خواص المادة الفيزيائية

المادة

هي ما يحيط بالإنسان من الأشياء الملموسة كالماء، والهواء، والجمادات، والكائنات الحية، وذلك بخلاف المفاهيم المجردة والمعنوية، مثل: التفكير أو المشاعر وما شابه، والتي لا تعتبر من المادة، ولكل مادة خواص تميزها عن غيرها، وهي تتفاعل بين بعضها بطريقة متناسقة لتحافظ على توازن النظام البيئي، وتوجد المادة حول الإنسان بأشكال عديدة، مثل: العناصر، وهي بسيطة في تكوينها، كالأكسجين والهيدروجين، والمواد المركبة من أكثر من عنصر من خلال تفاعل كيميائي، كما توجد المواد الخليطة والمهجنة التي تتكون من أكثر من مادة بدون تفاعل بينها، مثل: الماء الذي يحتوي على أملاح ذائبة مختلطة فيه، وللمادة خصائص فيزيائية وأخرى كيميائية وغيرها.

أنواع خواص المادة

إن السمات التي تميز كل مادة عن غير هي خواصها، فبعض الخواص لا تختلف تبعًا لمقدار المادة، لكن من الممكن وصفها كميًا، باستخدام وحدات القياس التي تساعد في مقارنة المواد ببعضها، وتصنيفها حسب درجة كل خاصية فيها، وهذا يساعد في اختيار المواد حسب مواصفات معينة يتم تحديدها، وهناك ثلاثة أنواع لخواص المادة، هي:

• خواص كيميائية: والتي تقيس مدى استعداد المادة للدخول في تفاعلات كيميائية لإنتاج مواد أخرى، مثل: تفاعل الحديد مع الماء والهواء الذي ينتج الصدأ، وتفاعل الاحتراق، وغيرها.
• خواص ميكانيكية: مثل الثبات أو السكون، والسرعة والتسارع والقوة النابذة، وغيرها.
• خواص فيزيائية: مثل اللمعان واللون والكثافة والوزن الذري، وغيرها.

خواص المادة الفيزيائية

إن الخاصية الفيزيائية عبارة عن أي خاصية للمادة تكون قابلة للقياس، وبمعرفة مقدار قيمتها، يمكن وصف حالة المادة أو النظام الفيزيائي للمادة في لحظة زمنية محددة، كما تصنف الخواص الفيزيائية بدورها إلى: 

الخواص الشمولية

هي التي تعتمد على كمية المادة وحجمها في المكان، حيث تزداد هذه الخواص بزيادة كمية المادة أو حجمها، وعدد الجسيمات الذرية أو المحتوى الحراري، مثل: خاصية الوزن، خاصية الكتلة، خاصية الحجم، وقوة الجاذبية، والوزن الذري والكتلي، حيث يعتمدان على عدد الجزيئات في النواة وليس على حجم المادة الكلي، ومثل الطعم واللون والرائحة وغيرها.

الخواص المكثفة

هي لا تعتمد على كمية المادة ولا على حجمها في المكان، لأنّها خواص لصيقة بالمادة نفسها وليس بمقدارها، وذلك مثل: خاصية السعة الحرارية، وخاصية الكثافة، والتي يتم قياسها بوحدة كغ/م³، وخاصية الحرارة النوعية وهي تقاس بوحدة الجول/كغ. وتوجد الكثير من الحالات الشائكة، والتي يصعب فيها تحديد نوع الخاصية، وإذا كانت فيزيائية أم لا، مثل: رؤية الألوان، لأنّ الألوان التي يراها الإنسان ما هي إلا تفسير لبعض خواص انعكاس الضوء عن سطحٍ معين، ويمكن عمل مقارنة بين الخواص الفيزيائية للمادة والخواص الكيميائية من أجل توقع سلوك المادة أثناء أحد التفاعلات الكيميائية. 
كما قد يُعبّر عن خواص المادة برقم ثابت، أو أنّها تتغير حسب عامل متغير أو أكثر مثل الحرارة، وقد تختلف قيمة خواص المادة حسب اتجاه القياس وهو ما يعرف بنسبية أو تباينية الخواص، ومن الأمثلة على ذلك: خاصية المغناطيسية، فهي تختلف بالمقدار من اتجاه لآخر. وهناك خواص فيزيائية تربط ظاهرتين طبيعيتين معًا، وهذه تتغير بشكل شبه خطي في نطاق معين، ولكن تعتبر قيمة ثابتة فقط في هذا النطاق. ويعتمد التفاوت بين الخواص الفيزيائية على شكل ونوع الروابط بين الجزيئات في المواد ذات المركبات الأيونية، أو الروابط بين التجمعات الذرية، ومن أهم الصفات الفيزيائية الأكثر شهرةً، حالات المادة الثلاث: الحالة السائلة، والحالة الصلبة، والحالة الغازية، وما يرتبط بها، مثل: درجة الغليان، ودرجة حرارة الانصهار، وهناك بعض الخصائص الأخرى الهامة، مثل: توصيل الكهرباء والحرارة، والشفافية والنفوذية، وما شابه.

