أهداف التعلم

• أن يعرّف الطالب المادة وحالاتها الثلاث الرئيسية.
• أن يوضّح الطالب النظرية الحركية الجزيئية للمادة ويستخدمها في تفسير خواص كل حالة.
• أن يقارن الطالب بين الحالة الصلبة والسائلة والغازية من حيث الشكل والحجم وقابلية الانضغاط.
• أن يستنتج الطالب العلاقة بين طاقة حركة الجسيمات وقوى الترابط بينها في كل حالة.
• أن يتعرّف الطالب على الحالة البلازمية باعتبارها حالة رابعة للمادة.

شرح الدرس

مفهوم المادة

المادة هي كل ما له كتلة ويشغل حيزًا من الفراغ (له حجم). وتتكون كل صور المادة من جسيمات دقيقة جدًا (ذرات أو جزيئات) لا تُرى بالعين المجردة، وهذه الجسيمات في حالة حركة مستمرة، وتوجد بينها قوى تجاذب تُعرف بقوى الترابط. وتوجد المادة في الطبيعة في ثلاث حالات رئيسية: الصلبة، والسائلة، والغازية، ويحدد نوع الحالة مدى قوة الترابط بين الجسيمات مقارنة بطاقة حركتها.

النظرية الحركية الجزيئية للمادة

تقوم هذه النظرية على مجموعة من الأفكار الأساسية:

• تتكون المادة من جسيمات (ذرات أو جزيئات) صغيرة جدًا ومتباعدة عن بعضها بمسافات.
• هذه الجسيمات في حالة حركة دائبة ومستمرة لا تتوقف؛ وتزداد سرعة حركتها كلما ارتفعت درجة الحرارة.
• توجد قوى تجاذب (تماسك) بين الجسيمات، تحاول تقريبها من بعضها، بينما تحاول حركتها الحرارية إبعادها عن بعضها.
• حالة المادة (صلبة/سائلة/غازية) تتحدد بمدى تغلّب قوى الترابط على طاقة الحركة الحرارية للجسيمات، أو العكس.

الحالة الصلبة

في المواد الصلبة تكون قوى الترابط بين الجسيمات قوية جدًا وأكبر من طاقة حركتها، لذلك ترتبط الجسيمات في أوضاع شبه ثابتة (متراصة ومرتبة بانتظام في الغالب) ولا تتحرك حركة انتقالية بل تهتز فقط حول أوضاعها الثابتة. ولذلك تتميز المواد الصلبة بأن لها:

• شكلًا ثابتًا لا يتغير بتغيير الإناء الموضوعة فيه.
• حجمًا ثابتًا لا يتغير بسهولة.
• قابلية ضعيفة جدًا للانضغاط؛ لأن الجسيمات متقاربة جدًا ولا توجد فراغات كافية بينها لتقترب أكثر.

الحالة السائلة

في السوائل تكون قوى الترابط بين الجسيمات متوسطة القوة؛ أضعف من الحالة الصلبة لكنها لا تزال كافية لإبقاء الجسيمات متقاربة نسبيًا، إلا أن الجسيمات تمتلك طاقة حركة كافية لتنزلق فوق بعضها بحرية نسبية. ولذلك تتميز السوائل بأن لها:

• شكلًا متغيرًا يأخذ شكل الإناء الذي يوضع فيه.
• حجمًا ثابتًا تقريبًا لا يتغير بسهولة عند تغيير الإناء.
• قابلية ضعيفة للانضغاط (أقل انضغاطًا من الغازات وأكثر قليلًا من الصلبة) بسبب تقارب الجسيمات نسبيًا.

الحالة الغازية

في الغازات تكون قوى الترابط بين الجسيمات ضعيفة جدًا أو شبه منعدمة مقارنة بطاقة حركتها، فتتحرك الجسيمات حركة عشوائية وحرة تمامًا وبسرعات كبيرة، وتكون المسافات بينها كبيرة جدًا مقارنة بحجم الجسيمات نفسها. ولذلك تتميز الغازات بأن لها:

• شكلًا متغيرًا يأخذ شكل الإناء الحاوي له تمامًا.
• حجمًا متغيرًا؛ إذ يتمدد الغاز ليملأ كل الحيز المتاح له مهما كان حجم الإناء.
• قابلية كبيرة جدًا للانضغاط بسبب المسافات الواسعة بين الجسيمات التي يمكن تقليصها بالضغط.

مقارنة عامة بين الحالات الثلاث

الحالة البلازمية (إثرائي)

بالإضافة إلى الحالات الثلاث المعروفة، توجد حالة رابعة للمادة تُسمى البلازما، وتنتج عند تسخين الغاز لدرجات حرارة عالية جدًا حتى تتأين ذراته (تفقد إلكتروناتها)، فتتكون من جسيمات مشحونة كهربيًا. وتوجد البلازما في النجوم مثل الشمس، وفي مصابيح النيون، والبرق.

أسئلة للتدريب

• وضّح بالنظرية الحركية الجزيئية سبب ثبات شكل وحجم المواد الصلبة.
• لماذا تكون الغازات قابلة للانضغاط بدرجة كبيرة بعكس السوائل والصلبة؟
• قارن بين قوى الترابط بين الجسيمات في الحالات الثلاث للمادة.
• ما الحالة الرابعة للمادة، وكيف تتكون؟