TILANMUUTOKSET: TYYPIT JA NIIDEN OMINAISUUDET (ESIMERKKEINÄ) - KEMIA - 2026

Tila muuttuu tai vaihe on jossa materiaali käy läpi fysikaalisia muutoksia palautuvat termodynaaminen ilmiö. Sen sanotaan olevan termodynaaminen, koska lämmönsiirto tapahtuu aineen ja ympäristön välillä; tai mikä on samaa, aineen ja energian välillä on vuorovaikutuksia, jotka saavat aikaan hiukkasten uudelleenjärjestelyn.

Hiukkaset, jotka käyvät läpi tilanmuutoksen, pysyvät samoina ennen ja jälkeen sen. Paine ja lämpötila ovat tärkeitä muuttujia siinä, kuinka ne sovitetaan yhteen vaiheeseen. Kun tilanmuutos tapahtuu, muodostuu kaksivaiheinen järjestelmä, joka koostuu samasta aineesta kahdessa erilaisessa fyysisessä tilassa.

Valtion muutokset. Lähde: Gabriel Bolívar

Yllä oleva kuva osoittaa tärkeimmät tilanmuutokset, joita asia tapahtuu normaaleissa olosuhteissa.

Kiinteä sinertävän aineen kuutio voi muuttua nestemäiseksi tai kaasumaiseksi ympäristön lämpötilan ja paineen mukaan. Se itsessään edustaa yhtä vaihetta: kiinteää ainetta. Mutta sulamishetkellä, toisin sanoen sulamisessa, muodostuu kiinteä-nestemäinen tasapaino, jota kutsutaan fuusioksi (punainen nuoli sinertävän kuution ja pudotuksen välillä).

Fuusion tapahtumiseksi kuution on absorboitava lämpöä ympäristöstään lämpötilan nostamiseksi; Siksi se on endoterminen prosessi. Kun kuutio on sulanut kokonaan, se palaa yksivaiheeseen: nestetilaan.

Tämä sinertävä tippa voi edelleen absorboida lämpöä, mikä nostaa sen lämpötilaa ja johtaa muodostumaan kaasumaisia ​​kuplia. Jälleen on kaksi vaihetta: yksi neste ja toinen kaasu. Kun koko neste on haihtunut kiehumispisteensä läpi, sen sanotaan sitten olevan kiehunut tai höyrystynyt.

Nyt sinertävät tiput muuttuivat pilviksi. Toistaiseksi kaikki prosessit ovat olleet endotermisiä. Sinertävä kaasu voi edelleen absorboida lämpöä, kunnes se kuumenee; maanpäälliset olosuhteet huomioon ottaen sillä on kuitenkin taipumus jäähtyä ja tiivistyä takaisin nesteeseen (tiivistyminen).

Toisaalta pilvet voivat myös kerrostua suoraan kiinteään faasiin muodostaen jälleen kiinteän kuution (laskeuma). Nämä kaksi viimeistä prosessia ovat eksotermisiä (siniset nuolet); ts. ne vapauttavat lämpöä ympäristöön tai ympäristöön.

Kondensoitumisen ja kerrostumisen lisäksi tilanmuutos tapahtuu, kun sinertävä tippa jäätyy alhaisissa lämpötiloissa (jähmettyminen).

Tilamuutostyypit ja niiden ominaisuudet

Kuva näyttää tyypilliset muutokset kolmessa (yleisimmässä) ainetilassa: kiinteä, neste ja kaasu. Punaisten nuolien mukana olevat muutokset ovat endotermisiä, sisältäen lämmön imeytymisen; Vaikka sinisten nuolien mukana olevat ovat eksotermisiä, ne vapauttavat lämpöä.

Seuraavaksi esitetään lyhyt kuvaus jokaisesta näistä muutoksista, ja siinä tuodaan esiin joitain niiden ominaisuuksista molekyylin ja termodynaamisuuden perusteella.

- Fuusio

Fuusio on aineen tilan muutos kiinteästä nesteeksi.

Kiinteässä tilassa hiukkaset (ionit, molekyylit, klusterit jne.) Ovat ”vankeja”, jotka sijaitsevat kiinteissä asemissa avaruudessa ilman, että ne voivat liikkua vapaasti. Ne kykenevät kuitenkin värähtelemään eri taajuuksilla, ja jos ne ovat erittäin vahvoja, molekyylien välisten voimien asettama tiukka järjestys alkaa "hajota".

Tuloksena saadaan kaksi vaihetta: yksi, jossa hiukkaset pysyvät suljettuina (kiinteät), ja toinen, missä ne ovat vapaampia (nestemäiset), riittävän suurentamaan etäisyyksiä, jotka erottavat ne. Tämän saavuttamiseksi kiinteän aineen on absorboitava lämpöä, ja siten sen hiukkaset värähtelevät suuremmalla voimalla.

Tästä syystä fuusio on endoterminen, ja kun se alkaa, sanotaan, että kiinteän nestemäisen faasin välillä tapahtuu tasapaino.

Lämpöä, joka vaaditaan tämän muutoksen aikaansaamiseksi, kutsutaan sulamisen lämpöä tai molaarista entalpiaa (ΔH _Fus). Tämä ilmaisee lämmön määrän (energia, lähinnä kJ-yksikköinä), jonka kiinteän olosuhteissa olevan molekyylin molekyylin on absorboitava sulamaan, eikä vain nostamaan lämpötilaa.

Lumipallo

Sulaa lunta käsin. Lähde: Pixabay

Tätä silmällä pitäen ymmärretään, miksi lumipallo sulaa kädessä (yläkuva). Lumi imee kehon lämpöä, joka riittää nostamaan lumen lämpötilan yli 0 ° C.

Lumen jääkiteet absorboivat juuri tarpeeksi lämpöä sulaakseen ja vesimolekyyliensä omaksumaan messierrakenteen. Lumen sulamisen aikana muodostunut vesi ei nosta sen lämpötilaa, koska lumi käyttää kaiken käsin tulevan lämmön sulamisen loppuun saattamiseen.

- Höyrystyminen

Höyrystys on aineen tilan muutos nestemäisestä kaasumaiseen tilaan.

Jatkamalla veden esimerkkiä, asettamalla nyt kourallinen lunta astiaan ja sytyttämällä tulta, havaitaan, että lumi sulaa nopeasti. Kun vesi lämpenee, sen sisälle alkaa muodostua pieniä hiilidioksidikuplia ja muita mahdollisia kaasumaisia ​​epäpuhtauksia.

Kiehuvaa vettä. Lähde: Pixabay

Lämpö laajentaa molekyylillä veden epäjärjestyneitä kokoonpanoja, kasvattaen sen tilavuutta ja lisäämällä sen höyrynpainetta; siksi on olemassa useita molekyylejä, jotka pakenevat pinnalta kasvavan haihtumisen seurauksena.

Nestemäinen vesi nostaa lämpötilaa hitaasti korkean ominaislämpönsä (4,144 J / ° C ∙ g) vuoksi. Sieltä tulee piste, jossa sen absorboimaa lämpöä ei enää käytetä lämpötilan nostamiseen, vaan neste-höyryn tasapainon käynnistämiseen; ts. se alkaa kiehua ja kaikki neste menee kaasumaiseen tilaan absorboiden samalla lämpöä ja pitäen lämpötilan vakiona.

Täällä näet voimakkaan kuplivan keitetyn veden pinnalla (yläkuva). Lämpöä, jonka nestemäinen vesi imee, niin että sen alkavien kuplien höyrynpaine on yhtä suuri kuin ulkoinen paine, kutsutaan höyrystymisen entalpiaksi (ΔH _Vap).

Paineen rooli

Paine on myös määräävä tekijä tilamuutoksissa. Mikä on sen vaikutus höyrystymiseen? Mitä korkeampi paine, sitä suurempi lämpö on, jonka veden on absorboitava kiehuvaksi, ja siksi se höyrystyy yli 100 ° C.

Tämä johtuu siitä, että paineen nousu vaikeuttaa vesimolekyylien poistumista nesteestä kaasumaiseen faasiin.

Painekeittimet käyttävät tätä tosiasiaa hyväkseen kuumentaakseen ruokaa vedessä lämpötilaan, joka on sen kiehumispisteen yläpuolella.

Toisaalta, koska siinä on tyhjiö tai paineen aleneminen, nestemäinen vesi tarvitsee matalamman lämpötilan kiehua ja mennä kaasufaasiin. Korkealla tai matalalla paineella veden kiehuessa veden on absorboitava vastaava höyrystymislämpö tilanmuutoksensa loppuun saattamiseksi.

- Tiivistyminen

Kondensaatio on aineen tilan muutos kaasumaisesta nestetilaan.

Vesi on höyrystynyt. Mitä seuraavaksi? Vesihöyry voi edelleen kohota lämpötilaa, muuttua vaaralliseksi virtaksi, joka voi aiheuttaa vakavia palovammoja.

