Strona głównaPytania → Dlaczego aluminium ma większe ciepło...

Dlaczego aluminium ma większe ciepło parowania niż żelazo?

Pytanie

Pyta Kacper

Dlaczego aluminium ma większe ciepło parowania niż żelazo, skoro żelazo ma wyższą temperaturę wrzenia?

Odpowiedź

Odpowiada dr Miłosz Panfil

Zacznijmy od przytoczenia odpowiednich wielkości. Temperatura wrzenia aluminium wynosi 2519 °C, natomiast ciepło parowania $294\,{\rm kJ/ mol}$ lub $10.5\,{\rm kJ/g}$. Temperatura wrzenia żelaza jest wyższa i wynosi 2861 °C, natomiast ciepło parowania $340\,{\rm kJ/mol}$ lub $6.1\,{\rm kJ/g}$. Z danych tych widzimy, że ciepło parowania na mol substancji jest większe dla żelaza niż dla aluminum. Natomiast ciepło parowania na gram substancji jest większe dla aluminium. Różnica wynika z tego, że masa mola żelaza jest większa od masy mola aluminium, więc w 1 gramie aluminium jest więcej moli niż w 1 gramie żelaza. W wyniku czego potrzeba więcej energii by odparować gram aluminium niż gram żelaza. Jeżeli porównujemy zachowanie dwóch substancji to ciepło molowe jest odpowiednią wielkością, ponieważ określa wielkość energii którą należy dostarczyć by doszło do przemiany tej samej ilości obu substancji.

Czy istnieje związek pomiędzy temperaturą topnienia i ciepłem parowania? Tak, istnieje taki związek i nazywa się regułą Troutona. Przejście substancji ze stanu ciekłego do gazowego wymaga zerwania wiązań pomiędzy atomami i reorganizacji przestrzennej atomów. W gazie atomy są w dużej mierze niezależne od siebie, natomiast w cieczy położenia atomów są ze sobą bardziej powiązane. Stan ciekły jest więc trochę mniej chaotyczny niż stan gazowy. Miarą nieuporządkowania jest entropia i okazuje się, że różnica entropii pomiędzy stanem gazowym i stanem ciekłym jest dla wielu substancji, w tym dla aluminium i żelaza, bardzo podobna. To jest właśnie reguła Troutona. Zgodnie z regułą Troutona, zmiana entropii $\Delta S$ wynosi około $87\,{\rm J/(K\cdot mol})$. Reguła Troutona jest regułą przybliżoną i dla wielu substancji obserwujemy mniejsze lub większe odstępstwa od podanej wartości. Różnice są szczególnie duże dla substancji, w których w stanie ciekłym występują oddziaływania wodorowe. Przykładem takiej substancji jest fluorowodór, który ma wyjątkowo dużą entropie topnienia, wynoszącą około $137\,{\rm J/(K\cdot mol})$.

Z reguły Troutona możemy wywnioskować, że molowe ciepło parowania powinno być proporcjonalne do temperatury wrzenia. Korzystamy ze związku zmiany entropii $\Delta S$ z dostarczonym ciepłem $\delta Q$:

$$
\Delta S = \frac{\Delta Q_{\rm parowania}}{T_{\rm wrzenia}},
$$

gdzie $\Delta Q_{\rm parowania}$ jest to ciepło parowania a $T_{\rm wrzenia}$ jest temperaturą wrzenia. Ponieważ $\Delta S$ jest stałe (reguła Troutona) to ciepło parowania jest proporcjonalne do temperatury wrzenia. Im większa temperatura wrzenia, tym większe molowe ciepło parowania.