إذا وضعت كأس ماء في الثلاجة تحول الماء إلى جليد، وإذا تركت الجليد في الشمس عاد ماء، وإذا غلّيت الماء صعد منه بخار. هذه التحولات اليومية هي موضوع درس تغيرات حالات المادة من ميدان المادة وتحولاتها في السنة الأولى متوسط. وقد درست قبله حالات المادة الثلاث: الصلبة والسائلة والغازية. تعرض هذه الصفحة تعريف التغير، ثم أسماء التغيرات واحدًا واحدًا، ثم ثبات درجة الحرارة أثناء التغير، ثم انحفاظ الكتلة ودورة الماء، وتنتهي بأخطاء شائعة وتمارين محلولة.
تذكير: حالات المادة
توجد المادة في الطبيعة في ثلاث حالات فيزيائية:
- الحالة الصلبة: للجسم شكل ثابت وحجم ثابت (حجر، جليد).
- الحالة السائلة: حجم ثابت وشكل يتغير بحسب الإناء (ماء، زيت).
- الحالة الغازية: لا شكل ثابت ولا حجم ثابت، فيملأ الغاز الإناء الذي يحويه (بخار الماء، الهواء).
ما معنى تغير الحالة؟
تغير الحالة هو انتقال المادة من حالة إلى أخرى بتأثير الحرارة (أو نقصانها)، دون أن تتغير طبيعتها: الجليد والماء السائل وبخار الماء كلها ماء، لا تتبدل صيغته الكيميائية H₂O.
أسماء التغيرات
نأخذ الماء مثالًا، ونعد خمسة تغيرات أساسية:
- التجمد: انتقال من الحالة السائلة إلى الصلبة بانخفاض درجة الحرارة. وضعنا الكأس في الثلاجة فتحول الماء إلى جليد.
- الانصهار: انتقال من الصلبة إلى السائلة بارتفاع درجة الحرارة. الجليد يذوب في الشمس.
- التبخر: انتقال من السائلة إلى الغازية. وإذا حدث بسرعة وفقاعات عند درجة معينة سمي الغليان.
- التكاثف: انتقال من الغازية إلى السائلة، كبخار الماء على المرآة الباردة أو الغطاء البارد.
- التصعيد: انتقال مباشر من الصلبة إلى الغازية دون المرور بالسائلة، مثل كرات النفتالين. ويوجد كذلك انتقال مباشر عكسي من الحالة الغازية إلى الصلبة، كتشكل الصقيع على الأسطح الباردة.
الانصهار والتبخر والتصعيد تحتاج إلى حرارة، أما التجمد والتكاثف فتعطي حرارة.
درجة الحرارة أثناء التغير
نسخن جليدًا ونقيس درجة حرارته كل دقيقة. نلاحظ أنها ترتفع حتى تبلغ 0 °C، ثم تبقى ثابتة عند 0 °C طوال مدة الانصهار حتى يذوب كل الجليد، ثم ترتفع من جديد حتى 100 °C، فتبقى ثابتة عند 100 °C طوال الغليان، ثم تتابع الارتفاع.
ونستنتج أن:
- الماء النقي ينصهر عند
0 °Cويغلي عند100 °C(عند الضغط الجوي العادي). - درجة الحرارة تبقى ثابتة أثناء تغير الحالة رغم تواصل التسخين، لأن الحرارة تُستعمل لتغيير حالة المادة لا لرفع حرارتها.
- لكل مادة نقية درجة انصهار ودرجة غليان خاصة بها: الإيثانول يغلي عند نحو
78 °C.
انحفاظ الكتلة
عند تغير الحالة لا تتغير الكتلة: إذا كانت كتلة الماء 100 g فكتلة الجليد الناتج عن تجمده 100 g. وما يتغير هو الحجم: فالماء يزداد حجمه عند التجمد بنحو 9%، ولذلك تنفجر القارورة المملوءة ماء إذا وضعت في المجمد.
دورة الماء في الطبيعة
يتبخر ماء البحار والأنهار بتأثير الشمس، فيصعد بخارًا، ثم يتكاثف في الجو البارد فتتشكل السحب، ثم يسقط مطرًا أو ثلجًا، ثم يعود إلى الأنهار والبحار. وهكذا تتكرر الدورة التي تجمع تبخرًا وتكاثفًا وتجمدًا وانصهارًا.
أخطاء شائعة
- الخلط بين التبخر والتكاثف: الأول سائل إلى غاز والثاني غاز إلى سائل.
- الخلط بين الانصهار (صلب إلى سائل) والتجمد (سائل إلى صلب).
- القول إن درجة الحرارة ترتفع أثناء الغليان. تبقى ثابتة.
- القول إن الكتلة تتغير عند التجمد. تنحفظ وإنما يتغير الحجم.
- اعتبار الغليان والتبخر الشيء نفسه. الغليان تبخر سريع بفقاعات عند درجة محددة.
- الظن أن الماء المتجمد مادة أخرى. هو الماء نفسه بحالة مختلفة.
تمارين للتدرب
- سمّ كل تغير: ماء إلى جليد، وجليد إلى ماء، وماء إلى بخار، وبخار إلى ماء.
- ماذا تلاحظ على درجة الحرارة أثناء غليان الماء؟ فسّر.
- قطعة جليد كتلتها
250 gانصهرت كلها. ما كتلة الماء الناتج؟ - لماذا تتشكل قطرات على الغطاء البارد لإناء يغلي ماؤه؟
- أي التغيرات يحتاج إلى حرارة: الانصهار أم التجمد؟
الحلول:
- التجمد، والانصهار، والتبخر (الغليان)، والتكاثف.
- تبقى ثابتة عند
100 °Cرغم استمرار التسخين، لأن الحرارة تُستعمل لتحويل الماء إلى بخار لا لرفع درجته. 250 g، فالكتلة تنحفظ عند تغير الحالة.- لأن بخار الماء الساخن يلامس الغطاء البارد فيتكاثف قطرات.
- الانصهار يحتاج إلى حرارة، أما التجمد فيعطيها.
الشرح المصوّر وملفات التمارين
لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يشرح الأستاذ زكرياء مومني في فيديو «الدرس 18: تغيرات حالات المادة السنة 1 متوسط» الدرس في نحو سبع دقائق من ميدان المادة وتحولاتها، منطلقًا من وضع كأس ماء في الثلاجة فيتجمد، ومعرّفًا التجمد بأنه تحول المادة من السائلة إلى الصلبة بانخفاض الحرارة.
وللتدرب على تمارين حقيقية، اطلع على هذه الملفات في الموقع: