11.10: انتقالات المرحلة: الذوبان والتجميد

يؤدي تسخين مادة صلبة بلورية إلى زيادة متوسط ​​طاقة ذراتها أو جزيئاتها أو أيوناتها، وتزداد سخونة المادة الصلبة. في مرحلة ما ، تصبح الطاقة المضافة كبيرة بما يكفي للتغلب جزئيًا على القوى التي تحمل جزيئات أو أيونات المادة الصلبة في مواقعها الثابتة ، وتبدأ المادة الصلبة في عملية الانتقال إلى الحالة السائلة أو الانصهار. عند هذه النقطة ، تتوقف درجة حرارة المادة الصلبة عن الارتفاع ، على الرغم من الإدخال المستمر للحرارة ، وتبقى ثابتة حتى تذوب كل المادة الصلبة . فقط بعد ذوبان كل المواد الصلبة سوف يؤدي استمرار التسخين إلى زيادة درجة حرارة السائل.

إذا تم إيقاف التسخين أثناء الذوبان وتم وضع خليط السائل الصلب في حاوية معزولة تمامًا بحيث لا يمكن للحرارة الدخول أو الهروب ، فإن المرحلتين الصلبة والسائلة ستظلان في حالة اتزان. هذا هو الوضع تقريبًا مع مزيج من الثلج والماء في زجاجة ترمس جيدة جدًا ؛ لا توجد حرارة تقريبًا تدخل أو تخرج ، ويبقى خليط الثلج الصلب والماء السائل لساعات. في خليط من المواد الصلبة والسائلة عند التوازن ، تحدث عمليات الذوبان والتجميد المتبادلة بمعدلات متساوية ، وبالتالي تظل كميات المادة الصلبة والسائلة ثابتة. تسمى درجة الحرارة التي تكون فيها المراحل الصلبة والسائلة من مادة معينة في حالة اتزان ، نقطة انصهار المادة الصلبة أو نقطة تجمد السائل.

عادةً ما يتم تحديد استخدام أحد المصطلحين أو الآخر وفقًا لاتجاه انتقال الطور الذي يتم النظر فيه ، على سبيل المثال ، صلب إلى سائل (ذوبان) أو سائل إلى صلب (تجميد). يعتمد المحتوى الحراري للاندماج ونقطة انصهار المادة الصلبة المتبلورة على قوة القوى الجاذبة بين الوحدات الموجودة في البلورة. تشكل الجزيئات ذات قوى الجذب الضعيفة بلورات ذات نقاط انصهار منخفضة. بلورات تتكون من جزيئات ذات قوى جذب أقوى تذوب في درجات حرارة أعلى.

كمية الحرارة المطلوبة لتغيير مول واحد من مادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة هي المحتوى الحراري للاندماج ،ΔH_fus المادة. المحتوى الحراري لانصهار الجليد هو 6.0 كيلوجول/مول عند 0 °C. الاندماج (الذوبان) ماص للحرارة.

العملية المتبادلة، التجميد ، هي عملية طاردة للحرارة يكون تغيير المحتوى الحراري فيها −6.0 كيلوجول/مول عند 0 °C:

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 10.3: Phase Transitions.

جسيمات مادة صلبة تصطف بإحكام بواسطة قوى الجذب وتهتز عند أوضاع معينة دون إخلال بالمنظومة. إضافة الحرارة تجعل الطاقة الحرارية للجسيمات ترتفع فتزيد من سرعة الاهتزاز. تتحرك الجسيمات وتعيد ترتيب نفسها عبر التغلب جزئيًا على القوى البين جزيئية.

وبالتالي تنهار المنظومة،وتذوب المادة الصلبة. هذا التحول من الصلابة إلى السيولة يسمى الذوبان أو الانصهار،وتسمى درجة الحرارة التي يحدث عندها ذلك نقط الذوبان أو نقطة الانصهار. التغير اللازم في المحتوى الحراري لإذابة مول واحد من مادة صلبة ما كليًا عند نقطة ذوبانها يسمى حرارة الانصهار المولي أو المحتوي الحراري المولي للانصهار.

لأن الذوبان يتطلب طاقة بصورة شبه دائمة،فهو عملية امتصاصية ذات محتوى حراري موجب مع وجود استثناءات قليلة. على سبيل المثال،عندما يمتص مول واحد من الجليد 6.02 كيلو جول من الطاقة الحرارية من الأشياء المحيطة به،فإن درجة حرارته ترتفع. عندما تصل درجة الحرارة إلى صفر مئوية،يبدأ الجليد بالانصهار.

درجة الانصهار لأي مادة،أقل من درجة التبخّر للمادة ذاتها. على سبيل المثال،بينما تحتاج إذابة مول واحد من الجليد بالكاد إلى 6.02 كيلو جول من الطاقة،يحتاج تبخير مول واحد من الماء إلى 40.8 كيلو جول من الطاقة. وسبب ذلك أن التبخّر يقتضي،فصل الجزيئات كليًا،عبر تحررها من جميع القوى البين جزئية تقريبًا.

وفي المقابل،يقتضي الذوبان التغلب جزئيًا فقط على قوى الجذب في حين تبقى الجزيئات مترابطة ترابطًا وثيقًا. عكس الانصهار،وهو التحول من حالة السيولة إلى الصلابة،يسمى التجمد أو التصليد. عندما تفقد جزيئات المادة الطاقة في مرحلة السيولة،تنخفض حركتها الحرارية وتصطف الجزيئات على مقربة من بعضها البعض بما يكفي لإعادة تكوين القوى البين جزئية.

وفي النهاية يتحول السائل إلى شكله الصلب. التجمد عملية طاردة للحرارة،وقيمة المحتوى الحراري فيه سلبية مع وجود استثناءات قليلة. تتجمد المواد عادة عند نفس درجة الحرارة التي تذوب عندها.

ورغم أن قيمة المحتوى الحراري للتجمد سلبية،إلّا أنها تساوي في المقدار قيمة المحتوى الحراري للانصهار. عندما توضع مادة ما عند نقطة ذوبانها أو تجمدها فإن مرحلتي الصلابة والسيولة تحدثان في الوقت ذاته.