THAY ĐỔI TRẠNG THÁI: CÁC LOẠI VÀ ĐẶC ĐIỂM CỦA CHÚNG (VỚI VÍ DỤ) - HÓA HỌC - 2026

Các thay đổi trạng thái hoặc giai đoạn là nơi phải trải qua liệu những thay đổi vật lý đảo ngược hiện tượng nhiệt động lực học. Nó được cho là nhiệt động lực học vì sự truyền nhiệt xảy ra giữa vật chất và môi trường xung quanh; hoặc tương tự, có những tương tác giữa vật chất và năng lượng gây ra sự sắp xếp lại các hạt.

Các hạt trải qua sự thay đổi trạng thái vẫn giữ nguyên trước và sau nó. Áp suất và nhiệt độ là những biến số quan trọng trong cách chúng được điều chỉnh trong pha này hay pha khác. Khi một sự thay đổi trạng thái xảy ra, một hệ thống hai pha được hình thành, được tạo thành từ cùng một vật chất ở hai trạng thái vật chất khác nhau.

Thay đổi trạng thái. Nguồn: Gabriel Bolívar

Hình ảnh trên cho thấy những thay đổi trạng thái chính mà vật chất trải qua trong điều kiện bình thường.

Một khối rắn của một chất hơi xanh có thể chuyển sang thể lỏng hoặc thể khí tùy thuộc vào nhiệt độ và áp suất của môi trường xung quanh nó. Bản thân nó đại diện cho một pha duy nhất: chất rắn. Nhưng, tại thời điểm nóng chảy, tức là đang tan chảy, một trạng thái cân bằng rắn-lỏng được gọi là nhiệt hạch được thiết lập (mũi tên màu đỏ giữa khối lập phương hơi xanh và giọt nước).

Để xảy ra phản ứng tổng hợp, khối lập phương cần hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh để tăng nhiệt độ của nó; do đó, nó là một quá trình thu nhiệt. Khi khối lập phương bị nung chảy hoàn toàn, nó trở về một giai đoạn duy nhất: đó là trạng thái lỏng.

Giọt hơi xanh này có thể tiếp tục hấp thụ nhiệt, làm tăng nhiệt độ của nó và dẫn đến hình thành các bong bóng khí. Một lần nữa, có hai pha: một chất lỏng và một chất khí. Khi tất cả chất lỏng bay hơi hết nhiệt độ sôi của nó, thì nó được cho là đã sôi hoặc hóa hơi.

Bây giờ những giọt hơi xanh đã biến thành mây. Cho đến nay, tất cả các quá trình đều thu nhiệt. Khí hơi xanh có thể tiếp tục hấp thụ nhiệt cho đến khi nó trở nên nóng; tuy nhiên, với các điều kiện trên cạn, nó có xu hướng nguội đi và ngưng tụ lại thành chất lỏng (ngưng tụ).

Mặt khác, các đám mây cũng có thể lắng đọng trực tiếp trên pha rắn, một lần nữa tạo thành khối rắn (lắng đọng). Hai quá trình cuối cùng này là tỏa nhiệt (mũi tên màu xanh); tức là chúng tỏa nhiệt ra môi trường hoặc môi trường xung quanh.

Ngoài sự ngưng tụ và lắng đọng, sự thay đổi trạng thái xảy ra khi giọt màu xanh lam đông đặc ở nhiệt độ thấp (đông đặc).

Các dạng thay đổi trạng thái và đặc điểm của chúng

Hình ảnh cho thấy những thay đổi điển hình cho ba trạng thái (phổ biến nhất) của vật chất: rắn, lỏng và khí. Những thay đổi kèm theo các mũi tên màu đỏ là hiện tượng thu nhiệt, liên quan đến sự hấp thụ nhiệt; trong khi những thứ đi kèm với các mũi tên màu xanh lam tỏa nhiệt, chúng tỏa nhiệt.

Mô tả ngắn gọn về từng thay đổi này sẽ được thực hiện dưới đây, nêu bật một số đặc điểm của chúng từ lý luận phân tử và nhiệt động lực học.

- Dung hợp

Nhiệt hạch là sự thay đổi trạng thái của một chất từ ​​rắn sang lỏng.

Ở trạng thái rắn, các hạt (ion, phân tử, cụm, v.v.) là “tù nhân”, nằm ở các vị trí cố định trong không gian mà không thể di chuyển tự do. Tuy nhiên, chúng có khả năng dao động ở các tần số khác nhau, và nếu chúng rất mạnh, trật tự nghiêm ngặt được áp đặt bởi các lực giữa các phân tử sẽ bắt đầu "tan rã".

