Re: اساسيات الكيمياء
Toni Jarels
هذه مجرد بعض من المفاهيم الأساسية في الكيمياء. الكيمياء علم واسع ومتنوع بالعديد من الفروع والتطبيقات في مجالات متنوعة.
مبدأ حفظ الطاقة المعروف أيضًا باسم القانون الأول للديناميات الحرارية ينص على أن الطاقة الإجمالية لنظام معزول تظل ثابتة إذا لم يكن هناك نقل للطاقة إلى أو من النظام على شكل عمل أو حرارة. بمعنى آخر لا يمكن إنشاء الطاقة ولا يمكن تدميرها بل يمكن فقط تحويلها من شكل إلى آخر.
تأخذ هذه المعادلة في اعتبارها مختلف أشكال الطاقة مثل الطاقة الحركية المرتبطة بالحركة والطاقة الكامنة المتعلقة بالموقف في مجال القوى (مثل الجاذبية) والطاقة الداخلية التي تمثل الطاقة المرتبطة بحركة الجزيئات على مستوى الجزيئات.
قانون الحفاظ على المادة والطاقة هما مبدأان أساسيان يحكمان سلوك الطبيعة على مستويات صغيرة وكبيرة. كلا القانونين أساسيان في الفيزياء والكيمياء ويوفران أساساً نظرياً لفهم مجموعة واسعة من الظواهر والعمليات في الكون.
المادة الجوهر الأساسي الذي يشكل كل ما حولنا توجد في حالات متعددة كل منها يتميز بخصائص فريدة وسلوكيات مميزة. في هذا المقال سننطلق في رحلة مثيرة عبر حالات المادة استكشاف الصلب والسائل والغاز وفهم خصائصها وتغييرات الحالة وتطبيقاتها في الحياة اليومية.
في عالم الكيمياء والفيزياء المثير تُصنف خصائص المادة إلى فئتين رئيسيتين: الخصائص الفيزيائية والكيميائية. تقدم هذه الخصائص رؤية عميقة حول كيفية تفاعل وتصرف المادة في ظروف متنوعة. سنقوم باستكشاف هاتين الفئتين وفهم أهميتهما في دراسة المادة.
في دراسة المادة التغييرات الفيزيائية والكيميائية هي مفاهيم أساسية تصف التحولات التي قد تخضع لها المواد. هذه التغييرات ضرورية لفهم طبيعة المادة وسلوكها في ظروف متنوعة. دعونا نستكشف الفروق بين التغييرات الفيزيائية والكيميائية وأمثلتها وأهميتها في العلم.
المزج هو مزيج من المواد النقية. كل مادة تحتفظ بخصائصها الفيزيائية والكيميائية في المزيج. على سبيل المثال إذا صبنا 50 مل من الميثانول و 50 مل من الماء في كوب فإننا نحصل على مزيج حيث يحتفظ كل من الميثانول والماء بخصائصه.
عندما لا تتغير خصائص المزيج من نقطة إلى نقطة يُطلق عليها اسم متجانس. في المزج غير المتجانس تتغير الخصائص بمرور الوقت أثناء التحرك في المحلول. مثال على ذلك هو المزيج الإيثانول-الماء الذي يعد متجانسًا والهواء الذي يتألف من النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء هو مثال آخر على مزيج متجانس.
مزيج الملح العادي وسكروز (سكر الطعام) الصلب هو غير متجانس. أثناء التحرك في المزيج نجد في بعض النقاط سكروزًا وفي الآخر ملحًا.
يمكن فصل المواد التي تشكل مزيجًا باستخدام طرق فيزيائية مثل التقطير والاستخراج والبلورة والطرق التي تعتمد على الخصائص المغناطيسية للمواد وما إلى ذلك.
لذا يمكن فصل مزيج غير متجانس من الحديد والكبريت باستخدام المغناطيس باستناد إلى الخصائص المغناطيسية للحديد. والنتيجة هي الحصول على مواد نقية حديد نقي وكبريت نقي.
يمكن فصل مزيج الماء والميثانول الذي يعد متجانسًا باستناد إلى نقاط الغليان المختلفة لكل من المكونين. هذه التقنية المستخدمة للفصل تُعرف باسم التقطير. النتيجة هي الحصول على المواد اللتين تشكلان المزيج مفصولتين.
تقوم الكيمياء على الملاحظة والتجربة حيث نحاول الحصول على سلسلة من النتائج التي في كثير من الحالات يمكن التعبير عنها بشكل رقمي مما يسمح بمقارنتها مع النتائج المستخلصة من تجارب أخرى.
في كل مراقبة وتجربة نركز على تلك الخصائص التي يمكن مقارنتها وبالتالي يمكننا قياسها. هذه الخصائص تسمى القياسات.
هناك مجموعة صغيرة من القياسات تسمى القياسات الأساسية يمكن من خلالها الحصول على كل القياسات الأخرى. هذه القياسات هي: الطول الكتلة الزمن كثافة التيار درجة الحرارة كمية المادة وكثافة الإضاءة.
يخصص النظام الدولي للوحدات وحدة لكل قياس. المتر هو وحدة الطول. إذا كنت قد قست مسافة وحصلت على 20 مترًا فهذا يعني أن الطول هو 20 مرة وحدة النظام الدولي.
تعريف الوحدات الأساسية في النظام الدولي وفقًا للقرارات المتعلقة الصادرة عن مؤتمر الأوزان والمقاييس العام (CGMP) هي كالتالي:
التدوين العلمي هو وسيلة فعالة للتعبير عن الأعداد الكبيرة جدًا أو الصغيرة جدًا باستخدام أسس العشرة. يسهل هذا التدوين كتابة وتلاعب الأرقام التي في حالة أخرى قد تكون مُحيرة. فهم كيفية استخدام التدوين العلمي أمر أساسي في مجالات متنوعة من العلوم والهندسة إلى علم الفلك والفيزياء. سنستكشف المبادئ الأساسية للتدوين العلمي وكيفية تطبيقه.
النتائج المستخلصة في القياس ليست دقيقة. كل قياس يتضمن تقديرًا. على سبيل المثال لنفترض أننا بحاجة إلى قياس جسم باستخدام مسطرة مقسمة بالميليمتر. عندما نقوم بالقياس نحصل على نتيجة تتراوح بين 38 و 39 ملم ونقدر أن حجم الجسم هو 38.5 ملم. تحتوي هذه النتيجة على جزء دقيق 38 وجزء مقدر (تقريبي) وهو الرقم 5 الأخير. الرقم 38.5 ملم يحتوي على ثلاثة أرقام معنوية. الرقم الأخير مشكوك فيه ولكن يُعتبر رقمًا معنويًا. عند إعطاء نتيجة قياس ندرج رقمًا تقريبيًا ولكن فقط واحدًا.
سنستخدم بروفيت لقياس حجوم السوائل. على يمين البروفيت يتم تكبير خطوط المعايرة. على مقياس اليمين نتحرك من 10 مل إلى 10 مل. المقياس على اليسار مقسم بحيث يتغير من مل إلى مل.
الدقة تعطينا درجة التطابق بين القيمة المقاسة والقيمة الحقيقية.
الدقة متعلقة بتكرار القياسات. تشير إلى درجة التوافق بين عدة قياسات فردية.
يمكن أن تكون الميزان دقيقة للغاية إذا كانت تظهر نفس النتيجة في عدة قياسات. ومع ذلك فإنها غير دقيقة إذا كانت هذه النتيجة لا تتفق مع الواقع. لذلك يجب أن يُطلب من أدوات القياس أن تكون دقيقة ودقيقة في نفس الوقت.
تعرف الكثافة بأنها الكتلة لكل وحدة من الحجم. يمكن الحصول على الكثافة عن طريق قسمة كتلة العينة على حجمها.
الوحدات الأكثر استخدامًا هي g/cm3 g/ml وأيضًا g/l. نظرًا لأن كل مادة لديها كثافة فريدة يمكن استخدام هذه البيانات لتحديد العناصر.
ترتبط الكثافة النسبية بكثافة المادة بكثافة الماء كلها عند نفس درجة الحرارة.
حتى 25 درجة مئوية يمكننا اعتبار كثافة الماء 1 جم/مل. لذلك عند درجة الحرارة الغرفية تتطابق كثافة المادة مع الكثافة النسبية. عند درجات حرارة أعلى تختلف كثافة الماء عن 1 جم/مل وتتوقف الكثافتان عن التطابق.
الحرارة هي نوع من أنواع نقل الطاقة والتي تحدث نتيجة لفارق في درجات الحرارة. تتم نقل الحرارة دائمًا من الجسم الساخن إلى الجسم البارد.
يمكن قياس درجة حرارة جسم ما باستخدام ميزان حراري يحتوي على مستودع للزئبق متصل بشعيرة رفيعة. عند تسخين المستودع يتمدد الزئبق في الشعيرة. يظهر ارتفاع زئبق أكبر عند درجة حرارة أعلى.
لقياس درجات الحرارة يتعين أن يتوفر معنا مقياس لدرجات الحرارة. قام عالم الفلك السويدي أندرس سيلسيوس بتطوير ما يُعرف بمقياس سيلسيوس لدرجات الحرارة. يتخذ نقطة انصهار الماء التي يُعين لها قيمة 0 درجة سيلسيوس ونقطة غليانها عند ضغط الهواء الجوي الذي يُعين لها قيمة 100 درجة سيلسيوس. بين هذين النقطتين يوجد مئة تقسيم وكل تقسيم يُمثل درجة سيلسيوس واحدة.
مقياس درجات الحرارة الذي يُستخدم على نطاق واسع في الولايات المتحدة هو مقياس فهرنهايت. في هذا المقياس يتم اعتبار نقطة تجمد الماء ونقطة غليانه عند 32 درجة فهرنهايت و212 درجة فهرنهايت على التوالي.