Κεφάλαιο 4 Καταστάσεις της Ύλης: Αέρια, Υγρά και Στερεά

Κεφάλαιο 4 Καταστάσεις της Ύλης: Αέρια, Υγρά και Στερεά Σύνοψη Η ύλη χαρακτηρίζεται από μεγάλη ποικιλία φυσικών καταστάσεων όπως αέρια, υγρή, στερεή. Οι διάφορες αυτές φάσεις που μπορεί να έχει μία ουσία μπορούν να μετατρέπονται από τη μία στην άλλη αρκεί να προσφέρεται ή να αφαιρείται ενέργεια. Υπεύθυνες για τη φυσική κατάσταση που μπορεί να έχει μία ουσία είναι οι διαμοριακές δυνάμεις. Αυτές καθορίζουν τόσο τη φυσική κατάσταση σε δεδομένες συνθήκες όσο και τα χαρακτηριστικά τους Προαπαιτούμενη γνώση Τι είναι ύλη (Παράγραφος 1.1), Πολικά μόρια (Παράγραφος 2.3.3). Η ύλη που υπάρχει γύρω μας βρίσκεται σε ποικιλία καταστάσεων αφού μπορεί να είναι τόσο αέρια ή υγρή όσο και στερεή. Μάλιστα, με αλλαγή των συνθηκών μπορεί να μετατρέπεται από τη μία κατάσταση στην άλλη. Το πιο απλό παράδειγμα είναι το νερό, H 2 O. Το νερό βρίσκεται στην υγρή κατάσταση αλλά σε χαμηλές θερμοκρασίες παγώνει, ενώ αντίθετα σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες εξατμίζεται και περνά στην αέρια κατάσταση. Τα στερεά διατηρούν το σχήμα τους, σε αντίθεση με τα ρευστά (αέρια και υγρά) τα οποία ρέουν εύκολα και καταλαμβάνουν το δοχείο στο οποίο τα τοποθετούμε. Τα υγρά δεν συμπιέζονται σε αντίθεση με τα αέρια τα οποία μπορούν να συμπιεστούν. Η ακαμψία και η ικανότητα συμπίεσης είναι αυτές οι ιδιότητες που διαχωρίζουν τα στερεά, τα υγρά και τα αέρια. Το στερεό είναι άκαμπτο, ασυμπίεστο και έχει σταθερό σχήμα και όγκο. Το υγρό ρέει εύκολα, δεν συμπιέζεται, έχει σταθερό όγκο αλλά όχι σταθερό σχήμα. Το αέριο συμπιέζεται και δεν έχει σταθερό όγκο και σχήμα. Η εξήγηση για τις διαφορές μεταξύ στερεών, υγρών και αερίων βρίσκεται στον τρόπο με τον οποίο κινούνται τα μόριά τους. Σε ένα αέριο τα μόρια βρίσκονται σε διαρκή και τυχαία κίνηση σε ένα μεγάλο κενό όγκο, σε ένα υγρό τα μόρια κινούνται μεν ελεύθερα, αλλά βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους, αφήνοντας ελάχιστο κενό όγκο. Έτσι, μπορούν μεν να ρέουν αλλά δεν μπορούν να συμπιεστούν αφού ο κενός όγκος είναι ελάχιστος. Τέλος, τα στερεά αποτελούνται από σωματίδια τα οποία είναι σε καθορισμένες θέσεις και δεν μπορούν να μετακινηθούν με αποτέλεσμα να μην συμπιέζονται και να μην ρέουν. Για να δηλώσουμε τη φυσική κατάσταση ενός χημικού είδους σε μία χημική εξίσωση χρησιμοποιούμε κατάλληλους συμβολισμούς μέσα σε παρένθεση μετά το σύμβολο του χημικού είδους. Η στερεή κατάσταση δηλώνεται με το (s), η υγρή με το (Ɩ), η αέρια κατάσταση με το (g) και τέλος η εφυδατωμένη με το (aq). Παράδειγμα 4.1 Να αναφέρετε τις φυσικές καταστάσεις των ουσιών που συμμετέχουν στην αντίδραση BaCO 3 (s) + 2 HCl(aq) BaCl 2 (aq) + CO 2 (g) + H 2 O(Ɩ). Απάντηση Σε κάθε χημική εξίσωση η φυσική κατάσταση των ουσιών που συμμετέχουν δηλώνεται με κατάλληλους όρους μέσα στην παρένθεση μετά το σύμβολο της ουσίας. Υπενθυμίζεται ότι η στερεή κατάσταση δηλώνεται με το (s), η υγρή με το (Ɩ), η αέρια κατάσταση με το (g) και τέλος η εφυδατωμένη με το (aq). Με βάση τα παραπάνω έχουμε: BaCO 3 (s) στερεό, HCl(aq) και BaCl 2 (aq) εφυδατωμένο, CO 2 (g) αέριο, H 2 O(Ɩ) υγρό. - 82 -

4.1 Μετατροπές φάσεων Επιστρέφοντας στο παράδειγμα του νερού μπορούμε να δούμε ότι ένα υλικό μπορεί να αλλάζει τις φάσεις στις οποίες βρίσκεται. Υπάρχουν οι ακόλουθες διεργασίες μετατροπής φάσεων: Η τήξη είναι η διεργασία κατά την οποία ένα στερεό μετατρέπεται σε υγρό. Η πήξη είναι η διεργασία κατά την οποία ένα υγρό μετατρέπεται σε στερεό. Η εξάτμιση είναι η διεργασία κατά την οποία ένα υγρό μετατρέπεται σε αέριο. Η εξάχνωση είναι η απευθείας μετατροπή ενός στερεού σε αέριο. H συμπύκνωση η διεργασία κατά την οποία ένα αέριο μετατρέπεται σε υγρό. Σε όλες αυτές τις διεργασίες υπάρχει έντονη μεταφορά θερμότητας αφού το υλικό απορροφά θερμότητα κατά τη μετατροπή από στερεό υγρό αέριο ή αποδίδει θερμότητα κατά τις αντίθετες μετατροπές, δηλαδή τη μετατροπή από αέριο υγρό στερεό. Η εξάτμιση ενός υγρού προϋποθέτει ότι μόρια εγκαταλείπουν την υγρή κατάσταση και περνούν στην αέρια φάση. Ο ρυθμός της διεργασίας καθορίζεται από τη θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται το υλικό αλλά και από τη φύση του υλικού. Ανάλογα με τη θερμοκρασία υπάρχει μία ισορροπία μεταξύ της υγρής και της αέριας φάσης. Πολύ χρήσιμα είναι τα διαγράμματα φάσεων. Ένα διάγραμμα φάσεων μας δείχνει τις συνθήκες, στις οποίες οι διάφορες καταστάσεις μίας ουσίας είναι σταθερές. Σχήμα 4.1 Διάγραμμα φάσεων για το νερό. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 4.1, ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν, το νερό μπορεί να είναι στερεό, υγρό ή αέριο. Οι γραμμές χωρίζουν το διάγραμμα σε τρεις περιοχές και μας δείχνουν πού είναι πάγος (στερεή κατάσταση), νερό (υγρή κατάσταση) και ατμός (αέριο). Στις γραμμές συνυπάρχουν οι δύο φάσεις, δηλαδή βρίσκονται σε ισορροπία. Υπάρχει όμως και το σημείο Τ στο οποίο οι τρεις γραμμές τέμνονται. Το σημείο αυτό ονομάζεται τριπλό σημείο και σε αυτές τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας συνυπάρχουν και οι τρεις φάσεις. Για το νερό, το τριπλό σημείο βρίσκεται σε 0,0098 ο C και 0,00603 atm. 4.2 Ιδιότητες υγρών 4.2.1 Τάση ατμών Η πίεση που ασκούν οι ατμοί του υγρού στην επιφάνειά του όταν το σύστημα είναι σε ισορροπία σε δεδομένη θερμοκρασία ονομάζεται Τάση Ατμών. Όσο αυξάνεται η θερμοκρασία τόσο αυξάνεται η τάση ατμών μίας ουσίας. Όταν όμως η τάση ατμών της ουσίας γίνει ίση με την ατμοσφαιρική πίεση τότε το υγρό ζέει (βράζει). Η θερμοκρασία στην οποία η τάση ατμών του υγρού γίνεται ίση με την ατμοσφαιρική πίεση ονομάζεται σημείο ζέσεως της ουσίας. 4.2.2 Ιξώδες Είναι η αντίσταση στη ροή που εμφανίζουν όλα τα ρευστά. Εξαρτάται από τη φύση του ρευστού. - 83 -

4.2.3 Επιφανειακή τάση Γενικά τα υγρά τείνουν να καταλάβουν όσο το δυνατόν λιγότερο χώρο. Μην ξεχνάτε ότι η σφαίρα είναι το γεωμετρικό σχήμα το οποίο παρουσιάζει την ελάχιστη επιφάνεια για δεδομένο όγκο, έτσι δεν προκαλεί έκπληξη ότι οι σταγόνες των υγρών τείνουν να γίνουν σφαιρικές. Προκειμένου να αυξηθεί η επιφάνεια των υγρών απαιτείται ενέργεια. Η ενέργεια που χρειάζεται για να αυξηθεί κατά μία μονάδα εμβαδού η επιφάνεια ενός υγρού ονομάζεται επιφανειακή τάση. 4.2.4 Τριχοειδής ανύψωση Το φαινόμενο αυτό σχετίζεται με την επιφανειακή τάση. Όταν τοποθετηθεί νερό σε έναν πολύ στενό σωλήνα αρχίζει να ανεβαίνει. Αυτό οφείλεται στην έλξη των μορίων του νερού με την επιφάνεια του σωλήνα. Επειδή όμως η επιφάνεια τείνει να μειώνεται σχηματίζεται η γνωστή καμπύλη επιφάνεια στον σωλήνα. Η τριχοειδής ανύψωση είναι σημαντική στην κίνηση των θρεπτικών συστατικών σε ένα φυτό. 4.3 Διαμοριακές δυνάμεις Οι προηγούμενες ιδιότητες των υγρών μπορούν να εξηγηθούν λαμβάνοντας υπόψη τις δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων του υγρού. Οι δυνάμεις αυτές ονομάζονται διαμοριακές δυνάμεις και οι πιο σημαντικές είναι οι: Δυνάμεις London: Είναι ασθενείς ελκτικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ μορίων στα οποία στιγμιαία εμφανίζεται πόλωση. Η στιγμιαία αυτή πόλωση σχετίζεται με μετακινήσεις των ηλεκτρονίων στο μόριο λόγω της μεταξύ τους άπωσης. Το αποτέλεσμα είναι ότι δημιουργούνται στιγμιαία δίπολα, παρόλο που τα μόρια είναι μη πολικά. Τα στιγμιαία αυτά δίπολα έλκονται μεταξύ τους. Οι δυνάμεις London είναι οι πιο ασθενείς διαμοριακές δυνάμεις και υπάρχουν σε όλα τα μόρια. Η ισχύς τους αυξάνεται με αύξηση της γραμμομοριακής μάζας του μορίου, αφού αυξάνεται και ο αριθμός των ηλεκτρονίων που τα μόρια περιέχουν και ο όγκος που καταλαμβάνουν, μεγαλώνοντας την πιθανότητα δημιουργίας στιγμιαίων διπόλων. Δυνάμεις Διπόλου Διπόλου: Οι δυνάμεις αυτές είναι δυνάμεις ηλεκτροστατικής φύσεως και αναπτύσσονται μεταξύ πολικών μορίων τα οποία είναι μόνιμα δίπολα. Τα μόνιμα αυτά δίπολα, όπως κινούνται, προσανατολίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε το θετικό μέρος να αλληλεπιδρά με το αρνητικό μέρος γειτονικού μορίου. Οι δυνάμεις αυτές είναι πιο ισχυρές από τις δυνάμεις London. Οι δυνάμεις London και οι δυνάμεις διπόλου διπόλου ονομάζονται δυνάμεις Van der Waals. Δεσμός Υδρογόνου: Είναι ελκτική διαμοριακή δύναμη πιο ισχυρή από τις προηγούμενες. Αναπτύσσεται μεταξύ μορίων στα οποία υπάρχει ένα ισχυρά ηλεκτραρνητικό άτομο, όπως F, O ή Ν, ενωμένο με άτομο Η. Τότε, λόγω του ισχυρά πολωμένου δεσμού Χ Η (Χ=F,Ο,Ν) εμφανίζεται μερικό θετικό φορτίο (δ + ) στο άτομο Η και μερικό αρνητικό φορτίο (δ - ) στο ηλεκτραρνητικό άτομο Χ. Παρουσία ενός γειτονικού μορίου αναπτύσσεται ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ του Η(δ + ) του ενός μορίου και του άτομου Χ(δ - ) του γειτονικού μορίου. Στο υδροφθόριο (HF) υπάρχει δεσμός F-H, οπότε τα μόρια του υδροφθορίου έλκονται με δεσμούς υδρογόνου. Επίσης τυπικό παράδειγμα μορίου που εμφανίζονται δεσμοί υδρογόνου είναι το νερό (Η 2 Ο). Στο νερό υπάρχουν δύο δεσμοί Ο-Η, οπότε μεταξύ των μορίων του νερού αναπτύσσονται διαμοριακές δυνάμεις δεσμοί υδρογόνου. Στην ύπαρξή τους οφείλει το γεγονός ότι είναι υγρό σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. - 84 -

Οι διαμοριακές δυνάμεις μπορούν να μας εξηγήσουν τις χαρακτηριστικές ιδιότητες που αναφέραμε προηγουμένως. Όσο πιο ισχυρές είναι αυτές οι δυνάμεις, τόσο πιο δύσκολο θα είναι να εγκαταλείψει ένα μόριο την υγρή κατάσταση, άρα τόσο πιο χαμηλή θα είναι η τάση ατμών και πιο υψηλό το σημείο ζέσεως. Επίσης θα εμφανίζει μεγαλύτερες τιμές επιφανειακής τάσης και υψηλότερο ιξώδες. Παράδειγμα 4.2 Να αναφέρετε τις διαμοριακές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ των μορίων α) ΝO και β) Ο 2. Απάντηση α) ΝO: Είναι διατομικό μόριο, το οποίο εμφανίζει διπολική ροπή και άρα είναι πολικό. Σε ένα πολικό μόριο αναπτύσσονται δυνάμεις διπόλου διπόλου και δυνάμεις London. β) Ο 2 : διατομικό μη πολικό μόριο, άρα αναπτύσσονται μόνο δυνάμεις London. Παράδειγμα 4.3 Ποια ένωση εμφανίζει ανάμεσα στις C 2 COOH και CH 3 COOCH 3 το υψηλότερο σημείο τήξεως και γιατί; Απάντηση Και οι δύο ενώσεις έχουν ίδια μοριακή μάζα και άρα, οι δυνάμεις London δεν διαφέρουν σε μεγάλο βαθμό. Επίσης, είναι και οι δύο πολικές. Αυτό όμως που τις διαφοροποιεί είναι ότι το μόριο του C 2 COOH αναπτύσσει δεσμούς υδρογόνου με τα γειτονικά του λόγω της ομάδας Ο Η, γεγονός που δεν συμβαίνει με την ένωση CH 3 COOCH 3. Επειδή οι δεσμοί υδρογόνου είναι οι πιο ισχυρές διαμοριακές δυνάμεις η ένωση C 2 COOH εμφανίζει υψηλότερο σημείο τήξεως. 4.4 Στερεά Η επόμενη κατηγορία ενώσεων είναι οι στερεές ενώσεις. Οι κατηγορίες των στερεών είναι τα ομοιοπολικά στερεά, τα ιοντικά στερεά και τα μεταλλικά στερεά, ανάλογα με τον τύπο δεσμού που αναπτύσσεται μεταξύ των ατόμων του στερεού. Τα μεταλλικά στερεά είναι τα γνωστά μας μέταλλα στα οποία υπάρχει ο μεταλλικός δεσμός, τα ιοντικά στερεά που αποτελούνται από ιόντα αντίθετου φορτίου, τα οποία συγκρατούνται στο κρυσταλλικό πλέγμα με δυνάμεις Coulomb και, τέλος, τα ομοιοπολικά στερεά που αποτελούνται από άτομα που συγκρατούνται με ομοιοπολικούς δεσμούς. Γενικά, τα ομοιοπολικά στερεά εμφανίζουν χαμηλότερα σημεία τήξεως ως αποτέλεσμα των ασθενέστερων δυνάμεων σε σχέση με τις δυνάμεις Coulomb που εμφανίζουν τα ιοντικά στερεά. Επίσης, είναι λιγότερο σκληρά, ενώ τόσο τα ιοντικά όσο και τα ομοιοπολικά στερεά δεν είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος και της θερμότητας σε αντίθεση με τα μέταλλα. Παράδειγμα 4.4 Κατατάξτε τις παρακάτω ιοντικές ενώσεις κατά σειρά αυξανόμενης ενέργειας πλέγματος: NaF και CaO. - 85 -

Απάντηση Το NaF αποτελείται από ιόντα Na + και F, το CaO από τα ιόντα Ca 2+ και Ο 2. Η ελκτική αλληλεπίδραση δύο αντίθετα φορτισμένων ιόντων αυξάνεται, καθώς αυξάνεται το φορτίο των ιόντων Στο CaO έχουμε διπλά φορτισμένα ιόντα (Ca 2+ και O 2 ), οπότε οι ελκτικές δυνάμεις αναμένεται να είναι ισχυρότερες από ότι στην ένωση NaF, με αποτέλεσμα η ένωση CaO να έχει τη μεγαλύτερη ενέργεια πλέγματος. - 86 -

Ασκήσεις Ασκήσεις με τις απαντήσεις τους. Άσκηση 4.1 Να αναφέρετε τις διαμοριακές δυνάμεις που αναπτύσσονται ανάμεσα σε χημικά είδη. Απάντηση: Οι ελκτικές δυνάμεις που ασκούνται μεταξύ των μορίων είναι κυρίως δυνάμεις διπόλου-διπόλου και δυνάμεις London. Η πρώτη κατηγορία δυνάμεων αναπτύσσεται ανάμεσα σε πολικά μόρια. Η δεύτερη κατηγορία δυνάμεων, οι δυνάμεις London, αναπτύσσονται ανάμεσα σε όλα τα μόρια, είναι όμως τόσο πιο ισχυρές όσο μεγαλύτερη είναι η μάζα των μορίων. Αξίζει να σημειωθεί, ότι μεταξύ μορίων που περιέχουν ένα ισχυρά ηλεκτραρνητικό άτομο (N, O, F) ενωμένο με Η, αναπτύσσονται δεσμοί υδρογόνου. Άσκηση 4.2 Η πρόταση «Στη μεθανόλη CH 3 OH, το σημείο ζέσεως καθορίζεται από την ισχύ των δυνάμεων London» είναι σωστή ή λάθος; Απάντηση: Λάθος. Στη CH 3 ΟΗ το σημείο ζέσεως καθορίζεται από τους δεσμούς υδρογόνου, που είναι οι πιο ισχυρές διαμοριακές δυνάμεις που εμφανίζονται μεταξύ των μορίων της. Άσκηση 4.3 Ποιες είναι οι διαμοριακές δυνάμεις που εμφανίζονται μεταξύ των μορίων της ένωσης C 2 COOH; Απάντηση: Στην ένωση C 2 COOΗ υπάρχουν, όπως σε όλες τις ενώσεις, δυνάμεις London. Επίσης, επειδή η ένωση είναι πολική και ταυτόχρονα υπάρχει η ομάδα Ο Η, σχηματίζονται δεσμοί υδρογόνου και αναπτύσσονται δυνάμεις διπόλου διπόλου. Άσκηση 4.4 Αναφέρετε δύο χαρακτηριστικές ιδιότητες των υγρών. Απάντηση: Οι χαρακτηριστικές ιδιότητες των υγρών είναι οι α) επιφανειακή τάση, β) ιξώδες, γ) τάση ατμών και δ) τριχοειδής ανύψωση. Άσκηση 4.5 Ποιο στερεό λιώνει πιο εύκολα; Ένα ομοιοπολικό στερεό ή ένα ιοντικό στερεό; Απάντηση: Στο ιοντικό στερεό οι δυνάμεις που συγκρατούν τις δομικές μονάδες στο πλέγμα είναι ιοντικής φύσεως. Αντίθετα στο ομοιοπολικό στερεό οι δομικές μονάδες συγκρατούνται με ομοιοπολικούς δεσμούς. Οι δεσμοί αυτοί είναι πιο ασθενείς με αποτέλεσμα ένα ιοντικό στερεό να εμφανίζει συνήθως, υψηλότερο σημείο τήξεως. Ασκήσεις προς επίλυση. Άσκηση 4.6 Να αναφέρετε τις διαμοριακές δυνάμεις που αναπτύσσονται στα παρακάτω χημικά είδη, δικαιολογώντας την απάντησή σας: α) F 2, β) CO, γ) ΗCOOH. - 87 -

Άσκηση 4.7 Σε καθένα από τα επόμενα ζεύγη χημικών ειδών, ποιο εμφανίζει το υψηλότερο σημείο τήξεως και γιατί; α) HBr ή LiCl, β) Ne ή He γ) H 2 O ή CH 3 CH 2 OH. - 88 -

Βιβλιογραφία Ebbing, D.D. & Gammon, S.D. (απόδοση στα ελληνικά: Κλούρας, Ν.) (2014). Σύγχρονη Γενική Χημεία Αρχές και Εφαρμογές (10 η Διεθνής έκδοση). Αθήνα: Εκδόσεις Τραυλός. Κλούρας, Ν., Περλεπές, Σ.Π., Μάνεση-Ζούπα, Ε., Ζαφειρόπουλος, Θ. (2000). Ανόργανη Χημεία Τόμοι Α-Ε. Πάτρα: Εκδόσεις Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο. Πνευματικάκης Γ., Μητσοπούλου, Χ., Μεθενίτης, Κ. (2005). Ανόργανη Χημεία Α' Βασικές Αρχές. Αθήνα: Εκδόσεις Αθ. Σταμούλης. Ταμουτσίδης, Ε.Γ. (2008). Γεωργική Χημεία (2η Έκδοση). Φλώρινα: Εκδόσεις +γράμμα. Zumdahl, S.S. & DeCoste, D.J. (2011). Introductory Chemistry: A Foundation. (7th ed.). Belmont: Brooks/ Cole Cengage learning. - 89 -