مليار كلمـة

ملخص الكتاب

الفصل الأول من دراسة الكيمياء يقدم مقدمة عن هذا العلم، موضحًا أنه علم تجريبي يتعامل مع دراسة المادة وخصائصها، بالإضافة إلى التغيرات التي تطرأ عليها. الكيمياء تشمل مجالات متنوعة من البحث مثل التحليل في المختبرات باستخدام الأجهزة المتقدمة، والتطبيقات العملية مثل تطوير الأدوية وحل مشكلات التلوث البيئي. كما يوضح الفصل أهمية الكيمياء في الصناعات المختلفة، ويستعرض الطرق العلمية المتبعة في البحث والتجربة، مثل تحديد المشكلة، إجراء التجارب، تسجيل البيانات، واختبار الفرضيات حتى الوصول إلى نظريات علمية. وأيضًا يتناول تصنيف المادة إلى مواد نقية ومخاليط، والعناصر والمركبات، ويفصل بين الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة.

دراسة الكيمياء

يمتلك الكثيرون أفكاراً مسبقة حول طبيعة علم الكيمياء، وما يقوم به الكيميائيون اذ يعتقد معظمهم أن الكيمياء المارس في المختبر من قبل شخص يرتدي مريولاً أبيض اللون، ويدرس أشياء موجودة في أنابيب اختيار، وبعد هذا الوصف مقبولاً إلى حد ما، فالكيمياء علم تجريبي، وتحصل على كثير من المعرفة فيه من خلال البحث في المختبر. إضافة إلى ذلك، يستخدم الكيميائيون هذه الأيام الحاسوب الدراسة البناء المجهري والخصائص الكيميائية للمواد ويستخدمون كذلك أجهزة الكترونية معقدة التحليل الملوثات المنبعثة من محركات السيارات أو المركبات السامة الموجودة في التربة، وقد شارك الكيميائيون في تطوير أدوية جديدة وية الأبحاث الزراعية، ويبحثون الآن عن حلول المشكلات التلوث البيئي من خلال البحث عن بدائل المصادر الطاقة الحالية، وترتكز معظم الصناعات على الكيمياء بغض النظر عن منتجاتها، فمثلا طور الكيميائيون البوليمرات، وهي جزيئات كبيرة الحجم تستخدم في صناعة. كثير من البضائع كالملابس، وأدوات الطبخ، والألعاب وبسبب هذه التطبيقات المتنوعة تسمى الكيمياء غالية (العلم الرئيس).

كيف تدرس الكيمياء؟

تعد دراسة الكيمياء أكثر صعوبة مقارنة بالموضوعات الأخرى، وخاصة في بداية دراستها لأن الكيمياء لها مفردات خاصة بها، ودراستها تشبه تعلم لغة جديدة إضافة إلى أن الكثير من المفاهيم الكيميائية مجردة، وفيما يأتي بعض المقترحات التي قد تساعد على دراسة مادة الكيمياء والنقائها

المواظبة على حضور المحاضرات بانتظام وتدوين الملحوظات الحرص على مراجعة الموضوعات التي يتم تعلمها في اليوم نفسه.
التفكير بشكل نافذ للتأكد من فهم معاني المصطلحات
عدم التردد في طلب المساعدة من المدرس

