ПРОМЕНИ В СЪСТОЯНИЕТО: ВИДОВЕ И ТЕХНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (С ПРИМЕРИ) - ХИМИЯ - 2025

Промените в състоянието или фазата са там, където материалът претърпява физически промени обратим термодинамичен феномен. Твърди се, че е термодинамичен, защото между материята и околната среда се осъществява пренос на топлина; или какво е същото, има взаимодействие между материя и енергия, които предизвикват пренареждане на частиците.

Частиците, които претърпяват промяната на състоянието, остават същите преди и след него. Налягането и температурата са важни променливи в начина на настаняване в една или друга фаза. Когато настъпи промяна в състоянието, се образува двуфазна система, съставена от една и съща материя в две различни физически състояния.

Промени в държавата. Източник: Габриел Боливар

Изображението по-горе показва основните промени в състоянието, които материята претърпява при нормални условия.

Твърдият куб от синкаво вещество може да се превърне в течен или газообразен в зависимост от температурата и налягането на заобикалящата го среда. Само по себе си тя представлява една фаза: твърдото вещество. Но в момента на топене, тоест на топене, се установява равновесие между твърдо и течно вещество, наречено сливане (червена стрелка между синкавото кубче и капката).

За да се случи сливането, кубът трябва да абсорбира топлина от заобикалящата го среда, за да повиши температурата си; следователно, това е ендотермичен процес. След като кубът се разтопи напълно, той се връща към една фаза: тази на течното състояние.

Тази синкава капка може да продължи да абсорбира топлината, което повишава температурата й и води до образуването на газообразни мехурчета. Отново има две фази: едната течност, а другата газ. Когато цялата течност се е изпарила през точката на кипене, тогава се казва, че е кипнала или изпарена.

Сега синкавите капки се превърнаха в облаци. Досега всички процеси са били ендотермични. Синкавият газ може да продължи да абсорбира топлина, докато стане горещо; въпреки това, като се имат предвид земните условия, той има тенденция да се охлажда и кондензира обратно в течността (кондензация).

От друга страна, облаците също могат да се депозират директно върху твърда фаза, като отново образуват твърдия куб (отлагане). Последните два процеса са екзотермични (сини стрелки); тоест, те отделят топлина в околната среда или околната среда.

В допълнение към конденза и отлагане, промяна на състоянието настъпва, когато синкавата капка замръзне при ниски температури (втвърдяване).

Видове промени в състоянието и техните характеристики

Изображението показва типичните промени за трите (най-често срещаните) състояния на материята: твърдо, течно и газово. Промените, придружени от червените стрелки, са ендотермични, включващи абсорбиране на топлина; докато тези, придружени от сините стрелки, са екзотермични, те отделят топлина.

Кратко описание на всяка от тези промени ще бъде направено по-долу, като ще се откроят някои от техните характеристики от молекулярни и термодинамични разсъждения.

- Fusion

Сливането е промяна на състоянието на веществото от твърдо в течно.

В твърдо състояние частиците (йони, молекули, клъстери и др.) Са "затворници", разположени във фиксирани позиции в пространството, без да могат да се движат свободно. Те обаче са способни да вибрират с различни честоти и ако са много силни, строгият ред, наложен от междумолекулните сили, ще започне да се разпада.

В резултат се получават две фази: една, където частиците остават затворени (твърди), и друга, където са по-свободни (течни), достатъчни за увеличаване на разстоянията, които ги разделят. За да постигне това, твърдото вещество трябва да абсорбира топлината и по този начин неговите частици ще вибрират с по-голяма сила.

По тази причина сливането е ендотермично и когато започва, се казва, че между фазите твърда и течна става равновесие.

Топлината, необходима за предизвикване на тази промяна, се нарича топлина или моларна енталпия на синтеза (ΔH _Fus). Това изразява количеството топлина (енергия, главно в единици kJ), която мол вещество в твърдо състояние трябва да абсорбира, за да се стопи, а не просто да повишава температурата си.

снежна топка

Топене на сняг на ръка. Източник: Pixabay

Като се има предвид това, се разбира защо снежна топка се топи в ръката (горно изображение). Снягът абсорбира телесната топлина, което е достатъчно за повишаване на температурата на снега над 0 ° C.

Ледените кристали в сняг абсорбират достатъчно количество топлина, за да се стопи и водните им молекули да възприемат месиева структура. Докато снегът се топи, образуваната вода няма да повиши температурата си, тъй като цялата топлина от ръката се използва от снега за завършване на топенето му.

- Изпаряване

Изпаряването е промяна на състоянието на веществото от течно в газообразно състояние.

Продължавайки с примера на водата, сега поставяйки шепа сняг в саксия и запалвайки огъня, се наблюдава, че снегът бързо се стопява. Докато водата се нагрява, вътре в нея започват да се образуват малки мехурчета въглероден диоксид и други възможни газообразни примеси.

Вряща вода. Източник: Pixabay

Топлината молекулярно разширява неупотребените конфигурации на водата, разширявайки обема си и увеличавайки налягането на парата; следователно има няколко молекули, които избягат от повърхността в резултат на увеличаващото се изпарение.

Течната вода повишава температурата си бавно, поради високата си специфична топлина (4.184J / ° C ∙ g). Идва момент, в който топлината, която поглъща, вече не се използва за повишаване на температурата, а за иницииране на равновесието течност-пара; това означава, че започва да кипи и цялата течност ще премине в газообразно състояние, докато абсорбира топлината и поддържа температурата постоянна.

Тук виждате интензивното бълбукане на повърхността на преварената вода (горно изображение). Топлината, която течната вода поглъща, така че налягането на парата на възникващите му мехурчета е равно на външното налягане, се нарича енталпия на изпаряването (ΔH _Vap).

Ролята на натиска

Налягането също е определящ фактор за промените в състоянието. Какъв е ефектът му върху изпаряването? Колкото по-високо е налягането, толкова по-голяма е топлината, която водата трябва да абсорбира, за да заври, и следователно, тя се изпарява над 100 ° C.

Това е така, защото увеличаването на налягането затруднява водните молекули да излязат от течността в газообразната фаза.

Котлоните под налягане използват този факт в своя полза за загряване на храна във вода до температура над нейната точка на кипене.

От друга страна, тъй като има вакуум или намаляване на налягането, течната вода се нуждае от по-ниска температура, за да заври и да влезе в газовата фаза. При високо или ниско налягане, когато водата заври, тя трябва да абсорбира съответната топлина на изпаряване, за да завърши промяната на състоянието си.

- Кондензация

Кондензацията е промяна на състоянието на вещество от газообразно в течно състояние.

Водата се е изпарила. Какво следва? Водната пара все още може да се повиши температурата, превръщайки се в опасен ток, способен да причини силни изгаряния.

Да предположим обаче, че вместо това се охлажда. Как? Изпускането на топлина в околната среда и отделянето на топлина се казва, че протича екзотермичен процес.

Освобождавайки топлината, много енергийните молекули на газообразната вода започват да се забавят. Също така техните взаимодействия стават по-ефективни, тъй като температурата на парата намалява. Първо ще се образуват водни капчици, кондензирани от парата, последвани от по-големи капки, които в крайна сметка биват привлечени от гравитацията.

За да кондензирате напълно определено количество пари, трябва да освободите същата енергия, но с обратен знак, при ΔH _Vap; тоест неговата енталпия на кондензация ΔH _Cond. По този начин се установява обратното пара-течност равновесие.

Влажни прозорци

Кондензация на вода. Източник: Pexels

Кондензацията може да се види на прозорците на самите домове. В студен климат водната пара, съдържаща се в къщата, се сблъсква с прозореца, който поради материала си има по-ниска температура от другите повърхности.

Там молекулите на парата е по-лесно да се скупчат, създавайки тънък белезникав слой, лесно свалящ се на ръка. Тъй като тези молекули отделят топлина (нагряване на стъклото и въздуха), те започват да образуват по-многобройни струпвания, докато първите капки не могат да се кондензират (отгоре изображение).

Когато капките станат много големи, те се плъзгат надолу по прозореца и оставят следа вода.

- Втвърдяване

Втвърдяването е промяна на състоянието на вещество от течно в твърдо състояние.

Втвърдяването се получава в резултат на охлаждане; с други думи, водата замръзва. За да замръзне, водата трябва да отделя същото количество топлина, което ледът абсорбира, за да се стопи. Отново тази топлина се нарича енталпия на втвърдяване или замръзване, ΔH _Cong (-ΔH _Fus).

Докато водните молекули се охлаждат, те губят енергия и междумолекулните им взаимодействия стават по-силни и по-насочени. В резултат на това те се подреждат благодарение на водородните си връзки и образуват така наречените ледени кристали. Механизмът, по който растат ледени кристали, оказва влияние върху външния им вид: прозрачни или бели.

Ледена скулптура. Източник: Pixabay

Ако ледените кристали растат много бавно, те не запушват примеси, като газове, които се разтварят във вода при ниски температури. Така мехурчетата избягват и не могат да взаимодействат със светлината; и следователно имате лед толкова прозрачен, колкото този на изключителна ледена статуя (горно изображение).

Същото нещо, което се случва с леда, може да се случи с всяко друго вещество, което се втвърдява чрез охлаждане. Може би това е най-сложната физическа промяна в земните условия, тъй като могат да се получат няколко полиморфа.

- Сублимация

Сублимацията е промяна на състоянието на веществото от твърдото в газообразно състояние.

Може ли водата да бъде сублимирана? Не, поне не при нормални условия (T = 25 ° C, P = 1 атм). За да се получи сублимация, тоест промяната на състоянието от твърдо в газ, налягането на парата на твърдото вещество трябва да бъде високо.

По същия начин е важно междумолекулните им сили да не са много силни, за предпочитане, ако се състоят само от дисперсионни сили.

Най-емблематичният пример е твърдият йод. Това е кристално твърдо вещество със сиво-лилави нюанси, което представлява високо налягане на парата. Такъв е случаят, че в акта на него се отделя пурпурна пара, чийто обем и разширение стават забележими при подлагане на нагряване.

Сублимация на йод. Източник: Belkina NV, от Wikimedia Commons

Изображението по-горе показва типичен експеримент, при който твърд йод се изпарява в стъклен съд. Интересно и поразително е да наблюдавате как се разсейват лилавите пари и посветеният ученик може да провери липсата на течен йод.

Това е основната характеристика на сублимацията: няма наличие на течна фаза. По същия начин е ендотермичен, тъй като твърдото вещество поглъща топлината, за да увеличи налягането на парата си, докато не се изравни с външното налягане.

- Отлагане

Отлагане на йодни кристали. Източник: Stanislav.nevyhosteny, от Wikimedia Commons

Отлагането е промяна на състоянието на вещество от газообразно в твърдо състояние.

Успоредно с експеримента за сублимация на йод има и неговото отлагане. Отлагането е обратната промяна или преход: веществото преминава от газообразно състояние в твърдо, без да се образува течна фаза.

Когато лилавите йодни пари влизат в контакт със студена повърхност, те отделят топлина, за да я затоплят, губейки енергия и прегрупирайки молекулите си обратно в сиво-лилаво твърдо вещество (горно изображение). Тогава това е екзотермичен процес.

Отлагането се използва широко за синтеза на материали, където те са легирани с метални атоми чрез сложни техники. Ако повърхността е много студена, топлообменът между нея и парните частици е рязък, пропускайки преминаването през съответната течна фаза.

Топлината или енталпията на отлагането (а не отлагането) е обратната на тази на сублимацията (ΔH _Sub = - ΔH _Dep). На теория много вещества могат да бъдат сублимирани, но за да се постигне това, е необходимо да се манипулират наляганията и температурите, в допълнение към това, че тяхната Р срещу Т диаграма е под ръка; в която могат да се визуализират неговите далечни възможни фази.

Други промени в състоянието

Въпреки че не се споменава за тях, има и други състояния на материята. Понякога те се характеризират с това, че имат "малко от всеки" и следователно са комбинация от тях. За да ги генерирате, наляганията и температурите трябва да бъдат манипулирани до много положителни (големи) или отрицателни (малки) величини.

Така например, ако газовете се нагреят прекомерно, те ще загубят електроните си и положително заредените им ядра в този отрицателен прилив ще съставляват това, което е известно като плазма. Той е синоним на "електрически газ", тъй като има висока електрическа проводимост.

От друга страна, когато температурите паднат твърде ниско, материята може да се държи по неочаквани начини; тоест те проявяват уникални свойства около абсолютна нула (0 K).

Едно от тези свойства е свръхтечност и свръхпроводимост; както и образуването на Бозе-Айнщайн кондензати, при които всички атоми се държат като едно цяло.

Някои изследвания дори сочат фотонна материя. В тях частиците на електромагнитното излъчване, фотоните, се групират заедно, за да образуват фотонови молекули. Тоест, теоретично би дало маса на светлинни тела.

Препратки

1. Хелменстин, Ан Мари, доктор на науките (19 ноември 2018 г.). Списък на фазовите промени между състоянията на въпроса. Възстановено от: thinkco.com
2. Wikipedia. (2019). Състояние на материята. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Дорлинг Киндърсли. (2007 г.). Промяна на състоянията. Възстановени от: factmonster.com
4. Майерс Ами (2019). Промяна на фазите: изпаряване, кондензация, замразяване, топене, сублимация и отлагане. Изследване. Възстановено от: study.com
5. Bagley M. (11 април 2016 г.). Материя: Определение и петте състояния на материята. Възстановена от: lifecience.com
6. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. (2008 г.). Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Обучение.