Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Zapisz jako PDF Udostępnij materiał

Warto przeczytać

Różne stany skupienia materii

W codziennym życiu spotykamy trzy podstawowe stany skupienia materii, tzw. fazy materii. Są to: faza stała, ciekła i gazowa. O własnościach substancji decyduje ułożenie jej cząsteczek i ich wzajemne oddziaływanie.

Cząsteczki ciała stałego silnie się przyciągają i nie mogą się swobodnie przemieszczać, a jedynie drgają wokół swoich położeń równowagi. Ciała stałe występują zwykle w postaci krystalicznej charakteryzującej się regularną budową. Ich cząsteczki lub atomy (molekuły) tworzą tzw. siatkę krystaliczną. Cechą budowy krystalicznej jest tzw. uporządkowanie dalekiego zasięgu, które polega na tym, że ten sam schemat ułożenia molekuł powtarza się wielokrotnie, obejmując cały kryształ.

Ciekawostka

Najmniejszą, powtarzalną część struktury kryształu, zawierającą wszystkie rodzaje cząsteczek, jonów i atomów, które tworzą określoną sieć krystaliczną, nazywa się komórką elementarną. Komórka elementarna ma zawsze kształt równoległościanu. Można pokazać, że istnieje tylko siedem różnych kształtów komórek elementarnych, tzw. układów krystalograficznych. Możesz je obejrzeć na zamieszczonej poniżej rozwijanej grafice.

R2WRvrsDpg0Q5
Układ regularny (sześcienny) - występuje m.in. w soli kamiennej i diamencie, Tytuł nagłówka opis WCAG, Tytuł nagłówka ABCDEF, Tytuł nagłówka
  • Pierwszy element listy
  • Drugi element listy
  • Trzeci element listy

Niektóre ciała stałe występują w stanie amorficznym, czyli bezpostaciowym. Na pierwszy rzut oka, cząsteczki tworzące ciała amorficzne są ułożone w sposób dość przypadkowy, ale po głębszej analizie można w nich zauważyć lokalne uporządkowanie, tzw. uporządkowanie bliskiego zasięgu (Rys. 1.). Przykładami ciał amorficznych są: woski i parafiny, szkło, guma i.in.

R1MlW1TW0orHp
Rys. 1. Na rysunku ukazano różnicę między ciałami krystalicznymi (a) i amorficznymi (b). W obydwu rodzajach ciał stałych obserwujemy uporządkowanie bliskiego zasięgu - atomy niebieskie są zawsze ułożone naprzemiennie z szarymi. W strukturze amorficznej nie są jednak zachowane kąty pomiędzy wiązaniami chemicznymi, przez co nie obserwujemy tam uporządkowania dalekiego zasięgu.

Cząsteczki cieczy oddziałują na siebie siłami przyciągającymi, ale mogą swobodnie się przemieszczać w obrębie cieczy. W cieczy występuje tylko uporządkowanie bliskiego zasięgu.

gazach rozmieszczenie cząsteczek jest chaotyczne i żadne uporządkowanie nie występuje. Cząsteczki gazu są od siebie tak oddalone, że oddziaływania między nimi są pomijalnie małe. Cząsteczki mogą się swobodnie poruszać w całej dostępnej objętości – gaz przyjmuje objętość naczynia, w którym się znajduje.

Topnienie i krzepnięcie

Z codziennych obserwacji wiemy, że przy zwiększaniu temperatury ciała stałe zamieniają się w ciecze, a przy dalszym zwiększaniu temperatury - stają się gazami. Przy oziębianiu występują procesy odwrotne. Gazy przechodzą w stan ciekły, a podczas dalszego spadku temperatury – w stan stały. Przemiany te nazywamy przemianami fazowymiprzemiana fazowaprzemianami fazowymi. Należą do nich: topnienie, wrzenie, skraplanie i krzepnięcie. To, czy określona substancja będzie w stanie stałym, ciekłym czy gazowym, zależy od temperatury i od ciśnienia panującego nad jej powierzchnią.

Zwiększanie temperaturytemperaturatemperatury ciała stałego związane jest ze zwiększaniem się średniej energii kinetycznej cząsteczek wykonujących ruchy drgające. Gdy ta energia osiągnie odpowiednio dużą wartość, zerwane zostają więzy utrzymujące cząsteczki w jednym miejscu i cząsteczki zaczynają się swobodnie przemieszczać. Ciało stałe zamienia się w ciecz, czyli topnieje. Temperaturę, w której zachodzi topnienie nazywamy temperaturą topnienia. Na pokonanie przyciągających sił międzycząsteczkowych potrzebna jest energia. Topnienie jest procesem wymagającym dostarczania ciepła. Podczas procesu topnienia ciała krystalicznego temperatura nie zmienia się. Całe pobierane ciepło zostaje wykorzystane na zerwanie połączeń między cząsteczkami i zwiększenie odległości między nimi. Gdy cząsteczki oddalają się od siebie, zwiększa się energia potencjalna oddziaływań międzycząsteczkowych. Podczas topnienia całe pobrane ciepło zostaje zamienione na energię potencjalną cząsteczek, przy czym ich średnia energia kinetyczna, a więc i temperatura, pozostają stałe.

Z doświadczeń wiadomo, że proces topnienia ciał amorficznych przebiega nico inaczej niż krystalicznych. Dla ciał bezpostaciowych nie można dokładnie określić temperatury topnienia, a jedynie zakres temperatur, w których następuje zmiana fazy stałej w ciekłą. Gdy ich temperatura rośnie, stają się coraz bardziej miękkie i plastyczne, aż w końcu zamieniają się w ciecz. Rys. 2. pokazuje, w jaki sposób zmiany temperatury zależą od czasu podczas topnienia ciała krystalicznego i amorficznego, w sytuacji, gdy do obydwu ciał ciepło jest dostarczane w takim samym, stałym tempie.

RD8N4DLFalH9n
Rys. 2. Zależność temperatury od czasu podczas topnienia przy jednostajnym ogrzewaniu: a) ciała krystalicznego, b) ciała amorficznego (bezpostaciowego).

Ciecz w otoczeniu o temperaturze niższej od temperatury topnienia (na przykład woda wstawiona do zamrażalnika) oddaje ciepło i jej temperatura się zmniejsza. Oznacza to, że cząsteczki cieczy poruszają się coraz wolniej, zmniejsza się ich średnia energia kinetyczna. W końcu energia kinetyczna cząsteczek staje się na tyle mała, że cząsteczki zostają uwięzione, tworząc kryształ. Zjawisko to jest nazywane krzepnięciem. Krzepnięcie ciał krystalicznych zachodzi w stałej temperaturze. Natomiast krzepnięcie ciał amorficznych zachodzi stopniowo w pewnym przedziale temperatur.

Parowanie i skraplanie

Cząsteczki cieczy poruszają się z różnymi prędkościami we wszystkich kierunkach. Jeśli cząsteczka cieczy znajdzie się blisko powierzchni i w wyniku zderzenia z inną cząsteczką uzyska odpowiednio dużą energię kinetyczną, to może przezwyciężyć siły przyciągania od innych cząsteczek cieczy i opuścić ciecz. Parowanie, które zachodzi w każdej temperaturzetemperaturatemperaturze, polega na tym, że z powierzchni cieczy wylatują cząsteczki (Rys. 3.) Cząsteczki opuszczające ciecz mają duże energie kinetyczne i w wyniku parowania średnia energia kinetyczna pozostałych cząsteczek cieczy maleje, czyli obniża się temperatura cieczy.

Rk0kY6l8mLw5H
Rys. 3. Szybkość parowania zależy m.in. od temperatury. Im wyższa temperatura, tym więcej cząsteczek przechodzi z fazy ciekłej do fazy gazowej.

Z wrzeniem mamy do czynienia wtedy, gdy ciecz zamienia się w parę w całej objętości. Wrzenie wody poznajemy po tym, że w całej objętości tworzą się bąble zawierające parę wodną (Rys. 4.).

Rm8RmgzbGY5Ev
Rys. 4. Podczas wrzenia różnej wielkości pęcherzyki wypełnione parą wodną pojawiają się w całej objętości cieczy. [źr.: wikipedia.org]

Wrzenie zachodzi w określonej temperaturze zwanej temperaturą wrzenia. Proces wrzenia wymaga dostarczania energii w formie ciepła. Ciepło to nie powoduje zwiększania się temperatury. Energia jest zużywana na pokonanie przyciągających sił międzycząsteczkowych i zwiększenie energii potencjalnej cząsteczek. Temperatura zaczyna rosnąć dopiero, gdy cała ciecz zamieni się w parę. Wykres ilustrujący zmiany temperatury podczas procesu wrzenia, jest pokazany na Rys. 5.

R159Np2ETjx2s
Rys. 5. Zależność temperatury od czasu podczas wrzenia przy jednostajnym ogrzewaniu substancji.

Skraplanie jest procesem odwrotnym do parowania i polega na zamianie pary w ciecz. Podczas skraplania para oddaje do otoczenia ciepło dokładnie w takiej ilości, jakie pobrała podczas parowania lub wrzenia. Aby doprowadzić do skroplenia pary, należy ją oziębić (Rys. 6.).

R12wl8qabbuCh
Rys. 6. Skraplanie często obserwujemy w życiu codziennym, gdy w zimny dzień para wodna skrapla się na szybie samochodu lub na szkłach okularów. [źr.: pixabay.com]

Słowniczek

przemiana fazowa
przemiana fazowa

(ang.: phase transition) inaczej przejście fazowe - przejście substancji z jednej fazy do innej. Jeśli jest ona związana z wydzielaniem lub pochłanianiem ciepła i zmianą gęstości substancji, to jest to przemiana fazowa pierwszego rodzaju. Przykładem są przejścia fazowe w wodzie (np. topnienie lub wrzenie), podczas których następuje zmiana jej stanu skupienia.

temperatura
temperatura

(ang.: temperature) – miara średniej energii kinetycznej cząsteczek ciała. W układzie SI (Międzynarodowy Układ Jednostek Miar) jednostką miary temperatury jest Kelvin [K]. Skala Kelvina jest skalą bezwzględną, tzn. nie występują w niej wartości ujemne. Temperatura 0 K (zero kelwinów) jest najniższą możliwą temperaturą, jaką może przyjąć jakiekolwiek ciało. W użytku codziennym w Polsce najczęściej spotykaną  jednostką miary temperatury jest stopień Celsjusza [°C]. W celu rozróżnienia obydwu skal temperaturę wyrażoną w kelwinach oznacza się często wielką literą T, zaś temperaturę wyrażoną w stopniach Celsjusza małą literą t. Związek między temperaturą wyrażoną w stopniach Celsjusza i temperaturę wyrażoną w kalwinach ma postać: T[K] = t[°C] + 273,15.