Fasövergångar

Så gott som alla ämnen kan existera i alla tre aggregationsformer. Vatten kan till exempel finnas både som is (fast fas), en vätska (vätskefas) och som vattenånga (gasfas). Vilken av formerna ett ämne är i, beror på dess temperatur och tryck.

I den här artikeln ska vi se hur det är möjligt att få ett ämne att gå över från en aggregationsform till en annan. Detta kallas för fasövergångar. Innan du läser vidare kan det vara bra att ha koll på det som gås igenom i artikeln om rörelser på molekylnivå.

 

Smältning – från fast fas till vätskefas

Låt oss säga att vi har en isbit – alltså vatten i fast fas. Som vi tidigare har nämnt kommer vattenmolekylerna att sitta ihop med varandra på bestämda platser i isbiten utan att röra sig så värst mycket. Man kan säga att deras rörelseenergi är låg.

Men om vi lägger isbiten i en bägare och värmer den på en värmeplatta kommer vattenmolekylerna att få energi från värmen och därmed börja röra sig lite. Håller vi på tillräckligt länge kommer de att få så pass mycket rörelseenergi att de inte längre kan hålla sig kvar på sina bestämda platser utan i stället börjar röra sig mer huller om buller (även om de fortfarande håller ihop). Det som har hänt är att isbiten har smält och gått över till vätskefas. Det är alltså fortfarande vatten – men i en annan form.

Som du säkert kan förstå behöver vi tillföra värme för att smälta ett ämne. Temperaturen vid vilken ett ämne smälter kallas smältpunkt. För vatten ligger den på 0 °C.

 

Kokning – från vätskefas till gasfas

Säg att vi fortsätter att värma vattnet. Till slut har molekylerna fått så mycket rörelseenergi att de inte klarar att hålla ihop över huvud taget utan kommer att lämna bägaren och sprida ut sig i rummet. Det som har hänt är att vattnet har kokat och övergått till gasfas.

Även här behöver vi tillföra värme. Den temperatur vid vilken ett ämne kokar kallas kokpunkt. För vatten ligger den på 100 °C.

 

Avdunstning – kokning under kokpunkten

Om du tänker efter har du säkert märkt att ett ämne kan gå från vätskefas till gasfas även vid temperaturer under kokpunkten. Atmosfären innehåller ju alltid mer eller mindre vattenånga, som har avdunstat från jordytan. Trots detta är det mycket sällan temperaturen blir så hög som 100 °C under normala förhållanden. Hur kommer då detta sig?

Jo, temperaturen i en vätska är ju ett mått på molekylernas genomsnittliga rörelseenergi. Även om denna inte räcker för att alla molekyler i vätskan ska kunna bryta sig loss och gå över till gasfas, kommer i alla fall några molekyler vid ytan alltid ha tillräckligt med energi för att klara detta. Vid en vätskas yta tar sig alltså molekyler hela tiden loss och lämnar vätskan. Dessa blir fler i antal om vi höjer temperaturen. Då blir den genomsnittliga rörelseenergin högre, vilket leder till att fler molekyler kommer upp i tillräckligt höga energier för att göra sig fria.

När en molekyl med hög rörelseenergi lämnar vätskan kommer genomsnittsenergin hos molekylerna som är kvar i vätskan att sjunka lite, vilket leder till att temperaturen hos en vätska minskar vid avdunstning. Har du någon gång haft handsprit (består av etanol) på händerna har du säkert känt av detta. Etanol avdunstar i stor omfattning vid rumstemperatur, vilket leder till att temperaturen sjunker.

Detta gäller även vid kokning – molekyler med hög energi lämnar vätskan, som därför får sänkt medeltemperatur. Om du mäter temperaturen i en kokande vätska kommer du märka att temperaturen håller sig strax under kokpunkten hela tiden.

 

Stelning – från vätskefas till fast fas

Ett annat sätt att omvandla vatten från en form till en annan är genom att sätta flytande vatten i en frys. När temperaturen sänks förlorar molekylerna sin rörelseenergi och rör sig allt långsammare. Ju långsammare de rör sig, ju bättre kommer de att hålla ihop vilket leder till att de snart har återgått till sina bestämda platser. Det som händer här är att vattnet har frusit, eller stelnat som man också kan säga, och gått över från vätskefas till fast fas.

När detta sker avges värme till omgivningen. Temperaturen som behövs för att detta ska ske är den samma som smältpunkten för ämnet. Ibland kallas denna temperatur också för fryspunkt.

 

Kondensation – från gasfas till vätskefas

Vi kan också omvandla vattenånga till flytande vatten genom att sänka temperaturen i ett rum eller en behållare med mycket vattenånga i (en bastu till exempel). Vi kommer då att märka att vattenångan bildar små vattendroppar på rummets väggar. Dropparna är vatten i vätskefas. Vi har alltså sett en fasövergång från gasfas till vätskefas, vilket man kallar kondensation. Detta sker eftersom den sänkta temperaturen leder till att molekylerna får mindre energi och tillslut inte ”orkar” flyga omkring i rummet på egen maskin. I stället går de ihop till små droppar.

