BŪSENOS POKYČIAI: TIPAI IR JŲ CHARAKTERISTIKOS (SU PAVYZDŽIAIS) - CHEMIJA - 2025

Į valstybės pokyčiai ar fazė yra kur materialūs patiria fiziniai pokyčiai grįžtamieji termodinaminį reiškinys. Sakoma, kad ji yra termodinaminė, nes šiluma perduodama tarp materijos ir aplinkos; ar kas yra tas pats, egzistuoja materijos ir energijos sąveika, sukelianti dalelių pertvarkymą.

Dalelės, kuriose vyksta būsenos pasikeitimas, išlieka tos pačios prieš ir po jo. Slėgis ir temperatūra yra svarbūs kintamieji, kiek jie prisitaiko vienoje ar kitoje fazėje. Kai pasikeičia būsena, susidaro dvifazė sistema, sudaryta iš tos pačios medžiagos dviejose skirtingose ​​fizinėse būsenose.

Būsenos pokyčiai. Šaltinis: Gabrielis Bolívaras

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodyti pagrindiniai būsenos pokyčiai, kurie vyksta normaliomis sąlygomis.

Kietas melsvos medžiagos kubas gali tapti skystas arba dujinis priklausomai nuo aplinkos temperatūros ir slėgio. Pats savaime jis reiškia vieną fazę: vientisą. Lydymosi, ty lydymosi metu, susidaro kietojo skysčio pusiausvyra, vadinama suliejimu (raudona rodyklė tarp mėlynojo kubo ir lašo).

Kad įvyktų susiliejimas, kubas turi sugerti šilumą iš aplinkos, kad padidėtų jo temperatūra; todėl tai yra endoterminis procesas. Kai kubas visiškai ištirpsta, jis grįžta į vienfazę: skysčio būseną.

Šis melsvas lašas gali toliau absorbuoti šilumą, todėl padidėja jo temperatūra ir susidaro dujiniai burbuliukai. Vėlgi, yra dvi fazės: viena skystis, o kitas dujos. Kai visas skystis išgaravo iki jo virimo taško, tada sakoma, kad jis užvirė arba išgaravo.

Dabar melsvi lašai virto debesimis. Iki šiol visi procesai buvo endoterminiai. Melsvos dujos gali toliau absorbuoti šilumą, kol jos įkaista; tačiau, atsižvelgiant į antžemines sąlygas, jis linkęs atvėsti ir kondensuotis atgal į skystį (kondensatas).

Kita vertus, debesys taip pat gali nusėsti tiesiai ant kietos fazės, vėl sudarydami kietą kubą (nusėdimą). Šie du paskutiniai procesai yra egzoterminiai (mėlynos rodyklės); tai yra, jie išskiria šilumą į aplinką ar aplinką.

Be kondensacijos ir nusėdimo, būsenos pasikeitimas įvyksta, kai melsvas lašas užšąla žemoje temperatūroje (sukietėjimas).

Būsenos pokyčių tipai ir jų ypatybės

Paveikslėlyje parodyti tipiški trijų (dažniausiai pasitaikančių) materijos būsenų pokyčiai: kieta, skysta ir dujinė. Pokyčiai, kuriuos lydi raudonos rodyklės, yra endoterminiai, apimantys šilumos absorbciją; o tie, kuriuos lydi mėlynos strėlės, yra egzoterminiai, jie išskiria šilumą.

Trumpas kiekvieno iš šių pokyčių aprašymas bus pateiktas žemiau, išryškinant kai kurias jų savybes iš molekulinės ir termodinaminės priežasties.

- Susiliejimas

Suliejimas yra medžiagos būsenos pasikeitimas iš kietos į skystą.

Kietoje būsenoje dalelės (jonai, molekulės, sankaupos ir tt) yra „kaliniai“, esančios fiksuotoje padėtyje erdvėje, negalėdamos laisvai judėti. Tačiau jie sugeba vibruoti skirtingais dažniais, ir jei jie yra labai stiprūs, griežta tvarka, kurią nustato tarpmolekulinės jėgos, pradės „subyrėti“.

Dėl to gaunamos dvi fazės: vienos, kurioje dalelės lieka uždaros (kietos), o kitos, kur jos yra laisvesnės (skystos), pakankamos norint padidinti atstumą, kuris jas atskiria. Norėdami tai pasiekti, kieta medžiaga turi sugerti šilumą, todėl jos dalelės vibruos su didesne jėga.

Dėl šios priežasties susiliejimas yra endoterminis, o kai prasideda, sakoma, kad pusiausvyra susidaro tarp kietos ir skystos fazės.

Šiluma, reikalinga šiam pokyčiui pasiekti, vadinama lydymosi šiluma arba moline entalpija (ΔH _Fus ). Tai išreiškia šilumos (energijos, daugiausia kJ vienetais) kiekį, kurį kietos būsenos medžiagos molis turi absorbuoti, kad ištirptų, o ne tiesiog pakeltų jo temperatūrą.

Sniego gniūžtė

Tirpsta sniegas rankomis. Šaltinis: „Pixabay“

Turint tai omenyje, suprantama, kodėl rankoje tirpsta sniego gniūžtė (vaizdas viršuje). Sniegas sugeria kūno šilumą, kurio pakanka, kad sniego temperatūra pakiltų aukščiau 0 ° C.

Sniego ledo kristalai sugeria tik tiek šilumos, kad ištirptų, ir kad jų vandens molekulės įgautų netvarkingą struktūrą. Kol sniegas tirpsta, susidaręs vanduo nepakels jo temperatūros, nes visą rankos šilumą sniegas sunaudoja savo tirpimui.

- garinimas

Garinimas - tai medžiagos būsenos pasikeitimas iš skysto į dujinį.

Tęsdami vandens pavyzdį, dabar įdėdami į puodą saują sniego ir uždegdami ugnį, pastebima, kad sniegas greitai tirpsta. Vandeniui įšilus, jo viduje pradeda formuotis maži anglies dioksido burbuliukai ir kitos galimos dujinės priemaišos.

Verdantis vanduo. Šaltinis: „Pixabay“

Šiluma molekuliškai išplečia netvarkingą vandens konfigūraciją, išplečiant jo tūrį ir padidinant jo garų slėgį; todėl yra keletas molekulių, kurios iš paviršiaus ištrūksta didėjant garavimui.

Skystas vanduo lėtai didina savo temperatūrą dėl labai specifinės šilumos (4,184 J / ° C ∙ g). Ateina taškas, kai jo sugeriama šiluma yra nebe naudojama temperatūrai pakelti, bet skysčio-garų pusiausvyrai inicijuoti; ty jis pradeda virti ir visas skystis pereis į dujinę būseną, sugerdamas šilumą ir palaikydamas pastovią temperatūrą.

Čia matote intensyvų burbuliavimą virinto vandens paviršiuje (vaizdas viršuje). Šiluma, kurią skystas vanduo sugeria taip, kad pradinių burbuliukų garų slėgis būtų lygus išoriniam slėgiui, yra vadinama garinimo entalpija (ΔH _Vap ).

Slėgio vaidmuo

Slėgis taip pat yra lemiantis veiksnys keičiant būseną. Koks jo poveikis garinimui? Kuo didesnis slėgis, tuo didesnė šiluma, kurią vanduo turi absorbuoti, kad užvirtų, todėl ji garuoja virš 100 ° C.

Taip yra todėl, kad dėl padidėjusio slėgio vandens molekulėms sunku išeiti iš skysčio į dujinę fazę.

Slėginės viryklės naudoja šį faktą savo pranašumui šildyti maistą vandenyje iki aukštesnės nei virimo temperatūros.

Kita vertus, kadangi yra vakuumas arba sumažėjęs slėgis, skystam vandeniui reikia žemesnės temperatūros, kad užvirtų ir pereitų į dujų fazę. Esant aukštam ar žemam slėgiui, kai vanduo verda, jis turi absorbuoti atitinkamą garinimo šilumą, kad pakeistų savo būseną.

- Kondensacija

Kondensacija yra medžiagos būsenos pasikeitimas iš dujinės būsenos į skystą.

Vanduo išgaravo. Kas toliau? Vandens garų temperatūra vis tiek gali pakilti ir tapti pavojinga srove, galinčia sukelti sunkius nudegimus.

Tačiau tarkime, kad jis aušina. Kaip? Šilumos išleidimas į aplinką ir šilumos išsiskyrimas yra egzoterminis procesas.

Išskirdami šilumą, labai energingos dujinės vandens molekulės pradeda lėtėti. Taip pat jų sąveika tampa efektyvesnė, kai mažėja garų temperatūra. Pirmiausia susidarys vandens lašai, susikondensavę iš garo, po to - didesni lašai, kuriuos galiausiai traukia sunkio jėgos.

Norint visiškai sukondensuoti tam tikrą garų kiekį, jums ΔH _Vap reikia išleisti tą pačią energiją, tačiau su priešingu ženklu . tai yra, jo kondensacijos entalpija HH _Cond . Taigi nustatoma atvirkštinė garų ir skysčių pusiausvyra.

Drėgni langai

Vandens kondensacija. Šaltinis: Pexels

Kondensacija gali būti matoma ant pačių namų langų. Šaltu klimatu vandens garai, esantys namo viduje, susiduria su langu, kuris dėl savo medžiagos turi žemesnę temperatūrą nei kiti paviršiai.

Ten garų molekules lengviau sukaupti, sukuriant ploną balkšvą sluoksnį, lengvai nuimamą rankomis. Kai šios molekulės išskiria šilumą (kaitina stiklą ir orą), jos pradeda formuoti daugybę sankaupų, kol pirmieji lašai gali kondensuotis (vaizdas viršuje).

Kai lašai tampa labai dideli, jie nuslysta pro langą ir palieka vandens pėdsaką.

- kietėjimas

Kietėjimas - tai medžiagos būsenos pakeitimas iš skystos būsenos į kietą.

Kietėjimas įvyksta dėl aušinimo; kitaip tariant, vanduo užšąla. Vanduo, kad užšaltų, turi išleisti tiek pat šilumos, kiek ledas sugeria, kad ištirptų. Ši šiluma vėl vadinama sukietėjimo ar užšalimo entalpija ΔH _Cong (-ΔH _Fus ).

Vandens molekulėms atvėsus, jos praranda energiją ir jų tarpmolekulinės sąveikos tampa stipresnės ir kryptingesnės. Dėl to jie yra išdėstyti dėl savo vandenilio jungčių ir sudaro vadinamuosius ledo kristalus. Ledo kristalų augimo mechanizmas turi įtakos jų išvaizdai: skaidrūs arba balti.

Ledo skulptūra. Šaltinis: „Pixabay“

Jei ledo kristalai auga labai lėtai, jie neuždengia priemaišų, tokių kaip dujos, kurios tirpsta vandenyje žemoje temperatūroje. Taigi, burbuliukai išbėga ir negali sąveikauti su šviesa; taigi ledas yra toks pat skaidrus kaip ir nepaprasta ledo statula (vaizdas viršuje).

Tas pats, kas nutinka su ledu, gali nutikti su visomis kitomis medžiagomis, kurios kietėja aušinant. Ko gero, tai yra pats sudėtingiausias fizinis sausumos sąlygų pasikeitimas, nes galima gauti kelis polimorfus.

- Sublimacija

Sublimacija yra medžiagos būsenos pasikeitimas iš kietos į dujinę būseną.

Ar vanduo gali būti sublimuotas? Ne, bent jau normaliomis sąlygomis (T = 25 ° C, P = 1 atm). Kad įvyktų sublimacija, tai yra, pasikeitus būsenai iš kietos į dujas, kietos medžiagos garų slėgis turi būti didelis.

Taip pat svarbu, kad jų tarpmolekulinės jėgos nebūtų labai stiprios, geriausia, jei jas sudarytų tik dispersinės jėgos.

Simboliškiausias pavyzdys yra kietas jodas. Tai kristalinė kieta medžiaga su pilkšvai violetiniais atspalviais, pasižyminti aukštu garų slėgiu. Taip yra, kai dėl to išsiskiria purpuriniai garai, kurių tūris ir plėtimasis tampa pastebimi kaitinant.

