ЗМІНИ СТАНУ: ТИПИ ТА ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКИ (ІЗ ПРИКЛАДАМИ) - ХІМІЯ - 2025

Зміни стану або фаза - це те, коли матеріал зазнає фізичних змін, оборотного термодинамічного явища. Його називають термодинамічним, оскільки передача тепла відбувається між речовиною та навколишнім середовищем; або те, що те саме, існують взаємодії між речовиною та енергією, які індукують перебудову частинок.

Частинки, що зазнають зміни стану, залишаються однаковими до і після нього. Тиск і температура є важливими змінними в тому, як вони розміщуються в тій чи іншій фазі. Коли відбувається зміна стану, формується двофазна система, що складається з однієї і тієї ж речовини в двох різних фізичних станах.

Зміни держави. Джерело: Габріель Болівар

На зображенні вище показані основні зміни стану, які мають місце в нормальних умовах.

Твердий куб синюватої речовини може перетворитись рідким або газоподібним залежно від температури та тиску навколишнього середовища. Сам по собі він являє собою одну фазу: тверду. Але в момент плавлення, тобто плавлення, встановлюється твердо-рідка рівновага, що називається злиттям (червона стрілка між синюватим кубом і краплею).

Щоб відбулося плавлення, куб повинен поглинати тепло з оточення, щоб підвищити свою температуру; отже, це ендотермічний процес. Як тільки куб повністю розплавиться, він повертається до єдиної фази: рідкого стану.

Ця синювата крапля може продовжувати поглинати тепло, що підвищує його температуру і призводить до утворення газоподібних бульбашок. Знову ж таки, є дві фази: одна рідина, а друга - газ. Коли вся рідина випарується через температуру кипіння, тоді, як кажуть, вона кипіла або випаровується.

Тепер синюваті краплі перетворилися на хмари. Поки всі процеси були ендотермічними. Синюватий газ може продовжувати поглинати тепло, поки не стане гарячим; однак, враховуючи наземні умови, вона має тенденцію до охолодження і конденсації назад у рідину (конденсація).

З іншого боку, хмари також можуть осідати безпосередньо на твердій фазі, знову утворюючи твердий куб (осадження). Ці два останні процеси є екзотермічними (сині стрілки); тобто вони виділяють тепло навколишньому середовищу чи оточенню.

Крім конденсації та осадження, зміна стану відбувається, коли синювата крапля замерзає при низьких температурах (затвердіння).

Типи змін стану та їх характеристика

На зображенні показані типові зміни для трьох (найпоширеніших) станів речовини: твердого, рідкого та газового. Зміни, що супроводжуються червоними стрілками, є ендотермічними, включаючи поглинання тепла; в той час як ті, що супроводжуються синіми стрілками, екзотермічні, вони виділяють тепло.

Короткий опис кожної з цих змін буде зроблено нижче, висвітлюючи деякі їх характеристики з молекулярних та термодинамічних міркувань.

- Злиття

Плавлення - це зміна стану речовини з твердої в рідку.

У твердому стані частинки (іони, молекули, скупчення тощо) є "ув'язненими", розташованими у фіксованих положеннях у просторі, не маючи можливості вільно рухатися. Однак вони здатні вібрувати на різних частотах, і якщо вони будуть дуже сильними, суворий порядок, накладений міжмолекулярними силами, почне «розвалюватися».

В результаті виходять дві фази: перша, де частинки залишаються обмеженими (твердою), і друга, де вони вільніші (рідкі), достатня для збільшення відстаней, що їх розділяють. Для цього тверда речовина повинна поглинати тепло, і, таким чином, його частинки будуть вібрувати з більшою силою.

З цієї причини синтез є ендотермічним, і коли він починається, йдеться про рівновагу між фазами тверда-рідка.

Тепло, необхідне для спричинення цієї зміни, називається тепловою або молярною ентальпією злиття (ΔH _Fus ). Це виражає кількість тепла (енергії, в основному, одиниць кДж), яку моль речовини в твердому стані повинен поглинати, щоб плавитись, а не просто підвищувати свою температуру.

Снігова куля

Танення снігу вручну. Джерело: Піксабай

Зважаючи на це, розуміється, чому сніжний ком в тане в руці (верхнє зображення). Сніг поглинає тепло тіла, чого достатньо для підвищення температури снігу вище 0 ° С.

Кристали льоду в снігу поглинають достатньо тепла, щоб розплавитися, і їх молекули води набули месієвої структури. Поки тане сніг, утворена вода не підвищить свою температуру, оскільки все тепло від руки використовується снігом для завершення його танення.

- Випаровування

Випаровування - це зміна стану речовини з рідкого в газоподібний стан.

Продовжуючи приклад води, тепер поміщаючи жменю снігу в горщик і запалюючи вогонь, помічено, що сніг швидко тане. По мірі нагрівання води в ній починають утворюватися крихітні бульбашки вуглекислого газу та інші можливі газоподібні домішки.

Окріп. Джерело: Піксабай

Тепло молекулярно розширює невпорядковані конфігурації води, розширюючи її об'єм і збільшуючи тиск пари; тому існує кілька молекул, які виходять з поверхні внаслідок посилення випаровування.

Рідка вода повільно збільшує свою температуру, завдяки високому питомому нагріванню (4,184 Дж / ° С ∙ г). Наступає момент, коли тепло, яке воно поглинає, більше не використовується для підвищення температури, а для ініціювання рівноваги рідини; тобто вона починає кипіти і вся рідина піде в газоподібний стан, поглинаючи тепло і підтримуючи температуру постійною.

Саме тут ви бачите інтенсивне бурчання на поверхні кип’яченої води (зверху зображення). Тепло, яке рідка вода поглинає так, що тиск пари її діючих бульбашок дорівнює зовнішньому тиску, називається ентальпією випаровування (ΔH _Vap ).

Роль тиску

Тиск також є визначальним фактором змін стану. Який його вплив на випаровування? Чим більший тиск, тим більше тепла, яке вода повинна поглинати, щоб кипіти, і, отже, вона випаровується вище 100 ° С.

Це відбувається тому, що підвищення тиску утруднює молекули води для виходу з рідини в газоподібну фазу.

Плити під тиском використовують цей факт на свою користь для нагрівання їжі у воді до температури вище її температури кипіння.

З іншого боку, оскільки існує вакуум або зниження тиску, рідка вода потребує нижчої температури, щоб кипіти і переходити в газову фазу. При високому або низькому тиску, коли вода закипає, їй потрібно поглинати відповідну теплоту випаровування, щоб завершити зміну стану.

- Конденсація

Конденсація - це зміна стану речовини з газоподібного стану в рідкий.

Вода випарувалася. Що далі? Водяна пара все ще може підвищуватися в температурі, стаючи небезпечним струмом, здатним викликати сильні опіки.

Однак припустимо, що він замість цього охолоджує. Як? Виділення тепла в навколишнє середовище і виділення тепла, як кажуть, є екзотермічним процесом.

Вивільняючи тепло, дуже енергійні молекули газоподібної води починають сповільнюватися. Також їх взаємодії стають більш ефективними в міру зниження температури пари. Спочатку утворюються краплі води, що конденсуються з пари, а потім йдуть більші краплі, які в кінцевому підсумку притягуються силами тяжіння.

Щоб повністю конденсувати задану кількість пари, потрібно виділити ту саму енергію, але з протилежним знаком, при ΔH _Vap ; тобто його ентальпія конденсації ΔH _Cond . Таким чином, встановлюється зворотна пара-рідинна рівновага.

Вологі вікна

Конденсація води. Джерело: Пікселі

Конденсат можна побачити на самих вікнах будинків. У холодному кліматі водяна пара, що міститься всередині будинку, стикається з вікном, яке завдяки своєму матеріалу має нижчу температуру, ніж інші поверхні.

Там молекули пари легше злипаються, створюючи тонкий білястий шар, який легко знімається вручну. Коли ці молекули виділяють тепло (нагріваючи скло і повітря), вони починають утворювати більш численні скупчення, поки перші краплі не конденсуються (верхнє зображення).

Коли краплі стають дуже великими, вони ковзають у вікно і залишають слід води.

- Затвердіння

Затвердіння - це зміна стану речовини з рідкого стану в твердий.

Затвердіння відбувається внаслідок охолодження; Іншими словами, вода замерзає. Щоб замерзнути, вода повинна виділяти таку ж кількість тепла, яку лід поглинає, щоб танути. Знову ж таки, це тепло називається ентальпією затвердіння або замерзання, ΔH _Cong (-ΔH _Fus ).

У міру охолодження молекул води вони втрачають енергію, і їх міжмолекулярні взаємодії стають більш сильними та спрямованими. В результаті вони розташовуються завдяки своїм водневим зв’язкам і утворюють так звані кристали льоду. Механізм, за допомогою якого виростають крижані кристали, впливає на їх зовнішній вигляд: прозорий або білий.

Крижана скульптура. Джерело: Піксабай

Якщо кристали льоду ростуть дуже повільно, вони не закупорюють домішки, наприклад гази, які розчиняються у воді при низькій температурі. Таким чином, бульбашки тікають і не можуть взаємодіяти зі світлом; і, отже, у вас лід такий же прозорий, як у надзвичайної крижаної статуї (верхнє зображення).

Те саме, що відбувається з льодом, це може статися з будь-якою іншою речовиною, яка твердне при охолодженні. Можливо, це найскладніша фізична зміна наземних умов, оскільки можна отримати кілька поліморфів.

- Сублімація

Сублімація - це зміна стану речовини з твердого в газоподібний стан.

Чи можна сублімувати воду? Ні, принаймні, не в нормальних умовах (Т = 25 ° С, Р = 1 атм). Щоб відбулося сублімація, тобто зміна стану з твердого на газовий, тиск пари твердої речовини повинен бути високим.

Так само важливо, щоб їх міжмолекулярні сили були не дуже сильними, бажано, якщо вони складаються лише з дисперсійних сил.

Найбільш емблематичним прикладом є твердий йод. Це кристалічна тверда речовина з сірувато-фіолетовими відтінками, що має високий тиск пари. Такий випадок, що в акті на нього виділяється фіолетовий пара, об'єм і розширення якого стає помітним при нагріванні.

Сублімація йоду. Джерело: Belkina NV, від Wikimedia Commons

На зображенні вище показаний типовий експеримент, коли твердий йод випаровується у скляній ємності. Цікаво і разюче спостерігати, як пурпурові пари дифундують, і розпочатий учень може перевірити відсутність рідкого йоду.

Це основна характеристика сублімації: немає рідкої фази. Так само він є ендотермічним, оскільки тверда речовина поглинає тепло для збільшення тиску пари, поки воно не дорівнює зовнішньому тиску.

- Відкладення

Осадження кристалів йоду. Джерело: Stanislav.nevyhosteny, з Wikimedia Commons

Осадження - це зміна стану речовини з газоподібного стану в твердий.

Паралельно з експериментом сублімації йоду відбувається його осадження. Осадження - це протилежна зміна або перехід: речовина переходить з газоподібного стану в твердий без утворення рідкої фази.

Коли фіолетові пари йоду контактують з холодною поверхнею, вони виділяють тепло для його нагрівання, втрачаючи енергію і перегрупуючи свої молекули назад у сірувато-фіолетове тверде тіло (верхнє зображення). Тоді це екзотермічний процес.

Осадження широко використовується для синтезу матеріалів, де вони леговані атомами металу за допомогою складних методик. Якщо поверхня дуже холодна, теплообмін між нею і частинками пари відбувається різко, опускаючи проходження через відповідну рідку фазу.

Теплота або ентальпія осадження (а не осадження) є зворотною до сублімації (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). Теоретично багато речовин можна сублімувати, але для досягнення цього необхідно маніпулювати тиском та температурою, крім того, щоб мати під рукою їх діаграму Р проти Т; в якій можна візуалізувати її далекі можливі фази.

Інші зміни статусу

Хоча про них не згадується, є й інші стани матерії. Іноді вони характеризуються тим, що мають «трохи кожного», а тому є їх комбінацією. Щоб створити їх, тиск і температура повинні маніпулювати до дуже позитивних (великих) або негативних (малих) величин.

Так, наприклад, якщо гази надмірно нагріваються, вони втратять електрони, і їх позитивно заряджені ядра в цьому негативному припливі становлять те, що називають плазмою. Він є синонімом «електричного газу», оскільки має високу електропровідність.

З іншого боку, коли температура падає занадто низько, матерія може поводитися несподівано; тобто вони виявляють унікальні властивості навколо абсолютного нуля (0 К).

Однією з цих властивостей є надлишок і надпровідність; а також утворення конденсатів Бозе-Ейнштейна, де всі атоми поводяться як єдині.

Деякі дослідження навіть вказують на фотонні речовини. У них частинки електромагнітного випромінювання, фотони, групуються разом, утворюючи фотонні молекули. Тобто, теоретично це дало б масу тілам світла.

Список літератури

1. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (19 листопада 2018 р.). Перелік фазових змін між станами матерії. Відновлено з: thinkco.com
2. Вікіпедія. (2019). Стан речовини. Відновлено з: en.wikipedia.org
3. Дорлінг Кіндерслі. (2007). Зміна станів. Відновлено з: factmonster.com
4. Майєрс Амі. (2019). Зміна фаз: випаровування, конденсація, заморожування, плавлення, сублімація та осадження. Вивчення. Відновлено з: study.com
5. Баглі М. (11 квітня 2016 р.). Матерія: визначення та п’ять станів матерії. Відновлено з сайту: lifecience.com
6. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. (2008). Хімія. (8-е видання). CENGAGE Навчання.