TILSTANDSENDRINGER: TYPER OG DERES EGENSKAPER (MED EKSEMPLER) - KJEMI - 2026

De tilstandsendringer eller fase er der materialet undergår fysiske endringer reversibel termodynamiske fenomen. Det sies å være termodynamisk fordi en varmeoverføring skjer mellom materie og omgivelsene; eller hva som er det samme, det er samspill mellom materie og energi som induserer en omorganisering av partiklene.

Partiklene som gjennomgår endring av tilstanden forblir de samme før og etter den. Trykk og temperatur er viktige variabler for hvordan de blir plassert i en eller annen fase. Når det skjer en endring av tilstand, dannes et bifasisk system som består av den samme saken i to forskjellige fysiske tilstander.

Tilstandsendringer. Kilde: Gabriel Bolívar

Bildet over viser hovedtilstandsendringene som materien gjennomgår under normale forhold.

En solid kube av et blålig stoff kan bli flytende eller gassformig avhengig av temperaturen og trykket i omgivelsene. I seg selv representerer det en enkelt fase: det faste. Men i smelteøyeblikket, det vil si smelting, etableres en fast-flytende likevekt kalt fusjon (rød pil mellom den blånede kuben og dråpen).

For at fusjon skal skje, trenger kuben å absorbere varme fra omgivelsene for å øke temperaturen. derfor er det en endoterm prosess. Når kuben er fullstendig smeltet, går den tilbake til en enkelt fase: den i flytende tilstand.

Denne blålige dråpen kan fortsette å absorbere varme, noe som øker temperaturen og resulterer i dannelse av gassformige bobler. Igjen er det to faser: en væske og den andre gass. Når all væske har fordampet gjennom kokepunktet, sies den da å ha kokt eller fordampet.

Nå forvandlet de blålige dråpene seg til skyer. Så langt har alle prosesser vært endotermiske. Den blålige gassen kan fortsette å absorbere varme til den blir varm; gitt de jordiske forholdene, har den imidlertid en tendens til å kjøle seg ned og kondensere tilbake i væsken (kondens).

På den annen side kan skyer også avsette direkte på en fast fase, og igjen danne den faste kuben (avsetning). Disse to siste prosessene er eksoterme (blå piler); det vil si at de frigjør varme til omgivelsene eller omgivelsene.

I tillegg til kondens og avsetting, skjer en endring av tilstand når den blålige dråpen fryser ved lave temperaturer (størkning).

Typer tilstandendringer og deres egenskaper

Bildet viser de typiske endringene for de tre (vanligste) stofftilstandene: faststoff, væske og gass. Endringene ledsaget av de røde pilene er endotermiske, som involverer absorpsjon av varme; mens de ledsaget av de blå pilene er eksoterme, frigjør de varmen.

En kort beskrivelse av hver av disse endringene vil bli laget nedenfor, og fremhever noen av deres egenskaper fra molekylær og termodynamisk resonnement.

- Fusjon

Fusjon er tilstandens endring av et stoff fra faststoff til væske.

I fast tilstand er partiklene (ioner, molekyler, klynger, etc.) “fanger”, plassert i faste posisjoner i rommet uten å kunne bevege seg fritt. Imidlertid er de i stand til å vibrere ved forskjellige frekvenser, og hvis de er veldig sterke, vil den strenge rekkefølgen pålagt av intermolekylære krefter begynne å "falle fra hverandre".

Som et resultat oppnås to faser: en der partiklene forblir innesperret (fast), og en annen der de er friere (flytende), nok til å øke avstandene som skiller dem. For å oppnå dette, må det faste stoffet absorbere varme, og dermed vil partiklene vibrere med større kraft.

Av denne grunn er fusjonen endotermisk, og når den begynner sies det at det oppstår en likevekt mellom de faste væskefasene.

Varmen som kreves for å få til denne endringen kalles varme eller molær entalpi av fusjon (ΔH _Fus ). Dette uttrykker mengden varme (energi, hovedsakelig i enheter av kJ) som en mol substans i fast tilstand må absorbere for å smelte, og ikke bare heve temperaturen.

snøball

Smelter snø for hånd. Kilde: Pixabay

Med dette i bakhodet forstås det hvorfor en snøball smelter i hånden (toppbilde). Snø absorberer kroppsvarme, noe som er nok til å heve snøens temperatur over 0 ° C.

Iskrystallene i snø absorberer akkurat nok varme til å smelte og for at vannmolekylene deres skal ta i bruk en messigere struktur. Mens snøen smelter, vil ikke det dannede vannet øke temperaturen, siden all varmen fra hånden brukes av snøen for å fullføre smeltingen.

