بحث عن درجة الانصهار ودرجة الغليان

مقدمة البحث

الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن المادة من حولنا تتغير حالتها باستمرار، فالجليد يذوب في الشمس، والماء يتحول إلى بخار عند تسخينه، والشمع يسيل قرب اللهب ثم يتجمد. وهذه التحولات لا تحدث عشوائيًا، بل عند درجات حرارة محددة تُعدّ من الخصائص المميّزة لكل مادة، وهي درجة الانصهار ودرجة الغليان. وفي هذا البحث نتعرف عليهما وعلى العوامل المؤثرة فيهما وتطبيقاتهما.

تعريف الموضوع

• درجة الانصهار: هي درجة الحرارة التي تتحول عندها المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة تحت ضغط معين. وتساوي درجة التجمد للمادة النقية نفسها، وهي درجة تحول السائل إلى صلب.
• درجة الغليان: هي درجة الحرارة التي يتحول عندها السائل إلى بخار في كامل كتلته، وذلك حين يتساوى ضغط بخاره مع الضغط الجوي المحيط به.

أهمية الموضوع

تفيدنا درجتا الانصهار والغليان في التعرف على المواد وتمييزها ومعرفة درجة نقائها، وفي كثير من الصناعات كصهر الحديد وسبك المعادن وتقطير النفط وتحلية المياه وصناعة الأغذية. كما أنهما أساس لفهم حالات المادة وتحولاتها في الكيمياء والفيزياء وفي ظواهر الطقس.

أهداف البحث

• التعرف على حالات المادة الثلاث وتحولاتها.
• تفسير معنى درجة الانصهار ودرجة الغليان ورسم منحنى التسخين.
• معرفة درجات الانصهار والغليان لبعض المواد الشائعة.
• بيان العوامل المؤثرة في الدرجتين.
• التفريق بين الغليان والتبخر، وذكر تطبيقات عملية.

عناصر البحث

أولًا: حالات المادة وتحولاتها

تتكون المادة من جسيمات صغيرة جدًا تتحرك باستمرار. في الحالة الصلبة تكون الجسيمات متقاربة جدًا ومرتبة وتهتز في أماكنها فقط، فيكون للصلب شكل وحجم ثابتان. وفي الحالة السائلة تكون أبعد قليلًا وتنزلق فوق بعضها، فيأخذ السائل شكل الإناء وله حجم ثابت. وفي الحالة الغازية تكون متباعدة جدًا وتتحرك بحرية، فلا يكون للغاز شكل ولا حجم ثابت.

وعندما نسخّن المادة تزداد طاقة جسيماتها وسرعة حركتها، فتضعف قوى التجاذب بينها حتى تتغير الحالة. ومن أهم التحولات:

ثانيًا: منحنى التسخين

إذا سخّنا قطعة جليد تسخينًا منتظمًا وسجّلنا حرارتها كل دقيقة، نلاحظ ما يلي:

1. ترتفع درجة حرارة الجليد وهو صلب حتى تبلغ درجة الصفر السيليزي.
2. عند درجة الانصهار تثبت درجة الحرارة رغم استمرار التسخين، لأن الطاقة تُستهلك في كسر الروابط بين جسيمات الصلب وتحويله إلى سائل، وتسمى الحرارة الكامنة للانصهار.
3. بعد انصهار كل الجليد ترتفع درجة حرارة الماء السائل.
4. عند درجة الغليان تثبت درجة الحرارة مرة أخرى مع استمرار التسخين، لأن الطاقة تُستهلك في تحويل السائل إلى بخار، وتسمى الحرارة الكامنة للتبخر.
5. بعد تحول كل الماء إلى بخار ترتفع درجة حرارة البخار.

وهذا يدل على أن المادة النقية تنصهر وتغلي عند درجة حرارة ثابتة لا تتغير أثناء التحول.

ثالثًا: درجات الانصهار والغليان لبعض المواد

القيم الآتية تقريبية وعند الضغط الجوي المعتاد، ووحدتها الدرجة السيليزية:

نلاحظ من الجدول أن الزئبق سائل في درجة حرارة الغرفة لأن درجة انصهاره أقل من الصفر، وأن الأكسجين والنيتروجين غازان لأن درجة غليانهما أقل بكثير من حرارة الغرفة، وأن الفلزات تحتاج إلى حرارة عالية جدًا لتنصهر.

رابعًا: العوامل المؤثرة في درجتي الانصهار والغليان

• نوع المادة وقوى التجاذب بين جسيماتها: كلما كانت القوى بين الجسيمات أقوى كانت الدرجتان أعلى. فالمركبات الأيونية كملح الطعام والمواد الفلزية ترتفع درجة انصهارها، بينما المواد التي قواها ضعيفة كالأكسجين تنخفض درجتاها.
• الضغط الجوي: تقل درجة غليان الماء كلما ارتفعنا عن سطح البحر لأن الضغط الجوي يقل، فيغلي الماء على قمة جبل عالٍ عند درجة أقل من مائة. وبالعكس تزيد درجة الغليان داخل قدر الضغط فيُطهى الطعام أسرع.
• الشوائب: وجود مادة ذائبة في السائل يرفع درجة غليانه ويخفض درجة تجمده، ولذلك يُرش الملح على الطرق المثلجة لإذابة الجليد. ولا تثبت درجة حرارة المخلوط أثناء التحول، بل تتغير في نطاق.
• مساحة السطح وسرعة التسخين: لا تغيّر درجة الغليان نفسها، لكنها تؤثر في سرعة الوصول إليها.

خامسًا: الفرق بين الغليان والتبخر

سادسًا: تطبيقات عملية

• تمييز المواد: تُستعمل درجة الغليان أو الانصهار للتعرف على مادة مجهولة ومعرفة نقاوتها.
• التقطير: يُفصل مخلوط سوائل عن طريق اختلاف درجات غليانها، كما في تقطير النفط الخام لاستخراج البنزين والكيروسين والديزل، وفي تحلية ماء البحر.
• الصناعة: تُصهر المعادن وتُصبّ في قوالب، ويُختار المعدن في الصناعة بحسب درجة انصهاره.
• الأجهزة الحرارية: يُستعمل الزئبق والكحول الملوّن في بعض موازين الحرارة لأن درجة تجمدهما منخفضة.
• الطهي والحفظ: قدر الضغط يرفع درجة غليان الماء فيطهو الطعام أسرع، والتجميد يحفظ الأغذية.

سابعًا: نشاط عملي مقترح

يمكن تنفيذ نشاط بسيط في المختبر بإشراف المعلم: نضع مكعبات جليد في كأس زجاجي بداخله ميزان حرارة، ونسخّنها بلهب هادئ، ونسجل درجة الحرارة كل نصف دقيقة. نرسم العلاقة بين الزمن ودرجة الحرارة فنحصل على منحنى فيه مرحلتان ثابتتان، الأولى عند الانصهار والثانية عند الغليان. ويجب الانتباه إلى السلامة، وعدم لمس الزجاج الساخن، واستخدام نظارات الوقاية.

النتائج

• درجة الانصهار هي درجة تحول المادة من صلب إلى سائل، ودرجة الغليان هي درجة تحول السائل إلى بخار في كامل كتلته.
• تبقى درجة حرارة المادة النقية ثابتة أثناء الانصهار والغليان رغم استمرار التسخين.
• تتأثر الدرجتان بقوى التجاذب بين الجسيمات وبالضغط وبالشوائب.
• لهما تطبيقات في الصناعة والتقطير وتمييز المواد.

التوصيات

• إجراء التجارب العملية على تغير حالات المادة بإشراف المعلمين.
• الاهتمام بالتفريق بين المفاهيم المتشابهة كالغليان والتبخر.
• الاطلاع على الجداول العلمية الموثوقة عند الحاجة إلى القيم الدقيقة لدرجات الانصهار والغليان.

الخاتمة

تعرّفنا في هذا البحث على درجة الانصهار ودرجة الغليان، وفهمنا كيف تتحول المادة بين حالاتها، وما العوامل التي تؤثر في هاتين الدرجتين، وبعض تطبيقاتهما في حياتنا. وهذه الظواهر من آيات الله في الكون، فدقة قوانين المادة تدل على عظمة خالقها سبحانه وتعالى.

المراجع

• كتب الكيمياء والفيزياء للمرحلتين المتوسطة والثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• CRC Handbook of Chemistry and Physics، الجداول المرجعية لثوابت المواد.
• كتب الكيمياء العامة الجامعية في موضوع حالات المادة.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، درجة الانصهار ودرجة الغليان