Točka solidifikacije i primjeri



očvršćavanje to je promjena koju tekućina doživljava kada prelazi u čvrstu fazu. Tekućina može biti čista supstanca ili smjesa. Također, promjena može biti posljedica pada temperature ili kemijske reakcije.

Kako se ovaj fenomen može objasniti? Vizualno, tekućina počinje postati okamenjena ili otvrdnuta, do te mjere da prestane slobodno teći. Međutim, stvrdnjavanje se zapravo sastoji od niza koraka koji se javljaju u mikroskopskim skalama.

Primjer solidifikacije je tekući mjehur koji se smrzava. Na slici iznad možete vidjeti kako se mjehurić zamrzava kad udari u snijeg. Koji je dio mjehurića koji se počinje učvršćivati? Ono što je u izravnom dodiru sa snijegom. Snijeg djeluje kao potpora na koju se mogu smjestiti molekule mjehurića.

Skrućivanje se brzo pokreće s dna mjehura. To se može vidjeti u "staklenim borovima" koje se protežu do cijele površine. Ove borove odražavaju rast kristala, koji nisu ništa drugo nego uredni i simetrični raspored molekula.

Da bi došlo do skrućivanja, potrebno je da se čestice tekućine mogu rasporediti na takav način da one međusobno djeluju. Ove interakcije postaju jače kako se temperatura smanjuje, što utječe na molekularnu kinetiku; to jest, oni postaju sporiji i postaju dio kristala.

Ovaj proces je poznat kao kristalizacija, a prisutnost jezgre (mali agregati čestica) i potpora ubrzava taj proces. Nakon što se tekućina kristalizira, tada se kaže da je skrutnuta ili smrznuta.

indeks

  • 1 Entalpija skrućivanja
    • 1.1 Zašto temperatura ostaje konstantna u skrućivanju?
  • 2 Točka smrzavanja
    • 2.1 Skrućivanje i točka taljenja
    • 2.2 Molekularno uređivanje
  • 3 Supercooling
  • Primjeri skrućivanja
  • 5 Reference

Entalpija skrućivanja

Nisu sve tvari očvršćene na istoj temperaturi (ili pod istim tretmanom). Neki čak "zamrznu" iznad sobne temperature, kao što je slučaj s krutim tvarima s visokom točkom taljenja. To ovisi o vrsti čestica koje čine krutinu ili tekućinu.

U krutom stanju snažno djeluju i ostaju vibrirati u nepokretnim položajima prostora, bez slobode kretanja i definiranog volumena, dok u tekućini imaju sposobnost kretanja kao brojni slojevi koji se kreću jedan preko drugoga, zauzimajući volumen spremnik koji ga sadrži.

Krutina zahtijeva prolaz toplinske energije u tekuću fazu; Drugim riječima, treba toplinu. Toplina se dobiva iz okolice, a minimalna količina koja apsorbira za stvaranje prve kapljice tekućine poznata je kao latentna toplina fuzije (ΔHf).

S druge strane, tekućina mora osloboditi toplinu u okolinu kako bi naručila svoje molekule i kristalizirala u čvrstoj fazi. Oslobođena toplina je, dakle, latentna toplina skrućivanja ili smrzavanja (ΔHc). I ΔHf i ΔHc jednaki su po veličini, ali s suprotnim smjerovima; prvi nosi pozitivan znak, a drugi negativni znak.

Zašto temperatura ostaje konstantna u skrućivanju?

U određenom trenutku tekućina počinje da se smrzava, a termometar pokazuje temperaturu T. Iako nije u potpunosti očvrsnuo, T ostaje konstantan. Budući da ΔHc ima negativan predznak, on se sastoji od egzotermnog procesa koji oslobađa toplinu.

Stoga će termometar očitati toplinu koju oslobađa tekućina za vrijeme njezine promjene faze, suprotstavljajući se nametnutom padu temperature. Primjerice, ako posudu s tekućinom stavite u ledenu kupku. Prema tome, T se ne smanjuje do potpunog potpunog skrućivanja.

