Back to chapter

11.11:

מעברי פאזה: המראה וריבוץ

JoVE Core
Chemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Core Chemistry
Phase Transitions: Sublimation and Deposition

Languages

Share

לעיתים קרובות ניתן לצפות בקרח רגיל הנמס בתנאי מתונים, אך לקרח יבש זה לא קורה. במקום זאת, קרח יבש משתנה ישירות למצב גז. המעבר הזה ממוצק לגז בלי לעבור במצב נוזל מכונה המראה.בדרך כלל, תרכובות שעוברות המראה מאופיינות בכוחות בין-מולקולריים חלשים במצב מוצק. בקרח יבש, או פחמן דו-חמצני מוצק, קיימים כוחות פיזור חלשים בין מולקולות CO2. בלחץ אטמוספרי, קרח יבש נשאר מוצק מתחת למינוס 78.5 מעלות צלזיוס.עם זאת, במינוס 78.5 מעלות צלזיוס, מולקולות פני השטח צוברות די אנרגיה תרמית כדי להתגבר לחלוטין על כוחות המשיכה ולהשתנות ישירות למצב האדים. זוהי נקודת ההמראה של קרח יבש. כמות האנרגיה הנדרשת להמראה של מול אחד של מוצק נקראת החום המולרי של המראת החומר או אנתלפית המראה מולרית של החומר.כיוון שהמראה היא תהליך אנדותרמי, ערך האנתלפיה שלו תמיד חיובי. התהליך ההפוך מהמראה, כלומר המעבר הישיר מאדים למוצק, נקרא ריבוץ. כשמולקולות גז מתנגשות עם פני שטח של מוצקים קרירים יותר, הן מאבדות חום.התנגשויות מרובות גורמות לאובדן משמעותי של חום, והמולקולות בסופו של דבר עוברות ריבוץ. כיוון שריבוץ כרוך באובדן אנרגיה, זהו שינוי פאזה אקסותרמי עם ערך אנתלפיה שלילי. למרות שהאנתלפיה של הריבוץ היא שלילית, עוצמתה זהה לאנתלפיה של המראה.כשמתרחשת המראה במערכת פתוחה, רוב המולקולות שהמריאו מתפזרות באוויר ולעולם אינן חוזרות. כתוצאה מכך, קצב ההמראה גדול מקצב הריבוץ. אך במערכת סגורה, שיווי משקל בין אדים למוצקים מתרחש בנקודת ההמראה של המוצק.הלחץ החלקי המופעל על ידי הגז בשיווי משקל דינמי עם המוצק נקרא לחץ האדים של החומר. מוצקים שממריאים הם בעלי לחצי אדים גבוהים. קרח יבש, לדוגמה, הוא בעל לחץ אדים גבוה ביותר של 56.5 אטמוספרות ב-20 מעלות צלזיוס.עם זאת, מכיוון שלרוב המוצקים יש לחצי אדים נמוכים בטמפרטורות הנגישות להם בקלות, המראה אינה נפוצה.

11.11:

מעברי פאזה: המראה וריבוץ

Some solids can transition directly into the gaseous state, bypassing the liquid state, via a process known as sublimation. At room temperature and standard pressure, a piece of dry ice (solid CO2) sublimes, appearing to gradually disappear without ever forming any liquid. Snow and ice sublimate at temperatures below the melting point of water, a slow process that may be accelerated by winds and the reduced atmospheric pressures at high altitudes. When solid iodine is warmed, the solid sublimes and a vivid purple vapor forms. The reverse of sublimation is called deposition, a process in which gaseous substances condense directly in the solid-state, bypassing the liquid state. The formation of frost is an example of deposition.

Like vaporization, the process of sublimation requires an input of energy to overcome intermolecular attractions. Sublimation is, therefore, an endothermic phase transition. The enthalpy of sublimation, ΔHsub, is the energy required to convert one mole of a substance from the solid to the gaseous state. For example, the sublimation of carbon dioxide is represented by:

Eq1

Likewise, the enthalpy change for the reverse process of deposition is equal in magnitude but opposite in sign to that for sublimation. Because deposition involves the formation of intermolecular forces, it is an exothermic phase transition.

Eq2

Consider the extent to which intermolecular attractions must be overcome to achieve a given phase transition. Converting a solid into a liquid requires that these attractions be only partially overcome; transition to the gaseous state requires that they be completely overcome. As a result, the enthalpy of fusion for a substance is less than its enthalpy of vaporization. This same logic can be used to derive an approximate relation between the enthalpies of all phase changes for a given substance. Though not an entirely accurate description, sublimation may be conveniently modeled as a sequential two-step process of melting followed by vaporization in order to apply Hess’s Law. Viewed in this manner, the enthalpy of sublimation for a substance may be estimated as the sum of its enthalpies of fusion and vaporization.

Eq3

This text is adapted from Openstax, Chemistry 2e, Section 10.3: Phase Transitions.