Skupenské stavy látek

Vydáno: 11. 06. 2023; Poslední aktualizace: 05. 08. 2023; Autor: Zdeněk Moravec

Každá látka se může vyskytovat ve skupenství pevném, kapalném, plynném či plazmatickém. Jednotlivá skupenství mají své charakteristické vlastnosti. Látky přecházejí mezi skupenstvími v závislosti na teplotě a tlaku, tyto přechody nazýváme jako fázové přeměny.

  • Pevné skupenství – částice jsou v látce vázány poměrně pevně, vytvářejí krystalickou mřížku. Pevné látky nejsou stlačitelné a udržují svůj tvar.
  • Kapalné skupenství – částice jsou v kapalném skupenství volnější než v pevné, kapaliny jsou velmi málo stlačitelné, ale tvar mění podle tvaru nádoby.
  • Plynné skupenství – částice jsou vázány velmi volně, plyn je velmi dobře stlačitelný a objem a tvar přizpůsobuje nádobě.
  • Plazmatické skupenství – plazma je tvořeno ionizovaným plynem, tzn. ionty, elektrony a také neutrálními atomy a molekulami.

Skupenství

Pevné

V pevném skupenství jsou částice vázány poměrně pevně, oscilují okolo svých rovnovážných poloh a vytvářejí pravidlenou krystalickou mřížku. Zahříváním pevné látky dochází ke zvyšování energie oscilací a po překročení teploty tání k rozbití krystalové mřížky a vzniku taveniny.

Kapalné

Částice jsou vázány volněji než v pevné látce, ale pevněji než v plynu. Objem je velmi málo závislý na tlaku, ale tvar kapaliny je dán tvarem nádoby. Snižováním teploty lze dosáhout krystalizace kapaliny a vzniku pevné látky, naopak ohřevem dochází ke zvyšování tenze páry nad kapalinou a následně i k varu kapaliny.

Plynné

Částice v plynu jsou vázány velmi slabě, plyn přizpůsobuje svůj tvar a objem nádobě, v které je uložen. Částice plynu jsou relativně daleko od sebe a jejich vzájemné interakce jsou slabé.

Pro jednodušší popis plynu byl zaveden koncept ideálního plynu. Ideálnímu plynu je věnována speciální kapitola.

Reálné plyny se od ideálních odlišují, odlišnosti jsou způsobeny:

  1. Velikostí částic (atomů nebo molekul), např. helium se bude chovat podobněji ideálnímu plynu než např. propan (C3H8).
  2. Velikost interakce mezi částicemi plynu, helium interaguje velmi slabě. Naproti tomu např. plynný fluorovodík (HF) bude vytvářet silné vodíkové vazby a tím se bude odlišnost od ideálního plynu zvýrazňovat.
  3. U reálného plynu nelze aplikovat podmínku nezkapalnitelnosti, neboli absolutní stlačitelnosti. Částice plynu mají nenulový objem. Některé plyny lze ale zkapalnit velmi obtížně, např. helium.

Rovnic reálného plynu exisuje více, asi nejběžnější je van der Waalsova rovnice:

$$(\textrm{p}\ +\ \frac{\textrm{a}}{\textrm{V}_\textrm{m}^2})(\textrm{V}_\textrm{m}\ -\ b)\ =\ \textrm{RT}$$

a, b jsou koeficienty, které lze pro jednotlivé plyny získat z tabulek:

plyn$$\textrm{a}\ [\frac{\textrm{m}^2\ \textrm{Pa}}{\textrm{mol}^2}]$$$$\textrm{b}\ [\frac{10^{-6}\ \textrm{m}^3}{\textrm{mol}}]$$plyn$$\textrm{a}\ [\frac{\textrm{m}^2\ \textrm{Pa}}{\textrm{mol}^2}]$$$$\textrm{b}\ [\frac{10^{-6}\ \textrm{m}^3}{\textrm{mol}}]$$
argon (Ar)0,13632,2fosfin (PH3)0,46951,6
butan (C4H10)1,466122,6chlor (Cl2)0,65856,2
dusík (N2)0,14139,1oxid uhelnatý (CO)0,15139,9

Plazma

Plazma získáme zahříváním plynu, tím dochází k ionizaci části atomů a molekul plynu a uvolnění elektronů z jejich elektronového obalu. Příkladem přírodního plazmatu je oheň nebo blesk.

Úder blesku do Eiffelovy věže. Zdroj: Gabriel Loppé/Commons

Skupenské přeměny

Skupenské přeměny jsou fázové přechody mezi jednotlivými skupenstvími.

Tání a tuhnutí

Pokud pevnou krystalickou látku zahřejeme nad teplotu tání, pozorujeme přechod z pevného do kapalného skupenství, ten označujeme jako tání. Ochlazováním taveniny pak dojde k opačnému přechodu, ten označujeme jako tuhnutí. Teplo potřebné na roztavení 1 kg krystalické látky zahřáté právě na teplotu tání označujeme jako měrné skupenské teplo tání.

U amorfních látek tání nepozorujeme, pouze dochází k měknutí a následně zkapalnění látky.

Var a kondenzace

Přechod z kapaného do plynného skupenství označujeme jako vypařování nebo var (pokud se teplota systému rovná teplotě varu). Opačný pochod označujeme jako kondenzace nebo kapalnění (např. zkapalnění helia). Teplo potřebné na odpaření 1 kg látky zahřáté na teplotu varu se označuje jako měrné skupenské teplo varu.

Při zahřívání získávají částice látky větši energii a tím i rychlost, dokáži proto snadněji opustit objem kapaliny a přejít do plynného skupenství, vytvoří tak páru nad hladinou. K odpařování dochází i při teplotách nižších než je teplota varu, proto se nám např. odpařuje voda ze sklenice už za pokojové teploty.

Var lze využít pro čištění kapalin pomocí destilace, kdy separujeme kapaliny na základě rozdílné teploty varu.

Jednoduchá destilační aparatura. Zdroj: Arlen/Commons

Sublimace a desublimace

Některé pevné látky mají schopnost přecházet přímo do plynného skupenství, aniž by došlo k jejich tání. Tento děj označujeme jako sublimaci, zpravidla probíhá za nízkého tlaku, ale např. kafr nebo led sublimují za normálního tlaku. Kondenzaci par přímo na pevnou látku pak označujeme jako desublimaci.

Kafr

Další kapitoly