– نعرف جمیعاً أن الملابس المبللة بالماء، عند تعلیقھا في الھواء، تفقد ما بھا من ماء تدریجیاً، ثم تجف تماماً في نھایة الأمر.
– تعريف التبخر: تسمى عملیة تحرر السائل وتحوله إلى غاز بالتبخر Evaporation or Vaporizationویسمى الغاز المتكون بھذه الطریقة بالبخار Vapour or Vapor
سرعة التبخر للسوائل تعتمد على قوى التجاذب بين جزيئات السائل
– مقارنة سرعة تبخر البنزين والماء – الإيثر والماء تتبخر السوائل (تتحول للحالة الغازیة). ولكي تحدث ھذه العملیة لا بد أن تصل طاقة حركة الجزیئات الى حد یفوق قوى الجذب بینها.
– تختلف سرعة (معدل) تبخر السائل تبعاً لاختلاف السائل (علل)، لأن قوى التجاذب بین الجزیئات تختلف من سائل الى آخر.
مثال توضيحي
– إذا وضعت كمية معينة من البنزين (C6H6) في كأس معرض للهواء (كأس مفتوح) سوف یتبخر البنزین خلال وقت معین ثم یختفي منه تماماً بمرور الوقت.
– ولو وضعت نفس الكمیة من الماء في كأس مفتوح لاستغرق التبخر زمناً أطول من الزمن اللازم لتبخر البنزین وھذا سببه أن قوى التجاذب بین جزیئات الماء أكبر من قوى التجاذب بین جزیئات البنزین.
– ومثال ذلك كل من الإیثر CH3CH2OCH2CH3 والماء (H2O)ففي حالة الإیثر تكون قوى التجاذب بین جزیئاته ضعیفة الى حد ما، ولھذا لا تحتاج جزیئات الإیثر إلى طاقة عالیة كي نتغلب على قوى التجاذب الضعیفة الواقعة بینھا.
أما في حالة الماء، فإن قوى التجاذب بین جزیئاته عالیة. ولھذا تحتاججزیئات الماء التي قد تھرب من سطحه وتتحول الى بخار، الى طاقة أعلى بكثیر من مثیلتھا في حالة الإیثر. ولھذا السبب فإنه عند نفس درجة الحرارة یعد الإیثر أكثر تطایراً وأعلى في ضغطه البخاري من الماء.
علاقة سرعة التبخر بدرجة الحرارة
– ونظراً لأن الطاقة الحركیة لجزیئات المادة تتناسب تناسباً طردیاً مع درجة الحرارة، فإن الطاقة الحركیة لجزیئات السائل تزداد بزیادة درجة الحرارة، بذلك یزداد تبخر السائل.
– وعند ثبوت درجة الحرارة لا تكون الطاقة الحركیة لجمیع جزیئات السائل متساویة. أي أنھا لا تنطلق جمیعاً بسرعة واحدة، بل تكون ھناك بعض الجزیئات التي تقل طاقتھا الحركیة عن متوسط الطاقة الحركیة لأغلب جزیئات السائل. كما أن ھناك نسبة أخرى من الجزیئات تكون طاقتھا الحركیة أعلى من ھذا المتوسط .
– وتستطیع بعض ھذه الجزیئات ذات الطاقة الحركیة العالیة أن تتغلب على قوى التجاذب بینھا وبین بقیة جزیئات السائل، وأن تھرب من سطح السائل صاعدة الى الفراغ الواقع فوق ھذا السطح.
الجزيئات التي تتكثف بعد تبخرها
وعندما یزدحم الفراغ فوق السائل بجزیئات السائل الھاربة، تحدث بینھا بعض الإصطدامات، مما یقلل من الطاقة الحركیة لبعض ھذه الجزیئات، فتعود مرة أخرى الى سطح السائل .
حالة الإتزان في وعاء مغلق
وفي إناء مغلق تحدث حالة اتزان بین عدد الجزیئات التي تترك سطح السائل، وبین عدد الجزیئات التي تعود إلیه في وحدة الزمن.
العلاقة بين درجة الحرارة والضغط البخاري – درجة الحرارة وكمية السائل:
وتشكل الجزیئات التي تبقى (لا تتبخر) الضغط البخاري للسائل، وتزید نسبة ھذه الجزیئات بارتفاع درجة الحرارة، وتقل بانخفاضھا.
