الدرس الثاني: الجزيئات والمسافات البينية وقوى التماسك الجزيئية وتحولات المادة
تتألف المادة من وحدات بنائية متناهية الصغر تسمى الجزيئات، والجزيء هو أصغر جزء من المادة يمكن أن يوجد على حالة انفراد وتتضح فيه خواص وتصرفات المادة الكيميائية والفيزيائية بالكامل. تتجلى في جزيئات المادة ثلاثة خصائص جوهرية تحكم بنيتها وسلوكها: أولاً أنها في حالة حركة مستمرة مستديمة تظهر عند انتشار مسحوق برمنجنات البوتاسيوم البنفسجية في الماء، وثانياً توجد بينها فراغات مجهرية تسمى المسافات البينية الجزيئية تفسر ظاهرة نقصان الحجم الكلي عند خلط الكحول الإيثيلي بالماء حيث تنتشر جزيئات الكحول في المسافات البينية للماء، وثالثاً تربط بينها قوى تماسك أو تجاذب جزيئية تحدد حالة المادة بين الصلبة والسائلة والغازية. وعند تسخين المادة تكتسب الجزيئات طاقة حرارية تزيد من سرعتها وتتسع المسافات وتضعف قوى التماسك، فتتحول بالانصهار ثم التصعيد إلى الحالة الغازية وفق النماذج العلمية المعتمدة.
1. مفهوم الجزيء وأدلة وجوده
الجزيء هو الوحدة التركيبية الأساسية للمادة:
- تجربة زجاجة العطر: عند ترك زجاجة عطر مفتوحة في ركن الغرفة تنتشر رائحة العطر في أرجاء الغرفة بسبب تجزؤ المادة لجزيئات متناهية الصغر تتحرك بحرية.
- تجربة برمنجنات البوتاسيوم: انتشار لونها البنفسجي تدريجياً في الماء يثبت حركة الجزيئات العشوائية في جميع الاتجاهات.
- تجربة خلط الكحول بالماء: 300 سم³ ماء + 200 سم³ كحول يعطي حجماً أقل من 500 سم³ بسبب دخول جزيئات الكحول في المسافات البينية بين جزيئات الماء.
2. مقارنة حالات المادة الثلاث
| وجه المقارنة | الحالة الصلبة | الحالة السائلة | الحالة الغازية |
|---|---|---|---|
| الحجم والشكل | شكل وحجم ثابثان | حجم ثابت وشكل متغير | شكل وحجم غير ثابتين |
| المسافات البينية | صغيرة جداً (شبه منعدمة) | كبيرة نسبياً | كبيرة جداً (أكبر ما يمكن) |
| قوى التماسك | كبيرة جداً (أقوى ما يمكن) | ضعيفة | منعدمة تقريباً |
| حركة الجزيئات | اهتزازية في مواضعها | كبيرة نسبياً وأكثر حرية | حرة تماماً وبأقصى سرعة |
| أمثلة | الحديد، الألومنيوم، الثلج | الماء، الكحول، الزيت | الأكسجين، بخار الماء |
3. أثر الحرارة على حالات المادة
التحولات الفيزيائية بالحرارة وتفسيرها الجزيئي:
- الانصهار (صلب ⇐ سائل): باكتساب الطاقة الحرارية تزداد سرعة الجزيئات، وعند درجة الانصهار تضعف قوى التماسك وتتسع المسافات فتتحرك بحرية وتتحول لسائل.
- التصعيد أو التبخير (سائل ⇐ غاز): بالتسخين المستمر تكتسب الجزيئات طاقة حركة أكبر، وعند درجة الغليان تنعدم قوى التماسك تقريباً وتتحرك الجزيئات بحرية تامة كغاز.
- الانصهار عكس التجمد، والتصعيد عكس التكثف.
4. جزيئات العناصر وجزيئات المركبات
تصنيف الجزيئات وفق تماثل الذرات:
- جزيء العنصر: يتكون من ذرات متماثلة:
- غازات خاملة أحادية الذرة: هيليوم (He)، نيون (Ne)، أرجون (Ar).
- غازات نشطة ثنائية الذرة: هيدروجين (H2)، أكسجين (O2)، نيتروجين (N2).