وعند ذلك سيجد الطالب أن علم الكيمياء أكثر من مجرد أرقام، وصبغ ونظريات مجردة، بل هو فرع مصرية منطقي، يفيض بالأفكار والتطبيقات المثيرة. الطريقة العلميةتستخدم العلوم جميعها، بما فيها العلوم الاجتماعية والإنسانية الطريقة العلمية في البحث أي إنها تستخدم منحى منظماً، فمثلاً يتبع كل من عالم النفس الذي يدرس تأثير الضوضاء في قدرة الناس، والكيميائي الذي يهتم بقياس. كمية الحرارة المنبعثة من احتراق غاز الهيدروجين في الهواء الطريقة نفسها في إجراء البحث حيث يتم تحديد المشكلة بدقة في الخطوة الأولى، وتشتمل الخطوة الثانية على إجراء التجارب واستخدام ملاحظات دقيقة، وتسجيل البيانات أو المعلومات حول الموضوع الذي ستتم دراسته، وية المثالين السابقين، تكون عينة الدراسة بالنسبة إلى عالم النفس هم مجموعة من الأفراد، وأما عينة الدراسة عند الكيميائي فهي مزيج من الهيدروجين والهواء وقد تكون البيانات التي تحصل عليها من الدراسة نوعية ( كيفية) أي إنها تتكون من ملاحظات عامة حول النظام وكمية تتألف من الأرقام التي يتم الحصول عليها من القياسات المختلفة للنظام. وفي العادة، يستخدم الكيميائيون رموزاً معيارية ومعادلات عند تسجيل القياسات والملاحظات، ما يسهل حفظ البيانات، وتكوين قاعدة مشتركة للتواصل مع الكيميائيين ويلخص الشكل 1.1 الخطوات الرئيسة في عملية البحث. وعند اكتمال التجارب وتدوين البيانات، فإن الخطوة المقبلة هي التفسير، وهذا يعني أن العالم يحاول تفسير الظاهرة التي تمت ملاحظتها ودراستها. ويستند عادة على البيانات التي تم جمعها. ومن ثم يصوغ فرضية أو تفسيراً مؤقتاً لمجموعة من الملاحظات وبعد ذلك يقوم بتصميم المزيد من التجارب لاختيار صحة الفرضية بجميع الطرق الممكنة، حيث تبدأ العملية من جديد. وبعد أن يتم جمع كمية كبيرة من البيانات، فإنه من الضروري تلخيص البيانات باختصار، كوضعها بصيغة قانون وفي العلم، فإن القانون هو عبارة رياضية أو لفظية مختصرة للعلاقة بين الظواهر التي تكون دائما تحت الظروف ذاتها. فمثلاً يشير قانون نيوتن الثاني في الحركة إلى أن القوة تساوي الكتلة مضروبة في التسارع (F = ma). إن ما يعنيه هذا القانون هو أن الزيادة في كتلة الجسم أو تسارعه يزيد من القوة بشكل تناسبي، وإن نقصان الكتلة أو التسارع يقلل دائما من القوة.الشكل 1.1 المستويات الثلاثة الدراسة الكيمياء وعلاقتها ببعضها. تتعامل الملاحظة مع الأحداث على مستوى العالم الجهري. وتؤلف الذرات والجزيئات العالم المجهري أما التمثيلات فهي طريقة علمية مختصرة الوصف التجربة باستخدام الرموز والمعادلات الكيميائية. ويستخدم الكيميائيون معرفتهم حول الذرات والجزيئات التفسير الظواهر التي تتم ملاحظتها. ويتم إخضاع الفرضيات الاختبارات تجريبية للتأكد من صحتها، حيث تتحول الفرضيات التي تبقى وتصمد إلى نظريات والنظرية عبارة عن مجموعة من المبادئ الموحدة التي تفسر مجموعة من الحقائق و / أو القوانين التي ترتكز عليها. ويتم اختبار النظريات العلمية باستمرار، فإذا تم تخطئة النظرية عن طريق التجربة، يتم التخلي عنها أو تعديلها ، بحيث تصبح منسقة مع المشاهدات التجريبية. وقد يستغرق إثبات النظرية أو عدم صحتها سنوات عدة، وأحيانا يحتاج إلى قرون، وخاصة بسبب عدم توافر التكنولوجيا الضرورية. فعلى سبيل المثال، احتاجت النظرية الذرية إلى 2000 عام للتحقق من المبادئ الأساسية في الكيمياء التي اقترحها الفيلسوف اليوناني القديم ديمقريطس, التقدم العلمي نادر، وإذا حدث، فإنه بطريقة بطيئة، وبطريقة الخطوة خطوة، ففي بعض الأحيان يسبق القانون النظرية وأحيانا يحدث العكس. وقد يبدأ عالمان العمل في مشروع معين ولديهما الأهداف نفسها، ولكن قد يتبع كل منهما طريقاً مختلفاً، واتجاهات متنوعة كثيراً: فالعلماء بشر، وتتأثر أنماط تفكيرهم وعملهم بخلفياتهم وتدريبهم وشخصياتهم. وقد كان تطور العلم غير منتظم وغير منطقي في بعض الأحيان، فالاكتشافات العلمية العظيمة في العادة هي نتيجة مساهمات تراكمية وخبرات كثير من الباحثين، مع أن شرف صياغة النظرية أو القانون يعطى عادة لفرد واحد فقط يدخل عنصر الحظ كثيرا في الاكتشافات العلمية، ويرى بعضهم أن الحظ يفضل العقول المهيأة، حيث نحتاج إلى شخص يقظ جيد التدريب ليميز أهمية الاكتشافات التي تأتي مصادفة، ويستفيد منها. ولكل قصة نجاح. توجد مئات الحالات التي قضى فيها العلماء سنوات عدة من العمل على المشروعات التي لم تعط نتائج إيجابية. فالإنجازات الإيجابية تأتي بعد كثير من المحاولات الخاطئة، ومع ذلك، فإن التجارب الناجحة ساهمت قليلاً في النمو المستمر للمعرفة المتعلقة بالعلم الطبيعي، إن حب البحث هو الذي يبقي كثيرا من العلماء في المختبرات . تصنيفات المادة المادة: هي أي شيء يشغل حيزاً وله كتلة، ويهتم علم الكيمياء بدراسة المادة والتغيرات التي تتعرض لها، ويمكن أن توجد المواد جميعها في ثلاث حالات هي الصلبة، والسائلة والغازية، فالمواد الصلبة أجسام قاسية صلدة لها أشكال محددة. أما السوائل فهي أقل صلادة ومائعة ( أي إن لها خاصية الجريان) وتأخذ شكل الوعاء الذي توضع فيه. في حين تمتاز الغازات بأنها مائعة، وليس لها شكل محدد. ويمكن أن تتحول المادة من حالة إلى أخرى دون حدوث أي تغير في مكوناتها. فعند تسخين المادة الصلبة الجليد على سبيل المثال فإنه سوف ينصهر ليكون السائل (الماء). وتسمى درجة الحرارة التي يحدث عندها هذا التحول بدرجة الانصهار)، وعند الاستمرار في التسخين يتحول السائل إلى غاز يحدث هذا التحول عند درجة غليان السائل). أما عند تبريد الغاز، فإنه يتكثف ويتحول إلى سائل، وعند الاستمرار في تبريد السائل، فإنه سيتجمد ويتحول إلى صلب، ويظهر الشكل (2.1) الحالات الثلاث للماء.
لاحظ أن خصائص الماء فريدة مقارنة بالمواد الشائعة، حيث إن جزيئات الماء في حالة السيولة أكثر تقارباً. مقارنة بالجزيئات في الحالة الصلبة. الشكل 2.1 حالات المادة الثلاث قضيب حديدي ساخن يحول الثلج إلى ماء سائل وبخار المواد والمخاليط المادة، لها مكونات محددة أو ثابتة، ولها كذلك خصائص مميزة. ومن الأمثلة عليها الماء والفضة والإيثانول، وملح الطعام ( كلوريد الصوديوم) وثاني أكسيد الكربون. وتختلف المواد عن بعضها في مكوناتها. ويمكن تمييز المواد عن بعضها من خلال المظهر، والرائحة، والطعم، وغيرها من الخصائص. ويوجد حاليا 20 مليون مادة معروفة، وهذا العدد يتزايد بسرعة الخليط عبارة عن مزيج من مادتين أو أكثر، حيث تحتفظ المواد المكونة للخليط بخصائصها المميزة. ومن الأمثلة على المخاليط الهواء، والمشروبات الغازية، والحليب والأسمنت والمخاليط ليس لها نسب ثابتة، فعينات الهواء التي تجم تجمع من مناطق مختلفة في المدن تختلف في نسب مكوناتها بسبب الاختلافات في الموقع، ونسب التلوث من مكان إلى آخر. والمخاليط قد تكون متجانسة أو غير متجانسة، فعند إذابة ملعقة من السكر في الماء وتحريكها جيداً، تكون مكونات المزيج متشابهة في أجزاء المحلول كلها، ويسمى هذا المحلول مخلوطاً متجانساً، ولكن عند مزج الرمل ببرادة الحديد، تبقى حبيبات الرمل وبرادة الحديد مرئية ومنفصلة، ويكون توزيع المكونات غير منتظم ويسمى هذا مخلوطاً غير متجانس. وعند إضافة الماء إلى الزيت ينشأ نوع آخر من المخاليط غير المتجانسة، وذلك لأن السائل الناتج ليس له مكونات ثابتة، ويتم فصل المخاليط المتجانسة أو غير المتجانسة إلى مكوناتها النقية بطرق فيزيائية دون تغيير هوية المكونات. فمثلا، يمكن استرجاع السكر من محلول الماء من خلال تسخين المحلول وتبخيره وبتكثف البخار نستعيد الماء. ولفصل مخلوط الحديد والرمل، يمكننا استخدام المغناطيس لإزالة برادة الحديد من الرمل، إذ الرمل لا ينجذب نحو المغناطيس (انظر الشكل 3.1 ب). وبعد الفصل، فإن المكونات المخلوط المفصولة التركيب والخصائص التي كانت موجودة لها منذ البداية نفسها.الشكل 3.1 (1) يحتوي الخليط على برادة الحديد والرمل (ب) يفصل المغناطيس برادة الحديد عن الخليط. تستعمل التقنية نفسها في فصل الحديد والفولاذ عن الاجسام غير المغناطيسية مثل الألمنيوم، والزجاج، والبلاستيك. المواد والمخاليط المادة، لها مكونات محددة أو ثابتة، ولها كذلك خصائص مميزة، ومن الأمثلة عليها الماء والفضة والإيثانول، وملح الطعام ( كلوريد الصوديوم) وثاني أكسيد الكربون. وتختلف المواد عن بعضها في مكوناتها، ويمكن تمييز المواد عن بعضها من خلال المظهر، والرائحة والطعم، وغيرها من الخصائص، ويوجد حالياً 20 مليون مادة معروفة، وهذا العدد يتزايد بسرعة. الخليط عبارة عن مزيج من مادتين أو أكثر، حيث تحتفظ المواد المكونة للخليط بخصائصها المميزة، ومن الأمثلة على المخاليط الهواء، والمشروبات الغازية، والحليب والأسمنت والمخاليط ليس لها نسب ثابتة، فعينات الهواء التي تجمع من مناطق مختلفة في المدن تختلف في نسب مكوناتها بسبب الاختلافات في الموقع، ونسب التلوث من مكان إلى آخر. والمخاليط قد تكون متجانسة أو غير متجانسة. فعند إذابة ملعقة من السكر في الماء وتحريكها جيداً، تكون مكونات المزيج متشابهة في أجزاء المحلول كلها، ويسمى هذا المحلول مخلوطاً متجانسا، ولكن عند مزج الرمل ببرادة الحديد، تبقى حبيبات الرمل وبرادة الحديد مرئية ومنفصلة، ويكون توزيع المكونات غير منتظم. ويسمى هذا مخلوطاً غير متجانس. وعند إضافة الماء إلى الزيت ينشأ نوع آخر من المخاليط غير المتجانسة، وذلك لأن السائل الناتج ليس له مكونات ثابتة ويتم فصل المخاليط المتجانسة أو غير المتجانسة إلى مكوناتها النقية بطرق فيزيائية دون تغيير هوية المكونات. فمثلا، يمكن استرجاع السكر من محلول الماء من خلال تسخين المحلول وتبخيره وبتكثف البخار تستعيد الماء. ولفصل مخلوط الحديد والرمل، يمكننا استخدام المغناطيس لإزالة برادة الحديد من الرمل، إذ الرمل لا ينجذب نحو المغناطيس (انظر الشكل 3.1 (ب). وبعد الفصل، فإن المكونات المخلوط المفصولة التركيب والخصائص التي كانت موجودة لها منذ البداية نفسها. العناصر والمركباتقد تكون المادة عنصراً أو مركباً، والعنصر هو مادة لا يمكن تقسيمها إلى مواد أصغر بالطرق الكيميائية. وقد تمكن العلماء حاليا من التعرف إلى 114 عنصراًويستخدم الكيميائيون الرموز الأبجدية للتعبير عن أسماء العناصر. ويكتب الحرف الأول من رمز العنصر دائماً بأحرف كبيرة، أما الحرف الثاني فلا يكتب بأحرف كبيرة. فمثلا Co هو رمز العنصر الكوبالت، في حين CO هو صيغة مركب أول أكسيد الكربون الذي يتكون من عنصري الكربون والأكسجين، ويظهر الجدول 1.1 بعض العناصر الشائعة. ويتم اشتقاق رموز بعض العناصر من أسمائها اللاتينية - فمثلاً، الرمز A مأخوذ من الكلمة اللاتينية aurum (الذهب) و Fe مأخوذ من الكلمة ferrum ( حديد ) و Na مأخوذ من natrium ( صوديوم)، وأسماء كثير من العناصر مأخوذة من أسمائها باللغة الإنجليزية. ويبين الشكل (4.1) العناصر الأكثر توافراً في القشرة الأرضية وفي جسم الإنسان. وكما ترى، فإن العناصر الخمسة الآتية: الأكسجين، والسيلكون، والألمنيوم والحديد، والكالسيوم تشكل أكثر من 90% من مكونات القشرة الأرضية، وبعد عنصر الأكسجين أكثر العناصر توافرا في الأنظمة الحية. وتتفاعل معظم العناصر مع عنصر أو أكثر لتكوين المركبات، ويمكن تعريف المركب بأنه مادة تتكون من اتحاد عنصرين أو أكثر اتحاداً كيمائياً بنسب ثابتة، فمثلاً، يحترق غاز الهيدروجين بوجود غاز الأكسجين لتكوين الماء. وتختلف خصائص المركب الناتج من التفاعل كلياً عن خصائص مكوناته الأصلية، ويتكون الماء من وحدتين من الهيدروجين، ووحدة من الأكسجين، وهذه المكونات لا تتغير بغض النظر عن مصدر الماء، سواء كان من الولايات المتحدة، أو من الصين، أو من المريخ. وبعكس المخاليط، يمكن فصل المركبات بطرق كيميائية إلى مكوناتها النقية.