ولھذا فإن الضغط البخاري للسائل لا یعتمد على كمیة السائل، لكنه یعتمد أساساً على درجة الحرارة .
انخفاض درجة حرارة السائل الذي تتبخر جزيئاته
إن ھروب بعض الجزیئات عالیة الطاقة من سطح السائل سوف یؤدي إلى خفض متوسط الطاقة الحركیة للجزیئات التي تبقى في ھذا السائل. ویترتب على ذلك أن عملیة التبخر تؤدي الى خفض درجة حرارة السائل.
أسئلة هامة
(1) لماذا تتبخر السوائل تلقائیاً عند درجة حرارة الغرفة؟
الإجابة: لأن جزیئات السائل في حركة مستمرة، وبعض الجزیئات لھا سرعات كبیرة أي طاقة حركیة مرتفعة ، وھذه الجزیئات التي لھا طاقة حركیة مرتفعة یمكنھا أن تتغلب على قوى التجاذب بین جزیئات السائل وتھرب من سطح السائل (تتبخر)، بشرط أن تكون قریبة من السطح. وعندما یفقد السائل جزیئاته ذات الطاقة الحركیة المرتفعة فإن درجة حرارة السائل تنخفض. لذا یمتص السائل حرارة من الوسط المحیط (الجو المحیط) فتزداد الطاقة الحركیة لبعض الجزیئات فتتبخر، وتستمر ھذه العملیة حتى یتبخر كل السائل.
(2) علل : تنخفض درجة حرارة السائل عندما تتبخر جزیئات السائل؟
الإجابة: بعض الجزیئات تكون أكثر سرعة. وعندما تصل الى السطح تكون طاقة حركتھا كافیة للتغلب على قوى جذب الجزیئات السطحیة المحیطة فتترك سطح السائل على ھیئة بخار وتكون السرعة المتوسطة للجزیئات المتبقیة أقل، فتنخفض درجة حرارة السائل ونتیجة لامتصاص السائل حرارة من الجو المحیط، فإن ھی ستمر في طرد بعض الجزیئات على ھیئة بخار، وھكذا حتى ینتھي كل السائل.
(3) علل : بعد الإستحمام نشعر بالبرودة؟
الإجابة: لأن الماء عندما یتبخر من على أجسامنا یسحب حرارة منھا فنشعر بالبرد. ومثله العرق الذي یخرج من أجسامنا، فعندما یتبخر یساعد الجسم على المحافظة على درجة حرارة.
وصف مواضع الجزيئات في سائل وقوى التجاذب الواقعة عليها
– ھناك جزیئات تعاني من قوى التجاذب من مختلف الاتجاھات (كما بالشكل (أ) )، وجزیئات أخر لا تعاني إلا من اتجاھات أقل (كما بالشكل ب، ج)، إضافة الى ذلك تختلف ھذه الجزیئات في اتجاھات حركتھا.
– نسبة معینة من ھذه الجزیئات ستكون ذات سرعة عالیة. وجزءاً من ھذه النسبة سیكون اتجاھه نحو الحد الفاصل بین سطح السائل والمحیط الخارجي. وھذا الجزءسیكون قادراً على أن یتحرر من السائل متجاوزاً الحد الفاصل ومتحولاً الى جزيءغازي.
– وبعض الجزیئات المتحررة ذات سرعة حركة منخفضة مما یتیح الفرصة لجزیئات السائل السطحیة لجذب ھذه الجزیئات وتحویلھا الى جزیئات سائلة.
العوامل المؤثرة على التبخر Factors affecting evaporation
(أ) طبیعة السائل (تباین قوى ترابط المادة) (قوى التجاذب بین الجزیئات)
– ھناك قوى جذب مختلفة تربط الجزیئات مع بعضھا البعض مثل قوى فان درفالز والرابطة الھیدروجینیة والاستقطاب ، فكلما كانت قوى التجاذب بین جزیئات السائل ضعیفة تزداد سرعة التبخر، فمثلاً الجزیئات القطبیة أقل تطایراً (تبخراً) من الجزیئات غیر القطبیة. من ھنا كلما كانت قیمة القوى التي تربط الجزیئات كبیرة أصبح التبخر بطیئاً والعكس صحیح.
– والشكل التاليیقارن بین سائلین عند درجة الحرارة نفسھا. ففي أحدھما (السائل أ)، تكون قوى التجاذب قویة جداً، بحیث أن الجزیئات ذات السرعة العالیة فقط ھي التي تمتلك من الطاقة الحركیة ما یكفي للتغلب على التجاذبات والتمكن من الإنفلات. وھناك القلیل من ھذه الجزیئات نسبیاً، وبھذا یكون معدل التبخر بطیئاً.
– أما في السائل الآخر (السائل ب)، فقوى التجاذب ضعیفة. وجزء أكبر بكثیر تتوافر له الطاقة اللازمة للإنفلات.
لذلك یتبخر ھذا السائل بسرعة أكبر، وقوى التجاذب في معظم المواد الصلبة أكبر بكثیر منھا في السوائل، وھذا ھو سبب عدم تبخر المواد الصلبة بسھولة .
(ب) وجود تیارات ھوائیة ناقلة للأبخرة
وھذا یعني أنه إذا حملت جزیئات السائل المتبخرة بعیداً عن السطح یزداد معدل التبخر وتنخفض تبعاً لذلك درجة الحرارة.
(جـ) درجة الحرارة
– فكلما زادت درجة الحرارة تزداد سرعة التبخر. وذلك لزیادة الطاقة الحركیة للجزیئات التي تستطیع التغلب بفعلھا على قوى جذب الجزیئات الأخرى.
– ویلاحظ أن التبخیر یتم مھما كانت درجة الحرارة (حتى عند درجة حرارة الغرفة) إلا أن ارتفاع درجة حرارة السائل یزید من سرعة تبخره.
– فكلنا یعلم أن الماء الفاتر یتبخر أسرع من الماء البارد ویمكن رؤیة السبب في الشكل التالي.
لاحظ بأن المساحة المظللة تحت المنحنى والتي تساوي الكسر الإجمالي من الجزیئات التي تمتلك طاقة حركیة كافیة للإنفلات من السائل، أكبر عند درجة الحرارة الأعلى. ففي خلال مدة زمنیة معینة، یتبخر عدد أكبر من الجزیئات لمجرد امتلاكھا لطاقة كافیة للإنفلات.
– وعند رفع درجة الحرارة لسائل في إناء مغلق فإنه ینشأ وضع اتزان جدید یكون الضغط البخاري للسائل عنده أعلى. ویوضح الشكل التالي أنه في الحالة الأولى، حيث درجة الحرارة t1 يكون الضغط مساوياٍ (0.5 atm) وعندما رفعت درجة الحرارة إلى (t2) يزداد الضغط البخاري إلى (1 atm)
الضغط البخاري لسائل لا يعتمد على كميته
وتجدر الإشارة الى أن الضغط البخاري لسائل عند أي درجة حرارة یكون كمیة ثابتة، لا تعتمد على كمیة السائل، أو البخار الموجودین في الإناء المغلق واللذین یكونان في وضع اتزان مع بعضھما.
درجة الحرارة الحرجة والضغط الحرج
– لقد وجد أن الإرتفاع في درجة الحرارة یزید من ضغط بخار المادة فوق سطح السائل.
– یستمر ھذا الإرتفاع إلى أن تصل درجة الحرارة قیمة محدودة لا تزید بعدھا أبداً، حتى لو زاد الضغط الى قیمة عالیة جدا.ً
– تسمى درجة الحرارة في ھذه الحالة بدرجة الحرارة الحرجة. وعندھا لا یكون ھناك وجود للمادة فيالحالة السائلة بل تصبح في ھیئة بخار أو غاز.
– یسمى ضغط بخار السائل عند ھذه الدرجة بالضغط الحرج وھو الضغط الكافي لتكثف المادة.
ثبات درجة الحرارة عند الغليان
إذا تم تسخین السائل في إناء مفتوح تستمر درجة حرارة السائل في الإرتفاع لحین ظھور فقاعات على السطح، وتثبت درجة الحرارة عندھا لفترة طویلة حتى یتبخر ویختفي كل السائل، وعند ھذه الدرجة الثابتة یحدث الغلیان وتسمى بدرجة غلیان السائل.
متى تحدث عملية الغليان لسائل؟
تحدث عملیة الغلیان للسائل عند درجة حرارة معینة یكون فیھا ضغط بخار السائل مساویاً تماماً للضغط فوق سطح السائل. وحینما یكون مقدار الضغط واحد ضغط جوي (1 atm)نسمي درجة الحرارة عند الغلیان بدرجة الغلیان الإعتیادیة (العادیة).
اختلاف الضغوط البخارية باختلاف السوائل
تختلف السوائل المختلفة في قیم ضغوطھا البخاریة المتزنة (الأشكال الآتية) وأنه عند ضغط (1 atm)تختلف نقاط الغلیان العادیة للسوائل باختلاف أنواعھا.
(د) الضغط على سطح السائل
زیادة الضغط على سطح السائل یقلل من سرعة تبخر السائل (علل). وذلك لأن زیادة الضغط على السائل یؤدي الى تكثف الجزیئات المتبخرة الى سائل مرة أخرى .
(هـ) مساحة سطح السائل
– تزداد سرعة التبخر بزیادة مساحة سطح السائل (علل). وذلك لأن زیادة مساحة السطح تجلب عدداً أكبر من الجزیئات ذات الطاقة العالیة الى جوار السطح مما یمكنھا من الإنفلات قبل أن تفقد طاقتھا الحركیة عبر الإصطدامات، حیث أن اصطدام الجزیئات ببعضھا یقلل طاقة الجزیئات التي تحتاجھا لعملیة التبخر، وعلیه فالسطح الأكبر یساعد على عملیة التبخر.
–ولھذا نلاحظ أنه عند جمع ملح كلورید الصودیوم (الملح الصخري) (NaCl) من ماء البحر بواسطة تبخیر الماء فإنھا توضع في برك واسعة المساحة (ذات مسطحات واسعة).
منحنى بولتزمان – ماكسويللتوزيع الطاقة الحركية لجزيئات السائل والبخار عند درجة حرارة معينة
من الشكلین السابقین یمكن استنتاج ما یلي:
(1)(KEL)تمثل أدنى طاقة حركة یجب أن یكون علیھا الجزىء السائل لكي یتمكن من التغلب على قوى التجاذب ومن ثم التبخر، وبما أن درجة الحرارة ثابتة فإن توزیع سرعات الجزیئات سیظل ثابتاً مما یعني أن السائل سیحتوي على نسبة ثابتة من الجزیئات ذات الطاقة (KEL) او أعلى.
(2) (KEg)تمثل أدنى طاقة حركة یجب أن یكون علیھا جزيء البخار لكي یتمكن من مقاومة جذب جزیئات السائل (مقاومة التكثیف) ولكي یبقى على ھیئة جزيء بخار، وبما أن درجة الحرارة ثابتة فإن توزیع السرعات سیظل ثابتاً، مما یعني أن البخار سیحتوي على نسبة ثابتة من الجزیئات ذات الطاقة (KEL) او أعلى.
عملية التبخر عند درجة حرارة ثابتة
الشكل التالي به ثلاثة حالات یمر بھا السائل أثناء تسخینه:
(أ) یمثل إناءً مغلقاً به كمیة معینة من سائل ما عدد الجزیئات المتبخرة فیه یساوي صفراً (حالة ابتدائیة).
(ب) في حالة بقاء درجة الحرارة ثابتة فإن جزیئات السائل ذات طاقة الحركة (KEL)أو أعلى ستبدأ بالتبخر بشكل مستمر ومتواصل. مما یؤدي الى تكوین جزیئات بخار ذات عدد یتزاید تدریجیاً نتیجة لبدء عملیة التبخر واستمراریتھا. من ھذه الجزیئات البخاریة تبدأ تلك التي طاقتھا (KEg)أو أقل بالتكثف. مما یعني أن ثمة جزیئات بخاریة تتحول الى جزیئات سائلة بشكل مستمر. وبما أن البدایة ھي الحالة السائلة فإن سرعة التبخر مقاسة بعدد جزیئات السائل التي تتحول الى بخار في وحدة الزمن تفوق في بدایة العملیة سرعة التكثف (كما یتضح من الشكل ب)
(جـ) بمرور الزمن تبدأ سرعة التبخر بالتناقصوسرعة التكثف بالتزاید، وذلك بشكل تدریجي الى أن تتساوى السرعتان. عندئذ یصل النظام الى حالة اتزان دینامیكي. وذلك لأن العملیتین عند التوازن لم تتوقفا عن الحدوث بل مستمرتان لكن بسرعتین متساویتین (شكل ج).
المراجع: أسس الكيمياء العامة والفيزيائية – الجزء الأول.عمر بن عبد الله الهزازي ، قسم الكيمياء- كلية العلوم – جامعة أم القرى – المملكة العربية السعودية.
تعرف على علم الكيمياء