Koje jedinice prate ta mjerenja topline? Obično kJ / mol ili J / g. Oni se tumače na sljedeći način: kJ ili J je količina topline koja zahtijeva 1 mol tekućine ili 1 g da se može ohladiti ili očvrsnuti.

U slučaju vode, na primjer, ΔHc je jednako 6,02 kJ / mol. Odnosno, 1 mol čiste vode treba osloboditi 6,02 kJ topline kako bi se mogao zamrznuti, a ta toplina održava temperaturu stalnom u procesu. Slično tome, 1 mol leda mora apsorbirati 6,02 kJ topline da bi se rastopio.

Točka smrzavanja

Na točnoj temperaturi u kojoj se proces odvija, ona je poznata kao točka skrućivanja (Tc). To varira u svim supstancama ovisno o tome koliko su njihove intermolekularne interakcije čvrste.

Čistoća je također važna varijabla, budući da se nečista kruta tvar ne stvrdnjava na istoj temperaturi kao čista. Navedeno je poznato kao pad točke smrzavanja. Da bi se usporedile točke skrućivanja tvari potrebno je kao referencu upotrijebiti što je moguće čišći materijal.

Međutim, isto se ne može primijeniti za otopine, kao u slučaju metalnih legura. Usporediti njihove točke očvršćavanja treba smatrati mješavinama s jednakim masenim udjelima; to jest, s identičnom koncentracijom njegovih komponenti.

Svakako, točka očvršćavanja je od velikog znanstvenog i tehnološkog interesa s obzirom na legure i druge vrste materijala. To je zbog toga što, kontroliranjem vremena i načina hlađenja, možete dobiti neka poželjna fizička svojstva ili izbjeći neprikladne za određenu aplikaciju.

Zbog toga je razumijevanje i proučavanje ovog koncepta od velike važnosti u metalurgiji i mineralogiji, kao iu bilo kojoj drugoj znanosti koja zaslužuje proizvodnju i karakterizaciju materijala..

Tvrdoća i talište

Teoretski, Tc bi trebao biti jednak temperaturi ili talištu (Tf). Međutim, to nije uvijek točno za sve tvari. Glavni razlog je to što je, na prvi pogled, lakše prekinuti molekule krutine nego naručiti one tekućine.

Stoga je u praksi poželjno pribjeći Tf da se kvalitativno izmjeri čistoća spoja. Na primjer, ako spoj X ima mnogo nečistoća, tada će njegov Tf biti udaljeniji od čistog X u odnosu na drugi s višom čistoćom.

Molekularno uređivanje

Kao što je do sada rečeno, skrućivanje se nastavlja do kristalizacije. Neke tvari, s obzirom na prirodu njihovih molekula i njihove interakcije, zahtijevaju vrlo niske temperature i visoke pritiske da bi se mogli skrutiti.

Na primjer, tekući dušik se dobiva na temperaturama ispod -196 ° C. Da bi se to učvrstilo, bilo bi potrebno još više ohladiti ili povećati pritisak na njega, prisiljavajući N molekule na taj način.2 da se grupiraju kako bi se stvorile jezgre kristalizacije.

Isto se može uzeti u obzir za druge plinove: kisik, argon, fluor, neon, helij; i za najekstremniji od svih, vodik, čija je čvrsta faza pobudila veliko zanimanje za njegove potencijalne nepredviđene osobine.

S druge strane, najpoznatiji je slučaj suhi led, što nije ništa više od CO2 čije bijele pare nastaju zbog sublimacije istih pri atmosferskom tlaku. One su korištene za ponovno stvaranje izmaglice u scenarijima.

Da bi se spoj skrutio ne ovisi samo o Tc, već io tlaku i drugim varijablama. Što su manje molekule (H2) i što su njihove interakcije slabije, to će biti teže postići da se one premjeste u čvrsto stanje.

Pothlađenje

Tekućina, bilo tvar ili smjesa, počinje se smrzavati na temperaturi na mjestu skrućivanja. Međutim, pod određenim uvjetima (kao što su visoka čistoća, sporo vrijeme hlađenja ili vrlo energetsko okruženje), tekućina može podnijeti niže temperature bez smrzavanja. To se zove superhlađenje.

Još ne postoji apsolutno objašnjenje ove pojave, ali teorija drži da sve one varijable koje sprječavaju rast kristalizacijskih jezgri potiču prekomjerno hlađenje..

Zašto? Budući da se iz jezgre formiraju veliki kristali nakon dodavanja okolnih molekula. Ako je taj proces ograničen, čak i ako je temperatura ispod Tc, tekućina će ostati nepromijenjena, kao što se događa s sitnim kapljicama koje čine i čine oblake vidljivima na nebu..

Sve prehlađene tekućine su metastabilne, odnosno podložne su najmanjem vanjskom poremećaju. Na primjer, ako dodaju mali komadić leda ili ih malo protresu, odmah će se smrznuti, što rezultira zabavnim i jednostavnim eksperimentom..

Primjeri solidifikacije

-Iako nije čvrsta, želatina je primjer procesa skrućivanja hlađenjem.

-Rastaljeno staklo se koristi za stvaranje i projektiranje mnogih objekata, koji nakon hlađenja zadržavaju svoje konačne definirane oblike.

-Baš kao što se mjehur zamrzne pri kontaktu sa snijegom, tako i boca sode može pretrpjeti isti proces; i ako je prehlađen, njegovo zamrzavanje će biti trenutno.

-Kada lava izbije iz vulkana koji pokrivaju njegove rubove ili površinu zemlje, ona se stvrdnjava kada izgubi temperaturu, dok se ne pretvori u magmatske stijene.

-Jaja i kolači se učvršćuju s porastom temperature. Slično tome, sluznica nosa radi, ali zbog dehidracije. Drugi primjer se također može naći u bojama ili ljepilima.

Međutim, treba napomenuti da se skrućivanje ne događa u posljednjim slučajevima kao posljedica hlađenja. Stoga, činjenica da se tekućina skraćuje ne znači nužno da se smrzava (ne smanjuje njezinu temperaturu); ali kad se tekućina smrzne, ona se na kraju stvrdnjava.

ostalo:

- Pretvorba vode u led: to se događa na 0 ° C uz proizvodnju leda, snijega ili kocki leda.

- Vosak svijeće koji se topi s plamenom i opet se stvrdnjava.

- Zamrzavanje hrane za njegovo očuvanje: u ovom slučaju zamrzava molekule vode unutar stanica mesa ili povrća.

- Staklo za puhanje: topi se u obliku i zatim se stvrdne.

- Proizvodnja sladoleda: obično su mliječni proizvodi koji se stvrdnjavaju.

- U dobivanju slatkiša, koji je rastopljen i očvrsnuo šećer.

- Maslac i margarin su masne kiseline u čvrstom stanju.

- Metalurgija: u proizvodnji ingota ili greda ili struktura određenih metala.

- Cement je mješavina vapnenca i gline koji se, kada se pomiješa s vodom, ima svojstvo stvrdnjavanja.

- U proizvodnji čokolade, kakao prah se miješa s vodom i mlijekom koje se, kada se osuši, skrutne.

reference

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Kemija. (8. izdanje). CENGAGE Learning, str. 448, 467.
  2. Wikipedia. (2018.). Zamrzavanje. Preuzeto s: en.wikipedia.org
  3. Loren A. Jacobson. (16. svibnja 2008.) Skrućivanja. [PDF]. Preuzeto iz: infohost.nmt.edu/
  4. Fuzija i skrućivanje. Preuzeto iz: juntadeandalucia.es
  5. Dr. Carter. Skrućivanje taline. Preuzeto iz: itc.gsw.edu/
  6. Eksperimentalno objašnjenje superhlađenja: zašto voda ne zamrzava u oblacima. Preuzeto s: esrf.eu
  7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. lipnja 2018.) Definicija i primjeri solidifikacije. Preuzeto s: thoughtco.com