שינויים במצב: סוגים ותכונותיהם (עם דוגמאות) - כִּימִיָה - 2025

שינויי המדינה או שלב הם שבו שעוברים על חומר שינויים פיסיים הפיכים תופעה תרמודינמיים. אומרים שהוא תרמודינמי מכיוון שמעבר חום מתרחש בין חומר לסביבה; או מה זהה, ישנם אינטראקציות בין חומר ואנרגיה אשר גורמים לסידור מחדש של החלקיקים.

החלקיקים שעוברים את שינוי המדינה נותרים זהים לפניו ואחריו. לחץ וטמפרטורה הם משתנים חשובים כיצד להתאים אותם בשלב זה או אחר. כאשר מתרחש שינוי מצב, נוצרת מערכת דו-פאבית המורכבת מאותו חומר בשני מצבים פיזיים שונים.

המדינה משתנה. מקור: גבריאל בוליבר

התמונה למעלה מציגה את השינויים העיקריים במצב שחומר עובר בתנאים רגילים.

קוביה מוצקה של חומר כחלחל יכולה להפוך נוזלית או גזי בהתאם לטמפרטורה ולחץ של סביבתה. כשלעצמו הוא מייצג שלב אחד: המוצק. אך ברגע ההיתוך, כלומר ההיתוך, נוצר שיווי משקל מוצק-נוזלי הנקרא היתוך (חץ אדום בין הקוביה הכחלחלה לטיפה).

כדי שהתרחשות היתוך, הקוביה צריכה לספוג חום מסביבתה כדי להעלות את הטמפרטורה שלה; לכן זהו תהליך אנדותרמי. ברגע שהקוביה נמסה לחלוטין היא חוזרת לשלב יחיד: זה של המצב הנוזלי.

טיפה כחלחלה זו יכולה להמשיך לספוג חום, מה שמעלה את הטמפרטורה שלה וגורם להיווצרות בועות גזים. שוב, ישנם שני שלבים: האחד נוזלי והשני גז. כאשר כל הנוזל התאדה דרך נקודת הרתיחה שלו, נאמר שהוא רתח או התאדה.

עכשיו הטיפות הכחלחלות הפכו לעננים. עד כה כל התהליכים היו אנדותרמיים. הגז הכחלחל יכול להמשיך לספוג חום עד שהוא מתחמם; עם זאת, בהתחשב בתנאים היבשתיים, הוא נוטה להתקרר ולהתעבות בחזרה לנוזל (עיבוי).

מצד שני, עננים יכולים גם להפקיד ישירות על שלב מוצק, ויוצרים שוב את הקוביה המוצקה (בתצהיר). שני התהליכים האחרונים הללו הם אקזוטרמיים (חיצים כחולים); כלומר הם משחררים חום לסביבה או לסביבה.

בנוסף לעיבוי ולתצהיר, שינוי במצב מתרחש כאשר הטיפה הכחלחלה קופאת בטמפרטורות נמוכות (התמצקות).

סוגי שינויי המדינה ומאפייניהם

התמונה מציגה את השינויים האופייניים לשלושת מצבי החומר (הנפוצים ביותר): מוצק, נוזל וגז. השינויים המלווים בחצים האדומים הם אנדותרמיים, הכוללים ספיגת חום; בעוד שאלו שמלווה בחצים הכחולים הם אקזוטרמיים, הם משחררים חום.

תיאור קצר של כל אחד מהשינויים הללו ייעשה בהמשך, תוך הדגשת כמה מהמאפיינים שלהם מההנמקה המולקולרית והתרמודינאמית.

- היתוך

היתוך הוא שינוי מצב החומר מחומר מוצק לנוזל.

במצב המוצק החלקיקים (יונים, מולקולות, אשכולות וכו ') הם "אסירים", הממוקמים בתנוחות קבועות בחלל מבלי יכולת לנוע בחופשיות. עם זאת, הם מסוגלים לרטוט בתדרים שונים, ואם הם חזקים מאוד, הסדר הקפדני שמטילים כוחות בין-מולקולריים יתחיל "להתפרק".

כתוצאה מכך מתקבלים שני שלבים: האחד בו החלקיקים נותרים מוגבלים (מוצקים), ואחרת במקום בו הם חופשיים יותר (נוזלים), מספיק כדי להגדיל את המרחקים המפרידים ביניהם. כדי להשיג זאת, המוצק צריך לספוג חום, וכך חלקיקיו ירטטו בעוצמה רבה יותר.

מסיבה זו האיחוי הוא אנדותרמי, וכשהוא מתחיל נאמר שמתרחש שיווי משקל בין השלבים המוצקים-נוזליים.

החום הדרוש כדי להביא לשינוי זה נקרא חום או אנטלפיה טוחנת של היתוך (ΔH _Fus ). זה מבטא את כמות החום (אנרגיה, בעיקר ביחידות kJ) שעל שומה של חומר לספוג במצב מוצק כדי להמיס, ולא רק להעלות את הטמפרטורה שלו.

כַּדוּר שֶׁלֶג

נמס שלג ביד. מקור: Pixabay

מתוך מחשבה זו מובן מדוע כדור שלג נמס ביד (תמונה עליונה). שלג סופג את חום הגוף, וזה מספיק כדי להעלות את הטמפרטורה של השלג מעל 0 מעלות צלזיוס.

גבישי הקרח בשלג סופגים מספיק חום כדי להמיס ולמולקולות המים שלהם לאמץ מבנה יותר מסובך. בזמן שהשלג נמס, המים שנוצרים לא יעלו את הטמפרטורה שלו, מכיוון שכל החום מהיד משמש לשלג להשלמת התכה שלו.

אידוי

אידוי הוא שינוי מצב החומר מנוזל למצב גזי.

ממשיכים בדוגמה של מים, מניחים כעת קומץ שלג בסיר ומדליקים את האש, ניתן לראות כי השלג נמס במהירות. כאשר המים מתחממים, מתחילות להיווצר בתוכו בועות זעירות של פחמן דו חמצני וזיהום גזי אפשרי אחר.

מים רותחים. מקור: Pixabay

החום מרחיב מולקולרית את תצורות המים המופרעות, מרחיב את נפחו ומגביר את לחץ האדים; לכן ישנן מספר מולקולות שנמלטות מהשטח כתוצאה מגדילה של אידוי.

מים נוזליים מעלים את הטמפרטורה שלהם לאט, בגלל החום הספציפי הגבוה שלהם (4.184J / ° C ∙ גרם). יש נקודה בה החום שהוא סופג כבר לא משמש כדי להעלות את הטמפרטורה שלו, אלא כדי ליזום את שיווי המשקל אדי הנוזל; כלומר הוא מתחיל לרתיחה וכל הנוזל יעבור למצב הגזי תוך ספיגת חום ושמירה על הטמפרטורה קבועה.

כאן אתה רואה את העבוע העז על פני המים הרתוחים (תמונה עליונה). החום שמים נוזלים סופגים כך שלחץ האדים של בועות המתחילים שלהם שווה ללחץ החיצוני נקרא אנטלפיה של אידוי (ΔH _Vap ).

תפקיד הלחץ

לחץ הוא גם גורם מכריע בשינויי מצב. מה ההשפעה שלה על האידוי? ככל שהלחץ גבוה יותר, כך החום שעל המים לספוג לרתיחה גדול יותר, ולכן הוא מתאדה מעל 100 מעלות צלזיוס.

הסיבה לכך היא שעליית הלחץ מקשה על מולקולות המים להימלט מהנוזל לשלב הגזי.

תנורי לחץ משתמשים בעובדה זו לטובתם כדי לחמם מזון במים לטמפרטורה מעל נקודת הרתיחה שלו.

מצד שני, מכיוון שיש ואקום או ירידה בלחץ, מים נוזלים זקוקים לטמפרטורה נמוכה יותר כדי להרתיח ולהיכנס לשלב הגז. בלחץ גבוה או נמוך, כשהמים רותחים הם צריכים לספוג את חום האידוי שלהם בהתאמה כדי להשלים את שינוי מצבם.

- עיבוי

עיבוי הוא שינוי מצב החומר ממצב הגזי למצב הנוזלי.

המים התאדו. מה הלאה? אדי מים עדיין יכולים לעלות בטמפרטורה ולהפוך לזרם מסוכן המסוגל לגרום לכוויות קשות.