Kết quả là thu được hai pha: một pha ở đó các hạt vẫn bị giới hạn (rắn) và pha khác ở đó chúng tự do hơn (lỏng), đủ để tăng khoảng cách tách chúng ra. Để đạt được điều này, chất rắn phải hấp thụ nhiệt, và do đó các hạt của nó sẽ dao động với lực lớn hơn.

Vì lý do này, phản ứng tổng hợp là thu nhiệt, và khi nó bắt đầu, người ta nói rằng sự cân bằng xảy ra giữa các pha rắn-lỏng.

Nhiệt lượng cần thiết để tạo ra sự thay đổi này được gọi là nhiệt lượng hoặc entanpi mol của phản ứng tổng hợp (ΔH _Fus ). Điều này biểu thị lượng nhiệt (năng lượng, chủ yếu tính bằng đơn vị kJ) mà một mol chất ở trạng thái rắn phải hấp thụ để nóng chảy chứ không chỉ đơn giản là tăng nhiệt độ của nó.

Snowball

Làm tan tuyết bằng tay. Nguồn: Pixabay

Với suy nghĩ này, người ta hiểu tại sao một quả cầu tuyết tan chảy trong tay (hình trên). Tuyết hấp thụ nhiệt cơ thể, đủ để nâng nhiệt độ của tuyết lên trên 0 ° C.

Các tinh thể băng trong tuyết hấp thụ nhiệt vừa đủ để tan chảy và để các phân tử nước của chúng có cấu trúc lộn xộn hơn. Trong khi tuyết tan, nước được tạo thành sẽ không làm tăng nhiệt độ của nó, vì tuyết sẽ sử dụng tất cả nhiệt từ bàn tay để hoàn thành quá trình tan chảy.

- Hóa hơi

Hóa hơi là sự thay đổi trạng thái của một chất từ ​​thể lỏng sang thể khí.

Tiếp tục với ví dụ về nước, bây giờ đặt một nắm tuyết vào chậu và đốt lửa, quan sát thấy tuyết nhanh chóng tan chảy. Khi nước nóng lên, các bong bóng nhỏ của carbon dioxide và các tạp chất khí khác có thể bắt đầu hình thành bên trong nó.

Nước sôi. Nguồn: Pixabay

Nhiệt làm giãn nở phân tử các cấu hình rối loạn của nước, mở rộng thể tích và tăng áp suất hơi của nó; do đó, có một số phân tử thoát ra khỏi bề mặt do tăng bay hơi.

Nước lỏng tăng nhiệt độ từ từ do nhiệt dung riêng cao (4,184J / ° C ∙ g). Có một thời điểm mà nhiệt mà nó hấp thụ không còn được sử dụng để tăng nhiệt độ của nó, mà là để tạo ra trạng thái cân bằng lỏng-hơi; tức là nó bắt đầu sôi và tất cả chất lỏng sẽ chuyển sang trạng thái khí trong khi hấp thụ nhiệt và giữ nhiệt độ không đổi.

Đây là nơi bạn thấy sủi bọt dữ dội trên bề mặt của nước đun sôi (hình trên). Nhiệt mà nước lỏng hấp thụ để áp suất hơi của các bong bóng ở bên trong của nó bằng với áp suất bên ngoài được gọi là entanpi của quá trình hóa hơi (ΔH _Vap ).

Vai trò của áp lực

Áp suất cũng là một yếu tố quyết định sự thay đổi của trạng thái. Tác dụng của nó đối với sự hóa hơi là gì? Áp suất càng cao, nhiệt mà nước phải hấp thụ để đun sôi càng lớn, và do đó, nó bốc hơi trên 100 ° C.

Điều này là do sự gia tăng áp suất làm cho các phân tử nước khó thoát từ thể lỏng sang thể khí.

Nồi áp suất sử dụng thực tế này để làm nóng thức ăn trong nước đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của nó.

Mặt khác, vì có chân không hoặc giảm áp suất nên nước ở thể lỏng cần nhiệt độ thấp hơn để sôi và chuyển sang pha khí. Với áp suất cao hoặc thấp, khi nước sôi nó cần hấp thụ nhiệt hóa hơi tương ứng của nó để hoàn thành sự thay đổi trạng thái của nó.

- Ngưng tụ

Sự ngưng tụ là sự thay đổi trạng thái của một chất từ ​​trạng thái khí sang trạng thái lỏng.

Nước đã bốc hơi. Cái gì tiếp theo? Hơi nước vẫn có thể tăng nhiệt độ, trở thành dòng điện nguy hiểm có khả năng gây bỏng nặng.

Tuy nhiên, hãy giả sử nó nguội đi. Làm sao? Sự tỏa nhiệt ra môi trường, và giải phóng nhiệt được cho là một quá trình tỏa nhiệt xảy ra.

Bằng cách giải phóng nhiệt, các phân tử nước ở thể khí rất năng lượng bắt đầu chậm lại. Ngoài ra, tương tác của chúng trở nên hiệu quả hơn khi nhiệt độ của hơi nước giảm. Đầu tiên, các giọt nước sẽ hình thành, ngưng tụ từ hơi nước, tiếp theo là các giọt lớn hơn sẽ bị hấp dẫn bởi trọng lực.

Để ngưng tụ hoàn toàn một lượng hơi nhất định, cần giải phóng một năng lượng như nhau, nhưng ngược dấu, tại ∆H _Vap ; nghĩa là entanpi ngưng tụ của nó ΔH _Cond . Do đó, cân bằng hơi-lỏng nghịch đảo được thiết lập.

Cửa sổ giảm chấn

Sự ngưng tụ nước. Nguồn: Pexels

Sự ngưng tụ có thể được nhìn thấy trên cửa sổ của các ngôi nhà. Trong khí hậu lạnh, hơi nước chứa bên trong nhà va chạm vào cửa sổ, do vật liệu của nó có nhiệt độ thấp hơn các bề mặt khác.

Ở đó, các phân tử hơi dễ kết tụ với nhau hơn, tạo ra một lớp mỏng màu trắng dễ dàng tháo lắp bằng tay. Khi các phân tử này giải phóng nhiệt (làm nóng thủy tinh và không khí), chúng bắt đầu hình thành nhiều cụm hơn cho đến khi những giọt đầu tiên có thể ngưng tụ (hình trên).

Khi những giọt nước trở nên rất lớn, chúng sẽ trượt xuống cửa sổ và để lại một vệt nước.

- Sự rắn chắc

Sự đông đặc là sự thay đổi trạng thái của một chất từ ​​trạng thái lỏng sang trạng thái rắn.

Sự đông đặc xảy ra do làm lạnh; nói cách khác, nước đóng băng. Để đóng băng, nước phải giải phóng lượng nhiệt tương tự mà nước đá hấp thụ để tan chảy. Một lần nữa, nhiệt độ này được gọi là entanpi của kiên cố hoặc đóng băng, ΔH _Cong (-ΔH _Fus ).

Khi các phân tử nước nguội đi, chúng sẽ mất năng lượng và tương tác giữa các phân tử của chúng trở nên mạnh hơn và có hướng hơn. Kết quả là, chúng được sắp xếp nhờ vào các liên kết hydro và tạo thành cái gọi là tinh thể băng. Cơ chế mà các tinh thể băng phát triển có ảnh hưởng đến vẻ ngoài của chúng: trong suốt hoặc trắng.

Điêu khắc đá. Nguồn: Pixabay

Nếu các tinh thể nước đá phát triển rất chậm, chúng sẽ không lẫn tạp chất, chẳng hạn như khí hòa tan trong nước ở nhiệt độ thấp. Do đó, các bong bóng đang thoát ra và không thể tương tác với ánh sáng; và do đó, bạn có một tảng băng trong suốt như một bức tượng băng phi thường (hình trên cùng).

Điều tương tự cũng xảy ra với nước đá, nó có thể xảy ra với bất kỳ chất nào khác đông đặc bằng cách làm lạnh. Có lẽ đây là sự thay đổi vật lý phức tạp nhất trong các điều kiện trên cạn, vì có thể thu được một số đa hình.

- Thăng hoa

Thăng hoa là sự thay đổi trạng thái của một chất từ ​​thể rắn sang thể khí.

Nước có thể thăng hoa được không? Không, ít nhất là không ở điều kiện bình thường (T = 25 ° C, P = 1 atm). Để xảy ra hiện tượng thăng hoa, nghĩa là chuyển trạng thái từ rắn sang khí thì áp suất hơi của chất rắn phải cao.

Tương tự như vậy, điều cơ bản là lực liên phân tử của chúng không mạnh lắm, tốt nhất là nếu chúng chỉ bao gồm các lực phân tán.

Ví dụ điển hình nhất là iốt rắn. Nó là một chất rắn kết tinh có màu tím xám, có áp suất hơi cao. Trong trường hợp này, một hơi màu tím được sinh ra, mà thể tích và sự nở ra của nó trở nên đáng chú ý khi bị nung nóng.

Sự thăng hoa của iot. Nguồn: Belkina NV, từ Wikimedia Commons

Hình ảnh trên cho thấy một thí nghiệm điển hình trong đó iốt rắn được làm bay hơi trong một bình thủy tinh. Thật thú vị và ấn tượng khi quan sát cách khuếch tán hơi màu tím và học sinh khởi xướng có thể xác minh sự vắng mặt của iốt lỏng.

Đây là đặc điểm chính của sự thăng hoa: không có sự hiện diện của pha lỏng. Tương tự, nó là chất thu nhiệt, vì chất rắn hấp thụ nhiệt để tăng áp suất hơi của nó cho đến khi nó bằng với áp suất bên ngoài.

- Sự lắng đọng

Sự lắng đọng của các tinh thể iot. Nguồn: Stanislav.nevyhosteny, từ Wikimedia Commons

Sự lắng đọng là sự thay đổi trạng thái của một chất từ ​​trạng thái khí sang trạng thái rắn.

Song song với thí nghiệm thăng hoa iot, có thí nghiệm về sự lắng đọng của nó. Sự lắng đọng là sự thay đổi hoặc chuyển đổi ngược lại: chất đi từ trạng thái khí sang thể rắn mà không tạo thành pha lỏng.

Khi hơi iốt màu tím tiếp xúc với bề mặt lạnh, chúng tỏa nhiệt để làm ấm bề ​​mặt, mất năng lượng và tập hợp các phân tử của nó trở lại thành chất rắn màu tím xám (ảnh trên). Sau đó nó là một quá trình tỏa nhiệt.

Sự lắng đọng được sử dụng rộng rãi để tổng hợp các vật liệu trong đó chúng được pha tạp với các nguyên tử kim loại bằng các kỹ thuật tinh vi. Nếu bề mặt rất lạnh, sự trao đổi nhiệt giữa bề mặt đó và các hạt hơi sẽ đột ngột, bỏ qua sự truyền qua pha lỏng tương ứng.

Nhiệt hoặc entanpi của sự lắng đọng (và không lắng đọng) là nghịch đảo của sự thăng hoa (ΔH _Sub = - ΔH _Dep ). Về lý thuyết, nhiều chất có thể thăng hoa, nhưng để đạt được điều này cần phải điều chỉnh áp suất và nhiệt độ, ngoài ra còn phải có sơ đồ P vs T của chúng; trong đó, có thể hình dung các pha xa xôi của nó.

Các thay đổi trạng thái khác

Mặc dù không đề cập đến chúng, có những trạng thái khác của vật chất. Đôi khi chúng được đặc trưng bởi có "mỗi thứ một ít", và do đó là sự kết hợp của chúng. Để tạo ra chúng, áp suất và nhiệt độ phải được điều chỉnh đến độ lớn rất dương (lớn) hoặc âm (nhỏ).

Vì vậy, chẳng hạn, nếu các chất khí bị đốt nóng quá mức, chúng sẽ mất các electron và các hạt nhân mang điện tích dương của chúng trong thủy triều âm đó sẽ tạo thành cái được gọi là plasma. Nó đồng nghĩa với "khí điện", vì nó có độ dẫn điện cao.

Mặt khác, khi nhiệt độ xuống quá thấp, vật chất có thể hoạt động theo những cách không mong muốn; nghĩa là, chúng thể hiện các thuộc tính duy nhất xung quanh độ không tuyệt đối (0 K).

Một trong những tính chất này là tính siêu lỏng và siêu dẫn; cũng như sự hình thành của chất ngưng tụ Bose-Einstein, nơi tất cả các nguyên tử hoạt động như một.

Một số nghiên cứu thậm chí còn chỉ ra chất quang tử. Trong chúng các hạt bức xạ điện từ, photon, nhóm lại với nhau để tạo thành phân tử quang tử. Đó là, về mặt lý thuyết, nó sẽ tạo ra khối lượng cho các thiên thể ánh sáng.

Người giới thiệu

1. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 19 tháng 11 năm 2018). Danh sách các thay đổi giai đoạn giữa các quốc gia có vật chất. Phục hồi từ: thinkco.com
2. Wikipedia. (2019). Trạng thái của vật chất. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Dorling Kindersley. (2007). Thay đổi trạng thái. Được khôi phục từ: factmonster.com
4. Meyers Ami. (2019). Thay đổi pha: Bốc hơi, Ngưng tụ, Đóng băng, Nóng chảy, Thăng hoa & lắng đọng. Học. Phục hồi từ: study.com
5. Bagley M. (ngày 11 tháng 4 năm 2016). Vật chất: Định nghĩa & Năm trạng thái vật chất. Phục hồi từ: livescience.com
6. Whitten, Davis, Peck & Stanley. (2008). Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Học tập.