Veranderingen van toestandsvormen en hun kenmerken (met voorbeelden)

de veranderingen van staat ze zijn een thermodynamisch fenomeen waarbij materie omkeerbare fysieke veranderingen ondergaat. Er wordt gezegd dat het thermodynamisch is omdat er warmteoverdracht plaatsvindt tussen materie en omgeving; of wat hetzelfde is, er zijn interacties tussen materie en energie die een herschikking van de deeltjes induceren.

De deeltjes die de verandering van toestand ervaren blijven voor en erna steeds hetzelfde. Druk en temperatuur zijn belangrijke variabelen in hoe ze in de ene fase of een andere worden ondergebracht. Wanneer een toestandsverandering optreedt, wordt een tweefasensysteem gevormd, bestaande uit hetzelfde materiaal in twee verschillende fysieke toestanden.

De bovenste afbeelding toont de belangrijkste statuswijzigingen die het materiaal onder normale omstandigheden ervaart.

Een stevige kubus van een blauwachtige substantie kan vloeibaar of gasvormig worden afhankelijk van de temperatuur en druk van de omgeving. Op zichzelf vertegenwoordigt het slechts één fase: de solide. Maar op het moment van smelten, dat wil zeggen, smeltend, wordt een vast-vloeibaar evenwicht, fusie genaamd, gevestigd (rode pijl tussen de kubus en de blauwachtige druppel).

Om fusie te laten plaatsvinden, moet de kubus warmte van zijn omgeving absorberen om de temperatuur te verhogen; daarom is het een endotherm proces. Zodra de kubus volledig gesmolten is, is er wederom slechts één fase: die van de vloeibare toestand.

Deze blauwachtige druppel kan warmte blijven absorberen, die de temperatuur verhoogt en leidt tot de vorming van gasbellen. Nogmaals, er zijn twee fasen: één vloeistof en het andere gas. Wanneer alle vloeistof door het kookpunt is verdampt, wordt er gezegd dat het is gekookt of verdampt.

Nu worden de blauwachtige druppels omgezet in wolken. Tot nu toe zijn alle processen endotherm geweest. Het blauwachtige gas kan warmte blijven absorberen tot het wordt verwarmd; echter, gezien de terrestrische omstandigheden, neigt dit integendeel om af te koelen en opnieuw te condenseren in de vloeistof (condensatie).

Aan de andere kant kunnen wolken ook direct op een vaste fase worden afgezet, waardoor opnieuw de vaste kubus (afzetting) wordt gevormd. Deze laatste twee processen zijn exotherm (blauwe pijlen); dat wil zeggen, ze geven warmte af aan het milieu of de omgeving.

Naast condensatie en depositie treedt er een toestandverandering op wanneer de blauwachtige druppel bevriest bij lage temperaturen (stollen)..

index

• 1 Soorten statuswijzigingen en hun kenmerken
  • 1.1 Fusion
  • 1.2 Verdamping
  • 1.3 Condensatie
  • 1.4 Solidificatie
  • 1.5 Sublimatie
  • 1.6 Depositie
• 2 Andere statuswijzigingen
• 3 referenties

Typen statuswijzigingen en hun kenmerken

De afbeelding toont de typische veranderingen voor de drie (meest voorkomende) toestanden: vast, vloeibaar en gasvormig. De veranderingen vergezeld van de rode pijlen zijn endotherm, ze houden de absorptie van warmte in; terwijl die vergezeld van de blauwe pijlen exotherm zijn, geven ze warmte vrij.

Hieronder volgt een korte beschrijving van elk van deze veranderingen, waarbij enkele van zijn kenmerken worden benadrukt vanuit een moleculaire en thermodynamische redenering.

fusie

In de vaste toestand zijn de deeltjes (ionen, moleculen, clusters, enz.) "Gevangenen", gelegen op vaste posities in de ruimte zonder vrij te kunnen bewegen. Ze zijn echter in staat om op verschillende frequenties te vibreren en als ze erg sterk zijn, zal de strenge orde die wordt opgelegd door intermoleculaire krachten beginnen af ​​te brokkelen..

Als een resultaat worden twee fasen verkregen: één waarbij de deeltjes opgesloten blijven (vast) en een andere waar ze meer vrij (vloeibaar) zijn, voldoende om de afstanden te vergroten die ze van elkaar scheiden. Om dit te bereiken, moet de vaste stof warmte absorberen en dus zullen de deeltjes met grotere kracht trillen.

Om deze reden is de fusie endotherm en wanneer het begint, wordt er gezegd dat er een balans is tussen de vaste en vloeibare fasen.

De warmte die nodig is om deze verandering teweeg te brengen heet warmte of smeltenthalpie van fusie (ΔH_fus). Dit drukt de hoeveelheid warmte uit (energie, voornamelijk in eenheden van KJ) die één mol van de stof in vaste toestand moet opnemen om te smelten, en niet alleen de temperatuur te verhogen.

sneeuwbal

Met dit in gedachten begrijp je waarom een ​​sneeuwbal in je hand smelt (bovenste afbeelding). Dit absorbeert lichaamswarmte, wat voldoende is om de temperatuur van de sneeuw boven 0 ° C te verhogen.

De ijskristallen die in de sneeuw aanwezig zijn absorberen de hitte om te smelten en voor hun watermoleculen om een ​​meer ongeordende structuur aan te nemen. Terwijl de sneeuw smelt, zal het gevormde water zijn temperatuur niet verhogen, omdat alle hitte van de hand door de sneeuw wordt gebruikt om zijn fusie te voltooien.

verdamping

Verdergaand met het voorbeeld van water, nu een handvol sneeuw in een pot plaatsen en het vuur aansteken, wordt opgemerkt dat de sneeuw snel smelt. Terwijl het water opwarmt, vormen zich kleine belletjes koolstofdioxide en andere mogelijke gasvormige onzuiverheden binnenin..

De warmte verwijdt de ongeordende configuraties van water moleculair, vergroot het volume en verhoogt de dampspanning; daarom zijn er verschillende moleculen die uit het oppervlakteproduct van toenemende verdamping ontsnappen.

Vloeibaar water verhoogt langzaam de temperatuur vanwege de hoge soortelijke warmte (4.184 J / ° C ∙ g). Er komt een punt waarop de geabsorbeerde warmte het niet langer gebruikt om de temperatuur te verhogen, maar om het vloeistof-dampevenwicht te starten; dat wil zeggen, het begint te koken en alle vloeistof zal in de gasvormige toestand gaan terwijl het warmte absorbeert en de temperatuur constant houdt.

Hier wordt het intense bubbelen op het oppervlak van het gekookte water waargenomen (bovenste afbeelding). De warmte die door het vloeibare water wordt geabsorbeerd, zodat de dampdruk van de beginnende luchtbellen gelijk is aan de externe druk, wordt verdampte enthalpie (ΔH genoemd)_Vap).

De rol van druk

De druk is ook bepalend bij de verandering van toestand. Wat is het effect op verdamping? Dat bij hogere druk, hoe groter de warmte is die het water moet absorberen om te koken en daarom verdampt het boven 100 ° C.

Dit komt omdat de toename van de druk het ontsnappen van watermoleculen van de vloeistof naar de gasfase belemmert.

Snelkookketels gebruiken dit feit in hun voordeel om voedsel in water tot een temperatuur boven het kookpunt te verwarmen.

Aan de andere kant, omdat er een vacuüm is of een drukverlaging, heeft het vloeibare water een lagere temperatuur nodig om te koken en naar de gasfase te gaan. Bij veel of weinig druk moet het water op het moment van koken zijn respectieve verdampingswarmte absorberen om zijn verandering van toestand te voltooien.

condensatie

Het water is verdampt. Wat is de volgende stap? Waterdamp kan zijn temperatuur nog steeds verhogen en wordt een gevaarlijke stroom die ernstige brandwonden kan veroorzaken.

Laten we echter aannemen dat het in plaats daarvan afkoelt. Hoe? Door warmte af te geven aan het milieu en warmte vrij te maken, wordt er gezegd dat er een exotherm proces plaatsvindt.

Bij het vrijkomen van warmte beginnen de zeer energetische gasvormige watermoleculen te vertragen. Ook beginnen hun interacties effectiever te worden naarmate de temperatuur van de stoom daalt. De eerste druppeltjes water zullen zich vormen, gecondenseerd uit de damp, gevolgd door grotere druppels die uiteindelijk aangetrokken worden door de zwaartekracht.

Om een ​​bepaalde hoeveelheid damp volledig te bedekken, moet je dezelfde energie, maar met een tegengesteld teken, aan ΔH afgeven_Vap; dat wil zeggen, zijn enthalpie van condensatie ΔH_Cond. Het inverse evenwicht, de damp-vloeistof is dus stabiel.

Natte ramen

De condensatie kan worden waargenomen in de ramen van huizen. In een koud klimaat botst de waterdamp in het huis met het raam, dat door zijn materiaal een lagere temperatuur heeft dan andere oppervlakken.

Daar is het gemakkelijker voor de dampmoleculen om zich te groeperen, waardoor een dunne witachtige laag ontstaat die gemakkelijk met de hand kan worden verwijderd. Terwijl deze moleculen warmte afgeven (het glas en de lucht verwarmen), beginnen ze meer talrijke clusters te vormen totdat ze de eerste druppels kunnen condenseren (bovenste afbeelding).

Wanneer de druppels erg groot worden, schuiven ze door het raam en laten ze water achter.

stollen

Van vloeibaar water, welke andere fysieke verandering kan je lijden? De stolling als gevolg van koeling; met andere woorden, het bevriest. Om te bevriezen, moet het water dezelfde hoeveelheid warmte afgeven die het ijs absorbeert om te smelten. Nogmaals, deze warmte wordt enthalpie van stolling of bevriezing, ΔH genoemd_Cong (-ΔH_fus).

Wanneer ze worden afgekoeld, verliezen de watermoleculen energie en worden hun intermoleculaire interacties sterker en gerichter. Als resultaat worden ze geordend door hun waterstofbruggen en vormen ze de zogenaamde ijskristallen. Het mechanisme waardoor ijskristallen groeien, heeft invloed op hun uiterlijk: transparant of wit.

