DURUM DEĞIŞIKLIKLERI: TÜRLERI VE ÖZELLIKLERI (ÖRNEKLERLE) - KIMYA - 2025

Durum değişiklikleri veya faz, malzemenin fiziksel değişikliklere uğradığı tersinir termodinamik fenomendir. Termodinamik olduğu söylenir çünkü madde ve çevre arasında bir ısı transferi meydana gelir; ya da aynı şey, madde ve enerji arasında parçacıkların yeniden düzenlenmesine neden olan etkileşimler vardır.

Durum değişikliğine uğrayan parçacıklar ondan önce ve sonra aynı kalır. Basınç ve sıcaklık, bir aşamada veya başka bir aşamada nasıl barındırıldıkları açısından önemli değişkenlerdir. Bir durum değişikliği meydana geldiğinde, iki farklı fiziksel durumda aynı maddeden oluşan iki fazlı bir sistem oluşur.

Durum değişiklikleri. Kaynak: Gabriel Bolívar

Yukarıdaki görüntü, maddenin normal koşullar altında geçirdiği ana durum değişikliklerini göstermektedir.

Mavimsi bir maddenin katı bir küpü, çevresinin sıcaklığına ve basıncına bağlı olarak sıvı veya gaz haline gelebilir. Kendi başına tek bir aşamayı temsil eder: katı. Ancak erime, yani erime anında füzyon denen katı-sıvı dengesi kurulur (mavimsi küp ile damla arasında kırmızı ok).

Füzyonun oluşması için küpün çevresinden ısıyı emmesi ve sıcaklığını artırması gerekir; bu nedenle endotermik bir süreçtir. Küp tamamen eridikten sonra tek bir aşamaya geri döner: sıvı haldeki evre.

Bu mavimsi damla ısıyı emmeye devam edebilir, bu da sıcaklığını artırır ve gaz kabarcıklarının oluşmasına neden olur. Yine iki aşama vardır: biri sıvı diğeri gaz. Sıvının tamamı kaynama noktasından buharlaştığında, kaynadığı veya buharlaştığı söylenir.

Şimdi mavimsi damlalar bulutlara dönüştü. Şimdiye kadar tüm süreçler endotermikti. Mavimsi gaz ısınana kadar ısıyı emmeye devam edebilir; ancak karasal koşullar göz önüne alındığında, soğuma ve tekrar sıvıya yoğunlaşma (yoğunlaşma) eğilimindedir.

Öte yandan, bulutlar doğrudan katı bir faz üzerinde de birikerek yine katı küpü oluşturabilir (biriktirme). Bu son iki süreç ekzotermiktir (mavi oklar); yani çevreye veya çevreye ısı yayarlar.

Yoğunlaşma ve birikmeye ek olarak, mavimsi damla düşük sıcaklıklarda donduğunda (katılaşma) bir durum değişikliği meydana gelir.

Durum değişikliği türleri ve özellikleri

Resim, maddenin üç (en yaygın) durumu için tipik değişiklikleri göstermektedir: katı, sıvı ve gaz. Kırmızı okların eşlik ettiği değişiklikler, ısı emilimini içeren endotermiktir; mavi oklarla birlikte olanlar ekzotermik iken, ısı yayarlar.

Bu değişikliklerin her birinin kısa bir açıklaması aşağıda, moleküler ve termodinamik muhakemeden bazı özelliklerinin altını çizecek şekilde yapılacaktır.

- Füzyon

Füzyon, bir maddenin katı halden sıvıya geçmesidir.

Katı halde, parçacıklar (iyonlar, moleküller, kümeler, vb.), Uzayda serbestçe hareket edemeden sabit konumlarda bulunan "tutuklulardır". Bununla birlikte, farklı frekanslarda titreşebilirler ve çok güçlüyse, moleküller arası kuvvetler tarafından empoze edilen titiz düzen "parçalanmaya" başlayacaktır.

Sonuç olarak, iki faz elde edilir: Biri partiküllerin kapalı kaldığı (katı) ve diğeri onları ayıran mesafeleri artırmaya yetecek kadar daha serbest oldukları (sıvı) olduğu yerler. Bunu başarmak için katının ısıyı emmesi gerekir ve bu nedenle parçacıkları daha büyük bir kuvvetle titreşir.

