ZMENY STAVU: TYPY A ICH VLASTNOSTI (S PRÍKLADMI) - CHÉMIA - 2026

Tieto zmeny stavu alebo fázy, sú tam, kde materiál prechádza fyzické zmeny reverzibilné termodynamickú jav. Hovorí sa, že je termodynamický, pretože dochádza k prenosu tepla medzi hmotou a okolím; alebo čo je rovnaké, existujú interakcie medzi hmotou a energiou, ktoré vyvolávajú preskupenie častíc.

Častice, ktoré prechádzajú zmenou stavu, zostávajú rovnaké pred a po nej. Tlak a teplota sú dôležité premenné v tom, ako sú prispôsobené v jednej alebo druhej fáze. Keď nastane zmena stavu, vytvorí sa dvojfázový systém, ktorý sa skladá z tej istej látky v dvoch rôznych fyzikálnych stavoch.

Zmeny stavu. Zdroj: Gabriel Bolívar

Vyššie uvedený obrázok ukazuje hlavné zmeny stavu, ktoré sú predmetom normálnych podmienok.

Pevná kocka namodralej látky sa môže zmeniť na kvapalnú alebo plynnú v závislosti od teploty a tlaku v okolí. Samotne predstavuje jednu fázu: pevnú látku. Ale v okamihu topenia, tj topenia, sa vytvorí rovnováha tuhá látka-kvapalina nazývaná fúzia (červená šípka medzi modro kockou a kvapkou).

Aby došlo k fúzii, kocka musí absorbovať teplo zo svojho okolia, aby zvýšila svoju teplotu; preto je to endotermický proces. Akonáhle je kocka úplne roztavená, vráti sa do jednej fázy: do tekutého stavu.

Táto modrastá kvapka môže naďalej absorbovať teplo, čo zvyšuje jeho teplotu a vedie k tvorbe plynných bublín. Opäť existujú dve fázy: jedna kvapalina a druhá plyn. Keď sa všetka kvapalina odparila cez svoj bod varu, potom sa vraví alebo sa odparuje.

Teraz sa modrasté kvapky zmenili na oblaky. Doteraz boli všetky procesy endotermické. Modrastý plyn môže ďalej absorbovať teplo, až kým sa nezohreje; avšak vzhľadom na terestriálne podmienky má tendenciu ochladzovať a kondenzovať späť do kvapaliny (kondenzácia).

Na druhej strane sa môžu oblaky ukladať aj priamo na tuhej fáze, čím sa opäť vytvorí pevná kocka (vylučovanie). Tieto posledné dva procesy sú exotermické (modré šípky); to znamená, že uvoľňujú teplo do životného prostredia alebo do okolia.

Okrem kondenzácie a usadzovania dochádza k zmene stavu aj vtedy, keď namodralá kvapka zamrzne pri nízkych teplotách (tuhnutie).

Druhy zmien stavu a ich charakteristika

Obrázok ukazuje typické zmeny pre tri (najbežnejšie) stavy hmoty: tuhá látka, kvapalina a plyn. Zmeny sprevádzané červenými šípkami sú endotermické a zahŕňajú absorpciu tepla; zatiaľ čo tie, ktoré sú sprevádzané modrými šípkami, sú exotermické, uvoľňujú teplo.

Stručný opis každej z týchto zmien bude uvedený nižšie, pričom sa zdôraznia niektoré z ich charakteristík z molekulárneho a termodynamického zdôvodnenia.

- Fúzia

Fúzia je zmena stavu látky z tuhej na tekutú.

V pevnom stave sú častice (ióny, molekuly, zhluky atď.) „Väzňami“, ktoré sa nachádzajú v pevných pozíciách v priestore bez toho, aby sa mohli voľne pohybovať. Sú však schopné vibrovať pri rôznych frekvenciách, a ak sú veľmi silné, začne sa prísne usporiadanie medzimolekulových síl "rozpadávať".

V dôsledku toho sa získajú dve fázy: jedna, v ktorej častice zostanú uzavreté (pevná látka), a druhá, kde sú častejšie (kvapalné), dosť na zväčšenie vzdialeností, ktoré ich separujú. Aby sa to dosiahlo, musí pevná látka absorbovať teplo, a tak jej častice budú vibrovať s väčšou silou.

Z tohto dôvodu je fúzia endotermická a keď sa začne, hovorí sa, že medzi fázami tuhá látka - kvapalina nastane rovnováha.

Teplo potrebné na dosiahnutie tejto zmeny sa nazýva teplo alebo molárna entalpia fúzie (ΔH _Fus ). Toto vyjadruje množstvo tepla (najmä energie v kJ), ktoré musí mól látky v pevnom stave absorbovať, aby sa roztopil, a nielen zvýšiť svoju teplotu.

snehová guľa

Ručné topenie snehu. Zdroj: Pixabay

S týmto vedomím sa rozumie, prečo sa snehová guľa topí v ruke (horný obrázok). Sneh absorbuje telesné teplo, ktoré stačí na zvýšenie teploty snehu nad 0 ° C.

Ľadové kryštály v snehu absorbujú len toľko tepla, aby sa roztopili a aby ich molekuly vody prijali Messier štruktúru. Kým sa sneh topí, vytvorená voda nezvýši svoju teplotu, pretože všetok teplo z ruky využíva sneh na dokončenie topenia.

- odparovanie

Odparovanie je zmena stavu látky z kvapalného do plynného stavu.

Pokračovaním príkladu vody, ktorý teraz vkladá hrsť snehu do hrnca a zapaľuje oheň, je zrejmé, že sa sneh rýchlo topí. Keď sa voda zohreje, začnú sa v nej tvoriť malé bubliny oxidu uhličitého a ďalších možných plynných nečistôt.

Vriaca voda. Zdroj: Pixabay

Teplo molekulárne rozširuje narušenú konfiguráciu vody, rozširuje jej objem a zvyšuje tlak pary; preto existuje niekoľko molekúl, ktoré unikajú z povrchu v dôsledku zvýšeného odparovania.

Kvapalná voda zvyšuje svoju teplotu pomaly vďaka vysokému mernému teplu (4,184 J / ° C ∙ g). Prichádza bod, v ktorom sa teplo, ktoré absorbuje, už nepoužíva na zvýšenie teploty, ale na spustenie rovnováhy kvapalina-para; to znamená, že začne vrieť a všetka tekutina prejde do plynného stavu, zatiaľ čo absorbuje teplo a udržuje konštantnú teplotu.

Tu vidíte intenzívne bublanie na povrchu prevarenej vody (horný obrázok). Teplo, ktoré kvapalná voda absorbuje tak, že tlak pary jej vznikajúcich bublín sa rovná vonkajšiemu tlaku, sa nazýva entalpia vyparovania (AH _Vap ).

Úloha tlaku

Tlak je tiež určujúcim faktorom zmien stavu. Aký je jeho účinok na odparovanie? Čím vyšší je tlak, tým väčšie je teplo, ktoré musí voda absorbovať do varu, a preto sa vyparuje nad 100 ° C.

Je to tak preto, lebo zvýšenie tlaku sťažuje molekulám vody uniknúť z kvapaliny do plynnej fázy.

Tlakové hrnce využívajú túto skutočnosť vo svoj prospech na ohrev potravín vo vode na teplotu vyššiu ako je jej teplota varu.

Na druhej strane, pretože existuje vákuum alebo pokles tlaku, kvapalná voda potrebuje na varenie a prechod do plynnej fázy nižšiu teplotu. Pri vysokom alebo nízkom tlaku, keď voda vrie, musí absorbovať svoje príslušné teplo z odparovania, aby sa dokončila zmena stavu.

- Kondenzácia

Kondenzácia je zmena stavu látky z plynného na kvapalný.

Voda sa odparila. Čo bude ďalej? Vodná para môže stále zvyšovať teplotu a stáva sa nebezpečným prúdom schopným spôsobiť vážne popáleniny.

Predpokladajme však, že sa namiesto toho ochladí. Ako? Uvoľňovanie tepla do okolitého prostredia a uvoľňovanie tepla sa považuje za exotermický proces.

Uvoľnením tepla sa veľmi energetické molekuly plynnej vody začínajú spomaľovať. Ich interakcie sa stávajú účinnejšie aj pri poklese teploty pary. Najskôr sa vytvoria kvapôčky vody kondenzované z pary, po ktorých budú nasledovať väčšie kvapky, ktoré nakoniec priťahujú gravitácie.

Aby ste úplne kondenzovali dané množstvo pary, musíte uvoľniť tú istú energiu, ale opačným znamienkom, na _{VH Vap} ; to znamená jeho entalpia kondenzácie AH _Cond . Takto sa vytvorí inverzná rovnováha para-kvapalina.

Vlhké okná

Kondenzácia vody. Zdroj: Pexels

Kondenzáciu môžete vidieť na samotných oknách domov. V chladnom podnebí sa vodná para obsiahnutá vo vnútri domu zráža s oknom, ktoré má vďaka svojmu materiálu nižšiu teplotu ako iné povrchy.

Tam sa ľahšie zhlukujú molekuly pary a vytvárajú tenkú belavú vrstvu ľahko odstrániteľnú rukou. Keď tieto molekuly uvoľňujú teplo (zohrievanie skla a vzduchu), začnú tvoriť početnejšie zhluky, až kým sa prvé kvapky nebudú kondenzovať (horný obrázok).

Keď sa kvapky veľmi zväčšia, skĺznu z okna a zanechajú stopu vody.

- solidifikácia

Solidifikácia je zmena stavu látky z kvapalného do pevného stavu.

K tuhnutiu dochádza v dôsledku chladenia; inými slovami, voda zamrzne. Aby voda mohla zamrznúť, musí uvoľňovať rovnaké množstvo tepla, ktoré sa ľad topí. Opäť platí, že toto teplo sa nazýva entalpia tuhnutie alebo zamrznutie, AH _Cong (-ΔH _Fus ).

Keď sa molekuly vody ochladzujú, strácajú energiu a ich intermolekulárne interakcie sa stávajú silnejšími a viac smerovými. Výsledkom je, že sú usporiadané vďaka svojim vodíkovým väzbám a vytvárajú takzvané ľadové kryštály. Mechanizmus, ktorým rastú kryštály ľadu, má vplyv na ich vzhľad: priehľadný alebo biely.

Socha ľadu. Zdroj: Pixabay

Ak ľadové kryštály rastú veľmi pomaly, nevylučujú nečistoty, napríklad plyny, ktoré sa pri nízkych teplotách solubilizujú vo vode. Takto bubliny unikajú a nemôžu interagovať so svetlom; a teda máte ľad tak priehľadný ako ľad mimoriadnej ľadovej sochy (horný obrázok).

To isté, čo sa stane s ľadom, sa môže stať pri akejkoľvek inej látke, ktorá stuhne ochladením. Možno ide o najkomplikovanejšiu fyzickú zmenu terestriálnych podmienok, pretože je možné získať niekoľko polymorfov.

- Sublimácia

Sublimácia je zmena stavu látky z tuhej látky do plynnej fázy.

Môže sa sublimovať voda? Nie, prinajmenšom nie za normálnych podmienok (T = 25 ° C, P = 1 atm). Aby nastala sublimácia, to znamená zmena stavu z tuhej látky na plyn, musí byť tlak pár tejto pevnej látky vysoký.

Podobne je nevyhnutné, aby ich medzimolekulové sily neboli príliš silné, pokiaľ sa skladajú iba z disperzných síl.

Najznámejším príkladom je pevný jód. Je to kryštalická pevná látka so sivohnedými odtieňmi, ktorá vykazuje vysoký tlak pár. Je to tak v prípade, že sa tým uvoľní purpurová para, ktorej objem a expanzia sa po zahriatí zreteľne prejavia.

