ساعدنیوز: لماذا لا یتجمّد الکحول بسهوله؟ تفسیر علمی لدرجه تجمّده المختلفه عن الماء ودور الروابط الهیدروجینیه
وفقًا لموقع ساعدنیوز، یُعدّ الکحول مجموعه من المرکبات الکیمیائیه التی تختلف فی صیغها الجزیئیه. والنوع الذی یُشار إلیه عادهً باسم الکحول هو الکحول الإیثیلی، المعروف أیضًا باسم الإیثانول، والذی یُنتَج عن طریق تخمیر المواد النباتیه، مثل الأرز والشعیر.
یمکن تقسیم الکحولات إلى فئتین رئیسیتین:
الکحولات الألیفاتیه: تُمثَّل عمومًا بالصیغه \(CnH{2n+1}OH\).
الکحولات العطریه والمرکبات ذات الصله: ترتبط بتراکیب حلقیه عطریه، مثل حلقات البنزین.
یمکن لبعض المرکبات العطریه، مثل الفینول، أن تتحول إلى الحاله الصلبه فی ظروف مناسبه. ومع ذلک، تعتمد قابلیه الکحولات للتجمّد على ترکیبها الکیمیائی وخصائصها الفیزیائیه.
یحدث التجمّد عندما تصل درجه حراره السائل إلى مستوى منخفض بما یکفی لتنتظم جزیئاته فی بنیه صلبه. لذلک، لا یبقى الکحول سائلًا فی جمیع الظروف، بل إن بعض أنواعه تتمیز بدرجات تجمّد أقل بکثیر من درجه تجمّد الماء.
ویرجع عدم تجمّد الکحول عند درجات الحراره المعتاده أساسًا إلى ترکیبه الجزیئی، والقوى بین الجزیئیه، ودرجه تجمّده.
لکی تتجمّد ماده ما، یجب أن تنخفض درجه حرارتها إلى ما دون نقطه تجمّدها فی ظل ظروف الضغط المحدده.
عند الضغط الجوی القیاسی، الذی یبلغ ضغطًا جویًا واحدًا أو 101.3 کیلوباسکال، یتجمّد الماء عند درجه حراره 0 مئویه (32 فهرنهایت).
فی المقابل، تکون درجات تجمّد بعض أنواع الکحول الشائعه أقل بکثیر:
الإیثانول (الکحول الإیثیلی): نحو −114 درجه مئویه (−173 فهرنهایت).
المیثانول (الکحول المیثیلی): نحو −98 درجه مئویه (−144 فهرنهایت).
کحول الأیزوبروبیل (2-بروبانول): نحو −89 درجه مئویه (−128 فهرنهایت).
تفسّر درجات التجمّد المنخفضه هذه سبب بقاء الإیثانول النقی والعدید من أنواع الکحول الأخرى فی الحاله السائله عند درجات حراره یتجمّد عندها الماء.
ومن العوامل المهمه فی ذلک مجموعه الهیدروکسیل (−OH) الموجوده فی جزیئات الکحول، إذ تتیح هذه المجموعه للجزیئات تکوین روابط هیدروجینیه فیما بینها. وعلى الرغم من أن هذه الروابط تؤدی إلى حدوث تجاذب بین الجزیئات، فإنها لا تضمن انتظامها فی بنیه بلوریه صلبه عند درجات حراره قریبه من الصفر المئوی.
ویحدد الترکیب الجزیئی العام والتوازن بین قوى التجاذب بین الجزیئات وحرکتها درجه الحراره التی یتجمّد عندها الکحول.
فی السوائل، مثل الماء، یمکن للجزیئات أن تنتظم فی بنیه بلوریه مع انخفاض درجه الحراره. وتتعرض جزیئات الکحول أیضًا لقوى بین جزیئیه، تشمل الروابط الهیدروجینیه، والتفاعلات ثنائیه القطب، وقوى فان دیر فالس.
لکن طبیعه هذه التفاعلات وقوتها تختلف من ماده إلى أخرى. کما یؤثر الترکیب الجزیئی للکحول فی مدى سهوله تکوّن بنیه صلبه منتظمه من جزیئاته.
ونتیجه لذلک، تحتاج الکحولات عمومًا إلى درجات حراره أقل بکثیر من الماء حتى تتجمّد. وتعتمد درجه التجمّد الدقیقه على نوع الکحول ونقاوته وترکیب الخلیط.
التفسیر الأساسی هو انخفاض درجه تجمّده. فعند درجه حراره الغرفه، تکون درجه حراره الإیثانول والعدید من أنواع الکحول الشائعه أعلى بکثیر من درجات تجمّدها، ولذلک تبقى سائله.
تسهم الروابط الهیدروجینیه فی تحدید الخصائص الفیزیائیه للکحولات، لکنها لا تشکّل طبقه واقیه تمنعها من التجمّد. وعندما تنخفض درجه الحراره إلى ما دون نقطه تجمّد الکحول بما یکفی، یمکن لجزیئاته أن تتحول إلى الحاله الصلبه.
تُفسَّر مقاومه الکحول للتجمّد عند درجات الحراره المعتاده أساسًا بانخفاض درجه تجمّده، وهی خاصیه تتحدد وفقًا لترکیبه الجزیئی والتفاعلات بین جزیئاته.
ویمکن تلخیص أهم عاملین فیما یلی:
انخفاض درجه التجمّد: تتجمّد الکحولات الشائعه، مثل الإیثانول، عند درجات حراره أقل بکثیر من الصفر المئوی.
الترکیب الجزیئی والقوى بین الجزیئیه: تؤثر هذه العوامل فی کیفیه انتظام الجزیئات لتکوین ماده صلبه، وبالتالی تحدد درجه التجمّد.
یمکن للکحول أن یتجمّد عند تعرّضه لدرجات حراره منخفضه بما یکفی، فهو لا یبقى سائلًا فی جمیع الظروف.
تختلف التراکیب الجزیئیه والتفاعلات بین الجزیئات فی الکحولات عنها فی الماء. وتؤثر هذه الاختلافات فی سهوله انتظام الجزیئات لتکوین ماده صلبه بلوریه، مما یؤدی إلى اختلاف درجات التجمّد.
لا. یمکن للکحولات أن تتجمّد عندما تنخفض درجات الحراره إلى ما دون نقاط تجمّدها الخاصه. فعلى سبیل المثال، یتجمّد الإیثانول والمیثانول عند درجات حراره أقل من −90 درجه مئویه.
تسهم الروابط الهیدروجینیه فی التجاذب بین جزیئات الکحول وتؤثر فی خصائصه الفیزیائیه، لکنها لا تمنع التجمّد. وتعتمد درجه التجمّد على التأثیر المشترک للترکیب الجزیئی والقوى بین الجزیئیه.
نعم. تؤدی إضافه الکحول إلى الماء عمومًا إلى خفض درجه تجمّد الخلیط، وذلک بحسب نسب المکوّنین. ویُستفاد من هذه الخاصیه فی ترکیب سوائل منع التجمّد المستخدمه فی السیارات للمساعده على منع تجمّد السوائل فی الطقس البارد.
لأن درجه تجمّد الکحولات الشائعه، مثل الإیثانول، أقل بکثیر من الصفر المئوی. فعند درجه الحراره التی یتجمّد عندها الماء، یبقى الإیثانول النقی سائلًا.
