الحالة الصلبة

• أتعرف خصائص المادة في الحالة الصلبة.
• أصنف المواد الصلبة البلورية إلى أنواعها الرئيسة، وأميّز بين صفاتها.

المادة الصلبة: لماذا تحتفظ بشكلها وحجمها؟

سنتعرف في هذا الدرس نوع الجسيمات المكوّنة للمواد الصلبة البلورية، ونوع الروابط أو قوى الترابط بينها، وخصائصها الفيزيائية.

• جسيمات المادة الصلبة (ذرات، جزيئات، أيونات) متقاربة جدًا، وقوى التجاذب بينها كبيرة.
• لذلك تترتب في أماكن محددة لا تغادرها، وتتحرك في أماكنها حركة اهتزازية.
• الكثافة عالية، والمادة الصلبة غير قابلة للانضغاط أو الجريان؛ مما يعني أنها ذات شكل وحجم ثابتين.
• عند التسخين تهتز الجسيمات على نحو أسرع، ومع زيادة طاقتها الحركية يضعف التجاذب بينها فتتحول المادة إلى الحالة السائلة.

• تترتب جسيمات المواد الصلبة بطريقتين:

• أمثلة على البلورية: الذهب، والماس، وكلوريد الصوديوم.

• أمثلة على غير البلورية: البلاستيك والزجاج.

ما الفرق بين المواد الصلبة البلورية وغير البلورية؟

أوضح المقصود بكل مما يأتي: المادة الصلبة البلورية، والمادة الصلبة غير البلورية.

أوضّح الأنواع الرئيسة للمواد الصلبة البلورية.

أحدد الروابط أو قوى الترابط الموجودة في كل نوع من المواد الصلبة البلورية: الأيونية، والفلزية، والجزيئية، والشبكية التساهمية.

أوضح المقصود بالمواد الصلبة الجزيئية.

أمثلة: نحدد النوع من الخصائص ومن الصيغة

1. اجمع الخصائص: ماذا تذكر المسألة عن الصلابة ودرجة الانصهار والتوصيل الكهربائي في الحالة الصلبة وعند الصهر أو الإذابة؟
2. قارن بالجدول: طابق الخصائص مع صفوف جدول أنواع المواد الصلبة، فلكل نوع خصائص مميزة.
3. إن أُعطيت صيغة: حدّد نوع جسيماتها: ذرات فلز، أو أيونات، أو ذرات ترتبط بروابط تساهمية، أو جزيئات.
4. علّل: اربط النوع بالرابطة التي تفسّر خصائصه، كما في حل المثالين.

البلورية: على أي أساس تُصنَّف؟

• تتكوّن المواد الصلبة البلورية من جسيمات: ذرات أو جزيئات أو أيونات.
• صُنّفت إلى أربعة أنواع بناءً على نوع الروابط أو قوى الترابط بين جسيماتها.

فما الأنواع الأربعة، وما الذي يميّز كل نوع؟

الجزيئية: جزيئات تمسكها قوى ضعيفة

• صفاتها المشتركة: درجات انصهار منخفضة، وهي غير موصلة للتيار الكهربائي.
• السبب: جسيماتها المكوّنة متعادلة الشحنة، وترتبط مع بعضها بقوى تجاذب ضعيفة.
• بلورة اليود تتكوّن من جزيئات اليود $\text{I}_2$ المتعادلة التي ترتبط بقوى لندن الضعيفة.
• لذلك درجة انصهارها منخفضة، وبلوراتها غير موصلة للتيار الكهربائي.

• الجليد تترابط جزيئاته بروابط هيدروجينية؛ إذ يرتبط كل جزيء $\text{H}_2\text{O}$ بأربعة جزيئات أخرى.
• ويكون كل جزيء في البلورة مركزًا لرباعي أوجه منتظم.

• داخل الجزيء الواحد (الكرة الواحدة): ترتبط ذرات الكربون بروابط تساهمية.
• ترتبط كل ذرة كربون بثلاث ذرات أخرى، مكوّنة حلقات خماسية وسداسية مرتبطة مع بعضها لتشبه كرة القدم.

• بين الجزيئات (الكرات): تترابط بقوى لندن الضعيفة، مكوّنة بلورات إبرية الشكل سوداء اللون.
• غير موصلة للتيار الكهربائي؛ لأنها تتكوّن من جزيئات متعادلة.

ما نوع الروابط بين ذرات الكربون داخل الجزيء الواحد من بكمنسترفولرين؟ وما نوع قوى التجاذب بين جزيئاته؟

إحدى العبارات التالية ليست من صفات مادة بكمنسترفولرين:

• أ. تكوّن بلورات إبرية الشكل.

• ب. ترتبط ذراتها مكوّنة حلقات سداسية مرتبطة ببعضها.

• ج. غير موصلة للتيار الكهربائي.

• د. تتكون من ذرات الكربون.

الشبكية التساهمية: ذرات في شبكة واحدة

• الماس يتكوّن من ذرات الكربون؛ ترتبط كل ذرة كربون بأربع روابط تساهمية مع أربع ذرات كربون أخرى.
• وتكون كل ذرة مركزًا لرباعي أوجه منتظم.

• الماس عالي القساوة، ودرجة انصهاره مرتفعة.
• وهو غير موصل للتيار الكهربائي؛ نظرًا إلى أن إلكتروناته مقيدة غير حرة الحركة.
• يُعدّ الماس أكثر المواد الطبيعية قساوة؛ لذا يُستخدم في صناعة أدوات القطع والقص.
• الغرافيت شكل آخر من البلورات يكوّنه الكربون؛ ترتبط كل ذرة كربون بثلاث ذرات كربون أخرى.
• فتشكّل حلقات سداسية الشكل، وتشكّل هذه الحلقات مع بعضها طبقات رقيقة.

• الكوارتز $\text{SiO}_2$ مثال آخر؛ تشبه بلورته بلورة الماس، وترتبط كل ذرة سليكون بأربع ذرات أكسجين.
• وهو أيضًا شديد القساوة، ولكنه أقل قساوة من الماس.

• تتميز المواد الصلبة الشبكية التساهمية بالقساوة وبدرجات انصهار مرتفعة؛ نظرًا إلى قوة الروابط التساهمية بين ذراتها.
• وهي غير موصلة للتيار الكهربائي في حالتي الصلابة والسيولة على نحو عام.

الفلزية: أيونات موجبة في بحر من الإلكترونات

• تشترك المواد الصلبة الفلزية بمجموعة من الصفات، منها:
• متفاوتة في درجات انصهارها ومرتفعة بوجه عام.
• موصلة للتيار الكهربائي.
• قابلة للطرق والسحب.
• السبب في هذه الصفات هو الرابطة الفلزية بين ذراتها.
• تخيّل بلورة الفلز كأنها صفوف من الأيونات الموجبة مغمورة في بحر من الإلكترونات السالبة حرة الحركة.

• قابلية الطرق والسحب: الطرق على صفوف الأيونات الموجبة يجعلها تنزلق مبتعدة عن بعضها، ولكنها تبقى مترابطة بفعل تجاذبها مع الإلكترونات الحرة.
• ومن ثم يمكن تشكيلها صفائح أو أسلاكًا أو قضبانًا.
• التوصيل الكهربائي: يرجع لبحر الإلكترونات السالبة حرة الحركة في البلورة.
• سبب صلابتها ودرجات انصهارها المرتفعة عائد إلى قوة الرابطة الفلزية.

أفسّر قابلية المواد الصلبة الفلزية للطرق والسحب.

الأيونية: شديدة الصلابة لكنها هشّة

• من الأمثلة عليها: كلوريد البوتاسيوم $\text{KCl}$ وأكسيد الكالسيوم $\text{CaO}$.

• الرابطة الأيونية رابطة قوية؛ لذلك فإن المواد الصلبة الأيونية ⁦Ionic Solids⁩ شديدة الصلابة ودرجات انصهارها مرتفعة.
• فمثلًا؛ درجة انصهار $\text{KCl}$ هي $770\ °\text{C}$، ودرجة انصهار $\text{CaO}$ هي $2572\ °\text{C}$.
• هشّة رغم شدة صلابتها؛ فإذا تعرضت البلورات للطرق تحركت (انزلقت) أيوناتها بالنسبة إلى بعضها بعضًا.
• فتتقارب الأيونات المتشابهة في الشحنة فتتنافر، وهو ما يؤدي إلى تحطّم البلورة.

• لا توصل المواد الصلبة الأيونية التيار الكهربائي؛ لأن أيوناتها غير حرة الحركة.
• أما عند صهرها أو إذابتها في الماء فتصبح أيوناتها حرة الحركة؛ لذلك توصل محاليلها ومصاهيرها التيار الكهربائي.

أفسّر: رغم صلابة المركبات الأيونية إلا أنها هشّة.

كيف نعرف نوع المادة الصلبة؟

• تُستخدم الخصائص الفيزيائية للبلورة الصلبة في توقع نوع المادة: جزيئية أو شبكية تساهمية أو فلزية أو أيونية.
• ويمكن معرفة النوع من خلال معرفة نوع الجسيمات المكوّنة لها والروابط بينها.
• الجدول (5) يوضح أنواع المواد الصلبة والخصائص العامة لكل نوع.

البلازما: الحالة الرابعة للمادة

• تتكوّن البلازما نتيجة درجات الحرارة التي تزيد على آلاف عدة من درجات سلسيوس.
• توجد طبيعيًا في الشمس والنجوم والمجرات والسُّدُم، وكذلك يمكن تحضيرها صناعيًا.
• عند حدوث البرق تتأين جزيئات الهواء فتتكوّن البلازما.

• تشبه الغازات في أنه ليس لها حجم أو شكل ثابتان.
• ولكن قوى التجاذب الكبيرة بين مكوّناتها تكسبها خصائص غير متوقعة مثل توصيل التيار الكهربائي.
• وهذا المزيج من الخصائص هو ما جعلها تُصنّف حالة رابعة للمادة.

محوّل النفايات: كيف نستثمر البلازما؟

• محوّل النفايات البلازمي ⁦(Plasma Waste Converter)⁩ يتعامل مع معظم مخلفات المواد بما فيها المواد الخطرة.
• تعمل الطاقة المختزنة في البلازما على كسر الروابط بين جزيئات النفايات فتتفكك إلى العناصر المكوّنة لها.
• النواتج النهائية نوعان: ناتج غازي غني بغاز الهيدروجين، وناتج صلب يطلق عليه الخبث.
• النفايات العضوية تخرج على شكل ناتج غازي، أما غير العضوية فتخرج على شكل ناتج صلب.
• يستفاد من غاز الهيدروجين الناتج كوقود، ويُستخدم الناتج الصلب في صناعة الكونكريت (الإسمنت) والأسفلت.