التصلب: نقطة التصلب والأمثلة

التصلب هو التغيير الذي يختبره السائل عندما ينتقل إلى المرحلة الصلبة. يمكن أن يكون السائل مادة صافية أو خليط. أيضا ، قد يكون التغيير بسبب انخفاض في درجة الحرارة أو نتيجة لتفاعل كيميائي.

كيف يمكن تفسير هذه الظاهرة؟ بصريا ، يبدأ السائل في التحجر أو تصلب ، لدرجة أنه يتوقف عن التدفق بحرية. ومع ذلك ، يتكون التصلب في الواقع من سلسلة من الخطوات التي تحدث على نطاقات مجهرية.

مثال على التصلب هو فقاعة سائلة تتجمد. في الصورة أعلاه ، يمكنك رؤية كيف تتجمد الفقاعة عندما تضرب الثلج. ما هو الجزء من الفقاعة التي تبدأ في التصلب؟ ما هو على اتصال مباشر مع الثلج. يعمل الثلج كدعم يمكن أن تستوعب عليه جزيئات الفقاعة.

يتم تشغيل التصلب بسرعة من أسفل الفقاعة. يمكن ملاحظة ذلك في "الصنوبر الزجاجي" الذي يمتد ليشمل السطح بأكمله. تعكس هذه الصنوبر نمو البلورات ، والتي لا تعدو كونها ترتيبات منظمة ومتماثلة للجزيئات.

لكي يحدث التصلب ، من الضروري أن يتم ترتيب جزيئات السائل بطريقة تتفاعل مع بعضها البعض. تصبح هذه التفاعلات أقوى مع انخفاض درجة الحرارة ، مما يؤثر على الحركية الجزيئية ؛ أي أنها تصبح أبطأ وتصبح جزءًا من البلورة.

تُعرف هذه العملية باسم التبلور ، ووجود نواة (مجاميع صغيرة من الجزيئات) ودعم يسرع هذه العملية. بمجرد تبلور السائل ، يُقال إنه تجمد أو تجمد.

إنتالبي من التصلب

ليست كل المواد صلبة في نفس درجة الحرارة (أو تحت نفس المعاملة). حتى بعض "التجميد" فوق درجة حرارة الغرفة ، كما يحدث مع المواد الصلبة مع ارتفاع درجة انصهار. هذا يعتمد على نوع الجزيئات التي تتكون منها المادة الصلبة أو السائلة.

في الحالة الصلبة ، يتفاعلون بقوة ويظلون يهتزون في مواضع ثابتة للفضاء ، دون حرية الحركة وبأحجام محددة ، بينما في السائل ، لديهم القدرة على التحرك مثل الطبقات العديدة التي تتحرك فوق بعضها البعض ، ويشغلون حجم الحاوية التي تحتوي عليه.

تتطلب المادة الصلبة طاقة حرارية لتمريرها إلى الطور السائل ؛ بمعنى آخر ، يحتاج إلى الحرارة. يتم الحصول على الحرارة من محيطها ، ويُعرف الحد الأدنى الذي تمتصه لتوليد أول قطرة من السائل باسم الحرارة الكامنة للانصهار (ΔHf).

من ناحية أخرى ، يجب على السائل إطلاق الحرارة إلى محيطه لترتيب جزيئاته وتبلور في المرحلة الصلبة. تكون الحرارة المنبعثة هي الحرارة الكامنة للتصلب أو التجمد (ΔHc). كل من fHf و cHc متساويان في الحجم ولكن مع اتجاهين متعاكسين ؛ الأول له علامة إيجابية ، والعلامة السلبية الثانية.

لماذا تبقى درجة الحرارة ثابتة في التصلب؟

في لحظة معينة يبدأ السائل في التجمد ، ويميز مقياس الحرارة درجة حرارة T. في حين أن هذا المستوى لم يصلب تمامًا ، يبقى T ثابتًا. بما أن ΔHc لها علامة سلبية ، فهي تتكون من عملية طاردة للحرارة تطلق الحرارة.

لذلك ، سوف يقرأ مقياس الحرارة الحرارة الصادرة عن السائل أثناء تغير الطور ، مما يؤدي إلى انخفاض درجة الحرارة المفروضة. على سبيل المثال ، إذا وضعت الحاوية التي تحتوي على السائل داخل حمام جليدي. وبالتالي ، لا تنخفض T حتى يكتمل التصلب بالكامل.

