STAVOVÉ ZMĚNY: TYPY A JEJICH VLASTNOSTI (S PŘÍKLADY) - CHEMIE - 2025

Tyto změny stavu nebo fáze, jsou tam, kde materiál prochází fyzické změny reverzibilní termodynamickou jev. Říká se, že je termodynamický, protože dochází k přenosu tepla mezi hmotou a okolím; nebo co je stejné, existují interakce mezi hmotou a energií, které vyvolávají přeskupení částic.

Částice, které podléhají změně stavu, zůstávají před a po něm stejné. Tlak a teplota jsou důležité proměnné v tom, jak jsou ubytovány v jedné nebo druhé fázi. Když dojde ke změně stavu, vytvoří se dvoufázový systém, složený ze stejné hmoty ve dvou různých fyzikálních stavech.

Státní změny. Zdroj: Gabriel Bolívar

Obrázek nahoře ukazuje hlavní změny stavu, které jsou za normálních podmínek předmětem.

Pevná kostka namodralé látky se může v závislosti na teplotě a tlaku v okolí změnit na kapalnou nebo plynnou. Sama o sobě představuje jednu fázi: pevnou látku. Ale v okamžiku tání, tj. Tání, se vytvoří rovnováha pevná látka-kapalina zvaná fúze (červená šipka mezi namodralým krychlí a kapkou).

Aby došlo ke splynutí, musí krychle absorbovat teplo ze svého okolí, aby zvýšila svou teplotu; jedná se tedy o endotermický proces. Jakmile je krychle úplně roztavena, vrací se do jediné fáze: do kapalného stavu.

Tato namodralá kapka může i nadále absorbovat teplo, což zvyšuje jeho teplotu a vede k tvorbě plynných bublin. Opět existují dvě fáze: jedna kapalina a druhá plyn. Když se veškerá kapalina odpaří přes svůj bod varu, pak se říká, že se vaří nebo odpařuje.

Nyní se namodralé kapky proměnily v mraky. Doposud byly všechny procesy endotermické. Modrý plyn může i nadále absorbovat teplo, dokud se nestane horkým; avšak vzhledem k pozemským podmínkám má sklon ochladit a kondenzovat zpět do kapaliny (kondenzace).

Na druhou stranu se mohou oblaky také ukládat přímo na pevné fázi, což opět vytváří pevnou kostku (ukládání). Tyto poslední dva procesy jsou exotermické (modré šipky); to znamená, že uvolňují teplo do životního prostředí nebo okolí.

Kromě kondenzace a depozice dochází ke změně stavu, když namodralá kapka zamrzne při nízkých teplotách (tuhnutí).

Typy změn stavu a jejich charakteristika

Obrázek ukazuje typické změny pro tři (nejběžnější) stavy hmoty: pevná látka, kapalina a plyn. Změny doprovázené červenými šipkami jsou endotermické a zahrnují absorpci tepla; zatímco ty, které jsou doprovázeny modrými šipkami, jsou exotermické, uvolňují teplo.

Stručný popis každé z těchto změn bude proveden níže, zdůrazňující některé jejich vlastnosti z molekulárního a termodynamického uvažování.

- Fúze

Fúze je změna stavu látky z pevné na kapalnou.

V pevném stavu jsou částice (ionty, molekuly, shluky atd.) „Vězni“, které jsou umístěny v pevných pozicích v prostoru, aniž by se mohly volně pohybovat. Jsou však schopny vibrovat při různých frekvencích, a pokud jsou velmi silné, začne se rigorózní uspořádání uložené mezimolekulárními silami "rozpadat".

V důsledku toho se získají dvě fáze: jedna, kde částice zůstávají uzavřené (pevná), a druhá, kde jsou volnější (kapalina), dost pro zvětšení vzdáleností, které je oddělují. Aby toho bylo dosaženo, musí pevná látka absorbovat teplo, a tak její částice budou vibrovat s větší silou.

Z tohoto důvodu je fúze endotermická a na začátku se říká, že mezi fázemi pevná látka-kapalina dochází k rovnováze.

Teplo potřebné k dosažení této změny se nazývá teplo nebo molární entalpie fúze (ΔH _Fus). Toto vyjadřuje množství tepla (energie, hlavně v jednotkách kJ), které musí mol látky v pevném stavu absorbovat, aby se roztavil, a ne pouze zvýšit jeho teplotu.

Sněhová koule

Tání sněhu ručně. Zdroj: Pixabay

S ohledem na to se rozumí, proč se v ruce topí sněhová koule (horní obrázek). Sníh pohlcuje tělesné teplo, které stačí ke zvýšení teploty sněhu nad 0 ° C.

Ledové krystaly ve sněhu absorbují jen tolik tepla, aby se roztavily a aby jejich molekuly vody přijaly poselejší strukturu. Zatímco se sníží tání, vytvořená voda nezvýší svou teplotu, protože veškeré teplo z ruky je používáno sněhem k dokončení tání.

- Odpařování

Vaporizace je změna stavu látky z kapalného do plynného stavu.

Pokračování příkladu vody, nyní umístění hrsti sněhu v květináči a zapálení ohně, je pozorováno, že sníh se rychle roztaví. Jak se voda ohřívá, začnou se v ní tvořit malé bubliny oxidu uhličitého a dalších možných plynných nečistot.

Vařící voda. Zdroj: Pixabay

Teplo molekulárně rozšiřuje narušené konfigurace vody, rozšiřuje její objem a zvyšuje tlak par; proto existuje několik molekul, které unikají z povrchu v důsledku rostoucího odpařování.

Kapalná voda zvyšuje svou teplotu pomalu díky vysokému měrnému teplu (4,184 J / ° C ∙ g). Objevuje se bod, ve kterém se teplo, které absorbuje, již nepoužívá ke zvýšení teploty, ale k vyvolání rovnováhy kapalina-pára; to znamená, že se začne vařit a veškerá kapalina přejde do plynného stavu, zatímco absorbuje teplo a udržuje teplotu konstantní.

Zde vidíte intenzivní bublání na povrchu převařené vody (horní obrázek). Teplo, které kapalná voda absorbuje, takže tlak par v počátečních bublinách se rovná vnějšímu tlaku, se nazývá entalpie odpařování (ΔH _Vap).

Role tlaku

Tlak je také určujícím faktorem při změnách stavu. Jaký je jeho účinek na odpařování? Čím vyšší je tlak, tím větší je teplo, které musí voda absorbovat, aby se vařil, a proto se vypařuje nad 100 ° C.

Je to proto, že zvýšení tlaku ztěžuje molekulám vody uniknout z kapaliny do plynné fáze.

Tlakové hrnce využívají tuto skutečnost ve svůj prospěch k ohřevu potravin ve vodě na teplotu vyšší než je bod varu.

Na druhé straně, protože existuje vakuum nebo pokles tlaku, kapalná voda potřebuje nižší teplotu k varu a přechodu do plynné fáze. Při vysokém nebo nízkém tlaku, když voda vaří, musí absorbovat své příslušné odpařovací teplo, aby dokončila svou změnu stavu.

- Kondenzace

Kondenzace je změna stavu látky z plynného do kapalného.

Voda se vypařila. Co bude dál? Vodní pára může stále zvyšovat teplotu a stát se nebezpečným proudem, který může způsobit vážné popáleniny.

Předpokládejme však, že se místo toho ochladí. Jak? Uvolňování tepla do okolního prostředí a uvolňování tepla je považováno za exotermický proces.

Uvolněním tepla se velmi energetické molekuly plynné vody začnou zpomalovat. Také jejich interakce se stávají účinnějšími, když se teplota páry snižuje. Nejprve se vytvoří kapky vody, kondenzované z páry, následované většími kapkami, které nakonec přitahují gravitace.

Chcete-li úplně kondenzovat dané množství páry, musíte uvolnit stejnou energii, ale opačným znaménkem, na ΔH _Vap; to je, jeho entalpie kondenzace AH _Cond. Takto je vytvořena inverzní rovnováha pára-kapalina.

Vlhká okna

Kondenzace vody. Zdroj: Pexels

Na oknech domů je vidět kondenzace. V chladném klimatu se vodní pára obsažená uvnitř domu srazí s oknem, které má díky svému materiálu nižší teplotu než jiné povrchy.

Tam je snazší pro shlukování molekul páry a vytvoření tenké bělavé vrstvy snadno odstranitelné ručně. Jak tyto molekuly uvolňují teplo (zahřívání skla a vzduchu), začnou vytvářet četnější shluky, dokud první kapky nemohou kondenzovat (horní obrázek).

Když se kapky stanou velmi velkými, sklouznou dolů z okna a zanechají stopu vody.

- Solidifikace

Solidifikace je změna stavu látky z kapalného do pevného stavu.

K tuhnutí dochází v důsledku chlazení; jinými slovy, voda zamrzne. Aby mohla mrznout, musí voda uvolnit stejné množství tepla, které led absorbuje, aby se rozpustila. Toto teplo se opět nazývá entalpií tuhnutí nebo zmrazení, ΔH _Cong (-AH _Fus).

Jak se molekuly vody ochladzují, ztrácí energii a jejich intermolekulární interakce se stávají silnějšími a více směrovými. Výsledkem je, že jsou uspořádány díky svým vodíkovým vazbám a vytvářejí takzvané ledové krystaly. Mechanismus růstu ledových krystalů má vliv na jejich vzhled: transparentní nebo bílý.

Ledová socha. Zdroj: Pixabay

Pokud ledové krystaly rostou velmi pomalu, nevylučují nečistoty, jako jsou plyny, které se při nízkých teplotách solubilizují ve vodě. Bubliny tak unikají a nemohou interagovat se světlem; a proto máte led tak průhledný jako led mimořádné ledové sochy (horní obrázek).

To samé, co se děje s ledem, se může stát s jakoukoli jinou látkou, která tuhne ochlazením. Možná jde o nejsložitější fyzickou změnu terestrických podmínek, protože lze získat několik polymorfů.

- Sublimace

Sublimace je změna stavu látky z pevného do plynného stavu.

Může být voda sublimována? Ne, alespoň ne za normálních podmínek (T = 25 ° C, P = 1 atm). Aby k sublimaci došlo, tj. Ke změně stavu z pevné látky na plyn, musí být tlak par této pevné látky vysoký.

Stejně tak je nezbytné, aby jejich mezimolekulární síly nebyly příliš silné, pokud se sestávají pouze z rozptylových sil.

Nejznámějším příkladem je pevný jód. Je to krystalická pevná látka s šedavě fialovými odstíny, která vykazuje vysoký tlak par. Je tomu tak v případě, že se při tom uvolní purpurová pára, jejíž objem a expanze se projeví po zahřátí.

Sublimace jodu. Zdroj: Belkina NV, z Wikimedia Commons

Výše uvedený obrázek ukazuje typický experiment, při kterém se pevný jód odpařuje ve skleněné nádobě. Je zajímavé a nápadné sledovat, jak jsou fialové páry rozptylovány, a iniciovaný student může ověřit nepřítomnost tekutého jodu.

To je hlavní charakteristika sublimace: není přítomna kapalná fáze. Rovněž je endotermický, protože pevná látka absorbuje teplo a zvyšuje tlak páry, dokud není rovna vnějšímu tlaku.

- Ukládání

Ukládání krystalů jodu. Zdroj: Stanislav.nevyhosteny, z Wikimedia Commons

Depozice je změna stavu látky z plynného do pevného stavu.

Paralelně s experimentem sublimace jodu existuje i jeho depozice. Depozice je opačná změna nebo přechod: látka přechází z plynného stavu do pevné látky bez vytvoření kapalné fáze.

Když se fialové jódové páry dostanou do kontaktu se studeným povrchem, uvolňují teplo, aby jej zahřívaly, ztratily energii a přeskupily své molekuly zpět do šedavě fialové pevné látky (horní obrázek). Je to tedy exotermický proces.

Depozice se široce používá pro syntézu materiálů, kde jsou dopovány atomy kovů pomocí sofistikovaných technik. Je-li povrch velmi studený, dochází k náhlé výměně tepla mezi ním a částicemi páry, přičemž se vynechává průchod příslušnou kapalnou fází.

Teplo nebo entalpie depozice (a ne depozice) je inverzní k tomu sublimace (ΔH _Sub = - ΔH _Dep). Teoreticky lze mnoho látek sublimovat, ale k dosažení tohoto cíle je nutné manipulovat také s tlaky a teplotami, kromě toho, že je k dispozici jejich P vs T diagram; ve kterém mohou být zobrazeny jeho vzdálené možné fáze.

Další změny stavu

Přestože se o nich nezmiňuje, existují i ​​jiné stavy hmoty. Někdy se vyznačují tím, že mají „trochu každého z nich“, a proto jsou jejich kombinací. Aby byly generovány, musí být tlaky a teploty manipulovány na velmi pozitivní (velké) nebo negativní (malé) velikosti.

Například, pokud jsou plyny nadměrně zahřívány, ztratí své elektrony a jejich kladně nabitá jádra v tomto negativním přílivu vytvoří to, co je známé jako plazma. Je synonymem pro „elektrický plyn“, protože má vysokou elektrickou vodivost.

Na druhé straně, když teploty klesnou příliš nízko, hmota se může chovat neočekávaně; to znamená, že vykazují jedinečné vlastnosti kolem absolutní nuly (0 K).

Jednou z těchto vlastností je superfluidita a supravodivost; stejně jako vznik Bose-Einsteinových kondenzátů, kde se všechny atomy chovají jako jeden.

Některé výzkumy dokonce poukazují na fotonickou hmotu. V nich se částice elektromagnetického záření, fotony, seskupují a vytvářejí fotonické molekuly. To znamená, že by teoreticky dala hmotu těla světla.

Reference

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19. listopadu 2018). Seznam fázových změn mezi státy hmoty. Obnoveno z: thinkco.com
2. Wikipedia. (2019). Stav hmoty. Obnoveno z: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Měnící se stavy. Obnoveno z: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Změna fáze: odpařování, kondenzace, zmrazování, tání, sublimace a depozice. Studie. Obnoveno z: study.com
5. Bagley M. (11. dubna 2016). Matter: Definice a pět stavů hmoty. Obnoveno z: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chemie. (8. ed.). CENGAGE Učení.