Cele nauczania
- Zdefiniuj topnienie, zamrażanie, i sublimacja.
Zależnie od otaczających warunków, normalna materia zazwyczaj istnieje jako jedna z trzech faz: stała, ciekła lub gazowa.
Zmiana fazowa jest procesem fizycznym, w którym substancja przechodzi z jednej fazy do drugiej. Zazwyczaj zmiana następuje po dodaniu lub usunięciu ciepła w określonej temperaturze, znanej jako temperatura topnienia lub temperatura wrzenia substancji. Temperatura topnienia to temperatura, w której substancja przechodzi ze stanu stałego do ciekłego (lub z cieczy do ciała stałego). Temperatura wrzenia to temperatura, w której substancja przechodzi z cieczy do gazu (lub z gazu do cieczy). Charakter przemiany fazowej zależy od kierunku przekazywania ciepła. Ciepło wpływające do substancji zmienia ją ze stanu stałego w ciecz lub z cieczy w gaz. Odbieranie ciepła od substancji zmienia gaz w ciecz lub ciecz w ciało stałe.
Dwa kluczowe punkty są warte podkreślenia. Po pierwsze, w temperaturze topnienia lub wrzenia substancji, dwie fazy mogą istnieć jednocześnie. Weźmy wodę (H2O) jako przykład. W skali Celsjusza, H2O ma temperaturę topnienia 0°C i temperaturę wrzenia 100°C. W temperaturze 0°C, zarówno faza stała jak i ciekła H2O mogą współistnieć. Jednakże, jeśli doda się ciepła, część stałego H2O stopi się i zamieni w ciekłe H2O. Jeśli ciepło zostanie usunięte, stanie się odwrotnie: część ciekłego H2O zamieni się w stałe H2O. Podobny proces może zachodzić w temperaturze 100°C: dodanie ciepła powoduje zwiększenie ilości gazowego H2O, natomiast usunięcie ciepła powoduje zwiększenie ilości ciekłego H2O (Rysunek \\).
Po drugie, temperatura substancji nie zmienia się, jak substancja przechodzi z jednej fazy do drugiej. Innymi słowy, przemiany fazowe są izotermiczne (izotermiczny oznacza „stałą temperaturę”). Ponownie, rozważmy H2O jako przykład. Woda w stanie stałym (lód) może istnieć w temperaturze 0°C. Jeśli do lodu o temperaturze 0°C zostanie dodane ciepło, część ciała stałego zmieni fazę, tworząc ciecz, która również będzie miała temperaturę 0°C. Pamiętaj, że faza stała i ciekła H2O mogą współistnieć w temperaturze 0°C. Dopiero gdy całe ciało stałe stopi się w ciecz, dodanie ciepła zmienia temperaturę substancji.
Dla każdej przemiany fazowej substancji istnieje charakterystyczna ilość ciepła potrzebna do przeprowadzenia przemiany fazowej na gram (lub na mol) materiału. Ciepło syntezy (ΔHfus) jest to ilość ciepła na gram (lub na mol) potrzebna do przeprowadzenia przemiany fazowej, która zachodzi w temperaturze topnienia. Ciepło parowania (ΔHvap) to ilość ciepła na gram (lub na mol) potrzebna do przemiany fazowej, która zachodzi w temperaturze wrzenia. Jeżeli znasz całkowitą liczbę gramów lub moli materiału, możesz użyć ΔHfus lub ΔHvap, aby określić całkowite ciepło przekazywane podczas topnienia lub krzepnięcia, używając tych wyrażeń:
gdzie ΔH_{fus} jest liczbą moli, a ΔH_{fus} jest wyrażone w energii/mol lub
gdzie ΔH_{fus} jest masą w gramach, a ΔH_{fus} jest wyrażone w energii/gram.
Dla wrzenia lub kondensacji należy użyć tych wyrażeń:
gdzie n oznacza liczbę moli), a ΔH_{vap}} jest wyrażone w energii/mol lub
gdzie m oznacza masę w gramach, a ΔH_{vap}} jest wyrażone w energii/gram.
Pamiętajmy, że przemiana fazowa zależy od kierunku przekazywania ciepła. Jeżeli ciepło jest przekazywane do wewnątrz, ciała stałe stają się cieczami, a ciecze ciałami stałymi, odpowiednio w temperaturze topnienia i w temperaturze wrzenia. Jeśli ciepło przenosi się na zewnątrz, ciecze krzepną, a gazy skraplają się w ciecze.
Przykład
Ile ciepła potrzeba do stopienia 55,8 g lodu (stałego H2O) w temperaturze 0°C? Ciepło syntezy H2O wynosi 79,9 cal/g.
Rozwiązanie
Możemy wykorzystać zależność między ciepłem a ciepłem syntezy (Eq. \), aby określić, ile dżuli ciepła potrzeba do stopienia tego lodu:
& = (55. Ciepło parowania H2O wynosi 540 cal/g.
Tablica \(\) zawiera listę ciepła topnienia i parowania dla niektórych popularnych substancji. Zwróć uwagę na jednostki tych wielkości; kiedy używasz tych wartości w rozwiązywaniu zadań, upewnij się, że inne zmienne w twoich obliczeniach są wyrażone w jednostkach zgodnych z jednostkami ciepła właściwego lub ciepła topnienia i parowania.
| Substance | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) |
|---|---|---|
| aluminium (Al) | 94.0 | 2,602 |
| złoto (Au) | 15,3 | 409 |
| żelazo (Fe) | 63.2 | 1,504 |
| woda (H2O) | 79,9 | 540 |
| chlorek sodu (NaCl) | 123.5 | 691 |
| etanol (C2H5OH) | 45,2 | 200.3 |
| benzen (C6H6) | 30.4 | 94.1 |
Looking Closer: Sublimacja
Istnieje również przemiana fazowa, w której ciało stałe przechodzi bezpośrednio w gaz:
Tę przemianę fazową nazywamy sublimacją. Każda substancja ma charakterystyczne ciepło sublimacji związane z tym procesem. Na przykład, ciepło sublimacji (ΔHsub) dla H2O wynosi 620 cal/g.
Z sublimacją spotykamy się na kilka sposobów. Możesz być już zaznajomiony z suchym lodem, który jest po prostu stałym dwutlenkiem węgla (CO2). W temperaturze -78,5°C (-109°F) stały dwutlenek węgla sublimuje, przechodząc bezpośrednio z fazy stałej do fazy gazowej:
Stały dwutlenek węgla nazywany jest suchym lodem, ponieważ nie przechodzi przez fazę ciekłą. Zamiast tego przechodzi bezpośrednio do fazy gazowej. (Dwutlenek węgla może istnieć jako ciecz, ale tylko pod wysokim ciśnieniem.) Suchy lód ma wiele praktycznych zastosowań, w tym do długoterminowego przechowywania próbek medycznych.
Nawet w temperaturach poniżej 0°C, stałe H2O będzie powoli sublimować. Na przykład, cienka warstwa śniegu lub szronu na ziemi może powoli znikać w miarę sublimacji stałego H2O, mimo że temperatura zewnętrzna może być niższa od punktu zamarzania wody. Podobnie, kostki lodu w zamrażarce mogą z czasem stawać się coraz mniejsze. Chociaż zamrożona, stała woda powoli sublimuje, ponownie osadzając się na zimniejszych elementach chłodzących zamrażarki, co wymaga okresowego rozmrażania (bezszronowe zamrażarki minimalizują to ponowne osadzanie się). Obniżać temperaturę w chłodni zmniejszać potrzebę rozmrażać równie często.
Under podobne okoliczności, woda sublimuje także od zamrożonych foods (e.g., mięsa lub warzywa), dając one nieatrakcyjny, cętkowany wygląd dzwoniący chłodnię oparzenie. To nie jest naprawdę „oparzenie”, a jedzenie niekoniecznie się zepsuło, chociaż wygląda nieapetycznie. Oparzenie mrożonką może być zminimalizowane przez obniżenie temperatury zamrażarki i przez zawijanie żywności ciasno, więc woda nie ma żadnej przestrzeni do wysublimowania się.
Punkt topnienia
Ciała stałe są podobne do cieczy w tym, że oba są skondensowanymi stanami, z cząsteczkami, które są znacznie bliżej siebie niż te z gazu. Jednakże, podczas gdy ciecze są płynne, ciała stałe nie są. Cząsteczki większości ciał stałych są ciasno upakowane razem w uporządkowanym układzie. Ruch pojedynczych atomów, jonów lub cząsteczek w ciele stałym jest ograniczony do ruchu wibracyjnego wokół stałego punktu. Ciała stałe są prawie całkowicie nieściśliwe i są najbardziej gęste z trzech stanów materii.
Jak ciało stałe jest ogrzewane, jego cząstki wibrują szybciej, jak ciało stałe absorbuje energię kinetyczną. Ostatecznie, organizacja cząstek w strukturze ciała stałego zaczyna się rozpadać, a ciało stałe zaczyna się topić. Temperatura topnienia to temperatura, w której ciało stałe zamienia się w ciecz. W temperaturze topnienia drgania rozrywające cząsteczek ciała stałego przezwyciężają siły przyciągania działające w ciele stałym. Podobnie jak w przypadku temperatury wrzenia, temperatura topnienia ciała stałego zależy od siły tych sił przyciągania. Chlorek sodu jest związkiem jonowym, który składa się z wielu silnych wiązań jonowych. Chlorek sodu topi się w temperaturze ≤ 801°C. Lód (ciało stałe) jest związkiem molekularnym składającym się z cząsteczek, które są połączone wiązaniami wodorowymi. Chociaż wiązania wodorowe są najsilniejszymi spośród sił międzycząsteczkowych, ich siła jest znacznie mniejsza niż siła wiązań jonowych. Temperatura topnienia lodu wynosi ^(0^text{o} ^text{C}).
Temperatura topnienia ciała stałego jest taka sama jak temperatura zamarzania cieczy. W tej temperaturze, stan stały i ciekły substancji są w równowadze. W przypadku wody równowaga ta występuje w temperaturze ^(0^text{o} ^text{C}).
Mamy tendencję do myślenia o ciałach stałych jako o tych materiałach, które są stałe w temperaturze pokojowej. Jednak wszystkie materiały mają jakieś temperatury topnienia. Gazy stają się ciałami stałymi w bardzo niskich temperaturach, a ciecze również stają się ciałami stałymi, jeśli temperatura jest wystarczająco niska. Poniższa tabela podaje temperatury topnienia niektórych popularnych materiałów.
| Materiały | Punkty topnienia (ºC) | |
|---|---|---|
| Hydrogen | -259 | |
| Oxygen | -.219 | |
| Eter dietylowy | -116 | |
| Etanol | -.114 | |
| Woda | 0 | |
| Czyste srebro | 961 | |
| Czyste złoto | 1063 | |
| Żelazo | . | 1538 |
Ćwiczenie
- Wyjaśnij, co się dzieje, gdy ciepło wpływa do substancji lub z niej wypływa w temperaturze topnienia lub w temperaturze wrzenia.
- Jak ilość ciepła wymagana do zmiany fazy zależy od masy substancji?
Odpowiedź a
Energia idzie na zmianę fazy, a nie temperatury.
Ilość ciepła jest stała na gram substancji.
Podsumowanie
- Z każdą zmianą fazy związana jest zmiana energii.
- Sublimacja to zmiana stanu skupienia z ciała stałego na gaz, bez przechodzenia przez stan ciekły.
- Odpadanie jest zmianą stanu z gazu na ciało stałe.
- Dwutlenek węgla jest przykładem materiału, który łatwo ulega sublimacji.
- Temperatura topnienia jest temperaturą, w której ciało stałe zmienia się w ciecz.
- Siły międzycząsteczkowe mają silny wpływ na temperaturę topnienia.
Wkład &Przypisy
Ta strona została zbudowana z zawartości przez następujących współautorów i edytowana (tematycznie lub obszernie) przez zespół rozwoju LibreTexts, aby spełnić wymagania stylu platformy, prezentacji i jakości:
-
CK-12 Foundation przez Sharon Bewick, Richarda Parsonsa, Therese Forsythe, Shonnę Robinson i Jean Dupon.