الطور (المادة)

في العلوم الفيزيائية ، تُعرَّف المرحلة بأنها منطقة من المادة تتسم بتجانسها الكيميائي، وتميزها الفيزيائي، وإمكانية فصلها ميكانيكيًا (غالبًا). في نظام يتكون من جليد وماء في وعاء زجاجي، تُمثل مكعبات الجليد مرحلة، والماء مرحلة ثانية، والهواء الرطب مرحلة ثالثة فوق الجليد والماء. أما زجاج الوعاء فهو مادة مختلفة، في مرحلة منفصلة خاصة به. (انظر حالات المادة §  الزجاج ).

وبشكل أدق، الطور هو منطقة من الفضاء ( نظام ديناميكي حراري ) تتسم فيها جميع الخصائص الفيزيائية للمادة بالتجانس. ^{[ 1 ] [ 2 ] : 86 [ 3 ] : 3} ومن أمثلة الخصائص الفيزيائية: الكثافة ، ومعامل الانكسار ، والمغنطة، والتركيب الكيميائي.

يُستخدم مصطلح الطور أحيانًا كمرادف لحالة المادة ، ولكن يمكن أن يكون هناك عدة أطوار غير قابلة للامتزاج لنفس حالة المادة (كما هو الحال عندما ينفصل الزيت والماء إلى أطوار متميزة، وكلاهما في الحالة السائلة).

يمكن وصف الأطوار المتميزة بأنها حالات مختلفة للمادة مثل الغاز والسائل والصلب والبلازما أو مكثف بوز -أينشتاين . وتشكل الأطوار المتوسطة المفيدة بين الصلب والسائل حالات أخرى للمادة.

قد توجد أطوار متميزة ضمن حالة معينة من المادة. وكما هو موضح في مخطط سبائك الحديد، توجد عدة أطوار لكل من حالتي الصلابة والسيولة. ويمكن أيضًا التمييز بين الأطوار بناءً على الذوبانية ، كأن تكون قطبية (محبة للماء) أو غير قطبية (كارهة للماء). سينفصل خليط من الماء (سائل قطبي) والزيت (سائل غير قطبي) تلقائيًا إلى طورين. يتميز الماء بذوبانية منخفضة جدًا (غير قابل للذوبان) في الزيت، بينما يتميز الزيت بذوبانية منخفضة في الماء. الذوبانية هي أقصى كمية من المذاب يمكن أن تذوب في المذيب قبل أن يتوقف المذاب عن الذوبان ويبقى في طور منفصل. يمكن أن ينفصل الخليط إلى أكثر من طورين سائلين، ويمتد مفهوم انفصال الأطوار إلى المواد الصلبة، أي أن المواد الصلبة يمكن أن تُكوّن محاليل صلبة أو تتبلور إلى أطوار بلورية متميزة. يمكن لأزواج المعادن القابلة للذوبان المتبادل أن تُكوّن سبائك ، بينما لا يمكن لأزواج المعادن غير القابلة للذوبان المتبادل أن تُكوّنها.

تم رصد ما يصل إلى ثمانية أطوار سائلة غير قابلة للامتزاج . ^{[ أ ]} تتكون الأطوار السائلة غير القابلة للامتزاج من الماء (الطور المائي)، والمذيبات العضوية الكارهة للماء، ومركبات الكربون المشبعة بالفلور ( الطور الفلوري )، والسيليكونات، والعديد من المعادن المختلفة، وكذلك من الفوسفور المنصهر. ليست جميع المذيبات العضوية قابلة للامتزاج تمامًا، فعلى سبيل المثال ، قد ينفصل خليط من الإيثيلين جليكول والتولوين إلى طورين عضويين متميزين. ^{[ ب ]}

لا يشترط أن تنفصل الأطوار تلقائيًا على المستوى العياني. تُعد المستحلبات والغرويات أمثلة على تركيبات أزواج الأطوار غير القابلة للامتزاج والتي لا تنفصل فعليًا.

عند تركها حتى تصل إلى حالة التوازن، ستشكل العديد من المركبات طورًا واحدًا متجانسًا، ولكن اعتمادًا على درجة الحرارة والضغط، قد تنفصل حتى المادة الواحدة إلى طورين أو أكثر متميزين. وتكون الخصائص متجانسة داخل كل طور، بينما تختلف بين الطورين.

يشكل الماء في وعاء مغلق مع وجود فراغ هوائي فوقه نظامًا ثنائي الطور. يوجد معظم الماء في الطور السائل، حيث تجذب جزيئاته بعضها بعضًا. حتى في حالة الاتزان، تكون الجزيئات في حركة مستمرة، وبين الحين والآخر، يكتسب جزيء في الطور السائل طاقة حركية كافية للانفصال عنه والدخول في الطور الغازي. وبالمثل، بين الحين والآخر، يصطدم جزيء بخار بسطح السائل ويتكثف فيه. عند الاتزان، تتوازن عمليتا التبخر والتكثيف تمامًا، ولا يحدث أي تغيير صافٍ في حجم أي من الطورين.

عند درجة حرارة وضغط الغرفة، يصل وعاء الماء إلى حالة التوازن عندما تبلغ رطوبة الهواء فوق الماء حوالي 3%. وتزداد هذه النسبة مع ارتفاع درجة الحرارة. عند 100  درجة مئوية والضغط الجوي، لا يتحقق التوازن إلا عندما يصبح الهواء ماءً بنسبة 100%. إذا سُخّن السائل إلى ما يزيد قليلاً عن 100  درجة مئوية، فإن التحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية لن يحدث على السطح فقط، بل في جميع أنحاء حجم السائل: أي أن الماء يغلي.

بالنسبة لتركيبة معينة، لا يمكن أن تتشكل إلا أطوار محددة عند درجة حرارة وضغط معينين. يصعب التنبؤ بعدد وأنواع الأطوار التي ستتشكل، وعادةً ما يتم تحديدها تجريبياً. ويمكن تمثيل نتائج هذه التجارب بيانياً في مخططات الأطوار .

يُظهر مخطط الأطوار هنا نظامًا أحادي المكون. في هذا النظام البسيط، تعتمد الأطوار الممكنة على الضغط ودرجة الحرارة فقط . تشير العلامات إلى النقاط التي يمكن أن يتعايش عندها طوران أو أكثر في حالة اتزان. عند درجات حرارة وضغوط بعيدة عن هذه العلامات، سيكون هناك طور واحد فقط في حالة اتزان.

في الرسم التوضيحي، لا يمتد الخط الأزرق الذي يحدد الحد الفاصل بين السائل والغاز إلى ما لا نهاية، بل ينتهي عند نقطة تُسمى النقطة الحرجة . ومع اقتراب درجة الحرارة والضغط من النقطة الحرجة، تتشابه خصائص السائل والغاز تدريجيًا. عند النقطة الحرجة، يصبح من المستحيل التمييز بين السائل والغاز. فوق النقطة الحرجة، لا توجد أطوار منفصلة للسائل والغاز، بل يوجد طور مائع عام يُشار إليه بالمائع فوق الحرج . في الماء، تحدث النقطة الحرجة عند حوالي 647 كلفن (374  درجة مئوية أو 705  درجة فهرنهايت) و22.064 ميجا باسكال .

من السمات غير المألوفة لمخطط طور الماء أن خط الطور بين الصلب والسائل (الموضح بالخط الأخضر المنقط) له ميل سالب. أما بالنسبة لمعظم المواد، فيكون الميل موجبًا كما هو موضح بالخط الأخضر الداكن. ترتبط هذه السمة غير المألوفة للماء بانخفاض كثافة الجليد مقارنةً بالماء السائل. يؤدي ازدياد الضغط إلى دفع الماء نحو الطور ذي الكثافة الأعلى، مما يتسبب في انصهاره.

من السمات الأخرى المثيرة للاهتمام، وإن لم تكن غير مألوفة، في مخطط الأطوار، النقطة التي يلتقي فيها خط الطور الصلب-السائل مع خط الطور السائل-الغازي. يُشار إلى نقطة التقاطع هذه بالنقطة الثلاثية . عند النقطة الثلاثية، يمكن أن تتعايش الأطوار الثلاثة جميعها.

عمليًا، يسهل نسبيًا رسم خطوط الطور نظرًا للترابط بين درجة الحرارة والضغط الذي ينشأ عند تكوّن أطوار متعددة. تشير قاعدة أطوار جيبس ​​إلى أن الأطوار المختلفة تتحدد كليًا بهذه المتغيرات. لنفترض جهاز اختبار يتكون من أسطوانة مغلقة ومعزولة جيدًا مزودة بمكبس. من خلال التحكم في درجة الحرارة والضغط، يمكن نقل النظام إلى أي نقطة على مخطط الطور. من نقطة في منطقة استقرار الحالة الصلبة (الجانب الأيسر من المخطط)، ستؤدي زيادة درجة حرارة النظام إلى نقله إلى المنطقة التي يكون فيها السائل أو الغاز هو طور التوازن (بحسب الضغط). إذا تم خفض المكبس ببطء، فسيرسم النظام منحنىً لتزايد درجة الحرارة والضغط ضمن منطقة الغاز في مخطط الطور. عند النقطة التي يبدأ فيها الغاز بالتكثف إلى سائل، سيتغير اتجاه منحنى درجة الحرارة والضغط فجأةً ليتبع خط الطور حتى يتكثف كل الماء.

توجد بين طورين في حالة اتزان منطقة ضيقة لا تتطابق فيها خصائص أيٍّ من الطورين. ورغم أن هذه المنطقة قد تكون رقيقة جدًا، إلا أنها قد تُحدث تأثيرات ملحوظة وسهلة الملاحظة، كأن تجعل السائل يُظهر توترًا سطحيًا . في المخاليط، قد تتحرك بعض المكونات بشكل تفضيلي نحو السطح البيني . عند نمذجة أو وصف أو فهم سلوك نظام معين، قد يكون من المفيد التعامل مع المنطقة البينية كطور منفصل.

قد تمتلك المادة الواحدة عدة حالات صلبة متميزة قادرة على تكوين أطوار منفصلة. الماء مثال معروف على هذه المواد. على سبيل المثال، يوجد جليد الماء عادةً في الشكل السداسي (Ih ₎ ، ولكنه قد يوجد أيضًا في الشكل المكعب (Ic ₎ ، والشكل المعيني (II) ، والعديد من الأشكال الأخرى. التعدد الشكلي هو قدرة المادة الصلبة على التواجد في أكثر من شكل بلوري واحد. بالنسبة للعناصر الكيميائية النقية، يُعرف التعدد الشكلي باسم التآصل . على سبيل المثال، الماس والجرافيت والفوليرين هي أشكال تآصلية مختلفة للكربون .

عندما تخضع مادة ما لتحول طوري (أي تغير من حالة مادية إلى أخرى)، فإنها عادةً ما تمتص طاقة أو تطلقها. على سبيل المثال، عند تبخر الماء، تنعكس الزيادة في الطاقة الحركية الناتجة عن هروب جزيئات الماء المتبخرة من قوى التجاذب في السائل، في انخفاض درجة الحرارة. تُستمد الطاقة اللازمة لإحداث التحول الطوري من الطاقة الحرارية الداخلية للماء، مما يُبرد السائل إلى درجة حرارة أقل؛ لذا يُعد التبخر مفيدًا للتبريد. انظر: إنثالبي التبخر . أما العملية العكسية، وهي التكثيف، فتُطلق حرارة. تُعرف الطاقة الحرارية، أو الإنثالبي، المرتبطة بالتحول من الحالة الصلبة إلى السائلة باسم إنثالبي الانصهار ، بينما تُعرف الطاقة الحرارية المرتبطة بالتحول من الحالة الصلبة إلى الغازية باسم إنثالبي التسامي .

بينما تُعرَّف حالات المادة تقليديًا للأنظمة في حالة توازن حراري، فقد وفرت الدراسات على أنظمة الكم متعددة الأجسام الموضعية (MBL) إطارًا لتعريف الحالات الخارجة عن حالة التوازن. لا تصل حالات MBL أبدًا إلى حالة التوازن الحراري، ويمكنها أن تسمح بظهور أشكال جديدة من النظام غير مسموح بها في حالة التوازن، وذلك عبر ظاهرة تُعرف باسم النظام الكمي المحمي بالتوطين. تُعد التحولات بين حالات MBL المختلفة، وبين حالات MBL وحالات التوازن الحراري، تحولات طورية ديناميكية جديدة، وتُعد خصائصها مجالات بحث نشطة. ^{[ 4 ]}