طبيعة الجزئيات أثناء مزج مادتين مع بعضهما

162 2 دقائق

2011 تجارب علمية داخل المادة

غريس ودفورد

مؤسسة الكويت للتقدم العلمي

طبيعة الجزئيات طبيعة الجزئيات أثناء مزج مادتين مع بعضهما الكيمياء

هل تعلم أن الجسم الصلب هو في الغالب حيّز فارغ في معظم تكوينه؟

توجد بين ذرّات وجزيئات المادة المليارات من الفجوات الدقيقة. وتستطيع أن تجعل بعض المواد تختفي داخل هذه الفجوات من خلال خلط أو مزج الأشياء مع بعضها.

لا يوجد شيء في الكون له صلابة فعلية كصلابة المظهر الذي تبدو عليه، فهناك فراغات بين الجزيئات التي تكوّن المواد وفراغات بين الذرّات تشكّل الجزيئات، بل وفراغات أيضاً داخل الذرّات نفسها.

وإذا قمت بصنع نموذج نسبي لذرّة الهيدروجين مستعملاً حبة فاصوليا لتمثل النواة، ونثرة غبار واحدة لتمثل الإلكترون، فإن نموذجك هذا سيكون أوسع من ثلاثين ملعب كرة قدم. وبمعزل عن النواة والإلكترون، فإن النموذج بأكمله سيكون حيزاً فارغاً.

يركز هذا النشاط على الفراغات الموجودة بين الجزيئات. قد نميل إلى التفكير بأن الجزيئات في جسم ما تكون متراصة مع بعضها البعض، ولكن في الحقيقة هناك الكثير من الحيّز بين تلك الجزيئات في أغلب الأحيان، بل بل وحتى في شيء صلب كالطاولة، يوجد حيّز بين الجزيئات.

أما السوائل، كالزيت والماء، ففيها حيّز أكبر بين جزيئاتها، وهذا ما يتيح للجزيئات الحركة والتنقل بحريّة، بينما نجد أن الغازات لها حيّز أوسع بكثير مقارنة بالسوائل.

ولعل إحدى الطرق التي تساعدنا على تخيّل الفراغات الموجودة بين الجزيئات هي أن نتصور دلواً مليئاً لقمّته بالحجارة، مع أن الدلو يبدو مملوءاً، إلا أنك تستطيع إضافة الرمل إليه حيث يمر الرمل بين الفراغات الموجودة بين الحجارة.

لكن الدلو في الحقيقة لم يمتلئ بعد لأنك تستطيع أن تصب فيه الماء أيضاً، حيث سيقوم الماء بملء الفجوات الموجودة بين حبات الرمل.

وعلى نحوٍ مماثل أيضاً، عندما تقوم بتحريك السكر في فنجان من القهوة، بالكاد يرتفع مستوى القهوة داخل الفنجان لأن جزيئات الماء وجزيئات السكر تفسح مكاناً لبعضها البعض بكل سهولة من دون أن تشغل حيّزاً إضافياً كبيراً.

عندما تمتزج مادتان مع بعضهما بشكل كامل، كالسكر في القهوة الساخنة، فإنهما تشكلان ما نسميه بـ «المحلول»، ونقول أيضاً إن السكر يذوب عندما يختفي في القهوة.

تتألف معظم المحاليل من الماء وجسم صلب، لكن الكثير من المواد المختلفة تستطيع التمازج مع بعضها لتكوّن محلولاً من المحاليل أيضاً.

يذوب غاز ثاني أكسيد الكربون، على سبيل المثال، في الماء عندما يكون الماء تحت الضغط، ومثال على هذا المحلول هو الصودا الفوّارة.

عندما تحرر الضغط في زجاجة صودا من خلال نزع سدادة الزجاجة، تتحرر فقاعات ثاني أكسيد الكربون، كما تستطيع السوائل الذوبان في غيرها من السوائل، فالكحول الأثيلي والماء، على سبيل المثال، يشكلان محلولاً.

ستكتشف على الصفحة التالية كيف تصنع محلولاً من سائلين مختلفين: الماء وكحول التعقيم (كحول الإيسوبروبيل). عندما تمزج هذين السائلين معاً يجب أن تجد أن المزيج يشغل حيّزاً أقل من الحيّز الكلي الذي تشغله العناصر منفصلة عن بعضها.

والسبب هو أن جزيئات السائل الواحد ستفسح مكاناً لها في الفجوات الموجودة بين جزيئات السائل الآخر، تماماً كما يفسح المجال للرمل بالتغلغل بين الفجوات داخل الدلو المملوء بالحجارة.

أثناء المزج

تتحرك الجزيئات في السائل بحرّية نظراً لوجود فراغات واسعة بين تلك الجزيئات. عندما يختلط سائلان مختلفان مع بعضهما لتشكيل محلول ما، تتمازج الجزيئات المختلفة بشكل منتظم مع بعضها.

وبما أن الجزيئات المختلفة تفسح مكاناً لبعضها بين الفجوات الموجودة في كل منهما، يشغل المزيج حيّزاً أقل من الحيز الكلي الذي تشغله السوائل منفصلة عن بعضها.

كرات باكي

تحوي العديد من المواد فراغات بين جزيئاتها، إلا أن القليل منها فقط تحوي فعلاً فراغات داخل جزيئاتها، وإحدى هذه المواد معروفة باسم "باكمينسترفولرنس"، وهي مادة مذهلة تم اكتشافها عام 1985.