التصلب: نقطة التصلب والأمثلة - كيمياء - 2025

و التصلب هو السائل الذي يخضع لتغيير عندما كان يمر إلى المرحلة الصلبة. يمكن أن يكون السائل مادة نقية أو خليط. وبالمثل ، قد يكون التغيير بسبب انخفاض درجة الحرارة أو نتيجة تفاعل كيميائي.

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

المصدر: Pixabay

مثال على التصلب هو فقاعة سائلة تتجمد. في الصورة أعلاه يمكنك أن ترى كيف تتجمد الفقاعة عند ملامستها للثلج. ما هو جزء الفقاعة الذي يبدأ في التصلب؟ الشخص الذي يكون على اتصال مباشر بالثلج. يعمل الثلج كدعم يمكن أن تستقر عليه جزيئات الفقاعة.

يتم تشغيل التصلب بسرعة من قاع الفقاعة. ويمكن ملاحظة ذلك في "أشجار الصنوبر المصقولة" التي تمتد لتغطي السطح بالكامل. تعكس هذه الصنوبر نمو البلورات ، التي ليست أكثر من ترتيبات مرتبة ومتناظرة للجزيئات.

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

تُعرف هذه العملية باسم التبلور ، ووجود نواة (تجمعات صغيرة من الجزيئات) ويسرع الدعم من هذه العملية. بمجرد أن يتبلور السائل ، يقال أنه قد تجمد أو تجمد.

المحتوى الحراري للتصلب

لا تتصلب جميع المواد عند نفس درجة الحرارة (أو تحت نفس المعاملة). حتى أن البعض "يتجمد" فوق درجة حرارة الغرفة ، مثل المواد الصلبة عالية الذوبان. هذا يعتمد على نوع الجسيمات التي تتكون منها المادة الصلبة أو السائلة.

في المادة الصلبة ، تتفاعل هذه بقوة وتظل تهتز في مواضع ثابتة في الفضاء ، دون حرية الحركة وبحجم محدد ، بينما في السائل ، لديها القدرة على التحرك كطبقات عديدة تتحرك فوق بعضها البعض ، وتحتل حجم الحاوية التي تحتوي عليها.

تتطلب المادة الصلبة طاقة حرارية لتمريرها إلى المرحلة السائلة ؛ بعبارة أخرى ، يحتاج إلى حرارة. تحصل على الحرارة من المناطق المحيطة بها ، وتعرف أصغر كمية تمتصها لتوليد أول قطرة من السائل باسم الحرارة الكامنة للانصهار (ΔHf).

من ناحية أخرى ، يجب أن يطلق السائل الحرارة في محيطه من أجل ترتيب جزيئاته ويتبلور في الطور الصلب. ثم تكون الحرارة المنبعثة هي الحرارة الكامنة للتصلب أو التجميد (ΔHc). كلاهما ΔHf و Hc متساويان في الحجم ولكن في اتجاهين متعاكسين ؛ الأول لديه إشارة موجبة ، والثاني إشارة سلبية.

لماذا تبقى درجة الحرارة ثابتة في التصلب؟

عند نقطة معينة يبدأ السائل في التجمد ، ويقرأ مقياس الحرارة درجة الحرارة T. طالما لم يتصلب السائل تمامًا ، يظل T ثابتًا. نظرًا لأن ΔHc لها علامة سلبية ، فهي تتكون من عملية طاردة للحرارة تطلق الحرارة.

لذلك ، سيقرأ مقياس الحرارة الحرارة المنبعثة من السائل أثناء تغيير طورته ، مما يقاوم انخفاض درجة الحرارة المفروض. على سبيل المثال ، إذا تم وضع الحاوية التي تحتوي على السائل في حمام جليدي. وبالتالي ، لا ينخفض ​​T حتى يكتمل التصلب تمامًا.

ما الوحدات المصاحبة لقياسات الحرارة هذه؟ عادة kJ / mol أو J / g. يتم تفسيرها على النحو التالي: kJ أو J هي كمية الحرارة التي يتطلبها 1 مول من السائل أو 1 غرام لتكون قادرة على التبريد أو التصلب.

