تركيب المادة
الدرس 1: تركيب المادة
في هذا الدرس
الأهداف
- تصف خصائص المادة.
- تعرف مكونات المادة.
- تتعرف مكونات الذرة.
- تقارن بين النماذج الذرية المختلفة.
الأهمية
تكون المادة جميع الأشياء التي تراها، وأشياء أخرى كثيرة لا تراها.
مراجعة المفردات
الكثافة: كتلة وحدة الحجوم من المادة.
المفردات الجديدة
- الذرة.
- قانون حفظ المادة.
- الإلكترون.
- النواة.
- البروتون.
- النيوترون.
ما المادة؟
كثيرًا ما نصف الكأس التي ليس فيها أي سائل بأنها فارغة، ترى هل هي فارغة بالفعل؟
في الحقيقة، الكأس مملوءة بالهواء وليست فارغة، والأوعية التي تقول عنها فارغة هي مملوءة بالهواء؛ فهذا الهواء أحد أنواع المواد.
وعندما نتحدث عن غاز النيتروجين والأكسجين، فهي مواد.
والمادة كما عرفت هي أي شيء له كتلة ويشغل حيزًا.
فالهواء مادة، ورغم أنك لا تستطيع رؤيته أو إمساكه بيدك، إذاً، فماذا عن الأشياء التي يمكن أن تراها، وتتذوقها، وتشتمها، وتلمسها؟
معظمها مواد أيضًا.
انظر إلى الأشياء الموجودة في الشكل 1، وحدد أيها يعد مادة.
هل الضوء له كتلة أو يشغل حيزًا؟
هل حرارة الشمس أو الحرارة الناتجة عن السخانات تعد مادة؟
الجواب: لا، الضوء لا يشغل حيزًا وليس له كتلة، إذن فهما لا يعدان من المواد.
كذلك الإحساس، والأفكار ليست مواد.
ماذا قرأت؟
لماذا يعد الهواء مادة، ولا يعد الضوء كذلك؟
الشكل 1
قوس المطر ينتج عندما يمر الضوء خلال قطرات المطر، والنبات ينمو من بذرة في التربة، والإناء مصنوع من النحاس ومحفور عليه الكلمات والنقوش.
حدد: أي هذه الأشياء مواد؟
ما مكونات المادة؟
افترض أنك كسرت قطعة كبيرة من الخشب إلى أجزاء صغيرة، فهل هذه الأجزاء تتكون من المادة نفسها التي تتكون منها قطعة الخشب الكبيرة؟
استمر في تقطيع الخشب إلى أجزاء أصغر فأصغر.
هل تبقى القطع الصغيرة تحمل صفات القطعة الخشبية الكبيرة نفسها؟
إذا وصلت إلى أصغر قطعة خشبية ممكنة، فهل ستبقى القطعة الخشبية الكبيرة؟
هل هناك حد للوصول إلى أصغر قطعة؟
عبر القرون، سأل الناس أسئلة مشابهة لهذه الأسئلة حول حقيقة المادة.
أفكار قديمة
اعتقد ديمقريطس، وهو فيلسوف يوناني عاش حوالي عام 460 إلى 370 قبل الميلاد، أن الكون يتألف من فراغ ومن جسيمات صغيرة جدًا من المادة.
واعتقد أن هذه القطع صغيرة إلى درجة أنه لا يمكن تقسيمها إلى أجزاء أصغر.
وقد سمى هذه الأجزاء الصغيرة ذرات، بمعنى الشيء الذي لا يتجزأ.
وحاليًا تعرف الذرة على أنها أصغر جزء من المادة، وتتكون من:
- البروتونات.
- النيوترونات.
- الإلكترونات.
مساهمة لافوازييه
اهتم الكيميائي الفرنسي لافوازييه بدراسة المادة، وخصوصًا تغيراتها.
وكان الناس قبله يعتقدون أن المادة تختفي أو تظهر ببساطة في التغيرات.
وأوضح لافوازييه أن كتلة الخشب والأكسجين الذي يتفاعل معها عند الاحتراق تساوي كتلة الرماد والماء وثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى التي تنتج عن الاحتراق.
كما في الشكل 2.
وكذلك فإن كتلة قطعة الحديد والأكسجين والماء تساوي كتلة الصدأ الذي ينتج عن حدوث التفاعل.
