الحالة السائلة

• قوى التجاذب تربط جزيئات الحالتين السائلة والصلبة، وكذلك ذرات الغازات النبيلة، وتؤثر في خصائصها الفيزيائية.
• الرابطة الهيدروجينية تنشأ بين الجزيئات القطبية التي تحتوي ذرة هيدروجين مرتبطة تساهميًا بإحدى الذرات ⁦(F, O, N)⁩، فترتبط بذرة ⁦(F, O, N)⁩ من جزيء آخر.
• وهي أقوى أنواع قوى التجاذب بين الجزيئات، أنظر الشكل (9).

• قوى ثنائية القطب تربط الجزيئات القطبية الأخرى؛ تنشأ حين ترتبط ذرة بشحنة جزئية موجبة في جزيء بذرة بشحنة جزئية سالبة من جزيء آخر.
• وهي أقل قوة من الرابطة الهيدروجينية.
• قوى لندن تربط الجزيئات غير القطبية؛ تنشأ عن الاستقطاب اللحظي للذرات أو الجزيئات.
• وهي أضعف أنواع قوى الترابط بين الجزيئات، وتزداد قوتها بزيادة الكتلة المولية.

أرتّب أنواع قوى التجاذب بين الجزيئات من الأقوى إلى الأضعف.

وكيف تحدد هذه القوى سلوك السائل؟

حجم ثابت وشكل متغيّر: ما سرّ السائل؟

• السائل مادة ذات حجم ثابت، وتأخذ شكل الإناء الذي توضع فيه.
• جزيئاته في حركة مستمرة وعشوائية كالغازات.
• قوى التجاذب بين جزيئاته ضعيفة نسبيًا، تجعلها أكثر تقاربًا، وطاقتها الحركية أقل من جسيمات الغاز.
• هذا التقارب يجعل السائل غير قابل للانضغاط، وكثافته أكبر من كثافة الغازات.

أفسّر: يأخذ السائل شكل الإناء الذي يوضع فيه، ولكن حجمه يظل ثابتًا.

فكيف تفلت جزيئات من سطح السائل وتصبح غازًا؟

• أوضح المقصود بالمفاهيم: تبخّر، تكاثف، ضغط بخاري، درجة الغليان.
• أستنتج العوامل التي تؤثر في خصائص المادة في الحالة السائلة.

ما القوى التي تمسك جزيئات السائل؟

تمتاز السوائل بخصائص محدّدة تعتمد على قوى التجاذب بين جزيئاتها.

كيف يفلت جزيء من سطح السائل؟

• حتى تحدث العملية يجب أن تكون الطاقة الحركية لبعض الجزيئات كافية للتغلب على قوى التجاذب بينها وبين الجزيئات المحيطة بها، فتفلت من سطح السائل وتتحوّل إلى الحالة الغازية.

• الشكل (10) يوضح توزيع الطاقة الحركية لجزيئات السائل عند درجة حرارة معينة؛ حيث تمثل الرموز ⁦(X, Z, E)⁩ ما يأتي:
• 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.
• المنطقة المظللة تمثل عدد الجزيئات التي تمتلك طاقة كافية للتبخّر.

ماذا تمثل ⁦E⁩ في منحنى توزيع الطاقة الحركية؟

ماذا تمثل المنطقة المظللة في منحنى توزيع الطاقة الحركية؟

لماذا يتبخّر السائل في كل الدرجات؟

• الحركة الدائمة والتصادمات المستمرة بين جزيئات السائل تجعل بعضها يفقد طاقة تكتسبها جزيئات أخرى، فتزيد طاقتها الحركية.
• فتصبح طاقة بعض الجزيئات كافية للتغلب على قوى التجاذب مع الجزيئات المحيطة بها، فتفلت من سطح السائل؛ أي تتبخّر.
• ولذلك يحدث التبخّر من سطح السائل عند أي درجة حرارة؛ إذ توجد في أي لحظة جزيئات تمتلك حدًّا أدنى من الطاقة اللازمة للتبخّر.

لماذا يحدث التبخّر من سطح السائل عند أي درجة حرارة؟

فما الذي يجعل سائلًا يتبخّر أسرع من آخر؟

قوى التجاذب: لماذا يتبخّر سائل أسرع من آخر؟

• تختلف السوائل في سرعة تبخّرها اعتماداً على قوى التجاذب بين جزيئاتها عند ثبات درجة الحرارة.
• الجدول (1) يبيّن نوع قوى التجاذب بين جزيئات سائلين: كحول الإيثانول والأسيتون، ومقارنة بين سرعة تبخرهما.

• الإيثانول ترتبط جزيئاته بروابط هيدروجينية، وهي قوية نسبيًا مقارنة بقوى التجاذب ثنائية القطب بين جزيئات الأسيتون.
• الأسيتون: الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لتبخّره أقل؛ لذلك يتبخّر أسرع، أما الإيثانول فحدّه الأدنى أكبر؛ لذلك تكون سرعة تبخّره أقل.

يمثل الشكل توزيع الطاقة الحركية لجزيئات السائلين ⁦A⁩ و ⁦B⁩ عند درجة حرارة معينة.

ماذا تمثل كل من النقطتين ⁦Y⁩ و ⁦X⁩؟ أي السائلين أسرع تبخراً عند درجة الحرارة نفسها؟

كيف تُسرّع الحرارة التبخّر؟

• درجة الحرارة عامل آخر يؤثر في سرعة التبخر.
• لتفسير ذلك يُستخدم منحنى توزيع الطاقة الحركية لجزيئات السائل عند درجتي حرارة $T_1$ و $T_2$ حيث $T_2 > T_1$.
• الرمز ⁦E⁩ يمثل الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتبخر، ولا يعتمد على درجة الحرارة.
• المساحة المظللة تحت المنحنيين: عدد الجزيئات التي تمتلك الطاقة اللازمة للتبخر عند $T_2$ أكبر منها عند $T_1$، كما في الشكل (11).

• زيادة درجة الحرارة تزيد من متوسط الطاقة الحركية للجزيئات ⁦(Z)⁩ وتزيد من عدد التصادمات بينها.
• فيزداد عدد الجزيئات التي تمتلك الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتبخر، وتزداد سرعة التبخر.

لماذا تزداد سرعة التبخر بزيادة درجة الحرارة؟

هل يتغير الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتبخر ⁦(E)⁩ بتغير درجة الحرارة؟

وكم من الطاقة يلزم لتبخير مول كامل من السائل؟

كم طاقة يلزم لتبخير مول من السائل؟

• معادلة تبخر مول من الماء:

• الطاقة في المعادلة هي طاقة التبخر المولية للماء، ويوضح الجدول (2) طاقة التبخر المولية لعدد من السوائل.
• تتزايد طاقة التبخر المولية للسائل بزيادة قوى التجاذب بين جزيئاته.
• في الجدول: طاقة التبخر المولية عند درجة الغليان $\Delta H_{vap} (\text{kJ/mol})$.
• صيغ السوائل:
• بنتان $\text{CH}_3(\text{CH}_2)_3\text{CH}_3$
• 1-بيوتانول $\text{CH}_3(\text{CH}_2)_2\text{CH}_2\text{OH}$
• بيوتانون $\text{CH}_3\text{COCH}_2\text{CH}_3$

كيف تتغير طاقة التبخر المولية للسائل مع قوى التجاذب بين جزيئاته؟

كم تبلغ طاقة التبخر المولية للماء؟

وماذا يحدث للطاقة عندما يتكاثف البخار؟

التكاثف: أين تذهب الطاقة؟

• يحدث عندما تنخفض درجة حرارة البخار، فتقل الطاقة الحركية لجزيئاته وتقل سرعتها.
• وعندما تتقارب للحد الكافي تتجاذب متحولة إلى الحالة السائلة.
• ينتج عنه تحرر كمية من الطاقة مساوية لكمية الطاقة الممتصة عند التبخر.

• معادلة تكاثف مول من بخار الماء:

• طاقة التبخر المولية للماء تساوي طاقة تكاثفه المولية.
• التبخر عملية ماصة للطاقة، والتكاثف عملية طاردة لها.

أفسّر حدوث عملية التكاثف؟

أفسّر، بالاستعانة بالشكل الآتي الذي يمثل منحنى تسخين الماء: الحروق الناجمة عن بخار الماء أشد من تلك الناجمة عن الماء الساخن عند $100^\circ\text{C}$.

وعاء مغلق: ماذا يحدث للبخار؟

عند وضع سائل في وعاء مكشوف فإنه يستمر بالتبخر، ولكن ماذا لو كان الوعاء مغلقاً؟

• في وعاء مغلق يبدأ السائل بالتبخر، وتفلت من سطحه الجزيئات ذات الطاقة الحركية العالية.
• بمرور الوقت يزداد عدد جزيئات بخار السائل داخل الوعاء، ويزداد تصادمها مع بعضها ومع جدار الوعاء وسطح السائل.
• فتفقد بعض الجزيئات جزءاً من طاقتها الحركية خلال التصادمات فتتكاثف، ويزداد عدد الجزيئات المتكاثفة حتى يساوي عدد الجزيئات المتبخرة خلال وحدة الزمن.
• أي أن سرعة التبخر تساوي سرعة التكاثف، كما يوضح الشكل (12).

• يُوصَف هذا الوضع بأنه حالة اتزان ديناميكي (سوف تتم دراسته لاحقاً)، يثبت عندها ضغط بخار السائل مع استمرار عمليتي التبخر والتكاثف بنفس السرعة.

ما العلاقة بين سرعة التبخر وسرعة التكاثف في وعاء مغلق ثبت فيه الضغط البخاري للسائل؟

ماذا يسمى الوضع الذي تتساوى فيه سرعة التبخر وسرعة التكاثف في وعاء مغلق؟

فما الذي يغيّر الضغط البخاري للسائل؟

الحرارة وقوى التجاذب: من يرفع الضغط البخاري؟

• يتأثر الضغط البخاري للسائل بدرجة الحرارة وقوى التجاذب بين جزيئاته.
• الشكل (13) يبيّن تغير الضغط البخاري لأربعة سوائل مع زيادة درجة الحرارة:
• البنتان $\text{C}_5\text{H}_{12}$ وثلاثي كلورو ميثان $\text{CHCl}_3$ والميثانول $\text{CH}_3\text{OH}$ والماء $\text{H}_2\text{O}$.

