حالات المادة أمثلة وخصائص كل حالة

المادة هي كل ما لديه كتلة أو حجم ويشغل حيزا في الفراغ سواء كان مرئيا أو يمكننا الشعور به وهي تشكل الكون الملموس من حولنا.

تحدد حالات المادة أو ما يعرف بأطوار المادة بناء على سلوك الجسيمات المكونة لها. نحن نعلم أن المادة مكونة من جسميات صغير جدا (ذرات أو جزيئات أو أيونات) إن طبيعة العلاقة والروابط بين مكوناتها واختلاف خصائصها هي التي تميزها وتحدد الحالة التي هي عليها سواء كانت صلبة أو سائلة أو غير ذلك, متأثرة بعوامل أخرى مثل درجة الحرارة والضغط.

صنفت الحالات الأساسية للمادة في خمس حالات رئيسية وهي الحالة الصلبة والسائلة والغازية والبلازما وكثافة بوز- أنشتاين. وربما كانت الحاللات الثلاثة الأولى هي الأكثر معرفة لدى الكثيرين وإن كانت الحالة الرابعة (البلازما) أكثر شيوعا في الكون، أما الحالة الخامسة نادرة الحدوث وهي تحتاج لشروط خاصة لحدوثها.

الحالة الصلبة

المواد الصلبة هي المواد التي تكون ذراتها أو جزيئاتها متراصة بإحكام والروابط بينها قوية ولا يمكن كسرها بسهولة في درجة حرارة الغرفة, وهذا ما يمنحها الحجم والشكل الثابت.

أينما التفت حولك ستجد أجساما صلبة نافذة، كتاب، جدار, نافذة..إلخ. لفهم أعمق لبنية المادة الصلبة تخيل أن جسيماتها عبارة عن طوب بناء. سوف نرتب هذه الطوب في بنية منتظمة ومكررة وثابتة غير قادرة على الحركة ومستقرة. الروابط بين هذه الطوب متينة وقوية ولا يمكن تحريكها بدرجة حرارة الغرفة وهذا الذي يميز المواد الصلبة ويمنحها الصلابة والشكل الثابت على عكس المواد السائلة والغازية التي تتسم جسيماتها بسهولة الحركة.

بنية المواد الصلبة مجهريا إما أن تكون بلورية أو متعددة البلورات أو لابلورية. من الأمثلة الحية للبنية المجهرية البلورية للمواد الصلبة بلورات الماس.

بينما تندرج المواد الصلبة اللاعضوية ضمن قائمة البنى الصلبة المتعددة البلورات مثل الحديد. أما المواد الصلبة اللابلورية فلا تنتظم ذراتها ضمن ترتيب محدد طويل المدى مثل الزجاج, على عكس ما يوحي اسمه فالبلور الزجاجي لا يملك أي بنية بلورية . إن اختلاف البنى المجهرية بين المواد الصلبة هو سبب اختلاف خواصها.

عند دراسة المواد الصلبة علينا أن ندرك أهميتها في حياتنا اليومية وأنها ليست مجرد كتل صلبة تملأ الفراغ من حولنا, بل تدخل في الصناعات المتطورة التي تشمل مختلف نواحي الحياة، من هنا تم تقسيم المواد الصلبة ضمن أنواع رئيسية عديدة تعتمد على الروابط بين بنيتها الذرية و البنى الإلكترونية لهذه الذرات والتي بدورها تحدد خواصها. وهذه الخواص هي التي تجعل مادة صلبة أفضل من غيرها في صناعات محددة.

من الخصائص المميزة للمواد الصلبة صلابتها العالية ومقاومتها للتشوه وصعوبة الضغط والحفاظ على شكل وحجم ثابتين مع إمكانية تشكليها.

تأتي المعادن لتحتل المرتبة الأولى في المواد الصلبة من ناحية الأهمية. الروابط المعدنية القوية وحركة الالكترونات الحرة تمنحها ميزة التوصيل الكهربائي والحراري العالي. بالاضافة الى صفات أخرى مثل إمكانية السحب والطرق. تدخل المعادن في صناعة الوصلات الكهربائية والأسلاك بسبب ناقليتها العالية وكذلك في صناعة حديد البناء الصلب وهياكل السيارات لصلابتها.

وتشمل المواد الصلبة أبضا كل من الزجاج واللدائن والسيراميك وغيرها.

الحالة السائلة

تكون المادة في الحالة السائلة ذات حجم ثابت وغير قابلة للانضغاط في الظروف العادية (نحتاج لظروف خاصة صعبة لضغط السوائل ولو بمقدار ضئيل), ويكون شكل السائل متغير فيأخد شكل الوعاء الذي يوضع به. جسيمات المواد السائلة أقل ترابطا مما هي عليه في الحالة الصلبة وتكون متقاربة ولكن حرة الحركة بدرجة أكبر من جسيمات المواد الصلبة.

من الأمثلة للمواد السائلة الماء وهو عنصر الحياة وأيضا النفط والحليب والزئبق.

إن التقارب بين جسميات المواد السائلة أقل مقارنة مع جسيمات المواد الصلبة وهذا ما يجعل كثافة السوائل أقل من الصلب ولكنها تمتلك طاقة حركية أكبر تجعلها تتحرك بسهولة وتملأ الوعاء الذي تشغله .

وكما هو الحال في المواد الصلبة بمعرفة خواص المادة السائلة والتي تحددها الروابط بين جسيماتها يمكننا الاستفادة منها بتطبيقات عملية في حياتنا اليومية، ومن أهم هذه الخواص هي التوتر السطحي والطفو.

التوتر السطحي للسوائل

يعرف التوتر السطحي للسوائل بأنه خاصية فيزيائية تجعل من سطح السائل كأنه غشاء مرن مشدود . إن الجزيئات الموجودة داخل السائل (جزيئات السائل الداخلية) تؤثر على بعضها البعض بقوى تجاذب جزيئية تفني إحداها الأخرى ويبقى معتدلا .

أما الجزيئات الموجودة على سطح السائل (جزيئات السائل السطحية) تتأثر بقوى جذب الجزيئات الموجوده أسفل وعلى جوانب السائل ولا توجد قوى جذب قادمة من الأعلى لتفنيها وهذا ما يجعل سطح السائل يبدو كغشاء مرن مشدود نحو الأسفل.

يعتمد التوتر السطحي للسوائل على عدة عوامل:

• نوع السائل: يتغير التوتر السطحي باختلاف نوع السائل.
• درجة الحرارة: بازدياد درجة الحرارة تزداد حركة جزيئات السائل ويقل التماسك فيما بينها وهذا بدوره يقلل من التوتر السطحي أي أن العلاقة بين التوتر السطحي وازدياد درجة الحرارة العكسية.
• واخيرا الشوائب المضافة إلى السوائل تقلل من توترها السطحي.

من أهم التطبيقات العملية التي تعتمد على خاصة التوتر السطحي للسوائل:

1. تكون قطرات الماء كروية لتقليل مساحة السطح ما أمكن وبالتالي تخفيف التوتر السطحي مما يجعلها تطفو على السطح.
2. حركة بعض أنواع الحشرات على سطح الماء دون أن تغرق يعود ذلك إلى خاصية التوتر السطحي للسوائل.
3. بعض الصناعات مثل المنظفات والطلاء.

الطفو

تؤثر السوائل على الأجسام المغمورة بها بقوى دفع نحو الأعلى تعرف بقوة الطفو تكون مساوية لوزن السائل المزاح. وهي تتعلق بعدة عوامل وهي:

• حجم الجسم المغمور: كلما زاد حجم الجسم او الجزء المغمور داخل الماء زادت قوة الطفو.
• كثافة السائل: كلما زادت كثافة السائل ازدادت قوة الطفو. هذا يفسر لنا في إحدى التجارب البسيطة لماذا تطفو بيضة على سطح ماء مضاف إليه الملح بينما تغرق في وعاء آخر يحوي ماء فقط. إن الملح المضاف إلى الماء كثافته كبيرة وبالتالي قوة الطفو تكون كبيرة مما يجعل البيضة تطفو على عكس الوعاء الاخر الذي تغرق فيه البيضة لأن كثافتها أكبر من كثافة الماء.

من التطبيقات العملية لقوة طفو السوائل: الغواصات والتي تعتمد على وجود خزانات جانبية عندما يتم ملؤها بالهواء تصبح كثافة الغواصة اقل من كثافة الماء فتطفو على السطح وعند الرغبة بالغوص في الأعماق يتم ملؤها بالماء فتصبح كثافة غواصة أكبر من كثافة الماء فتغوص.

الحالة الغازية

هي الحالة الثالثة الرئيسية للمواد. لا يكون للمادة في الحالة الغازية حجم معين ولا شكل معين وهي تملأ الحيز االموجودة فيه بشكل كامل.

قوة ارتباط الجزيئات في الحالة الغازية ضعيفة جدا وتكاد تكون معدومة في حالة الغاز المثالي, وهذا يمنح الغاز سهولة الحركة وفق حركة عشوائية وطاقة حركية عالية تجعلها تتغلب على قوة التجاذب فيما بينها.

من خصائص الغازات أنها قابلة للضغط. يمكن تحويل الغاز إلى سائل بالضغط عند درجة حرارة معينة. وعند الوصول إلى درجة الحرارة الحرجة لا يمكن تسييل الغاز مهما بلغت قوة الضغط.

بما أن درجة الحرارة والضغط تختلف من مكان لآخر لذلك تم اعتماد درجة حرارة وضغط قياسيين، درجة الحرارة القياسية هي نقطة تجمد الماء عند درجة الصفر المئوية أو ٣٢ درجة فهرنهايت.

أما الضغط القياسي للغاز يعادل 100,000 باسكال أو ١ بار, والغاية من اعتماد ضغط ودرجة حرارة قياسية هي دراسة سلوك الغازات المختلفة.

الهواء هو مثال لحالة المادة الغازية ويحتوي عناصر مختلفة مثل الأكسجين والهيدروجين وثاني اكسيد الكربون ونتروجين وغيرها.

البلازما

هي الحالة الرئيسية الرابعة للمادة وهي الأكثر شيوعا في الكون . والبلازما تتشابه مع الغاز بأنها ليس لها شكل وحجم محدد ولكن تختلف عنه بأنها مشحونة كهربائيا وهذا هو الفارق الرئيسي بين الغاز والبلازما. وكون البلازما ذات جسميات مشحونة كهربائيا لذلك تتأثر بالمجالات الكهرومغناطيسية.

كيف تتكون البلازما؟

تحدث هذه الحالة عندما نقوم بتسخين الغازات إلى درجات حرارة عالية جدا، هذه الحرارة سوف تمنح ذرات الغاز طاقة هائلة فتتحرك هذه الذرات المثارة بسرعة كبيرة تؤدي إلى تحرر الالكترونات منها. الذرات التي فقدت الكتروناتها أصبحت موجبة الشحنة وهذا ما يسمى بالتأين. بالمحصلة تتكون البلازما من هذه الايونات الموجبة الشحنة. ومن الالكترونات السالبة الشحنة الحرة.

خواص البلازما

1. الناقلية العالية للكهرباء: إن وجود الالكترونات السالبة الحرة والأيونات الموجبة منحها قدرة عالية على توصيل الكهرباء.
2. تأثر البلازما بالحقلين الكهربائي والمغناطيسي: وهذا التأثر يعود الى وجود الجسيمات المشحونة, إن هذا التأثر بالحقول الكهرومغناطيسية يمكننا من تحديد شكل البلازما والتحكم بها. كما أن حركة جسيماتها المشحونة كهربائيا يجعلها تشكل حقولا كهرومغناطيسية خاصة بها.
3. طاقة حركية عالية: بما أن البلازما تتكون عند تسخين الغاز لدرجات حرارة عالية هذا يتوافق مع طاقة حركية عالية لجسيمات البلازما.
4. السطوع: إن ذرات البلازما المثارة تمتلك طاقة عالية غير مستقرة وهي تميل إلى العودة إلى مستويات طاقتها السابقة وعندها تخسر طاقة تكون على شكل ضوء أو فوتونات.
5. ليس لها شكل أو حجم محدد تماما مثل الغازات ولكن تختلف عنها بوجود الجسيمات المشحونة كهربائيا بينما نعلم بأن جزيئات الغاز متعادلة كهربائيا.

أمثلة عن البلازما

تتواجد البلازما حولنا في كل مكان في الكون وتتواجد في الشمس ومصابيح فلوريسنت والتلفاز والشفق القطبي وغير ذلك. هناك الكثير من الأمثلة وسنأتي على التفصيل في بعضها وكيفية حدوثة:

الشفق القطبي

يعد الشفق القطبي من الظواهر المدهشة والخلابة وهي توضح آلية عمل البلازما, عندما تصل الجسميات المشحونة من الشمس إلى الأرض والتي تسمى الرياح الشمسية, تصطدم بالغلاف المغناطيسي للأرض مما يتسبب في استثارة ذرات وجزيئات الغازات الموجودة في الطبقات الجوية العليا للغلاف الجوي مثل ذرات الهيدروجين والنتروجين و الاكسجين وتكتسب هذه الذرات طاقة عالية غير مستقرة, وعندما تعود هذه الذرات المثارة إلى مستوى طاقتها السابق تتوهج بأضواء مختلفة رائعة تعرف باسم الشفق القطبي.

الشمس

تعتبر الشمس كرة ضخمة من البلازما، فدرجة الحرارة داخل الشمس مرتفعة جدا وتؤدي إلى تأين الغازات الرئيسية المكونة لها (الهيدروجين والهيليوم) إلى أيونات موجبة الشحنة و الكترونات سالبة، تتكون البلازما من هذه الجسيمات المشحونة وهي تتأثر بالحقول الكهرومغناطيسية،

هذه الجسيمات المشحونة تتدفق عبر الشمس وهي تتحرك بسرعات عالية جدا تسمى رياحا شمسية تصل إلى كواكب وأجرام محيطة بها وتلعب دورا مهما في النظام الشمسي وتأثيره على الكواكب.

مصابيح فلورسنت

مصابيح فلورسنت تعتمد على البلازما في إنتاج الضوء حيث يتم تمرير تيار كهربائي داخل الأنبوب الزجاجي للمصباح مما يؤدي إلى تأين ذرات الزئبق الموجودة داخله وانطلاق أشعة فوق البنفسجية الغير مرئية للعين التي تسقط بدورها على الجدار الداخلي للمصباح المغطى بالفوسفور، يمتص الفوسفور هذه الاشعة فيتوهج ويشع ويعطي ضوءا مرئيا.

يمكن التحكم بلون الضوء المنبعث من المصباح من خلال تغيير لون مادة الفوسفور التي تغطيه من الداخل.

البرق

هو مثال عن حالة البلازما المتواجدة على الأرض. فعندما يتراكم فرق الجهد في داخل السحابة أو بين سحابتين أو بين السحب والأرض، لابد من تفريغ هذا الجهد ، وبوجود وسط عازل هو الهواء تنشأ شرارة كهربائية تسبب تأين الغازات المحيطة الموجودة في الهواء وتحولها إلى بلازما.

تكاثف بوز- أنشتاين

الحالة الأكث ندرة للمادة هي تكاثف بوز-أيسنشتاين (Bose–Einstein condensate), تنبأ بها بوز عام ١٩٢٤ ثم أنشتاين عام ١٩٢٥ و أثبتت بالتجربة بعد ٧٠ عام من التكهن سنة ١٩٩٥.

هي حالة تتخذها ذرات بعض الغازات من البوزونات لتصبح لها حالة كمومية واحدة إذا اقتربت حرارتها إلى درجة الصفر المطلق. تتشكل حالة بوز – أنشتاين بتبريد غاز منخفض الكثافة جدا إلى درجات حرارة فائقة الانخفاض يلاحظ عندها تداخل التوابع الموجية لهذه البوزونات ويصبح من الصعب تمايزها رغم عدم اتحادها مع بعض.

المصادر

• States of matter [https://www.sciencelearn.org.nz/resources/1499-states-of-matter]
• states of matter [https://courses.lumenlearning.com/suny-earthscience/chapter/states-of-matter/]