العناصر والمركبات والمخاليط
يمكن تعريف المواد عمومًا بأنّها كلّ شيء له كتلة وحجم يُشغل به حيّز، وقد لوحظ اختلاف أنواع وخصائص المواد الموجودة في الطبيعة، فمنها ما يتواجد على شكل مواد نقيّة؛ كالعناصر وهي أبسط الأشكال، والمركّبات الكيميائية، ومنها ما يتواجد على شكل مخاليط، ولا بدّ من معرفة طبيعة كل نوع من الأنواع بكل دقة لاستغلالها بالشكل الذي يعود على الإنسان بالنفع والفائدة، وأكثر من يهتم بهذا هم علماء ومهندسو المواد بهدف معرفة كيفية الحصول على كلّ نوع منها أو إنشائها وتركيبها عند الحاجة لذلك.
العناصر
تعرف العناصر (Elements) على أنها أبسط أشكال المواد وتتكوّن من نوع واحد فقط من الذرات، وهي اللبنة الأساسية التي تتكوّن منها الأشكال الأخرى من المواد، أي يجب أن يتّحد عنصرين أو أكثر عادةً لتكوين مركبات أو مواد أكثر تعقيدًا، ويبلغ عدد العناصر المُكتشفة حاليًا 118 عنصر، ويمكن من خلالها الحصول على أعداد هائلة من المركبات التي ما زال العلم بصدد اكتشافها، وتتواجد أغلب العناصر في الطبيعة بصورة حرة، إلا أنّ حوالي 20% من إجمالي العناصر الكيميائية المُكتشفة تحضر من خلال إجراء عدّة خطوات في المختبرات الكيميائية، وإن وجدت في الطبيعية فهي تكون بكميات ضئيلة جدًا، ويجدر بالذكر أن معظم العناصر المكتشفة هي مواد صلبة كالحديد والألمونيوم، ويوضّح الجدول الآتي 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 |
تتسم ذرات العناصر بعدد أحد مكوناتها وهو البروتون، الذي يمكن من خلاله تحديد العدد الذريّ الخاص والمميز لكل عنصر على حدا؛ فلا يمكن إيجاد عنصرين مختلفين بنفس العدد الذريّ، ويمكن ملاحظة ذلك من خلال الجدول الدوري للعناصر، وتتألف ذرات العنصر من الإلكترونات والنيوترونات أيضًا، وتعدّ النيوترونات المسؤولة عن وجود نظائر للعنصر نفسه عند تواجدها بقيمتين مختلفتين، أمّا بالنسبة لأيونات العنصر فتتكوّن عند فقد أو كسب العنصر للإلكترونات الموجودة في أغلفتها الخارجيّة.
يُشار في الكيمياء إلى العناصر عادةً برموز لاتينية ليسهل التعامل معها من خلال اختصاراتها المكوّنة من حرف أو حرفين كحدٍ أقصى، وقد اتفق على أن يكون الحرف الأول كبير دائمًا والثاني صغير إن وُجِد؛ ومن أمثلة ذلك رمز عنصر الهيدروجين (Hydrogen) هو (H) فقط الذي يمثل الحرف الأول من الكلمة، بينما يُرمز للهيليوم (Helium) بالرمز (He) وهما أول حرفين من الكلمة، أمّا الفضة (Silver) فيرمز له بالرمز (Ag) نسبة إلى الاسم القديم للعنصر وهو (Argentum).
المركبات
تنتج المركبات (Compounds) جراء التفاعل الكيميائي بين نوعين أو أكثر من ذرات العناصر المختلفة، والتي لا يمكن إعادتها لمكوّناتها البسيطة بسهولة إلا بعد تحليلها كيميائيًا بتفاعلات كيميائية أيضًا، وتتحد العناصر لتكوين المركبات من خلال إنشاء روابط كيميائية ناتجة عن فقد أو كسب إلكترونات التكافؤ الموجودة في المدار الأخير لكل ذرة من ذرات العناصر المتحدة، كما ترتبط ذرّات العناصر في كل مركّب بنسب ثابتة ومحدّدة من خلال الروابط الكيميائية، ومن أهم أنواع الروابط الكيميائية في المركبات ما يأتي:
- الرابطة الأيونيّة (Ionic Bond).
- الرابطة التساهمية (Covalent Bond).
- الروابط الفلزّية (Metallic Bond).
- الروابط التساهمية التناسقية (Coordinate Covalent Bond).
يمكن التعبير عن المركّب كيميائيًا بصيغ مختلفة، فإمّا ذلك من خلال كتابة الصيغة الجزيئية له؛ والتي توضّح أنواع الذرات المكوّنة للمركّب وعدد كلّ منها، أو من خلال الصيغة البنائية؛ التي توضّح أنواع الروابط الكيميائية المكوّنة للمركّب فضلًا عن أنواع الذرات وأعدادها، ومن أشهر المركبّات وأهمّها الماء؛ الذي يتكوّن من ذراتي عنصر الهيدروجين وذرة من الأكسجين أي بنسبة (2:1)، وتتحدد ذرات الماء بواسطة الرابطة التساهمية، ويعبر عنه بالرمز (H 2 O)، كما تعد المركبات العضوية كذلك من الأمثلة الشائعة على المركبّات، لكنها تتميز بأنها تتكوّن أساسيًا من عناصر الكربون، والهيدروجين، والأكسجين.
المخاليط
تتشكل المخاليط (Mixtures) عند مزج مادتين أو أكثر معًا بالطرق الميكانيكية، أو كعناصر ومركّبات كيميائية لكن دون حدوث تفاعل كيميائي، بشرط أن تُحافظ المكوّنات على خصائصها الأصليّة بالكامل، وتتميّز المخاليط بإمكانية إعادتها إلى مكوّناتها الأصلية بسهولة وعدم ثبات نسب المواد المكوّنة لها، وتعاد المخاليط إلى مكوّناتها الأساسية من خلال العمليات الفيزيائية المختلفة التي تعتمد على خصائص هذه المكوّنات أصلًا، فعلى سبيل المثال يمكن الفصل بين المواد من خلال الغليان أو التصفية، وتنقسم أنواع المخاليط إلى قسمين رئيسين، 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 تتوزّع مكوناته بصورة موحّدة وتختلف خصائصه تبعًا لتركيز المواد على كتلته، كالسوائل التي تحتوي على مواد راسبة كبيرة يمكن فصلها في أي لحظة مثل الماء والحجارة.
ومن أهم الأمثلة العامة على المخاليط الشهيرة ما يلي:
- 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.
الخلاصة
تعد العناصر الشكل الأبسط للمادة، أما المركبات فهي نتاج التفاعل الكيميائي بين أكثر من مادة، في حين أن المخاليط تنتج عن مزج مادتين أو أكثر بدون حدوث تفاعل واتحاد كيميائي، ويجد من المخاليط ما هو متجانس خصائصه ثابتة لكامل كتلته، وما هو غير متجانس تختلف خصائصه تبعًا لتركيز المواد على كتلته.
