Aggregationstillstånd

Alla Inga Spara

• VAD ÄR ENERGI? .
• Vad skiljer aggregationstillstånden? - Vilka finns det? Energi skiljer tillstånden åt När temperaturen hos ett ämne ökar så beror detta på att energi tillförts från omgivningen till ämnet och när temperaturen sjunker, så beror det på att energi avgår till omgivningen från ämnet. Om temperaturförändringen är tillräckligt stor kan det innebära att ämnet ändrar aggregationstillstånd. När detta sker kallas det att det sker en fasövergång. Olika fasövergångar kallas olika. Fast, flytande, gas, plasma
• Plasma Ibland anges det att materia kan ha ytterligare ett tillstånd som kallas för plasma. Temperaturen och energiinnehållet i plasma är så hög att elektronerna har separeras från atomkärnorna. Plasma är det vanligaste tillståndet hos den synliga materien i universum. På jorden förekommer dock plasman endast naturligt i blixtar, samt i tekniska apparater som lysrör och plasmaskärmar.
• Endoterma fasövergångar När ett ämne smälter, förångas eller sublimerar (1, 3, 5 ovan) sker en tillförsel av energi till ämnet från omgivningen. Trots att det sker en tillförsel av energi till ämnet så höjs inte temperaturen hos ämnet så länge som ämnet fortsätter att smälta, förångas eller sublimera. Fasövergångar där energi tillförs till ämnet från omgivningen kallas för endoterma fasövergångar. Se hur man skriver endoterma fasövergångar med formler på kommande sidor.
• Exoterma fasövergångar När ett ämne stelnar, kondenserar eller deponerar (2, 4, 6 ovan) sker en avgång av energi från ämnet till omgivningen. Trots att det sker en avgång av energi från ämnet så sänks inte temperaturen hos ämnet så länge som ämnet stelnar, kondenserar eller deponerar. Fasövergångar där energi avges från ämnet till omgivningen kallas för exoterma fasövergångar. Se hur man skriver exoterma fasövergångar med formler på kommande sidor.
• Förångning Förångning är ett sammanfattande benämning för både kokning och avdunstning. Kokning sker vid ett ämnets kokpunkt och förångning kan ske vid alla temperaturer under kokpunkten för ämnet.
• Kokning Kokning när stor mängder av ämnet samtidigt övergår från flytande form till gasform, vid kokpunkten. Den högsta temperatur som ett ämne kan befinna sig i flytande form kallas för kokpunkten. Över kokpunkten kan ett ämne inte befinna sig i flytande form, i någon längre tid, utan bara i gas. Vid kokpunkten kan det bildas gasbubblor, inte bara vid vätskans yta, utan även inuti vätskan, långt under vätskeytan. Dessa bubblar av gas stiger genom vätskan och gasen avges till omgivningen. Ett ämnes kokpunkt beror på trycket som ämnet befinner sig vid
• Avdunstning Avdunstning är när relativt små mängder av ämnet övergår från flytande form till gasform vid någon temperatur under kokpunkten, när ämnet är i flytande form. Bildas det gas från ett ämne som är i fast form kallas det sublimering. Vid avdunstning bildas gas endast vid ytan av vätskan. Inte i vätskan, långt under ytan, som vid kokning. Samma gäller vid sublimering, gasen bildas från ämnets yta.
• Skillnaden mellan symbolen (aq) och (l) Symbolen (aq) betecknar inte aggregationstillståndet flytande form, utan anger att ämnet som står före parentesen, är en blandning med vatten. För att ange ett ämne i rent och i flytande form används symbolen (l) Formlerna NaCl(aq) och C6H12O6(aq) i tabellen ovan beskriver är alltså inte rena ämnen i flytande form, utan blandningar där ämnet upplöst i vatten. Vid rumstemperatur är dock blandningarna med i vatten i flytande form.
• Ättiksyra smälter när värmeenergi tillförs från en varmare omgivning. Förloppet är endotermt CH3COOH (s) + värmeenergi → CH3COOH (l)
• Ättiksyra kokar när värmeenergi tillförs från en varmare omgivning. Förloppet är endotermt CH3COOH (l) + värmeenergi → CH3COOH (g)
• Ättiksyra sublimerar när värmeenergi tillförs från en varmare omgivning. Förloppet är endotermt CH3COOH (s) + värmeenergi → CH3COOH (g)
• Ättiksyra kondenserar när värmeenergi avges till en kallare omgivning Förloppet är exotermt CH3COOH (g) → CH3COOH (l) + värmeenergi
• Ättiksyra stelnar när värmenergi avges till en kallare omgivning Förloppet är exotermt CH3COOH (l) → CH3COOH (s) + värmeenergi
• Ättiksyra deponeras när värmeenergi avges till en kallare omgivning Förloppet är exotermt CH3COOH (g) → CH3COOH (s) + värmeenergi
• Vad beror temperaturen på hos ett ämne? (E-nivå) Temperaturen hos ett ämne är ett mått på partiklarnas medelrörelseenergi och medelrörelsehastighet. Rörelseenergi hos partiklar kallas också för kinetisk energi.
• Sambandet mellan rörelseenergi, partiklarnas rörelsehastighet och temperatur Vid en viss temperatur rör sig inte alla partiklar hos ämnet lika snabbt. Några rör sig långsamt, andra rör sig snabbare och några rör sig mycket snabbt. Det som bestämmer temperaturen hos ett ämne beror på hur snabbt dessa partiklar rör sig i medel. Medelrörelsehastigheten beror i sin tur på hur mycket rörelseenergi som partiklarna har i medel. Ju högre temperatur ett ämne har ju högre är medelrörelsehastigheten och medelrörelseenerin Ju högre temperatur ett ämne har ju högre är medelrörelsehastigheten och medelrörelseenerin (E-nivå)
• Sambandet mellan medelrörelsenergi och medelrörelsehastighet (CA-nivå) Nedan ges en matematisk förklaring till rörelsehastighet och rörelseenergi för en partikel med en viss massa påverkar varandra Ekin=mv^2/2 E: rörelseenergi (J) hos molekylen v: rörelsehastigheten (m/s) hos molekylen m: molekylens massa (kg)
• Temperaturskalor I kemin används två skalor för att mäta temperatur, Celsius temperaturskala som utgår från vattnets smält- och fryspunkt och absoluta temperaturskala, även kallad Kelvins temperaturskala, som bygger på ämnenas medelrörelsehastighet. Nedan förklaras de olika temperaturskalorna
• Celsius skalan (tre punkter) Nollpunkten på Celsiusskalan är definierad som den temperatur som en isvatten-blandning håller som innehåller både vatten och is när temperaturen mäts. Hundragraderspunkten på Celsiusskalan definieras som den punkt när vatten kokar vid normalt lufttryck (101, 3 kPa). Vid punkten måste både vatten i flytande form och bubblor av gas vara närvarande, när temperaturen mäts. Om lufttrycket ovanför vatten förändras kan vatten koka vid en högre eller lägre temperatur, därför måste det råda normalt lufttryck (101, 3 kPA) då kokpunkten mäts. En grad på Celsiusskalan är alltså ett hundradels steg mellan den temperaturpunkt då is och vatten förekomma på samma gång och den punkt då vatten kokar vid normalt lufttryck.
• Kelvins temperaturskala (E-nivå) sid 161 (3 punkter) När alla partiklar hos ett ämne står absolut still, inte har någon medelrörelseenergi och medelrörelsehastighet alls, så har man kommit ner till absoluta nollpunkten. Denna punkt används för att definiera absoluta nollpunkten på Kelvinskalan( 0K/ noll Kelvin). Det finns bara en mätpunkt som är definierad på absoluta temperaturskalan (Kelvinskalan). De andra temperaturerna på Kelvinskalan är definierade genom att en grads höjning på Celsiusskalan också innebär ett stegs höjning på absoluta temperaturskalan (Kelvinskalan). Absoluta nollpunkten (0K) motsvarar på Celsiusskalan; –273.15oC
• Formel för omvandling från Celsius till Kelvin är oC +273.15 = K
• Formel för omvandling från Kelvin till Celsius är K - 273.15 = oC
• Aggregationstillstånden beskrivet på molekylär nivå Två olika, motsatta, typer faktorer avgör i vilket tillstånd som ett ämne befinner sig i, fast, flytande eller gas. Den ena faktorn är bindande krafter som attraherar partiklarna till varandra i ett ämne. Dessa krafter kallas för intermolekylära bindningar (Van der Waals, dipol-dipolbindningar och vätebindningar). Den andra faktorn är frigörande krafter vilka utgörs av partiklarnas rörelseenergi och rörelsehastighet som om de är tillräckligt stora får de intermolekylära bindningarna att brytas. Rörelseenergin och rörelsehastigheten påverkar också avståndet mellan partiklarna. Beroende på vilken av dessa faktorer som dominerar avgörs det om ett ämne är i fast, flytande eller gastillstånd.
• Smältning Under smältning så förändras inte temperaturen i det flytande ämnet trots att värmeenergi tillförs från omgivningen. Under smältning så åtgår värmeenergin från omgivningen att bryta/försvaga intermolekylära bindningar så att partiklarna som i fasta tillståndet bara vibrerade kring ett fast läge, istället röra sig med samma energi, nära och slumpmässigt kring varandra i flytande form. Partiklarnas medelrörelseenergi förändras dock inte under smältning eftersom temperaturen inte ändras. Medelrörelsenergin är densamma för partiklarna som vibrerar i det fasta ämnet, som för partiklarna som rör sig slumpmässigt kring varandra i det flytande ämnet. Värmeenergi från omgivningen går nämligen åt till att bryta/försvaga intermolekylära bindningar i kristallstrukturen i det fasta ämnet. Sammandragande intermolekylära bindningarna mellan partiklarna i den flytande fasen finns kvar mellan partiklarna när ämnet övergått i flytande form. Ett tecken på att bindningarna finns kvar, är att partiklarna i det flytande ämnet fortfarande är nära varandra. På grund av det korta avståndet mellan partiklarna så håller de intermolekylära krafterna ihop partiklarna till en vätska. Normalt så är avståndet mellan partiklarna i det fasta tillståndet kortare mellan partiklarna än mellan de i det flytande tillståndet. Ett undantag är dock vatten, där avståndet mellan molekylerna minskar vid smältning. Smältpunkten är den enda temperatur då ett ämne kan förekomma i både fast form och flytande form samtidigt. Så länge det finns både fast form och flytande form av ett ämne, befinner sig ämnet vid sin smältpunkt.
• Stelning Under stelning kommer temperaturen i ämnet inte heller att ändras. Det beror på att när stelning sker och intermolekylära bindningar mellan partiklarna bildas, avges värmeenergi. Rörelseenergi som finns hos partiklarna i det flytande tillståndet förloras och omvandlas till värmenergi som värmer upp den kalla omgivningen så att temperaturen inte kan sjunka. Detta är orsaken till att omgivningen till det stelnande ämnet inte sjunker.. Så länge som stelning pågår och intermolekylära bindningar bildas, så är medelrörelseenerin hos partiklarna i den flytande delen lika stor som medelvibbrationerna hos partiklarna i det fasta delen All flytande måste övergå till fast form innan temperaturen kan börja sjunka.
• Smältpunkten/Stelningspunkten (E-nivå) Ett ämnes stelningspunkt och smältpunkt är alltså samma temperatur. Skillnaden är att vid smältning tillförs värmeenergi från omgivningen för att bryta bindningar och vid stelning avgår värmeenergi till omgivningen.
• Kokning Kokpunkten är den högsta temperatur som ett ämne under normala förhållande kan befinna sig i flytande form. Vid kokpunkten befinner sig ämnet även i gasform. Över kokpunkten kan ett ämne bara befinna sig i gasform, inte i flytande form Under kokning så förändras inte temperaturen i ämnet som kokar. Både det flytande ämnet och gasen har samma temperatur. Värmeenergin som tillförs från omgivningen under kokning går istället åt till att fullständigt bryta de intermolekylära bindningarna mellan molekylerna i det flytande ämnet. När de intermolekylära bindningarna brutits bildas gasbubblor av ämnet var som helst i vätskan. Inte bara vid vätskeytan. Avståndet mellan partiklarna i gasbubblorna är oerhört mycket störren än avståndet mellan partiklarna i det flytande tillståndet vid kokpunkten.
• Kokpunkten för ett ämne beror på lufttrycket ovanför vätskan (CA-nivå) Ett och samma ämne kan faktisk ha olikas kokpunkter. Vilken temperatur som ämnet börjar koka vid, beror på vad atmosfärstrycket är ovan vätskan. När atmosfärstrycket över vätska ökar, så stiger också kokpunkten för ämnet. Det beror på att gasbubblor som bildas i vätskan bara kan bildas om trycket av gasen i dem är lika stort eller större än atmosförstrycker som omger vätskan.
• Kokpunkten för ett ämne beror på lufttrycket ovanför vätskan EXEMPEL Vatten kokar vid 100 oC vid normalt atmosfärstryck (101, 3 kPa). Om man sänker trycket tillräckligt mycket genom att suga bort molekyler i luften i en tryckkammare där man har en bägare med vatten så kan man få vattnet att börja koka vid tex. 25oC (rumstemperatur). Vattnet börjar koka vid rumstemperatur när gasbubblorna har samma tryck eller högre tryck än luften i tryckkammaren.
• Gasbildning sker under alla temperaturer under ett ämnes kokpunkt Gasbildning kan faktiskt ske vid vilken temperatur som helst, även under ett ämnets kokpunkt. Om gasbildning sker från en vätska, kallas det avdunstning. Avdunstningen sker då endast från vätskans yta. Om gasbildningen sker från ett fast ämne kallas det för sublimering. Sublimeringen sker då från det fasta ämnets yta.
• Avdunstning på mikronivå Avdunstning är gasbildning som sker när en vätskas temperatur är under kokpunkten. Gasbildningen sker endast från vätskans ytskikt under avdunstning. Inga gasbubblor bildas under vätskan yta under avdunstning eftersom temperaturen inte är tillräckligt hög som vid kokning. Partiklar som finns i ytskiktet av en vätska kan övergå från flytande form till gasform, under kokpunkten, om partiklar med hög rörelseenergi under vätskeytan, kolliderar med partiklarna i ytskiktet. När kollisionen sker så överförs den höga rörelseenergi från partiklarna under ytskiktet till partiklarna i ytskiktet. Rörelsehastigheten och rörelseenergin hos partiklar under ytan saktas ner och minskar. Partiklarna i ytskiktet kan, om rörelseenergin som mottas är tillräckligt hög, använda en del av den mottagna rörelseenergin för att övervinna de intermolekylära bindningar som binder dem till andra partiklar i ytskiktet. De intermolekylära bindningarna hos dessa partiklar bryts då med hjälp av energin och partiklarna övergår från att ha varit i vätskeform i ytan till att vara partiklar i gas ovan vätskeytan. Partiklarna i gasen som bildas ovan vätskeytan, har tagit med sig en viss del av den rörelseenergi som fanns hos partiklarna under vätskeytan. Medelrörelseenergi och medelrörelsehastighet hos partiklarna i vätskan sjunker och därför sjunker även temperaturen i en vätska under avdunstning. Omgivningen kring vätskan hinner inte tillräckligt snabbt tillföra ny värmeenergi för att hålla temperaturen uppe i vätskan, när många partiklar samtidigt, i vätskeytan, avdunstar. När avdunstningen fortsätter från vätskeytan, måste mer värmeenergi tillföras de andra partiklarna i vätskan från vätskans omgivning. När värmeenergin hämtas från omgivningen, sjunker även temperaturen i vätskans omgivning När vi svettas eller har badat så blir huden kall på grund av att värmeenergi överförts från huden (omgivningen) till det tunna skikt av vattenmolekyler som finns på huden då vattenmolekylerna i ytskiktet avdunstar.
• Skillnad mellan kondensering och deposition Omvandling av ett ämne från gasform till vätska och fast ämne kan ske vid alla temperaturer under kokpunkten.Om övergång sker från gas direkt till vätska kallas det kondensation. Om övergång sker direkt från gas till fast ämne kallas det deposition.
• Kondensering på mikronivå Kondensering av ett ämne kan ske vid alla temperaturer under ett ämnes kokpunkt. Vid kondensering sker kollision mellan partiklar som är i gasform. Vid kollisionen avgår så mycket av gaspartiklarnas rörelseenergi till den kalla omgivningen att attraktionskrafterna mellan partiklarna som kolliderat, bildar intermolekylära bindningar mellan sig och övergår till vätska Trots att värmeenergin avges från gaspartiklar som bildar vätska, till den kalla omgivningen, så sjunker inte temperaturen i vätska så länge som kondensationen pågår. Det beror på att när vätskan bildas så bildas bindningar mellan partiklarna i vätskan. När bindningarna bildas så bildas ny värmeenergi som tas upp av vätskan.Temperaturen i ämnet som kondenseras ändras med andra ord inte så länge som det finns gas kvar som kan kondensera och bilda bindningar. Först när all gas kondenserats kan temperaturen i den bildade vätskan sjunka, om värmeenergi avgår till den kallare omgivningen. Medelrörelseenergin i gas och vätska under själva kondensationen är den samma, eftersom temperaturen under kondensationen inte förändras. Däremot så kommer avståndet mellan partiklarna i den kondenserade vätskan vara mycket mindre än avståndet mellan partiklarna i gasen som kondenseras.
• Temperaturkurvor undantag Så länge som ett ämne inte byter aggregationstillstånd och värmeenergi ökar temperatur, medelrörelsenergin och medelrörelsehastigheten gör. Normalt ökar medelavståndet hos de flesta ämnena mellan partiklarna. Men vatten är ett undantag. Vatten har sitt minsta avstånd mellan vattenmolekylerna när temperaturen är +4oC. Då har även vatten i flytande form sin högsta densitet. När flytande vatten blir kallare eller varmare blir avståndet större och densiteten mindre.
• Densitet Densitet är är mått på hur hur stor massa som finns på en viss volym. (E-nivå) Det betyder också att det beskriver hur många partiklar som får plats på en viss volym. När medelavståndet mellan partiklar minskar, kommer partiklarna närmare varandra, det får plats fler partiklar på en viss volym, massan för volymen i fråga ökar och därmed densiteten.
• Temperaturkurva för ett ämne när värmeenergi tillförs eller avges LÄR DIG I DOKUMENT
• Att bestämma smält-/stelningspunkt och/eller kok-/stelningspunkt i ett diagram för rent ämne eller en blandningar av ämnen (CA-nivå) KOLLA PÅ DIAGRAMMEN! När man skall bestämma smältpunkt/fryspunkt eller kokpunkt/kondenseringspunkt för ett rent ämne eller en blandning av ämnen så kan man göra det ur olika typer av diagram. Se diagrammen i figur A- E ovan. Figurerna A – D är diagram för rena ämnen som smälter, kokar, kondenserar eller stelnar. I diagrammen för de rena ämnena kan man tydligt se att platåer bildas, kurvorna planar med andra ord ut och kurvans lutning blir i dessa intervall näst intill noll. Det är vid dessa platåer som fasövergången mellan olika aggregationstillstånd sker. Figur E är ett diagram för när en blandning av ämnen smälter. Blandningar av ämnen har inte samma skarpa smält-, koknings-, kondenserings- eller stelningspunkt som rena ämnen. Man ser det i grafen genom att en inte lika tydlig platå bildas. Även om kurvan planar ut under fasövergången så kommer kurvans lutning vara långt ifrån noll.
• Hur man bestämmer smält/stelningspunkt eller kok-/stelningspunkt i ett diagram Smält/stelningspunkten eller kok/kondenseringspunkten bestämmer man genom att finna en punkt mitt i intervallet där kurvans planar ut och där lutning är som minst. För att markera och bestämma smält-/stelningspunkten eller kok-/kondensationspunkten korrekt i ett diagram, så drar man ett rakt streck från temperaturaxeln (y-axeln) till mitten av intervallet på kurvan, där kurvans lutning är som minst. Från punkten på kurvan drar man sedan också ett rakt streck till den andra axeln (x-axeln). Den andra axel är ofta uppmärkt med tid eller tillförd/avgiven värmeenergi. Varför man ibland använder tid i stället för värmeenergi, på den andra axeln, beror på att tidsaxeln representerar den tid det värmeenergin att antingen tillförs eller avges från ämnet. Tid är lättare att mäta i siffror än tillförd eller avgiven värmeenergi. Punkten på kurvan i diagrammet, som markerats med de två raka strecken, representerar ämnets smält-/stelningspunkt eller ämnets kok-/kondenseringspunkt. Temperaturen som det raka strecket från kurvan, korsar på temperaturaxel(y-axeln), representerar ämnets eller blandningens kok-/kondeseringspunkt eller smält-/stelningspunkt. Värdet på den andra axeln (x-axeln), som det raka strecket från kurvan korsar, representerar den tid som gått åt eller den energi som behövdes eller avgavs för att hälften av ämnet/blandningen skall ha ändrat aggregationstillstånd.

Alla Inga Spara