Als ijskristallen erg langzaam groeien, sluiten ze geen onzuiverheden af, zoals gassen die bij lage temperaturen oplosbaar zijn in water. Bellen ontsnappen dus en kunnen geen interactie hebben met licht; en bijgevolg is er een ijs dat zo transparant is als dat van een buitengewoon ijsbeeld (bovenste afbeelding).

Hetzelfde gebeurt met ijs, het kan gebeuren met elke andere stof die stolt door af te koelen. Misschien is dit de meest complexe fysieke verandering in aardse omstandigheden, omdat verschillende polymorfen kunnen worden verkregen.

sublimering

Kan water sublimeren? Nee, althans niet onder normale omstandigheden (T = 25 ° C, P = 1 atm). Om sublimatie te laten plaatsvinden, d.w.z. de verandering van toestand van vast naar gas, moet de dampspanning van de vaste stof hoog zijn.

Het is ook essentieel dat hun intermoleculaire krachten niet erg sterk zijn, bij voorkeur als ze alleen uit dispersiekrachten bestaan

Het meest emblematische voorbeeld is vast jodium. Het is een kristallijne vaste stof van grijsachtig-paarse tonen, die een hoge dampspanning heeft. Dit is zo, dat op het moment ervan een paarse damp vrijkomt, waarvan het volume en de expansie merkbaar worden bij verhitting.

De bovenste afbeelding toont een typisch experiment waarbij vast jodium wordt verdampt in een glazen houder. Het is interessant en opvallend om te zien hoe paarse dampen worden verspreid en de geïnitieerde student kan de afwezigheid van vloeibaar jodium verifiëren.

Dit is het belangrijkste kenmerk van sublimatie: er is geen aanwezigheid van een vloeibare fase. Het is ook endotherm, omdat de vaste stof warmte absorbeert om zijn dampdruk te verhogen om overeen te komen met de externe druk.

afzetting

Parallel aan het experiment van sublimatie van jodium hebben we zijn depositie. Depositie is de tegenovergestelde verandering of overgang: de stof gaat van de gasvormige toestand naar de vaste stof zonder de vorming van een vloeibare fase.

Wanneer paarse jodiumdampen in contact komen met een koud oppervlak, geven ze warmte af om het te verwarmen, verliezen ze energie en hergroeperen ze hun moleculen terug in de grijs-paarse vaste stof (bovenste afbeelding). Het is dan een exotherm proces.

Depositie wordt veel gebruikt voor de synthese van materialen waarbij ze worden gedoteerd met metaalatomen door geavanceerde technieken. Als het oppervlak erg koud is, is de warmtewisseling tussen de dampdeeltjes abrupt en wordt de doorgang door de respectieve vloeistoffase weggelaten.

De warmte of enthalpie van depositie (en niet afzetting) is het omgekeerde van sublimatie (ΔH_sub= - ΔH_Dep). In theorie kunnen tal van substanties worden gesublimeerd, maar om dit te bereiken is het noodzakelijk om de druk en temperatuur te manipuleren, daarnaast moet je je diagram P vs T bij de hand hebben; waarin zijn verre mogelijke fasen kunnen worden gevisualiseerd.

Andere statuswijzigingen

Hoewel er geen sprake van is, zijn er andere toestanden van materie. Soms worden ze gekenmerkt door "een beetje van elk" en daarom een ​​combinatie van hen te zijn. Om ze te genereren, moeten de drukken en temperaturen worden gemanipuleerd met zeer positieve (grote) of negatieve (kleine) grootheden.

Als bijvoorbeeld de gassen overmatig worden verwarmd, verliezen ze hun elektronen en vormen hun positief geladen kernen in dat negatieve getij wat bekend staat als plasma. Het is synoniem met "elektrisch gas", omdat het een hoge elektrische geleiding heeft.

Aan de andere kant, door te veel temperaturen te verlagen, kan materie zich onverwacht gedragen; dat wil zeggen, ze vertonen unieke eigenschappen rond het absolute nulpunt (0 K).

Een van deze eigenschappen is superfluïditeit en supergeleiding; evenals de vorming van de Bose-Einstein-condensaten, waarbij alle atomen zich als één gedragen.

Zelfs sommige onderzoeken wijzen op fotonische materie. In hen worden de deeltjes van elektromagnetische straling, fotonen, gegroepeerd om fotonische moleculen te vormen. Dat wil zeggen, het zou theoretisch massa's aan lichamen van licht geven.

referenties

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 november 2018). Lijst met faseveranderingen tussen de staten van belang. Teruggeplaatst van: thoughtco.com
2. Wikipedia. (2019). Toestand van de zaak Teruggeplaatst van: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Veranderende toestanden. Teruggeplaatst van: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Faseverandering: verdamping, condensatie, bevriezing, smelten, sublimatie en afzetting. Study. Teruggeplaatst van: study.com
5. Bagley M. (11 april 2016). Materie: definitie en de vijf staten van de materie. Teruggeplaatst van: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie. (8e druk). CENGAGE Leren.