مقدمة
يمكن تعريف المادة بشكل عام على أنها كل ما يشغل حيزًا وله كتلة. لقد لاحظ العلماء تنوع المواد الموجودة في الطبيعة واختلاف خصائصها. توجد بعض المواد في صورة نقية، مثل العناصر والمركبات الكيميائية، بينما يوجد البعض الآخر في صورة مخاليط. من الضروري فهم طبيعة كل نوع بدقة للاستفادة منها بشكل مفيد للإنسان. يولي علماء ومهندسو المواد اهتمامًا خاصًا بهذا الجانب، بهدف فهم كيفية الحصول على كل نوع أو إنشائه وتركيبه عند الحاجة.
نظرة في العناصر
العناصر هي أبسط صور المادة وتتكون من نوع واحد فقط من الذرات. وهي الوحدات الأساسية التي تتكون منها المواد الأخرى. عادةً ما تتحد العناصر لتكوين مركبات أو مواد أكثر تعقيدًا. يبلغ عدد العناصر المكتشفة حتى الآن 118 عنصرًا، ويمكن استخدامها لتكوين أعداد هائلة من المركبات التي لا يزال العلم بصدد اكتشافها. توجد معظم العناصر في الطبيعة بصورة حرة، ولكن يتم تحضير حوالي 20٪ من إجمالي العناصر الكيميائية المكتشفة من خلال عدة خطوات في المختبرات الكيميائية، وإذا وجدت في الطبيعة، فإنها تكون بكميات ضئيلة جدًا. تجدر الإشارة إلى أن معظم العناصر المكتشفة هي مواد صلبة مثل الحديد والألومنيوم. يوضح الجدول التالي أبرز العناصر الكيميائية مع رمز كل منها وحالته الفيزيائية:
| العنصر الكيميائي | الرمز | الحالة الفيزيائية |
|---|---|---|
| الأكسجين | O | غاز |
| النيتروجين | N | غاز |
| الهيدروجين | H | غاز |
| الكلور | Cl | غاز |
| الفلور | F | غاز |
| الزئبق | Hg | سائل |
| البروم | Br | سائل |
| الصوديوم | Na | صلب |
تتميز ذرات العناصر بعدد البروتونات، والذي يحدد العدد الذري المميز لكل عنصر. لا يمكن أن يكون لعنصرين مختلفين نفس العدد الذري. يمكن ملاحظة ذلك من خلال الجدول الدوري للعناصر. تتألف ذرات العنصر أيضًا من الإلكترونات والنيوترونات. النيوترونات مسؤولة عن وجود نظائر للعنصر نفسه عند وجودها بقيمتين مختلفتين. تتكون أيونات العنصر عند فقد أو اكتساب العنصر للإلكترونات الموجودة في أغلفته الخارجية.
في الكيمياء، يشار إلى العناصر برموز لاتينية لتسهيل التعامل معها من خلال اختصاراتها المكونة من حرف أو حرفين كحد أقصى. يجب أن يكون الحرف الأول كبيرًا دائمًا والثاني صغيرًا إن وجد. على سبيل المثال، رمز عنصر الهيدروجين (Hydrogen) هو (H) فقط، بينما يرمز للهيليوم (Helium) بالرمز (He). أما الفضة (Silver) فيرمز لها بالرمز (Ag) نسبة إلى الاسم القديم للعنصر وهو (Argentum).
تعريف المركبات
المركبات هي نتيجة تفاعل كيميائي بين نوعين أو أكثر من ذرات العناصر المختلفة. لا يمكن إعادتها إلى مكوناتها البسيطة بسهولة إلا بعد تحليلها كيميائيًا بتفاعلات كيميائية أيضًا. تتحد العناصر لتكوين المركبات من خلال إنشاء روابط كيميائية ناتجة عن فقد أو اكتساب إلكترونات التكافؤ الموجودة في المدار الأخير لكل ذرة من ذرات العناصر المتحدة. ترتبط ذرات العناصر في كل مركب بنسب ثابتة ومحددة من خلال الروابط الكيميائية. من أهم أنواع الروابط الكيميائية في المركبات:
- الرابطة الأيونية (Ionic Bond)
- الرابطة التساهمية (Covalent Bond)
- الروابط الفلزية (Metallic Bond)
- الروابط التساهمية التناسقية (Coordinate Covalent Bond)
يمكن التعبير عن المركب كيميائيًا بصيغ مختلفة، إما من خلال كتابة الصيغة الجزيئية له، والتي توضح أنواع الذرات المكونة للمركب وعدد كل منها، أو من خلال الصيغة البنائية، التي توضح أنواع الروابط الكيميائية المكونة للمركب بالإضافة إلى أنواع الذرات وأعدادها. من أشهر المركبات وأهمها الماء، الذي يتكون من ذرتي عنصر الهيدروجين وذرة من الأكسجين أي بنسبة (2:1)، وتتحدد ذرات الماء بواسطة الرابطة التساهمية، ويعبر عنه بالرمز (H2O). تعتبر المركبات العضوية أيضًا من الأمثلة الشائعة على المركبات، ولكنها تتميز بأنها تتكون أساسًا من عناصر الكربون والهيدروجين والأكسجين.
فهم المخاليط
تتكون المخاليط عند مزج مادتين أو أكثر معًا بالطرق الميكانيكية، أو كعناصر ومركبات كيميائية ولكن دون حدوث تفاعل كيميائي، بشرط أن تحافظ المكونات على خصائصها الأصلية بالكامل. تتميز المخاليط بإمكانية إعادتها إلى مكوناتها الأصلية بسهولة وعدم ثبات نسب المواد المكونة لها. تعاد المخاليط إلى مكوناتها الأساسية من خلال العمليات الفيزيائية المختلفة التي تعتمد على خصائص هذه المكونات أصلًا. على سبيل المثال، يمكن الفصل بين المواد من خلال الغليان أو التصفية.
تنقسم أنواع المخاليط إلى قسمين رئيسيين، هما:
- المخلوط المتجانس (Homogeneous Mixture): وهو المخلوط الذي تكون جميع خصائصه ثابتة لكامل كتلته، كالمحلول الذي يتألف من جزيئات صغيرة جدًا وذائبة تمامًا مثل خليط الماء والسكر أو الماء والملح.
- المخلوط غير المتجانس (Heterogeneous Mixtures): هو المخلوط الذي لا تتوزع مكوناته بصورة موحدة وتختلف خصائصه تبعًا لتركيز المواد على كتلته، كالسوائل التي تحتوي على مواد راسبة كبيرة يمكن فصلها في أي لحظة مثل الماء والحجارة.
من أهم الأمثلة العامة على المخاليط الشهيرة:
- النفط: يتألف من عدد من المركبات العضوية.
- ماء البحر: يتألف من أنواع عدة من الملح والماء أساسيًا.
- الهواء: يتألف من عدد من الغازات؛ كغاز الأوكسجين، والنيتروجين، وثاني أوكسيد الكربون وغيره.
- الحبر: يتألف من مزيج من الصبغات المختلفة.
- البارود: يتألف من الكبريت، ونترات البوتاسيوم، والكربون.
ملخص
العناصر هي أبسط أشكال المادة، بينما المركبات هي نتاج التفاعل الكيميائي بين أكثر من مادة. المخاليط تنتج عن مزج مادتين أو أكثر بدون حدوث تفاعل واتحاد كيميائي. يوجد من المخاليط ما هو متجانس (خصائصه ثابتة لكامل كتلته)، وما هو غير متجانس (تختلف خصائصه تبعًا لتركيز المواد على كتلته).