Oletetaan kuitenkin, että se jäähtyy sen sijaan. Miten? Lämmön vapauttamisen ympäristöön ja lämmön vapautumisen sanotaan olevan eksoterminen prosessi.

Vapauttamalla lämpöä, erittäin energinen kaasumainen vesimolekyyli alkaa hidastua. Myös niiden vuorovaikutukset tehostuvat, kun höyryn lämpötila laskee. Ensin muodostuu vesipisaroita, jotka tiivistyvät höyrystä, mitä seuraa suurempia tippoja, jotka lopulta vetävät painovoiman.

Tietyn määrän höyryn lauhduttamiseksi kokonaan sinun on vapautettava sama energia, mutta vastakkaisella merkillä ΔH _{Vap: ssa}; eli sen kondensaation entalpia ΔH _Cond. Siten käänteinen höyry-neste-tasapaino saadaan aikaan.

Kosteat ikkunat

Veden tiivistyminen. Lähde: Pexels

Tiivistymistä voi nähdä kotien ikkunoissa. Kylmässä ilmastossa talon sisällä oleva vesihöyry törmää ikkunaan, jonka materiaalin vuoksi lämpötila on alhaisempi kuin muiden pintojen.

Siellä höyrymolekyylien on helpompi tarttua yhteen, jolloin muodostuu ohut valkeahko kerros, joka on helposti käsin irrotettavissa. Kun nämä molekyylit vapauttavat lämpöä (lämmittävät lasia ja ilmaa), ne alkavat muodostaa enemmän klustereita, kunnes ensimmäiset tipat voivat tiivistyä (yläkuva).

Kun pisarat kasvavat erittäin suuriksi, ne liukuvat ikkunasta alas ja jättävät jäljen vettä.

- Jähmettyminen

Kiinteytyminen on aineen tilan muutos nestemäisestä tilasta kiinteään tilaan.

Jähmettyminen tapahtuu jäähdytyksen seurauksena; toisin sanoen vesi jäätyy. Jäätyäkseen veden on vapautettava sama määrä lämpöä, jonka jään imeytyminen sulaa. Tätä lämpöä kutsutaan jälleen kiinteytymisen tai jäätymisen entalpiaksi, ΔH _Cong (-AH _Fus).

Vesimolekyylien jäähtyessä ne menettävät energiaa ja niiden molekyylienväliset vuorovaikutukset vahvistuvat ja suuntautuvat. Seurauksena on, että ne on järjestetty vedyssidostensa ansiosta ja muodostavat ns. Jääkiteitä. Jääkiteiden kasvatusmekanismi vaikuttaa niiden ulkonäköön: läpinäkyvä tai valkoinen.

Jääveistos. Lähde: Pixabay

Jos jääkiteet kasvavat hyvin hitaasti, ne eivät sulje epäpuhtauksia, kuten kaasuja, jotka liukenevat veteen alhaisissa lämpötiloissa. Siten kuplat pakenevat eivätkä pääse vuorovaikutukseen valon kanssa; ja sen seurauksena sinulla on yhtä läpinäkyvä jää kuin poikkeuksellisella jääpatsaalla (yläkuva).

Sama asia, joka tapahtuu jään kanssa, se voi tapahtua minkä tahansa muun aineen kanssa, joka jähmettyy jäähdyttämällä. Ehkä tämä on monimutkaisin fyysinen muutos maanpäällisissä olosuhteissa, koska voidaan saada useita polymorfeja.

- Sublimaatio

Sublimaatio on aineen tilan muutos kiinteästä kaasumaiseen.

Voiko vesi sublimoitua? Ei, ainakaan ei normaalioloissa (T = 25 ° C, P = 1 atm). Jotta sublimoituminen tapahtuisi, toisin sanoen tilanmuutos kiinteästä kaasuksi, kiinteän aineen höyrynpaineen on oltava korkea.

Samoin on välttämätöntä, että niiden molekyylien väliset voimat eivät ole kovin vahvoja, mieluiten, jos ne koostuvat vain dispersiovoimista.

Symbolisin esimerkki on kiinteä jodi. Se on kiteinen kiinteä aine, jolla on harmahtavan violetit sävyt, ja jolla on korkea höyrynpaine. Tällöin tapahtuu, että purkautuessa purkautuu violetti höyry, jonka tilavuus ja laajeneminen näkyvät kuumennettaessa.

Jodin sublimoituminen. Lähde: Belkina NV, Wikimedia Commonsista

Yllä oleva kuva osoittaa tyypillisen kokeen, jossa kiinteä jodi haihdutetaan lasisäiliössä. On mielenkiintoista ja silmiinpistävää seurata kuinka purppuran höyryt leviävät, ja aloittanut opiskelija voi tarkistaa nestemäisen jodin puuttumisen.

Tämä on sublimoitumisen pääominaisuus: nestefaasia ei ole läsnä. Samoin se on endoterminen, koska kiinteä aine absorboi lämpöä nostaakseen höyrynpainetta, kunnes se on yhtä suuri kuin ulkoinen paine.

- Saostuminen

Jodikiteiden laskeuma. Lähde: Stanislav.nevyhosteny, Wikimedia Commonsista

Laskeutuminen on aineen tilan muutos kaasumaisesta kiinteään olomuotoon.

Yhdessä jodin sublimointikokeen kanssa on olemassa sen laskeuma. Saostuminen on päinvastainen muutos tai siirtymä: aine siirtyy kaasumaisesta tilasta kiinteään aineeseen muodostamatta nestemäistä faasia.

Kun violetit jodihöyryt joutuvat kosketuksiin kylmän pinnan kanssa, ne vapauttavat lämpöä sen lämmittämiseksi, menettävät energiaa ja ryhmittelevät molekyylinsä takaisin harmahtavan violettiin kiinteään aineeseen (yläkuva). Se on sitten eksoterminen prosessi.

Saostumista käytetään laajalti materiaalien synteesiin, jossa ne seostetaan metalliatomeilla hienostuneilla tekniikoilla. Jos pinta on erittäin kylmä, lämmönvaihto sen ja höyryhiukkasten välillä on äkillinen, jättäen kulun vastaavan nestefaasin läpi.

Saostumisen lämpö tai entalpia (eikä laskeuma) on käänteinen sublimoitumisen (ΔH _Sub = - ΔH _Dep) kanssa. Teoriassa monet aineet voidaan sublimoida, mutta tämän saavuttamiseksi on tarpeen manipuloida paineita ja lämpötiloja sen lisäksi, että niiden P vs T-diagrammi on käsillä; jossa sen etäiset mahdolliset vaiheet voidaan visualisoida.

Muut tilanmuutokset

Vaikka niitä ei mainita, asiasta on muitakin tiloja. Joskus heille on ominaista, että niillä on "vähän jokaisesta", ja siksi he ovat yhdistelmä heitä. Niiden luomiseksi paineita ja lämpötiloja on manipuloitava erittäin positiivisiin (suuriin) tai negatiivisiin (pieniin) suuruuksiin.

Siten esimerkiksi, jos kaasuja kuumennetaan liian paljon, ne menettävät elektroninsa ja positiivisesti varautuneet ytimensä siinä negatiivisessa vuorovedessä muodostavat ns. Plasman. Se on synonyymi "sähkökaasulle", koska sen sähkönjohtavuus on korkea.

Toisaalta, kun lämpötilat laskee liian alhaiseksi, aine voi käyttäytyä odottamattomalla tavalla; ts. niillä on ainutlaatuisia ominaisuuksia absoluuttisen nollan (0 K) ympärillä.

Yksi näistä ominaisuuksista on supervirtaus ja suprajohtavuus; samoin kuin Bose-Einsteinin kondensaattien muodostuminen, jossa kaikki atomit käyttäytyvät yhtenä.

Jotkut tutkimukset osoittavat jopa fotonista ainetta. Niissä sähkömagneettisen säteilyn hiukkaset, fotonit, ryhmittyvät toisiinsa muodostaen fotonisia molekyylejä. Toisin sanoen se olisi teoreettisesti antamassa massaa valonkappaleille.

Viitteet

1. Helmenstine, tohtori Anne Marie (19. marraskuuta 2018). Luettelo vaiheiden muutoksista asiatilojen välillä. Palautettu osoitteesta: gondo.com
2. Wikipedia. (2019). Aineen tila. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Muuttuvat tilat. Palautettu osoitteesta: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Vaihevaihe: haihtuminen, kondensoituminen, jäätyminen, sulaminen, sublimointi ja laskeuma. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com
5. Bagley M. (11. huhtikuuta 2016). Aihe: määritelmä ja viisi tilannetta. Palautettu sivustolta: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. (2008). Kemia. (8. painos). CENGAGE -oppiminen.