PROMJENE STANJA: VRSTE I NJIHOVE KARAKTERISTIKE (S PRIMJERIMA) - KEMIJA - 2026

Promjene stanja ili faze su gdje materijal prolazi kroz fizičke promjene reverzibilne termodinamičke pojave. Kaže se da je termodinamički jer se između materije i okoline događa prijenos topline; ili što je isto, postoje interakcije između materije i energije koje induciraju preuređivanje čestica.

Čestice koje prolaze kroz promjenu stanja ostaju iste prije i nakon njega. Tlak i temperatura su važne varijable u načinu smještaja u jednoj ili drugoj fazi. Kada dođe do promjene stanja, formira se dvofazni sustav, sastavljen od iste materije u dva različita fizička stanja.

Promjene države. Izvor: Gabriel Bolívar

Slika iznad prikazuje glavne promjene stanja koje se događaju u normalnim uvjetima.

Čvrsta kocka plavkaste tvari može pretvoriti tekuću ili plinovitu ovisno o temperaturi i pritisku okolice. Sama po sebi predstavlja jednu fazu: krutinu. Ali, u trenutku topljenja, to jest topljenja, uspostavlja se ravnoteža krute tekućine koja se naziva fuzija (crvena strelica između plavkaste kocke i kapi).

Da bi došlo do fuzije, kocka mora apsorbirati toplinu iz svoje okoline da poveća svoju temperaturu; dakle, to je endotermički proces. Nakon što se kocka potpuno rastopi, vraća se u jednu fazu: stanje tekućine.

Ta plavkast kap može i dalje apsorbirati toplinu, što povećava njegovu temperaturu i rezultira stvaranjem plinovitih mjehurića. Opet postoje dvije faze: jedna tekućina, a druga plin. Kada sva tekućina ispari kroz točku ključanja, tada se kaže da prokuha ili ispari.

Sada su se plavkaste kapi pretvorile u oblake. Do sada su svi procesi bili endotermični. Plavkast plin može i dalje apsorbirati toplinu dok ne postane vruć; međutim, s obzirom na zemaljske uvjete, ona ima tendenciju hlađenja i kondenzacije natrag u tekućinu (kondenzacija).

S druge strane, oblaci se također mogu taložiti izravno na čvrstoj fazi, ponovno formirajući čvrstu kocku (taloženje). Ova posljednja dva procesa su egzotermni (plave strelice); to jest, oni ispuštaju toplinu u okoliš ili okolinu.

Pored kondenzacije i taloženja, promjena stanja događa se kada plavkast kap smrzne pri niskim temperaturama (skrućivanje).

Vrste promjena stanja i njihove karakteristike

Slika prikazuje tipične promjene za tri (najčešće) stanja materije: kruta, tekuća i plinovita. Promjene popraćene crvenim strelicama su endotermične i uključuju apsorpciju topline; dok su one u pratnji plavih strelica egzotermne, oslobađaju toplinu.

U nastavku ćemo dati kratak opis svake od ovih promjena, ističući neke njihove karakteristike iz molekularnog i termodinamičkog rezonovanja.

- Fuzija

Fuzija je promjena stanja tvari iz krute u tekuću.

U čvrstom stanju, čestice (ioni, molekule, grozdovi itd.) Su "zatvorenici", smješteni u fiksnim položajima u prostoru, a da se ne mogu slobodno kretati. Međutim, sposobne su vibrirati na različitim frekvencijama, a ako su vrlo jake, rigorozni red koji su nametnule međumolekularne sile počet će se "raspadati".

Kao rezultat, dobivaju se dvije faze: jedna gdje čestice ostaju zatvorene (krute), a druga tamo gdje su slobodnije (tekuće), dovoljno da se povećaju udaljenosti koje ih razdvajaju. Da bi se to postiglo, krutina mora apsorbirati toplinu, pa će stoga njene čestice vibrirati s većom silom.

Iz tog je razloga fuzija endotermična, a kada započne, kaže se da postoji ravnoteža između faza kruta-tekućina.

Toplina potrebna za postizanje ove promjene naziva se toplina ili molarna entalpija fuzije (ΔH _Fus). To izražava količinu topline (energije, uglavnom u jedinicama kJ) koju mol tvari u čvrstom stanju mora apsorbirati kako bi se rastopio, a ne samo podizati temperaturu.

grudva snijega

Taljenje snijega rukom. Izvor: Pixabay

Imajući to na umu, razumije se zašto se snježna kugla topi u ruci (gornja slika). Snijeg apsorbira tjelesnu toplinu, što je dovoljno za podizanje temperature snijega iznad 0 ° C.

Ledeni kristali u snijegu apsorbiraju upravo toliko topline da se njihovi molekuli vode usvoje messiernu strukturu. Dok se snijeg topi, nastala voda neće povećati svoju temperaturu, jer svu toplinu iz ruke snijeg koristi za dovršavanje topljenja.

- Isparavanje

Isparavanje je promjena stanja tvari iz tekućeg u plinovito stanje.

Nastavljajući s primjerom vode, sada stavljajući šaku snijega u lonac i palite vatru, primijećeno je da se snijeg brzo topi. Kako se voda zagrijava, u njoj se počinju formirati sitni mjehurići ugljičnog dioksida i druge moguće plinovite nečistoće.

Vrela voda. Izvor: Pixabay

Toplina molekularno proširuje neuredne konfiguracije vode, proširujući svoj volumen i povećavajući tlak pare; stoga postoji nekoliko molekula koje bježe s površine kao rezultat povećanog isparavanja.

Tečna voda polako povećava temperaturu zbog visoke specifične topline (4.184J / ° C ∙ g). Dolazi trenutak kada se toplina koju apsorbira više ne koristi za podizanje temperature, već za pokretanje ravnoteže tekućina-para; to jest, počinje ključati i sva tekućina će prijeći u plinovito stanje uz apsorpciju topline i održavanje temperature konstantnom.

Ovdje vidite intenzivno bubrenje na površini kuhane vode (gornja slika). Toplina koju tekuća voda apsorbira tako da tlak pare njenih inicijalnih mjehurića bude jednak vanjskom tlaku naziva se entalpija isparavanja (ΔH _Vap).

Uloga pritiska

Pritisak je također odlučujući faktor u promjenama stanja. Kakav je njegov učinak na isparavanje? Što je tlak veći, to je veća toplina koju voda mora apsorbirati da bi prokuhala, pa stoga isparava iznad 100 ° C.

To je zato što porast tlaka otežava molekulama vode da izlazi iz tekućine u plinovitu fazu.

Štednjaci pod pritiskom koriste ovu činjenicu u svoju korist za zagrijavanje hrane u vodi do temperature iznad njene vrelišta.

S druge strane, budući da postoji vakuum ili pad tlaka, tekućoj vodi treba niža temperatura da bi se prokuhala i prešla u plinsku fazu. Pri visokom ili niskom tlaku, kada voda proključa, treba upiti odgovarajuću toplinu isparavanja da bi dovršilo promjenu stanja.

- Kondenzacija

Kondenzacija je promjena stanja tvari iz plinovitog u tekuće stanje.

Voda je ispala. Što je sljedeće? Vodena para može i dalje porasti, pa postaje opasna struja koja može izazvati teške opekotine.

No, pretpostavimo da se umjesto toga hladi. Kako? Ispuštanje topline u okoliš i oslobađanje topline kažu da se odvija egzotermni proces.

Ispuštajući toplinu, vrlo energične molekule plinovitih voda počinju usporavati. Također, njihove interakcije postaju učinkovitije kako temperatura pare opada. Prvo, od vodene kapljice će se formirati kapljice vode, a potom će uslijediti veće kapi koje privlači gravitacija.

Da biste u potpunosti kondenzirali određenu količinu para, potrebno je osloboditi istu energiju, ali sa suprotnim znakom, pri ΔH _Vap; to jest njegova entalpija kondenzacije ΔH _Cond. Tako se uspostavlja inverzna ravnoteža para-tekućina.

Vlažni prozori

Kondenzacija vode Izvor: Pexels

Kondenzacija se može vidjeti na prozorima samih domova. U hladnoj klimi vodena para sadržana u kući sudara se s prozorom koji zbog svog materijala ima nižu temperaturu od ostalih površina.

Tamo se molekule pare lakše skupljaju, stvarajući tanki bjelkasti sloj koji se lako ručno skida. Kako te molekule oslobađaju toplinu (zagrijavajući staklo i zrak), počinju formirati mnogobrojnije nakupine dok se prve kapi ne mogu kondenzirati (gornja slika).

Kad kapi postanu vrlo krupne, kliznu niz prozor i ostave trag vode.

- Učvršćivanje

Kaljenje je promjena stanja neke tvari iz tekućeg u čvrsto stanje.

Stvrdnjavanje nastaje kao rezultat hlađenja; drugim riječima, voda se smrzava. Da bi se smrznula, voda mora otpustiti istu količinu topline koju led apsorbira da bi se rastopio. Opet, ovu toplinu nazivamo entalpijom skrućivanja ili zamrzavanja, ΔH _Cong (-ΔH _Fus).

Kako se molekule vode hlade, oni gube energiju i njihove intermolekularne interakcije postaju jače i usmjerenije. Kao rezultat toga, oni su poredani zahvaljujući vodikovim vezama i tvore takozvane ledene kristale. Mehanizam rasta ledenih kristala utječe na njihov izgled: prozirni ili bijeli.

Ledena skulptura. Izvor: Pixabay

Ako kristali leda rastu vrlo sporo, oni ne ukiseljuju nečistoće, poput plinova koji se otapaju u vodi na niskim temperaturama. Dakle, mjehurići bježe i ne mogu komunicirati sa svjetlošću; te prema tome imate led proziran kao onaj izvanredni ledeni kip (gornja slika).

Ista stvar koja se događa s ledom, može se dogoditi s bilo kojom drugom tvari koja se stvrdnjava hlađenjem. Možda je ovo najkompleksnija fizička promjena zemaljskih uvjeta, jer se može dobiti nekoliko polimorfa.

- Sublimacija

Sublimacija je promjena stanja tvari iz krutog u plinovito stanje.

Može li se voda sublimirati? Ne, barem ne u normalnim uvjetima (T = 25 ° C, P = 1 atm). Da bi došlo do sublimacije, tj. Promjene stanja iz krutog u plin, tlak pare krute tvari mora biti visok.

Isto je tako, bitno je da njihove intermolekularne sile nisu vrlo jake, po mogućnosti ako se sastoje samo od disperzijskih sila.

Najizrazitiji primjer je čvrsti jod. To je kristalna kruta tvar sa sivkasto ljubičastim nijansama, koja predstavlja visoki tlak pare. Takav je slučaj da se na njegovom djelu ispušta ljubičasta para, čiji volumen i širenje postaju vidljivi kada su izloženi grijanju.

Sublimacija joda. Izvor: Belkina NV, iz Wikimedia Commons

Slika iznad pokazuje tipični eksperiment u kojem se čvrsti jod isparava u staklenoj posudi. Zanimljivo je i upečatljivo promatrati kako se ljubičaste pare difuzuju, a inicirani student može provjeriti odsutnost tekućeg joda.

Ovo je glavna karakteristika sublimacije: nema prisutnosti tekuće faze. Isto je tako i endotermna, jer krutina apsorbira toplinu da bi povećala svoj parni tlak sve dok ne bude jednaka vanjskom tlaku.

- Taloženje

Taloženje kristala joda. Izvor: Stanislav.nevyhosteny, iz Wikimedia Commons

Taloženje je promjena stanja neke tvari iz plinovitog u čvrsto stanje.

Paralelno s eksperimentom sublimacije joda, postoji i njegovo taloženje. Taloženje je suprotna promjena ili prijelaz: tvar prelazi iz plinovitog u kruto stanje bez stvaranja tekuće faze.

Kada ljubičaste pare joda dođu u dodir s hladnom površinom, oni oslobađaju toplinu kako bi je zagrijali, gubeći energiju i preusmjeravajući svoje molekule natrag u sivkasto-ljubičastu krutinu (gornja slika). Tada je to egzotermni proces.

Taloženje se široko koristi za sintezu materijala gdje su oni dopirani metalnim atomima sofisticiranim tehnikama. Ako je površina vrlo hladna, izmjena topline između nje i čestica pare je naglo izostavljajući prolazak kroz odgovarajuću tekuću fazu.

Toplina ili entalpija taloženja (a ne taloženje) je obrnuto od sublimacije (ΔH _Sub = - ΔH _Dep). Teoretski se mnoge tvari mogu sublimirati, ali da bi se to postiglo potrebno je manipulirati pritiscima i temperaturama, osim što imaju pri ruci njihov dijagram P vs T; u kojoj se mogu vizualizirati njegove udaljene moguće faze.

Ostale promjene statusa

Iako se o njima ne spominje, postoje i druga stanja materije. Ponekad ih karakterizira to što imaju „po malo“, i stoga su kombinacija istih. Da bi se stvorili pritisci i temperature moraju se manipulirati na vrlo pozitivne (velike) ili negativne (male) veličine.

Tako, na primjer, ako se plinovi zagrijavaju prekomjerno, oni će izgubiti svoje elektrone i njihova pozitivno nabijena jezgra u toj negativnoj plimi činiće ono što se naziva plazmom. To je sinonim za "električni plin", budući da ima visoku električnu vodljivost.

S druge strane, kad se temperature spuste prenisko, materija se može ponašati neočekivano; to jest, pokazuju jedinstvena svojstva oko apsolutne nule (0 K).

Jedno od tih svojstava je suvišna tekućina i supravodljivost; kao i formiranje Bose-Einstein kondenzata pri čemu se svi atomi ponašaju kao jedan.

Neka istraživanja čak ukazuju na fotonsku materiju. U njima se čestice elektromagnetskog zračenja, fotoni, grupiraju u tvorbu fotonskih molekula. To jest, teoretski bi to davalo masu svjetlosnim tijelima.

Reference

1. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (19. studenog 2018.). Popis faznih promjena između stanja materije. Oporavilo od: misel.com
2. Wikipedia. (2019). Stanje materije. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Promjena stanja. Oporavilo sa: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Promjena faza: isparavanje, kondenzacija, zamrzavanje, taljenje, sublimacija i taloženje. Studija. Oporavilo od: study.com
5. Bagley M. (11. travnja 2016.). Materija: Definicija i pet stanja materije. Oporavilo od: lifecience.com
6. Whitten, Davis, Peck i Stanley. (2008). Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje.