úvod
Skupenské premeny poznáme z fyziky. Z pohľadu chémie sú to fázové rovnováhy: voda a jej para v uzavretej fľaši, ľad a voda pri 0 °C. Aj pri nich platí to, čo pri chemickej rovnováhe: oba deje bežia, ale rovnako rýchlo.
teória
Tlak nasýtenej pary a var
Z hladiny kvapaliny neustále unikajú najrýchlejšie molekuly. V uzavretej nádobe sa nad kvapalinou ustáli tlak nasýtenej pary. S teplotou rýchlo rastie: pri 20 °C má voda tlak pary 2,3 kPa, pri 100 °C 101,3 kPa.
Kvapalina vrie, keď sa tlak jej nasýtenej pary vyrovná vonkajšiemu tlaku a bubliny pary môžu vznikať v celom objeme. Preto teplota varu závisí od tlaku:
| Kde | Tlak | Voda vrie pri |
|---|---|---|
| vrchol Mount Everestu | asi 33 kPa | asi 71 °C |
| Lomnický štít | asi 75 kPa | asi 92 °C |
| hladina mora | 101,3 kPa | 100 °C |
| tlakový hrniec | asi 200 kPa | asi 120 °C |
teória
Fázový diagram
Fázový diagram ukazuje, aké skupenstvo má látka pri danej teplote a tlaku. Tri krivky ho delia na oblasti tuhej látky, kvapaliny a plynu:
- krivka varu (kvapalina a plyn),
- krivka topenia (tuhá látka a kvapalina),
- krivka sublimácie (tuhá látka a plyn).
Krivky sa stretnú v trojnom bode, kde sú v rovnováhe všetky tri skupenstvá. Krivka varu končí v kritickom bode. Nad ním sa kvapalina od plynu nedá rozlíšiť a látka je nadkritická tekutina.
vyskúšaj si
Fázový diagram
Na vrchole Mount Everestu je tlak asi 33 kPa. Nastav bod, kde tam voda vrie.
Diagram je zjednodušený, sklon čiary topenia je zveličený, aby bol viditeľný.
Čo je trojný bod?
0 / 0Voda je výnimočná: čiara topenia sa nakláňa doľava. Ľad má menšiu hustotu ako voda, preto tlak podporuje topenie. Väčšina látok, aj CO₂, má čiaru topenia naklonenú doprava.
Zapamätaj si: kvapalina vrie, keď sa tlak jej pary vyrovná tlaku okolia. Pri nižšom tlaku vrie pri nižšej teplote, preto sa v horách varí dlhšie a v tlakovom hrnci rýchlejšie. Fázový diagram ukazuje skupenstvo látky pri danej teplote a tlaku. V trojnom bode sú v rovnováhe všetky tri skupenstvá.
Clausiova-Clapeyronova rovnica
Ako rýchlo rastie tlak pary s teplotou, určuje výparné teplo ΔH:
ln(p₂ : p₁) = −(ΔH / R) · (1/T₂ − 1/T₁)
Graf ln p podľa 1/T je priamka so smernicou −ΔH/R, rovnako ako Arrheniov graf. Pre vodu (ΔH = 43,3 kJ/mol) z bodu varu 100 °C pri 101,3 kPa vychádza pri 33 kPa teplota varu asi 72 °C.
Gibbsov fázový zákon
Koľko veličín môžeme meniť bez toho, aby niektorá fáza zmizla, udáva Gibbsov fázový zákon:
v = k − f + 2
kde k je počet zložiek a f počet fáz. Pre čistú vodu (k = 1):
- v jednej oblasti (f = 1) je v = 2, môžeme meniť teplotu aj tlak,
- na krivke (f = 2) je v = 1, so zvolenou teplotou je tlak daný,
- v trojnom bode (f = 3) je v = 0, teplota aj tlak sú pevné.
Preto trojný bod vody slúžil ako pevný bod pri definícii kelvina.
Nadkritický CO₂
Kritický bod oxidu uhličitého (31 °C, 7,38 MPa) je ľahko dosiahnuteľný. Nadkritický CO₂ preniká do pórov ako plyn a rozpúšťa ako kvapalina. Vyťahuje sa ním kofeín z kávových zŕn a vonné látky z rastlín a po znížení tlaku sa jednoducho odparí bez zvyšku.
rozšírenie Lyofilizácia: sušenie mrazom
Instantná káva, sušené jahody do müsli či niektoré lieky a vakcíny sa sušia mrazom. Najprv sa zmrazia a potom sa v komore zníži tlak pod trojný bod vody. Ľad sublimuje priamo na paru, bez topenia. Potravina si zachová tvar, chuť aj vitamíny a po zaliatí vodou sa rýchlo vráti do pôvodného stavu.
teória
Časté chyby
- „Voda vrie vždy pri 100 °C.“ Len pri tlaku 101,3 kPa.
- „Var a vyparovanie sú to isté.“ Vyparovanie prebieha z hladiny pri každej teplote, var v celom objeme pri teplote varu.
- „Suchý ľad sa topí.“ Pri normálnom tlaku sublimuje.
- „Nad kritickou teplotou sa plyn dá skvapalniť stlačením.“ Nedá, vznikne nadkritická tekutina.
Ako rozpustené látky posúvajú teploty varu a tuhnutia, ukáže lekcia Koligatívne vlastnosti a osmóza.