الحالة السائلة

الخصائص الفيزيائية وقوى التجاذب بين الجزيئات

يوصَف السائل بأنه مادّةٌ ذاتُ حجمٍ ثابت وتأخذُ شكلَ الإناء الذي توضَع فيه، ويمكن فهم خصائص السوائل اعتمادًا على حركة جزيئاتها وقوى التجاذب بينها؛ فجزيئاتها في حركة مستمرّة وعشوائيّة كالغازات، وتترابط بقوى تجاذب ضعيفة نسبيًّا تجعلها أكثرَ تقاربًا، وطاقتها الحركيّة أقلّ من طاقة جسيمات الغاز، وهذا التقارب يجعلها غيرَ قابلةٍ للانضغاط، كما تكون كثافتها أكبرَ من كثافة الغازات.

التبخُّر والعوامل المؤثرة في سرعته

تُعَرَّف عمليّة التبخُّر Evaporation بأنّها تحوُّل المادّة من الحالة السائلة إلى الحالة الغازيّة، وحتى تحدث يجب أن تكون الطاقة الحركيّة لبعض الجزيئات كافيةً للتغلّب على قوى التجاذب بينها وبين الجزيئات المحيطة بها، فتفلت من سطح السائل وتتحوّل إلى الحالة الغازيّة. وبسبب الحركة الدائمة والتصادمات المستمرّة بين الجزيئات تفقد بعضها طاقةً تكتسبها أخرى، فتزداد طاقة بعض الجزيئات حتى تصبح كافيةً للإفلات من السطح؛ وهذا ما يفسِّر حدوث التبخّر عند أيّ درجة حرارة؛ لوجود جزيئات تمتلك الحدّ الأدنى من الطاقة اللازمة للتبخّر في أيّ لحظة.

ألاحظ أنّ جزيئات كحول الإيثانول ترتبط بروابط هيدروجينيّة قويّة نسبيًّا مقارنةً بقوى ثنائيّة القطب بين جزيئات الأسيتون؛ فالحدّ الأدنى من الطاقة اللازمة لتبخّر الأسيتون أقلّ فيتبخّر أسرع، أمّا الإيثانول فالحدّ الأدنى أكبر فتقلّ سرعة تبخّره. القاعدة: كلّما كانت قوى التجاذب بين جزيئات السائل أقوى كان الحدّ الأدنى من الطاقة اللازمة لتبخّره أكبر وسرعة تبخّره أقلّ (الجدول 1).

H₂O(l) + 40.7 kJ/mol → H₂O(g)

التكاثف وطاقة التكاثف المولية

تُسَمّى عمليّة تحوُّل المادّة من الحالة الغازيّة إلى الحالة السائلة التكاثفَ Condensation، وتحدث عندما تنخفض درجة حرارة البخار فتقلّ الطاقة الحركيّة لجزيئاته وتقلّ سرعتها، وعندما تتقارب للحدّ الكافي تتجاذب متحوّلةً إلى الحالة السائلة. وينتج عن عمليّة التكاثف تحرُّر كميّة من الطاقة مساوية لكميّة الطاقة المُمتصّة عند التبخّر، وتُسَمّى كميّة الطاقة الناتجة من تكاثف مول واحد من بخار المادّة عند درجة حرارة معيّنة طاقة التكاثف الموليّة.

الضغط البخاري والاتزان الديناميكي

عند وضع سائل في وعاء مكشوف فإنه يستمرّ بالتبخّر؛ ولكن في وعاء مغلق يبدأ بالتبخّر بحيث تفلت من سطحه الجزيئات ذات الطاقة الحركيّة العالية، وبمرور الوقت يزداد عدد جزيئات البخار داخل الوعاء ويزداد تصادمها مع بعضها ومع جدار الوعاء وسطح السائل، فتفقد بعض الجزيئات جزءًا من طاقتها فتتكاثف، حتى يصبح عدد الجزيئات المتكاثفة مساويًا لعدد المتبخّرة خلال وحدة الزمن؛ أي سرعة التبخّر = سرعة التكاثف (الشكل 12). يُوصَف هذا الوضع بأنه حالة اتّزان ديناميكيّ يثبت عندها ضغط بخار السائل مع استمرار العمليتين بالسرعة نفسها، ويُسَمّى الضغط الناجم عن جزيئات بخار السائل والمؤثِّر في سطحه عند الاتّزان عند درجة حرارة معيّنة الضغط البخاري Vapor Pressure للسائل.

الماء تترابط جزيئاته بروابط هيدروجينية قويّة فله أقلّ ضغط بخاري؛ وعند مقارنته بالميثانول: بالرغم من أنّ الكتلة المولية للميثانول أعلى منها للماء، إلّا أنّ عدد الروابط الهيدروجينية التي يصنعها الميثانول أقلّ منها للماء، لذلك فضغطه البخاري أعلى؛ يليه ثالثي كلورو ميثان (قوى ثنائية القطب)، ثم البنتان الذي تترابط جزيئاته بقوى لندن الضعيفة وله أعلى ضغط بخاري (الجدول 3 والشكل 13).

درجة الغليان ودرجة الغليان المعيارية

تزداد الطاقة الحركيّة لجزيئات السائل عند تسخينه، ويزداد عدد الجزيئات التي تمتلك طاقةً كافية للتغلّب على قوى التجاذب؛ وعندما تصبح الطاقة التي تمتلكها الجزيئات في أجزاء السائل جميعها كافيةً لتبخّره يبدأ السائل بالغليان، فتتكوّن فقاعات كثيرة في جميع أجزائه وترتفع إلى سطحه وتغادره؛ أي تنتقل إلى الحالة الغازيّة. عند ذلك يكون ضغطه البخاري مساويًا للضغط الخارجي المؤثِّر على سطحه، وتُسَمّى درجة الحرارة عند ذلك درجة غليان السائل Boiling Point. ويمكن جعل السائل يغلي عند أيّ درجة حرارة من خلال التحكّم في الضغط المؤثِّر في سطحه.