SPREMEMBE STANJA: VRSTE IN NJIHOVE ZNAČILNOSTI (S PRIMERI) - KEMIJA - 2025

Spremembe stanja ali faza so tam, kjer material doživlja fizične spremembe, reverzibilni termodinamični pojav. Termodinamičen naj bi bil, ker pride do prenosa toplote med materijo in okolico; ali kar je isto, obstajajo interakcije med materijo in energijo, ki povzročajo preureditev delcev.

Delci, ki so podvrženi spremembi stanja, ostanejo enaki pred in po njem. Tlak in temperatura sta pomembni spremenljivki njihovega nastanka v eni ali drugi fazi. Ko pride do spremembe stanja, nastane dvofazni sistem, sestavljen iz iste snovi v dveh različnih fizičnih stanjih.

Spremembe države. Vir: Gabriel Bolívar

Zgornja slika prikazuje glavne spremembe stanja, do katerih pride v normalnih pogojih.

Trdna kocka modrikaste snovi lahko postane tekoča ali plinasta, odvisno od temperature in pritiska okolice. Sama po sebi predstavlja eno fazo: trdno snov. Toda v trenutku taljenja, torej taljenja, se vzpostavi ravnovesje med trdnimi in tekočimi, imenovano fuzija (rdeča puščica med modrikasto kocko in kapljico).

Da pride do zlitja, mora kocka absorbirati toploto iz okolice, da poveča svojo temperaturo; torej gre za endotermični proces. Ko se kocka popolnoma stopi, se vrne v eno samo fazo: v tekočem stanju.

Ta modrikasto kapljica lahko še naprej absorbira toploto, kar poveča njeno temperaturo in povzroči nastanek plinastih mehurčkov. Spet sta dve fazi: ena tekočina in druga plin. Ko vsa tekočina izhlapi skozi vrelišče, potem rečemo, da je zavrela ali izparela.

Zdaj so se modrikaste kapljice spremenile v oblake. Doslej so bili vsi procesi endotermični. Modrikast plin lahko še naprej absorbira toploto, dokler ne postane vroče; vendar se glede na zemeljske pogoje ponavadi ohladi in kondenzira nazaj v tekočino (kondenzacija).

Po drugi strani pa lahko tudi oblaki odlagajo neposredno na trdno fazo in spet tvorijo trdno kocko (nalaganje). Ta zadnja dva procesa sta eksotermična (modre puščice); torej oddajajo toploto v okolico ali okolico.

Poleg kondenzacije in odlaganja prihaja do spremembe stanja, ko modrikast padek zamrzne pri nizkih temperaturah (strjevanje).

Vrste sprememb stanja in njihove značilnosti

Slika prikazuje značilne spremembe za tri (najpogostejša) stanja materije: trdna, tekoča in plinska. Spremembe, ki jih spremljajo rdeče puščice, so endotermične, vključujejo absorpcijo toplote; medtem ko so tiste, ki jih spremljajo modre puščice, eksotermične, sproščajo toploto.

Spodaj bo kratek opis vsake od teh sprememb, ki bodo poudarili nekatere njihove značilnosti iz molekularnih in termodinamičnih sklepov.

- Fuzija

Fuzija je sprememba stanja snovi iz trdne v tekočo.

V trdnem stanju so delci (ioni, molekule, grozdi itd.) "Ujetniki", nameščeni v fiksnih položajih v prostoru, ne da bi se lahko prosto gibali. Vendar pa lahko vibrirajo z različnimi frekvencami, in če so zelo močne, se bo strog red, ki so ga uvedle medmolekulske sile, začel "razpadati".

Kot rezultat dobimo dve fazi: eno, kjer delci ostanejo omejeni (trdni), in drugo, kjer so prostejše (tekoče), dovolj, da povečajo razdalje, ki jih ločujejo drug od drugega. Da bi to doseglo, mora trdna snov absorbirati toploto in tako bodo njeni delci vibrirali z večjo silo.

Zaradi tega je fuzija endotermična, in ko se začne, pravijo, da se med fazami trdne in tekoče pojavi ravnovesje.

Toplota, potrebna za to spremembo, se imenuje toplota ali molarna entalpija fuzije (ΔH _Fus ). To izraža količino toplote (energije, predvsem v enotah kJ), ki jo mora mol v trdnem stanju absorbirati, da se stopi, in ne zgolj dvigniti svojo temperaturo.

Snežna kepa

Taljenje snega z roko. Vir: Pixabay

Glede na to se razume, zakaj se v roki topi snežna kepa (zgornja slika). Sneg absorbira telesno toploto, kar je dovolj za dvig temperature snega nad 0 ° C.

Kristali ledu v snegu absorbirajo ravno dovolj toplote, da njihove molekule vode prevzamejo mesierno strukturo. Medtem ko se sneg topi, nastala voda ne bo zvišala svoje temperature, saj vso toploto iz roke sneg porabi za dokončanje taljenja.

