بحث عن حالات المادة

حالة المادة هي أحد الأشكال المميزة التي تتخذها مراحل مختلفة من المادة. يمكن ملاحظة أربع حالات للمادة في الحياة اليومية: الصلبة والسائلة والغازية والبلازما. تُعرف العديد من الحالات الأخرى مثل مكثفات بوز-آينشتاين والمادة المتحللة للنيوترونات ، لكن هذه الحالات تحدث فقط في المواقف الشديدة مثل البرودة الشديدة أو المادة شديدة الكثافة. يُعتقد أن حالات أخرى ، مثل بلازما كوارك-غلوون ، ممكنة ولكنها تظل نظرية في الوقت الحالي.

مقالات للقراءة:

ماهي الاعداد الاولية

السلسلة الغذائية الحيوانية

نقص فيتامين د عند النساء

تعريف المادة

يمكن تعريف المادة بأنها شيء له كتلة ويحتل مساحة، والمادة توجد في شكلها الطبيعي بواحدة من الحالات الأربعة: صلبة أو سائلة أو غازية أو بلازما. ويمكن أن يتم تحويل المادة من حالة إلى أخرى من خلال إمدادها بالطاقة أو سحبها في معادلات ماصة أو طاردة للطاقة، وتتكون المادة من مزيج من الذرات التي تشكل العناصر والمركبات، وهي اللبنات الأساسية للكون.

كيف نميز بين حالات المادة

يتم التمييز بناءً على الاختلافات النوعية في الخصائص. 

  • تحافظ المادة في الحالة الصلبة على حجم وشكل ثابتين ، مع إغلاق الجسيمات المكونة (الذرات أو الجزيئات أو الأيونات) من بعضها البعض وتثبيتها في مكانها. 
  • تحتفظ المادة في الحالة السائلة بحجم ثابت ، ولكن لها شكل متغير يتكيف مع الحاوية الخاصة بها. جزيئاته لا تزال قريبة من بعضها البعض ولكنها تتحرك بحرية. 
  • المادة في الحالة الغازية لها حجم وشكل متغيران ، تتكيف مع الحاوية الخاصة بها. جزيئاته ليست قريبة من بعضها البعض وليست ثابتة في مكانها. 
  • المادة في حالة البلازما لها حجم وشكل متغيران ، ولكن بالإضافة إلى الذرات المحايدة ، فهي تحتوي على عدد كبير من الأيونات والإلكترونات ، وكلاهما يمكن أن يتحرك بحرية. البلازما هي الشكل الأكثر شيوعًا للمادة المرئية في الكون.

حالات المادة الأساسية

صلب

  • في المادة الصلبة ، يتم تجميع الجسيمات (الأيونات أو الذرات أو الجزيئات) معًا بشكل وثيق. تكون القوى بين الجسيمات قوية بحيث لا تستطيع الجسيمات التحرك بحرية ولكن يمكنها الاهتزاز فقط. نتيجة لذلك ، يكون للمادة الصلبة شكل ثابت ومحدد وحجم محدد. لا يمكن للمواد الصلبة تغيير شكلها إلا بالقوة ، كما هو الحال عند كسرها أو قطعها.
  • في المواد الصلبة البلورية ، يتم تعبئة الجسيمات (الذرات أو الجزيئات أو الأيونات) في نمط متكرر مرتب بانتظام. هناك العديد من الهياكل البلورية المختلفة ، ويمكن أن تحتوي نفس المادة على أكثر من هيكل واحد (أو طور صلب). على 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. للجليد خمسة عشر بنية بلورية معروفة ، أو خمسة عشر مرحلة صلبة ، والتي توجد في درجات حرارة وضغوط مختلفة.
  • يمكن تحويل المواد الصلبة إلى سوائل عن طريق الذوبان ويمكن أيضًا أن تتحول مباشرة إلى غازات من خلال عملية التسامي.

سائل

  • هيكل سائل ذرة مفردة كلاسيكي. تحتوي الذرات على العديد من الجيران الأقرب على اتصال ، ومع ذلك لا يوجد ترتيب بعيد المدى.
  • السائل غير قابل للضغط تقريبًا ويتوافق مع شكل الحاوية الخاصة به ولكنه يحتفظ بحجم ثابت (تقريبًا) مستقل عن الضغط. 
  • الحجم محدد إذا كانت درجة الحرارة والضغط ثابتين. عندما يتم تسخين مادة صلبة فوق نقطة انصهارها ، فإنها تصبح سائلة ، بالنظر إلى أن الضغط أعلى من النقطة الثلاثية للمادة. لا تزال القوى بين الجزيئات (أو بين الذرية ) مهمة ، لكن الجزيئات لديها طاقة كافية للتحرك بالنسبة لبعضها البعض والهيكل متحرك. هذا يعني أن شكل السائل ليس محددًا ولكن يتم تحديده من خلال حاويته. 
  • عادة ما يكون الحجم أكبر من حجم المادة الصلبة المقابلة ، والاستثناء الأكثر شهرة هو الماء ، H2O. أعلى درجة حرارة يمكن أن يوجد عندها سائل معين هي درجة الحرارة الحرجة. 