ما الوحدات التي تصاحب هذه القياسات للحرارة؟ عادةً kJ / mol أو J / g. يتم تفسيرها على النحو التالي: kJ أو J هي كمية الحرارة التي تتطلب 1 مول من السائل أو 1 غرام لتكون قادرة على البرودة أو التصلب.

بالنسبة لحالة الماء ، على سبيل المثال ، تساوي cHc 6.02 kJ / mol. وهذا يعني أن 1 مول من الماء النقي يحتاج إلى إطلاق 6.02 كيلو جول من الحرارة حتى يتمكن من التجمد ، وهذه الحرارة هي التي تحافظ على درجة حرارة ثابتة في هذه العملية. وبالمثل ، يحتاج 1 مول من الجليد إلى امتصاص 6.02 كج من الحرارة ليذوب.

نقطة التجمد

عند درجة الحرارة الدقيقة حيث تحدث العملية ، تُعرف نقطة التصلب (Tc). ويختلف في جميع المواد اعتمادًا على مدى قوة تفاعلاتهم بين الجزيئات في المادة الصلبة.

النقاء هو أيضًا متغير مهم ، لأن المادة الصلبة النجاسة لا تصلب في نفس درجة حرارة النقي. ما سبق هو المعروف باسم انخفاض نقطة التجمد . لمقارنة نقاط التصلب لمادة ما ، من الضروري أن تستخدم كمرجع ما هو نقي قدر الإمكان.

ومع ذلك ، لا يمكن تطبيق نفس الشيء على الحلول ، كما في حالة السبائك المعدنية. لمقارنة نقاط التصلب الخاصة بهم يجب اعتبارها مخاليط ذات نسب كتلة متساوية ؛ وهذا هو ، مع تركيزات مماثلة من مكوناته.

بالتأكيد ، تعتبر نقطة التصلب ذات أهمية علمية وتكنولوجية كبيرة فيما يتعلق بالسبائك وأنواع المواد الأخرى. هذا لأنه ، مع التحكم في الوقت وكيف يبرد ، يمكنك الحصول على بعض الخصائص المادية المرغوب فيها أو تجنب الخصائص غير المناسبة لتطبيق معين.

لهذا السبب ، فإن فهم ودراسة هذا المفهوم لهما أهمية كبيرة في علم المعادن وعلم المعادن ، وكذلك في أي علم آخر يستحق تصنيع المواد وتمييزها.

التصلب ونقطة الانصهار

من الناحية النظرية ، يجب أن تكون Tc مساوية لدرجة الحرارة أو نقطة الانصهار (Tf). ومع ذلك ، هذا ليس صحيحا دائما لجميع المواد. السبب الرئيسي هو أنه ، للوهلة الأولى ، من السهل تعطيل جزيئات المادة الصلبة بدلاً من طلب جزيئات السائل.

وبالتالي ، يُفضل في الممارسة العملية اللجوء إلى Tf لقياس نقاء المركب نوعيًا. على سبيل المثال ، إذا كان المركب X يحتوي على العديد من الشوائب ، فسيكون Tf الخاص به بعيدًا عن مثيله في X النقي مقارنة بأخرى ذات نقاء أعلى.

الترتيب الجزيئي

كما قيل حتى الآن ، فإن عملية التصلب تبلور. بعض المواد ، بالنظر إلى طبيعة جزيئاتها وتفاعلاتها ، تتطلب درجات حرارة منخفضة للغاية وضغوط عالية من أجل التصلب.

على سبيل المثال ، يتم الحصول على النيتروجين السائل في درجات حرارة أقل من -196 درجة مئوية. لتصلبها ، سيكون من الضروري تبريده أكثر من ذلك ، أو زيادة الضغط عليه ، مما يضطر جزيئات N2 إلى التجمع معًا لإنشاء نوى تبلور.

يمكن اعتبار الشيء نفسه بالنسبة للغازات الأخرى: الأكسجين والأرجون والفلور والنيون والهيليوم ؛ وللأكثر تطرفا ، الهيدروجين ، الذي أثارت طورته الصلبة الكثير من الاهتمام لخصائصه غير المسبوقة المحتملة.

من ناحية أخرى ، فإن أفضل حالة معروفة هي الثلج الجاف ، وهو ليس أكثر من ثاني أكسيد الكربون الذي تعزى أبخرةه البيضاء إلى تسامي نفسه عند الضغط الجوي. وقد استخدمت هذه لإعادة الضباب في السيناريوهات.

للحصول على مركب يصلب لا يعتمد فقط على Tc ، ولكن أيضا على الضغط والمتغيرات الأخرى. أصغر الجزيئات (H 2 ) وأضعف تفاعلاتها ، سيكون من الصعب الحصول عليها لدخول الحالة الصلبة.

البرودة الفائقة

يبدأ السائل بالتجميد عند درجة الحرارة عند نقطة التصلب ، إما مادة أو خليط. ومع ذلك ، في ظل ظروف معينة (مثل درجة نقاء عالية أو وقت تبريد بطيء أو بيئة حيوية للغاية) ، يمكن للسائل تحمل درجات حرارة منخفضة دون تجميد. وهذا ما يسمى التبريد الفائق.

لا يوجد تفسير مطلق لهذه الظاهرة ، لكن النظرية ترى أن كل تلك المتغيرات التي تعرقل نمو نوى التبلور تعزز فرط التبريد.

لماذا؟ لأن البلورات الكبيرة تتشكل من النواة بعد إضافة الجزيئات المحيطة بها. إذا كانت هذه العملية محدودة ، حتى لو كانت درجة الحرارة أقل من Tc ، فإن السائل سيظل كما هو ، كما يحدث مع القطرات الصغيرة التي تتألف منها وتجعل السحب في السماء مرئية.

جميع السوائل فائقة البرودة قابلة للانقراض ، أي أنها عرضة لأقل اضطرابات خارجية. على سبيل المثال ، إذا تمت إضافة قطعة صغيرة من الجليد إليها ، أو اهتزت قليلاً ، فسوف تتجمد على الفور ، مما يؤدي إلى تجربة مسلية وسهلة الأداء.

أمثلة التصلب

- على الرغم من أنها ليست صلبة بشكل صحيح ، فإن الجيلاتين هو مثال لعملية التصلب عن طريق التبريد.

-الزجاج المنصهر يستخدم لإنشاء وتصميم العديد من الأشياء ، والتي بعد التبريد ، تحتفظ بأشكالها النهائية المحددة.

- عند تجمد الفقاعة عند ملامسة الثلج ، يمكن أن تخضع زجاجة الصودا لنفس العملية ؛ وإذا تم تبريده فائقًا ، فسيكون تجميده فوريًا.

- عندما تندلع الحمم البركانية التي تغطي حوافها أو سطح الأرض ، فإنها تصلب عندما تفقد درجة الحرارة ، حتى تتحول إلى صخور نارية.

-البيض والكعك يصلب مع زيادة في درجة الحرارة. وبالمثل ، فإن الغشاء المخاطي للأنف يفعل ولكن بسبب الجفاف. يمكن العثور على مثال آخر في الطلاء أو المواد اللاصقة.

ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن التصلب لا يحدث في الحالات الأخيرة نتيجة للتبريد. لذلك ، فإن حقيقة أن السائل يتجمد لا يعني بالضرورة أنه يتجمد (لا يقلل درجة حرارته بشكل ملحوظ) ؛ ولكن عندما يتجمد السائل ، فإنه ينتهي التصلب.

البعض:

- تحويل الماء إلى جليد: يحدث عند درجة حرارة 0 درجة مئوية لإنتاج الثلج أو الثلج أو مكعبات الثلج.

- شمع الشمعة الذي يذوب باللهب ويتصلب مرة أخرى.

- تجميد الطعام للحفاظ عليه: في هذه الحالة يجمد جزيئات الماء داخل خلايا اللحوم أو الخضروات.

- تهب الزجاج: يذوب لتشكيله ثم يصلب.

- صناعة الآيس كريم: عادة منتجات الألبان التي تصلب.

- في الحصول على الحلوى ، التي يتم إذابتها وتصلبها السكر.

- الزبدة والسمن عبارة عن أحماض دهنية في الحالة الصلبة.

- المعادن: في صناعة السبائك أو الحزم أو هياكل بعض المعادن.

- الاسمنت عبارة عن مزيج من الحجر الجيري والطين الذي عندما تمتزج بالماء لديه خاصية تصلب.

- في صناعة الشوكولاتة ، يخلط مسحوق الكاكاو بالماء والحليب الذي ، عندما يجف ، يصلب.