مقالات

12.5: الذوبان والتجميد والتسامي - الرياضيات


أهداف التعلم

  • تعريف الذوبان والتجميد والتسامي.

اعتمادًا على الظروف المحيطة ، عادةً ما توجد المادة الطبيعية كواحدة من ثلاثة المراحل: صلب أو سائل أو غاز.

تغيير الطور هو عملية فيزيائية تنتقل فيها المادة من مرحلة إلى أخرى. عادة ما يحدث التغيير عند إضافة أو إزالة الحرارة عند درجة حرارة معينة ، والمعروفة باسم نقطة الانصهار أو نقطة الغليان للمادة. نقطة الانصهار هي درجة الحرارة التي تنتقل عندها المادة من مادة صلبة إلى سائلة (أو من مادة سائلة إلى مادة صلبة). نقطة الغليان هي درجة الحرارة التي تنتقل عندها المادة من سائل إلى غاز (أو من غاز إلى سائل). تعتمد طبيعة تغير الطور على اتجاه انتقال الحرارة. الحرارة مستمرة داخل تغيره مادة من مادة صلبة إلى سائلة ، أو من سائل إلى غاز. إزالة الحرارة من عند مادة ما تحول الغاز إلى سائل ، أو السائل إلى مادة صلبة.

نقطتان رئيسيتان تستحقان التأكيد. أولاً ، عند نقطة انصهار المادة أو نقطة غليانها ، يمكن أن توجد مرحلتان في وقت واحد. خذ الماء (H2س) كمثال. على مقياس سيليزيوس ، H2O لديه نقطة انصهار تبلغ 0 درجة مئوية ونقطة غليان 100 درجة مئوية. عند 0 درجة مئوية ، تكون كل من المرحلتين الصلبة والسائلة من H.2يا يمكن أن تتعايش. ومع ذلك ، إذا تمت إضافة الحرارة ، فإن بعض المادة الصلبة H2سوف يذوب O ويتحول إلى سائل H.2O. إذا تمت إزالة الحرارة ، يحدث العكس: بعض السائل H.2يتحول O إلى H صلب2O. يمكن أن تحدث عملية مماثلة عند 100 درجة مئوية: إضافة الحرارة يزيد من كمية غاز H2O ، أثناء إزالة الحرارة يزيد من كمية السائل H.2O (الشكل ( PageIndex {1} )).

الشكل ( PageIndex {1} ): نقطة غليان الماء. غليان نووي من الماء فوق موقد المطبخ. (المصدر: ويكيبيديا). الماء مادة جيدة لاستخدامها كمثال لأن الكثير من الناس على دراية بها بالفعل. المواد الأخرى لها نقاط انصهار ونقاط غليان أيضًا.

ثانيًا ، لا تتغير درجة حرارة المادة عندما تنتقل المادة من مرحلة إلى أخرى. بعبارة أخرى ، تكون تغيرات الطور متساوية الحرارة (تعني متساوي الحرارة "درجة حرارة ثابتة"). مرة أخرى ، ضع في اعتبارك H2يا كمثال. يمكن أن توجد المياه الصلبة (الجليد) عند 0 درجة مئوية. إذا تمت إضافة الحرارة إلى الثلج عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، فإن بعض الطور الصلب يتغير ليصبح سائلًا ، والذي يكون أيضًا عند 0 درجة مئوية. تذكر ، المراحل الصلبة والسائلة من H.2يمكن أن يتعايش O عند 0 درجة مئوية. فقط بعد ذوبان كل المادة الصلبة في سائل ، تؤدي إضافة الحرارة إلى تغيير درجة حرارة المادة.

لكل تغيير طور من مادة ما ، هناك كمية مميزة من الحرارة اللازمة لإجراء تغيير الطور لكل جرام (أو لكل مول) من المادة. حرارة الانصهار (Δحفتيل) هو مقدار الحرارة لكل جرام (أو لكل مول) المطلوب لتغيير الطور الذي يحدث عند نقطة الانصهار. حرارة التبخير (Δحvap) هو مقدار الحرارة لكل جرام (أو لكل مول) المطلوب لتغيير الطور الذي يحدث عند نقطة الغليان. إذا كنت تعرف العدد الإجمالي للجرامات أو مولات المادة ، فيمكنك استخدام Δحفتيل أو Δحvap لتحديد إجمالي الحرارة التي يتم نقلها للذوبان أو التصلب باستخدام هذه التعبيرات:

[ text {heat} = n times ΔH_ {fus} label {Eq1a} ]

حيث (n ) هو عدد المولات و (ΔH_ {fus} ) يتم التعبير عنها في الطاقة / الخلد أو

[ text {heat} = m times ΔH_ {fus} label {Eq1b} ]

حيث (م ) هي الكتلة بالجرام و (ΔH_ {fus} ) يتم التعبير عنها في الطاقة / جرام.

