المادة
المادة (بالإنجليزية: Matter) هي كل ما يحيط بالإنسان، سواء كان ذلك ملموسًا أو غير ملموس، ولكن يمكن التعرف عليه وإدراكه؛ حيث تحتوي على كثافة وكتلة وشكل. وتتكون المادة من جسيمات صغيرة جدًا تُعرف بالذرات (بالإنجليزية: Atoms)، التي لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة وتحتاج إلى الفحص المخبري. تتكون المادة إما من نوع واحد من العناصر (بالإنجليزية: Elements) أو من اتحاد عدة عناصر لتكوين المركب (بالإنجليزية: Compound)، حيث إن هذه العناصر تتألف من ذرات فردية، أو جزيئات (بالإنجليزية: Molecules) التي تنشأ من اتحاد أكثر من ذرة.
حالات المادة
تُصنف المادة بناءً على الحالة الفيزيائية التي توجد فيها إلى:
- الحالة الصلبة (بالإنجليزية: Solid State): حيث تكون مكونات المادة متقاربة بشكل كبير ومترابطة، مما يُنتج قوة ترابط قوية بين الذرات أو الجزيئات، مما يجعل تحركها صعبًا. تحتفظ المواد الصلبة بشكل معين ولا يمكن تغيير ذلك بسهولة إلا في ظروف معينة، مثل الحجارة والأخشاب. تجدر الإشارة إلى أن ذرات المادة الصلبة تهتز وتتحرك باستمرار، لكن هذه الحركة غير مرئية.
- الحالة السائلة (بالإنجليزية: Liquid State): في هذه الحالة، تكون مكونات المادة أقل تماسكًا مقارنة بالحالة الصلبة، حيث يستطيع الذرات الحركة بسهولة بسبب ضعف قوة الترابط بينها. وتتميز السوائل بعدم وجود شكل ثابت، بل تتخذ شكل الوعاء الذي تحتوي عليه، ولكل سائل لزوجة مختلفة تميزه.
- الحالة الغازية (بالإنجليزية: Gaseous State): تكون الذرات في هذه الحالة متحركة عشوائيًا وبحرية كاملة، وتتميز الغازات بعدم امتلاك شكل أو حجم محددين مثل الحالة الصلبة أو السائلة، ولكن يمكن ضغطها في وعاء مثل البالونات والإطارات وغيرها.
- البلازما (بالإنجليزية: Plasma state): هي نوع من الغاز المتأين، مثل الغازات الناتجة عن البرق أو الموجودة على سطح الشمس، حيث تكون الإلكترونات حرة وغير مرتبطة بالبروتونات والنيوترونات. تتكون حالة البلازما عند تعريض الغاز لحرارة وطاقة معينة تؤدي إلى انفصال الإلكترونات.
كيفية قياس المادة
قياس كتلة المادة ووزنها
تعرف الكتلة (بالإنجليزية: Mass) بأنها مقدار فيزيائي يعبر عن كمية المادة الموجودة في جسم معين، وتقاس بالكيلوغرام وفق النظام العالمي للوحدات. في المقابل، الوزن (بالإنجليزية: Weight) هو مقدار قوة الجاذبية التي تؤثر على الجسم وفقًا لما ذكره العالم الفيزيائي نيوتن. لذا تُعتبر كتلة المادة مقدارًا ثابتًا لكمية محددة منها، بينما الوزن هو مقدار متغير يعتمد على موقع المادة.
تُقاس الكتلة والوزن باستخدام أدوات مختلفة تعتمد على الدقة والسعة. ومن الأدوات الشائعة لقياس الكتلة، الميزان ثلاثي الأذرع، بينما الوزن يُقاس بواسطة الموازين، ومنها الميزان الزنبركي الذي يحدد مقدار التمدد في السلك الزنبركي لقياس الوزن. يُعبر القانون التالي عن العلاقة بين الوزن والكتلة:
الوزن = الكتلة × تسارع جاذبية الأرض
ملاحظة: تسارع الجاذبية الأرضية ثابت ويساوي 9.8 م/ث².
قياس حجم المادة
حجم المادة (بالإنجليزية: Volume) هو مقدار الفراغ الذي تشغله المادة، ويُقاس بالمتر المكعب وفق النظام العالمي للوحدات. يتم قياس حجم المادة المخبرية عندما تكون الحالة سائلة باستخدام أدوات مثل المخبار المدرج أو الكوب المدرج، بينما يُستخدم أسلوب آخر لقياس حجم الأجسام ذات الأشكال المنتظمة بناءً على قوانين رياضية معينة. أما بالنسبة للأجسام غير المنتظمة، فلا يمكن قياس حجمها بدقة إلا إذا كانت صغيرة، وذلك بوضعها في ماء معروف الحجم وحساب الزيادة في الحجم بعد غمرها، حيث يُعتبر الفرق بين الحجمين قياسًا لحجم الجسم.
