בחיי היומיום, כולנו נתקלים מדי פעם בתופעות המלוות את תהליכי המעבר של חומרים ממצב צבירה אחד למשנהו. ולרוב עלינו להתבונן בתופעות כאלה בדוגמה של אחת התרכובות הכימיות הנפוצות ביותר - מים ידועים ומוכרים. מתוך המאמר תלמדו כיצד מתרחשת הפיכת מים נוזליים לקרח מוצק - תהליך הנקרא התגבשות מים - ואילו תכונות מאפיינות את המעבר הזה.
מהו מעבר פאזה?
כולם יודעים שבטבע ישנם שלושה מצבים (שלבים) מצטברים עיקריים של חומר: מוצק, נוזלי וגזי. לעתים קרובות מתווסף להם מצב רביעי - פלזמה (בשל התכונות המבדילות בינה לבין גזים). עם זאת, כאשר עוברים מגז לפלזמה, אין גבול חד אופייני, ותכונותיו נקבעות לא כל כךהקשר בין חלקיקי החומר (מולקולות ואטומים), עד כמה מצב האטומים עצמם.
כל החומרים, העוברים ממצב אחד למשנהו, בתנאים רגילים משנים בפתאומיות את תכונותיהם (למעט כמה מצבים על-קריטיים, אך לא ניגע בהם כאן). טרנספורמציה כזו היא מעבר פאזה, או ליתר דיוק, אחד מהזנים שלה. היא מתרחשת בשילוב מסוים של פרמטרים פיזיקליים (טמפרטורה ולחץ), הנקראת נקודת מעבר פאזה.
הפיכת הנוזל לגז היא אידוי, התופעה ההפוכה היא עיבוי. המעבר של חומר ממצב מוצק לנוזל הוא התכה, אבל אם התהליך הולך בכיוון ההפוך, אז זה נקרא התגבשות. גוף מוצק יכול להפוך מיד לגז ולהיפך - במקרים אלו מדברים על סובלימציה ודסאבלימציה.
במהלך התגבשות, מים הופכים לקרח ומדגים בבירור עד כמה התכונות הפיזיקליות שלהם משתנות. בואו נתעכב על כמה פרטים חשובים של תופעה זו.
המושג של התגבשות
כאשר נוזל מתמצק במהלך הקירור, אופי האינטראקציה והסידור של חלקיקי החומר משתנה. האנרגיה הקינטית של התנועה התרמית האקראית של החלקיקים המרכיבים אותה פוחתת, והם מתחילים ליצור קשרים יציבים זה עם זה. כאשר מולקולות (או אטומים) מסתדרים בצורה סדירה ומסודרת דרך הקשרים הללו, נוצר מבנה הגבישי של מוצק.
ההתגבשות אינה מכסה בו-זמנית את כל נפח הנוזל המקורר, אלא מתחילה ביצירת גבישים קטנים. אלו הם מה שנקרא מרכזי התגבשות. הם גדלים בשכבות, בדרגה, על ידי הוספת עוד ועוד מולקולות או אטומי חומר לאורך השכבה הגדלה.
תנאי התגבשות
התגבשות דורשת קירור הנוזל לטמפרטורה מסוימת (זו גם נקודת ההיתוך). לפיכך, טמפרטורת ההתגבשות של מים בתנאים רגילים היא 0 מעלות צלזיוס.
עבור כל חומר, התגבשות מאופיינת בכמות החום הסמוי. זוהי כמות האנרגיה המשתחררת בתהליך זה (ובמקרה ההפוך, בהתאמה, האנרגיה הנספגת). החום הספציפי של התגבשות מים הוא החום הסמוי שמשחרר קילוגרם אחד של מים ב-0 מעלות צלזיוס. מבין כל החומרים ליד מים, הוא אחד מהגבוהים ביותר והוא כ-330 קילו-ג'יי/ק ג. ערך כה גדול נובע מהתכונות המבניות הקובעות את הפרמטרים של התגבשות מים. נשתמש בנוסחה לחישוב חום סמוי להלן, לאחר שנבחן את התכונות הללו.
