ÁLLAMVÁLTOZÁSOK: TÍPUSOK ÉS JELLEMZŐIK (PÉLDÁKKAL) - KÉMIA - 2026

Az állapotváltozások vagy fázis az, ahol az anyag fizikai változásokon megy keresztül, visszafordítható termodinamikai jelenség. Azt állítják, hogy termodinamikus, mert hőátadás történik az anyag és a környezet között; vagy ami ugyanaz, az anyag és az energia között kölcsönhatások vannak, amelyek a részecskék átrendeződését idézik elő.

Azok a részecskék, amelyek az állapotváltozáson mennek keresztül, ugyanazok maradnak az előtt és után. A nyomás és a hőmérséklet fontos változók abban, hogy egy vagy másik fázisban hogyan alkalmazkodnak. Amikor állapotváltozás történik, kétfázisú rendszer jön létre, amely ugyanazon anyagból áll két különböző fizikai állapotban.

Államváltozások. Forrás: Gabriel Bolívar

A fenti kép azt a fő állapotváltozást mutatja, amelyen az anyag normál körülmények között megy keresztül.

A kékes anyag szilárd kockája folyékony vagy gázneművé válhat a környezeti hőmérséklettől és nyomástól függően. Önmagában egy fázist jelent: a szilárd anyagot. Az olvadás, vagyis az olvadás pillanatában létrejön a szilárd-folyékony egyensúly, amelyet fúziónak hívnak (piros nyíl a kék színű kocka és a csepp között).

A fúzió előfordulásához a kockanak hőt kell elnyelnie a környezetéből, hogy növelje hőmérsékletét; ezért endoterm folyamat. Miután a kocka teljesen megolvadt, visszatér egy fázisba: a folyékony állapotba.

Ez a kékes csepp tovább képes abszorbeálni a hőt, ami megemeli annak hőmérsékletét, és gáznemű buborékok képződéséhez vezet. Ismét két fázis van: az egyik folyadék, a másik pedig a gáz. Amikor az összes folyadék elpárolog a forráspontján, akkor azt állítják, hogy felforrott vagy párologtatott.

Most a kékes cseppek felhőkké változtak. Eddig minden folyamat endotermikus volt. A kékes gáz továbbra is felveszi a hőt, amíg fel nem melegszik; azonban a földi körülmények miatt hajlamos lehűlni és visszafolyni a folyadékba (kondenzáció).

Másrészt a felhők közvetlenül a szilárd fázisra is lerakódhatnak, és ismét a szilárd kockát képezik (lerakódás). Ez az utolsó két folyamat exoterm (kék nyilak); vagyis hőt bocsátanak ki a környezetbe.

A kondenzáción és a lerakódáson kívül az állapotváltozás akkor is következik be, amikor a kékes csepp alacsony hőmérsékleten fagyosodik le (megszilárdul).

Az állapotváltozások típusai és jellemzőik

A kép az anyag három (leggyakoribb) állapotának tipikus változásait mutatja: szilárd, folyékony és gáz. A piros nyilakkal járó változások endotermikusak, beleértve a hőelnyelést; míg a kék nyilak kíséretében exoterm hatású, hőt bocsátanak ki.

Az alábbiakban bemutatjuk ezeknek a változásoknak a rövid leírását, kiemelve azok jellemzőit a molekuláris és termodinamikai érvelés alapján.

- Fúzió

A fúzió az anyag állapotának megváltozása szilárd anyagról folyadékra.

Szilárd állapotban a részecskék (ionok, molekulák, klaszterek stb.) „Foglyok”, rögzített helyzetben vannak a térben anélkül, hogy szabadon tudnának mozogni. Képesek azonban különböző frekvenciákban rezegni, és ha nagyon erősek, akkor az intermolekuláris erők által bevezetett szigorú sorrend "szétesik".

Ennek eredményeként két fázist kapunk: az egyiket, ahol a részecskék korlátozottak maradnak (szilárd), a másikot, ahol szabadabbak (folyékonyak), elég ahhoz, hogy megnöveljék egymástól elválasztott távolságokat. Ennek eléréséhez a szilárd anyagnak el kell abszorbeálnia a hőt, és így részecskéi nagyobb erővel rezgnek.

Ezért a fúzió endotermikus, és amikor megkezdik, azt mondják, hogy egyensúly áll fenn a szilárd-folyékony fázisok között.

A változáshoz szükséges hőt a fúzió hőnek vagy moláris entalpianak (ΔH _Fus) nevezzük. Ez azt a hőmennyiséget fejezi ki (energia, főleg kJ egységekben), amelyet egy szilárd anyagú anyag moljának el kell abszorbeálnia az olvadáshoz, és nem csupán annak hőmérsékletének emelését.

Hógolyó

Olvadó hó kézzel. Forrás: Pixabay

Ezt szem előtt tartva érthető, hogy miért olvad a hógolyó a kezében (felső kép). A hó elnyeli a test hőjét, amely elegendő ahhoz, hogy a hó hőmérséklete 0 ° C fölé emelkedjen.

A hóban található jégkristályok éppen annyit vesznek fel hőt, hogy megolvadjanak és vízmolekuláiknak rendetlen struktúrát fogadjanak el. Amíg a hó olvad, a képződött víz nem növeli a hőmérsékletét, mivel a kezéből származó összes hőt a hó felhasználja az olvadás befejezéséhez.

- Párologtatás

A párologtatás az anyag állapotának megváltozása folyadékról gázneműre.

Folytatva a víz példáját, most egy marék hóot helyezve egy edénybe és meggyújtva a tüzet, megfigyelhető, hogy a hó gyorsan megolvad. A víz felmelegedésekor apró széndioxid-buborékok és más lehetséges gáznemű szennyeződések kezdenek kialakulni benne.

Forrásban lévő víz. Forrás: Pixabay

A hő molekulárisan kibővíti a víz rendezetlen konfigurációit, kibővíti annak térfogatát és növeli gőznyomását; ezért számos molekula távozik a felszínről a növekvő párolgás eredményeként.

A folyékony víz hőmérséklete lassan növekszik a magas fajlagos hő (4,144 J / ° C ∙ g) miatt. Elérkezik egy olyan pont, amikor az elnyelt hőt nem a hőmérséklet növelésére használják, hanem a folyadék-gőz egyensúly megindításához; vagyis kezd forrni, és az összes folyadék gáznemű állapotba megy, miközben elnyeli a hőt és állandó hőmérsékletet tart.

Itt látja az intenzív buborékolást a főtt víz felületén (felső kép). Az a hő, amelyet a folyékony víz felszív, úgy hogy a kezdeti buborékok gőznyomása megegyezik a külső nyomással, a párolgás entalpiájának (ΔH _Vap) _nevezi.

A nyomás szerepe

A nyomás szintén meghatározó tényező az állapotváltozásokban. Milyen hatása van a párologtatásra? Minél nagyobb a nyomás, annál nagyobb a hő, amelyet a víznek fel kell forrnia, és ezért 100 ° C felett elpárolog.

Ennek oka az, hogy a nyomás növekedése megnehezíti a vízmolekulák számára a folyadékból a gázfázisba történő távozást.

A nyomásfőzők ezt a tényt azért használják elő, hogy melegítsék az ételeket vízben a forráspont feletti hőmérsékletre.

Másrészt, mivel van vákuum vagy csökken a nyomás, a folyékony víz alacsonyabb hőmérsékletet igényel a forráshoz és a gáznemű fázisba való belépéshez. Magas vagy alacsony nyomásnál, amikor a víz forr, az állam változásának befejezéséhez el kell abszorbeálnia a megfelelő párolgási hőt.

- Kondenzáció

A kondenzáció az anyag állapotának megváltozása a gáznemű állapotból a folyékony állapotba.

A víz elpárologott. Mi a következő lépés? A vízgőz hőmérséklete továbbra is emelkedhet, és veszélyes árammá válhat, amely súlyos égési sérüléseket okozhat.

Tegyük fel azonban, hogy inkább lehűl. Hogyan? A hőnek a környezetbe történő kibocsátása és a hő kibocsátása exoterm folyamatnak számít.

A hő kibocsátásával a nagyon energikus gáznemű vízmolekulák lelassulnak. Továbbá, kölcsönhatásuk hatékonyabbá válik, amikor a gőz hőmérséklete csökken. Először vízcseppek képződnek, amelyek kondenzálódnak a gőzből, majd nagyobb cseppek lépnek fel, amelyek végül vonzzák a gravitációt.

Egy adott gőzmennyiség teljes kondenzálásához ugyanazt az energiát kell szabadítania, de ellentétes jellel, ΔH _Vap-on; vagyis a kondenzáció entalpiája ΔH _Cond. Így létrejön az inverz gőz-folyadék egyensúly.

Nedves ablakok

Víz kondenzáció. Forrás: Pexels

A kondenzáció a házak ablakain látható. Hideg éghajlat esetén a házban található vízgőz ütközik az ablakkal, amelynek anyagának hőmérséklete alacsonyabb, mint a többi felületnél.

Ott a gőzmolekulák könnyebben összeilleszthetők, így egy vékony fehéres réteget hoznak létre, amely kézzel könnyen eltávolítható. Mivel ezek a molekulák hőt bocsátanak ki (melegítik az üveget és a levegőt), sokkal több klasztet képeznek, amíg az első cseppek kondenzálódnak (felső kép).

Amikor a cseppek nagyon nagyok, lecsúsznak az ablakon, és nyomot hagynak vízben.

- megszilárdulás

A megszilárdulás az anyag állapotának megváltozása folyékony állapotból szilárd állapotba.

A megszilárdulás hűtés eredményeként következik be; más szóval, a víz lefagy. A fagyasztáshoz a víznek ugyanannyi hőt kell felszabadítania, amelyet a jég felszív. Ezt a hőt a megszilárdulás vagy fagyasztás entalpiájának nevezik, ΔH _Cong (-ΔH _Fus).

Ahogy a vízmolekulák lehűlnek, energiát veszítenek, és intermolekuláris kölcsönhatásuk erősebbé és irányosabbá válik. Ennek eredményeként hidrogénkötéseikkel vannak elrendezve és úgynevezett jégkristályokat képeznek. A jégkristályok növekedésének mechanizmusa befolyásolja megjelenését: átlátszó vagy fehér.

Jégszobor. Forrás: Pixabay

Ha a jégkristályok nagyon lassan növekednek, akkor nem zárnak el szennyeződéseket, például gázokat, amelyek alacsony hőmérsékleten vízben oldódnak. Így a buborékok elmenekülnek és nem képesek kölcsönhatásba lépni a fénnyel; következésképpen olyan jég van, amely olyan átlátszó, mint egy rendkívüli jégszobor (felső kép).

Ugyanaz, ami történik a jéggel, megtörténhet bármely más anyaggal, amely hűtés közben megszilárdul. Talán ez a legösszetettebb fizikai változás a földi körülmények között, mivel több polimorf érhető el.

- Szublimáció

A szublimáció az anyag állapotának megváltozása szilárd anyagból gáz halmazállapotba.

Szublimálható a víz? Nem, legalább normál körülmények között (T = 25 ° C, P = 1 atm). A szublimálódás, azaz az állapot szilárd anyaggá válása esetén a szilárd anyag gőznyomásának magasnak kell lennie.

Hasonlóképpen alapvető fontosságú, hogy az intermolekuláris erők ne legyenek nagyon erősek, lehetőleg akkor, ha csak diszperziós erőkből állnak.

A legimblematikusabb példa a szilárd jód. Szürkés-lila árnyalatú kristályos szilárd anyag, amelynek magas gőznyomása van. Ilyen helyzet áll fenn abban, hogy ennek eredményeként egy lila gőz szabadul fel, amelynek térfogata és tágulása melegítés közben észrevehető.

