت من قبل عن ثاني أكسيد الكربون السائل؟ يمكن القيام بذلك، ولكن ليس في الحالات العادية. الفحم هو مثال آخر على المركب الذي لا يذوب عند الضغوط الجوية العادية. وسوف تسامى في درجات حرارة عالية جدا.
الترسيب هو تحويل الغاز إلى مادة صلبة. ويحدث ذلك عندما يصبح الغاز في حالة صلبة دون المرور بالحالة السائلة للمادة. بالقرب من القطبين يمكن للمرء أن يرى الصقيع في صباح الشتاء. تتراكم بلورات الصقيع الصغيرة الموجودة على النباتات عندما يصبح بخار الماء من الهواء صلبًا على أوراق النباتات.
التغيرات الكيميائية مقابل التغيرات الفيزيائية
من المهم أن نفهم الفرق بين التغيرات الكيميائية والفيزيائية. تتعلق التغيرات الفيزيائية عادة بالحالة الفيزيائية للمادة، وتحدث التغيرات الكيميائية عندما تنكسر الروابط الجزيئية أو تنشأ أثناء التفاعل الكيميائي. تحدث التغيرات الكيميائية على المستوى الجزيئي.
لا تغيير في الجزيئات
إن مد شريط مطاطي، أو ملء الهواء في بالون، أو سحق علبة، كلها أمثلة على التغيرات الجسدية. هذه تغييرات فقط في شكل العناصر. لا توجد تغيرات في حالة المادة لأن الطاقة على المستوى الجزيئي لم تتغير. في التغير الفيزيائي، لا يحدث أي تغيير في الجزيئات، حيث تظل الجزيئات على حالها دون إنشاء أو كسر روابط كيميائية جديدة.
وبالمثل، فإن ذوبان مكعبات الثلج أو غليان الماء أو تجميد الماء السائل كلها تغيرات فيزيائية عن طريق إضافة الطاقة. التغيرات في الطور أو حالة المادة، أي من الصلب إلى السائل، ومن السائل إلى الغاز، ومن السائل إلى الصلب، كلها تغيرات فيزيائية. يمكن أن تسبب الأفعال الجسدية مثل تغيير درجة الحرارة أو الضغط تغيرات جسدية. على سبيل المثال، عند ذوبان الجليد أو تجميد الماء السائل، لا يحدث أي تغير كيميائي، فجزيئات الماء تظل جزيئات ماء.
تغيير الجزيئات
تحدث التغيرات الكيميائية على نطاق أصغر بكثير. في حين تظهر بعض التجارب تغيرات كيميائية واضحة، مثل تغير اللون، فإن معظم التغيرات الكيميائية غير مرئية. لا يمكن رؤية التغير الكيميائي حيث يتحول بيروكسيد الهيدروجين (H2O2) إلى ماء لأن كلا السائلين صافيان. ومع ذلك، خلف الكواليس، يتم إنشاء وتدمير مليارات الروابط الكيميائية. عندما يتحول بيروكسيد الهيدروجين إلى الماء، يمكن للمرء أن يرى فقاعات من غاز الأكسجين (O2). هذه الفقاعات هي دليل على التغيرات الكيميائية.
يعد ذوبان مكعب السكر تغيرًا فيزيائيًا لأن المادة تظل سكرًا. حرق مكعب السكر هو تغير كيميائي. تنشط النار التفاعل الكيميائي بين السكر والأكسجين. يتفاعل الأكسجين الموجود في الهواء مع السكر وتتفكك الروابط الكيميائية.
عندما يتعرض الحديد لغاز الأكسجين الموجود في الهواء، يصدأ الحديد. ويمكن رؤية هذه العملية على مدى فترة طويلة من الزمن. تتغير الجزيئات بنيتها مع أكسدة الحديد، لتصبح في النهاية أكسيد الحديد. الأنابيب الصدئة في المباني المهجورة هي أمثلة واقعية لعملية الأكسدة.
يمكن أن يكون التغيير قابلاً للعكس أو لا رجعة فيه
التغيير القابل للعكس هو التغيير الذي يمكن تغييره مرة أخرى. على سبيل المثال، إذا تم إذابة مكعب من الثلج فإنه يتحول إلى ماء ولكن يمكننا تجميده مرة أخرى ليصبح مكعب ثلج حتى يتمكن من العودة إلى حالته الأصلية. يعد الذوبان والتسخين أمثلة على التغييرات القابلة للعكس.
التغيير الذي لا رجعة فيه هو التغيير الذي لا يمكن تغييره مرة أخرى. على سبيل المثال، إذا تم خبز خليط الكيك فإنه يصبح كعكة ولا يمكننا تحويله مرة أخرى إلى خليط. التغيير لا رجعة فيه بسبب حدوث تفاعل كيميائي. يعد حرق أو خلط سائل مع بيكربونات الصودا مثالاً على التغيرات التي لا رجعة فيها.
لمحة سريعة عن مصطلحات معينة وتغيرات المرحلة ذات الصلة:
الانصهار / الانصهار - من الصلب إلى السائل
التجميد - السائل إلى مادة صلبة
التبخير / الغليان - السائل إلى الغاز
التكثيف - الغاز إلى السائل
التسامي - الصلبة للغاز
الترسيب - الغاز إلى مادة صلبة
