قصة مادتين

1-1

قصة مادتين

A Story of Two Substances

الفكرة الرئيسية

الكيمياء هي دراسة المادة والتغيرات التي تطرأ عليها.

الربط مع الحياة

قد تحاول أن تحل مشكلة ما فيؤدي ذلك إلى حدوث مشكلة أخرى. هل حركت يومًا قطعة أثاث من مكانها، فاكتشفت أن المكان الجديد غير مناسب؟ قد يؤدي نقل الأثاث إلى حدوث مشكلة جديدة، كعدم إمكان فتح باب، أو عدم إمكان إيصال سلك كهربائي إلى القابس. مثل هذا قد يحدث في العلوم أيضًا.

الأهداف

• تعرف المادة الكيميائية.
• توضح كيف يتكون الأوزون، وأهميته.
• تصف تطور مركبات الكلوروفلوروكربون.

مراجعة المفردات

المادة: كل ما يشغل حيزًا وله كتلة.

المفردات الجديدة

الكيمياء
المادة الكيميائية

لماذا ندرس الكيمياء؟

Why Study Chemistry?

تأمل الأشياء من حولك، وكذلك الأشياء الموضحة في الشكل 1-1. من أين جاءت كل هذه المواد؟ إن كل المواد في العالم مكونة من وحدات بنائية. وهذه الوحدات والأشياء المصنوعة منها يسميها العلماء “مادة”. لكن كيف تعرف المادة؟ المادة كل شيء له كتلة ويشغل حيزًا.

قد تتساءل وأنت تدرس الكيمياء عن أهميتها بالنسبة لنا.

تدرس الكيمياء المادة والتغيرات التي تطرأ عليها. وتوفر دراستها الكثير من الراحة والرفاهية للناس. ومن ذلك استعمالها في التبريد، كما في الثلاجات التي تستعمل في حفظ الأطعمة من التلف، والمكيفات في المنازل والمدارس وأماكن العمل. كما تعنى الكيمياء بصناعة الكريمات التي تستعمل في الوقاية من بعض أشعة الشمس الضارة، وغيرها.

الشكل 1-1

كل شيء في الكون مكون من مادة، ومن ذلك الأجسام والأشياء المحيطة بنا.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_1-1_كل_شيء_في_الكون_مكون_من_مادة.png

ا

الشكل 1-2

يتكون الغلاف الجوي من عدة طبقات. وتقع طبقة الأوزون الواقية في طبقة الستراتوسفير.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_1-2_طبقات_الغلاف_الجوي_وطبقة_الأوزون.png

المفردات

أصل الكلمة

Ozone أوزون
أصل هذه الكلمة إغريقي، وتعني يشم.

اسم الصورة المرتبطة:
أصل_الكلمة_الأوزون_Ozone.png

الكيمياء في واقع الحياة

طبقة الأوزون

كريم الحماية من أشعة الشمس:

لأن أجواء المملكة حارة ومشمسة تظهر بعض التصبغات في البشرة. ولتوفير بعض الحماية من الأشعة فوق البنفسجية (UV) الضارة يمكن دهن الجلد بكريم يساعد على الوقاية من حروق الشمس وسرطان الجلد. وينصح خبراء الصحة باستعمال الكريمات الواقية قبل التعرض لأشعة الشمس التي قد تحتوي على الأشعة فوق البنفسجية.

اسم الصورة المرتبطة:
الكيمياء_في_واقع_الحياة_طبقة_الأوزون_كريم_الحماية.png

طبقة الأوزون

The Ozone Layer

إن التعرض الزائد للأشعة فوق البنفسجية UV (Ultraviolet) مؤذ للنباتات والحيوانات. كما أن المستويات العالية لأحد أنواع الأشعة فوق البنفسجية، والذي يرمز إليه بالرمز UVB، يمكن أن تسبب إعتامًا في العين، وسرطانًا في الجلد عند الإنسان، وتقلل من نواتج المحاصيل الزراعية، وتسبب خللًا في سلاسل الغذاء في الطبيعة.

لقد نشأت المخلوقات الحية رغم تعرضها لـ UVB؛ فقد هيأ الله عز وجل لخلايا المخلوقات الحية بعض القدرة على إصلاح نفسها عند التعرض لمستويات منخفضة من هذه الأشعة. ويعتقد بعض العلماء أن وصول مستوى هذه الأشعة حدًا معينًا يجعل الخلايا غير قادرة على المقاومة، وعندها يموت الكثير من المخلوقات الحية.

الغلاف الجوي للأرض

تستطيع المخلوقات الحية البقاء على الأرض بفضل طبقة الأوزون التي خلقها الله تبارك وتعالى لتحميها من المستويات العالية من الأشعة فوق البنفسجية UVB. وغاز الأوزون O₃، المكون من ذرات الأكسجين، مادة كيميائية توجد في الغلاف الجوي، والمادة الكيميائية لها تركيب محدد وثابت وتسمى بالمادة النقية.

ويمتص غاز الأوزون معظم الأشعة الضارة قبل وصولها إلى الأرض. ينتشر حوالي 90% من غاز الأوزون في طبقة تحيط بالأرض وتحميها؛ حيث يتكون الغلاف الجوي للأرض، كما ترى في الشكل 1-2، من عدة طبقات. تسمى الطبقة الدنيا منها طبقة التروبوسفير التي تحتوي على الهواء الذي نتنفسه، ويكون فيها الغيوم، وفيها تحدث تقلبات الطقس. وتسمى الطبقة التي فوقها ستراتوسفير، وتمتد بين 10-50 km فوق سطح الأرض، وفيها طبقة الأوزون التي تحمي الأرض، وهي تمتص معظم الأشعة الكونية، الأشعة فوق البنفسجية، قبل أن تصل إلى الأرض.

#

الشكل 1-3

الأشعة فوق البنفسجية الصادرة عن الشمس تجعل جزءًا من جزيئات غاز الأكسجين O₂ يتحلل إلى ذرات أكسجين O. وهذه الذرات المنفردة تتحد مع جزيئات أخرى من غاز الأكسجين O₂ لتكون غاز الأوزون O₃.

فسر ما سبب التوازن بين غازي الأكسجين والأوزون في طبقة الستراتوسفير؟

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_1-3_تكون_غاز_الأوزون_من_الأكسجين.png

ماذا قرأت؟

وضح فوائد وجود طبقة الأوزون في الغلاف الجوي.

تكون الأوزون

كيف يتكون غاز الأوزون في طبقة الستراتوسفير؟ عندما يتعرض غاز الأكسجين O₂ للأشعة فوق البنفسجية في الأجزاء العليا من الستراتوسفير تتحلل جزيئاته إلى ذرات منفردة O تتفاعل بدورها مع جزيئات غاز الأكسجين O₂ ليكون غاز الأوزون O₃، كما هو موضح في الشكل 1-3. ويمكن لغاز الأوزون أن يمتص الأشعة فوق البنفسجية ويتحلل مكونًا غاز الأكسجين، لذلك يحدث نوع من التوازن بين غازي الأكسجين والأوزون في طبقة الستراتوسفير.

تم اكتشاف غاز الأوزون وقياس كميته في أواخر القرن التاسع عشر. وقد أثار اهتمام العلماء؛ فهو يتكون فوق خط الاستواء؛ لأن أشعة الشمس تكون عمودية وقوية هناك، ثم يتحرك حول الأرض بفعل تيارات الهواء في الستراتوسفير. لذا يعد مؤشرًا مناسبًا يساعدنا على تتبع حركة الرياح في طبقة الستراتوسفير.

في عشرينيات القرن الماضي بدأ العالم البريطاني دوبسون (1889-1976م) قياس كمية غاز الأوزون في الغلاف الجوي. ورغم أن غاز الأوزون يتشكل في المناطق العليا من طبقة الستراتوسفير، إلا أنه يتجمع في الجزء الأسفل منها. وتقاس كمية غاز الأوزون الموجودة في طبقة الستراتوسفير عن طريق أجهزة موجودة على الأرض، أو عن طريق بالونات أو أقمار اصطناعية أو صواريخ. لقد ساعدت قياسات دوبسون العلماء على تقدير كمية غاز الأوزون التي يجب أن توجد في الجو، وهي 300 دوبسون (DU). وتستعمل أجهزة، منها الموجودة في الشكل 1-4، لمراقبة كمية غاز الأوزون في الغلاف الجوي.

الشكل 1-4

يستعمل العلماء أنواعًا مختلفة من الأجهزة، ومنها محطات برور، لقياس كمية غاز الأوزون في الجو.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_1-4_قياس_كمية_غاز_الأوزون_في_الجو.png

#

الشكل 1-5

أكدت صور الأقمار الاصطناعية قياسات فريق القارة المتجمدة الجنوبية التي أشارت إلى تقلص سمك طبقة الأوزون فوق هذه القارة. في هذه الصورة تظهر طبقة الأوزون بلون زهري وبنفسجي وأسود. ويشير دليل الألوان عن يسار الصورة إلى أن مستوى الأوزون يتراوح بين 125-200DU، وهو أقل من المستوى الطبيعي الذي يبلغ 300DU.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_1-5_قياسات_الأقمار_الصناعية_لثقب_الأوزون.png

وجد فريق بحث بريطاني انخفاض كمية غاز الأوزون في طبقة الستراتوسفير، واستنتجوا أن سمك طبقة الأوزون يتناقص. ويبين الشكل 1-5 كيف ظهرت طبقة الأوزون في أكتوبر من عام 1990م.

ورغم أن تقلص سمك طبقة الأوزون يسمى عادة “ثقب الأوزون” إلا أنه ليس ثقبًا؛ فغاز الأوزون ما زال موجودًا، لكن سمك الطبقة أقل كثيرًا من المعدل الطبيعي. وهذه الحقيقة سببت قلقًا للعلماء، وخصوصًا بعد أن أيدتها القياسات التي قامت بها البالونات والطائرات والأقمار الاصطناعية. فما سبب ثقب الأوزون؟

مهن في الكيمياء

كيميائي البيئة

يستعمل كيميائي البيئة أدوات من الكيمياء والعلوم الأخرى لدراسة كيفية تفاعل المواد الكيميائية مع البيئة ومكوناتها. وهذا يتضمن تحديد مصادر التلوث، ودراسة تأثيراتها في المخلوقات الحية.

اسم الصورة المرتبطة:
مهن_في_الكيمياء_كيميائي_البيئة.png

مركبات الكلوروفلوروكربون

Chlorofluorocarbons (CFCs)

بدأت قصتها في عشرينيات القرن الماضي؛ حيث ازداد إنتاج الثلاجات التي استعملت في البداية غازات ضارة، منها الأمونيا، للتبريد. ولأن أبخرة الأمونيا قد تتسرب من الثلاجة وتؤذي أفراد البيت فقد بدأ الكيميائيون البحث عن مبردات أكثر أمانًا. وقد حضر العالم توماس ميجلي Thomas Midgley عام 1928م أول مركب من مركبات الكلوروفلوروكربون التي يرمز إليها بـ CFCs، وهو مادة مكونة من الكلور والفلور والكربون.

ويحضر الآن عدد من هذه المركبات، التي لا تتكون طبيعيًا، في المختبر، وهي غير سامة؛ لأنها لا تتفاعل مباشرة مع المواد الأخرى. وقد ظهر مع الوقت أن هذه الغازات مبردات مثالية. في عام 1935م بدأ استعمال هذه المواد في صناعة أجهزة التكييف المنزلية، كما دخلت في صناعة الثلاجات، بالإضافة إلى استعمالها في تصنيع البوليمرات، وفي دفع الرذاذ من علب الرش كما في علب ملطفات الجو أو علب المبيدات الحشرية المنزلية.

ماذا قرأت؟

فسر لماذا فكر العلماء أن مركبات الكلوروفلوروكربون CFCs آمنة للبيئة؟

#

الشكل 1-6

جمع العلماء معلومات عن الاستعمال العالمي لمركبات الكلوروفلوروكربون CFCs وتراكمها فوق القارة المتجمدة الجنوبية. CFC-11 أحد أنواع CFC.

اختبار الرسم البياني

صف كيف تغيرت كمية مركبات الكلوروفلوروكربون في الفترة بين عامي 1977 و1995م؟

ملاحظة: ppt وحدة قياس تركيز، تعني جزءًا من تريليون Part per trillion.

اسم الصورة المرتبطة:
الشكل_1-6_تركيز_CFCs_في_الغلاف_الجوي.png

بدأ العلماء الكشف عن وجود مركبات الكلوروفلوروكربون CFCs في الجو في سبعينيات القرن الماضي، فقاموا بقياس كميتها في الغلاف الجوي، ووجدوا أنها تزداد عامًا بعد آخر. وبحلول سنة 1995م وجدوا أن كمياتها وصلت مستوى عاليًا، كما هو مبين في الشكل 1-6. وعلى أي حال فقد كان شائعًا على نطاق واسع أنها لا تشكل خطرًا على البيئة لأنها مستقرة، لذا لم تشكل مصدر قلق لكثير من العلماء.

لاحظ العلماء بعد ذلك أن سمك طبقة الأوزون يتناقص، وأن كميات متزايدة من CFCs تصل إلى الغلاف الجوي. فهل هناك علاقة بين الحدثين؟

قبل أن تعرف إجابة هذا السؤال، لا بد أن تفهم بعض الأفكار الأساسية في الكيمياء، وتعرف أيضًا كيف يحل الكيميائيون وغيرهم من العلماء المشكلات العلمية.

التقويم 1-1

الخلاصة

• الكيمياء هي دراسة المادة والتغيرات التي تطرأ عليها.
• المادة الكيميائية لها تركيب محدد وثابت وتسمى بالمادة النقية.
• غاز الأوزون يوجد في طبقة الستراتوسفير ويكون طبقة واقية للأرض من الأشعة فوق البنفسجية.
• CFCs مواد مصنعة مكونة من الكلور والفلور والكربون، وتعمل على تقليل سمك طبقة الأوزون.

أسئلة التقويم

• الفكرة الرئيسية: وضح أهمية دراسة الكيمياء للإنسان.
• عرف المادة الكيميائية، وأعط مثالين لمادتين كيميائيتين.
• صف كيف يتكون الأوزون؟ ولماذا يعد مهمًا؟
• وضح لماذا طورت مركبات الكلوروفلوروكربون؟ وفيم تستعمل؟
• فسر سبب قلق العلماء من تزايد أشعة UVB في الجو.
• فسر سبب ازدياد تركيز CFCs في الغلاف الجوي.
• قوم لماذا كان من المهم تأكيد بيانات دوبسون عن طريق صور الأقمار الاصطناعية؟

اسم الصورة المرتبطة:
التقويم_1-1_قصة_مادتين.png