• درجة الحرارة: كلما ازدادت درجة الحرارة ازداد الضغط البخاري للسائل.
• قوى التجاذب: نقارن قيم الضغط البخاري للسوائل الأربعة عند درجة الحرارة نفسها ونوع قوى التجاذب بين جزيئات كل سائل، أنظر الجدول (3).

• الماء: روابط هيدروجينية قوية، فله أقل ضغط بخاري؛ لأن الحد الأدنى من الطاقة اللازمة للتغلب على قوى الترابط بين جزيئاته أكبر عند درجة حرارة معينة.
• الميثانول: كتلته المولية أعلى من الماء، لكن عدد الروابط الهيدروجينية التي يصنعها أقل؛ لذلك ضغطه البخاري أعلى.
• ثلاثي كلورو ميثان: تترابط جزيئاته بقوى ثنائية القطب، وضغطه البخاري أعلى من الميثانول.
• البنتان: تترابط جزيئاته بقوى لندن الضعيفة، وله أعلى ضغط بخاري.

أحدد الضغط البخاري لكل من ثلاثي كلوروميثان والميثانول والماء عند درجة حرارة $50^\circ\text{C}$، وأقارنها بقيمة ضغطه البخاري الواردة في الجدول (3). ماذا أستنتج؟

أرتب السوائل الآتية حسب تزايد ضغطها البخاري عند درجة الحرارة نفسها: $\text{CH}_3\text{F}, \text{CH}_3\text{OH}, \text{CH}_3\text{CH}_3$.

أفسّر تزايد الضغط البخاري للسائل بزيادة درجة حرارته.

ومتى يبدأ السائل بالغليان؟

أتوقع، اعتمادا على الشكل (13)، درجة الغليان المعيارية لثلاثي كلورو ميثان والبنتان والميثانول.

متى يغلي السائل؟

• عند تسخين السائل تزداد الطاقة الحركية لجزيئاته، ويزداد عدد الجزيئات التي تمتلك طاقة كافية للتغلب على قوى التجاذب بين الجزيئات.
• يبدأ الغليان عندما تصبح الطاقة التي تمتلكها الجزيئات في جميع أجزاء السائل كافية لتبخره.
• تتكون فقاعات كثيرة في جميع أجزائه وترتفع إلى سطحه وتغادره؛ أي تنتقل إلى الحالة الغازية.

• يمكن جعل السائل يغلي عند أي درجة حرارة، وذلك من خلال التحكم في الضغط المؤثر في سطحه.
• الجدول (4) يوضح الضغط البخاري للماء عند درجات حرارة مختلفة.

• مثال: عندما يكون الضغط الخارجي المؤثر على سطح السائل $17.5\ \text{mmHg}$؛ فإن الماء يغلي على درجة حرارة $20°\text{C}$.

• تعتمد درجة الغليان على قوى التجاذب بين جزيئات السائل، وتزداد بزيادتها.

تجربة: كم يتبخّر الإيثانول وثنائي إيثيل إيثر؟

• المواد والأدوات: كحول الإيثانول، ثنائي إيثيل إيثر، مخبار مدرج ($10\ \text{mL}$) عدد (2)، أنبوب اختبار عدد (4) وأرقمها.
• الماء: كأس زجاجية تحوي ($100\ \text{mL}$) ماء درجة حرارته $40°\text{C}$، وكأس تحوي ($100\ \text{mL}$) ماء درجة حرارته $15°\text{C}$.
• السلامة: أتبع إرشادات السلامة العامة في المختبر، وأرتدي معطف المختبر والنظارات الواقية والقفازات والكمامة، وأحذر من استنشاق المواد العضوية على نحو مباشر.

• خطوات العمل:
• 1. أقيس $10\ \text{mL}$ من الإيثانول بالمخبار المدرج في الأنبوبين 1، 2، وأكرر ذلك بثنائي إيثيل إيثر في الأنبوبين 3، 4.
• 2. أضع الأنبوبين 1، 3 في الماء بدرجة $15°\text{C}$ وأتركهما لمدة $5\ \text{min}$.
• 3. أقيس كمية السائل المتبقية في كل أنبوب بالمخبار المدرج، ثم أسجلها.
• 4. أكرر الخطوتين 2، 3 بالأنبوبين 2، 4 في الماء بدرجة $40°\text{C}$.

وماذا نستنتج من الكميات المتبقية في الأنابيب؟

• أقارن الكمية المتبقية من السائل نفسه في الحالتين، وأقارن أي السائلين أسرع تبخرًا.
• أحدد نوع قوى التجاذب بين جزيئات كل سائل، وأفسر اختلاف سرعة تبخرهما اعتماداً على هذه القوى عند نفس درجة الحرارة.
• أستنتج العلاقة بين درجة الحرارة وسرعة تبخر السائل.

ما العلاقة بين درجة الحرارة وسرعة تبخر السائل؟