ما هي حالات المادة الفيزيائية

ما هي حالات المادة؟

يمكن أن توجد المادة في واحدة من ثلاث حالات رئيسية: صلبة أو سائلة أو غازية، تتكون المادة الصلبة من جزيئات معبأة بإحكام والمادة الصلبة ستحتفظ بشكلها؛ الجسيمات ليست حرة في التحرك، حيث تتكون المادة السائلة من جزيئات غير متماسكة، سوف تأخذ شكل الحاوية الخاصة بها، والتي يمكن للجسيمات أن تتحرك داخل السائل، لكنها معبأة بكثافة كافية للحفاظ على الحجم، أما المادة الغازية تتكون من جزيئات معبأة بشكل فضفاض بحيث لا يكون لها شكل محدد ولا حجم محدد، وكما ويمكن ضغط الغاز.

حالات المادة الثلاث هي الأشكال الفيزيائية الثلاثة المتميزة التي يمكن للمادة أن تتخذها في معظم البيئات: الصلبة والسائلة والغازية، وفي البيئات القاسية، قد توجد حالات أخرى مثل البلازما ومكثفات بوز-آينشتاين والنجوم النيوترونية، كما يُعتقد أن حالات أخرى، مثل بلازما كوارك-غلوون، ممكنة ومعظم المادة الذرية في الكون عبارة عن بلازما ساخنة على شكل نجوم متوسطة وكثيفة بين النجوم.

تاريخيًا، تم تمييز حالات المادة بناءً على الاختلافات النوعية في خصائص حجمها الصلبة هي الحالة التي تحتفظ فيها المادة بحجم وشكل ثابتين، والسائل هو الحالة التي تتكيف فيها المادة مع شكل الحاوية الخاصة بها ولكنها تختلف قليلاً في الحجم، أما الغاز هو الحالة التي تتوسع فيها المادة لتحتل حجم وشكل الحاوية الخاصة بها، كما ويمكن لكل من هذه الحالات الكلاسيكية الثلاث للمادة الانتقال مباشرة إلى أي من الحالتين الكلاسيكيتين الأخريين.

خصائص حالات المادة:

المادة الصلبة:

هي مادة تحافظ على حجمها وشكلها بدون وعاء؛ حيث إنها مادة لا تستطيع جزيئاتها التحرك بحرية إلا لتهتز، يتم تجميع جزيئات المادة الصلبة معًا بشكل وثيق، تكون القوى بين الجسيمات قوية بما يكفي بحيث لا تستطيع الجسيمات التحرك بحرية؛ يمكنهم الاهتزاز فقط، نتيجة لذلك يكون للمادة الصلبة شكل ثابت ومحدد وحجم محدد، ويمكن للمواد الصلبة فقط تغيير شكلها تحت القوة، كما هو الحال عند كسرها أو قصها.

في المواد الصلبة البلورية، يتم تعبئة الجسيمات في نمط متكرر مرتب بانتظام، وهناك العديد من الهياكل البلورية المختلفة، ويمكن أن تحتوي نفس المادة على أكثر من هيكل واحد، وعلى سبيل المثال، يحتوي الحديد على هيكل مكعب محوره الجسم عند درجات حرارة أقل من 912 درجة مئوية وبنية مكعبة محورها الوجه بين 912 و 1394 درجة مئوية، و يحتوي الجليد على خمسة عشر بنية بلورية معروفة، يوجد كل منها عند درجة حرارة وضغط مختلفين.

يمكن أن تتحول المادة الصلبة إلى سائل من خلال الذوبان، ويمكن أن يتحول السائل إلى مادة صلبة من خلال التجميد، أيضًا يمكن أن تتحول المادة الصلبة مباشرة إلى غاز من خلال عملية تسمى التسامي.

المادة الغازية:

هو مادة لا يمكن احتواؤها إلا إذا كانت محاطة بالكامل بحاوية (أو متماسكة عن طريق الجاذبية)؛ حيث إنها مادة لها تفاعلات ضئيلة بين الجزيئات ويمكن أن تتحرك بحرية، تحتوي جزيئات الغاز على روابط ضعيفة جدًا أو لا توجد روابط على الإطلاق، لذا يمكنها التحرك بحرية وبسرعة، ولهذا السبب لن يتطابق الغاز فقط مع شكل الحاوية الخاصة به، بل سيتوسع أيضًا لملء الحاوية تمامًا.

تمتلك جزيئات الغاز طاقة حركية كافية بحيث يكون تأثير القوى بين الجزيئات صغيرًا (أو صفرًا للغاز المثالي)، وتكون متباعدة جدًا عن بعضها البعض؛ كما تكون المسافة النموذجية بين الجزيئات المجاورة أكبر بكثير من حجم الجزيئات نفسها.

يمكن أيضًا تسمية الغاز عند درجة حرارة أقل من درجة حرارته الحرجة بخارًا، كما يمكن تسييل البخار من خلال الضغط دون تبريد، ويمكن أن يوجد أيضًا في حالة توازن مع سائل (أو صلب)، وفي هذه الحالة يكون ضغط الغاز مساويًا لضغط بخار السائل (أو الصلب).

السائل فوق الحرج (SCF) هو غاز تكون درجة حرارته وضغطه أكبر من درجة الحرارة الحرجة والضغط الحرج، وفي هذه الحالة يختفي التمييز بين السائل والغاز، حيث يمتلك السائل فوق الحرج الخصائص الفيزيائية للغاز، لكن كثافته العالية تضفي عليه خصائص المذيب في بعض الحالات.

يمكن أن يكون هذا مفيدًا في العديد من التطبيقات، على سبيل المثال قد يستخدم ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج لاستخراج الكافيين في تصنيع القهوة منزوعة الكافيين.

الحالة السائلة:

هي مادة تتدفق ولا تحافظ على شكل محدد؛ لأن جزيئاتها غير متراصة وتتحرك باستمرار، وتأخذ شكل الحاوية الخاصة بها ولكنها تحافظ على حجم ثابت تقريبًا بغض النظر عن الضغط، الحجم محدد (لا يتغير) إذا كانت درجة الحرارة والضغط ثابتين، وعندما يتم تسخين مادة صلبة فوق نقطة انصهارها، فإنها تصبح سائلة لأن الضغط أعلى من النقطة الثلاثية للمادة.

لا تزال القوى بين الجزيئات (أو بين الذرية أو interionic) مهمة، لكن الجزيئات لديها طاقة كافية للتنقل، مما يجعل الهيكل متحركًا، هذا يعني أن السائل ليس محددًا في الشكل بل يتوافق مع شكل عبوته، وعادة ما يكون حجمه أكبر من حجمه الصلب المقابل (الماء استثناء معروف لهذه القاعدة)، كما أن أعلى درجة حرارة يمكن أن يوجد عندها سائل معين تسمى درجة الحرارة الحرجة.

يمكن تحويل السائل إلى غاز من خلال التسخين عند ضغط ثابت إلى درجة غليان المادة أو من خلال تقليل الضغط عند درجة حرارة ثابتة، تسمى عملية تحول السائل إلى غاز بالتبخر.

التغيرات التي تحدث في المادة:

هناك نوعان من التغيير في المادة: التغيير الفيزيائي والتغير الكيميائي، كما توحي الأسماء، يؤثر التغيير الفيزيائي على الخصائص الفيزيائية للمادة، ويؤثر التغيير الكيميائي على خواصها الكيميائية، حيث أن العديد من التغييرات الفيزيائية قابلة للعكس (مثل التسخين والتبريد)، في حين أن التغييرات الكيميائية غالبًا ما تكون غير قابلة للانعكاس أو يمكن عكسها فقط مع تغيير كيميائي إضافي.

تغيرات فيزيائية:

التغيير الفيزيائي لا يتسبب في أن تصبح المادة مادة مختلفة اختلافًا جوهريًا ولكن التغيير الكيميائي يتسبب في تغيير المادة إلى شيء جديد كيميائيًا، يتضمن مزج عصير، على سبيل المثال، تغييرين فيزيائيين: التغيير في شكل كل فاكهة وخلط العديد من قطع الفاكهة المختلفة معًا، نظرًا لعدم تغيير أي من المواد الكيميائية الموجودة في مكونات العصير أثناء الخلط (الماء والفيتامينات من الفاكهة على سبيل المثال لم تتغير)، فإننا نعلم أنه لا توجد تغييرات كيميائية متضمنة.

يعد القطع والتمزيق والتشريح والطحن والخلط أنواعًا أخرى من التغييرات الفيزيائية؛ لأنها تغير شكل المادة وليس تكوينها، على سبيل المثال ينتج عن خلط الملح والفلفل مادة جديدة دون تغيير التركيب الكيميائي لأي مكون، كما أن تغيرات الطور هي التغييرات التي تحدث عندما تذوب المواد أو تجمد أو تغلي أو تكثف أو تتسامي أو تترسب، كما أنها أيضًا تغييرات جسدية لأنها لا تغير طبيعة المادة.

تغيرات كيميائية:

تُعرف التغييرات الكيميائية أيضًا باسم التفاعلات الكيميائية، وتسمى “مكونات” التفاعل المواد المتفاعلة، وتسمى النتائج النهائية النواتج، كما ويتم الإشارة إلى التغيير من المواد المتفاعلة إلى المنتجات بواسطة سهم: المتفاعلات → المنتجات.

غالبًا ما يكون تكوين فقاعات الغاز نتيجة لتغير كيميائي (باستثناء حالة الغليان، وهو تغيير فيزيائي)، وقد يؤدي التغيير الكيميائي أيضًا إلى تكوين راسب، مثل ظهور مادة عكرة عند خلط المواد المذابة.

التعفن والحرق والطهي والصدأ كلها أنواع أخرى من التغيرات الكيميائية؛ لأنها تنتج مواد هي مركبات كيميائية جديدة تمامًا، على سبيل المثال، يتحول الخشب المحروق إلى رماد وثاني أكسيد الكربون وماء، وعند تعرضه للماء، يتحول الحديد إلى خليط من عدة أكاسيد وهيدروكسيدات الحديد المائي، كما تقوم الخميرة بالتخمير لإنتاج الكحول من السكر.

غالبًا ما يشير التغير غير المتوقع في اللون أو إطلاق الرائحة أيضًا إلى تغير كيميائي، على سبيل المثال، يتم تحديد لون عنصر الكروم من خلال حالة الأكسدة الخاصة به؛ لن يغير مركب الكروم الأحادي اللون إلا إذا خضع لتفاعل أكسدة أو اختزال، كما أن تغير الحرارة الناتجة عن طهي البيضة تفاعلات وأشكال البروتينات الموجودة في بياض البيض، وبالتالي تغير تركيبها الجزيئي وتحول بياض البيض من شفاف إلى معتم.

أفضل طريقة للتأكد تمامًا ما إذا كان التغيير فيزيائيًا أم كيميائيًا هو إجراء تحليلات كيميائية، مثل التحليل الطيفي الشامل على المادة لتحديد تركيبها قبل التفاعل وبعده.