نقطة الإنصهار والتجمد

نقطة الانصهار ونقطة التجمد

نقطة الانصهار درجة الحرارة التي تتحول عندها مادة ما من الصلابة إلى السيولة. وتتفاوت نقاط الانصهار للمواد المختلفة تفاوتاً ملموسًا. فللتنجستن مثلاً، نقطة انصهار عالية جداً هي 3410°م، بينما ينصهر الهيدروجين الصلب عند درجة حرارة منخفضة هي -259°م.
تعتمد نقطة انصهار المادة جزئيًا على كون المادة نقية أو خليطًا. والمادة النقية قد تكون عنصراً نقيا مثل الحديد، أو مركبًا بسيطاً مثل الماء. أما الخليط فيتألف من مادتين أو أكثر لا تمتزجان كيميائيًا.
تنصهر المادة النقية عند درجة حرارة محددة أو ضمن مدى حراري محدود جدًا. فمثلاً عندما يسخن الحديد ترتفع درجة حرارته إلى أن يصل الفلز إلى نقطة انصهاره البالغة 1535°م. ويبقى الحديد عند تلك الدرجة إلى أن ينصهر بكامله.
ولا ينصهر الخليط عند درجة محددة. فالخليط البسيط، مثل الصفر والفولاذ (الصلب)، ينصهر في مدى حراري، حيث ينصهر الفولاذ الذي هو خليط من الحديد وعناصر أخرى، عند درجات تتراوح بين 1,400°م و 1,500°م. ولهذا ترتفع درجة حرارة الفولاذ 100°م في أثناء عملية الانصهار بدلا من بقائها ثابتة. ولاينصهر الخليط المركب، مثل الزجاج والقار والشمع في مدى حراري محدد. وبدلاً من ذلك تصبح المواد أكثر طراوة وميوعة تدريجيا كلما ارتفعت درجة حرارتها.
ولمعظم الخلائط البسيطة نقطة انصهار مختلفة عن أي من المواد النقية التي تحتوي عليها. فمثلاً ينصهر الصفر الذي هو سبيكة من النحاس والزنك ضمن مدى حراري من 900°م إلى 1000°م. غير أن نقطة انصهار النحاس، هي 1083,4°م، وللزنك 419,58°م.
يستطيع الكيميائيون تحديد درجة نقاء مادة ما، عن طريق معرفة نقطة انصهارها. ففي معظم الحالات، يكون جسم صلب مادة نقية إذا انصهر عند درجة حرارة محددة أو ضمن مدى محدود من درجات الحرارة. ويكون الجسم الصلب خليطًا إذا انصهر ضمن مدى محدَّد من درجات الحرارة.
وتتأثر نقطة انصهار المادة إلى حد ما بالضغط الجوي. فارتفاع الضغط يرفع نقطة انصهار معظم المواد. غير أن زيادة الضغط الجوي تخفض انصهار الماء والمواد القليلة الأخرى التي تتمدد بالتجمّد.
يتجمد السائل المكون من مادة نقية، عند نفس درجة الحرارة التي ينصهر عندها في الحالة الصلبة. ولهذا يمكن للشكلين الصلب والسائل أن يوجدا معاً عند الانصهار؛ أي عند تغير درجة الحرارة في أيهما. فمثلاً، إذا مزجت أي مقادير من الماء والثلج معاً، فستكون درجة حرارة المادة صفراً مئويًا. وهذه الدرجة هي النقطة التي ينصهر عندها الثلج ويتجمد فيها الماء. وعند عدم زيادة الحرارة أو نقصها، ينصهر الثلج بنفس معدل تجمد الماء. ولهذا تبقى مقادير الماء والثلج كما هي. وإذا سُخن ماء الثلج ينصهر الثلج، وإذا انخفضت الحرارة يتجمد الماء.
وقد يُوجد الشكلان، الصلب والسائل لخليط ما، معًا ضمن مدى من درجات الحرارة. ويتحدد هذا المدى بنوع ومقدار كل من المواد النقية في الخليط.
ولاتنصهر بعض المواد النقية عند تسخينها. وبدلاً من ذلك تتحول مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية. والزرنيخ، والثلج الجاف، واليود تمر بهذه العملية التي تسمى التسامي. ولا يمكن تحولها إلى الحالة السائلة إلا إذا حفظت تحت ضغط في إناء مغلق.

درجة التّجمّدْ هي درجة الحرارة التي تتحوّل عندها المادة من حالة السيولة إلى حالة التجمد. وتختلف درجة التجمّد (نقطة التجمد) للمواد المختلفة إلى حد كبير. فالزئبق يتجمد عند درجة 38,87°م تحت الصفر ونقطة تجمّد الذهب 1,063°م.
وتتماثل نقطة تجمد المادة النقية ونقطة انصهارها. . فمثلاً يتجمّد الماء عند درجة صفر مئوية، وينصهر الشكل الجامد للماء، وهو الثلج، عند نفس درجة الحرارة. وحينما تكون المادة النقية عند نقطة تجمّدها يكون السائل والشكل الصلب للمادة في حالة اتزان مع بعضهما. وإذا لم تُضَف حرارة أو تزال فإنهما يبقيان على نفس الحالة إلى الأبد، لأن مقابل كل كمية متجمدة من السائل تنصهر كمية مماثلة من الصلب. وتُسمى الحرارة التي يجب أن تُضاف لصهر وحدة من مادة ما أو تنقص لتجميدها حرارة الاندماج.
يؤثِّر تركيب المادة على نقطة تجمدها، فالمواد النقية مثل العنصر النقي أو المركب البسيط، تتجمد عند درجة حرارة معينة. وعلى النقيض فإن التركيبات المخلوطة التي تتكون من عدة مواد غير متحدة كيميائيًا تتجمد في درجات حرارة مختلفة؛ فالبرونز، وهو إحدى سبائك النحاس والقصدير، يتصلب عندما تنخفض درجة الحرارة من 1,000°م إلى 800°م.
ويُمكن خفض نقطة تجمد معظم السوائل بإضافة مادة أخرى. وهذه الحقيقة هي أساس استخدام مضاد التجمد في مشْعاع السيارات (الرادييتر) أثناء الشتاء. ويحتوي مضاد التجمد على جلايكول الإثيلين الذي تبلغ نقطة تجمده -13°م. ويتجمد مخلوط من أجزاء متساوية من جلايكول الإثيلين والماء عند حوالي 37°م تحت الصفر.
وقد تؤثر الزيادة الكبيرة في الضغط على نقطة التجمد. وترفع زيادة الضغط نقطة تجمد الذهب والزئبق والمواد الأخرى التي تنكمش عند التجمد. وجميع هذه المواد تتجمد وينقص حجمها. ويُسبب الضغط زيادة هذا النقصان، وبذلك تتجمد المواد عند درجة حرارة فوق نقطة التجمد العادية.
وتسبب زيادة الضغط انخفاض نقطة التجمد لعدد قليل من المواد مثل الإثمد والبزموت والماء. ويزداد حجم هذه المواد وتتمدد عندما تبدأ في التجمد. ويمنع ازدياد الضغط المضاف تغير الحجم وحدوث التمدد عند نقطة التجمد العادية. ونتيجة لذلك يُمكن للمواد أن تتجمد في حالة واحدة فقط وهي عندما تنخفض درجة الحرارة.

» عرض بوربوينت لدرس التناظر حول نقطة