- سائل أحادي الذرة: الزئبق (Hg)، وسائل ثنائي الذرة: البروم (Br2).
- جزيء المركب: يتكون من ذرات مختلفة لعنصرين أو أكثر بنسب وزنية ثابتة:
- كلوريد الهيدروجين (HCl): ذرة هيدروجين + ذرة كلور (عنصران / ذرتان).
- الماء (H2O): ذرتان هيدروجين + ذرة أكسجين (عنصران / 3 ذرات).
- النشادر (NH3): ذرة نيتروجين + 3 ذرات هيدروجين (عنصران / 4 ذرات).
تمرين 1: علل: حجم مخلوط الماء والكحول أقل من مجموع حجميهما
المسألة: فسر لماذا 200 سم³ كحول + 300 سم³ ماء يعطي 488 سم³ فقط؟
• لوجود مسافات بينية جزيئية بين جزيئات الماء، انتشرت بعض جزيئات الكحول الدقيقة داخل هذه المسافات، مما قلل الحجم الكلي للمخلوط.
تمرين 2: علل: سهولة تجزئة كمية من الماء وصعوبة تفتيت قطعة حديد
المسألة: قارن بين قوى التماسك في الحالتين.
• يصعب تفتيت الحديد لأن قوى التماسك الجزيئية بين جزيئات المادة الصلبة قوية جداً.
• يسهل تجزئة الماء لأن قوى التماسك الجزيئية بين جزيئات السائل ضعيفة والمسافات البينية كبيرة نسبياً.
تمرين 3: تحديد نوع الجزيء وعدد ذراته
المسألة: صنف الجزيئات الآتية إلى عنصر أو مركب واذكر عدد ذراته: الأكسجين O2 ، النشادر NH3.
• الأكسجين (O2): جزيء عنصر، يتكون من ذرتين متماثلتين من عنصر الأكسجين.
• النشادر (NH3): جزيء مركب، يتكون من 4 ذرات (ذرة نيتروجين واحدة + 3 ذرات هيدروجين).
تمرين 4: التمييز بين السائلين العنصريين
المسألة: ما هو السائل العنصري أحادي الذرة، وما هو السائل العنصري ثنائي الذرة في الطبيعة؟
• السائل العنصري أحادي الذرة هو: الزئبق (Hg).
• السائل العنصري ثنائي الذرة هو: البروم (Br2).
تمرين 5: حركة الجزيئات في الحالة الغازية
المسألة: علل: الغازات ليس لها شكل محدد ولا حجم ثابت.
• لأن المسافات البينية بين جزيئات الغاز كبيرة جداً (أكبر ما يمكن)، وقوى التماسك الجزيئية تكاد تكون منعدمة، فتتحرك الجزيئات بحرية تامة وتنتشر لتشغل أي حيز متاح.
تمرين 6: ماذا يحدث عند تسخين مادة صلبة لدرجة الانصهار؟
المسألة: فسر التغيرات المجهرية الحادثة للجزيئات.
• تكتسب الجزيئات طاقة حرارية تزيد من سرعتها الاهتزازية، وعند درجة الانصهار تضعف قوى التماسك وتتسع المسافات البينية، فيتحول الجسم الصلب إلى سائل.
تمرين 7: انتشار برمنجنات البوتاسيوم في الماء
المسألة: ما الخاصية الفيزيائية لجزيئات المادة التي تثبتها هذه التجربة؟
• تثبت أن جزيئات المادة في حالة حركة مستمرة وعشوائية في جميع الاتجاهات، حيث تتحرك جزيئات البرمنجنات بين جزيئات الماء حتى يتلون السائل بأكمله.
تمرين 8: جزيء الماء
المسألة: اذكر عدد العناصر وعدد الذرات المكونة لجزيء الماء.
• الرمز الكيميائي: H2O.
• عدد العناصر: عنصران هما الهيدروجين والأكسجين.
• عدد الذرات: 3 ذرات (ذرتان هيدروجين + ذرة أكسجين واحدة).
اضغط على أي بطاقة لاكتشاف المعنى الدقيق، واضغط على أيقونة الصوت للاستماع للنطق:
اضغط على الإجابة لتتحقق من فهمك وتكتشف التفسير النموذجي فورياً: