Καταστάσεις των υλικών ❄️

Ένα υδάτινο τοπίο μπορεί να δείχνει το νερό ταυτόχρονα σε τρεις διαφορετικές καταστάσεις: ως αέριο (υδρατμοί στον αέρα), ως υγρό (η θάλασσα ή η λίμνη) και ως στερεό (πάγος ή χιόνι). Τα διάφορα υλικά μπορούν να υπάρχουν και στις τρεις αυτές καταστάσεις, ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν.

Οι τρεις φυσικές καταστάσεις της ύλης

Ένα κομμάτι πάγου, ένα κομμάτι μαρμάρου, ένας κόκκος αλατιού και ένα σιδερένιο καρφί έχουν κάτι κοινό: βρίσκονται όλα σε στερεή κατάσταση. Έχουν ορισμένη μάζα, ορισμένο όγκο και συγκεκριμένο σχήμα.

Το νερό, το λάδι, το οινόπνευμα και η βενζίνη έχουν κάτι κοινό: βρίσκονται όλα σε υγρή κατάσταση. Έχουν ορισμένη μάζα και ορισμένο όγκο, αλλά το σχήμα τους είναι μεταβλητό — αλλάζει ανάλογα με το δοχείο που τα περιέχει.

Οι υδρατμοί, το οξυγόνο και το διοξείδιο του άνθρακα βρίσκονται σε αέρια κατάσταση. Έχουν ορισμένη μάζα, αλλά ο όγκος και το σχήμα τους μεταβάλλονται ανάλογα με τον όγκο και το σχήμα του δοχείου που τα περιέχει.

Τη στερεή κατάσταση τη συμβολίζουμε με (s) (από το solid = στερεό), την υγρή με (l) (από το liquid = υγρό) και την αέρια με (g) (από το gas = αέριο). Για παράδειγμα, τον πάγο τον συμβολίζουμε με το χημικό τύπο του νερού και το σύμβολο του στερεού: Η₂Ο (s).

Παράγοντες που επηρεάζουν τη φυσική κατάσταση

Δύο βασικοί παράγοντες καθορίζουν σε ποια κατάσταση βρίσκεται ένα υλικό: η θερμοκρασία και η πίεση.

Στο Βόρειο και στο Νότιο Πόλο, όπου επικρατούν χαμηλές θερμοκρασίες, το νερό βρίσκεται κυρίως με μορφή πάγου. Αντίθετα, στην εύκρατη και στην τροπική ζώνη, όπου οι θερμοκρασίες είναι υψηλότερες, το νερό είναι κυρίως υγρό. Στις τροπικές περιοχές μάλιστα υπάρχουν μεγάλες ποσότητες υδρατμών στην ατμόσφαιρα, επειδή η θερμοκρασία είναι υψηλή. Η θερμοκρασία λοιπόν είναι ένας από τους παράγοντες που καθορίζουν τη φυσική κατάσταση του νερού και γενικότερα όλων των υλικών.

Το βουτάνιο μέσα στα φιαλίδια των συσκευών θέρμανσης (γκαζάκια) βρίσκεται σε υψηλή πίεση και έτσι είναι υγρό. Όταν το βουτάνιο διαφύγει από τη φιάλη στην ατμόσφαιρα, όπου η πίεση είναι μικρότερη, μετατρέπεται σε αέριο. Επομένως η πίεση είναι ένας ακόμη παράγοντας που καθορίζει τη φυσική κατάσταση των υλικών.

Πώς αλλάζει η φυσική κατάσταση όταν αλλάζει η θερμοκρασία

Αν στάξουμε μια σταγόνα καθαρού οινοπνεύματος πάνω στην παλάμη μας, θα δούμε ότι το υγρό ελαττώνεται και ύστερα από λίγο (1-2 λεπτά) εξαφανίζεται τελείως, ενώ μυρίζει οινόπνευμα. Το υγρό οινόπνευμα εξατμίστηκε, δηλαδή πέρασε σιγά σιγά από την υγρή στην αέρια κατάσταση (εξάτμιση). Αυτή η μεταβολή μπορεί να γίνει και με βρασμό.