Jodo sublimacija. Šaltinis: „Belkina NV“, iš „Wikimedia Commons“

Aukščiau pateiktame paveikslėlyje parodytas tipiškas eksperimentas, kai kietas jodas išgarinamas stikliniame inde. Įdomu ir įspūdinga stebėti, kaip išsiskiria purpuriniai garai, o inicijuotas studentas gali patikrinti, ar nėra skysto jodo.

Tai yra pagrindinė sublimacijos savybė: nėra skystos fazės. Taip pat jis yra endoterminis, nes kieta medžiaga sugeria šilumą, kad padidintų savo garų slėgį, kol ji bus lygi išoriniam slėgiui.

- nusėdimas

Jodo kristalų nusėdimas. Šaltinis: Stanislav.nevyhosteny, iš „Wikimedia Commons“

Nusėdimas - tai medžiagos būsenos pasikeitimas iš dujinės būsenos į kietąją.

Kartu su jodo sublimaciniu eksperimentu yra jo nusėdimas. Nusėdimas yra priešingas pokytis ar perėjimas: medžiaga pereina iš dujinės būklės į kietą medžiagą, nesudarydama skystos fazės.

Kai purpuriniai jodo garai liečiasi su šaltu paviršiumi, jie išskiria šilumą, kad jį sušildytų, prarasdami energiją ir pergrupavę savo molekules į pilkšvai purpurinę kietą medžiagą (vaizdas viršuje). Tada tai yra egzoterminis procesas.

Nusodinimas yra plačiai naudojamas medžiagų sintezei, kur jos yra suskaidytos su metalo atomais, naudojant sudėtingas technologijas. Jei paviršius labai šaltas, šilumos mainai tarp jo ir garų dalelių yra staigūs, praleidžiant praėjimą per atitinkamą skysčio fazę.

Nusėdimo (o ne nusėdimo) šiluma arba entalpija yra atvirkštinė sublimacijai (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). Teoriškai daugelį medžiagų galima sublimuoti, tačiau norint tai pasiekti, reikia ne tik turėti P ir T diagramą, bet ir manipuliuoti slėgiu bei temperatūra; kurioje gali būti vizualizuojamos tolimos galimos jo fazės.

Kiti būsenos pokyčiai

Nors apie juos neužsimenama, yra ir kitų materijos būsenų. Kartais jie pasižymi tuo, kad turi „šiek tiek kiekvieno“, todėl yra jų derinys. Norint juos sukurti, slėgį ir temperatūrą reikia manipuliuoti labai dideliu (dideliu) arba neigiamu (mažu) dydžiu.

Taigi, pavyzdžiui, jei dujos kaitinamos per daug, jos praras elektronus, o teigiamai įkrauti branduoliai toje neigiamame potvynyje sudarys tai, kas vadinama plazma. Tai sinonimas „elektrinėms dujoms“, nes turi aukštą elektrinį laidumą.

Kita vertus, kai temperatūra nukrenta per žemai, materija gali elgtis netikėtai; tai yra, jie pasižymi unikaliomis savybėmis, esančiomis ties absoliučiu nuliu (0 K).

Viena iš šių savybių yra superlaidumas ir superlaidumas; taip pat formuojasi Bose-Einšteino kondensatai, kur visi atomai elgiasi kaip vienas.

Kai kurie tyrimai netgi nurodo fotoninę medžiagą. Juose elektromagnetinės spinduliuotės dalelės, fotonai, susilieja ir sudaro fotonines molekules. T. y., Teoriškai tai būtų masės suteikimas šviesos kūnams.

Nuorodos

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018 m. Lapkričio 19 d.). Fazinių pokyčių tarp valstybių būsenos sąrašas. Atgauta iš: thinkco.com
2. Vikipedija. (2019 m.). Medžiagos būklė. Atkurta iš: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Besikeičiančios būsenos. Atkurta iš: factmonster.com
4. Mejeris Ami. (2019 m.). Fazių kaita: išgarinimas, kondensacija, užšalimas, tirpimas, sublimacija ir nusėdimas. Tyrimas. Atgauta iš: study.com
5. Bagley M. (2016 m. Balandžio 11 d.). Klausimas: apibrėžimas ir penkios materijos būsenos. Atkurta iš: livescience.com
6. Whittenas, Davisas, Peckas ir Stanley. (2008). Chemija. (8-asis leidimas). CENGAGE mokymasis.