היתוך: ממה הוא מורכב, דוגמאות וניסוי - כִּימִיָה - 2025

היתוך הוא השינוי של המדינה מן מוצק לנוזל עבור חומר בתחום טמפרטורות. אם לחומר דרגה גבוהה של טוהר, הטווח מתאים לטמפרטורה ספציפית: נקודת ההתכה. וכשיש דרגה מסוימת של זיהומים, נקודת ההתכה מיוצגת על ידי טווח (למשל 120-122 מעלות צלזיוס).

זהו אחד התהליכים הפיזיים הנפוצים ביותר בטבע. מוצקים סופגים חום ומעלים את טמפרטורתם עד טיפות הנוזל הראשונות מתחילות להיווצר. ואז טיפות אחרות עוקבות אחר הראשונות, וכל עוד כל המוצק לא נמס הטמפרטורה שלו נשארת קבועה.

מקור: Pixabay

למה? מכיוון שכל החום נצרך כדי לייצר יותר נוזלים, במקום לחמם את האחרון. לפיכך, למוצק ולנוזל יש טמפרטורה זהה והם קיימים זה לצד זה בשיווי משקל. אם אספקת החום קבועה, שיווי המשקל בסופו של דבר עוברים להיווצרות השלמה של נוזל.

מסיבה זו, כאשר נטיפת קרח תתחיל להימס באביב, ברגע ששינוי המצב יחל, הוא לא ייגמר עד שהוא יהפוך למים נוזליים. בתמונה למעלה ניתן לראות כי אפילו גבישי קרח צפים בתוך טיפה תלויה.

קביעת נקודת ההיתוך של חומר לא ידוע היא בדיקה מצוינת לזיהויו (כל עוד אין בו הרבה זיהומים).

זה גם מגלה עד כמה האינטראקציות חזקות בין המולקולות המרכיבות את המוצק; ככל שהוא נמס בטמפרטורות גבוהות יותר, כך יהיו כוחותיו הבין-מולקולריים חזקים יותר.

מה המיזוג?

היתוך מורכב משינוי של מצב ממוצק לנוזל. למולקולות או לאטומים בנוזל אנרגיה ממוצעת גבוהה יותר כאשר הם נעים, רוטטים וסובבים במהירויות גבוהות יותר. כתוצאה מכך הדבר יוצר עלייה במרחב הבין-מולקולרי ולכן עלייה בנפח (אם כי זה לא המקרה במים).

כמו במוצק המולקולות הן בסידור קומפקטי יותר, הן חסרות חירויות בתנועתן, ויש להן אנרגיה ממוצעת נמוכה יותר. על מנת להתרחש מעבר נוזלי מוצק, על המולקולות או האטומים של המוצק לרטוט במהירויות גבוהות יותר על ידי ספיגת חום.

כאשר הוא רוטט, קבוצה של מולקולות מפרידה שנמצאות זו בזו ליצירת הטיפה הראשונה. וכך, איחוי אינו אלא התכה של המוצק הנגרם כתוצאה מהשפעת החום. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך המוצק יימס מהר יותר.

בפרט, היתוך יכול להוביל להיווצרות מנהרות ונקבוביות בתוך המוצק. ניתן להדגים זאת באמצעות ניסוי ייעודי לילדים.

נמסים של תערובות מוצקות ותחליבים

מקור: Pixabay

הגלידה

התכה מתייחסת להתכה בחום של חומר או תערובת. עם זאת, המונח שימש גם להתייחס להתכה של חומרים אחרים שאינם מסווגים בקפדנות כמוצקים: תחליבים.

הדוגמא האידיאלית היא גלידה. מדובר בתחליבים של מים קפואים (ובחלקם מגובשים), עם אוויר ושומנים (חלב, שמנת, קקאו, חמאה וכו ').

הגלידה נמסה או נמסה מכיוון שהקרח עולה על נקודת ההתכה שלה, האוויר מתחיל לברוח והנוזל בסופו של דבר גורר את שאר מרכיביו.

הכימיה של הגלידה מורכבת ביותר, והיא מייצגת נקודת עניין וסקרנות כאשר בוחנים את הגדרת האיחוי.

קרח מתוק ומלוח

ביחס לתערובות מוצקות אחרות, אי אפשר לדבר כראוי על נקודת התכה למטרות אנליטיות; כלומר, אין זה קריטריון מכריע לזיהוי חומר אחד או יותר. בתערובת, ככל שמרכיב אחד נמס, האחרים יכולים להתמוסס בשלב הנוזל, ההפך באלכסון להתמוססות.

לדוגמא, תערובת מלח קרח-סוכר-מוצקה תימס לחלוטין ברגע שהקרח יתחיל להימס. מכיוון שהסוכר והמלח מסיסים מאוד במים, זה ימיס אותם, אך אין זה אומר שהסוכר והמלח נמסו.

דוגמאות

במטבח

כמה דוגמאות נפוצות לאיחוי ניתן למצוא בתוך המטבח. כפתורים, שוקולדים, מסטיקים וממתקים אחרים נמסים אם הם מקבלים חום ישיר מהשמש, או אם הם סגורים בחללים חמים. כמה סוכריות, כמו מרשמלו, מומסים בכוונה לטובת ההנאה הטובה ביותר מטעמם.

מתכונים רבים מציינים כי תחילה יש להמיס מרכיב אחד או יותר לפני ההוספה. גבינות, שומנים ודבש (צמיגיים מאוד) נמנים גם הם עם המרכיבים הללו.

בקישוטים

כדי לקשט חללים וחפצים מסוימים משתמשים במתכות, זכוכית וקרמיקה בעיצובים שונים. קישוטים אלה ניתן לראות במרפסת של בניין, בזכוכית ובפסיפס של כמה קירות, או בפריטים למכירה בתוך התכשיטנים.

כולם מורכבים מחומרים שנמסים בטמפרטורות גבוהות מאוד, ולכן עליהם להמיס או להתרכך קודם כדי לעבוד אותם ולתת להם את הצורות הרצויות.

כאן פועלים ברזל ליבון, כמו שעושים נפחים בייצור כלי נשק, כלים וחפצים אחרים. באופן דומה, היתוך מאפשר השגת סגסוגות על ידי ריתוך של שתי מתכות או יותר בפרופורציות המוניות שונות.

מזכוכית מותכת ניתן ליצור דמויות דקורטיביות כמו סוסים, ברבורים, גברים ונשים, מזכרות לטייל וכו '.

בטבע

הדוגמאות העיקריות להתכה בטבע ניתן לראות בהתמוססות של קרחונים; בלבה, תערובת של סלעים שנמסו על ידי החום העז בתוך הרי הגעש; ובקרום כדור הארץ, שם שולטת נוכחותן של מתכות נוזליות, בעיקר ברזל.

נקודות התכה של החומרים הנפוצים ביותר

להלן רשימה של חומרים נפוצים עם נקודות התכה שלהם.

-Ice, 0ºC

-פרפין, 65.6 מעלות צלזיוס

-שוקולד, 15.6-36.1 מעלות צלזיוס (שימו לב שזה טווח טמפרטורות, מכיוון שיש שוקולדים שנמסים בטמפרטורות נמוכות או גבוהות יותר)

חומצה פלמיטית, 63 מעלות צלזיוס

-גר, 85 מעלות צלזיוס

-זרחן, 44 מעלות צלזיוס

אלומיניום, 658 מעלות צלזיוס

סידן, 851ºC

-גולד, 1083 מעלות צלזיוס

נחושת, 1083 מעלות צלזיוס

-ירון, 1530 מעלות צלזיוס

–מרקורי -39 מעלות צלזיוס (הוא נוזלי בטמפרטורת החדר)

-מתאן גז, -182ºC

-אתנול, -117 מעלות צלזיוס

-גרפיט פחמן, 4073 מעלות צלזיוס

-פחם דיאמונד, 4096 מעלות צלזיוס

כפי שניתן לראות, בדרך כלל יש מתכות, בגלל קשריהן מתכתי, עם נקודות ההיתוך הגבוהות ביותר. עם זאת, פחמן עולה עליהם למרות שיש להם קשרים קוולנטיים, אך עם סידורים מולקולריים יציבים מאוד.

מולקולות קטנות ואפוטריות, כמו גז מתאן ואתנול, אינן מתקשרות מספיק חזק בכדי להישאר יציבות בטמפרטורת החדר.

מהיתר ניתן להסיק על חוזק האינטראקציות הבין-מולקולריות בתוך המוצק על ידי מדידת נקודת ההיתוך שלו. מוצק העמיד טמפרטורות חותכות חייב להיות בעל מבנה יציב מאוד.

באופן כללי, מוצקים קוולנטיים לא קוטביים הם בעלי נקודות התכה נמוכות יותר מאשר מוצקים קוולנטים קוטלים קוטביים.

ניסוי כדי להסביר היתוך לילדים ומתבגרים

כיפות קרח צבעוניות

זה אולי אחד הניסויים האמנותיים והפשוטים ביותר להסביר היתוך לילדים. אתה צריך:

-כמה צלחות, באופן שכאשר המים קופאים בהן הם יוצרים כיפות

-מגש גדול כדי להבטיח משטח בו קרח יכול להמיס מבלי לגרום הרס

-מלח (עשוי להיות הזול ביותר בשוק)

-צביעה צבעונית וטיפה או כף להוסיף אותם

לאחר השגת כיפות הקרח והונחו על המגש, מוסיפה כמות קטנה יחסית של מלח על פני השטח. עצם מגע המלח עם הקרח יגרום לנהרות מים שירטיבו את המגש.

הסיבה לכך היא שלקרח יש זיקה גבוהה למלח, ומתרחש פיתרון שנקודת ההתכה שלו נמוכה מזו של הקרח.

לאחר מכן מתווספות לכוסות כמה טיפות של צבעי מאכל. הצבע יחדור למנהרות הכיפה וכל נקבוביותיה, כתוצאות ראשונות של התכה שלה. התוצאה היא קרנבל של צבעים שנלכדו בתוך הקרח.

לבסוף, הצבעוניות תתערבב במים במגש ותעניק מחזה ויזואלי נוסף לצופים הקטנים.

ארון תרמי

בתוך ארון מבוקר טמפרטורה ניתן להציב מספר חומרים במיכלים עמידים בחום. מטרת ניסוי זה להראות לבני נוער שלכל חומר יש נקודת התכה משלו.

באילו חומרים ניתן לבחור? באופן הגיוני, לא מתכות ולא מלחים יכולים להיכנס לארון, מכיוון שהם נמסים בטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס (הארון יימס).

לכן, מרשימת החומרים ניתן לבחור את אלה שאינם עולים על 100 מעלות צלזיוס, למשל: כספית (בהנחה שניתן לקרר את הארון מתחת ל -40 מעלות צלזיוס), קרח, שוקולד, פרפין וחומצה פלמיטית.

בני נוער (וגם ילדים) היו צופים בכספית הופכת לנוזל שחור מתכתי; ואז התכה של הקרח הלבן, חטיפי השוקולד, החומצה הפלמיטית ולבסוף נר הפרפין.

כדי להסביר מדוע פרפין נמס בטמפרטורות גבוהות יותר משוקולד, יהיה צורך לנתח את המבנים שלו.

אם גם פרפין וגם חומצה פלמיטית הם תרכובות אורגניות, הראשונה צריכה להיות מורכבת ממולקולה כבדה יותר, או ממולקולה קוטבית יותר (או שניהם בו זמנית). מתן הסבר על תצפיות מסוג זה יכול להותיר כשיעורי בית לתלמידים.

הפניות

1. Van't Hul J. (24 ביולי 2012). התכה ניסוי במדע הקרח עם צבעי מים ונוזלים. התאושש מ: artfulparent.com
2. טובין, דקלן. (2018). עובדות מהנות על נקודת התכה לילדים. מדע קל לילדים. התאושש מ: easyscienceforkids.com
3. שרה. (2015, 11 ביוני). ניסוי מדעי פשוט לילדים: מה נמס בשמש? כיף פרוגלי לבנים ולבנות. התאושש מ: frugalfun4boys.com
4. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.
5. h2g2. (03 באוקטובר 2017). נקודות התכה של כמה חומרים שכיחים. התאושש מ: h2g2.com
6. האוניברסיטה הפתוחה. (2006-08-03). נקודות התכה. התאושש מ: open.edu
7. לומן, כימיה לא-מגנים. (sf). נקודת המסה. התאושש מ: Courses.lumenlearning.com
8. גילספי, קלייר. (13 באפריל 2018). אילו גורמים משפיעים על נקודת ההתכה? מדע. התאושש מ: sciencing.com