Guherînên fazê: xêzikên germkirinê, zexta buharê û diyagramên fazê

Çima germahî di dema helîn û kelandinê de disekine

Blokeke qeşayê bi rêjeyeke domdar germ bike û germahiya wê tomar bike, û tu xêzikeke germkirinê distînî. Germahî bilind dibe, dema qeşa dihele li 0 °C disekine, dîsa bilind dibe, paşê dema av dikele li 100 °C disekine. Li ser beşên rast, enerjî diçe ji bo veqetandina molekulan li hember kişandinên wan ên navmolekulî, ne ji bo bileztir livandina wan, ji ber vê yekê germahî naguhere heta ku guherîna fazê temam bibe.

Her du cureyên beşê du hevkêşeyên cuda hewce dikin. Di nav fazekê de, q = m × c × ΔT, ku c germa taybet e. Di dema guherîneke fazê de di germahiya sabît de, q = n × ΔH, ku ΔH entalpiya molar a helînê an buharbûnê ye. Helîn, buharbûn û sublîmasyon endotermîk in. Qerisîn, kondensasyon û depozîsyon heman mîqdarên enerjiyê azad dikin, ji ber vê yekê nirxên wan ên ΔH nîşana berovajî hene.

Mînaka çareserkirî: germkirina qeşayê heta buhara avê

Çiqas germ 40.0 g qeşaya di −15.0 °C de dike buhara avê ya di 100.0 °C de? Dane: germên taybet ên 2.093 J/(g·°C) ji bo qeşayê û 4.184 J/(g·°C) ji bo ava şilav (Tabloya 5.1 ya OpenStax); ΔHfus = 6.01 kJ/mol di 0 °C de û ΔHvap = 40.67 kJ/mol di 100 °C de (OpenStax beşa 10.3). Mîqdara avê n = 40.0 g ÷ 18.015 g/mol = 2.220 mol e.

Gava 1, qeşayê germ bike: 40.0 × 2.093 × 15.0 = 1256 J, an 1.26 kJ. Gava 2, wê bihelîne: 2.220 mol × 6.01 kJ/mol = 13.3 kJ. Gava 3, şilavê ji 0 °C heta 100 °C germ bike: 40.0 × 4.184 × 100.0 = 16 736 J, an 16.7 kJ. Gava 4, wê bikelîne: 2.220 mol × 40.67 kJ/mol = 90.3 kJ. Tevahî: 1.26 + 13.3 + 16.7 + 90.3 = 122 kJ, heta sê reqemên girîng.

Kelandin nêzîkî 74 ji sedî ya tevahiyê pêk tîne, ji pênc carî germa ku ji bo germkirina şilavê di nav 100 pileyan re hewce ye zêdetir. Nirxa ΔHvap di germahiya ku kelandin lê çêdibe de bi kar bîne. Di 25 °C de, ΔHvap ya avê 44.01 kJ/mol e, û bikaranîna wê hejmarê li vir dê gava 4 bi nêzîkî 8 ji sedî zêde nîşan bide.

Zexta buharê û hevkêşeya Clausius–Clapeyron

Di konteynireke girtî de, şilavek dibe buhar heta ku rêjeya kondensasyonê bi wê re li hev tê. Zexta buharê di wê xalê de zexta buharê ye, û ew bi germahiyê re bi tundî bilind dibe. Şilavek dikele dema zexta wê ya buharê bi zexta li ser wê re wekhev dibe, ji ber vê yekê xala kelandinê ya normal ew germahî ye ku tê de zexta buharê digihîje 1 atm.

Forma du-xalî ya hevkêşeya Clausius–Clapeyron du zextên buharê bi entalpiya buharbûnê ve girê dide: ln(P₂/P₁) = (ΔHvap/R)(1/T₁ − 1/T₂), bi R = 8.314 J/(mol·K) û germahiyên bi kelvinan. Ew texmîn dike ku ΔHvap di nav rêzeyê de sabît e, ji ber vê yekê li ser navberên germahiyê yên nermtir çêtirîn dixebite.

Mînaka çareserkirî 1. Tabloya 9.2 ya OpenStax zexta buharê ya avê wekî 17.5 torr di 20 °C de û 149.4 torr di 60 °C de dide. ln(149.4/17.5) = 2.144, û 1/293.15 K − 1/333.15 K = 4.096 × 10⁻⁴ K⁻¹. ΔHvap = (8.314 × 2.144) ÷ 4.096 × 10⁻⁴ = 4.35 × 10⁴ J/mol, an 43.5 kJ/mol. Ev navîniyek e li ser 20 °C heta 60 °C. Ew di navbera nirxên di 25 °C (44.01) û di 100 °C (40.67) de ye, wekî ku divê.

Mînaka çareserkirî 2. Dema zexta hewayê 0.800 atm be, av di kîjan germahiyê de dikele? Ji xala kelandinê ya normal dest pê bike, 373.15 K di 1.000 atm de, û ΔHvap = 40.67 kJ/mol bi kar bîne. 1/T₂ = 1/373.15 − (8.314/40 670) × ln(0.800) = 2.7255 × 10⁻³ K⁻¹, ji ber vê yekê T₂ = 366.9 K, an 93.8 °C. Wekî kontrol, 0.800 atm 608 torr e, û navberkirina di navbera 90 °C û 95 °C de di Tabloya 9.2 de jî 93.8 °C dide.

