الحالة السائلة

السوائل لها حجم ثابت وشكل الوعاء — الجزيئات قريبة لكنها تتحرك. الخصائص تعتمد على قوى التجاذب: روابط هيدروجينية، ثنائية القطب، لندن.

التبخر: انتقال جزيئات ذات طاقة كافية من سطح السائل إلى الغاز.

التكاثف: تحول البخار إلى سائل عند السطح أو في الفراغ فوق السائل.

منحنى الطاقة: التبخر كالهروب من حفلة: فقط من لديهم طاقة كافية يغادرون السطح.

البنية والسلوك: قوى تجاذب أقوى ⇒ طاقة تبخر أعلى ⇒ تبخر أبطأ وضغط بخاري أقل.

1. الخصائص الفيزيائية للسوائل: ترتبط جزيئات السوائل بقوى تجاذب معينة تؤثر في خصائصها؛ فالرابطة الهيدروجينية تنشأ بين الجزيئات القطبية التي تحتوي ذرة هيدروجين مرتبطة بإحدى الذرات (F, O, N)، وهي أقوى أنواع قوى التجاذب.
2. والجزيئات القطبية الأخرى تترابط بقوى ثنائية القطب، وهي أقل قوة من الرابطة الهيدروجينية. أما الجزيئات غير القطبية فتترابط بقوى لندن، وهي أضعف أنواع الترابط، وتزداد قوتها بزيادة الكتلة المولية.
3. ولأن جزيئات السائل في حركة مستمرة وعشوائية كالغازات تُسمى السوائل والغازات بالموائع؛ والمائع هو المادة التي لها القدرة على الجريان أو الانسياب، وتأخذ شكل الإناء الموجودة فيه.

الشكل (16): توزيع الطاقة الحركية لجزيئات السائل عند درجة حرارة معينة. تمثل الرموز على المحور الأفقي (الطاقة الحركية):

• $X$: الطاقة الحركية التي يمتلكها أكبر عدد من جزيئات السائل.
• $Z$: متوسط الطاقة الحركية للجزيئات.
• $E$: الحد الأدنى من الطاقة الحركية اللازمة للتغلب على قوى التجاذب بين جزيئات السائل.

أما المنطقة المظللة (يمين $E$) فتمثل نسبة الجزيئات التي تمتلك طاقة كافية للتبخر. وتنتج هذه الطاقة عن التصادمات المستمرة بين الجزيئات؛ فتفقد بعضها طاقة وتكتسب أخرى طاقة حركية تصبح كافية للتغلب على قوى التجاذب فتفلت من سطح السائل. وهذا ما يفسر حدوث التبخر عند أي درجة حرارة.

العوامل المؤثرة في سرعة التبخر (الجدول 1): تختلف السوائل في سرعة تبخرها عند ثبات درجة الحرارة اعتماداً على نوع قوى التجاذب بين جزيئاتها:

فجزيئات الإيثانول تترابط بروابط هيدروجينية قوية نسبياً مقارنة بقوى ثنائية القطب بين جزيئات الأسيتون؛ لذلك يكون الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتبخر الأسيتون أقل فيتبخر أسرع، أي كلما كانت قوى التجاذب أقوى كان الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتبخر أكبر وسرعة التبخر أقل.

1. أثر درجة الحرارة (الشكل 17): عند مقارنة منحنيي توزيع الطاقة الحركية لجزيئات السائل عند درجتي حرارة $T_1$ و $T_2$ حيث $T_2 > T_1$، لا يعتمد الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتبخر $E$ على درجة الحرارة، لكن المساحة المظللة تحت المنحنى (عدد الجزيئات التي تمتلك طاقة $\ge E$) عند $T_2$ أكبر منها عند $T_1$.
2. تفسير ذلك: زيادة درجة الحرارة تزيد من متوسط الطاقة الحركية للجزيئات $Z$ وتزيد عدد التصادمات بينها، فيزداد عدد الجزيئات التي تمتلك الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتبخر وتزداد سرعة التبخر.

طاقة التبخر المولية: كمية الطاقة اللازمة لتحويل مول واحد من المادة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية عند درجة حرارة معينة. وتُمثَّل عملية تبخر مول من الماء بالمعادلة: $H_2O_{(l)} + 40.7\ kJ/mol \rightleftharpoons H_2O_{(g)}$

طاقة التبخر المولية لعدد من السوائل عند درجة الغليان (الجدول 2):

نلاحظ تزايد طاقة التبخر المولية للسائل بزيادة قوى التجاذب بين جزيئاته.

توقف ثانية: لماذا يتبخر الإيثانول أبطأ من الأسيتون رغم تشابه الكتلة؟

خصائص السائل تظهر من قوة التجاذب بين جسيماته؛ فكلما ازدادت قوى التجاذب ازدادت اللزوجة والتوتر السطحي غالباً، واحتاجت الجسيمات إلى طاقة أكبر للانفلات إلى الحالة الغازية.

تسميع سريع: سمّع لنفسك العلاقة: قوى تجاذب أقوى تعني طاقة تبخر أكبر، ضغطاً بخارياً أقل، ودرجة غليان أعلى.

التكاثف: - عملية تحول المادة من الحالة الغازية إلى الحالة السائلة، وتحدث عندما تنخفض درجة حرارة البخار فتقل الطاقة الحركية لجزيئاته وتقل سرعتها، وعندما تتقارب للحد الكافي تتجاذب متحولة إلى الحالة السائلة.

• وينجم عن عملية التكاثف تحرر كمية من الطاقة مساوية لكمية الطاقة الممتصة عند التبخر؛ وتُسمى طاقة التكاثف المولية، ويُعبَّر عن تكاثف مول من بخار الماء بالمعادلة: $H_2O_{(g)} \rightleftharpoons H_2O_{(l)} + 40.7\ kJ/mol$ فطاقة التبخر المولية للماء تساوي طاقة تكاثفه المولية؛ عملية التبخر ماصة للطاقة وعملية التكاثف طاردة لها.

أفكر: بالاستعانة بمنحنى تسخين الماء (درجة الحرارة مقابل الزمن): الحروق الناجمة عن بخار الماء أشد من تلك الناجمة عن الماء الساخن عند 100 °C. أفسّر ذلك.

1. الضغط البخاري (الشكل 18 – الاتزان الديناميكي بين السائل وبخاره): عند وضع سائل في وعاء مكشوف فإنه يستمر بالتبخر، أما في وعاء مغلق فيبدأ بالتبخر بحيث تفلت من سطحه الجزيئات ذات الطاقة الحركية العالية.
2. وبمرور الوقت يزداد عدد جزيئات بخار السائل داخل الوعاء، وتزداد تصادماتها مع بعضها ومع جدار الوعاء وسطح السائل، وتفقد بعض الجزيئات جزءاً من طاقتها الحركية خلال تلك التصادمات فتتكاثف.
3. وبمرور الوقت يصبح عدد الجزيئات المتبخرة خلال وحدة الزمن مساوياً لعدد الجزيئات المتكاثفة؛ أي أن سرعة التبخر تساوي سرعة التكاثف، ويوصف هذا الوضع بأنه حالة اتزان ديناميكي يثبت عندها ضغط بخار السائل مع استمرار عمليتي التبخر والتكاثف بالسرعة نفسها.
4. ويُسمى الضغط الناجم عن جزيئات بخار السائل والمؤثر في سطحه عند الاتزان عند درجة حرارة معينة الضغط البخاري للسائل.

في وعاء مغلق: عند التوازن سرعة التبخر = سرعة التكاثف ⇒ ضغط بخاري ثابت يعتمد على نوع السائل وT فقط.

