ما هي الخصائص الفيزيائية للمادة؟
تعرّف الخصائص الفيزيائيّة للمواد (بالإنجليزيّة: Physical Properties) بأنّها الصفات التي يمكن قياسها أو ملاحظتها دون أيّ تغيير على طبيعة المادة وكيميائها، وأغلب الصفات الفيزيائيّة تُلاحظ عن طريق حواس الإنسان الطبيعيّة، ومن أهمّ الخائص الفيزيائيّة ما هو موضح أدناه:
اللون
يعد اللون (بالإنجليزيّة: Color) أحد الصفات المرئية أو الظواهر الضوئيّة للأشياء، مثل اللون الأحمر والأخضر والأسود وغيرها من الألوان المعروفة، وهذه الخاصية تتيح إمكانية الإدراك البصري والتمييز بين الأشياء في حال تشابهها.
الملمس
يعد الملمس (بالإنجليزيّة: Texture) صفة فيزيائية ترتبط بشكل عام بطبيعة سطوح الأجسام ومظهرها، من حيث الحجم والشكل وترتيب الجزيئات، وعادةً ما يوصف ملمس شيء ما بأنه ناعم أو خشن أو أملس صلب أو طريّ وغيرها من الأوصاف التي تشير للملمس.
الرائحة
تعد الرائحة (بالإنجليزيّة: Odor) خاصية تتمتع بها بعض أنواع المواد ذات التركيز الكيميائيّ شديد الانخفاض، تحدث عملية الشم عندما تستقبل مستقبلات الإحساس الشميّة في الكائنات الحيّة المختلفة؛ كالإنسان والحيوان والحشرات، بالإضافة إلى بعض اللافقاريات والحيوانات المائيّة.
يمكن تصنيف الروائح إلى زكيّة؛ كروائح الأزهار والعطور وبعض أنواع الفاكهة، وكريهة؛ كروائح القمامة وعوادم السيارات ورائحة احتراق عناصر كيميائيّة معيّنة.
الكثافة
الكثافة (بالإنجليزيّة: Density) ورمزها ( ρ )، وهي إحدى أهمّ الصفات الفيزيائيّة للمواد، وتعرّف بأنّها كتلة المادة على وحدة الحجم، وبعبارة أخرى هي نسبة الكتلة إلى الحجم، و يمكن حساب الكثافة باستخدام القانون الرياضي التالي:
الكثافة = الكتلة / الحجم
بالرموز: ث = ك / ح
حيث أن:
- ث: الكثافة، تقاس بوحدة كغ/م³.
- ك: الكتلة، تقاس بوحدة كغ.
- ح: الحجم، يقاس بوحدة م³.
تضم الكتب المختصّة بالفيزياء جداول خاصّة تحتوي كثافة المواد، ومن تلك المواد نذكر:
- كثافة الماء = 1 غم/سم³.
- كثافة الأرض = 5.51 غم/سم³.
- كثافة الهواء = 1.2 كغ/م³.
تجدر الإشارة إلى أن الكثافة تعبر أيضًا عن مدى تماسك جزيئات المادة ببعضها، فالمواد في الحالة الصلبة تكون جزيئاتها متماسكة ومتلاصقة فيما بينها لهذا فإنّ كثافتها عالية، بينما في الحالة السائلة يقل مقدار تماسك جزيئاتها (مقارنةً مع الحالة الصلبة) لهذا فإنّ كثافتها أقلّ من كثافة المواد في الحالة الصلبة.
أمّا في الحالة الغازيّة تكون جزيئاتها متباعدة عن بعضها تمامًا لهذا فإن كثافتها قليلة جدًا، ومثال ذلك كثافة الماء بحالته الثلاث، فيسجل أعلى كثافة عندما يكون ثلجاً، وتقل كثافته في الحالة السائلة، بينما يسجل أقل كثافة عندما يكون بخارًا.
الحجم
الحجم (بالإنجليزيّة: Volume) هو مقدار الحيّز الذي يشغله جسم ثلاثي الأبعاد في الفراغ، ويقاس بوحدة م³ حسب النظام العالمي للوحدات، وتشتقّ وحدات قياس أصغر منه مثل؛ مم³، وسم³، ولتر، واللتر هو تسمية خاصة لوحدة دسم³.
وفي حال عُلمت كثافة المادة وكتلتها يمكن حساب حجمها عن طريق تطبيق العلاقة الرياضية التالية:
الحجم = الكتلة / الكثافة
وبالرموز:
ح = ك / ث
حيث أن:
- ث: الكثافة، تقاس بوحدة كغ/م³.
- ك: الكتلة، تقاس بوحدة كغ.
- ح: الحجم، يقاس بوحدة م³.
أما في حال لم تكن كثافة المادة وكتلتها معلومتين، فهناك طريقتين أخريين يمكن اتباعهما لحساب حجم الأجسام بناءً على شكله، وهما كما يأتي:
إذا كان شكل الجسم منتظم
إذا كان شكل الجسم منتظمًا؛ كالمكعّب والكرة وغيرهما، تستخدم علاقات رياضية بسيطة لحساب حجم الجسم، وفيما يلي ذكر أهمّ قوانين حساب الحجوم للأشكال المنتظمة:
| اسم المجسّم | حجمه | دلالة الرموز |
| المكعّب | الحجم = ل³ | ل: طول الضلع |
| متوازي المستطيلات | الحجم = ل × ع × ن | ل: طول ضلع القاعدة ع: عرض القاعدة ن: ارتفاع المجسم |
| الهرم | الحجم = (أ × ل) / 3 | أ: مساحة قاعدة الهرم ل: ارتفاع الهرم |
| الأسطوانة | الحجم = π × نق² × ل | نق: نصف قطر القاعدة ل: ارتفاع الأسطوانة |
| المخروط | الحجم = (π × نق² × ل) / 3 | نق: نصف قطر القاعدة ل: ارتفاع المخروط |
| الكرة | الحجم = 4/3 π × نق³ | نق: نصف قطر الكرة |
إذا كان شكل الجسم غير منتظم
إذا كان شكل الجسم غير منتظم كحجرٍ على سبيل المثال، فإنّه يمكن حساب حجمه باتّباع الخطوات الموضحة أدناه:
- ملء أسطوانة قياس مدرّجة بكميّة محددة من الماء.
- تسجيل حجم الماء الموجود في الأسطوانة المدرّجة بدقّة.
- وضع الجسم المراد حساب حجمه في الأسطوانة المدرّجة.
- تسجيل الحجم الجديد في الأسطوانة بعد وضع الجسم.
- حساب حجم الجسم بالعلاقة الرياضية التالية: حجم الجسم غير المنتظم = حجم الماء قبل وضع الجسم - حجم الماء بعد وضع الجسم
الكتلة
الكتلة (بالإنجليزيّة: Mass) هي كمية المادة المكونة للجسم، وقصور الجسم الذاتي أو مقاومته للحرّكة عند تطبيق قوّة معيّنة عليه، فكلّما زادت كتلة الجسم قلّ تأثير القوة المطبّقة عليه في تغيير سرعته أو تحريكه.
و تقاس الكتلة بوحدة الكيلوجرام ورمزها (كغ) حسب النظام العالمي للوحدات، وتُشتقّ منها وحدة قياس أصغر هي الجرام (غم) حيث أنّ: 1 كغم = 1000 غم.
نقطة الانصهار
نقطة الانصهار (بالإنجليزيّة: Melting Point) هي درجة الحرارة التي تتحوّل عندها المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، وتحدث عملية الانصهار عند رفع درجة حرارة المادة الصلبة، ما يجعل جزيئاتها الداخلية تهتزّ بسرعة فتمتص الجزيئات هذه الطاقة الحركيّة وتتغلب على قوى التجاذب بين الجزيئات فتتحوّل المادة إلى الحالة السائلة.
ومن الجدير بالذكر أنّ نقطة الانصهار للمواد الصلبة هي نفسها نقطة التجمّد للسوائل، وفيما يلي درجات الانصهار لبعض المواد المشهورة:
| المادة | درجة انصهارها (°C) |
| الهيدروجين | -259 ° |
| الأكسجين | -219 ° |
| الماء | 0 ° |
| الفضة الصافي | 962 ° |
| الذهب الصافي | 1064 ° |
| الحديد | 1538 ° |
نقطة الغليان
درجة أو نقطة الغليان (بالإنجليزيّة: Boiling Point) هي درجة الحرارة التي تتحوّل عندها المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازيّة.
فعندما يُسخّن سائل فإنّ الطاقة الحركيّة لجزيئاته تزداد تدريجيًا ليصل إلى درجة تكون جزيئات المادة لديها طاقة حركيّة كافية للتبخّر، فيصبح ضغط البخار كبير جدًا ومساوٍ للضغط الخارجي بما يكفي لتكوّن فقاعات داخل جسم السائل، عندها تبدأ عمليّة التبخر في ظل ثبات درجة الحرارة لحين تحوّل كامل السائل إلى حالته الغازية.
وفيما يلي درجات الغليان لبعض المواد المشهورة:
| المادة | درجة غليانها (°C) |
| الأمونيا | -35.5 |
| الجليسرين | 290 |
| غاز الفريون R-22 | -41.2 |
| زيت الزيتون | 300 |
| الماء النقي | 100 |
| البترول | 210 |
| الحديد | 2870 |
الذوبان
الذائبيّة أو الذوبان (بالإنجليزيةّ: Solubility) هي أكبر كميّة من مادة يمكن إذابتها في مادة أخرى، وبعبارة أخرى هي أكبر كميّة من المذاب يمكن إذابتها في المذيب حتّى يصل إلى حالة الإشباع، وعندها يكون المحلول وصل إلى نقطة التوازن للذوبان ولا يمكنه إذابة أيّ كميّات إضافية من المذاب فيه، عندها يبقى تركيز المحلول ثابتًا.
وفي حال إضافة أي كميات من المذاب فإنّ المحلول يسمّى بفائق الإشباع ويبدأ المذاب الإضافيّ بالترسّب في القاع.
القطبية
تعد القطبية (بالإنجليزيّة: Polarity) إحدى الخصائص الفيزيائيّة للمركّبات الكيميائيّة المرتبطة بخصائص فيزيائيّة أخرى؛ كدرجة الانصهار، والغليان، والذائبيّة، وقدرة المركّب على التفاعل مع غيره من المركّبات، بالإضافة إلى أنواع الروابط الناشئة من ذلك التفاعل.
وتنشأ القطبية من الخصائص الكهربائيّة للعناصر، فبعض الذرات تجذب إلكترونات الذرات الأخرى إليها، بينما ذرات أخرى تتشارك الإلكترونات مع غيرها، في حين أن بعضها يفقد إلكتروناته، فتتولّد في الذرة روابط كهربائيّة نسبية تختلف من ذرة إلى أخرى.
تتمتع المواد بالعديد من الخصائص الفيزيائيّة، منها ما يمكن ملاحظته وتحديده من خلال الحواس؛ كاللون والحجم والرائحة، وأخرى لا يمكن تحديدها إلّا عن طريق قياسها أو إجراء التجارب عليها، كما في الكثافة والكتلة وتحديد نقاط الغليان والانصهار ودرجة الذائبيّة و قطبيّة المركّبات الكيميائيّة .
أنواع الخصائص الفيزيائية
وفيما يلي تفصيل لأنواع الخصائص الفيزيائية:
الخصائص الشمولية
الخصائص الشموليّة (بالإنجليزيّة: Extensive Properties) هي الخصائص الفيزيائيّة التي تعتمد على كميّة المادة الموجودة في الجسم، وهي خصائص غير ثابتة، ومن الأمثلة عليها، الكتلة، والحجم، والطول.
الخصائص المكثفة
الخصائص المكثّفة (بالإنجليزيّة: Intensive Properties) هي الخصائص التي لا تتغيّر مع تغيّر الحجم والشكل أو القياس للأجسام، وهي تعد صفات ثابتة للمادة دائمًا ولا تتغيّر مع تغيّر ظروفها، ومن الأمثلة عليها؛ اللون، والكثافة، ودرجة الغليان، ودرجة الانصهار، والقطبيّة.
تصنف الخصائص الفيزيائيّة للمواد إلى نوعين اثنين هما؛ الخصائص الشمولية، والخصائص المكثّفة، أمّا الخصائص الفيزيائيّة الشمولية فهي صفات تعتمد على كميّة المادة الموجودة وتتأثّر بتغيّر الظروف المحيطة بها، فهي متغيّرة وغير ثابتة.
بينما الخصائص الفيزيائيّة المكثّفة فهي صفات ثابتة للمواد لا تتغيّر مع تغيّر كميّة المادة، وعادةً ما توضع هذه الخصائص للمواد في جداول تؤخذ القراءات اللازمة منها دون الحاجة لقياسها.
