I.12. Transformări de stări de agregare.

• I.12.1. Topirea și solidificarea.
• I.12.2. Vaporizarea și condensarea.
• I.12.3. Sublimarea și desublimarea.

În următoarea schemă sunt definite toate cele șase fenomene care au loc cu schimbarea stării de agregare:

Fenomenele care au loc cu schimbarea stării de agregare se studiază pe perechi, fiecare pereche având două fenomene opuse.

I.12.1. Topirea și solidificarea.

Topirea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare solidă în stare lichidă, prin încălzire.

Solidificarea este fenomenul invers topirii și constă în trecerea unei substanțe din stare lichidă în stare solidă, prin răcire.

👀 Experiment: Cum se topește gheața ?

Materiale necesare:
Gheață, pahar transparent și un termometru (poate fi și de cameră).

Descrierea experimentului:

• Pune în pahar gheață de la congelator.
• Introdu termometrul în gheață .
• Agită continuu cu termometru gheața.
• Urmărește indicațiile termometrului în timp, de la apariția primei picături până la topirea completă a gheții.
• Ce observi ?

  Gheața începe să se topească la 0 °C. Pe parcursul topirii (de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal), temperatura a rămas la 0 °C.

Legile topirii / solificării:

I. Fiecare substanță începe să se topească (să se solidifice) la o anumită temperatură, numită temperatură de topire (notată cu T_t ), care este o constantă de material (o luăm din tabel).

Temperatura de topire a unei substanțe coincide cu temperatura de solidificare (T_s).

T_t = T_s = constantă de material

🔦 Observații la legea I a topirii / solidificării

1. Temperaturile de topire ale substanțelor din tabelul cu constante de material sunt pentru presiuni normale. Pentru marea majoritate a substanțelor la creșterea presiunii, crește și temperatura de topire.

La unele substanțe (apa, fonta, bismutul) temperatura de topire scade la creșterea presiunii. Așa explicăm alunecarea frumoasă a patinatorilor pe gheață.

Presiunea mare exercitată de lamele ascuțite ale patinelor și pe care se distribuie greutatea patinatorilor, face ca gheața să se topească la o temperatură mai mică de 0 °C. De exemplu deși gheața unui patinoar artificial are -5 °C, datorită presiunii mari, aceasta se topește sub muchia patinei, unde apare o peliculă de apă, care facilitează alunecarea patinelor.

2. Există anumite substanțe numite amorfe (care nu au structură cristalină- exemple: ceara, sticla, smoala, cauciucuri, mase plastice), care nu au un punct fix de topire, ele topindu-se într-un anumit interval de temperatură.

3. În timpul topirii (respectiv a solidificării) volumul substanței se modifica astfel: majoritatea substanțelor își măresc volumul la topire și își micșorează volumul la solidificare. Excepții avem la apa, fonta și bismutul, care își măresc volumul la solidificare (aceasta este anomalia apei).

👀 Experiment: Anomalia apei
🔥 Atenție! Nu pune dopul la sticla cu apă când o introduci în congelator, întrucât apa prin dilatare își mărește volumul și poate sparge sticla producând cioburi ce te pot accidenta!

Materiale necesare:
O sticlă, apă de la robinet, congelator.

Descrierea experimentului:

• Umple o sticlă cu apă.
• Introdu sticla în congelator, până îngheață toată apa.
• Ce observi ?

  Apa înghețată a dat pe dinafară.

Concluzia experimentului:
Apa la înghețare (solidificare) și-a mărit volumul (anomalia apei).

🔦 Observație

Apa are un comportament diferit între 0 °C – 4 °C (numită anomalia apei).

În acest interval volumul ei scade, densitatea creşte (la + 4 °C, având densitatea maximă).

Deci pe fundul lacurilor există apă la + 4 °C, ce face posibilă viaţa subacvatică.

Legile topirii / solificării

II. Pe parcursul topirii unei substanțe (de la apariția primei picături până la topirea ultimului cristal) temperatura de topire rămâne constantă, dacă presiunea rămâne constantă.

