10.4 Fasarit

Í fyrri einingu var breytileika jafnvægisgufunarþrýstings vökva með hitastigi lýst. Með hliðsjón af skilgreiningunni á suðumarki sýna gröf yfir gufunarþrýsting á móti hitastigi hvernig suðumark vökva breytist með þrýstingi. Einnig var lýst notkun hitunar- og kólnunarferla til að ákvarða bræðslumark (eða frostmark) efnis. Með því að gera slíkar mælingar yfir breitt svið þrýstings fást gögn sem hægt er að setja fram myndrænt sem fasarit. Fasarit (e. phase diagram) sameinar gröf yfir þrýsting á móti hitastigi fyrir jafnvægi fasaskipta milli vökva og gass, fasts efnis og vökva og fasts efnis og gass fyrir tiltekið efni. Þessi rit sýna hvaða efnishamur er til staðar við sérstakar aðstæður þrýstings og hitastigs og gefa einnig upp þrýstingsháð fasaskiptahitastig (bræðslumörk, þurrgufunarmörk, suðumörk). Dæmigert fasarit fyrir hreint efni er sýnt á Mynd 10.31.

A graph is shown where the x-axis is labeled “Temperature” and the y-axis is labeled “Pressure.” A line extends from the lower left bottom of the graph sharply upward to a point that is a third across the x-axis. A second line begins at the lower third of the first line at a point labeled “triple point” and extends to the upper right corner of the graph where it is labeled “critical point.” The two lines bisect the graph area to create three sections, labeled “solid” near the top left, “liquid” in the top middle and “gas” near the bottom right. A pair of horizontal arrows, one left-facing and labeled “deposition” and one right-facing and labeled” sublimation,” are drawn on top of the bottom section of the first line. A second pair of horizontal arrows, one left-facing and labeled “freezing” and one right-facing and labeled “melting”, are drawn on top of the upper section of the first line. A third pair of horizontal arrows, one left-facing and labeled “condensation” and one right-facing and labeled ”vaporization,” are drawn on top of the middle section of the second line. — Mynd 10.31 Efnishamur efnis og fasaskiptahitastig þess eru sýnd myndrænt á fasariti.

Til að sýna fram á notagildi þessara grafa skulum við skoða fasarit fyrir vatn sem sýnt er á Mynd 10.32.

A graph is shown where the x-axis is labeled “Temperature in degrees Celsius” and the y-axis is labeled “Pressure ( k P a ).” A line extends from the origin of the graph which is labeled “A” sharply upward to a point in the bottom third of the diagram labeled “B” where it branches into a line that slants slightly backward until it hits the highest point on the y-axis labeled “D” and a second line that extends to the upper right corner of the graph labeled “C”. C is labeled “Critical point, with a dotted line extending downward to the x-axis labeled 374 degrees Celsius, and another dotted line extending to the y-axis labeled 22,089 k P a. The two lines bisect the graph area to create three sections, labeled “Ice (solid)” near the middle left, “Water (liquid)” in the top middle and “Water vapor (gas)” near the bottom middle. Point B is labeled “Triple point” and has a dotted line extending downward to the x-axis labeled 0.01, and another dotted line extending to the y-axis labeled 0.6. Halfway between points B and C a dotted line extends from the originally discussed line downward to the point 100 degrees Celsius on the x-axis, and another dotted line extends to the y-axis at 101 k P a. Another dotted line extends from this dotted line downward at 0 degrees Celsius. — Mynd 10.32 Þrýstings- og hitastigsásarnir á þessu fasariti vatns eru ekki teiknaðir með föstum kvarða til að sýna nokkra mikilvæga eiginleika.

Við getum notað fasaritið til að bera kennsl á efnisham sýnis af vatni við tilgreindar aðstæður þrýstings og hitastigs. Til dæmis samsvarar þrýstingur upp á 50 kPa og hitastig upp á −10 °C svæðinu á ritinu sem merkt er „ís“. Við þessar aðstæður er vatn aðeins til sem fast efni (ís). Þrýstingur upp á 50 kPa og hitastig upp á 50 °C samsvarar svæðinu „vatn“ – hér er vatn aðeins til sem vökvi. Við 25 kPa og 200 °C er vatn aðeins til í gasham. Athugið að á H₂O-fasaritinu eru þrýstings- og hitastigsásarnir ekki teiknaðir með föstum kvarða til að hægt sé að sýna nokkra mikilvæga eiginleika eins og lýst er hér.

Ferillinn BC á Mynd 10.32 er graf yfir gufunarþrýsting á móti hitastigi eins og lýst var í fyrri einingu þessa kafla. Þessi „vökva-gufu“-ferill aðskilur vökva- og gassvæði fasaritsins og gefur upp suðumark vatns við hvaða þrýsting sem er. Til dæmis, við 1 atm er suðumarkið 100 °C. Takið eftir að vökva-gufu-ferillinn endar við hitastigið 374 °C og þrýstinginn 218 atm, sem gefur til kynna að vatn geti ekki verið til sem vökvi yfir þessu hitastigi, óháð þrýstingi. Eðliseiginleikar vatns við þessar aðstæður eru mitt á milli eiginleika vökva- og gashamanna. Þessi einstaki efnishamur er kallaður ofurkritískur vökvi, efni sem verður lýst í næsta kafla þessarar einingar.

Fast efni-gufu-ferillinn, merktur AB á Mynd 10.32, sýnir hitastig og þrýsting þar sem ís og vatnsgufa eru í jafnvægi. Þessi hitastigs- og þrýstingsgagnapör samsvara þurrgufunar- eða hrímunarpunktum vatns. Ef við gætum þysjað inn á fast efni-gas-línuna á Mynd 10.32 myndum við sjá að ís hefur gufunarþrýsting upp á um 0,20 kPa við −10 °C. Þannig að ef við setjum frosið sýni í lofttæmi með þrýstingi sem er lægri en 0,20 kPa mun ísinn þurrgufa. Þetta er grundvöllurinn að „frostþurrkunarferlinu“ sem oft er notað til að varðveita matvæli, eins og ísinn sem sýndur er á Mynd 10.33.

A photograph shows a package with a rocket being launched on the front and a block of pink, white and brown striped solid in a wrapper next to it. — Mynd 10.33 Frostþurrkuð matvæli, eins og þessi ís, eru þurrkuð með þurrgufun við þrýsting undir þrípunkti vatns. (heimild: „alwao“/Flickr)

Fast efni-vökva-ferillinn merktur BD sýnir hitastig og þrýsting þar sem ís og fljótandi vatn eru í jafnvægi, sem táknar bræðslu-/frostmark vatns. Takið eftir að þessi ferill hefur örlítið neikvæða hallatölu (mjög ýkt til skýringar), sem gefur til kynna að bræðslumark vatns lækkar lítillega þegar þrýstingur eykst. Vatn er óvenjulegt efni að þessu leyti, þar sem flest efni sýna hækkun á bræðslumarki með auknum þrýstingi. Þessi hegðun er að hluta til ábyrg fyrir hreyfingu jökla, eins og þess sem sýndur er á Mynd 10.34. Botn jökuls verður fyrir gríðarlegum þrýstingi vegna þyngdar sinnar sem getur brætt hluta íssins og myndað lag af fljótandi vatni sem jökullinn getur runnið auðveldar á.

A photograph shows an aerial view of a land mass. The white mass of a glacier is shown near the top left quadrant of the photo and leads to two branching blue rivers. The open land is shown in brown. — Mynd 10.34 Gríðarlegur þrýstingur undir jöklum veldur bráðnun að hluta til og myndar vatnslag sem smyr og auðveldar hreyfingu jökulsins. Þessi gervihnattamynd sýnir frambrún Perito Moreno-jökulsins í Argentínu. (heimild: NASA)

Skurðpunktur allra þriggja ferlanna er merktur B á Mynd 10.32. Við þrýstinginn og hitastigið sem þessi punktur táknar eru þrír fasar vatns til í jafnvægi. Þetta hitastigs- og þrýstingsgagnapar er kallað þrípunktur (e. triple point). Við þrýsting sem er lægri en þrípunkturinn getur vatn ekki verið til sem vökvi, óháð hitastigi.

