خصائص المادة الفيزيائية والكيميائية

تعّرف خصائص المادة بأنها السمات الفيزيائية والكيميائية التي تميز المواد عن بعضها البعض، وتتميز بأنها غير مقدارية (لا تتعلق بمقدار المادة)، إلا أنه يمكن وصفها كميًا من خلال واحدات القياس، فالكثافة مثلاً تقدر بـ (كغ/ م^3)، تؤثر خصائص المادة على استجابتها للمحفزات الخارجية كدرجة الحرارة والقوى الميكانيكية.

تعرّف المادة بأنها أي جسم له كتلة ويشغل حيزًا من الفراغ، تختلف المواد عن بعضها البعض بخصائصها الفيزيائية والكيميائية وحالات تواجدها في درجة الحرارة الطبيعية. يمكن تقسيم خصائص المادة بطريقتين: إما خصائص (شاملة – مكثفة)، أو خصائص (فيزيائية – كيميائية).

خصائص المادة الفيزيائية

هي الخصائص التي يمكننا ملاحظتها بالعين المجردة أو بأحد الحواس دون الحاجة إلى تغيير بنية المادة، يمكن قياس الخصائص الفيزيائية للمادة دون تغيير هويتها الكيميائية. فنقطة التجمد للمادة هي خاصية فيزيائية، عندما يتجمد الماء، لا يزال H2O.. تشمل الخصائص الفيزيائية الأخرى للمواد:

1 – خصائص ميكانيكية

معامل المرونة النوعي، هو مهم دائمًا في التطبيقات الفضائية، ويرتبط بكثافة كتلة المادة.
مقاومة الشد، تستخدم بشكل واسع في مجال الإنشاء والأبنية وتعبر عن مقدار إجهاد الشد الأعظمي الذي تتحمله قضبان حديد التسليح قبل انهيارها (إنقطاعها).
مقاومة الانضغاط، وهو قيمة إجهاد الضغط المحوري الموافق عند حدوث الإنهيار التام للمادة.
معامل يونغ، وهو معامل المرونة الطولي التي تتمتع بها المادة نتيجة تطبيق إجهاد عليها (شد أو ضغط)، ويعبر عن مقدار الإستطالة أو الإنكماش التي تحدث نتيجة هذا الإجهاد.
مقاومة القص، وهي الخاصية التي تتمتع بها المواد، وبخاصة مواد البناء، والتي تساعدها في مقاومة إجهاد القص (الكسر) المطبق عليها، فلا تنكسر أو يحدث لها خضوع (تشوه).
مقاومة الخضوع، وتعرف بحد الخضوع أو حد المرونة، وتتمتع المواد الصلبة بهذه الخاصية، التي تعبر عن مقدار الإجهاد الميكانيكي الذي تتحمله هذه المادة بعد زوال الإجهاد الناتج عن شدها من جهتين من دون أن يتغير شكلها.
قابلية الطرق (مطيلية)، وهي خاصية ميكانيكية، تعبر عن قابلية المادة لإعادة التشكيل بشكل لدن دون أن تنكسر، وهي خاصية أساسية عند تشكيل المعادن بعمليات الدرفلة والسحب مثلاً.
التشوه عند الانهيار، ويعبر عن مقدار التشوه الذي يحدث في المادة نتيجة تطبيق إجهاد ضغط أو شد عليها عند الوصول إلى نقطة الخضوع، وهي النقطة التي لا تعود المادة بعدها إلى شكلها أو حجمها الأصلي.

من الخصائص الميكانيكية الأخرى التي تعكس بعض خصائص المادة وحالاتها:

الصلادة، تعتمد على التركيب الكيميائي للمادة، وتعبر عن قابلية المادة لمقاومة الخدش باستخدام المعادن.
قابلية التصليد للمعادن، وتعبر عن قابلية المعدن للتصلد عند معالجته بالحرارة.
المتانة، وتعبر عن قدرة المادة على مقاومة الكسر عند التعرض للإجهادات.
معامل بواسون، حيث تتراوح قيمته بين (0.5 و 1) ويعبر عن النسبة بين التشوه العرضي إلى التشوه الطولي عندما تخضع المادة إلى إجهاد ضمن حدود مرونتها.
قابلية اللحام، هي خاصّية تتعلق بالمواد المعدنية.
حد التعب، يعبر عن مقدار أكبر إجهاد متكرر يمكن أن تتحمله المادة.
الكثافة أو الكتلة الحجمية، وهي خاصية فيزيائية تعبر عن العلاقة بين كتلة المادة وحجمها.
اللزوجة، وهي من خصائص السوائل، وتعد مقياس سماكة السائل عند التدفق.
النفاذية، ويختلف مفهومها باختلاف المادة، وتعبر عن سماحية المادة لمرور الضوء، أو الماء أو الشوارد عبرها.
المسامية، هي خاصية تتمتع بها الصخور بشكل عام وتعبر عن نسبة الفراغات المتصلة أو المنفصلة الموجودة في المادة إلى الكتلة الكلية للمادة.
السرعة الانفجارية، هي سرعة جبهة الموجة الأمامية الناتجة عن انفجار المادة، وغالبًا ما تكون أسرع من الصوت.
مؤشر السريان عند الانصهار.
الثوابت الكهروضغطية، وهي خاصية تتعلق بالبلورات، كالسيراميك مثلًا، حيث يتولد فيها كمون كهربائي عند تطبيق ضغط عليها نتيجة تقارب شحناتها الكهربائية.
الرجوعية، هي قدرة المادة على امتصاص الطاقة وتخزينها نتيجة تطبيق إجهاد مرن عليها.

2 – خصائص كهربائية

تعد الخصائص الكهربائية إحدى خصائص المادة وحالاتها التي تؤثر على ناقلية المواد للشحنات وتشمل:

الموصلية الكهربائية أو الناقلية الكهربائية، وهي قدرة المادة على السماح بمرور الشحنات الكهربائية عبرها وبالتالي تمرير التيار الكهربائي.
السماحية أو النفاذية، وهي خاصية للمواد العازلة كهربائيًا، وتعبر عن مدى تأثرها عندما تتعرض لحقل كهربائي.
ثابت العزل الكهربائي، هو مقياس لقدرة المادة على تركيز خطوط المجال الكهروستاتيكي في ظروف معينة.
شدة العزل، هو مقدار الضغط الأعظمي للقوة الكهربائية، الذي يمكن أن تتحمله المواد العازلة قبل أن تعطب.
الثوابت الكهروضغطية وتفيد في استشعار الصوت وإنتاجه، كما تفيد في توليد جهد كهربائي عالي، وفي الموازين الدقيقة، وذلك عند استخدام بعض المواد كالسيراميك والبلورات من خلال تطبيق إجهاد ميكانيكي عليها ينتج عنه كمون كهربائي.
معامل سيبيك، يعبر هذا المعامل عن مقدار الجهد الكهربائي المتولد نتيجة تطبيق حرارة على مادة ما، حيث يتسبب الفرق في درجة الحرارة بين طرفيها في انتشار حاملات الشحنة الكهربائية (الإلكترونات).

3 – خصائص حرارية

وهي الخصائص التي تظهرها المادة عند تعرضها للحرارة، بمعنى آخر هي السلوك المميز للمادة تحت تأثير الحمل الحراري، وتشمل هذه الخصائص:

الموصلية الحرارية.
معامل الانتشار.
الإنبعاثيّة.
معامل التمدد الحراري.
الحرارة النوعية.
درجة حرارة الانصهار.
درجة حرارة التبخر.
تلقائية الاشتعال.
ضغط بخار المادة.
درجة حرارة الاشتعال الذاتي.
درجة الحرارة الحرجة.
درجة حرارة التحول الزجاجي.
نقطة التصلد الحرج.
خواص تصنيعية.
الطاقة الكهروحرارية، ويتم تمثيلها بمعامل سيبيك.

4 – خصائص مغناطيسية

إحدى خصائص المادة وحالاتها، الخاصة المغناطيسية، تنتج الخصائص المغناطيسية عن حركة الإلكترونات في مداراتها وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض. وتحدد هذه الخصائص قدرة المادة على السماح بحدوث التدفق المغناطيسي عبرها، حيث تلعب النفاذية دورًا كبيرًا في تحديد هذه السماحية وتشمل هذه الخصائص:

المغناطيسية المسايرة (Para magnetism)، وهي المغناطيسية التي تتولد داخل الأجسام عند وجود حقل مغناطيسي خارجي مؤثر عليها وتزول بزواله، ويعد الألمنيوم والبلاتين والمنغنيز من أكثر المواد التي تتصف بها.
المغناطيسية المعاكسة، وهي المغناطيسية التي تتولد في المادة نتيجة تأثير حقل مغناطيسي خارجي، لكنها تعاكسه، حيث تنشأ قوى تنافر بين المادة والمصدر الذي سبب الحقل المغناطيسي الخارجي.
مغناطيسية حديدية، تتمتع بها بعض المعادن كالحديد والنيكل، حيث تتمتع ذراتها بالمغناطيسية التي تؤثر على حركة الإلكترونات ضمن الذرة، وتسبب ترابط مغناطيسي بينها. تستخدم هذه الخاصية في صناعة المحولات الكهربائية.
مغناطيسية حديدية مضادة.

5 – خصائص ضوئية

وتعبر عن طريقة استجابة المادة عند التعرض للإشعاع الكهرومغناطيسي كـ الضوء المرئي. يمكن أن تحدث عدة عمليات عندما يمر الضوء عبر المادة وهي إحدى خصائص المادة وحالاتها وتشمل:

الانكسار، وهو ظاهرة فيزيائية تحدث عندما ينحرف الشعاع الضوئي نتيجة انتقاله بين وسطين شفافين مختلفين.
انعكاس الضوء، ظاهرة فيزيائية تحدث نتيجة انعكاس الشعاع الضوئي عند وصوله إلى سطح بيني يفصل بين وسطين مختلفين.
سرعة الضوء في المادة.
الامتصاص.
التشتت.
التداخل.
الانحراف.

6 – خصائص صوتية

سرعة انتشار الصوت في المادة.
شدة الصوت.
انعكاس الصوت (الصدى).
امتصاص الصوت.

7 – خواص إشعاعية

عمر النصف، وهو خاص بالمواد النشطة إشعاعيًا.
أشعة بيتا.
أشعة سينية.
أشعة غاما.
إشعاع تشيرينكوف.

الخصائص الكيميائية للمادة

تظهر خصائص المادة أثناء التفاعلات الكيميائية، حيث تبين كيفية تفاعل مادة مع مادة أخرى، حيث تطرأ على المادة تغييرات في التركيب الذري لذراتها، أو في الجزيئات المكونة لها، فنحصل على مادة جديدة أو طاقة، وتبيّن هذه الخصائص أيضًا سلوك المادة تحت تأثير الضغط والحرارة القياسية. وتشمل الخصائص الكيميائية ما يلي:

نشاط المادة عند التفاعل مع المواد الأخرى.
العدد الذري.
حالات التأكسد الأفضل للمادة.
شكل الجزيئات والروابط.
طول الرابطة.
الرقم التناسقي.
الشكل الأفضل للروابط لتكوين جزيئات جديدة يمكن أن تكون فلزية أو أيونية أو تساهمية.

خصائص المادة الشاملة

تعتمد الخصائص الشاملة على كمية المادة التي يتم قياسها. وتشمل هذه الخصائص الكتلة والحجم. يمكن تعريف الكتلة: بأنها مقياس لقصور الجسم (مقاومة الجسم الساكن للحركة – العطالة) يتناسب طردًا مع الوزن، فكلما زادت كتلة الجسم، زاد وزنه. إلا أن ذلك لا يعني أن الكتلة هي نفسها الوزن، فالوزن هو القوة الناتجة عن تأثير قوة الجاذبية على المادة، بينما الكتلة هي مقياس لمقاومة المادة لتغيير حركتها.

أما الحجم فهو مقياس لمقدار الفراغ الذي تشغله المادة. يمكن قياس الحجم مباشرة باستخدام المعدات المتدرجة المصممة لهذا الغرض كما في المعدات المستخدمة لقياس حجوم السوائل، أو يمكن قياسه بشكل غير مباشر باستخدام قياسات الطول، كما في حساب حجوم الأجسام الصلبة حيث الحجم يساوي: الطول * العرض* الإرتفاع. أي يتوقف قياس الحجم على حالة المادة (غاز أو سائل أو صلب).

خصائص المادة المكثفة

تتميز الخصائص المكثفة بأنها لا تعتمد على كمية المادة، وتشمل هذه الخصائص نقطة الغليان وهي النقطة التي يتساوى فيها ضغط البخار للمادة مع الضغط الجوي. وتعرف بأنها درجة الحرارة التي تتحول فيها المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية. أما اللون فيعرف بأنه أثر فيزيائي ينتج في شبكية العين.

المصادر