الشكل 4.1 (أ) النسبة الكتلية للعناصر المتوافرة في الطبيعة. فمثلاً نسبة توافر الأكسجين 45.5% . وهذا يعني أن عينة من القشرة الأرضية كتلتها 1000 تحتوى ما معدله 45.5g أكسجين (ب) توافر العناصر في جسم الإنسان حسب النسبة الكتلية.الشكل 5.1: تصنيف المادة الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادةتعرف المواد بخصائصها وبمكوناتها فاللون، ودرجة الانصهار، ودرجة الغليان والكثافة هي خصائص فيزيائية والخاصية الفيزيائية يمكن قياسها وملاحظتها دون إحداث تغير على مكونات المادة أو هويتها، فمثلاً نستطيع قياس درجة انصهار الثلج بتسخين كتلة منه، وتدوين الدرجة التي يتحول عندها إلى الماء. يختلف الماء عن الثلج في المظهر، وليس في المكونات. لذلك، فهذا تغير فيزيائي نستطيع تجميد الماء لاستعادة الثلج. لذا، فإن درجة انصهار المادة هي خاصية فيزيائية، وبالطريقة نفسها، وعند القول: إن غاز الهيليوم أخف من الهواء، فإننا نشير بذلك إلى خاصية فيزيائية. ومن ناحية أخرى، تصف العبارة: ""يحترق غاز الهيدروجين بغاز الأكسجين لتكوين الماء"" خاصية كيميائية للهيدروجين لأنه يجب إجراء تغيير كيميائي لملاحظة هذه الخاصية، وهي خاصية الاحتراق في هذه الحالة، وبعد التغيير، تتلاشى المواد الأصلية غازا الهيدروجين والأكسجين، ويتكون بدلاً منهما مادة مختلفة كيمائياً هي - الماء. ولا تستطيع استرجاع الهيدروجين والأكسجين من الماء بتغير فيزيائي كالغليان أو التجميد. عند غلي البيضة، يحدث تغيير كيميائي. فعند تعريض البيضة لدرجة حرارة °100c يحدث تفاعل الصفار البيضة وبياضها، حيث يتغير مظهرها الفيزيائي وبنيتها الكيميائية. وعندما يؤكل البيض، فإنه يتغير مرة أخرى يفعل مواد في الجسم تسمى إنزيمات عملية الهضم هذه هي أيضاً مثال على التغير الكيميائي، وما يحدث خلال هذه العملية يعتمد على الخصائص الكيميائية للإنزيمات والطعام.إن الخصائص المقيسة للمادة جميعها تصنف ضمن فئتين هما الخواص الكمية واللاكمية. والقيم المقيسة للخاصية الكمية تعتمد على كمية المادة الموجودة. وبعد كل من الكتلة والطول والحجم خواص كمية، فمزيد من المادة يعني مزيداً من الكتلة، ويمكن إضافة قيم الخاصية الكمية نفسها لبعضها. فمثلاً . كتلة قطعتي عملة نحاسية تساوي حاصل جمع كتل كل منهما، والحجم الكلي الذي يشغله الماء الموجود في كأسين هو حاصل جمع حجمي الماء في كل كأس. لا تعتمد القيمة المقيسة للخواص اللاكمية على كمية المادة المستخدمة الحرارة خاصية لاكمية. لنفترض أن لدينا كأسين من الماء لهما درجة الحرارة نفسها. فإذا أضيفا إلى بعضهما في كأس أكبر، فإن درجة حرارة الماء الموجود في الوعاء الأكبر سوف تكون مساوية لدرجة حرارة الماء في الكأسين المنفصلتين، وبعكس الكتلة والحجم، فإن درجة الحرارة والخواص اللاكمية الأخرى كدرجة الانصهار، والغليان، والكثافة غير قابلة للجمع. القياستعتمد دراسة الكيمياء على القياس بشكل كبير. فعلى سبيل المثال، يستخدم الكيميائيون القياسات المقارنة خواص المواد المختلفة والتعامل مع نتائج التجارب هناك كثير من الأدوات الشائعة تمكننا من إجراء قياسات الخواص المواد الشريط المتري يقيس الطول، ويقيس كل من السحاحة، والماصة، والمخبار المدرج، والدورق الحجمي، الحجم. أما الميزان فيقيس الكتلة في حين يقيس ميزان الحرارة درجة الحرارة، وتزودنا هذه الأدوات بقياسات للخواص المجهرية التي يمكن تحديدها بشكل مباشر، أما الخواص المجهرية على المستوى الذري أو الجزيئي فيجب أن يتم تحديدها بطريقة غير مباشرة. وتكتب عادة الكميات المقيسة كرقم مع وحدة مناسبة، فمثلا عندما نقول: إن المسافة بين نيويورك وسان فرانسيكو 5166 دون وحدة، فإن هذا الرقم ليس له معنى. لذا، يجب أن نحدد أن المسافة هي 5166 كيلومترا. وفي العلم، تعد الوحدات ضرورية لإعطاء قياسات صحيحة. وحدات SIمنذ سنوات عدة، سجل العلماء قياساتهم بالوحدات المترية التي ترتبط مع بعضها بقوة الرقم 10، وفي عام 1960 اقترح المؤتمر العام للمقاييس والأوزان المسؤول عالمياً عن الوحدات نظاماً متربا معدلا سماه النظام العالمي .
للوحدات ويختصر بالحرفين SI وهما اختصار للجملة الفرنسية System International d'Units. ويظهر الجدول 2.1 وحدات SI السبعة الأساسية، ويمكن اشتقاق وحدات أخرى للقياسات من هذه الوحدات الأساسية.وقد تم تعديل وحدات S باستخدام الفواصل من خلال سلسلة من البادثات كما يظهر في الجدول 3.1 . وسوف تستخدم في هذا الكتاب الوحدات المتربة ووحدات SI . الكتلة والوزن الكتلة هي مقياس لكمية المادة في الجسم. ومع أن الكتلة والوزن يشيران إلى كميات مختلفة، إلا أنه يتم غالباً الخلط بين مصطلحي الكتلة والوزن، فالوزن هو القوة التي تؤثر بها الجاذبية الأرضية في الجسم. فالتفاحة التي تسقط من الشجرة يتم سحبها إلى أسفل بسبب قوة الجاذبية الأرضية. إن كتلة التفاحة ثابتة، ولا تعتمد على موقعها. ولكن الوزن يعتمد على الموقع، فمثلا تزن حبة التفاح على سطح القمر سدس وزنها على الأرض لأن كتلة القمر أقل. ولهذا، يستطيع رواد الفضاء القفز بحرية على سطح القمر على الرغم من الأدوات والمواد الثقيلة التي يحملونها. ويمكن تحديد كتلة الجسم باستخدام الميزان، وتطلق على هذه العملية بصورة غريبة التوزين إن وحدة الكتلة في نظام وحدات SI الأساسية هو كيلوجرام (kg) ولكن وحدة الجرام الصغيرة تعد أكثر قبولاً في الكيمياء. 1kg= 1000g , g= 1×10³g الحجم الحجم هو مكعب الطول (m) ولذلك، فإن وحدة الحجم المشتقة من SI هي متر مكعب (m3)، وعادة يتعامل الكيميائيون مع أحجام أصغر بكثير مثل سنتيمتر مكعب (cm) وديسيمتر مكعب (dm). وهناك وحدة شائعة للحجم من غير نظام SI هي اللتر (1) ، وهو الحجم الذي يشغله ديسيمتر مكعب واحد. ويستخدم الكيميائيون عادة L و ml لقياس حجم السائل، حيث إن اللتر الواحد = 1000 مليلتر (L) أو 1000 mm سنتيمتر مكعب. الأرقام المعنويةباستثناء، عندما تكون الأرقام جميعها صحيحة ( مثلا عند عد أعداد الطلاب في الصف ) فإنه من المستحيل الحصول على قيمة مكافئة تماماً للكمية التي يتم قياسها تحت التجربة. لذا، فمن المهم أن نشير إلى نسبة الخطأ في القياس عن طريق التحديد الواضح لعدد الأرقام المعنوية: وهي التي تعني الأرقام ذات المعنى في الكمية المحسوبة أو المقيسة. وعند استعمال الأرقام المعنوية، فإن الرقم الأخير بعد غير مؤكد. فمثلا قد نقيس حجم كمية من السائل باستخدام مخبار مدرج بتدريج يعطي خطأ قياس لغاية .. فإذا كان الحجم . فإن القيمة الصحيحة تكون بين 5ml و 7ml. ويكون حجم السائل (611) وفي هذه الحالة يوجد فقط رقم معنوي واحد (وهو 6) وهو غير مؤكد. إما زيادة أو نقصانا بـ ml واحد، وللحصول على مزيد من الدقة، يمكن استخدام مخبار مدرج له تقسيمات أدق. لذلك، فإن الحجم الذي نقيسه يكون غير مؤكد بمقدار 0.1 فقط، فإذا كان حجم السائل 6.0 فإننا تعبر عن الكمية كالأتي: 0.1 0.) وتكون القيمة الصحيحة في مكان ما بين 5.9 و 6.1. ويمكننا أيضاً تحسين أدوات القياس والحصول على المزيد من الأرقام المعنوية، ولكن في كل حالة يكون الرقم الأخير دائماً غير مؤكد أي إن مقدار الخطأ في القياس يعتمد على أداة القياس المستخدمة. صحة القياس ودقتهعند مناقشة موضوع القياسات والأرقام المعنوية من المفيد التمييز بين صحة القياس ودقته، تدل صحة القياس على مقدار قرب القيمة المقيسة من القيمة الحقيقية للكمية المقيسة. ويميز العلماء بين صحة القياس ودقته، حيث تدل دقة القياس على مدى تقارب قياسين أو أكثر من بعضهما للكمية المقيسة نفسها (الشكل 10.1)الشكل (10-1)بيبين توزيع السهام على لوح لعبة الرشق الفرق بين الصحة والدقة (1) صحيح ودقيق (ب) غير دقيق ولكن صحيح. (جـ) غير دقيق وغير صحيح النقاط الزرقاء تبين مواقع السهام. إن الفرق بين صحة القياس ودقته غير ملحوظ، ولكنه مهم. لنفترض مثلاً أنه طلب من ثلاثة طلاب تحديد كتلة سلك نحاسي، وقد أجرى كل طالب عملية القياس مرتين.القيمة الحقيقية لكتلة السلك هي 2,000 . ولهذا، فإن نتائج الطالب (ب) أكثر دقة من نتائج الطالب (أ) ( تنحرف الأرقام 8 1972 و 19688 عن القيمة 1970 بمقدار أقل من انحراف الأرقام 1.9648 و 8 1978 عن القيمة (1971) ولكن كلا من نتيجتيهما ليست صحيحة بشكل كبير.لاحظ أن نتائج الطالب (ج) ليست أكثر دقة فقط، ولكنها أكثر صحة كذلك لأن القيمة المتوسطة هي الأقرب إلى القيمة الحقيقية، وعادة، فإن القياسات ذات الصحة العالية تكون دقيقة أيضا، ومن ناحية أخرى فإن القياسات عالية الدقة ليست بالضرورة ضماناً للحصول على نتائج صحيحة، فعلى سبيل المثال، فإن الميزان غير المعاير يمكن أن يعطي قراءات دقيقة، ولكنها خطأ. التحليل البعدي في حل المسائلإن القياسات الدقيقة والاستخدام المناسب للأرقام المعنوية وإجراء العمليات الحسابية الصحيحة سيؤدي إلى الحصول على نتائج رقمية صحيحة، ولكن حتى تكون الإجابات ذات معنى، يجب أن تعبر عنها بالوحدات المناسبة. والطريقة التي تستخدم للتحول بين الوحدات في حل المسائل تسمى التحليل البعدي ( وتعرف أيضا بطريقة عامل الوسم)، وهي تقنية بسيطة تحتاج إلى القليل من الحفظ، وتعتمد على العلاقة بين الوحدات المختلفة المستخدمة للتعبير عن الكمية الفيزيائية نفسها. فمثلا، نحن نعرف أن وحدة النقد الدولار تختلف عن وحدة السنت، ولكن دولاراً واحداً يكافئ 100 سنت لأن كلا منهما يمثل الكمية نفسها من المال، أي إن :دولار واحد = 100 سنتوتمكننا علاقة التكافؤ هذه من كتابة معامل التحويلحيث يمكننا من تحويل الدولارات إلى سنتات ومعامل التحويل كسر بسطه ومقامه هو الكمية نفسها، ولكن بوحدات مختلفة. وبالعكس، فإذا أردنا تحويل السنتات إلى دولارات فإن معامل التحويل هو:انظر إلى المسألة الآتية:2.46 دولار = ؟ سنت ولأن عملية التحويل هذه هي من دولار إلى سنت، فإننا نختار عامل تحويل تقع وحدة الدولار في المقام لاختصار دولار في 2.46 دولار، وتكتب:لاحظ أن معامل التحويل 100 سنت / 1 دولار يحتوي أرقاماً صحيحة، وهي بذلك لا تؤثر في عدد الأرقام المعنوية في الجواب النهائيبعد ذلك، لتحول 57.8 متراً إلى سنتيمتر، يمكن التعبير عن هذه المسألة كما يأتي:ولأننا نحول ""m"" إلى ""em"" نختار معامل التحويل الذي يكون به المتر في المقام.يكتب التحويل كما يأتي:لاحظ أنه يستخدم الترميز العلمي لبيان أن الجواب يحتوي على ثلاثة أرقام معنوية. ومرة أخرى، فإن عامل التحويل 1cm×1×10-²m يحتوي على أرقام صحيحة. ولهذا فهو لا يؤثر في عدد الأرقام المعنويةوبشكل عام، تستخدم العلاقة الآتية لتطبيق التحليل بالأبعاد:الكمية المعطاة X معامل التحويل = الكمية المطلوبةيتم اختصار الوحدات كما يأتي:في التحليل البعدي، يتم تحديد الوحدات من خلال سلسلة من العمليات الحسابية الصحيحة، ولهذا، إذا كتبت المعادلة بطريقة صحيحة، فإن الوحدات جميعها سوف تختصر ما عدا وحدة الكمية المطلوبة، ويعكس ذلك. فإن هناك خطأ قد حدث في مكان ما، وعادة يمكن تحديده بمراجعة الحل. ملاحظة حول حل المشكلةلقد تعرفت الترميز العلمي والأرقام المعنوية، والتحليل البعدي ما يساعدك على حل المسائل الرقمية الكيمياء علم تجريبي، وكثير من المسائل هي رقمية بطبيعتها. الطريقة المثلى للنجاح في حل المسائل هي بالتمرين. فمثلا، متسابق المارثون لا يستطيع الإعداد للسباق عن طريق قراءة الكتب حول الركض، وعازف الكمان لا يقدم حفلة موسيقية ناجحة عن طريق حفظ القطع الموسيقية، ولن تكون متأكداً من فهمك للكيمياء دون حل المسائل، والخطوات الآتية ستساعدك على تحسين مهارتك في حل المسائل العددية

اقرأ المسألة بدقة، وافهم المعلومات المعطاة، وما المطلوب حله وباستمرار من المفيد عمل مخطط يساعدك على تصور الوضع.
جد المعادلة المناسبة التي تربط المعلومات والكمية المجهولة، ويتضمن حل المسألة أحياناً أكثر من خطوة. وأحياناً أخرى يتوقع منك أن تبحث في الجداول عن الكميات غير المعطاة في المسألة. وفي الغالب تحتاج إلى التحليل البعدي لإجراء التحويلات.
تأكد من إجابتك فيما يتعلق بالإشارة الصحيحة، والوحدات، والأرقام المعنوية.
الجزء المهم جدا في حل المسألة هو قدرتك على الحكم حول معقولية الجواب من السهل نسبياً أن تكتشف إشارة خطأ، أو وحدات غير صحيحة، ولكن إذا وضع رقم ما (لنفرض 8) بشكل غير صحيح في المقام بدلاً من وضعه في البسط، فإن الجواب سيكون صغيراً جداً، حتى لو كانت الإشارة أو الوحدات في الكمية المحسوبة صحيحة.
من الطرق السريعة للتأكد من الإجابة عمل تقريب للأرقام في الحساب، بحيث يتم تبسيط العمليات الحسابية وإجراؤها بسهولة دون استخدام الآلة الحاسبة، ولكن الإجابة التي تحصل عليها لا تكون مطابقة تماما للإجابة الصحيحة، ولكنها قريبة منها.

كتاب الكيمياء العامة: المفاهيم الأساسية

كتب ذات صلة

مونوغراف: الصحة والرعاية الصحية (المقدمة)

كتاب الفيزياء : المبادئ والتطبيقات (1-2)

كتاب التحليل العددي

كتاب مقدمة في نظرية الرسم البياني

كتاب مقرر أول في الجبر المجرد (1-2)

كتاب الجيولوجيا البيئيّة

كتاب مقدمة في الجيولوجيا الفيزيائية

كتاب مقدمة في الفيزياء الحرارية

كتاب مفاهيم العلوم الفيزيائية

كتاب الجيولوجيا البيئية

كتاب الكيمياء العامة: المفاهيم الأساسية

كتب ذات صلة

Preview