تغيرات المادة

2-2 تغيرات المادة

Changes in Matter

الفكرة الرئيسة

يمكن أن يحدث للمادة تغيرات فيزيائية وكيميائية.

الأهداف

• تعرف التغير الفيزيائي، وتعطي أمثلة عليه.
• تعرف التغير الكيميائي، وتعطي عدة مؤشرات على حدوثه.
• تطبق قانون حفظ الكتلة على التفاعلات الكيميائية.

مراجعة المفردات

الملاحظة: جمع منظم وموجه للمعلومات حول ظاهرة معينة.

المفردات الجديدة

• التغير الفيزيائي
• تغير الحالة
• التغير الكيميائي
• قانون حفظ الكتلة

الربط مع الحياة

تكون الفحم في الموقد على شكل مادة صلبة سوداء اللون أولًا، ثم يتغير لونه إلى الأحمر المشع، وأخيرًا يتحول إلى رماد وثاني أكسيد الكربون وماء. وهذا التغير يرجع إلى خواصه الفيزيائية والكيميائية.

التغيرات الفيزيائية

Physical Changes

تخضع المواد في كثير من الأحيان لتغيرات تؤدي إلى حدوث اختلافات كبيرة في مظهرها، إلا أن تركيبها يبقى ثابتًا. ومن ذلك تشكيل صفيحة من الألومنيوم في صورة كرة؛ ففي حين يتحول شكل هذه الصفيحة الملساء المستوية الشبيهة بالمرآة إلى كرة فإن تركيبها لا يتغير؛ فهي ما زالت من الألومنيوم. هذا النوع من التغير الذي يحدث دون أن يغير تركيب المادة يسمى التغير الفيزيائي. ومن ذلك أيضًا تقطيع ورقة، وكسر لوح زجاجي.

تغير الحالة

تعتمد حالة المادة - كغيرها من الخواص الفيزيائية - على درجة حرارة الوسط المحيط وضغطه. فعندما تتغير درجة الحرارة تتحول معظم المواد من حالة إلى أخرى. تغير الحالة هو تحول المادة من حالة إلى أخرى.

الربط مع علم الأرض: دورة الماء

تسمح دورة الماء بوجود الحياة على الأرض. ففي درجات الحرارة الأقل من 0°C يكون الماء صلبًا عند الضغط الجوي العادي، ويسمى الماء عندها جليدًا. وعند تسخين الجليد يبدأ في الانصهار ويصبح ماءً سائلًا. هذا التغير في حالة الماء يعد تغيرًا فيزيائيًا؛ لأنه رغم أن الجليد والماء يختلفان في المظهر إلا أن تركيبهما واحد. وإذا ارتفعت درجة حرارة الماء إلى 100°C فإن الماء يبدأ في الغليان، ويتحول الماء السائل إلى بخار. إن الانصهار وتكون البخار تغيران فيزيائيان، وهما تغيران في الحالة أيضًا. ويبين الشكل 2-8 عمليتي التكثف والتجمد، وهما من تغيرات الحالة المألوفة. وتشير مصطلحات الغليان، والتجمد، والتكثف، والتبخر، والانصهار عادة إلى تغيرات في حالة المادة.

الشكل 2-8

يمكن أن يحدث التكثف عندما يلامس الغاز سطحًا باردًا، مما يؤدي إلى تكون قطرات. كما يحدث التجمد عندما يبرد السائل، فالماء المتساقط يكون إبرًا جليدية عندما يبرد.

#

درجة الحرارة والضغط اللذان يحدث عندهما تغير في حالة مادة ما هما خاصيتان فيزيائيتان مهمتان، وتسميان درجة انصهار ودرجة غليان المادة. انظر الجدول 2-1 الذي يضم درجات انصهار ودرجات غليان عدة مواد مألوفة. هاتان الخاصيتان من الخواص الفيزيائية المميزة كالكثافة، وهذا يمكن استعمالها في تعيين المواد المجهولة.

التغيرات الكيميائية

Chemical Changes

العملية التي تتضمن تغير مادة أو أكثر إلى مواد جديدة تسمى التغير الكيميائي، ويشار إليه عادة بالتفاعل الكيميائي. وللمواد الجديدة الناتجة عن التفاعل تراكيب وخواص مختلفة عن تراكيب وخواص المواد قبل التفاعل. فمثلًا، يتكون صدأ الحديد، الموضح في الشكل 2-9، من تفاعل الحديد مع أكسجين الهواء، وهو يختلف في خصائصه عن خصائص كل من الحديد والأكسجين.

تسمى المواد التي تبدأ بها التفاعل المتفاعلات. أما المواد الجديدة المتكونة فتسمى النواتج. وتشير المصطلحات الآتية: تحلل، انفجار، صدأ، تأكسد، تآكل، فقدان البريق، تخمر، احتراق، تعفن، إلى التفاعل الكيميائي.

ماذا قرأت؟

عرف التغير الكيميائي.

دلائل حدوث التفاعلات الكيميائية

إضافة إلى ما سبق، وكما في الشكل 2-9، فإن الصدأ مادة بنية تميل إلى اللون البرتقالي، تكون في صورة مسحوق، تختلف في مظهرها كثيرًا عن الحديد والأكسجين. فالصدأ لا ينجذب إلى المغناطيس في حين ينجذب الحديد إليه. ويعد اختلاف خواص الصدأ عن خواص كل من الحديد والأكسجين دليلًا على حدوث تفاعل كيميائي. كما يعد تعفن الفواكه والخبز مثالًا آخر على التفاعلات الكيميائية؛ فطعم هذه الأطعمة بعد التعفن وقابليتها للهضم يختلفان عن طعمها وقابليتها للهضم وهي طازجة.

الشكل 2-9

عندما يصدأ الحديد، أو يتعفن الطعام تنتج مواد جديدة نتيجة حدوث تفاعل كيميائي.

عين المتفاعلات والنواتج في تفاعل تكون الصدأ.

قانون حفظ الكتلة

Law of Conservation of Mass

تأخر استعمال العلماء للأدوات الكمية في دراسة التفاعلات الكيميائية حتى أواخر القرن الثامن عشر؛ حيث تم تطوير الميزان الحساس في ذلك الوقت. وعند استعمال الميزان في قياس كتل المتفاعلات والنواتج لكثير من التفاعلات لوحظ أن الكتلة الكلية في التفاعل تبقى ثابتة. وقد لخص الكيميائيون هذه الملاحظات في قانون علمي سمي قانون حفظ الكتلة. وهو ينص على أن الكتلة لا تفنى ولا تستحدث في أثناء التفاعل الكيميائي - إلا بقدرة الله تعالى - أي أنها محفوظة، بمعنى أن كتلة النواتج تساوي كتلة المتفاعلات، ويعبر عن ذلك بالمعادلة:

قانون حفظ الكتلة

كتلة المتفاعلات = كتلة النواتج

ارجع إلى التجربة الاستهلالية صفحة 13، واستقص كيف تحقق قانون حفظ الكتلة؟

#

مثال 2-1

حفظ الكتلة

وضع 10 g من أكسيد الزئبق II الأحمر HgO في كأس مفتوحة، وسخنت حتى تحولت إلى زئبق سائل وغاز أكسجين. فإذا كانت كتلة الزئبق السائل 9.26 g فما كتلة الأكسجين الناتج عن هذا التفاعل؟

1 تحليل المسألة

تم إعطاؤك كتلة المادة المتفاعلة وكتلة أحد النواتج في التفاعل، وتبعًا لقانون حفظ الكتلة فإن مجموع كتل النواتج يجب أن يساوي مجموع كتل المواد المتفاعلة.

المعطيات

كتلة أكسيد الزئبق II = 10.0 g
كتلة الزئبق = 9.26 g

المطلوب

كتلة الأكسجين = ؟ g

2 حساب المطلوب

ضع قانون حفظ الكتلة:

كتلة المتفاعلات = كتلة النواتج

أوجد كتلة الأكسجين:

كتلة أكسيد الزئبق II = كتلة الزئبق + كتلة الأكسجين

كتلة الأكسجين = كتلة أكسيد الزئبق II - كتلة الزئبق

كتلة الأكسجين = 10.00 g - 9.26 g = 0.74 g

3 تقويم الإجابة

إذا كان مجموع كتلتي الزئبق والأكسجين = كتلة أكسيد الزئبق II فالحل صحيح.

مسائل تدريبية

• استعن بالبيانات في الجدول أدناه للإجابة عن السؤالين الآتيين:

كم جرامًا من البروم تفاعل، وكم جرامًا من المركب نتج؟

تفاعل الألومنيوم مع سائل البروم

| المادة | قبل التفاعل | بعد التفاعل |
| ----------- | ----------: | ----------: |
| الألومنيوم | 10.3 g | 0.0 g |
| سائل البروم | 100.0 g | 8.5 g |
| المركب | 0.0 g | — |

• حصل طالب في تجربة لتحليل الماء على 10.0 g هيدروجين و79.4 g أكسجين. ما مقدار الماء المستعمل في هذه العملية؟

• أضاف طالب 15.6 g صوديوم إلى كمية وافرة من غاز الكلور، وبعد انتهاء التفاعل حصل على 39.7 g من كلوريد الصوديوم. ما كتلة كل من الكلور والصوديوم المتفاعلين؟

• تفاعلت عينة مقدارها 10.0 g من الماغنيسيوم مع الأكسجين لتكوين 16.6 g من أكسيد الماغنيسيوم. كم جرامًا من الأكسجين تفاعل؟

• تحفيز: تفاعل 106.5 g من حمض الهيدروكلوريك HCl(g) مع كمية مجهولة من الأمونيا NH3(g) لإنتاج 157.5 g من كلوريد الأمونيوم NH4Cl(s). ما كتلة الأمونيا NH3(g) المتفاعلة؟ وهل طبق قانون حفظ الكتلة في هذا التفاعل؟ فسر إجابتك.

#

الشكل 2-10

عند تسخين أكسيد الزئبق II فإنه يتفاعل ليكون الزئبق والأكسجين. ويكون مجموع كتلتيهما مساويًا كتلة أكسيد الزئبق II.

كان الكيميائي الفرنسي أنطوان لافوازيه (1743-1794م) أول من استعمل الميزان الحساس في التفاعلات الكيميائية. وقد درس تحلل أكسيد الزئبق II بالحرارة، وهو كما يظهر في الشكل 2-10 مادة صلبة حمراء تتفاعل عند تسخينها لتكون سائل الزئبق الفضي وغاز الأكسجين العديم اللون. إن تغير اللون وظهور غاز مؤشران على حدوث التفاعل. وعندما يجرى التفاعل في وعاء مغلق فإن الأكسجين لا يستطيع الخروج. ومن ثم يمكن قياس كتلة المواد قبل التفاعل وبعده، وستكون هي نفسها في الحالتين. ويعد قانون حفظ الكتلة أحد القوانين الأساسية في الكيمياء.

التقويم 2-2

الخلاصة

• التغير الفيزيائي يغير من الخواص الفيزيائية للمادة دون أن يغير تركيبها.
• التغير الكيميائي، والذي يسمى أيضًا «التفاعل الكيميائي»، يتضمن تغيرًا في تركيب المادة.
• في التفاعل الكيميائي تتحول المتفاعلات إلى نواتج.
• ينص قانون حفظ الكتلة على أن الكتلة لا تفنى ولا تستحدث في أثناء التفاعل الكيميائي - إلا بقدرة الله تعالى - فهي محفوظة.

أسئلة التقويم

• الفكرة الرئيسة: صنف الأمثلة الآتية إلى تغيرات فيزيائية أو كيميائية:

a. سحق علبة الألومنيوم.
b. تدوير علب الألومنيوم المستعملة لإنتاج علب جديدة.
c. اتحاد الألومنيوم مع الأكسجين لإنتاج أكسيد الألومنيوم.

• صف نتائج التغير الفيزيائي، وأعط ثلاثة أمثلة عليه.

• صف نتائج التغير الكيميائي، واذكر أربعة أدلة على حدوثه.

• احسب. حل المسائل الآتية:

a. إذا تفاعل 22.99 g من الصوديوم تمامًا مع 35.45 g من الكلور فما كتلة كلوريد الصوديوم الناتج؟

b. إذا تفاعل 12.2 g من مادة X مع عينة من Y وينتج 78.9 g من XY فما كتلة Y المتفاعلة؟

• قوّم: إذا قال لك صديق: "إذا كان تركيب المادة لا يتغير خلال التغير الفيزيائي فإن مظهرها لا يتغير." فهل هو على صواب؟ فسر إجابتك.