2.1 INTERPRETACIÓ CINÈTICA DELS CANVIS D’ESTAT
En els gasos ideals existeix una dispersió total de les molècules que tendeixen a allunyar-se les unes de les altres, però en el cas dels gasos reals ja es produeix una lleugera atracció entre elles. En els líquids són molt importants les forces atractives entre les unitats elementals que contraresten la tendència a la dispersió. Molt més acusadament ocorre en els sòlids, que només poden vibrar a l’entorn d’una posició d’equilibri.
Com que l’enllaç químic entre les unitats constituents (ions, àtoms, molècules) és particular de cada substància, les temperatures a què es produeix un canvi d’estat també són característiques i pròpies de cada substància a una pressió determinada.
Els canvis d’estat són transformacions físiques de la matèria, ja que només varia la seva estructura. L’energia subministrada, o l’energia que es pren a la matèria, segons l’energia d’enllaç entre les unitats fonamentals, determina el pas d’un estat físic a un altre.
2.2 CALOR ESPECÍFICA DE CANVI D’ESTAT
La calor específica de canvi d’estat d’una substància és la quantitat de calor que cal subministrar a 1 g d’aquesta substància per tal que es produeixi el canvi d’estat sense variar la temperatura. Es tracta d’una propietat característica de cada substància, com també ho són les temperatures de canvi d’estat.
→ Per exemple, la calor específica de fusió (lf) d’una substància és la quantitat de calor que cal subministrar a 1 g de la substància sòlida per tal que es fongui sense variar la temperatura.
S’acostuma a expressar en J/g o cal/g.
RECORDEU: la unitat d’energia en el Sistema Internacional és el Joule (J), però una unitat de calor d’ús molt freqüent és la caloria (cal).
La caloria es defineix com la quantitat de calor que cal aportar a 1 g d’aigua destil·lada per elevar en 1 ºC la seva temperatura (de 14,5 ºC a 15,5 ºC).
1 cal = 4,18 J 1 J = 0,24 cal
En qualsevol procés que impliqui un o més canvis d’estat s’ha de complir sempre el balanç d’energia (primer principi de la termodinàmica). És a dir, la calor total absorbida (QA) ha de ser igual a la calor total cedida (QC):
QA = QC
A la pràctica, per tal de calcular la calor que se subministra o cedeix, caldrà aplicar, segons el cas, una d’aquestes dues expressions possibles:
➲ Quantitat de calor subministrada o cedida per la matèria en un procés d’escalfament o refredament, sense canvi d’estat:
Q = m · Ce · ∆T
on, Q és la quantitat de calor total que intervé en el procés, m és la massa,
Ce és la calor específica,
∆T és l’increment de temperatures.
➲ Quantitat de calor subministrada o cedida per la matèria en un canvi d’estat: Q = m · le
on, Q és la quantitat de calor total que intervé en el procés, m és la massa,
2.3 FUSIÓ I SOLIDIFICACIÓ
LLEIS DE LA FUSIÓ I DE LA SOLIDIFICACIÓ En una substància pura:
La temperatura roman constant mentre dura el procés de fusió o el procés de solidificació. Cada substància, a la pressió normal, té una temperatura de fusió pròpia, que és la mateixa que la temperatura de solidificació. Per a la fusió cal aportar calor i per a la solidificació cal extreure’n.Les unitats elementals d’una substància pura, sòlida i cristal·lina, vibren a l’entorn d’una posició d’equilibri, amb una amplitud de vibració que és funció de la temperatura. Quan s’escalfa un sòlid, l’energia tèrmica subministrada fa que augmenti l’amplitud de les vibracions i, conseqüentment, el sòlid experimenta una dilatació. Tenint en compte les dimensions amb què es treballi, es pot parlar de dilatació lineal (per exemple, en un filferro), dilatació superficial (com seria el cas d’unes planxes metàl·liques) o dilatació cúbica (en un sòlid tridimensional).
