تغيرات الحالة الفيزيائية

6-4

تغيرات الحالة الفيزيائية

Phase Changes

الأهداف

• تفسر كيف يؤدي إضافة الطاقة أو انتزاعها إلى تغير الحالة الفيزيائية للمادة.
• تفسر مخطط الحالة الفيزيائية للمادة.

مراجعة المفردات

تغير الحالة: هو تغير المادة من حالة إلى أخرى.

المفردات الجديدة

• درجة الانصهار.
• التبخر.
• التبخر السطحي.
• ضغط البخار.
• درجة الغليان.
• درجة التجمد.
• التكاثف.
• الترسب.
• مخطط الحالة الفيزيائية، الطور.
• النقطة الثلاثية.
• النقطة الحرجة.

الفكرة الرئيسية

تتغير حالة المادة عند إضافة الطاقة إليها أو انتزاعها منها.

الربط مع الحياة

هل تساءلت يومًا أين تذهب المادة الصلبة الموجودة في ملطف الجو؟ تكون مادة ملطف الجو صلبة، وتعطي رائحة قوية عند فتحها لأول مرة، ومع الأيام تقل المادة الصلبة، وفي النهاية لا يبقى منها شيء تقريبًا، ويكون لديك وقت وضع قطعة أخرى مكانها. لماذا لا تلاحظ تكون كمية من السائل، كتلك التي تنشأ عن الانصهار؟

---

تغيرات الحالة الفيزيائية الماصة للطاقة

Phase Changes That Require Energy

توجد معظم المواد في ثلاث حالات اعتمادًا على درجة الحرارة والضغط. وتوجد بعض المواد، ومنها الماء، في الحالات الثلاث تحت الظروف الطبيعية. وعند وجود حالتين للمادة معًا بصورة غير متجانسة يقال إن هناك طورين للمادة؛ فالماء الثلج عبارة عن خليط غير متجانس من طورين، هما الماء السائل والماء الصلب.

وعند إضافة أو انتزاع الطاقة من نظام معين تتغير حالة المادة الفيزيائية إلى حالة أخرى. كما هو ظاهر في الشكل 6-23، وذلك لأن حالات الماء، الصلب والسائل وبخار الماء، مألوفة لديك، وقد رأيتها تغيراتها؛ لذا يمكن استخدام الماء مثالًا أساسيًا في مناقشة تغيرات حالات المادة.

الانصهار

ماذا يحدث لمكعبات الثلج في كوب من الماء؟ عند وضع مكعب ثلج في الماء، تكون درجة حرارة الماء أعلى من درجة حرارة الثلج، فتنتقل الحرارة من الماء إلى مكعب الثلج.

فالحرارة هي انتقال الطاقة من درجة حرارة أعلى إلى جسم درجة حرارته أخفض. ولا تستخدم الطاقة التي يمتصها مكعب الثلج لرفع درجة حرارته في البداية، بينما تمتصها على عكس ذلك قوى تضعف الروابط الهيدروجينية بين جسيمات الثلج.

وعندما تنتصر الجسيمات على سطح مكعب الثلج طاقة كافية لتكسير الروابط الهيدروجينية التي تربط جسيمات الماء معًا في مكعبات الثلج، تتحرك جسيمات السطح مبتعدة بعضها عن بعض لتدخل في الحالة السائلة.

وفي أثناء حركة الجسيمات تتقلص قطعة الثلج، وتستمر العملية حتى تنصهر قطعة الثلج كاملة.

إذا تركت مكعبات الثلج على طاولة، فمن أين تأتي الطاقة اللازمة لتنصهر المكعبات؟

الشكل 6-23

الصورة التابعة: صفحة243_الشكل_6_23_التحولات_الستة_بين_حالات_المادة.png

يوضح الشكل التحولات الستة المحتملة بين حالات المادة:

• من الصلب إلى السائل: انصهار.
• من السائل إلى الصلب: تجمد.
• من السائل إلى الغاز: تبخر.
• من الغاز إلى السائل: تكاثف.
• من الصلب إلى الغاز: تسامي.
• من الغاز إلى الصلب: ترسب.

سؤال الشكل

حدد ما تغيرات الحالة الفيزيائية التي تحدث بين المواد الصلبة والمواد السائلة؟

---

تعتمد كمية الطاقة اللازمة لصهر مول واحد من المادة الصلبة على قوة التجاذب بين جسيمات المادة. ولولا أن الماء يحتوي على روابط هيدروجينية إلى حد ما بين جسيمات الماء قوية، فإن كمية الطاقة اللازمة لصهر الثلج تكون عالية نسبيًا.

