STĀVOKĻA IZMAIŅAS: VEIDI UN TO RAKSTUROJUMS (AR PIEMĒRIEM) - ĶĪMIJA - 2025

Par stāvoklis mainās , vai posms ir, kad būtiskas iziet fiziskās izmaiņas atgriezeniska termodinamisko fenomenu. Tiek teikts, ka tā ir termodinamiska, jo siltuma pārnešana notiek starp matēriju un apkārtni; vai kas ir tas pats, starp matēriju un enerģiju notiek mijiedarbība, kas izraisa daļiņu pārkārtošanos.

Daļiņas, kurās notiek stāvokļa maiņa, paliek nemainīgas pirms un pēc tās. Spiediens un temperatūra ir svarīgi mainīgie lielumi, kā tie tiek pielāgoti vienā vai otrā fāzē. Kad notiek stāvokļa maiņa, tiek veidota divfāzu sistēma, kas sastāv no vienas un tās pašas vielas divos dažādos fiziskos stāvokļos.

Valsts izmaiņas. Avots: Gabriel Bolívar

Iepriekš redzamajā attēlā ir redzamas galvenās stāvokļa izmaiņas, kas notiek normālos apstākļos.

Ciets zilganas vielas kubs var kļūt šķidrs vai gāzveida atkarībā no apkārtnes temperatūras un spiediena. Pats par sevi tas pārstāv vienu fāzi: cietā viela. Bet kušanas brīdī, tas ir, kušanas laikā, tiek izveidots cietā-šķidruma līdzsvars, ko sauc par saplūšanu (sarkanā bultiņa starp blūza kubu un pilienu).

Lai notiktu saplūšana, kubam jāuzsūc siltums no apkārtnes, lai paaugstinātu tā temperatūru; tāpēc tas ir endotermisks process. Kad kubs ir pilnībā izkusis, tas atgriežas vienā fāzē: šķidrā stāvoklī.

Šis zilganais piliens var turpināt absorbēt siltumu, kas paaugstina tā temperatūru un veidojas gāzveida burbuļi. Atkal ir divas fāzes: viena šķidruma un otra gāze. Kad viss šķidrums ir iztvaicējis līdz viršanas temperatūrai, tad saka, ka tas ir vārīts vai iztvaikojis.

Tagad zilganās lāses pārvērtās mākoņos. Līdz šim visi procesi ir bijuši endotermiski. Zilganā gāze var turpināt absorbēt siltumu, līdz tā kļūst karsta; tomēr, ņemot vērā sauszemes apstākļus, tam ir tendence atdzist un kondensēties atpakaļ šķidrumā (kondensāts).

No otras puses, mākoņi var arī nogulsnēties tieši uz cietas fāzes, atkal veidojot cietu kubu (nogulsnēšanos). Šie pēdējie divi procesi ir eksotermiski (zilas bultiņas); tas ir, tie izdala siltumu videi vai apkārtnei.

Papildus kondensācijai un nogulsnēšanai notiek stāvokļa maiņa, kad zilgans piliens sasalst zemā temperatūrā (sacietēšana).

Stāvokļa izmaiņu veidi un to raksturojums

Attēlā parādītas tipiskas izmaiņas trīs (visbiežāk sastopamajos) matērijas stāvokļos: cietā, šķidrā un gāzes stāvoklī. Izmaiņas, ko pavada sarkanās bultiņas, ir endotermiskas, ietverot siltuma absorbciju; Kamēr tie, kam pievienotas zilās bultiņas, ir eksotermiski, tie izdala siltumu.

Turpmāk tiks sniegts īss katras šīs izmaiņas apraksts, izceļot dažus to raksturlielumus no molekulāriem un termodinamiskiem apsvērumiem.

- saplūšana

Kausēšana ir vielas stāvokļa maiņa no cietas uz šķidru.

Cietā stāvoklī daļiņas (joni, molekulas, kopas utt.) Ir “ieslodzītie”, kas atrodas fiksētā stāvoklī kosmosā, nespējot brīvi pārvietoties. Tomēr tie spēj vibrēt dažādās frekvencēs, un, ja tie ir ļoti spēcīgi, stingrā kārtība, ko uzliek starpmolekulārie spēki, sāks “sabrukt”.