עם זאת, בואו נניח שהוא מתקרר במקום זאת. אֵיך? שחרור חום לסביבה, ושחרור חום אומרים שהוא תהליך אקזוטי שמתרחש.

על ידי שחרור חום, מולקולות המים הגזים האנרגטיים מאוד מתחילים להאט. כמו כן, האינטראקציות שלהם הופכות ליעילות יותר ככל שטמפרטורת הקיטור יורדת. ראשית, טיפות מים ייווצרו, המעובה מהאדים, ואחריהן טיפות גדולות יותר אשר בסופו של דבר נמשכות על ידי כוח הכבידה.

כדי לעבות לחלוטין כמות נתונה של אדים, אתה צריך לשחרר את אותה אנרגיה, אך עם סימן הפוך, ב- VH _Vap ; כלומר האנטלפיה שלה של העיבוי ΔH _Cond . כך נוצר שיווי משקל אדי-נוזלי הפוך.

חלונות רטובים

עיבוי מים. מקור: Pexels

ניתן לראות עיבוי על חלונות הבתים עצמם. באקלים קר, אדי המים שנמצאים בתוך הבית מתנגשת עם החלון, אשר בגלל החומר שלו טמפרטורה נמוכה יותר מאשר משטחים אחרים.

שם, קל יותר למולקולות האדי להתגבש זו בזו, ויוצרת שכבה לבנה דקה הניתנת להסרה ידנית בקלות. ככל שמולקולות אלה משחררות חום (מחמם את הזכוכית והאוויר), הן מתחילות ליצור אשכולות רבות יותר עד שהטיפות הראשונות יכולות להתעבות (תמונה עליונה).

כשהטיפות הופכות לגדולות מאוד, הן מחליקות בחלון ומשאירות שובל מים.

- התמצקות

מיצוק הוא שינוי מצב החומר ממצב נוזלי למצב מוצק.

התמצקות מתרחשת כתוצאה מהתקררות; במילים אחרות, המים קופאים. כדי להקפיא, מים חייבים לשחרר את אותה כמות חום שקרח סופג להמיס. שוב, חום זה נקרא אנטלפיה של התמצקות או הקפאה, CongH _Cong (-ΔH _Fus ).

כאשר מולקולות מים מתקררות, הן מאבדות אנרגיה והאינטראקציות הבין-מולקולריות שלהן מתחזקות וכיווניות יותר. כתוצאה מכך הם מסודרים לפי קשרי המימן שלהם ויוצרים מה שנקרא גבישי קרח. המנגנון שלגביו גבישי קרח משפיע על המראה שלהם: שקוף או לבן.

פסל קרח. מקור: Pixabay

אם גבישי קרח צומחים לאט מאוד, הם אינם מכילים זיהומים, כמו גזים המסיסים במים בטמפרטורות נמוכות. לפיכך, הבועות בורחות ואינן יכולות לתקשר עם האור; וכתוצאה מכך, יש לך קרח שקוף כמו זה של פסל קרח יוצא דופן (תמונה עליונה).

אותו דבר שקורה עם קרח, זה יכול לקרות עם כל חומר אחר שמתמצק על ידי קירור. אולי זהו השינוי הפיזי המורכב ביותר בתנאים יבשתיים, מכיוון שניתן להשיג מספר פולימורפים.

- סובלימציה

סובלימציה היא שינוי מצב החומר מהמוצק למצב הגזי.

האם ניתן לסובלימציה של מים? לא, לפחות לא בתנאים רגילים (T = 25 מעלות צלזיוס, P = 1 כספומט). כדי שהסובלימציה תתרחש, כלומר שינוי המצב ממצב לגז, לחץ האדים של המוצק חייב להיות גבוה.

כמו כן, חיוני שכוחותיהם הבין-מולקולריים אינם חזקים במיוחד, רצוי אם הם מורכבים רק מכוחות פיזור.

הדוגמה הסמלית ביותר היא יוד מוצק. זהו מוצק גבישי עם גוונים סגולים אפרפרים, המציג לחץ אדי גבוה. עד כדי כך, שבמעשה זה מוחל אדי סגול, אשר נפחו והתרחבותו מורגשים כאשר הוא נתון לחימום.

סובלימציה של יוד. מקור: Belkina NV, מ- Wikimedia Commons

בתמונה למעלה נראה ניסוי טיפוסי בו אידוי יוד מוצק במיכל זכוכית. מעניין ומדהים לראות כיצד האדים הסגולים מתפשטים, והתלמיד היוזם יכול לאמת את היעדר יוד נוזלי.

זה המאפיין העיקרי של סובלימציה: אין נוכחות של שלב נוזלי. באופן דומה, הוא אנדותרמי, מכיוון שהמוצק סופג חום כדי להגדיל את לחץ האדים שלו עד שהוא שווה ללחץ החיצוני.

- הדחה

התייצבות של גבישי יוד. מקור: Stanislav.nevyhosteny, מ- Wikimedia Commons

בתצהיר הוא שינוי מצב החומר ממצב הגזי למצב המוצק.

במקביל לניסוי סובלימציה של יוד, ישנו את התצהיר שלו. הדחה היא שינוי או מעבר הפוך: החומר עובר ממצב הגזי למוצק ללא היווצרות של שלב נוזלי.

כאשר אדי יוד סגולים באים במגע עם משטח קר, הם משחררים חום כדי לחמם אותו, מאבדים אנרגיה וקבצים מחדש את המולקולות שלה למוצק האפור-סגול (תמונה עליונה). זה אחר כך תהליך אקזוטי.

בתצהיר נעשה שימוש נרחב בסינתזה של חומרים שבהם הם מסוממים עם אטומי מתכת על ידי טכניקות מתוחכמות. אם המשטח קר מאוד, חילופי החום בינו לבין חלקיקי האדים הם פתאומיים, ומשמיט את המעבר לשלב הנוזל המתאים.

החום או האנטלפיה של התצהיר (ולא בתצהיר) הם ההופכים לזו של סובלימציה (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). בתיאוריה, ניתן להעלות סובלימציה של חומרים רבים, אך כדי להשיג זאת יש צורך לתפעל את הלחצים והטמפרטורות, בנוסף לתרשים P לעומת T בהישג יד; בהם ניתן להמחיש את השלבים הרחוקים האפשריים שלה.

שינויים אחרים במצב

אף על פי שלא מוזכר בהם, ישנם מצבים אחרים של עניין. לפעמים הם מאופיינים בכך שיש להם "קצת מכל אחד", ולכן הם שילוב ביניהם. כדי לייצר אותם, יש לטפל בלחצים ובטמפרטורות לגודל חיובי מאוד (גדול) או שלילי (קטן).

כך, למשל, אם גזים מחוממים בצורה מוגזמת, הם יאבדו את האלקטרונים שלהם והגרעינים הטעונים שלהם באופן חיובי באותו גאות שלילית יהוו מה שמכונה פלזמה. זה שם נרדף ל"גז חשמלי ", מכיוון שיש לו מוליכות חשמלית גבוהה.

לעומת זאת, כאשר הטמפרטורות יורדות נמוכות מדי, החומר יכול להתנהג בדרכים בלתי צפויות; כלומר, הם מציגים תכונות ייחודיות סביב אפס מוחלט (0 K).

אחת מהתכונות הללו היא שטחיות ומוליכות על; כמו גם היווצרות עיבוי של בוס-איינשטיין, כאשר כל האטומים מתנהגים כאחד.

חלק מהמחקרים אף מצביעים על חומר פוטוני. בתוכם, חלקיקי הקרינה האלקטרומגנטית, פוטונים, מתאגדים זה לזה ויוצרים מולקולות פוטוניות. כלומר, זה ייתן מסה לגופי אור, תיאורטית.

הפניות

1. הלמנסטין, אן מארי, דוקטורט. (19 בנובמבר 2018). רשימת שינויים בשלב בין מדינות העניין. התאושש מ: thoughtco.com
2. ויקיפדיה. (2019). מצב צבירה. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. דורלינג קינדרסלי. (2007). מדינות משתנות. התאושש מ: factmonster.com
4. מאיירס עמי. (2019). שינוי שלב: אידוי, עיבוי, הקפאה, התכה, סובלימציה ותפקוד. לימוד. התאושש מ: study.com
5. Bagley M. (11 באפריל 2016). עניין: הגדרה וחמשת מדינות החומר. התאושש מ: livescience.com
6. וויטן, דייויס, פק וסטנלי. (2008). כִּימִיָה. (מהדורה 8). לימוד CENGAGE.