غاز

  • المسافات بين جزيئات الغاز كبيرة جدًا. تحتوي جزيئات الغاز على روابط ضعيفة جدًا أو لا توجد روابط على الإطلاق. يمكن للجزيئات الموجودة في “الغاز” أن تتحرك بحرية وسرعة.
  • الغاز هو سائل قابل للانضغاط. لن يتطابق الغاز مع شكل الحاوية فحسب ، بل سيتوسع أيضًا لملء الحاوية.
  • في الغاز ، تمتلك الجزيئات طاقة حركية كافية بحيث يكون تأثير القوى بين الجزيئات صغيرًا (أو صفرًا للغاز المثالي) ، والمسافة النموذجية بين الجزيئات المجاورة أكبر بكثير من الحجم الجزيئي. الغاز ليس له شكل أو حجم محدد ، ولكنه يشغل الحاوية بأكملها التي يحصر فيها. يمكن تحويل السائل إلى غاز بالتسخين عند ضغط ثابت إلى نقطة الغليان ، أو عن طريق تقليل الضغط عند درجة حرارة ثابتة.
  • عند درجات حرارة أقل من درجة الحرارة الحرجة ، يسمى الغاز أيضًا بخار ، ويمكن تسييله بالضغط وحده دون تبريد. يمكن أن يوجد البخار في حالة توازن مع سائل (أو صلب) ، وفي هذه الحالة يكون ضغط الغاز مساويًا لضغط بخار السائل (أو الصلب).
  • المائع فوق الحرج (SCF) هو غاز تكون درجة حرارته وضغطه أعلى من درجة الحرارة الحرجة والضغط الحرج على التوالي. في هذه الحالة يختفي التمييز بين السائل والغاز. السائل فوق الحرج له الخصائص الفيزيائية للغاز ، ولكن
  • تضفي كثافته العالية خصائص مذيبة في بعض الحالات ، مما يؤدي إلى تطبيقات مفيدة. على سبيل المثال ، يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج لاستخراج الكافيين في صناعة القهوة منزوعة الكافيين.

بلازما

  • في البلازما ، تُمزق الإلكترونات بعيدًا عن نواتها ، وتشكل “بحرًا” إلكترونيًا. هذا يعطيها القدرة على توصيل الكهرباء.
  • مثل الغازات ، ليس للبلازما شكل أو حجم محدد. على عكس الغازات ، فإن البلازما موصلة للكهرباء وتنتج مجالات مغناطيسية وتيارات كهربائية وتستجيب بقوة للقوى الكهرومغناطيسية. تسبح النوى الموجبة الشحنة في “بحر” من الإلكترونات المنفصلة تتحرك بحرية ، على غرار الطريقة التي توجد بها هذه الشحنات في المعدن الموصل. في الواقع ، هذا “البحر” الإلكتروني هو الذي يسمح للمادة في حالة البلازما بتوصيل الكهرباء.
  • غالبًا ما يُساء فهم حالة البلازما ، لكنها في الواقع شائعة جدًا على الأرض ، ويراقبها غالبية الناس بشكل منتظم دون أن يدركوا ذلك. البرق والشرر الكهربائي ومصابيح الفلورسنت وأضواء النيون وتلفزيونات البلازما وبعض أنواع اللهب والنجوم كلها أمثلة على مادة مضيئة في حالة البلازما.
  • يتحول الغاز عادة إلى بلازما بإحدى طريقتين ، إما من فرق جهد كبير بين نقطتين ، أو بتعريضه لدرجات حرارة عالية للغاية.
  • يؤدي تسخين المادة إلى درجات حرارة عالية إلى مغادرة الإلكترونات للذرات ، مما يؤدي إلى وجود إلكترونات حرة. في درجات حرارة عالية جدًا ، مثل تلك الموجودة في النجوم ، يُفترض أن جميع الإلكترونات “حرة” ، وأن البلازما عالية الطاقة هي أساسًا نوى عارية تسبح في بحر من الإلكترونات.