اللون والشكل والطول والكتلة كلها تعتبر من الخواص

يمكن ملاحظة الخصائص الفيزيائية أو قياسها دون حدوث أي تغيير في تكوين المادة، وتستخدم الخصائص الفيزيائية عادة من أجل مراقبة ووصف المادة، إذ تشمل الخصائص الفيزيائية كلاً من المظهر، والملمس، واللون، والرائحة، والكثافة، والذوبان، ونقطة الانصهار، ودرجة الغليان، والقطبية وغيرها الكثير، وبذلك فإن اللون والشكل والطول والكتلة كلها تعتبر من الخواص الخاصة بالمادة، بينما تشمل الخواص الكيميائية خصائص المادة التي لا يمكن ملاحظتها إلا من خلال تغيير الهوية الكيميائية للعينة، وللمادة حالات ثلاثة هي: الصلبة والسائلة والغازية، وترتبط كل من نقطة الانصهار ونقطة الغليان بالتغيرات في حالة المادة، وقد توجد كل المادة في أي من أنواع حالات المادة الثلاثة.

الخواص الفيزيائية لكل حالة

 إن خصائص المادة الفيزيائية هي تلك التي يمكن تمييزها وقياسها ورؤيتها وملاحظتها بشكل مباشر، وتتنوع الخصائص الفيزيائية وتختلف من مادةٍ إلى أخرى، ويمكن ملاحظة بعضها بوضوحٍ، بينما نحتاج إلى إجراء بعض التجارب البسيطة للكشف عن البعض الآخر، ومن أبرز الخصائص الفيزيائية للمادة هي الشكل والحجم والكثافة والطاقة الحركية، وتعتمد هذه الخصائص على مدى التراصّ وقوة الرابطة بين جزيئاتها وعلى نسبة التباعد بين هذه الجزيئات، ومن أهم خصائص المادة حسب حالتها ما يلي:

الخصائص الفيزيائية للمادة الصلبة

تحتفظ المواد الصلبة بشكل ثابت، وذلك بسبب تراص جزيئاتها وترابطها بشكل منتظم وقوي. وبذلك تكون المواد الصلبة لها حجم ثابت، ولا يسهل ضغطها لوجود مسافة قليلة جدًّا بين جزيئاتها. كما تمتلك المواد الصلبة كثافة عالية جدًّا وتختلف الكثافة من مادة لأخرى اعتمادًا على حجم الجزيئات وكتلتها وطريقة ترتيبها. كما أن التدفق في جزيئات المواد الصلبة ضعيف جدًّا، ولا تستطيع هذه الجزيئات التحرك بسهولة. 

الخصائص الفيزيائية للمادة السائلة

المواد السائلة عادة ليس لها شكل ثابت، لأنها تأخذ شكل الوعاء الذي توضع فيه، ويعود السبب في ذلك إلى عدم انتظام ترتيب جزيئاتها المترابطة بشكل أقل من الحالة الصلبة. كما أن المواد السائلة تمتلك حجمًا ثابتًا، ولا يمكن ضغطها بسهولة؛ وذلك لعدم وجود مسافة كافية بين الجزيئات التي تتيح للأجسام الانضغاط. بالإضافة إلى أنها تمتلك كثافة عالية لكنها أقل من كثافة المواد الصلبة وتختلف في كثافتها من مادة لأخرى، وتتميز المادة السائلة بقدرة جزيئاتها على التحرك والتدفق بسهولة. 

الخصائص الفيزيائية للمادة الغازية 

المادة الغازية لها شكل متغير، فهي أيضًا كالمواد السائلة تأخذ شكل الوعاء الذي توضع فيه عادة، وذلك لتباعد جزيئاتها عن بعضها، وضعف الرابطة بينها. كما أنّ المواد الغازية لها حجم متغير، أي إنها قابلة للانضغاط بسهولة كبيرة، ويعود السبب في ذلك إلى وجود مساحة كبيرة تتيح للجزيئات القدرة على الانضغاط، وللمواد الغازية كثافة منخفضة جدًّا مقارنة بكل من المادة السائلة والصلبة؛ أي أنها خفيفة تنتشر بسهولة في الجو، وتختلف كثافة المواد الغازية تِبَعًا لنوع الغاز، كما تمتاز المواد الغازية أيضاً بقدرتها العالية على التدفق، ما يتيح للجزيئات التحرك فيما بينها بسرعة عالية وبطريقة عشوائية. 

