מצבי צבירה

הכל סביבכם עשוי מחלקיקים זעירים — אלו יכולים להיותאטומים,מולקולות, אויונים. התיאוריית החלקיקים הקינטית טוענת שחלקיקים אלו תמיד נעים. כמות הקרבה בין החלקיקים, האופן שבו הם מסודרים ואופן התנועה שלהם קובעים האם חומר הואמוצק,נוזל, אוגז.

תכונות שניתן לצפות בהן

אינכם זקוקים למיקרוסקופ כדי להבחין בין שלושת המצבים. הם מתנהגים בצורות שונות:

• למוצק יש צורה קבועה ונפח קבוע. הוא אינו זורם ואי אפשר לדחס אותו (ללחוץ אותו לקטן יותר).
• לנוזל יש נפח קבוע אך אין לו צורה קבועה. הוא זורם לוקח את צורת הכלי בו. קשה מאוד לדחס אותו.
• לגז אין צורה קבועה ואין לו נפח קבוע. הוא זורם ומתפשט כדי למלא את כל הכלי. גז קל לדחיסה.

הטבלה להלן מסיכמת תכונות אלו.צפיפות משמעות כמהמסה דחוסה בתוך נפח נתון.

תמונת החלקיקים

תאוריית החלקיקים הקינטיסית מסבירה תכונות אלו על ידי הבטחה לשלושה דברים: המרווח בין החלקיקים (כמה רחוק הם זה מזה), ה-סידור שלהם (התבנית) וה-תנועה שלהם (איך הם זזים).

כוחות משיכה חזקים מחזיקים את החלקיקים יחד. במוצק כוחות אלו חזקים מספיק כדי להחזיק כל חלקיק במקומו, ולכן למוצק יש צורה קבועה. בנוזל הכוחות חלשים יותר, ולכן החלקיקים יכולים לנוע. בגז החלקיקים זזים כל כך מהר שכוחות המשיכה פועלים עליהם רק לעיתים רחוקות, ולכן הגז מתפשט.

כשאתה מחמם או מקרר חומר, הוא יכול להשתנות ממצב אחד לאחר. עליך לדעת את שם כל שינוי.

מוצק טהור נמס בטמפרטורה קבועה אחת, נקודת ההתכה. נוזל טהור רותח בטמפרטורה קבועה אחת, נקודת הרתיחה. אותו חומר מתקרש בנקודת ההתכה שלו ומתעבה בנקודת הרתיחה שלו.

כמה חומרים משנים מצב ישירות ממוצק לגז מבלי להמיס תחילה. תהליך זה נקרא התגברות. בתמונה למטה, יודין מוצק מחומם במבחנה הופך ישירות לגז סגול; הגז מתקרר על גבי הבקבוק העגול עם הקרח שמעלה וחוזר להיות מוצק.

הסבר שינויי מצב באמצעות תיאוריית החלקיקים

כל שינוי מצב הוא למעשה שינוי ב-אנרגיה של החלקיקים.

• כאשר מחממים מוצק, החלקיקים מקבלים אנרגיה ורוטטים מהר יותר. בנקודת ההתכה לחלקיקים יש מספיק אנרגיה כדי להתנתק ממקומם הקבוע ולהחליק סביבם – המוצק נמס.
• כאשר מחממים נוזל, החלקיקים זזים מהר יותר. בנקודת הרתיחה יש להם מספיק אנרגיה כדי לצאת לחלוטין מכוחות המשיכה ולהפוך לגז.
• קירור עושה את ההפך. החלקיקים מאבדים אנרגיה, זזים לאט יותר, וכוחות המשיכה מושכים אותם חזרה יחד.

במהלך שינוי מצב האנרגיה הולכת לשבור את כוחות המשיכה, ולא לשגר את החלקיקים להזזה מהירה יותר. זוהי הסיבה שהטמפרטורה נשארת קבועה בזמן שהחומר נמס או רותח.

עקומי חימום וקירור

עקומת חימום היא גרף של טמפרטורה לפי זמן בעת חימום חומר בצורה אחידה. עקומת קירור היא אותו גרף כאשר החומר מתקרר.

בעקומת חימום ישנם שני חלקים שטוחים (אופקיים):

• החלק השטוח הראשון נמצא בנקודת ההיתוך. כאן קיימים גם מצב מוצק וגם נוזלי. אנרגיית החום שוברת את הכוחות המחזיקים את המוצק יחד, ולכן הטמפרטורה אינה עולה.
• החלק השטוח השני נמצא בנקודת הרתיחה. כאן קיימים גם מצב נוזלי וגם גז, והטמפרטורה נשארת שוב קבועה.

עקומת קירור היא ההפך. יש בה חלק שטוח בנקודת הרתיחה (הגז מתעבה) וחלק שטוח בנקודת ההיתוך (הנוזל קופא). כשהחלקיקים מאיטים, אנרגיה תרמית משתחררת לסביבה.

גז לוחץ על קירות המיכל שלו. הלחץ הזה, המפורסם על פני השטח של הקיר, הוא הלחץ של הגז. הלחץ נובע מחלקיקי הגז הפוגעים בקירות.

השפעת טמפרטורה

אם מחממים מסת גז קבועה תוך שמירה על לחץ זהה, הנפח שלהם גדל.

על פי תורת החלקיקים: חימום מעניק לחלקיקים יותר אנרגיה קינטית, ולכן הם נעים מהר יותר. הם פוגעים בקירות בחוזקה ובתדירות רבה יותר. כדי לשמור על לחץ זהה, הגז צריך לתפוס מקום רב יותר, ולכן הנפח גדל.

אם במקום זאת הנפח קבוע (מיכל סגור וקשיח), חימום הגז גורם לעליית הלחץ, מכיוון שחלקיקים מהירים יותר מתנגשים בקירות בחוזקה ובתדירות רבה יותר.

השפעת לחץ

אם מגבירים את הלחץ על מסת גז קבועה תוך שמירה על טמפרטורה זהה, הנפח שלהם קטן. דחיסת הגז למרחק קטן יותר אומרת שהחלקיקים פוגעים בקירות בתדירות רבה יותר, וזהו בדיוק משמעותו של לחץ גבוה יותר.

פיזור הוא התפשטות חלקיקים מאזור שבו הם צפופים לאזור שבו הם מפוזרים — כלומר, מאזור עם ריכוז גבוה לאזור עם ריכוז נמוך. זה קורה כי חלקיקים נעים באופן רנדומלי בכל עת.

פיזור מסביר מד можно להריח מזון מרחוק בחדר: חלקיקי הריח נעים ומתערבלים עם האוויר עד שהם מגיעים לאף שלך. פיזור מתרחש בגזים ובנוזלים, אך לא במוצקים, כי חלקיקי מוצקים אינם יכולים לנוע ממקום למקום.

קצב פיזור ומסת מולקולרית

חלקיקי גז קלים נעים מהר יותר מחלקיקים כבדים בטמפרטורה זהה. לכן, לגז עם מסה מולקולרית יחסית קטנה (מסה קטנה יותר לכל מולקולה) יש קצב תפוצה מהיר יותר.

ניסוי קלאסי מדגים זאת. צמר ספוג ב-אמוניה ($\text{NH}_3$) מונח בקצה אחד של צינור זכוכית ארוך. צמר ספוג ב-כלוריד מימן ($\text{HCl}$) מונח בקצה השני. שני הגזים מתפוצים לאורך הצינור ומתנגשים ליצירת טבעת לבנה של כלוריד אמוניום ($\text{NH}_4\text{Cl}$).

לעומת אמוניה יש לה $M_r = 17$ ולכלוריד המימן יש $M_r = 36.5$. האמוניה קלה יותר, ולכן היא מתפשטת מהר יותר ועוברת מרחק רב יותר לאורך הצינור. הטבעת הלבנה נוצרת קרוב יותר לקצה כלוריד המימן.

דוגמה עבודה. ברומ ($M_r = 160$) ואמוניה ($M_r = 17$) משוחררים בו-זמנית מקצוות נגדיים של צינור ארוך. איזה מהם עובר מרחק רב יותר לפני שהם מתנגשים? השוו את המסה המולקולרית היחסית. ה-$M_r$ של האמוניה קטן משמעותית, ולכן המולקולות שלה נעות מהר יותר באותה טמפרטורה והיא מתפשטת מהר יותר. לפיכך, האמוניה עוברת מרחק גדול יותר, ושני הגזים נפגשים קרוב יותר לקצה הברומ. הכלל הוא תמיד "קל = מהר" - הסבר מבוסס על $M_r$, לעולם לא על גודל הנוסחה על הנייר.

• במהלך המיסה והרתיחה הטמפרטורה נשארת קבועה (החלקים השטוחים בעקומת החימום), מכיוון שהאנרגיה שוברת את הכוחות בין החלקיקים במקום להאיץ אותם.
• התאדות מתרחשת רק בשטח ובכל טמפרטורה; רתיחה מתרחשת בכל עומק הנוזל בטמפרטורה קבועה אחת.
• הסבר התנהגות גזים באמצעות תורת החלקיקים: חימום גז בנפח קבוע מגביר את הלחץ מכיוון שהחלקיקים פוגעים בקירות בחוזקה ובתדירות גבוהה יותר — החלקיקים עצמם אינם הופכים לגדולים יותר.
• תפוצה היא מהירה יותר לחלקיקים קלים ($M_r$ קטן יותר) ואינה יכולה להתרחש במצוקים. בצינור האמוניה/כלוריד המימן, האמוניה הקלה עוברת מרחק רב יותר, ולכן הטבעת הלבנה נוצרת קרוב יותר לקצה HCl.