T_t = constantă, la presiune constantă

I.12.2. Vaporizarea și condensarea.

Vaporizarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare lichidă în stare gazoasă (vapori), prin încălzire.

Condensarea este fenomenul de trecere a unei substanțe din stare gazoasă în stare lichidă, prin răcire. Este fenomenul invers al vaporizării.

Vaporizarea poate avea loc în două moduri:

• Evaporarea este vaporizarea care are loc doar la suprafața lichidului.
• Fierberea este vaporizarea care are loc în toată masa lichidului și începe odată cu apariția primului clocot.

👀 Experiment: Cum grăbim evaporarea?
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
🔥 Atenție, când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!
🔥 Atenție! Alcoolul și acetona sunt substanțe inflamabile și stai departe de sursele de foc când lucrezi cu ele!

Materiale necesare:
Apă, alcool (spirt), acetonă, 3 sticle de ceas, pahar Berzelius, eprubetă, pipetă, trepied cu sită de azbest, spirtieră.

Descrierea experimentului:

• Toarnă în fiecare sticlă de ceas, cu ajutorul pipetei, câte o picătură din cele trei lichide și urmărește ordinea în care cele trei lichide "dispar" din sticlele de ceas.
• Ce observi ?

  Unele lichide se evaporă repede (acetona, alcoolul), altele se evaporă mai încet(apa).

Concluzia experimentului:
Viteza de evaporare depinde de natura lichidelor.

• Pune în cele două vase, care au gura diferită (eprubetă și sticlă de ceas), câte o picătură de alcool.
• Observă ordine evaporării alcoolului din cele două vase.
• Ce observi ?

  Alcoolul din sticla de ceas se evaporă foarte repede, iar cel din eprubetă se evaporă mai greu.

Concluzia experimentului:

Viteza de evaporare pentru același lichid este cu atât mai mare, cu cât suprafața de evaporare (gura vasului) este mai mare.

• Pune în cele două sticle de ceas câte o picătură de alcool.
• Dă deoparte o sticlă de ceas şi flutură cu un carton deasupra celeilalte sticle de ceas. Observă ordinea evaporării alcoolului din cele două vase.
• Ce observi ?

  Primul care se evaporă este alcoolul zvântat, apoi alcoolul care s-a lăsat liber.

Concluzia experimentului:
Prin zvântare sunt înlăturați vaporii de lichid de deasupra lichidului şi, astfel, crește viteza de evaporare.

• Pune pe două sticle de ceas câte o picătură de apă.
• Dă deoparte o sticlă de ceas şi aşază cealaltă sticlă de ceas pe sita de azbest și trepied, încălzind-o în flacăra unei spirtiere. Observă ordinea evaporării apei din cele două vase.
• Ce observi ?

  Cel mai repede se evaporă apa încălzită.

Concluzia experimentului:
Cu cât temperatura unui lichid este mai mare, cu atât el se evaporă mai repede.

Factorii ce influențează viteza de evaporare a unui lichid sunt:

• Natura substanței: unele substanțe (acetona, eterul, benzina, alcoolul etc.), numite lichide volatile se evaporă foarte repede, altele se evaporă mai încet (apa, uleiul).
• Gura vasului (suprafața de evaporare): cu cât este mai mare, evaporarea are loc mai repede.
• Zvântarea (suflarea) grăbește evaporarea, prin înlăturarea vaporilor de deasupra lichidului.
• Temperatura cu cât este mai mare, cu atât evaporarea are loc mai repede.

👀 Experiment: Anestezia locală

Materiale necesare:
Un termometru, vată sau pansament, alcool.

Descrierea experimentului:

• Citește temperatura aerului din cameră cu ajutorul termometrului.
• Înfășoară cu vată (sau pansament) rezervorul termometrului şi picură alcool pe acesta.
• Urmărește indicațiile termometrului până când vata cu alcool se usucă şi citește temperatura indicată de termometru.
• Ce observi ?