بالنسبة للغليان أو التكثيف ، استخدم هذه التعبيرات:

[ text {heat} = n times ΔH_ {vap} label {Eq2a} ]

حيث (n ) هو عدد المولات) و (ΔH_ {vap} ) يتم التعبير عنها في الطاقة / الخلد أو

[ text {heat} = m times ΔH_ {vap} label {Eq2b} ]

حيث (م ) هي الكتلة بالجرام و (ΔH_ {vap} ) يتم التعبير عنها في الطاقة / جرام.

تذكر أن تغيير الطور يعتمد على اتجاه انتقال الحرارة. إذا انتقلت الحرارة إلى الداخل ، تصبح المواد الصلبة سائلة ، وتصبح السوائل صلبة عند نقطتي الانصهار والغليان ، على التوالي. إذا انتقلت الحرارة إلى الخارج ، تتجمد السوائل وتتكثف الغازات إلى سوائل.

مثال ( PageIndex {1} )

مقدار الحرارة اللازمة لإذابة 55.8 جم من الجليد (مادة صلبة H2O) عند 0 درجة مئوية؟ حرارة انصهار H.2O هو 79.9 كالوري / جم.

حل

يمكننا استخدام العلاقة بين الحرارة وحرارة الانصهار (مكافئ ( PageIndex {1} ) ب) لتحديد عدد جول من الحرارة اللازمة لإذابة هذا الجليد:

[ start {align *} text {heat} & = m times ΔH_ {fus} [4pt] & = (55.8 : cancell {g}) left ( dfrac {79.9 : cal} { إلغاء {g}} right) = 4،460 : cal} end {align *} ]

تمرين ( PageIndex {1} )

مقدار الحرارة اللازمة لتبخير 685 جم من H2O عند 100 درجة مئوية؟ حرارة تبخير H2O هو 540 كالوري / جم.

يسرد الجدول ( PageIndex {1} ) درجات حرارة الاندماج والتبخر لبعض المواد الشائعة. لاحظ الوحدات على هذه الكميات ؛ عند استخدام هذه القيم في حل المشكلات ، تأكد من التعبير عن المتغيرات الأخرى في الحساب الخاص بك في وحدات متوافقة مع الوحدات في درجات الحرارة المحددة ، أو درجات حرارة الانصهار والتبخير.

الجدول ( PageIndex {1} ): درجات حرارة الانصهار والتبخير لمواد مختارة
مستوىΔHفتيل (كال / ز)ΔHvap (كال / ز)
ألمنيوم (Al)94.02,602
ذهب (Au)15.3409
الحديد (Fe)63.21,504
الماء (H.2س)79.9540
كلوريد الصوديوم (كلوريد الصوديوم)123.5691
الإيثانول (C.2ح5أوه)45.2200.3
البنزين (C.6ح6)30.494.1

النظر عن كثب: التسامي

هناك أيضًا تغيير في الطور حيث تنتقل المادة الصلبة مباشرة إلى الغاز:

[ text {solid} rightarrow text {gas} label {Eq3} ]

يسمى هذا التغيير في المرحلة تسامي. كل مادة لها خاصية حرارة التسامي المرتبطة بهذه العملية. على سبيل المثال ، حرارة التسامي (Δحالفرعية) من H.2O هو 620 كالوري / جم.

نواجه التسامي بعدة طرق. قد تكون بالفعل على دراية بالثلج الجاف ، وهو ببساطة ثاني أكسيد الكربون الصلب (CO2). عند −78.5 درجة مئوية (−109 درجة فهرنهايت) ، يتصاعد ثاني أكسيد الكربون الصلب ، ويتغير مباشرة من المرحلة الصلبة إلى الطور الغازي:

[ mathrm {CO_2 (s) xrightarrow {-78.5 ^ circ C} CO_2 (g)} label {Eq4} ]

يسمى ثاني أكسيد الكربون الصلب بالثلج الجاف لأنه لا يمر خلال المرحلة السائلة. بدلاً من ذلك ، ينتقل مباشرة إلى الطور الغازي. (نشبع تستطيع توجد في صورة سائلة ولكن تحت ضغط عالٍ فقط.) للثلج الجاف العديد من الاستخدامات العملية ، بما في ذلك الحفاظ على العينات الطبية على المدى الطويل.

حتى في درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية ، صلبة H.2سوف تسامي يا ببطء. على سبيل المثال ، قد تختفي طبقة رقيقة من الثلج أو الصقيع على الأرض ببطء مثل المادة الصلبة H.2يا تسامي ، على الرغم من أن درجة الحرارة الخارجية قد تكون أقل من نقطة تجمد الماء. وبالمثل ، قد تصبح مكعبات الثلج في الفريزر أصغر بمرور الوقت. على الرغم من التجمد ، فإن الماء الصلب يتصاعد ببطء ، ويعيد الترسيب على عناصر التبريد الأكثر برودة في الفريزر ، الأمر الذي يستلزم إزالة الجليد بشكل دوري (المجمدات الخالية من الصقيع تقلل من إعادة الترسيب). سيقلل خفض درجة الحرارة في المجمد من الحاجة إلى إذابة الثلج كثيرًا.

في ظل ظروف مماثلة ، سيكون الماء أيضًا ساميًا من الأطعمة المجمدة (مثل اللحوم أو الخضار) ، مما يمنحها مظهرًا غير جذاب ومرقش يسمى حرق المجمد. إنه ليس "حرقًا" حقًا ، ولم يكن الطعام سيئًا بالضرورة ، على الرغم من أنه يبدو غير فاتح للشهية. يمكن التقليل من حرق المجمد عن طريق خفض درجة حرارة الفريزر ولف الأطعمة بإحكام حتى لا يكون للماء أي مساحة للتسامح فيه.

نقطة الانصهار

تتشابه المواد الصلبة مع السوائل في كلتا الحالتين المتكثفتين ، مع وجود جزيئات أقرب معًا من تلك الموجودة في الغاز. ومع ذلك ، في حين أن السوائل سائلة ، فإن المواد الصلبة ليست كذلك. يتم تجميع جزيئات معظم المواد الصلبة بإحكام في ترتيب منظم. تقتصر حركة الذرات أو الأيونات أو الجزيئات الفردية في المادة الصلبة على حركة اهتزازية حول نقطة ثابتة. المواد الصلبة شبه كاملة غير قابل للضغط وهي الأكثر كثافة من حالات المادة الثلاث.

عندما يتم تسخين مادة صلبة ، تهتز جزيئاتها بسرعة أكبر حيث تمتص المادة الصلبة الطاقة الحركية. في النهاية ، يبدأ تنظيم الجسيمات داخل الهيكل الصلب في الانهيار ويبدأ الجسم الصلب في الذوبان. ال نقطة الانصهار هي درجة الحرارة التي تتحول عندها المادة الصلبة إلى سائل. عند نقطة الانصهار ، تتغلب الاهتزازات التخريبية لجزيئات المادة الصلبة على القوى الجاذبة العاملة داخل المادة الصلبة. كما هو الحال مع نقاط الغليان ، تعتمد نقطة انصهار المادة الصلبة على قوة تلك القوى الجذابة. كلوريد الصوديوم ( left ( ce {NaCl} right) ) مركب أيوني يتكون من العديد من الروابط الأيونية القوية. يذوب كلوريد الصوديوم عند (801 ^ text {o} text {C} ). الجليد (صلب ( ce {H_2O} )) هو مركب جزيئي يتكون من جزيئات مرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية. على الرغم من أن الروابط الهيدروجينية هي أقوى القوى بين الجزيئات ، إلا أن قوة الروابط الهيدروجينية أقل بكثير من قوة الروابط الأيونية. نقطة انصهار الجليد هي (0 ^ text {o} text {C} ).

نقطة انصهار المادة الصلبة هي نفس درجة تجمد السائل. عند درجة الحرارة هذه ، تكون الحالات الصلبة والسائلة للمادة في حالة اتزان. بالنسبة للمياه ، يحدث هذا التوازن عند (0 ^ text {o} text {C} ).

[ ce {H_2O} left (s right) rightleftharpoons ce {H_2O} left (l right) ]

نميل إلى التفكير في المواد الصلبة على أنها تلك المواد التي تكون صلبة في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك ، فإن جميع المواد لها نقاط انصهار من نوع ما. تصبح الغازات صلبة في درجات حرارة منخفضة للغاية ، كما ستصبح السوائل صلبة إذا كانت درجة الحرارة منخفضة بدرجة كافية. يوضح الجدول أدناه نقاط الانصهار لبعض المواد الشائعة.

موادنقطة الانصهار (ºC)
الجدول ( PageIndex {2} ): نقاط الانصهار للمواد الشائعة
هيدروجين-259
الأكسجين-219
ديثيل الأثير-116
الإيثانول-114
ماء0
الفضة النقية961
ذهب نقي1063
حديد1538

تمرين ( PageIndex {2} )

  1. اشرح ماذا يحدث عندما تتدفق الحرارة إلى مادة ما أو تخرج منها عند نقطة انصهارها أو نقطة غليانها.
  2. كيف ترتبط كمية الحرارة المطلوبة لتغيير الطور بكتلة المادة؟
الإجابة أ

تذهب الطاقة إلى تغيير المرحلة وليس درجة الحرارة.

الجواب ب

كمية الحرارة ثابتة لكل جرام من المادة.

ملخص

  • هناك تغيير في الطاقة مرتبط بأي تغيير في الطور.
  • التسامي هو تغيير الحالة من مادة صلبة إلى غاز ، دون المرور بالحالة السائلة.
  • الترسب هو تغيير الحالة من غاز إلى مادة صلبة.
  • ثاني أكسيد الكربون هو مثال على مادة تخضع بسهولة للتسامي.
  • نقطة الانصهار هي درجة الحرارة التي تتحول عندها المادة الصلبة إلى سائل.
  • القوى الجزيئية لها تأثير قوي على نقطة الانصهار.