بالنسبة لحالة الماء ، على سبيل المثال ، ΔHc يساوي 6.02 كيلو جول / مول. أي أن مولًا واحدًا من الماء النقي يحتاج إلى إصدار 6.02 كيلو جول من الحرارة حتى يتجمد ، وهذه الحرارة هي التي تحافظ على ثبات درجة الحرارة أثناء العملية. وبالمثل ، يحتاج 1 مول من الثلج إلى امتصاص 6.02 كيلو جول من الحرارة ليذوب.

نقطة التصلب

تُعرف درجة الحرارة الدقيقة التي تحدث فيها العملية باسم نقطة التصلب (Tc). هذا يختلف في جميع المواد اعتمادًا على مدى قوة تفاعلاتها بين الجزيئات في المادة الصلبة.

تعتبر النقاوة أيضًا متغيرًا مهمًا ، نظرًا لأن المادة الصلبة غير النقية لا تتصلب عند نفس درجة حرارة مادة نقية. يُعرف هذا بخفض نقطة التجمد. لمقارنة نقاط التصلب لمادة ما ، من الضروري استخدام النقطة النقية قدر الإمكان كمرجع.

ومع ذلك ، لا يمكن تطبيق نفس الشيء على الحلول ، كما في حالة السبائك المعدنية. لمقارنة نقاط التصلب ، يجب مراعاة الخلائط ذات النسب الكتلية المتساوية ؛ أي بتركيزات متطابقة لمكوناته.

من المؤكد أن نقطة التصلب ذات أهمية علمية وتكنولوجية كبيرة فيما يتعلق بالسبائك وأنواع أخرى من المواد. هذا لأنه ، من خلال التحكم في الوقت وكيفية تبريدها ، يمكن الحصول على بعض الخصائص الفيزيائية المرغوبة أو تلك غير المناسبة لتطبيق معين.

لهذا السبب فإن فهم ودراسة هذا المفهوم له أهمية كبيرة في علم المعادن وعلم المعادن ، وكذلك في أي علم آخر يستحق تصنيع وتمييز مادة ما.

تصلب وانصهار

من الناحية النظرية ، يجب أن تكون Tc مساوية لدرجة الحرارة أو نقطة الانصهار (Tf). ومع ذلك ، هذا لا ينطبق دائمًا على جميع المواد. السبب الرئيسي هو أنه ، للوهلة الأولى ، من الأسهل إفساد الجزيئات الصلبة بدلاً من طلب الجزيئات السائلة.

ومن ثم ، فمن المفضل من الناحية العملية استخدام Tf لقياس نقاء المركب نوعياً. على سبيل المثال ، إذا كان المركب X يحتوي على العديد من الشوائب ، فسيكون Tf الخاص به أكثر بعدًا عن مركب X النقي مقارنة بالمركب ذي النقاوة الأعلى.

الترتيب الجزيئي

كما قيل حتى الآن ، يستمر التصلب في التبلور. تتطلب بعض المواد ، نظرًا لطبيعة جزيئاتها وتفاعلاتها ، درجات حرارة منخفضة جدًا وضغوطًا عالية لتصلب.

على سبيل المثال ، يتم الحصول على النيتروجين السائل عند درجات حرارة أقل من -196 درجة مئوية. لترسيخه ، سيكون من الضروري تبريده أكثر ، أو زيادة الضغط عليه ، وبالتالي إجبار جزيئات N ₂ على التجمع معًا لإنشاء نوى التبلور.

نفس الشيء يمكن أن يؤخذ في الاعتبار بالنسبة للغازات الأخرى: الأكسجين والأرجون والفلور والنيون والهيليوم ؛ وللأكثر تطرفاً ، الهيدروجين ، الذي جذبت طورته الصلبة الكثير من الاهتمام لخصائصه المحتملة غير المسبوقة.

من ناحية أخرى ، فإن الحالة الأكثر شهرة هي الثلج الجاف ، وهو ليس أكثر من ثاني أكسيد الكربون _، الذي ترجع أبخرته البيضاء إلى تساميها عند الضغط الجوي. تم استخدام هذه لإعادة خلق الضباب على خشبة المسرح.

لكي يتصلب المركب ، لا يعتمد فقط على Tc ، ولكن أيضًا على الضغط والمتغيرات الأخرى. كلما صغر حجم الجزيئات (H ₂) وكلما كانت تفاعلاتها أضعف ، زادت صعوبة وصولها إلى الحالة الصلبة.