Sublimácia jódu. Zdroj: Belkina NV, z Wikimedia Commons

Obrázok hore ukazuje typický experiment, pri ktorom sa pevný jód odparuje v sklenenej nádobe. Je zaujímavé a nápadné pozorovať, ako sú fialové výpary rozptýlené a iniciovaný študent môže overiť neprítomnosť tekutého jódu.

Toto je hlavná charakteristika sublimácie: neexistuje tekutá fáza. Podobne je endotermická, pretože tuhá látka absorbuje teplo, aby zvýšila tlak pary, až kým sa nedosiahne vonkajší tlak.

- Depozícia

Depozícia kryštálov jódu. Zdroj: Stanislav.nevyhosteny, z Wikimedia Commons

Depozícia je zmena stavu látky z plynného do pevného stavu.

Paralelne s experimentom sublimácie jódu dochádza k jej depozícii. Ukladanie je opačná zmena alebo prechod: látka prechádza z plynného stavu do tuhého stavu bez tvorby kvapalnej fázy.

Keď sa fialové jódové výpary dostanú do kontaktu so studeným povrchom, uvoľňujú teplo, aby ho zohriali, strácajú energiu a preskupujú svoje molekuly späť do šedavo fialovej pevnej látky (horný obrázok). Je to teda exotermický proces.

Depozícia sa široko používa na syntézu materiálov, kde sú dopované atómami kovov sofistikovanými technikami. Ak je povrch veľmi studený, tepelná výmena medzi ním a parnými časticami je prudká, pričom sa vynechá priechod cez príslušnú kvapalnú fázu.

Teplo alebo entalpická depozícia (a nie depozícia) je inverzná k tepelnej sublimácii (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). Teoreticky možno veľa látok sublimovať, ale na dosiahnutie tohto cieľa je potrebné popri tom, aby bol k dispozícii ich diagram P vs T, manipulovať s tlakmi a teplotami; v ktorej je možné vizualizovať jeho vzdialené možné fázy.

Ďalšie zmeny stavu

Hoci sa o nich nehovorí, existujú aj iné stavy hmoty. Niekedy sa vyznačujú tým, že majú „trochu každého z nich“, a preto sú ich kombináciou. Na ich vytvorenie je potrebné manipulovať s tlakmi a teplotami až po veľmi pozitívne (veľké) alebo negatívne (malé) veličiny.

Napríklad, ak sa plyny nadmerne zahrievajú, stratia svoje elektróny a ich kladne nabité jadrá v tomto negatívnom prúde tvoria tzv. Plazmu. Je to synonymum pre „elektrický plyn“, pretože má vysokú elektrickú vodivosť.

Na druhej strane, keď teploty klesnú príliš nízko, hmota sa môže správať neočakávaným spôsobom; to znamená, že vykazujú jedinečné vlastnosti okolo absolútnej nuly (0 K).

Jednou z týchto vlastností je superfluidita a supravodivosť; ako aj tvorbu kondenzátov Bose-Einstein, kde sa všetky atómy správajú ako jeden.

Niektoré výskumy dokonca poukazujú na fotonickú hmotu. V nich sa častice elektromagnetického žiarenia, fotóny, zoskupujú a vytvárajú fotonické molekuly. To znamená, že by teoreticky dalo hmotu telám svetla.

Referencie

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19. novembra 2018). Zoznam fázových zmien medzi štátmi hmoty. Získané z: thinkco.com
2. Wikipedia. (2019). Stav látky. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Meniace sa štáty. Obnovené z: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Zmena fázy: odparovanie, kondenzácia, zmrazenie, topenie, sublimácia a ukladanie. Štúdia. Obnovené z: study.com
5. Bagley M. (11. apríla 2016). Vec: Definícia a päť stavov hmoty. Získané z: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck a Stanley. (2008). Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning.