TILSTANDSÆNDRINGER: TYPER OG DERES EGENSKABER (MED EKSEMPLER) - KEMI - 2025

De tilstandsændringer eller fase er hvor materiale undergår fysiske ændringer reversible termodynamisk fænomen. Det siges at være termodynamisk, fordi en varmeoverførsel finder sted mellem stof og omgivelserne; eller hvad der er det samme, der er interaktioner mellem stof og energi, der inducerer en omarrangering af partiklerne.

Partiklerne, der gennemgår tilstandsændringen, forbliver de samme før og efter det. Tryk og temperatur er vigtige variabler for, hvordan de tilpasses i den ene eller den anden fase. Når der sker en ændring af tilstand, dannes et bifasisk system, der består af den samme sag i to forskellige fysiske tilstande.

Tilstandsændringer. Kilde: Gabriel Bolívar

Billedet ovenfor viser de vigtigste tilstandsændringer, som materien gennemgår under normale forhold.

En fast terning af et blåligt stof kan blive flydende eller gasformigt afhængigt af omgivelsernes temperatur og tryk. I sig selv repræsenterer det en enkelt fase: det faste. Men på smelteøjeblikket, det vil sige smeltning, etableres en fast-væske-ligevægt kaldet fusion (rød pil mellem den blålige terning og dråben).

For at fusion kan forekomme, er terningen nødt til at absorbere varme fra omgivelserne for at øge sin temperatur; derfor er det en endotermisk proces. Når terningen først er smeltet, vender den tilbage til en enkelt fase: den i væsketilstanden.

Denne blålig dråbe kan fortsætte med at absorbere varme, hvilket øger dens temperatur og resulterer i dannelse af gasformige bobler. Igen er der to faser: den ene væske og den anden gas. Når al væsken er fordampet gennem dets kogepunkt, siges den derefter at have kogt eller fordampet.

Nu forvandlede de blålige dråber sig til skyer. Indtil videre har alle processer været endotermiske. Den blålig gas kan fortsætte med at absorbere varme, indtil den bliver varm; i betragtning af de jordiske forhold har den en tendens til at køle ned og kondensere tilbage i væsken (kondens).

På den anden side kan skyer også aflejre direkte på en fast fase, hvorved de igen danner den faste terning (afsætning). Disse to sidste processer er eksotermiske (blå pile); det vil sige, de frigiver varme til miljøet eller omgivelserne.

Foruden kondens og afsætning sker der en tilstandsændring, når den blålig dråbe fryser ved lave temperaturer (størkning).

Typer af tilstandsændringer og deres egenskaber

Billedet viser de typiske ændringer for de tre (mest almindelige) stoftilstande: faststof, væske og gas. Ændringerne ledsaget af de røde pile er endotermiske og involverer absorption af varme; mens de ledsaget af de blå pile er eksoterme, frigiver de varme.

En kort beskrivelse af hver af disse ændringer vil blive lavet nedenfor, der fremhæver nogle af deres egenskaber fra molekylær og termodynamisk begrundelse.

- Fusion

Fusion er ændringen af ​​et stofs tilstand fra fast stof til væske.

I fast tilstand er partiklerne (ioner, molekyler, klynger osv.) “Fanger”, placeret i faste positioner i rummet uden at være i stand til at bevæge sig frit. De er imidlertid i stand til at vibrere ved forskellige frekvenser, og hvis de er meget stærke, vil den strenge rækkefølge, der pålægges af intermolekylære kræfter, begynde at "falde fra hinanden".

Som et resultat opnås to faser: en, hvor partiklerne forbliver begrænset (fast), og en anden, hvor de er friere (væske), nok til at øge afstandene, der adskiller dem. For at opnå dette skal det faste stof absorbere varme, og dermed vil dets partikler vibrere med større kraft.

Af denne grund er fusionen endotermisk, og når den begynder, siges det, at der opstår en ligevægt mellem de faste-væskefaser.

Den varme, der kræves for at skabe denne ændring, kaldes varme eller molær enthalpi af fusion (ΔH _Fus). Dette udtrykker mængden af ​​varme (energi, hovedsageligt i enheder af kJ), som en mol stof i fast tilstand skal absorbere for at smelte og ikke blot hæve temperaturen.

Snowball

Smeltende sne i hånden. Kilde: Pixabay

Med dette i tankerne forstås det, hvorfor en snebold smelter i hånden (øverste billede). Sne absorberer kropsvarme, hvilket er nok til at hæve temperaturen på sneen over 0 ° C.

Iskrystallerne i sne absorberer lige nok varme til at smelte og til, at deres vandmolekyler kan indtage en messier struktur. Mens sneen smelter, øger det dannede vand ikke temperaturen, da al varmen fra hånden bruges af sneen til at afslutte dens smeltning.

- Fordampning

Fordampning er ændringen af ​​et stofs tilstand fra væske til gasform.

Fortsætter med eksemplet med vand, hvor man nu lægger en håndfuld sne i en gryde og tænder ilden, observeres det, at sneen hurtigt smelter. Når vandet varmes op, begynder der at dannes små bobler af kuldioxid og andre mulige luftformige urenheder inde i det.

Kogende vand. Kilde: Pixabay

Varme udvider molekylært de forstyrrede konfigurationer af vand, udvider dens volumen og øger dets damptryk; der er derfor flere molekyler, der slipper ud fra overfladen som et resultat af stigende fordampning.

Flydende vand øger sin temperatur langsomt på grund af dets høje specifikke varme (4.184J / ° C ∙ g). Der kommer et punkt, hvor den varme, den optager, ikke længere bruges til at hæve sin temperatur, men til at indlede væske-damp-ligevægten; det vil sige, det begynder at koge, og al væske går til gasformig tilstand, mens den absorberer varme og holder temperaturen konstant.

Det er her du ser den intense boblende overflade af det kogte vand (øverste billede). Den varme, som flydende vand absorberer, så damptrykket i dets begyndende bobler er lig med det ydre tryk kaldes enthalpi af fordampning (ΔH _Vap).

Pressens rolle

Tryk er også en afgørende faktor i ændringer af tilstand. Hvad er dens virkning på fordampning? Jo højere tryk, jo større er varmen, som vandet skal absorbere for at koge, og det fordamper derfor over 100 ° C.

Dette skyldes, at stigningen i tryk gør det vanskeligt for vandmolekylerne at flygte fra væsken til gasfasen.

Trykkogere bruger denne kendsgerning til deres fordel til at opvarme mad i vand til en temperatur over kogepunktet.

På den anden side, eftersom der er et vakuum eller et fald i tryk, har flydende vand brug for en lavere temperatur for at koge og gå ind i gasfasen. Når vandet koges ved højt eller lavt tryk, er det nødvendigt at absorbere sin respektive fordampningsvarme for at afslutte sin ændring af tilstand.

- Kondensation

Kondensation er ændringen af ​​et stofs tilstand fra gasformig tilstand til flydende tilstand.

Vandet er fordampet. Hvad er det næste? Vanddamp kan stadig stige i temperatur og blive en farlig strøm, der kan forårsage alvorlige forbrændinger.

Lad os dog antage, at det i stedet køler ned. Hvordan? At frigive varme til miljøet og frigive varme siges at være en eksotermisk proces, der forekommer.

Ved at frigive varme begynder de meget energiske gasformige vandmolekyler at aftage. Deres interaktioner bliver også mere effektive, når temperaturen på dampen falder. Først dannes vanddråber, kondenseret fra dampen, efterfulgt af større dråber, som ender med at blive tiltrukket af tyngdekraften.

For at kondensere en given mængde damp fuldstændigt, skal du frigive den samme energi, men med modsat tegn på ΔH _Vap; det vil sige dens entalpi af kondensation ΔH _Cond. Således etableres den inverse damp-væske-ligevægt.

Fugtige vinduer

Vandkondens. Kilde: Pexels

Kondens kan ses på vinduerne i selve hjemmet. I et koldt klima kolliderer vanddampen inde i huset med vinduet, som på grund af dets materiale har en lavere temperatur end andre overflader.

Der er det lettere for dampmolekylerne at klumpe sig sammen, hvilket skaber et tyndt hvidligt lag, der let kan fjernes med hånden. Når disse molekyler frigiver varme (opvarmning af glas og luft), begynder de at danne flere klynger, indtil de første dråber kan kondensere (øverste billede).

Når dråberne bliver meget store, glider de ned ad vinduet og efterlader et vandspor.

- størkning

Stivelse er ændringen af ​​et stofs tilstand fra den flydende tilstand til den faste tilstand.

Størkning sker som et resultat af afkøling; med andre ord fryser vandet. For at fryse, skal vand frigive den samme mængde varme, som isen absorberer for at smelte. Igen kaldes denne varme entalpien til størkning eller frysning, CongH _Cong (-ΔH _Fus).

Når vandmolekylerne køler ned, mister de energi, og deres intermolekylære interaktioner bliver stærkere og mere retningsbestemte. Som et resultat er de arrangeret takket være deres brintbindinger og danner såkaldte iskrystaller. Den mekanisme, hvormed iskrystaller vokser, påvirker deres udseende: gennemsigtig eller hvid.

Isskulptur. Kilde: Pixabay

Hvis iskrystallerne vokser meget langsomt, lukker de ikke urenheder, såsom gasser, der opløses i vand ved lave temperaturer. Således slipper boblerne ud og kan ikke interagere med lyset; og derfor har du en is, der er så gennemsigtig som den for en ekstraordinær isstatue (øverste billede).

Det samme, der sker med is, det kan ske med ethvert andet stof, der størkner ved afkøling. Måske er dette den mest komplekse fysiske ændring i terrestriske forhold, da flere polymorfer kan opnås.

- Sublimering

Sublimering er ændringen af ​​et stofs tilstand fra det faste til den gasformige tilstand.

Kan vand sublimeres? Nej, i det mindste ikke under normale forhold (T = 25 ° C, P = 1 atm). For at sublimering kan forekomme, det vil sige ændringen af ​​tilstand fra faststof til gas, skal damptrykket for det faste stof være højt.

Ligeledes er det vigtigt, at deres intermolekylære kræfter ikke er særlig stærke, helst hvis de kun består af spredningskræfter.

Det mest emblematiske eksempel er fast jod. Det er et krystallinsk fast stof med grå-lilla nuancer, der giver et højt damptryk. Så meget, at der ved handlingen afgives en lilla damp, hvis volumen og ekspansion bliver mærkbar, når den udsættes for opvarmning.

Sublimering af iod. Kilde: Belkina NV, fra Wikimedia Commons

Billedet ovenfor viser et typisk eksperiment, hvor fast iod fordampes i en glasbeholder. Det er interessant og slående at observere, hvordan de lilla dampe diffunderes, og den initierede studerende kan verificere fraværet af flydende jod.

Dette er det vigtigste kendetegn ved sublimering: der er ingen tilstedeværelse af en flydende fase. Ligeledes er det endotermisk, da det faste stof absorberer varme for at øge dets damptryk, indtil det er lig med det ydre tryk.

- Aflejring

Aflejring af iodkrystaller. Kilde: Stanislav.nevyhosteny, fra Wikimedia Commons

Aflejring er ændringen af ​​et stofs tilstand fra gasform til faststof.

Parallelt med jodsubblimeringseksperimentet er der deponering af det. Aflejring er den modsatte ændring eller overgang: Stoffet går fra den gasformige tilstand til det faste stof uden dannelse af en flydende fase.

Når lilla joddampe kommer i kontakt med en kold overflade, frigiver de varme for at varme den op, mister energi og omgruppere dens molekyler tilbage i det grå-lilla faste stof (øverste billede). Det er derefter en eksoterm process.

Aflejring er vidt brugt til syntese af materialer, hvor de er doteret med metalatomer ved hjælp af avancerede teknikker. Hvis overfladen er meget kold, er varmeudvekslingen mellem den og damppartiklerne pludselig, idet passagen gennem den respektive væskefase udelades.

Aflejringsvarmen eller entalpien (og ikke afsætningen) er den inverse af sublimeringsvarmen (ΔH _Sub = - ΔH _Dep). I teorien kan mange stoffer sublimeres, men for at opnå dette er det nødvendigt at manipulere tryk og temperaturer, ud over at have deres P vs T-diagram til rådighed; hvor dets fjerne mulige faser kan visualiseres.

Andre statusændringer

Selvom der ikke nævnes nogen af ​​dem, er der andre tilstande. Nogle gange er de kendetegnet ved at have "lidt af hver", og derfor være en kombination af dem. For at generere dem skal tryk og temperaturer manipuleres til meget positive (store) eller negative (små) størrelser.

Således for eksempel, hvis gasser opvarmes overdrevent, mister de deres elektroner, og deres positivt ladede kerner i det negative tidevand udgør det, der kaldes plasma. Det er synonymt med "elektrisk gas", da det har en høj elektrisk ledningsevne.

På den anden side, når temperaturer falder for lavt, kan stof opføre sig på uventede måder; det vil sige, de udviser unikke egenskaber omkring absolut nul (0 K).

En af disse egenskaber er superfluiditet og superledningsevne; såvel som dannelsen af ​​Bose-Einstein kondensater, hvor alle atomer opfører sig som et.

Nogle undersøgelser peger endda på fotonisk stof. I dem grupperes partiklerne af elektromagnetisk stråling, fotoner, sammen til dannelse af fotoniske molekyler. Det vil sige, det ville teoretisk give masse til organer af lys.

Referencer

1. Helmenstine, Anne Marie, ph.d. (19. november 2018). Liste over faseændringer mellem stater. Gendannes fra: thoughtco.com
2. Wikipedia. (2019). Sagenes tilstand. Gendannet fra: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Skiftende stater. Gendannes fra: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Faseændring: Fordampning, kondens, frysning, smeltning, sublimering og afsætning. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
5. Bagley M. (11. april 2016). Materie: Definition & de fem stater i sagen. Gendannes fra: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi. (8. udgave). CENGAGE Læring.