  Temperatura termometrului a scăzut.

Concluzia experimentului:
Când un lichid se evaporă el absoarbe căldură din mediul înconjurător (termometru).

Aplicații în viaţa cotidiană

Faptul că evaporarea necesită consum de căldură, adică evaporarea este însoțită de o scădere de temperatură, îşi găsește o serie de aplicații practice :

• stropitul străzilor vara, pentru a se produce o atmosferă mai răcoroasă;
• anestezia locală foloseşte, de asemenea, răcirea prin evaporare – prin răcire nervii locali amorțesc, nu mai transmit senzațiile dureroase la creier şi bolnavul nu mai simte durerea.
• în agricultură, un mijloc pentru reducerea evaporării apei din sol este aratul.

Aplicații în viaţa cotidiană

1. De ce ne răcorește ventilatorul?

Elicea ventilatorului îndepărtează vaporii de apă din jurul corpului nostru, crescând astfel viteza de evaporare a transpirației noastre, care absoarbe căldură la evaporare și ne dă senzația de răcorire.

2. De ce când ieșim din apă, avem senzație de frig?

Când ieșim din apă are loc evaporarea apei care absoarbe căldură de pe corpul nostru și determină scăderea temperaturii corpului.

3. Principiul anesteziei locale: pe o zonă a corpului se aplică un lichid volatil (ex lidocaină).

La evaporare absoarbe căldură, zona se răcește și nervii locali nu mai transmit durerea la creier.

4. Când suportăm mai bine canicula verii, când aerul este uscat sau umed?

Omul suportă mai ușor canicula când aerul este uscat (nu este saturat cu vapori de apă) întrucât transpirația de pe noi se poate evapora mai ușor, absoarbe căldură la evaporare și ne răcorește.

👀 Experiment: Cum fierbe apa?
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
🔥 Atenție, când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Materiale necesare:
Pahar Erlenmeyer cu apă distilată, spirtieră, trepied, sită de azbest, dop cu termometru, cronometru.

Descrierea experimentului:

• Pune paharul cu apă pe sită și trepied.
• Măsoară temperatura inițială a apei.
• Aprinde spirtiera și pornește cronometrul la începerea încălzirii apei.
• Măsoară timpul la fiecare creștere a temperaturii apei cu 10°C și trece datele în următorul tabel:

• Ce observi ?

  Apa începe să fiarbă la 100 °C. Pe parcursul fierberii, temperatura apei rămâne la 100 °C, chiar dacă noi vom continua încălzirea.

• Reprezintă graficul dependenței temperaturii în funcție de timp.

• Fenomenele corespunzătoare fiecărui segment sunt :

  • AB, BC, CD reprezintă evaporarea apei
  • DE reprezintă fierberea apei

Legile fierberii:

I. Fiecare lichid începe să fiarbă la o anumită temperatură numită temperatură de fierbere, T_f care este o constantă de material (tabel).

🔦 Observaţie

Temperaturile de fierbere din tabelul cu constantele de material sunt pentru presiuni normale. La creșterea presiunii, temperatura de fierbere crește. Astfel dacă fierbem apa în vase ermetic închise, ea nu va mai fierbe la 100 °C, ci la 120-140 °C. Pe această proprietate se bazează fierberea rapidă a legumelor tari în oalele sub presiune (oale minune) și sterilizarea instrumentelor medicale în autoclave.

Oala sub presiune

Autoclava

Legile fierberii:

II. Pe parcursul fierberii unui lichid (de la primul clocot până la vaporizarea completă) temperatura de fierbere este constantă, la aceeași presiune.

👀 Experiment: Fierberea apei sub presiune
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
🔥 Atenție, când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!
🔥 Atenție! Fierberea apei la presiuni mari este periculoasă!

Materiale necesare:
Pahar Erlenmeyer cu apă distilată, spirtieră, trepied, sită de azbest, dop cu termometru și tub, dop pentru tub.

Descrierea experimentului:

• Pune paharul cu apă pe sită și trepied și încălzește-l la spirtieră.
• Pune dopul la gura tubului gâtuind ieșirea vaporilor din vas pentru a mări presiunea la suprafața apei.
• Observă la ce temperatură fierbe apa.
• Ce observi ?

  Apa fierbe la o temperatură mai mare decât temperatura ei de fierbere (103 °C).

Concluzia experimentului:
La creșterea presiunii crește și temperatura de fierbere a apei.

👀 Experiment: Poate apa să fiarbă la 60 °C?
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
🔥 Atenție, când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!

Materiale necesare: apă caldă la 60 °C, seringă cu tub, termometru.

Descrierea experimentului:

• Trage apa caldă (la 60 °C) în seringă.
• Întoarce seringa cu tubul în sus și elimină aerul din seringă și tub.
• Închide tubul prin îndoirea lui.
• Trage pistonul seringii în jos pentru a micșora presiunea deasupra apei.
• Observă ce se întâmplă cu apa din seringă.
• Ce observi ?

  Apa fierbe la 60 °C.

Concluzia experimentului:
La scăderea presiunii scade și temperatura de fierbere a apei.
Pe vârful Everest (8848 m) apa fierbe la 69 °C. În vid (presiune atmosferică zero) apa poate fierbe la 0 °C.

👀 Experiment: Condensarea apei

Materiale necesare:
Pahar, congelator.

Descrierea experimentului:

• Ia un pahar curat și uscat și pune-l la congelator, timp de 10-15 minute.
• Scoate paharul din congelator.
• Ce observi pe pereții săi după câteva minute?

  Pe pereții paharului sunt picături de apă.

Concluzia experimentului:
Apa apărută de nicăieri s-a format prin condensarea vaporilor de apă din cameră, care venind în contact cu pereții reci ai paharului, se răcesc și se transformă în picături mici de apă.

I.12.3. Sublimarea și desublimarea.

Sublimarea este fenomenul de transformare a unei substanțe din stare solidă direct în stare gazoasă, prin încălzire.

Desublimarea este fenomenul invers al sublimării, de transformare a unei substanțe din stare gazoasă (de vapori) direct în stare solidă, prin răcire.

🔦 Observație

Substanțe ca naftalina, camforul, acidul benzoic, iodul, gheaţa și altele au proprietatea de a trece din stare solidă direct în stare de vapori. Și tungstenul din filamentul becului sublimează lent ducând la subțierea filamentului și în final la arderea lui.

👀 Experiment: Sublimarea naftalinei
🔥 Atenție! Acest experiment se efectuează numai în prezența unui adult!
🔥 Atenție! Când lucrezi cu surse de foc ai grijă să ai părul strâns și să nu porți haine cu mâneci largi!
🔥 Atenție, când lucrezi cu apă caldă să nu te arzi!
🔥 Atenție! Naftalina este inflamabilă și trebuie încălzită pe baie de apă fiartă! Naftalina este toxică, deci nu o atinge, nu o gusta și nu inspira vaporii săi!

Materiale necesare:
Naftalină (de la magazinul de chimicale), apă fiartă, un borcan de 800 g, pahar Erlenmeyer cu dop prevăzut cu un tub și termometru, vas cu apă fiartă.

Descrierea experimentului:

• Pune naftalina în pahar într-un strat de un deget și închide-o cu dopul.
• Pune apa într-o cratiță astfel încât nivelul ei să depășească foarte puțin naftalina din pahar (strat de două degete) și fierbe apa.
• Introdu sticla cu naftalină în baia de apă fiartă și urmărește pereții paharului.
• Ce observi ?

  În scurt timp apar cristale de naftalină sub formă de ace pe pereții sticlei.

Concluzia experimentului:
Naftalina prin încălzire a sublimat și s-a transformat în vapori de naftalină. Vaporii de naftalină dând de pereții mai reci ai sticlei au desublimat și s-au transformat în stare solidă, sub formă de cristale aciculare.