10.5 – Tilstandsændringer – kemi.androide.dk

Tilstanden og egenskaberne for gasser, flydende stoffer og faste stoffer, afhænger af typen af tiltrækkende kræfter mellem deres partikler. Stof undergår en tilstandsændring, når stoffet går fra den ene tilstand til en anden tilstand (se figur 10.3).

Smeltning og frysning

Når varme tilføres til et fast stof, bevæger partiklerne sig stærkere. Ved en temperatur kaldet smeltepunktet, er der blevet absorberet nok energi til, at bryde de tiltrækkende kræfter, som for eksempel ionforbindelse eller dipol-dipol tiltrækning, der holder partiklerne sammen til et fast stof; den stive faste struktur, skifter til en tilfældig forbindelse mellem partiklerne i væsken. Stoffet smelter, skifter fra fast form til flydende form. Under en tilstandsændring, forbliver temperaturen for stoffet, konstant.

Smelte og fryseprocesserne er reversible

Hvis temperaturen for en væske sænkes, forløber den omvendte proces. Varme fjernes fra væsken, hvilket for dens partikler til at bevæge sig langsommere. Til sidst, er de tiltrækkende kræfter mellem partiklerne stor nok til, at væsken antager fast form. Stoffet er i gang med at fryse, og skifter fra flydende til fast form, ved stoffets frysepunkt, hvilket er den samme temperatur som smeltepunktet.

Ethvert stof, har sit eget frysepunkt (smeltepunkt). Vand på fast form (is), smelter ved 0 ºC når varme tilføres, og fryser ved 0 ºC når varme fjernes. Guld smelter ved 1.064 ºC når varme tilføres, og fryser ved 1.064 ºC når varme fjernes.

Under en tilstandsændring, er stoffets temperatur konstant. Antag at vi har et glas med is og vand. Isen smelter ved 0 ºC når der tilføres varme, og danner mere væske. Når varme fjernes ved 0 ºC, fryser det flydende vand, og danner mere fast vand (is). Smeltningsprocessen kræver varme; den er endotermisk. Fryseprocessen frigiver varme; den er exotermisk. Smeltning og frysning ved 0 ºC, er reversibel.

Fusionsvarme

Under smeltning, er fusionsvarmen den energi, der skal tilføres, for at omdanne nøjagtig 1 g fast stof til flydende stof, ved smeltepunktet. For eksempel kræves der 334 J varme, for at smelte nøjagtig 1 g is, ved smeltepunktet 0 ºC.

$H_{2} O_{(s)} + 334 J / g \to H_{2} O_{(l)} endotermisk$

Fusionsvarmen (334 J/g), er altså den mængde varme, der skal fjernes for at fryse 1 g vand, ved dets frysepunkt 0 ºC.

$H_{2} O_{(l)} \to + H_{2} O_{(s)} + 334 J / g exotermisk$

Vand sprøjtes sommetider ud over frugtplantager når temperaturen er under frysepunktet. Hvis lufttemperaturen falder til under 0 ºC, begynder vandet at fryse. Fordi varme frigives som vandets molekyler danner fast is, bliver luften opvarmet til over 0 ºC, og beskytter dermed frugterne.

Fusionsvarme for vand

$\frac{\textup{334 J}}{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}\; \, \, \; \; \textup{og}\; \; \; \; \; \frac{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}{\textup{334 J}}$

Fusionsvarmen kan bruges som konverteringsfaktor i beregninger. For eksempel for at afgøre den varme der kræves, for at smelte en prøve af is, hvor massen af isen ganges med fusionsvarmen. Fordi temperaturen forbliver konstant så længe isen smelter, er der ikke nogen temperaturændring opgivet i beregningen, som vist i Opgaveeksempel 10.8.

Beregning af varme for at smelte (eller fryse) vand

$\textup{Varme = masse}\cdot \textup{fusionsvarme}$

$\textup{J = g}\cdot \frac{\textup{334 J}}{\textup{g}}$

Opgaveeksempel 10.8

Fusionsvarme

Isterninger ved 0 ºC, med en masse på 26,0 g, puttes ned i dit saftevand (fusionsvarmen for vand = 334 J/g).

a. Hvor meget varme (joule) bliver absorberet, for at smelte isterningerne?
b. Hvad sker der med temperaturen i dit saftevand? Hvorfor?

Løsning

a. Varmen i joules der kræves for at smelte isen, beregnes på følgende måde:

Trin 1:
Angiv de oplyste mængder og de ønskede mængder.