Bu nedenle füzyon endotermiktir ve başladığında katı-sıvı fazları arasında bir denge oluştuğu söylenir.

Bu değişikliği meydana getirmek için gereken ısı, ısı veya füzyon molar entalpisi (ΔH _Fus ) olarak adlandırılır. Bu, katı haldeki bir mol maddenin erimek için emmesi gereken ısı miktarını (enerji, esas olarak kJ cinsinden) ifade eder ve sadece sıcaklığını yükseltmez.

Kartopu

El ile eriyen kar. Kaynak: Pixabay

Bunu akılda tutarak, elde bir kartopunun neden eridiği anlaşılır (üst resim). Kar, vücut ısısını emer, bu da karın sıcaklığını 0 ° C'nin üzerine çıkarmak için yeterlidir.

Karda bulunan buz kristalleri, erimek ve su moleküllerinin daha dağınık bir yapıya kavuşması için yeterli ısıyı emer. Kar erirken, elde edilen tüm ısı kar tarafından erimesini tamamlamak için kullanıldığından, oluşan su sıcaklığını artırmayacaktır.

- Buharlaştırma

Buharlaşma, bir maddenin halinin sıvı halden gaz haline geçmesidir.

Su örneğiyle devam edersek, şimdi de bir tencereye bir avuç kar koyup ateşi yakarak karın hızla eridiği görülüyor. Su ısındıkça, içinde küçük karbondioksit kabarcıkları ve diğer olası gaz halindeki safsızlıklar oluşmaya başlar.

Kaynayan su. Kaynak: Pixabay

Isı moleküler olarak suyun düzensiz konfigürasyonlarını genişletir, hacmini genişletir ve buhar basıncını arttırır; bu nedenle, artan buharlaşmanın bir sonucu olarak yüzeyden kaçan birkaç molekül vardır.

Sıvı su, yüksek özgül ısısı (4,184J / ° C ∙ g) nedeniyle sıcaklığını yavaşça artırır. Emdiği ısının artık sıcaklığını yükseltmek için değil, sıvı-buhar dengesini başlatmak için kullanıldığı bir nokta gelir; yani kaynamaya başlar ve tüm sıvı, ısıyı emerek ve sıcaklığı sabit tutarken gaz haline geçecektir.

Burada kaynamış suyun yüzeyindeki yoğun köpürmeyi görüyorsunuz (üstteki resim). Sıvı suyun emdiği ısıya, yeni başlayan kabarcıklarının buhar basıncının dış basınca eşit olması, buharlaşma entalpisi (ΔH _Buhar ) olarak adlandırılır.

Baskının rolü

Basınç aynı zamanda durum değişikliklerinde belirleyici bir faktördür. Buharlaşmaya etkisi nedir? Basınç ne kadar yüksekse, suyun kaynatmak için emmesi gereken ısı o kadar büyüktür ve bu nedenle 100 ° C'nin üzerinde buharlaşır.

Bunun nedeni, basınçtaki artışın su moleküllerinin sıvıdan gaz fazına kaçmasını zorlaştırmasıdır.

Düdüklü tencereler bu gerçeği, yiyecekleri suda kaynama noktasının üzerinde bir sıcaklığa ısıtmak için kendi yararlarına kullanırlar.

Öte yandan, vakum veya basınç düşüşü olduğu için sıvı suyun kaynaması ve gaz fazına geçmesi için daha düşük bir sıcaklığa ihtiyacı vardır. Yüksek veya düşük basınçla, su kaynadığında, hal değişimini tamamlamak için ilgili buharlaşma ısısını emmesi gerekir.

- Yoğunlaşma

Yoğuşma, bir maddenin halinin gaz halinden sıvı hale geçmesidir.

Su buharlaştı. Sıradaki ne? Su buharı sıcaklığı hala artabilir ve ciddi yanıklara neden olabilecek tehlikeli bir akım haline gelebilir.

