Εξάχνωση, αναζητώντας ένα μοντέλο για σχολική χρήση

Διονύση,

Θα επιχειρήσω μια βόλτα στο διάγραμμα των φάσεων, απ’ τις διαδρομές που προτείνεις.

Θα επιχειρήσω να περιγράψω την διαδικασία μετάβασης κατά την διαδρομή από Α στην Β και τελικά στην Γ, με μια διάταξη παρόμοια με αυτήν που θυμήθηκε ο Γιώργος.

Έστω ότι ο πάγος της εικόνας βρίσκεται σε περιβάλλον θερμοκρασίας -15 Κελσίου, όπως περίπου και οι καταστάσεις Α, Β & Γ του διαγράμματος φάσεων που παράθεσες. Στο εσωτερικό του είχε προ-τοποθετηθεί μεταλλικό σύρμα. Κάτω από το σύρμα φυλακίστηκε μεταξύ των παγοκρυστάλλων η κατάλληλη ποσότητα ατμού, ώστε να έχει πίεση και θερμοκρασία όμοιες με αυτές που επικρατούν στην κατάσταση Α (-15 Κελσίου, 0,005 Atm). Επειδή ο ατμός βρίσκεται σε συνθήκη που εκφράζεται από την καμπύλη εξάχνωσης, τελεί σε ισορροπία με τον πάγο.

Ο πειραματιστής, αυξάνει αργά & σταδιακά με βάρη το φορτίο στα ελεύθερα άκρα του σύρματος, μεγαλώνοντας σιγά-σιγά τοπικά την πίεση, από την αρχική τιμή που είναι 0,005 Atm. Οι παγοκρύσταλλοι που υφίστανται την συμπίεση δεν τήκονται, επειδή για την συγκεκριμένη θερμοκρασία απέχουν πολύ απ’ το σημείο τήξης (950 Atm –κατάσταση Γ). Αυξάνει όμως η δυναμική τους ενέργεια, όσο αυξάνει το φορτίο και η τάση τοπικά. Οι ατμοί βρίσκονται υπό αυξημένη τάση, μικρότερη όμως απ’ αυτήν των κορεσμένων ατμών, οπότε κρυσταλλώνονται, χωρίς να μεσολαβήσει η υγρή φάση. Όταν το φορτίο δημιουργήσει πίεση 950 Atm, υπάρχουν συνθήκες τήξης, οπότε οι παγοκρύσταλλοι που δέχτηκαν την συγκεκριμένη τάση μπορούν να μεταβούν σε υγρή φάση. Το νερό όταν βρεθεί στο πάνω μέρος του σύρματος, χωρίς την προηγούμενη τάση θα επαναπηχθεί.

Αν το φορτίο διατηρηθεί στην τελευταία τιμή, θα αρχίσει να κατεβαίνει αργά παρασέρνοντας μαζί του και το σύρμα , αφήνοντας όμως τον συνολικό πάγο ανέπαφο. Αν το φορτίο αυξηθεί, θα πρέπει να παρατηρηθεί αύξηση της τοπικής υγροποίησης του πάγου, και υποχώρηση της ανάπηξης.

Η διαδικασία που περιέγραψα αποτελεί νοητικό όχημα για ένα ταξίδι στον χώρο των φάσεων. Προφανώς είναι αδοκίμαστη στο εργαστήριο. Όσο για τα καινοτομικά της στοιχεία, δεν τα απάντησα στην βιβλιογραφία.

Δες την με συμπάθεια.

Όπως τα λες Διονύση!

Όταν η πίεση που προκύπτει από το φορτίο του σύρματος ξεπεράσει την καμπύλη τήξης, συμβαίνει μετάβαση στην υγρή φάση, στην περιοχή βέβαια που επικρατεί η αυξημένη πίεση. Έτσι εμφανίζεται νερό, στην περίπτωση που μελετάμε, -15 βαθμών Κελσίου.

Αλλά, αφού στο … γήπεδο των φάσεων με σπρώχνεις να κάνω παιγνίδι στις … γραμμές του τερέν , συνεχίζω.

Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες στην περίπτωση του ύδατος, απαιτείται μεγαλύτερη τάση, σε αντίθεση με τα τυπικά υλικά που η αύξηση της τάσης προκαλεί πλησίασμα των μοριακών δομών και συνακόλουθη αύξηση των διαμοριακών δυνάμεων. Οπότε, αυτά τήκονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Ο Γιώργος το έχει ήδη αναφέρει για την περίπτωση του μολύβδου. Εγώ τον ενισχύω, παραθέτοντας δυο διαγράμματα, του νερού και του διοξειδίου, για σύγκριση.

Η ιδιαιτερότητα του νερού βρίσκεται στο ότι ο πιο κρύος πάγος, έχει πιο πυκνή κρυσταλλική δομή, ενώ ο λιγότερο κρύος «απλώνει», ελαττώνοντας παράλληλα και την πυκνότητά του. Ο πιο κρύος απαιτεί μεγαλύτερη τάση για να σπάσει και να μετασχηματιστεί σε νερό, σε αντίθεση τα τυπικά υλικά, όπως το διοξείδιο του άνθρακα.

Διδακτική της Εξάχνωσης

Η συζήτηση που προέκυψε απ’ την ανάρτηση, οδήγησε σε τροποποίηση του ακόλουθου τυπικού σχήματος, που δεν προέβλεπε την ΕΞΑΧΝΩΣΗ:

ΣΤΕΡΕΑ ΦΑΣΗ, θέρμανση, ΥΓΡΗ ΦΑΣΗ, θέρμανση, ΑΕΡΙΑ ΦΑΣΗ

Το επόμενο την προβλέπει:

P> Pκ.ατμ:                   ΣΤΕΡΕΑ ΦΑΣΗ, θέρμανση, ΥΓΡΗ ΦΑΣΗ, θέρμανση, ΑΕΡΙΑ ΦΑΣΗ

P< Pκ.ατμ:                     ΣΤΕΡΕΑ ΦΑΣΗ, θέρμανση, ΑΕΡΙΑ ΦΑΣΗ

Τι λένε οι γείτονες;

Ο Άρης κοινοποίησε δυο άρθρα, χημικών που διδάσκουν προπτυχιακούς διδάσκαλους, στο πανεπιστήμιο Μεθοδίου & Κυρίλλου στη FYROM (2012) και στην Ανατολική Τουρκία (2017), στα πανεπιστήμια Ερζερούμ και Κάρς.

Οι πρώτοι (παν. Σκοπίων), επισημαίνουν την αδυναμία εξάχνωσης του Ιωδίου (με τριπλό σημείο: 113,5 βαθμοί C, 12.07 kPa), της ναφθαλίνης (με τριπλό σημείο: 80,25 βαθμοί C, 1 kPa) και της καμφοράς (με τριπλό σημείο: 180.1 βαθμοί C, 51,44 kPa) σε συνθήκες ατμοσφαιρικής πίεσης. Παρ’ όλα αυτά και τα τρία αυτά υλικά αναφέρονται ως παραδείγματα εξάχνωσης σε τρία εγχειρίδια Μ.Ε. της χώρας (και όχι μόνο- προσθέτω εγώ). Μόνον ο ξηρός πάγος ή εξωτικά υλικά όπως το ραδιενεργό εξαφθοριούχο ουράνιο (με τριπλό σημείο: 337 Κ, 1,5 Atm), εξαχνώνονται σε ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Η διδακτική τους πρόταση για τη Μ.Ε.

Τροποποίηση του ορισμού για διδακτική χρήση: Εξάχνωση είναι η μετάβαση από την στερεή στην αέρια φάση, χωρίς την μεσολάβηση της υγρής, σε ατμοσφαιρικές συνθήκες (1Atm).

Για να ενισχύσουν την επιχειρηματολογία τους, κατασκευάζουν αυτό το βίντεο, που δείχνει την μεσολάβηση της υγρής φάσης, κατά τη μετάβαση του ιωδίου στην αέρια.

Οι Τούρκοι, λαμβάνουν υπόψη τους την υπόδειξη των συναδέλφων τους από το πανεπιστήμιο Μεθοδίου & Κυρίλλου, και επιδεικνύοντας στους φοιτητές δραστηριότητα με ξηρό πάγο, όπως αυτή, διαπιστώνουν βελτίωση των φοιτητών τους στα ακόλουθα:

η εξάχνωση δεν μπορεί να εξελίσσεται σε οποιαδήποτε θερμοκρασία,

μπορούν να αναφέρουν παραδείγματα εξάχνωσης,

η εξάχνωση δεν είναι χημικό φαινόμενο.   

Προφανώς, τα δύο άρθρα βρίσκονται έξω απ' το πνεύμα της συζήτησης που εξελίχθηκε κάτω από την παρούσα ανάρτηση.