ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЙ: ВИДЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ (С ПРИМЕРАМИ) - ХИМИЯ - 2025

Изменения состояния или фазы - это когда материал претерпевает физические изменения, обратимые термодинамические явления. Он называется термодинамическим, потому что происходит передача тепла между веществом и окружающей средой; или, что то же самое, существуют взаимодействия между материей и энергией, которые вызывают перестройку частиц.

Частицы, которые претерпевают изменение состояния, остаются прежними до и после него. Давление и температура - важные переменные в том, как они приспособлены к той или иной фазе. Когда происходит изменение состояния, образуется двухфазная система, состоящая из одной и той же материи в двух разных физических состояниях.

Состояние меняется. Источник: Габриэль Боливар

На изображении выше показаны основные изменения состояния, которым подвергается материя при нормальных условиях.

Твердый куб голубоватого вещества может стать жидким или газообразным в зависимости от температуры и давления окружающей среды. Сам по себе он представляет собой единственную фазу: твердое тело. Но в момент плавления, то есть плавления, устанавливается равновесие твердое-жидкое, называемое плавлением (красная стрелка между голубоватым кубом и каплей).

Чтобы произошло слияние, куб должен поглощать тепло из окружающей среды, чтобы повысить свою температуру; следовательно, это эндотермический процесс. Как только куб полностью расплавится, он возвращается в единственную фазу: в жидкое состояние.

Эта голубоватая капля может продолжать поглощать тепло, что увеличивает ее температуру и приводит к образованию газовых пузырьков. Опять же, есть две фазы: одна жидкая, а другая - газовая. Когда вся жидкость испарилась до точки кипения, говорят, что она закипела или испарилась.

Теперь голубоватые капли превратились в облака. Пока все процессы были эндотермическими. Голубоватый газ может продолжать поглощать тепло, пока не станет горячим; однако, учитывая земные условия, он имеет тенденцию остывать и конденсироваться обратно в жидкость (конденсация).

С другой стороны, облака также могут осаждаться непосредственно на твердой фазе, снова образуя твердый куб (осаждение). Последние два процесса являются экзотермическими (синие стрелки); то есть они выделяют тепло в окружающую среду или окружающую среду.

Помимо конденсации и осаждения, изменение состояния происходит, когда голубоватая капля замерзает при низких температурах (затвердевание).

Типы изменений состояния и их характеристики

На изображении показаны типичные изменения для трех (наиболее распространенных) состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Изменения, отмеченные красными стрелками, являются эндотермическими и связаны с поглощением тепла; в то время как те, которые отмечены синими стрелками, являются экзотермическими, они выделяют тепло.

Краткое описание каждого из этих изменений будет дано ниже, выделив некоторые из их характеристик, исходя из молекулярных и термодинамических соображений.

- Фьюжн

Синтез - это изменение состояния вещества с твердого на жидкое.

В твердом состоянии частицы (ионы, молекулы, кластеры и т. Д.) Являются «пленниками», находящимися в фиксированных положениях в пространстве, не имея возможности свободно перемещаться. Однако они способны колебаться на разных частотах, и если они будут очень сильными, строгий порядок, установленный межмолекулярными силами, начнет «рушиться».

В результате получаются две фазы: одна, в которой частицы остаются ограниченными (твердые), и другая, где они более свободны (жидкие), достаточные для увеличения расстояний, разделяющих их. Для этого твердое тело должно поглощать тепло, и поэтому его частицы будут вибрировать с большей силой.

По этой причине плавление является эндотермическим, и когда оно начинается, говорят, что между твердой и жидкой фазами возникает равновесие.

Тепло, необходимое для этого изменения, называется теплотой или молярной энтальпией плавления (ΔH _Fus ). Он выражает количество тепла (энергии, в основном в единицах кДж), которое моль вещества в твердом состоянии должен поглотить, чтобы расплавиться, а не просто повысить его температуру.

Снежный шар

Тающий снег вручную. Источник: Pixabay

Имея это в виду, понятно, почему снежный ком тает в руке (верхнее изображение). Снег поглощает тепло тела, которого достаточно, чтобы поднять температуру снега выше 0 ° C.

Кристаллы льда в снегу поглощают достаточно тепла, чтобы таять, и их молекулы воды принимают более беспорядочную структуру. Пока снег тает, образовавшаяся вода не повысит свою температуру, поскольку все тепло рук используется снегом для завершения его таяния.

- испарение

Испарение - это изменение состояния вещества из жидкого в газообразное состояние.

Продолжая пример с водой, теперь поместив горсть снега в горшок и зажег огонь, можно заметить, что снег быстро тает. Когда вода нагревается, внутри нее начинают образовываться крошечные пузырьки углекислого газа и других возможных газообразных примесей.

Кипящая вода. Источник: Pixabay

Тепло молекулярно расширяет неупорядоченные конфигурации воды, расширяя ее объем и увеличивая давление пара; следовательно, есть несколько молекул, которые ускользают с поверхности в результате увеличения испарения.

Жидкая вода медленно увеличивает свою температуру из-за ее высокой удельной теплоемкости (4,184 Дж / ° C ∙ г). Наступает момент, когда поглощаемое тепло больше не используется для повышения его температуры, а используется для установления равновесия жидкость-пар; то есть он начинает кипеть, и вся жидкость переходит в газообразное состояние, поглощая тепло и поддерживая постоянную температуру.

Здесь вы видите интенсивное бурление на поверхности кипяченой воды (верхнее изображение). Тепло, которое жидкая вода поглощает так, что давление пара зарождающихся пузырьков равно внешнему давлению, называется энтальпией испарения (ΔH _Vap ).

Роль давления

Давление также является определяющим фактором при изменении состояния. Как это влияет на испарение? Чем выше давление, тем большее количество тепла вода должна поглотить, чтобы закипеть, и поэтому она испаряется при температуре выше 100 ° C.

Это связано с тем, что повышение давления затрудняет переход молекул воды из жидкости в газовую фазу.

Скороварки используют этот факт в своих интересах для нагрева пищи в воде до температуры выше точки кипения.

С другой стороны, из-за вакуума или снижения давления жидкой воде требуется более низкая температура, чтобы закипеть и перейти в газовую фазу. При высоком или низком давлении, когда вода закипает, ей необходимо поглотить соответствующее тепло испарения, чтобы завершить изменение своего состояния.

- конденсация

Конденсация - это изменение состояния вещества из газообразного состояния в жидкое.

Вода испарилась. Что дальше? Температура водяного пара все еще может увеличиваться, становясь опасным током, способным вызвать серьезные ожоги.

Однако предположим, что вместо этого он остывает. Как? Выделение тепла в окружающую среду и выделение тепла называется экзотермическим процессом.

Высвобождая тепло, очень энергичные молекулы газообразной воды начинают замедляться. Кроме того, их взаимодействие становится более эффективным при снижении температуры пара. Сначала образуются капли воды, конденсирующиеся из пара, за которыми следуют более крупные капли, которые в конечном итоге притягиваются силой тяжести.

Чтобы полностью сконденсировать заданное количество пара, необходимо высвободить ту же энергию, но с противоположным знаком, при ΔH _Vap ; то есть его энтальпия конденсации ΔH _Конд . Таким образом, устанавливается обратное парожидкостное равновесие.

Влажные окна

Конденсация воды. Источник: Pexels

Конденсат можно увидеть на самих окнах домов. В холодном климате водяной пар, содержащийся внутри дома, сталкивается с окном, которое из-за своего материала имеет более низкую температуру, чем другие поверхности.

Там молекулам пара легче слипаться, создавая тонкий беловатый слой, который легко снимается вручную. По мере того, как эти молекулы выделяют тепло (нагревая стекло и воздух), они начинают формировать более многочисленные кластеры, пока первые капли не могут конденсироваться (верхнее изображение).

Когда капли становятся очень большими, они скатываются по окну и оставляют за собой водный след.

- затвердевание

Затвердевание - это изменение состояния вещества из жидкого состояния в твердое.

Затвердевание происходит в результате охлаждения; Другими словами, вода замерзает. Чтобы замерзнуть, вода должна выделять столько же тепла, сколько лед поглощает при таянии. Опять же , это тепло называется энтальпия затвердевания или замораживания, & delta ; н _Конг (-ΔH _Fus ).

По мере охлаждения молекулы воды теряют энергию, и их межмолекулярные взаимодействия становятся более сильными и направленными. В результате они упорядочиваются благодаря водородным связям и образуют так называемые кристаллы льда. Механизм роста кристаллов льда влияет на их внешний вид: прозрачный или белый.

Ледяная скульптура. Источник: Pixabay

Если кристаллы льда растут очень медленно, они не поглощают примеси, такие как газы, растворяющиеся в воде при низких температурах. Таким образом, пузыри ускользают и не могут взаимодействовать со светом; и, следовательно, у вас есть лед такой же прозрачный, как у необычной ледяной статуи (верхнее изображение).

То же, что и со льдом, может произойти с любым другим веществом, которое затвердевает при охлаждении. Пожалуй, это наиболее сложное физическое изменение земных условий, поскольку можно получить несколько полиморфов.

- Сублимация

Сублимация - это изменение состояния вещества из твердого в газообразное состояние.

Можно ли сублимировать воду? Нет, по крайней мере, не в нормальных условиях (T = 25 ° C, P = 1 атм). Чтобы произошла сублимация, то есть изменение состояния с твердого на газ, давление пара твердого тела должно быть высоким.

Точно так же важно, чтобы их межмолекулярные силы были не очень сильными, предпочтительно, если они состоят только из дисперсионных сил.

Самый яркий пример - твердый йод. Это кристаллическое твердое вещество серовато-пурпурного оттенка, обладающее высоким давлением пара. Дело в том, что при этом испускается фиолетовый пар, объем и расширение которого становятся заметными при нагревании.

Сублимация йода. Источник: Белкина Н.В., из Wikimedia Commons

На изображении выше показан типичный эксперимент, в котором твердый йод испаряется в стеклянной емкости. Интересно и поразительно наблюдать, как рассеиваются пурпурные пары, и посвященный ученик может убедиться в отсутствии жидкого йода.

Это основная характеристика сублимации: отсутствие жидкой фазы. Точно так же он эндотермичен, поскольку твердое тело поглощает тепло, увеличивая давление пара до тех пор, пока оно не сравняется с внешним давлением.

- Отложение

Осаждение кристаллов йода. Источник: Станислав Невихости, из Wikimedia Commons

Осаждение - это изменение состояния вещества из газообразного состояния в твердое.

Параллельно с экспериментом по сублимации йода идет его осаждение. Осаждение - это противоположное изменение или переход: вещество переходит из газообразного состояния в твердое без образования жидкой фазы.

Когда пурпурные пары йода контактируют с холодной поверхностью, они выделяют тепло, чтобы нагреть ее, теряя энергию и перегруппировывая свои молекулы обратно в серовато-пурпурное твердое вещество (верхнее изображение). Тогда это экзотермический процесс.

Осаждение широко используется для синтеза материалов, в которых они легируются атомами металлов с помощью сложных методов. Если поверхность очень холодная, теплообмен между ней и частицами пара будет резким, что исключает прохождение через соответствующую жидкую фазу.

Теплота или энтальпия осаждения (а не осаждения) является обратной величиной сублимации (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). Теоретически многие вещества можно сублимировать, но для этого необходимо манипулировать давлением и температурой в дополнение к их диаграмме P vs T; в котором могут быть визуализированы его далекие возможные фазы.

Другие изменения статуса

Хотя о них не упоминается, существуют и другие состояния материи. Иногда для них характерно наличие «каждого понемногу» и, следовательно, их сочетание. Для их создания необходимо довести давление и температуру до очень положительных (больших) или отрицательных (малых) величин.

Таким образом, например, если газы чрезмерно нагреваются, они теряют свои электроны, и их положительно заряженные ядра в этом отрицательном приливе образуют так называемую плазму. Это синоним слова «электрический газ», так как он обладает высокой электропроводностью.

С другой стороны, когда температура падает слишком низко, материя может вести себя неожиданным образом; то есть они демонстрируют уникальные свойства около абсолютного нуля (0 K).

Одно из этих свойств - сверхтекучесть и сверхпроводимость; а также образование конденсатов Бозе-Эйнштейна, где все атомы ведут себя как одно целое.

Некоторые исследования даже указывают на фотонную материю. В них частицы электромагнитного излучения, фотоны, группируются вместе, образуя фотонные молекулы. То есть теоретически он придает массу световым телам.

Ссылки

1. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (19 ноября 2018 г.). Список фазовых изменений между состояниями материи. Получено с: thinkco.com
2. Wikipedia. (2019). Состояние дела. Получено с: en.wikipedia.org
3. Дорлинг Киндерсли. (2007). Смена состояний. Получено с: factmonster.com
4. Мейерс Ами. (2019). Фазовое изменение: испарение, конденсация, замораживание, плавление, сублимация и осаждение. Учиться. Получено с: study.com
5. Бэгли М. (11 апреля 2016 г.). Материя: определение и пять состояний материи. Получено с: livescience.com
6. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. (2008). Химия. (8-е изд.). CENGAGE Обучение.