התמצקות: נקודת מיצוק ודוגמאות - כִּימִיָה - 2025

המיצוק הוא נוזל אשר עובר שינוי כאשר זה עובר לשלב המוצק. הנוזל יכול להיות חומר טהור או תערובת. באופן דומה, השינוי עשוי לנבוע מירידה בטמפרטורה או כתוצאה מתגובה כימית.

כיצד ניתן להסביר תופעה זו? מבחינה ויזואלית הנוזל מתחיל להיות מאובן או מתקשה, עד כדי שהוא מפסיק לזרום בחופשיות. עם זאת, ההתמצקות מורכבת למעשה מסדרת צעדים המתרחשים במאזניים מיקרוסקופיים.

מקור: Pixabay

דוגמה להתמצקות היא בועה נוזלית שקופאת. בתמונה למעלה תוכלו לראות כיצד בועה קופאת ממגע עם שלג. מה החלק של הבועה שמתחילה להתמצק? זה שנמצא בקשר ישיר עם השלג. השלג עובד כתומך עליו יכולות מולקולות הבועה להתיישב.

התמצקות מופעלת במהירות מתחתית הבועה. ניתן לראות זאת ב"אורנים מזוגגים "המשתרעים לכיסוי כל המשטח. האורנים הללו משקפים את צמיחתם של גבישים, שהם לא יותר מאשר סידורים מסודרים וסימטריים של מולקולות.

כדי שהתמצקות תתרחש יש צורך להסדיר את חלקיקי הנוזל בצורה כזו שהם יוצרים אינטראקציה זה עם זה. אינטראקציות אלה מתחזקות ככל שהטמפרטורה יורדת, וזה משפיע על הקינטיקה המולקולרית; כלומר הם מאטים והופכים לחלק מהגביש.

תהליך זה מכונה התגבשות, ונוכחותו של גרעין (אגרגטים קטנים של חלקיקים) ותומך מאיצה תהליך זה. לאחר שהנוזל התגבש, נאמר שהוא התמצק או הוקפא.

אנטלפיה של מיצוק

לא כל החומרים מתמצקים באותה טמפרטורה (או באותה טיפול). חלקם אפילו "קופאים" מעל טמפרטורת החדר, כמו מוצקים בעלי היתוך גבוה. זה תלוי בסוג החלקיקים המרכיבים את המוצק או הנוזל.

במוצק הם מתקיימים אינטראקציה חזקה ונשארים רוטטים במיקומים קבועים בחלל, ללא חופש תנועה ועם נפח מוגדר, ואילו בנוזל יש להם יכולת לנוע כשכבות רבות העוברות זו על זו, כובשות את עוצמת הקול מיכל שמכיל אותו.

המוצק דורש אנרגיה תרמית כדי לעבור לשלב הנוזל; במילים אחרות, הוא זקוק לחום. הוא מקבל חום מסביבתו, והכמות הקטנה ביותר שהוא סופג כדי לייצר את טיפת הנוזל הראשונה מכונה חום איחוי סמוי (ΔHf).

מצד שני, הנוזל צריך לשחרר חום לסביבתו על מנת להזמין את המולקולות שלו ולהתגבש לשלב המוצק. החום שמשוחרר הוא אז החום הסמוי של התמצקות או הקפאה (ΔHc). שניהם ΔHf ו- ΔHc שווים בעוצמתם אך עם כיוונים הפוכים; לראשון יש סימן חיובי, והשני סימן שלילי.

מדוע הטמפרטורה נשארת קבועה להתמצקות?

בשלב מסוים הנוזל מתחיל להקפיא, והמדחום קורא טמפרטורה T. כל עוד הנוזל לא התמצק לחלוטין, T נשאר קבוע. מכיוון של- Hc סימן שלילי, הוא מורכב מתהליך אקזוטי שמשחרר חום.

לכן המדחום יקרא את החום שמפלט הנוזל במהלך שינוי פאזותיו, כנגד נפילת הטמפרטורה שהוטלה. לדוגמה, אם הכלי המכיל את הנוזל מוכנס לאמבטיית קרח. לפיכך, T לא פוחתת עד שההמצקה הושלמה לחלוטין.

אילו יחידות מלוות את מדידות החום הללו? בדרך כלל kJ / mol או J / g. אלה מתפרשים באופן הבא: kJ או J הם כמות החום הנדרשת על ידי 1 מול נוזל או 1 גרם בכדי להיות מסוגלים להתקרר או להתמצק.

במקרה של מים, למשל, ΔHc שווה ל 6.02 kJ / mol. כלומר, 1 מול מים טהורים זקוקים לוותר על 6.02 ק"ג חום על מנת להקפיא. החום הזה הוא זה ששומר על הטמפרטורה קבועה בתהליך. באופן דומה, שומה של קרח צריכה לספוג 6.02 ק"ג חום כדי להמיס.

נקודת מיצוק

הטמפרטורה המדויקת בה מתרחש התהליך נקראת נקודת ההתמצקות (Tc). זה משתנה בכל החומרים, תלוי עד כמה האינטראקציות הבין-מולקולריות שלהם חזקות במוצק.

טוהר הוא גם משתנה חשוב, שכן מוצק טמא אינו מתמצק באותה טמפרטורה כמו אחד טהור. זה ידוע כהורדת נקודת ההקפאה. כדי להשוות בין נקודות התמצקות של חומר יש צורך להשתמש כהפניה לזו שהיא טהורה ככל האפשר.

עם זאת, לא ניתן להחיל את אותו הדבר על פתרונות, כמו במקרה של סגסוגות מתכת. כדי להשוות בין נקודות המיצוק שלהם, יש לקחת בחשבון תערובות בעלות פרופורציות מסתיות שוות; כלומר עם ריכוזים זהים של רכיביה.

בהחלט, נקודת ההתמצקות היא בעלת עניין מדעי וטכנולוגי רב בכל הקשור לסגסוגות וסוגים אחרים של חומרים. הסיבה לכך היא שבאמצעות שליטת השעה ואופן קירורם ניתן להשיג כמה תכונות פיזיקליות רצויות או להימנע מאלו שאינם מתאימים ליישום נתון.

מסיבה זו ההבנה והלימוד של מושג זה הם בעלי חשיבות רבה במתכות ומינרלוגיה, כמו גם בכל מדע אחר הראוי לייצור ואפיון של חומר.

מיצוק ונקודת התכה

תיאורטית Tc צריכה להיות שווה לטמפרטורה או לנקודת ההתכה (Tf). עם זאת, זה לא תמיד נכון לכל החומרים. הסיבה העיקרית היא מכיוון שמבט ראשון קל יותר להתעסק במולקולות המוצקות מאשר להזמין את הנוזלים.

מכאן שעדיף בפועל להשתמש ב- Tf למדידה איכותית של טוהר התרכובת. לדוגמה, אם לתרכובת X יש זיהומים רבים, ה- Tf שלו יהיה רחוק יותר מזה של X טהור לעומת אחד עם טוהר גבוה יותר.

סדר מולקולרי

כאמור עד כה, ההתמצקות ממשיכה להתגבשות. ישנם חומרים, בהתחשב באופי המולקולות שלהם ובאינטראקציה ביניהם, דורשים טמפרטורות נמוכות מאוד ולחצים גבוהים כדי להיות מסוגלים להתמצק.

לדוגמא, חנקן נוזלי מתקבל בטמפרטורות הנמוכות -196 מעלות צלזיוס. כדי להתמצק אותו, יהיה צורך לקרר אותו עוד יותר, או להגביר את הלחץ עליו, ובכך לאלץ את מולקולות ה- N ₂ להתאגד יחד ליצירת גרעיני התגבשות.

אותו הדבר יכול להיחשב בגזים אחרים: חמצן, ארגון, פלואור, ניאון, הליום; ולגבי הקיצון מכולם, מימן, שהשלב המוצק שלו עורר עניין רב בשל תכונותיו חסרות התקדים.

מצד שני, המקרה הידוע ביותר הוא קרח יבש, שאינו אלא CO _2, שהאדים הלבנים שלו נובעים מהסובלימציה שלו בלחץ האטמוספרי. אלה שימשו לשחזור אובך על הבמה.

לתרכובת להתמצקות זה לא תלוי רק ב- Tc, אלא גם בלחץ ומשתנים אחרים. ככל שהמולקולות קטנות יותר (H ₂ ) וככל שהאינטראקציה שלהן חלשה יותר, כך יהיה קשה יותר להגיע למצב המוצק.

קירור-על

הנוזל, בין אם זה חומר או תערובת, יתחיל להקפיא בטמפרטורה בנקודת ההתמצקות. עם זאת, בתנאים מסוימים (כגון טוהר גבוה, זמן קירור איטי או סביבה אנרגטית מאוד) הנוזל יכול לסבול טמפרטורות נמוכות יותר ללא הקפאה. זה נקרא קירור-על.

עדיין אין הסבר מוחלט לתופעה, אך התיאוריה תומכת בכך שכל אותם המשתנים המונעים את צמיחת גרעיני ההתגבשות מעודדים את קירור העל.

למה? מכיוון מהגרעינים נוצרים גבישים גדולים לאחר הוספת מולקולות מהסביבה אליהם. אם תהליך זה מוגבל, גם אם הטמפרטורה מתחת לטק, הנוזל יישאר ללא שינוי, כמו שקורה בטיפות הזעירות המרכיבות את העננים בשמיים.

כל הנוזלים הקוררים העל הם גרועים, כלומר הם רגישים להפרעה חיצונית קלה ביותר. לדוגמה, אם תוסיף להם חתיכת קרח קטנה, או תנער אותם מעט, הם יקפאו מייד, וזה ניסוי מהנה וקל לעשות זאת.

דוגמאות להתמצקות

למרות שהוא אינו מוצק עצמו, ג'לטין הוא דוגמא לתהליך מיצוק על ידי קירור.

-זכוכית מתוססת משמשת ליצירה ועיצוב של חפצים רבים, אשר לאחר הקירור, שומרים על צורותיהם הסופיות.

-כפי שהבועה קפאה במגע עם שלג, בקבוק סודה יכול לעבור את אותו התהליך; ואם זה מקורר-על, הקפאתו תהיה מיידית.

- כאשר הלבה יוצאת מהרי הגעש המכסים את שוליהם או משטח האדמה, היא מתמצקת כאשר היא מאבדת טמפרטורה, עד שהיא הופכת לסלעים דלקתיים.

-גושים ועוגות מתמצקים עם עליית הטמפרטורה. באופן דומה, רירית האף עושה זאת אך בגלל התייבשות. דוגמא נוספת ניתן למצוא גם בצבע או בדבקים.

עם זאת, יש לציין כי התמצקות אינה מתרחשת במקרים האחרונים כתוצר של קירור. לכן, העובדה שנוזל מתמצק אין פירושו בהכרח שהוא קופא (הוא לא מוריד את הטמפרטורה שלו בצורה ניכרת); אבל כשנוזל קופא, הוא מתמצק.

אחרים:

- המרת מים לקרח: זה מתרחש ב 0 מעלות צלזיוס ומייצר קוביות קרח, שלג או קרחון.

- שעוות הנרות שנמסות עם הלהבה ומתמצקות שוב.

- הקפאת מזון לשימורו: במקרה זה מולקולות המים קפואות בתאי בשר או ירקות.

- ניפוח זכוכית: זה נמס כדי לתת לו צורה ואז מתמצק.

- ייצור גלידות: בדרך כלל הן חלביות שמתמצקות.

- בהשגת קרמל שהוא מומס וממוצק סוכר.

- חמאה ומרגרינה הן חומצות שומן במצב מוצק.

- מטלורגיה: בייצור מטילים או קורות או מבנים של מתכות מסוימות.

- מלט הוא תערובת של אבן גיר וחימר, שכאשר היא מעורבת במים, היא בעלת תכונה של התקשות.

- בייצור שוקולד, אבקת קקאו מעורבת במים ובחלב, אשר כאשר מיובשים, מתמצק.

הפניות

1. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE, עמ '448, 467.
2. ויקיפדיה. (2018). קְפִיאָה. נלקח מ: en.wikipedia.org
3. לורן א. יעקובסון. (16 במאי 2008). התמצקות. . נלקח מ: infohost.nmt.edu/
4. היתוך והתמצקות. נלקח מ: juntadeandalucia.es
5. ד"ר קרטר. התמצקות להמסה. נלקח מ: itc.gsw.edu/
6. הסבר ניסיוני לקירור-על: מדוע מים לא קופאים בעננים. נלקח מ: esrf.eu
7. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (22 ביוני 2018). הגדרת מיצוק ודוגמאות. נלקח מ: thoughtco.com