MODIFICĂRI DE STARE: TIPURI ȘI CARACTERISTICILE ACESTORA (CU EXEMPLE) - CHIMIE - 2025

De Schimbările de stat sau faza sunt cazul în care suferă modificări fizice materiale reversibil fenomenul termodinamic. Se spune că este termodinamic, deoarece se produce un transfer de căldură între materie și împrejurimi; sau ceea ce este același, există interacțiuni între materie și energie care induc o rearanjare a particulelor.

Particulele care suferă schimbarea stării rămân aceleași înainte și după aceasta. Presiunea și temperatura sunt variabile importante în modul în care sunt adăpostite într-o fază sau alta. Când are loc o schimbare de stare, se formează un sistem bifazic, format din aceeași materie în două stări fizice diferite.

Schimbări de stat. Sursa: Gabriel Bolívar

Imaginea de mai sus arată principalele schimbări de stare la care materia suferă în condiții normale.

Un cub solid dintr-o substanță albăstruie poate transforma lichid sau gazos în funcție de temperatura și presiunea din împrejurimile sale. În sine reprezintă o singură fază: solidul. Dar, în momentul topirii, adică topirea, se stabilește un echilibru solid-lichid numit fuziune (săgeata roșie între cubul albăstrui și picătură).

Pentru ca fuziunea să apară, cubul trebuie să absoarbă căldură din împrejurimile sale pentru a-i crește temperatura; prin urmare, este un proces endotermic. Odată ce cubul s-a topit complet, acesta revine la o singură fază: cea a stării lichide.

Această picătură albăstruie poate continua să absoarbă căldură, ceea ce îi crește temperatura și are ca rezultat formarea de bule gazoase. Din nou, există două faze: una lichidă și cealaltă gaz. Când tot lichidul s-a evaporat prin punctul de fierbere, se spune că a fiert sau s-a vaporizat.

Acum picăturile albăstrui s-au transformat în nori. Până acum, toate procesele au fost endotermice. Gazul albăstrui poate continua să absoarbă căldură până când devine fierbinte; cu toate acestea, având în vedere condițiile terestre, acesta tinde să se răcească și să se condenseze în lichid (condens).

Pe de altă parte, norii se pot depune direct pe o fază solidă, formând din nou cubul solid (depunere). Aceste două ultime procese sunt exotermice (săgeți albastre); adică eliberează căldură în mediul înconjurător.

În plus față de condensare și depunere, o schimbare de stare are loc atunci când căderea albăstruie îngheață la temperaturi scăzute (solidificare).

Tipuri de schimbări de stare și caracteristicile acestora

Imaginea arată modificările tipice pentru cele trei (cele mai comune) stări ale materiei: solid, lichid și gaz. Modificările însoțite de săgețile roșii sunt endotermice, implicând absorbția căldurii; în timp ce cele însoțite de săgețile albastre sunt exoterme, ele eliberează căldură.

O scurtă descriere a fiecăreia dintre aceste modificări va fi făcută mai jos, subliniind unele dintre caracteristicile lor din raționamentul molecular și termodinamic.

- Fuziune

Fuziunea este schimbarea stării unei substanțe de la solid la lichid.

În stare solidă, particulele (ioni, molecule, grupuri etc.) sunt „prizonieri”, localizate în poziții fixe în spațiu, fără a putea să se miște liber. Cu toate acestea, sunt capabili să vibreze la diferite frecvențe și, dacă sunt foarte puternice, ordinea riguroasă impusă de forțele intermoleculare va începe să se „destrame”.

Drept urmare, se obțin două faze: una în care particulele rămân limitate (solide), iar alta unde sunt mai libere (lichide), suficient pentru a crește distanțele care le separă. Pentru a realiza acest lucru, solidul trebuie să absoarbă căldură și astfel particulele sale vor vibra cu o forță mai mare.

Din acest motiv fuziunea este endotermică, iar când începe se spune că se produce un echilibru între fazele solid-lichid.

Căldura necesară pentru a produce această schimbare se numește căldură sau entalpie molară de fuziune (ΔH _Fus ). Aceasta exprimă cantitatea de căldură (energie, în principal în unități de kJ) pe care o molă de substanță în stare solidă trebuie să o absoarbă pentru a se topi și nu pur și simplu să-și ridice temperatura.

Bulgare de zapada

Topirea zăpezii cu mâna. Sursa: Pixabay

Având în vedere acest lucru, se înțelege de ce se topește o minge de zăpadă în mână (imaginea de sus). Zăpada absoarbe căldura corporală, ceea ce este suficient pentru a ridica temperatura zăpezii peste 0 ° C.

Cristalele de gheață din zăpadă absorb doar căldură suficientă pentru a se topi și pentru ca moleculele lor de apă să adopte o structură mai dezordonată. În timp ce zăpada se topește, apa formată nu își va crește temperatura, deoarece toată căldura de la mână este folosită de zăpadă pentru a-și completa topirea.

- Vaporizare

Vaporizarea este schimbarea stării unei substanțe de la lichid la starea gazoasă.