→ Als ponts de les autopistes hi ha juntes de dilatació per pal·liar els efectes de les dilatacions a causa de la diferència de temperatures entre l’estiu i l’hivern.
A l’inrevés, en disminuir la temperatura d’un material sòlid, se li pren calor, minva l’amplitud de les vibracions de les unitats fonamentals i el sòlid experimenta una contracció.
Quant a l’explicació cinètica de la fusió, en escalfar una substància sòlida, anirà augmentant progressivament l’amplitud de les vibracions amb la temperatura fins que la vibració serà tan gran que arribarà a vèncer les forces d’enllaç entre les unitats elementals del sòlid i l’estructura cristal·lina es trencarà. La calor subministrada, des d’aquest instant, anirà destruint la xarxa cristal·lina i no augmentarà la temperatura fins que tot el material sòlid hagi passat a l’estat líquid. El pas de sòlid a líquid s’anomena fusió i la temperatura a què es dóna el canvi rep el nom de temperatura de fusió o punt de fusió.
Quan es refreda un material en estat líquid té lloc el fenomen invers. El pas de líquid a sòlid s’anomena solidificació i la temperatura a què es produeix el canvi rep el nom de temperatura de solidificació.
Com és de preveure, la fusió i la solidificació d’un material tindran lloc a una mateixa temperatura.
☞Determinats materials es descomponen abans de fondre’s (per exemple, el sucre, constituït per cristalls moleculars de sacarosa, C12H22O11).
En subministrar calor, en aquests casos, es produeix la descomposició de la substància a una temperatura inferior a la que es produiria la fusió.
La descomposició es dóna quan l’amplitud de les vibracions dels àtoms que constitueixen la molècula és prou intensa com per trencar els enllaços covalents que els uneixen.
Φ L’aigua és especial
En molts casos, un material en estat sòlid ocupa menys volum que en estat líquid. Però no sempre és així. Si una determinada quantitat d’aigua es va refredant, també va disminuint el seu volum, com era de preveure. Però en baixar successivament la temperatura, s’observa que el volum comença a augmentar a partir de 4 ºC. En assolir la temperatura de solidificació, les molècules d’aigua en el gel necessiten més espai per establir tots els enllaços.
Relacioneu els conceptes teòrics amb fenòmens pràctics com ara:
Els esquimals es protegeixen del gel construint-se un iglú.
Rius i llacs glacen per la part superior, en contacte amb l’atmosfera. Els icebergs, que han estat la causa de nombrosos accidents com el del Titànic, suren a l’aigua.
El problema de deixar-se una ampolla en el congelador i, en anar-la a treure, observar que s’ha trencat.
2.4 VAPORITZACIÓ I LIQUACIÓ
LLEIS DE LA VAPORITZACIÓ I DE LA LIQUACIÓ En una substància pura:
La temperatura roman constant mentre dura el procés de vaporitzacióo el procés de liquació.
Cada substància, a la pressió normal, té una temperatura de vaporització pròpia, que és la mateixa que la temperatura de liquació. Per a la vaporització cal aportar calor i per a la liquació cal extreure’n.El pas de líquid a vapor necessita aportació de calor per tal de trencar els enllaços que mantenen les unitats elementals unides. A l’inrevés, la liquació, també anomenada condensació, que és el canvi d’estat de vapor a líquid, dóna calor.
Si el recipient que conté un líquid no és tancat, sempre hi haurà molècules que s’escaparan del líquid per passar a vapor fins a esgotar tot el material líquid. Aquest fenomen es coneix amb el nom d’evaporació. La velocitat d’evaporació depèn dels factors següents:
El tipus de líquid que s’evapora. La temperatura.
La superfície del líquid.
La circulació d’aire sobre la superfície del líquid.
→ Per exemple, la roba estesa s’asseca més de pressa si fa vent i a l’estiu, amb temperatures més altes que a l’hivern.
Si el recipient que conté un líquid és tancat, en anar augmentant progressivament la temperatura, arribarà a donar-se el cas que la pressió de vapor s’equilibri amb la pressió exterior. A aquesta temperatura, el líquid passarà a l’estat vapor de forma confusa i massivament, mentre en quedi en el recipient. Aleshores es diu que el líquid bull, el fenomen es coneix com a ebullició i la temperatura es manté constant mentre quedi líquid per passar a vapor.
La temperatura d’ebullició d’una substància líquida depèn de la pressió exterior i és una propietat característica d’aquesta substància.
→ La calor de vaporització és la quantitat de calor que cal subministrar a 1 g d’una substància líquida per passar-la a l’estat de vapor sense variar la temperatura.
El procés de destil·lació consisteix a escalfar un líquid en un recipient tancat fins a l’ebullició. Els vapors es fan circular per un tub refrigerant on es refreden i, per tant, condensen [Veure figura posterior].
Quan s’escalfa una mescla de substàncies líquides, el líquid de menor temperatura d’ebullició passa amb més facilitat a l’estat vapor. En aquest fet es fonamenta la destil·lació fraccionada.
→ Es tracta d’un excel·lent mètode de separació de substàncies líquides de diferents temperatures d’ebullició.
LA INDÚSTRIA DEL PETROLI aconsegueix separar diferents fraccions resultants de la destil·lació del petroli, segons la seva volatilitat: gasos, èter de petroli, gasolina, querosè, gas-oil, quitrans.
2.5 SUBLIMACIÓ
Normalment, la pressió de vapor dels materials sòlids és molt petita i per aquests motiu quan se’ls escalfa acostumen a fondre’s. Però certes substàncies sòlides tenen pressions de vapor elevades i, en aquests casos, sublimen, és a dir, passen directament de l’estat sòlid a l’estat vapor.
La sublimació directa (de sòlid a vapor) absorbeix calor i la sublimació inversa (de vapor a sòlid) en desprèn.
La sublimació és un bon mètode de purificació d’aquelles substàncies que sublimen amb facilitat. En escalfar suaument la substància, aquesta sublima i queden les impureses en estat sòlid. Posteriorment, es recullen els vapors sobre una superfície freda on es produeix la sublimació inversa i la substància pura cristal·litza novament.
→ Es pot realitzar aquesta experiència, per exemple, amb el iode, sòlid en forma d’escames d’aspecte metàl·lic i que sublima fàcilment.
Τ Hi ha substàncies sòlides d’ús quotidià que sublimen, per exemple: les
pastilles desodorants, la naftalina, avui dia substituïda per les pastilles antiarnes que es posen a la roba, la càmfora, el iode...
Existeixen certes pastisseries i gelateries que disposen d’una màquina que fabrica GEL SEC. Esbrineu en què consisteix i quina és la seva funció.
2.6 DIAGRAMA DE FASES
Si es representen en un mateix diagrama les corbes de les pressions de vapor d’una substància pura, s’obté el diagrama de fases, on queden perfectament definits els seus tres estats físics segons la pressió i la temperatura.
Els punts corresponents a les corbes de separació entre els estats físics corresponen a l’equilibri entre dues fases:
Equilibri líquid – sòlid (fusió i solidificació). Equilibri líquid – vapor (vaporització i liquació). Equilibri sòlid – vapor (sublimació directa i inversa).
En les figures següents es pot observar un diagrama de fases generalitzat d’una substància pura ideal (figura de l’esquerra) i el diagrama de fases de l’aigua (figura de la dreta).
Les corbes de separació d’un diagrama de fases han de coincidir en un punt, anomenat punt triple perquè en el valor particular de la pressió i de la temperatura corresponents a aquest punt han de coexistir els tres estats físics de la substància pura.
Com que el punt triple és un punt concret i fix, això vol dir que en aquestes condicions el sistema és invariant. Evidentment, l’equilibri sòlid-líquid-vapor només es pot donar en aquest punt i, per tant, serà un equilibri inestable.
