תהליך רתיחה ותהליך המסה ברמה המיקרוסקופית

תהליכי רתיחה והמסה של חומרים מולקולריים קשורים לשבירת קשרים בין מולקולות.

היות ותהליכי רתיחה והמסה מתרחשים בטמפרטורת נמוכות ביחס לתהליכים כימיים כגון שריפה, ברור לנו שהאנרגיה שנדרשת לתהליכים אלה נמוכה בהרבה מהאנרגיה הקשורה עם תגובות כימיות בהן יש שבירה של קשרים קוולנטים.

מטרתנו היא להסביר ברמת החלקיקים את התהליכים הללו ולהיות מסוגלים להשוות בין חומרים שונים על סמך המבנה של המולקולות שלהם. בשיעור זה נלמד על שני התהליכים הנ”ל ברמה המיקרוסקופית (חלקיקית). נעסוק בטיבם של הכוחות הפועלים בין מולקולות בשיעורים הבאים.

בסרטון המצורף תוכלו לצפות באנימציה המסבירה את תהליכי האידוי והרתיחה ברמה המיקרוסקופית.

נתחיל בהגדרת כמה מושגים:

תהליך הרתיחה

  1. טמפרטורה של מערכת: טמפרטורה של מערכת היא מדד של אנרגיית התנועה של חלקיקי המערכת. ככל שנוסיף אנרגיה למערכת (חימום) הטמפרטורה תעלה אלא אם כן מתרחש מעבר בין מצבי צבירה.
  2. תהליך אידוי (התנדפות): תהליך האידוי או התנדפות הוא תהליך המתרחש על פני השטח של נוזלים או מוצקים. חלקיקים מפני השטח מתנתקים מהחומר ועוברים למצב גז כתוצאה מאנרגיית התנועה בחומר. 
    בכלי סגור, תהליך האידוי נמשך עד מצב של של לחץ גז קבוע בו מספר החלקיקים שמתנתקים ומתחברים לפני השטח ליחידת זמן מתאזן (שיווי משקל). לחץ זה נקרא לחץ האדים של החומר והוא תלוי בטמפרטורה.
  3. תהליך הרתיחה: תהליך הרתיחה הוא דומה לתהליך האידוי אבל הוא מתרחש בנפח הנוזל. כאשר מחממים נוזל, בכלי פתוח, אנרגיית התנועה של החלקיקים עולה עד לטמפרטורה בה נוצרת בתוך נפח הנוזל בועה. התופעה מתרחשת בגלל שחלקיקים בתוך הנוזל מצליחות להתנתק מכל החלקיקים השכנים שלהם ויש להם מספיק כוח לדחוף את מולקולות הנוזל וליצור אזור במצב גז (בועה).  בנקודת הרתיחה, לחץ האדים של החומר שווה ללחץ החיצוני ומסיבה זו הבועה נוצרת בתוך הנוזל.
  4. למה הטמפרטורה קבועה בתהליך הרתיחה?
    בתהליך הרתיחה, אנרגיית החימום הולכת לניתוק הקשרים בין החלקיקים ולא לאנרכיית התנועה שלהם ולכן הטמפרטורה לא עולה. גם אם ברגע קצר מאוד האנרגיה נקלטת כתנועה של החלקיק היא מנוצלת מהר לאנרגיה לשבירת הקשרים בין החלקיקים ולכן לא נמדד עליה בטמפרטורה.

בפרקים הבאים נלמד על סוגי כוחות בין מולקולות (כוחות בין מולקולריים) ונרצה להשוות בין חומרים שונים. מהסברים שלמדנו בפרק זה ברור שנקודת הרתיחה היא מדד לחוזק הקשרים הבין מולקולריים, כלומר, ככל שהקשרים הבין מולקולריים חזקים יותר, נקודת הרתיחה של החומר תהיה גבוהה יותר. ולכן רוב התרגילים בנושא יתעסקו בנקודות רתיחה של החומרים.

תרגילים

1. לפניכם עקומת חימום של חומר מולקולרי מסוים בלחץ אטמוספרי כפי למדנו במושגי יסוד

א. סמנו על הגרף את נקודת הרתיחה וההתכה של חומר A

ב. רשמו מעל הגרף את מצב הצבירה של החומר בתחומי האנרגיה הבאים:
מתחת ל-A, בין A ל-B, בין B  ל-C, בין C ל-D  ובאנרגיה גבוהה מ-C.

