STAATSVERANDERINGEN: TYPEN EN HUN KENMERKEN (MET VOORBEELDEN) - CHEMIE - 2025

De toestandsveranderingen of fase zijn waar materiaal fysieke veranderingen ondergaat omkeerbaar thermodynamisch fenomeen. Er wordt gezegd dat het thermodynamisch is omdat er een warmteoverdracht plaatsvindt tussen materie en de omgeving; of wat hetzelfde is, er zijn interacties tussen materie en energie die een herschikking van de deeltjes teweegbrengen.

De deeltjes die de toestandsverandering ondergaan, blijven ervoor en erna hetzelfde. Druk en temperatuur zijn belangrijke variabelen in de manier waarop ze in een of andere fase worden ondergebracht. Wanneer een toestandverandering optreedt, wordt een tweefasig systeem gevormd, bestaande uit dezelfde materie in twee verschillende fysieke toestanden.

Staat verandert. Bron: Gabriel Bolívar

De afbeelding hierboven toont de belangrijkste toestandsveranderingen die materie onder normale omstandigheden ondergaat.

Een vaste kubus van een blauwachtige substantie kan vloeibaar of gasvormig worden, afhankelijk van de temperatuur en druk van de omgeving. Op zichzelf vertegenwoordigt het een enkele fase: de vaste stof. Maar op het moment van smelten, dat wil zeggen smelten, wordt een vast-vloeistof-evenwicht, fusie genoemd, tot stand gebracht (rode pijl tussen de blauwachtige kubus en de druppel).

Om fusie te laten plaatsvinden, heeft de kubus warmte uit zijn omgeving nodig om zijn temperatuur te verhogen; daarom is het een endotherm proces. Zodra de kubus volledig is gesmolten, keert hij terug naar een enkele fase: die van de vloeibare toestand.

Deze blauwachtige druppel kan warmte blijven absorberen, waardoor de temperatuur stijgt en er gasvormige bellen ontstaan. Nogmaals, er zijn twee fasen: de ene vloeistof en de andere gas. Wanneer alle vloeistof door het kookpunt is verdampt, wordt gezegd dat het heeft gekookt of verdampt.

Nu veranderden de blauwachtige druppels in wolken. Tot dusver waren alle processen endotherm. Het blauwachtige gas kan warmte blijven opnemen totdat het heet wordt; echter, gezien de aardse omstandigheden, neigt het af te koelen en terug te condenseren in de vloeistof (condensatie).

Aan de andere kant kunnen wolken ook direct neerslaan op een vaste fase en weer de vaste kubus vormen (afzetting). Deze laatste twee processen zijn exotherm (blauwe pijlen); dat wil zeggen, ze geven warmte af aan de omgeving of omgeving.

Naast condensatie en afzetting treedt er een toestandverandering op wanneer de blauwachtige druppel bij lage temperaturen bevriest (stolling).

Soorten toestandsveranderingen en hun kenmerken

De afbeelding toont de typische veranderingen voor de drie (meest voorkomende) toestanden van materie: vast, vloeibaar en gas. De veranderingen die vergezeld gaan van de rode pijlen zijn endotherm, waarbij warmte wordt opgenomen; terwijl de pijlen die vergezeld gaan van de blauwe pijlen exotherm zijn, geven ze warmte af.

Hieronder volgt een korte beschrijving van elk van deze veranderingen, waarbij enkele van hun kenmerken worden belicht vanuit moleculair en thermodynamisch redeneren.

- Fusie

Fusie is de verandering van de toestand van een stof van vast naar vloeibaar.

In vaste toestand zijn de deeltjes (ionen, moleculen, clusters, enz.) "Gevangenen", gelokaliseerd op vaste posities in de ruimte zonder vrij te kunnen bewegen. Ze zijn echter in staat om op verschillende frequenties te vibreren, en als ze erg sterk zijn, zal de rigoureuze orde die wordt opgelegd door intermoleculaire krachten "uit elkaar vallen".

Het resultaat is dat er twee fasen worden verkregen: een waarin de deeltjes opgesloten blijven (vast) en een andere waar ze vrijer zijn (vloeibaar), genoeg om de afstanden die ze scheiden te vergroten. Om dit te bereiken, moet de vaste stof warmte absorberen, en dus zullen de deeltjes met grotere kracht trillen.

Om deze reden is de fusie endotherm, en wanneer het begint, wordt er gezegd dat er een evenwicht optreedt tussen de vaste-vloeistoffasen.

De warmte die nodig is om deze verandering teweeg te brengen, wordt warmte of molaire smeltenthalpie (ΔH _Fus ) genoemd. Dit drukt de hoeveelheid warmte uit (energie, voornamelijk in eenheden van kJ) die een mol stof in vaste toestand moet absorberen om te smelten, en niet alleen om de temperatuur te verhogen.

Sneeuwbal

Sneeuw smelten met de hand. Bron: Pixabay

Met dit in gedachten is het duidelijk waarom een ​​sneeuwbal in de hand smelt (bovenste afbeelding). Sneeuw absorbeert lichaamswarmte, wat voldoende is om de temperatuur van de sneeuw boven 0 ° C te laten stijgen.

De ijskristallen in sneeuw absorberen net genoeg warmte om te smelten en om hun watermoleculen een slordiger structuur te geven. Terwijl de sneeuw smelt, zal het gevormde water de temperatuur niet verhogen, aangezien alle warmte van de hand door de sneeuw wordt gebruikt om het smelten te voltooien.

- Verdamping

Verdamping is de verandering van de toestand van een stof van vloeibare naar gasvormige toestand.

Als we doorgaan met het voorbeeld van water, nu een handvol sneeuw in een pot doen en het vuur aansteken, wordt opgemerkt dat de sneeuw snel smelt. Naarmate het water warmer wordt, beginnen zich binnenin kleine belletjes koolstofdioxide en andere mogelijke gasvormige onzuiverheden te vormen.

Kokend water. Bron: Pixabay

Warmte vergroot moleculair de wanordelijke configuraties van water, vergroot het volume en verhoogt de dampspanning; daarom zijn er verschillende moleculen die aan de oppervlakte ontsnappen als gevolg van toenemende verdamping.

Vloeibaar water stijgt langzaam zijn temperatuur vanwege zijn hoge soortelijke warmte (4,184 J / ° C ∙ g). Er komt een punt waarop de warmte die het absorbeert niet langer wordt gebruikt om de temperatuur te verhogen, maar om het vloeistof-damp-evenwicht op gang te brengen; dat wil zeggen, het begint te koken en alle vloeistof zal naar de gasvormige toestand gaan terwijl het warmte absorbeert en de temperatuur constant houdt.

Hier zie je het intense borrelen op het oppervlak van het gekookte water (bovenste afbeelding). De warmte die vloeibaar water absorbeert, zodat de dampdruk van de beginnende bellen gelijk is aan de externe druk, wordt verdampingsenthalpie (ΔH _Vap ) genoemd.

De rol van druk

Druk is ook een bepalende factor bij toestandsveranderingen. Wat is het effect op verdamping? Hoe hoger de druk, hoe meer warmte het water moet opnemen om te koken, en daarom verdampt het boven 100 ° C.

Dit komt doordat de drukstijging het voor de watermoleculen moeilijk maakt om uit de vloeistof naar de gasfase te ontsnappen.

Snelkookpannen gebruiken dit feit in hun voordeel om voedsel in water te verwarmen tot een temperatuur boven het kookpunt.

Aan de andere kant, aangezien er een vacuüm of een daling van de druk is, heeft vloeibaar water een lagere temperatuur nodig om te koken en in de gasfase te gaan. Bij hoge of lage druk, wanneer het water kookt, moet het zijn respectievelijke verdampingswarmte absorberen om zijn toestandverandering te voltooien.

- Condensatie

Condensatie is de verandering van de toestand van een stof van de gasvormige naar de vloeibare toestand.

Het water is verdampt. Wat is het volgende? Waterdamp kan nog steeds in temperatuur stijgen en een gevaarlijke stroom worden die ernstige brandwonden kan veroorzaken.

Laten we echter aannemen dat het in plaats daarvan afkoelt. Hoe? Het afgeven van warmte aan de omgeving en het afgeven van warmte zou een exotherm proces zijn dat plaatsvindt.

Door warmte af te geven, beginnen de zeer energetische gasvormige watermoleculen te vertragen. Ook worden hun interacties effectiever naarmate de temperatuur van de stoom afneemt. Ten eerste zullen zich waterdruppels vormen, gecondenseerd uit de stoom, gevolgd door grotere druppels die uiteindelijk worden aangetrokken door de zwaartekracht.

Om een ​​bepaalde hoeveelheid damp volledig te condenseren, moet je dezelfde energie vrijgeven, maar met tegengesteld teken, bij ΔH _Vap ; dat wil zeggen de enthalpie van condensatie ΔH _Cond . Aldus wordt het omgekeerde damp-vloeistof-evenwicht tot stand gebracht.

Vochtige ramen

Watercondensatie. Bron: Pexels

Condensatie is te zien op de ramen van huizen zelf. In een koud klimaat komt de waterdamp in het huis in botsing met het raam, dat vanwege zijn materiaal een lagere temperatuur heeft dan andere oppervlakken.

Daar kunnen de dampmoleculen gemakkelijker samenklonteren, waardoor een dunne witachtige laag ontstaat die gemakkelijk met de hand kan worden verwijderd. Terwijl deze moleculen warmte afgeven (het glas en de lucht verwarmen), beginnen ze meer clusters te vormen totdat de eerste druppels kunnen condenseren (bovenste afbeelding).

Als de druppels erg groot worden, glijden ze door het raam naar beneden en laten een spoor van water achter.

- Stolling

Stolling is de verandering van toestand van een stof van de vloeibare toestand naar de vaste toestand.

Stolling treedt op als gevolg van afkoeling; met andere woorden, het water bevriest. Om te bevriezen, moet water dezelfde hoeveelheid warmte afgeven die ijs absorbeert om te smelten. Nogmaals, deze warmte wordt de enthalpie van stollen of bevriezen genoemd, ΔH _Cong (-ΔH _Fus ).

Naarmate watermoleculen afkoelen, verliezen ze energie en worden hun intermoleculaire interacties sterker en gerichter. Als gevolg hiervan zijn ze gerangschikt dankzij hun waterstofbruggen en vormen ze zogenaamde ijskristallen. Het mechanisme waarmee ijskristallen groeien, heeft invloed op hun uiterlijk: transparant of wit.

Ijssculptuur. Bron: Pixabay

Als ijskristallen heel langzaam groeien, sluiten ze geen onzuiverheden af, zoals gassen die bij lage temperaturen in water oplossen. De bellen ontsnappen dus en kunnen geen interactie hebben met het licht; en bijgevolg heb je een ijs zo transparant als dat van een buitengewoon ijsbeeld (bovenste afbeelding).

Hetzelfde dat gebeurt met ijs, het kan gebeuren met elke andere stof die stolt door afkoeling. Misschien is dit de meest complexe fysieke verandering in aardse omstandigheden, aangezien er verschillende polymorfen kunnen worden verkregen.

- Sublimatie

Sublimatie is de verandering van de toestand van een stof van de vaste naar de gasvormige toestand.

Kan water worden gesublimeerd? Nee, althans niet onder normale omstandigheden (T = 25 ° C, P = 1 atm). Om sublimatie te laten plaatsvinden, dat wil zeggen de verandering van toestand van vast naar gas, moet de dampspanning van de vaste stof hoog zijn.

Evenzo is het essentieel dat hun intermoleculaire krachten niet erg sterk zijn, bij voorkeur als ze alleen uit dispersiekrachten bestaan.

Het meest emblematische voorbeeld is vast jodium. Het is een kristallijne vaste stof met grijsachtig-paarse tinten, die een hoge dampspanning vertoont. Dit is het geval, dat daarbij een paarse damp wordt afgegeven, waarvan het volume en de uitzetting merkbaar worden bij verhitting.

Sublimatie van jodium. Bron: Belkina NV, van Wikimedia Commons

De afbeelding hierboven toont een typisch experiment waarbij vast jodium wordt verdampt in een glazen container. Het is interessant en opvallend om te zien hoe de paarse dampen worden verspreid, en de ingewijde student kan de afwezigheid van vloeibaar jodium verifiëren.

Dit is het belangrijkste kenmerk van sublimatie: er is geen aanwezigheid van een vloeibare fase. Evenzo is het endotherm, omdat de vaste stof warmte absorbeert om de dampspanning te verhogen totdat deze gelijk is aan de externe druk.

- Afzetting

Afzetting van jodiumkristallen. Bron: Stanislav.nevyhosteny, van Wikimedia Commons

Afzetting is de verandering van de toestand van een stof van de gasvormige toestand naar de vaste toestand.

Parallel aan het jodiumsublimatie-experiment is er dat van de afzetting ervan. Afzetting is de tegenovergestelde verandering of overgang: de stof gaat van de gasvormige toestand naar de vaste stof zonder de vorming van een vloeibare fase.

Wanneer paarse jodiumdampen in contact komen met een koud oppervlak, geven ze warmte af om het op te warmen, verliezen ze energie en hergroeperen de moleculen weer in de grijsachtig-paarse vaste stof (bovenste afbeelding). Het is dan een exotherm proces.

Afzetting wordt veel gebruikt voor de synthese van materialen waar ze met behulp van geavanceerde technieken worden gedoteerd met metaalatomen. Als het oppervlak erg koud is, is de warmte-uitwisseling tussen het oppervlak en de dampdeeltjes abrupt, waardoor de doorgang door de respectievelijke vloeistoffase wordt weggelaten.

De warmte of enthalpie van afzetting (en niet afzetting) is het omgekeerde van die van sublimatie (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). In theorie kunnen veel stoffen worden gesublimeerd, maar om dit te bereiken is het nodig om de drukken en temperaturen te manipuleren, naast het hebben van hun P vs T-diagram bij de hand; waarin de mogelijke fasen in de verte kunnen worden gevisualiseerd.

Andere statuswijzigingen

Hoewel er geen melding van wordt gemaakt, zijn er andere toestanden van materie. Soms worden ze gekenmerkt doordat ze "een beetje van elk" hebben, en daarom een ​​combinatie van beide zijn. Om ze te genereren, moeten drukken en temperaturen worden gemanipuleerd tot zeer positieve (grote) of negatieve (kleine) magnitudes.

Als gassen bijvoorbeeld overmatig worden verwarmd, zullen ze hun elektronen verliezen en zullen hun positief geladen kernen in dat negatieve getij het zogenaamde plasma vormen. Het is synoniem met "elektrisch gas", omdat het een hoge elektrische geleidbaarheid heeft.

Aan de andere kant, als de temperatuur te laag wordt, kan materie zich op onverwachte manieren gedragen; dat wil zeggen, ze vertonen unieke eigenschappen rond het absolute nulpunt (0 K).

Een van deze eigenschappen is superfluïditeit en supergeleiding; evenals de vorming van Bose-Einstein-condensaten, waarbij alle atomen zich als één geheel gedragen.

Sommige onderzoeken wijzen zelfs op fotonische materie. Daarin groeperen de deeltjes van elektromagnetische straling, fotonen, zich om fotonische moleculen te vormen. Dat wil zeggen, het zou in theorie massa geven aan lichtlichamen.

Referenties

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 november 2018). Lijst met faseveranderingen tussen toestanden van materie. Hersteld van: thoughtco.com
2. Wikipedia. (2019). Staat van de zaak. Hersteld van: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Veranderende staten. Hersteld van: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Faseverandering: verdamping, condensatie, bevriezing, smelten, sublimatie en afzetting. Studie. Hersteld van: study.com
5. Bagley M. (11 april 2016). Materie: definitie en de vijf toestanden van materie. Hersteld van: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren.