بحث عن المادة وخواصها

تعريف المادّة

تُعرّف المادّة على أنّها كل شيء له كتلة وحجم معيّن ويشْغَل حيزاً من الفراغ الموجود، وتشمل على جميع الأشياء التي تخطُر في بال الإنسان؛ كالكرسي والكتاب وغيرها من الأشياء التي يمكن لمسها، ولا تقتصر المادّة على هذه الأشياء، بل تتعدّى إلى أكثر من ذلك لتشمل المواد غير الملموسة؛ كالهواء الذي يتمّ تنفّسه من قبل الكائنات الحية، بالإضافة إلى الكواكب والنجوم على اختلافها.

وتحتوي المادّة على جسيمات صغيرة ذات حجم دقيق تُعرف بالذرّات؛ حيثُ تحتوي هذه الذرات على جُسيمات تُسمّى بروتونات، ونيترونات، وإلكترونات. يتمّ من خلال علم الكيمياء دراسة التركيب الخاصّ بالمادّة، ودراسة الكيفيّة التي يتمّ من خلالها معرفة الترابط مع بعضها البعض من أجل تكوين الموادّ المختلفة.

مكونات المادة

إنَّ فكرة أنَّ المادّة مُكوّنة من جُسَيمات صغيرة تُسمّى ذرّات قد نشأت منذ القرن الخامس قبل الميلاد على يد الفَيْلسوفَيْن اليونانيين ديموقريطوس وليوكيبوس. تُعتَبَر ذرّة الهيدروجين هي أبسط انواع الذرّات؛ حيثُ تحتوي على بروتون واحد فقط.

إنَّ البروتونات والنيترونات والإلكترونات تتكوَّن من الفرميونات (بالإنجليزيّة: Fermion)، ويُوجَد تصنيفين من الأخيرة، وهي الكوارك، والليبتون؛ حيث إنّهما لا تُعتبران نوع من أنواع المادّة. الموادّ المضادّة (بالإنجليزيّة: Antimatter) هي أيضاً نوع من أنواع المادّة، حتّى وإن كانت جُزيئاتُهما تَمْحق المادّة الطبيعيّة عند تلامسهم.

خصائص المادة 

لكل مادة خصائص فيزيائية وكيميائية تميزها عن غيرها من المواد، وفيما يلي توضيح كل من تلك الخصائص:

الخصائص الفيزيائية للمادة

هي خصائص المادة التي لا يؤثّر تغيّرها على تركيبة المادة الأصلية، والتي يمكن قياسها دون الحاجة إلى وجود تفاعل مثل الكثافة واللون، أو التي تُقاس من خلال تغيرها تحت ظروف الحرارة، مثل الانصهار والتجمد.

وتلاحظ التغيرات الفيزيائية في حياتنا اليومية؛ كذوبان الشمع، وذوبان السكر في القهوة، وطحن المواد الصلبة إلى مساحيق، فيكون التغيير في الحالة الفيزيائية للمادة، ولكن دون التأثير في تركيبها الكيميائي، ومن تلك الخصائص الفيزيائية:

• كتلة المادة وحجمها.
• اللون.
• الكثافة.
• الصلابة.
• نقطة الانصهار، والتي يتحول عندها شكل المادة إلى السائلة .
• نقطة الغليان، والتي يبدأ بعدها السائل بالتبخر.

الخصائص الكيميائية للمادة

هي خصائص المادة التي تصف التغيرات في تركيبتها، إذ ينتج عن تفاعل المادة مع غيرها نوع جديد يختلف عن تركيبة المواد المتفاعلة، فمثلاً يعد الصدأ تغيراً كيميائياً؛ إذ إن مادة الصدأ مختلفة عن الحديد والماء الموجودين قبل التفاعل، وكذلك جميع أشكال الاحتراق، والطعام الذي يتم طهيه أو هضمه أو تعفنه.

ولتحديد خاصية المادة الكيميائية، يُدرس التغير الحاصل للمادة عند التفاعل ؛ أو تحولها إلى نوع مختلف عن تركيبتها الأصلية، ومن تلك الخصائص الكيميائية:

• قابلية المادة للاشتعال أوالانفجار.
• قدرة المعادن على التفاعل مع الحمض.
• تفاعل المادة مع الأكسجين لتكوين الأكاسيد.
• التآكل.
• التعفّن.
• التحلّل.
• التخمّر.

حالات المادّة وخواصها

إنَّ الخواصّ العامّة للمادّة هي نتيجة العلاقة بين الكُتلة والحيِّز الذي تتخذه، فبسبب الكتلة، تمتلك جميع المواد قصوراً ذاتيّاً يُحدَّد من خلال الكُتلة، كما أنّها تمتلك وزن في حال تواجدها في حقل جاذبيّة، إضافةً لذلك، فإنّه نظراً لأنَّ المادّة تحتل حيّزاً، فهي تمتلك حجماً ولاإختراقيّة؛ حيثُ لا يُمكِن لجسمين أن يحتلّا نفس الحيّز في نفس الوقت.

إنَّ الخواصّ الأُخرى المُميّزة للموادّ تعتمد على البُنية الداخليّة لها؛ لذا فهي تختلف من مادّة لأخرى، ومن هذه الخواصّ: المطيليّة، المرونة، القساوة، قابليّة الطرق، المساميّة، التماسُك. أمّا عن حالات المادّة وخواصّها فهي كالآتي:

المادّة الصلبة

تتميّز هذه المواد بأنّ لها شكلاً معيّن ولا يمكن تغييره، كما لها حجم ثابت؛ كالكُتب وغيرها من المواد الصلبة والجامدة، ويعود ذلك إلى أنّ الجسيمات المكوّنة لها مترابطة مع بعضها البعض بطريقة قويّة ومتينة، ومن الصعب حدوث تغيير في شكلها.

إنَّ جُزيئات المادّة الصلبة لديها طاقة حركيّة صغيرة جدّاً، كما أنَّ الإلكترونات لكل ذرّة تكون في حالة حركة، فاهتزاز الذرات قليل، ولكنّها ثابتة في مكانها. يُمكِن تقسيم المادّة الصُّلبة إلى فئتين، هُما: موادّ بلّوريّة، ومواد غير منتظمة الشكل البلّوري؛ وذلك تبعاً لترتيب الجزيئات داخل المادّة الصلبة.

المادّة السائلة

تختلف هذه الحالة عن الحالة السابقة في أنّ شكلَها يتغّير بكلّ سهولة ويأخذ شكل الوعاء الذي يوضع فيه، لكن دون حدوث تغير في حجمه وكميته. إنَّ جُزيئات المادّة السائلة ليس لها أي ترتيب مُعيَّن، إلّا أنّها قريبة جداً من بعضها البعض؛ لذا فحجم المادّة السائلة أيضاً ثابت، ولا يُمكن ضغطُها. إنَّ جُزيئات السائل لديها مُتَّسَع كافي لتدور حول بعضها البعض، لذا فهي ليس لها شكل مُحدَّد.

تتوزَّع القُوى بشكلٍ مُتساوٍ في السائل، فعند وضع جسم فوق السائل، تُزاح جُزيئات السائل. ترتبط جُزيئات المادّة السائلة عن طريق قوّة بَيْن جُزيئيّة ضعيفة، وهذه القوّة هي سبب نشأة القطرات والتيّارات المائيّة، كما أنّها سبب كَوْن جُزيئات المادّة السائلة لا تتحرَّك بنفس حُرّيّة جُزيئات المادّة الغازيّة.

المادّة الغازيّة

تتميّز الغازات بسهولة انتشارها في المحيط المتواجد فيه، فالغازات ليس لها شكل أو حجم معين، بل تأخذ شكل الكوب أو الوعاء الذي يتمّ وضعه فيه، ويمكن لأي شيء أن يمرّ من خلال الغاز وبكل سهولة؛ وذلك لأنّ الجُزيئات المكوّنة له بعيدة عن بعضها البعض وغير مترابطة، إضافةً إلى أنّها تمتلك طاقةً حركيّة عالية.

عند تعريض الغاز للضغط عن طريق تصغير حجم الوعاء الحاوي له، فإنَّ المسافة بين جُزيئات الغاز سوف تتقارب من بعضها البعض، والضغط الناتج من تصادُم هذه الجزيئات سوف يزداد، وسيزداد ضغط الغاز عند زيادة درجة الحرارة عن طريق تسخينه (مع إبقاء حجم الوعاء ثابت). إنَّ لجُزيئات المواد الغازيّة طاقةً حركيّة كبيرة كافية لكسر القوّة الرابطة بين الجزيئات.

البلازما

لا تُعتبَر البلازما من حالات المادّة للعديد من المواد على سطح الأرض، إلّا أنّها قد تكون من أكثر حالات المادّة انتشاراً في الكون. تتكوَّن البلازما من جُزيئات مشحونة بشكلٍ كبير، ولها طاقة حركيّة عالية جدّاً.

تُستخدَم الغازات النبيلة -كالهيليوم والآرغون- عادةً لصناعة إشارات مُضيئة عن طريق استخدام الكهرباء لتأيينهم ليُصبحوا في حالة البلازما. تُعتبر النجوم كُرات بلازمية شديدة السخونة.

تكاثف بوز-أينشتاين

عام 1995م، استطاع العُلماء توظيف التكنولوجيا لصناعة حالة جديدة للمادّة، فقد قام العالِمان (إريك كورنيل وكارل ويمان) باستخدام الليزر والمغناطيس لتبريد عيّنة من الروبيديوم لتُصبح درجة حرارته قريبة من الصفر، وقد أدّى ذلك لتُصبح حركة الجُزيئات شبه معدومة، فتبدأ الذرّات بالتكتُّل مع بعضها البعض؛ وذلك بسبب عدم انتقال الطاقة الحركيّة من ذرّة لأخرى؛ حيثُ لم يَعُد هناك آلاف الذرّات المُنفصلة، وإنّما ذرّة واحدة ضخمة.

تُستخدم هذه الحالة للمادّة في دراسة ميكانيكا الْكَمّ بشكل مجهريّ، كما أنَّ الضوء يبطأ عند مُروره فيها، ممّا يُسهِّل من دراسة الجُسَيم.

تتكون المادة من الذرات التي تحتوي على بروتونات وإلكترونات ونيوترونات، وتترتب الذرات وتجتمع لتكوّن الكتلة أو الحجم، وتعتمد خصائص المواد مثل المرونة والتماسك وقابليتها للسحب والطرق وغيرها على البُنية الداخلية لها.

وفي الظروف العادية لكل مادة حالة فيزيائية معينة، قد تختلف هذه الحالة إذا تغيرت ظروف الضغط ودرجة حرارة، وكذلك لكل مادة خصائصها الكيميائية المميزة لها، ويجب معرفة ودراسة هذه الخصائص جيداً قبل التعامل مع أي مادة.