قياس كثافة المادة
كثافة المادة (بالإنجليزية: Density) تشير إلى مقدار تركيز المادة في الحجم الذي يشغله الجسم. تستند العلاقة بين الكتلة والحجم والكثافة وأحيانًا تُحسب وفق القانون التالي:
كثافة المادة = الكتلة / الحجم
وتعبر الكثافة بوحدات كغ/م³ طبقًا للنظام العالمي للوحدات.
قياس الكتلة الذرية
الكتلة الذرية (بالإنجليزية: Atomic Mass) هي مجموع البروتونات والنيوترونات الموجودة في نواة الذرة، وتُقاس النسبة المئوية للكتلة الذرية لمادة معينة نسبةً إلى الكتلة الذرية لنظير الكربون 12. وحدة الكتلة الذرية تساوي 12/1 من كتلة ذرة الكربون 12، وتُحتسب الكتلة الذرية كما يلي:
الكتلة الذرية لذرة معينة = (12/1) × (كتلة ذرة العنصر / كتلة ذرة نظير الكربون 12)
أما متوسط الكتلة الذرية فهو الكتلة الذرية للعنصر عند وجود عدة نظائر، وتظهر هذه القيمة في الجدول الدوري للعناصر، وتحسب عموماً كما يلي:
متوسط الكتلة الذرية = (كتلة النظير الأول × نسبة وجوده + كتلة النظير الثاني × نسبة وجوده) / 100
قياس عدد المولات
يُعرف المول (بالإنجليزية: Mole) ككمية من المادة تحتوي على عدد يعادل 6.02 × 10^23 من الجزيئات أو الذرات، ويُعرف هذا العدد بعدد أفوجادرو نسبةً إلى العالم الإيطالي أميدو أفوجادرو. كما يساوي عدد المولات عدد الذرات أو الجزيئات في 12 غرامًا من نظير الكربون 12، ويمكن حسابه حسب المعادلات التالية:
عدد المولات = عدد الذرات / عدد أفوجادرو
أو عدد المولات = الكتلة / الكتلة المولية
قياس الكتلة المولية
الكتلة المولية (بالإنجليزية: Molar Mass) تعني كتلة الجسيمات الموجودة في مول واحد من المادة. فمول واحد من الحديد يُعتبر مكافئًا لمول واحد من الذهب، حيث إن كانت المادة تتكون من ذرات، فإن الكتلة المولية هي كتلة تلك الذرات بالجرام في مول واحد. وإذا كانت المادة ذات جزيئات، فتُحتسب الكتلة المولية اعتمادًا على كتلة الذرات المختلفة الموجودة في مول واحد منها، وتحسب باستخدام المعادلة التالية:
الكتلة المولية = الكتلة / عدد المولات
الجدول الدوري للعناصر
في علم الكيمياء، يُعتبر الجدول الدوري للعناصر تجمعًا للعدد الذري والكتلي للعناصر المكتشفة في الطبيعية. يتكون من 18 عمودًا يُسمى كل منها مجموعة، و7 صفوف أفقية تُعرف بالدورات، حيث تلتقي العناصر المتشابهة في الصفات الفيزيائية والكيميائية في مجموعة واحدة. ينقسم الجدول إلى قسمين: قسم يحتوي على العناصر الممثلة (A)، وآخر يحوي العناصر الانتقالية (B).
أمثلة على قياس المادة
- مثال (1): احسب كتلة جسم وزنه 14 نيوتن.
الحل:
الكتلة = الوزن / تسارع الجاذبية الأرضية
الكتلة = 14 / 9.8
الكتلة ≈ 1.428 كغ
- مثال (2): احسب كثافة جسم كتلته 20 كغ وحجمه 4 لترات.
الحل:
الكثافة = الكتلة / الحجم
الكثافة = 20 / 4
الكثافة = 5 كغ/لتر
- مثال (3): احسب كتلة ذرة واحدة من الفضة بوحدة الغرام.
الحل:
بالرجوع إلى الجدول الدوري، نجد أن كتلة عنصر الفضة هي 107.9 غ.
وكون 1 مول من الفضة يحتوي على 6.02 × 10^23 من الذرات، فإنه:
عدد المولات = عدد الجسيمات / عدد أفوجادرو
عدد المولات = 1 / 6.02 × 10^23
عدد المولات ≈ 1.66 × 10^-24
عدد المولات = الكتلة / الكتلة المولية
الكتلة = عدد المولات × الكتلة المولية
الكتلة ≈ (1.66 × 10^-24) × 107.9
الكتلة ≈ 1.791 × 10^-24 غ