Oppimistavoitteet
- Määrittele sulaminen, jäätyminen ja sublimoituminen.
Ympäröivistä olosuhteista riippuen tavallinen aine esiintyy yleensä jossakin kolmesta faasista: kiinteässä, nestemäisessä tai kaasumaisessa olomuodossa.
Faasimuutos on fysikaalinen prosessi, jossa aine siirtyy faasista toiseen. Yleensä muutos tapahtuu, kun lisätään tai poistetaan lämpöä tietyssä lämpötilassa, jota kutsutaan aineen sulamis- tai kiehumispisteeksi. Sulamispiste on lämpötila, jossa aine muuttuu kiinteästä nesteeksi (tai nesteestä kiinteäksi). Kiehumispiste on lämpötila, jossa aine muuttuu nesteestä kaasuksi (tai kaasusta nesteeksi). Faasimuutoksen luonne riippuu lämmönsiirron suunnasta. Aineeseen menevä lämpö muuttaa sen kiinteästä aineesta nesteeksi tai nesteestä kaasuksi. Lämmön poistuminen aineesta muuttaa kaasun nesteeksi tai nesteen kiinteäksi.
Kahta keskeistä seikkaa kannattaa korostaa. Ensinnäkin aineen sulamis- tai kiehumispisteessä voi olla samanaikaisesti kaksi faasia. Otetaan esimerkiksi vesi (H2O). Celsius-asteikolla H2O:n sulamispiste on 0 °C ja kiehumispiste 100 °C. 0 °C:n lämpötilassa H2O:n sekä kiinteä että nestemäinen faasi voivat olla rinnakkain. Jos lämpöä kuitenkin lisätään, osa kiinteästä H2O:sta sulaa ja muuttuu nestemäiseksi H2O:ksi. Jos lämpöä poistetaan, tapahtuu päinvastoin: osa nestemäisestä H2O:sta muuttuu kiinteäksi H2O:ksi. Samanlainen prosessi voi tapahtua 100 °C:ssa: lämmön lisääminen lisää kaasumaisen H2O:n määrää, kun taas lämmön poistaminen lisää nestemäisen H2O:n määrää (kuva \(\PageIndex{1}\)).
Toiseksi aineen lämpötila ei muutu aineen siirtyessä faasista toiseen. Toisin sanoen faasimuutokset ovat isotermisiä (isoterminen tarkoittaa ”vakiolämpötilaa”). Tarkastellaan jälleen H2O:ta esimerkkinä. Kiinteä vesi (jää) voi olla olemassa 0 °C:ssa. Jos 0 °C:n lämpötilassa olevaan jäähän lisätään lämpöä, osa kiinteästä vedestä vaihtaa faasia ja muuttuu nesteeksi, joka on myös 0 °C:n lämpötilassa. Muista, että H2O:n kiinteä ja nestemäinen faasi voivat olla rinnakkain 0 °C:ssa. Vasta kun kaikki kiinteä aine on sulanut nesteeksi, lämmön lisääminen muuttaa aineen lämpötilaa.
Kullekin aineen faasimuutokselle on ominainen lämpömäärä, joka tarvitaan faasimuutoksen toteuttamiseen grammaa (tai moolia) kohti. Sulamislämpö (ΔHfus) on lämpömäärä grammaa (tai moolia) kohti, joka tarvitaan sulamispisteessä tapahtuvaan faasimuutokseen. Höyrystymislämpö (ΔHvap) on kiehumispisteessä tapahtuvaan faasimuutokseen tarvittava lämpömäärä grammaa (tai moolia) kohti. Jos tiedät aineen grammojen tai moolien kokonaismäärän, voit käyttää ΔHfus:a tai ΔHvap:a määrittääksesi sulamiseen tai jähmettymiseen siirtyvän kokonaislämmön näiden lausekkeiden avulla:
\
jossa \(n\) on moolien lukumäärä ja \(ΔH_{fus}\) ilmaistaan energiana/mooli tai
\
jossa \(m\) on massa grammoina ja \(ΔH_{fus}\) ilmaistaan energiana/gramma.
Kiehumiseen tai tiivistymiseen käytetään näitä lausekkeita:
\
jossa \(n\) on moolien lukumäärä) ja \(ΔH_{vap}\) ilmaistaan energiana/mooli tai
\
jossa \(m\) on massa grammoina ja \(ΔH_{vap}\) ilmaistaan energiana/gramma.
Muista, että faasimuutos riippuu lämmönsiirron suunnasta. Jos lämpö siirtyy sisäänpäin, kiinteät aineet muuttuvat nesteiksi ja nesteet vastaavasti sulamis- ja kiehumispisteissä kiinteiksi aineiksi. Jos lämpö siirtyy ulospäin, nesteet jähmettyvät ja kaasut tiivistyvät nesteiksi.
Esimerkki \(\PageIndex{1}\)
Miten paljon lämpöä tarvitaan sulattamaan 55,8 g jäätä (kiinteää H2O:ta) 0 °C:ssa? H2O:n sulamislämpö on 79,9 cal/g.
Ratkaisu
Voidaan käyttää lämmön ja sulamislämmön välistä suhdetta (yhtälö \(\PageIndex{1}\)b) määrittääksemme, kuinka monta joulea lämpöä tarvitaan tämän jään sulattamiseen:
\ & = (55.8\: \cancel{g})\left(\dfrac{79.9\: cal}{\cancel{g}}\right)=4,460\: cal} \end{align*}\]
Harjoitustehtävä \(\PageIndex{1}\)
Minkä verran lämpöä tarvitaan, jotta höyrystyisi 685 g H2O:ta 100 °C:ssa? H2O:n höyrystymislämpö on 540 cal/g.
Taulukossa \(\PageIndex{1}\) on lueteltu eräiden tavallisten aineiden sulamis- ja höyrystymislämmöt. Huomaa näiden suureiden yksiköt; kun käytät näitä arvoja ongelmanratkaisussa, varmista, että laskelmasi muut muuttujat ilmaistaan yksiköissä, jotka vastaavat ominaislämpöjen eli sulamis- ja höyrystymislämpöjen yksiköitä.
| Aine | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) |
|---|---|---|
| alumiini (Al) | 94.0 | 2,602 |
| kulta (Au) | 15.3 | 409 |
| rauta (Fe) | 63.2 | 1,504 |
| vesi (H2O) | 79.9 | 540 |
| natriumkloridi (NaCl) | 123.5 | 691 |
| etanoli (C2H5OH) | 45.2 | 200.3 |
| bentseeni (C6H6) | 30.4 | 94.1 |
Looking Closer: Sublimoituminen
On olemassa myös faasimuutos, jossa kiinteä aine muuttuu suoraan kaasuksi:
\
Tätä faasimuutosta kutsutaan sublimoitumiseksi. Jokaisella aineella on tähän prosessiin liittyvä ominainen sublimoitumislämpö. Esimerkiksi H2O:n sublimoitumislämpö (ΔHsub) on 620 cal/g.
Kohtaamme sublimoitumista monin tavoin. Saatat jo tuntea kuivajään, joka on yksinkertaisesti kiinteää hiilidioksidia (CO2). -78,5 °C:ssa kiinteä hiilidioksidi sublimoituu, jolloin se siirtyy suoraan kiinteästä faasista kaasufaasiin:
\
Kiinteää hiilidioksidia kutsutaan kuivajääksi, koska se ei siirry nestefaasiin. Sen sijaan se siirtyy suoraan kaasufaasiin. (Hiilidioksidi voi olla olemassa nestemäisenä, mutta vain korkeassa paineessa.) Kuivajäällä on monia käytännön käyttötarkoituksia, kuten lääketieteellisten näytteiden pitkäaikainen säilytys.
Jopa alle 0 °C:n lämpötiloissa kiinteä H2O sublimoituu hitaasti. Esimerkiksi ohut lumi- tai pakkaskerros maassa voi hitaasti hävitä, kun kiinteä H2O sublimoituu, vaikka ulkolämpötila voi olla veden jäätymispisteen alapuolella. Samoin pakastimessa olevat jääkuutiot voivat ajan myötä pienentyä. Vaikka kiinteä vesi on jäätynyt, se sulaa hitaasti ja kerrostuu uudelleen pakastimen kylmempiin jäähdytyselementteihin, mikä edellyttää ajoittaista sulatusta (jäätymättömät pakastimet minimoivat tämän uudelleen kerrostumisen). Pakastimen lämpötilan alentaminen vähentää tarvetta sulattaa yhtä usein.
Samankaltaisissa olosuhteissa vesi liukenee myös pakastetuista elintarvikkeista (esim. lihasta tai vihanneksista), jolloin ne saavat epämiellyttävän, pilkullisen ulkonäön, jota kutsutaan pakastepoltteeksi. Kyseessä ei oikeastaan ole ”palaminen”, eikä ruoka ole välttämättä pilaantunut, vaikka se näyttääkin ruokahaluttomalta. Pakastepoltto voidaan minimoida laskemalla pakastimen lämpötilaa ja käärimällä elintarvikkeet tiiviisti, jotta vesi ei pääse sublimoitumaan.
Sulamispiste
Kiinteät aineet ovat samankaltaisia kuin nesteet siinä mielessä, että kumpikin on tiivistynyt olomuoto, jossa hiukkaset ovat paljon lähempänä toisiaan kuin kaasussa. Kuitenkin, kun nesteet ovat juoksevia, kiinteät aineet eivät ole. Useimpien kiinteiden aineiden hiukkaset ovat pakkautuneet tiiviisti yhteen järjestyksessä. Yksittäisten atomien, ionien tai molekyylien liike kiinteässä aineessa rajoittuu värähtelyyn kiinteän pisteen ympärillä. Kiinteät aineet ovat lähes täysin kokoonpuristumattomia, ja ne ovat kolmesta aineen olomuodosta tiheimpiä.
Kun kiinteää ainetta lämmitetään, sen hiukkaset värähtelevät nopeammin, kun kiinteä aine absorboi liike-energiaa. Lopulta hiukkasten järjestäytyminen kiinteän rakenteen sisällä alkaa hajota ja kiinteä aine alkaa sulaa. Sulamispiste on lämpötila, jossa kiinteä aine muuttuu nesteeksi. Sulamispisteessä kiinteän aineen hiukkasten häiritsevä värähtely voittaa kiinteässä aineessa toimivat vetovoimat. Kuten kiehumispisteiden kohdalla, myös kiinteän aineen sulamispiste riippuu näiden vetovoimien voimakkuudesta. Natriumkloridi \(\left( \ce{NaCl} \right)\) on ioniyhdiste, joka koostuu monista vahvoista ionisidoksista. Natriumkloridi sulaa \(801^\text{o} \text{C}\). Jää (kiinteä \(\ce{H_2O}\)) on molekyyliyhdiste, joka koostuu molekyyleistä, joita vetysidokset pitävät yhdessä. Vaikka vetysidokset ovat vahvimmat molekyylien välisistä voimista, vetysidosten vahvuus on paljon pienempi kuin ionisidosten. Jään sulamispiste on \(0^\text{o} \text{C}\).
Kiinteän aineen sulamispiste on sama kuin nesteen jäätymispiste. Kyseisessä lämpötilassa aineen kiinteä ja nestemäinen tila ovat tasapainossa. Vedelle tämä tasapaino tapahtuu \(0^\text{o} \text{C}\).
\
Meillä on tapana ajatella, että kiinteät aineet ovat sellaisia aineita, jotka ovat kiinteitä huoneenlämmössä. Kaikilla materiaaleilla on kuitenkin jonkinlainen sulamispiste. Kaasut muuttuvat kiinteiksi erittäin alhaisissa lämpötiloissa, ja myös nesteet muuttuvat kiinteiksi, jos lämpötila on tarpeeksi alhainen. Alla olevassa taulukossa on eräiden tavallisten materiaalien sulamispisteet.
| Materiaalit | Sulamispiste (ºC) |
|---|---|
| Vety | -259 |
| Happi | -219 |
| Dietyylieetteri | -116 |
| Etanoli | -114 |
| Vesi | 0 |
| Puhdas hopea | 961 |
| Puhdas kulta | 1063 |
| Rauta | 1538 |
Harjoitus \(\PageIndex{2}\)
- Erittele, mitä tapahtuu, kun lämpö virtaa aineeseen tai aineesta sen sulamis- tai kiehumispisteessä.
- Miten faasimuutokseen tarvittava lämpömäärä liittyy aineen massaan?
Vastaus a
Energia menee faasin muuttamiseen, ei lämpötilan muuttamiseen.
Lämpömäärä on vakio ainegrammaa kohti.
Yhteenveto
- Mihinkä tahansa faasimuutokseen liittyy energianmuutos.
- Sublimoituminen on olomuodon muutos kiinteästä olomuodosta kaasuksi ilman, että kuljetaan nestemäiseen olomuotoon.
- Depositio on olomuodon muutos kaasusta kiinteään olomuotoon.
- Hiilidioksidi on esimerkki aineesta, joka sublimoituu helposti.
- Sulamispiste on lämpötila, jossa kiinteä aine muuttuu nesteeksi.
- Sulamispisteeseen vaikuttavat voimakkaasti molekyylien väliset voimat.
Saavutukset & Attribuutit
Tämä sivu on koottu seuraavien tekijöiden kautta tulleesta sisällöstä, jota LibreTexts-kehitystiimi on muokannut (aihepiirikohtaisesti tai laajasti) vastaamaan alustan tyyliä, esitystapaa ja laatua:
-
CK-12 Foundation: Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson ja Jean Dupon.