Skupenstvo látky je jednou zo základných vlastností, ktorými sa jednotlivé materiály v prírode a technike od seba odlišujú. Kým v bežnom živote často delíme látky na pevné, kvapalné a plynné, v skutočnosti je problematika skupenstiev a ich zmien nesmierne zložitá a zaujímavá, siaha od mikroskopického sveta molekúl až po obrovské procesy v atmosfére či priemysle. Z fyzikálneho hľadiska predstavuje skupenstvo (fáza) látky systém, kde sú vlastnosti všade rovnaké. Keď má sústava v rovnovážnom stave vo všetkých častiach rovnaké fyzikálne a chemické vlastnosti, napr. rovnakú hustotu, štruktúru, rovnaké chemické zloženie, nazýva sa fáza. Prechod látky z jednej fázy do druhej sa volá fázová premena. Energetickým základom zmien skupenstva je vzťah medzi kinetickou (pohybovou) a potenciálnou (väzobnou) energiou častíc. Zvyšovanie teploty znamená príjem tepelnej energie, ktorá sa najprv prejaví zrýchlením pohybu - zvýšením kinetickej energie. Pri určitej hranici sa však ďalšia energia už nevyužíva na zrýchľovanie, ale na prekonanie väzby medzi časticami.
Topenie a tuhnutie: Premeny pevnej látky na kvapalinu
K najbežnejším zmenám skupenstva v každodennom živote patrí topenie a tuhnutie. Topenie je premena pevnej látky na kvapalinu a je to endotermický proces (spotrebúva teplo). Pri topení, teda prechode z pevného do kvapalného stavu, sa najskôr zvýši kinetická energia častíc natoľko, že sa preruší ich pevné väzbové usporiadanie. Keď zohrievame teleso z kryštalickej látky, zvyšuje sa jeho teplota a po dosiahnutí teploty topenia t(t) sa premieňa na kvapalinu s tou istou teplotou - topí sa. Proces prebieha pri špecifickej teplote, nazývanej teplota topenia, ktorá je pre každú látku typická (napr. u čistej vody je presne 0 °C pri normálnom tlaku). Počas topenia sa teplota hmoty nemení (izotermický jav), celá prijatá energia sa využíva na rozrušenie väzby medzi časticami - na rast potenciálnej energie. Hoci kryštalická látka pri topení prijíma skupenské teplo, nemení sa stredná kinetická energia častíc, a tým ani teplota látky. Zväčšuje sa však stredná potenciálna energia častíc. To značí, že pri teplote topenia je vnútorná energia roztaveného telesa väčšia ako vnútorná energia toho istého telesa v kryštalickom stave pri rovnakej teplote. Keď sa teleso z kryštalickej látky s hmotnosťou m a s teplotou topenia premení na kvapalinu s tou istou teplotou, príjme skupenské teplo topenia L(t). Pre telesá z rozličných látok tej hmotnosti je táto veličina rôzna.
Tuhnutie je proces presne opačný, čiže premena kvapaliny na pevnú látku. Je to exotermický proces (uvoľňuje teplo). Keď kvapalinu, ktorá vznikla topením kryštalickej látky, ochladzujeme, mení sa pri teplote tuhnutia (rovnajúcej sa teplote topenia) na pevné teleso - tuhne. Podobne je tomu pri tuhnutí, kde sa proces obracia: častice pri ochladzovaní strácajú energiu a opäť vytvárajú pevné väzby, pričom sa uvoľňuje skupenské teplo tuhnutia do okolia. Teplota, pri ktorej sa látka topí, sa nazýva teplota topenia a teplota, pri ktorej látka tuhne, sa nazýva teplota tuhnutia. Pre väčšinu látok (teoreticky pre všetky) má teplota topenia rovnakú hodnotu ako teplota tuhnutia. Niektoré látky sa topia pri nižších teplotách (ľad, maslo), ale iné (železo, meď) pri veľmi vysokých.
Tu je prehľad príkladov teplôt topenia vybraných látok:
| Látka | Typ látky | Teplota topenia | Poznámka |
|---|---|---|---|
| Ľad (voda) | Kryštalická | 0 °C | Pri normálnom tlaku |
| Maslo | Amorfná/Polymorfná | Nižšia ako u kovov | Závisí od zloženia |
| Parafín | Amorfná | 34 °C - 56 °C | Interval topenia |
| Kakaové maslo (polymorf V) | Polymorfná | cca 37 °C | Taje pri teplote ľudského tela |
| Železo | Kryštalická | Veľmi vysoká | |
| Meď | Kryštalická | Veľmi vysoká |
Kryštalické a amorfné látky: Prečo sa maslo topí inak?
Zaujímavý je rozdiel medzi kryštalickými látkami (napríklad snehový kryštál alebo kuchynská soľ) a amorfnými látkami. Látky sa topia dvomi odlišnými spôsobmi, ktoré závisia od ich štruktúry. Kryštalické látky (ľad, soli, diamant, grafit, kovy...) majú pravidelnú vnútornú štruktúru, čiže vieme nakresliť tzv. kryštálovú mriežku, čiže schému, podľa ktorej sú častice (molekuly, ióny, atómy) v látke usporiadané. Amorfné (beztvaré) látky (čokoláda, parafín, sklo...) nemajú pravidelnú vnútornú štruktúru a správajú sa ako kvapaliny s veľmi veľkou viskozitou. Nevieme presne určiť ich teplotu topenia, len akýsi jej interval (napríklad teplota topenia parafínu je 34 °C - 56 °C). Topia sa úplne odlišným spôsobom.
Závislosť teploty od dodaného tepla pri topení kryštalických látok je analogická s varom. Čiže na grafe sa prejaví zlomom, pred dosiahnutím teploty topenia teplota stúpa, potom je konštantná a po úplnom roztopení znovu stúpa. Iná situácia nastane pri topení amorfných látok. Tam teplota pri dodávaní tepla stále stúpa, na grafe nie je žiaden zlom. Prečo to tak je? Odpoveď je, že z istého pohľadu žiadna skupenská premena nenastane, lebo amorfná látka, aj keď sa nám javí ako pevná, je z istého pohľadu len kvapalina s veľmi veľkou viskozitou (viskozita je to, čomu v bežnej reči hovoríme hustota - že kvapalina sa ,,nerozprskáva" a tečie pomaly). Pre slovenských študentov môže byť príkladom rozdielov medzi látkami tradičné porovnávanie topenia snehu (voda) a masla (tuhý tuk) - maslo topí pri nižšej teplote, čo súvisí s odlišným typom väzby v látke.
Polymorfizmus a temperácia kakaového masla
Čokoláda je zmes tuku z kakaových bôbov, ktorému sa hovorí kakaové maslo, a cukru označovaného ako kakaová hmota. Kakaové maslo je polymorfné, čo znamená, že látka môže existovať v niekoľkých rôznych kryštalických podobách (v tomto prípade v šiestich!). Týchto šesť rôznych polymorfov sa na základe ich stability a fyzikálnych vlastností označuje od I do VI. Za najvyberanejší typ kakaového masla sa považuje polymorf V. Taje pri teplote ľudského tela, avšak nie pri teplote nižšej; to znamená, že sa vám rozpustí v ústach, ale nie v ruke! Je lesklý, pevný a pri zlomení pekne chrumká. Proces tvorby tohto polymorfu pri výrobe čokolády si vyžaduje veľmi pomalé schladzovanie roztavených ingrediencií. Tento dômyselný proces riadenia teploty je známy ako temperácia.
Pomalé chladnutie poskytuje lipidom čas na usporiadanie do energeticky najpriaznivejšej konfigurácie. Jemná textúra vzniká hustým, usporiadaným tesnením molekúl v masle. Spôsob, ktorým sú molekuly vzájomne usporiadané, sa nazýva kryštalickosť. Riadne usporiadané kryštály majú nielen jemnú a hladkú štruktúru, ale sú tiež veľmi stabilné, takže sa len tak neroztavia. Na porušenie medzimolekulárnych väzieb je potrebné veľké množstvo energie. Pri temperácii čokolády dochádza s nárastom teploty k topeniu menej usporiadaných polymorfov kakaového masla, avšak polymorf V, onen usporiadaný kryštál, ktorý chcete zachovať, sa neroztaví. A pri následnom schladzovaní zmesi sa roztavené molekuly kakaového masla môžu nadviazať na existujúce kryštály polymorfu V. V chemickom zložení kakaového masla; v „lacnej“ a „gurmánskej“ čokoláde nie je žiadny rozdiel, líši sa len usporiadanie ich molekúl. Kľúčom k vytvoreniu kvalitných čokoládových kryštálov je roztaviť kryštály nízkej kvality s náležitou starostlivosťou a zmes potom pomaly schladzovať. Miera kryštalickosti čokolády ovplyvňuje jej vlastnosti: konkrétne jej textúru, bod topenia a predovšetkým chuť.
JAK SE VYRÁBÍ ČOKOLÁDA
Fázové diagramy a rovnovážne stavy
Vzťahy medzi fázovými rovnováhami vyjadruje fázový diagram. Vodorovná os reprezentuje teplotu a zvislá tlak. Z fázového diagramu teda možno odčítať, pri akých kombináciách teploty a tlaku bude látka (ak je v rovnováhe) v danom skupenstve. Krivky reprezentujú skupenské premeny. Fázový diagram tvorí krivka topenia kt, krivka nasýtenej pary kp a sublimačná krivka ks. Znázorňuje rovnovážny stav pevnej, kvapalnej a plynnej fázy tej istej látky. Tieto tri krivky sa stretávajú v jednom bode, ktorý sa nazýva trojný bod. Trojný bod znázorňuje rovnovážny stav pevnej, kvapalnej a plynnej fázy tej istej látky.
Na obrázku A je krivka topenia znázornená pre tuhé látky typu olovo, na obrázku B pre látky typu ľad H2O. Látky, pri ktorých sa so zvyšujúcim sa tlakom zvyšuje teplota topenia, svoj objem pri topení zväčšujú a pri tuhnutí zmenšujú. Niektoré látky, napr. ľad, antimón, bizmut a niektoré zliatiny, naopak zvýšením vonkajšieho tlaku majú teplotu topenia nižšiu, ako mali pred zvýšením tlaku. Krivka topenia/tuhnutia sa môže štiepiť na viac kriviek, vytvárajúc viac stavov (fáz) v oblasti tuhého skupenstva. Látka v tuhom skupenstve ale môže mať viac foriem, reprezentovaných jednotlivými oblasťami, ktoré vytvára štiepaca sa krivka. V prípade chemických prvkov sa takéto formy nazývajú alotropické modifikácie a v prípade chemických zlúčenín polymorfické modifikácie. Každej alotropickej/polymorfickej modifikácii vieme priradiť niektorú z oblastí vo fázovom diagrame. Fázový diagram popisuje skupenské stavy, ktoré sú pri daných teplotách a tlakoch najstabilnejšie (majú najnižšiu energiu).
Ďalšie fázové premeny
Premena látky z pevného skupenstva priamo na plynné sa volá sublimácia. Opačný dej je desublimácia. Pri normálnom tlaku sublimuje napr. jód, gáfor, naftalín, tuhý oxid uhličitý, ľad alebo sneh. Premena kvapaliny na paru sa nazýva vyparovanie. Vyparovanie je premena kvapaliny na plyn a prebieha z voľného povrchu kvapaliny pri každej teplote. Keď kvapalinu zohrievame, pri dosiahnutí istej teploty pri danom tlaku sa vnútri kvapaliny tvoria bubliny pary, ktoré zväčšujú svoj objem a vystupujú na voľný povrch - var. Var je intenzívne vyparovanie vody. Počas varu sa teplota sústavy nemení. Je to z toho dôvodu, že všetko dodané teplo sa spotrebúva na proces odparovania, ktorý potrebuje energiu. Teplota varu závisí od vonkajšieho tlaku. So zvyšovaním tlaku sa zvyšuje. Opačný dej k vyparovaniu je kvapalnenie (kondenzácia). Pri tomto deji látka odovzdá svojmu okoliu skupenské kondenzačné teplo. Para, ktorá je v rovnovážnom stave so svojou kvapalinou, sa nazýva nasýtená para. Tlak nasýtenej pary nezávisí pri stálej teplote od objemu pary.
Nanotechnológie a kryštalickosť
Kakaové maslo, hlavná tuková zložka čokolády, je tvorené molekulami lipidov. Mnoho výskumníkov študuje fosfolipidové dvojvrstvy, pomocou ktorých imitujeme membrány baktérií či zvieracích buniek. A rovnako ako usporiadanie molekúl kakaového masla môže zmeniť vlastnosti čokolády, ovplyvňuje usporiadanie fosfolipidov vlastnosti lipidovej dvojvrstvy. Nanotechnológovia vo svete skúmajú, ako môže usporiadanie fosfolipidov ovplyvňovať interakciu medzi membránou vzorovej bunky a nanomateriálmi a opačne. Mnoho nanomateriálov, ktoré sú predmetom výskumu nanotechnológov, je navyše kryštalických. To znamená, že atómy nanomateriálov majú konkrétnu štruktúru, teda nie sú usporiadané náhodne. Pri niektorých našich materiáloch vzniká náležitá kryštalická štruktúra syntézou za presne danej teploty - teda obdobne ako ideálny polymorf čokolády pri procese temperácie. A obdobne potom miera kryštalickosti ovplyvňuje aj vlastnosti našich nanomateriálov, preto je pre nás mimoriadne dôležité zachovávať stále rovnaké kryštalické štruktúry pri výrobe jednotlivých šarží nanomateriálov.