A jód szublimációja. Forrás: Belkina NV, a Wikimedia Commonsból

A fenti ábra egy tipikus kísérletet mutat, ahol a szilárd jódot üvegtartályban elpárologtatják. Érdekes és feltűnő megfigyelni, hogy a lila gőzök hogyan diffundálnak, és a beindított hallgató igazolhatja a folyékony jód hiányát.

Ez a szublimáció fő jellemzője: nincs jelen folyékony fázis. Hasonlóképpen, endotermikus, mivel a szilárd anyag abszorbeálja a hőt, hogy növelje gőznyomását, amíg az egyenlő a külső nyomással.

- Lerakódás

Jódkristályok lerakódása. Forrás: Stanislav.nevyhosteny, a Wikimedia Commonsból

A lerakódás az anyag állapotának megváltozása a gázállapotból szilárd állapotba.

A jód szublimációs kísérletével párhuzamosan a lerakódása is megtörténik. A lerakódás az ellenkező változás vagy átmenet: az anyag a gázállapotból a szilárd anyagba folyik anélkül, hogy folyékony fázist képezne.

Amikor a lila jódgőzök érintkezésbe kerülnek egy hideg felülettel, felszabadítják a meleget, hogy felmelegítsék, energiát veszítenek, és a molekulaikat újra szürkés-lila szilárd anyaggá csoportosítják (felső kép). Ez akkor egy exoterm folyamat.

A lerakódást széles körben használják az anyagok szintéziséhez, ahol kifinomult technikákkal fématomokkal vannak adalékítva. Ha a felület nagyon hideg, akkor a hőcseréje a gőz részecskék és a gőz részecskék között hirtelen marad, elkerülve a megfelelő folyadékfázison történő átjutást.

A lerakódás hője vagy entalpiája (és nem lerakódása) fordítottja a szublimációnak (ΔH _Sub = - ΔH _Dep). Elméletben sok anyag szublimálható, de ennek eléréséhez a nyomások és a hőmérsékletek manipulálására van szükség, amellett, hogy kéznél van a P vs T diagram; amelyben a távoli lehetséges fázisai megjeleníthetők.

Egyéb állapotváltozások

Bár nem említik őket, vannak más anyagállapotok is. Néha azt jellemzi, hogy „kevés mindegyikük” van, és ezért ezek kombinációja. Ezek előállításához a nyomást és a hőmérsékletet nagyon pozitív (nagy) vagy negatív (kis) nagyságrendre kell manipulálni.

Így például, ha a gázokat túl hevítik, akkor elveszítik elektronjaikat, és pozitív töltésű atommaguk abban a negatív dagályban alkotják az úgynevezett plazmát. Ez az "elektromos gáz" szinonimája, mivel magas elektromos vezetőképességgel rendelkezik.

Másrészt, ha a hőmérséklet túl alacsonyra csökken, az anyag váratlan módon viselkedhet; vagyis egyedi tulajdonságokat mutatnak abszolút nulla (0 K) körül.

Ezen tulajdonságok egyike a szuperfolyékonyság és a szupravezető képesség; valamint a Bose-Einstein kondenzátumok képződése, ahol az összes atom egyként viselkedik.

Egyes kutatások még a fotonikus anyagokra mutatnak rá. Ezekben az elektromágneses sugárzás részecskéi, a fotonok, foton molekulákat képeznek. Vagyis elméletileg tömeget adna a fénytesteknek.

Irodalom

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. november 19.) A kérdéses állapotok közötti fázisváltások listája. Helyreállítva: gondolat.com
2. Wikipedia. (2019). Halmazállapot. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Változó állapotok. Helyreállítva: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Fázisváltozás: párolgás, kondenzáció, fagyasztás, olvadás, szublimáció és lerakódás. Tanulmány. Helyreállítva: study.com
5. Bagley M. (2016. április 11.). Ügy: Meghatározás és az öt állam. Helyreállítva: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck és Stanley. (2008). Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Tanulás.