تحولات المادة

  • يمكن أن تتغير حالة أو مرحلة مجموعة معينة من المادة اعتمادًا على ظروف الضغط ودرجة الحرارة ، والانتقال إلى مراحل أخرى حيث تتغير هذه الظروف لصالح وجودها ؛ على سبيل المثال ، التحولات الصلبة إلى سائل مع زيادة درجة الحرارة. بالقرب من الصفر المطلق ، توجد المادة كمادة صلبة. عند إضافة الحرارة إلى هذه المادة ، تذوب في سائل عند نقطة انصهارها ، وتغلي في غاز عند نقطة غليانها ، وإذا تم تسخينها بدرجة كافية ستدخل حالة بلازما حيث يتم تنشيط الإلكترونات بحيث تترك الذرات الأم.
  • تتميز حالة المادة أيضًا بانتقالات الطور. يشير انتقال الطور إلى تغيير في الهيكل ويمكن التعرف عليه من خلال تغيير مفاجئ في الخصائص. يمكن تعريف حالة المادة المتميزة على أنها أي مجموعة من الحالات متميزة عن أي مجموعة أخرى من الحالات من خلال انتقال الطور. يمكن القول أن الماء يحتوي على عدة حالات صلبة متميزة.  يرتبط ظهور الموصلية الفائقة بمرحلة انتقالية ، لذلك توجد حالات فائقة التوصيل. وبالمثل ، فإن الحالات المغناطيسية الحديدية يتم ترسيمها عن طريق انتقالات الطور ولها خصائص مميزة. عندما يحدث تغيير الحالة على مراحل ، تسمى الخطوات الوسيطة بالميزوفاس. تم استغلال هذه المراحل من خلال إدخال تقنية الكريستال السائل. 
  • يمكن أيضًا اعتبار أشكال المادة التي لا تتكون من جزيئات ويتم تنظيمها بواسطة قوى مختلفة حالات مختلفة للمادة. السوائل الفائقة (مثل مكثفات الفرميونات) وبلازما كوارك-غلوون هي أمثلة على ذلك.

تحول المادة من الصلب إلى سائل

  • الذوبان هو العملية التي تتحول فيها المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، حيث تبقى المادة صلبة حتى تصل إلى درجة حرارة تكون فيها الطاقات الحرة للمرحلة الصلبة والسائلة متساوية تمامًا، وفي هذه المرحلة، يكون للمرحلتين احتمالات توازن متساوية. إلا أن وصول المادة إلى هذه الدرجة هذا لا يعني أن المادة سوف تبدأ على الفور في الذوبان، بل للقيام بذلك تحتاج إلى المزيد من الطاقة، وذلك انطلاقًا من أن الطور السائل يحتوي على طاقة أعلى من الطور الصلب.
  • عند وصول المادة الصلبة إلى هذه المرحلة يمكن أن يتم تحويل المادة إلى السيولة من خلال إضافة المزيد من الحرارة، وستلاحظ أن درجة الحرارة لن ترتفع، وبدلاً من ذلك، تتحول المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة، بينما تظل درجة الحرارة ثابتة. وتستمر هذه العملية حتى يذوب كل الجليد، عندها يمكن أن تبدأ درجة الحرارة في الارتفاع مرة أخرى، ويسمى فرق الطاقة بين المرحلتين الحرارة الكامنة للانتقال؛ إنها كمية “الحرارة الزائدة” التي يجب أن تضيفها إلى النظام لتحويل مرحلة إلى أخرى، فالحرارة الزائدة لا تساهم في تغيير درجة الحرارة، وفي أي وقت تلاحظ فيه حرارة كامنة، فهذه علامة أكيدة على حدوث انتقال طوري.

تحول المادة من السائل الى غاز

يحدث التبخر عند تسخين سائل، وعلى سبيل المثال، عندما تسخن الشمس الماء في بركة فإن البركة سوف تتقلص ببطء، فيبدو لك أن الماء يختفي، لكنه في الواقع ينتقل إلى الهواء كغاز يسمى بخار الماء، وهذا عبارة عن مثال يشرح عملية التبخر. فعندما يتم غليان الماء تتحرك جميع الجزيئات في السائل، والبعض يتحرك أسرع من البعض الآخر، وبشكل عام عندما تمتص الجزيئات الموجودة على سطح السائل الحرارة فإنها تبدأ في التحرك بسرعة أكبر مما يمنحها الطاقة اللازمة لكسر الروابط التي تربطهم بجزيئات الماء الأخرى، وعندما تتحرك الجزيئات بسرعة كافية فإنها تكون قادرة على الهروب؛ أي أنها تترك سطح السائل على هيئة جزيئات غاز.

تحول المادة من الغاز إلى سائل

التكاثف هو العملية التي تتحول المادة من خلالها من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة، ويمكن رؤية مثال على التكاثف عندما تتشكل قطرات من الماء على السطح الخارجي لكوب من الماء المثلج؛ حيث يبدو للناظر أن القطرات تظهر من العدم، إلا أنها تتكون في الواقع من بخار الماء الموجود في الهواء. كما أن الندى الذي يتشكل على العشب بين عشية وضحاها هو مثال آخر على التكثيف. ومن الجدير بالذكر أن التكيف يحدث عندما تبرد جزيئات الغاز، فعندما تفقد الجزيئات الحرارة، فإنها تفقد الطاقة وتتباطأ، فتقترب من جزيئات الغاز الأخرى، ثم أخيرًا تتجمع هذه الجزيئات معًا لتشكيل سائل.

تحول المادة من السائل إلى الصلب

  • التصلب والمعروف أيضًا باسم التجميد هو عبارة عن عملية تغيير طور للمادة ينتج عنه إنتاج مادة صلبة، وبشكل عام، يحدث هذا عندما تنخفض درجة حرارة السائل إلى ما دون نقطة التجمد. على الرغم من أن درجة التجمد ونقطة الانصهار لمعظم المواد هي نفس درجة الحرارة، فإن هذا ليس هو الحال بالنسبة لجميع المواد، لذا فإن نقطة التجمد ونقطة الانصهار ليست بالضرورة مصطلحات قابلة للتبادل. على سبيل المثال، الأجار – وهي مادة كيميائية تستخدم في الطعام والمختبر- يذوب عند 85 درجة مئوية (185 فهرنهايت) ومع ذلك يتجمد من 31 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية (89.6 فهرنهايت إلى 104 فهرنهايت).
  • دائمًا ما يكون التصلب عملية طاردة للحرارة، مما يعني إطلاق الحرارة عندما يتحول السائل إلى مادة صلبة، إلا أن الاستثناء الوحيد المعروف لهذه القاعدة هو تصلب الهيليوم منخفض الحرارة؛ بحيث يجب إضافة الطاقة (الحرارة) إلى الهيليوم 3 والهيليوم 4 حتى يحدث التجميد. وفي ظل ظروف معينة، قد يتم تبريد السائل تحت درجة التجمد، ولكن لا ينتقل إلى مادة صلبة، ويُعرف هذا باسم التبريد الفائق ويحدث لأن معظم السوائل تتبلور لتتجمد، ومن الممكن ملاحظة التبريد الفائق بسهولة عن طريق تجميد الماء بعناية، ويمكن أن تحدث هذه الظاهرة عندما يكون هناك نقص في مواقع التنوي الجيدة التي يمكن أن يبدأ التصلب منها، مع العلم أن التنوي هو عبارة ترتب جزيئات في مجموعات منظمة، وبمجرد حدوث التنوي يتقدم التبلور حتى يحدث التصلب.

تحول المادة من صلب الى غاز

التسامي العملية التي يتم من خلالها تحول المادة من المرحلة الصلبة إلى المرحلة الغازية للمادة مباشرة، مع عدم وجود مرحلة سائلة وسيطة. وغالبًا ما يستخدم التسامي لوصف عملية تحول الثلج والجليد إلى بخار ماء في الهواء دون أن يذوب أولاً في الماء. وإنه ليس من السهل رؤية حدوث التسامي، على الأقل ليس من خلال تحول البخار إلى الجليد، وفي الواقع تعد أفضل طريقة لتصور التسامي هي عدم استخدام الماء على الإطلاق واستخدام ثاني أكسيد الكربون بدلًا من ذلك؛ لأن واحد من أهم التطبيقات على التسامي ما يعرف باسم الثلج الجاف الذي يكون في الواقع مادة صلبة عبارة عن ثاني أكسيد الكربون المجمد، والذي يحدث له أنه يتسامى أو يتحول إلى غاز في درجة حرارة باردة -78.5 درجة مئوية (-109.3 درجة فهرنهايت).

تحول المادة من غاز الى صلب

هو عملية معاكسة لعملية التسامي، فهي تمثل تحول بخار الماء مباشرة إلى جليد من غير أن تمر بمرحلة السيولة بين الحالتين الصلبة والغازية، ومن الأمثلة على هذه العملية تكون رقاقات الثلج والصقيع في الطرقات على الرغم من عدم وجود الماء، وهذا هو أشهر الأمثلة عليها في الحياة اليومية.

في الختام, فإن معرفة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمواد أمر بالغ الاهمية في فهم هذه المواد, وطريقة الاستفادة منها في حياتنا اليومية.

Check Also

أفضل عشر كتب في الطب

تعتبر مهنة الطب من أقدم المهن على الأرض, فوجود الأمراض ومحاولة علاجها أمر قديم ظهر …