Ancak bunun yerine soğuduğunu varsayalım. Nasıl? Ortama ısı salmak ve ısıyı serbest bırakmak, meydana gelen ekzotermik bir süreçtir.

Isıyı serbest bırakarak, çok enerjik gaz halindeki su molekülleri yavaşlamaya başlar. Ayrıca, buharın sıcaklığı azaldıkça etkileşimleri daha etkili hale gelir. İlk olarak, buhardan yoğunlaşan su damlacıkları oluşacak ve ardından yerçekimi tarafından çekilecek daha büyük damlalar oluşacaktır.

Belirli bir miktardaki buharı tamamen yoğunlaştırmak için, aynı enerjiyi ΔH _Buharında zıt işaretle serbest bırakmanız gerekir ; yani, yoğunlaşma entalpisi ΔH _Cond . Böylece ters buhar-sıvı dengesi sağlanmış olur.

Nemli pencereler

Su yoğunlaşması. Kaynak: Pexels

Evlerin pencerelerinde yoğuşma görülebilir. Soğuk bir iklimde, evin içinde bulunan su buharı, malzemesinden dolayı diğer yüzeylere göre daha düşük bir sıcaklığa sahip olan pencere ile çarpışır.

Burada, buhar moleküllerinin bir araya toplanması ve elle kolayca çıkarılabilen ince beyazımsı bir tabaka oluşturması daha kolaydır. Bu moleküller ısı saldıkça (camı ve havayı ısıtarak), ilk damlalar yoğunlaşana kadar (üstteki resim) daha çok sayıda küme oluşturmaya başlarlar.

Damlalar çok büyüdüğünde, pencereden aşağı kayar ve bir su izi bırakırlar.

- Katılaşma

Katılaşma, bir maddenin halinin sıvı halden katı hale geçmesidir.

Katılaşma, soğumanın bir sonucu olarak meydana gelir; başka bir deyişle su donar. Donmak için su, buzun eritmek için emdiği aynı miktarda ısıyı serbest bırakmalıdır. Yine, bu ısı, katılaşma veya donma entalpisi, ΔH _Cong (-ΔH _Fus ) olarak adlandırılır.

Su molekülleri soğudukça enerji kaybederler ve moleküller arası etkileşimleri daha güçlü ve daha yönlü hale gelir. Sonuç olarak, hidrojen bağları sayesinde düzenlenirler ve sözde buz kristalleri oluştururlar. Buz kristallerinin büyümesini sağlayan mekanizmanın görünümleri üzerinde etkisi vardır: şeffaf veya beyaz.

Buz heykel. Kaynak: Pixabay

Buz kristalleri çok yavaş büyürse, düşük sıcaklıklarda suda çözünen gazlar gibi yabancı maddeleri tıkamazlar. Böylece, kabarcıklar kaçar ve ışıkla etkileşime giremez; ve sonuç olarak, olağanüstü bir buz heykelininki kadar şeffaf bir buzunuz var (üstteki resim).

Buzda olanla aynı şey, soğuyarak katılaşan başka herhangi bir maddede de olabilir. Muhtemelen bu, birkaç polimorf elde edilebildiğinden, karasal koşullardaki en karmaşık fiziksel değişikliktir.

- Süblimasyon

Süblimleşme, bir maddenin katı halden gaz haline geçmesidir.

Su yüceltilebilir mi? Hayır, en azından normal koşullar altında değil (T = 25 ° C, P = 1 atm). Süblimleşmenin, yani katı halden gaza geçişin gerçekleşmesi için katının buhar basıncının yüksek olması gerekir.

Benzer şekilde, moleküller arası kuvvetlerinin, tercihen sadece dispersiyon kuvvetlerinden oluşuyorlarsa, çok güçlü olmaması esastır.

En sembolik örnek katı iyottur. Grimsi-mor tonlara sahip kristal bir katıdır ve yüksek buhar basıncı sunar. Böyle bir durumda, ısıtmaya maruz kaldığında hacmi ve genişlemesi farkedilir hale gelen mor bir buhar açığa çıkar.

İyot süblimasyonu. Kaynak: Belkina NV, Wikimedia Commons'tan

Yukarıdaki görüntü, katı iyodun bir cam kapta buharlaştırıldığı tipik bir deneyi göstermektedir. Mor buharların nasıl yayıldığını gözlemlemek ilginç ve çarpıcıdır ve başlatılan öğrenci sıvı iyot olmadığını doğrulayabilir.

Süblimleşmenin temel özelliği budur: sıvı faz yoktur. Aynı şekilde, katı, dış basınca eşit olana kadar buhar basıncını arttırmak için ısıyı emdiği için endotermiktir.

- Biriktirme

İyot kristallerinin birikmesi. Kaynak: Stanislav.nevyhosteny, Wikimedia Commons'tan

Biriktirme, bir maddenin halinin gaz halinden katı hale geçmesidir.

İyot süblimasyon deneyine paralel olarak birikmesi de var. Biriktirme, ters değişim veya geçiştir: madde, sıvı bir faz oluşmadan gaz halinden katıya geçer.

Mor iyot buharları soğuk bir yüzeyle temas ettiğinde, onu ısıtmak için ısı açığa çıkarırlar, enerji kaybederler ve moleküllerini grimsi-mor katı halinde yeniden gruplandırırlar (üstteki resim). O zaman ekzotermik bir süreçtir.

Biriktirme, karmaşık tekniklerle metal atomları ile katkılandıkları malzemelerin sentezinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Yüzey çok soğuksa, onunla buhar parçacıkları arasındaki ısı alışverişi ani olur ve ilgili sıvı fazdan geçişi atlar.

Biriktirme ısısı veya entalpisi (çökelme değil), süblimasyonun tersidir (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). Teorik olarak, birçok madde süblimleştirilebilir, ancak bunu başarmak için, elinizde P'ye karşı T diyagramlarına sahip olmanın yanı sıra, basınçları ve sıcaklıkları da manipüle etmek gerekir; ki, uzak olası aşamaları görselleştirilebilir.

Diğer durum değişiklikleri

Onlardan bahsedilmemesine rağmen, maddenin başka halleri de var. Bazen "her birinden biraz" almaları ve dolayısıyla bunların bir kombinasyonu olmaları ile karakterize edilirler. Bunları oluşturmak için, basınçlar ve sıcaklıklar çok pozitif (büyük) veya negatif (küçük) büyüklüklere ayarlanmalıdır.

Bu nedenle, örneğin, gazlar aşırı derecede ısıtıldığında, elektronlarını kaybedecekler ve bu negatif dalgadaki pozitif yüklü çekirdekleri, plazma olarak bilinen şeyi oluşturacaktır. Elektrik iletkenliği yüksek olduğu için "elektrik gazı" ile eş anlamlıdır.

Öte yandan, sıcaklıklar çok düştüğünde madde beklenmedik şekillerde davranabilir; yani, mutlak sıfır (0 K) civarında benzersiz özellikler sergilerler.

Bu özelliklerden biri süperakışkanlık ve süperiletkenliktir; yanı sıra, tüm atomların tek gibi davrandığı Bose-Einstein yoğunlaşmalarının oluşumu.

Hatta bazı araştırmalar fotonik maddeye işaret ediyor. İçlerinde elektromanyetik radyasyon parçacıkları, fotonlar, fotonik moleküller oluşturmak için bir araya gelirler. Yani teorik olarak ışık cisimlerine kütle veriyor olacaktı.

Referanslar

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 Kasım 2018). Maddenin Halleri Arasındaki Faz Değişimlerinin Listesi. Kurtarıldı: thinkco.com
2. Vikipedi. (2019). Maddenin durumu. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
3. Dorling Kindersley. (2007). Durumları değiştirme. Kurtarıldı: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Faz Değişimi: Buharlaşma, Yoğunlaşma, Donma, Erime, Süblimasyon ve Biriktirme. Ders çalışma. Study.com'dan kurtarıldı
5. Bagley M. (11 Nisan 2016). Madde: Tanımı ve Maddenin Beş Hali. Elde edildi: lifecience.com
6. Whitten, Davis, Peck ve Stanley. (2008). Kimya. (8. baskı). CENGAGE Öğrenme.