Xwendina herêm, xêz û xalên diyagrameke fazê

Diyagrameke fazê zextê li hember germahiyê xêz dike û nîşan dide ka di bin her koma şertan de kîjan faz aram e. Her herêm yek faz e. Her xêz komeke şertan e ku tê de du faz di hevsengiyê de bi hev re hene: req û şilav li ser xêzika helînê, şilav û gaz li ser xêzika zexta buharê, û req û gaz li ser xêzika sublîmasyonê.

Sê xêz li xala sêqat digihîjin hev, yekane germahî û zexta ku tê de req, şilav û gaz hemû bi hev re hene. Xêzika zexta buharê li xala krîtîk diqede. Li jor germahiya krîtîk, tu zext gazê şilav nake, û madde dibe fluîdeke superkrîtîk bi taybetmendiyên di navbera yên şilavekê û gazekê de.

Ji bo bikaranîna diyagramê, şertên destpêkê bibîne û li ser rêya ku pirsgirêk vedibêje biçe. Germkirin di zexta sabît de xeteke asoyî ye ji çepê ber bi rastê, û her sînorê ku derbas dike guherîneke fazê ye. Tengkirin di germahiya sabît de xeteke stûnî ye ku ber bi jor ve diçe. Xeteke asoyî ya ku di bin zexta xala sêqat de hatiye xêzkirin tenê xêzika sublîmasyonê derbas dike, ji ber vê yekê req rasterast dibe gaz.

Xêza helînê ya paşverû ya avê û xala sêqat a bilind a qeşaya hişk

Xala sêqat a avê di 0.01 °C û 0.0061 bar de ye (NIST Chemistry WebBook), ku nêzîkî 0.0060 atm e. Xala wê ya krîtîk di 374 °C û 218 atm de ye (OpenStax beşa 10.4). Bi awayekî neasayî, xêza wê ya req–şilav hinekî ber bi çepê ve xwar dibe: bilindkirina zextê xala helînê hinekî nizm dike, ji ber ku qeşa ji ava şilav kêmtir tîr e û zext faza tîrtir tercîh dike. Piraniya maddeyan xwarbûna berovajî hene.

Xala sêqat a karbondîoksîdê di 216.58 K (−56.57 °C) û 5.185 bar de ye, ku 5.12 atm e (NIST Chemistry WebBook). Ji ber ku ew zext li jor 1 atm e, CO₂ ya şilav nikare di hewaya vekirî de hebe. Di 1 atm de, CO₂ ya req (qeşaya hişk) li şûna helînê sublîme dibe. Xala wê ya krîtîk, 31.0 °C û 73.8 bar, têra xwe nizm e ku CO₂ ya superkrîtîk di pîşesaziyê de wekî çareserker tê bikaranîn, bo nimûne ji bo rakirina kafeînê ji dendikên qehweyê.

Mînaka çareserkirî 3. Germahiya ku tê de qeşaya hişk di 1 atm (1.01325 bar) de sublîme dibe texmîn bike, ji xala sêqat û entalpiya sublîmasyonê dest pê bike, ΔHsub = 26.1 kJ/mol (NIST WebBook, nêzîkî 207 K hatiye pîvandin). Hevkêşeya Clausius–Clapeyron ji bo xêza req–gaz bi heman awayî wekî ji bo xêza şilav–gaz dixebite. ln(1.01325/5.185) = −1.633. 1/T₂ = 1/216.58 − (8.314/26 100) × (−1.633) = 5.137 × 10⁻³ K⁻¹, ji ber vê yekê T₂ = 194.7 K, an −78.5 °C. Ev bi germahiya sublîmasyonê ya normal a −78.5 °C ku di LibreTexts de hatiye gotin re li hev tê.

Xeletiyên hesabê yên guherîna fazê

Piraniya xeletiyan ji tevlihevkirina her du cureyên beşên xêzika germkirinê an ji şaşiyên yekeyan di hevkêşeya Clausius–Clapeyron de têne. Berî ku tiştekî hesab bikî, xêzikeke daşk a germkirinê bikişîne û her beşê nîşan bike.

• Derxistina gaveke guherîna fazê, an sepandina q = mcΔT li ser deşteke ku ΔT tê de sifir e.
• Bikaranîna germa taybet a ava şilav ji bo qeşayê an ji bo buhara avê. Her faz nirxa xwe heye.
• Tevlihevkirina jûl û kîlojûlan dema berhevkirina gavan. Berî berhevkirinê her tiştî bo yek yekeyê veguherîne.
• Pirkirina ΔH bi graman li şûna molan, an c bi molan li şûna graman, heya ku tu kapasîteyên germê yên molar bi domdarî bi kar neynî.
• Bikaranîna germahiyên Celsius di hevkêşeya Clausius–Clapeyron de. Tenê kelvin dixebitin, ji ber ku hevkêşe 1/T bi kar tîne.
• Bikaranîna R = 0.08206 L·atm/(mol·K) bi ΔH bi jûlan. Bi ΔH bi J/mol, R divê 8.314 J/(mol·K) be.
• Xwendina eksena zextê ya diyagrameke fazê wekî xetî dema ew logarîtmîk e, wekî ku pir caran ji bo CO₂ ye.