Rezultātā tiek iegūtas divas fāzes: viena, kurā daļiņas paliek ierobežotas (cietas), un otra, kur tās ir brīvākas (šķidras), pietiekami, lai palielinātu attālumus, kas tās atdala. Lai to panāktu, cietajai vielai jāuztver siltums, un tādējādi tās daļiņas vibrēs ar lielāku spēku.

Šī iemesla dēļ saplūšana ir endotermiska, un, kad tā sākas, tiek teikts, ka starp cietā-šķidruma fāzēm notiek līdzsvars.

Siltumu, kas nepieciešams šo izmaiņu ieviešanai, sauc par saplūšanas siltumu vai molāru entalpiju (ΔH _Fus ). Tas izsaka siltuma daudzumu (enerģiju, galvenokārt kJ vienībās), kas cietā stāvoklī esošam vielas daudzumam jāabsorbē, lai izkausētu, nevis vienkārši paaugstinātu tā temperatūru.

Sniega bumba

Kūst sniegu ar rokām. Avots: Pixabay

Paturot to prātā, saprotams, kāpēc rokā kūst sniega bumba (augšējais attēls). Sniegs absorbē ķermeņa siltumu, kas ir pietiekams, lai sniega temperatūra paaugstinātos virs 0 ° C.

Sniegā esošie ledus kristāli absorbē tieši tik daudz siltuma, lai izkustu un lai ūdens molekulas pieņemtu nekārtīgāku struktūru. Kamēr sniegs kūst, izveidotais ūdens nepalielinās tā temperatūru, jo visu karstumu, ko dod rokas, sniegs izmanto, lai pabeigtu tā kušanu.

- iztvaikošana

Iztvaikošana ir vielas stāvokļa maiņa no šķidruma uz gāzveida stāvokli.

Turpinot ūdens piemēru, tagad katlā ievietojot nedaudz sauju sniega un iededzot uguni, tiek novērots, ka sniegs ātri kūst. Ūdenim sakarstot, tā iekšpusē sāk veidoties sīki oglekļa dioksīda burbuļi un citi iespējamie gāzveida piemaisījumi.

Verdošs ūdens. Avots: Pixabay

Siltums molekulāri paplašina nesakārtotās ūdens konfigurācijas, paplašinot tā tilpumu un palielinot tā tvaika spiedienu; tāpēc ir vairākas molekulas, kas aizvien vairāk iztvaiko no virsmas.

Šķidrais ūdens tā īpatnējā siltuma dēļ (4,144 J / ° C (g) lēnām paaugstina temperatūru. Pienāk brīdis, kad siltumu, ko tas absorbē, vairs neizmanto temperatūras paaugstināšanai, bet gan šķidruma-tvaiku līdzsvara sākšanai; tas ir, tas sāk vārīties, un viss šķidrums nonāks gāzveida stāvoklī, vienlaikus absorbējot siltumu un saglabājot nemainīgu temperatūru.

Šeit jūs redzat intensīvu burbuļošanu uz vārīta ūdens virsmas (augšējais attēls). Siltumu, ko absorbē šķidrais ūdens, tā sākotnējo burbuļu tvaika spiedienam, kas vienāds ar ārējo spiedienu, sauc par iztvaikošanas entalpiju (ΔH _Vap ).

Spiediena loma

Spiediens ir arī noteicošais faktors stāvokļa maiņā. Kāda ir tā ietekme uz iztvaikošanu? Jo augstāks spiediens, jo lielāka ir siltums, kas ūdenim jāuztver vārīšanās temperatūrā, un tāpēc tas iztvaiko virs 100 ° C.

Tas notiek tāpēc, ka spiediena palielināšanās apgrūtina ūdens molekulas izkļūšanu no šķidruma līdz gāzveida fāzei.

Viršanas katli izmanto šo faktu, lai sildītu pārtiku ūdenī līdz temperatūrai, kas pārsniedz tā viršanas temperatūru.

No otras puses, tā kā pastāv vakuums vai spiediena pazemināšanās, šķidram ūdenim ir nepieciešama zemāka temperatūra, lai vārītos un nonāktu gāzes fāzē. Ar paaugstinātu vai zemu spiedienu, kad ūdens vārās, tam jāuztver attiecīgais iztvaikošanas siltums, lai pabeigtu stāvokļa maiņu.

- kondensāts

Kondensācija ir vielas stāvokļa maiņa no gāzveida stāvokļa uz šķidru.

Ūdens ir iztvaikojis. Ko tālāk? Ūdens tvaikos temperatūra joprojām var paaugstināties, kļūstot par bīstamu strāvu, kas var izraisīt smagus apdegumus.

Tomēr pieņemsim, ka tā vietā atdziest. Kā? Tiek apgalvots, ka siltuma izdalīšana vidē un siltuma izdalīšana ir eksotermisks process.

Atbrīvojot siltumu, ļoti enerģētiskās gāzveida ūdens molekulas sāk palēnināties. Arī to mijiedarbība kļūst efektīvāka, pazeminoties tvaika temperatūrai. Vispirms veidosies ūdens pilieni, kas kondensējas no tvaika, pēc tam lielāki pilieni, kas galu galā pievilksies ar smaguma spēka palīdzību.

Lai pilnībā kondensētu noteiktu tvaiku daudzumu, pie ΔH _Vap ir jāizvada tā pati enerģija, bet ar pretēju zīmi ; tas ir, tā kondensācijas entalpija ΔH _Cond . Tādējādi tiek izveidots apgrieztais tvaika un šķidruma līdzsvars.

Mitri logi

Ūdens kondensācija. Avots: Pexels

Uz pašu māju logiem var redzēt kondensāciju. Aukstā klimatā ūdens tvaiki, kas atrodas mājā, saduras ar logu, kam tā materiāla dēļ ir zemāka temperatūra nekā citām virsmām.

Tur tvaika molekulas ir vieglāk salīp kopā, izveidojot plānu bālganu slāni, kuru viegli noņemt ar rokām. Tā kā šīs molekulas izdala siltumu (sildot stiklu un gaisu), tās sāk veidot vairāk kopu, līdz pirmie pilieni var kondensēties (augšējais attēls).

Kad pilieni kļūst ļoti lieli, tie slīd pa logu un atstāj ūdens pēdas.

- sacietēšana

Sacietēšana ir vielas stāvokļa maiņa no šķidra stāvokļa uz cietu.

Cietināšana notiek dzesēšanas rezultātā; citiem vārdiem sakot, ūdens sasalst. Lai sasaltu, ūdenim jāatbrīvo tikpat daudz siltuma, ka ledus absorbē, lai izkausētu. Atkal, šis siltums tiek saukta par entalpija sacietināšanu vai sasaldēšanai, SH _Cong (-ΔH _Fus ).

Ūdens molekulām atdziestot, tās zaudē enerģiju, un to starpmolekulārā mijiedarbība kļūst stiprāka un virzienāka. Tā rezultātā tie ir izvietoti, pateicoties ūdeņraža saitēm, un veido tā sauktos ledus kristālus. Ledus kristālu augšanas mehānisms ietekmē to izskatu: caurspīdīgus vai baltus.

Ledus skulptūra. Avots: Pixabay

Ja ledus kristāli aug ļoti lēni, tie neaizsedz piemaisījumus, piemēram, gāzes, kas zemā temperatūrā izšķīst ūdenī. Tādējādi burbuļi izplūst un nevar mijiedarboties ar gaismu; un līdz ar to jums ir tikpat caurspīdīgs ledus kā neparastai ledus statujai (augšējais attēls).

Tas pats, kas notiek ar ledu, tas var notikt ar jebkuru citu vielu, kas sacietējot atdziest. Varbūt šīs ir vissarežģītākās fizikālās izmaiņas zemes apstākļos, jo var iegūt vairākus polimorfus.

- Sublimācija

Sublimācija ir vielas stāvokļa maiņa no cietas uz gāzveida stāvokli.

Vai ūdeni var sublimēt? Nē, vismaz ne normālos apstākļos (T = 25 ° C, P = 1 atm). Lai notiktu sublimācija, tas ir, stāvokļa maiņa no cietas uz gāzi, cietās vielas tvaika spiedienam jābūt augstam.

Tāpat ir svarīgi, lai to starpmolekulārie spēki nebūtu ļoti spēcīgi, vēlams, ja tie sastāv tikai no izkliedes spēkiem.

Simboliskākais piemērs ir cietais jods. Tā ir kristāliska cieta viela ar pelēcīgi violetu nokrāsu, kurai ir augsts tvaika spiediens. Šādā gadījumā izdalās purpursarkani tvaiki, kuru tilpums un izplešanās kļūst pamanāmi karsējot.

Joda sublimācija. Avots: Belkina NV, no Wikimedia Commons

Augšējā attēlā parādīts tipisks eksperiments, kurā cietais jods tiek iztvaicēts stikla traukā. Interesanti un pārsteidzoši novērot, kā tiek izkliedēti purpursarkanie tvaiki, un iesāktais students var pārbaudīt, vai nav šķidra joda.

Šī ir galvenā sublimācijas īpašība: nav šķidras fāzes. Tāpat tas ir endotermisks, jo cietviela absorbē siltumu, lai palielinātu tā tvaika spiedienu, līdz tas ir vienāds ar ārējo spiedienu.

- nogulsnēšanās

Joda kristālu nogulsnēšanās. Avots: Stanislav.nevyhosteny, no Wikimedia Commons

Nogulsnēšanās ir vielas stāvokļa maiņa no gāzveida stāvokļa uz cietu.

Paralēli joda sublimācijas eksperimentam ir arī tā nogulsnēšanās. Nosēdumi ir pretējas izmaiņas vai pāreja: viela pāriet no gāzveida stāvokļa uz cietu vielu, neveidojot šķidru fāzi.

Kad purpura joda tvaiki nonāk saskarē ar aukstu virsmu, tie izdalās siltumu, lai to sasildītu, zaudējot enerģiju un pārgrupējot savas molekulas atpakaļ pelēcīgi purpursarkanā cietā stāvoklī (augšējais attēls). Pēc tam tas ir eksotermisks process.

Nogulsnēšanu plaši izmanto materiālu sintēzē, kur ar sarežģītām metodēm tie ir leģēti ar metāla atomiem. Ja virsma ir ļoti auksta, siltuma apmaiņa starp to un tvaika daļiņām ir pēkšņa, izlaižot cauri attiecīgajai šķidruma fāzei.

Nosēdumu (un ne nogulsnēšanās) siltums vai entalpija ir apgriezti sublimācijas (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). Teorētiski daudzas vielas var sublimēt, bet, lai to panāktu, papildus ir jābūt P un T diagrammai, lai manipulētu ar spiedienu un temperatūru; kurā var vizualizēt tā tālākās iespējamās fāzes.

Citas statusa izmaiņas

Lai arī tie netiek pieminēti, ir arī citi matērijas stāvokļi. Dažreiz viņus raksturo tas, ka viņiem ir “nedaudz no katra”, un tāpēc viņi ir to apvienojums. Lai tos ģenerētu, spiedienu un temperatūru manipulē ar ļoti pozitīvu (lielu) vai negatīvu (mazu).

Piemēram, ja gāzes tiek uzkarsētas pārmērīgi, tās zaudēs elektronus un pozitīvi lādētos kodolus šajā negatīvajā plūdumā veidos tā dēvētā plazma. Tas ir sinonīms "elektriskajai gāzei", jo tai ir augsta elektriskā vadītspēja.

No otras puses, kad temperatūra pazeminās pārāk zemu, matērija var rīkoties negaidīti; tas ir, tiem piemīt unikālas īpašības ap absolūto nulli (0 K).

Viena no šīm īpašībām ir superlaidība un supravadītspēja; kā arī Bose-Einšteina kondensātu veidošanās, kur visi atomi izturas kā viens.

Daži pētījumi pat norāda uz fotonisko vielu. Tajos elektromagnētiskā starojuma daļiņas, fotoni, sagrupējas, veidojot fotoniskas molekulas. Tas ir, teorētiski tas būtu masu piešķiršana gaismas ķermeņiem.

Atsauces

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. gada 19. novembris). Fāzu maiņu saraksts starp lietām. Atgūts no: domaco.com
2. Wikipedia. (2019. gads). Vielas stāvoklis. Atgūts no: en.wikipedia.org
3. Dorlings Kinderslijs. (2007). Mainīgie stāvokļi. Atgūts no: factmonster.com
4. Mejērs Ami. (2019. gads). Fāžu maiņa: iztvaikošana, kondensācija, sasalšana, kausēšana, sublimācija un nogulsnēšana. Pētījums. Atgūts no: study.com
5. Bagijs M. (2016. gada 11. aprīlis). Jautājums: definīcija un pieci valstis. Atgūts no: livescience.com
6. Vaitens, Deiviss, Peks un Stenlijs. (2008). Ķīmija. (8. izd.). CENGAGE mācīšanās.