تعريف المادّة - الحالات الفيزيائية للمادّة في الطبيعيّة

تعريف المادّة:
كل ما يخطر ببالك يتألّف من المادّة – كالكتاب الذي نقرأه، أو الكرسي الذي نجلس عليه، أو الماء الذي نشربه -. غير أن المادّة ليست تلك الأشياء التي تستطيع لمسها فحسب، بل تشمل أيضا الهواء الذي نتنفسه والكواكب والنجوم في الفضاء، كما كلّ الكائنات من حيوانات ونبات وجماد.

وتتألف المادّة بمختلف أنواعها وأشكالها من جسيمات دقيقة تدعى ذرّات؛ وهذه تتألّف بدورها من جسيمات دون الذرّيّة أصغر بكثير من الذرّات. وعلم الكيمياء يدرس تركيب المادّة، وكيفية ترابط الذرّات بعضها ببعض لتكوّن المواد المختلفة.

الحالات الفيزيائية للمادّة في الطبيعيّة:

إنّ الجبال والبحار والهواء الذي يكتنفها تمثل الحالات الطبيعية الثلاث للمادّة. فالجبل يتألّف من صخر جامد، والبحيرة تتألف من سائل هو الماء،  والهواء الذي نستنشق غازي القوام. معظم الجوامد صلبة لذلك نسميها بالمواد الصلبة وهي ذات شكل وحجم محدّدين - رغم أن بعضها كالمطاط ذو شكل يمكن تغييره. والسوائل أو المواد السائلة فهي ذات حجم محدّد أيضا، لكن لا شكل ثابتا لها وهي سيالة. أما الغازات أو المواد الغازية فليس لها حجم ولا شكل محدّدان، وهي أيضا سيالة، ومعظمها عديمة اللون لا يرى.

وتدعى السوائل والغازات مجتمعة بالموائع لأنها تسيل أو تنساب. ويختلف سلوك الحالات الثلاث للمادّة لأن جسيماتها تتحرك بأشكال مختلفة. 

المواد الصلبة: المواد الصلبة أو الجوامد، كالكتب مثلا، لها شكل معين، وليس من السهولة تغيير ذلك الشكل، لأن جسيمات الجسم الجامد مترابطة بعضها مع بعض بروابط قوية تجعل بنيتها بنية صلبة. 


المواد السائلة: عندما تصب شرابا في كوب، فالسائل يتخذ شكل الكوب مهما كان. أمّا إذا اندلق السائل فإنّ شكله يتغير. وإذا صببت السائل في وعاء آخر، فسيتغير شكل السائل أيضا، لكن حجمه يبقى ثابتا.

المواد الغازية: تنتشر الغازات لتملأ الحيز الذي تتواجد فيه لأن جسيماتها سريعة الحركة. لذا فالغاز ليس له حجم أو شكل معين بل هو يتخذ شكل الوعاء المتواجد فيه. فهذا البالون، الببغائي الشكل مثلا، معبأ بغاز الهليوم. والأشياء تمرّ عبر الغاز بسهولة لأن جسيماته بعيدة بعضها عن بعض. 

ملاحظة:
هنالك حالة رابعة للمادّة تدعى البلازما، لكنّها غالبا لا تشاهد. فهي تتواجد فقط على درجات الحرارة العالية جدا داخل الشمس والنجوم الأخرى، أو فوق الأرض على ضغوط خفيضة. تتألف البلازما من ذرّات منشطرة بفعل الحرارة أو الكهربائية الهائلة الشدّة. 

حالات المادّة في خدمتنا:

المواد الصلبة والمواد السائلة والمواد الغازية حوالينا في كل شيء، وتخدمنا في عدّة مجالات. ففي الدراجة مثلا، ترى حالات المادّة الثلاث تعمل متكاملة بانسجام. فالعديد من أجزاء الدراجة مصنوع من الجوامد، والهواء المضغوط يملأ العجلتين، والزيت سائل لا بد منه على سلسلة الدراجة وأجزائها المتحركة كافة.

المواد الصلبة في خدمتنا: هيكل الدراجة جاس صلب، وإطارا العجلتين وبرامقهما صلدة متينة. فجُسُوُّ الهيكل أساسي لبنية الدراجة وتماسكها. وفولاذ الإطارين والبرامق الصلد يحفظ دقة استدارة العجلتين، وهذه الدقة ضرورية ومطلوبة لسلاسة وسلامة الدروج.

المواد السائلة في خدمتنا: المواد السائلة كلها سيّالة، وبعضها أكثر سيولة من البعض الآخر. ولُزُوجَة السائل مقياس يحدّد سرعة أو بطء سيولته. فالماء ينساب بسهولة لأنه قليل اللزوجة، أما الزيوت فتنساب ببطء لأنها أشد لزوجة. وتستخدم المواد السائلة اللزجة، كالزيت، بين الأجزاء المعدنية المتحركة لتقليل الاحتكاك فيما بينها، ويعرف هذا بالتزليق.

المواد الغازية في خدمتنا: خلافا للمواد الصلبة والمواد السائلة، فالغازات لا حجم ثابتا لها، أي إنّك تستطيع ضغط الغاز أو تقليل حجمه. والغازات تنضغط لتواجد فراغات جمّة بين جسيماتها. فإذا مرّ دولاب دراجة فوق مطبّ وارتطم بجسم صلب، ينضغط الهواء داخله فتخمّد رجّة الصدمة، ويخفّ إحساس راكب الدراجة بها.

تغيّرات الحالة:

إذا تقلّب زيتا ساخنا بملعقة لدائنيّة فإنّ الملعقة تنصهر. فاللدائن جامدة على درجة الحرارة والضغط العاديين. لكن بتغيير الظروف تتغيّر حالتها كسائر المواد الصلبة. كذلك إذا وضعت عصير البرتقال في المجمدة، وهو سائل في الظروف العادية، فإنه يجمد. وإذا زفرت على لوح زجاج بارد، فإن بخار الماء (الذي هو غاز عادة) في زفيرك سيتكثّف إلى قطرات من السائل. وإذا شعّت الشمس على تلك القطرات، فإن حرارة أشعتها تعيد القطرات ثانية إلى غاز يتبخر في الهواء مجددا. والواقع أنه حتى أصلب الصخور تنصهر على درجات الحرارة والضغوط العالية جدا المتواجدة تحت القشرة الأرضية. إن معظم المواد التي نعرفها تتحول إلى حالة إلى حالة أخرى عند تغيير درجة الحرارة والضغط بقدر معيّن.

من جامد إلى غاز: إذا أحميت جامدا حتى درجة الانصهار، فإنّه يتحول إلى سائل. وإذا تابعت الإحماء فإنّ السائل يبلغ درجة يبدأ عندها بالتحول إلى غاز، وهذه هي درجة الغليان. على هذه الدرجة، تكسب جسيمات السائل من الإحماء المستمر، طاقة كافية ليتحرر بعضها من بعض، فتتكون في السائل فقاعات من الغاز. لكن نذكر أنّ المواد السائلة تتحول دوما إلى غاز ببطء حتى على درجات حرارة دون درجة الغليان، وهذا يدعى التبخر.

التكثّف: تتجمع قطرات من الماء على كوب زجاجي بارد لأن جسيمات بخار الماء في الهواء المماس للكوب تتحول إلى ماء. الزجاج البارد ينزع طاقة من الجسيمات فيحوّلها إلى سائل.

التبخّر: يجفّ الحبر السائل لأنّ الماء فيه يتحوّل إلى بخار ويتصاعد في الهواء. ويتمّ هذا لأنّ بعض جسيمات الماء تكسب ما يكفي من الطاقة للإفلات متحولة إلى غاز.

التصعيد: أحيانا يتحول الجامد إلى غاز مباشرة، وهذا يعرف بالتصعيد. فالجليد الجاف يتصعّد مباشرة إلى غاز، لذا يستخدم على خشبة المسرح لتوليد سحب مستغربة مثيرة. والجليد الجاف هو في الحقيقة ثاني أكسيد الكربون المجمّد، ويدعى الجاف لأنّه يتحوّل إلى غاز مباشرة متجاوزا حالة السيولة.

الانصهار: جسيمات الجامد متراصة معا بقوة، لكنها عند الإحماء تتزايد ذبذبتها أكثر فأكثر حتى تفلت من مواقعها الثابتة وينساب بعضها فوق بعض متحولة إلى سائل. مثل هذا يحدث عند انصهار قطعة من الشوكولاتة.

التجمّد: يتجمد الشمع المتقطر من شمعة مضاءة بسرعة. وذلك لأن الجسيمات، التي تسارعت وسالت بحرارة اللهب، تتناقص سرعتها مجددا عند زوال الحرارة فتتراص فيما بينها. وعندما تقلّ سرعتها بقدر كاف، تثبت في مواقعها وتجمّد.

حالات الماء: الماء فريد في كثرة تواجده بالحالات الثلاث للمادّة في حياتنا اليومية. فهو في حالة الجمود ثلج أو جليد، وفي حال السيولة ماء، وفي الحالة الغازية بخار. وخصائص الماء في حالاته الثلاث هذه، مهمّة لكلّ شيء على الأرض، فالنباتات والحيوانات، مثلا، تحتاج الماء باستمرار من أجل بقائها.

دورة الماء في الطبيعة: الماء (السائل) يتبخر، والثلج (الجامد) يتصعد، في الهواء. وبخار الماء يتكثف إلى قطيرات مكونا السحب في الجوّ، ثم تسقط القطيرات عائدة إلى الأرض مطرا أو ثلجا - في دورة متوالية دون انقطاع بالغة الأهمية لكل شيء على الأرض.

القدرة البخارية: يتحول الماء عند الغليان إلى بخار، فيشغل حيزا أكبر من حجم السائل الذي تولد منه. ولما كان بخار الماء الساخن يزخر بالطاقة فإنه يستخدم في تدوير المحركات الحرارية كالتربينات البخارية. يندفع بخار الماء عبر أرياض التربينات على درجة حرارة وضغط عاليين جدا، فيدير دواليبها. 

التغيرات بالضغط: يمكن بالضغط تحويل المادّة من حالة إلى أخرى. فالتزلج على الجليد ممكن لأنّ المزلجتين تنزلقان على الجليد فوق طبقة رقيقة من الماء. إن ثقل المتزلج المركز على شفرة المزلجة يحدث ضغطا عاليا جدا تحتها. وهذا الضغط يسيّل الجليد حال مرور (شفرة) المزلجة فوقه.

الجليد المتمدّد: لعلك لاحظت (أو سمعت عن) تفجر أنابيب الماء في طقس شديد البرودة. والسبب في ذلك أن الماء داخل الأنابيب يتمدد خلال عملية التجمد فيفجرها.

خصائص المادّة:

يُصنع الكثير من أواني الطبخ كالغلايات ذوات المقابض من الفولاذ واللدائن - الجسم من الفولاذ والمقبض لدائني. - والسبب البسيط هو أن الفولاذ موصّل جيد للحرارة، فسمح بانتقالها إلى الماء كي يغلي أو إلى الطعام كي ينضج. أما اللدائن الجيدة العزل، فتمنع وصول الحرارة إلى أيدينا. فالعزل الجيد أو الموصلية الجيدة مثل على خاصة معينة من خصائص المادّة. بعض هذه الخصائص، كالموصلية، يمكننا قياسه، أما بعضها الآخر، كالرائحة مثلا، فبمقدورنا وصفه فقط. يقيس العلماء خصائص العديد من المواد المختلفة على درجة الحرارة والضغط العاديين كي يستطيعوا المقارنة فيما بينها بدقة.

إدراك المادّة بالحسّ: الناس في حياتهم اليومية لا يصفون الأشياء بالطريقة نفسها كما يفعل العلماء. فنحن في الغالب نعتمد على حواسنا أكثر من اعتمادنا على القياس بالأجهزة. لكن حواس البشر ليست متوافقة ولا منسجمة، كما إنها تعجز عن قياس شدة الرائحة المنبعثة من شيء، كما عن تحديد نوع مذاقه بدقة. وقد يدرك بعض الناس الأشياء بحسهم بشكل مختلف تماما عن إدراك بعضهم الآخر لها.

الكثافة: للحجم نفسه من مواد مختلفة كتل مختلفة، تبعا لكثافتها. وكثافة جسم ما، هي كتلة الصنتيمتر المكعب منه بالغرامات. أحيانا تعطى كثافات الجوامد والسوائل والغازات ككثافات منسوبة إلى الماء (أي كثافات نسبية).

الوزن والكتلة والحجم: يمكنك قياس كميّة الشيء بطريقتين: إمّا بواسطة حجمه أو بواسطة كتلته. فنحن مثلا، نشتري البنزين بالحجم (بالمتر أو بالغالون) - أي بكميّة الحيز الذي يشغله -. ولكننّا نشتري البطاطا بالكتلة (بالكيلوغرام أو بالرطل) - أي بكميّة المادّة في كيس البطاطا -. إنّ حجم الشيء يمكن تغييره بالضغط أو بالحرارة، لكن كتلته تبقى ثابتة دون تغيير، أمّا وزن الجسم فهو مقدار القوّة التي تشدّه بها جاذبية الأرض، ويتوقّف مقدار هذه القوّة على كتلة الجسم.

المقاومة (المتانية): معظم الفلزات متينة ضد الشدّ لذا تستخدم في بناء الإنشاءات الضخمة، كالجسر مثلا. فمديده يعلّق بكبلات فولاذية متينة تصمد أمام ثقل الجسر وما يعبر فوقه. وتصنع الأعمدة التي تدعمه من الخرسانة المسلحة التي تصمد بقوتها ومقاومتها أمام كافة قوى الهصر المؤثرة على الجسر.

اللدونة: إذا كبست بعض المواد، كالبلاستيسين (الطين اللدائني) أو المعجونة، يتغير شكلها ويبقى على تغيره، لذا تدعى هذه المواد بالمواد اللدينة. هنالك أنواع مختلفة من اللدانة كالطروفية (قابلية التطريق) والمطيلية (قابلية المطل). فالفلز طروق إذا استطعنا تطريقه صفائح رقيقة دون تكسر، ومطول (أو مطيل) إذا استطعنا سحبه أسلاكا دقيقة دون تقطع.

توصيل الحرارة: الفلزات موصلات جيدة للحرارة بسبب بنيتها الذرية. أما بعض المواد الأخرى، كاللدائن والخشب، فموصليتها الحرارية ضئيلة جدا أو معدومة، لذا فهي عازلات جيدة تصلح لتغليف الموصلات الحرارية. وللسبب نفسه تصنع مقابض الأواني المطبخية، كالغلايات والقدور، من اللدائن.

المرونة: للمطاط خاصية لافتة، فهو يمتط بالشط وينكمش عائدا إلى حجمه الأصلي عند زوال القوة المؤثرة. هذه الخاصية تدعى المرونة. إن معظم المواد، حتى الفلزات مرنة، ولمرونة بعض المواد حد، يدعى حد المرونة، لا تستعيد المادّة شكلها وحجمها الأصليين إذا ما تخطته.

توصيل الكهرباء: تسري الكهرباء عبر الفلزات بسرعة، لذا فهي موصلات جيدة للكهرباء، والسبب في ذلك عائد إلى وجود إلكترونات طليقة الحركة على ذرّات الفلزات. أما اللدائن والزجاج والخشب ومعظم الجوامد الأخرى، عدا الكربون، فهي موصلات رديئة، أو عازلة، للكهرباء، ولذا تستخدم اللدائن لتغليف الموصلات الكهربائية كأسلاك الكبول.

القصافة: المطاط مرن في درجات الحرارة العادية. أما هذا البالون الذي جرى غمسه في النتروجين السائل (على درجة حرارة – 196° س) فقد أصبح قصفا يتفتت قطعا عند طرقه بمطرقة. بعض المواد، كالزجاج، قصف على درجات الحرارة العادية، وبعضها الآخر، كالطين، لدن عادة، لكن يصبح قصفا بعد الشيِّ في أتّون أو فرن.

الذوبانية: كثير من المواد سواء كانت في حالتها الصلبة أو السائلة أو الغازية تذوب في الماء، أو في سوائل أخرى. لتكوّن محاليل، فنقول إنّها ذؤوبة أو ذوابة، فالسكر يذوب في الشاي، والملح يذوب في الماء. المادّة التي تذوب تسمى المذاب، والسائل الذي تذوب فيه يدعى المذيب. والماء غالبا ما يدعى المذيب العام لأن مواد كثيرة جدا تذوب فيه. وخاصية الماء هذه، أساسية للحياة، لأنّ الماء يطوف حاملا المواد المذابة في دم الحيوان كما في نسغ النبات. والحيوانات التي تعيش في الماء تحصل على الأكسجين اللازم لعيشها من المذاب منه في الماء.

نقطتا (أو درجتا) الانصهار والغليان: كل مادّة نقية لها نقطتا انصهار وغليان ثابتتان على الضغط الجوي العادي. أما إذا كانت المادّة مشوبة، فإنّ نقطتي الانصهار والغليان تتغيران. فالملح على الجليد يخفض نقطة انصهاره فيتحول الجليد إلى ماء. وما لم يشتدّ الطقس بردا فلن يعود الماء الصهير إلى التجمد.