المساهمات والسمات


الدول المتغيرة للمادة

يمكن تغيير المواد من حالة إلى أخرى بالتسخين أو التبريد (التجميد). بإضافة الطاقة الحرارية ، يمكن للمادة أن تتغير من مادة صلبة إلى سائلة أو من سائل إلى غاز. لذا فإن حالة المادة تعتمد على اكتسابها أو فقدها للطاقة الحرارية.

الماء مثال جيد على حالة المادة لأنها ثلاث حالات شائعة جدًا.

شكل الماء الصلب هو الجليد.
شكل الماء السائل هو الماء.
شكل غاز الماء هو بخار.


سؤال وجواب: غليان الماء في فراغ

الذرات أو الجزيئات التي تتكون منها مادة صلبة أو سائلة قريبة جدًا من بعضها. إذا قمت بخفض الضغط (بمعنى آخر ، قم بعمل فراغ) ، فهذا يعني أنه سيكون هناك عدد قليل جدًا من ذرات الغاز أو الجزيئات بالقرب من سطح المادة الصلبة (أو السائل). وهذا بدوره يجعل من غير المحتمل جدًا أن يتم استبدال أي جزيء يترك السطح. لذلك عندما تخفض الضغط ، فإن "الأشياء" التي تتعامل معها ستواجه صعوبة أكبر في التجمع معًا لصنع مادة صلبة (أو سائلة).

في الواقع ، تحت ضغط معين ، لا يمكنك الحصول على سائل على الإطلاق. تحت هذا الضغط ، إذا قمت بتبريد الغاز ، فسيقوم بشيء يسمى "تشكيل شبكي بلوري" وينتقل مباشرة من الغاز إلى مادة صلبة. (يسمى عكس ذلك ، الانتقال من مادة صلبة إلى غاز ، "التسامي".

ستنخفض أيضًا نقطة غليان السائل عند الضغوط المنخفضة. في الواقع ، يمكنك الحصول على سائل ليغلي في درجة حرارة الغرفة إذا كان لديك فراغ. إذا كنت تريد أن ترى هذا بنفسك ، فإليك تجربة يمكنك تجربتها: اذهب إلى طبيب أو مكتب طبيب بيطري واسأل عما إذا كان يمكنك استعارة حقنة (لست بحاجة إلى إبرة). تمتص القليل من الماء في المحقنة. الآن قم بتغطية الفتحة الموجودة على المحقنة بإصبعك (أو بغطاء بلاستيكي إذا كان لديك واحد) واسحب المكبس بأقصى قوة وبأسرع ما يمكن. سيخلق هذا فراغًا جزئيًا داخل المحقنة ، ومع بعض الحظ ستتمكن من رؤية الماء يغلي فيها.

لمعرفة العلاقة بين نقاط التجمد / الانصهار والضغط ، يمكنك إلقاء نظرة على مخطط الطور:

في هذه الصورة ، الخط الفاصل بين المرحلتين الصلبة والسائلة هو الرسم البياني لنقطة التجمد ، والخط الفاصل بين مرحلتي السائل والبخار هو الرسم البياني لنقطة الغليان. بين مرحلتي الصلب والبخار يوجد رسم بياني لنقطة التسامي ، كما كنت أصفه من قبل. (يرمز nbp و nfp إلى "نقطة الغليان الطبيعية" و "نقطة التجمد الطبيعية" على التوالي. يشير "tp" إلى "النقطة الثلاثية" و "cp" تعني "النقطة الحرجة" التي فوقها السائل و مراحل الغاز نوع من الضبابية معًا.)

هذا الرسم البياني عام ، والموقع الدقيق لكل سطر يختلف من مركب لآخر. الماء هو أحد الاستثناءات المعروفة ، حيث ترتفع نقطة التجمد مع انخفاض الضغط. هذا لأن الماء ، الشكل الصلب (الجليد) يشغل مساحة أكبر من السائل (الماء). ولكن بمجرد أن تصل إلى ما دون النقطة التي يمكن أن يكون لديك فيها سائل ، تنخفض نقطة التسامي مع انخفاض الضغط (لأن المادة الصلبة تشغل مساحة أقل من الغاز). هذه صورة لذلك الرسم البياني:


2. دورة المياه

في دورة الماء ، يتم استخدام التسامي بشكل شائع لشرح عملية تحول الثلج والجليد مباشرة إلى أبخرة مائية دون الدخول في المرحلة السائلة. عكس التسامي هو & # 8220deposition & # 8221 حيث تتغير أبخرة الماء مباشرة إلى جليد ، مثل رقاقات الثلج والصقيع. عندما تكون الظروف الجوية مثل الرطوبة النسبية المنخفضة والرياح الجافة موجودة ، يحدث التسامي بسهولة أكبر. يحدث أيضًا على ارتفاعات أعلى حيث يكون ضغط الهواء منخفضًا مقارنة بالارتفاعات المنخفضة. الطاقة مطلوبة أيضًا ، مثل أشعة الشمس الشديدة أو الشديدة ، للحفاظ على درجة الحرارة عند النقطة الثلاثية. إذا كان على المرء أن يختار موقعًا على الأرض يحدث فيه التسامي كثيرًا ، فإن جبل. سيكون الوجه الجنوبي لـ Everest & # 8217s هو الخيار الأمثل. تعتبر درجات الحرارة المنخفضة والرياح القوية وأشعة الشمس الساطعة وضغط الهواء المنخفض للغاية شرطًا ضروريًا لحدوث التسامي.


تتغير المادة الدول الصلبة الغاز السائل التجميد نقطة الانصهار التسامي الغليان

ما الأمر؟ المادة هي أي شيء له كتلة ويحتل مساحة. بشكل عام ، يتم تصنيف المادة إلى 3 حالات مختلفة: صلبة ، سائلة ، غازية.

يمكن تغيير المادة من حالة إلى أخرى عن طريق عملية التسخين أو التبريد. يفسر نموذج النظرية الحركية هذا. وفقًا للنظرية الحركية ، تمتلك الجسيمات (الذرات أو الجزيئات أو الأيونات) طاقة حركية في حركة ثابتة وتتصادم باستمرار مع بعضها البعض. سرعات الجسيمات في حالات المادة الثلاث المختلفة مختلفة. تنص النظرية الحركية أيضًا على أنه كلما ارتفعت درجة الحرارة ، زادت الطاقة الحركية ، حيث تزداد السرعات. عند درجة حرارة معينة ، تتحرك الجسيمات الأخف أسرع من الجسيمات الثقيلة.

في المادة الصلبة ، تكون الجسيمات معبأة للغاية ومرتبة في نمط ثابت ومنظم. عندما يتم تسخين المواد الصلبة ، تتلقى الجسيمات طاقة حرارية. هذا يجعل الطاقة الحركية للجزيئات تزداد بالإضافة إلى جعلها تهتز بشكل أسرع. تهتز الجسيمات أكثر عند نقطة الانصهار بحيث تنفصل عن مواقعها الثابتة وتصبح سائلة. تسمى درجة الحرارة التي تتغير عندها المادة الصلبة إلى سائل نقطة الانصهار. هذه العملية برمتها تسمى عملية الذوبان.

عندما يتم تسخين السائل باستمرار ، تتلقى الجزيئات طاقة أكثر وتهتز بشكل أسرع. يتصادمون مع بعضهم البعض في كثير من الأحيان. عند نقطة الغليان ، تتلقى الجسيمات طاقة كافية للتغلب على قوة الجاذبية (عادة قوى فان دير فالس & [رسقوو]) التي تربطها ببعضها البعض. تنفصل الجسيمات في الحالة السائلة لتصبح حالة غازية. عند تبريد السائل ، تتباطأ حركة الجسيمات مما يؤدي إلى تكوين قوى جذب أقوى بين الجسيمات. تسمى هذه العملية التي يتحول فيها السائل إلى مادة صلبة بالتصلب. تسمى درجة الحرارة التي تحدث عندها هذه العملية بنقطة التجمد. قيمة درجة انصهار وتجميد مادة هي نفسها.

عندما يتم تبريد الغاز ، تفقد الجسيمات الطاقة الحركية. حركة الجسيمات تتباطأ. تتشكل قوى التجاذب بين الجسيمات والتي تبقي الجسيمات معًا في الحالة السائلة. تسمى عملية تحويل الغاز إلى سائل التكثيف. درجة الحرارة التي يتكثف عندها الغاز إلى الحالة السائلة هي نقطة الغليان.

ومع ذلك ، فإن بعض المواد لا تمر بحالة السائل عند تسخين المادة الصلبة. تتغير بعض المواد مباشرة من مادة صلبة إلى غازية والعكس صحيح. هذه العملية تسمى التسامي. ومن الأمثلة على ذلك اليود وثاني أكسيد الكربون الصلب والنفتالين.


تنص النظرية على أن نقطة الانصهار ونقطة التجمد للمادة يجب أن تكون هي نفسها. ينطبق هذا على غالبية المواد ، ولكن توجد استثناءات قليلة ، أي أن القليل من المواد لها اختلاف طفيف بين درجة التجمد ونقاط الانصهار. يمكن تبريد هذه المواد إلى ما بعد نقطة التجمد مع الاحتفاظ بشكلها السائل. ومن ثم ، فإن التبريد الفائق هو حالة لا تتصلب فيها السوائل حتى تحت درجة التجمد العادية. يمكن ملاحظة هذه الظاهرة كل يوم في الأرصاد الجوية على ارتفاعات عالية ، والسحب عبارة عن تراكم لقطرات الماء فائقة التبريد تحت نقطة التجمد.