כדי לפצות על החום הסמוי, יש צורך בקירור-על של הנוזל כדי להתחיל בצמיחת גבישים. למידת הקירור העל השפעה משמעותית על מספר מרכזי ההתגבשות ועל קצב גדילתם. בזמן שהתהליך מתנהל, קירור נוסף של טמפרטורת החומר אינו משתנה.
מולקולת מים
כדי להבין טוב יותר כיצד מים מתגבשים, עליך לדעת כיצד מסודרת המולקולה של התרכובת הכימית הזו, מכיווןהמבנה של מולקולה קובע את המאפיינים של הקשרים שהיא יוצרת.
אטום חמצן אחד ושני אטומי מימן משולבים במולקולת מים. הם יוצרים משולש שווה שוקיים קהה שבו אטום החמצן ממוקם בקודקוד של זווית קהה של 104.45 מעלות. במקרה זה, החמצן מושך בחוזקה את ענני האלקטרונים לכיוונו, כך שהמולקולה היא דיפול חשמלי. המטענים שבו מפוזרים על פני קודקודים של פירמידה טטרהדרלית דמיונית - טטרהדרון עם זוויות פנימיות של 109 מעלות בקירוב. כתוצאה מכך, המולקולה יכולה ליצור ארבעה קשרי מימן (פרוטון), מה שמשפיע כמובן על תכונות המים.
תכונות של המבנה של מים נוזליים וקרח
היכולת של מולקולת מים ליצור קשרי פרוטונים מתבטאת במצב נוזלי וגם במצב מוצק. כאשר מים הם נוזל, הקשרים הללו די לא יציבים, נהרסים בקלות, אך גם נוצרים שוב כל הזמן. בשל נוכחותן, מולקולות מים קשורות זו לזו בצורה חזקה יותר מאשר חלקיקים של נוזלים אחרים. בשיוך, הם יוצרים מבנים מיוחדים - אשכולות. מסיבה זו, נקודות הפאזה של המים מוזזות לטמפרטורות גבוהות יותר, מכיוון שהרס של שותפים נוספים כאלה דורש גם אנרגיה. יתרה מכך, האנרגיה משמעותית למדי: אם לא היו קשרי מימן ואשכולות, טמפרטורת ההתגבשות של המים (כמו גם ההיתוך שלהם) הייתה -100 מעלות צלזיוס, ורתיחה +80 מעלות צלזיוס.
מבנה האשכולות זהה למבנה של קרח גבישי.מולקולות המים מחברות כל אחת עם ארבעה שכנים, ובונות מבנה גבישי פתוח עם בסיס בצורת משושה. בניגוד למים נוזליים, שבהם מיקרו-גבישים - אשכולות - אינם יציבים וניידים עקב תנועה תרמית של מולקולות, כאשר נוצר קרח, הם מסדרים את עצמם מחדש בצורה יציבה וקבועה. קשרי מימן מקבעים את הסידור ההדדי של אתרי סריג הגבישים, וכתוצאה מכך, המרחק בין המולקולות הופך מעט יותר גדול מאשר בשלב הנוזל. נסיבות אלו מסבירות את הקפיצה בצפיפות המים במהלך התגבשותם - הצפיפות יורדת מכמעט 1 גרם/ס"מ3 לכ-0.92 גרם/ס"מ3.
על חום סמוי
תכונות של המבנה המולקולרי של מים באות לידי ביטוי ברצינות רבה בתכונותיהם. ניתן לראות זאת, במיוחד, מהחום הסגולי הגבוה של התגבשות של מים. זה נובע בדיוק מנוכחותם של קשרי פרוטונים, המבדילים בין מים לבין תרכובות אחרות היוצרות גבישים מולקולריים. נקבע כי אנרגיית קשרי המימן במים היא כ-20 קילו ג'ל למול, כלומר עבור 18 גרם. חלק ניכר מהקשרים הללו נוצרים "בהמוניים" כאשר המים קופאים - זה המקום שבו החזר כל כך גדול של אנרגיה מגיע מ.
בוא ניתן חישוב פשוט. תנו ל-1650 קילו-ג'יי להשתחרר במהלך התגבשות המים. זה הרבה: ניתן לקבל אנרגיה שווה, למשל, מפיצוץ של שישה רימוני לימון F-1. הבה נחשב את מסת המים שעברה התגבשות. נוסחה המתייחסת לכמות החום הסמוי Q, המסה m וחום ההתגבשות הסגוליλ הוא פשוט מאוד: Q=– λm. סימן המינוס אומר בפשטות שחום מופק על ידי המערכת הפיזית. בהחלפת הערכים הידועים, נקבל: m=1650/330=5 (ק ג). יש צורך ב-5 ליטר בלבד כדי להשתחרר של עד 1650 קילו-ג'יי במהלך התגבשות המים! כמובן שהאנרגיה לא נמסרת מיד - התהליך נמשך מספיק זמן, והחום מתפזר.
ציפורים רבות, למשל, מודעות היטב לתכונה זו של מים, ומשתמשות בה כדי להתחמם ליד המים הקפואים של אגמים ונהרות, במקומות כאלה טמפרטורת האוויר גבוהה בכמה מעלות.
התגבשות של פתרונות
מים הם ממס נפלא. חומרים המומסים בו מסיטים את נקודת ההתגבשות, ככלל, כלפי מטה. ככל שריכוז התמיסה גבוה יותר, הטמפרטורה תקפא נמוכה יותר. דוגמה בולטת היא מי ים, שבהם מומסים מלחים רבים ושונים. הריכוז שלהם במי האוקיינוס הוא 35 ppm, ומים כאלה מתגבשים ב-1.9 מעלות צלזיוס. מליחות המים בים שונים שונה מאוד, ולכן נקודת הקיפאון שונה. לפיכך, למים הבלטים יש מליחות של לא יותר מ-8 ppm, וטמפרטורת ההתגבשות שלהם קרובה ל-0 מעלות צלזיוס. מי תהום מינרלים קופאים גם בטמפרטורות מתחת לאפס. צריך לזכור שאנחנו תמיד מדברים רק על התגבשות מים: קרח הים כמעט תמיד טרי, במקרים קיצוניים, מעט מלוח.
תמיסות מימיות של אלכוהולים שונים נבדלות גם הן בצמצוםנקודת הקפאה, והתגבשותם אינה ממשיכה בפתאומיות, אלא בטווח טמפרטורות מסוים. לדוגמה, 40% אלכוהול מתחיל לקפוא ב-22.5 מעלות צלזיוס ולבסוף מתגבש ב-29.5 מעלות צלזיוס.
אבל תמיסה של אלקלי כמו סודה קאוסטית NaOH או קאוסטית היא חריג מעניין: היא מאופיינת בטמפרטורת התגבשות מוגברת.
איך מים טהורים קופאים?
במים מזוקקים, מבנה האשכול נשבר עקב אידוי במהלך הזיקוק, ומספר קשרי המימן בין המולקולות של מים כאלה קטן מאוד. בנוסף, מים כאלה אינם מכילים זיהומים כגון חלקיקי אבק מיקרוסקופיים מרחפים, בועות וכו', המהווים מרכזים נוספים של היווצרות גבישים. מסיבה זו, נקודת ההתגבשות של מים מזוקקים יורדת ל-42 מעלות צלזיוס.
אפשר לקרר מים מזוקקים אפילו עד ל-70 מעלות צלזיוס. במצב זה, מים מקוררים-על מסוגלים להתגבש כמעט באופן מיידי על פני כל הנפח עם רעד קל ביותר או חדירת טומאה לא משמעותית.
מים חמים פרדוקסליים
עובדה מדהימה - מים חמים הופכים למצב גבישי מהר יותר ממים קרים - כונתה "אפקט המפמבה" לכבודו של תלמיד בית הספר הטנזני שגילה את הפרדוקס הזה. ליתר דיוק, הם ידעו על כך בימי קדם, אולם, משלא מצאו הסבר, פילוסופים ומדעני טבע הפסיקו בסופו של דבר לשים לב לתופעה המסתורית.
בשנת 1963, ארסטו מפמבה הופתע מכךתערובת גלידה חמה מתקבעת מהר יותר מתערובת גלידה קרה. ובשנת 1969, תופעה מסקרנת אושרה כבר בניסוי פיזיקלי (אגב, בהשתתפותו של Mpemba עצמו). ההשפעה מוסברת על ידי מגוון רחב של סיבות:
- מרכזי התגבשות נוספים כגון בועות אוויר;
- פיזור חום גבוה של מים חמים;
- קצב אידוי גבוה, וכתוצאה מכך ירידה בנפח הנוזל.
לחץ כגורם התגבשות
הקשר בין לחץ וטמפרטורה ככמויות מפתח המשפיעות על תהליך התגבשות המים בא לידי ביטוי בבירור בתרשים הפאזות. ניתן לראות ממנו שעם הגברת הלחץ, הטמפרטורה של מעבר הפאזות של מים ממצב נוזלי למוצק יורדת באיטיות רבה. מטבע הדברים, גם ההפך הוא הנכון: ככל שהלחץ נמוך יותר, כך הטמפרטורה הנדרשת להיווצרות קרח גבוהה יותר, והוא גדל לאט באותה מידה. כדי להשיג תנאים שבהם מים (לא מזוקקים!) מסוגלים להתגבש לקרח רגיל Ih בטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית של -22 מעלות צלזיוס, יש להגביר את הלחץ ל-2085 אטמוספרות.
טמפרטורת ההתגבשות המקסימלית מתאימה לשילוב התנאים הבא, הנקרא נקודת משולשת של מים: 0.006 אטמוספרות ו-0.01 מעלות צלזיוס. עם פרמטרים כאלה, נקודות ההתגבשות-היתוך והעיבוי-רתיחה חופפות, וכל שלושת מצבי הצבירה של המים מתקיימים במקביל בשיווי משקל (בהיעדר חומרים אחרים).
סוגים רבים של קרח
כרגע ידוע על 20 שינוייםמצב מוצק של מים - מאמורפי לקרח XVII. כולם, מלבד קרח Ih רגיל, דורשים תנאי התגבשות שהם אקזוטיים עבור כדור הארץ, ולא כולם יציבים. רק קרח Ic נמצא לעתים רחוקות מאוד בשכבות העליונות של האטמוספירה של כדור הארץ, אך היווצרותו אינה קשורה להקפאת מים, שכן הוא נוצר מאדי מים בטמפרטורות נמוכות במיוחד. קרח XI נמצא באנטארקטיקה, אך שינוי זה הוא נגזרת של קרח רגיל.
על ידי התגבשות של מים בלחצים גבוהים במיוחד, ניתן להשיג שינויים קרח כמו III, V, VI, ועם עליה בו זמנית בטמפרטורה - קרח VII. סביר להניח שחלק מהם יכולים להיווצר בתנאים חריגים לכוכב הלכת שלנו על גופים אחרים של מערכת השמש: על אורנוס, נפטון או לוויינים גדולים של כוכבי הלכת הענקיים. יש לחשוב שניסויים עתידיים ומחקרים תיאורטיים של התכונות שעדיין לא נחקרות של הקרח הללו, כמו גם התכונות של תהליכי ההתגבשות שלהם, יבהירו את הנושא הזה ויפתחו עוד הרבה דברים חדשים.
