2013年8月18日 星期日

應用水的相圖 Applications of the Phase Diagram for Water

化學原理啟迪420
Dany Atrache Couture Fall/Winter 2012/13 FULL SHOW 
1.     水的相圖有許多值得注意的特徵。其中一個重點是,水的固態/液態分界線的斜度是負的(左上延伸到右下)。這意味著,水的熔點,隨著外在壓力的增加,而逐漸下降。
2.     水的熔點隨著外在壓力增加而逐漸下降的行為模式,與大部分的物質不同,這是因為在熔點,冰的密度比水低。水的最大密度位於4℃,因此,當液態水結冰,它的體積會增加。
3.     另一個值得注意的點是,水的固態/液態分界線,沒有最高的限制。有一些理由可以解釋壓力對水的熔點的影響;在熔點,液態水和固態冰是並存的,冰與水處於動態平衡狀態。
4.     如果我們對這個系統加壓,會發生什麼事呢?加壓,會使物質的體積下降,加壓對氣體的體積變化影響最劇烈,但是對其他濃縮的相(液態、氣態)也會有影響。
5.     0,相同重量的冰與水加以比較發現,冰的體積比水的體積大,因此系統回應加壓的方式是,將冰轉換成水。
6.     所以,在0以及外在壓力大於1atm的條件下,水是液態的。換句話說,當壓力大於1atm。水的凝結點低於0。下圖說明壓力對冰的作用 
7.     相圖中有一個標示X的位置點,在X這個位置,水的型態是固態冰,X之上的垂直虛線指的是,在固定溫度下,壓力逐漸增加。
8.     特別留意,在固定溫度下,隨著壓力上升,X虛線與固態/液態交界線交會,這代表壓力上升會使得冰溶解。這應該就是溜冰的情況。
9.     因為溜冰者的體重,都由溜冰鞋上薄薄的冰刀支撐,只要壓力夠大,就能造成冰融化成液態水,使冰刀更容易滑過,這是一般公認的情況。然而,最近的研究指出,溜冰者施加於冰面的壓力,不足以融化冰。
10. 事實上,關於冰的結構,最新的研究指出,即使環境的溫度遠低於熔點,冰表面的水分子,仍會超乎想像地迅速振動,冰面快速振動的水分子,是界於固態與液態之間的中間結構「準液體quasi liquid準液體使冰面滑潤,適合溜冰。
11. 冰的低密度性質還有其他意義。當水管內的水或引擎缸體的水結冰,凍結後水的體積膨脹,會破壞容器。因此,氣候寒冷地區的水管,必須加上隔熱/隔冷材料,水冷式引擎必須使用防凍液。
12. 冰的密度比水滴,所以,水結冰後會浮在湖泊或河流的表面,變成一層保溫隔熱層,讓冰層下的水體在冬天不會結凍,水生生物因此可以在零下溫度生活。
13. 液體沸騰所處的溫度,會使液體的蒸汽壓等於外在壓力。因此物質的沸點,如同熔點,依據外在壓力而改變。這是為什麼高度不同,水煮沸的溫度不同,並且這些差異影響沸水煮食物的效果。
14. 舉例來說,在科羅拉多州的Leadville(海拔10,150英尺/3093.7公尺)煮熟蛋所需的時間,比在聖地牙哥海平面煮熟蛋所需的時間,更長;因為在Leadville水只要達到89℃,即能沸騰,在Leadville水的沸騰溫度比在聖地牙哥海平面低。
15. 如同我們先前所說的,水的相圖描述的是一個密閉的系統。因此,我們用相圖來解釋自然界的現象時,必須非常謹慎。
16. 舉例來說,在乾燥(濕度低)的氣候,雪和冰似乎能直接昇華,只會產生少量的雪水。當濕衣服晾掛在溫度低於0℃的戶外,濕衣服會先結冰,然後逐漸變乾。可是相圖顯示,在正常大氣壓下冰無法昇華,那麼上述的例子為什麼會發生的呢?
17. 這些冰在開放的自然環境裡,非在密閉的系統中。施加壓力的是大氣,而非密閉系統硬梆梆的活塞。在大氣環境下,冰產生的蒸汽很快地蒸發掉了,這些蒸汽不需要再回頭與固體冰達成平衡,因此冰能夠緩慢地蒸發消失。
18. 水的相圖顯示,1大氣壓下水是不會昇華的,但是在地球自然環境條件下,1大氣壓下,冰確實可以昇華,然而這個昇華現象,並非在系統達到平衡的要求下進行。
19. 徐弘毅注:冰蒸發的水蒸氣,逸散到大氣中,就像反應的產物不斷地被移除,依據勒沙特列原理反應會產生一股力量,去抵銷產物不斷被移除的力量,這股力量就是不斷地製造產物,因此,冰將不斷地昇華製造新的水蒸氣,以彌補不斷流失的水蒸氣。

二氧化碳的相圖 The Phase Diagram for Carbon Dioxide
20. 二氧化碳的相圖與水的相圖不同。在二氧化碳的相圖中,固態/液態分界線是正的斜度,因為固態二氧化碳的密度高於液態二氧化碳。二氧化碳的三相點位於5.1atm56.6臨界點72.8atm31℃。
21. 當壓力是1atm,固體二氧化碳會於78昇華,這個性質使固體二氧化碳獲得一個俗名「乾冰dry ice」。在正常大氣條件下,不會出現二氧化碳液體,所以乾冰是十分好用的冷卻劑。
22. 滅火器經常使用二氧化碳為原料。在高壓與25下,二氧化碳是液態的,液態二氧化碳從滅火器噴出到1atm環境中,立刻變成蒸汽;二氧化碳氣體比空氣重,所以二氧化碳氣體能夠覆蓋火,隔絕火與氧的接觸。
23. 液態二氧化碳轉換成二氧化碳氣體的過程是高度吸熱的,所以有冷卻作用,有助於撲滅火勢。二氧化碳滅火器製造的煙霧,混合固體二氧化碳和空氣中凍結的濕氣。

n   翻譯編寫Steven S. Zumdahl Chemical Principles》;圖片來源/Forums.sailinganarchy.comScienceblogs.com commons.wikimedia

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