CANVIS D'ESTAT: TIPUS I LES SEVES CARACTERÍSTIQUES (AMB EXEMPLES) - QUIMICA - 2026

Els canvis d'estat o de fase són un fenomen termodinàmic on la matèria experimenta canvis físics reversibles. Es diu que és termodinàmic perquè ocorre una transferència de calor entre la matèria i els voltants; o el que és igual, hi ha interaccions entre la matèria i l'energia que indueixen un reordenament de les partícules.

Les partícules que experimenten el canvi d'estat segueixen sent les mateixes abans i després de la mateixa. La pressió i la temperatura són variables importants en com aquestes s'acomoden en una fase o en una altra. Quan esdevé un canvi d'estat, es forma un sistema bifàsic, conformat per la mateixa matèria en dos estats físics diferents.

Canvis d'estat. Font: Gabriel Bolívar

A la imatge superior es mostren els principals canvis d'estat que experimenta la matèria en condicions normals.

Una galleda sòlid d'una substància blavosa pot tornar-se líquid o gasós depenent de la temperatura i la pressió dels seus voltants. Per si sol representa una sola fase: la sòlida. Però, a l'hora de fondre, és a dir, fondre, s'estableix un equilibri sòlid-líquid anomenat fusió (fletxa vermella entre el cub i la gota blaus).

Perquè ocorri la fusió, la galleda necessita absorbir calor dels seus voltants per augmentar la seva temperatura; per tant, es tracta d'un procés endotèrmic. Un cop fos la galleda per complet, es torna a tenir una sola fase: la de l'estat líquid.

Aquesta gota blavosa pot continuar absorbint calor, la qual cosa augmenta la seva temperatura i dóna lloc a la formació de bombolles gasoses. Novament, hi ha dues fases: una líquida i l'altra gasosa. Quan tot el líquid s'ha evaporat a través del seu punt d'ebullició, es diu llavors que ha bullit o s'ha vaporitzat.

Ara, les gotes blavoses es van transformar en núvols. Fins aquí, tots els processos han estat endotèrmics. El gas blavós pot continuar absorbint calor fins escalfar-se; però, donades les condicions terrestres, aquest per contra tendeix a refredar-se i condensar novament en el líquid (condensació).

D'altra banda, els núvols poden també dipositar directament en una fase sòlida, formant una altra vegada la galleda sòlid (deposició). Aquests dos últims processos són exotèrmics (fletxes blaves); és a dir, alliberen calor a l'entorn o als voltants.

A més de la condensació i deposició, es dóna un canvi d'estat quan la gota blavosa es congela a baixes temperatures (solidificació).

Tipus de canvis d'estat i les seves característiques

A la imatge es mostren els canvis típics per als tres estats (més comuns) de la matèria: sòlid, líquid i gasós. Els canvis acompanyats per les fletxes vermelles són endotèrmics, impliquen l'absorció de calor; mentre que els acompanyats per les fletxes blaves són exotèrmics, alliberen calor.

A continuació es farà una breu descripció de cada un d'aquests canvis, ressaltant algunes de les seves característiques des d'un raonament molecular i termodinàmic.

- Fusió

La fusió és el canvi d'estat d'una substància des de l'estat sòlid a el líquid.

En l'estat sòlid les partícules (ions, molècules, clústers, etc.) es troben "presoneres", situades en posicions fixes de l'espai sense poder-se moure amb llibertat. No obstant això, són capaços de vibrar a diferents freqüències, i si aquestes són molt forts, començarà a "enfonsar" el rigorós ordre imposat per les forces intermoleculars.

Com a resultat, s'obtenen dues fases: una on les partícules continuen confinades (sòlid), i una altra on són més lliures (líquid), prou per augmentar les distàncies que les separen entre si. Per aconseguir això, el sòlid ha d'absorbir calor, i així les seves partícules vibraran amb més força.

Per aquesta raó la fusió és endotèrmica, i quan comença es diu que ocorre un equilibri entre les fases sòlid-líquid.

La calor necessària per donar peu a aquest canvi se li crida calor o entalpia molar de fusió (ΔH _Fus). Aquest expressa la quantitat de calor (energia, en unitats de kJ principalment) que ha d'absorbir un mol de substància en estat sòlid per fondre, i no simplement elevar la seva temperatura.

Bola de neu

Fonent neu amb la mà. Font: Pixabay

Amb això en ment, s'entén per què una bola de neu es fon a la mà (imatge superior). La neu absorbeix la calor corporal, el qual és suficient per elevar la temperatura de la neu per sobre dels 0 ° C.

Els cristalls de gel presents a la neu absorbeixen la calor just per fondre i perquè les seves molècules d'aigua adoptin una estructura més desordenada. Mentre la neu es fon, l'aigua formada no augmentarà la seva temperatura, ja que tota la calor de la mà ho aprofita la neu per completar la seva fusió.

- Vaporització

La vaporització és el canvi d'estat d'una substància des de l'estat líquid a l'gasós.

Continuant amb l'exemple de l'aigua, col·locant ara un grapat de neu en una olla i encenent el foc, s'observa que ràpidament la neu es fon. A mesura que l'aigua s'escalfa, al seu interior comencen a formar-se petites bombolles de diòxid de carboni i altres possibles impureses gasoses.

Aigua bullint. Font: Pixabay

La calor dilata molecularment les configuracions desordenats de l'aigua, expandint el seu volum i augmentant la seva pressió de vapor; per tant, hi ha diverses molècules que escapen de la superfície producte de l'evaporació creixent.

L'aigua líquida va augmentant la seva temperatura lentament, a causa del seu alt calor específica (4,184J / ºC ∙ g). Arriba un punt en què la calor que absorbeix ja no l'utilitza per elevar la seva temperatura, sinó per donar inici a l'equilibri líquid-vapor; és a dir, comença a bullir i tot el líquid passarà a l'estat gasós mentre absorbeix calor i manté constant la temperatura.

Aquí és on s'observa el bombolleig intens en la superfície de l'aigua bullida (imatge superior). La calor que absorbeix l'aigua líquida perquè la pressió de vapor de les seves incipients bombolles iguali a la pressió externa, es diu entalpia de vaporització (ΔH _Vap).

El paper de la pressió

La pressió també és determinant en els canvis d'estat. Quin és el seu efecte en la vaporització? Que a major pressió, més gran és la calor que ha d'absorbir l'aigua per bullir, i per tant, es vaporitza per sobre dels 100 ° C.

Això es deu al fet que l'increment de la pressió dificulta la fuita de les molècules d'aigua des de la fase líquida a la gasosa.

Les olles de pressió utilitzen aquest fet al seu favor per escalfar els aliments en aigua a una temperatura per sobre del seu punt d'ebullició.

D'altra banda, a l'haver-hi un buit o disminució de la pressió, l'aigua líquida necessita d'una menor temperatura per bullir i passar a la fase gasosa. Amb molta o poca pressió, a l'hora de bullir l'aigua necessita absorbir el seu respectiu calor de vaporització per completar el seu canvi d'estat.

- Condensació

La condensació és el canvi d'estat d'una substància des de l'estat gasós a l'estat líquid.

L'aigua s'ha vaporitzat. Què segueix? El vapor d'aigua pot augmentar encara la seva temperatura, convertint-se en un corrent perillosa capaç de provocar greus cremades.

No obstant això, en lloc d'això suposem que es refreda. Com? Alliberant calor a l'entorn, i a l'alliberar calor es diu que està passant un procés exotèrmic.

A l'alliberar calor, les molècules gasoses d'aigua molt energètiques comencen a alentir-se. Així mateix, les seves interaccions comencen a ser més efectives a mesura que baixa la temperatura de l'vapor. Primer es formaran gotetes d'aigua, condensades de vapor, seguit de gotes més grans que acaben per ser atretes per la gravetat.

Per condesar completament una quantitat determinada de vapor, necessita alliberar la mateixa energia, però amb signe oposat, a ΔH _Vap; això és, la seva entalpia de condensació ΔH _Cond. Així, es estable l'equilibri invers, vapor-líquid.

finestres humitejades

Condensació d'aigua. Font: Pexels

La condensació pot observar-se en les pròpies finestres de les llars. En un clima fred, el vapor d'aigua contingut dins de la casa topa amb la finestra, la qual pel seu material té menor temperatura que altres superfícies.

Allà, els és més fàcil a les molècules de vapor agrupar-se, creant una fina capa blanquinosa fàcilment removible amb la mà. A mesura que aquestes molècules alliberen calor (escalfant el vidre i l'aire), comencen a formar cúmuls més nombrosos fins a poder condensar les primeres gotes (imatge superior).

Quan les gotes augmenten molt la seva grandària, llisquen per la finestra i deixen un deixant d'aigua.

- Solidificació

La solidificació és el canvi d'estat d'una substància des de l'estat líquid a l'estat sòlid.

La solidificació passa arran de l'refredament; en altres paraules, l'aigua es congela. Per congelar-se, l'aigua ha d'alliberar la mateixa quantitat de calor que absorbeix el gel per fondre. Novament, aquesta calor es diu entalpia de solidificació o congelació, ΔH _Cong (-ΔH _Fus).

A l'refredar-se, les molècules d'aigua perden energia i les seves interaccions intermoleculars es fan més forts i direccionals. Com a resultat, s'ordenen gràcies als seus ponts d'hidrogen i formen els anomenats cristalls de gel. El mecanisme mitjançant el qual creixen els cristalls de gel exerceix un impacte sobre la seva aparença: transparents o blancs.

Escultura de gel. Font: Pixabay

Si els cristalls de gel creixen molt lentament, aquests no oclouen impureses, com els gasos que a baixes temperatures es solubilitzen en l'aigua. Així, les bombolles van escapant i no poden interaccionar amb la llum; i en conseqüència, es té un gel tan transparent com el d'una extraordinària estàtua de gel (imatge superior).

El mateix que passa amb el gel, pot ocórrer amb qualsevol altra substància que solidifiqui per refredament. Potser aquest sigui el canvi físic més complex en condicions terrestres, ja que es poden obtenir diversos polimorfs.

- Sublimació

La sublimació és el canvi d'estat d'una substància des de l'estat sòlid a l'gasós.

Pot l'aigua sublimar? No, al menys no en condicions normals (T = 25 ° C, P = 1 atm). Perquè passi la sublimació, és a dir, el canvi d'estat de sòlid a gas, la pressió de vapor d'el sòlid ha de ser alta.

Així mateix, és indispensable que les seves forces intermoleculars no siguin molt forts, preferiblement si consten només de forces de dispersió

L'exemple més emblemàtic és el iode sòlid. És un sòlid cristal·lí de tonalitats gris-morades, el qual presenta una pressió de vapor elevada. Tal és així, que en l'acte d'ell es desprèn un vapor morat, el volum i expansió es fan notables quan se sotmet a escalfament.

Sublimació de el iode. Font: Belkina NV, from Wikimedia Commons

A la imatge superior es mostra un experiment típic on s'evapora iode sòlid en un recipient de vidre. Resulta interessant i cridaner observar com es difonen els vapors morats, i l'estudiant iniciat pot constatar l'absència de iode líquid.

Aquesta és la principal característica de la sublimació: no hi ha presència d'una fase líquida. Així mateix, és endotèrmica, ja que el sòlid absorbeix calor per augmentar la seva pressió de vapor fins igualar-se a la pressió externa.

- Deposició

Deposició de cristalls de iode. Font: Stanislav.nevyhosteny, from Wikimedia Commons

La deposició és el canvi d'estat d'una substància des de l'estat gasós a l'estat sòlid.

Paral·lel a l'experiment de sublimació de l'iode, es té el de la seva deposició. La deposició és el canvi o transició contrari: la substància passa de l'estat gasós a l'sòlid sense la formació d'una fase líquida.

Quan els vapors morats de iode entren en contacte amb una superfície freda, aquests alliberen calor per escalfar-la, perdent energia i reagrupant-les seves molècules novament en el sòlid gris-morat (imatge superior). Es tracta llavors d'un procés exotèrmic.

La deposició s'usa molt per les síntesis de materials en on es dopen amb àtoms metàl·lics mitjançant tècniques sofisticades. Si la superfície és molt freda, l'intercanvi de calor entre ella i les partícules de vapor és brusc, ometent el pas per la respectiva fase líquida.

La calor o entalpia de deposició (i no depositación) és l'invers a el de la sublimació (ΔH _Sub = - ΔH _Dep). En teoria, nombroses substàncies poden sublimar, però per aconseguir-ho és necessari manipular les pressions i temperatures, a més que ha de tenir a la mà el seu diagrama P vs T; en el qual, poden visualitzar-se els seus distants fases possibles.

Altres canvis d'estat

Encara que no es faci esment d'ells, hi ha altres estats de la matèria. De vegades es caracteritzen per tenir «una mica de cada un», i ser per tant una combinació d'ells. Per generar-los, s'han de manipular les pressions i temperatures a magnituds molt positives (grans) o negatives (petites).

Així, per exemple, si els gasos s'escalfen en gran manera, perdran els seus electrons i els seus nuclis carregats positivament en aquesta marea negativa constituiran el que es coneix com plasma. És sinònim de "gas elèctric", ja que presenta una conductivitat elèctrica alta.

D'altra banda, a l'descendir massa les temperatures, la matèria pot comportar-se de manera insospitades; és a dir, exhibeixen propietats úniques al voltant de l'zero absolut (0 K).

Una d'aquestes propietats és la superfluïdesa i superconductivitat; així com la formació dels condensats de Bose-Einstein, on tots els àtoms es comporten com un de sol.

Fins i tot, algunes investigacions apunten a la matèria fotònica. En elles les partícules de la radiació electromagnètica, els fotons, s'agrupen per a formar molècules fotòniques. És a dir, se li estaria donant massa a uns cossos de llum, teòricament.

referències

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (19 de novembre del 2018). List of Phase Changes Between States of Matter. Recuperat de: thoughtco.com
2. Wikipedia. (2019). State of matter. Recuperat de: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Changing states. Recuperat de: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Phase Change: Evaporació, CONDENSATION, Freezing, Melting, sublimation & Deposition. Study. Recuperat de: study.com
5. Bagley M. (11 d'abril 2016). Matter: Definition & the Five States of Matter. Recuperat de: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Química. (8va ed.). Cengage Learning.