1. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΑΣΠΟΡΑΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Transcript

1 1. ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΙΑΣΠΟΡΑΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ως γνωστόν, οι χηµικές ενώσεις προκύπτουν από την ένωση δύο ή περισσοτέρων στοιχείων, οπότε και έχουµε σηµαντική µεταβολή του ενεργειακού περιεχοµένου του συστήµατος. Εάν κατά την ανάµιξη διαφόρων ουσιών δεν έχουµε µεταβολή του ενεργεριακού περιεχοµένου του συστήµατος ή εµφάνιση νέου σώµατος µε νέες ιδιότητες, τότε λέµε ότι έχουµε τη δηµιουργία ενός συστήµατος διασποράς (µίγµατος). Συστήµατα διασποράς µπορούν να προκύψουν από την ανάµιξη στοιχείων µεταξύ τους, χηµικών ενώσεων µεταξύ τους, αλλά και στοιχείων µε χηµικές ενώσεις. Στα συστήµατα διασποράς, τα συστατικά α. εµπεριέχονται σε οποιαδήποτε αναλογία β. διατηρούν τις χαρακτηριστικές τους ιδιότητες γ. µπορούν να διαχωριστούν εύκολα µε µηχανικά µέσα και, δ. το ενεργειακό περιεχόµενο του συστήµατος γενικά ισούται µε το άθροισµα των ενεργειών των συστατικών του. Το συστατικό που βρίσκεται στη µεγαλύτερη αναλογία χαρακτηρίζεται σαν µέσο διασποράς και το άλλο ή άλλα σαν διασπαρµένη φάση. Τα συστήµατα που αποτελούνται από δύο συστατικά ονοµάζονται δυαδικά, αυτά µε τρία τριαδικά, µε τέσσερα τετραδικά και τέλος πολυαδικά.

2 Τα πιο απλά συστήµατα διασποράς, τα δυαδικά, µπορούν να εµφανιστούν σε εννιά συνδυασµούς, ανάλογα µε τη φυσική κατάσταση των συστατικών που τα αποτελούν: Α/Α Α/Υ Α/Σ Υ/Α Υ/Υ Υ/Σ Σ/Α Σ/Υ Σ/Σ (όπου: Α = αέριο, Υ = υγρό, Σ = στερεό) Ο W. OSTWALD, ανάλογα µε τις διαστάσεις των σωµατιδίων της διασπαρµένης φάσης, ταξινόµησε τα δυαδικά συστήµατα σε τρείς τάξεις: 1. Ανδροµερή είναι τα δυαδικά συστήµατα, όπου το µέγεθος των σωµατιδίων της διασπαρµένης φάσης είναι µεγαλύτερο από cm, δηλαδή διακρίνονται µε το κοινό µικροσκόπιο. Τα συστήµατα αυτά ονοµάζονται και ετερογενή, αφού αποτελούνται από δύο φάσεις εύκολα διακριτές µεταξύ τους. 2. Κολλοειδή είναι τα δυαδικά συστήµατα, όπου το µέγεθος των σωµατιδίων διασπαρµένης φάσης κυµαίνεται µεταξύ cm έως 10-7 cm. Είναι ορατά µε το υπερµικροσκόπιο. Στα συστήµατα αυτά η διασπαρµένη φάση ονοµάζεται εσωτερική φάση και το µέσο διασποράς εξωτερική φάση. Τα κολλοειδή ονοµάζονται και µικτοετερογενή, αποτελούν δε κατάσταση της µάζας (σύµφωνα µε ορισµένους χαρακτηρίζονται σαν η τέταρτη κατάσταση), όπου µπορεί να περιέλθει κάτω από ευνοϊκές συνθήκες κάθε ουσία ανεξάρτητα από τη σύστασή της. 3. Μοριακά είναι τα συστήµατα, όπου τα σωµατίδια της διασπαρµένης φάσης είναι µικρότερα από 10-7 cm, δηλαδή έχουν διαστάσεις απλού µορίου. Στα µοριακά συστήµατα έχουµε µία και µόνο φάση, που αποτελείται και από τα δύο συστατικά, δηλαδή είναι οµογενή, έχοντας την ίδια σύσταση και ιδιότητες σε κάθε σηµείο της µάζας τους. Τα µοριακά συστήµατα ονοµάζονται και διαλύµατα. Σ αυτά η διασπαρµένη φάση ονοµάζεται και διαλυµένη ουσία και το µέσο διασποράς διαλύτης.

