Læringsmål
- Definer smeltning, frysning og sublimering.
Afhængigt af de omgivende forhold eksisterer normalt stof normalt som en af tre faser: fast stof, væske eller gas.
Et faseskift er en fysisk proces, hvor et stof går fra en fase til en anden. Normalt sker ændringen ved tilførsel eller fjernelse af varme ved en bestemt temperatur, der er kendt som stoffets smeltepunkt eller kogepunkt. Smeltepunktet er den temperatur, hvor stoffet går fra et fast stof til en væske (eller fra en væske til et fast stof). Kogepunktet er den temperatur, ved hvilken et stof går fra en væske til en gas (eller fra en gas til en væske). Faseændringens art afhænger af varmeoverførslens retning. Varme, der går ind i et stof, ændrer det fra et fast stof til en væske eller fra en væske til en gas. Fjernelse af varme fra et stof ændrer en gas til en væske, eller en væske til et fast stof.
To nøglepunkter er værd at fremhæve. For det første kan der ved et stofs smeltepunkt eller kogepunkt eksistere to faser samtidig. Tag vand (H2O) som et eksempel. På Celsius-skalaen har H2O et smeltepunkt på 0 °C og et kogepunkt på 100 °C. Ved 0 °C kan både den faste og den flydende fase af H2O eksistere samtidig. Men hvis der tilføres varme, vil noget af det faste H2O smelte og blive til flydende H2O. Hvis der fjernes varme, sker det modsatte: noget af det flydende H2O bliver til fast H2O. En lignende proces kan finde sted ved 100 °C: Tilførsel af varme øger mængden af gasformigt H2O, mens fjernelse af varme øger mængden af flydende H2O (figur \(\PageIndex{1}\)).
For det andet ændres temperaturen i et stof ikke, når stoffet går fra en fase til en anden. Med andre ord er faseskift isotermisk (isotermisk betyder “konstant temperatur”). Tag igen H2O som et eksempel. Fast vand (is) kan eksistere ved 0 °C. Hvis der tilføres varme til is ved 0 °C, skifter noget af det faste stof fase og bliver til væske, som også er ved 0 °C. Husk, at den faste og flydende fase af H2O kan eksistere samtidig ved 0 °C. Først når hele det faste stof er smeltet til væske, ændrer tilførsel af varme stoffets temperatur.
For hver faseændring af et stof er der en karakteristisk varmemængde, der er nødvendig for at udføre faseændringen pr. gram (eller pr. mol) materiale. Smeltevarmen (ΔHfus) er den varmemængde pr. gram (eller pr. mol), der er nødvendig for en faseændring, der finder sted ved smeltepunktet. Fordampningsvarmen (ΔHvap) er den varmemængde pr. gram (eller pr. mol), der kræves for en faseændring, som finder sted ved kogepunktet. Hvis du kender det samlede antal gram eller mol af materialet, kan du bruge ΔHfus eller ΔHvap til at bestemme den samlede varme, der overføres ved smeltning eller størkning, ved hjælp af disse udtryk:
\
hvor \(n\) er antallet af mol, og \(ΔH_{fus}\) er udtrykt i energi/mol eller
\
hvor \(m\) er massen i gram, og \(ΔH_{fus}\) er udtrykt i energi/gram.
For kogning eller kondensation skal du bruge disse udtryk:
\
hvor \(n\) er antallet af mol) og \(ΔH_{vap}\) er udtrykt i energi/mol eller
\
hvor \(m\) er massen i gram og \(ΔH_{vap}\) er udtrykt i energi/gram.
Husk, at en faseændring afhænger af varmeoverførslens retning. Hvis varmen overføres indad, bliver faste stoffer til væsker, og væsker bliver til faste stoffer ved henholdsvis smelte- og kogepunktet. Hvis varmen overføres udad, størkner væsker, og gasser kondenserer til væsker.
Eksempel \(\PageIndex{1}\)
Hvor meget varme er nødvendig for at smelte 55,8 g is (fast H2O) ved 0 °C? Smeltevarmen for H2O er 79,9 cal/g.
Løsning
Vi kan bruge forholdet mellem varme og smeltevarme (Eq. \(\(\PageIndex{1}\)b)) til at bestemme, hvor mange joule varme der skal til for at smelte denne is:
\ & = (55.8\: \cancel{g})\left(\dfrac{79.9\: cal}{\cancel{g}}}\right)=4,460\: cal} \end{align*}}}]
Ovelse \(\PageIndex{1}\)
Hvor meget varme er nødvendig for at fordampe 685 g H2O ved 100°C? Fordampningsvarmen for H2O er 540 cal/g.
Tabel \(\PageIndex{1}\) indeholder en liste over fusions- og fordampningsvarmen for nogle almindelige stoffer. Bemærk enhederne på disse størrelser; når du bruger disse værdier i problemløsning, skal du sørge for, at de andre variabler i din beregning er udtrykt i enheder, der stemmer overens med enhederne i de specifikke varmeværdier eller fusions- og fordampningsvarmeværdierne.
| Stof | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) | |
|---|---|---|---|
| aluminium (Al) | 94.0 | 2,602 | |
| guld (Au) | 15,3 | 409 | |
| jern (Fe) | 63.2 | 1,504 | |
| vand (H2O) | 79,9 | 540 | |
| natriumklorid (NaCl) | 123.5 | 691 | |
| ethanol (C2H5OH) | 45,2 | 200.3 | |
| benzen (C6H6) | 30,4 | 94,1 |
Nærmere kig på: Sublimation
Der findes også en faseændring, hvor et fast stof går direkte over til en gas:
\
Denne faseændring kaldes sublimering. Hvert stof har en karakteristisk sublimeringsvarme, der er forbundet med denne proces. F.eks. er sublimeringsvarmen (ΔHsub) for H2O 620 cal/g.
Vi støder på sublimering på flere måder. Du er måske allerede bekendt med tøris, som blot er fast kuldioxid (CO2). Ved -78,5 °C (-109 °F) sublimerer fast kuldioxid og overgår direkte fra den faste fase til gasfasen:
\
Den faste kuldioxid kaldes tøris, fordi den ikke passerer gennem den flydende fase. I stedet går det direkte over i gasfasen. (Kuldioxid kan eksistere som væske, men kun under højt tryk.) Tøris har mange praktiske anvendelser, herunder langtidskonservering af medicinske prøver.
Selv ved temperaturer under 0 °C vil fast H2O langsomt sublimeres. F.eks. kan et tyndt lag sne eller frost på jorden langsomt forsvinde, efterhånden som det faste H2O sublimerer, selv om udetemperaturen kan ligge under vands frysepunkt. På samme måde kan isterninger i en fryser blive mindre over tid. Selv om de er frosne, sublimer det faste vand langsomt og aflejrer sig igen på de koldere køleelementer i fryseren, hvilket nødvendiggør periodisk afrimning (frostfrie frysere minimerer denne aflejring). Hvis temperaturen i en fryser sænkes, er det mindre nødvendigt at afrime så ofte.
Under lignende omstændigheder sublimerer vand også fra frosne fødevarer (f.eks. kød eller grøntsager), hvilket giver dem et uinteressant, plettet udseende, der kaldes frysebrand. Det er ikke rigtig en “forbrænding”, og maden er ikke nødvendigvis blevet dårlig, selv om den ser uappetitlig ud. Frysebrand kan minimeres ved at sænke temperaturen i fryseren og ved at pakke fødevarerne tæt ind, så vandet ikke har plads til at sublimere ind.
Smeltepunkt
Væske ligner væske, idet begge er kondenserede tilstande med partikler, der er langt tættere sammen end partikler i en gas. Men mens væsker er flydende, er faste stoffer det ikke. Partiklerne i de fleste faste stoffer er pakket tæt sammen i et ordnet arrangement. Bevægelsen af de enkelte atomer, ioner eller molekyler i et fast stof er begrænset til vibrationsbevægelse omkring et fast punkt. Faste stoffer er næsten fuldstændig inkompressible og er den mest tætte af de tre stoftilstande.
Når et fast stof opvarmes, vibrerer dets partikler hurtigere, da det optager kinetisk energi. Til sidst begynder organiseringen af partiklerne i den faste struktur at blive opløst, og det faste stof begynder at smelte. Smeltepunktet er den temperatur, ved hvilken et fast stof overgår til at blive flydende. Ved smeltepunktet overvinder de forstyrrende vibrationer fra partiklerne i det faste stof de tiltrækningskræfter, der virker i det faste stof. Ligesom kogepunktet afhænger smeltepunktet for et fast stof af styrken af disse tiltrækningskræfter. Natriumchlorid \(\ venstre( \ce{NaCl} \right)\) er en ionisk forbindelse, der består af et væld af stærke ioniske bindinger. Natriumchlorid smelter ved \(801^\text{o} \text{C}\). Is (fast \(\ce{H_2O}\)) er en molekylær forbindelse, der består af molekyler, som holdes sammen af hydrogenbindinger. Selv om hydrogenbindinger er den stærkeste af de intermolekylære kræfter, er hydrogenbindingernes styrke langt mindre end ionbindingernes. Isens smeltepunkt er \(0^\text{o} \text{C}\).
Smeltningspunktet for et fast stof er det samme som væskens frysepunkt. Ved denne temperatur er stoffets faste og flydende tilstand i ligevægt. For vand opstår denne ligevægt ved \(0^\text{o} \text{C}\).
\\
Vi har en tendens til at tænke på faste stoffer som de materialer, der er faste ved stuetemperatur. Alle materialer har imidlertid smeltepunkter af en eller anden art. Gasser bliver faste stoffer ved ekstremt lave temperaturer, og væsker vil også blive faste, hvis temperaturen er lav nok. Nedenstående tabel viser smeltepunkterne for nogle almindelige materialer.
| Materialer | Smeltningspunkt (ºC) | |
|---|---|---|
| Hydrogen | -259 | |
| Syren | -219 | |
| Diethylether | -116 | |
| Ethanol | -114 | |
| Vand | 0 | |
| Rent sølv | 961 | |
| Rent guld | 1063 | |
| Jern | 1538 |
Ovelse \(\PageIndex{2}\)
- Forklar, hvad der sker, når varme strømmer ind i eller ud af et stof ved dets smeltepunkt eller kogepunkt.
- Hvordan hænger den varmemængde, der kræves til en faseændring, sammen med stoffets masse?
Svar a
Energien går til at ændre fasen, ikke til at ændre temperaturen.
Varmemængden er en konstant pr. gram stof.
Summarum
- Der er en energiforandring forbundet med enhver faseændring.
- Sublimation er en tilstandsændring fra et fast stof til en gas, uden at passere gennem den flydende tilstand.
- Deposition er tilstandsændringen fra en gas til et fast stof.
- Koldioxid er et eksempel på et materiale, der let undergår sublimering.
- Smeltepunktet er den temperatur, ved hvilken et fast stof overgår til en væske.
- Intermolekylære kræfter har en stærk indflydelse på smeltepunktet.
Bidrag & Tilskrivninger
Denne side er konstrueret af indhold via følgende bidragyder(e) og redigeret (topisk eller omfattende) af LibreTexts udviklingshold for at opfylde platformens stil, præsentation og kvalitet:
-
CK-12 Foundation af Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, og Jean Dupon.