( یزداد حجمه اذا تحول من الحالة السائلة الى الصلبة )

( یزداد حجمه اذا تحول من الحالة السائلة الى الصلبة )

الحجم المولي والعلاقة بين الحالة السائلة والصلبة

في الكيمياء، يشير الحجم المولي إلى الحجم الذي تشغله مول واحد من مادة ما عند درجة حرارة وضغط محددين. في التحولات بين الحالة السائلة والحالة الصلبة، يتغير حجم المادة بشكل ملحوظ، مما يؤثر على خصائصها.

الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة

عندما يتحول السائل إلى مادة صلبة، تنخفض درجة حرارته وتتباطأ حركة جزيئاته. تتقارب الجزيئات وتتخذ ترتيبًا أكثر انتظامًا، مما يؤدي إلى زيادة في الكثافة. وبما أن الكثافة تساوي الكتلة لكل وحدة حجم، فإن زيادة الكثافة تعني انخفاضًا في الحجم.

يرجع الانخفاض في الحجم إلى انخفاض المساحة الفارغة بين الجزيئات في الحالة الصلبة. في السائل، تكون الجزيئات متباعدة وأكثر حركية، مما يخلق مساحة فارغة كبيرة. في المقابل، في المادة الصلبة، تكون الجزيئات مضغوطة معًا بشكل وثيق، مما يقلل من المساحة الفارغة.

يُعرف التغير في حجم المادة عند انتقالها من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة بـ “التقلص عند التجمد”. يعد التقلص عند التجمد خاصية مهمة للعديد من المواد، بما في ذلك الماء. عندما يتجمد الماء، فإنه ينكمش بنسبة 9% تقريبًا، مما يؤدي إلى تكوين الجليد أقل كثافة من الماء السائل.

الاستثناءات على التقلص عند التجمد

بينما تقلص معظم المواد عند التجمد، إلا أن هناك استثناءات ملحوظة. بعض المواد، مثل الماء الثقيل والسيليكون والالجاليوم، تتمدد عند التجمد. ويعزى هذا إلى تكوين هياكل جزيئية فريدة في الحالة الصلبة والتي تشغل مساحة أكبر من الحالة السائلة.

في حالة الماء الثقيل، على سبيل المثال، ترتبط ذرات الديوتيريوم (نظير الهيدروجين) برابطة هيدروجينية أقوى من ذرات الهيدروجين العادية. هذا يجعل بنية الجليد أكثر فضفاضة، مما يؤدي إلى تمدد الماء عند التجمد.

أهمية التقلص عند التجمد

يعتبر التقلص عند التجمد خاصية مهمة في العديد من العمليات الطبيعية والصناعية. فيما يلي بعض الأمثلة على أهمية التقلص عند التجمد:

• انتشار الجليد: يتسبب التقلص عند التجمد في انبعاث الجليد، مما يؤدي إلى تكوين شقوق وأنهار جليدية.
• تلف النباتات: عندما تتجمد المياه داخل خلايا النبات، فإنها تتوسع وتتسبب في تمزق الخلايا، مما يؤدي إلى تلف النباتات.
• إنتاج الأسمنت: يستخدم التقلص عند التجمد في إنتاج الأسمنت، حيث يتسبب في انكماش الخرسانة أثناء تصلبها، مما يزيد من قوتها.

الحجم المولي للمواد الصلبة والسائلة

يوفر الحجم المولي معلومات مهمة عن كثافة وتعبئة الجزيئات في المادة. عند مقارنة المواد الصلبة والسائلة لنفس المادة، يكون الحجم المولي للمادة الصلبة عمومًا أقل من الحجم المولي للمادة السائلة.

والسبب في ذلك هو أن الجزيئات في المادة الصلبة تكون مضغوطة معًا بشكل أكثر إحكامًا، مما يقلل من المساحة الفارغة. وعلى النقيض من ذلك، فإن الجزيئات في السائل تكون أكثر تباعدًا وأكثر حركة، مما يؤدي إلى زيادة المساحة الفارغة.

يُعبر عن الحجم المولي للمادة باللتر لكل مول (لتر/مول). يمكن حسابه باستخدام المعادلة التالية:

الحجم المولي = الكتلة المولية / الكثافة

علاقة الحجم المولي بالترابط الكيميائي

بالإضافة إلى الحالة الفيزيائية، يتأثر الحجم المولي أيضًا بالترابط الكيميائي للمادة. المواد ذات الروابط الكيميائية الأقوى لها حجم مولي أصغر من المواد ذات الروابط الأضعف.

والسبب في ذلك هو أن الروابط الكيميائية الأقوى تميل إلى سحب الإلكترونات نحو الأنوية بشكل أقوى. هذا يقلل من حجم السحابة الإلكترونية حول كل ذرة، مما يؤدي إلى تقريب الجزيئات من بعضها البعض.

على سبيل المثال، يكون الحجم المولي للميثان (CH4) أقل من الحجم المولي لثاني أكسيد الكربون (CO2). وذلك لأن الروابط الكيميائية في الميثان أقوى من تلك الموجودة في ثاني أكسيد الكربون.

العلاقة بين الحجم المولي والخصائص الفيزيائية

يؤثر الحجم المولي للمادة على العديد من خصائصها الفيزيائية، بما في ذلك الكثافة ونقطة الانصهار ونقطة الغليان.

المواد ذات الحجم المولي الأصغر تكون عادة أكثر كثافة من المواد ذات الحجم المولي الأكبر. السبب في ذلك هو أن الجزيئات في المواد ذات الحجم المولي الأصغر تكون مضغوطة معًا بشكل أكثر إحكامًا، مما يؤدي إلى زيادة الكثافة.

بالإضافة إلى ذلك، تكون المواد ذات الحجم المولي الأصغر لها عادةً نقاط انصهار ونقاط غليان أعلى من المواد ذات الحجم المولي الأكبر. السبب في ذلك هو أن الروابط الكيميائية الأقوى اللازمة لتقريب الجزيئات معًا تتطلب طاقة أكبر لفصلها.

الخلاصة

يلعب الحجم المولي دورًا مهمًا في فهم خصائص المادة وسلوكها. وعند الانتقال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة، يتغير الحجم المولي للمادة بشكل ملحوظ، ما يؤثر على خصائصها الفيزيائية. إن فهم التغيرات في الحجم المولي عند حدوث التحولات بين الحالة السائلة والحالة الصلبة أمر مهم في العديد من العمليات الطبيعية والصناعية.