خواص المادة وتغيراتها

خواص المادة وفقًا لحالتها

المادة هي أي شيء يتألف من عناصر مترابطة ومتماسكة، ولكنّها تتميز عن بعضها البعض بخصائصها الفيزيائية والكيميائية ، ويتحكّم في حالتها -غازية أو سائلة أو صلبة- كيفية ترابط المكونات معًا وقرب الجزئيات من بعضها البعض، ولكلّ من هذه الحالات خصائص تختلف عن غيرها تجعلها تتميز عنها، وفي ما يلي توضيح لهذه الحالات وخصائصها:

خواص المادة السائلة

حالة المادة السائلة (liquid) وهي بين الغازي والصلب، تمتاز السوائل بعدة خصائص في ما يلي أهمها:

• تحتفظ المادة بحجمها مع إمكانيتها على التشّكل حسب الإناء الذي توضع فيه.
• عندما يُنقل السائل من وعاء لآخر فإنه يحافظ على حجمه، وما دون ذلك فإنه ينقص إن تعرّض للحرارة وتبخّر.
• عندما يُخلط السائل مع مادة صلبة أو غازية نقية، فإنه يُذيبها فيه وتندمج معه ويُصبحان معًا خليط سائل.
• تأخذ الحالة السائلة شكلها بناءًا على عدم وجود ترتيب مكاني قوي للذرات والجسيمات فيها كالحالة الصلبة، كما أن كثافة الجزيئات ليس عالية بما فيه الكفاية لتبتعد عن بعضها البعض وتصبح غازات.
• تحتوي أي مادة على جسيمات ثابتة الحركة، وبفعل الطاقة الحرارية تتحرك هذه الجسيمات بسرعة مما يعني أنها ستبتعد عن بعضها قليلًا وتصبح سائلة.

خواص المادة الصلبة

أما المادة الصلبة (Solids) أو ما تُعرف بالجوامد، وللمواد الصلبة عدة خصائص في ما يلي أهمها:

• تترابط جسيمات هذه المادة معًا وبنمط محدد لتخلق شكلًا ثابتًا، وهذه الجسيمات هي الذرات والجزيئات والأيونات، تتجمع معًا بروابط قوية وصلبة.
• حركة الجسيمات الجزئية فيها محدودة وضئيلة، إذ إنّها محصورة في تحرك الذرات حول مواقعها الثابتة على شكل اهتزازات بسيطة، وهذا ما يُفسر أنها تُحافظ على شكلها وحجمها.
• يختلف ترتيب الجسيمات داخل المادة ليخلق نوعين من المواد الصلبة هما:
  • المواد الصلبة البلورية (Crystalline solids): وهي المادة التي تترابط أيوناتها وتركيبتها في نمط منظم ومتماثل على شكل بلورة، ومن أمثلته الملح، تمتاز بأنها غير قابلة للضغط أي لا يُمكن تصغير حجمها بالضغط، نظرًا لأنها صلبة في طبيعتها، إلا أنها قابلة للكسر والانصهار، ومن أهم أنواعها المواد الصلبة الأيونية، الجزيئية، التساهمية والمعدنية.
  • المواد الصلبة غير المتبلورة (Amorphous solids): وهي المواد الصلبة عديمة الشكل الثابت، ومن أمثلتها الزجاج والمواد الهلامية والبلاستيكية، لا تحتاج لدرجة انصهار ثابتة حتى تتحول من الصلب للسائل، إلا أنّها تذوب تدريجيًا وعلى درجات حرارة مختلفة تمامًا كما يحدث عند إذابة الشمع.

خواص المادة الغازية

أما الحالة الغازية (Gases) فهي الحالة التي حيرت الباحثين والعلماء في القدم، نظرًا لخصائصها الغريبة مثل:

• تتحرك جسيمات المادة بحريّة نظرًا للمساحة الأكبر التي تتوفر لجسيماتها، مما يجعل المادة في الحالة الغازية عديمة الوزن.
• تعتبر المادة في الحالة الغازية قليلة الكثافة وذلك لأنّ الجزيئات تتحرك بصورة غير منتظمة تتناثر هنا وهناك بشكل لا عشوائي.
• تبتعد جزيئاتها عن بعضها بعضًا بمسافة تمنع تداخل التفاعلات مع حركة الجزيئات.
• ليس لها شكلًا أو حجمًا محددًا نظرًا لحركتها العشوائية التي تسمح لها إما بالتمدد أو الانكماش، وحجم الغاز يُعبّر عن مساحة العبوة التي سيوضع فيها وتتحرك فيه جزيئاته بحريّة.
• قابلة للانكماش والضغط نظرًا لكثافتها القليلة وعندما تُضغط ستقل المسافة بين جزيئاتها وتأخذ شكل العبوة التي توضع فيها، كما أنها قابلة للتمدد والذي يعني تباعد المسافات بين الجزيئات كثيرًا.
• يسهل اختلاط الغازات معًا نتيجة تباعد المسافات بين الجزيئات، وهذا ما يخلق خليط متجانس سريع بعملية تُعرف بالانتشار.

تعني كلمة المادة أي شيء يتواجد حولنا، فالأرض التي نعيش عليها هي مادة صلبة تتألف من صخور وتربة ومواد مصهورة، والطعام الذي نتناوله مواد لها أشكال مختلفة، ولكل منها خصائص مختلفة طعمًا ولونًا ورائحة وحرارة انصهار ودرجة غليان، جميع هذه الخصائص إضافة إلى تركيبة الجسيمات وبُعد مسافاتها عن بعضها البعض هو ما يُحدد حالتها.

أنواع تغيرات المادة

تمر المادة في عدة ظروف تسبب تحولها من حالة إلى أخرى، وتُعرف هذه الظروف بالتغيرات الكيميائية والفيزيائية في ما يلي توضيح لها:

التغيرات الكيميائية

التغيرات الكيميائية (Chemical Changes) هي التفاعلات الكيميائية التي تحدث على مكونات المادة، ثم تُحدث تغييرًا في حالة المادة تُسمى بالنواتج، فعلى سبيل المثال عندما تحدث الفقاعات الغازية في خليط مادتين أو أكثر معًا فهذا دليل على حدوث تغير كيميائي فيها، ولكن هذا لا يشمل غليان الماء، كما أن تكوّن رواسب ومواد عكرة عند خلط مزيجين ذائبين معًا يُعتبر تغيير كيميائي، ومن أمثلتها الأخرى: التعفن، الحرق، الصدأ، والطهي، وهذا يعني أنّ التغييرات الكيميائية تشمل الظروف التي تُنتج مواد جديدة بتركيبات كيميائية جديدة، وذلك على شكل تغير في اللون، الرائحة والطعم، في ما يلي بعض الأمثلة:

• يتغير لون عنصر الكروم عندما يتأكسد أو يختزل ضمن تفاعل كيميائي.
• يتغير تركيب البيض الداخلي عندما يُفقس ويوضع على النار على حرارة معينة، مما يعني أن الحرارة تُغير شكل البروتينات في بياض البيض وصفاره، ليتحول من اللون الشفاف إلى القاتم.
• تتفاعل الخميرة مع السكر والماء لإنتاج محلول الخميرة ذا الفقاعات والذي يُستخدم في الخبز.

التغيرات الفيزيائية

التغيرات الفيزيائية (Physical Change) هي التغيرات التي تحدث على شكل المادة الخارجي دون إحداث تغيرات في تركيبته من الداخل، مما يعني أنه لا تُحدث أية تكسير أو تشكيل جديد في الروابط الداخلية للمادة، مما يعني أنها لا تُغيّر لون المادة أو خصائصها، وتشمل تحويل المادة من حالة لأخرى، أو ثني القطع المعدنية وشدّها أو تكسيرها، أو صنع المخاليط، ومن أهم الأمثلة عليه هو ذوبان الجليد الذي يُحوّله من الصلب للسائل ليتدفق بسهولة لكن سيُحافظ على جزيئات الأكسجين والهيدروجين فيه، ومن أهم ميزات التغيرات الفيزيائية هي قابليتها للتراجع فالسائل المُذاب من مكعب الثلج يُمكن إعادة تجميده.

أمثلة تطبيقية على خواص المادة وتغيراتها

في ما يلي عدة أمثلة توضيحية على خصائص المواد وتغيرها:

• ذوبان مُكعب الثلج ويُمكن تطبيق التجربة بالخطوات التالية:
  • إحضار مكعب من الثلج، ووعاء حراري.
  • وضع الوعاء على النار وتسخينه قليلًا.
  • إضافة مكعب الثلج إلى الوعاء الساخن.
  • مراقبة ذوبان المكعب تدريجيًا.
  • يعد هذا التغيير فيزيائيًا نظرًا لأنه غيّر شكل المادة.
• غليان الماء وفي ما يلي خطوات هذا التغيير الفيزيائي:
  • إحضار كمية من الماء، وإناء حراري.
  • وضع الإناء على النار، ثم سكب الماء فيه.
  • رفع حرارة النار ومراقبة الماء عندما يسخن.
  • سيصدر من الماء أولًا بخار.
  • عندما يصل الماء لدرجة الغليان ستظهر فقاعات تُعبّر عن غليان الماء.
• قص الورق كتغيير فيزيائي في ما يلي خطواته:
  • إحضار ورقة كبيرة، ومقص.
  • قص الورقة إلى أشكال مختلفة، يُمكن صناعة منها أشكال كالفراشات والأشكال الهندسية.
  • ملاحظة أن الورقة تقطّعت وتغير شكلها الخارجي، ولكن الورق بقي ورق بجميع خواصّه.
• حموضة اللبن والذي يؤشر إلى حدوث تغير كيميائي في ما يلي خطواته:
  • إحضار عبوة من اللبن.
  • فتح العبوة وتركها جانبًا لفترة من الوقت.
  • مراقبة عبوة اللبن بين الحين والآخر لرؤية التغيرات.
  • سيظهر على وجه اللبن أخيرًا بعض الفقاعات والتي تعني أنه أصبح حامضًا وتغير طعمه.
  • سيظهر العفن على اللبن وتصدر منه رائحة كريهة وهذا يعني أن تركيبته تغيّرت تمامًا.
• تغير لون التفاحة وهذا التغير كيميائي في ما يلي خطواته:
  • إحضار تفاحة وسكينة.
  • قطع التفاحة من المنتصف، ورؤية لونها كيف يكون طازجًا وفاتح.
  • ترك التفاحة جانبًا لفترة من الوقت.
  • ملاحظة لون نصف التفاحة بعد عدة ساعات.
  • سيصبح لون منتصف التفاحة بني مائل للأسود، نتيجة التأكسد.

الخلاصة

وأخيرًا فإن المواد تتغير حالاتها بشكل رئيسي بين السائل والصلب والغازي بفعل عمليات مختلفة منها الفيزيائية ومنها الكيميائية، كلّ منها يلعب دورًا مختلفًا ويعمل على جزء محدد من المادة، فالتغير الفيزيائي يُركّز على شكل المادة الخارجي دون أي تغيير في تركيبتها، ولكن التغيير الكيميائي يُركز على التغير في تركيبة المادة من الأساس، مما يعني حدوث تفاعلات كيميائية تخلق خصائص جديدة للمادة.