قانون الكثافة في الكيمياء

• ذات صلة
• قانون ارخميدس
• الكيمياء في حياتنا

تعرّف على قوانين الكثافة في الكيمياء

وفيما يأتي أبرز قوانين الكثافة في الكيمياء، تعرف عليها:

قانون الكثافة الحجمية

تُعرَّف الكثافة الحجمية أو كثافة الكتلة الحجمية (بالإنجليزية: Density) بأنّها النسبة بين كتلة المادة وحجمها، أو كتلة وحدة الحجوم من المادة، وتُقاس الكثافة بوحدة الغرام لكل سنتيمتر مكعب (غم /سم³)، أو الكيلوغرام لكل متر مكعب (كغ/ م³)، وتستخدم لحساب كثافة السوائل، ويُعبّر عنها رياضيًا بالمعادلة الآتية:^[١]

الكثافة = الكتلة/ الحجم

وبالرموز:

ث = ك/ ح

إذ إن:

• ث: الكثافة، بوحدة (غم /سم³) أو (كغ/ م³).
• ك: الكتلة، بوحدة الغرام أو الكيلوغرام.
• ح: الحجم، بوحدة سم³ أو م³.

وبالرموز الإنجليزية:

D=m/V

وتشير الرموز إلى:^[٢]

• D: الكثافة الحجمية.
• m: كتلة المادة.
• V: حجم المادة.

قانون الكثافة النسبية

الكثافة النسبية (بالإنجليزية: Relative Density) وتعرف أيضًا بالكثافة النوعية؛ هي النسبة بين كثافة مادة معينة وكثافة مادة قياسية تحت ظروف معينة، ويُعبّر عنها رياضيًا بالمعادلة الآتية:^[٣]

الكثافة النوعية= كثافة المادة المراد قياسها/ كثافة المادة المعيارية (عادة ما تكون الماء)

وبالرموز:

ث ن = ث م/ ث ع

إذ إن:

• ث ن: الكثافة النسبية.
• ث م: كثافة المادة المُراد قياسها، بوحدة (غم /سم³) أو (كغ/ م³).
• ث ع: كثافة المادة القياسية أو المعيارية، بوحدة (غم /سم³) أو (كغ/ م³).

وبالرموز الإنجليزية:

RD=Dsubstance/Dreference

حيث تشير الرموز إلى:^[٣]

• RD: الكثافة النسبية.
• Dsubstance: كثافة المادة المُراد قياسها.
• Dreference: كثافة المادة القياسية أو المعيارية.

فعند استخدام الماء كمادة قياسية على سبيل المثال وقياس كثافة مادة أخرى بالنسبة لكثافته، وكانت النتيجة أقل من 1؛ فهذا يعني أنّ المادة ستطفو على الماء، وإذا كانت أكبر من 1 فهذا يعني أنّ المادة ستغرق.^[٤]

تُستخدم الكثافة النوعية في معرفة تراكيز المحاليل ودراستها، وفي معرفة خواص المعادن، وتُطبّق في الكثير من الصناعات مثل؛ الصناعات الغذائية، والصناعات الدوائية.^[٣]

إليكَ أمثلة على حساب الكثافة

لتسهيل مفهوم الكثافة، إليك مجموعة من الأمثلة التي قد تساعدك في حسابها:^[٥]

إيجاد الكثافة الحجمية لمكعب بمعرفة الكتلة والحجم

مكعب كتلته 90 كغ وطول ضلعه 3 م، احسب كثافته؟

الحل: عندما تتعامل مع المكعبات، من المهم أن تتذكر أنّ الشكل ثلاثي الأبعاد، أي أنّ له طول، وعرض، وارتفاع ، وحجم المكعب يساوي حاصل ضرب الطول بالعرض بالارتفاع، والتي تكون متساوية، ويُعَبّر عن حجم المكعب بالعلاقة الآتية:^[٦]

حجم المكعب= الطول×العرض×الارتفاع

وفقًا للعلاقة السابقة:

• فإن حجم المكعب يُحسب كما يأتي: الحجم= 3×3×3= 27 م³.
• وتُحسب الكثافة بقسمة الكتلة على الحجم؛ الكثافة= 90/27= 3.33 كغ/ م³.

إيجاد الكثافة الحجمية لكرة بمعرفة الكتلة ونصف القطر

كرة كتلتها 50 كغ وطول نصف قطرها 1 م، احسب كثافتها؟

الحل: كما هو الحال مع المكعبات، تُعتبر الكرة جسمًا ثلاثي الأبعاد ذو حجم (V)، ويُعَبّر عن حجم الكرة بالعلاقة التالية:^[٥]

 حجم الكرة = 4/3 π نق³

وتشير الرموز إلى ما يأتي:

• π: ثابت باي وله قيمة ثابتة 3.14
• نق: نصف قطر الكرة

وفقًا للعلاقة السابقة:

• فإن حجم الكرة يُحسب كما يلي: الحجم= (4/3) × 3.14×(1×1×1) = 4.186 كغ/ م³.
• تُحسب الكثافة بقسمة الكتلة على الحجم: الكثافة= 50/4.186 = 11.94 كغ/ م³.

إيجاد كتلة مكعب بمعرفة الكثافة وطول الضلع

جد كتلة مكعب كثافته 3.33 كغ/ م³، وطول ضلعه 3 م.

الحل: عند معرفتك لقانون الكثافة وقوانين الأحجام المختلفة لأجسام ثلاثية الأبعاد، سيكون من السهل عليك إيجاد قيمة أي متغير بوجود معطيات أخرى، وبالتالي سيكون الحل كما يأتي:^[٦]

• باستخدام القانون؛ الكثافة= الكتلة/ الحجم
• أي أن؛ الكتلة= الكثافة × الحجم
• وبمعرفة حجم المكعب من العلاقة السابقة، والتي تساوي 3×3×3= 27 م³،
• يمكن إيجاد كتلته وفقًا للعلاقة التالية: الكتلة= 3.33×27= 89.91 كغ.

إيجاد حجم قالب حديد بمعرفة الكثافة والكتلة

جد حجم قالب حديد كثافته 30 سم³/غم، وكتلته 30 غم

الحل: بحسب معادلة الكثافة نجد أن علاقة الحجم بالكثافة والكتلة هي كالآتي:^[٢]

الحجم= الكتلة/الكثافة

وبتطبيق المعادلة المذكورة أعلاه سيكون الحل كالتالي:

• الحجم= الكتلة/الكثافة
• الحجم=30 /30
• الحجم=1 سم³

أسئلة متداولة عن الكثافة

فيما يلي بعض الأسئلة الشائعة المتعلقة بالكثافة، والتي ستزودك بمعلومات قد يهمك معرفتها:

 ما العوامل المؤثرة على كثافة السوائل؟

تتغير كثافة السوائل والموائع في حال تغيير الضغط الواقع عليها أو درجة حرارتها، وفيما يلي تفصيل لعلاقة كثافة السوائل بتلك العوامل:

• درجة الحرارة

ترتبط الكثافة ودرجة الحرارة بعلاقة عكسية؛ فكلما زادت درجة حرارة مادة ما، تتمدد معظم المواد ويزداد حجمها مما يؤدي إلى انخفاض في كثافتها، وكلما انخفضت درجة حرارة المادة فإن كثافتها تصبح أكبر، فعند تسخين كمية من الماء أو تبريدها، تتغير كثافتها، وكلما زادت درجة حرارة الماء، زادت المساحة التي يشغلها، وانخفضت كثافته.^[٧]

• الضغط

ترتبط كثافة المادة بعلاقة طردية مع الضغط الحاصل عليها، لأن الضغط يمكن أن يؤثر على حجم المادة ويزيد من كثافتها، وكما هو الحال مع الحرارة، تتمدد السوائل عند زيادة الضغط الواقع عليها، وبالتالي تزداد كثافة السائل مع زيادة الضغط عليه.^[٨]

ما الجهاز الذي يُستخدم لقياس كثافة السوائل؟

يُستخدم جهاز الهيدروميتر (بالإنجليزية: Hydrometer) ويعرف أيضًا بالمكثّف في قياس بعض خصائص السوائل، مثل كثافتها الحجمية (الكتلة لكل وحدة حجم)، أو الوزن النوعي (الوزن لكل وحدة حجم مقارنة بالماء).^[٩]

يتكون الجهاز من لمبة زجاجية ثقيلة ومُغلقة وطويلة العنق مغمورة في السائل المُراد قياس كثافته، ويعطي العمق الذي يصل له الجهاز مؤشرًا على كثافة السائل، ويمكن معايرة العنق لقراءة الكثافة أو الوزن النوعي أو بعض الخصائص الأخرى المتعلقة بالكثافة.^[٩]

ما العلاقة بين الكثافة والطفو؟

يتمثل الفرق الرئيسي بين الطفو والكثافة هو أن الطفو عبارة عن قوة تصاعدية تعارض وزن الجسم المغمور في سائل، وأن الكثافة هي كتلة لكل وحدة حجم، وبالنسبة لعلاقتهما، فتتناسب قوة الطفو طرديًا مع كثافة السائل الذي يُغمر الجسم فيه.^[١٠]

ما هي الكثافة المطلقة؟

تُعرَف الكثافة المطلقة بأنها النسبة بين كتلة المادة والحجم الذي تشغله، لكنها تختلف عن الكثافة الحجمية بأنها تُحسَب ضمن ظروف معينة تشمل ضغطًا جويًا محددًا ودرجة حرارة صفر مئوية، وتُقاس بوحدة غ/ سم³ أو كغ/ م³.^[١١]

أيهما أعلى كثافة الماء أم الزيت؟

الماء أكثر كثافة من الزيت، ولذلك لا يمكن مزجهما، فعند صب الزيت على الماء، تطفو جزيئات الزيت فوق الماء ولا تختلط بها.^[١٢]

المراجع

1. ↑ The Editors of Encyclopaedia Britannica (13/6/2017), "Density", britannica, Retrieved 27/6/2021. Edited.
2. ^ ^{أ ب} "calculating density", serc.carleton, Retrieved 18/8/2021. Edited.
3. ^ ^{أ ب ت} "Relative Density Definition", thoughtco., Retrieved 18/8/2021. Edited.
4. ↑ byjus (1/6/2021), "Relative Density", byjus, Retrieved 27/6/2021. Edited.
5. ^ ^{أ ب} pstcc (1/6/2021), " Measurement and Density", pstcc, Retrieved 27/6/2021. Edited.
6. ^ ^{أ ب} "How to Calculate the Mass of a Cube", sciencing, Retrieved 18/8/2021. Edited.
7. ↑ "Density, Temperature, and Salinity", hawaii., Retrieved 18/8/2021. Edited.
8. ↑ W.C. McMordie, Jr.; R.G. Bland; J.M. Hauser (26/9/2020), "Effect of Temperature and Pressure on the Density of Drilling Fluids ", one petro, Retrieved 27/6/2021. Edited.
9. ^ ^{أ ب} The Editors of Encyclopaedia Britannica (20/7/1998), "Hydrometer", britannica, Retrieved 27/6/2021. Edited.
10. ↑ Ernest Z. (7/8/2014), "How do density and buoyancy relate?", socratic, Retrieved 27/6/2021. Edited.
11. ↑ Dominick Rosato, Donald Rosato (1/1/2003), "Absolute Density", science direct, Retrieved 27/6/2021. Edited.
12. ↑ better beginnings editors (1/6/2021), "Oil And Water Experiments", better beginnings, Retrieved 27/6/2021. Edited.