محتويات
المادة: تعريفها وخصائصها
المادّة هي كل ما يحيط بالإنسان، سواء كان ملموسًا أو غير ملموس، ولكن يمكن إدراكه والتعرّف عليه. تتمتع المادة بخصائص محددة مثل الكثافة والكتلة والشكل. تتكون المادة من أجسام صغيرة جدًا تُسمّى الذرات، لا تُرى بالعين المجردة، بل بالفحص المخبريّ.
يمكن أن تتكون المادة من نوع واحد من العناصر أو اتحاد أكثر من عنصر مكوّنةً المركّب. تتكون العناصر بدورها من ذراتٍ وحيدة، أو جزيئاتٍ ناتجةٍ عن اتحاد أكثر من ذرة.
حالات المادة الأساسية
يمكن تصنيف المادة حسب حالتها الفيزيائية إلى:
- الحالة الصّلبة: تتميز بكون مكوّناتها قريبةً جدًا، ومترابطةً فيما بينها. تكون قوة الترابط بين الذرات أو الجزيئات قويةً جدًا، ولا يمكن تحريكها بسهولةٍ. للمادة في هذه الحالة شكل معيّن لا يمكن تغييره بسهولةٍ إلا تحت ظروفٍ معيّنةٍ مثل الحجارة والأخشاب. تتحرك ذرات المادة الصّلبة بشكل مستمرٍ، ولكن ليس من الممكن رؤية هذه الحركة.
- الحالة السّائلة: تتميز بكون مكوّنات المادة فيها أقلّ تماسكاً من الحالة الصّلبة. تتمتع الذرات بقدرة على الحركة بسهولةٍ في الوسط، نتيجة ضعف قوّة التّرابط بينها. لا تتميز السّوائل بشَكلٍ ثابتٍ لها، حيث تتّخذ شكل الوعاء الذي توجد فيه. لكلّ سائلٍ لزوجةً مختلفةً عن غيره من السّوائل.
- الحالة الغازيّة: تتميز بكون الذرات فيها تتحرّك حركةً عشوائيّةً، وبحريّةٍ تامّةٍ. لا تملك الغازات شكلاً وحجماً مثل المادّتين الصّلبة أو السّائلة، ولكن يمكن ضغطها في وعاءٍ مثل البالونات والإطارات.
- البلازما: هي عبارةٌ عن غازات متأيّنة مثل الغازات التي تُنتِج البرق، أو تلك الموجودة على سطح الشّمس. تكون الإلكترونات فيها حرّةً غير مرتبطةٍ بالبروتونات والنّيوترونات. تحدث حالة البلازما عند تعريض الغاز إلى حرارةٍ وطاقةٍ مُحدّدتين، تؤدّيان إلى خروج إلكترون أو أكثر منه.
قياس خصائص المادة: كتلة، حجم، كثافة، وغيرها
قياس كتلة المادة ووزنها
الكتلة هي مقدار فيزيائيّ يعبّر عن كميّة المادّة الموجودة في جسمٍ محدَّدٍ، وتُقاس بالكيلوغرام حسب النّظام العالميّ للوحدات. الوزن هو مقدار جاذبيّة الأرض للجسم، كما عرّفها العالِم الفيزيائيّ المعروف نيوتن. تُعدّ كتلة المادّة مقداراً ثابتاً لكميّةِ محدّدةٍ منها، أمّا الوزن فهو مقدار متغيّر؛ حسب موقع هذه المادّة.
تُقاس كتلة المادة ووزنها بالاعتماد على عدّة أدواتٍ تختلف فيما بينها؛ حسب الدقّة والسّعة. من الأدوات المشهورة المُستخدَمة في قياس الكتلة الميزان ثلاثيّ الأذرع. يُقاس الوزن بعدّة موازين، ومنها الميزان الزّنبركيّ؛ حيث يُحدِّد مقدار التمدُّد في السّلك الزنبركيّ وزنَ المادّة.
يربط القانون الآتي كلّاً من الوزن والكتلة معاً:
الوزن=الكتلة×تسارع جاذبيّة الكرة الأرضيّة
ملاحظة: مقدار تسارع الجاذبيّة الأرضيّة ثابت، ويساوي 9.8م/ث².
قياس حجم المادة
حجم المادة هو المقدار الذي يعبّر عن الحيز الذي تشغله المادة في الفراغ، ويُقاس بالمتر المكعّب حسب النّظام العالميّ للوحدات.
يُقاس حجم المادة مخبريّاً في حال كانت المادة سائلةً باستخدام المخبار المُدرَّج أو الكوب المُدرَّج. يُقاس حجم الجسم ذي الشكل المُنتظَم بالاعتماد على قوانين رياضيّةٍ مُحدَّدةٍ. في حال كان الجسم غير منتظمٍ فإنّه لا يمكن قياس حجمه، إلا إن كان صغيراً، وذلك بوضعه في ماءٍ معلوم الحجم، وحساب الزّيادة في الحجم بعد غمسه فيه. يكون الفرق بين الحجم قبل وضع الجسم وبعده هو قياس حجم الجسم.
قياس كثافة المادة
كثافة المادة هي مقدار تركيز المادّة في الحجم الذي يشغله الجسم. ترتبط كتلة المادة وحجمها وكثافتها ببعضها، وتُقاس حسب القانون الآتي:
كثافة المادّة=الكتلة/الحجم
يُعبَّر عن الكثافة بوحدة كغ/م³، حسب النّظام العالميّ للوحدات.
قياس الكتلة الذريّة
الكتلة الذريّة هي مجموع كلٍّ من البروتونات والنّيوترونات الموجودة في نواة الذرّة. تُقاس الكتلة الذريّة لمادّةٍ معيّنةٍ نسبيّاً حسب الكتلة الذريّة لنظير الكربون 12. تساوي وحدة الكتلة الذرية 12/1 من كتلة ذرّة الكربون 12.
تُحسَب الكتلة الذريّة كما يأتي:
الكتلة الذريّة لذرّةٍ محدّدة=(12/1)×(كتلة ذرّة العنصر/كتلة ذرّة نظير الكربون12)
معدّل الكتلة الذريّة هو عبارةٌ عن الكتلة الذريّة للعنصر عند وجود أكثر من نظيرٍ له. وهي القيمة التي تكون موجودةً في الجدول الدوريّ للعناصر، وتُحسَب بشكل عامٍ كما يأتي:
معدّل الكتلة الذريّة=(كتلة النظير الأوّل×نسبة وجوده+كتلة النّظير الثاني×نسبة وجوده)/100
قياس عدد المولات
المول هو كميّة المادّة التي تحتوي عدداً مقداره 6.02×10^23 من الجزيئات أو الذرّات. يُطلَق على هذا المقدار اسم عدد أفوجادرو، نسبةً إلى العالم الإيطاليّ أميدو أفوجادرو. يساوي المول عدد الذرّات أو الجزيئات الموجودة في اثني عشر غراماً من ذرّة نظير الكربون 12.
تُحسب قيمته كما يأتي:
عدد المولات=عدد الذرّات/عدد أفوغادرو
أو
عدد المولات=الكتلة/الكتلة الموليّة
قياس الكتلة الموليّة
الكتلة الموليّة هي كتلة الجسيمات الموجودة في مولٍ واحدٍ من المادّة. مول واحد من الحديد هو مول واحد من الذّهب. إذا تكوّنت المادّة من ذرّاتٍ؛ فالكتلة الموليّة هي كتلة الذّرات بالغرام في مولٍ واحدٍ منها. أمّا إذا تكوّنت من جزيئات؛ فتُحسَب كتلة الذرّات المختلفة المكوّنة للجزيء الموجودة في مولٍ واحدٍ منه بالغرام.
تُحسَب الكتلة الموليّة باستخدام القانون الآتي:
الكتلة الموليّة= الكتلة/عدد المولات
الجدول الدوريّ للعناصر: دليل على خصائص المادة
يوجد في الكيمياء ما يُسمّى بالجدول الدوريّ للعناصر، وهو خلاصة العدد الذريّ والكتليّ للعناصر المُكتشَفة في الطّبيعة. يتكون من 18 عمودًا؛ يُسمّى كلّ منها مجموعةً، و7 صفوفٍ أفقيّةٍ تُسمّى دوراتٍ. تُجمَع العناصر المتشابهة في الصّفات الفيزيائيّة والكيميائيّة في المجموعة نفسها. تُقسَم مناطق الجدول الدوريّ قسمَين: قسم يحوي العناصر الممثّلة (A)، وقسم يحوي العناصر الانتقاليّة (B).
أمثلة عملية على قياس خصائص المادة
مثال (1): جد كتلة جسمٍ وزنه 14 نيوتن.
الحلّ:
الكتلة=الوزن/تسارع الجاذبيّة الأرضيّة
الكتلة=9.8/14
الكتلة=1.428كغ
مثال (2): جد كثافة جسم كتلته 20كغ، وحجمه 4 لتراتٍ.
الحلّ:
الكثافة=الكتلة/الحجم
الكثافة=4/20
الكثافة=5كغ/لتر
مثال (3): جد كتلة ذرّةٍ واحدةٍ من الفضّة بوحدة الغرام.
الحلّ:
بالرّجوع إلى الجدول الذريّ للعناصر، فإنّ كتلة عنصر الفضّة هي 107.9غ.
ومن المعلوم أنّ 1 مول من الفضّة يحتوي 6.02×10^23 من الذرّات، إذاً:
عدد المولات=عدد الجسيمات/عدد أفوغادرو
عدد المولات=6.02/1×10^23
عدد المولات=1.66×10^-24
عدد المولات=الكتلة/الكتلة الموليّة
الكتلة=عدد المولات×الكتلة الموليّة
الكتلة=1.66×10^-24×107.9
الكتلة=1.791×10^-24غ
المراجع
- Brent, Lynnette. “States of Matter.” Crabtree Publishing Company, 2009.
- Verma, N.K. “Comprehensive Science and Technology Chemistry.” Laxmi Publications, New Delhi, 2011.
- Sullivan, Erin. “Bridges: Measuring Matter.” Benchmark Education, China, 2011.
- Nave, R. “Mass and Weight.” HyperPhysics, Retrieved 2017-1-4.
- Chang, Raymond, and Jason Overby. “General Chemistry.” McGraw-Hill, New York, 2011.