حالات المادّة

للمادّة ثلاث حالات أساسيّة: صلبة، سائلة وغازيّة. في إطار البرنامج الدراسيّ، سنتطرّق إلى هذه الحالات.
بالرغم من ذلك، تجدر الإشارة إلى أنّ هناك حالات إضافيّة للمادّة، مثل البلازما. هناك أيضًا حالات (فازات) إضافيّة مثل المحاليل على أنواعها.

تعريف حالات المادّة الأساسيّة الثلاث: الصلبة، السائلة والغازيّة، ليس مُطلقًا. هناك مواد مختلفة مُدرَجة ضمن هذا التعريف الأساسيّ، وهناك مواد غير مُدرجَة فيه.

مثال: الزجاج، الذي يبدو صلبًا. بيَّنَ فحص علميّ أجريَ على الزجاج أنه لا يتلاءم بشكل مُطلق مع تعريف المادّة الصلبة (سنشرح السبب في الفصول المتقدّمة).
في هذا الفصل، سنتطرّق إلى المادّة الصلبة البلّوريّة.

كما ذكرنا، للمادّة ثلاث حالات أساسيّة: صلبة، سائلة وغازيّة.
نلخّص مميّزات حالات المادّة المختلفة في الجدول التالي:

في المادّة الصلبة البلّوريّة، الجُسَيمات المرتبة في مبنًى ذي ترتيب ودوريّة عالية، تكون جُسَيمات المادّة كثيفة ويكون بينها تجاذُب؛ تتحرّك الجُسَيمات بحركة غير محسوسة وغير مرئيّة للعين، وتسمّى حركة ذبذبة. وهي حركة اهتزازيّة.

في الحالة السائلة، البُعد بين جُسَيمات المادّة أكبر بالمقارنة مع المادّة الصلبة؛ التجاذُب بين جُسَيمات المادّة أضعف، ممّا يتيح المجال لحركة الجُسَيمات بشكل أكبر. جُسَيمات المادّة “تحتكّ” ببعضها البعض وتتحرّك بحركة دورانيّة، بالإضافة إلى حركة ذبذبة. تأخذ اليمكن أن تتحوّل المادّة من حالة إلى أخرى من خلال إضافة طاقة من البيئة المحيطة إلى المادّة، أو من خلال إطلاق طاقة من المادّة إلى البيئة المحيطة القريبة منها.

شكل حرّ في الفراغ الذي تتواجد فيه. هذه الحركة تسمّى إزاحة، أو من الحالة السائلة إلى الحالة الغازيّة، يجب بذل طاقة. الطاقة مطلوبة لتفكيك الروابط بين جُسَيمات المادّة.

عندما تتحوّل المادّة من الحالة الغازيّة إلى الحالة السائلة، أو من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، يتمّ إطلاق طاقة، وذلك بسبب تكوُّن روابط بين جُسَيمات المادّة.

لكلّ واحد من تحوُّلات المادة يوجد اسم ودرجة حرارة تميّزه.

عملية الانصهار (أو الصهر) هي تحوُّل المادّة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة.
تتمّ صياغة العمليّة التي تصف تحوُّل المادّة A من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة على النحو التالي:

A_(s)     →    A_(ℓ)

لعمليّة الانصهار درجة انصهار خاصة. لكلّ مادّة توجد درجة انصهار خاصّة في الضغط الجوّيّ. درجة الحرارة هذه متعلّقة بقوّة الروابط بين جُسَيمات المادّة.

عملية الغليان هي تحوُّل المادّة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازيّة.
تتمّ صياغة العمليّة التي تصف تحوُّل المادّة A من الحالة السائلة إلى الحالة الغازيّة على النحو التالي:

A_(ℓ)      →       A_(g)

لعمليّة الغليان درجة غليان خاصّة. لكلّ مادّة توجد درجة غليان خاصّة في الضغط الجوّيّ. درجة الحرارة هذه متعلّقة بقوّة الروابط بين جُسَيمات المادّة.

درجة الانصهار – Tm.
درجة الغليان – Tb.

تجدر الإشارة إلى أنّه قد تحدُث أيضًا عمليّات عكسيّة للعمليّات المذكورة أعلاه.

عمليّة التكثيف التي يتحوّل فيها الغاز إلى سائل

A_(g)       →       A_(ℓ)

تحدُث عمليّة التكثيف بنفس درجة الحرارة التي تحدُث فيها عمليّة الغليان.

عمليّة التجمُّد (التصلُّب)

A_(ℓ)     →     A_(s)

تحدُث هذه العمليّة بنفس درجة الحرارة التي تحدُث فيها عمليّة الانصهار.
لو تمكّنّا من الحفاظ على درجة حرارة ثابتة 0°C في وعاء يحتوي على ماء الثلج (وهو ماء وصلب أيضًا)، فسيتمّ الحفاظ على حالة المادّة السائلة والثلج (الماء في الحالة الصلبة) طالما تمّ الحفاظ على درجة الحرارة. لو برّدنا ماء الثلج، سيتجمّد الماء. لو سخّنّا ماء الثلج، سينصهر الثلج ويتحوّل إلى سائل.

هناك مواد تتحوّل من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازيّة مباشرةً. هذه العمليّة تسمّى التسامي، وتتمّ صياغتها على النحو التالي:

A_(s)      →        A_(g)

أمثلة على مواد تمرّ بعمليّة التسامي: اليود وثاني أكسيد الكربون الصلب، المعروف بـ “الثلج الجاف”.

بواسطة المعطيات عن درجة انصهار ودرجة غليان المادّة، يمكن أن نُحدّد حالتها في درجات حرارة مختلفة.
على سبيل المثال، إذا كانت معطاة لنا المادّة X ومعلوم لنا أنّ درجة انصهارها (Tm) هي 28°C ودرجة غليانها هي 75°C، يمكننا أن نحدّد حالتها في درجة حرارة 32°C.

كيف يمكننا أن نحدّد حالة المادّة X في درجة حرارة 32°C بمساعدة المعطيات المعلومة لنا عنها؟
نرسم رسمًا بيانيًّا يظهر عليه محور درجة الحرارة. نشير أوّلًا إلى درجة انصهار ودرجة غليان المادّة.