مقدمة
عند تطبيق الحرارة على مادة صلبة، فإنها تبدأ في التحول إلى الحالة السائلة عند درجة حرارة معينة تعرف بنقطة الذوبان. تختلف درجة الذوبان من مادة إلى أخرى، وذلك لتأثرها بعدة محددات. في هذا المقال، سنستعرض هذه المحددات بالتفصيل.
تأثير الضغط الجوي
يلعب الضغط الجوي دورًا حيويًا في تحديد درجة الذوبان للمادة. كلما ازداد الضغط الواقع على المادة، يميل ذلك إلى خفض درجة ذوبانها. بعبارة أخرى، تحتاج المادة إلى حرارة أقل للانصهار تحت ضغط مرتفع.
بشكل عام، تؤدي زيادة الضغط إلى تقارب الجزيئات من بعضها البعض، مما يسهل عملية التحول من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة.
دور قوى التجاذب بين الجزيئات
تعتبر قوى التجاذب بين الجزيئات من العوامل الحاسمة التي تؤثر على درجة الذوبان. كلما كانت قوى التجاذب أقوى، ارتفعت درجة الحرارة اللازمة لكسر هذه الروابط وتحويل المادة إلى سائل. المركبات الأيونية، على سبيل المثال، تتميز بدرجات ذوبان عالية جدًا بسبب القوى الكهروستاتيكية القوية التي تربط الأيونات ببعضها.
المركبات العضوية التي تترابط بقوى قطبية، وخاصة الروابط الهيدروجينية، تظهر أيضًا درجات ذوبان عالية. المواد القطبية تميل إلى أن تكون لها درجات ذوبان أعلى من المواد غير القطبية ذات الأحجام المماثلة.
على سبيل المثال، تبلغ درجة ذوبان مركب أحادي كلوريد اليود، وهو مركب قطبي، حوالي 27 درجة مئوية. في المقابل، تبلغ درجة ذوبان البروم، وهو مادة غير قطبية، حوالي -7.2 درجة مئوية.
تأثير شكل وحجم الجزيئات
يؤثر شكل وحجم الجزيئات على درجة الذوبان. المواد التي تكون جزيئاتها متراصة بإحكام مع فراغات صغيرة بينها تميل إلى أن تكون لها درجات ذوبان أعلى. على سبيل المثال، جزيئات النيوبنتان المتناظرة لها درجة ذوبان أعلى من الأيزوبنتان، حيث تكون الفراغات بين الجزيئات أكبر.
كما أن حجم الجزيئات يؤثر على درجة الذوبان. الجزيئات الأصغر حجمًا تذوب في درجات حرارة أقل من الجزيئات الأكبر حجمًا. على سبيل المثال، تذوب جزيئات الإيثانول عند درجة حرارة -114.1 درجة مئوية، بينما تذوب جزيئات السليلوز الإيثيلي الأكبر حجمًا عند درجة حرارة 151 درجة مئوية.
الجزيئات الكبيرة تتكون من العديد من الذرات اللافلزية التي ترتبط ببعضها البعض بروابط تساهمية قوية، مثل الماس والسيليكا والجرافيت. هذه المواد لها درجات ذوبان عالية جدًا لأنها تتطلب كسر هذه الروابط التساهمية القوية قبل أن تنصهر.
أهمية نقاء المادة
عندما تكون المادة مكونة من عنصر واحد فقط، تكون عملية الذوبان متجانسة للغاية. ولكن، إذا كانت المادة تتكون من عدة عناصر مختلفة، فإن كل عنصر سيكون له درجة ذوبان مختلفة.
هذا يجعل عملية الذوبان غير متجانسة. يعتمد العلماء على هذه المعلومة لتحديد نقاء المادة. إذا انصهرت المادة عند درجة حرارة محددة، فهذا يدل على نقائها. أما إذا انصهرت عند نطاق واسع من درجات الحرارة، فهذا يشير إلى أنها تتكون من خليط من المواد.
تأثير وجود الشوائب
المواد الصلبة التي تحتوي على شوائب تذوب في درجات حرارة منخفضة وعلى نطاق أوسع من درجات الحرارة، وهو ما يُعرف بنقطة انخفاض درجة الذوبان. في المقابل، المواد الصلبة النقية تذوب ضمن نطاق ضيق من درجات الحرارة يتراوح بين 1-2 درجة مئوية.
يُطلق على هذا النطاق اسم درجات الذوبان الحادة، ويُعد وجود الشوائب سببًا لحدوث عيوب في هيكل الجزيئات، مما يسهل التغلب على قوى الترابط بينها. نقطة الذوبان الحادة تعتبر مؤشرًا على نقاء العينة.
النطاق الواسع لدرجات الذوبان يشير إلى وجود شوائب في المادة. على سبيل المثال، البلورات العضوية النقية تحتوي على جزيئات موحدة ولا تحتوي على فراغات. ولكن، إذا كانت هذه البلورات موجودة في خليط مكون من جزيئين عضويين مختلفين، فإنها تصبح غير نقية.
ذلك لأنها لا تتوافق جيدًا مع بعضها البعض، وبالتالي فإن المواد النقية تحتاج إلى درجات حرارة أعلى للانصهار مقارنة بالمواد غير النقية.
