Solidificare: punct de solidificare și exemple

Solidificarea este schimbarea pe care un lichid o întâmpină când trece în faza solidă. Lichidul poate fi o substanță sau un amestec pur. De asemenea, modificarea se poate datora scăderii temperaturii sau ca rezultat al reacției chimice.

Cum poate fi explicat acest fenomen? Din punct de vedere vizual, lichidul începe să devină pietrificat sau întărit, până la punctul în care se oprește curgerea liberă. Cu toate acestea, solidificarea constă, de fapt, dintr-o serie de etape care apar la scară microscopică.

Un exemplu de solidificare este un bule lichid care îngheață. În imaginea de mai sus puteți vedea cum blochează o bule când atinge zăpada. Care este partea din bule care începe să se solidifice? Ceea ce este în contact direct cu zăpada. Zăpada funcționează ca un suport pe care pot fi găzduite moleculele bulei.

Solidificarea este declanșată rapid de la baza bulei. Acest lucru poate fi văzut în "pini de sticlă" care se extind pentru a acoperi întreaga suprafață. Aceste pini reflectă creșterea cristalelor, care nu sunt decât aranjamente ordonate și simetrice ale moleculelor.

Pentru ca solidificarea să aibă loc, este necesar ca particulele lichidului să poată fi aranjate astfel încât să interacționeze unul cu celălalt. Aceste interacțiuni devin mai puternice pe măsură ce temperatura scade, ceea ce afectează cinetica moleculară; adică devin mai lente și fac parte din cristal.

Acest proces este cunoscut sub numele de cristalizare, iar prezența unui nucleu (agregate mici de particule) și a unui suport accelerează acest proces. Odată ce lichidul a cristalizat, se spune că acesta sa solidificat sau înghețat.

Entalpia de solidificare

Nu toate substanțele se solidifică la aceeași temperatură (sau în același tratament). Unele chiar "îngheață" peste temperatura camerei, așa cum se întâmplă cu solidele cu punct de topire ridicat. Acest lucru depinde de tipul de particule care alcătuiesc solidul sau lichidul.

În solid, ei interacționează puternic și rămân vibratori în poziții fixe de spațiu, fără libertate de mișcare și cu un volum definit, în timp ce în lichid au capacitatea de a se deplasa ca numeroasele straturi care se deplasează unul peste celălalt, ocupând volumul container care îl conține.

Solidul necesită energie termică să treacă în faza lichidă; Cu alte cuvinte, are nevoie de căldură. Căldura este obținută din mediul înconjurător, iar cantitatea minimă pe care o absoarbe pentru a genera prima picătură de lichid este cunoscută sub denumirea de căldură latentă de fuziune (ΔHf).

Pe de altă parte, lichidul trebuie să elibereze căldură în împrejurimile sale pentru a-și ordona moleculele și a cristaliza în faza solidă. Căldura eliberată este apoi căldura latentă de solidificare sau congelare (ΔHc). Atât ΔHf cât și ΔHc sunt egale în magnitudine, dar cu direcții opuse; primul are un semn pozitiv, iar cel de-al doilea semn negativ.

De ce temperatura rămâne constantă în solidificare?

La un moment dat lichidul începe să înghețe și termometrul marchează o temperatură T. În timp ce acesta nu sa solidificat complet, T rămâne constant. Deoarece ΔHc are un semn negativ, constă dintr-un proces exotermic care eliberează căldură.

De aceea, termometrul va citi căldura eliberată de lichid în timpul schimbării de fază, contracarând căderea de temperatură impusă. De exemplu, dacă puneți recipientul care conține lichidul într-o baie de gheață. Astfel, T nu scade până când solidificarea nu este completă în totalitate.

Care unități însoțesc aceste măsurători ale căldurii? De obicei, kJ / mol sau J / g. Acestea sunt interpretate după cum urmează: kJ sau J este cantitatea de căldură care necesită 1 mol de lichid sau 1 g pentru a se putea răci sau solidifica.

Pentru cazul apei, de exemplu, ΔHc este egal cu 6, 02 kJ / mol. Adică, 1 mol de apă pură trebuie să elibereze 6.02 kJ de căldură pentru a putea îngheța, iar această căldură este ceea ce menține temperatura constantă în proces. În mod similar, 1 mol de gheață trebuie să absoarbă 6.02 kJ de căldură pentru a se topi.

Punctul de îngheț

La temperatura exactă în care are loc procesul, acesta este cunoscut ca punctul de solidificare (Tc). Aceasta variază în toate substanțele, în funcție de cât de puternice sunt interacțiunile intermoleculare în solid.

Puritatea este, de asemenea, o variabilă importantă, deoarece un solid impur nu se solidifică la aceeași temperatură ca și cel pur. Cele de mai sus sunt cunoscute sub numele de picătură de îngheț . Pentru a compara punctele de solidificare a unei substanțe, este necesar să se utilizeze ca referință ceea ce este cât mai pur posibil.

Cu toate acestea, același lucru nu poate fi aplicat pentru soluții, ca în cazul aliajelor metalice. Pentru a compara punctele lor de solidificare, trebuie considerate amestecuri cu proporții de masă egale; adică cu concentrații identice ale componentelor sale.

Desigur, punctul de solidificare este de mare interes științific și tehnologic în ceea ce privește aliajele și alte soiuri de materiale. Acest lucru se datorează faptului că, controlând timpul și modul în care se răcește, puteți obține anumite proprietăți fizice dorite sau puteți evita cele nepotrivite pentru o anumită aplicație.