وبناءً على تجارب لافوازييه ظهر قانون حفظ المادة، الذي ينص على أن المادة لا تفنى ولا تستحدث إلا بقدرة الله تعالى، وإنما تتحول من شكل إلى آخر.
الشكل 2
عندما يحترق الخشب فإن مادته لا تفنى، والكتلة الكلية للخشب والأكسجين تساوي الكتلة الكلية لكل من الرماد وبخار الماء وثاني أكسيد الكربون والغازات الأخرى الناتجة عن الاشتعال.
استنتج
ما مصدر الأكسجين اللازم لاحتراق الخشب في المدفأة؟
الربط مع التاريخ: النموذج الذري
طور كل من العالم ليوسيوس وتلميذه ديمقريطس فكرة الذرة حوالي عام 440 قبل الميلاد.
وكان اعتقادهما حول الذرة يرتكز على خمس نقاط، هي:
- تتكون كل المواد من ذرات.
- يوجد بين الذرات فراغ.
- الذرات صلبة.
- ليس للذرات بنية داخلية.
- تختلف الذرات بعضها عن بعض من حيث الحجم، والشكل، والوزن.
النماذج الذرية
نموذج دالتون الذري
درس العالم الكيميائي جون دالتون حوالي عام 1800م تجارب لافوازييه، وقد أكد دالتون في تصميم نموذج ذري لشرح نتائج تلك التجارب.
نموذج دالتون الذري هو مجموعة من الأفكار وليس نموذجًا ماديًا.
إذ اعتقد دالتون أن المادة تتكون من ذرات صغيرة جدًا لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة.
واعتقد أيضًا أن كل نوع من المادة يتكون فقط من نوع واحد من الذرات.
فذرات الذهب مثلًا تتكون منها جميع قطع الذهب، وهي التي تعطي الذهب مظهره اللامع وخواصه الفريدة.
وكذلك قضبان الحديد تتكون من ذرات الحديد، وهذه الذرات تعطي الحديد خصائص فريدة.
وقد اعتمد نموذج دالتون في ذلك الوقت بوصفه نظرية ذرية للمادة.
نموذج طومسون
تمكن العالم طومسون عن طريق التجربة أن يثبت وجود جسيمات مشحونة بشحنة سالبة في الذرة، وأطلق على هذه الجسيمات اسم إلكترونات.
استنتج أن الذرة مكونة من سحابة موجبة الشحنة، وأن شحنته المتعادلة تقتضي وجود شحنات موجبة.
وضع طومسون نموذجًا للذرة كما في الشكل 3، حيث اقترح أن الذرة تتكون من كرة متجانسة موجبة الشحنة تتوزع فيها إلكترونات سالبة الشحنة.
الشكل 3
يبين نموذج طومسون أن الذرة كرة موجبة الشحنة تتوزع فيها إلكترونات سالبة.
وضح
كيف توصل طومسون إلى معرفة أن الذرة تتكون من شحنات موجبة وشحنات سالبة؟
تجربة: البحث عن شيء غير مرئي
الخطوات
- سوف يعطيك معلمك صندوقًا يحتوي شيئًا أو بعض الأشياء.
- حاول أن تحدد عدد الأشياء الموجودة داخل الصندوق وتعرف أنواعها، دون النظر في داخله.
التحليل
- ما عدد الأشياء التي استنتجتها مما في الصندوق، وما هي؟ صمم داخل الصندوق؟ حاول أن ترسم شكلها وتحددها.
- قارن بين ما قمت به وما يقوم به العلماء من تجارب ويعملونه من نماذج لمعرفة المزيد عن الذرة.
نموذج رذرفورد
توصل رذرفورد بعد ذلك من خلال تجربته إلى أن الذرة المشحونة والموجبة في معظم حجم الذرة فراغ، وأنها تتكون من نواة غاية في الصغر تحتوي بداخلها جسيمات موجبة الشحنة أطلق عليها اسم بروتونات.
كما اقترح أن الإلكترونات تنتشر في الفراغ المحيط بالنواة.
ثم قام عالم آخر، شادويك، بتجارب علمية كان من نتائجها اكتشاف جسيم داخل النواة متعادل الشحنة، غير مشحون، أطلق عليه اسم النيوترون.
الشكل 4
استنتج رذرفورد أن معظم حجم الذرة فراغ، وأن الإلكترونات تتحرك بسرعة حول مستويات عشوائية حول النواة.
وقد اعتقد أن الجسم عند مركز الذرة والنواة يجب أن يكون صغيرًا وموجبًا.
حدد: أين يمكن أن تتركز كتلة الذرة؟
الربط مع المهن: الفيزيائيون والكيميائيون
يدرس علماء الفيزياء عادة فيزياء الذرة، التي تتضمن مكونات الذرة الداخلية، ومنها:
- البروتونات.
- النيوترونات.
- القوى التي تحافظ على تماسكها.
- تغير مواقعها.
- خصائص الجسم الأصغر، مثل درجة الانصهار وغيرها.
أما علماء الكيمياء فيدرسون كيمياء الذرة، أي العلاقة بين العناصر المختلفة، وكيف تتفاعل معًا لإنتاج مواد جديدة، كما فيها المواد الدوائية والصيدلانية.
تطور النموذج الذري
نموذج بور
في بداية القرن العشرين، قدم العالم بور الدليل على أن الإلكترونات تدور حول نواة الذرة في مستويات طاقة مختلفة.
فمستوى الطاقة الأول القريب من النواة يتسع لإلكترونين، ومستويات الطاقة الأعلى أكبر بعدًا عن النواة وتتسع لإلكترونات أكثر.
ولتوضيح مستويات الطاقة هذه، اعتقد بعض العلماء أن الإلكترونات تدور حول النواة في مدارات تبعد عن النواة مسافات محددة، كما في الشكل 5.
وهذا يشبه دورات الكواكب حول الشمس.
الشكل 5
في الذرة الإلكترونات ومستويات الطاقة حسب نموذج بور الذري.
النموذج الذري الحديث
نتيجة الأبحاث المستمرة، توصل العلماء إلى أن للإلكترونات خصائص موجية وخصائص مادية، وأن مستويات الطاقة غير محددة.
وأن الإلكترونات توجد حول النواة على شكل سحابة إلكترونية، كما في الشكل 6.
الشكل 6
في نموذج الذرة يظهر أن الإلكترونات تتحرك حول النواة التي تتكون من بروتونات ونيوترونات على شكل سحابة إلكترونية.
واللون الغامق من السحابة يمثل المنطقة التي يزيد احتمال وجود الإلكترون فيها.
استنتج
علام تدل كثافة اللون بالقرب من النواة؟
مراجعة الدرس
الخلاصة
ما المادة؟
- المادة جزيئات تتألف من ذرات لها كتلة وتشغل حيزًا.
- تتكون المادة من الذرات.
النماذج الذرية
- كان ديمقريطس أول من قدم فكرة الذرة.
- بين لافوازييه أن المادة لا تستحدث ولا تفنى، وإنما تتغير من حالة إلى أخرى.
- كانت أفكار دالتون من النماذج الذرية للمادة.
- اكتشف طومسون الإلكترون.
- اكتشف رذرفورد البروتونات الموجودة في النواة.
تطور النموذج الذري
- اقترح بور أن الإلكترونات تدور في مستويات طاقة مختلفة.
- اليوم، يرى علماء الفيزياء والكيمياء أن الإلكترونات توجد حول النواة على شكل سحابة إلكترونية.
اختبر نفسك
- اذكر خمسة أمثلة على المادة، وخمسة أمثلة على أشياء ليست مادة. وضح إجابتك.
- صف أهم مكونات الذرة.
- فسر لماذا كان اختيار كلمة «ذرة» مناسبًا لفكرة ديمقريطس.
- اشرح قانون حفظ المادة.
- التفكير الناقد: كيف يختلف نموذج السحابة الإلكترونية عن نموذج بور للذرة؟
تطبيق المهارات
- صنف العلماء الذين وردت أسماؤهم في هذا الدرس حسب مساهماتهم العلمية، وفسر لماذا وضعت كلًا منهم في مجموعته.
- قوم البيانات والنتائج: راجع نقاط الضعف والقوة في نظرية طومسون، وحللها وانتقدها مستعينًا بنموذج رذرفورد.
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.