Αλλαγή Κατάστασης Ύλης – Στερεό, Υγρό και Αέριο

Έχετε παρατηρήσει ποτέ τις αλλαγές φάσης της ύλης όταν ο πάγος λιώνει από τη στερεά του κατάσταση σε υγρή ή όταν το βραστό νερό αλλάζει σε μορφή ατμού; Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί συμβαίνει αυτό; Οι αλλαγές φάσης της ύλης συμβαίνουν όταν απορροφά ή χάνει ενέργεια. Όταν η ενέργεια απορροφάται από μια ουσία, υπάρχει μια αύξηση στην κίνηση των ατόμων και των μορίων λόγω αύξησης της κινητικής ενέργειας. Αυτή η κινητική ενέργεια αναγκάζει τα σωματίδια να απομακρύνονται το ένα από το άλλο και τα κάνει να αλλάζουν μορφή. Διαβάστε παρακάτω για να κατανοήσετε τα βασικά της επιστήμης πίσω από τις αλλαγές φάσης της ύλης.

Οι καταστάσεις της ύλης υφίστανται μεταβάσεις από τη μια μορφή στην άλλη. Υπάρχουν τρεις καταστάσεις ύλης - στερεά, υγρά και αέρια. Αυτές οι τρεις καταστάσεις της ύλης υφίστανται συνήθως τις έξι αλλαγές φάσεων που περιγράφονται παρακάτω.

Τι είναι οι αλλαγές στην κατάσταση;

Η αλλαγή κατάστασης αναφέρεται σε φυσική αλλαγή στο θέμα. Αυτές οι αλλαγές είναι αναστρέψιμες και δεν αλλάζουν τη χημική σύσταση της ύλης. Οι κοινές αλλαγές φάσης στην κατάσταση της ύλης περιλαμβάνουν την κατάψυξη, τις καταστάσεις εξάχνωσης της ύλης, την τήξη, τη συμπύκνωση, την εναπόθεση και την εξάτμιση.

Γιατί συμβαίνουν αλλαγές φάσης;

Η αλλαγή στην κατάσταση των φάσεων της ύλης συμβαίνει γενικά όταν υπάρχει μεταβολή στη θερμοκρασία ή την πίεσή της. Τα μόρια μέσα στην ύλη αλληλεπιδρούν μεταξύ τους περισσότερο όταν υπάρχει αύξηση της θερμοκρασίας ή της πίεσης. Είναι ευκολότερο για τα μόρια και τα άτομα να καθιζάνουν με τη μορφή μιας πιο άκαμπτης δομής όταν η πίεση αυξάνεται ή η θερμοκρασία μειώνεται. Από την άλλη, όταν υπάρχει μείωση της πίεσης, τα σωματίδια απομακρύνονται εύκολα το ένα από το άλλο.

Για παράδειγμα, ο πάγος λιώνει καθώς υπάρχει αύξηση της θερμοκρασίας σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση. Εάν η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή αλλά η πίεση είναι μειωμένη, τελικά, επιτυγχάνεται ένα σημείο όπου λαμβάνει χώρα απευθείας καταστάσεις εξάχνωσης της ύλης του πάγου σε υδρατμούς.

Τήξη (Στερεό σε υγρό)

Τήξη είναι η διαδικασία κατά την οποία μια ουσία υφίσταται μια αλλαγή από στερεό σε υγρό. Τα καθαρά κρυσταλλικά στερεά έχουν μια σταθερή θερμοκρασία στην οποία λιώνουν. Αυτή η θερμοκρασία ονομάζεται σημείο τήξης τους. Διαφέρει από τη μια ουσία στην άλλη. Από την άλλη πλευρά, η αλλαγή ενός ακάθαρτου στερεού από στερεό σε υγρό συμβαίνει σε μια περιοχή θερμοκρασιών κάτω από το σημείο τήξης του κύριου συστατικού. Παραπάνω είναι ένα παράδειγμα ενός κύβου πάγου που λιώνει σε υγρή κατάσταση (νερό).

Κατάψυξη (από υγρό σε στερεό)

Η κατάψυξη μπορεί να οριστεί ως μια διαδικασία μέσω της οποίας υπάρχει μια αλλαγή σε μια ουσία από την υγρή στη στερεή κατάσταση. Παγώνουν όλα τα υγρά εκτός από το ήλιο, το οποίο συμβαίνει όταν η θερμοκρασία μειώνεται αρκετά. Η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει αυτό το πάγωμα μιας ουσίας ονομάζεται σημείο πήξης της, το οποίο για το νερό είναι ίσο με 0°C (32°F). Άλλες ουσίες μπορεί να έχουν υψηλότερα ή χαμηλότερα σημεία πήξης. Για παράδειγμα, ο σίδηρος έχει σημείο πήξης 1535°C και το οξυγόνο έχει σημείο πήξης -219°C. Παραπάνω είναι ένα παράδειγμα της διαδικασίας κατάψυξης όπου η ζαχαρούχα κρέμα μετατρέπεται σε παγωτό.

Ατμοποίηση (Υγρού σε Αέριο)

Η εξάτμιση μπορεί να οριστεί ως η διαδικασία με την οποία τα μόρια της ύλης αλλάζουν αυθόρμητα από υγρή σε αέρια κατάσταση. Ονομάζεται βρασμός εάν οι συνθήκες επιτρέπουν το σχηματισμό φυσαλίδων μέσα σε ένα υγρό κατά τη διαδικασία της εξάτμισης. Η θερμότητα είναι ο κύριος παράγοντας που ευθύνεται για την εξάτμιση μιας ουσίας. Εάν η θερμότητα στο περιβάλλον δεν είναι αρκετή, το ίδιο το σύστημα μπορεί να την παράγει με τη διαδικασία μείωσης της θερμοκρασίας. Ένα υγρό έχει συστατικά άτομα ή μόρια που συγκρατούνται μεταξύ τους με ισχυρές, συνεκτικές δυνάμεις που πρέπει να διαχωριστούν κατά τη μετατροπή του σε μορφή ατμού. Η εικόνα που δίνεται παραπάνω δείχνει την εξάτμιση της αλκοόλης στην αέρια φάση.

Συμπύκνωση (Αέριο σε Υγρό)

Η συμπύκνωση μπορεί να οριστεί ως η διαδικασία με την οποία υπάρχει μια αλλαγή στην αέρια κατάσταση της ύλης σε υγρή κατάσταση. Είναι το αντίστροφο της διαδικασίας εξάτμισης, και εδώ η θερμότητα απελευθερώνεται στο περιβάλλον από τους ατμούς συμπύκνωσης. Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται στη διαδικασία είναι χαρακτηριστική της ουσίας. Η εικόνα που δίνεται παραπάνω απεικονίζει τη διαδικασία συμπύκνωσης των υδρατμών σε σταγόνες δροσιάς.

Εναπόθεση (Αέριο → Στερεό)

Η εναπόθεση μπορεί να οριστεί ως η διαδικασία με την οποία τα σωματίδια καθιζάνουν ή καθιζάνουν σε μια επιφάνεια. Τα σωματίδια μπορεί να προέρχονται από διάλυμα, εναιώρημα, ατμό ή μείγμα. Κατά τη διαδικασία της εναπόθεσης, υπάρχει επίσης μια αλλαγή στην κατάσταση της ύλης από την αέρια κατάσταση στη στερεή κατάσταση. Η παραπάνω εικόνα απεικονίζει την εναπόθεση ατμού αργύρου σε μια επιφάνεια σε κενό για να παραχθεί ένα συμπαγές στρώμα για έναν καθρέφτη.

Εξάχνωση (Στερεό σε Αέριο)

Η εξάχνωση ορίζεται ως η διαδικασία κατά την οποία η ύλη μεταβαίνει από στερεά σε αέρια κατάσταση χωρίς να διασχίζει την ενδιάμεση υγρή κατάσταση. Η παραπάνω εικόνα δείχνει ένα παράδειγμα των καταστάσεων εξάχνωσης της ύλης της στερεάς μορφής του διοξειδίου του άνθρακα σε CO₂ αέριο. Ένα άλλο παράδειγμα μπορεί να παρατηρηθεί σε μια κρύα και θυελλώδη χειμωνιάτικη μέρα, όταν ο πάγος μετατρέπεται απευθείας σε υδρατμούς.

Ιοντισμός (Αέριο σε πλάσμα)

Ο ιονισμός μπορεί να οριστεί ως η διαδικασία όπου η ενέργεια χρησιμοποιείται για την απομάκρυνση ενός ηλεκτρονίου από ένα άτομο ή ιόν στην αέρια φάση. Μπορείτε να παρατηρήσετε τη διαδικασία ιονισμού που συμβαίνει μέσα σε ένα νεωτεριστικό παιχνίδι με μπάλα πλάσματος ή κατά τη διάρκεια του σχηματισμού ενός σέλας στην ανώτερη ατμόσφαιρα.

Ανασυνδυασμός (Πλάσμα → Αέριο)

Ο ανασυνδυασμός ορίζεται ως η διαδικασία όπου τα ιονισμένα σωματίδια επιστρέφουν σε αέρια κατάσταση. Υπάρχει μεταφορά ηλεκτρονίων ή συνδυασμός φορτίων σε ένα αέριο που προκαλεί την εξουδετέρωση των ιόντων.

Μεταβολές σταδίων των καταστάσεων της ύλης

Ένας άλλος τρόπος για να δείτε την αλλαγή στο θέμα είναι:

Στερεά: Τα στερεά είτε λιώνουν για να δώσουν μια υγρή κατάσταση είτε υφίστανται εξάχνωση, με άμεση αλλαγή φάσης στερεού σε αέριο. Η εναπόθεση αερίων ή παγωμένων υγρών δημιουργεί στερεά.

Υγρά: Τα υγρά είτε υφίστανται εξάτμιση για να δώσουν αέρια είτε υφίστανται κατάψυξη για να δώσουν στερεά. Σχηματίζονται όταν λιώνουν τα στερεά ή τα αέρια συμπυκνώνονται.

Αέρια: Τα αέρια υφίστανται ιονισμό για να δώσουν πλάσμα και συμπύκνωση για να δώσουν υγρά ή απευθείας απόθεση στη στερεά κατάσταση. Σχηματίζονται όταν τα υγρά εξατμίζονται, τα στερεά εξυψώνονται ή το πλάσμα ανασυνδυάζεται.

Πλάσμα: Το πλάσμα υφίσταται ανασυνδυασμό σε αέριο. Σχηματίζεται πιο συχνά όταν ένα αέριο υφίσταται ιονισμό, αλλά πρέπει να υπάρχει επαρκής χώρος και ενέργεια. Ένα υγρό ή στερεό μπορεί να ιονιστεί απευθείας σε αέριο.

Ενώ παρατηρείτε μια κατάσταση, οι αλλαγές φάσης δεν είναι απαραίτητα σαφείς ή διακριτές. Ας υποθέσουμε ότι, αν παρατηρήσετε πώς ο ξηρός πάγος εξαχνώνεται για να δώσει αέριο διοξείδιο του άνθρακα, ο λευκός ατμός που φαίνεται είναι κυρίως το νερό που υφίσταται συμπύκνωση από τους υδρατμούς στην ατμόσφαιρα σε σταγονίδια ομίχλης. Περισσότερες από μία φάσεις συμβαίνουν σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Ας υποθέσουμε ότι το άζωτο σε παγωμένη μορφή μετατρέπεται τόσο σε υγρή όσο και σε αέρια κατάσταση. Πολλές αλλαγές φάσεων μπορούν να συμβούν ταυτόχρονα. Για παράδειγμα, όταν εκτίθεται σε κανονική θερμοκρασία και πίεση, το παγωμένο άζωτο θα σχηματίσει τόσο τη φάση υγρού όσο και ατμού.

Συμπέρασμα

Είναι ενδιαφέρον να γνωρίζουμε ότι κάθε αντικείμενο που υπάρχει υφίσταται μια αλλαγή στην κατάσταση της ύλης. Εξαρτάται μόνο από το πόση θερμότητα παρέχεται σε αυτό. Εάν παρέχεται αρκετή θερμότητα, σχεδόν οτιδήποτε σε αυτό το σύμπαν μπορεί να αλλάξει την κατάσταση. Αυτό που πρέπει να σημειωθεί είναι, ωστόσο, ότι δεν ακολουθεί κάθε ουσία την ίδια διαδρομή στερεού-υγρού-αερίου. Ορισμένες ουσίες δεν εισέρχονται στην υγρή κατάσταση για να αλλάξουν από υγρή σε αέρια. Μάλλον αλλάζουν άμεσα από τη στερεά τους στην αέρια κατάσταση μέσω της διαδικασίας της εξάχνωσης. Ξηρός πάγος ή στερεό CO₂ , το ιώδιο και η καύση και εξάχνωση υψηλής ποιότητας άνθρακα σε ατμό είναι παραδείγματα εξάχνωσης.

Συχνές ερωτήσεις

Ε) Σε τι μεταβάλλονται τα στερεά όταν φτάνουν στο σημείο τήξης;

Α) Όταν φτάσουν στο σημείο τήξεώς τους, τα στερεά μετατρέπονται σε υγρά με υγροποίηση. Αυτό συμβαίνει επειδή, με την αύξηση της θερμοκρασίας, οι δεσμοί μεταξύ των διαφορετικών συστατικών μορίων εξασθενούν.

Ε) Τι είναι τα σημεία βρασμού και τα σημεία τήξης;

Α) Μια θερμοκρασία όπου υπάρχει αλλαγή από υγρό σε αέριο καθαρών υγρών ονομάζεται σημείο βρασμού, ενώ σημείο τήξης είναι η θερμοκρασία στην οποία λιώνουν τα στερεά. Το σημείο βρασμού και το σημείο τήξης μιας ουσίας καθορίζουν τη μεταβολή φάσης της από τη μια κατάσταση της ύλης στην άλλη.

Ε) Μπορεί να υπάρξει άμεση αλλαγή φάσης στερεού σε αέριο;

Α) Ναι, μπορεί να υπάρξει άμεση αλλαγή φάσης στερεού σε αέριο. Τα στερεά μπορούν να μετατραπούν απευθείας σε αέρια κατάσταση μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται εξάχνωση. Η αλλαγή από υγρή σε αέρια φάση παραλείπεται στη διαδικασία.

Ε) Γράψτε τρία γεγονότα για τις καταστάσεις της ύλης.

• Από τις τρεις καταστάσεις της ύλης, τα στερεά είναι τα πιο σκληρά.
• Ο αέρας γύρω μας περιέχει όλα τα συστατικά στοιχεία σε αέρια κατάσταση.
• Η κατάσταση της ύλης που ονομάζεται πλάσμα είναι πολύ σπάνια στην καθημερινή ζωή.