Continuând cu exemplul de apă, plasând acum o mână de zăpadă într-un vas și aprindem focul, se observă că zăpada se topește rapid. Pe măsură ce apa se încălzește, încep să se formeze mici bule de dioxid de carbon și alte posibile impurități gazoase.

Apă clocotită. Sursa: Pixabay

Căldura extinde molecular configurațiile dezordonate ale apei, extinzând volumul și crescând presiunea de vapori; prin urmare, există mai multe molecule care scapă de la suprafață ca urmare a creșterii evaporării.

Apa lichidă își crește lent temperatura, datorită căldurii specifice specifice (4,184J / ° C ∙ g). Vine un punct în care căldura pe care o absoarbe nu mai este folosită pentru a-și ridica temperatura, ci pentru a iniția echilibrul lichid-vapori; adică începe să fiarbă și tot lichidul va trece la starea gazoasă, în timp ce absoarbe căldură și menține temperatura constantă.

Aici se observă bubuirea intensă pe suprafața apei fierte (imaginea de sus). Căldura pe care apa lichidă o absoarbe astfel încât presiunea de vapori a bulelor sale incipiente să fie egală cu presiunea externă se numește entalpie de vaporizare (ΔH _Vap ).

Rolul presiunii

Presiunea este, de asemenea, un factor determinant în schimbările de stare. Care este efectul său asupra vaporizării? Cu cât presiunea este mai mare, cu atât este mai mare căldura pe care trebuie să o absoarbă apa pentru a fierbe și, prin urmare, ea se vaporizează peste 100 ° C.

Acest lucru se datorează faptului că creșterea presiunii face dificilă scurgerea moleculelor de apă din faza lichidă în faza gazoasă.

Aragazele sub presiune folosesc acest fapt în avantajul lor pentru a încălzi mâncarea în apă la o temperatură peste punctul de fierbere.

Pe de altă parte, deoarece există un vid sau o scădere a presiunii, apa lichidă are nevoie de o temperatură mai mică pentru a fierbe și a intra în faza gazoasă. Cu presiune ridicată sau joasă, atunci când apa fierbe, trebuie să-și absoarbă căldura respectivă de vaporizare pentru a-și completa schimbarea de stare.

- Condensare

Condensarea este schimbarea stării unei substanțe din starea gazoasă în starea lichidă.

Apa s-a vaporizat. Ce urmeaza? Vaporii de apă pot crește în continuare temperatura, devenind un curent periculos capabil să provoace arsuri severe.

Cu toate acestea, să presupunem că răcește în schimb. Cum? Eliberarea căldurii în mediu și eliberarea căldurii se spune că este un proces exotermic care are loc.

Prin eliberarea căldurii, moleculele de apă gazoase foarte energice încep să încetinească. De asemenea, interacțiunile lor devin mai eficiente pe măsură ce temperatura aburului scade. În primul rând, se vor forma picături de apă, condensate din abur, urmate de picături mai mari care ajung să fie atrase de gravitație.

Pentru a condensa complet o cantitate dată de vapori, trebuie să eliberați aceeași energie, dar cu semn opus, la ΔH _Vap ; adică entalpia de condensare ΔH _Cond . Astfel, este stabilit echilibrul invers vapori-lichid.

Ferestrele umede

Condensarea apei. Sursa: Pexels

Condensarea poate fi văzută chiar pe ferestrele caselor. Într-un climat rece, vaporii de apă conținuți în interiorul casei se ciocnesc cu fereastra, care datorită materialului său are o temperatură mai scăzută decât alte suprafețe.

Acolo, este mai ușor pentru moleculele de vapori să se aglomereze, creând un strat subțire alb alb, ușor de îndepărtat cu mâna. Pe măsură ce aceste molecule eliberează căldură (încălzirea sticlei și a aerului), ele încep să formeze mai multe grupări până când primele picături se pot condensa (imaginea de sus).

Când picăturile devin foarte mari, alunecă pe fereastră și lasă o urmă de apă.

- Solidificare

Solidificarea este schimbarea stării unei substanțe de la starea lichidă la starea solidă.

Solidificarea apare ca urmare a răcirii; cu alte cuvinte, apa îngheață. Pentru a îngheța, apa trebuie să elibereze aceeași cantitate de căldură pe care gheața o absoarbe pentru a se topi. Din nou, această căldură se numește entalpia de solidificare sau congelare, AH _Cong (-ΔH _Fus ).

Pe măsură ce moleculele de apă se răcesc, ele pierd energie și interacțiunile lor intermoleculare devin mai puternice și mai direcționale. Drept urmare, acestea sunt aranjate datorită legăturilor lor de hidrogen și formează așa-numitele cristale de gheață. Mecanismul prin care cresc cristalele de gheață are un impact asupra aspectului lor: transparent sau alb.

Sculptură pe gheață. Sursa: Pixabay

Dacă cristalele de gheață cresc foarte lent, ele nu obțin impurități, cum ar fi gazele care se solubilizează în apă la temperaturi scăzute. Astfel, bulele scapă și nu pot interacționa cu lumina; și, în consecință, ai o gheață la fel de transparentă ca cea a unei statui extraordinare de gheață (imaginea de sus).

Același lucru se întâmplă cu gheața, se poate întâmpla cu orice altă substanță care se solidifică prin răcire. Poate că aceasta este cea mai complexă schimbare fizică a condițiilor terestre, deoarece se pot obține mai multe polimorfe.

- Sublimare

Sublimarea este schimbarea stării unei substanțe de la solid la starea gazoasă.

Apa poate fi sublimată? Nu, cel puțin nu în condiții normale (T = 25 ° C, P = 1 atm). Pentru ca sublimarea să aibă loc, adică schimbarea stării de la solid la gaz, presiunea de vapori a solidului trebuie să fie ridicată.

De asemenea, este esențial ca forțele lor intermoleculare să nu fie foarte puternice, de preferință dacă constau doar în forțe de dispersie.

Cel mai emblematic exemplu este iodul solid. Este un solid cristalin cu nuanțe cenușiu-violet, care prezintă o presiune mare de vapori. Așa se întâmplă, în cazul în care, în actul acestuia, se degajă un vapor violet, al cărui volum și expansiune devin vizibile atunci când sunt supuse încălzirii.

Sublimarea iodului. Sursa: Belkina NV, de la Wikimedia Commons

Imaginea de mai sus arată un experiment tipic în care iodul solid este evaporat într-un recipient de sticlă. Este interesant și izbitor de observat modul în care vaporii purpurii sunt difuzați, iar elevul inițiat poate verifica absența de iod lichid.

Aceasta este caracteristica principală a sublimării: nu există prezența unei faze lichide. La fel, este endotermic, deoarece solidul absoarbe căldura pentru a-și crește presiunea de vapori până când este egal cu presiunea externă.

- Depunerea

Depozitarea cristalelor de iod. Sursa: Stanislav.nevyhosteny, de la Wikimedia Commons

Depunerea este schimbarea stării unei substanțe din starea gazoasă în starea solidă.

În paralel cu experimentul de sublimare a iodului, există depunerea acestuia. Depunerea este schimbarea sau tranziția opusă: substanța trece de la starea gazoasă la solidă, fără formarea unei faze lichide.

Când vaporii violet de iod intră în contact cu o suprafață rece, ei eliberează căldură pentru a o încălzi, pierzând energie și regrupându-și moleculele în solidul cenușiu-violet (imaginea de sus). Este apoi un proces exotermic.

Depozitarea este utilizată pe scară largă pentru sinteza materialelor unde sunt dopate cu atomi de metal prin tehnici sofisticate. Dacă suprafața este foarte rece, schimbul de căldură dintre aceasta și particulele de vapori este brusc, omitând trecerea prin faza lichidă respectivă.

Căldura sau entalpia de depunere (și nu depunerea) este inversă celei de sublimare (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). În teorie, multe substanțe pot fi sublimate, dar pentru a realiza acest lucru este necesar să manipulați presiunile și temperaturile, pe lângă faptul că au la îndemână diagrama P vs T; în care, fazele sale îndepărtate posibile pot fi vizualizate.

Alte modificări de stare

Deși nu se face mențiune despre acestea, există alte stări de materie. Uneori, ele sunt caracterizate prin faptul că au „puțin din fiecare” și, prin urmare, sunt o combinație a acestora. Pentru a le genera, presiunile și temperaturile trebuie manipulate la valori foarte pozitive (mari) sau negative (mici).

Astfel, de exemplu, dacă gazele sunt încălzite excesiv, își vor pierde electronii și nucleele lor încărcate pozitiv în acea maree negativă vor constitui ceea ce este cunoscut sub numele de plasmă. Este sinonim cu "gaz electric", deoarece are o conductivitate electrică ridicată.

Pe de altă parte, când temperaturile scad prea jos, materia se poate comporta în mod neașteptat; adică prezintă proprietăți unice în jurul valorii de zero absolut (0 K).

Una dintre aceste proprietăți este superfluiditatea și superconductivitatea; precum și formarea condenselor de Bose-Einstein, în care toți atomii se comportă ca unul.

Unele cercetări chiar indică materie fotonică. În ele particulele de radiații electromagnetice, fotoni, se grupează pentru a forma molecule fotonice. Adică ar da masă corpurilor de lumină, teoretic.

Referințe

1. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (19 noiembrie 2018). Lista modificărilor de fază între statele de materie. Recuperat de la: thinkco.com
2. Wikipedia. (2019). Stare a materiei. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Schimbarea stărilor. Recuperat de la: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Schimbare de fază: evaporare, condens, îngheț, topire, sublimare și depunere. Studiu. Recuperat din: studiu.com
5. Bagley M. (11 aprilie 2016). Materie: definiție și cele cinci state de materie. Recuperat de la: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck și Stanley. (2008). Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Învățare.