States of Matter العناوين الرئيسية: 1. مقدمة. 2.الحالة الغازية. 3. الحالة السائلة. 4. الحالة الصلبة. 79
.1.2 مقدمة تعرف المادة بأنها كل ما يشغل حيزا من الفضاء وله كتلة وتملك ثالث حاالت فيزيائية هي الغازية السائلة الصلبة وذلك على ضوء معرفتنا السابقة بالروابط الكيميائية. الحالة الغازية يتكون الغاز من جزيئات متباعدة عن بعضها وال يوجد بينها تداخل مثال يشغل 1 غ من بخار الماء في حين أن 1 غ من الماء السائل يشغل في الدرجة 25 م في الدرجة 25 م حجما قدره 1358 سم 3.نالحظ من المثال السابق أن كل جزئية في الحالة الغازية تشغل حجما أكبر ب حجما قدره 1 سم 3 1358 مرة من حجم الجزيئة في الحالة السائلة. وكنتيجة اولى نقول أن الغاز يشغل تقريبا كل الحجم المتاح له أما النتيجة الثانية فهي أن حجم الغاز قابل للتغيير بتغيير الضغط الطبق علية او بتغيير درجة الحرارة..1.2.1.1.2 القوانين العامة للغازات قانون بول- ماريوت Boyle - Mariotte ينص القانون على أن جداء ضغط الغاز في حجمه عند درجة حرارة ثابتة ذو قيمة ثابتة دائما أي أن P.V= K الشكل رقم )5-1( الشكل رقم) 5-1 ( تجربة بويل يمثل الشكل )5-2( تطبيقا على قانون بويل ماريوت بطرق مختلفة ويالحظ ان القانون يكون أكثر دقة كلما كال الضغط ضعيفا أما الغاز الذي ينطبق عليه قانون بويل ماريوت مهما كان الضغط فإنه يدعى بالغاز المثال أو ندعوه بالغاز التام او الكامل. 80
الشكل )5-2( تمثيل لقانون بويل- ماريوت تبدي الغازات الحقيقية انحرافات عن قانون بويل- ماريوت وذلك تحت الضغوط العالية نسبيا أما في الواقع فإن جزئيات الغاز تتواجد في حجم أقل من الحجم العادي وذلك في الضغوط المرتفعة مما ال يترك مجاال عندها إلهمال حجم الجزيئات نفسها لذلك عندما يزداد الضغط كثيرا أي عندما تنتهي P إلى الالنهاية فإن الحجم لن ينتهي إلى الصفر بل إلى الحجم اإلجمال للجزئيات المتكدسة فوق بعضها البعض يدعى هذا الحجم المحدود بال ( covolume الحجم المستثنى excluded volume ( حيث ان الغاز التام يتبع لقانون بويل- ماريوت مهما كان الضغط P فإن حجم هذا الغاز يجب أن ينعدم عندما يكون الضغط كبيرا جدا أي ال متناه. ينتج عما تقدم أن جزئيات الغاز التام صغيرة جدا أي نقطية كما نشيال ان الغاز التام هو غاز افتراضي ويمكن لنا تطبيق قانون الغازات بشكل تقريبي على الغازات الحقيقة. مالحظة: إن تسمية الغاز التام يحمل على االعتقاد بأن الغازات الحقيقة هي ذات عيوب إال أن الغاز التام يمكن اعتباره بسيطا جدا وجزيئاته عبارة عن نقاط متناهية في الصغر لذلك كان من األنسب أن نطلق عليها اصطالح الغازات المثالية وليس الغازات التامة. ننوه أخيرا إلى أن الغازات الحقيقة لز كانت غازات مثالية فإنها لن تتكثف أبدا...مما ينتج عدم تواجد الحاالت الفيزيائية الثالث للمادة. عنه.2.2 قانون شارل Charles يتغير حجم غاز خطيا مع درجة الحرارة وذلك تحت ضغط معين. V= at + b C درجة الحرارة بال t: ويمثل الشكل )5-3( قانون شارل )العالقة بين الحجم ودرجة الحرارة- الصفر المطلق( 81
الشكل )5-3( قانون شارل: العالقة بين الحجم ودرجة الحرارة يعتمد الميل a على الغاز المدروس وإذا مددت الخطوط المستقيمة إلى درجات حرارة منخفضة فإنها تتقاطع جميعها في نقطة واحدة هي C t = 273.15- و 0=V ال يمكن الوصول عمليا إلى درجات حرارة منخفضة جدا ألن حالة المادة سوف تتبدل من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة أو الصلبة بسبب تقارب الجزيئات إال أنه يجب التنبيه إلى أن الغاز التام يبقى في الحالة الغازية مهما كانت درجة الحرارة..3.2 قانون افوغادرو Avogadro أوضح العالم أفوغادرو أنه إذا كان لدينا حجمين متساويين من غاز فإنهما يحتويان نفس العدد من الجزئيات وبذلك يصبح قانون آفوغادرو على الشكل التالي: يوجد تناسب بين الحجم V للغاز وعدد الموالت n وينطبق هذا القانون كسابقيه على الغازات التامة. 4. 2. قانون الغازات التامة ومعادلة فاندرفالس تجمع القوانين الثالثة السابقة بقانون واحد على الشكل التالي: P.V = n.r.t R= 8.3145 J.K -1 mol -1 82
يالحظ من المعادلة السابقة أنه يمكن تعيين قيمة n أي كتلة الغاز وذلك بقياس,T,V P كما يمكن تتبع سرعة التفاعل عن طريق قياس تغير الضغط. P لقد وضع فاندرفالس عالقته المعروفة باسمه عندما الحظ أن ما ذكر سابقا من عالقات الغازات ال يمكن تطبيقها إال في درجات الحرارة العالية والضغوط المنخفضة أما في درجات الحرارة المنخفضة والضغوط العادية وخاصة في حالة الغازات الميوع ( القابلة للتمييع( فال يعود قانون الغازات التامة قابال للتطبيق إنما البد من استعمال معادلة فاندرفالس المعدلة التالية: حيث يدخل (P + an2 ) (V nb) = n.r.t V2 a/ V 2 العامل في حساب قيمة التجاذب بين الجزيئات وإن a و معينة. b هي ثوابت خاصة بكل غاز تعطى في جداول.3 الحالة السائلة تنتج الحالة السائلة عن القوى بين الجزيئات حيث تكون متقاربة غير أن حركتها تمنعها من االتحاد مع بعضها البعض مما يعطي السوائل خواص السيالن كما أن السائل يأخذ شكل الوعاء الذي يحتويه وينتشر في السوائل األخرى بحسب قابليته لالمتزاج. يفترض نموذج الحجم الحر أن جزيئات السائل تملك حجما أصغر بالمقارنة مع الحالة الغازية حيث أن الفراغ بين الجزيئات نسبة %3 من الحجم الكلي للسائل. تشغل المحاليل دائما حجما محددا مهما كانت كمية الفراغ المقدم لها كما أن حجم المحاليل يحده دوما مع المحيط الخارجي سطح خاص مستقل مما تبدي السوائل العديد من الخصائص المثيرة لالهتمام التي ال تنطبق على المواد الصلبة مثل الخاصية الشعرية واالنتشار غيرأنها غير قابلة لالنضغاط حيث أن جزيئاتها قريبة من بعضها وحتى لو تم ضغطها تحت الضغوط العالية جدا فإن حجمها لن يتغير كثيرا. 1. خصائص السوائل.3.1.1.3 التبخر والضغط البخاريPressure Vaporization and Vapor سنحاول وصف عملية التبخر على المستوى الجزيئي. وبما أن لجزيئات السائل مجاال من السرعات والطاقات الحركية لذلك يحدد متوسط الطاقة الحركية بدرجة حرارة السائل. للجزيئات السطحية طاقة حركية أكبر من متوسط الطاقة الحركية للسائل وتتغلب بها على قوى التجاذب بين الجزيئات المجاورة لها وتقع تحت السطح مباشرة, لذلك تتحول إلى حالتها الغازية, أي أنها تتبخر. 83
مع ازدياد طاقة الجزيئات التاركة لسطح السائل أثناء التبخر تنقص الطاقة الحركية للجزيئات الباقية في حالتها السائلة, وبالتالي تنخفض درجة حرارة السائل هذا ما نشعر به عند تبخر الكحول مثال(عادة يستخدم كحول االيزوبروبيل في عملية تدليك الجسم) من على سطح الجلد(. :Heat of (Enthalpy) Vaporization حرارة )انتالبية( التبخر للمحافظة على درجة حرارة السائل أثناء تبخره ال بد من تسخينه حتى يعوض الطاقة المفقودة من عملية التبخر. إن عملية التبخر هي عملية ماصة للحرارة.)Endothermic( االنتالبية أو حرارة التبخر هي كمية الحرارة التي يجب امتصاصها إلنجاز تبخر كمية معينة من سائل عند درجة حرارة ثابتة, ويعبر عنها بالكيلو جول للجزيئة الواحدة mol( )KJ /. وتكتب عادة مع المعادلة الكيميائية vap( :)ΔH يبين الجدول التالي قيم حرارة التبخر لعدد من السوائل. السائل ثاني كبريت الكربون رابع كلور الكربون مثانول أوكتان إيثانول الماء أنيلين الصيغة CS2 CCl4 CH3OH حرارة التبخر عند درجة 298 K ΔH vap KJ/mol 27.4 37.0 38.0 41.5 43.5 44.0 52.3 C8H18 C2H5OH H2O C6H5NH2 تسمى العملية العكسية للتبخر(تحول الغاز طاردة للحرارة )Exothermic(. إلى سائل) بالتكاثف )Condensation( وهي عملية إذا بخرنا كمية من سائل عند درجة حرارة معينة ثم كثف البخار عند نفس الدرجة فإن التغير في االنتالبية يساوي الصفر ضغط البخار :Vapor Pressur عندما يوضع سائل في حيز مغلق فان حجم السائل يأخذ بالتناقص بسبب التبخر ولكن بعد فترة يبدو أن التبخر وكأنه قد توقف. يمكن شرح هذه الظاهرة بالشكل اآلتي. 84
يبدأ السائل بالتبخر وعند ظهور جزيئات من السائل في حالة بخارية, تصطدم بعض جزيئات البخار بسطح السائل, وتعود إلى حالته السائلة. أي تحدث عمليتي التبخر والتكاثف في آن واحد. يمكن تمثيل ذلك بالمعادلة اآلتية: في البداية يكون عدد الجزيئات المتبخرة أكثر بكثير من عدد الجزيئات المتكثفة أي معدل التبخر أعلى من معدل التكاثف. مع ازدياد عدد الجزيئات المتبخرة يزداد عدد الجزيئات المتكثفة حتى نصل إلى مرحلة التوازن بين العمليتين وعندها يقال أن السائل والبخار في حالة توازن ديناميكي. )Dynamic Equilibrium( يعرف الضغط البخاري لسائل ما بأنه الضغط الجزئي الناتج من البخار عند حالة التوازن الديناميكي وعند درجة حرارة ثابتة. يحدث التوازن الديناميكي عندما تحدث العمليتان المتعاكستان بنفس المعدل. يعتمد الزمن الالزم للوصول إلى توازن سائل بخار عند درجة حرارة معينة على مجموعة عوامل فمثال عندما يكون حجم البخار صغيرا والمساحة السطحية للسائل كبيرة فإن التوازن يحدث بسرعة. وبالعكس يعتمد توازن ضغط البخار على نوع السائل وعلى درجة حرارة التوازن. مرة أخرى عندما ترتفع درجة الحرارة, فإن معدل الطاقة الحركية للجزيئات في السائل سيزداد مؤديا إلى زيادة في عدد الجزيئات ذات الطاقة الحركية الكافية للهروب من السائل وبالتالي يزداد معدل التبخر. وعند الوصول إلى التوازن الديناميكي يكون معدل التبخر مساويا لمعدل التكثف. ويزداد الضغط البخاري الجزئي مع ازدياد درجة الحرارة. - درجة الغليانPoint : Boiling عند تسخين سائل ما في حيز مفتوح فإنه يلحظ ظاهرة تبخر خاصة. وعند درجة حرارة معينة, يحدث التبخر ليس عند السطح فقط بل في كل السائل حيث يتشكل البخار داخل السائل مشكال فقاعات ترتفع إلى السطح ومن ثم تتركه عند هذه الظاهرة يقال أن السائل يغلي. تعرف درجة الغليان لسائل ما أنها درجة الحرارة التي يكون عندها الضغط البخاري للسائل مساويا للضغط الجوي السائد.وعندما يبدأ الغليان تبقى درجة حرارة السائل ثابتة ألن الحرارة المقدمة تستخدم لتحويل السائل إلى بخار وليس لرفع درجة حرارة السائل. درجة الغليان العادية ( Normal )Boiling Point هي الدرجة التي يغلي عندها السائل عندما يكون الضغط الجوي مساويا لضغط جوي واحد وبالتالي يكون الضغط البخاري للسائل هو أيضا مساويا لضغط جوي واحد ( 760(. - درجة االنصهار وحرارة االنصهار :Melting Point and Heat of Fusion تبدي وحدات البناء في المواد الصلبة(ذرات شوارد أو جزيئات) حركات اهتزازية فقط. ومع ارتفاع درجة حرارتها تصبح الحركات االهتزازية) Vibration ( شديدة جدا. وتصبح أخيرا اهتزازاتها قوية لدرجة كافية لتكسير بنية المادة الصلبة لتحولها إلى مادة سائلة. يدعى تحول المادة الصلبة إلى حالتها السائلة 85
باالنصهار )Melting( والدرجة التي ينصهر عندها بدرجة االنصهار. تسمى العملية العكسية لالنصهار بالتجمد )Freezing( ودرجة التجمد Point(.)Freezing في كلتا الحالتين االنصهار والتجمد توجد الحالة الصلبة والسائلة معا في حالة توازن. ودرجتا التجمد واالنصهار للبلورات الصلبة النقية واحدة. تتغير درجة االنصهار مع الضغط قليال وتدعى كمية الحرارة الالزمة النصهار كمية معينة من المادة الصلبة بحرارة أو انتالبية.)Heat or Enthalpy of Fusion( االنصهار - التوتر السطحي :Surface Tension بغض النظر عن طبيعة القوى بين الجزيئات في سائل ما تنجذب الجزيئات داخل جسم السائل بعدد أكبر من الجزيئات مما هي عليه الجزيئات السطحية. وبما أن الجزيئات الداخلية تتعرض إلى محصلة أكبر من قوى الجذب بين الجزيئات, وبالتالي فهي في وضع طاقي أخفض من الجزيئات السطحية لذلك يحاول أكبر عدد من الجزيئات أن يبقى داخل جسم السائل مع أقل عدد على السطح مما يجعل السوائل تميل ألخذ أصغر مساحة سطحية. للكرة أصغر نسبة مساحة سطحية إلى الحجم من أي شكل هندسي آخر لزيادة المساحة السطحية للسائل يجب نقل الجزيئات من الداخل إلى سطح السائل, وهذا يحتاج إلى عمل. التوتر السطحي, هو الطاقة الالزمة لزيادة المساحة السطحية للسائل. ويعبر عنه بالحرف غاما ( γ( وله وحدات الطاقة بوحدة المساحة(عدد الجوالت للمتر المربع )m2 J. / اليوناني للماء توتر سطحي مرتفع بسبب الرابطة الهيدروجنية. وتساوي عند درجة 20 م ل 10-2 7.29 جول / م 2.. وهي الطاقة الالزمة لزيادة مساحة السطح لكمية معينة من الماء بمقدار متر مربع واحد. وللزئبق توتر سطحي أكبر بسبب الروابط المعدنية بين ذرات الزئبق ويساوي 10-1 4.6 جول / م 2.مع إرتفاع درجة الحرارة, تزداد قوة الحركة الجزيئية وينخفض تأثير قوى بين الجزيئات, وهذا يعني لزوم طاقة أقل لزيادة المساحة السطحية. وباختصار ينخفض التوتر السطحي مع ارتفاع درجة الحرارة. عندما تنتشر قطرة من سائل على سطح لتشكل عليه طبقة رقيقة(فيلم Film( يقال أن السائل قد بلل السطح )Wets(. تأتي الطاقة الالزمة لنشر القطرة على السطح من انهيار )Collapse( القطرة تحت تأثير الجاذبية األرضية. على كل يوجد عامالن رئيسان هما اللذان يجعالن القطرة تنتشر أو ال تنتشر وهما قوى االلتصاق Forces( )Adhesive وقوى االلتحام Forces(.)Cohesive قوى االلتصاق هي قوى بين جزيئات غير متماثلة, وقوى االلتحام هي قوى بين جزيئات متماثلة. إذا كانت قوى االلتصاق أكبر من قوى االلتحام, عندها يستطيع السائل تبليل السطح وإذا كانت قوى االلتصاق هي األضعف, فإن السائل ال يستطيع التبليل. 86
حتى نستطيع تنظيف سطح ما بالماء,فإن على الماء تبليل السطح. مثال يمكن تبليل الزجاج وكثير من األقمشة بسهولة بالماء. وإذا طلي سطح الزجاج بطبقة من الشحم أو الزيت, فإن الماء ال يستطيع تبليل سطح هذا الزجاج. وتظهر قطيرات الماء على سطح الزجاج المغطى بالطبقة الزيتية أو الشحمية. إذا بلل السائل سطح الحيز الموجود فيه, فإن السائل ينسحب قليال على الجدار نحو األعلى. يدعى السطح بين السائل والهواء الذي فوقه بالسطح الهاللي )Meniscus( وإما أن يكون هذا السطح مقعرا )Concave( وبالعكس عندما ال يبلل السائل سطح الحيز فإن السائل ينسحب بعيدا عن الجدار ويكون له سطح هاللي محدب.)Convex( يشكل الماء في حيز زجاجي سطحا هالليا مقعر, ويشكل الزئبق سطحا هالليا محدب. يصبح السطح الهاللي أكثر وضوحا في األنابيب الدقيقة(الشعرية) Tubes(.)Capillary تدعى هذه الظاهرة بالفعل أو الخاصة الشعرية Action( )Capillary حيث يرتفع الماء في األنبوبة الشعرية عدة سنتيمترات. إن امتصاص الماء بواسطة االسفنجة ليس إال بسبب الخاصة الشعرية. - اللزوجةViscosity : عندما يتدفق سائل ( )Flow فإن جزءا من السائل يتحرك بالنسبة لألجزاء المجاورة له وتشكل قوى االلتحام داخل السائل احتكاك داخلي Friction( )Internal يؤدي إلى انخفاض في معدل التدفق. يستخدم تعبير اللزوجة لوصف مقاومة السائل للتدفق. تتمتع السوائل مثل زيوت المحركات والعسل بلزوجة عالية, لذلك تسمى مواد لزجة. والسوائل األخرى مثل الماء وااليثانول والهكسان التي تتدفق بسهولة تدعى بالمواد سهلة التدفق أو الجريان )Mobile(. إن أحد األسباب الهامة التي تؤثر على درجة لزوجة السائل هو شدة القوى بين الجزيئات. فكلما ازدادت هذه القوى كلما ازدادت اللزوجة. إذا نظر إلى المركبات الكحولية الثالثة )البروبيل بروبلين غليكول والغليسرول( يبدو أن درجة اللزوجة تزداد مع ازدياد فرص تشكل روابط هيدروجنية في الجزيئة بشكل عام كلما ازداد الوزن الجزيئي للسائل مع تفرع في بنيته ازدادت لزوجتها. ومع ارتفاع درجة حرارة السائل كلما انخفضت لزوجته. تدعى وحدة قياس اللزوجة بالبواز.)Poise( تعتمد إحدى طرق قياس اللزوجة على قياس الزمن الالزم لكرة معدنية لتعبر مسافة معينة في وسط السائل المعني وذلك باستخدام جهاز يعرف باسم مقياس اللزوجة. وتعتمد الطريقة الكالسيكية على استخدام الجهاز الزجاجي المعروف باسم جهاز اوستوالد حيث يقاس الزمن الالزم لعبور السائل مسافة محددة ومقارنته بسائل عياري مثل الماء. 87.4 الحالة الصلبة The Solid State تتألف المواد التي توجد عند درجة حرارة الغرفة في حالة صلبة من ذرات أو شوارد أو جزيئات. توجد جميع المركبات الشاردية عند درجة حرارة الغرفة في حالة صلبة ألن الشوارد تترتب بنموذج معين ثالثي األبعاد حيث تتعاقب الشوارد الموجبة مع الشوارد السالبة وهي مرتبطة مع بعضها بقوى التجاذب بحيث تثبت في مواضعها وتتحرك فقط حركات اهتزازية في أماكنها. وتتألف جميع
المركبات المشتركة والصلبة من جزيئات تحوي عددا قليال من الذرات مثل I2 و P4 أو العديد من الذرات مثل جزيئة السكر C12H22O11 أو من آالف الذرات مثل السليلوز والبروتين. تتألف المعادن التي توجد في حالة صلبة عند درجة حرارة الغرفة من ذرات, وتوجد بعض العناصر الالمعدنية في حالة صلبة عند درجة حرارة الغرفة مثل عنصر اليود والفوسفور. إذن بشكل عام تتوضع الذرات في أماكن ثابتة من الشبكة البلورية وتظهر طاقتها الحركية على شكل حركات إهتزازية مع محافظتها على أماكنها. يوضح الشكل التالي الحركة االهتزازية للذرات في الشبكة البلورية. لقد تمكن الباحثون من تحديد البنية البلورية بواسطة تقنية انحراف األشعة السينية ( Rays -X )Diffraction by Crystals حيث تسقط األشعة السينية لتمر خالل البلورة الصلبة وتحدث انحرافا لألشعة بمقادير مختلفة حسب توضع طبقا ت البلورة. إن إحدى أهم نتائج الدراسات النحراف األشعة السينية هو النموذج الذي حصل عليه لبلورات من مركب أل DNA )تمت الدراسة في منتصف القرن الماضي(. واستطاعت مجموعة من الباحثين من دراسة هذا النموذج تحديد بنية مركب أل DNA (شريط ثنائي حلزوني.Double-Helix( تعتبر هذه الدراسة بحق أهم دراسة واكتشاف في مجال البيولوجيا الجزيئية Biology(.)Molecular بشاااكل عام, تتألف البلورة من وحدة قابلة للتكرار لتشاااكل البلورة بشاااكلها العام. تسااامى هذه الوحدة وحدة الخلية.)Unit-Cell( يمكن تحريك وحدة الخلية في جميع االتجاهات لتعطي الشااااااكل العام للبلورة..1 أنواع البلورات :Type of Crystals.4.1.1.4 البلورات الشاردية :Ionic Crystals تتألف البلورة الشاردية من تجمع لشوارد موجبة مع شوارد سالبة. وبما أنه بشكل عام, أقطار الشوارد السالبة في معظم المركبات الشاردية أكبر من أقطار الشوارد الموجبة, لذلك تتألف البلورة الشاردية من شبكة )Lattice( من الشرسبات تحوي في فجوات الشبكة الشرجبات. ينتج عن هذه البنية البلورية للمواد الصلبة الشاردية الخواص التالية: 1 غير طيارة, وذات درجات انصهار مرتفعة )بين 600-2000 م(. وحتى يحدث االنصهار يجب أن تتفكك الرابطة الشاردية بحيث يساهم االنصهار بفصل الشوارد المتعاكسة عن بعضها. 2 غير موصلة للكهرباء في حالتها الصلبة بسبب تثبيت الشوارد المشحونة كهربائيا في مواضعها. ولكنها تصبح موصلة للكهرباء بعد صهرها أو بعد انحاللها في الماء حيث تصبح الشوارد حرة الحركة في السائل. 88
3 معظمها ينحل في الماء وفي المحاليل القطبية )مثل بلورة كلور الصوديوم وليس بلورة كربونات الكالسيوم(..2.1.4 البلورات التشاركية :Covalent Crystals تتألف البلورة التشاركية من تجمع ذري مرتبطة الذرات ببعضها بشبكة من الروابط المشتركة. والبلورة ككل مؤلفة من جزيئة عمالقة.)Macromolecule( سوف نعرض ثالثة نماذج للبلورات التشاركية: A األلماس :Diamond كما هو معروف, تتألف بلورة االلماس فقط من ذرات كربون بحيث تشكل كل ذرة كربون روابط أحادية مع أربع ذرات كربون أخرى مرتبة حولها بشكل رباعي وجوه. والتهجين في ذرات الكربون هذه هو من نوع sp3 والترتيب الفراغي )ثالثة أبعاد( للروابط المشتركة هو المسؤول عن قساوة االلماس غير العادية فهو يعتبر من أقسى المواد المعروفة. B- الغرافيت :Graphite أيضا يتألف الغرافيت فقط من ذرات كربون. يوجد الغرافيت بشكل مسطح يحوي ذرات كربون مرتبة في نموذج سداسي األضالع بحيث ترتبط كل ذرة كربون مع ثالث ذرات كربون برابطتين أحاديتين ورابطة مضاعفة والتهجين في ذرات الكربون هو من نوع. sp2 هو أحد المركبات الصلبة ذات البنية الشبكية المشتركة, وصيغته SiO2 :Quartz الكوارتز C وهو المكون الرئيسي للرمل. يوجد في بلورة الكوارتز ذرة السليكون مرتبطة بأربع ذرات أوكسجن بترتيب فراغي رباعي وجوه حيث ترتبط كل ذرة أوكسجن بذرتي سليكون بحيث يرتبط كل رباعي وجوه برباعي وجوه مجاور له. تتمتع المركبات الصلبة التشاركية بالخواص االتية: 1 ذات درجات انصهار مرتفعة قد تصل الى حوالي 1000 م. 2 التنحل في جميع المحالت الشائعة )حتى يحدث االنحالل البد من كسر الرابطة المشتركة(. 3 رديئة التوصيل الكهربائي )معظمها باستثناء الغرافيت ال يحوي الكترونات متحركة لتنقل التيار الكهربائي(..3.1.4 البلورات المعدنية :Metallic Crystals لقد ذكرنا سابقا الرابطة المعدنية وبينا أن شوارد المعدن تسبح في بحر من االلكترونات حرة الحركة داخل البلورة. تتجمع وحدة الخاليا في المعدن لتكون أشكاال فراغية مختلفة نذكر منها أبسطها: 1 خلية مكعب بسيط :)Simple Cubic Cell ( SC يحوي هذا المكعب ثمان ذرات تكون مراكزها واقعة عند زوايا الخلية المكعبة وتالمس الذرات المجاورة في زوايا المكعب بعضها البعض. 89
2 خلية مكعب مركزي الوجه :)Face - Centered Cubic Cell (FCC يوجد في هذا النموذج ذرة في كل زاوية من زوايا المكعب )ثمان ذرات( وذرة في مركز كل من األوجه الستة للمكعب. هنا ال تالمس ذرات الزوايا بعضها البعض, ولكنها مضغوطة قليال لتبتعد عن بعضها وبدال عن ذلك يحدث التالمس على طول قطر الوجه وتلمس كل ذرة في مركز الوجه الذرات المقابلة لها في زوايا الوجه. 3 خلية مكعب مركزي الجسم :Body-Centered Cubic Cell (BCC يوجد في هذا المكعب ذرات في زوايا المكعب )ثمان ذرات( وذرة واحدة في مركز المكعب. هنا أيضا ال تالمس ذرات زوايا المكعب بعضها, بل يحدث التالمس على طول قطر المكعب, وتالمس ذرة الوسط الذرات الزاوية المقابلة تتمتع المعادن بالخواص التالية: 1 التوصيل الكهربائي العالي :High Electrical Conductivity يعتبر الوجود الكبير من االلكترونات المتحركة هو المسؤول عن هذه الخاصية )الفضة من أفضل الموصالت الكهربائية, يليها النحاس, وبدرجة أضعف بكثير هو معدن الزئبق( 2 التوصيل الحراري العالي :High Thermal Conductivity تنتقل الحرارة في المعدن من خالل اصطدام االلكترونات ببعضها. - 3 قابليتها للسحب والترقيق :Ductility and Malleability تعود إمكانية المعدن للسحب والترقيق إلى كون االلكترونات الرابطة تعمل وكأنها مادة الصقة لطبقات بلورة المعدن ولنوى الذرات لذلك يمكن إعادة تشكيل المعدن عن طريق السحب أو الترقيق. 4 اللمعان : Luster تستطيع سطوح المعادن المصقولة أن تعكس الضوء الساقط عليها. بما أن االلكترونات ليست مقيدة بذرة معينة )برابطة معينة( لذلك تستطيع هذه االلكترونات امتصاص وإصدار الضوء ضمن مجال واسع من طيف الضوء. يمتص الذهب والنحاس بعض الضوء في المنطقة الزرقاء من مجال الطيف المرئي ولذا يظهر الذهب باللون األصفر والنحاس باللون الضارب لالحمرار. 90
الشكل )5-4( نماذج من أشكال البلورات إضافات مدرس المقرر 91
92