تغييرات الحالة: الأنواع وخصائصها (مع أمثلة) - كيمياء - 2026

و تتغير حالة أو مرحلة هي التي عكسها يمر بها المادية التغيرات الجسدية الظاهرة الحرارية. يقال إنها ديناميكية حرارية لأن انتقال الحرارة يحدث بين المادة والمناطق المحيطة ؛ أو ما هو نفسه ، هناك تفاعلات بين المادة والطاقة تؤدي إلى إعادة ترتيب الجسيمات.

تبقى الجسيمات التي تخضع لتغيير الحالة كما هي قبلها وبعدها. يعد الضغط ودرجة الحرارة متغيرين مهمين في كيفية استيعابهما في مرحلة أو أخرى. عندما يحدث تغيير في الحالة ، يتم تشكيل نظام ثنائي الطور ، يتكون من نفس المادة في حالتين فيزيائيتين مختلفتين.

تغييرات الدولة. المصدر: غابرييل بوليفار

توضح الصورة أعلاه التغييرات الرئيسية في الحالة التي تخضع لها المادة في ظل الظروف العادية.

يمكن لمكعب صلب من مادة مزرقة أن يتحول إلى سائل أو غازي حسب درجة حرارة وضغط محيطه. يمثل بحد ذاته مرحلة واحدة: المادة الصلبة. ولكن في لحظة الذوبان ، أي الذوبان ، يتم إنشاء توازن صلب سائل يسمى الانصهار (السهم الأحمر بين المكعب المزرق والقطرة).

لكي يحدث الاندماج ، يحتاج المكعب إلى امتصاص الحرارة من محيطه لزيادة درجة حرارته ؛ لذلك ، فهي عملية ماصة للحرارة. بمجرد ذوبان المكعب بالكامل ، يعود إلى مرحلة واحدة: مرحلة الحالة السائلة.

يمكن أن يستمر هذا القطرة المزرقة في امتصاص الحرارة ، مما يزيد من درجة حرارته ويؤدي إلى تكوين فقاعات غازية. مرة أخرى ، هناك مرحلتان: الأولى سائلة والأخرى غازية. عندما يتبخر كل السائل من خلال نقطة الغليان ، يُقال بعد ذلك أنه قد غلي أو تبخر.

الآن تحولت القطرات المزرقة إلى غيوم. حتى الآن ، كانت جميع العمليات ماصة للحرارة. يمكن أن يستمر الغاز المزرق في امتصاص الحرارة حتى يصبح ساخنًا ؛ ومع ذلك ، نظرًا للظروف الأرضية ، فإنه يميل إلى التبريد والتكثف مرة أخرى في السائل (التكثيف).

من ناحية أخرى ، يمكن للسحب أيضًا أن تترسب مباشرة على مرحلة صلبة ، وتشكل مرة أخرى المكعب الصلب (الترسب). هاتان العمليتان الأخيرتان طاردتان للحرارة (الأسهم الزرقاء) ؛ أي أنها تطلق الحرارة في البيئة أو البيئة المحيطة.

بالإضافة إلى التكثيف والترسب ، يحدث تغيير في الحالة عندما يتجمد القطرة المزرقة عند درجات حرارة منخفضة (تصلب).

أنواع التغيرات في الحالة وخصائصها

تُظهر الصورة التغييرات النموذجية لحالات المادة الثلاث (الأكثر شيوعًا): الصلبة والسائلة والغازية. التغييرات المصاحبة للسهام الحمراء ماصة للحرارة ، وتشمل امتصاص الحرارة ؛ في حين أن تلك المصحوبة بالسهام الزرقاء طاردة للحرارة ، فإنها تطلق الحرارة.

سيتم إجراء وصف موجز لكل من هذه التغييرات أدناه ، مع إبراز بعض خصائصها من التفكير الجزيئي والديناميكا الحرارية.

- انصهار

الانصهار هو تغيير حالة المادة من مادة صلبة إلى سائلة.

في الحالة الصلبة ، تكون الجسيمات (الأيونات ، الجزيئات ، العناقيد ، إلخ) "محتجزة" ، تقع في مواقع ثابتة في الفضاء دون أن تكون قادرة على الحركة بحرية. ومع ذلك ، فهي قادرة على الاهتزاز عند ترددات مختلفة ، وإذا كانت قوية جدًا ، فإن النظام الصارم الذي تفرضه القوى بين الجزيئات سيبدأ في "الانهيار".

نتيجة لذلك ، يتم الحصول على مرحلتين: الأولى حيث تظل الجزيئات محصورة (صلبة) ، والأخرى حيث تكون أكثر حرية (سائلة) ، وهو ما يكفي لزيادة المسافات التي تفصل بينها. لتحقيق ذلك ، يجب أن تمتص المادة الصلبة الحرارة ، وبالتالي ستهتز جزيئاتها بقوة أكبر.

لهذا السبب يكون الاندماج ماصًا للحرارة ، وعندما يبدأ يقال أن التوازن يحدث بين المراحل الصلبة والسائلة.

الحرارة اللازمة لإحداث هذا التغيير تسمى الحرارة أو المحتوى الحراري المولي للانصهار (ΔH _Fus). هذا يعبر عن مقدار الحرارة (الطاقة ، بشكل أساسي بوحدات kJ) التي يجب أن يمتصها مول من مادة صلبة ليذوب ، وليس مجرد رفع درجة حرارته.

كرة الثلج

ذوبان الثلج باليد. المصدر: Pixabay

مع أخذ ذلك في الاعتبار ، من المفهوم سبب ذوبان كرة الثلج في اليد (الصورة العلوية). يمتص الثلج حرارة الجسم ، وهو ما يكفي لرفع درجة حرارة الثلج فوق 0 درجة مئوية.

تمتص بلورات الجليد في الثلج ما يكفي من الحرارة لتذوب ولكي تتبنى جزيئات الماء الخاصة بها بنية فوضوية. أثناء ذوبان الثلج ، لن يزيد الماء المتكون من درجة حرارته ، لأن كل حرارة اليد يستخدمها الثلج لإكمال ذوبانه.

- التبخير

التبخير هو تغيير حالة المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية.

استمرارًا لمثال الماء ، ووضع حفنة من الثلج الآن في وعاء وإشعال النار ، لوحظ أن الثلج يذوب بسرعة. مع ارتفاع درجة حرارة الماء ، تبدأ فقاعات صغيرة من ثاني أكسيد الكربون والشوائب الغازية المحتملة الأخرى في التكون داخله.

ماء مغلي. المصدر: Pixabay

تعمل الحرارة على زيادة التكوينات غير المنتظمة للماء جزيئيًا ، مما يؤدي إلى زيادة حجمه وزيادة ضغط بخاره ؛ لذلك ، هناك العديد من الجزيئات التي تخرج من السطح نتيجة زيادة التبخر.

يزيد الماء السائل من درجة حرارته ببطء ، بسبب ارتفاع درجة حرارته النوعية (4.184J / ° C g). تأتي نقطة حيث الحرارة التي تمتصها لم تعد تستخدم لرفع درجة حرارتها ، ولكن لبدء توازن بخار السائل ؛ أي أنه يبدأ في الغليان وسيتحول كل السائل إلى الحالة الغازية مع امتصاص الحرارة والحفاظ على درجة الحرارة ثابتة.

هذا هو المكان الذي ترى فيه الفقاعات الشديدة على سطح الماء المغلي (الصورة العلوية). تسمى الحرارة التي يمتصها الماء السائل بحيث يساوي ضغط بخار فقاعاته الأولية الضغط الخارجي المحتوى الحراري للتبخر (ΔH _Vap).

دور الضغط

الضغط هو أيضا عامل حاسم في تغيرات الحالة. ما هو تأثيره على التبخر؟ كلما زاد الضغط ، زادت الحرارة التي يجب أن يمتصها الماء ليغلي ، وبالتالي يتبخر فوق 100 درجة مئوية.

وذلك لأن الزيادة في الضغط تجعل من الصعب على جزيئات الماء الهروب من السائل إلى المرحلة الغازية.

تستخدم طناجر الضغط هذه الحقيقة لصالحها لتسخين الطعام في الماء إلى درجة حرارة أعلى من نقطة الغليان.

من ناحية أخرى ، نظرًا لوجود فراغ أو انخفاض في الضغط ، يحتاج الماء السائل إلى درجة حرارة أقل ليغلي ويدخل في الطور الغازي. مع الضغط المرتفع أو المنخفض ، عندما يغلي الماء ، فإنه يحتاج إلى امتصاص حرارة التبخر الخاصة به لإكمال تغيير حالته.

- تركيز

التكثيف هو تغيير حالة المادة من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة.

لقد تبخر الماء. ماذا بعد؟ لا يزال بإمكان بخار الماء زيادة درجة الحرارة ، ليصبح تيارًا خطيرًا قادرًا على التسبب في حروق شديدة.

