Фазови диаграми

Примерите за промяна на агрегатните състояния досега бяха в условия на постоянно налягане, като задачите за промяната на фазите на водата от предишните 2 видеа бяха при атмосферно налягане на морското равнище, което е 1 атмосфера. А след малко ще обясня и тази графика. Знаем, че в реалната вселена налягането не е винаги постоянно, нито е винаги 1 атмосфера. 1 атмосфера по определение е налягането на морското равнище на планетата Земя. Очевидно е, че налягането ще е много различно на по-малки или по-големи планети, на такива с по-плътна атмосфера или просто в различни ситуации, където използваме вещества в тяхното газообразно, течно или твърдо състояние. Тук съм начертал графика на преминаването между състоянията, наричана още фазова диаграма. Има различни видове фазови диаграми. Тази е най-често срещаната в материалите по химия. Основното тук са различните агрегатни състояния на веществата и преминаването от едно в друго според температурата и налягането. Това е фазовата диаграма за водата. Сега ще обясня как да я разбираме. По тази ос е налягането. По оста х е температурата, и за всички техни стойности от тази диаграма ще разберем дали веществото е в твърдо състояние, то е тук, или течно, ето тук, или газообразно. Например, ако температурата е 0 градуса, тук по оста х са 0 градуса по Целзий, а налягането е 1 атмосфера, засичат се ето тук в тази точка. Това е гранична точка между твърдо и течно състояние. Нали тук е 1 атмосфера? Да, ето я по скалата на налягането. Това съвпада с традиционната представа за замръзването и топенето на леда при 0°C. Какво ще се случи, ако увеличим налягането? Ледът ще започне да се топи при по-ниска температура, нали така? Ето, налягането се покачва. Достига до... може би 10 атмосфери, 10 пъти по-голямо от налягането на морското равнище на Земята, и изведнъж температурата, при която твърдото вещество става течно, температурата на топене става по-малка. Ако пък намалим налягането, например като се качим високо в планината, там налягането е по-ниско, тъй като над нас има по-малко атмосфера, изведнъж температурата на топене се увеличава, тя може да стане малко над 1°C. Тук не съм начертал точен мащаб, идеята е, че ледът замръзва малко по-бързо и при по-висока температура в планината, отколкото на дъното на Мъртво море или в друга точка на планетата под морското равнище. А долната линия показва преминаването между кое да е състояние и газообразното. Знаем добре това ниво, то е 1 атмосфера. Тази диаграма се отнася за водата. При 1 атмосфера налягане това поведение на водата е очаквано и познато. Ще начертая права линия. При 1 атмосфера при 0°C твърдият лед се превръща в течна вода. Когато увеличаваме все повече и повече температурата, докато налягането остава 1 атмосфера, достигаме до 100°C. Ето тук. В тази точка при налягане 1 атмосфера течността се превръща в газ, или водата се изпарява, познато още като кипене. Всичко това са приемливи описания на процеса. Но какво се случва, когато налягането е по-ниско? Отново да се пренесем високо в планината. Ето тук сме, макар в реалността разликата да не е токова голяма. Това е само пример с учебна цел. Или например да се качим на връх Еверест, там налягането е още по-малко. Точката на замръзване, вече видяхме, става при по-голяма температура с понижаването на налягането, а тази на кипене - при по-ниска, затова е много по-лесно да кипнеш нещо на връх Еверест, отколкото на дъното на Мъртво море. Разбирането за това е, че ако имаме течност или молекули в течно състояние, те се докосват помежду си но имат достатъчно кинетична енергия да се разминават, протичат една покрай друга, и се трият помежду си, една от причините да не се изпаряват, тази молекула не отскача нагоре, защото има въздух отгоре. Има налягане на въздуха. Знаем за въздушното налягане още от уравнението PV = nRT. Тук имаме няколко газови молекули и налягането, което създават, в крайна сметка е причинено от тяхната температура и кинетична енергия. Те се намират тук, движат се, отскачат и пречат на по-тежките молекули да се качат при тях. Те им пречат да се отделят една от друга и да преминат в газ. По-голямото налягане прави по-трудно отделянето на молекулите от течността. От друга страна, ако се намираме във вакуум, или на повърхността на луната, където няма толкова въздушни молекули, това е по-слабо. Макар тази молекула да се привлича от тях, те все още са свързани помежду си. Но едно малко подтикване при липсата на въздушно налягане на Луната, ще позволи на тази молекула да избяга и да се превърне в газ. Когато налягането е по-малко, преминаването от течност или дори от твърдо състояние към газ е много по-лесно. Сигурно се чудиш: как така от твърдо вещество към газ? Излиза, че при достатъчно ниско налягане, вероятно тук няма нищо, над веществото се образува нещо близко до вакуум, и ако това вещество е лед, а се намираме на Луната при нужната температура, вероятно с отрицателни градуси по Целзий, не знам точната температура, нашият