تشرح هذه المقالة ماهية التبلور والذوبان. باستخدام مثال الحالات المختلفة لتجميع المياه ، يتم شرح مقدار الحرارة المطلوبة للتجميد والذوبان ولماذا تختلف هذه القيم. يظهر الفرق بين البلورات المتعددة والبلورات المفردة ، وكذلك مدى تعقيد تصنيع الأخيرة.
الانتقال إلى حالة إجمالية أخرى
نادرًا ما يفكر الشخص العادي في الأمر ، لكن الحياة في المستوى الذي توجد فيه الآن ستكون مستحيلة بدون العلم. أي واحدة؟ السؤال ليس سهلاً ، لأن العديد من العمليات تحدث عند تقاطع العديد من التخصصات. الظواهر التي يصعب تحديد مجال العلم بدقة هي التبلور والذوبان. يبدو ، حسنًا ، ما هو معقد للغاية هنا: كان هناك ماء - كان هناك جليد ، كانت هناك كرة معدنية - كانت هناك بركة من المعدن السائل. ومع ذلك ، لا توجد آليات دقيقة للانتقال من حالة تجميع إلى أخرى. يتعمق الفيزيائيون أكثر فأكثر في الغابة ، لكن لا يزال من غير الممكن التنبؤ بالضبط عند النقطة التي سيبدأ فيها ذوبان وتبلور الأجسام.اتضح
ما نعرفه
شيء ما زالت البشرية تعرفه. يمكن بسهولة تحديد درجات حرارة الانصهار والتبلور تجريبياً. لكن حتى هنا كل شيء ليس بهذه البساطة. يعلم الجميع أن الماء يذوب ويتجمد عند درجة صفر مئوية. ومع ذلك ، فإن الماء عادة ليس مجرد بناء نظري ، ولكنه حجم محدد. لا تنس أن عملية الذوبان والتبلور ليست فورية. يبدأ مكعب الثلج في الذوبان قليلاً قبل أن يصل إلى درجة الصفر بالضبط ، والماء الموجود في الزجاج مغطى بأول بلورات ثلجية عند درجة حرارة أعلى قليلاً من هذه العلامة على المقياس.
انبعاث وامتصاص الحرارة أثناء الانتقال إلى حالة تجميع أخرى
تترافق تبلور المواد الصلبة وذوبانها بتأثيرات حرارية معينة. في الحالة السائلة ، لا ترتبط الجزيئات (أو الذرات أحيانًا) بإحكام شديد معًا. لهذا السبب ، لديهم خاصية "السيولة". عندما يبدأ الجسم في فقدان الحرارة ، تبدأ الذرات والجزيئات في الاندماج في الهيكل الأكثر ملاءمة لهم. هذه هي الطريقة التي يحدث بها التبلور. غالبًا ما يعتمد على الظروف الخارجية سواء تم الحصول على الجرافيت أو الماس أو الفوليرين من نفس الكربون. لذلك لا تؤثر درجة الحرارة فحسب ، بل يؤثر الضغط أيضًا على كيفية استمرار التبلور والذوبان. ومع ذلك ، لكسر روابط بنية بلورية صلبة ، يتطلب الأمر مزيدًا من الطاقة ، وبالتالي كمية الحرارة ، مما يتطلبه تكوينها. هكذا،ستتجمد المادة بشكل أسرع من الذوبان ، في ظل نفس ظروف العملية. تسمى هذه الظاهرة بالحرارة الكامنة وتعكس الاختلاف الموصوف أعلاه. تذكر أن الحرارة الكامنة لا علاقة لها بالحرارة على هذا النحو وتعكس كمية الحرارة المطلوبة للتبلور والذوبان.
تغيير في الحجم عند الانتقال إلى حالة تجميع أخرى
كما ذكرنا سابقًا ، تختلف كمية ونوعية الروابط في الحالة السائلة والصلبة. تتطلب الحالة السائلة مزيدًا من الطاقة ، وبالتالي تتحرك الذرات بشكل أسرع ، وتقفز باستمرار من مكان إلى آخر وتخلق روابط مؤقتة. نظرًا لأن سعة تذبذبات الجسيمات أكبر ، فإن السائل يحتل أيضًا حجمًا أكبر. في حين أن الروابط في الجسم الصلب تكون صلبة ، وتتأرجح كل ذرة حول موضع توازن واحد ، فهي غير قادرة على ترك موضعها. هذا الهيكل يأخذ مساحة أقل. لذا فإن ذوبان المواد وتبلورها مصحوب بتغير في الحجم.
ملامح تبلور وذوبان الماء
مثل هذا السائل الشائع والمهم لكوكبنا مثل الماء ، ربما ليس من قبيل المصادفة أنه يلعب دورًا كبيرًا في حياة جميع الكائنات الحية تقريبًا. تم وصف الفرق بين كمية الحرارة المطلوبة لحدوث التبلور والذوبان ، وكذلك التغيير في الحجم عند تغيير حالة التجميع أعلاه. بعض الاستثناءات لكلا القاعدتين هو الماء. يتحد الهيدروجين من جزيئات مختلفة ، حتى في الحالة السائلة ، لفترة قصيرة ، ويشكل جزيئات ضعيفة ، لكنها لا تزال كذلكرابطة الهيدروجين الصفرية. هذا يفسر السعة الحرارية العالية بشكل لا يصدق لهذا السائل الشامل. وتجدر الإشارة إلى أن هذه الروابط لا تتداخل مع تدفق الماء. لكن دورهم أثناء التجميد (بمعنى آخر ، التبلور) يظل غير واضح حتى النهاية. ومع ذلك ، يجب الاعتراف بأن الجليد من نفس الكتلة يشغل حجمًا أكبر من الماء السائل. هذه الحقيقة تسبب الكثير من الضرر للمرافق العامة وتسبب الكثير من المشاكل للأشخاص الذين يخدمونها.