التبريد الفائق

سيبدأ السائل ، سواء كان مادة أو خليطًا ، في التجمد عند درجة الحرارة عند نقطة التصلب. ومع ذلك ، في ظل ظروف معينة (مثل النقاوة العالية ، أو وقت التبريد البطيء ، أو بيئة نشطة للغاية) ، يمكن للسائل أن يتحمل درجات حرارة منخفضة دون تجميد. وهذا ما يسمى التبريد الفائق.

لا يوجد حتى الآن تفسير مطلق للظاهرة ، لكن النظرية تدعم أن كل تلك المتغيرات التي تمنع نمو نوى التبلور تعزز التبريد الفائق.

لماذا ا؟ لأنه من النوى تتشكل بلورات كبيرة بعد إضافة جزيئات من المناطق المحيطة بها. إذا كانت هذه العملية محدودة ، حتى لو كانت درجة الحرارة أقل من Tc ، فإن السائل سيبقى بدون تغيير ، كما يحدث مع القطرات الصغيرة التي تتكون وتجعل السحب مرئية في السماء.

جميع السوائل فائقة التبريد غير مستقرة ، أي أنها عرضة لأدنى اضطراب خارجي. على سبيل المثال ، إذا قمت بإضافة قطعة صغيرة من الثلج إليها ، أو هزتها قليلاً ، فسوف تتجمد على الفور ، وهي تجربة ممتعة وسهلة الأداء.

أمثلة على التصلب

- على الرغم من أنه ليس مادة صلبة بحد ذاتها ، فإن الجيلاتين هو مثال على عملية التصلب عن طريق التبريد

- يتم استخدام الزجاج المصهور لإنشاء وتصميم العديد من الأشياء ، والتي بعد التبريد ، تحتفظ بأشكالها المحددة النهائية.

- مثلما تتجمد الفقاعة عند ملامستها للثلج ، يمكن لزجاجة الصودا أن تخضع لنفس العملية ؛ وإذا تم تبريده بشكل فائق ، فسيكون تجميده فوريًا.

- عندما تخرج الحمم من البراكين التي تغطي حوافها أو سطح الأرض ، فإنها تتصلب عندما تفقد درجة حرارتها ، حتى تصبح صخورًا نارية.

- يتجمد البيض والكعك مع زيادة درجة الحرارة. وبالمثل ، فإن الغشاء المخاطي للأنف يفعل ذلك ولكن بسبب الجفاف. يمكن العثور على مثال آخر أيضًا في الطلاء أو الغراء.

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

الآخرين:

- تحويل الماء إلى جليد: يحدث هذا عند درجة حرارة صفر مئوية مما ينتج عنه جليد أو ثلج أو مكعبات جليدية.

- شمع الشمعة الذي يذوب مع اللهب ويتجمد مرة أخرى.

- تجميد الطعام لحفظه: في هذه الحالة يتم تجميد جزيئات الماء داخل خلايا اللحوم أو الخضار.

- نفخ الزجاج: يذوب ليعطي الشكل ثم يتصلب.

- صناعة الآيس كريم: وهي عمومًا منتجات ألبان صلبة.

- في الحصول على الكراميل الذي يذوب ويصلب السكر.

- الزبدة والمارجرين أحماض دهنية صلبة.

- علم المعادن: في صناعة السبائك أو الكمرات أو الهياكل من معادن معينة.

- الأسمنت عبارة عن خليط من الحجر الجيري والطين الذي عند مزجه بالماء خاصية التصلب.

- في صناعة الشوكولاتة ، يخلط مسحوق الكاكاو بالماء والحليب ، ويتجمد عند تجفيفه.

المراجع

1. ويتن ، ديفيس ، بيك وستانلي. كيمياء. (الطبعة الثامنة). تعلم CENGAGE ، ص 448 ، 467.
2. ويكيبيديا. (2018). تجميد. مأخوذة من: en.wikipedia.org
3. لورين أ. جاكوبسون. (16 مايو 2008). التصلب.. مأخوذة من: infohost.nmt.edu/
4. الانصهار والتصلب. مأخوذة من: juntadeandalucia.es
5. دكتور كارتر. ترسيخ الذوبان. مأخوذة من: itc.gsw.edu/
6. شرح تجريبي للتبريد الفائق: لماذا لا يتجمد الماء في السحب. مأخوذة من: esrf.eu
7. هيلمنستين ، آن ماري ، دكتوراه. (22 يونيو 2018). تعريف التصلب وأمثلة. مأخوذة من: thinkco.com