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Chimica - Metalli gassosi?

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Soluzione:

Soluzione 1:

No, i metalli gassosi non mantengono legami metallici, né conduttività metallica, né lucentezza, né altre proprietà metalliche. Non sono diversi dagli altri gas. È vero, in genere richiedono temperature piuttosto elevate per formarsi, ma d'altra parte non sono certo speciali in questo senso, dato che molte sostanze non metalliche richiedono la stessa cosa.

Vedi, tutte le proprietà metalliche sono in realtà collettive effetti. Sono causate dal legame metallico, e non solo di due atomi, ma di un intero pezzo di metallo (come un migliaio, solo molto di più). Nei gas non c'è legame. Le particelle (atomi solitari in questo caso) sono fondamentalmente libere di andare. Forse si urtano tra loro, due o tre alla volta, ma sicuramente non un migliaio.

Il plasma è una cosa completamente diversa, non correlata alla domanda iniziale. Sì, il plasma è piuttosto diverso da un gas; per ottenerlo, dovrete riscaldare il gas fino a quando non sarà più in grado di produrre un'energia elettrica. ionizzare.

Così va.

Soluzione 2:

Non sono un esperto, ma credo che alcuni metalli bollano direttamente allo stato di plasma, mentre altri metalli (e la maggior parte dei gas in generale) iniziano come gas quasi interamente unionizzati quando bollono e poi diventano lentamente sempre più ionizzati man mano che la temperatura sale. Pertanto, la differenza tra gas e plasma è più una questione di grado che un cambiamento di fase del primo ordine (improvviso). https://en.wikipedia.org/wiki/Degree_of_ionization

Ci sono due "prove" che voglio presentare a sostegno di quanto sto dicendo.

  1. Alcuni metalli hanno punti di ebollizione estremamente elevati. Ad esempio, il tungsteno e il renio hanno entrambi un punto di ebollizione leggermente superiore alla temperatura superficiale del sole. Entrambi gli elementi hanno energie di ionizzazione inferiori a quelle dell'idrogeno e dell'elio, quindi se l'idrogeno e l'elio possono essere plasmi a quelle temperature, dovrebbero esserlo anche il tungsteno e il renio.

https://www.lenntech.com/periodic-chart-elements/ionization-energy.htm

  1. Di recente ho usato questo documento dell'USGS come riferimento. https://pubs.usgs.gov/bul/2131/report.pdf (A un certo punto si ripetono misteriosamente diverse pagine con numeri di pagina diversi, ma probabilmente è per lo più attendibile). A partire da pagina 67, questo documento contiene le capacità termiche a pressione costante (C p) a diverse temperature per vari elementi, la maggior parte dei quali sono metalli. In particolare, include dati gassosi per calcio monoatomico, cadmio, cesio, mercurio, potassio, litio, magnesio, sodio, stronzio e zinco.

    C p è definita come la quantità minima di energia che deve essere immessa in una data quantità di una sostanza per innalzarla di una certa temperatura. In questo caso, si tratta di quanti joule sono necessari per innalzare una mole di una sostanza di un kelvin. La temperatura stessa è correlata in modo definito alla temperatura media traslazionale energia cinetica media di una particella, che è $frac{3}{2}$ k B T. In un gas ideale monoatomico, il moto traslazionale è l'unico modo significativo in cui viene immagazzinata l'energia del calore aggiunto a un sistema, quindi la quantità di energia immessa è direttamente correlata alla variazione dell'energia cinetica traslazionale media e quindi alla variazione della temperatura. Pertanto, C p ha lo stesso valore per tutti i gas ideali monoatomici (purché sia per mole e non per unità di massa). Tale valore è 20,78615 $frac{J}{mol K}$. Tuttavia, altri tipi di materia possono immagazzinare parte dell'energia in altri modi e quindi hanno capacità termiche più elevate. Per esempio, le particelle poliatomiche (molecole) possono immagazzinare più energia nelle vibrazioni e nelle rotazioni; i solidi, i liquidi, i gas reali e i fluidi supercritici immagazzinano energia potenziale nel superare le forze attrattive (e repulsive) tra le loro particelle, che in questi casi sono significative anche quando non si scontrano; e i plasmi possono immagazzinare energia facendo uscire gli elettroni dai loro atomi. https://en.wikipedia.org/wiki/Equipartition_theorem https://en.wikipedia.org/wiki/Molar_heat_capacity#Physical_basis_of_molar_heat_capacity

    Tornando al documento dell'USGS, si può notare che cadmio, mercurio, potassio, litio, magnesio, sodio e zinco hanno tutti una concentrazione di C p di 20,79 $frac{J}{mol K}$ appena sopra il loro punto di ebollizione; il cesio ha misteriosamente un valore di C p di 20,78 $frac{J}{mol K}$ appena al di sopra del punto di ebollizione (forse un errore, ma ne dubito); e il Calcio e lo Stronzio hanno entrambi un valore di C p di 20,84 $frac{J}{mol K}$ appena sopra il loro punto di ebollizione (probabilmente si tratta di una coincidenza). Dopo l'ebollizione, Cesio, Potassio, Litio e Stronzio mostrano tutti un aumento di C p con l'aumentare della temperatura fino al punto in cui i dati si fermano, ovvero 1800K in tutti i casi qui citati. Poiché tutte queste sostanze sono descritte dal documento come "gas ideali monoatomici, P = 1 bar", non dovrebbero essere in grado di immagazzinare energia attraverso rotazioni, vibrazioni o forze interatomiche (almeno non in modo significativo), quindi è più probabile che l'energia sia destinata alla ionizzazione, o almeno all'eccitazione degli elettroni, se non alla loro completa rimozione dagli atomi. Questo spiegherebbe perché solo i metalli molto elettropositivi e a bassa energia di ionizzazione mostrano questo aumento al di sotto dei 1800 K. (Altri metalli probabilmente mostrano lo stesso aumento a temperature più elevate). La falla principale in questa teoria è che il sodio ha ancora C p=20.79 $frac{J}{mol K}$ a 1700K e 1800K, dove il litio e lo stronzio mostrano un aumento, anche se questi ultimi due metalli hanno energie di ionizzazione inferiori. Alla luce di ciò, diamo un'occhiata più da vicino ai dati rilevanti del documento rispetto alle energie di ionizzazione concordate dalla pagina di Lenntech a cui ho fatto riferimento, da nist.gov e dal mio CRC (anche se il mio CRC sembra avere un errore di arrotondamento sul Cadmio, dando 8,993 eV, invece di 8,994):

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    Se si considera che il documento fornisce generalmente solo dati a 298,15K, 300K, incrementi di 100K al di sopra di questi e temperature di cambiamento di fase/polimorfo, si può notare che il sodio è l'unica cosa in questa tabella che non è coerente con l'idea che gli elementi con energie di ionizzazione più basse mostrino l'aumento della capacità termica al di sopra di 20,79.$frac{J}{mol K}$ ed è del tutto possibile che questi valori non siano stati effettivamente misurati per il sodio, ma solo calcolati sulla base dell'ipotesi che si tratti di un gas ideale. Tuttavia, data la scarsità di prove che avevo a sostegno della mia teoria, questa incongruenza la mette in serio dubbio. Ho quindi cercato di trovare altre fonti per la capacità termica a pressione costante del sodio gassoso in funzione della temperatura, ma sono riuscito a trovare solo calcoli, nessun esperimento, e i valori forniti erano così completamente diversi da quelli del documento dell'USGS che sento che mi manca qualcosa. (Inoltre, tutte le fonti che ho trovato sembrano riguardare i sistemi di raffreddamento delle centrali nucleari e si concentrano principalmente sul Na liquido o sulla lega Na-K). Ad esempio, questo documento ( https://www.ne.anl.gov/eda/ANL-RE-95-2.pdf ) fornisce le capacità termiche calcolate in $frac{J}{kg K}$ per il "vapore di sodio" da 400K a 2500K a pagina 15. Convertendo 20,78615 $frac{J}{mol K}$ a $frac{J}{kg K}$, in base al peso atomico del sodio che è 22,98976928 $frac{mol}{g}$, dà 0,9041478 $frac{J}{kg K}$, che in questo articolo passa tra i 400K e i 500K per C p, con C p che, secondo loro, aumenta continuamente con la temperatura. (Notando che C v è la capacità termica a volume costante, che dovrebbe essere inferiore a 12,47169 $frac{J}{mol K}$ = 0.1075126 $frac{J}{kg K}$ per il sodio)

Quindi, sembra che non sia ancora sicuro di cosa dicano le capacità termiche dei metalli gassosi riguardo alla loro ionizzazione, ma penso ancora che sia abbastanza probabile che elementi ad alto punto di ebollizione e a bassa energia di ionizzazione come l'afnio, l'uranio, lo zirconio e il tungsteno siano abbastanza ionizzati non appena bollono e non abbiano una fase gassosa stabile e unificata a pressione atmosferica, se non come vapore in equilibrio con il metallo solido o liquido. Detto questo, il tipo di ionizzazione di cui ho parlato per la maggior parte di questo post è probabilmente un livello di ionizzazione piuttosto basso in gas per lo più neutri, quindi probabilmente non sarebbe corretto dire che lo stronzio, per esempio, è un plasma non appena bolle, dal momento che probabilmente è solo un gas per lo più neutro che ha una quantità molto piccola, ma non banale, di ionizzazione. Ricordiamo inoltre che è probabilmente possibile che la maggior parte o gran parte di questo aumento precoce della capacità termica derivi solo dall'eccitazione degli elettroni in orbitali a più alta energia all'interno degli atomi, piuttosto che da una vera e propria ionizzazione.


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