Vid kondensation avges värme till omgivningen. Temperaturen vid vilken kondensation av ett ämne sker är den samma som kokpunkten för ämnet.

 

Sublimering – direkt från fast fas till gasfas (eller tvärt om)

En lite ovanligare typ av fasöverång är sublimering. Det sker när ett ämne går direkt från fast fas till gasfas (ibland kallas även fasövergången åt andra hållet, det vill säga direkt från fast fas till gasfas också för sublimering). Många gånger beror detta på att ämnet inte kan vara i vätskefas vid det tryck som råder, eller på att temperaturen hastigt sjunker under smältpunkten.

Ett exempel på ett ämne som sublimerar är koldioxid, som inte kan existera i flytande fas vid normalt lufttyck. När fast koldioxid smälter blir det alltså inte blött, vilket leder till att koldioxid i fast fas ofta kallas för torris.

Vid sublimering från fast fas till gasfas tas energi upp från omgivningen, medan sublimering åt andra hållet leder till att energi avges.

 

Sammanfattning

Vi har nu lärt oss namnen på flera olika fasövergångar. I bilden nedan får du en sammanfattning på dessa, där det visas om energi tas upp eller avges med hjälp av en energipil (pekar den in mot fasövgergången tas energi upp, pekar den utåt avges energi).

fasovergangar2

 

Smält och kokpunkter

I tabellen nedan hittar du kok och smältpunkter för några vanliga ämnen. Observera att dessa bara gäller vid normalt lufttyck. Vatten kan till exempel koka vid lägre temperaturer om vi sänker trycket, vilket visas i det här videoklippet.

Smältpunkt Kokpunkt
Järn, Fe 1538 °C 2862 °C
Koksalt, NaCl 801 °C 1413 °C
Vatten, H2O 0 °C 100 °C
Etanol, C2H5OH −114 °C 78 °C
Ammoniak, NH3 −77,73 °C −33,34 °C
Kväve, N2 −210 °C −196 °C
Propan, C3H8 −189 °C −44 °C
Butan, C4H10 −139 °C −0,5 °C

 

Övningsuppgifter

Nedan följer några kontrollfrågor på det du hittills har lärt dig.

Övningsuppgift 1Svar
Vad har järn för kokpunkt?
Järn kokar vid 2862 °C.
Övningsuppgift 2Svar
I vilken aggregationsform har molekylerna/atomerna högst respektive lägst rörelseenergi?
Högst rörelseenergi har de i gasfas medan rörelseenergin är som lägst i fast fas.

 

Vad kallar man följande fasövergångar?

Övningsuppgift 3aSvar
Du fryser in vatten för att göra isbitar.
Vattnet går från vätskefas till fast fas. Vi har att göra med en stelning.
Övningsuppgift 3bSvar
Du tänder ett stearinljus. En del av det fasta stearinet blir flytande.
Eftersom stearinet går från fast fas till vätskefas rör det sig om en smältning.
Övningsuppgift 3cSvar
Vattenångan i luften blir till dimma.
Vattenångan, som är i gasfas, blir till små vattendroppar i vätskefas. Alltså är den en kondensation.

 

Ta reda på vilken aggregationsform följande ämnen har vid rumstemperatur (25 °C) med hjälp av tabellen ovan.

Övningsuppgift 4aSvar
Etanol
Smältpunkten ligger långt under rumstemperatur vilket betyder att etanolen för länge sedan har smält. Kokpunkten ligger en bit över rumstemperatur. Därför kan det inte heller vara en gas. Etanol är alltså en vätska vid 25 °C.
Övningsuppgift 4bSvar
Kvävgas
Både smältpunkten och kokpunkten ligger här (en bra bit) under 25 °C. Därför måste det vara en gas.

 

Övningsuppgift 5Svar
Varför använder kemister ibland flytande kväve när de vill kyla ner något? Tänk på vad som händer vid den fasövergång som sker.
När kvävgasen går över till gasfas (som den strävar efter att vara i vid rumstemperatur) sker en kokning. Som vid alla andra kokningar tas det då upp värme från omgivningen som alltså kyls ner.
Övningsuppgift 6Svar
Gasol är en blandning av gaserna butan och propan. Den exakta sammansättningen beror på var gasen ska användas. I kallare områden (som i Sverige) används en större halt propan. Ge en förklaring till detta.
Butan har en förhållandevis hög kokpunkt. Om andelen butan är för hög kan gasolen bli flytande en vanlig svensk vinterdag och därmed bli svår att antända. Är propanhalten däremot högre, hamnar kokpunkten närmare propans som ligger på betryggande avstånd från temperaturen i Sverige.

Artikeln skriven av Oskar Henriksson. Lämna feedback / ställ en fråga.
Publicerad 1 november 2010. Senast uppdaterad 21 januari 2016.

Comments are closed