قانون الكثافة في الكيمياء

بواسطة: - آخر تحديث: ٠٧:٢٧ ، ٥ ديسمبر ٢٠١٩
قانون الكثافة في الكيمياء

الكثافة

تعرف الكثافة على أنها النسبة بين كتلة المادة وحجمها وهي مقياس لمقدار الأشياء الموجودة في وحدة حجم متر مكعب أو سنتيمتر مكعب، وتُعرَّف الكتلة بأنها مقياس لما تحتويه الأشياء الموجودة في جسم ما، ويُعرَّف الحجم بأنه مقياس لمقدار الحيز الذي يشغله الجسم في فضاء الأبعاد الثلاثية،[١] وقد اكتشفت الكثافة على يد العالم اليوناني "أرخميدس" وهو عالم رياضيات ومخترع،[٢] وللكثافة استخدامات وتطبيقات عديدة أهمها في الطيران، كما أنها تختلف من مادة إلى أخرى، أما الكثافة النوعية فتعرف على أنها النسبة بين كثافة مادة معينة وكثافة مادة قياسية تحت ظروف معينة، فعند استخدام الماء كمادة قياسية وقياس الكثافة النوعية أو الجاذبية النوعية لمادة أخرى وكانت قيمتها أقل من واحد فهذا يعني أن المادة سوف تطفو على الماء، وإذا كانت أكبر من واحد فهذا يعني أن المادة سوف تغرق، وتستخدم الكثافة أيضًا لمعرفة تراكيز المحاليل ودراستها، كما تستخدم أيضًا في معرفة خواص المعادن، وتطبق الكثافة في الكثير من الصناعات مثل الصناعات الغذائية والصناعات الدوائية.[٣]


قانون الكثافة

يستخدم القانون التالي لحساب كثافة المادة :الكثافة= الكتلة/الحجم، أو بالرموز ث= ك/ح[٤] ويجب معرفة كل من كتلة المادة (ك) التي تقاس بوحدة الكيلوغرام "كغم"، وحجم المادة (ح) والذي يقاس بوحدة المتر المكعب "م3"، لحساب الكثافة (ث) التي تقاس بوحدة "كغم/م3". وتوجد وحدات أخرى للكثافة، مثل "غم/سم3" أو "كغم/لتر" في النظام العالمي للوحدات، أما في النظام الأمريكي والبريطاني فتقاس الكثافة بوحدات "باوند/إنش مكعب" أو "باوند/قدم مكعب"، ويمكن حساب الكتلة والحجم من القانون نفسه إذا وجدت المعطيات اللازمة كالآتي: الكتلة= الكثافة × الحجم، الحجم= الكتلة/الكثافة[٥] ولنفرض أن مكعبًا خشبيًا وزنه (2 كغم) وأبعاده تساوي (10 ×10 ×10) سم3، فتحسب كثافته كالآتي:[٦] الكثافة= الكتلة/الحجم (2 كغم) / (10 ×10 ×10 سم3)= ؟؟ 0.002 (كغم/سم3) = 2 (غم/سم3)


كثافة بعض المواد

تختلف كثافة المادة بحسب نوعها، ويبين الجدول التالي بعض المواد وكثافتها[٧].

المادة الكثافة (كغم/م3)
الهيدروجين 0.0898
الماء 1.0
الهواء 0.00128
الهيليوم 0.172
الخشب 700
الثلج 916.7
الألومينيوم 2700
الألماس 3500
الزئبق 13546
الذهب 19320
الحديد 7870
النحاس 8940
الفضة 10500
اليورانيوم 18800
كوكب الأرض (متوسط) 5515
الشمس (متوسط) 1410


تطبيقات عملية على الكثافة

يطبق مبدأ الكثافة على الكثير من التطبيقات في الحياة والتي تجعل حياتنا أسهل، ومن هذه التطبيقات ما يلي:[٨][٩]

  • السفن أو الغواصات : واحدة من التطبيقات المعروفة للكثافة هي تحديد إذا كان الجسم سيطفو على الماء أم لا فإذا كانت كثافة الجسم أعلى من كثافة الماء فإنه لن يطفو على الماء، وإذا كانت كثافته أقل من الماء فإنه سوف يطفو على الماء، وتستخدم في السفن خزانات معبئة كبيرة الحجم وقليلة الكتلة فارغة لا يوجد بها إلا هواء وذلك للتقليل من كثافة السفن، بينما تغوص الغواصات تحت الماء عن طريق إفراغ هذه الخزانات من الهواء وتعبئتها بالماء.
  • تسرب النفط : يمكن معرفة وجود تسرب للنفط والزيت بفضل الكثافة، فللنفط كثافة أقل من الماء مما يجعله يطفو على السطح.
  • الأنظمة المائية : يعد تدفق السوائل عبر الأنابيب من أهم التطبيقات على الكثافة؛ إذ يسير الماء في الأنابيب بسبب فرق الكثافة، وحسب قانون (بيرنولي) الذي ينص على أن سرعة المائع تزداد عند تقليل ضغطه أو طاقة وضعه، وعند تقليل الضغط لا بد من تقليل الكثافة إذا لوحظ أن المائع ذا الكثافة العالية يسير أبطأ من المائع ذي الكثافة الأقل، كما يستخدم قانون بيرنولي في بناء السدود ومشاريع السباكة واسعة النطاق.
  • بالونات الهيليوم: المملوءة تطير لأن كثافة الهيليوم أقل من كثافة الهواء.


العوامل المؤثرة على الكثافة

يتأثر حجم المادة من خلال عاملين هما درجة الحرارة والضغط مما يؤدي بدوره إلى تغير في كثافة المادة لأن الكثافة تعتمد على كتلة المادة وحجمها وفيما يلي تفصيل لتغير كثافة المادة من درجة الحرارة والضغط :[١٠]

  • درجة الحرارة : ترتبط الكثافة ودرجة الحرارة بعلاقة عكسية؛ فكلما زادة درجة حرارة مادة فإن أغلبية المواد تتوسع ويزداد حجمها مما يؤدي إلى انخفاض في كثافة المادة، وكلما انخفضت درجة حرارة المادة فإن كثافتها تصبح أكبر، وعلى سبيل المثال إن كثافة الهواء عند درجة حرارة 0 مئوية تكون 1.29 كيلوغرام لكل متر مكعب، ولكن عند درجة حرارة 1 درجة مئوية تكون كثافته 1.25 كيلوغرام لكل متر مكعب وهو أقل، فعندما نريد قياس كثافة مادة ما لا بد من أخذ درجة حرارتها بعين الاعتبار.
  • الضغط : ترتبط كثافة المادة بعلاقة طردية مع الضغط الحاصل عليها لأن الضغط يمكن أن يؤثر على حجم المادة مما يزيد من كثافتها، وعلى سبيل المثال إن كثافة الهواء تبلغ 1.225 كيلوغرام لكل متر مكعب ومع ذلك فإنها عندما تحصر في بالون يمكن أن تكون كثافتها أكبر بكثير، إلا أن المواد الصلبة والسوائل لا تضغط بسهولة وتأثير الضغط عليها يكون خفيفًا بعكس الغازات.
  • تغير حالة المادة : عند تغير حالة المادة يتغير حجمها مما يؤدي إلى تغير كثافتها، وبالرغم من أن الضغط يؤثر على تغير حالة المادة إلا أن العامل الرئيسي للتغير هو درجة الحرارة، ومن الأمثلة عليها أن الحديد تبلغ كثافته 7.874 غرام لكل سنتيمتر مكعب وعند تعرضه لدرجة حرارة 1538 درجة مئوية فإنه ينصهر ليصبح مادة سائلة وتقل كثافته لتصبح 6.98 غرام لكل سنتيمتر مكعب، وفي حال حولنا مادة سائلة إلى غازية فإن حجمها سيصبح أكبر بكثير مما سيقلل من كثافتها.


المراجع

  1. "Density: Definition, Formula & Practice Problems", study, Retrieved 6-10-2019. Edited.
  2. "Archimedes' principle", britannica, Retrieved 6-10-2019. Edited.
  3. "Standard Test Method for Density, Relative Density, or API Gravity of Crude Petroleum and Liquid Petroleum Products by Hydrometer Method", astm, Retrieved 6-10-2019. Edited.
  4. "An Introduction to Density: Definition and Calculation", thoughtco,25-10-2018، Retrieved 6-10-2019. Edited.
  5. "How do you calculate mass using density and volume?", socratic,2-12-2014، Retrieved 6-10-2019. Edited.
  6. "Mass, Volume and Density: Conversions and Data of Interest", sciencing,17-9-2019، Retrieved 6-10-2019. Edited.
  7. "Densities and molecular weights of some common gases - acetylene, air, methane, nitrogen, oxygen and others..", engineeringtoolbox, Retrieved 6-10-2019. Edited.
  8. "How Can the Study of Density Be Used in the Real World?", sciencing, Retrieved 2019-11-28. Edited.
  9. "What is Density?", mt, Retrieved 2019-11-28. Edited.
  10. "Factors Affecting Density of Matter", school-for-champions, Retrieved 2019-11-28. Edited.