1. أثر قوى التجاذب في الضغط البخاري (الجدول 3): يتأثر الضغط البخاري للسائل بدرجة الحرارة وقوى التجاذب بين جزيئاته.
2. فكلما ازدادت درجة الحرارة ازداد الضغط البخاري للسائل (الشكل 19 يبين تغير الضغط البخاري مع درجة الحرارة لأربعة سوائل: البنتان $C_5H_{12}$ وثلاثي كلورو ميثان $CHCl_3$ والميثانول $CH_3OH$ والماء $H_2O$).
3. وكلما كانت قوى التجاذب بين جزيئات السائل أقوى قل ضغطه البخاري:

فالماء الذي تترابط جزيئاته بروابط هيدروجينية قوية له أقل ضغط بخاري، وبالرغم من أن الكتلة المولية للميثانول أعلى منها للماء إلا أن عدد الروابط الهيدروجينية التي يصنعها الميثانول أقل منها للماء؛ لذلك فضغطه البخاري أعلى، يليه ثلاثي كلورو ميثان الذي تترابط جزيئاته بقوى ثنائية القطب، ثم البنتان الذي تترابط جزيئاته بقوى لندن الضعيفة وله أعلى ضغط بخاري.

درجة الغليان: عندما يصبح ضغط البخار = الضغط الجوي (760 mmHg) يغلي السائل — درجة الغليان المعيارية.

1. درجة الغليان والضغط الخارجي (الجدول 4): تزداد الطاقة الحركية لجزيئات السائل عند تسخينه، وعندما تصبح الطاقة التي تمتلكها الجزيئات في أجزاء السائل جميعها كافية لتبخره يبدأ السائل بالغليان، وتتكون فقاعات كثيرة في جميع أجزائه ترتفع إلى سطحه وتتطاير؛ عندئذ يكون ضغطه البخاري مساوياً للضغط الخارجي المؤثر على سطحه.
2. ويمكن جعل السائل يغلي عند أي درجة حرارة من خلال التحكم في الضغط المؤثر في سطحه:

فمثلاً، عندما يكون الضغط الخارجي المؤثر على سطح الماء $17.5\ mmHg$ فإنه يغلي عند $20\ ^\circ C$. أما درجة الحرارة التي يصبح عندها الضغط البخاري للسائل مساوياً للضغط الجوي ($1\ atm = 760\ mmHg$) فتُسمى درجة الغليان المعيارية، وتعتمد على قوى التجاذب بين جزيئات السائل وتزداد بزيادتها.

على ارتفاع: الضغط الجوي أقل ⇒ يغلي الماء أقل من 100°C. في أعماق: ضغط أعلى ⇒ غليان أعلى.

منحنى P-T: اقرأ منحنى الضغط البخاري مقابل T: تقاطع 760 mmHg يعطي نقطة الغليان المعيارية.

تبخر vs غليان: لا تخلط التبخر (عند أي T من السطح) مع الغليان (عند Pbخاري = Pخارجي).

توازن ديناميكي: عند التوازن: معدل التبخر = معدل التكاثف — لا يعني توقف الجزيئات.

الربط بالحياة: أواني الضغط: تُستخدم أواني الضغط للعمل على إنضاج الطعام بسرعة؛ وذلك لأن ارتفاع ضغط البخار داخلها يؤدي إلى رفع درجة غليان الماء عن $100\ ^\circ C$، فينضج الطعام خلال زمن أقل. وحتى لا يحدث انفجار بسبب زيادة الضغط يوجد صمام يسمح بخروج بعض البخار مما يقلل الضغط داخلها.

أفكر: أحدّد أيّ السائلين $NH_3$ أم $HF$ له أعلى درجة غليان، مع التفسير بنوع قوى التجاذب.

توقف ثانية: لماذا يغلي الماء في الأغوار أقل من 100°C؟

الضغط البخاري هو ضغط بخار السائل عند الاتزان بين التبخر والتكاثف. يغلي السائل عندما يتساوى ضغطه البخاري مع الضغط الخارجي، لذلك تؤثر قوة التجاذب والضغط الخارجي في درجة الغليان.

الهدف: مقارنة سرعة تبخر سوائل مختلفة (مثل إيثانول وثنائي إيثيل إيثر) عند نفس T.

1. المواد والأدوات: كحول الإيثانول، ثنائي إيثيل إيثر، مخبار مدرج (10 mL)، أنابيب اختبار (4)، كأس زجاجية تحوي (100 mL) ماء درجة حرارته 40 °C، كأس زجاجية تحوي (100 mL) ماء درجة حرارته 15 °C، حامل أنابيب اختبار، ماسك أنابيب اختبار.
2. إرشادات السلامة: اتباع إرشادات السلامة العامة، وارتداء معطف المختبر والنظارات الواقية والقفازات، والحذر من استنشاق المواد العضوية على نحو مباشر.

خطوات العمل:

1. قياس $10\ mL$ من الإيثانول بالمخبار المدرج ووضعها في أنبوب الاختبار (1)، وكذلك في الأنبوب (2)، وتكرار ذلك بالنسبة إلى ثنائي إيثيل إيثر في الأنبوبين (3) و(4).
2. وضع الأنبوبين (1) و(3) في الكأس الزجاجية التي درجة حرارة الماء فيها $15\ ^\circ C$ وتركهما مدة $5\ min$.
3. قياس كمية السائل المتبقية في كل أنبوب باستخدام المخبار المدرج وتسجيلها.
4. تكرار الخطوتين (2) و(3) باستخدام الأنبوبين (2) و(4) في الكأس التي درجة حرارة الماء فيها $40\ ^\circ C$.
5. تنظيم البيانات: تسجيل الكميات المتبقية من كل سائل.

التحليل والاستنتاج: مقارنة الكمية المتبقية من السائل نفسه في الحالتين، وتحديد أي السائلين أسرع تبخراً، وتحديد نوع قوى التجاذب بين جزيئات كل سائل، وتفسير اختلاف السائلين في سرعة تبخرهما عند درجة الحرارة نفسها، واستنتاج العلاقة بين درجة الحرارة وسرعة تبخر السائل.

الاستنتاج: السائل ذو قوى تجاذب أضعف (حد أدنى طاقة أقل للتبخر) يتبخر أسرع. T أعلى ⇒ توزيع طاقة أوسع ⇒ تبخر أسرع.

أتحقق: رتّب $CH_3CH_3$, $CH_3OH$, $CH_3Cl$ تصاعدياً في سرعة التبخر حسب قوى التجاذب.

توقف ثانية: أي المركبين A و B له قوى تجاذب أقوى إذا تبخر A أسرع عند 25°C؟

مراجعة الدرس

• فسر: يأخذ السائل شكل الإناء الذي يوضع فيه، لكن حجمه يظل ثابتاً؟
• وضّح المقصود بكل من: الضغط البخاري، ودرجة الغليان المعيارية؟
• فسر: يغلي الماء في الأغوار على درجة حرارة أكثر قليلاً من $100°C$؟
• سائل في وعاء مغلق ضغطه البخاري ثابت؛ ما العلاقة بين سرعة تبخره وسرعة تكاثف بخاره؟
• يتبخر المركب $A$ بسرعة أكبر من المركب $B$ عند $25°C$. أي المركبين قوى التجاذب بين جزيئاته أكبر؟ وأيهما ضغطه البخاري ودرجة غليانه أكبر؟
• من منحنى الضغط البخاري في مراجعة الدرس: كيف تحدد ضغط $CCl_4$ عند $60°C$ ودرجة الغليان المعيارية للهكسان؟
• رتّب سرعة تبخر الهكسان و$CCl_4$ وحمض الإيثانويك من منحنى الضغط البخاري؟

صوّر هذا الجدول وسمِّعه: