ПРОМЈЕНЕ СТАЊА: ВРСТЕ И ЊИХОВЕ КАРАКТЕРИСТИКЕ (СА ПРИМЈЕРИМА) - ХЕМИЈА - 2025

У стање промени или фаза су где материјалне пролази физичке промене реверзибилна термодинамичких феномен. За њега се каже да је термодинамичан јер се пренос топлоте догађа између материје и околине; или оно што је исто, постоје интеракције између материје и енергије које изазивају преуређивање честица.

Честице које пролазе кроз промену стања остају исте пре и после њега. Притисак и температура су важне променљиве у начину на који су смештени у једној или другој фази. Када дође до промене стања, формира се двофазни систем, састављен од исте материје у два различита физичка стања.

Промјене државе. Извор: Габриел Боливар

Слика изнад приказује главне промене стања које су под нормалним условима.

Чврста коцка плавкасте материје може претворити течно или гасовито у зависности од температуре и притиска околине. Сама по себи представља једну фазу: чврста супстанца. Али, у тренутку топљења, то јест топљења, успоставља се равнотежа чврсто-течна равнотежа која се назива фузија (црвена стрелица између плавкасте коцке и капи).

Да би дошло до фузије, коцка мора да апсорбује топлоту из своје околине да би повећала температуру; према томе, то је ендотермички процес. Једном када се коцка потпуно растопи, враћа се у једну фазу: у течно стање.

Ова плавкаст кап може и даље да апсорбује топлоту, што повећава његову температуру и резултира стварањем гасовитих мехурића. Опет постоје две фазе: једна течна, а друга гасна. Када сва течност испари кроз тачку кључања, тада се каже да прокуха или испари.

Сада су се плавкасте капи претвориле у облаке. До сада су сви процеси били ендотермични. Плавкаст плин може и даље апсорбирати топлоту док не постане вруће; међутим, с обзиром на земаљске услове, она има тенденцију да се охлади и кондензује натраг у течност (кондензација).

С друге стране, облаци се такође могу таложити директно на чврстој фази, поново формирајући чврсту коцку (таложење). Ова последња два процеса су егзотермни (плаве стрелице); то јест, они испуштају топлину у околину или околину.

Поред кондензације и таложења, промена стања настаје и када плавкаст кап смрзне на ниским температурама (очвршћавање).

Врсте промена стања и њихове карактеристике

Слика приказује типичне промене за три (најчешће) стања материје: чврсто, течно и гасно. Промјене праћене црвеним стрелицама су ендотермичне и укључују апсорпцију топлоте; док су оне у пратњи плавих стрелица егзотермне, ослобађају топлоту.

У наставку ће бити дат кратак опис сваке од ових промена, истичући неке од њихових карактеристика из молекуларног и термодинамичког резоновања.

- Фусион

Фузија је промена стања неке материје из чврсте у течну.

У чврстом стању, честице (јони, молекуле, гроздови итд.) Су "затвореници", смештени у фиксним положајима у простору, а да се не могу слободно кретати. Међутим, они су способни да вибрирају на различитим фреквенцијама, а ако су веома јаки, ригорозни поредак који намећу интермолекуларне силе почеће да се "распадају".

Као резултат, добијају се две фазе: једна где честице остају затворене (чврсте), а друга тамо где су слободније (течне), довољне да повећају удаљености које их раздвајају. Да би се то постигло, чврста супстанца мора да апсорбује топлоту, па ће тако њене честице вибрирати с већом силом.

Из тог разлога, фузија је ендотермична, а када започне, каже се да постоји равнотежа између фаза чврсто-течна.

Топлина потребна за доношење ове промене назива се топлина или моларна енталпија фузије (ΔХ _Фус ). Ово изражава количину топлоте (енергије, углавном у јединицама кЈ) коју мол материје у чврстом стању мора да апсорбује да би се растопио, а не да једноставно подиже температуру.

Сновбалл

Топање снега ручно. Извор: Пикабаи

Имајући то у виду, разуме се зашто се снежна снега топи у руци (горња слика). Снег апсорбује телесну топлоту, што је довољно за подизање температуре снега изнад 0 ° Ц.

Кристали леда у снегу апсорбују довољно топлоте да се растопе и да њихови молекули воде усвоје месиерну структуру. Док се снег топи, формирана вода неће повећати своју температуру, јер сву топлоту из руке снијег користи за довршавање топљења.

- Испаравање

Испаравање је промена стања неке материје из течног у гасовито стање.

Настављајући са примером воде, сада стављајући неколико снега у лонац и палите ватру, примећује се да се снег брзо топи. Како се вода загрева, у њој се почињу формирати ситни мехурићи угљен-диоксида и друге могуће гасовите нечистоће.

Кључала вода. Извор: Пикабаи

Топлина молекуларно проширује неуредне конфигурације воде, проширујући свој волумен и повећавајући притисак паре; према томе, постоји неколико молекула који беже са површине као резултат повећаног испаравања.

Течна вода полако повећава температуру, због високе специфичне топлоте (4.184Ј / ° Ц ∙ г). Долази тачка када се топлота коју апсорбује више не користи за подизање температуре, већ за покретање равнотеже течне паре; то јест, почиње кључати и сва течност ће прећи у гасовито стање уз апсорпцију топлоте и одржавање температуре константном.

Овде видите интензивно бубање на површини кључале воде (горња слика). Топлина коју течна вода апсорбује тако да је парни притисак његових иницијалних мехурића једнак спољном притиску назива се енталпија испаравања (ΔХ _Вап ).

Улога притиска

Притисак је такође одлучујући фактор промене стања. Какав је његов утицај на испаравање? Што је притисак већи, то је већа топлота коју вода мора да апсорбује да би прокухала, па стога испарава изнад 100 ° Ц.

То је зато што пораст притиска отежава молекулама воде да изађу из течности у гасовиту фазу.

Штедњаци под притиском користе ову чињеницу у своју корист за загревање хране у води до температуре изнад њене врелишта.

С друге стране, пошто постоји вакуум или пад притиска, течној води је потребна нижа температура да би се прокухала и прешла у гасну фазу. При високом или ниском притиску, када вода кључа, потребно је да упије одговарајућу топлоту испаравања да би довршило промену стања.

- Кондензација

Кондензација је промена стања неке материје из гасовитог у течно стање.

Вода испарава. Шта је следеће? Водена пара може и даље да порасте, постајући опасна струја која може изазвати тешке опекотине.

Ипак, претпоставимо да се уместо тога хлади. Како? Отпуштање топлоте у околину и ослобађање топлоте кажу да се одвија егзотермни процес.

Ослобађањем топлине, веома енергетски молекули гасовите воде почињу да успоравају. Такође, њихове интеракције постају ефикасније како температура паре опада. Прво ће се формирати капљице воде, кондензоване из паре, а потом ће уследити веће капи које на крају привлаче гравитација.

Да бисте у потпуности кондензовали одређену количину паре, потребно је да _{испустите} исту енергију, али са супротним знаком, при ΔХ _Вап ; то јест његова енталпија кондензације ΔХ _Цонд . Тако се успоставља инверзна равнотежа пара-течност.

Влажни прозори

Кондензација воде Извор: Пекелс

Кондензација се може видети на прозорима домова. У хладној клими водена пара која се налази у кући судара се са прозором, који због свог материјала има нижу температуру од осталих површина.

Тамо се молекуле паре лакше сакупљају, стварајући танки беличасти слој који се лако уклања руком. Како ови молекули ослобађају топлоту (загревање стакла и ваздуха), почињу да формирају многобројније накупине док се прве капи не могу кондензовати (горња слика).

Кад капи постану веома крупне, клизну низ прозор и оставе траг воде.

- Очврсћивање

Очврсћивање је промена стања неке супстанце из течног у чврсто стање.

Учвршћивање настаје као резултат хлађења; другим речима, вода се смрзава. Да би се смрзнула, вода мора да ослобађа исту количину топлоте коју лед апсорбује да би се растопио. Опет, ова топлота се назива енталпија очвршћавања или замрзавања, ΔХ _Цонг (-ΔХ _Фус ).

Како се молекули воде хладе, они губе енергију и њихове интермолекуларне интеракције постају јаче и усмереније. Као резултат тога, они су поредани захваљујући водиковим везама и формирају такозване ледене кристале. Механизам раста ледених кристала утиче на њихов изглед: прозирни или бели.

Ледена скулптура. Извор: Пикабаи

Ако кристали леда расту врло споро, они не укисељују нечистоће, попут гасова који се растварају у води на ниским температурама. Тако, мехурићи беже и не могу да делују са светлошћу; и последично, имате лед прозиран као онај изванредне ледене статуе (горња слика).

Иста ствар која се догоди и са ледом, може се десити и са било којом другом супстанцом која се очвршћује хлађењем. Можда је ово најкомплекснија физичка промена земаљских услова, јер се може добити неколико полиморфа.

- Сублимација

Сублимација је промена стања неке материје из чврстог у гасовито стање.

Да ли се вода може сублимирати? Не, барем не у нормалним условима (Т = 25 ° Ц, П = 1 атм). Да би дошло до сублимације, односно до промене стања из чврстог у гас, притисак паре чврсте супстанце мора бити висок.

Исто тако, од суштинског је значаја да њихове интермолекуларне силе нису врло јаке, по могућности ако се састоје само од дисперзијских сила.

Најизразитији пример је чврсти јод. То је кристална чврста супстанца са сивкасто љубичастим нијансама, која представља висок притисак паре. Такав је случај да се на његовом дјелу испушта љубичаста пара, чија запремина и ширење постају приметни када су изложени загревању.

Сублимација јода. Извор: Белкина НВ, из Викимедиа Цоммонс

Слика изнад показује типични експеримент где чврсти јод испарава у стакленој посуди. Занимљиво је и упечатљиво посматрати како се љубичасте паре дифузују, а иницирани студент може да провери одсуство течног јода.

Ово је главна карактеристика сублимације: нема течне фазе. Исто тако је и ендотермичан, јер чврста супстанца апсорбује топлоту да би повећала свој притисак паре док не буде једнак спољном притиску.

- Таложење

Таложење кристала јода. Извор: Станислав.невихостени, са Викимедиа Цоммонс

Таложење је промена стања неке материје из гасовитог стања у чврсто стање.

Паралелно са експериментом сублимације јода, постоји и његово таложење. Таложење је супротна промена или прелаз: супстанца прелази из гасовитог стања у чврсто стање без стварања течне фазе.

Када љубичасте паре јода дођу у додир са хладном површином, они испуштају топлоту да би га загреју, губећи енергију и преусмерујући своје молекуле назад у сивкасто-љубичасту чврсту супстанцу (горња слика). Тада је то егзотермни процес.

Таложење се широко користи за синтезу материјала где су они допирани металним атомима софистицираним техникама. Ако је површина врло хладна, измјена топлоте између ње и честица паре је нагло изостављајући пролазак кроз одговарајућу течну фазу.

Топлина или енталпија таложења (а не таложење) је обрнута од сублимације (ΔХ _Суб = - ΔХ _Деп ). Теоретски се многе супстанце могу сублимирати, али да би се то постигло потребно је манипулисати притисцима и температурама, поред тога што имају при руци њихов дијаграм П вс Т; у којој се могу замислити његове удаљене фазе.

Остале промене статуса

Иако се о њима не спомиње, постоје и друга стања материје. Понекад их карактерише то што имају „по мало“, па су стога и комбинација истих. Да би их створили, притисци и температуре морају се манипулирати на врло позитивне (велике) или негативне (мале) величине.

Тако, на пример, ако се гасови прекомерно загреју, они ће изгубити своје електроне и њихова позитивно наелектрисана језгра у тој негативној осеци чиниће оно што се назива плазма. То је синоним за "електрични гас", јер има велику електричну проводљивост.

С друге стране, када температуре падну прениско, материја се може понашати неочекивано; то јест, показују јединствена својства око апсолутне нуле (0 К).

Једно од ових својстава је сувишна течност и суправодљивост; као и формирање Босе-Ајнштајнових кондензата, где се сви атоми понашају као један.

Нека истраживања чак указују на фотонску материју. У њима се честице електромагнетног зрачења, фотони, групишу заједно у формирање фотонских молекула. То би, теоретски, давало масу светлосним телима.

Референце

1. Хелменстине, др Анне Марие (19. новембра 2018.). Листа фазних промена између стварних стања. Опоравак од: тхинкцо.цом
2. Википедиа. (2019). Стање материје. Опоравак од: ен.википедиа.орг
3. Дорлинг Киндерслеи. (2007). Промена стања. Опоравак од: фацтмонстер.цом
4. Меиерс Ами (2019). Промјена фаза: испаравање, кондензација, замрзавање, топљење, сублимација и таложење. Студи. Опоравак од: студи.цом
5. Баглеи М. (11. април 2016.). Материја: Дефиниција и пет стања материје. Опоравило од: лифециенце.цом
6. Вхиттен, Давис, Пецк и Станлеи. (2008). Хемија. (8. изд.). ЦЕНГАГЕ Учење.