 

עקומת חימום

ג. תבחרו את ההיגד הנכון:

i. בתחום האנרגיה שבין B ל-C האנרגיה לא מספיקה לשבירת הקשרים בין המולקולות  ויצירת בועה בתוך הנוזל
ii. בתחום האנרגיה שבין C ל-D למולקולות יש מספיק אנרגיית תנועה לשבירת הקשרים בין המולקולות ויצירת בועה בתוך החומר
iii. ככל שמחממים את החומר אנרגיית התנועה של המולקולות גדלה ולכן נשברים יותר קשרים ביניהן
vi. כל התשובות נכונות

ד. הסיבה לכך שטמפרטורת החומר לא עולה בתחום בין C ל-D למרות שמחממים את החומר היא:

i. הבועות משחררות אנרגיה לאוויר בזמן רתיחה
ii. מתבזבזת אנרגיה בדחיפת המולקולות ליצירת הבועה
iii. כל אנרגיית החימום מנוצלת לשבירת הקשרים בין המולקולות ולא  הופכת לאנרגיית תנועה שלהן
vi. בזמן הרתיחה הבועות מקלקלות את פעולת מד הטמפרטורה כי יש פחות מגע עם הנוזל

ה. אילו העלינו את הלחץ של הגז מעל לנוזל מה היה קורה עם נקודת הרתיחה?

i. הייתה נשארת אותו הדבר כי הכוחות הבין מולקולריים לא משתנים
ii. הייתה עולה כי נדרשת יותר אנרגיה על מנת לדחוף את המולקולות וליצור את הבועה
iii. בחלק מהחומרים עולה ובחלק יורדת לפי סוג הכוחות הבין מולקולריים
vi. אין מספיק נתונים לענות על שאלה זו.

ו. מה ההסבר לכך שבתערובת כוהל במים רואים שנקודת הרתיחה עולה בזמן החימום במקום להישאר קבועה?
נקודות הרתיחה של מים היא oC 100 ושל כוהל,  oC 78.

i. מתרחשת תגובה כימיה ולתוצרים יש נקודת רתיחה גבוהה יותר
ii. כמות הכוהל בתערובת יורדת כי הוא רותח לפני המים ולכן הכוחות בין החלקיקים בתערובת חזקים יותר
iii. מולקולות הכוהל עולות לפני השטח ויוצרות שכבה המונעת לבועות להשתחרר
vi. כל התשובות נכונות

2. תיארו ברמת הסמל (ניסוח תהליך) את המעברים בין מצבי צבירה הבאים:

א. התוך גופרית (S8)
ב. רתיחת אצטון (CH3COCH3)
ג. רתיחה של גלוקוז (C6H12O6)
ד. המראה של יוד (I2)
ה. התעבות של מי חמצן (H2O2)
ו. התמצקות של חומצת שומן מסוג אומגה 3 (C18H30O2)

3. תיארו במילים שלכם איך מתרחש תהליך האידוי ומה ההבדל בינו לתהליך הרתיחה ברמה המיקרוסקופית?

4. תיארו מה מתרחש בזמן הרתיחה של חומר כלשהו ברמה המיקרוסקופית

תהליך ההמסה

בדומה לתהליך הרתיחה, גם בתהליך ההמסה מתרחשת שבירה של קשרים בין מולקולות. 
חומרים מטבעם שואפים להתערבב כפי שאנו יודעים מתהליך הפעפוע (דיפוזיה) במצב גז אולם ברור לנו שעל מנת שמולקולות של חומר אחד תחדורנה לאזור של חומר אחר נדרשת שבירה של הקשרים המחברים בין המולקולות של אותו חומר.
על מנת ששבירת הקשרים תתבצע בטמפרטורת החדר (כלומר מבלי להכניס למערכת אנרגיית חום כפי שעשינו בתהליך הרתיחה), המולקולות של שני החומרים צריכות ליצור קשרים יחסית חזקים ביניהן כך שכוחות המשיכה החדשים שמפעילות המולקולות יצליחו לשבור את הקשרים הללו ובכך לנתק את המולקולות של החומר השני ולמשוך אותן אל תוך התמיסה.

לצורך הבנת תהליך ההמסה, נגדיר שלושה שלבים שחייבים להתבצע:

א. יצירת קשרים חדשים בין מולקולות שני החומרים
ב. שבירת קשרים קיימים (ישנים) בין מולקולות של כל אחד מהחומרים
ג. עקיפת המולקולה שהתנתקה על ידי מולקולות של החומר השני ומשיכתה אל התמיסה (תערובת)

על מנת ששני החומרים יתמוססו אחד בשני חייבים להתקיים שלושת השלבים. ברור לנו שאם כוחות המשיכה של הקשרים החדשים (שלב א’) חלשים ביחס לכוחות המשיכה של מולקולות החומר השני, החומרים לא יצליחו להתערבב ולכן לא יהיו מסיסים אחד בשני.

בסרטון המצורף תוכלו לראות אנימציה המדגימה את השלבים הללו.

תרגילים

1. המסה של חומר אחד בשני היא יצירת …

א. תערובת אחידה בין שני החומרים
ב. תערובת ברמת החלקיקים כלומר ניתן לראות הבדלי הרכב רק ברמת של החלקיקים
ג. תערובת שלא ניתן לראות הבדלים בעין או בעזרת מיקרוסקופ
ד. כל התשובות נכונות

2. בתהליך המסה של חומר אחד בשני ניתן לתאר שלושה השלבים לפי הסדר הבא:

א. יצירת קשרים חדשים, פירוק קשרים ישנים והקפת מולקולת המומס על ידי מולקולות הממס
ב. שבירת קשרים ישנים, יצירת קשרים חדשים והקפת מולקולות המומס על ידי מולקולות הממס
ג. הקפת מולקולות המומס על ידי מולקולות הממס, שיצירת קשרים חדשים ושבירת קשרים ישנים
ד. הקפת מולקולות המומס על ידי מולקולות הממס, שבירת קשרים ישנים ויצירת קשרים חדשים

3. בתהליך ההמסה, הקשרים החדשים נוצרים בין חלקיקי…

א. הממס והמומס
ב. הממס והממס
ד. המומס והמומס
ה.כל התשובות נכונות

4. בתהליך ההמסה, הקשרים הישנים שנשברים הם בין  …

א. חלקיקי הממס וחלקיקי המומס
ב. חלקיקי הממס 
ג. חלקיקי המומס 
ד. גם בין חלקיקי הממס וגם בין חלקיקי המומס

5. בתהליך ההמסה, החלקיקים המקיפים והחלקיקים המוקפים הם…

א. חלקיקי הממס מקיפים את חלקיקי המומס בלבד
ב. חלקיקי המומס מקיפים את חלקיקי הממס בלבד
ג. גם חלקיקי הממס מקיפים את חלקיקי המומס וגם חלקיקי המומס מקיפים את חלקיקי הממס
ד. אין צורך בהקפת מולקולות המומס על ידי הממס או הממס על ידי המומס

6. ידוע שאתנול (אלכוהול) מתמוסס טוב במים. מה ההיגד הנכון המתאים לתהליך ההמסה ברמה המיקרוסקופית?

א. מולקולות המים נקשרים  חזק יחסית למולקולות האתנול
ב. מולקולות המים מצליחות למשוך את מולקולות האתנול מספיק חזק כדי לשבור את הקשרים ביניהן
ג. מולקולות האתנול מצליחות לשבור את הקשרים ביון מולקולות המים
ד. כל התשובות נכונות

7. ידוע ששמן ומים לא מתערבבים ברמץ החלקיקים, מהי ההיגד המסביר את התופעה?

א. מולקולות המים יוצרות קשרים חזקים עם מולקולות השמן
ב. בין מולקולות השמן יש קשרים יותר חזקים מאשר בין מולקולות המים
ג. הקשרים בין מולקולות המים חזקים מאוד יחסית לקשרים בין חלקיקי המים והשמן
ד. מולקולות השמן “שונאים” את מולקולות המים ולכן אין ביניהם שום קשר

8. סוג הקשרים שנוצרים ונשברים בתהליך ההמסה של חומרים מולקולריים הם…

א. קשרים בין מולקולריים (בין מולקולות)
ב. קשרים קוולנטים (בתוך המולקולות)
ג. קשרים בין מולקולות וגם קשרים קוולנטים בתול המולקולות

ד. קשרים בין יונים בעלי מטענים הפוכים שנוצרים במהלך ההמסה

9. תיארו ברמת הסמל (ניסוח תהליך) תהליכי ההמסה הבאים:

א. גופרית במצב מוצק ( S8 ) מתמוסס באקסאן נוזלי (C6H14)
ב. כוהל נוזלי (CH3CH2OH) במים
ג. ברום במצב נוזלי (Br2) בפחמן ארבע כלורי נוזלי (CCl4
    
ד. חומצת שומן (C18H36O2) במצב נוזלי בבנזן נוזלי (C6H6)
ה. מי חמצן נוזליים (H2O2) במים

10. תיארו מה מתרחש בזמן המסה של חומר מולקולרי אחד (מומס) בחומר מולקולרי אחר (ממס) ברמה המיקרוסקופית.

11. תציינו שתי סיבות אפשריות המסבירות למה חומר מולקולרי אחד לא מצליח להמיס חומר מולקולרי אחר? רמז: תתייחסו לשלבים בהם חילקנו את תהליך ההמסה.