Back to chapter

11.10:

מעברי פאזה: התכה וקיפאון

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Phase Transitions: Melting and Freezing

Languages

Share

החלקיקים של מוצק ארוזים יחד בצפיפות באמצעות כוחות משיכה והם רוטטים במיקומים קבועים בלי לשבש את הסריג. תוספת חום גורמת לאנרגיה התרמית של החלקיקים לעלות, והם רוטטים מהר יותר. החלקיקים נעים והם עומדים להתארגן מחדש על ידי התגברות חלקית על הכוחות הבין-מולקולריים.לאחר מכן הסריג מתמוטט והמוצק מותך. מעבר זה ממוצק לנוזל נקרא התכה או היתוך, והטמפרטורה הנדרשת לתהליך זה נקראת נקודת ההיתוך או נקודת ההתכה. השינוי באנתלפיה הנדרש כדי להמס לחלוטין 1 מול של מוצק בנקודת ההיתוך שלו נקרא חום ההיתוך המולרי שלו או אנתלפית היתוך מולרית כיוון שהתכה כמעט תמיד דורשת אנרגיה, זהו תהליך אנדותרמי עם ערך אנתלפיה חיובי, למעט כמה יוצאים מן הכלל.לדוגמה, כשמול של קרח סופג 6.02 קילוג’ול של אנרגיית חום מסביבתו, הטמפרטורה שלו עולה. כשהטמפרטורה מגיעה ל-0 מעלות צלזיוס, הוא מתחיל התכה. בכל חומר, חום ההיתוך נמוך מחום האידוי.לדוגמה, בעוד שהמסת מול קרח דורשת 6.02 קילוג’ול של אנרגיה בלבד, אידוי מול מים דורש 40.8 קילוגרמים של אנרגיה. זאת, מפני שאידוי דורש הפרדה מושלמת של מולקולות על ידי השתחררות כמעט מכל הכוחות הבין-מולקולריים. בעוד שהתכה דורשת רק התגברות חלקית על כוחות המשיכה, כשהמולקולות ממשיכות להישאר במגע.התהליך ההפוך מהיתוך, כלומר המעבר מנוזל למוצק, נקרא הקפאה או התמצקות. כשמולקולות במצב נוזלי מאבדות אנרגיה, התנועה התרמית שלהם פוחתת והמולקולות נארזות קרוב מספיק זו לזו כדי ליצור מחדש את הכוחות הבין-מולקולריים. בסופו של דבר, הנוזל משתנה לצורתו המוצקה.קיפאון הוא תהליך אקסותרמי, וערך האנתלפיה שלו הוא שלילי, למעט כמה יוצאים מן הכלל. חומרים בדרך כלל קופאים בערך באותה טמפרטורה שבהם הם מותכים. למרות שאנתלפיית הקפיאה היא שלילית, עוצמתה זהה לאנתלפיית ההיתוך.כשחומר נשאר בנקודת ההתכה או הקיפאון שלו, מצבי המוצק והנוזל מתקיימים במקביל.

11.10:

מעברי פאזה: התכה וקיפאון

Heating a crystalline solid increases the average energy of its atoms, molecules, or ions, and the solid gets hotter. At some point, the added energy becomes large enough to partially overcome the forces holding the molecules or ions of the solid in their fixed positions, and the solid begins the process of transitioning to the liquid state or melting. At this point, the temperature of the solid stops rising, despite the continual input of heat, and it remains constant until all of the solid is melted. Only after all of the solid has melted will continued heating increase the temperature of the liquid.

If heating is stopped during melting and the solid-liquid mixture is placed in a perfectly insulated container so no heat can enter or escape, the solid and liquid phases will remain in equilibrium. This is almost the situation with a mixture of ice and water in a very good thermos bottle; almost no heat gets in or out, and the mixture of solid ice and liquid water remains for hours. In a mixture of solid and liquid at equilibrium, the reciprocal processes of melting and freezing occur at equal rates, and the quantities of solid and liquid, therefore, remain constant. The temperature at which the solid and liquid phases of a given substance are in equilibrium is called the melting point of the solid or the freezing point of the liquid.

Use of one term or the other is normally dictated by the direction of the phase transition being considered, for example, solid to liquid (melting) or liquid to solid (freezing). The enthalpy of fusion and the melting point of a crystalline solid depend on the strength of the attractive forces between the units present in the crystal. Molecules with weak attractive forces form crystals with low melting points. Crystals consisting of particles with stronger attractive forces melt at higher temperatures.

The amount of heat required to change one mole of a substance from the solid state to the liquid state is the enthalpy of fusion, ΔHfus of the substance. The enthalpy of fusion of ice is 6.0 kJ/mol at 0 °C. Fusion (melting) is endothermic.

Eq1

The reciprocal process, freezing, is an exothermic process whose enthalpy change is −6.0 kJ/mol at 0 °C:

Eq1

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 10.3: Phase Transitions.