Cambiamenti dei tipi di stato e le loro caratteristiche (con esempi)

IL cambiamenti di stato o la fase sono un fenomeno termodinamico in cui la materia sperimenta cambiamenti fisici reversibili. Si dice che sia termodinamico perché si verifica un trasferimento di calore tra materia e dintorni; O qual è lo stesso, ci sono interazioni tra materia ed energia che inducono un riarrangiamento delle particelle.

Le particelle che sperimentano il cambio di stato rimangono le stesse prima e dopo lo stesso. La pressione e la temperatura sono variabili importanti in che modo sono sistemate in una fase o nell'altra. Quando si verifica un cambio di stato, si forma un sistema bifasico, costituito dalla stessa materia in due diversi stati fisici.

Cambiamenti di stato. Fonte: Gabriel Bolívar

L'immagine più alta mostra i principali cambiamenti dello stato che contano le esperienze in condizioni normali.

Un cubo solido di una sostanza bluastra può diventare liquido o gassoso a seconda della temperatura e della pressione di ciò che. Di per sé rappresenta una singola fase: il solido. Ma, al momento della fusione, cioè sciogliere, un equilibrio liquido solido chiamato fusione (freccia rossa tra il secchio e la goccia blu viene stabilita).

Per far sì che la fusione si verifichi, il cubo deve assorbire il calore dall'ambiente circostante per aumentare la sua temperatura; Pertanto, è un processo endotermico. Una volta che il cubo è fuso, è ancora una volta una singola fase: quella dello stato liquido.

Questo blota può continuare ad assorbire il calore, il che aumenta la sua temperatura e dà origine alla formazione di bolle gassose. Ancora una volta, ci sono due fasi: un liquido e l'altro soda. Quando tutto il liquido è evaporato attraverso il suo punto di ebollizione, si dice che è bollito o vaporizzato.

Ora, le gocce bluasche sono state trasformate in nuvole. Finora, tutti i processi sono stati endotermici. Il gas bluastro può continuare ad assorbire il calore fino a quando non viene riscaldato; Tuttavia, date le condizioni terrestri, questo al contrario tende a raffreddare e condensare di nuovo nel liquido (condensa).

D'altra parte, le nuvole possono anche essere depositate direttamente in una fase solida, formando nuovamente il cubo solido (deposizione). Questi ultimi due processi sono esotermici (frecce blu); cioè, rilasciano calore nell'ambiente o intorno.

Oltre alla condensa e alla deposizione, c'è un cambiamento di stato quando il blota si blocca a basse temperature (solidificazione).

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Tipi di cambiamenti statali e le loro caratteristiche

L'immagine mostra i cambiamenti tipici per i tre (più comuni) stati della materia: solido, liquido e gassoso. I cambiamenti accompagnati dalle frecce rosse sono endotermiche, implicano l'assorbimento del calore; Mentre quelli accompagnati da frecce blu sono esotermiche.

Di seguito verrà apportata una breve descrizione di ciascuna di queste modifiche, evidenziando alcune delle sue caratteristiche da un ragionamento molecolare e termodinamico.

- Fusione

La fusione è il cambiamento di stato di una sostanza dallo stato solido al liquido.

In stato solido le particelle (ioni, molecole, cluster, ecc.) sono "prigionieri", situati in posizioni fisse di spazio senza essere in grado di muoversi liberamente. Tuttavia, sono in grado di vibrare a frequenze diverse e se questi sono molto forti, l'ordine rigoroso imposto dalle forze intermolecolari inizierà a "sbriciolare.

Di conseguenza, si ottengono due fasi: una in cui le particelle continuano confinate (solide) e un'altra in cui sono più libere (liquide), abbastanza da aumentare le distanze che le separano l'una dall'altra. Per raggiungere questo obiettivo, il solido deve assorbire il calore, e quindi le sue particelle vibrano con una forza maggiore.

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Per questo motivo la fusione è endotermica e quando inizia si dice che si verifichi un equilibrio tra le fasi di liquido solido.

Il calore necessario per dare origine a questo cambiamento è chiamato calore o entalpia di scioglimento (ΔH_FU). Ciò esprime la quantità di calore (energia, principalmente nelle unità KJ) che deve assorbire una mole di sostanza a stato solido per sciogliere e non semplicemente aumentare la sua temperatura.

Palla di neve

Sciogliendo la neve con la mano. Fonte: Pixabay

Con questo in mente, si capisce perché una palla di neve si scioglie in mano (immagine superiore). La neve assorbe il calore corporeo, che è sufficiente per aumentare la temperatura della neve sopra 0 ° C.

I cristalli di ghiaccio presenti nella neve assorbono il calore giusto per sciogliere e in modo che le loro molecole d'acqua adottino una struttura più disordinata. Mentre la neve si scioglie, l'acqua formata non aumenterà la sua temperatura, poiché tutto il calore della mano sfrutta la neve per completare la sua fusione.

- Vaporizzazione

La vaporizzazione è il cambiamento di stato di una sostanza dallo stato liquido a gassoso.

Continuando con l'esempio dell'acqua, ora posizionando una manciata di neve in una pentola e illuminando il fuoco, si osserva che la neve si scioglie rapidamente. Man mano che l'acqua viene riscaldata, iniziano a formarsi piccole bolle di anidride carbonica e altre possibili impurità del gas.

Acqua bollente. Fonte: Pixabay

Il calore dilatato molecolare le configurazioni disordinate dell'acqua, espandendo il suo volume e aumentando la sua pressione del vapore; Pertanto, ci sono diverse molecole che sfuggono al prodotto superficiale dell'aumento dell'evaporazione.

L'acqua liquida aumenta lentamente la sua temperatura, a causa del suo elevato calore specifico (4.184J/° C ∙ g) g). C'è un punto in cui il calore che assorbe non lo usa più per aumentare la sua temperatura, ma per iniziare l'equilibrio del vapore liquido; Cioè, inizia a bollire e tutto il liquido passerà allo stato gassoso mentre assorbi il calore e mantiene costante la temperatura.

È qui che si osserva una bolla intensa sulla superficie dell'acqua bollita (immagine superiore). Il calore che assorbe l'acqua liquida in modo che la pressione del vapore delle sue bolle incipiente sia uguale alla pressione esterna, è chiamato entalpia di vaporizzazione (ΔH_VAP).

Il ruolo della pressione

La pressione è anche decisiva nei cambiamenti statali. Qual è il suo effetto sulla vaporizzazione? Che a maggiore pressione, maggiore è il calore che deve assorbire l'acqua per bollire, e quindi è vaporizzato sopra i 100 ° C.

Questo perché l'aumento della pressione rende difficile sfuggire dalle molecole d'acqua dalla fase liquida a soda.

I vasi di pressione usano questo fatto a loro favore per riscaldare il cibo in acqua a una temperatura sopra il loro punto di ebollizione.

D'altra parte, avendo un vuoto o una diminuzione della pressione, l'acqua liquida ha bisogno di una temperatura più bassa per bollire e passare alla fase gassosa. Con molta o poca pressione, al momento di bollire l'acqua deve assorbire il rispettivo calore di vaporizzazione per completare il suo cambiamento di stato.

- Condensazione

La condensa è il cambiamento di stato di una sostanza dallo stato gassoso allo stato liquido.

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L'acqua è vaporizzata. Qual è il prossimo? Il vapore acqueo può ancora aumentare la sua temperatura, diventando una corrente pericolosa in grado di causare gravi ustioni.

Tuttavia, supponiamo invece che si raffreddi. COME? Rilasciare il calore nell'ambiente e quando rilascia il calore si dice che si sta verificando un processo esotermico.

Rilasciando il calore, le molecole gassose stesse iniziano a rallentare. Inoltre, le sue interazioni iniziano ad essere più efficaci quando la temperatura del vapore scende. In primo luogo, si formeranno gocce d'acqua, condensa a vapore, seguite da gocce più grandi che finiscono per essere attratte dalla gravità.

Per condannare completamente una certa quantità di vapore, è necessario rilasciare la stessa energia, ma con un segno opposto, a ΔH_VAP; Cioè, la sua entalpia di condensa ΔH_Cond. Pertanto, l'equilibrio inverso, a vapore-liquido è stabile.

Finestre inumidite

Condensazione dell'acqua. Fonte: Pexels

La condensa può essere osservata nelle finestre domestiche stesse. In un clima freddo, il vapore acqueo contenuto all'interno della casa si scontra con la finestra, che dal suo materiale ha una temperatura inferiore rispetto ad altre superfici.

Lì, è più facile per le molecole di vapore raggruppare, creando un sottile strato biancastro facilmente rimovibile a mano. Mentre queste molecole rilasciano il calore (vetro riscaldante e aria), iniziano a formare più numerosi cluster fino a quando non possono condensare le prime gocce (immagine superiore).

Quando le gocce aumentano notevolmente le loro dimensioni, scivolano attraverso la finestra e lasciano una scia d'acqua.

- Solidificazione

La solidificazione è il cambiamento di stato di una sostanza dallo stato liquido allo stato solido.

La solidificazione si verifica a causa del raffreddamento; In altre parole, l'acqua si blocca. Per congelare, l'acqua deve rilasciare la stessa quantità di calore che assorbe il ghiaccio per sciogliersi. Ancora una volta, questo calore si chiama solidificazione o entalpia di congelamento, ΔH_Cong (-ΔH_FU).

Durante il raffreddamento, le molecole d'acqua perdono energia e le loro interazioni intermolecolari diventano più forti e più direzionali. Di conseguenza, vengono ordinati grazie ai loro ponti idrogeno e formano i cristalli di ghiaccio così chiamati. Il meccanismo con cui i cristalli di ghiaccio hanno un impatto sul loro aspetto: trasparente o bianco.

Scultura di ghiaccio. Fonte: Pixabay

Se i cristalli di ghiaccio crescono molto lentamente, questi non occludono le impurità, come i gas che a basse temperature sono solubilizzati in acqua. Pertanto, le bolle sfuggono e non possono interagire con la luce; E di conseguenza, c'è un ghiaccio trasparente come quello di una straordinaria statua del ghiaccio (immagine superiore).

Lo stesso che accade con il ghiaccio, può accadere con qualsiasi altra sostanza che si solidifica il raffreddamento. Forse questo è il cambiamento fisico più complesso in condizioni terrestri, poiché si possono ottenere diversi polimorfi.

- Sublimazione

La sublimazione è il cambiamento di stato di una sostanza dal solido al gas.

Può innaffiare Sublim? No, almeno non in condizioni normali (t = 25 ° C, p = 1 atm). Per la sublimazione si verifica, cioè il cambiamento dello stato solido del gas, la pressione di vapore del solido deve essere elevata.

Allo stesso modo, è essenziale che le loro forze intermolecolari non siano molto forti, preferibilmente se consistono solo in forze di dispersione

L'esempio più emblematico è lo iodio solido. È un solido cristallino di toni morali grigi, che ha un'alta pressione del vapore. Tale è così, che nel suo atto segue un vapore viola, il cui volume e espansione sono notevoli quando è sotto riscaldamento.

Può servirti: triethilamina: struttura, proprietà, usi e rischiSublimazione di iodio. Fonte: Belkina N V [CC di 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by/4.0)], da Wikimedia Commons

Nell'immagine superiore viene mostrato un esperimento tipico in cui lo iodio solido evapora in un contenitore di vetro. È interessante e sorprendente osservare come vengono diffusi i vapori viola e lo studente iniziato può verificare l'assenza di iodio liquido.

Questa è la principale caratteristica della sublimazione: non esiste una presenza di una fase liquida. È anche endotermico, poiché il solido assorbe il calore per aumentare la pressione del vapore per uguale alla pressione esterna.

- Deposizione

Iodo Crystal Desposition. Fonte: Stanislav.Nevyhosteny [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)], da Wikimedia Commons

La deposizione è il cambiamento di stato di una sostanza dallo stato gassoso allo stato solido.

Parallelo all'esperimento di sublimazione dello iodio, hai la deposizione che. La deposizione è il cambiamento opposto o la transizione: la sostanza passa dallo stato gassoso al solido senza la formazione di una fase liquida.

Quando i vapori viola di iodio entrano in contatto con una superficie fredda, rilasciano calore per riscaldarlo, perdendo energia e raggruppando di nuovo le loro molecole nel solido grigiastro-muddy (immagine superiore). È quindi un processo esotermico.

La deposizione è ampiamente utilizzata per la sintesi di materiali in cui sono doping con atomi di metallo attraverso tecniche sofisticate. Se la superficie è molto fredda, lo scambio di calore tra esso e le particelle di vapore è brusca, omettendo il passaggio attraverso la rispettiva fase liquida.

Il calore o l'entalpia di deposizione (e no Deposizione) è quello della sublimazione (ΔH_Sub=- ΔH_D.E.P). In teoria, numerose sostanze possono essere sublimate, ma per raggiungere questo obiettivo è necessario manipolare pressioni e temperature, oltre ad avere a portata di mano il suo diagramma P vs T; in cui possono essere visualizzate le loro distanti fasi possibili.

Altri cambiamenti di stato

Sebbene non siano menzionati, ci sono altri stati della materia. A volte sono caratterizzati da "un po 'di ciascuno", e quindi una combinazione di essi. Per generarli, le pressioni e le temperature dovrebbero essere manipolate in magnitudini molto positive (grandi) o negative (piccole).

Pertanto, ad esempio, se i gas vengono riscaldati notevolmente, perderanno i loro elettroni e i loro nuclei caricati positivamente in quella marea negativa costituiranno ciò che è noto come plasma. È sinonimo di "gas elettrico", poiché presenta un'alta conducibilità elettrica.

D'altra parte, quando le temperature scendono troppo, la materia può comportarsi in modo insignificante; Cioè, mostrano proprietà uniche attorno a zero assoluto (0 K).

Una di queste proprietà è superflua e superconduttività; così come la formazione di condensa di Bose-Einstein, dove tutti gli atomi si comportano come uno.

Anche alcune indagini indicano la materia fotonica. In esse le particelle di radiazione elettromagnetica, i fotoni sono raggruppate per formare molecole fotoniche. Cioè, darebbe massa ad alcuni corpi di luce, teoricamente.

Riferimenti

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