Dæmi 10.11

Ákvörðun á efnishami vatns

Notaðu fasarit fyrir vatn sem gefið er á Mynd 10.32 til að ákvarða efnisham vatns við eftirfarandi hitastig og þrýsting:

(a) −10 °C og 50 kPa

(b) 25 °C og 90 kPa

(d) 80 °C og 5 kPa

(e) −10 °C og 0,3 kPa

(f) 50 °C og 0,3 kPa

Lausn

Með því að nota fasarit fyrir vatn getum við ákvarðað að ástand vatns við hvert uppgefið hitastig og þrýsting sé sem hér segir: (a) fast efni; (b) vökvi; (c) vökvi; (d) gas; (e) fast efni; (f) gas.

Kannaðu þekkingu þína

Hvaða fasabreytingum getur vatn tekið þegar hitastigið breytist ef þrýstingnum er haldið við 0,3 kPa? Ef þrýstingnum er haldið við 50 kPa?

Lítum á fasarit fyrir koldíoxíð sem sýnt er í Mynd 10.35 sem annað dæmi. Kúrfan sem sýnir skil milli fasts efnis og vökva hefur jákvæða hallatölu, sem gefur til kynna að bræðslumark CO₂ hækki með þrýstingi eins og gildir um flest efni (vatn er athyglisverð undantekning eins og áður var lýst). Taktu eftir að þrípunkturinn er vel yfir 1 atm, sem gefur til kynna að koldíoxíð geti ekki verið til sem vökvi við umhverfisþrýsting. Þess í stað veldur kæling á koldíoxíði í gasformi við 1 atm útfellingu þess í fast efni. Sömuleiðis bráðnar fast koldíoxíð ekki við 1 atm þrýsting heldur þurrgufar og myndar CO₂ í gasformi. Að lokum, taktu eftir að markpunktur koldíoxíðs sést við tiltölulega lágt hitastig og þrýsting í samanburði við vatn.

A graph is shown where the x-axis is labeled “Temperature ( degree sign, C )” and has values of negative 100 to 100 in increments of 25 and the y-axis is labeled “Pressure ( k P a )” and has values of 10 to 1,000,000. A line extends from the lower left bottom of the graph upward to a point around“27, 9000,” where it ends. The space under this curve is labeled “Gas.” A second line extends in a curve from point around “-55, 500” to “27, 1,000,000.” The area to the left of this line and above the first line is labeled “Solid” while the area to the right is labeled “Liquid.” A section on the graph under the second line and past the point “28” on the x-axis is labeled “S C F.” — Mynd 10.35 Fasarit fyrir koldíoxíð er sýnt. Þrýstingsásinn er teiknaður á lograkvarða til að rúma stórt gildasvið.

Dæmi 10.12

Ákvörðun á ástandi koldíoxíðs

Notaðu fasaritið fyrir koldíoxíð sem sýnt er í Mynd 10.35 til að ákvarða ástand CO₂ við eftirfarandi hitastig og þrýsting:

(a) −30 °C og 2000 kPa

(b) −90 °C og 1000 kPa

(d) −40 °C og 1500 kPa

(e) 0 °C og 100 kPa

(f) 20 °C og 100 kPa

Lausn

Með því að nota fasaritið fyrir koldíoxíð sem fylgir með getum við ákvarðað að ástand CO₂ við hvert uppgefið hitastig og þrýsting sé sem hér segir: (a) vökvi; (b) fast efni; (c) gas; (d) vökvi; (e) gas; (f) gas.

Kannaðu þekkingu þína

Greindu hvaða fasabreytingum koldíoxíð mun gangast undir þegar hitastig þess er hækkað úr −100 °C á meðan þrýstingnum er haldið stöðugum við 1500 kPa. Við 50 kPa. Við hvaða áætlaða hitastig eiga þessar fasabreytingar sér stað?

Yfirmarksstraumefni

Ef við setjum vatnssýni í lokað ílát við 25 °C, fjarlægjum loftið og látum jafnvægi milli uppgufunar og þéttingar komast á, sitjum við eftir með efnablöndu af fljótandi vatni og vatnsgufu við 0,03 atm þrýsting. Greinileg mörk sjást á milli hins eðlisþéttari vökva og hins eðlisléttara gass. Þegar við hækkum hitastigið eykst þrýstingur vatnsgufunnar, eins og lýst er með vökva-gas-kúrfunni í fasariti vatns (Mynd 10.32), og tveggja fasa jafnvægi milli vökva- og gasfasa helst. Við 374 °C hitastig hefur gufuþrýstingurinn hækkað í 218 atm og öll frekari hitastigshækkun veldur því að mörkin milli vökva- og gufufasans hverfa. Allt vatnið í ílátinu er nú til staðar í einum fasa þar sem eðliseiginleikarnir eru millistig milli eiginleika gas- og vökvaástands. Þessi fasi efnis er kallaður yfirmarksstraumefni (e. supercritical fluid) og hitastigið og þrýstingurinn sem þessi fasi er til fyrir ofan er markpunkturinn (e. critical point) (Mynd 10.36). Fyrir ofan markhitastig sitt er ekki hægt að breyta gasi í vökva, sama hversu miklum þrýstingi er beitt. Þrýstingurinn sem þarf til að breyta gasi í vökva við markhitastig þess er kallaður markþrýstingur. Markhitastig og markþrýstingur nokkurra algengra efna eru gefin í eftirfarandi töflu.

Tafla 10.8
Efni	Markhitastig (°C)	Markþrýstingur (kPa)
Vetni	−240,0	1300
Nitur	−147,2	3400
Súrefni	−118,9	5000
Koldíoxíð	31,1	7400
Ammoníak	132,4	11.300
Brennisteinsdíoxíð	157,2	7800
Vatn	374,0	22.000

Four photographs are shown where each shows a circular container with a green and red float in each. In the left diagram, the container is half filled with a colorless liquid and the floats sit on the surface of the liquid. In the second photo, the green float is near the top and the red float lies near the bottom of the container. In the third photo, the fluid is darker and the green float sits halfway up the container while the red is sitting at the bottom. In the right photo, the liquid is colorless again and the two floats sit on the surface. — Mynd 10.36 (a) Lokað ílát með fljótandi koldíoxíði rétt undir markpunkti þess er hitað, sem leiðir til (b) myndunar yfirmarksstraumefnisfasans. Með því að kæla yfirmarksstraumefnið lækkar hitastig þess og þrýstingur niður fyrir markpunktinn, sem leiðir til þess að aðskildir vökva- og gasfasar myndast aftur (c og d). Litaðir flotar sýna mun á eðlisþéttleika milli vökva-, gas- og yfirmarksstraumefnisástandsins. (heimild: breyting á verki eftir „mrmrobin“/YouTube)

Líkt og gas mun yfirmarksstraumefni þenjast út og fylla ílát, en eðlisþéttleiki þess er mun meiri en dæmigerður eðlisþéttleiki gasa og er venjulega nálægt eðlisþéttleika vökva. Líkt og vökvar geta þessi straumefni leyst upp órokgjörn uppleyst efni. Þau sýna þó nánast enga yfirborðsspennu og hafa mjög lága seigju, þannig að þau geta á skilvirkari hátt smogið inn í mjög lítil op í fastri efnablöndu og fjarlægt uppleysanlega efnisþætti. Þessir eiginleikar gera yfirmarksstraumefni að afar gagnlegum leysum fyrir margs konar notkun. Til dæmis hefur yfirmarks-koldíoxíð orðið mjög vinsæll leysir í matvælaiðnaði og er notað til að koffínlosa kaffi, fjarlægja fitu úr kartöfluflögum og vinna bragð- og ilmsambönd úr sítrusolíum. Það er eiturlaust, tiltölulega ódýrt og er ekki talið mengunarefni. Eftir notkun er auðvelt að endurheimta CO₂ með því að lækka þrýstinginn og safna gasinu sem myndast.

Dæmi 10.13

Markhitastig koldíoxíðs

Ef við hristum koldíoxíð-slökkvitæki á köldum degi (18 °C) heyrum við fljótandi CO₂ skvettast til inni í kútnum. Hins vegar virðist sami kútur ekki innihalda neinn vökva á heitum sumardegi (35 °C). Útskýrðu þessar athuganir.

Lausn

Á kalda deginum er hitastig CO₂ undir markhitastigi CO₂, 304 K eða 31 °C, þannig að fljótandi CO₂ er til staðar í kútnum. Á heita deginum er hitastig CO₂ hærra en markhitastig þess sem er 31 °C. Fyrir ofan þetta hitastig getur enginn þrýstingur breytt CO₂ í vökva, þannig að ekkert fljótandi CO₂ er til í slökkvitækinu.

Kannaðu þekkingu þína

Hægt er að breyta ammoníaki í vökva með þjöppun við stofuhita; ekki er hægt að breyta súrefni í vökva við þessar aðstæður. Hvers vegna sýna þessi tvö gös ólíka hegðun?

Efnafræði í daglegu lífi

Kaffi er næst mest selda verslunarvara í heimi, á eftir jarðolíu. Fólk um allan heim elskar ilm og bragð kaffis. Mörg okkar treysta líka á einn þátt kaffisins – koffín – til að koma okkur í gang á morgnana eða halda okkur vakandi síðdegis. En seint á daginn geta örvandi áhrif kaffis komið í veg fyrir að þú sofnir, svo þú gætir valið að drekka koffínlaust kaffi á kvöldin.

Frá því snemma á 20. öld hafa margar aðferðir verið notaðar til að fjarlægja koffín úr kaffi. Allar hafa þær kosti og galla og byggja á eðlis- og efnaeiginleikum koffíns. Þar sem koffín er nokkuð skautuð sameind leysist það vel upp í vatni, sem er skautaður vökvi. Hins vegar, þar sem mörg af hinum rúmlega 400 efnasamböndunum sem stuðla að bragði og ilmi kaffis leysast einnig upp í H₂O, geta koffínlausnarferli með heitu vatni einnig fjarlægt sum þessara efnasambanda, sem hefur slæm áhrif á lykt og bragð koffínlausa kaffisins. Díklórmetan (CH₂Cl₂) og etýlasetat (CH₃CO₂C₂H₅) hafa svipaða skautun og koffín og eru því mjög áhrifaríkir leysar til að draga út koffín, en báðir fjarlægja einnig bragð- og ilmefni og notkun þeirra krefst langs útdráttar- og hreinsunartíma. Þar sem báðir þessir leysar eru eitraðir hafa komið fram áhyggjur af heilsufarsáhrifum leifarleysa sem verða eftir í koffínlausa kaffinu.

Útdráttur með yfirmarks-vökva með koldíoxíði er nú mikið notaður sem skilvirkari og umhverfisvænni aðferð til að fjarlægja koffín (Mynd 10.37). Við hitastig yfir 304,2 K og þrýsting yfir 7376 kPa er CO₂ yfirmarks-vökvi, með eiginleika bæði gass og vökva. Eins og gas smýgur það djúpt inn í kaffibaunirnar; eins og vökvi leysir það á áhrifaríkan hátt upp ákveðin efni. Útdráttur með yfirmarks-koldíoxíði úr gufusoðnum kaffibaunum fjarlægir 97–99% af koffíninu og skilur bragð- og ilmefnasambönd kaffisins eftir óskert. Þar sem CO₂ er gas við staðlaðar aðstæður er auðvelt að fjarlægja það úr útdregnu kaffibaununum, eins og endurheimt koffínsins úr útdrættinum. Koffínið sem endurheimt er úr kaffibaunum með þessu ferli er verðmæt vara sem hægt er að nota síðar sem aukefni í önnur matvæli eða lyf.

Mynd 10.37 (a) Koffínsameindir hafa bæði skautuð og óskautuð svæði, sem gerir þær auðleystar í leysum með mismunandi skautun. (b) Skýringarmyndin sýnir dæmigert koffínlaust ferli sem felur í sér yfirmarks-koldíoxíð.

Námsmarkmið