الحالة الصلبة | الطيف في الكيمياء

01

General Properties of Solids

خصائص عامّة للمواد الصلبة

تتّسم جسيمات المادّة في الحالة الصُّلبة (ذرّات، جزيئات، أيونات) بأنّها متقاربة جدًّا وأنّ قوى التجاذب بينها كبيرة؛ لذلك تترتّب في أماكن محدّدة لا تغادرها وتتحرّك في أماكنها حركة اهتزازية. والمادّة الصُّلبة كثافتها عالية، وغير قابلة للانضغاط أو الجريان؛ ممّا يعني أنّها ذات شكل وحجم ثابتين. وعند تسخينها تهتزّ جسيماتها على نحوٍ أسرع، ومع زيادة طاقتها الحركية يضعف التجاذب بينها فتتحوّل إلى الحالة السائلة عند درجة حرارة تُسمّى درجة الانصهار Melting Point.

متقاربة جدًّا

جسيمات الصلب (ذرات أو جزيئات أو أيونات) متلاصقة تقريبًا وقوى التجاذب بينها كبيرة؛ فلا فراغات كبيرة بينها كما في الغازات.

حركة اهتزازية

تترتّب الجسيمات في أماكن محدّدة لا تغادرها، وتتحرّك في أماكنها حركة اهتزازية فقط — لا تنتقل ولا تجري.

شكل وحجم ثابتان

غير قابلة للانضغاط أو الجريان؛ فللمادة الصلبة شكل ثابت لا يتبع الإناء وحجم ثابت لا يتغيّر.

كثافة عالية

تقارب الجسيمات في حجم صغير يجعل كتلة وحدة الحجم كبيرة؛ فكثافة المواد الصلبة عالية.

التسخين يُسرع الاهتزاز

عند تسخين المادة الصلبة تهتزّ جسيماتها على نحوٍ أسرع وتزداد طاقتها الحركية فيضعف التجاذب بينها.

درجة الانصهار

درجة الحرارة التي تتحوّل عندها المادّة من الحالة الصُّلبة إلى الحالة السائلة Melting Point.

مادة صلبة بلورية Crystalline Solid (الشكل 14)أشكال هندسية منتظمة

تترتّب جسيماتها مكوِّنةً أشكالًا هندسية منتظمة — أمثلة: الذهب، الماس، كلوريد الصوديوم.

مادة صلبة غير بلورية Amorphous Solid (الشكل 15)ترتيب عشوائي

تترتّب جسيماتها عشوائيًّا وليس لها شكل هندسي منتظم — أمثلة: البلاستيك، الزجاج.

محاكاة شبكية فوريةبدّل بين البلّورية وغير البلّورية وحرّك درجة الحرارة وراقب الاهتزاز

بلورية - ترتيب هندسي منتظم

الترتيب:

درجة الحرارة25 °C

سعة الاهتزاز النسبية (∝ √T)1.00 ×

درجة الحرارة المطلقة298 K

الشكل والحجمثابتان - لا انضغاط ولا جريان

تحقق علمي: الجسيمات تهتز حول مواقع ثابتة لا تغادرها؛ وسعة الاهتزاز تتبع √T بالكلفن، وكلّما سُخّن الصلب اهتزّت جسيماته أسرع حتى يضعف التجاذب فتنصهر المادة.

أتحقق:

ما الفرق بين المواد الصُّلبة البلورية وغيرِ البلورية؟

اعرض الإجابة

البلورية جسيماتها مترتّبة مكوِّنةً أشكالًا هندسية منتظمة (كالذهب والماس وكلوريد الصوديوم)، أمّا غير البلورية فجسيماتها مترتّبة عشوائيًّا وليس لها شكل هندسي منتظم (كالبلاستيك والزجاج).

نتاجات التعلم

أتعرّف خصائص المادّة في الحالة الصُّلبة · أصنِّف الموادّ الصُّلبة البلوريّة إلى أنواعها الرئيسة وأُميّز بين صفاتها.

02

Molecular Solids

المواد الصلبة الجزيئية

الجسيمات المكوّنة للمواد الصُّلبة الجزيئيّة Molecular Solids ذرّات أو جزيئات تترابط مع بعضها بقوى تجاذب ضعيفة نسبيًّا؛ لذلك تشترك في صفات عدّة، منها أنّها موادّ ذات درجات انصهار منخفضة، وأنّها غير موصلة للتيار الكهربائي؛ ويرجع ذلك إلى أنّ الجسيمات المكوّنة لها متعادلة الشحنة ترتبط بقوى تجاذب ضعيفة.

بلّورة اليود (شكل 16)

تتكوّن من جزيئات I₂ المتعادلة التي تترابط بقوى لندن الضعيفة؛ لذلك درجة انصهاره منخفضة وبلوراته غير موصلة للكهرباء.

الجليد (شكل 17)

تترابط جزيئاته بروابط هيدروجينية؛ يرتبط كلّ جزيء H₂O بأربعة جزيئات أخرى ويكون مركزًا لرباعيّ الأوجه منتظم.

بكمنسترفولرين (شكل 18 ،19)

كُرات باكي C₆₀ — اكتُشفت عام 1985؛ جزيئات كروية مجوّفة تتكوّن من ذرات كربون وتشبه كرة القدم.

داخل كرة باكي الواحدة C₆₀روابط تساهمية

ترتبط كلّ ذرّة كربون بثلاث ذرّات أخرى مكوّنةً حلقات خماسية وسداسية مرتبطة مع بعضها بعضًا لتشبه كرة القدم.

بين كرات باكي

تترابط الجزيئات (الكُرات) مع بعضها بقوى لندن الضعيفة مكوّنةً بلّورات إبريّة الشكل سوداء اللون؛ وهي غير موصلة للتيار الكهربائي لأنّها جزيئات متعادلة.

سخِّن حتى الانصهاراختر المادة وحرّك درجة الحرارة — درجات الانصهار منخفضة فتصلها بسرعة

الجليد H₂O - صلب

المادة:

درجة الحرارة-10 °C

درجة الانصهار0 °C

حالة المادة الآنصلب - اهتزاز في أماكن محددة

التوصيل الكهربائيغير موصلة - جسيمات متعادلة

تحقق علمي: الجزيئات المتعادلة بقوى ضعيفة تهتز في مواقعها؛ سخّن فوق درجة الانصهار المنخفضة فتغادر مواقعها الشبكية وتتحوّل المادة إلى سائل.

أتحقق:

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

اعرض الإجابة

داخل الجزيء الواحد (الكرة الواحدة) ترتبط ذرات الكربون بروابط تساهمية؛ إذ ترتبط كلّ ذرّة كربون بثلاث ذرّات أخرى مكوّنةً حلقات خماسية وسداسية. أمّا بين الجزيئات (الكرات) فتسود قوى لندن الضعيفة.

03

Covalent Network Solids

المواد الصلبة الشبكية التساهمية

جسيمات المواد الصُّلبة الشبكيّة التساهميّة Covalent Network Solids ذرات تترابط فيما بينها بروابط تساهمية في بناء شبكيّ صُلب. وتتميّز هذه المواد بالقساوة وبدرجات انصهارٍ مرتفعة؛ نظرًا إلى قوّة الروابط التساهمية التي تربط بين ذرّاتها، وهي غير موصلة للتيار الكهربائي في حالتي الصلابة والسيولة على نحوٍ عام.

الماس (شكل 20)

ترتبط كلّ ذرّة كربون بأربع روابط تساهمية مع أربع ذرّات كربون أخرى؛ كلّ ذرّة مركز لرباعيّ الأوجه منتظم.

الغرافيت (شكل 21)

ترتبط كلّ ذرّة كربون بثلاث ذرّات كربون أخرى بحيث تشكِّل حلقات سداسية الشكل، تشكِّل مع بعضها طبقات رقيقة.

الكوارتز (شكل 22)

تشبه بلّورته بلّورة الماس؛ ترتبط كلّ ذرّة سليكون بأربع ذرّات أكسجين — شديد القساوة لكنه أقلّ قساوة من الماس.

الماس — أكثر المواد الطبيعية قساوةيُستخدم في أدوات القطع والقصّ

عالي القساوة ودرجة انصهاره مرتفعة، وغير موصل للتيار الكهربائي؛ لأنّ إلكتروناته مقيّدة غير حرّة الحركة.

لماذا القساوة والانصهار المرتفع؟

نظرًا إلى قوّة الروابط التساهمية التي تربط ذرّاتها في بناء شبكي واحد متماسك؛ فكسر البلّورة يعني كسر روابط تساهمية قوية لا مجرّد قوى تجاذب ضعيفة.

بناء شبكي متماسكاختر البلّورة وحرّك درجة الحرارة — الروابط التساهمية تُبقي الذرات في أماكنها

الماس C - لا انصهار

المادة:

درجة الحرارة25 °C

سعة اهتزاز الذرات (∝ √T)1.00 ×

الروابط بين الذراتتساهمية قوية - بناء شبكي

التوصيل الكهربائيغير موصلة - إلكترونات مقيّدة

تحقق علمي: الروابط التساهمية القوية تجعل المادة شديدة القساوة ودرجة انصهارها مرتفعة جدًّا — حتى عند درجات حرارة عالية تبقى الذرات تهتزّ في بنائها الشبكي ولا تنصهر.

04

Metallic Solids

المواد الصلبة الفلزية

ذرّات الفلزات تكوّن المواد الصُّلبة الفلزيّة Metallic Solids (الشكل 23: بلّورة الذهب)، وتشترك بمجموعة من الصفات: متفاوتة في درجات انصهارها ومرتفعة بوجهٍ عام، موصلة للتيار الكهربائي، قابلة للطرق والسحب؛ ويرجع السبب في هذه الصفات إلى الرابطة الفلزية بين ذرّاتها.

نموذج الرابطة الفلزية (الشكل 24)أيونات + في بحر إلكترونات −

يمكن تخيُّل بلّورة الفلز كأنّها صفوف من الأيونات الموجبة مغمورة في بحر من الإلكترونات السالبة حرّة الحركة.

تفسير الصفات الثلاث

الطرق والسحب: تنزلق صفوف الأيونات وتبقى مترابطة بالإلكترونات الحرة فتتشكّل صفائح وأسالكًا وقضبانًا. التوصيل: بحر الإلكترونات الحرّة. الصلابة والانصهار المرتفع: قوّة الرابطة الفلزية.

اطرق ومرِّر التياراطرق البلّورة فتنزلق الصفوف دون أن تتحطّم، ومرِّر تيارًا فراقب انجراف الإلكترونات

لا تيار - إلكترونات عشوائية

جرّب:

درجة الحرارة25 °C

نتيجة الطرققابلة للطرق والسحب - لا تتحطّم

التوصيل الكهربائيموصل في الحالة الصلبة

درجة الانصهارمرتفعة بوجه عام - متفاوتة

تحقق علمي: صفوف الأيونات الموجبة مغمورة في بحر إلكترونات حرّة؛ الطرق يزيح الصفوف وتبقى مترابطة بالإلكترونات فلا تتحطّم، والتيار ينجرف عبر الإلكترونات الحرّة.

أتحقق:

أُفسِّر قابليّة المواد الصُّلبة الفلزيّة للطَّرق والسَّحب.

اعرض الإجابة

لأنّ الطرق على صفوف الأيونات الموجبة يجعلها تنزلق مبتعدة عن بعضها، لكنّها تبقى مترابطة بفعل تجاذبها مع الإلكترونات السالبة الحرّة الحركة (بحر الإلكترونات)، فلا تتحطّم البلّورة؛ ومن ثمّ يمكن تشكيلها صفائح أو أسالكًا أو قضبانًا.

الربط بالطب: الدعامات القلبية المستخدمة لفتح الشرايين

طوّر فريق من الباحثين جيلًا جديدًا من السبائك الفلزية لأغراض طبية مخصّصة لعمل الدعامات القلبية؛ السبيكة مصنّعة من التيتانيوم Ti مُضافًا إليه فلزّ التنتاليوم Ta بنسبة 6% والنيوبيوم Nb بنسبة 17%، وتمتاز بمرونة فائقة وقوّة كبيرة، وهي خالية من العناصر السامّة أو التي تُسبّب التهابات عصبية أو حساسية.

05

Ionic Solids

المواد الصلبة الأيونية

تتكوّن جسيمات المواد الأيونية Ionic Solids من أيونات موجبة وسالبة تتجاذب وتترابط برابطة أيونية؛ من أمثلتها كلوريد البوتاسيوم KCl وأكسيد الكالسيوم CaO (الشكل 25). والرابطة الأيونية رابطة قويّة؛ لذلك فإنّ المواد الصُّلبة الأيونية شديدة الصلابة ودرجات انصهارها مرتفعة.

درجات انصهار مرتفعةKCl: 770 °C · CaO: 2572 °C

قوّة الرابطة الأيونية تجعل المواد الأيونية شديدة الصلابة ومرتفعة الانصهار.

صلبة لكنّها هشّة (الشكل 26)

إذا تعرّضت البلّورات للطرق تحرّكت (انزلقت) أيوناتها بالنسبة إلى بعضها بعضًا بحيث تتقارب الأيونات المتشابهة في الشحنة فتتنافر، وهو ما يؤدّي إلى تحطّم البلّورة.

اطرق أو اصهراطرق البلّورة فراقب التحطّم، أو اصهرها فتتحرّر الأيونات وتصبح موصلة

كلوريد البوتاسيوم KCl - صلب غير موصل

المادة:

الحالة:

درجة الحرارة (صلبة)25 °C

درجة الانصهار770 °C

نتيجة الطرق / التيارصلبة هشّة - اطرقها فتتحطّم

التوصيل الكهربائيلا يوصل - أيونات مقيدة

تحقق علمي: لا توصل المواد الأيونية التيار صلبةً لأنّ أيوناتها غير حرّة الحركة؛ أمّا عند صهرها أو إذابتها في الماء فتصبح أيوناتها حرّة فتوصل محاليلها ومصاهيرها التيار الكهربائي.

أتحقق:

أُفسِّر: رغم صلابة المركّبات الأيونية إلّا أنّها هشّة.

اعرض الإجابة

لأنّ طرق البلّورة يجعل أيوناتها تنزلق بالنسبة إلى بعضها بعضًا بحيث تتقارب الأيونات المتشابهة في الشحنة فتتنافر، فيؤدّي ذلك إلى تحطّم البلّورة رغم قوّة الرابطة الأيونية.

06

Identifying Types of Solids

تحديد أنواع المواد الصلبة

تُستخدم الخصائص الفيزيائية للبلّورة الصلبة في توقّع نوع المادة: جزيئية أو شبكية تساهمية أو فلزية أو أيونية، كما يمكن معرفة نوع المادة من معرفة نوع الجسيمات المكوّنة لها والروابط بينها، ويوضِّح الجدول (5) أنواع المواد الصلبة والخصائص العامة لكلّ نوع.

نوع المادة الصلبة	نوع الجسيمات	الروابط أو قوى الترابط	خصائص عامة للمادة الصلبة	أمثلة
جزيئية	جزيئات وذرات الغازات النبيلة	روابط هيدروجينية، ثنائية القطب، لندن	درجة انصهار منخفضة، غير موصلة للكهرباء	Ne(s), CH₄(s), S₈, C₁₂H₂₂O₁₁
شبكية تساهمية	ذرات	تساهمية	صُلبة جدًّا، درجة انصهارها مرتفعة، غير موصلة للكهرباء بوجه عام	SiO₂, Si, SiC, C ماس
فلزية	ذرات	فلزية	صُلبة، متفاوتة في درجة الانصهار وبوجه عام مرتفعة، قابلة للطرق والسحب، موصلة للكهرباء ومصاهيرها أيضًا موصلة للكهرباء	K, Al, Cu, Ag, Ni, Ba
أيونية	أيونات	أيونية	صُلبة، هشّة، درجة انصهار مرتفعة، غير موصلة للكهرباء؛ بينما محاليلها ومصاهيرها موصلة للكهرباء	LiF, CaF₂, ZnS, NaCl

مختبر التحليل الافتراضياختر الخصائص المشاهَدة للعيّنة — يتوقّع المختبر نوعها ويعرض شبكتها

اختر الخصائص الثلاث لتحصل على التوقّع

التوصيل:

الانصهار:

عند الطرق:

التوقّعالخصائص الفيزيائية (الجدول 5) تكشف نوع الجسيمات والروابط.

المثال 11 تحديد نوع المادة من خصائصها — بالمعطيات والحل

السؤال: أحدد نوع المادة الصُلبة البلورية لكلٍّ ممّا يأتي: أ. مادة A بيضاء اللون تنصهر على درجة حرارة 730 °C غير موصلة للكهرباء، بينما محلولها موصل للكهرباء. ب. مادة B شديدة الصلابة وشفافة وتنصهر عند درجة حرارة 3000 °C.

المعطيات: أ. درجة انصهار المادة A: 730 °C؛ التوصيل للكهرباء: غير موصلة في الحالة الصلبة ومحلولها موصل. ب. المادة B شديدة الصلابة، درجة انصهارها: 3000 °C.

الحل: أ. درجة انصهار المادة A مرتفعة نسبيًّا (وتشترك الفلزية والأيونية في هذه الصفة)، وهي غير موصلة في حالة الصلابة بينما محلولها موصل — وهذه الصفة مميّزة للمركّبات الأيونية؛ فالمادة A أيونية. ب. المادة B شديدة الصلابة ودرجة انصهارها مرتفعة — وهي صفات المواد الشبكية التساهمية؛ فالمادة B شبكية تساهمية.

المثال 12 تحديد نوع كلٍّ من HF ،Fe ،Na₂O ،Si — بالحل

السؤال: أحدد نوع كلٍّ من المواد الصلبة البلورية الآتية: HF(s) , Fe , Na₂O , Si

الحل: HF: جزيئية؛ لأنّها تتكوّن من جزيئات تترابط بروابط هيدروجينية. Fe: فلزية؛ الحديد فلزٌّ تترابط ذراته بروابط فلزية. Na₂O: أيونية؛ لأنّ الرابطة بين أيونات Na⁺ وأيونات O²⁻ رابطة أيونية. Si: شبكية تساهمية؛ لأنّ ذراته تترابط بروابط تساهمية في بناء شبكي صُلب.

07

مراجعة الدرس

اختبر فهمك فورًا

اختر الإجابة، ثم احصل على تفسير مختصر. يمكنك إعادة الاختبار دون تحديث الصفحة. الأسئلة من مراجعة الدرس وأسئلة «أتحقق» والمثالين في الكتاب.

1. إحدى المواد الآتية صُلبة وهشّة ودرجة انصهارها مرتفعة: SiF₄ ماس C KCl Cu

2. إحدى العبارات الآتية ليست من صفات مادة بكمنسترفولرين: تكوّن بلّورات إبريّة الشكل تترابط ذراتها مكوّنةً حلقات سداسية مرتبطة ببعضها غير موصلة للتيار الكهربائي تتكوّن من ذرات الكربون

3. المادة الصلبة التي لها أعلى درجة انصهار: MgO NO₂ Cl₂O SO₃

4. إحدى المواد الآتية صلبة جزيئية: Al BaCl₂ Si P₄

5. نوع الروابط بين ذرات الكربون داخل الجزيء الواحد من بكمنسترفولرين، ونوع قوى التجاذب بين جزيئاته: تساهمية داخل الجزيء، وقوى لندن بين الجزيئات قوى لندن داخل الجزيء، وروابط تساهمية بين الجزيئات روابط أيونية داخل الجزيء وخارجه روابط فلزية داخل الجزيء وخارجه

6. مادة بيضاء اللون تنصهر على درجة حرارة 730 °C غير موصلة للكهرباء، بينما محلولها موصل للكهرباء؛ نوعها: فلزية أيونية جزيئية شبكية تساهمية

7. مادة شديدة الصلابة وشفافة وتنصهر عند درجة حرارة 3000 °C؛ نوعها: فلزية جزيئية شبكية تساهمية أيونية

8. سبب تحطّم بلّورة المادة الأيونية عند تعرّضها للطرق: تنزلق الأيونات فتتقارب المتشابهة في الشحنة فتتنافر تنكسر الروابط التساهمية بين الذرات تهرب الإلكترونات الحرّة من البلّورة تضعف قوى لندن بين الجزيئات

لم يتم التصحيح بعد

المصطلح بالعربية	المصطلح بالإنجليزية
صُلبة بلوريّة	Crystalline Solid
صُلبة غير بلوريّة	Amorphous Solid
صُلبة جزيئيّة	Molecular Solid
صُلبة شبكيّة تساهميّة	Covalent Network Solid

الفكرة الرئيسة: أوضِّح الأنواع الرئيسة للمواد الصلبة البلورية (سؤال 1).

تُصنَّف بناءً على نوع الروابط أو قوى الترابط بين جسيماتها إلى أربعة أنواع: جزيئية (جزيئات أو ذرات غازات نبيلة بقوى تجاذب ضعيفة)، شبكية تساهمية (ذرات بروابط تساهمية في بناء شبكي)، فلزية (ذرات فلزات بروابط فلزية)، أيونية (أيونات موجبة وسالبة برابطة أيونية).

أوضِّح المقصود بالمادة الصلبة البلورية وغير البلورية (سؤال 2).

البلورية: جسيماتها مترتّبة مكوِّنةً أشكالًا هندسية منتظمة (الذهب، الماس، كلوريد الصوديوم). غير البلورية: جسيماتها مترتّبة عشوائيًّا وليس لها شكل هندسي منتظم (البلاستيك، الزجاج).

أحدد الروابط أو قوى الترابط في كلّ نوع من المواد الصلبة البلورية (سؤال 3).

الأيونية: رابطة أيونية. الفلزية: رابطة فلزية. الشبكية التساهمية: روابط تساهمية. الجزيئية: قوى تجاذب ضعيفة (روابط هيدروجينية أو قوى ثنائية القطب أو قوى لندن).

أُحدِّد نوع كلٍّ من NH₃ ،SiC ،Ni ،KI (سؤال 4).

NH₃: جزيئية (روابط هيدروجينية). SiC: شبكية تساهمية. Ni: فلزية. KI: أيونية (أيونات K⁺ وI⁻).

أُصنِّف مواد من خصائصها: غير موصلة ومصهورها يوصل 650 °C، لامعة موصلة، شديدة الصلابة 2730 °C ومصهورها لا يوصل، تنصهر 119 °C غير موصلة (سؤال 5).

أ. أيونية (صلبة غير موصلة ومصهورها موصل — صفة مميزة لها). ب. فلزية (اللمعان والتوصيل صلبة من صفات الفلزات). جـ. شبكية تساهمية (قساوة عالية وانصهار مرتفع جدًّا ولا توصل صلبة ولا مصهورة). د. جزيئية (انصهار منخفض وعدم توصيل — جسيمات متعادلة بقوى ضعيفة).

أسئلة الاختيار في الكتاب: هشّة مرتفعة الانصهار، صفة ليست لبكمنسترفولرين، أعلى درجة انصهار، مادة جزيئية (سؤال 6).

1. KCl (أيونية هشّة مرتفعة الانصهار). 2. «تترابط ذراتها مكوّنةً حلقات سداسية» ليست من صفاته؛ فكرات باكي حلقاتها خماسية وسداسية (السداسية فقط وصف الغرافيت). 3. MgO أعلى درجة انصهار (أيونية؛ والبقية جزيئية). 4. P₄ صلبة جزيئية.