تختلف درجة انصهار كلوريد البوتاسيوم KCl (770°C) عن درجة انصهار أكسيد الكالسيوم CaO (2572°C) رغم كون كليهما مادة أيونية؛ ويعود ذلك بشكل رئيس إلى:
اختلاف لون المادتين
اختلاف قابليتهما للذوبان في الماء فقط
اختلاف قوة الرابطة الأيونية باختلاف مقدار شحنة الأيونات المكوّنة للمادتين
تساوي قوة الرابطة الأيونية فيهما تمامًا
أحد الأمثلة الآتية على مادة صلبة جزيئية:
الماس
النحاس
كلوريد الصوديوم
بلورة اليود I₂
مادة صلبة عالية الصلابة جدًا، ودرجة انصهارها مرتفعة للغاية، وغير موصلة للتيار الكهربائي في حالتيها الصلبة والمنصهرة، ولا تذوب في الماء؛ فإن الفيصل الذي يمنع تصنيفها كمادة أيونية رغم ارتفاع درجة انصهارها هو:
عدم توصيلها للتيار الكهربائي في حالتها المنصهرة وعدم ذوبانها في الماء
شدة صلابتها فقط
ارتفاع درجة انصهارها فقط
لونها الشفاف
مادة صلبة بيضاء اللون تنصهر عند درجة حرارة مرتفعة نسبيًا، وهي غير موصلة للتيار الكهربائي في حالتها الصلبة، بينما محلولها المائي موصل جيد للتيار الكهربائي؛ فإن نوع هذه المادة الصلبة هو:
مادة صلبة جزيئية
مادة صلبة فلزية
مادة صلبة أيونية
مادة صلبة شبكية تساهمية
المادة الصلبة المكونة من أيونات موجبة وأيونات سالبة مرتبطة برابطة أيونية قوية تُسمّى:
المادة الصلبة المكونة من أيونات موجبة مرتّبة ضمن بحر من الإلكترونات الحرة الحركة تُسمّى:
عند إذابة عيّنة من مادة صلبة في الماء، تبيّن أن محلولها يوصل التيار الكهربائي بقوة، وأن هذه المادة في حالتها الصلبة شديدة الصلابة نسبيًا ولا تنصهر إلا عند تسخينها لدرجة حرارة مرتفعة جدًا تفوق 1000°C؛ فإن أقرب تصنيف لهذه المادة هو:
مادة صلبة أيونية ذات شحنات أيونية مرتفعة نسبيًا (ما يفسر ارتفاع درجة انصهارها)
تُفسَّر هشاشة المواد الصلبة الأيونية رغم شدة صلابتها بأنه عند تعرّضها للطرق:
تتحرر الإلكترونات من الأيونات فتتفكك الرابطة الأيونية
تنزلق طبقات الأيونات فتتقارب الأيونات المتشابهة الشحنة وتتنافر؛ ما يؤدي إلى تحطم البلورة
تتحول الرابطة الأيونية إلى رابطة تساهمية
تزداد المسافة بين جميع الأيونات بالتساوي دون تنافر
بمقارنة مادة فلزية بمادة أيونية في حالتيهما الصلبتين، فإن العبارة الصحيحة بخصوص التوصيل الكهربائي هي:
كلتاهما موصلة للتيار الكهربائي في الحالة الصلبة
الفلزية موصلة والأيونية غير موصلة في الحالة الصلبة
الأيونية موصلة والفلزية غير موصلة في الحالة الصلبة
كلتاهما غير موصلة في الحالة الصلبة
يبيّن الجدول الآتي بعض خصائص أربع مواد صلبة مجهولة الهوية (A، B، C، D): A: درجة انصهار منخفضة، غير موصلة صلبة ولا منصهرة. B: درجة انصهار مرتفعة جدًا، غير موصلة صلبة أو منصهرة، شديدة الصلابة. C: درجة انصهار مرتفعة، غير موصلة صلبة، وموصلة منصهرة. D: متفاوتة درجة الانصهار، موصلة صلبة ومنصهرة، قابلة للطرق. فإن الترتيب الصحيح لأنواع المواد (A, B, C, D) على التوالي هو:
جزيئية، شبكية تساهمية، أيونية، فلزية
أيونية، فلزية، جزيئية، شبكية تساهمية
فلزية، جزيئية، شبكية تساهمية، أيونية
شبكية تساهمية، جزيئية، فلزية، أيونية
أربع مواد صلبة أُعطيت الرموز الافتراضية (W، X، Y، Z)، ولوحظ أن: W توصل التيار الكهربائي في حالتيها الصلبة والمنصهرة وقابلة للطرق، وX تذوب في الماء ومحلولها موصل بينما هي غير موصلة صلبة، وY شديدة الصلابة ودرجة انصهارها مرتفعة جدًا ولا تذوب في الماء ولا توصل التيار الكهربائي، وZ منخفضة درجة الانصهار وغير موصلة في أي من حالتيها؛ فإن تصنيف (W, X, Y, Z) على الترتيب هو:
جزيئية، شبكية تساهمية، فلزية، أيونية
شبكية تساهمية، جزيئية، أيونية، فلزية
فلزية، أيونية، شبكية تساهمية، جزيئية
من أبرز الخصائص العامة للمواد الصلبة الجزيئية:
ارتفاع درجة انصهارها الشديد
قابليتها للطرق والسحب
توصيلها الجيد للتيار الكهربائي في حالتها الصلبة
انخفاض درجة انصهارها وعدم توصيلها للتيار الكهربائي
تُعرَّف المادة الصلبة البلورية بأنها المادة التي:
تترتب جسيماتها في أنماط هندسية منتظمة ومتكررة
تترتب جسيماتها بشكل عشوائي دون نظام هندسي
لا تمتلك شكلًا ثابتًا
تتحرك جسيماتها حركة مستمرة وعشوائية كالغازات
يُعدّ الغرافيت استثناءً من قاعدة عدم توصيل المواد الشبكية التساهمية للتيار الكهربائي؛ لأن:
ذراته مرتبطة بروابط أيونية بدلًا من التساهمية
بنيته مكوّنة من طبقات سداسية تحرّر بعض الإلكترونات بينها
كل ذرة كربون فيه ترتبط بأربع ذرات أخرى برباعي أوجه منتظم
كثافته أقل من كثافة الماس
مادتان من الكربون؛ الأولى بكمنستر فوليرين (جزيئات كروية منفصلة) والثانية الماس (بناء شبكي متصل)؛ فإن العبارة الصحيحة بخصوص المقارنة بين خصائصهما الفيزيائية هي:
درجة انصهار بكمنستر فوليرين أعلى من درجة انصهار الماس
كلاهما موصل جيد للتيار الكهربائي
كلاهما له درجة الانصهار نفسها تمامًا
درجة انصهار بكمنستر فوليرين أقل من درجة انصهار الماس؛ لضعف قوى التجاذب بين جزيئاته الكروية مقارنة بالروابط التساهمية المتصلة في الماس
عند مقارنة الأشكال البلورية الثلاثة للكربون (الماس، الغرافيت، بكمنستر فوليرين)، فإن العبارة الصحيحة فيما يخص نوع الروابط بينها هي:
الماس وحده يحتوي على روابط تساهمية بينما الآخران أيونيان
الروابط بين ذرات الكربون داخل كل شكل روابط تساهمية في الحالات الثلاث، لكنها تختلف في طريقة الترتيب المكاني
بكمنستر فوليرين وحده لا يحتوي على أي روابط تساهمية
الغرافيت والماس يحتويان على روابط أيونية بين الطبقات
المادة الصلبة التي تتكون جسيماتها من ذرات أو جزيئات مرتبطة بقوى تجاذب ضعيفة نسبيًا (كقوى لندن أو الروابط الهيدروجينية) تُسمّى:
أكسيد الصوديوم Na₂O مادة صلبة بلورية من نوع:
جزيئية
أيونية
فلزية
شبكية تساهمية
مادة صلبة تذوب في الماء، ومحلولها موصل جيد للتيار الكهربائي بينما هي غير موصلة في حالتها الصلبة؛ فإن نوع هذه المادة هو:
تُصنَّف المواد الصلبة البلورية إلى عدد من الأنواع الرئيسة وفق نوع الجسيمات والروابط بينها، وهذا العدد يساوي:
نوعين
ثلاثة أنواع
أربعة أنواع
خمسة أنواع
يبيّن الجدول الآتي (نوع الجسيمات - نوع الرابطة - التوصيل الكهربائي كصلب) لأربع مواد صلبة: A: ذرات فلزية - رابطة فلزية - موصلة B: جزيئات - روابط هيدروجينية - موصلة C: أيونات - رابطة أيونية - غير موصلة D: ذرات - رابطة تساهمية شبكية - غير موصلة فإن الخانة غير الصحيحة في الجدول هي الخاصة بالمادة:
A
B
C
D
أحد الأمثلة الآتية على مادة صلبة أيونية:
اليود I₂
السيليكون Si (بحالته الصلبة النقية) مادة صلبة بلورية من نوع:
أحد الأمثلة الآتية على مادة صلبة فلزية:
أكسيد الكالسيوم
يتكوّن بكمنستر فوليرين (كرة الباكي) من عدد من ذرات الكربون المرتبطة تساهميًا على هيئة جزيء كروي مفرغ، وعدد ذرات الكربون في هذا الجزيء يساوي:
24 ذرة
100 ذرة
60 ذرة
12 ذرة
فلوريد الهيدروجين HF مادة صلبة بلورية من نوع:
جزيئية؛ لتكوّن جزيئاتها من روابط تساهمية وارتباطها بروابط هيدروجينية
يتميّز التركيب البلوري للغرافيت بأن ذرات الكربون فيه ترتبط مكوّنة:
بناءً رباعي الأوجه ثلاثي الأبعاد كالماس
جزيئات كروية منفصلة كبكمنستر فوليرين
سلاسل خطية مفتوحة من ذرات الكربون
حلقات سداسية الشكل مرتّبة في طبقات ترتبط ببعضها بقوى ضعيفة
عند ترتيب المواد الصلبة الآتية تصاعديًا حسب درجة انصهارها العامة (بافتراض التفاوت المعتاد بين الأنواع): الجزيئية، الأيونية، الشبكية التساهمية، فإن الترتيب الصحيح غالبًا هو:
جزيئية < أيونية < شبكية تساهمية
شبكية تساهمية < أيونية < جزيئية
أيونية < جزيئية < شبكية تساهمية
جزيئية < شبكية تساهمية < أيونية
من أبرز الخصائص العامة للمواد الصلبة الشبكية التساهمية:
ارتفاع درجة انصهارها وشدة صلابتها
انخفاض درجة انصهارها
ذوبانها السريع في الماء
مادة صلبة مجهولة الهوية عالية الصلابة، منخفضة درجة الانصهار نسبيًا، وغير موصلة للتيار الكهربائي في أي من حالاتها؛ فإن أقرب تصنيف لها من بين الأنواع الأربعة هو:
مادة صلبة أيونية بالضرورة
مادة صلبة جزيئية شديدة التماسك نسبيًا بسبب روابط هيدروجينية قوية، دون أن ترتفع درجة انصهارها إلى مستوى الشبكية التساهمية
مادة صلبة فلزية بالضرورة
مادة صلبة شبكية تساهمية بالضرورة
مادة صلبة شديدة الصلابة وشفافة، تنصهر عند درجة حرارة مرتفعة جدًا، ولا توصّل التيار الكهربائي في أي من حالتيها الصلبة والمنصهرة، ولا تذوب في الماء؛ فإن نوع هذه المادة الصلبة هو:
فلوريد الكالسيوم CaF₂ مادة صلبة أيونية ثنائية الشحنة الموجبة على الكاتيون؛ فإن الخاصية الفيزيائية المتوقعة لها بالمقارنة بمادة أيونية أحادية الشحنة كـ NaCl عند تقارب الحجم الأيوني هي:
درجة انصهار أعلى؛ لقوة الرابطة الأيونية الناتجة عن زيادة الشحنة
درجة انصهار أقل
توصيل جيد للتيار الكهربائي في حالتها الصلبة
عدم ذوبانها في الماء إطلاقًا
من أبرز الخصائص العامة للمواد الصلبة الفلزية:
الهشاشة الشديدة عند الطرق
قابليتها للطرق والسحب دون أن تتكسّر
انخفاض درجة انصهارها دائمًا
عدم توصيلها للتيار الكهربائي
يتميّز التركيب البلوري للماس بأن كل ذرة كربون فيه ترتبط بأربع ذرات كربون أخرى مكوّنة:
شكلًا رباعي الأوجه منتظمًا ثلاثي الأبعاد
حلقات سداسية مسطّحة في طبقات منفصلة
جزيئات منفصلة ترتبط بقوى لندن
بناءً أيونيًا موجب الشحنة
بمقارنة صلابة كل من الماس والكوارتز SiO₂ (وكلاهما من النوع الشبكي التساهمي)، فإن العبارة الصحيحة هي:
الكوارتز أشد صلابة من الماس
الماس أشد صلابة من الكوارتز
كلاهما بالصلابة نفسها تمامًا
لا يمكن مقارنة صلابتيهما لاختلاف نوعيهما
أحد الأمثلة الآتية على مادة صلبة شبكية تساهمية:
الصوديوم
كلوريد البوتاسيوم
الحديد Fe مادة صلبة بلورية من نوع:
توصّل المواد الصلبة الأيونية التيار الكهربائي في حالتيها المنصهرة والمذابة في الماء، بخلاف حالتها الصلبة؛ بسبب:
تحوّل رابطتها من أيونية إلى فلزية عند الانصهار
ازدياد كتلتها المولية عند الذوبان
تحرر أيوناتها وقدرتها على الحركة الحرة في تينك الحالتين
اكتساب جسيماتها شحنة جديدة عند الذوبان
عند مقارنة كلوريد الصوديوم NaCl وأكسيد الكالسيوم CaO من حيث درجة الانصهار، تكون درجة انصهار CaO أعلى بكثير من NaCl؛ ويُعزى السبب الرئيس لذلك إلى:
كبر نصف قطر أيونات CaO مقارنة بـ NaCl
كون CaO مادة فلزية بخلاف NaCl
زيادة مقدار شحنتي الأيونين الموجب والسالب في CaO مقارنة بـ NaCl؛ ما يقوّي الرابطة الأيونية بينهما
مادتان صلبتان (X) و(Y) لهما درجة انصهار مرتفعة متقاربة تقريبًا؛ إذا علمت أن (X) موصلة للتيار الكهربائي في حالتها المنصهرة بينما (Y) غير موصلة في أي من حالتيها، فإن التصنيف الأرجح لكل منهما هو:
X فلزية وY جزيئية
X شبكية تساهمية وY أيونية
X أيونية وY شبكية تساهمية
X جزيئية وY فلزية
تُفسَّر قابلية المواد الفلزية للطرق والسحب دون أن تتكسّر بأن:
صفوف الأيونات الموجبة يمكنها الانزلاق مع بقائها مرتبطة ببحر الإلكترونات الحرة الحركة
الروابط الفلزية تنكسر وتتكوّن من جديد عند كل طرقة
الإلكترونات في المادة الفلزية مقيّدة الحركة تمامًا
الأيونات الموجبة تتنافر عند الطرق فتتفكك المادة
العبارة الأدق في تفسير سبب اجتماع صفتي الصلابة الشديدة والهشاشة معًا في المواد الأيونية هي أن:
الأيونات صغيرة الحجم فقط بغض النظر عن نوع الشحنة
الروابط الأيونية ضعيفة أصلًا وتتكسّر بسهولة عند أي ضغط
الروابط الأيونية قوية باتجاهات متعددة بحيث تقاوم الضغط، لكن انزلاق طبقة كاملة من الأيونات يقرّب الشحنات المتشابهة من بعضها فتتنافر بعنف وتتحطم البلورة
تحرّر الإلكترونات الحرة في المادة الأيونية عند الطرق
لا يُعدّ توصيل الغرافيت للتيار الكهربائي استثناءً كاملًا من قاعدة عزل المواد الشبكية التساهمية؛ لأن:
توصيله ناتج عن إلكترونات حرة الحركة بين طبقاته فقط، بينما تبقى الروابط داخل كل طبقة تساهمية خالصة كما في بقية هذا النوع
الغرافيت في الحقيقة مادة فلزية وليست شبكية تساهمية
الغرافيت لا يوصل التيار الكهربائي إطلاقًا
الغرافيت مادة أيونية تحرّرت أيوناتها
لا توصّل المواد الصلبة الجزيئية التيار الكهربائي في أي من حالاتها؛ بسبب:
كبر حجم جسيماتها المكوّنة لها
ارتفاع درجة انصهارها
قوة الروابط التساهمية بين ذراتها
تعادل الشحنة الكهربائية لجسيماتها المكوّنة لها (ذرات أو جزيئات محايدة)
المادة الصلبة التي تترابط فيها الذرات بروابط تساهمية ضمن بناء شبكي صلب واحد تُسمّى:
يوصّل الغرافيت التيار الكهربائي رغم كونه من المواد الصلبة الشبكية التساهمية التي تُعرف عادة بعدم توصيلها؛ والتفسير العلمي الدقيق لذلك هو أن:
الغرافيت يحتوي على أيونات حرة الحركة بين طبقاته
كل ذرة كربون في الغرافيت ترتبط بثلاث ذرات كربون فقط؛ ما يترك إلكترونات حرة الحركة بين الطبقات
الغرافيت يذوب في الماء فتتحرر أيوناته
الروابط بين طبقات الغرافيت روابط أيونية موصلة
إحدى العبارات الآتية لا تتفق مع خصائص المواد الصلبة البلورية:
تتحرك جسيمات المادة الصلبة حركة انتقالية حرة كالسوائل
تتحرك جسيمات المادة الصلبة حركة اهتزازية حول مواضع ثابتة
تترتب جسيماتها في نمط هندسي منتظم ومتكرر
تمتلك المادة الصلبة شكلًا وحجمًا ثابتين
من أبرز الخصائص العامة للمواد الصلبة الأيونية:
ليونتها ومرونتها العالية
توصيلها للتيار الكهربائي في حالتها الصلبة
شدة صلابتها مع هشاشتها عند الطرق
يمتلك الماس كثافة أكبر من كثافة الغرافيت رغم أن كليهما يتكوّن من ذرات الكربون نفسها فقط؛ ويعود سبب ذلك إلى:
احتواء الماس على أيونات إضافية غير موجودة في الغرافيت
كون الغرافيت مادة أيونية والماس مادة تساهمية
اختلاف الكتلة الذرية للكربون بين المادتين
اختلاف نوع الرابطة بين ذرات الكربون في المادتين (تساهمية في الاثنين لكن بترتيب مكاني مختلف يجعل تراص ذرات الماس أكثر إحكامًا)
تُعرَّف المادة الصلبة اللابلورية (غير البلورية) بأنها المادة التي:
تترتب جسيماتها في نمط هندسي منتظم
تترتب جسيماتها بشكل عشوائي دون شكل هندسي منتظم
تنصهر عند درجة حرارة محددة تمامًا
توصل التيار الكهربائي في حالتها الصلبة