лед на Луната ще премине директно към газ. Поради големия вакуум тук тези молекули имат да заемат цялото това пространство и ако са подтикнати съвсем малко ще избягат и ще се превърнат в газ. Този феномен може да ти се стори странен. Той е възможен само на места като Луната. За да стане по ясно, ще дам още един пример: с въглеродния диоксид. Той е навсякъде около теб. В момента го издишваш. Растенията в стаята го вдишват, но въглеродния диоксид се държи много различно при 1 атмосфера, отколкото водата. Това е въглеродният диоксид при 1 атмосфера. Само пояснявам, че не съм рисувал в точен мащаб. Разликата между 1 и 5 атмосфери не е същата, като между 5 и 73 атмосфери. Тук също не е в линеен мащаб. Това разстояние е много по-голямо от това. Ако трябва диаграмата да бъде в точен мащаб, ще трябва да я разтегна или да използвам логаритмични скали. Но да се върнем на въглеродния диоксид. Това е неговото твърдо състояние, тук е газообразно, а тук е течният въглероден диоксид. При 1 атмосфера, ако се намираме на морското равнище, например в Ню Орлиънс, това е малко под морското равнище, там е моето родно място, ако имаш фризер, охлаждащ до -80°C, въглеродният диоксид ще замръзне. Този феномен може би ти е познат от някои концерти или сценични представления, където се използва за димни ефекти така нареченият „сух лед“. Това е заледен въглероден диоксид. При нормалното въздушно налягане на морското равнище щом температурата се покачи над 78,5°C, той сублимира до газ. Този процес на директно преминаване от твърдо вещество към газ се нарича сублимация. Това е причината сухият лед да не съществува като течност при нормално налягане. Не виждаме течен въглероден диоксид. За да получим течен въглероден диоксид, налягането трябва да е над 5 атмосфери, или 5 пъти по въздушното налягане на морското равнище, което не се получава в нормални земни условия. Такива може да има на Юпитер или Сатурн, където наляганията са огромни поради гравитацията и цялата атмосфера над повърхността. Ако там има въгледоден диоксид, той може да е течен. Не знам дали има въглерод на Юпитер, но течното му състояние може да се намери на други масивни планети - газови гиганти. Но на Земята това вещество претърпява сублимация. Интересен термин. То сублимира. Тоест преминава директно от твърдо състояние в газ, както сухия лед. На диаграмата има още няколко интересни точки. Сигурно ги забелязваш. Ето тази се нарича тройна точка. При въглеродния диоксид тя е при 5 атмосфери и -56°C. Тогава въглеродният диоксид е в равновесно състояние между лед, течност и газ. Той е по малко от всяко. Ако помръдне съвсем мъничко в една или друга посока чрез промяна на налягането или температурата, той ще премине в съответното състояние. Тройната точка на водата пък е ето тук: при много по-ниско налягане, отколкото сме свикнали. То е 0,611 килопаскала или само 611 паскала, това са 5 хилядни от атмосферата. Ако налягането спадне до 5/1000 от атмосферата и температурата е съвсем малко над 0°C, ще се достигне тройната точка на водата. Там водата може да приеме кое да е от трите състояния, ако се побутне леко в някоя от посоките. Още една интересна точка на тези диаграми е тук. Това е критичната точка. Звучи като нещо много важно. Критична точка. Това е точката, в която, ако увеличим температурата или налягането над нея, ще получим свръхкритичен флуид. Това звучи интересно. Над тази точка е свръхкритичен флуид. При много високи температури и много високо налягане Температурата е толкова висока, че веществото иска да е газ, но голямото налягане се стреми да го втечни и то става по малко от двете. При водата състоянието на свръхкритичен флуид се ползва за разтворител. То има някои свойства на течната вода, като това, че разтваря други вещества, но е с толкова висока температура, че се просмуква в твърдите вещества и се справя прекрасно с извличането на всякакви замърсители от предмети, които искаме да почистим или да поеме наккава сол и да я разтвори във водата. Това е свръхкритичният флуид: едно интересно понятие. Но целта ми беше да представя фазовите диаграми. Всичко, което разглеждахме преди това беше при постоянно налягане, като променях температурата, но можеш да ги използваш и по обратния начин. Да вземем постоянна температура от 110°C, при което на морското равнище водата спокойно заема газообразното си състояние, тя е водна пара. Ако увелича налягането, като например изкопая дълбока дупка или се гмурна в океана, парата ще кондензира до течност, до течна вода. Ако направя този експеримент, като започна от тук и увелича налягането, ще направя обратна сублимация. За това понятие си има термин, дали не го използвахме вече? Още не сме. Не съм го записал. Думата е близка до кондензация, но не мога да се сетя сега. тази дума прилича на кондензация или сгъстяване. Това е преминаване директно от газ към твърдо вещество. Тези диаграми са доста полезни. Показват за различните вещества какво се случва при промяна на налягането или температурата.