Πείραμα: μεταβολές της φυσικής κατάστασης του νερού

Σε ένα ποτήρι ζέσεως βάζουμε λίγο νερό και μερικά παγάκια και βυθίζουμε ένα θερμόμετρο. Μετά από λίγο παρατηρούμε ότι το θερμόμετρο δείχνει 0 °C. Θερμαίνουμε το περιεχόμενο του ποτηριού και παρατηρούμε ότι τα παγάκια σιγά σιγά λιώνουν. Η θερμοκρασία παραμένει στους 0 °C μέχρι να λιώσουν όλα τα παγάκια. Συνεχίζουμε τη θέρμανση: η θερμοκρασία του νερού αυξάνεται. Όταν φτάσει τους 100 °C, το νερό βράζει και η θερμοκρασία παραμένει σταθερή. Αν κρατήσουμε ένα κομμάτι γυαλί πάνω από το ποτήρι, πάνω στο γυαλί σχηματίζονται σταγόνες νερού: οι υδρατμοί υγροποιούνται.

Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει τις εξής μετατροπές:

• Τήξη του πάγου: το νερό από στερεό μετατρέπεται σε υγρό. Το αντίστροφο, δηλαδή η μετατροπή του υγρού νερού σε στερεό, ονομάζεται πήξη.
• Βρασμός του νερού: μετατροπή του υγρού νερού σε υδρατμό από όλη τη μάζα του. Ο βρασμός ονομάζεται και ζέση.
• Υγροποίηση του υδρατμού: μετατροπή του αέριου νερού σε υγρό νερό. Η υγροποίηση ενός αερίου ονομάζεται και συμπύκνωση.

Σε όλο αυτό το πείραμα η πίεση παραμένει σταθερή· η αιτία για όλες τις μετατροπές είναι αποκλειστικά η μεταβολή της θερμοκρασίας.

Σημείο τήξεως και σημείο ζέσεως

Η θερμοκρασία στην οποία τήκεται (ρευστοποιείται) ένα στερεό ονομάζεται σημείο τήξεως (Σ.Τ.), ενώ η θερμοκρασία στην οποία βράζει ένα υγρό ονομάζεται σημείο ζέσεως (Σ.Ζ.) ή σημείο βρασμού. Το σημείο τήξεως του πάγου είναι 0 °C και το σημείο ζέσεως του νερού είναι 100 °C, σε πίεση 1 atm.

Γενικά, για πίεση 1 atm ισχύουν τα εξής:

• Σε θερμοκρασία χαμηλότερη από το σημείο τήξεως, οι ουσίες είναι σε στερεή κατάσταση.
• Σε θερμοκρασία μεταξύ του σημείου τήξεως και του σημείου ζέσεως, οι ουσίες είναι σε υγρή κατάσταση.
• Σε θερμοκρασία υψηλότερη από το σημείο ζέσεως, οι ουσίες είναι σε αέρια κατάσταση.

Άλλες μετατροπές των φυσικών καταστάσεων

Έχεις προσέξει ότι η καμφορά που βάζουμε στις ντουλάπες με τα μάλλινα ρούχα το καλοκαίρι έχει εξαφανιστεί το φθινόπωρο; Αυτό συμβαίνει γιατί η στερεή καμφορά μετατράπηκε απευθείας σε αέρια, χωρίς να γίνει υγρή. Το φαινόμενο της μετατροπής ενός στερεού απευθείας σε αέριο ονομάζεται εξάχνωση, ενώ το αντίστροφο φαινόμενο (από αέριο απευθείας σε στερεό) ονομάζεται απόθεση.

Συνοψίζοντας, οι μεταβολές της φυσικής κατάστασης των υλικών είναι: