10.3: Фазові переходи - плавлення, кип'ятіння та сублімування

Last updated
Save as PDF

Page ID: 22487

Anonymous
LibreTexts

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Мета навчання

Опишіть, що відбувається під час зміни фази.
Обчисліть зміну енергії, необхідну для зміни фази.

Речовини можуть змінювати фазу - часто через зміну температури. При низьких температурах більшість речовин тверді; при підвищенні температури вони стають рідкими; при більш високих температурах все ж стають газоподібними.

Процес твердої речовини стає рідиною називається плавленням (старіший термін, який ви можете бачити іноді - це злиття). Зворотний процес, рідина стає твердою, називається затвердіння. Для будь-якої чистої речовини температура, при якій відбувається плавлення - відома як температура плавлення - є характеристикою цієї речовини. Це вимагає енергії для того, щоб тверда речовина розплавилася в рідину. Кожна чиста речовина має певну кількість енергії, необхідної їй для зміни від твердого до рідкого. Ця кількість називається ентальпією плавлення (або теплоти плавлення) речовини, представленої як Δ H _fus. Деякі значення Δ H _fus наведені в табл.\(\PageIndex{1}\); передбачається, що ці значення призначені для температури плавлення речовини. Зверніть увагу, що одиниця Δ H _fus - кілоджоулі на моль, тому нам потрібно знати кількість матеріалу, щоб знати, скільки енергії бере участь. Δ H _fus завжди табличний як додатне число. Однак його можна використовувати як для процесів плавлення, так і для затвердіння, враховуючи, що плавлення завжди ендотермічне (так Δ H буде позитивним), тоді як затвердіння завжди екзотермічне (так Δ H буде негативним).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Ентальпії злиття для різних речовин
Речовина (температура плавлення)	*Δ Н запобіжник* _{(кДж/моль})**
Вода (0° C)	6.01
Алюміній (660° C)	10.7
Бензол (5,5° C)	9,95
Етанол (−114,3° C)	5.02
Ртуть (−38,8° C)	2.29

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Яка зміна енергії при 45,7 г\(\ce{H2O}\) розплаву при 0° C?

Рішення

\(ΔH_{fus}\)Оф\(\ce{H2O}\) становить 6,01 кДж/моль. Однак наша кількість наводиться в одиницях грамів, а не молі, тому першим кроком є перетворення грамів в молі, використовуючи молярну масу\(\ce{H_2O}\), яка становить 18,0 г/моль. Тоді ми можемо використовувати\(ΔH_{fus}\) як коефіцієнт перетворення. Оскільки речовина плавиться, процес ендотермічний, тому зміна енергії матиме позитивний знак.

\[45.7\cancel{g\: H_{2}O}\times \frac{1\cancel{mol\: H_{2}O}}{18.0\cancel{g}}\times \frac{6.01kJ}{\cancel{mol}}=15.3\,kJ \nonumber \nonumber \]

Без знака число приймається позитивним.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Яка зміна енергії при\(\ce{C6H6}\) заморожуванні 108 г при 5,5° C?

Відповідь: −13,8 кДж

Під час плавлення енергія йде виключно на зміну фази речовини; вона не переходить у зміну температури речовини. Отже, плавлення є ізотермічним процесом, оскільки речовина залишається при тій же температурі. Тільки коли вся речовина розплавляється, додаткова енергія йде на зміну її температури.

Що відбувається, коли тверда речовина стає рідиною? У твердому тілі окремі частинки застрягли на місці, оскільки міжмолекулярні сили не можуть бути подолані енергією частинок. Коли надходить більше енергії (наприклад, за рахунок підвищення температури), настає момент, коли частинки мають достатньо енергії для переміщення, але недостатньо енергії для відділення. Це рідка фаза: частинки все ще контактують, але здатні переміщатися один навколо одного. Це пояснює, чому рідини можуть приймати форму своїх контейнерів: частинки переміщаються і під впливом сили тяжіння заповнюють найменший можливий об'єм (якщо рідина не знаходиться в середовищі з нульовою гравітацією - див\(\PageIndex{1}\). Рис.

Склянка води (ліворуч) і крапля води, що плаває над людиною, що лежить вниз (праворуч) в 2 зображеннях. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Рідини та гравітація. (а) Рідина заповнює дно своєї ємності, коли вона тягнеться вниз гравітацією, і частинки ковзають один над одним. (b) Рідина плаває в середовищі з нульовою гравітацією. Частинки все ще ковзають один над одним, оскільки вони знаходяться в рідкій фазі, але тепер немає сили тяжіння, щоб тягнути їх вниз. Джерело: Фото зліва © Thinkstock. Фото праворуч люб'язно надано NASA, http://www.nasa.gov/mission_pages/st...image_009.html.

Зміна фази між рідиною і газом має деяку схожість зі зміною фази між твердим і рідиною. При певній температурі частинки в рідині мають достатньо енергії, щоб стати газом. Процес перетворення рідини в газ називається кипінням (або випаровуванням), тоді як процес перетворення газу в рідину називається конденсацією. Однак, на відміну від процесу перетворення твердого/рідини, процес перетворення рідини/газу помітно впливає навколишній тиск на рідину, оскільки на гази сильно впливає тиск. Це означає, що температура, при якій рідина стає газом, температура кипіння, може змінюватися з навколишнім тиском. Тому ми визначаємо нормальну температуру кипіння як температуру, при якій рідина змінюється на газ, коли навколишній тиск дорівнює рівно 1 атм, або 760 торр. Якщо не вказано інше, передбачається, що температура кипіння припадає на 1 атм тиску.

Як і зміна твердої/рідкої фази, зміна фази рідина/газу включає енергію. Кількість енергії, необхідної для перетворення рідини в газ, називається ентальпією випаровування (або теплотою випаровування), представлена як Δ H _vap. Деякі значення Δ H _vap наведені в табл.\(\PageIndex{2}\); передбачається, що ці значення призначені для нормальної температури кипіння речовини, яка також наведена в таблиці. Одиницею для Δ H _vap також є кілоджоулі на моль, тому нам потрібно знати кількість матеріалу, щоб знати, скільки енергії бере участь. Δ H _vap також завжди табличний як додатне число. Його можна використовувати як для процесів кипіння, так і для конденсації, якщо ви маєте на увазі, що кипіння завжди ендотермічне (так Δ H буде позитивним), тоді як конденсація завжди екзотермічна (так Δ H буде негативним).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Ентальпії пароутворення для різних речовин
Речовина (нормальна температура кипіння)	Δ Н _вап (кДж/моль)
Вода (100° C)	40.68
Бром (59,5° C)	15.4
Бензол (80,1° C)	30.8
Етанол (78,3° C)	38.6
Ртуть (357° C)	59.23

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Яка зміна енергії, коли 66,7 г Br ₂ (g) конденсується в рідину при 59,5° C?

Рішення

Δ H _вап Br ₂ становить 15,4 кДж/моль. Незважаючи на те, що це процес конденсації, ми все ще можемо використовувати числове значення Δ H _vap до тих пір, поки ми розуміємо, що ми повинні вивести енергію, тому значення Δ H буде негативним. Щоб визначити величину зміни енергії, треба спочатку перетворити кількість Br ₂ в молі. Тоді ми можемо використовувати Δ H _vap як коефіцієнт перетворення.

\[66.7\cancel{g\: Br_{2}}\times \frac{1\cancel{mol\: Br_{2}}}{159.8\cancel{g}}\times \frac{15.4kJ}{\cancel{mol}}=6.43\,kJ \nonumber \nonumber \]

Оскільки процес екзотермічний, фактичне значення буде від'ємним: Δ H = −6,43 кДж.

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Яка зміна енергії, коли 822 г\(\ce{C2H5OH(ℓ)}\) кипіння при нормальній температурі кипіння 78,3° C?

Відповідь: 689 кДж

Як і при плавленні, енергія при кипінні йде виключно на зміну фази речовини; вона не переходить у зміну температури речовини. Так що кип'ятіння - це ще й ізотермічний процес. Тільки коли вся речовина закипіла, будь-яка додаткова енергія йде на зміну його температури.

Що відбувається, коли рідина стає газом? Ми вже встановили, що рідина складається з частинок, що контактують один з одним. Коли рідина стає газом, частинки відокремлюються один від одного, причому кожна частинка йде свій шлях у просторі. Ось так гази, як правило, заповнюють свої ємності. Дійсно, в газовій фазі більшу частину обсягу займає порожній простір; тільки близько 1/тисячної частини обсягу фактично займає речовина (рис.\(\PageIndex{1}\)). Саме ця властивість газів пояснює, чому їх можна стискати, факт, який розглядається в главі 6.

Молекули плавають вільно і швидко. — Рисунок\(\PageIndex{2}\): Субмікроскопічний вигляд двоатомних молекул елемента брому (а) у газоподібному стані (вище 58° C); (b) у рідкій формі (від -7,2 до 58,8° C); і (c) у твердій формі (нижче -7,2° C). Як тверде тіло молекули фіксуються, але коливаються. Як рідина, молекули контактують, але також здатні переміщатися один навколо одного. Як газ, велика частина обсягу фактично порожній простір. Частинки не повинні масштабуватися; насправді точки, що представляють частинки, становили б приблизно 1/100 від зображеного розміру.

Молекули згуртовані разом, але залишаються здатними вільно переміщатися один навколо одного. — Рисунок\(\PageIndex{2}\): Субмікроскопічний вигляд двоатомних молекул елемента брому (а) у газоподібному стані (вище 58° C); (b) у рідкій формі (від -7,2 до 58,8° C); і (c) у твердій формі (нижче -7,2° C). Як тверде тіло молекули фіксуються, але коливаються. Як рідина, молекули контактують, але також здатні переміщатися один навколо одного. Як газ, велика частина обсягу фактично порожній простір. Частинки не повинні масштабуватися; насправді точки, що представляють частинки, становили б приблизно 1/100 від зображеного розміру.

За деяких обставин тверда фаза може переходити безпосередньо в газову фазу, не проходячи через рідку фазу, а газ може безпосередньо перетворитися в тверду речовину. Зміна твердого тіла на газ називається сублімацією, тоді як зворотний процес називається осадженням. Сублімація є ізотермічною, як і інші фазові зміни. Під час сублімації відбувається вимірна зміна енергії - ця зміна енергії називається ентальпією сублімації, представлена як Δ H _sub. Зв'язок між ΔH _суб та іншими змінами ентальпії виглядає наступним чином:

\[ΔH_{sub} = ΔH_{fus} + ΔH_{vap}\nonumber \]

Таким чином, Δ H _sub не завжди табличний, оскільки його можна просто обчислити з Δ H _fus і Δ H _vap.

Існує кілька поширених прикладів сублімації. Відомий продукт, сухий лід, насправді є твердим CO ₂. Сухий лід сухий, оскільки він підноситься, при цьому тверда речовина обходить рідку фазу і переходить прямо в газову фазу. Сублімація відбувається при температурі −77° C, тому з нею слід звертатися обережно. Якщо ви коли-небудь помічали, що кубики льоду в морозильній камері, як правило, з часом стають меншими, це тому, що тверда вода дуже повільно сублімується. «Опік морозильної камери» насправді не є опіком; це відбувається, коли певні продукти, такі як м'ясо, повільно втрачають вміст твердої води через сублімацію. Їжа все ще хороша, але виглядає неапетитно. Зниження температури морозильної камери сповільнить сублімацію твердої води.

Морозильник спалити на шматку яловичини. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Морозилка спалити на шматку яловичини. (Громадське надбання; RolLom.)

Хімічні рівняння можуть бути використані для представлення зміни фази. У таких випадках важливо використовувати фазові етикетки на речовині. Наприклад, хімічне рівняння для танення льоду для отримання рідкої води виглядає наступним чином:

\[H_2O(s) → H_2O(ℓ)\nonumber \]

Ніяких хімічних змін не відбувається; однак відбувається фізична зміна.

Резюме

Фазові зміни можуть відбуватися між будь-якими двома фазами речовини.
Всі фазові зміни відбуваються з одночасною зміною енергії.
Всі фазові зміни носять ізотермічний характер.