تعريف نقطة التجمد

درجة الحرارة التي يتحول عندها السائل إلى مادة صلبة. ستكون درجة حرارة نقطة التجمد أعلى إذا زاد الضغط. قد لا يكون هذا بكمية ملحوظة بسبب تغير الحجم عند الذوبان كونه أصغر بكثير من تغيير الحجم (التمدد) عند الغليان. على سبيل المثال ، تكون نقطة تجمد المياه النقية عند الضغط الجوي القياسي (أو صفر قدم) هي 0 & # xB0C (32 & # xB0F) بينما عند 11 كم (6 أميال) فوق مستوى سطح البحر ، ستكون أعلى بمقدار 0.001 & # xB0C فقط.


محتويات

الجليد الجاف هو الشكل الصلب لثاني أكسيد الكربون (CO2) ، جزيء يتكون من ذرة كربون مفردة مرتبطة بذرتين من الأكسجين. الجليد الجاف عديم اللون والرائحة وغير قابل للاشتعال ، ويمكن أن يخفض الرقم الهيدروجيني للمحلول عند إذابته في الماء ، مكونًا حمض الكربونيك (H2كو3). [1]

عند ضغوط أقل من 5.13 ضغط جوي ودرجات حرارة أقل من -56.4 درجة مئوية (216.8 كلفن -69.5 درجة فهرنهايت) (النقطة الثلاثية) ، يكون ثاني أكسيد الكربون2 يتغير من مادة صلبة إلى غاز بدون شكل سائل متداخل ، من خلال عملية تسمى التسامي. [ملحوظة 1] تسمى العملية المعاكسة الترسيب ، حيث CO2 التغييرات من الغاز إلى الحالة الصلبة (الثلج الجاف). عند الضغط الجوي ، يحدث التسامي / الترسيب عند 194.7 كلفن (−78.5 درجة مئوية 109.2 درجة فهرنهايت). [2]

تزداد كثافة الجليد الجاف مع انخفاض درجة الحرارة وتتراوح بين حوالي 1.55 و 1.7 جم / سم 3 (97 و 106 رطل / قدم مكعب) أقل من 195 كلفن (-78 درجة مئوية -109 درجة فهرنهايت). [3] درجة الحرارة المنخفضة والتسامي المباشر للغاز يجعل الثلج الجاف مبردًا فعالًا ، لأنه أبرد من جليد الماء ولا يترك أي بقايا لأنه يتغير حالته. [4] محتواه الحراري للتسامي هو 571 كيلو جول / كجم (25.2 كيلو جول / مول).

الجليد الجاف غير قطبي ، مع عزم ثنائي القطب يساوي صفرًا ، لذلك تعمل قوى فان دير فالس بين الجزيئات الجذابة. [5] ينتج عن التركيبة توصيل حراري وكهربائي منخفض. [6]

من المقبول عمومًا أن الجليد الجاف قد لوحظ لأول مرة في عام 1835 من قبل المخترع الفرنسي أدريان جان بيير ثيلورييه (1790-1844) ، الذي نشر أول حساب للمادة. [7] [8] في تجاربه ، لوحظ أنه عند فتح غطاء أسطوانة كبيرة تحتوي على ثاني أكسيد الكربون السائل ، يتبخر معظم ثاني أكسيد الكربون السائل بسرعة. هذا ترك فقط ثلج جاف صلب في الحاوية. في عام 1924 ، تقدم Thomas B. Slate بطلب للحصول على براءة اختراع أمريكية لبيع الثلج الجاف تجاريًا. بعد ذلك ، أصبح أول من نجح في صناعة الثلج الجاف. [9] في عام 1925 ، ظهر هذا الشكل الصلب من ثاني أكسيد الكربون2 تم تسجيلها كعلامة تجارية لشركة DryIce Corporation of America باسم "Dry ice" ، مما أدى إلى اسمها الشائع. [10] في نفس العام قامت شركة DryIce ببيع المادة تجاريًا لأول مرة وتسويقها لأغراض التبريد. [9]

يتم تصنيع الثلج الجاف بسهولة. [11] [12] أولاً ، يتم إنتاج غازات ذات تركيز عالٍ من ثاني أكسيد الكربون. يمكن أن تكون هذه الغازات نتيجة ثانوية لعملية أخرى ، مثل إنتاج الأمونيا من النيتروجين والغاز الطبيعي أو أنشطة تكرير النفط أو التخمير على نطاق واسع. [12] ثانيًا ، يتم ضغط الغاز الغني بثاني أكسيد الكربون وتبريده حتى يصبح سائلًا. بعد ذلك ، يتم تقليل الضغط. عندما يحدث هذا يتبخر بعض ثاني أكسيد الكربون السائل ، مما يؤدي إلى انخفاض سريع في درجة حرارة السائل المتبقي. ونتيجة لذلك ، يتسبب البرودة الشديدة في تصلب السائل في شكل يشبه الثلج. أخيرًا ، يتم ضغط ثاني أكسيد الكربون الصلب الشبيه بالثلج إلى حبيبات صغيرة أو كتل أكبر من الجليد الجاف. [13] [14]

التحرير التجاري

الاستخدام الأكثر شيوعًا للثلج الجاف هو حفظ الطعام ، [1] باستخدام التبريد غير الدوري.

غالبًا ما يتم استخدامه لتعبئة العناصر التي يجب أن تظل باردة أو مجمدة ، مثل الآيس كريم أو العينات البيولوجية ، في حالة عدم توفر التبريد الميكانيكي أو عمليته.

يعتبر الثلج الجاف أمرًا بالغ الأهمية في نشر بعض اللقاحات ، والتي تتطلب التخزين في درجات حرارة شديدة البرودة على طول خط إمدادها. [17]

يمكن استخدام الثلج الجاف لتجميد الطعام [18] أو العينات البيولوجية المختبرية ، [19] المشروبات الكربونية ، [18] صنع الآيس كريم ، [20] تجميد انسكاب الزيت [21] وإيقاف التماثيل الجليدية والجدران الجليدية من الذوبان.

يمكن استخدام الثلج الجاف لإيقاف ومنع نشاط الحشرات في عبوات مغلقة من الحبوب ومنتجات الحبوب ، لأنه يحل محل الأكسجين ، ولكنه لا يغير طعم أو جودة الأطعمة. للسبب نفسه ، يمكن أن يمنع أو يؤخر زيوت الطعام والدهون من أن تصبح فاسدة.

عندما يتم وضع الثلج الجاف في الماء ، يتم تسريع عملية التسامي ، ويتم إنشاء سحب كثيفة منخفضة من الضباب الشبيه بالدخان. يستخدم هذا في آلات الضباب والمسارح ومناطق الجذب في المنازل المسكونة والنوادي الليلية للتأثيرات الدرامية. على عكس معظم آلات الضباب الاصطناعية ، التي يرتفع فيها الضباب مثل الدخان ، يحوم الضباب الناتج عن الجليد الجاف بالقرب من الأرض. [14] الجليد الجاف مفيد في الإنتاج المسرحي الذي يتطلب تأثيرات ضباب كثيفة. [22] ينشأ الضباب من كتلة الماء التي يوضع فيها الجليد الجاف ، وليس من بخار الماء في الغلاف الجوي (كما يُفترض عادة). [23]

يستخدم أحيانًا لتجميد وإزالة الثآليل. [24] ومع ذلك ، يؤدي النيتروجين السائل أداءً أفضل في هذا الدور ، لأنه أكثر برودة ، لذلك يتطلب وقتًا أقل للعمل ، وضغطًا أقل. [٢٥] يواجه الثلج الجاف مشاكل أقل في التخزين ، حيث يمكن أن يتولد من غاز ثاني أكسيد الكربون المضغوط حسب الحاجة. [25]

يستخدم السباكون المعدات التي تدفع ثاني أكسيد الكربون السائل المضغوط2 في سترة حول أنبوب. يتسبب الجليد الجاف المتكون في تجمد الماء ، مكونًا سدادة جليدية ، مما يسمح لهم بإجراء الإصلاحات دون إيقاف تشغيل أنابيب المياه. يمكن استخدام هذه التقنية على الأنابيب التي يصل قطرها إلى 4 بوصات (100 مم). [26]

يمكن استخدام الثلج الجاف كطُعم لاصطياد البعوض والبق والحشرات الأخرى ، نظرًا لانجذابها لثاني أكسيد الكربون. [27]

يمكن استخدامه لإبادة القوارض. يتم ذلك عن طريق إلقاء حبيبات في أنفاق القوارض في الأرض ثم إغلاق المدخل ، وبالتالي خنق الحيوانات مع تسامي الجليد الجاف. [28]

يمكن استخدام كريات الثلج الجاف الصغيرة لمكافحة الحرائق بوقود التبريد وخنق الحريق عن طريق استبعاد الأكسجين. [29]

يمكن أن تتسبب درجة الحرارة القصوى للجليد الجاف في تغيير المواد اللزجة المرنة إلى مرحلة الزجاج. وبالتالي ، فهي مفيدة لإزالة أنواع عديدة من المواد اللاصقة الحساسة للضغط.


ما هي بعض الأمثلة على تغيرات الدولة؟

تشمل تغييرات الطور التبخير ، والتكثيف ، والذوبان ، والتجميد ، والتسامي ، والترسيب.

يحدث التبخر ، وهو نوع من التبخر ، عندما تصل جزيئات السائل إلى طاقة عالية بما يكفي لترك سطح السائل وتتغير إلى حالة الغاز. مثال على التبخر هو تجفيف بركة من الماء. يجف لأن جزيئات الماء تتبخر في الغلاف الجوي.

الغليان هو نوع من التبخر السريع الذي يحدث عندما يتم تسخين جزيئات السائل إلى نقطة الغليان. تتشكل فقاعات كبيرة من الغاز في جميع أنحاء السائل وتتحرك إلى السطح ، تاركة السائل. البخار هو جزيئات الماء الغازية التي تتكون فوق الماء المغلي.

يحدث التكثف عندما تبرد الجسيمات الموجودة في الغاز بدرجة كافية (تفقد الطاقة) لتتحول إلى الحالة السائلة. مثال على التكثيف هو عندما يشكل كوب من الماء المثلج قطرات الماء على الخارج. تبرد جزيئات بخار الماء بجوار الزجاج وتتكثف في الماء السائل.

يحدث الذوبان عندما يتم تسخين مادة صلبة حتى تصل جزيئاتها إلى طاقة عالية بما يكفي للوصول إلى نقطة الانصهار ، مما يؤدي إلى تحويلها إلى الحالة السائلة. مثال على الذوبان هو تحول مكعب ثلج إلى ماء سائل عند وضعه على سطح ما أو وضعه في يدك.

يحدث التجمد عندما يتم تبريد السائل حتى تصل جزيئاته إلى طاقة منخفضة بما يكفي للوصول إلى نقطة التجمد ، مما يؤدي إلى تحويله إلى الحالة الصلبة. يحدث هذا في الماء السائل عند وضعه في الفريزر. (في الواقع ، يتم تجميد أي شيء صلب!)

يحدث التسامي عندما تتحول المادة الصلبة إلى حالة الغاز دون المرور بالحالة السائلة. اليود هو مثال لمادة تسامي ، وكذلك ثاني أكسيد الكربون الصلب (الجليد الجاف) والثلج والجليد.

يحدث الترسب عندما يتحول الغاز إلى مادة صلبة دون المرور بالحالة السائلة. تتضمن أمثلة الترسب تكوين ثلج في السحب ، وتشكيل صقيع على النوافذ والأرض ، وتفريغ # "CO" _2 # مطفأة حريق.


تغيير السائل إلى غاز يسمى التسامي التكثيف ترسيب التبخر التجميد الذوبان

س: 4. ما كتلة NaHCO3 اللازمة لإنتاج 2.659 مول من CO2؟ 2 NaHCO3 (s) → Na2CO3 (s) + H2O (ℓ) + C.

ج: رد الفعل المعطى للمعادلة موضح أدناه: 2NaHCO3 (s) → Na2CO3 (s) + H2O (ℓ) + CO2 (g) لدينا.

س: ما هو & # x27s جرامات 40.06 لترًا من الدقيق داخل الغاز عند STP

ج: معطى ، حجم الغاز = 40.06 لترًا في ظروف STP: الضغط = 1 ضغط جوي درجة الحرارة = 273 كلفن الصيغة المستخدمة.

ج: يحق لنا الإجابة على سؤال واحد في كل مرة ، لأنك لم تذكر أي سؤال لك.

س: أي مما يلي يكون صحيحًا عندما تكون المعادلة أدناه متوازنة بشكل صحيح؟ (CH3) 2NH.

ج: الإجابة: - تتم الإجابة على هذا السؤال باستخدام المفهوم البسيط لموازنة المعادلة الكيميائية أ.

س: اكتب اسم IUPAC لكل مما يلي. (في شكل مكثف إن أمكن). * حل فقط أ ، ب ، وأمبير.

ج: بالنظر إلى أ ، ب ، ج جزيئات كحول مختلفة. يتم إجراء تسمية IUPAC للكحول مع الأخذ في الاعتبار.

س: أي من العبارات التالية لتجربة معايرة التعادل صحيحة؟ 1. OBromocresol.

ج: المعايرة هي طريقة معملية للتحليل الكيميائي الكمي نموذجي لتحديد التركيز.

س: ارسم جميع المنتجات كما هو مطلوب باستخدام أي نوع مخطط. إذا كان هناك أكثر من منتج عضوي واحد ، فإن la.

ج: الإجابة: - تتم الإجابة على هذا السؤال باستخدام المفهوم البسيط للتفاعل الكيميائي للمركب العضوي.

س: ما هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة قطعة من الألومنيوم 12.7 جم (حرارة محددة.

ج: بالنظر إلى أن: كتلة الألمنيوم = 12.7 جم درجة حرارة أولية ، T1 = 23.5 درجة مئوية درجة الحرارة النهائية = 72.0 درجة.

س: أ) محلول مائي 0.10 من حمض البروبانويك ، CH3CH2COOH ، له درجة حموضة 2.93. ما هي قيمة pK.

ج: الرقم الهيدروجيني للمحلول = 2.93 تركيز حمض البروبانويك [CH3CH2COOH] = 0.10 م نحتاج لإيجاد pKa.


شاهد الفيديو: الدرس التاسع من دروس التأسيس في مادة الرياضيات (شهر اكتوبر 2021).