Skupenské přeměny – chemie

 

   Otázka: Skupenské přeměny

   Předmět: Chemie

   Přidal(a): mouse007<>sms.cz

 

 

SKUPENSTVÍ LÁTKY

Skupenství látky charakterizuje stav látky související se stupněm uspořádanosti částic (molekul, atomů, iontů) a závisí na vztahu mezi kinetickou energií částic a energií jejich vzájemného působení. Rozlišujeme skupenství plynné, kapalné, pevné a plazma.

 

SKUPENSTVÍ PEVNÉ

Střední vzdálenosti mezi částicemi pevných látek jsou 0,2 až 0,4 nm. Kinetická energie je nižší než potenciální, což způsobuje velmi silné přitažlivé síly částic a ty drží pevně u sebe. Tím vytváří těleso určitého tvaru a objemu.

 

SKUPENSTVÍ KAPALNÉ

Střední vzdálenosti mezi částicemi kapaliny jsou 0,2 až 0,4 nm, tedy stejné jako u pevných látek. Na rozdíl od pevných látek kinetická energie u kapalin překonává vzájemné přitažlivé síly mezi částicemi. Ty pak nedrží pevně u sebe, molekuly si mohou vzájemně vyměňovat místo, krátkodobě se shlukovat a vnější síla způsobuje jejich přesuny. To má za následek, že kapalina nabývá v silovém poli tvar nádoby, v níž se nachází.

 

SKUPENSTVÍ PLYNNÉ

Střední vzdálenosti mezi částicemi plynů jsou asi 3nm (za normálních podmínek), tedy mnohem větší než rozměry molekul (kolem 0,1 nm). Následkem toho jsou přitažlivé síly mezi částicemi plynu zanedbatelné a částice se volně pohybují a narážejí na sebe i na stěny nádoby, což způsobuje roztažnost plynů.

 

PLAZMA

Plazma je ionizovaný plyn tvořený nosiči volného elektrického náboje (ionty a elektrony) a obvykle i neutrálními částicemi (atomy a molekulami). Plazma se vyznačuje kolektivním chováním elektricky nabitých částic, které v plazmatu tvoří různá seskupení, jejichž elektrická pole ovlivňují pohyb nosičů elektrického náboje. Vyskytuje se například na Slunci, při termojaderných reakcích, v elektrických výbojích a podobně.

 

TÁNÍ A TUHNUTÍ

Tání je přeměna pevné látky na kapalinu. Nastává při určité teplotě za daného vnějšího tlaku,  přijímá-li látka teplo. K tání dochází při určité teplotě, tzv. teplotě tání. Teplota tání látky závisí na tlaku okolního prostředí a druhu látky. Její hodnoty za normálního tlaku jsou uvedeny v tabulkách, např.:

 

LÁTKA                tt  v °C

Vodík                 -259,2

Ethanol             -115

Voda(led)        0

Olovo                 327,3

Železo               1 535

Ocel                    3 642

 

Teplota tání látek se snižuje přimísením jiných látek.

Skupenské teplo tání (Lt) je teplo, které přijme pevné těleso již zahřáté na bod tání, aby se změnilo na kapalinu téže teploty. Jednotkou skupenského tepla je Joule (J).

Měrné skupenské teplo tání je teplo, potřebné k roztavení 1 kilogramu látky zahřáté na bod tání. Je definováno:  , kde  je skupenské teplo tání pevného tělesa o hmotnosti . Jednotkou měrného skupenského tepla je J∙kg-1.

Tání krystalické a amorfní látky

(krystalické látky jsou látky, ve kterých molekuly vytváří pravidelné mřížky; amorfní látky jsou látky, kde molekuly nemají žádnou pravidelnou strukturu)

 

Tuhnutí je přeměna kapalného skupenství v pevné, jde tedy o děj opačný k tání. K tuhnutí dochází při ochlazení kapaliny na teplotu tuhnutí. Teplota tuhnutí je shodná s teplotou tání. Vzniká-li přitom krystalická látka, jev nazýváme krystalizace.

Při stejných podmínkách je měrné skupenské teplo tání a měrné skupenské teplo tuhnutí stejné.

Při tání je třeba látce teplo dodávat, při tuhnutí odebírat.

Většina látek při tání svůj objem zvětšuje a pří tuhnutí zmenšuje. Výjimkou je například led (při tání svůj objem zmenšuje a při tuhnutí asi o 9% zvětšuje).

Při zvýšení tlaku roste i teplota tání (tuhnutí). Výjimkou je opět led.

Příklady: led, vosk, olovo,…

 

SUBLIMACE A DESUBLIMACE

Sublimace je přeměna, při které se pevná látka mění na plyn, aniž by došlo k tání pevné látky (tedy bez průchodu kapalnou fází). Opačný proces se nazývá desublimace.

Skupenské teplo sublimace (Ls) je teplo, přijaté pevným tělesem během jeho sublimace za dané teploty.

Měrné skupenské teplo sublimace je teplo, které přijme 1 kilogram látky. Je definováno:  , kde  je skupenské teplo tání pevného tělesa o hmotnosti . Měrné skupenské teplo sublimace je závislé na teplotě.

( pro vodní led při 0°C je 2,8 MJ∙kg-1)

Využití: Sublimace se využívá při čištění chemických látek. Používá se k rozdělení směsí sublimujících a nesublimujících látek. Spočívá v ohřívání a ochlazování směsi za účelem sublimace a desublimace jedné složky směsi. Existuje též sublimační metoda potisku textilií a plachtovin.

Za normálního tlaku sublimují např. tyto látky: jód, led, naftalen, salmiak aj.

Oxid uhličitý je příklad chemické sloučeniny, která sublimuje za atmosférického tlaku (suchý led). Sníh a vodní led také sublimuje, ale podstatně pomaleji (při teplotách pod bodem mrazu). Např. proto také prádlo uschne i za mrazu.

Schopnost látky sublimovat zjistíme z jejího fázového diagramu.

Při dostatečně nízkém tlaku může sublimovat většina látek.

 

VYPAŘOVÁNÍ A KAPALNĚNÍ

Vypařování je skupenská přeměna, při které se kapalina mění na plyn pouze z povrchu. Má-li kapalina volný povrch, nejrychlejší molekuly vyletují do okolí, tím se kapalina vypařuje. V kapalině zůstávají molekuly s nižší pohybovou energií, její teplota tedy klesá (pokud nedodáváme kapalině energii). Rychlost vypařování roste s teplotou, velikostí povrchu a odstraňování par (např. větrem).

Skupenské teplo vypařování (Lv) je teplo, které musí kapalina přijmout, aby se změnila na plyn téže teploty.

Měrné skupenské teplo vypařování/kondenzační je definováno:  , kde  je skupenské teplo tání pevného tělesa o hmotnosti . Závisí na teplotě, s rostoucí teplotou klesá, protože při vyšší teplotě mají molekuly větší energii a k jejich vypaření je potřeba méně tepla.

 

Měrné skupenské teplo vypařování pro vodu

  • Při 0°C =2,51 MJ∙kg-1
  • Při 100°C =2,25MJ∙kg-1

 

Kapalnění (kondenzace) je obrácený děj k vypařování, tedy přeměna plynného skupenství na kapalné.

Skupenské teplo kondenzační (Lv) uvolňuje látka při kondenzaci.

Kapalina v uzavřené nádobě se vypařuje tak dlouho, dokud nenastane rovnovážný stav mezi kapalinou a vzniklou látkou. Tj. stav dynamické rovnováhy, kdy počet molekul opouštějících kapalinu za jednotku času je stejný jako počet molekul, které do ní vstupují za jednotku času. Objem kapaliny poté zůstává stejný.

 

VAR

Var je jev, při kterém se kapalina vypařuje nejen na volném povrchu, ale také uvnitř svého objemu. Projevuje se vytvářením bublin syté páry uvnitř kapaliny, stále se zvětšují a vystupují k volnému povrchu. Přijímá-li kapalina teplo, var nastává při určité teplotě, teplotě varu. Teplota varu roste s vnějším tlakem. Při teplotě varu se tlak uvnitř bublin se rovná tlaku plynu nad volným povrchem kapaliny (při zanedbání kapilárního a hydrostatického tlaku), pára uvnitř se volně rozpíná a bubliny stoupají k hladině.

Měrné skupenské teplo varu se rovná měrnému skupenskému teplu vypařování při teplotě varu dané kapaliny.

 

Závislost teploty varu na tlaku (voda)

  • 0,1 MPa -> tv=100°C
  • 0,2 MPa -> tv=120°C
  • Využití u Papinova hrnce. Zvyšováním teploty v něm roste tlak, a proto se zvyšuje i teplota varu.

 

PÁRA

Hodnoty kritických veličin pro vodu:
TK= 647,3 K
pK= 22,13 MPa
ρK= 315 kg∙m-3

Sytá pára je pára, která je v rovnovážném stavu se svou kapalinou. Vzniká v uzavřeném prostoru nad kapalinou. Tlak syté páry je určen jen její teplotou, nikoli objemem. Zmenšujeme-li objem syté páry při stálé teplotě a tlaku, syté pára kondenzuje zpět na kapalinu. Naopak při zvětšování objemu za stálé teploty a tlaku se pára vypařuje. S rostoucí teplotou tlak páry roste, tuto závislost vyjadřuje křivka syté páry:

A je počáteční bod, přísluší mu nejmenší hodnota TA a tlaku pA, při kterých ještě existuje kapalina a sytá pára v dynamické rovnováze. K je tzv. kritický bod, jemuž odpovídá kritická teplota TK a kritický tlak pK  (také kritická hustota ρK). V tomto stavu mizí rozdíl mezi kapalinou a sytou páru. Při teplotě vyšší než kritická teplota TK nemůže látka existovat v kapalném skupenství. Plyn, který má teplotu vyšší než je kritická teplota, nelze žádným stlačováním zkapalnit.

 

FÁZOVÝ DIAGRAM

Fázový diagram je grafické zobrazení závislosti mezi veličinami určujícími rovnovážný stav soustavy. Obvykle se používají diagramy p-T (tj. závislost tlaku p na teplotě T), p-V (tj. závislost tlaku p na objemu V), T-V (tj. závislost teploty T na objemu V), popřípadě jiné.

KŘIVKA VYPAŘOVÁNÍ, křivka syté páry (kp) znázorňuje rovnovážnou koexistenci kapalného a plynného skupenství téže látky.

KŘIVKA TÁNÍ (kt) znázorňuje rovnovážnou koexistenci kapalné a pevné fáze téže látky.

KŘIVKA SUBLIMAČNÍ (ks) znázorňuje rovnovážnou koexistenci pevného a plynného skupenství téže látky.

TROJNÝ BOD charakterizuje stav, v němž pevné, plynné a kapalné skupenství látky jsou v termodynamické rovnováze a mohou vedle sebe nezměněně existovat

 

Fázový diagram p-T vody

KŘIVKA VYPAŘOVÁNÍ začíná trojným bodem T a končí kritickým bodem K

KŘIVKA TÁNÍ začíná bodem T a pravděpodobně nemá ukončení. Pro vodu má zápornou směrnici, protože teplota tání ledu s rostoucím tlakem klesá.

KŘIVKA SUBLIMAČNÍ končí trojným bodem A

TROJNÝ BOD (A) je určen tlakem (PA)  611Pa a teplotou (TA) 273,15 K = 0°C

 

PŘECHOD K PLAZMATU

Zde není rozhodující, zda první skupenství je plynné, kapalné nebo pevné. Látka se změní kvalitativně v úplně novém směru – uvolní část nebo všechny své elektrony z atomových obalů. Rozhodující přitom není, jak silná ionizace proběhne, ale zda tato ionizace bude mít vliv na kolektivní chování látky. I velmi slabě ionizovaná látka může být plazmatem (například ionosféra), ale na druhou stranu třeba plamen ohně se za plazma obvykle nepovažuje.

Ekvivalentem skupenského tepla zde může být energie potřebná k ionizaci. (Plazma je vysoce ionizovaný plyn při samostatném výboji)

 

ZDROJE:

www.wikipedia.cz

ODMATURUJ z fyziky, DIDAKTIS spol. s.r.o.






—————————————————————————

 Stáhnout práci v PDF  Upozornit na chybu

 Učebnice k maturitě  Maturitní kurzy

 Učebnice k VŠ přijímačkám  Kurzy na přijímačky

—————————————————————————

Další podobné materiály na webu: