Tanulási célok
- Meghatározza az olvadást, fagyást és szublimációt.
A normál anyag a környezeti körülményektől függően általában három fázis valamelyikében létezik: szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotban.
A fázisátalakulás olyan fizikai folyamat, amelynek során egy anyag egyik fázisból egy másikba megy át. A változás általában hő hozzáadásakor vagy elvonásakor következik be egy adott hőmérsékleten, amelyet az anyag olvadáspontjának vagy forráspontjának nevezünk. Az olvadáspont az a hőmérséklet, amelyen az anyag szilárdból folyadékká (vagy folyadékból szilárddá) válik. A forráspont az a hőmérséklet, amelyen az anyag folyadékból gázzá (vagy gázból folyadékká) válik. A fázisátalakulás jellege a hőátadás irányától függ. Az anyagba jutó hő szilárdból folyadékká, vagy folyadékból gázzá változtatja az anyagot. A hőelvonás egy anyagból gázból folyadékká, vagy folyadékból szilárddá változik.
Két kulcsfontosságú pontot érdemes kiemelni. Először is, egy anyag olvadáspontjánál vagy forráspontjánál egyszerre két fázis létezhet. Vegyük példának a vizet (H2O). A Celsius-skálán a H2O olvadáspontja 0°C, forráspontja pedig 100°C. 0°C-on a H2O szilárd és folyékony fázisa egyaránt létezhet. Ha azonban hőt adunk hozzá, a szilárd H2O egy része megolvad és folyékony H2O-vá alakul. Ha hőt veszünk el, ennek az ellenkezője történik: a folyékony H2O egy része szilárd H2O-vá alakul. Hasonló folyamat játszódhat le 100°C-on is: hő hozzáadása növeli a gáznemű H2O mennyiségét, míg a hőelvonás a folyékony H2O mennyiségét (\(\PageIndex{1}\) ábra).
Második, egy anyag hőmérséklete nem változik, amikor az anyag egyik fázisból a másikba lép. Más szóval a fázisváltások izotermikusak (az izotermikus azt jelenti, hogy “állandó hőmérsékletű”). Vegyük ismét a H2O-t példaként. A szilárd víz (jég) 0°C-on is létezhet. Ha a 0°C-os jéghez hőt adunk, a szilárd anyag egy része fázist vált, és folyadékká válik, amely szintén 0°C-os hőmérsékletű. Ne feledjük, hogy a H2O szilárd és folyékony fázisa 0°C-on is létezhet. Csak miután az összes szilárd anyag folyékonnyá olvadt, a hő hozzáadása megváltoztatja az anyag hőmérsékletét.
Az anyag minden egyes fázisátalakulására jellemző hőmennyiség szükséges a fázisátalakulás végrehajtásához grammonként (vagy molonként). Az olvadáshő (ΔHfus) az a hőmennyiség grammonként (vagy molonként), amely az olvadásponton bekövetkező fázisátalakuláshoz szükséges. A gőzölési hő (ΔHvap) a forrásponton bekövetkező fázisátalakuláshoz szükséges hőmennyiség grammonként (vagy mólonként). Ha ismered az anyag teljes gramm- vagy molszámát, akkor a ΔHfus vagy a ΔHvap segítségével meghatározhatod az olvadáshoz vagy megszilárduláshoz átadott teljes hőmennyiséget ezeknek a kifejezéseknek a segítségével:
\
ahol \(n\) a molok száma és \(ΔH_{fus}\) energia/molban van kifejezve, vagy
\
ahol \(m\) a tömeg grammban és \(ΔH_{fus}\) energia/grammban van kifejezve.
A forráshoz vagy a kondenzációhoz használjuk ezeket a kifejezéseket:
\
ahol \(n\) a molok száma) és \(ΔH_{vap}\) energia/molban van kifejezve vagy
\
ahol \(m\) a tömeg grammban és \(ΔH_{vap}\) energia/grammban van kifejezve.
Memlékezzünk arra, hogy a fázisátalakulás a hőátadás irányától függ. Ha a hőátadás befelé történik, akkor a szilárd anyagok folyadékká, a folyadékok pedig olvadás-, illetve forrásponton szilárd anyagokká válnak. Ha a hő kifelé áramlik, a folyadékok megszilárdulnak, a gázok pedig folyadékká kondenzálódnak.
Példa \(\PageIndex{1}\)
Mennyi hő szükséges 55,8 g jég (szilárd H2O) 0°C-on történő megolvasztásához? A H2O fúziós hője 79,9 cal/g.
megoldás
A hő és a fúziós hő közötti összefüggés (egyenlet \(\PageIndex{1}\)b) segítségével meghatározhatjuk, hogy hány joule hőre van szükség a jég megolvasztásához:
\ & = (55.8\: \cancel{g})\left(\dfrac{79.9\: cal}{\cancel{g}}\right)=4,460\: cal} \end{align*}\]
gyakorlat \(\PageIndex{1}\)
Hány hő szükséges 685 g H2O elpárolgásához 100°C-on? A H2O gőzölési hője 540 cal/g.
Az \(\PageIndex{1}\) táblázat néhány gyakori anyag fúziós és gőzölési hőjét tartalmazza. Figyeljük meg ezeknek a mennyiségeknek a mértékegységeit; amikor ezeket az értékeket használjuk a feladatmegoldás során, győződjünk meg arról, hogy a számításunkban szereplő egyéb változókat a fajhő, illetve a fúziós és gőzölési hő mértékegységeivel összhangban lévő mértékegységekben fejezzük ki.
| Állag | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) |
|---|---|---|
| alumínium (Al) | 94.0 | 2,602 |
| arany (Au) | 15,3 | 409 |
| vas (Fe) | 63.2 | 1,504 |
| víz (H2O) | 79.9 | 540 |
| nátrium-klorid (NaCl) | 123.5 | 691 |
| etanol (C2H5OH) | 45.2 | 200.3 |
| benzol (C6H6) | 30.4 | 94.1 |
Nézzünk közelebb!
Létezik olyan fázisátalakulás is, amikor a szilárd anyag közvetlenül gázzá válik:
\
Ezt a fázisátalakulást nevezzük szublimációnak. Minden anyagnak van egy jellegzetes szublimációs hője, amely ehhez a folyamathoz kapcsolódik. Például a H2O szublimációs hője (ΔHsub) 620 cal/g.
A szublimációval többféleképpen találkozhatunk. Talán már ismeri a szárazjeget, amely egyszerűen szilárd szén-dioxid (CO2). A szilárd szén-dioxid -78,5 °C-on szublimál, azaz közvetlenül a szilárd fázisból gázfázisba lép:
\
A szilárd szén-dioxidot azért nevezik szárazjégnek, mert nem lép át a folyékony fázisba. Ehelyett közvetlenül a gázfázisba megy át. (A szén-dioxid folyékony halmazállapotban is létezhet, de csak nagy nyomás alatt.) A szárazjégnek számos gyakorlati haszna van, többek között orvosi minták hosszú távú tartósítására.
A szilárd H2O még 0 °C alatti hőmérsékleten is lassan szublimál. Például egy vékony hó- vagy fagyréteg a talajon lassan eltűnhet, ahogy a szilárd H2O szublimál, még akkor is, ha a külső hőmérséklet a víz fagyáspontja alatt van. Hasonlóképpen, a fagyasztóban lévő jégkockák idővel kisebbek lesznek. Bár fagyott, a szilárd víz lassan felenged, és újra lerakódik a fagyasztó hidegebb hűtőelemeire, ami időszakos leolvasztást tesz szükségessé (a fagymentes fagyasztók minimalizálják ezt az újra lerakódást). A fagyasztó hőmérsékletének csökkentése csökkenti a gyakori leolvasztás szükségességét.
A fagyasztott élelmiszerekről (pl. húsok vagy zöldségek) hasonló körülmények között a víz is lecsapódik, ami a fagyasztás okozta égésnek nevezett csúnya, foltos megjelenést eredményezi. Ez valójában nem “égés”, és az élelmiszer nem feltétlenül romlott meg, bár étvágytalannak tűnik. A fagyasztási égés minimalizálható a fagyasztó hőmérsékletének csökkentésével és az élelmiszerek szoros becsomagolásával, hogy a víznek ne legyen hely, ahová szublimálhat.
olvadáspont
A szilárd anyagok abban hasonlítanak a folyadékokhoz, hogy mindkettő sűrített állapot, a részecskék sokkal közelebb vannak egymáshoz, mint a gázoké. Míg azonban a folyadékok folyékonyak, addig a szilárd anyagok nem. A legtöbb szilárd anyag részecskéi rendezett elrendezésben, szorosan egymáshoz vannak csomagolva. A szilárd anyagban az egyes atomok, ionok vagy molekulák mozgása egy fix pont körüli rezgő mozgásra korlátozódik. A szilárd testek szinte teljesen összenyomhatatlanok, és a három halmazállapot közül a legsűrűbbek.
A szilárd test melegítésekor a részecskék gyorsabban rezegnek, mivel a szilárd test mozgási energiát vesz fel. Végül a részecskék szerveződése a szilárd szerkezeten belül elkezd felbomlani, és a szilárd anyag olvadni kezd. Az olvadáspont az a hőmérséklet, amelyen a szilárd anyag folyadékká alakul. Az olvadásponton a szilárd anyag részecskéinek bomlasztó rezgései legyőzik a szilárd anyagban működő vonzóerőket. A forráspontokhoz hasonlóan a szilárd anyag olvadáspontja is e vonzóerők erősségétől függ. A nátrium-klorid \(\left( \ce{NaCl} \right)\) egy ionos vegyület, amely számos erős ionos kötésből áll. A nátrium-klorid \(801^\text{o} \text{C}\) hőmérsékleten olvad. A jég (szilárd \(\ce{H_2O}\)) olyan molekuláris vegyület, amely hidrogénkötések által összetartott molekulákból áll. Bár a hidrogénkötések a legerősebbek a molekulák közötti erők közül, a hidrogénkötések erőssége sokkal kisebb, mint az ionkötéseké. A jég olvadáspontja \(0^\text{o} \text{C}\).
A szilárd anyag olvadáspontja megegyezik a folyadék fagyáspontjával. Ezen a hőmérsékleten az anyag szilárd és folyékony állapota egyensúlyban van. A víz esetében ez az egyensúly \(0^\text{o} \text{C}\) hőmérsékleten áll be.
\
A szilárd anyagokra általában úgy gondolunk, mint olyan anyagokra, amelyek szobahőmérsékleten szilárdak. Azonban minden anyagnak van valamilyen olvadáspontja. A gázok rendkívül alacsony hőmérsékleten válnak szilárddá, és a folyadékok is szilárddá válnak, ha a hőmérséklet elég alacsony. Az alábbi táblázat néhány gyakori anyag olvadáspontját tartalmazza.
| Materials | Molvadáspont (ºC) |
|---|---|
| Hidrogén | -259 |
| Az oxigén | – Olvadáspontok gyakori anyagok |
| -Hidrogén | -219 |
| Dietil-éter | -116 |
| Ethanol | -114 |
| Víz | 0 |
| Tiszta ezüst | 961 |
| Tiszta arany | 1063 |
| Vas | 1538 |
gyakorlat \(\PageIndex{2}\)
- Magyarázza meg, mi történik, ha egy anyagba vagy egy anyagból hő áramlik be vagy ki annak olvadás- vagy forráspontjánál.
- Hogyan függ a fázisváltozáshoz szükséges hőmennyiség az anyag tömegétől?
Válasz a
Az energia a fázisváltozásra megy el, nem a hőmérsékletre.
A hőmennyiség az anyag grammjára vetítve állandó.
Összefoglaló
- Minden fázisváltozáshoz energiaváltozás társul.
- A szublimáció a szilárdból gáz halmazállapotba való átmenet, a folyékony halmazállapoton való átmenet nélkül.
- A leválás a gázból szilárd halmazállapotba történő állapotváltozás.
- A szén-dioxid példa olyan anyagra, amely könnyen megy át szublimáción.
- Az olvadáspont az a hőmérséklet, amelyen egy szilárd anyag folyadékká változik.
- Az olvadáspontra nagy hatással vannak az intermolekuláris erők.
Közreműködések & Attribúciók
Ez az oldal az alábbi közreműködő(k)n keresztül készült tartalomból, és a LibreTexts fejlesztőcsapata szerkesztette (tematikusan vagy átfogóan), hogy megfeleljen a platform stílusának, megjelenítésének és minőségének:
-
CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.