إلا أن الطاقة اللازمة لصهر الثلج أقل كثيرًا من الطاقة اللازمة لصهر كلوريد الصوديوم، ملح الطعام؛ حيث إن قوة التجاذب بين الأيونات أكبر كثيرًا من الروابط الهيدروجينية التي في الثلج.

إن درجة الحرارة التي تحدث المادة في الحالة السائلة والصلبة من الطورين في أثناء صهر الثلج ثابتة المادة تسمى درجة الانصهار.

فدرجة الانصهار للمادة الصلبة البلورية هي درجة الحرارة التي تنكسر عندها القوى التي تربط جسيمات المادة الصلبة في الشبكة البلورية بعضها ببعض، فتتحول المادة إلى الحالة السائلة.

من الصعب تحديد درجة الانصهار بشكل دقيق للمواد غير المتبلورة؛ لأنها تنصهر عند درجات حرارة أعلى من درجات انصهارها، وذلك لأن الانصهار لا يتم عند درجة حرارة ثابتة، بل تنعم عند تسخينها. لذا عندما يتطلب الانصهار تغير درجة الحرارة بالارتفاع لذلك يصعب تحديد نقطة الانصهار.

التبخر

عندما ينصهر مكعب ثلج تبقى درجة حرارة الماء والثلج ثابتة لا تتغير. وعندما يتحول الثلج كله إلى ماء سائل يكتسب النظام طاقة فتزداد الطاقة الحركية للجسيمات، وترتفع درجة حرارة النظام.

حيث تكون طاقة بعض جسيمات الماء أعلى من طاقة الجسيمات الأخرى. ويوضح الشكل 6-24 توزيع طاقة الحركة لجسيمات في سائل عند درجة حرارة 25°C؛ حيث تدل المنطقة المظللة على الجسيمات التي لها طاقة كافية للتغلب على قوى التجاذب بين جسيمات السائل.

اختبار الرسم البياني

صف ما يحدث للجسيمات في المنطقة المظللة في الشكل 6-24.

وتسمى حالة انتقال جسيمات السائل إلى الحالة الغازية حرارة التبخر.

الكيمياء في واقع الحياة

التبخر

الصورة التابعة: صفحة244_الكيمياء_في_واقع_الحياة_التبخر.png

التبخر السطحي يمر على طريق تحكم الجسم في درجة حرارته. فعندما تشعر بالسخونة يبدأ الجسم في إفراز العرق من الغدد العرقية الموجودة على سطح الجلد، وتمتص جسيمات الماء في العرق الحرارة من سطح الجلد وتتبخر، وبذلك يتم امتصاص الحرارة من أجزاء الجسم جميعها إلى الجلد عن طريق الدم.

الشكل 6-24

الصورة التابعة: صفحة244_الشكل_6_24_توزيع_الطاقة_الحركية_لجسيمات_السائل.png

يوضح الرسم البياني التوزيع المثالي للطاقة الحركية للجسيمات في سائل عند درجة حرارة 25°C.

تقع أكبر طاقة حركية للجسيمات على يمين المنحنى.

سؤال الشكل

صف شكل منحنى السائل نفسه عند 30°C.

---

والتبخر هو العملية التي يتحول من خلالها السائل إلى غاز أو بخار.

وإذا كان التسخين تدريجيًا فإن جسيمات سطح السائل تحاول الإفلات والتحول إلى غاز. تذكر أن الجسيمات عند سطح السائل تكون مرتبطة بعدد أقل من الروابط مقارنة بالجسيمات الموجودة داخل السائل.

وعندما يحدث التبخر عند سطح السائل فقط تعرف هذه العملية بالتبخر السطحي.

ويحدث التبخر لجزيئات الماء على السطح حتى في درجات الحرارة المنخفضة؛ لأن بعض الجسيمات تكون لها طاقة كافية للتحول إلى بخار، ومع زيادة درجة الحرارة تزداد عدد الجسيمات التي تتحول إلى الحالة الغازية.

يوضح الشكل 6-25 مقارنة بين التبخر في وعاء مغلق وآخر مفتوح؛ فالماء الذي في الوعاء المفتوح تتبخر كافة جزيئاته من السطح ويختفي في النهاية. ويعتمد الزمن اللازم لتبخر هذه الجزيئات كلها من السطح على كمية الماء والطاقة المتوفرة.

أما الذي يكون في الوعاء المغلق فتكون الحالة مختلفة تمامًا؛ حيث يتجمع بخار الماء فوق سطح السائل، ويتولد ضغط على سطحه يعرف بضغط البخار.

تسمى درجة الحرارة التي يتساوى عندها ضغط بخار السائل مع الضغط الخارجي أو الضغط الجوي درجة الغليان.

استخدم الشكل 6-26 لمقارنة ما يحدث للسائل عند درجة غليانه بما يحدث له عند درجات حرارة أقل من درجة غليانه.

للجسيمات جميعها عند درجة الغليان طاقة كافية لتتبخر، وتتكون فقاعات بخار السائل تحت سطح السائل، ثم ترتفع إلى السطح.

الشكل 6-25

الصورة التابعة: صفحة245_الشكل_6_25_التبخر_في_وعاء_مفتوح_ومغلق.png

يحدث التبخر في كلا الوعاءين المغلق والمفتوح.

تخرج جسيمات الماء المتبخرة من الوعاء الذي يبقى مفتوحًا في الهواء المغلق، حيث يتكاثف الماء ويتجمع فوق السائل.

تجربة عملية

الصورة التابعة: صفحة245_تجربة_عملية_درجات_الغليان.png

درجات الغليان.
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

الشكل 6-26

الصورة التابعة: صفحة245_الشكل_6_26_ضغط_البخار_ودرجة_الغليان.png

عندما ترتفع درجة الحرارة تزداد طاقة حركة جسيمات الماء، فيزداد ضغط البخار، ولكنه أقل من الضغط الجوي.

وعند درجة غليانه يصبح ضغط البخار مساويًا للضغط الجوي، وتكون درجة غليان الماء عند سطح البحر 100°C.

---

التسامي

هو تحول المادة مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية دون المرور بالحالة السائلة.

فمثلًا، يتسامى كل من اليود الصلب وثاني أكسيد الكربون الصلب، الجليد الجاف، عند درجة حرارة الغرفة. ويستخدم الجليد الجاف الظاهر في الشكل 6-27 للحفاظ على برودة المواد في أثناء الشحن، وبخاصة المواد التي تتلف من انصهار الثلج.

وتتسامى كرات العث التي تحتوي على مادة النفثالين أو أحيانًا ثاني كلور البنزين، وكذلك معطرات الجو الصلبة.

الشكل 6-27

الصورة التابعة: صفحة246_الشكل_6_27_حفظ_قطع_اللحم_بالجليد_الجاف.png

تحفظ قطع اللحم مبردة بواسطة الجليد الجاف.

وضح

لماذا يفضل الجليد الجاف على الثلج العادي في تبريد اللحوم ومنتجاتها في أثناء الشحن؟

---

تغيرات الحالة الفيزيائية الطاردة للطاقة

Phase Changes That Release Energy

هل استيقظت صباح يوم بارد ولطيف، ففوجئت بما ظننته تلجًا أبيض، أو تقاطر الندى نقطًا رطبة من السيارة؟ هل لاحظت قطرات من الماء تتكون على سطح كأس ماء ثلج من الخارج؟ هذه الظواهر مثال على تغيرات الحالة التي تطلق الطاقة إلى محيطها.

التجمد

افترض أنك وضعت كأس ماء في مجمد الثلاجة. فخلال عملية التبريد يفقد الماء الحرارة، فتفقد جسيمات الماء طاقتها الحركية، وتقل سرعتها، ويصبح انزلاق بعضها حول بعض أقل.

وعندما تفقد طاقة حركية كافية تبقي الروابط الهيدروجينية بين الجسيمات الماء، وتتجمد عند درجة حرارة معينة تُسمى درجة التجمد.

وتعرف درجة التجمد بأنها درجة الحرارة التي يتحول عندها السائل إلى صلب بلوري.

التكاثف

عندما تفقد جسيمات بخار الماء الطاقة، فإن سرعتها تقل وتصبح قدرتها على تكوين روابط هيدروجينية بين بعضها مع بعض أكبر. وينتج عن تكون الروابط الهيدروجينية طاقة حرارية، مما يعني تغير حالة البخار إلى الحالة السائلة.

وتعرف عملية تحول البخار إلى سائل بالتكاثف، وهي عكس عملية التبخر.

هناك العديد من العوامل المساعدة في التكاثف، إلا أن عملية التكاثف تتضمن انتقال الطاقة. فعلى سبيل المثال، عندما تلامس جسيمات بخار الماء سطحًا باردًا مثل سطح كأس ماء مثلج، تنتقل الطاقة الحرارية من جسيمات بخار الماء إلى الكأس الباردة، فتتكاثف هذه الجسيمات على السطح الخارجي للكأس.

وتحدث العملية نفسها في أثناء الليل عندما تتكاثف جسيمات بخار الماء الموجودة في الهواء، مكونة قطرات الندى على زجاج السيارة وأوراق النباتات أو الأشياء الأخرى في الخارج.

الربط مع علم الأرض

تنتج السحب والضباب والأمطار جميعها عن التكاثف.

وتتكون كل هذه الظواهر عندما يمر الهواء المشبع ببخار الماء فوق أرض باردة أو سطح مائي.

ويحتاج تكونها إلى عامل آخر؛ هو جسيمات صلبة صغيرة جدًا معلقة في الهواء تسمى نوى التكاثف.

يمكن أن تكون هذه الجسيمات غبارًا أو سناجًا أو رذاذًا aerosols، ومن ذلك ثاني أكسيد الكبريت أو أكسيد النيتروجين الذي يتكاثف بخار الماء حوله إلى ماء. وقد يساعد الماء المكثف في هطول الأمطار.

في بعض الحالات، تقع الحوادث ويحدث ما يعرف بالانقلاب الحراري، كما في الشكل 6-28، وقد يسبب ضبابًا ناتجًا عن هذا الانقلاب.

الشكل 6-28

الصورة التابعة: صفحة246_الشكل_6_28_الانقلاب_الحراري_وتكاثف_بخار_الماء.png

عادة يصبح الهواء أكثر برودة مع الارتفاع.

يحدث انقلاب درجة الحرارة عندما تنعكس الحالة، ويصبح الهواء أكثر دفئًا عند المرتفعات.

وحين يحدث الانقلاب قد يحصر الدخان فوق المدن والضباب ووديان الجبال.

ماذا قرأت؟

صف تكاثف بخار الماء في الجو.

---

الترسب

عندما يلامس بخار الماء سطحًا نافذة باردة في الشتاء تتكون قطرات صلبة على النافذة تسمى الصقيع.

فالترسب هو عملية تحول المادة من الحالة الغازية إلى الحالة الصلبة دون المرور بالحالة السائلة، وهي عكس التسامي.

فتتكون رقائق الثلج عندما يتحول بخار الماء الموجود في طبقات الجو العليا إلى بلورات من الثلج الصلب، وتنبعث الطاقة خلال تكونها.

---

مخطط الحالة الفيزيائية، الطور

Phase Diagram

يتحكم متغيران معًا في حالة المادة هما: الضغط ودرجة الحرارة. ولهذين المتغيرين تأثيرات عكسية على المادة؛ حيث تعمل زيادة درجة الحرارة مثلًا على رفع معدل تبخر الماء، بينما تعمل زيادة الضغط على رفع معدل تكاثف البخار.

ومخطط الحالة الفيزيائية، الطور، هو رسم بياني للضغط مقابل درجة الحرارة لمادة معينة في حالة اتزان، كما في حالة فيزيائية ويوضح الشكل 6-29 مخطط الحالة الفيزيائية، الطور، للماء، حيث يمكن استخدامه لتحديد درجة الحرارة والضغط عند حالة الماء.

لاحظ وجود ثلاث مناطق تمثل الحالة الفيزيائية: صلب، وسائل، وغاز. إضافة إلى وجود ثلاثة منحنيات تفصل هذه المناطق بعضها عن بعض.

يوجد عند أي نقطة على امتداد خط المنحنى حالتان فيزيائيتان معًا للماء.

يوضح المنحنى الأصفر القصير ظروف الضغط والحرارة التي يوجد عندها بخار وجليد معًا. أما المنحنى الأزرق الطويل فيوضح ظروف الضغط ودرجة الحرارة التي يوجد عندها سائل الماء وبخاره معًا. وهناك منحنى آخر يوضح ظروف الضغط ودرجة الحرارة التي يوجد عندها الماء في صورة ثلج وسائل معًا.

تسمى النقطة A التي تتقاطع عندها المنحنيات الحمراء والزرقاء والصفراء النقطة الثلاثية للماء.

والنقطة الثلاثية نقطة على الرسم البياني تمثل درجة الحرارة والضغط، حيث يوجد عندها الماء في حالاته الثلاث معًا.

ويمكن للتغيرات الستة كلها أن تحدث عند النقطة الثلاثية: التجمد، والانصهار، والتبخر، والتكاثف، والتسامي، والترسب.

وتعرف النقطة B بـ النقطة الحرجة. والنقطة الحرجة هي النقطة التي تمثل كلًا من الضغط ودرجة الحرارة التي لا يمكن للماء بعدها أن يكون في الحالة السائلة.

فإذا وجد بخار الماء عند درجة الحرارة الحرجة، فلا يمكن لزيادة الضغط أن تحول بخار الماء إلى سائل.

الشكل 6-29

الصورة التابعة: صفحة247_الشكل_6_29_مخطط_الحالة_الفيزيائية_للماء.png

يوضح هذا الرسم مخطط الطور للماء عند درجات حرارة وضغوط مختلفة.

اختبار الرسم البياني

حدد حالة الماء الفيزيائية عند درجة حرارة 100.00°C وضغط 2.00 atm.

---

اختبار الرسم البياني

قارن بين ميل المنحنى الأيسر في كلا الرسمين البيانيين لكل من الماء وثاني أكسيد الكربون. كيف يختلف تأثير كل من الماء وثاني أكسيد الكربون في التفاعلات بارتفاع الضغط عند منحنى صلب/سائل؟

الشكل 6-30

الصورة التابعة: صفحة248_الشكل_6_30_مخططات_الحالة_لثاني_أكسيد_الكربون_والكربون.png

يظهر مخطط الطور معلومات مفيدة؛ منها لماذا يتسامى ثاني أكسيد الكربون تحت الظروف العادية، وسبب وجود نوعين من الكربون الصلب.

---

تختلف مخططات الطور للمواد، وذلك بسبب اختلاف درجات تجمدها وغليانها. ومع ذلك يعطي كل مخطط المعلومات نفسها عن الحالة الفيزيائية والنقطة الثلاثية.

لذا فإنك ستختار مدى درجات الحرارة يعكس الخصائص الفيزيائية للمادة.

يظهر مخطط الحالة الفيزيائية مقارنة من الماء وثاني أكسيد الكربون في الشكل 6-30. على سبيل المثال، يوضح مخطط الطور لثاني أكسيد الكربون في الشكل 6-30 سبب تسامي ثاني أكسيد الكربون تحت الظروف العادية.

فإذا بحثت عن 1.0 atm على منحنى ثاني أكسيد الكربون، وتتبعت الخط المنقط الأصفر، فستجد أن ثاني أكسيد الكربون يتغير من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية عند 1 atm فقط.

وإذا امتد الخط المنقط إلى ما بعد المنحنى الأصفر فسيتضح أن ثاني أكسيد الكربون لا يتحول إلى سائل مع زيادة درجة الحرارة، بل يبقى في الحالة الغازية.

يظهر الشكل الأيسر مخطط الطور للكربون، لاحظ اتجاهه أيسر صعودًا للمنحنى بين منطقة الحالة الصلبة. الجرافيت هو الحالة المستقرة للكربون عند درجة الحرارة والضغط المحددين بالنقطة الحمراء.

والماس الأكثر استقرارًا عند درجات الحرارة والضغط العاليين. والألماس الموجود عند درجة حرارة الغرفة وضغطها يتكون في الأصل عند درجة حرارة وضغط عاليين.

تجربة عملية

الصورة التابعة: صفحة248_تجربة_عملية_نوى_التجمد.png

نوى التجمد.
ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية.

---

التقويم 6-4

الخلاصة

الصورة التابعة: صفحة248_التقويم_6_4_الخلاصة_والأسئلة.png

الخلاصة

• تسمى حالات المادة بالأطوار عندما توجد معًا كأجزاء مستقلة للمخلوط.
• تحدث تغيرات الطاقة خلال تغيرات حالات المادة الفيزيائية.
• يوضح مخطط الطور تأثير اختلاف درجات الحرارة والضغط في حالة المادة.

أسئلة التقويم 6-4

• الفكرة الرئيسية: اشرح كيف يؤدي إضافة الطاقة أو انتزاعها إلى تغير الحالة الفيزيائية؟

• فسر الاختلاف بين عمليتي الانصهار والتجمد.

• قارن بين الترسب والتسامي.

• قارن بين التسامي والتبخر.

• صف المعلومات التي يوضحها مخطط الطور.

• فسر: ماذا تمثل كل من النقطة الثلاثية والنقطة الحرجة على مخطط الطور؟

• حدد الحالة الفيزيائية للماء، بالاعتماد على الشكل 6-29، عند درجة حرارة 75.00°C وضغط 3.00 atm.