Din acest motiv, înțelegerea și studiul acestui concept are o mare importanță în metalurgie și mineralogie, precum și în orice altă știință care merită să producă și să caracterizeze un material.

Solidificare și punctul de topire

Teoretic, Tc ar trebui să fie egală cu temperatura sau punctul de topire (Tf). Totuși, acest lucru nu este întotdeauna adevărat pentru toate substanțele. Principalul motiv este că, la prima vedere, este mai ușor să perturbați moleculele solidului decât să ordonați moleculele lichidului.

Prin urmare, se preferă în practică să se recurgă la Tf pentru a măsura calitativ puritatea unui compus. De exemplu, dacă un compus X are multe impurități, atunci Tf va fi mai îndepărtat decât cel al pur X în comparație cu altul cu o puritate mai mare.

Ordonarea moleculară

Așa cum sa spus până acum, solidificarea continuă cu cristalizarea. Unele substanțe, având în vedere natura moleculelor și interacțiunile lor, necesită temperaturi foarte scăzute și presiuni ridicate pentru a se solidifica.

De exemplu, azotul lichid este obținut la temperaturi sub -196 ° C. Pentru a se solidifica, ar fi necesar să se răcească chiar mai mult sau să crească presiunea asupra ei, forțând moleculele de N2 să se grupeze împreună pentru a crea nuclee de cristalizare.

Același lucru poate fi luat în considerare și pentru alte gaze: oxigen, argon, fluor, neon, heliu; și pentru cea mai extremă de toate, hidrogen, a cărui fază solidă a stârnit un mare interes pentru potențialele sale proprietăți fără precedent.

Pe de altă parte, cel mai cunoscut caz este gheața uscată, care nu este altceva decât CO _{2 a} cărui vapori albi se datorează sublimării acesteia la presiunea atmosferică. Acestea au fost folosite pentru a recrea ceață în scenarii.

Pentru ca un compus să se solidifice nu depinde numai de Tc, ci și de presiunea și alte variabile. Cu cât moleculele sunt mai mici (H ₂ ) și cu cât interacțiunile lor sunt mai slabe, cu atât mai dificilă va fi să le pătrundem în stare solidă.

suprarăcire

Lichidul, fie o substanță sau un amestec, va începe să înghețe la temperatura la punctul de solidificare. Cu toate acestea, în anumite condiții (cum ar fi o puritate ridicată, un timp de răcire lent sau un mediu foarte energic), lichidul poate tolera temperaturi mai scăzute fără îngheț. Aceasta se numește supracooling.

Nu există încă o explicație absolută a fenomenului, dar teoria susține că toate acele variabile care împiedică creșterea nucleelor ​​de cristalizare promovează supraîncălzirea.

De ce? Deoarece se formează cristale mari din nuclee după adăugarea de molecule înconjurătoare. Dacă acest proces este limitat, chiar dacă temperatura este sub Tc, lichidul va rămâne neschimbat, așa cum se întâmplă cu picăturile mici care fac și fac vizibile norii de pe cer.

Toate lichidele supra-răcite sunt metastabile, adică sunt susceptibile la cea mai mică perturbare externă. De exemplu, dacă se adaugă o mică bucată de gheață sau se scutură puțin, ele vor îngheța instantaneu, ceea ce va duce la un experiment distractiv și ușor de realizat.

Exemple de solidificare

- Deși nu este în mod corespunzător solid, gelatina este un exemplu de proces de solidificare prin răcire.

- Sticla topită este utilizată pentru a crea și a crea multe obiecte care, după răcire, își păstrează formele definite definitiv.

- Cum balonul a înghețat contactul zăpezii, o sticlă de sifon poate suferi același proces; iar în cazul în care este supraîncărcat, înghețarea va fi instantanee.

- Când izbucnește lava vulcanilor care acoperă marginile sale sau suprafața terestră, se solidifică atunci când pierde temperatura, până când se transformă în roci ignifuge.

- Ouăle și prăjiturile se solidifică cu o creștere a temperaturii. În mod similar, mucoasa nazală nu are loc decât datorită deshidratării. Un alt exemplu poate fi găsit și în vopsele sau cleiuri.

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că solidificarea nu are loc în ultimele cazuri ca rezultat al răcirii. De aceea, faptul că un lichid se solidifică nu înseamnă neapărat că îngheață (nu-și reduce temperatura în mod apreciabil); dar când un lichid îngheață, se sfârșește prin a se solidifica.

altele:

- Transformarea apei în gheață: apare la 0 ° C, producând gheață, zăpadă sau cuburi de gheață.

- Ceara de lumânare care se topește cu flacăra și se solidifică din nou.

- înghețarea alimentelor pentru conservarea lor: în acest caz îngheață moleculele de apă din interiorul celulelor din carne sau din legume.

- Suflarea de sticlă: se topește pentru ao forma și apoi se solidifică.

- fabricarea de înghețată: de obicei, produsele lactate care se solidifică.

- În obținerea bomboanelor, care este topit și solidificat de zahăr.

- Untul și margarina sunt acizi grași în stare solidă.

- Metalurgie: la fabricarea lingourilor sau grinzilor sau a structurilor unor metale.

- Cimentul este un amestec de calcar și argile care, atunci când sunt amestecate cu apă, au proprietatea de întărire.

- La fabricarea ciocolatei, pulberea de cacao este amestecată cu apă și lapte care, atunci când este uscat, se solidifică.