مثال على خاصيه فيزيائيه

تتميز الصفات الخاصة بالمادة في أنها لا تتدخل في التركيبات الجزيئية للمادة ولا تتدخل فيها، وهي أي خاصية يمكن رؤيتها أو لمسها أو شمها أو سماعها أو قياسها بدون إجراء أي تفاعل كيميائي هي خاصية فيزيائية، ويمكن إدراج مثال على خاصيه فيزيائيه كالآتي:

• المرونة: تُعرف المرونة في علم الفيزياء على أنّها قابليّة الأجسام للثني، والتأثر من حيث شكلها وحجمها بعد زوال مُسبّبات التغيير.
• النفاذيّة: تُعتبر النفاذيّة مؤشراً على مدى تصريف المادّة للسوائل من خلالها، وسرعة تدفّقها، وتُقاس النفاذية بوحدة الدارسي.
• الخصائص المغناطيسية: تُقاس الخصائص المغناطيسية للمادة بكميّتين فيزيائيّتين هما: شدّة المجال المغناطيسي، وكثافة التدفُّق المغناطيسي، وتعبّر شدّة المجال المغناطيسي عن مِقدار القوّة التي تنتج عن تغيُّر الطاقة في وحدة الحجم، أما قوّة التدفّق المغناطيسي فتُمثّل قوّة الحقل للمادّة المُعرّضة للمجال المغناطيسي، وتُقاس بوحدة تسلا.
• الخصائص الصوتيّة: يُعتبر موجةً كميّةً، وعلى هذا الأساس يتم التعبير عن خصائصه الفيزيائيّة بالعديد من الأشكال، أهمها الطول الموجي الذي يُقاس بوحدة المتر، والتردّد الذي يُقاس بالهيرتز،، وشدة الصوت التي تُقاس بوحدة الديسيبل.
• أمثلة أخرى: هناك العديد من الأمثلة الأخرى للخصائص والتي منها:
  • الكثافة: وهي كمية المادة التي يمتلكها الجسم، ويتم حسابها عادة بقسمة الكتلة على الحجم.
  • السطوع أو اللمعان: وهو مدى سهولة انعكاس الجسم للضوء.
  • نقطة الانصهار: وهي درجة الحرارة التي تتغير فيها المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة.
  • القابلية للذوبان: وهي قياس مدى قدرة المادة على الذوبان في مادة أخرى.
  • درجة الغليان: درجة الحرارة التي تتغير فيها المادة من الحالة السائلة إلى الغازية.
  • التوصيل الكهربائي: وهو مقياس لمدى حركة التيارات الكهربائية عبر المادة.
  • الموصلية الحرارية: وهي السرعة التي تنقل بها المادة الحرارة.

لماذا تعد الكثافة خاصية فيزيائية مهمة للمواد

قبل الإجابة عن سؤال لماذا تعد الكثافة خاصية فيزيائية مهمة للمواد؟ يُمكن تعريف الكثافة على أنّها الكتلة لكل وحدة حجم، وبمعنى آخر هي النسبة بين الكتلة والحجم، فالكثافة مقياس لمقدار امتلاء المادة في وحدة الحجم؛ أيّ وحدة المتر مكعب أو السنتيمتر مكعب، فهي مقياس لمدى تراص الجزيئات المتقاربة معًا؛ والتي كلما كانت متقاربة فيما بينها أدت إلى زيادة الكثافة، ولكل عنصر ومركب في الكون كثافة خاصة مرتبطة به، فهي خاصية تتسم بها جميع المواد؛ سواء كانت في الحالة الصلبة، أو السائلة أو الغازية، لأنّ العلماء يستخدمون الكثافة بشكل كبير، فإنّ ا لها رمزها الرياضي الخاص بها وهو الحرف اليوناني p، كما أنّ وحدة الكثافة هي كغ/م3، ومبدأ الكثافة تم اكتشافه بواسطة العالم اليوناني أرخميدس.

العوامل المؤثرة على الكثافة

عند القيام بقياس كثافة جسم ما يتم قسمة كتلته على حجمه، مع الأخذ بعين الاعتبار أنّ هذا القياس يتم عادةً في ظل الظروف القياسية لدرجة الحرارة والضغط، أيّ عند درجة مئوية تساوي 0 وضغط جوي يساوي 1، أيّ أنّ الكثافة تتأثر بعاملين أساسيين هما:

• درجة الحرارة: كلما تغير الحجم تغيرت الكثافة، أمّا الكتلة لا يمكن أنّ تتغير إلا عندما يتم إضافة بعض من المادة نفسها إليها، والحجم يتغير عند تسخين المادة أو تبريدها، ولذلك فإنّ درجة الحرارة من العوامل المهمة المؤثرة على الكثافة، فكلما زادت درجة الحرارة؛ تتمدد معظم المواد أو يزيد حجمها، وهذا يؤدي إلى انخفاض كثافتها، والعكس فكلما تنخفض درجة الحرارة تزداد الكثافة. 
• الضغط: عند أخذ كوب من الماء من الأرض إلى الفضاء فإنّه سوف يتبخر في أسرع وقت ممكن ويتحول من المادة السائلة إلى الغازية، وذلك بسبب عدم وجود ضغط جوي هناك، حيث تنخفض كثافة المادة عند زيادة حجمها بشكل كبير، بالتالي فإنّه كلما زاد الضغط تزداد الكثافة ويقل الحجم، بينما تظل الكتلة كما هي.

طريقة قياس الكثافة

يوجد عدد من التقنيات والمعايير لقياس كثافة المواد، ولكل طريقة أو تقنية فردية من الطرق التالية تقيس أنواعًا مختلفة من الكثافة، والتي تتضمن استخدام واحدة مما يلي:

• مقياس السوائل (طريقة الطفو للسوائل).
• التوازن الهيدروستاتيكي (طريقة الطفو للسوائل والمواد الصلبة).
• طريقة الجسم المغمور (طريقة الطفو للسوائل).
• مقياس الضغط (السوائل والمواد الصلبة).
• مقياس دوران الهواء (المواد الصلبة).
• مقياس الكثافة المتذبذب (السوائل).
• طريقة الصب والنقر (المواد الصلبة). 

على ماذا تعتمد الخواص الفيزيائيه

قد يسأل البعض سؤالاً مهماً عند دراسة المادة، وهو على ماذا تعتمد الخواص الفيزيائيه ؟ والإجابة تتلخص في أن الخاصية الفيزيائية هي تلك التي تعتمد بشكل أساسي ومباشر على بنية الكائن أو المادة أو الجسم والتي تكون مرئية وقابلة للقياس، ويمكن تحديد الخصائص الفيزيائية لجسم ما من خلال الملاحظة والقياس، فعلى سبيل المثال يمكن ملاحظة الخصائص الفيزيائية لمكعب من الخشب، والتي تكون كثيفة، صلبة، ومربعة، خشبية، وعضوية، كما أنها غير قابلة للطرق، وغير موصلة للكهرباء وغيرها من الخصائص.

تصنيف الخواص الفيزيائية

• الخواص غير المميزة: هي الخواص التي تعتمد على كمية المادة الموجودة، ومنها الكتلة والطول والحجم.
• الخواص المميزة: هي الخواص التي لا تعتمد على كمية المادة الموجودة، ومنها الكثافة ودرجة الانصهار، ودرجة الغليان، واللون، والرائحة.

عادةً ما يمكن معرفة المادة في كثير من الأحيان بالاعتماد على خواصها المميزة، وقد تكفي خاصية مميزة واحدة من أجل تحديد المادة، فمثلًا الكبريت هو عبارة عن مادة صلبة بلوريّة صفراء اللون لا توصل الكهرباء ولها نقطة انصهار تبلغ 115.2 درجة مئوية، وبغض النظر عن الكمية التي يتم فحصها.

كما يمكن تقسيم الخصائص الفيزيائية إلى خصائص مكثفة وخصائص واسعة النطاق، فالخصائص المكثفة هي خواص فيزيائية لا تعتمد على كمية المادة، مثل الكثافة التي تقاس بوحدة كيلوغرام \متر مكعب، والحرارة النوعيّة التي تقاس بوحدة جول\مول، بينما الخصائص واسعة النطاق تعتمد على كمية المادة، وهذا يعني أن الخواص الواسعة تتغير عندما تتغير كمية المادة التي يجري قياسها، وتتغير هذه الخصائص عند تغيير مقدار المادة، أي أنها تزيد بزيادة المادة أو حجم المادة، مثل المحتوى الحراري، وعدد الجسيمات.