ومع ذلك ، دعنا نفترض أنه يبرد بدلاً من ذلك. كيف؟ يقال إن إطلاق الحرارة في البيئة ، وإطلاق الحرارة هي عملية طاردة للحرارة تحدث.

من خلال إطلاق الحرارة ، تبدأ جزيئات الماء الغازية النشطة جدًا في التباطؤ. كما أن تفاعلاتها تصبح أكثر فاعلية مع انخفاض درجة حرارة البخار. أولاً ، ستتكون قطرات الماء ، مكثفة من البخار ، تليها قطرات أكبر ينتهي بها الأمر تنجذب بواسطة الجاذبية.

لتكثيف كمية معينة من البخار تمامًا ، تحتاج إلى إطلاق نفس الطاقة ، ولكن بعلامة معاكسة ، عند ΔH _Vap ؛ هذا هو المحتوى الحراري الخاص به للتكثيف ΔH _Cond. وهكذا ، يتم إنشاء التوازن العكسي للبخار السائل.

نوافذ رطبة

تكثيف المياه. المصدر: Pexels

يمكن رؤية التكثيف على نوافذ المنازل نفسها. في المناخ البارد ، يصطدم بخار الماء الموجود داخل المنزل بالنافذة ، والتي بسبب مادتها تكون درجة حرارة أقل من الأسطح الأخرى.

هناك ، يسهل على جزيئات البخار أن تتجمع معًا ، مما يخلق طبقة بيضاء رقيقة يمكن إزالتها بسهولة باليد. عندما تطلق هذه الجزيئات الحرارة (تسخين الزجاج والهواء) ، فإنها تبدأ في تكوين مجموعات أكثر عددًا حتى تتكثف القطرات الأولى (الصورة العلوية).

عندما تصبح القطرات كبيرة جدًا ، تنزلق أسفل النافذة وتترك أثرًا من الماء.

- التصلب

التصلب هو تغيير حالة المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة.

يحدث التصلب نتيجة التبريد ؛ بمعنى آخر ، الماء يتجمد. للتجميد ، يجب أن يطلق الماء نفس كمية الحرارة التي يمتصها الثلج ليذوب. مرة أخرى، ويسمى هذا الجو الحار المحتوى الحراري من التصلب أو التجميد، ΔH _كونغ (-ΔH _فوس).

عندما تبرد جزيئات الماء ، تفقد الطاقة وتصبح تفاعلاتها بين الجزيئات أقوى وأكثر اتجاهية. نتيجة لذلك ، يتم ترتيبها بفضل روابطها الهيدروجينية وتشكل ما يسمى بلورات الجليد. تؤثر آلية نمو بلورات الثلج على مظهرها: شفافة أو بيضاء.

نحت الجليد. المصدر: Pixabay

إذا كانت بلورات الثلج تنمو ببطء شديد ، فإنها لا تسد الشوائب ، مثل الغازات التي تذوب في الماء عند درجات حرارة منخفضة. وبالتالي ، فإن الفقاعات تهرب ولا يمكنها التفاعل مع الضوء ؛ وبالتالي ، لديك جليد شفاف مثل تمثال جليدي غير عادي (الصورة العلوية).

نفس الشيء الذي يحدث مع الثلج ، يمكن أن يحدث مع أي مادة أخرى تتصلب عن طريق التبريد. ربما يكون هذا هو التغيير المادي الأكثر تعقيدًا في الظروف الأرضية ، حيث يمكن الحصول على العديد من الأشكال المتعددة.

- تسامي

التسامي هو تغيير حالة المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية.

هل يمكن تسامي الماء؟ لا ، على الأقل ليس في ظل الظروف العادية (T = 25 درجة مئوية ، P = 1 ضغط جوي). لكي يحدث التسامي ، أي تغيير الحالة من الحالة الصلبة إلى الغاز ، يجب أن يكون ضغط بخار المادة الصلبة مرتفعًا.

وبالمثل ، من الضروري ألا تكون قوىها بين الجزيئات قوية جدًا ، ويفضل إذا كانت تتكون فقط من قوى التشتت.

المثال الأكثر رمزية هو اليود الصلب. وهو مادة صلبة بلورية بألوان رمادية أرجوانية ، مما يؤدي إلى ارتفاع ضغط البخار. هذا هو الحال ، حيث يتم إطلاق بخار أرجواني ، يصبح حجمه وتمدده ملحوظًا عند تعرضه للتسخين.

تسامي اليود. المصدر: Belkina NV، from Wikimedia Commons

توضح الصورة أعلاه تجربة نموذجية حيث يتبخر اليود الصلب في وعاء زجاجي. من المثير للاهتمام والمذهل أن نلاحظ كيف تنتشر الأبخرة الأرجواني ، ويمكن للطالب المبتدئ التحقق من عدم وجود اليود السائل.

هذه هي السمة الرئيسية للتسامي: لا وجود لمرحلة سائلة. وبالمثل ، فهو ماص للحرارة ، لأن المادة الصلبة تمتص الحرارة لزيادة ضغط بخارها حتى تصبح مساوية للضغط الخارجي.

- إيداع

ترسب بلورات اليود. المصدر: Stanislav.nevyhosteny ، من ويكيميديا ​​كومنز

الترسب هو تغيير حالة المادة من الحالة الغازية إلى الحالة الصلبة.

بالتوازي مع تجربة تسامي اليود ، هناك تجربة ترسبه. الترسيب هو التغيير أو الانتقال المعاكس: تنتقل المادة من الحالة الغازية إلى الحالة الصلبة دون تكوين الطور السائل.

عندما تتلامس أبخرة اليود الأرجواني مع سطح بارد ، فإنها تطلق الحرارة لتدفئته ، وتفقد الطاقة وتعيد تجميع جزيئاتها مرة أخرى في المادة الصلبة ذات اللون الأرجواني الرمادي (الصورة العلوية). ومن ثم فهي عملية طاردة للحرارة.

يستخدم الترسيب على نطاق واسع لتركيب المواد حيث يتم تخديرها بالذرات المعدنية بواسطة تقنيات متطورة. إذا كان السطح شديد البرودة ، فإن التبادل الحراري بينه وبين جزيئات البخار يكون مفاجئًا ، مما يحذف المرور عبر الطور السائل المعني.

الحرارة أو المحتوى الحراري للترسيب (وليس الترسب) هو عكس التسامي (ΔH _Sub = - ΔH _Dep). من الناحية النظرية ، يمكن تسامي العديد من المواد ، ولكن لتحقيق ذلك ، من الضروري معالجة الضغوط ودرجات الحرارة ، بالإضافة إلى وجود مخطط P مقابل T في متناول اليد ؛ حيث يمكن تصور مراحلها البعيدة الممكنة.

تغييرات الحالة الأخرى

على الرغم من عدم ذكرها ، إلا أن هناك حالات أخرى للمادة. في بعض الأحيان تتميز بامتلاكها "القليل من كل منها" ، وبالتالي فهي مزيج منها. لتوليدها ، يجب التلاعب بالضغوط ودرجات الحرارة إلى مقادير موجبة جدًا (كبيرة) أو سلبية (صغيرة).

وهكذا ، على سبيل المثال ، إذا تم تسخين الغازات بشكل مفرط ، فإنها ستفقد إلكتروناتها وستشكل نواتها موجبة الشحنة في ذلك المد السالب ما يعرف بالبلازما. إنه مرادف لـ "الغاز الكهربائي" ، لأنه يتمتع بموصلية كهربائية عالية.

من ناحية أخرى ، عندما تنخفض درجات الحرارة منخفضة جدًا ، يمكن للمادة أن تتصرف بطرق غير متوقعة. أي أنها تعرض خصائص فريدة حول الصفر المطلق (0 كلفن).

إحدى هذه الخصائص هي السيولة الفائقة والموصلية الفائقة. بالإضافة إلى تكوين مكثفات بوز-آينشتاين ، حيث تتصرف كل الذرات كواحدة.

حتى أن بعض الأبحاث تشير إلى مادة فوتونية. وفيها تتجمع جسيمات الإشعاع الكهرومغناطيسي ، الفوتونات ، معًا لتكوين جزيئات ضوئية. أي أنه سيعطي كتلة لأجسام الضوء نظريًا.

المراجع

1. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (19 نوفمبر 2018). قائمة تغييرات المرحلة بين الدول ذات الصلة. تم الاسترجاع من: thinkco.com
2. ويكيبيديا. (2019). حالة المادة. تم الاسترجاع من: en.wikipedia.org
3. دورلينج كيندرسلي. (2007). الدول المتغيرة. تم الاسترجاع من: factmonster.com
4. مايرز عامي. (2019). تغيير المرحلة: التبخر ، التكثيف ، التجميد ، الذوبان ، التسامي والترسيب. دراسة. تم الاسترجاع من: study.com
5. باجلي م. (11 أبريل 2016). المسألة: التعريف والحالات الخمس للمادة. تم الاسترجاع من: Livescience.com
6. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. (2008). كيمياء. (الطبعة الثامنة). سينجاج ليرنينج.