تظهر مثل هذه الرسائل في الأخبار أكثر من مرة أو مرتين. في فصل الشتاء ، وقع حادث في منزل المرجل في بعض المستوطنات البعيدة. بسبب العواصف الثلجية أو الجليد أو الصقيع الشديد ، لم يكن لدينا الوقت لتوصيل الوقود. توقفت المياه التي تزود المشعات والصنابير عن التسخين. إذا لم يتم تصريفه في الوقت المناسب ، تاركًا النظام فارغًا جزئيًا على الأقل ، ويفضل أن يكون جافًا تمامًا ، يبدأ في اكتساب درجة الحرارة المحيطة. في أغلب الأحيان ، للأسف ، في هذا الوقت هناك صقيع شديد. والجليد يكسر الأنابيب ، ويترك الناس دون فرصة لحياة مريحة في الأشهر المقبلة. ثم ، بالطبع ، يتم القضاء على الحادث ، الموظفون الشجعان في وزارة حالات الطوارئ ، الذين اخترقوا العاصفة الثلجية ، وألقوا عدة أطنان من الفحم المرغوب فيه بطائرة هليكوبتر ، ويقوم السباكون المؤسفون بتغيير الأنابيب على مدار الساعة في البرد القارس.
الثلج والثلج
عندما نفكر في الجليد ، غالبًا ما نفكر في مكعبات باردة في كوب من العصير أو مساحات شاسعة من القارة القطبية الجنوبية المتجمدة. ينظر الناس إلى الثلج على أنه ظاهرة خاصة ، على ما يبدولا علاقة لها بالمياه. لكن في الحقيقة ، إنه نفس الجليد ، متجمد فقط بترتيب معين يحدد الشكل. يقولون أنه لا توجد رقاقات ثلجية متطابقة في العالم بأسره. بدأ عالم من الولايات المتحدة العمل بجدية وحدد شروط الحصول على هذه الجمال السداسي بالشكل المطلوب. يمكن لمختبره حتى توفير عاصفة ثلجية من جلد يرعاها العملاء. بالمناسبة ، البرد ، مثل الثلج ، هو نتيجة لعملية تبلور غريبة للغاية - من البخار ، وليس من الماء. يسمى التحول العكسي لجسم صلب على الفور إلى ركام غازي التسامي.
بلورات و بلورات مفردة
رأى الجميع أنماطًا جليدية على الزجاج في الحافلة في الشتاء. يتم تشكيلها لأن درجة الحرارة داخل النقل أعلى من الصفر مئوية. وإلى جانب ذلك ، فإن الكثير من الناس ، مع الزفير مع الهواء من أبخرة الضوء ، يوفرون رطوبة متزايدة. لكن الزجاج (غالبًا مفردة رقيقة) له درجة حرارة محيطة ، أي سلبية. بخار الماء ، الذي يلامس سطحه ، يفقد الحرارة بسرعة كبيرة ويتحول إلى حالة صلبة. تلتصق إحدى البلورات بأخرى ، ويختلف كل شكل متتالي قليلاً عن الشكل السابق ، وتنمو الأنماط الجميلة غير المتماثلة بسرعة. هذا مثال على الكريستالات. "بولي" من اللاتينية "كثير". في هذه الحالة ، يتم دمج عدد من الأجزاء الدقيقة في كل واحد. غالبًا ما يكون أي منتج معدني عبارة عن بلورات متعددة. لكن الشكل المثالي للمنشور الطبيعي للكوارتز هو بلورة واحدة. في هيكلها ، لن يجد أحد عيوبًا وثغرات ، بينما في أحجام متعددة البلورات في الاتجاهالأجزاء مرتبة بشكل عشوائي ولا تتفق مع بعضها.
الهاتف الذكي والمناظير
لكن في التكنولوجيا الحديثة ، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى بلورات مفردة نقية تمامًا. على سبيل المثال ، يحتوي أي هاتف ذكي تقريبًا على عنصر ذاكرة من السيليكون في أحشاءه. لا ينبغي نقل ذرة واحدة في هذا المجلد بالكامل من موقعها المثالي. يجب على الجميع أن يأخذوا مكانهم. خلاف ذلك ، بدلاً من الصورة ، ستحصل على أصوات عند الإخراج ، وعلى الأرجح أصوات غير سارة.
في المناظير ، تحتاج أجهزة الرؤية الليلية أيضًا إلى بلورات أحادية ضخمة بما يكفي لتحويل الأشعة تحت الحمراء إلى مرئية. هناك عدة طرق لتنميتها ، لكن كل منها يتطلب عناية خاصة وحسابات تم التحقق منها. كيف يتم الحصول على بلورات مفردة ، يفهم العلماء من مخططات الطور للحالة ، أي أنهم ينظرون إلى الرسم البياني لذوبان وتبلور المادة. من الصعب رسم مثل هذه الصورة ، وهذا هو السبب في أن علماء المواد يقدرون بشكل خاص العلماء الذين يقررون معرفة كل تفاصيل مثل هذا الرسم البياني.
