Cíle učení
- Definice tání, mrznutí a sublimace.
V závislosti na okolních podmínkách se normální látka obvykle vyskytuje v jedné ze tří fází: pevné, kapalné nebo plynné.
Fázová změna je fyzikální proces, při kterém látka přechází z jedné fáze do druhé. Obvykle ke změně dochází při přidání nebo odebrání tepla při určité teplotě, známé jako bod tání nebo bod varu látky. Teplota tání je teplota, při které látka přechází z pevného skupenství do kapalného (nebo z kapalného do pevného). Bod varu je teplota, při které látka přechází z kapaliny do plynu (nebo z plynu do kapaliny). Charakter fázové změny závisí na směru přenosu tepla. Teplo vstupující do látky ji mění z pevné látky na kapalinu nebo z kapaliny na plyn. Odebírání tepla z látky mění plyn na kapalinu nebo kapalinu na pevnou látku.
Je třeba zdůraznit dva klíčové body. Za prvé, při teplotě tání nebo varu látky mohou existovat dvě fáze současně. Vezměme si jako příklad vodu (H2O). Na Celsiově stupnici má H2O bod tání 0 °C a bod varu 100 °C. Při teplotě 0 °C může H2O existovat současně v pevné i kapalné fázi. Pokud však přidáme teplo, část pevné H2O se rozpustí a změní se na kapalnou H2O. Pokud teplo odebereme, stane se opak: část kapalné H2O se změní na pevnou H2O. Podobný proces může nastat při 100 °C: přidáním tepla se zvýší množství plynné H2O, zatímco odebráním tepla se zvýší množství kapalné H2O (Obrázek \(\PageIndex{1}\)).
Druhé, teplota látky se nemění, když látka přechází z jedné fáze do druhé. Jinými slovy, fázové změny jsou izotermické (izotermický znamená „stálá teplota“). Jako příklad opět uveďme H2O. Pevná voda (led) může existovat při teplotě 0 °C. Pokud se k ledu o teplotě 0 °C přidá teplo, část pevné látky změní fázi na kapalinu, která má rovněž teplotu 0 °C. Pamatujte si, že pevná a kapalná fáze H2O mohou existovat současně při teplotě 0 °C. Teprve po roztavení celé pevné fáze na kapalinu se přidáním tepla změní teplota látky.
Pro každou fázovou změnu látky je charakteristické množství tepla potřebné k provedení fázové změny na gram (nebo na mol) materiálu. Tavné teplo (ΔHfus) je množství tepla na gram (nebo na mol) potřebné pro fázovou změnu, která probíhá při teplotě tání. Vypařovací teplo (ΔHvap) je množství tepla na gram (nebo na mol) potřebné pro fázovou změnu, ke které dochází v bodě varu. Pokud znáte celkový počet gramů nebo molů materiálu, můžete pomocí ΔHfus nebo ΔHvap určit celkové teplo předávané pro tání nebo tuhnutí pomocí těchto výrazů:
\
kde \(n\) je počet molů a \(ΔH_{fus}\) je vyjádřeno v energii/mol nebo
\
kde \(m\) je hmotnost v gramech a \(ΔH_{fus}\) je vyjádřeno v energii/gram.
Pro var nebo kondenzaci použijte tyto výrazy:
\
kde \(n\) je počet molů) a \(ΔH_{vap}\) je vyjádřeno v energii/mol nebo
\
kde \(m\) je hmotnost v gramech a \(ΔH_{vap}\) je vyjádřeno v energii/gram.
Pamatujte, že fázová změna závisí na směru přenosu tepla. Pokud teplo přechází dovnitř, pevné látky se stávají kapalinami a kapaliny pevnými látkami při teplotě tání, resp. varu. Pokud teplo přechází ven, kapaliny tuhnou a plyny kondenzují na kapaliny.
Příklad \(\PageIndex{1}\)
Kolik tepla je třeba k roztavení 55,8 g ledu (pevná H2O) při 0 °C? Tavné teplo H2O je 79,9 cal/g.
Řešení
Můžeme použít vztah mezi teplem a tavným teplem (rovnice \(\PageIndex{1}\)b) a určit, kolik joulů tepla je potřeba k roztavení tohoto ledu:
\ & = (55.8 cal/g).8\: \cancel{g})\left(\dfrac{79,9\: cal}{\cancel{g}}\right)=4,460\: cal} \end{align*}\]
Cvičení \(\PageIndex{1}\)
Kolik tepla je třeba k odpaření 685 g H2O při 100 °C? Vypařovací teplo H2O je 540 cal/g.
Tabulka \(\PageIndex{1}\) uvádí tavicí a vypařovací tepla některých běžných látek. Všimněte si jednotek u těchto veličin; až budete tyto hodnoty používat při řešení úloh, ujistěte se, že ostatní proměnné ve vašem výpočtu jsou vyjádřeny v jednotkách shodných s jednotkami u měrných tepel nebo tepel tání a vypařování.
| ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) | |
|---|---|---|
| hliník (Al) | 94.0 | 2,602 |
| zlato (Au) | 15,3 | 409 |
| železo (Fe) | 63.2 | 1,504 |
| voda (H2O) | 79,9 | 540 |
| chlorid sodný (NaCl) | 123.5 | 691 |
| etanol (C2H5OH) | 45,2 | 200.3 |
| benzen (C6H6) | 30,4 | 94,1 |
Pohled zblízka: Sublimace
Existuje také fázová změna, kdy pevná látka přechází přímo v plyn:
\
Tato fázová změna se nazývá sublimace. Každá látka má charakteristické sublimační teplo spojené s tímto procesem. Například sublimační teplo (ΔHsub) H2O je 620 cal/g.
Se sublimací se setkáváme několika způsoby. Možná již znáte suchý led, což je jednoduše pevný oxid uhličitý (CO2). Při teplotě -78,5 °C pevný oxid uhličitý sublimuje a přechází přímo z pevné fáze do plynné:
\
Pevný oxid uhličitý se nazývá suchý led, protože nepřechází do kapalné fáze. Místo toho přechází přímo do plynné fáze. (Oxid uhličitý může existovat jako kapalina, ale pouze za vysokého tlaku.) Suchý led má mnoho praktických využití, včetně dlouhodobého uchovávání lékařských vzorků.
I při teplotách pod 0 °C pevný H2O pomalu sublimuje. Například tenká vrstva sněhu nebo námrazy na zemi může pomalu mizet, jak pevná H2O sublimuje, přestože venkovní teplota může být pod bodem mrazu vody. Podobně se mohou kostky ledu v mrazničce časem zmenšovat. Ačkoli je pevná voda zmrzlá, pomalu sublimuje a znovu se usazuje na chladnějších chladicích prvcích mrazničky, což vyžaduje pravidelné odmrazování (mrazničky bez námrazy toto opětovné usazování minimalizují). Snížením teploty v mrazničce se sníží nutnost tak častého odmrazování.
Za podobných okolností se voda sublimuje i ze zmrazených potravin (např. masa nebo zeleniny), což jim dává nevábný, skvrnitý vzhled, který se nazývá spálení mrazem. Ve skutečnosti se nejedná o „spáleninu“ a potraviny se nemusí nutně zkazit, i když vypadají nevábně. Spálení v mrazničce lze minimalizovat snížením teploty v mrazničce a těsným zabalením potravin, aby voda neměla prostor pro sublimaci.
Teplota tání
Tuhé látky jsou podobné kapalinám, protože v obou případech se jedná o kondenzovaný stav, kdy jsou částice mnohem blíže u sebe než u plynu. Avšak zatímco kapaliny jsou tekuté, pevné látky tekuté nejsou. Částice většiny pevných látek jsou těsně vedle sebe uspořádány. Pohyb jednotlivých atomů, iontů nebo molekul v pevné látce je omezen na vibrační pohyb kolem pevného bodu. Pevné látky jsou téměř zcela nestlačitelné a jsou nejhustší ze tří stavů hmoty.
Při zahřívání pevné látky její částice kmitají rychleji, protože pevná látka absorbuje kinetickou energii. Nakonec se uspořádání částic ve struktuře pevné látky začne rozpadat a pevná látka se začne tavit. Teplota tání je teplota, při které se pevná látka mění v kapalinu. Při teplotě tání překonávají rušivé vibrace částic pevné látky přitažlivé síly působící uvnitř pevné látky. Stejně jako u teploty varu závisí teplota tání pevné látky na síle těchto přitažlivých sil. Chlorid sodný \(\left( \ce{NaCl} \right)\) je iontová sloučenina, která se skládá z mnoha silných iontových vazeb. Chlorid sodný taje při \(801^\text{o} \text{C}\). Led (pevná látka \(\ce{H_2O}\)) je molekulární sloučenina složená z molekul, které jsou spojeny vodíkovými vazbami. Přestože vodíkové vazby jsou nejsilnější z mezimolekulárních sil, jejich síla je mnohem menší než síla iontových vazeb. Bod tání ledu je \(0^\text{o} \text{C}\).
Teplota tání pevné látky je stejná jako teplota tuhnutí kapaliny. Při této teplotě jsou pevný a kapalný stav látky v rovnováze. U vody nastává tato rovnováha při teplotě \(0^\text{o} \text{C}\).
\
O pevných látkách obvykle uvažujeme jako o těch, které jsou při pokojové teplotě pevné. Všechny materiály však mají nějaký bod tání. Plyny se stávají pevnými látkami při extrémně nízkých teplotách a kapaliny se také stávají pevnými látkami, pokud je teplota dostatečně nízká. V následující tabulce jsou uvedeny teploty tání některých běžných materiálů.
| Materiály | Teplota tání (ºC) |
|---|---|
| Vodík | -259 |
| Kyslík | -219 |
| Diethylether | -116 |
| Ethanol | -114 |
| Voda | 0 |
| Čisté stříbro | 961 |
| Čisté zlato | 1063 |
| Železo | 1538 |
Cvičení \(\PageIndex{2}\)
- Vysvětlete, co se děje, když teplo proudí do látky nebo z látky při teplotě tání nebo varu.
- Jak souvisí množství tepla potřebného k fázové změně s hmotností látky?
Odpověď a
Energie jde na změnu fáze, ne na změnu teploty.
Množství tepla je konstantní na gram látky.
Souhrn
- S každou fázovou změnou je spojena změna energie.
- Sublimace je změna skupenství z pevného na plynné, aniž by proběhla v kapalném skupenství.
- Sublimace je změna stavu z plynu na pevnou látku.
- Dioxid uhličitý je příkladem materiálu, který snadno podléhá sublimaci.
- Teplota tání je teplota, při které se pevná látka mění na kapalinu.
- Na teplotu tání mají velký vliv mezimolekulární síly.
Příspěvky & Atributy
Tato stránka byla vytvořena z obsahu prostřednictvím následujících přispěvatelů a upravena (tematicky nebo rozsáhle) vývojovým týmem LibreTexts tak, aby vyhovovala stylu, prezentaci a kvalitě platformy:
-
CK-12 Foundation Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson a Jean Dupon.