Lärandemål
- Definiera smältning, frysning och sublimering.
Beroende på de omgivande förhållandena existerar normal materia vanligtvis som en av tre faser: fast, flytande eller gas.
En fasförändring är en fysikalisk process där ett ämne går från en fas till en annan. Vanligtvis sker förändringen när man tillför eller tar bort värme vid en viss temperatur, känd som ämnets smältpunkt eller kokpunkt. Smältpunkten är den temperatur vid vilken ämnet går från ett fast ämne till en vätska (eller från en vätska till ett fast ämne). Kokpunkten är den temperatur vid vilken ämnet går från en vätska till en gas (eller från en gas till en vätska). Fasförändringens karaktär beror på värmeöverföringens riktning. Värme som går in i ett ämne förändrar det från ett fast ämne till en vätska, eller från en vätska till en gas. Om värme tas bort från ett ämne ändras en gas till en vätska, eller en vätska till ett fast ämne.
Två viktiga punkter är värda att understryka. För det första kan två faser existera samtidigt vid ett ämnes smältpunkt eller kokpunkt. Ta vatten (H2O) som exempel. På Celsiusskalan har H2O en smältpunkt på 0 °C och en kokpunkt på 100 °C. Vid 0 °C kan både H2O:s fasta och flytande fas existera samtidigt. Om värme tillförs kommer dock en del av det fasta H2O att smälta och förvandlas till flytande H2O. Om värme avlägsnas sker det motsatta: en del av det flytande H2O förvandlas till fast H2O. En liknande process kan ske vid 100 °C: om värme tillförs ökar mängden gasformigt H2O, medan om värme avlägsnas ökar mängden flytande H2O (figur \(\PageIndex{1}\)).
För det andra ändras temperaturen hos ett ämne inte när ämnet går från en fas till en annan. Med andra ord är fasförändringar isotermiska (isotermisk betyder ”konstant temperatur”). Återigen kan vi ta H2O som exempel. Fast vatten (is) kan existera vid 0 °C. Om värme tillförs is vid 0 °C byter en del av det fasta vattnet fas och bildar en vätska, som också är vid 0 °C. Kom ihåg att H2O:s fasta och flytande faser kan samexistera vid 0 °C. Det är först när allt fast ämne har smält till vätska som tillsatsen av värme ändrar ämnets temperatur.
För varje fasförändring av ett ämne finns det en karakteristisk mängd värme som behövs för att utföra fasförändringen per gram (eller per mol) material. Smältvärmen (ΔHfus) är den värmemängd per gram (eller per mol) som krävs för en fasförändring som sker vid smältpunkten. Förångningsvärmen (ΔHvap) är den värmemängd per gram (eller per mol) som krävs för en fasförändring som sker vid kokpunkten. Om du känner till det totala antalet gram eller mol av materialet kan du använda ΔHfus eller ΔHvap för att bestämma den totala värme som överförs för smältning eller stelning med hjälp av dessa uttryck:
\
där \(n\) är antalet mol och \(ΔH_{fus}\) uttrycks i energi/mol eller
\
där \(m\) är massan i gram och \(ΔH_{fus}\) uttrycks i energi/gram.
För kokning eller kondensation används dessa uttryck:
\
där \(n\) är antalet mol) och \(ΔH_{vap}\) uttrycks i energi/mol eller
\
där \(m\) är massan i gram och \(ΔH_{vap}\) uttrycks i energi/gram.
Håll i minnet att en fasförändring beror på värmeöverföringens riktning. Om värmeöverföringen sker inåt blir fasta ämnen till vätskor och vätskor till fasta ämnen vid smält- respektive kokpunkten. Om värme överförs ut stelnar vätskor och gaser kondenserar till vätskor.
Exempel \(\PageIndex{1}\)
Hur mycket värme behövs för att smälta 55,8 g is (fast H2O) vid 0 °C? Smältningsvärmen för H2O är 79,9 cal/g.
Lösning
Vi kan använda förhållandet mellan värme och smältningsvärme (ekv. \(\(\PageIndex{1}\)b)b) för att bestämma hur många joule värme som behövs för att smälta isen:
\ & = (55.8\: \cancel{g})\vänster(\dfrac{79.9\: cal}{\cancel{g}}\right)=4,460\: cal} \end{align*}}\]
Övningsuppgift \(\PageIndex{1}\)
Hur mycket värme behövs för att förångas 685 g H2O vid 100°C? Förångningsvärmen för H2O är 540 cal/g.
Tabell \(\PageIndex{1}\) listar fusions- och förångningsvärmen för några vanliga ämnen. Observera enheterna på dessa kvantiteter; när du använder dessa värden vid problemlösning ska du se till att de andra variablerna i din beräkning uttrycks i enheter som överensstämmer med enheterna i de specifika värdena, eller fusions- och förångningsvärmen.
| Substans | ΔHfus (cal/g) | ΔHvap (cal/g) |
|---|---|---|
| aluminium (Al) | 94.0 | 2,602 |
| guld (Au) | 15,3 | 409 |
| järn (Fe) | 63.2 | 1,504 |
| vatten (H2O) | 79,9 | 540 |
| natriumklorid (NaCl) | 123.5 | 691 |
| etanol (C2H5OH) | 45,2 | 200.3 |
| Bensen (C6H6) | 30.4 | 94.1 |
Närmare granskning: Sublimation
Det finns också en fasförändring där ett fast ämne går direkt över till en gas:
\
Denna fasförändring kallas för sublimering. Varje ämne har en karakteristisk sublimeringsvärme som är förknippad med denna process. Till exempel är sublimeringsvärmen (ΔHsub) för H2O 620 cal/g.
Vi möter sublimering på flera olika sätt. Du kanske redan känner till torris, som helt enkelt är fast koldioxid (CO2). Vid -78,5°C (-109°F) sublimerar fast koldioxid och övergår direkt från den fasta fasen till gasfasen:
\
Den fasta koldioxiden kallas torris eftersom den inte passerar genom den flytande fasen. Istället går den direkt över till gasfasen. (Koldioxid kan existera som vätska men endast under högt tryck.) Torris har många praktiska användningsområden, bland annat för långtidskonservering av medicinska prover.
Även vid temperaturer under 0 °C sublimerar fast H2O långsamt. Till exempel kan ett tunt lager snö eller frost på marken sakta försvinna när det fasta H2O sublimerar, även om utomhustemperaturen kan ligga under vattnets fryspunkt. På samma sätt kan iskuber i en frys bli mindre med tiden. Även om de är frysta sublimerar det fasta vattnet långsamt och lägger sig på de kallare kylelementen i frysen, vilket gör det nödvändigt att regelbundet avfrosta dem (frostfria frysar minimerar denna omlagring). Genom att sänka temperaturen i frysen minskar behovet av att avfrosta lika ofta.
Under liknande omständigheter sublimerar också vatten från frysta livsmedel (t.ex. kött eller grönsaker), vilket ger dem ett oattraktivt, fläckigt utseende som kallas frysbränna. Det är egentligen ingen ”brännskada” och maten har inte nödvändigtvis blivit dålig, även om den ser oaptitlig ut. Frysbränna kan minimeras genom att sänka temperaturen i frysen och genom att slå in livsmedlen tätt så att vattnet inte har något utrymme att sublimera in i.
Smältpunkt
Vätskor liknar vätskor i det avseendet att båda är kondenserade tillstånd, med partiklar som befinner sig mycket närmare varandra än partiklarna i en gas. Medan vätskor är flytande är dock inte fasta ämnen det. Partiklarna i de flesta fasta ämnen är tätt packade tillsammans i ett ordnat arrangemang. Rörelsen hos enskilda atomer, joner eller molekyler i ett fast ämne är begränsad till vibrationsrörelse kring en fast punkt. Fasta ämnen är nästan helt inkompressiva och är de mest täta av de tre materiatillstånden.
När ett fast ämne värms upp vibrerar dess partiklar snabbare eftersom det absorberar kinetisk energi. Så småningom börjar organisationen av partiklarna i den fasta strukturen att brytas upp och fastämnet börjar smälta. Smältpunkten är den temperatur vid vilken ett fast ämne övergår till att bli en vätska. Vid smältpunkten övervinner de störande vibrationerna hos partiklarna i det fasta materialet de attraktionskrafter som verkar inom det fasta materialet. Liksom kokpunkten är smältpunkten för ett fast ämne beroende av styrkan hos dessa attraktionskrafter. Natriumklorid \(\vänster( \ce{NaCl} \right)\) är en jonisk förening som består av en mängd starka joniska bindningar. Natriumklorid smälter vid \(801^\text{o} \text{C}\). Is (fast \(\ce{H_2O}\)) är en molekylär förening som består av molekyler som hålls samman av vätebindningar. Även om vätebindningar är den starkaste av de intermolekylära krafterna är styrkan hos vätebindningar mycket mindre än hos joniska bindningar. Isens smältpunkt är \(0^\text{o} \text{C}\).
Smältpunkten för ett fast ämne är densamma som vätskans fryspunkt. Vid den temperaturen är ämnets fasta och flytande tillstånd i jämvikt. För vatten inträffar denna jämvikt vid \(0^\text{o} \text{C}\).
\
Vi brukar tänka på fasta ämnen som de material som är fasta vid rumstemperatur. Alla material har dock någon form av smältpunkt. Gaser blir fasta vid extremt låga temperaturer, och vätskor blir också fasta om temperaturen är tillräckligt låg. Tabellen nedan visar smältpunkten för några vanliga material.
| Material | Smältpunkt (ºC) |
|---|---|
| Hydrogen | -259 |
| Oxygen | -219 |
| Dietyleter | -116 |
| Etanol | -114 |
| Vatten | 0 |
| Rent silver | 961 |
| Rent guld | 1063 |
| järn | 1538 |
Övningsuppgift \(\PageIndex{2}\)
- Förklara vad som händer när värme strömmar in i eller ut ur ett ämne vid dess smältpunkt eller kokpunkt.
- Hur förhåller sig värmemängden som krävs för en fasförändring till ämnets massa?
Svar a
Energin går till att förändra fasen, inte till att ändra temperaturen.
Värmemängden är en konstant per gram ämne.
Sammanfattning
- Det finns en energiförändring som är förknippad med varje fasförändring.
- Sublimering är tillståndsförändringen från ett fast ämne till en gas, utan att passera genom vätsketillstånd.
- Sublimering är en tillståndsförändring från en gas till ett fast ämne.
- Koldioxid är ett exempel på ett material som lätt genomgår sublimering.
- Smältpunkten är den temperatur vid vilken ett fast ämne övergår till vätska.
- Intermolekylära krafter har ett starkt inflytande på smältpunkten.
Bidrag & Tillskrivningar
Denna sida har byggts upp av innehåll via följande bidragsgivare och redigerats (topiskt eller omfattande) av LibreTexts utvecklingsgrupp för att uppfylla plattformens stil, presentation och kvalitet:
-
CK-12 Foundation av Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson och Jean Dupon.