- Fordamping

Fordampning er endringen av tilstanden til et stoff fra flytende til gassform.

Fortsetter vi med eksemplet på vann, legger nå en håndfull snø i en gryte og tenner bålet, observeres det at snøen raskt smelter. Når vannet varmes opp, begynner det å dannes små bobler av karbondioksid og andre mulige gassformige urenheter inne i det.

Kokende vann. Kilde: Pixabay

Varme utvider molekylært de forstyrrede konfigurasjonene av vann, utvider volumet og øker damptrykket; derfor er det flere molekyler som rømmer fra overflaten som et resultat av økende fordampning.

Flytende vann øker temperaturen sakte på grunn av den høye spesifikke varmen (4,184J / ° C ∙ g). Det kommer et punkt der varmen den tar opp ikke lenger brukes til å heve temperaturen, men for å sette i gang væske-damp-likevekten; det vil si at den begynner å koke, og all væske vil gå i gassform mens den absorberer varme og holder temperaturen konstant.

Det er her du ser den intense boblingen på overflaten av det kokte vannet (toppbildet). Varmen som flytende vann absorberer slik at damptrykket til de begynnende boblene tilsvarer det ytre trykket, kalles entalpi av fordamping (ΔH _Vap ).

Pressens rolle

Trykk er også en avgjørende faktor i tilstandendringer. Hva er dens virkning på fordampning? Jo høyere trykk, jo større er varmen som vannet må absorbere for å koke, og derfor fordamper det over 100 ° C.

Dette fordi økningen i trykk gjør det vanskelig for vannmolekylene å slippe ut fra væsken til gassfasen.

Trykkkokere bruker dette faktum til sin fordel å varme mat i vann til en temperatur over kokepunktet.

På den annen side, siden det er et vakuum eller en reduksjon i trykk, trenger flytende vann en lavere temperatur for å koke og gå inn i gassfasen. Ved høyt eller lavt trykk, når vannet koker, trenger det å absorbere sin respektive fordampingsvarme for å fullføre tilstandsendringen.

- Kondens

Kondensering er endring av tilstanden til et stoff fra gassform til flytende tilstand.

Vannet har fordampet. Hva blir det neste? Vanndamp kan fortsatt øke i temperatur og bli en farlig strøm som kan forårsake alvorlige forbrenninger.

La oss imidlertid anta at det kjøles ned i stedet. Hvordan? Å frigjøre varme til miljøet, og frigjøre varme sies å være en eksoterm prosess som oppstår.

Ved å frigjøre varme begynner de veldig energiske gassformede vannmolekylene å avta. Interaksjonene deres blir også mer effektive etter hvert som temperaturen på dampen synker. Først vil vanndråper dannes, kondensert fra dampen, etterfulgt av større dråper som ender opp med å bli tiltrukket av tyngdekraften.

For å kondensere en gitt mengde damp fullstendig, må du frigjøre den samme energien, men med motsatt fortegn, ved ΔH _Vap ; det vil si dens entalpi av kondensering ΔH _Cond . Dermed blir den inverse damp-væske-likevekten etablert.

Fuktige vinduer

Vannkondens. Kilde: Pexels

Kondens kan sees på vinduene til selve hjemmene. I et kaldt klima, kolliderer vanndampen inne i huset med vinduet, som på grunn av materialet har en lavere temperatur enn andre overflater.

Der er det lettere for dampmolekylene å klumpe seg sammen, noe som skaper et tynt hvitaktig lag som lett kan tas av for hånd. Når disse molekylene frigjør varme (varme opp glasset og luften), begynner de å danne flere klynger til de første dråpene kan kondensere (toppbilde).

Når dråpene blir veldig store, glir de ned vinduet og etterlater et spor med vann.

- størkning

Stivelse er endringen av tilstanden til et stoff fra den flytende tilstanden til den faste tilstand.

Størkning skjer som et resultat av avkjøling; med andre ord fryser vannet. For å fryse, må vann frigjøre den samme mengden varme som isen tar opp for å smelte. Igjen kalles denne varmen entalpien til størkning eller frysing, CongH _Cong (-ΔH _Fus ).

Når vannmolekylene kjøler ned, mister de energien og intermolekylære interaksjoner blir sterkere og mer retningsbestemte. Som et resultat er de ordnet takket være sine hydrogenbindinger og danner såkalte iskrystaller. Mekanismen som iskrystaller vokser har innvirkning på utseendet deres: gjennomsiktig eller hvit.

Isskulptur. Kilde: Pixabay

Hvis iskrystaller vokser veldig sakte, lukker de ikke urenheter, for eksempel gasser som løses opp i vann ved lave temperaturer. Dermed slipper boblene og kan ikke samhandle med lyset; og følgelig har du en is like gjennomsiktig som den for en ekstraordinær isstatue (toppbilde).

Det samme som skjer med is, det kan skje med alle andre stoffer som størkner ved avkjøling. Kanskje er dette den mest komplekse fysiske endringen i terrestriske forhold, siden flere polymorfer kan oppnås.

- Sublimering

Sublimering er tilstandens endring av et stoff fra faststoff til gassform.

Kan vann sublimeres? Nei, i alle fall ikke under normale forhold (T = 25 ° C, P = 1 atm). For at sublimering skal skje, det vil si endring av tilstand fra faststoff til gass, må damptrykket til det faste stoffet være høyt.

På samme måte er det viktig at deres intermolekylære krefter ikke er veldig sterke, helst hvis de bare består av spredningskrefter.

Det mest emblematiske eksemplet er fast jod. Det er et krystallinsk fast stoff med grå-lilla fargetoner, som gir et høyt damptrykk. Slik er tilfellet at ved virkningen av det gis en lilla damp, hvis volum og utvidelse blir merkbar når de blir utsatt for oppvarming.

Sublimering av jod. Kilde: Belkina NV, fra Wikimedia Commons

Bildet over viser et typisk eksperiment hvor fast jod fordampes i en glassbeholder. Det er interessant og påfallende å observere hvordan de lilla dampene diffunderes, og den igangsatte studenten kan verifisere fraværet av flytende jod.

Dette er hovedkarakteristikken ved sublimering: det er ingen tilstedeværelse av en flytende fase. På samme måte er det endotermisk, siden det faste stoffet tar opp varme for å øke damptrykket til det er lik det ytre trykket.

- Avsetning

Avsetning av jodkrystaller. Kilde: Stanislav.nevyhosteny, fra Wikimedia Commons

Avsetning er endring av tilstanden til et stoff fra gassform til faststoff.

Parallelt med jodsubblimeringseksperimentet er det deponering av det. Avsetning er motsatt endring eller overgang: stoffet går fra gassform til fast stoff uten dannelse av en flytende fase.

Når lilla joddamp kommer i kontakt med en kald overflate, frigjør de varme for å varme den opp, og mister energi og grupperer molekylene sine tilbake til det grå-lilla faste stoffet (toppbildet). Det er da en eksoterm prosess.

Avsetning blir mye brukt for syntese av materialer der de er dopet med metallatomer ved avanserte teknikker. Hvis overflaten er veldig kald, er varmevekslingen mellom den og damppartiklene brå, og unngår passasje gjennom den respektive væskefasen.

Varmen eller entalpien til deponering (og ikke deponering) er den inverse av sublimasjonens (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). I teorien kan mange stoffer sublimeres, men for å oppnå dette er det nødvendig å manipulere trykk og temperaturer, i tillegg til å ha P / T-diagrammet for hånden; der dets fjerne mulige faser kan visualiseres.

Andre statusendringer

Selv om det ikke blir nevnt noen av dem, er det andre tilstander. Noen ganger er de preget av å ha "litt av hvert", og derfor være en kombinasjon av dem. For å generere dem, må trykk og temperaturer manipuleres til veldig positive (store) eller negative (små) størrelser.

For eksempel, hvis gasser varmes for høyt, vil de miste elektronene sine og deres positivt ladede kjerner i det negative tidevannet vil utgjøre det som kalles plasma. Det er synonymt med "elektrisk gass", siden det har en høy elektrisk ledningsevne.

På den annen side, når temperaturene synker for lavt, kan materien oppføre seg på uventede måter; det vil si at de viser unike egenskaper rundt absolutt null (0 K).

En av disse egenskapene er overflødighet og superledelse; samt dannelsen av Bose-Einstein kondensater, der alle atomene oppfører seg som ett.

Noen undersøkelser peker til og med på fotonisk materie. I dem grupperer partiklene av elektromagnetisk stråling fotoner seg sammen for å danne fotoniske molekyler. Det vil si at det ville gi masse til kroppens lys, teoretisk sett.

referanser

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19. november 2018). Liste over faseendringer mellom stater. Gjenopprettet fra: thoughtco.com
2. Wikipedia. (2019). Når det gjelder. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Skiftende stater. Gjenopprettet fra: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Faseendring: Fordamping, kondens, frysing, smelting, sublimering og avsetning. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
5. Bagley M. (11. april 2016). Matter: Definition & the Five States of Matter. Gjenopprettet fra: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kjemi. (8. utg.). CENGAGE Læring.