Trin 2:
Opstil en plan til konvertering af de oplyste mængder til de ønskede mængder.

gram is

joule

Trin 3:
Opstil fusionsvarmefaktoren og de metriske faktorer der behøves.

$\textup{1 g H}_{2}\textup{O}\; (\textup{s}\rightarrow \textup{l})\textup{ = 334 J}$

$\frac{\textup{334 J}}{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}\; \; \; \; \; \textup{og}\; \; \; \; \; \frac{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}{\textup{334 J}}$

Trin 4:
Opstil problemet og beregn den behøvede mængde.

$\textup{26,0 g H}_{2}\textup{O}\cdot \frac{\textup{334 J}}{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}=\textup{8.680 J}$

b. Temperaturen i saftevandet vil falde, da varme fjernes fra saftevandet for at smelte isterningerne.

Fordampning, kogning, og fortætning (kondensation)

Fordampning og fortætning, er reversible processer.

Vand i en mudderpøl forsvinder, uindpakket mad tørre ind, og vådt tøj hængt på en tøjsnor tørrer. Fordampning finder sted, når molekyler af flydende vand med tilstrækkelig energi, undslipper fra væskens overflade og overgår til gasfasen (se figur 10.4a). Tabet af ”varme” molekyler fjerner varme, hvilket afkøler det resterende vand. Ved højere temperaturer, får flere og flere vandmolekyler energi nok, til at fordampe. Ved kogepunktet, har alle molekylerne i en væske, nok energi til at kunne overvinde deres tiltrækkende kræfter, og blive til en gas. Vi kan se kogning af en væske som for eksempel vand, som gasbobler der dannes igennem hele væsken, stiger til overfladen, og undslipper (se figur 10.4b).

Når varme fjernes fra en gas, sker der en omvendt proces. I fortætning (kondensation), omdannes vanddamp tilbage til væske, da vandmolekylerne mister kinetisk energi og mister hastighed. Fortætning sker ved den samme temperatur som kogepunktet, men er forskellig fordi varme fjernes. Du har måske lagt mærke til fortætning når du tager et varmt bad, og dråber af vand, dannes på et spejl. Som et stof mister varme som det fortættes, bliver omgivelserne varmere. Det er grunden til at vi kan bemærke en opvarmning af luften når et uvejr nærmer sig, fordi vandmolekyler på gasform i luften, fortættes til regn.

**Figur 10.4** – (a) Fordampning sker fra overfladen af en væske. (b) Kogning opstår som bobler af gas, der dannes igennem hele væsken.

Fordampningsvarme

Fordampningsvarmen, er den energi der skal tilføres, for at fordampe nøjagtig 1 g af en væske til damp, ved kogepunktet. For vand, behøves der 2.260 J, for at omdanne 1 g vand til damp, ved 100 ºC.

$H_{2} O_{(l)} + 2.260 J / g \to H_{2} O_{(g)} Endotermisk$

Det er også den mængde varme der frigives, når 1 g vanddamp (gas) skifter til væskeform ved 100 ºC. Derfor, er 2.260 J/g også vands kondensationsvarme.

$H_{2} O_{(g)} \to H_{2} O_{(l)} + 2.260 J / g Exotermisk$

Ligesom stoffer har forskellige smelte- og kogepunkter, har de også forskellige fusionsvarme- og fordampningsvarmeværdier (se tabel 10.9). Som det ses i figur 10.5, er fordampningsvarmeværdien højere end fusionsvarmeværdierne.

**Figur 10.5** – For ethvert stof, er fordampningsvarmen større ned fusionsvarmen.

Fordampningsvarmen, kan bruges som en konverteringsfaktor i beregninger.

Fordampningsvarmen for vand

$\frac{\textup{2.260 J/g}}{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}\; \; \; \; \; \textup{og}\; \; \; \; \; \frac{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}{\textup{2.260 J/g}}$

For at finde ud af hvor meget varme der behøves for at kogen en prøve af vand, ganges massen af vandet med fordampningsvarmen. Fordi temperaturen er konstant så længe vandet koger, er der ikke oplyst nogle temperaturændringer i beregningen, som det er vist i Opgaveeksempel 10.9.

Beregning af fordampningsvarme (eller kondensationsvarme) for vand

$\textup{Varme = masse}\cdot \textup{fordampningsvarme}$

$\textup{J = g}\cdot \frac{\textup{2.260 J}}{\textup{g}}$

Opgaveeksempel 10.9

Brug af fordampningsvarme

I en sauna, omdannes 122 g vand til damp, ved 100 ºC. Hvor mange kilojoule varme behøves?

Løsning

Trin 1:
Angiv de oplyste mængder og de ønskede mængder.

Trin 2:
Opstil en plan til konvertering af de oplyste mængder til de ønskede mængder.

gram vand

joule

kilojoule

Trin 3:
Opstil fordsampningsvarmefaktoren og de metriske faktorer der behøves.

$\textup{1 g H}_{2}\textup{O (l}\rightarrow \textup{g) = 2.260 J}\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \textup{1 kJ = 1.000 J}$

$\frac{\textup{2.260 J}}{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}\; \; \; \; \; \textup{og}\; \; \; \; \; \frac{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}{\textup{2.260 J}}\; \; \; \; \; \textup{,}\; \; \; \; \; \frac{\textup{1.000 J}}{\textup{kJ}}\; \; \; \; \; \textup{og}\; \; \; \; \; \frac{\textup{1 kJ}}{\textup{1.000 J}}$

Trin 4:
Opstil opgaven og beregn den ønskede mængde.

$\textup{122 g H}_{2}\textup{O}\cdot \frac{\textup{2.260 J}}{\textup{1 g H}_{2}\textup{O}}\cdot \frac{\textup{1 kJ}}{\textup{1.000 J}}=\textup{276 kJ}$

Opvarmnings- og afkølingskurver

Alle ændringer i tilstandsformen under opvarmning af et fast stof, kan illustreres visuelt. På en opvarmningskurve, er temperaturen vist på den lodrette akse, og tilførslen af varme på den vandrette akse (se figur 10.6).

**Figur 10.6** – En opvarmningskurve viser, hvordan temperaturen stiger, og tilstandsformen ændres, som der tilføres varme.

Trin i opvarmningskurven

Den første diagonale linje, indikerer en opvarmning af det faste stof, som varme tilføres. Når smeltetemperaturen er nået, indikerer en vandret linje, at det faste stof smelter. Når smeltningen finder sted, omdannes det faste stof til et flydende stof, uden nogen ændring i temperaturen (se figur 10.6).

Når alle partiklerne er i den flydende tilstand, vil varme der tilføres, øge temperaturen i det flydende stof. Når det flydende stof når dets kogepunkt, indikerer endnu en vandret linje, at temperaturen forbliver konstant, mens det flydende stof skifter tilstand til en gas. Fordi fordampningsvarmen er højere end fusionsvarmen, er den vandrette linje ved kogepunktet, længere end den vandrette linje ved smeltepunktet. Når alt det flydende stof er blevet til en gas, vil tilførsel af yderligere varme, øge temperaturen på gassen.

Trin i afkølingskurven

En afkølingskurve for vand, illustrerer ændringen i temperatur og tilstandsændringer, som varme fjernes.

En afkølingskurve er et diagram over afkølingsprocessen, der er den modsatte af opvarmningskurven. På kurven, er temperaturen indtegnet på den lodrette akse, og fjernelsen af varme er indtegnet på den vandrette akse. Til at begynde med, indtegnes en vandret linje ved kogepunktet (kondensationspunktet), for at vise at varme fjernes fra et stof, ved at afkøle en gas, indtil den kondenserer. En vandret linje tegnes ved kondensationspunktet (det samme som kogepunktet), for at indikerer at gassen skifter tilstandsform til en væske. Efter alt gassen er omdannet til væske, vil yderligere afkøling, sænke temperaturen. Sænkningen af temperaturen vises som en diagonal linje fra kondensationspunktet til frysepunktet. Ved frysepunktet, indikerer endnu en vandret linje, at væsken skifter tilstandsform til fast stof. Når alt væsken er frosset, vil tab af yderligere varme, sænke temperaturen på det faste stof, til under dets frysepunkt, hvilket er vist som en diagonal linje under dets frysepunkt.

Kombination af energiberegningerne

Indtil nu, har vi beregnet et trin i en opvarmnings- eller afkølingskurve. En opgave kan imidlertid kræve en kombination af de trin, hvor et stof skifter tilstand og den nye tilstand undergår en temperaturændring, efterfulgt af endnu en tilstandsændring. Når temperaturen på et stof ændres, og ikke dets tilstand, kan vi bruge varmeligningen, der indeholder ΔT.

$\textup{Varme (J) = masse (g)}\cdot \textup{temperatur\ae ndring (}\Delta \textup{T)}\cdot \textup{specifik varme}$ $\textup{(J/g}\cdot _{}^{o}\textrm{C})$

Varmen beregnet separat for hvert trin, og resultaterne lægges til sidst sammen, for at få den samlede mængde energi, som de ses i Opgaveeksempel 10.10.

Opgaveeksempel 10.10

Kombination af varmeberegninger

Beregn den samlede mængde energi, i joule, der behøves, for at omdanne 15,0 g flydende ethanol ved 25,0 ºC, til gas ved 78 ºC. Den specifikke varme for ethanol er 2,46 J/g. Fordampningsvarmen for flydende ethanol er 841 J/g (se tabel 10.9)

Løsning

Trin 1:
Angiv de oplyste mængder og de ønskede mængder.

Trin 2:
Opstil en plan til konvertering af de oplyste mængder til de ønskede mængder. Når flere tilstandsændringer opstår, tegn et diagram over opvarmning og tilstandsændring.

Samlet antal joule =

(1) joules for at opvarme ethanol fra 25,0 ºC til 78,0 ºC:

$\textup{joule = masse (g)}\cdot \textup{temperatur\ae ndring (} \Delta \textup{T)}\cdot \textup{specifikvarme (J/g}\cdot_{}^{o}\textrm{C})$

(2) joules for at ændre flydende ethanol til gas ved 78 ºC:

$\textup{joule = masse (g)}\cdot \textup{specifikvarme (J/g}\cdot_{}^{o}\textrm{C})$

Trin 3:
Opstil varmekonverteringsfaktorene der behøves.

$\textup{SV}_{ethanol}=\textup{2,46 J/g}\cdot _{}^{\textup{o}}\textrm{C}\; \textup{1 g ethanol (l}\rightarrow \textup{g) = 841 J}$

$\frac{\textup{2,46 J}}{\textup{g}\cdot _{}^{\textup{o}}\textrm{C}}\; \; \; \; \textup{og} \; \; \; \; \frac{\textup{g}\cdot _{}^{\textup{o}}\textrm{C}}{\textup{2,46 J}}\; \; \; \; \; , \; \; \; \; \; \frac{\textup{841 J}}{\textup{1 g ethanol}}\; \; \; \; \textup{og}\; \; \; \; \frac{\textup{1 g ethanol}}{\textup{841 J}}$

Trin 4:
Opstil opgaven, og beregn de ønskede mængder.

$\Delta T=78,0\; _{}^{\textup{o}}\textrm{C}-25,0\; _{}^{\textup{o}}\textrm{C}=53,0\; _{}^{\textup{o}}\textrm{C}$

Temperaturændring: Varme der behøves, for at opvarme ethanol (flydende) fra 25,0 ºC til 78,0 ºC:

$\textup{15,0 g}\cdot \textup{53,0}\cdot \degree \textup{C}\cdot \frac{\textup{2,46 J}}{\textup{g}\cdot \degree \textup{C}}=\textup{1.960 J}$

Tilstandsændring ved konstant temperatur: Varme der behøves, for at omdanne ethanol (flydende) til ethanol (gas) ved 78,0 ºC:

$\textup{15,0 g ethanol}\cdot \frac{\textup{841 J}}{\textup{1 g ethanol}}=\textup{12.600 J}$

Beregning af den samlede mængde varme:

Sublimation

I en proces kaldet sublimation, ændrer partiklerne sig på en overflade af et fast stof, direkte til en gas, uden temperaturændring, og uden at stoffet gennemgår den flydende fase. I den modsatte proces af sublimation, kaldet desublimation, ændres gas partikler direkte til fast stof.

For eksempel tøris, der er fast kuldioxid, gennemgår sublimation ved -78 ºC. Det kaldes ”tøris” fordi det ikke danner en væske når det opvarmes. I ekstremt kolde områder, smelter sne ikke, men sublimerer direkte til vanddamp. I en frostfri fryser, sublimerer vandet i isen på siderne af fryseren og i den frosne mad, når varm luft cirkuleres i fryseren, under afrimningscyklussen. Når frossen mad efterlades i fryseren i lang tid, sublimerer der så meget vand, at maden, specielt kød, bliver udtørret og skrumper, en tilstand der kaldes frostbrand. Aflejring sker i en fryser, når vanddamp danner iskrystaller på overfladen af fryseposer og frossen mad.

Frysetørret mad, fremstilles ved sublimation.

Frysetørret mad forberedt ved sublimation, er ideelle for langtidsopbevaring, og til camping og vandreture. En fødevare der er blevet frosset, placeres i et vakuumkammer, hvor det udtørrer efterhånden som isen sublimerer. Den tørrede fødevare, bibeholder alle dens næringsmæssige værdier, og behøver kun vand, for at blive spiselig igen. En fødevare der er frysetørret, behøver ikke at blive opbevaret i køleskab, fordi bakterier ikke kan vokse uden vand.

← Frosiden

11. Gasser →