المواد السائلة والمواد الصلبة
6-3
المواد السائلة والمواد الصلبة
Liquids and Solids
الأهداف
- تقارن بين ترتيب الجسيمات في كل من المواد الصلبة والسائلة.
- تصف العوامل التي تؤثر في اللزوجة.
- تفسر العلاقة بين وحدة البناء والشبكة البلورية.
مراجعة المفردات
الشكل الهلالي: سطح السائل المنحني، مقعر أو محدب.
المفردات الجديدة
- اللزوجة.
- التوتر السطحي.
- عوامل خافضة للتوتر السطحي.
- وحدة البناء.
- التأصل.
- المواد الصلبة المتبلورة.
- المواد الصلبة غير المتبلورة.
الفكرة الرئيسية
لجسيمات المواد الصلبة والسائلة قدرة محدودة على الحركة، كما يصعب ضغطها بسهولة.
الربط مع الحياة
هل فكرت يومًا لماذا يكون سكب القطر، مركز محلول السكر Syrup المحفوظ في الثلاجة، صعبًا مقارنة بسكب القطر المحفوظ خارجها؟ لعلك تعلم أن تسخين القطر يجعل سكبه سهلًا، ولكن لماذا تساعد زيادة درجة الحرارة على ذلك؟
السوائل
Liquids
على الرغم من أن نظرية الحركة الجزيئية قد طُورت لتفسير سلوك الغازات، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضًا على السوائل والمواد الصلبة، آخذين في عين الاعتبار قوى الترابط بين جسيماتها، إضافة إلى الطاقة الحركية لجسيماتها.
تعلم مما درست سابقًا أن السوائل تأخذ شكل الوعاء الذي توجد فيه، ولكنها تحتفظ بحجمها ثابتًا، أي أن جسيماتها تنساب لتتكيف مع شكل الوعاء، ولكن السوائل لا تتمدد لتملأ الوعاء تمامًا، كما هو موضح في الشكل 6-12.
وبالرجوع إلى نظرية الحركة الجزيئية، تتحرك جسيمات السائل، إلا أنها لا تبقى في مكان محدد؛ حيث توجد قوى التجاذب بين جسيمات السائل من مدى حركة جزيئية. فجسيمات السائل متقاربة، ويوجد بينها مسافات تسمح بانزلاقها فوق بعضها البعض.
الكثافة والضغط
تكون السوائل أكثر كثافة من الغازات عند درجة حرارة 25°C وضغط جوي 1 atm. وتكون كثافة السوائل أكبر كثيرًا من أبخرتها عند الظروف الجوية نفسها.
فكثافة الماء السائل مثلًا أكثر 1250 مرة تقريبًا من كثافة بخاره عند درجة حرارة 25°C وضغط جوي 1 atm.
ونظرًا إلى وجود جسيمات حرة أو ضغطها، فإن لكل من جسيمات الغاز والسائل متوسط الطاقة الحركية نفسه. ويعود الارتفاع في كثافة السوائل إلى القوى بين الجزيئية التي تربط الجسيمات معًا.
وتختلف السوائل عن الغازات في أنها تعد غير قابلة للضغط في كثير من التطبيقات، والتغير في حجمها صغير جدًا؛ لأن جسيمات السائل متراصة بإحكام، ويتطلب الأمر ممارسة ضغط عالٍ لتقليل حجمه مقدارًا صغيرًا جدًا.
الشكل 6-12
الصورة التابعة: صفحة233_الشكل_6_12_تساوي_مستوى_السائل_في_الأواني_المتصلة.png
تنساب السوائل لتأخذ شكل الوعاء الذي توجد فيه، ولكنها لا تتمدد كالغازات لتملأ الوعاء.
استنتج
سبب وجود السائل عند المستوى نفسه في كل من الأنابيب المتصلة معًا.
الميوعة
تصف الميوعة قدرة المادة على الانسياب والانتشار. وبسبب تقارب جسيمات السوائل، فإن السوائل تنساب عادة أبطأ من انتشار الغازات عند درجة الحرارة نفسها.
يوضح الشكل 6-13 أن السوائل والغازات قادرة على الانتشار والانسياب بعضها عبر بعض، ولكن انتشار الغازات يكون أسرع من انسياب السوائل.
وتنساب السوائل عادة أبطأ من انتشار الغازات عند درجة الحرارة نفسها، وذلك نتيجة تدخل قوى بين الجزيئات في عملية الانسياب، ولهذا تكون السوائل أقل ميوعة من الغازات.
ويمكنك توضيح هذا الفرق بالمقارنة بين الماء والغاز الطبيعي؛ فعند وجود تسرب في أنبوب ماء في الطابق السفلي في منزل مثلًا يبقى الماء في الطابق نفسه. فعندها لا يمكن كمية الماء التسرب أن تتدفق جميع الطوابق العليا إلى أسفل كاملة.
ولو أن الغاز الطبيعي تسرب في الطابق السفلي مثلًا فإن تأثير وجوده على الطابق السفلي فقط، وإنما ينتشر في كل أرجاء المنزل. ولأن الغاز الطبيعي بلا رائحة فإن الشركات تضيف إليه رائحة مميزة لكي تحذر الناس، وتمكنهم من معرفة مكان تسرب الغاز، فيتمكن سكان المنزل من إغلاق مصدر الغاز المتسرب، وفتح النوافذ للسماح للغاز بالانتشار، والاتصال بشركة الغاز لإصلاح مكان التسرب.
الشكل 6-13
الصورة التابعة: صفحة234_الشكل_6_13_مقارنة_انتشار_الغازات_وانسياب_السوائل.png
الغازات والسوائل المقدرة على الانتشار والانسياب بعضها في بعض، ولكن الغازات تنساب بحرية أكبر من السوائل عبر الآخر.
اللزوجة
اللزوجة هي خاصية فيزيائية تقيس مقاومة السائل للتدفق والانسياب؛ حيث تكون جسيمات السائل قريبة بعضها من بعض، حتى إن قوى التجاذب بينها تبطئ من حركتها عندما يتجاوز بعضها بعضًا.
ويمكن تحديد لزوجة السائل من خلال نوع القوى بين الجزيئات وحجم الجسيمات وشكلها، إضافة إلى درجة الحرارة.
كيف تعرف أن العسل سائل لزج؟ اكتشف العلماء عام 1937م ما يعرف بالميوعة الفائقة، حيث وُجد أن بعض السوائل، ومنها الهيليوم، لا درجة غليان له قريب من -270.998°C، ووجدوا أن خصائصه قد تغيرت، إذ فقد السائل الهيليوم لزوجته، أي مقاومته للانسياب.
الشكل 6-14
دراسة حالات المادة
الصورة التابعة: صفحة234_الشكل_6_14_دراسة_حالات_المادة_خط_زمني.png
لقد أدت الاكتشافات العلمية إلى فهم أكبر عن حالات المادة.
أحداث الخط الزمني الظاهرة في الصفحة
| التاريخ | الحدث |
| ---------------- | --------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 460 قبل الميلاد | وضع الفلاسفة الإغريق نظرية تنص على أن المواد تتكون من أربعة عناصر هي: النار والهواء والماء والتراب. |
| 400 قبل الميلاد | طور إمبيدوكليس النظرية القائمة على أن المواد كلها تتكون من أجزاء صغيرة لا تتجزأ تسمى ذرات. |
| 360 قبل الميلاد | رفض الفيلسوف أرسطو نظرية ديموقريطس، وادعى أن المادة تتكون من نار وهواء وماء وتراب. |
| 1643 بعد الميلاد | برهن اختراع البارومتر على وجود وزن للهواء. |
| 1734 بعد الميلاد | اقترح دانيال برنولي أن ضغط الغاز ناتج عن تصادم جسيمات الغاز بجدران الوعاء المحيط داخله. |
أي مقاومة للانسياب. ويوضح الشكل 6-14 اكتشاف مفهوم الميوعة الفائقة، وغيرها من أخرى عبر من التاريخ.
قوى التجاذب
كلما كانت القوى بين الجزيئات في السوائل كبيرة زادت درجة لزوجتها. فمثلًا تعد مادة الجليسرول التي تستخدم في المختبر في تشحيم الأدوات سائلًا لزجًا.
ويوضح الشكل 6-15 الصيغ البنائية للرابطة الهيدروجينية التي تجعل الجليسرول مادة لزجة جدًا؛ حيث تستطيع ذرات الهيدروجين المرتبطة مع ذرات الأكسجين في كل جزيء جليسرول تكوين روابط هيدروجينية مع جزيء جليسرول آخر.
ويوضح أيضًا القطع الجزئي في الشكل 6-15 أماكن تشكيل الروابط الهيدروجينية بين الجليسرول.
الشكل 6-15
الصورة التابعة: صفحة235_الشكل_6_15_الروابط_الهيدروجينية_بين_جزيئات_الجليسرول.png
يوضح الشكل جزيئين من الجليسرول والرابطة الهيدروجينية بينهما.
سؤال الشكل
حدد عدد الروابط الهيدروجينية التي يمكن لجزيء من الجليسرول تكوينها مع جزيء آخر.
حجم الجسيمات وشكلها
يؤثر حجم جسيمات المادة وشكلها في لزوجتها. تذكر أن كتل الجسيمات وسرعتها الحركية لها متوسط الطاقة الحركية نفسها.
إلا أن قوى التجاذب بين جسيمات السائل A مساوية لقوى التجاذب بين جسيمات السائل B، وإذا كانت كتلة جسيمات السائل A أكبر من كتلة جسيمات السائل B، فيكون السائل A أكثر لزوجة من السائل B؛ لذا فإن حركة الجسيمات في السائل A تكون على الأرجح أبطأ من حركة جسيمات السائل B.
وتكون لزوجة الجسيمات ذات السلاسل الطويلة، مثل البوليمرات المستخدمة في الطبخ أو زيوت المحركات، أكبر من لزوجة الجسيمات ذات السلاسل القصيرة، على افتراض أن الجسيمات تبذل النوع نفسه من قوى التجاذب.
ففي السلاسل الطويلة تكون المسافات بين ذرات الجسيمات المتجاورة قصيرة جدًا، بينما تكون فرصة حدوث تجاذب بين الذرات أكبر.
الشكل 6-14
دراسة حالات المادة، استكمال الخط الزمني
الصورة التابعة: صفحة235_الشكل_6_14_دراسة_حالات_المادة_استكمال_الخط_الزمني.png
| التاريخ | الحدث |
| ------- | ---------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 1808 | اقترح جون دالتون أن المادة تتكون من جسيمات صغيرة. |
| 1927 | اخترع مصطلح البلازما أول مرة لوصف المادة الرابعة، وهي موجودة في البرق. |
| 1935 | افترض أينشتاين حالة خاصة للمادة ذات طاقة قليلة عرفت بمكثف بوز-أينشتاين. |
| 1937 | اكتشف العلماء الميوعة الفائقة، وهي موائع عند خصائصها لا تشاهد في المادة العادية. |
| 2003 | نجحت العالمة ديبورا جن في عمل أول مكثف فرميوني Fermionic condensate، وهي حالة سادسة من المادة. |
درجة الحرارة
تخفض اللزوجة عند ارتفاع درجة الحرارة، مثل تسخين زيت الطبخ في المقلاة؛ إلا عند تسخينه، حيث إن زيادة درجة الحرارة تزيد الطاقة الحركية لجسيمات المائع، وتساعد هذه الطاقة الجسيمات على التغلب على القوى بين الجزيئية التي تربط بعضها مع بعض وتمنعها من الانسياب.
ويعد زيت المحرك الذي يقلل من احتكاك الأجزاء المتحركة فيه مثالًا آخر على تأثير درجة الحرارة في اللزوجة. ولذلك استعمل الناس قديمًا مزيجًا مختلفًا من زيت المحرك في الصيف والشتاء؛ فهم يستخدمون زيوتًا ذات لزوجة عالية في الصيف حتى لا تنساب بسرعة، وتكون في الصيف أكثر لزوجة بسبب درجات الحرارة المرتفعة جدًا، أو في المسافات الطويلة.
أما في الوقت الحاضر فيتم إضافة مواد خاصة إلى زيت المحرك لتعديل لزوجته حتى يستخدم المزيج نفسه على مدار السنة. والجسيمات في المواد المضافة عبارة عن كرات مضغوطة ذات لزوجة منخفضة نسبيًا عند درجات الحرارة المنخفضة. أما عند ارتفاع درجة الحرارة فتتحول شكل جسيمات المواد المضافة إلى خيوط طويلة تتشابك مع جسيمات زيت المحرك؛ فتزيد لزوجته.
ماذا قرأت؟
استنتج لماذا يجب أن يبقى زيت المحرك لزجًا؟
التوتر السطحي
لا يتساوى تأثير القوى بين الجزيئات في جسيمات السائل جميعها، كما يوضح الشكل 6-16؛ فالجسيمات الموجودة وسط السائل تجذب إلى تلك الموجودة فوقها وأسفل منها وعلى جانبيها.
أما الجسيمات الموجودة على سطح السائل فلا توجد قوة تجاذب من أعلى توازن التي تجذبها أسفل منها؛ ولذلك تجذبها محصلة القوة النهائية إلى أسفل. فيحتل السطح أقل مساحة ممكنة، بحيث يبدو كأنه مشدود بإحكام مثل سطح الطبلة.
وزيادة مساحة السطح السائل لا بد للجسيمات أن تتحرك نحو السطح، وهذا يتطلب طاقة للتغلب على قوى التجاذب التي تربط الجسيمات بعضها ببعض في الداخل.
وتسمى الطاقة اللازمة لزيادة مساحة سطح السائل بمقدار معين التوتر السطحي. وهذه الظاهرة مقياس لمقدار قوة السحب إلى الداخل بواسطة الجسيمات الموجودة داخل السائل.
الشكل 6-16
الصورة التابعة: صفحة236_الشكل_6_16_التوتر_السطحي_وحركة_العنكبوت_على_سطح_الماء.png
تجذب جسيمات الماء الموجودة عند سطحه نحو الداخل حتى تتوازن قوى التجاذب والتنافر بينها.
تعمل أقوى بين الجزيئات تحت سطح الماء على إحداث التوتر السطحي.
تسمح ظاهرة التوتر السطحي للعنكبوت بالسير على سطح الماء.
وعمومًا، كلما زادت قوى التجاذب بين الجسيمات زاد التوتر السطحي. فالماء يقوم توتر سطحي عالٍ؛ بسبب قدرته على تكوين روابط هيدروجينية متعددة.
وتكون قطرات الماء التي تتشكل على سطح الورقة كروية الشكل؛ لأن مساحة سطح القطرة الكروية أصغر من مساحة سطح أي شكل آخر له الحجم نفسه.
والتوتر السطحي الكبير للماء، كما هو موضح في الشكل 6-16، هو الذي يساعد العنكبوت على السير والوقوف على سطح ماء البركة.
وهذه القوى التي تمكن العنكبوت من المكوث على سطح ماء البركة دون أن يغوص هي نفسها التي تجعل انتزاع الأوساخ عن الجلود والملابس باستخدام الماء وحده صعبة؛ لأن جسيمات الأوساخ لا تستطيع اختراق سطح قطرات الماء. فالماء وحده لا يمكنه انتزاع الأوساخ.
ولكن عند استخدام المنظفات والصابون مع الماء يقل التوتر السطحي للماء؛ فيمكنه اختراق الروابط الهيدروجينية بين جسيمات الماء، وعندما ينتشر الماء ويحمل الأوساخ بعيدًا. وتسمى المركبات التي تعمل على خفض التوتر السطحي للماء عوامل خافضة للتوتر السطحي.
التماسك والتلاصق
يمكنك أن تلاحظ أن سطح الماء يكون مقعرًا مستويًا عند وضعه في أوعية ضيقة، كالأنابيب الزجاجية. انظر إلى الشكل 6-17؛ حيث يكون السطح على شكل هلال مقعر يتخصص في منطقة الوسط.
ويوضح الشكل 6-17 مفهومي التماسك والتلاصق، فهناك نوعان مهمان من القوى، هما: التماسك والتلاصق.
قوى التماسك هي قوة الترابط بين الجسيمات المتشابهة. أما التلاصق فهو قوة الترابط بين الجسيمات المختلفة.
ولأن قوى التلاصق بين جسيمات الماء وثاني أكسيد السيليكون في الزجاج أكبر من قوى التماسك بين جسيمات الماء، فإن الماء يرتفع أعلى في الجدران الداخلية للأنابيب الأسطوانية الضيقة الشعرية، ثم يتوجه المائل المرفوع أعلى في الأنبوب إلى الأسفل.
وإذا كان قطر الأنابيب الشعرية صغيرًا، فإن قوى التلاصق تكفي لرفع الماء داخل هذه الأنابيب، وتسمى هذه الخاصية الشعرية.
مفردات
الاستخدامات العلمية والشائعة
الصورة التابعة: صفحة237_مفردات_استخدامات_القوة_العلمية_والشائعة.png
القوة
الاستخدام العلمي: الدفع أو السحب المؤثران في الجسم اتجاهًا ومقدارًا.
توجد قوة الجاذبية بين أي جسم ذي كتلة، وتتناسب القوة طرديًا مع حاصل ضرب كتلتيهما.
الاستخدام الشائع: مجموعة من الناس لديهم القدرة على العمل لتحقيق الطلبية. زادت شركة إرسال في العام الماضي.
الشكل 6-17
الصورة التابعة: صفحة237_الشكل_6_17_خاصيتا_التماسك_والتلاصق_في_الماء.png
الجسيمات الماء خاصيتا التماسك والتلاصق.
استنتج
لماذا يكون مستوى الماء مرتفعًا داخل الأنابيب الشعرية الدقيقة؟
تتجاذب جسيمات الماء بعضها مع بعض تماسك، وتتجاذب مع جسيمات ثاني أكسيد السيليكون في الزجاج تلاصق.
إن قوى التجاذب التي بين جسيمات الماء وثاني أكسيد السيليكون في الزجاج أكبر من قوى التماسك بين جسيمات الماء؛ لذلك تدفع نحو الأعلى، وذلك نتيجة قوى التلاصق.
المواد الصلبة
Solids
هل تساءلت يومًا عن سبب وجود المواد الصلبة بشكل وحجم محددين؟ حسب نظرية الحركة الجزيئية فإن لكل واحد من جسيمات المادة الصلبة كمية الطاقة الحركية نفسها، الموجودة في مول واحد من المادة السائلة أو الغازية عند درجة الحرارة نفسها.
وحسب التعريف فإن جسيمات المادة الصلبة يجب أن تكون في حركة ثابتة. ولكي تبقى المادة في الحالة الصلبة عند درجة حرارة معينة لا بد من وجود قوى تجاذب قوية بين جسيماتها، بحيث تكون قادرة على تقييد حركة هذه الجسيمات لتجعلها تهتز إلى الأمام والخلف، مع الاحتفاظ بشكلها الثابت.
وهذا يمكن القول إن هناك نقاطًا في حالة المادة أكثر أهمية في حالة السيولة من ناحية حركة الجسيمات؛ وبسبب هذا النظام لا تتغير المادة الصلبة غالبًا من إمكانية تصنيف السوائل والغازات على أنها مائعة.
كثافة المواد الصلبة
تكون جسيمات المادة الصلبة عمومًا بعضها قريب من بعض أكثر مما هي عليه في المادة السائلة. ولهذا تكون معظم المواد الصلبة أكثر كثافة من معظم السوائل.
وعند وجود مادة في الحالة الصلبة والحالة السائلة في الوقت نفسه فإن المادة الصلبة عادة ما تغرق في السائل؛ فالمكعبات الصلبة من البنزين تغرق في البنزين السائل، وذلك لأن البنزين الصلب أكثر كثافة من البنزين السائل.
وهناك حالة واحدة معروفة من الماء؛ فعند 0°C تكون كثافة الماء السائل أعلى من كثافة الثلج. ولأن جسيمات المواد الصلبة متقاربة ومتراصة فإن مقدارًا عاليًا من الضغط لن يحدث تغيرًا في حجمها.
ولا يمكنك توقع نسبة كثافة الثلج الصلب إلى الماء السائل معتمدًا على ما ورد في حالة البنزين؛ فمكعبات الثلج والجبال الجليدية تطفو فوق الماء؛ لأن كثافة الماء في الحالة الصلبة أقل من كثافته في الحالة السائلة.
ويوضح الشكل 6-18 السبب في هذه الحالة الاستثنائية. لما في متعدد ما يعجب له أن جزيء ماء واحد يمكن أن يرتبط مع أربعة جزيئات ماء بروابط هيدروجينية مع جزيئات متجاورة. وبالنتيجة فإن جسيمات الماء في الثلج أقل تقاربًا من بعضها مما في الماء السائل.
الشكل 6-18
الصورة التابعة: صفحة238_الشكل_6_18_طفو_جبل_الجليد_فوق_الماء.png
يطلق جبل الجليد فوق الماء؛ بسبب تكوين أربع روابط هيدروجينية مع أربع جسيمات متجاورة، ونتيجة هذا تكون جسيمات الماء في الثلج أقل تقاربًا من بعضها مما في الماء السائل.
ماذا قرأت؟
صف وحاول أن تصف بكلماتك سبب طفو الثلج فوق الماء.
مهن في الكيمياء
خبير المعادن
الصورة التابعة: صفحة238_مهن_في_الكيمياء_خبير_المعادن.png
خبير المعادن: خبراء المعادن مهندسون كيميائيون يحللون تصنيع المعادن، بدءًا من استخراجها والتنقيب عنها وتشكيلها على هيئتها النهائية.
ويحلل خبير المعادن في كل مرحلة من فهم الخواص الفيزيائية والكيميائية للمعادن.
المواد الصلبة البلورية
على الرغم من أن كثافة الثلج حالة غير عادية، إلا أن جسيمات الثلج متراصة كما في باقي المواد الصلبة بطريقة يسهل التنبؤ بها.
فالمادة الصلبة البلورية مادة ذراتها أو أيوناتها أو جزيئاتها مرتبة في شكل هندسي منتظم، ويمكن تمثيل مواقع الجسيمات في البلورة في صورة نقاط ضمن إطار يسمى الشبكة البلورية.
وهناك ثلاث طرائق تقريب من خلالها للجسيمات داخل الشبكة البلورية لتكوين مكعب، كما هو موضح في الشكل 6-19.
الشكل 6-19
الصورة التابعة: صفحة238_الشكل_6_19_طرائق_ترتيب_الجسيمات_في_الشبكة_البلورية.png
تبين هذه الرسوم ثلاث طرائق لترتيب الجسيمات في الشبكة البلورية، حيث تمثل كل كرة جسيمًا.
a. ترتيب الجسيمات عند زوايا المكعب فقط.
b. وجود جسيم في وسط المكعب.
c. وجود جسيم في وسط الأوجه الستة للمكعب.
ولكن لا وجود لأي جسيم وسط المكعب نفسه.
وحدة البناء
أصغر ترتيب للذرات في الشبكة البلورية يحمل التماثل نفسه، كما في البلورة ككل. وكل وحدة بناء أو خلية بناء هي نموذج مصغر من البناء الأكبر الكامل.
ويمكن النظر إلى وحدة البناء على أنها تحدد شكل البلورة كاملة.
ويوضح الجدول 6-4 سبعة تصنيفات للبلورات بناءً على الشكل. وتختلف أشكال البلورات بسبب أوجه أو سطوح وحدات البناء التي لا تلتقي دائمًا في زوايا قائمة. كما أن أطراف تلك السطوح مختلفة في الطول.
وقد استخدمت العلامات a, b, c في الجدول لبيان الأطراف، وقد استخدمت العلامات α, β, γ لبيان الزوايا التي تلتقي عندها السطوح معًا.
الجدول 6-4
وحدات البناء
الصورة التابعة: صفحة239_الجدول_6_4_وحدات_البناء_للبلورات.png
| النظام البلوري | العلاقات الهندسية |
| --------------- | ---------------------------------- |
| مكعب | a = b = c ، α = β = γ = 90° |
| رباعي الأوجه | a = b ≠ c ، α = β = γ = 90° |
| معيني | a ≠ b ≠ c ، α = β = γ = 90° |
| سداسي الأوجه | a = b ≠ c ، α = β = 90° ، γ = 120° |
| أحادي الميل | a ≠ b ≠ c ، α = γ = 90° ≠ β |
| ثلاثي الميل | a ≠ b ≠ c ، α ≠ β ≠ γ ≠ 90° |
| متوازي مستطيلات | a ≠ b ≠ c ، α = β = γ = 90° |
أمثلة ظاهرة في الجدول
- هالايت: مكعب.
- فيزوفانيت: رباعي الأوجه.
- أراجونيت: متوازي مستطيلات.
- تورمالين: سداسي الأوجه.
- زمرد: معيني.
- كروسيت: أحادي الميل.
- ميكروكلين: ثلاثي الميل.
الجدول 6-5
أنواع المواد الصلبة البلورية
الصورة التابعة: صفحة240_الجدول_6_5_أنواع_المواد_الصلبة_البلورية.png
| النوع | وحدة الجسيمات | خصائص الحالة الصلبة | أمثلة |
| ----------------- | ---------------------------------------------- | -------------------------------------------------------------------------------------- | ---------------------------- |
| ذرية | الذرات | لينة إلى لينة جدًا، درجة انصهار منخفضة، رديئة التوصيل. | عناصر المجموعة 18 |
| الجزيئية | جسيمات | متوسطة اللين، تتفاوت درجات الانصهار بين المنخفضة والمرتفعة نسبيًا، رديئة التوصيل. | I₂, H₂O, NH₃, CO₂, C₁₂H₂₂O₁₁ |
| التساهمية الشبكية | ترتبط الذرات بروابط تساهمية | صلبة جدًا، درجة انصهار مرتفعة، رديئة التوصيل عادة. | الألماس C، الكوارتز SiO₂ |
| الأيونية | أيونات | صلبة، هشة، درجة انصهار مرتفعة، رديئة التوصيل. | NaCl, KBr, CaCO₃ |
| الفلزية | الذرات يحيط بها إلكترونات التكافؤ الحرة الحركة | لينة إلى صلبة، درجة انصهار بين المنخفضة والمرتفعة، قابلة للسحب والطرق، ممتازة التوصيل. | جميع العناصر الفلزية |
تصنيف المواد الصلبة البلورية
تصنف هذه المواد تبعًا لنوع الجسيمات المكونة لها، وكيفية ارتباط هذه الجسيمات بعضها ببعض إلى خمس فئات، هي: الصلبة الذرية، الصلبة الجزيئية، الصلبة التساهمية الشبكية، الصلبة الأيونية، الصلبة الفلزية.
ويلخص الجدول 6-5 الخصائص العامة لكل فئة مع إعطاء مثال على كل منها. وتعد الغازات النبيلة عندما تجمدها المثال الوحيد على الصلبة الذرية؛ حيث تعكس خواصها قوى التشتت الضعيفة بين ذراتها.
المواد الصلبة الجزيئية
ترتبط الجسيمات في هذه المواد إما بقوى التشتت، أو القوى الثنائية القطبية، أو الروابط الهيدروجينية. ولا تكون معظم المواد الجزيئية في الحالة الصلبة عند درجة حرارة الغرفة، حتى وإن استطاعت تكوين روابط هيدروجينية قوية نوعًا ما.
ومن أمثلة المركبات الجزيئية التي تكون في الحالة الصلبة عند درجة حرارة الغرفة المركبات الجزيئية، ومنها السكر. صلبة عند درجة حرارة الغرفة؛ بسبب كتلتها الجزيئية الكبيرة.
تحتوي الجزيئات الكبيرة على الكثير من الروابط الضعيفة التي تجمع معًا وتربط جزيئات بعضها ببعض. وبسبب عدم احتواء المواد الصلبة الجزيئية على أيونات، تعد رديئة التوصيل للحرارة والكهرباء.
المواد الصلبة التساهمية الشبكية
تستطيع الذرات، مثل ذرات الكربون والسليكون، تكوين مواد صلبة تساهمية شبكية؛ بسبب قدرتها على تكوين روابط تساهمية متعددة.
ويوضح الشكل 6-20 التركيب التساهمي الشبكي للكوارتز الذي يحتوي على السليكون.
وتستطيع الكربون تكوين ثلاثة أنواع من المواد الصلبة التساهمية الشبكية، هي: الألماس، والجرافيت، والفوليرين. وتسمى ظاهرة وجود عنصر، مثل الكربون، بثلاثة أشكال في الحالة الفيزيائية نفسها الصلبة أو السائلة أو الغازية التأصل.
الشكل 6-20
الصورة التابعة: صفحة240_الشكل_6_20_الكوارتز_وتركيبه_التساهمي_الشبكي.png
أكثر أنواع الكوارتز شيوعًا هو البلوري السداسي.
--
تجربة
نمذجة وحدات بناء البلورة
الصورة التابعة: صفحة241_تجربة_نمذجة_وحدات_بناء_البلورة.png
سؤال التجربة
كيف يمكنك تصميم نماذج جزيئية توضح تركيب البلورة؟
خطوات العمل
- اقرأ تعليمات السلامة في المختبر.
- أحضر مجموعة أطباق من الورق المقوى.
- استعمل المقص لعمل مكعب من الورق المقوى وثبته بالشريط اللاصق.
- ارجع إلى الجدول 6-4، واعمل نماذج من الورق المقوى تمثل وحدات بناء البلورات الموضحة فيه.
تحليل النتائج
- قوّم: أي النماذج له ثلاثة محاور متساوية الطول؟ ما أوجه الاختلاف بينها؟
- حدد أي النماذج تتضمن مربعًا ومستطيلًا؟
- حدد أي النماذج لها ثلاثة محاور غير متساوية؟
- استنتج: هل البلورات مائلة، جزيئات، أم فيها خلايا؟ فسر إجابتك.
المواد الصلبة الأيونية
تذكر أن كل أيون في المواد الصلبة الأيونية محاط بأيونات معاكسة له في الشحنة. ويمكن تحديد شكل البلورة وتركيب الشبكة البلورية من خلال نوع وحجم الأيونات ونسبة وجودها في وحدة الصيغة الكيميائية.
والروابط بين البلورات في هذه المركبات الصلبة ودرجات الانصهار العالية، والبلورات الأيونية صلبة جدًا، صلبة إلا أنها هشة. فعندما تطرق البلورة الأيونية تنزاح الأيونات الموجبة والسالبة من مواقعها، مما يؤدي إلى تنافر بين الشحنات المتشابهة، وإلى تكسر البلورة.
المواد الصلبة الفلزية
إن الفلزات الصلبة تتكون من أيونات موجبة محاطة ببحر من الإلكترونات المتحركة. وتتفاوت قوة الروابط الفلزية بين الأيونات الموجبة والإلكترونات من فلز إلى آخر، وتتراوح درجات الانصهار والتوصيل للخصائص الفيزيائية للفلزات.
فمثلًا، ينصهر القصدير عند 232°C، بينما ينصهر النيكل عند 1455°C. وتجعل الإلكترونات المتحركة الفلزات قابلة للطرق والسحب، وعند تسلط قوة على الفلز تتحرك الإلكترونات لتجعل الأيونات مترابطة في مواقعها الجديدة.
كما أن الإلكترونات المتحركة هي السبب أيضًا في جعل الفلزات موصلات جيدة للحرارة والكهرباء. وتستخدم الأسلاك الفلزية لتوصيل الكهرباء إلى البيوت، كما هو موضح في الشكل 6-21.
ماذا قرأت؟
صف خصائص الفلزات التي تستعمل لصناعة المجوهرات.
الشكل 6-21
الصورة التابعة: صفحة241_الشكل_6_21_استخدام_الفلزات_لتوصيل_الكهرباء.png
تستخدم في البيوت والأعمال والمعدات أسلاكًا فلزية لتنقل الكهرباء.
وانظر المستخدم في العادة هو النحاس، إلا أن بعض الفلزات الأخرى تستخدم في تطبيقات خاصة.
الشكل 6-22
الصورة التابعة: صفحة242_الشكل_6_22_الزجاج_البركاني_مادة_صلبة_غير_متبلورة.png
استخدم الناس قديمًا الزجاج غير المتبلور، الزجاج البركاني، لعمل رؤوس السهام والسكاكين؛ لأنه ذو حافة حادة عند كسره.
وتتكون الجدران الزجاج البركاني عندما تبرد الحمم البركانية بسرعة كبيرة.
المواد الصلبة غير المتبلورة
يمكن تعريف المواد الصلبة غير المتبلورة بأنها المواد التي لا تترتب فيها الجسيمات بنمط مكرر ومنتظم، ولا تحتوي على بلورات.
وتتكون هذه المواد عادة عندما تبرد المواد المنصهرة بسرعة كبيرة، بحيث لا تسمح للبلورات بالتكون.
ويمثل الزجاج والمطاط والكثير من المواد البلاستيكية مواد صلبة غير متبلورة.
وقد ثبتت بعض الدراسات الحديثة احتواء وجود تركيب بلوري للزجاج، ولكن باستخدام أشعة X لم دراسة الزجاج لم يتضح ولم يوجد نمط معين في ترتيب الذرات، ولكن عند استخدام النيوترونات بدلًا من أشعة X أمكن معرفة عدة أنماط منتظمة من وحدات السيليكات في بعض المناطق.
ويأمل الباحثون في استخدام هذه المعلومات للتحكم في تركيب الزجاج في التطبيقات البصرية وإنتاج الألياف البصرية.
التقويم 6-3
الخلاصة
الصورة التابعة: صفحة242_التقويم_6_3_الخلاصة_والأسئلة.png
الخلاصة
- تفسر نظرية الحركة الجزيئية سلوك المواد الصلبة والسائلة.
- تؤثر قوى التجاذب بين الجزيئات في المواد السائلة في اللزوجة والتوتر السطحي والتماسك والتلاصق.
- تصنف المواد الصلبة البلورية حسب الشكل والتركيب.
أسئلة التقويم 6-3
- الفكرة الرئيسية: قارن بين ترتيب الجسيمات في المواد الصلبة والسائلة.
- صف العوامل المؤثرة في اللزوجة.
- فسر سبب استخدام الماء والصابون معًا لتنظيف الملابس، وليس الماء وحده.
- قارن بين وحدة البناء والشبكة البلورية.
- صف الفرق بين المواد الصلبة الجزيئية والمواد الصلبة التساهمية الشبكية.
- فسر سبب تكوّن سطح الماء بشكل هلالي في اختبار مدرج.
- استنتج سبب تكون سطح الزئبق في اختبار مدرج على صورة سطح محدب.
- توقع أي المواد الصلبة تكون غير متبلورة: المادة الصلبة التي يتم تبريد مصهورها ببطء شديد حتى درجة حرارة الغرفة، أم المادة الصلبة التي يتم تبريد مصهورها بسرعة كبيرة في حوض من الثلج؟
- صمم: من الألعاب المشهورة للأطفال رمي الحجارة الصغيرة بقوة وبشكل موازٍ وملاصق للسطح؛ إما البحر أو البحيرة، وملاحظة أطول مسافة يقطعها الحجر قبل أن يغرق. صمم تجربة مختبرية تمثل طريقة يمكن أن يقطعها الحجر باستخدام الماء مرة والزيت مرة والكحول مرة أخرى.
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.