כל חומר שאנו בוחנים נמצא במצב צבירה כלשהו – מוצק, נוזל או גז. מצבי הצבירה מתארים את סידור המולקולות בחומר. ביישומון שלפנינו נלמד על מצבי הצבירה השונים ועל הגורמים שמשפיעים עליהם. לצפייה ביישומון לחצו על התמונה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון ג'אווה).
היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
מצבי צבירה הם המצב שבו המולקולות מסודרות בחומר. במוצק המולקולות קרובות זו לזו, מסודרות וכמעט ולא זזות. בנוזל המולקולות מחליקות זו על פני זו, אך תנועתן מוגבלת. בגז המולקולות מתנתקות זו מזו ונעות בחופשיות.
כדי להעביר מולקולות בין מצבי הצבירה צריך לתת להן אנרגיה או לקחת מהן אנרגיה. האנרגיה שניתנת להן מתגלגלת לאנרגיה קינטית (אנרגיית תנועה) שמאפשרת להן לנוע ולבסוף להתגבר על כוחות המשיכה שמחברים ביניהן ולהתנתק למצב צבירה גזי. כש"לוקחים" מהן אנרגיה הן מפחיתות את התנועה שלהן ומתחילות להימשך זו לזו בכוחות משיכה מולקולריים (קשרי מימן, קשרי ון-דר-ואלס ועוד). ביישומון הנוכחי האנרגיה המוענקת להם באה לידי ביטוי בלחץ ובטמפרטורה.
היישומון מחולק לשלושה חלקים. תחילה נכיר את שלושת מצבי הצבירה, במסך תראו כלי ובו מולקולות (עיגולים אדומים) ובצד ימין תוכלו לבחור בין מצבי הצבירה השונים. נסו להתבונן בכל אחד משלושת מצבי הצבירה וראו איך המולקולות מתנהגות. מתחת לכלי תמצאו מחמם/מקרר שבאמצעותו תוכלו לחמם את הכלי (להבה) או לקרר אותו (קרח). נסו לראות מה יקרה אם תחממו את הכלי בשלושת מצבי הצבירה. איך המולקולות מתנהגות? האם מהירותן גדלה או קטנה? מדוע?
כעת נראה מה יקרה אם נשנה את החומר שאיתו אנו עובדים. מעל הכלי נמצא מדחום שמודד טמפרטורה במעלות קלווין ומורה על 9K (תשע מעלות קלווין). שימו לב מה קורה כשמחליפים את החומר. האם אתם שמים לב לשינוי בטמפרטורה במעבר בין מצבי צבירה? שימו לב שמולקולות המים מתנהגות קצת אחרת. האם אתם יכולים לחשוב על הסיבה לכך?
בחלק השני של היישומון (הלשונית השנייה למעלה) נתבונן במעבר בין מצבי הצבירה (פאזות). במודל הנוכחי נוסף גם אלמנט הלחץ שבא כאן לידי ביטוי בשני אופנים – בהקטנת נפח הכלי (לחיצה על האצבע) ובהוספת מולקולות נוספות לכלי (המשאבה מימין). נסו לראות מה קורה לחומר במצב צבירה של נוזל או גז כשמגדילים או מקטינים את הלחץ (היזהרו לא להגדיל את הלחץ יותר מדי).
כעת ננסה לשלב את המרכיבים. מעל הכלי נמצא מדחום שמודד טמפרטורה במעלות קלווין ומשמאל נמצא מד לחץ. שימו לב מצד ימין לגרף עם קווים המחלקים אותו לשלוש. הגרף נקרא דיאגרמת פאזות והוא מאפשר לנבא מצב צבירה לפי טמפרטורה ולחץ נתונים. לכל חומר יש דיאגמת פאזות משלו. הקווים שבין הפאזות נקראים "מצבי דו-קיום", ובהם יש שיווי משקל בין שני מצבי צבירה. קיימת גם נקודה משולשת שבה יש שיווי משקל בין שלושת מצבי הצבירה. כמו כן קיימת בדיאגרמה נקודה קריטית שבה הגבול בין הנוזל לגז מיטשטש עד ליצירת מצב צבירה חדש בשם פלזמה (לדוגמה מצב הצבירה של השמש). נסו לשחק קצת עם הטמפרטורה והלחץ ותראו איך הנקודה נעה לאורך הגרף בין מצבי הצבירה השונים.
כעת נסו לשנות את החומרים בכלי וראו אם דיאגרמת הפאזות ומאפייניה משתנים. מתחת לשמות החומרים תראו גרף של אנרגיה פוטנציאלית על פי המרחק בין האטומים במולקולה. האם אתם מצליחים לראות קשר בין המרחק שבין האטומים במולקולה לבין המאפיינים של מעברי הפאזות? נסו לשחק עם המרחק בין האטומים (כוח המשיכה ביניהם) וראו איך יתנהגו החומרים החדשים שתייצרו.
בחלק השלישי והאחרון של היישומון (הלשונית הימנית ביותר), נעסוק בקשר שבין המרחק בין האטומים לכוחות שהם מפעילים זה על זה. שימו לב שמדובר כאן באטומים של הגזים האציליים ניאון וארגון, שנבחרו משום שמערכת של מולקולות חד-אטומיות היא המערכת הפשוטה ביותר להסברה, מכיוון שכוחות המשיכה בין האטומים או המולקולות משפיעים ישירות על מצב הצבירה של החומר בטמפרטורה ובלחץ נתונים.
אפשר לראות מה קורה כשמגדילים או מקטינים את המרחק בין האטומים. שימו לב שהחצים שמופיעים בין האטומים מתארים את הכוח השקול (ירוק), את כוחות ון-דר-ואלס (צהוב) ואת חפיפת האלקטרונים (חום). כוחות ון-דר-ואלס הם כוחות משיכה בין אטומים/מולקולות, וחפיפת אלקטרונים היא כוח דחייה חשמלי בין אטומים או מולקולות שנובע מחפיפה בין מסלולי האלקטרונים. שימו לב מתי כל כח פועל (באיזה מרחק).
אם תמשכו את אחד האטומים לאחד הכיוונים תקבלו את תנועת האטומים זה ביחס לזה על פי שיקולי הכוחות והאנרגיה (על מנת להבין את החלק הזה יותר טוב מומלץ לצפות ביישומון שיקולים אנרגטיים ברכבת ההרים. שימו לב מה קורה כשמנסים לעבוד עם אטום אחר או לשחק בקוטר האטום. איך משפיע קוטר האטום על כוחות המשיכה בין האטומים? מה קורה כשמשנים את עוצמת האינטראקציה בין האטומים?
בעזרת היישומון למדנו להכיר את מצבי הצבירה השונים, את מה שגורם למעבר ביניהם ואת הכוחות הבין-אטומיים והבין-מולקולריים המשפיעים על תנועת האטומים והמולקולות.
נקודה למחשבה: כשאנחנו מרססים דאודורנט הוא ניתז על גופנו בצורת גז קר, אך כשאנחנו מטלטלים את המכל אנו מרגישים שיש בו נוזל. בהתבסס על מה שלמדתם ביישומון, מהם לדעתכם הגורמים לכך? ומדוע אסור לקרב את מכל הדאודורנט לאש? (לא לנסות בבית).
ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
