Potrójny punkt: charakterystyka wody, cykloheksanu i benzenu
Punkt potrójny jest terminem z zakresu termodynamiki, który odnosi się do temperatury i ciśnienia, w których występują jednocześnie trzy fazy substancji w stanie równowagi termodynamicznej. Ten punkt istnieje dla wszystkich substancji, chociaż warunki, w których są one uzyskiwane, różnią się znacznie między poszczególnymi substancjami.
Potrójny punkt może również obejmować więcej niż jedną fazę tego samego typu dla określonej substancji; to znaczy, że obserwuje się dwie różne fazy ciała stałego, płynu lub gazu. Hel, w szczególności jego izotop helu-4, jest dobrym przykładem potrójnego punktu obejmującego dwie indywidualne fazy płynu: normalny i nadciekły.
Charakterystyka punktu potrójnego
Potrójny punkt wody jest używany do określenia Kelvina, podstawowej jednostki temperatury termodynamicznej w międzynarodowym układzie jednostek (SI). Ta wartość jest ustalona z definicji, a nie mierzona.
Potrójne punkty każdej substancji można zaobserwować za pomocą diagramów fazowych, które są wykreślone wykresami, które pozwalają wykazać warunki graniczne fazy stałej, ciekłej, gazowej (i innych, w szczególnych przypadkach) substancji, podczas gdy wywierają zmiany temperatury, ciśnienia i / lub rozpuszczalności.
Substancję można znaleźć w jej temperaturze topnienia, w której ciało stałe spotyka się z cieczą; Można go również znaleźć w punkcie wrzenia, w którym ciecz spotyka się z gazem. Jest jednak w punkcie potrójnym, w którym wszystkie trzy fazy zostały osiągnięte. Diagramy te będą różne dla każdej substancji, jak zobaczymy później.
Potrójny punkt może być skutecznie wykorzystywany w kalibracji termometrów, wykorzystując komórki potrójnego punktu.
Są to próbki substancji w izolowanych warunkach (w szklanych „komórkach”), które znajdują się w ich punkcie potrójnym przy znanych warunkach temperatury i ciśnienia, a tym samym ułatwiają badanie dokładności pomiarów termometru.
Badanie tej koncepcji wykorzystano również w eksploracji planety Mars, w której próbowano poznać poziom morza podczas misji przeprowadzonych w dekadzie lat 70. XX wieku.
Potrójny punkt wody
Dokładne warunki ciśnienia i temperatury, w których woda współistnieje w trzech fazach równowagi - płynna woda, lód i para - występują w temperaturze dokładnie 273, 16 K (0, 01 ° C) i częściowej prężności pary 611, 656 paskali (0, 00603659 atm).
W tym momencie możliwe jest przekształcenie substancji w dowolną z trzech faz przy minimalnych zmianach temperatury lub ciśnienia. Nawet jeśli całkowite ciśnienie systemu może być zlokalizowane powyżej wymaganego dla punktu potrójnego, jeśli ciśnienie cząstkowe pary wynosi 611, 656 Pa, system osiągnie punkt potrójny jednakowo.
Na poprzedniej figurze można zaobserwować reprezentację potrójnego punktu (lub potrójnego punktu w języku angielskim) substancji, której wykres jest podobny do diagramu wody, zgodnie z temperaturą i ciśnieniem wymaganym do osiągnięcia tej wartości.
W przypadku wody punkt ten odpowiada minimalnemu ciśnieniu, przy którym może istnieć ciekła woda. Przy ciśnieniach mniejszych niż ten potrójny punkt (na przykład w próżni) i przy stosowaniu ogrzewania pod stałym ciśnieniem, stały lód przekształci się bezpośrednio w parę wodną bez przechodzenia przez ciecz; Jest to proces zwany sublimacją.
Powyżej tego minimalnego ciśnienia (P tp ) lód najpierw stopi się, tworząc płynną wodę, a dopiero potem odparuje lub gotuje się, tworząc parę.
Dla wielu substancji wartość temperatury w jej punkcie potrójnym jest minimalną temperaturą, w której może istnieć faza ciekła, ale nie występuje w przypadku wody. W przypadku wody tak się nie dzieje, ponieważ temperatura topnienia lodu zmniejsza się w zależności od ciśnienia, co pokazuje zielona kropkowana linia poprzedniego rysunku.
W fazach wysokiego ciśnienia woda ma dość złożony diagram fazowy, na którym pokazano piętnaście znanych faz lodu (w różnych temperaturach i ciśnieniach), oprócz dziesięciu różnych potrójnych punktów, które są wizualizowane na poniższym rysunku:
Można zauważyć, że w warunkach wysokiego ciśnienia lód może istnieć w równowadze z cieczą; Wykres pokazuje, że temperatura topnienia wzrasta wraz z ciśnieniem. Przy stałych niskich temperaturach i rosnącym ciśnieniu, para może być przekształcona bezpośrednio w lód, bez przechodzenia przez fazę ciekłą.
Różne warunki, które występują na planetach, na których badano punkt potrójny (Ziemia na poziomie morza i w obszarze równikowym Marsa) są również przedstawione na tym diagramie.
Wykres wyjaśnia, że punkt potrójny zmienia się w zależności od lokalizacji ze względu na ciśnienie atmosferyczne i temperaturę, a nie tylko dzięki interwencji eksperymentatora.
Potrójny punkt cykloheksanu
Cykloheksan jest cykloalkanem o wzorze cząsteczkowym C 6 H 12 . Substancja ta ma szczególną cechę posiadania warunków potrójnego punktu, które można łatwo odtworzyć, jak w przypadku wody, ponieważ punkt ten znajduje się w temperaturze 279, 47 K i ciśnieniu 5 388 kPa.
W tych warunkach zaobserwowano, że związek wrze, krzepnie i topi się przy minimalnych zmianach temperatury i ciśnienia.
Potrójny benzen
W przypadku podobnym do cykloheksanu, benzen (związek organiczny o wzorze chemicznym C 6 H 6 ) łatwo odtwarza warunki potrójnego punktu w laboratorium.
Jego wartości to 278, 5 K i 4, 83 kPa, więc często eksperymentuje się z tym komponentem na poziomie początkującym.