3 Οι τρείς τάξεις των συστηµάτων διασποράς είναι δυνατόν να συναντηθούν σε όλους τους συνδυασµούς των δυαδικών συστηµάτων, εκτός από το σύστηµα Α/Α, που απαντά µόνο ως µοριακό πάντοτε. Όταν οι εξωτερικοί όροι (συνθήκες) ενός υλικού συστήµατος αλλάζουν, είναι δυνατόν να προκληθούν αλλαγές και στις ιδιότητες και τα γνωρίσµατα του ίδιου του συστήµατος. Οι αλλαγές αυτές υπάγονται σε τρείς βασικές κατηγορίες: φυσικές, χηµικές και πυρηνικές. Επειδή, όµως, οποιαδήποτε αλλαγή των ιδιοτήτων και των γνωρισµάτων ενός συστήµατος συνοδεύεται και από ένα φαινόµενο, θα έχουµε αντίστοιχα µε τις παρατηρούµενες αλλαγές και τρείς κατηγορίες φαινοµένων: φυσικά, χηµικά και πυρηνικά. Στα φυσικά φαινόµενα, όταν αλλάζουν οι εξωτερικοί όροι, παρατηρούνται µόνο παροδικές µεταβολές σε ορισµένες ιδιότητες του συστήµατος, που επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση όταν και οι εξωτερικοί όροι αποκατασταθούν όπως είχαν. η σύσταση των µορίων των συστατικών του συστήµατος, καθώς και το ενεργειακό του περιεχόµενο παραµένουν αναλλοίωτα µετά την πάροδο του φαινοµένου. Στα χηµικά φαινόµενα η αλλαγή στη σύσταση των µορίων των σωµάτων που συµµετέχουν στο φαινόµενο είναι µόνιµη και ριζική, προχωράει δε µέχρι το επίπεδο των ατόµων, τα οποία αναδιατάσσονται και σχηµατίζουν νέα µόρια. Η µεταβολή του ενεργειακού περιεχοµένου είναι σηµαντική και εκδηλώνεται στην πλειοψηφία των περιπτώσεων µε τη µορφή θερµότητας, που εκλύεται ή απορροφάται, και ονοµάζεται θερµότητα ή τόνος της χηµικής αντίδρασης. Η θερµότητα της αντίδρασης οφείλεται στη δηµιουργία νέων δεσµών ανάµεσα στα άτοµα που έχουν διαφορετικό ενεργειακό περιεχόµενο από τους προηγούµενους. Εάν η αντίδραση ανάµεσα στα σώµατα είναι αυθόρµητη, συνοδεύεται συνήθως από έκλυση θερµότητας, ενώ αντίθετα συνοδεύεται από απορρόφηση. Τα πυρηνικά φαινόµενα συντελούνται στη φύση από δηµιουργίας κόσµου, παρατηρήθηκαν όµως από τον άνθρωπο µόλις πριν από έναν περίπου αιώνα. Σε αυτά, η µεταβολή λαµβάνει χώρα µέσα στους ίδιους τους πυρήνες των ατόµων, που µεταβάλλονται από ποσοτική άποψη και µετασχηµατίζονται σε πυρήνες άλλων στοιχείων (µεταστοιχείωση). Τα πυρηνικά φαινόµενα συνοδεύονται από

4 την έκλυση τεράστιων ποσών ενέργειας µε ταυτόχρονη αισθητή απώλεια µάζας, π.χ. κατά τη σχάση 235 gr Ουρανίου εκλύονται 5, cal και χάνονται 0,25 gr. Ο EINSTEIN, αναπτύσσοντας τη γνωστή θεωρία του της «Σχετικότητας της ύλης», απέδειξε ότι ανάµεσα στη µάζα που χάνεται και στην ενέργεια που εκλύεται ισχύει η απλή σχέση Ε = m c όπου: Ε = η ενέργεια που ελευθερώνεται m = το έλλειµα µάζας c = η ταχύτητα του φωτός = cm/sec Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή σαν εξίσωση µάζας ενέργειας και σαν επακόλουθο έχει το αξίωµα της αφθαρσίας της ύλης: «Σ ένα αποκλεισµένο σύστηµα, οποιαδήποτε µεταβολή και αν συµβεί, το άθροισµα µάζας-ενέργειας παραµένει σταθερό». Για τα φυσικά και χηµικά φαινόµενα, όπου έχουµε ανύπαρκτες ή έστω µηδαµινές µεταβολές του ενεργειακού περιεχοµένου του συστήµατος, συγκριτικά µε τα πυρηνικά φαινόµενα, και όπου κατά συνέπεια η απώλεια µάζας δεν είναι δυνατό να µετρηθεί, θεωρούµε ότι το αξίωµα της αφθαρσίας της µάζας, που πειραµατικά πρώτα αποδείχτηκε από τον LAVOISIER και ορίζει ότι «Σ ένα αποκλεισµένο σύστηµα οποιαδήποτε µεταβολή και αν συµβεί, η µάζα του παραµένει σταθερή», µπορεί να ισχύει και µεµονωµένα. Το ίδιο ισχύει και για το αξίωµα της αφθαρσίας της ενέργειας, που ορίζει ότι: «Σ ένα αποκλεισµένο σύστηµα οποιαδήποτε µεταβολή και αν συµβεί, η ενέργειά του παραµένει σταθερή»

5 Η αρχή της αφθαρσίας της ενέργειας κατ αρχήν προέκυψε σαν συνέπεια του α θερµοδυναµικού αξιώµατος, που µπορούµε να πούµε ότι γεφύρωσε το χάσµα ανάµεσα στη θερµική και µηχανική ενέργεια ορίζοντας ότι: «Η θερµότητα είναι µορφή ενέργειας και µπορεί να µετατραπεί σε µηχανικό έργο και αντίστροφα» Ε = q W όπου: Ε = η µεταβολή της εσωτερικής ενέργειας του συστήµατος q = η ποσότητα θερµότητας που προσλαµβάνεται ή αποδίδεται από το σύστηµα W = το έργο που παράγεται ή καταναλώνεται αντίστοιχα από το σύστηµα