TILLSTÅNDSÄNDRINGAR: TYPER OCH DERAS EGENSKAPER (MED EXEMPEL) - KEMI - 2025

De tillståndsförändringar eller fas är där material undergår fysiska förändringar reversibla termodynamiska fenomen. Det sägs vara termodynamisk eftersom en värmeöverföring sker mellan materien och omgivningen; eller vad som är samma, det finns interaktioner mellan materie och energi som inducerar en omarrangemang av partiklarna.

Partiklarna som genomgår förändring av tillstånd förblir desamma före och efter det. Tryck och temperatur är viktiga variabler för hur de anpassas i en eller annan fas. När en tillståndsändring inträffar bildas ett bifasiskt system som består av samma materia i två olika fysiska tillstånd.

Statliga förändringar. Källa: Gabriel Bolívar

Bilden ovan visar de viktigaste tillståndsändringarna som materien genomgår under normala förhållanden.

En fast kub av en blåaktig substans kan bli flytande eller gasformig beroende på omgivningens temperatur och tryck. I sig själv representerar det en enda fas: det fasta. Men vid smältningsögonblicket, det vill säga smältning, upprättas en fast-flytande jämvikt som kallas fusion (röd pil mellan den blåaktiga kuben och droppen).

För att fusion ska ske måste kuben ta upp värme från omgivningen för att öka temperaturen. därför är det en endoterm process. När kuben är helt smält återgår den till en enda fas: den i vätsketillståndet.

Denna blåaktiga droppe kan fortsätta att ta upp värme, vilket ökar dess temperatur och resulterar i bildning av gasformiga bubblor. Återigen finns det två faser: en vätska och den andra gasen. När all vätska har förångats genom sin kokpunkt sägs den sedan ha kokt eller förångats.

Nu förvandlades de blåaktiga dropparna till moln. Hittills har alla processer varit endotermiska. Den blåaktiga gasen kan fortsätta att ta upp värme tills den blir varm; med tanke på de markbundna förhållandena tenderar det dock att svalna och kondensera tillbaka i vätskan (kondensation).

Å andra sidan kan moln också avsättas direkt i en fast fas och återigen bilda den fasta kuben (avsättning). Dessa två sista processerna är exotermiska (blå pilar); det vill säga de släpper värme till miljön eller omgivningen.

Förutom kondensering och avsättning sker en förändring av tillstånd när den blåaktiga droppen fryser vid låga temperaturer (stelning).

Typ av tillståndsändringar och deras egenskaper

Bilden visar de typiska förändringarna för de tre (vanligaste) ämnena: fast, vätska och gas. Förändringarna åtföljs av de röda pilarna är endotermiska, vilket innebär absorption av värme; medan de som åtföljs av de blå pilarna är exotermiska, släpper de värme.

En kort beskrivning av var och en av dessa förändringar kommer att göras nedan och belyser några av deras egenskaper från molekylär och termodynamisk resonemang.

- Fusion

Fusion är en substansändring av ett ämne från fast till flytande.

I fast tillstånd är partiklarna (joner, molekyler, kluster, etc.) "fångar", lokaliserade i fasta positioner i rymden utan att kunna röra sig fritt. De kan emellertid vibrera vid olika frekvenser, och om de är mycket starka kommer den stränga ordningen som införs av intermolekylära krafter att börja "falla isär".

Som ett resultat erhålls två faser: en där partiklarna förblir begränsade (fasta) och en annan där de är friare (vätska), tillräckligt för att öka avståndet som skiljer dem. För att uppnå detta måste det fasta ämnet absorbera värme, och således kommer dess partiklar att vibrera med större kraft.

Av denna anledning är fusionen endoterm, och när den börjar sägs att en jämvikt uppstår mellan de fasta-vätskefaserna.

Den värme som krävs för att åstadkomma denna förändring kallas värme eller molär entalpi av fusion (ΔH _Fus ). Detta uttrycker mängden värme (energi, främst i enheter av kJ) som en mol ämne i fast tillstånd måste absorbera för att smälta och inte bara höja temperaturen.

Snöboll

Smältande snö för hand. Källa: Pixabay

Med detta i åtanke förstås varför en snöboll smälter i handen (toppbild). Snö absorberar kroppsvärmen, vilket är tillräckligt för att höja temperaturen på snön över 0 ° C.

Iskristallerna i snö absorberar precis tillräckligt med värme för att smälta och för att deras vattenmolekyler ska anta en lägre struktur. Medan snön smälter kommer det bildade vattnet inte att öka temperaturen, eftersom all värme från handen används av snön för att slutföra smältningen.

- Förångning

Förångning är en substansändring av ett ämne från flytande till gasformigt tillstånd.

Fortsätter vi med exemplet med vatten, lägger nu en handfull snö i en kruka och tänder elden, observeras att snön snabbt smälter. När vattnet värms upp börjar små bubblor av koldioxid och andra möjliga gasformiga föroreningar bildas inuti det.

Kokande vatten. Källa: Pixabay

Värme utvidgar molekylärt de störda konfigurationerna av vatten, expanderar dess volym och ökar dess ångtryck; därför finns det flera molekyler som flyr från ytan som ett resultat av ökad avdunstning.

Flytande vatten ökar sin temperatur långsamt på grund av dess höga specifika värme (4,184J / ° C ∙ g). Det kommer en punkt där värmen som den tar upp inte längre används för att höja temperaturen utan för att initiera vätske-ångajämvikten; det vill säga, det börjar koka och all vätska går till gasformigt tillstånd medan den absorberar värme och håller temperaturen konstant.

Det är här du ser den intensiva bubblan på ytan av det kokta vattnet (toppbild). Den värme som flytande vatten tar upp så att ångtrycket i dess begynnande bubblor är lika med det yttre trycket kallas förångning av förångning (ΔH _Vap ).

Pressens roll

Trycket är också en avgörande faktor i tillståndsförändringar. Vad är dess effekt på förångning? Ju högre tryck, desto större värme måste vattnet absorbera för att koka, och därför förångas det över 100 ° C.

Detta beror på att ökningen i tryck gör det svårt för vattenmolekylerna att fly från vätskan till gasfasen.

Tryckkokare använder detta faktum till sin fördel för att värma mat i vatten till en temperatur över dess kokpunkt.

Å andra sidan, eftersom det finns ett vakuum eller en minskning av trycket, behöver flytande vatten en lägre temperatur för att koka och gå in i gasfasen. Vid högt eller lågt tryck, när vattnet kokar, måste det absorbera sitt respektive förångningsvärme för att slutföra sitt tillstånd.

- Kondens

Kondensation är en substansändring av ett ämne från gasformigt till flytande tillstånd.

Vattnet har förångats. Vad kommer härnäst? Vattenånga kan fortfarande öka i temperaturen och bli en farlig ström som kan orsaka allvarliga brännskador.

Låt oss dock anta att det svalnar istället. Hur? Att släppa värme till miljön och släppa värme sägs vara en exoterm process som sker.

Genom att släppa ut värme börjar de mycket energiska gasformiga vattenmolekylerna att sakta ner. Dessutom blir deras interaktioner effektivare när temperaturen på ångan sjunker. Först kommer vattendroppar att bildas, kondenserade från ångan, följt av större droppar som slutligen lockas av tyngdkraften.

För att kondensera en viss mängd ånga helt måste du släppa ut samma energi, men med motsatt tecken, vid ΔH _Vap ; det vill säga dess entalpi av kondensation ΔH _Cond . Således etableras den omvända ånga-vätskejämvikten.

Fuktiga fönster

Vattenkondensation. Källa: Pexels

Kondens kan ses på fönstren i själva hemmen. I ett kallt klimat kolliderar vattenångan inne i huset med fönstret, som på grund av dess material har en lägre temperatur än andra ytor.

Där är det lättare för ångmolekylerna att klumpa sig ihop, vilket skapar ett tunt vitaktigt skikt som lätt kan tas bort för hand. När dessa molekyler släpper värme (värmer upp glaset och luften) börjar de bilda fler kluster tills de första dropparna kan kondensera (toppbild).

När dropparna blir mycket stora, glider de ner genom fönstret och lämnar ett spår med vatten.

- stelning

Stelning är en substansändring av ett ämne från det flytande tillståndet till det fasta tillståndet.

Stelning sker som ett resultat av kylning; med andra ord, vattnet fryser. För att frysa måste vatten släppa ut samma mängd värme som isen absorberar för att smälta. Återigen kallas denna värme entalpin för stelning eller frysning, CongH _Cong (-ΔH _Fus ).

När vattenmolekylerna svalnar förlorar de energi och deras intermolekylära interaktioner blir starkare och mer riktade. Som ett resultat är de ordnade tack vare vätebindningarna och bildar så kallade iskristaller. Mekanismen med vilken iskristaller växer påverkar deras utseende: transparent eller vit.

Isskulptur. Källa: Pixabay

Om iskristaller växer mycket långsamt utesluter de inte föroreningar, till exempel gaser som löser upp i vatten vid låga temperaturer. Således flyr bubblorna och kan inte interagera med ljuset; och följaktligen har du en is som är så transparent som den för en extraordinär isstaty (toppbild).

Samma sak som händer med is, det kan hända med alla andra ämnen som stelnar genom kylning. Kanske är detta den mest komplexa fysiska förändringen i markbundna förhållanden, eftersom flera polymorfer kan erhållas.

- Sublimering

Sublimering är en substansändring av ett ämne från det fasta till det gasformiga tillståndet.

Kan vatten sublimeras? Nej, åtminstone inte under normala förhållanden (T = 25 ° C, P = 1 atm). För att sublimering ska ske, det vill säga förändringen av tillstånd från fast till gas, måste det fasta ångtrycket vara högt.

På samma sätt är det viktigt att deras intermolekylära krafter inte är särskilt starka, helst om de endast består av spridningskrafter.

Det mest emblematiska exemplet är fast jod. Det är ett kristallint fast ämne med grå-lila nyanser som ger ett högt ångtryck. Så är fallet, att i handlingen av den avges en lila ånga, vars volym och expansion blir märkbar när den utsätts för uppvärmning.

Sublimering av jod. Källa: Belkina NV, från Wikimedia Commons

Bilden ovan visar ett typiskt experiment där fast jod indunstas i en glasbehållare. Det är intressant och slående att observera hur de lila ångorna sprids, och den initierade studenten kan verifiera frånvaron av flytande jod.

Detta är huvudkarakteristiken för sublimering: det finns ingen närvaro av en vätskefas. På samma sätt är det endotermiskt, eftersom det fasta materialet absorberar värme för att öka sitt ångtryck tills det är lika med det yttre trycket.

- Avlagring

Avsättning av jodkristaller. Källa: Stanislav.nevyhosteny, från Wikimedia Commons

Avlagring är en substansändring av ett ämne från gasformigt till fast tillstånd.

Parallellt med jodsubblimeringsexperimentet finns det dess deponering. Avlagring är motsatt förändring eller övergång: ämnet går från det gasformiga tillståndet till det fasta ämnet utan bildning av en vätskefas.

När lila jodångor kommer i kontakt med en kall yta, släpper de värme för att värma det, förlorar energi och återgrupperar dess molekyler tillbaka till det grå-lila fasta ämnet (toppbild). Det är då en exoterm process.

Avlagring används ofta för syntes av material där de dopas med metallatomer med sofistikerade tekniker. Om ytan är väldigt kallt är värmeväxlingen mellan den och ångpartiklarna plötslig, och passerar genom respektive vätskefas.

Deponeringens värme eller entalpi (och inte deponering) är invers från sublimeringens (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). I teorin kan många ämnen sublimeras, men för att uppnå detta är det nödvändigt att manipulera trycket och temperaturen, förutom att ha deras P vs T-diagram till hands; där dess avlägsna möjliga faser kan visualiseras.

Andra statusändringar

Även om det inte nämns några av dem finns det andra materiella tillstånd. Ibland kännetecknas de av att ha "lite av var och en" och därför är en kombination av dem. För att generera dem måste tryck och temperaturer manipuleras till mycket positiva (stora) eller negativa (små) storlekar.

Således, till exempel, om gaser värms upp överdrivet, kommer de att förlora sina elektroner och deras positivt laddade kärnor i den negativa tidvattnet kommer att utgöra det som kallas plasma. Det är synonymt med "elektrisk gas", eftersom det har en hög elektrisk konduktivitet.

Å andra sidan, när temperaturen sjunker för lågt, kan materien bete sig på oväntade sätt; det vill säga de uppvisar unika egenskaper runt absolut noll (0 K).

En av dessa egenskaper är överflödighet och supraledningsförmåga; liksom bildningen av Bose-Einstein kondensat, där alla atomer uppför sig som en.

En del forskning pekar till och med på fotoniskt material. I dem grupperas partiklarna av elektromagnetisk strålning, fotoner, för att bilda fotoniska molekyler. Det vill säga det skulle ge massor till ljuskroppar, teoretiskt sett.

referenser

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 november 2018). Lista över fasändringar mellan stater. Återställd från: thoughtco.com
2. Wikipedia. (2019). Ämnesläge. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Ändra stater. Återställd från: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Fasändring: Avdunstning, kondens, frysning, smältning, sublimering och avsättning. Studie. Återställd från: study.com
5. Bagley M. (11 april 2016). Matter: Definition & the Five States of Matter. Återställs från: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Kemi. (8: e upplagan). CENGAGE Learning.