نظرة عامة حول حالات المادة
يُطلق مصطلح المادة على كلّ شيء يشغل حيزاً ما وله كتلة، وتشكّل المادة أساس هذا الكون، وتتكوّن من الذرات التي تضمّ ثلاثة أنواع من الجسيمات، هي: البروتونات، والنيوترونات، والإلكترونات، إذ تتجمّع الذرات معاً لتشكّل ما يُعرف بالجزيئات التي تعدّ أساس جميع المواد، وتمتلك الذرات والجزيئات في داخلها شكلاً من أشكال الطاقة الكامنة، ألا وهو الطاقة الكيميائية.
توجد المادة على سطح الأرض على شكل حالة من ثلاث حالات رئيسية حدّدها الإغريق القدماء بناءً على مراقبتهم للماء الذي قد يتواجد في أي من الحالات الثلاث في ظروف طبيعية، وهذه الحالات هي: الحالة الصلبة، والسائلة، والغازية، وقد أثبت العلم لاحقاً وجود حالة رابعة للمادة، وهي الحالة البلازمية التي تتألّف من جسيمات مشحونة ذات طاقة حركية عالية جداً، وعلى الرغم من أنّها قد لا تعدّ واحدة من حالات المادة الشائعة على سطح الأرض، إلّا أنّها تكاد تكون الحالة الأكثر شيوعاً للمادة في الكون، فالنجوم تتألّف في أصلها من كرات بلازمية شديدة الحرارة.
الحالة الصلبة
تُعرّف الحالة الصلبة على أنّها حالة من حالات المواد الثلاث، والتي تنتج عندما تكون قوى التجاذب بين جزيئات المادة أكبر من قوى التنافر، ممّا يحافظ على بقاء هذه الجزيئات ثابتة في مكانها، وبالقرب من بعضها البعض، ولكنّ هذا لا يعني أنّ ذرات وجزيئات المادة الصلبة لا تتحرّك، بل إنّها تبقى في حركة دائمة بفعل الطاقة الاهتزازية التي تمتلكها، والتي تسبّب اهتزاز الجزيئات، ولكن في موضعها، ومن الجدير بالذكر أنّه كلّما زادت درجة حرارة المادة الصلبة زادت كمية الاهتزاز.
تتّسم المادة الصلبة بعدد من الخصائص التي تميّزها عن حالات المادة الأخرى، وهي امتلاكها لشكل ثابت ومحدّد، فالمواد الصلبة لا تُغيّر من شكلها بتغيّر شكل الإناء الذي توضع فيه، ولكن الحالة الوحيدة التي قد تؤدّي إلى تغيّر شكل المادة الصلبة هو تعرّضها لقوة تؤدّي إلى كسرها، وتمتاز المادة الصلبة أيضاً بكتلة وحجم ثابتين، إلى جانب الكثافة العالية، وذلك بفضل تقارب جزيئاتها من بعضها البعض، ويجدر بالذكر أنّ الجزيئات، والذرات، والأيونات تنتظم في الكثير من المواد الصلبة ضمن نمط منتظم ومكرّر على هيئة شبكة بلورية، ومن أشهر الأمثلة على المواد الصلبة البلورية: ملح الطعام، والسكر، والألماس، وقد تمتلك المادة الواحدة أكثر من هيكل بلوري في بنيتها.
الحالة السائلة
تنتقل المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة عندما تزداد الطاقة فيها، والتي تكون عادة على شكل زيادة في درجة الحرارة إلى الحدّ الذي يسمح بتكسير وتفكيك الروابط بين جزئيات المادة الصلبة، وعلى الرغم من بقاء الجزيئات قريبة نسبياً من بعضها البعض في الحالة السائلة أيضاً، إلّا أنّها في هذا الوضع تمتلك طاقة حركية تسمح لها بالابتعاد عن بعضها البعض، ممّا يزيد من فرص اصطدامها معاً، وتزداد الحركة كلّما زادت درجة حرارة السائل ، ومع ذلك فإنّ هذه الجزيئات لا تزال ترتبط فيما بينها بقوى جزيئية كالروابط الهيدروجينية، والتي تحاول المحافظة على بقاء الجزيئات قريبة من بعضها، ولكنّها روابط ضعيفة عموماً يتمّ تفكيكها بسرعة، وتتميّز المادة في الحالة السائلة بعدد من الخصائص، كقدرتها على تغيير شكلها وفقاً لشكل الإناء الذي توضع فيه، ممّا يعني أنّها ذات شكل غير ثابت، ولكنّها في المقابل ذات حجم ثابت، وغير قابلة للانضغاط بسهولة، وذلك بسبب تقارب الجزيئات فيها من بعضها البعض.
الحالة الغازية
تنتقل المادة إلى الحالة الغازية عندما تزداد الطاقة فيها بشكل يفوق قوى التجاذب بين الجزيئات، فيصبح تفاعل جزيئات المادة مع بعضها في أدنى مستوياتها، فتمتلك حرية الحركة بسرعة كبيرة في جميع الاتّجاهات، ولمسافات طويلة، وكلّما زادت درجة الحرارة زادت الطاقة الحركية للجزيئات.
تتميّز الغازات بعدد من الخصائص، منها افتقارها إلى شكل أو حجم محدّد، ففي حال وضعها داخل إناء فإنّها تتّخذ شكله وتتمدّد بحسب سعته، أمّا عند عدم حصرها أو تقييدها بإناء معيّن فإنّ جزيئات الغاز تتباعد وتنتشر بشكل واسع، وتتميّز الغازات أيضاً بكثافتها المنخفضة نظراً لتباعد جزيئاتها الكبير، إلى جانب قابليتها للانضغاط بسهولة، وذلك بسبب انعدام قوى الترابط بين الجزيئات، أو وجودها بشكل ضعيف، ويمكن زيادة الضغط الواقع على المادة الغازية بتقليل حجم الإناء المحصورة فيه، الأمر الذي يؤدّي إلى تقليل المسافة بين الجزيئات، ويجدر بالذكر تشابه المادة في حالتها الغازية والسائلة بكونها موائع (بالإنجليزية: fluids)، أي أنّها قابلة للجريان والسيلان على سطح جسم ما، فالجزيئات في المائع تتحرّك بشكل عشوائي مستمرّ، وتتصادم مع بعضها البعض، ومع جدران الوعاء الموضوع فيه.
مقارنة بين الحالات الثلاث وبعض الأمثلة عليها
يوضّح الجدول الآتي أهمّ الفروقات الرئيسية بين حالات المادة الثلاث:
| الخاصية | الحالة الصلبة | الحالة السائلة | الحالة الغازية |
|---|
| الشكل | شكل ثابت | شكل متغيّر | شكل متغيّر |
| الحجم | حجم ثابت | حجم ثابت | حجم متغيّر |
| القابلية للانضغاط | لا يمكن ضغطها بسهولة | لا يمكن ضغطها بسهولة | يمكن ضغطها بسهولة |
| الكثافة | كثافة عالية أو عالية جداً | كثافة عالية | كثافة منخفضة جداً |
| قوى التجاذب بين الجزيئات | قوية جداً | أقلّ من القوى بين جزيئات المادة الصلبة، وأكبر من القوى بين جزيئات المادة الغازية | تكاد تكون معدومة |
| المسافة بين الجزيئات | لا يوجد مسافة بين الجزيئات | متوسّطة | كبيرة جداً وممتدة |
يعدّ كلّ من الخشب، والمعادن، والحجر من أشهر الأمثلة على المواد الصلبة، أمّا المواد الغازية فمن أشهر الأمثلة عليها الهواء المحيط بنا، والأكسجين، والهيليوم، في حين يعدّ الماء، والزيت أمثلة على السوائل، إلى جانب الزئبق الذي يشكّل حالة فريدة بين السوائل، فهو المعدن الوحيد الذي يوجد في الحالة السائلة في درجة حرارة الغرفة العادية.
التحوّل بين حالات المادة الثلاث
تتميّز المادة بشكل عام بقدرتها على الانتقال والتحوّل من حالة لأخرى، فقد تنتقل من الحالة السائلة إلى الغازية، أو من الحالة الصلبة إلى السائلة، وغير ذلك من الاحتمالات، فمثلاً يوجد الماء في الحالة السائلة ضمن الظروف ودرجات الحرارة الطبيعية، ولكنّه يتحوّل إلى جسم صلب يُسمّى الجليد إذا تمّ خفض درجة حرارة الماء إلى أقلّ من 0 درجة مئوية، أمّا في حال تمّ رفعها إلى 100 درجة مئوية أو أكثر، فإنّه ينتقل إلى الحالة الغازية ليُشكّل البخار، ويُعدّ تحول المادة بين الحالات الثلاث تغيّراً فيزيائياً وليس كيمائياً، وذلك لأنّ التركيب الكيميائي للمادة يبقى ثابتاً ولا يتغيّر، ويتمثّل هذا التغيّر في فقد أو اكتساب المادة للطاقة حتى تتحوّل من حالة إلى آخرى، أو قد ينتج عن الضغط أو الحركة، وفيما يأتي ذكر لجميع العمليات التي قد تمرّ بها المادة أثناء تحوّلها بين الحالات الثلاث:
- الانصهار: (بالإنجليزية: Melting)، هي عملية انتقال المادة من الحالة الصلبة إلى السائلة، وذلك نتيجة اكتساب جزيئات المادة الصلبة بعضاً من الطاقة، لتبدأ بالتباعد عن بعضها البعض، والاهتزاز بشكل أسرع، وتبدأ المادة بالذوبان عندما تصل إلى درجة الانصهار (بالإنجليزية: Melting Point)، والتي تكون عند درجة حرارة مرتفعة وضغط معين.
- التجمّد: (بالإنجليزية: Freezing)، يعرّف على أنّه انتقال المادة من حالتها السائلة إلى الصلبة، وذلك عندما تبدأ المادة بفقد الحرارة، لتتباطأ عندها حركة جزيئات السائل، وتبدأ باتّخاذ مكان ثابت لها ضمن بنية المادة، وعندما يصل السائل إلى درجة التجمّد (بالإنجليزية: Freezing Point) عند درجة حرارة منخفضة وضغط معين، فإنّه ينتقل إلى الحالة الصلبة، ومن الجدير بالذكر أنّ معظم السوائل تتقلّص عندما تنتقل إلى حالتها الصلبة، ولكن يُستثنى من ذلك الماء الذي يتمدّد، وتتباعد جزيئاته عن بعضها البعض، وتقلّ كثافته عند تحوّله إلى جليد، وهذا هو السبب في طفو الجليد على سطح الماء.
- التبخّر: (بالإنجليزية: Vaporization)، هو عملية انتقال المادة من الحالة السائلة إلى الغازية عن طريق التبخير أو الغليان، فعند زيادة درجة حرارة السائل تبدأ مجموعة من فقاعات البخار بالتكوّن أسفل سطح المادة، حتى يصل لاحقاً إلى درجة الغليان ، وذلك عند درجة حرارة عالية وضغظ معين، ليتحوّل بعدها إلى غاز.
- التكاثف: (بالإنجليزية: Condensation)، يعرّف التكاثف بأنّه عملية انتقال المادة من الحالة الغازية إلى السائلة، ويحدث عندما يفقد الغاز كمية كافية من درجات الحرارة، لتصبح الجزيئات أقرب، ومن الأمثلة عليه تحوّل البخار إلى ماء.
- التسامي: (بالإنجليزية: Sublimation)، هو عملية انتقال المادة من حالتها الصلبة إلى الحالة الغازية بشكل مباشر دون المرور بالحالة السائلة، وقد تمرّ المادة بهذا النوع من التحوّل عن طريق التبخير الفجائي (بالإنجليزية: flash vaporization) الذي يقوم على مبدأ زيادة درجة حرارة المادة بشكل سريع جداً يفوق درجة غليانها.
- الترسيب: (بالإنجليزية: Deposition)، هو عملية تحوّل المادة من الحالة الغازية إلى الحالة الصلبة بشكل مباشر، ودون المرور بالحالة السائلة، فعلى سبيل المثال يتحوّل بخار الماء إلى جليد أو صقيع عند ملامسة هواء ذي درجة حرارة أقلّ من المحيط لسطح صلب كأوراق النباتات، فيظهر الصقيع مباشرة على سطحها.