- Vaporizacija

Vaporizacija je sprememba stanja snovi iz tekočega v plinasto stanje.

Če nadaljujemo s primerom vode, ki zdaj položi peščico snega v lonec in prižge ogenj, opazimo, da se sneg hitro stopi. Ko se voda segreva, se v njej začnejo tvoriti drobni mehurčki ogljikovega dioksida in druge možne nečistoče.

Vrela voda. Vir: Pixabay

Toplotno molekularno širi neurejeno konfiguracijo vode, širi njen volumen in povečuje svoj parni tlak; zato obstaja več molekul, ki zaradi naraščajočega izhlapevanja pobegnejo s površine.

Tekoča voda počasi zvišuje svojo temperaturo zaradi visoke specifične toplote (4.184J / ° C ∙ g). Prihaja do točke, ko se toplota, ki jo absorbira, ne uporablja več za dvig svoje temperature, ampak za vzpostavljanje ravnotežja tekoče hlape; to pomeni, da začne vreti in vsa tekočina bo prešla v plinasto stanje, hkrati pa bo absorbirala toploto in ohranjala temperaturo konstantno.

Tu opazite intenzivno žuborenje na površini kuhane vode (zgornja slika). Toplota, ki jo tekoča voda absorbira, tako da je parni tlak njenih nastalih mehurčkov enak zunanjemu tlaku, se imenuje entalpija uparjanja (ΔH _Vap ).

Vloga pritiska

Tudi pritisk je odločilni dejavnik pri spreminjanju stanja. Kakšen je njegov vpliv na uparjanje? Višji kot je tlak, večja je toplota, ki jo mora absorbirati voda, da zavre, in zato hlapi nad 100 ° C.

To je zato, ker povečanje tlaka otežuje molekulam vode, da uidejo iz tekočine v plinasto fazo.

Kuhalniki pod tlakom to dejstvo izkoristijo v svojo korist, da segrevajo hrano v vodi do temperature nad vreliščem.

Po drugi strani pa je zaradi tekočine ali padca tlaka tekoča voda nižja temperatura, da zavre in preide v plinsko fazo. Z visokim ali nizkim tlakom mora voda, ko zavre, absorbirati svojo toploto izparevanja, da dokonča spremembo stanja.

- Kondenzacija

Kondenzacija je sprememba stanja snovi iz plinastega v tekoče stanje.

Voda je izhlapela. Kaj je naslednje? Vodna para se lahko še vedno zviša in postane nevaren tok, ki lahko povzroči hude opekline.

Predpostavimo pa, da se namesto tega hladi. Kako? Sproščanje toplote v okolju in sproščanje toplote naj bi bilo eksotermičen proces.

S sproščanjem toplote se zelo energijske molekule plinaste vode začnejo upočasnjevati. Tudi njihove interakcije postanejo učinkovitejše, ko se temperatura pare znižuje. Najprej bodo nastale kapljice vode, ki se bodo kondenzirale iz pare, nato pa bodo sledile večje kapljice, ki jih na koncu privlači gravitacija.

Za popolno kondenzacijo dane količine hlapov morate sprostiti isto energijo, vendar z nasprotnim znakom, pri ΔH _Vap ; to je njegova entalpija kondenzacije ΔH _Cond . Tako se vzpostavi obratno ravnotežje para-tekočina.

Vlažna okna

Kondenzacija vode Vir: Pexels

Kondenzacija je opazna na samih oknih domov. V hladnem podnebju vodna para, ki jo vsebuje hiša, trči v okno, ki ima zaradi svojega materiala nižjo temperaturo kot druge površine.

Tam se molekule hlapov lažje združijo, tako da nastane tanka belkasta plast, ki jo je mogoče zlahka odstraniti z roko. Ko te molekule sproščajo toploto (segrevanje kozarca in zraka), začnejo nastajati številčnejši grozdi, dokler se prve kapljice ne morejo kondenzirati (zgornja slika).

Ko kapljice postanejo zelo velike, drsijo po oknu in puščajo sled vode.

- Strjevanje

Očiščenje je sprememba stanja snovi iz tekočega v trdno stanje.

Utrjevanje se pojavi kot posledica hlajenja; z drugimi besedami, voda zamrzne. Za zamrzovanje mora voda sprostiti enako količino toplote, ki jo led absorbira, da se stopi. Spet to toploto imenujemo entalpija strjevanja ali zmrzovanja, ΔH _Cong (-ΔH _Fus ).

Ko se molekule vode ohladijo, izgubljajo energijo in medmolekulske interakcije postajajo močnejše in bolj usmerjene. Kot rezultat tega so razporejene zahvaljujoč vodikovim vezam in tvorijo tako imenovane ledene kristale. Mehanizem, s katerim rastejo ledeni kristali, vpliva na njihov videz: prozoren ali bel.

Ledena skulptura. Vir: Pixabay

Če ledeni kristali rastejo zelo počasi, ne onesnažijo nečistoč, kot so plini, ki se pri vodi nizko topimo v vodi. Tako mehurčki uhajajo in ne morejo medsebojno vplivati ​​na svetlobo; posledično imaš led tako prozoren kot izjemen ledeni kip (zgornja slika).

Enako, kar se zgodi z ledom, se lahko zgodi s katero koli drugo snovjo, ki se strdi s hlajenjem. Morda je to najbolj zapletena fizična sprememba kopenskih razmer, saj je mogoče dobiti več polimorfov.

- Sublimacija

Sublimacija je sprememba stanja snovi iz trdnega v plinasto stanje.

Ali je mogoče sublimirati vodo? Ne, vsaj ne v normalnih pogojih (T = 25 ° C, P = 1 atm). Da se lahko pojavi sublimacija, torej sprememba stanja iz trdnega v plin, mora biti parni tlak trdne snovi visok.

Prav tako je bistveno, da njihove medmolekulske sile niso zelo močne, po možnosti, če sestojijo samo iz disperzijskih sil.

Najbolj izrazit primer je trdni jod. Gre za kristalno trdno s sivkasto-vijoličnimi odtenki, ki predstavlja visok parni tlak. Toliko, da se pri njem sprošča vijolična para, katere volumen in širitev postaneta opazna, ko sta izpostavljena segrevanju.

Sublimacija joda. Vir: Belkina NV, iz Wikimedia Commons

Zgornja slika prikazuje tipičen poskus, pri katerem se v stekleni posodi izhlapi trden jod. Zanimivo in presenetljivo je opazovati, kako se vijolične hlape razpršijo, začetnik pa lahko preveri odsotnost tekočega joda.

To je glavna značilnost sublimacije: ni prisotne tekoče faze. Prav tako je endotermičen, saj trdno snov absorbira toploto, da poveča svoj parni tlak, dokler ni enak zunanjemu tlaku.

- Odlaganje

Odlaganje kristalov joda. Vir: Stanislav.nevyhosteny, z Wikimedia Commons

Odlaganje je sprememba stanja snovi iz plinastega v trdno stanje.

Vzporedno z eksperimentom sublimacije joda poteka tudi njegovo odlaganje. Odlaganje je nasprotna sprememba ali prehod: snov prehaja iz plinastega v trdno stanje brez tvorbe tekoče faze.

Ko vijolične hlape joda pridejo v stik s hladno površino, sproščajo toploto, da jo segrejejo, izgubljajo energijo in preusmerijo njene molekule nazaj v sivkasto-vijolično trdno snov (zgornja slika). Potem je to eksotermičen proces.

Deponiranje se pogosto uporablja za sintezo materialov, kjer so dotirani s kovinskimi atomi s prefinjenimi tehnikami. Če je površina zelo hladna, je izmenjava toplote med njo in parnimi delci nenadna, kar izpušča prehod skozi ustrezno tekočo fazo.

Toplota ali entalpija nalaganja (in ne nanašanja) je obratna kot pri sublimaciji (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). Teoretično lahko veliko snovi sublimiramo, toda za dosego tega je potrebno manipulirati s tlaki in temperaturami, poleg tega, da imajo pri roki njihov diagram P proti T; v katerem je mogoče prikazati njene daljne možne faze.

Druge spremembe stanja

Čeprav o njih ni govora, obstajajo tudi drugačna vprašanja. Včasih je za njih značilno, da jih imajo "malo vsakega" in so zato kombinacija le-teh. Da bi jih ustvarili, je treba tlake in temperature manipulirati do zelo pozitivnih (velikih) ali negativnih (majhnih) magnitud.

Tako bodo na primer, če se plini prekomerno segrevajo, izgubili elektrone in njihova pozitivno nabita jedra v tem negativnem plimi bodo predstavljala tako imenovano plazmo. Je sinonim za "električni plin", saj ima visoko električno prevodnost.

Ko pa se temperature spustijo prenizko, se lahko materija obnaša nepričakovano; to pomeni, da imajo edinstvene lastnosti okoli absolutne ničle (0 K).

Ena od teh lastnosti je pretočnost in nadprevodnost; kot tudi tvorba Bose-Einsteinovih kondenzatov, kjer se vsi atomi obnašajo kot eno.

Nekatere raziskave celo kažejo na fotonsko snov. V njih se delci elektromagnetnega sevanja, fotoni, združijo v tvorbo fotonskih molekul. To pomeni, da bi teoretično dajala maso svetlobnim telesom.

Reference

1. Helmenstine, Anne Marie, dr. (19. november 2018). Seznam faznih sprememb med zadevnimi stanji. Pridobljeno: misel.com
2. Wikipedija. (2019). Stanje zadeve. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Spreminjanje stanj. Pridobljeno: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Spremembe faz: izhlapevanje, kondenzacija, zamrzovanje, taljenje, sublimacija in nanašanje. Študij. Pridobljeno: study.com
5. Bagley M. (11. april 2016). Zadeva: Definicija in pet stanj materije. Pridobljeno od: lifecience.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje.