ما هو الذوبان الماص للحرارة؟

تعرف الذوبانية على أنها قدرة المادة على الذوبان في مادة أخرى، وتكون الحرارة مطلوبة لكسر الروابط التي تمسك الجزيئات في المادة الصلبة معاً، وفي الوقت نفسه تنطلق الحرارة أثناء تكوين روابط جديدة.

التفاعل الماص للحرارة

إن التفاعل الماص للحرارة (الذوبان الماص للحرارة) “Endo” هو تفاعل كيميائي يعتمد على امتصاص المواد المتفاعلة الطاقة الحرارية من البيئة المحيطة بها للحصول فيما بعد على ناتج جديد، وتعتمد آلية هذه التفاعلات على خفض درجة حرارة المنطقة المحيطة بها، وبالتالي خلق تأثير التبريد.

عندما يتم كسر الروابط الكيميائية في مادٍة ما، ينتج عن هذه العملية إطلاق للطاقة والتي تتمثل بالحرارة أو الضوء أو الكهرباء، فتتكون روابط كيميائية جديدة، تنتج عن الذوبان الماص للحرارة. عمومًا، يتم تكوين روابط كيميائية جديدة من خلال امتصاص الحرارة من العناصر المحيطة.

كما يمكن للعمليات الفيزيائية أن تكون ماصة للحرارة أيضًا، فمثلًا تمتص مكعبات الثلج الطاقة الحرارية من محيطها وتذوب لتكوين ماء سائل.

المصطلحان “Endo” و”Exo” هما جذور يونانية بمعنى “داخل” و”خارج”، ويقصد بالمصطلح الأول  التفاعلات الماصة للحرارة، والثاني التفاعلات الطاردة للحرارة والتي تكون وظيفتها عكس التفاعلات الماصة للحرارة، وهنا يكون الاختلاف بين المصطلحين.

وإنّ عملية الذوبان تتم على ثلاث خطوات التي هي:

فصل جزيئات المذيب عن بعضها: وهذه العملية هي ماصة للحرارة حيث يتطلب كسر الروابط طاقة تتغلب على قوى التجاذب بين جزيئات المذيب، ويكون التغير الحراري في هذه الخطوة موجباً ويرمز له بالرمز ΔH1.

فصل جزيئات المذاب عن بعضها: وهذه العملية ماصة للحرارة أيضاً فتتطلب أيضاً قدر من الطاقة للتغلب على قوى التجاذب بين جزيئات المادة المذابة، ويكون التغير في هذه الخطوة موجب أيضاً ويرمز له بالرمز ΔH2.

ارتباط جزيئات المذيب بالمذاب: وهذه العملية طاردة للحرارة حيث يتم انطلاق حرارة عند تكوين روابط بين جزيئات المذيب والمذاب، ويكون التغير في هذه الخطوة سالب ويرمز له بالرمز ΔH3.

ويكون الناتج عن المراحل الثلاث السابقة هو تغير حالة المادة الممتصة للحرارة والمادة المنحلة فيها.

ويكون المجموع الجبري للطاقات الثلاث السابقة هو حرارة ذوبان المحلول ΔHsol.

ΔHsol =   ΔH1 + ΔH2 +ΔH3

وبعد إيجاد التغير الكلي للحرارة نقوم بدراسة إشارته ويكون لدينا حالتين:

ΔH>0: وبكون التفاعل بهذه الحالة ماص للحرارة.

ΔH<0: ويكون التفاعل بهذه الحالة ناشر للحرارة.

وإنّ التفاعل الماص للحرارة هو تفاعل يحتاج إلى طاقة لتكسير روابط المواد الداخلة للتفاعل أكبر من المواد الناتجة، وهذا التفاعل لا يتم دون تزويده بالحرارة، وثد يستمر عبر امتصاص الحرارة من الوسط المحيط.

ونوع التفاعل من حيث الحرارة له دور بتحديد تأثير زيادة الحرارة والضغط على ذوبانية المحلول، فإذا كان الذوبان ماص للحرارة فعند زيادة الحرارة ووفقاً لمبدأ لاشوتلييه فسيتكيف التفاعل مع هذه الزيادة في الحرارة من خلال تعزيز تفاعل الذوبان لامتصاص الطاقة الحرارية الزائدة، وبالتالي زيادة الحرارة يؤدي إلى زيادة ذوبانية المحلول، وعكس ذلك صحيخ فبتقليل الحرارة في التفاعلات الماصة للحرارة تقل ذوبانية المحلول.

ومثال على مذاب يزيد قابلية ذوبانه مع زيادة الحرارة هو نترات الأمونيوم التي يتم استخدامها في عبوات الإسعافات الأولية الباردة، فبما أنّ ذوبان نترات الأمونيوم في الهواء هو تفاعل ماص للحرارة فيتم امتصاص طاقة حرارية من البيئة، الذي بدوره يجعل البيئة المحيطة تشعر بالبرد.

ويتم التفاعل الماص للحرارة على خطوتين يلزمها طاقة تنشيط معينة التي تعطى إلى المواد المتفاعلة، ثم بتم تحرير جزء من تلك الطاقة بعد التفاعل، وتكون الطاقة المتحررة أقل من طاقة التنشيط، ولذلك يتوجب علينا تزويد التفاعل بالطاقة باستمرار.

هناك أمثلة عديدة عن هذا النوع من الذوبان، أهمها:

وهذه بعض الأمثلة ولكن في حياتنا اليومية نرى الذوبان الماص للحرارة العديد من المرات، فهذا النوع من التفاعلات شيء ضروري وأساسي للحياة.

فكمثال على التفاعل الماص للحرارة مقابل التفاعل الطارد للحرارة، يقوم جسم الإنسان الممتص للحرارة من الجو نتيجة ارتفاع درجات الحرارة والطقس الحار، بطرد هذه الحرارة عن طريق عملية التعرق لتبريد نفسه، ويتم ذلك عندما يمتص العرق الناتج على سطح الجلد الحرارة من الجلد ليتبخر، مما يخلق تأثيرًا مبردًا.

لا يتضمن تبّخر العرق أي تغييرات كيميائية، لكنه ينطوي على تغيير في المرحلة الفيزيائية نتيجة تحوله من سائل إلى بخار، لذلك يعتبر التبخر عملية امتصاص الحرارة وليس تفاعلًا ماص للحرارة.

ويمكن أن تتضمن التفاعلات الكيميائية كسر الروابط الكيميائية الموجودة في المادة، أو تكوين روابط جديدة فيها، أو يمكن أن تتضمن كلتا العمليتين. وتتضمن العمليات الماصة للحرارة العديد من التغييرات فيزيائية بدلًا من التغييرات كيميائية.

ونجد حولنا الكثير من الأمثلة عن هذا النوع من التفاعل في حياتنا اليومية كانحلال الملح في الماء، وانحلال السكر في السوائل، وعملية التركيب الضوئي… إلخ.