Obiective de învățare
- Definiți topirea, înghețarea și sublimarea.
În funcție de condițiile înconjurătoare, materia normală există, de obicei, într-una din cele trei faze: solidă, lichidă sau gazoasă.
O schimbare de fază este un proces fizic prin care o substanță trece de la o fază la alta. De obicei, schimbarea are loc atunci când se adaugă sau se elimină căldură la o anumită temperatură, cunoscută sub numele de punctul de topire sau punctul de fierbere al substanței. Punctul de topire este temperatura la care substanța trece de la un solid la un lichid (sau de la un lichid la un solid). Punctul de fierbere este temperatura la care o substanță trece de la un lichid la un gaz (sau de la un gaz la un lichid). Natura schimbării de fază depinde de direcția transferului de căldură. Căldura care pătrunde într-o substanță o transformă dintr-un solid într-un lichid sau dintr-un lichid într-un gaz. Îndepărtarea căldurii dintr-o substanță transformă un gaz în lichid sau un lichid în solid.
Două puncte cheie merită subliniate. În primul rând, la punctul de topire sau la punctul de fierbere al unei substanțe, pot exista simultan două faze. Să luăm ca exemplu apa (H2O). Pe scara Celsius, H2O are un punct de topire de 0°C și un punct de fierbere de 100°C. La 0°C, atât faza solidă, cât și cea lichidă a H2O pot coexista. Cu toate acestea, dacă se adaugă căldură, o parte din H2O solid se va topi și se va transforma în H2O lichid. Dacă se elimină căldura, se întâmplă contrariul: o parte din H2O lichid se transformă în H2O solid. Un proces similar poate avea loc la 100°C: adăugarea de căldură crește cantitatea de H2O gazoasă, în timp ce îndepărtarea căldurii crește cantitatea de H2O lichidă (Figura \(\PageIndex{1}\)).
În al doilea rând, temperatura unei substanțe nu se schimbă atunci când substanța trece dintr-o fază în alta. Cu alte cuvinte, schimbările de fază sunt izotermice (izotermic înseamnă „temperatură constantă”). Din nou, luăm ca exemplu H2O. Apa solidă (gheață) poate exista la 0°C. Dacă se adaugă căldură la gheața aflată la 0°C, o parte din solid își schimbă faza pentru a deveni lichid, care se află, de asemenea, la 0°C. Rețineți că fazele solidă și lichidă ale H2O pot coexista la 0°C. Numai după ce tot solidul s-a topit în lichid, adăugarea de căldură modifică temperatura substanței.
Pentru fiecare schimbare de fază a unei substanțe, există o cantitate caracteristică de căldură necesară pentru a efectua schimbarea de fază pe gram (sau pe mol) de material. Căldura de fuziune (ΔHfus) este cantitatea de căldură pe gram (sau pe mol) necesară pentru o schimbare de fază care are loc la punctul de topire. Căldura de vaporizare (ΔHvap) reprezintă cantitatea de căldură pe gram (sau pe mol) necesară pentru o schimbare de fază care are loc la punctul de fierbere. Dacă știți numărul total de grame sau de moli de material, puteți utiliza ΔHfus sau ΔHvap pentru a determina căldura totală transferată pentru topire sau solidificare folosind aceste expresii:
\
unde \(n\) este numărul de moli și \(ΔH_{fus}\) se exprimă în energie/mole sau
\
unde \(m\) este masa în grame și \(ΔH_{fus}\) se exprimă în energie/gram.
Pentru fierbere sau condensare, folosiți aceste expresii:
\
unde \(n\) este numărul de moli) și \(ΔH_{vap}\) se exprimă în energie/mole sau
\
unde \(m\) este masa în grame și \(ΔH_{vap}\) se exprimă în energie/gram.
Rețineți că o schimbare de fază depinde de direcția transferului de căldură. Dacă căldura se transferă în interior, solidele devin lichide, iar lichidele devin solide la punctele de topire și, respectiv, de fierbere. Dacă căldura se transferă în exterior, lichidele se solidifică, iar gazele se condensează în lichide.
Exemplu \(\PageIndex{1}\)
Câtă căldură este necesară pentru a topi 55,8 g de gheață (H2O solid) la 0°C? Căldura de fuziune a H2O este de 79,9 cal/g.
Soluție
Potem folosi relația dintre căldură și căldura de fuziune (Ec. \(\PageIndex{1}\b))b) pentru a determina câți jouli de căldură sunt necesari pentru a topi această gheață:
\ & = (55.8\: \cancel{g})\left(\dfrac{79.9\: cal}{\cancel{g}}\right)=4,460\: cal} \end{align*}\]
Exercițiu \(\PageIndex{1}\)
Ce cantitate de căldură este necesară pentru a vaporiza 685 g de H2O la 100°C? Căldura de vaporizare a H2O este de 540 cal/g.
Tabelul \(\PageIndex{1}\) enumeră căldurile de fuziune și de vaporizare pentru câteva substanțe obișnuite. Observați unitățile de măsură ale acestor mărimi; atunci când utilizați aceste valori în rezolvarea problemelor, asigurați-vă că celelalte variabile din calculul dumneavoastră sunt exprimate în unități compatibile cu unitățile din căldurile specifice sau căldurile de fuziune și vaporizare.
| Substanță | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) | |
|---|---|---|---|
| aluminiu (Al) | 94.0 | 2,602 | |
| aur (Au) | 15,3 | 409 | |
| fier (Fe) | 63.2 | 1,504 | |
| apă (H2O) | 79,9 | 540 | |
| clorură de sodiu (NaCl) | 123.5 | 691 | |
| etanol (C2H5OH) | 45,2 | 200.3 | |
| benzen (C6H6) | 30,4 | 94,1 |
Lovind mai aproape: Sublimarea
Există, de asemenea, o schimbare de fază în care un solid se transformă direct în gaz:
\
Această schimbare de fază se numește sublimare. Fiecare substanță are o căldură de sublimare caracteristică asociată cu acest proces. De exemplu, căldura de sublimare (ΔHsub) a H2O este de 620 cal/g.
Întâlnim sublimarea în mai multe moduri. Este posibil să fiți deja familiarizați cu gheața carbonică, care este pur și simplu dioxid de carbon (CO2) solid. La -78,5°C (-109°F), dioxidul de carbon solid se sublimează, trecând direct din faza solidă în faza gazoasă:
\
Dioxidul de carbon solid se numește gheață carbonică deoarece nu trece prin faza lichidă. În schimb, trece direct în faza gazoasă. (Dioxidul de carbon poate exista sub formă lichidă, dar numai sub presiune ridicată.) Gheața carbonică are multe utilizări practice, inclusiv conservarea pe termen lung a probelor medicale.
Chiar la temperaturi sub 0°C, H2O solid se sublimează lent. De exemplu, un strat subțire de zăpadă sau de gheață de pe sol poate dispărea încet pe măsură ce H2O solid se sublimează, chiar dacă temperatura exterioară poate fi sub punctul de îngheț al apei. În mod similar, cuburile de gheață dintr-un congelator pot deveni mai mici în timp. Deși înghețată, apa solidă se sublimează lent, redepunându-se pe elementele de răcire mai reci ale congelatorului, ceea ce necesită dezghețări periodice (congelatoarele fără îngheț minimizează această redepunere). Scăderea temperaturii într-un congelator va reduce necesitatea de a dezgheța la fel de des.
În circumstanțe similare, apa se va sublima și din alimentele congelate (de exemplu, carne sau legume), dându-le un aspect neatractiv, pestriț, numit arsură de congelare. Nu este chiar o „arsură”, iar alimentele nu s-au stricat neapărat, deși au un aspect neplăcut. Arsura de congelare poate fi minimizată prin scăderea temperaturii congelatorului și prin învelirea strânsă a alimentelor, astfel încât apa să nu aibă spațiu în care să se sublimeze.
Punctul de topire
Solidele sunt similare cu lichidele prin faptul că ambele sunt stări condensate, cu particule care sunt mult mai apropiate între ele decât cele ale unui gaz. Cu toate acestea, în timp ce lichidele sunt fluide, solidele nu sunt. Particulele majorității solidelor sunt strânse strâns laolaltă într-un aranjament ordonat. Mișcarea atomilor, ionilor sau moleculelor individuale dintr-un solid este limitată la mișcarea vibrațională în jurul unui punct fix. Solidele sunt aproape complet incompresibile și sunt cele mai dense dintre cele trei stări ale materiei.
Când un solid este încălzit, particulele sale vibrează mai rapid pe măsură ce solidul absoarbe energie cinetică. În cele din urmă, organizarea particulelor din structura solidului începe să se descompună și solidul începe să se topească. Punctul de topire este temperatura la care un solid se transformă într-un lichid. La punctul de topire, vibrațiile disruptive ale particulelor solidului depășesc forțele de atracție care acționează în interiorul acestuia. Ca și în cazul punctelor de fierbere, punctul de topire al unui solid depinde de intensitatea acestor forțe de atracție. Clorura de sodiu \(\left( \ce{NaCl} \right)\) este un compus ionic care constă într-o multitudine de legături ionice puternice. Clorura de sodiu se topește la \(801^\text{o} \text{C}\). Gheața (solid \(\ce{H_2O}\)) este un compus molecular alcătuit din molecule care sunt ținute împreună prin legături de hidrogen. Deși legăturile de hidrogen sunt cele mai puternice dintre forțele intermoleculare, puterea legăturilor de hidrogen este mult mai mică decât cea a legăturilor ionice. Punctul de topire al gheții este \(0^\text{o} \text{C}\).
Punctul de topire al unui solid este același cu punctul de îngheț al lichidului. La această temperatură, starea solidă și cea lichidă a substanței se află în echilibru. În cazul apei, acest echilibru are loc la \(0^\text{o} \text{C}\).
\
Am tendința de a ne gândi la solide ca fiind acele materiale care sunt solide la temperatura camerei. Cu toate acestea, toate materialele au puncte de topire de un anumit fel. Gazele devin solide la temperaturi extrem de scăzute, iar lichidele vor deveni, de asemenea, solide dacă temperatura este suficient de scăzută. Tabelul de mai jos prezintă punctele de topire ale unor materiale comune.
.
Exercițiu \(\PageIndex{2}\)
- Explicați ce se întâmplă când căldura intră sau iese dintr-o substanță la punctul de topire sau la punctul de fierbere al acesteia.
- Cum se raportează cantitatea de căldură necesară pentru o schimbare de fază la masa substanței?
Răspuns a
Energia se duce în schimbarea fazei, nu a temperaturii.
Cantitatea de căldură este o constantă pe gram de substanță.
Rezumat
- Există o schimbare de energie asociată cu orice schimbare de fază.
- Sublimarea este schimbarea de stare de la un solid la un gaz, fără a trece prin starea lichidă.
- Depunerea este schimbarea de stare de la un gaz la un solid.
- Dioxidul de carbon este un exemplu de material care suferă cu ușurință sublimarea.
- Punctul de topire este temperatura la care un solid se transformă în lichid.
- Forțele intermoleculare au o influență puternică asupra punctului de topire.
Contribuții & Atribuții
Această pagină a fost construită din conținut prin intermediul următorilor colaboratori și editată (topic sau extensiv) de către echipa de dezvoltare LibreTexts pentru a respecta stilul, prezentarea și calitatea platformei:
-
CK-12 Foundation de Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson și Jean Dupon.