Krzepnięcie: punkt krzepnięcia i przykłady

Krzepnięcie jest zmianą, której doświadcza ciecz, gdy przechodzi w fazę stałą. Ciecz może być czystą substancją lub mieszaniną. Również zmiana może wynikać ze spadku temperatury lub w wyniku reakcji chemicznej.

Jak wyjaśnić to zjawisko? Wizualnie ciecz zaczyna się skamieniała lub stwardniała, aż do momentu, w którym przestaje swobodnie płynąć. Jednak zestalanie składa się z serii kroków, które występują w mikroskopijnych skalach.

Przykładem zestalenia jest płynna bańka, która zamarza. Na obrazku powyżej możesz zobaczyć, jak bańka zamarza, gdy uderza w śnieg. Jaka jest część bańki, która zaczyna krzepnąć? To, co ma bezpośredni kontakt ze śniegiem. Śnieg działa jako podpora, na której można umieścić cząsteczki bańki.

Krzepnięcie jest szybko wyzwalane z dołu bańki. Widać to w „szklanych sosnach”, które rozciągają się na całą powierzchnię. Sosny te odzwierciedlają wzrost kryształów, które są niczym więcej niż uporządkowanymi i symetrycznymi układami cząsteczek.

Aby nastąpiło zestalenie, konieczne jest, aby cząstki cieczy mogły być rozmieszczone w taki sposób, aby oddziaływały ze sobą. Te interakcje stają się silniejsze wraz ze spadkiem temperatury, co wpływa na kinetykę molekularną; to znaczy, stają się wolniejsze i stają się częścią kryształu.

Proces ten jest znany jako krystalizacja, a obecność jądra (małe agregaty cząstek) i podparcie przyspiesza ten proces. Gdy ciecz się skrystalizuje, mówi się, że zestaliła się lub zamarzła.

Entalpia krzepnięcia

Nie wszystkie substancje zestalają się w tej samej temperaturze (lub w tej samej obróbce). Niektóre nawet „zamarzają” powyżej temperatury pokojowej, jak to ma miejsce w przypadku ciał stałych o wysokiej temperaturze topnienia. Zależy to od rodzaju cząstek, które tworzą ciało stałe lub ciecz.

W ciele stałym oddziałują one silnie i pozostają wibrujące w ustalonych pozycjach przestrzeni, bez swobody ruchu iz określoną objętością, podczas gdy w cieczy mają zdolność poruszania się jak liczne warstwy, które poruszają się jedna nad drugą, zajmując objętość pojemnik, który go zawiera.

Ciało stałe wymaga energii cieplnej do przejścia do fazy ciekłej; Innymi słowy, potrzebuje ciepła. Ciepło jest uzyskiwane z jego otoczenia, a minimalna ilość, jaką absorbuje, aby wytworzyć pierwszą kroplę cieczy, jest znana jako utajone ciepło topnienia (ΔHf).

Z drugiej strony ciecz musi uwalniać ciepło do otoczenia, aby uporządkować cząsteczki i krystalizować w fazie stałej. Uwolnione ciepło jest zatem utajonym ciepłem krzepnięcia lub zamarzania (ΔHc). Zarówno ΔHf, jak i ΔHc są równe pod względem wielkości, ale z przeciwnymi kierunkami; pierwszy ma znak pozytywny, a drugi znak ujemny.

Dlaczego temperatura pozostaje stała w krzepnięciu?

W pewnym momencie ciecz zaczyna zamarzać, a termometr oznacza temperaturę T. Podczas gdy ta ciecz nie zestaliła się całkowicie, T pozostaje stała. Ponieważ ΔHc ma znak ujemny, składa się z procesu egzotermicznego, który uwalnia ciepło.

Dlatego termometr odczyta ciepło uwalniane przez ciecz podczas zmiany fazy, przeciwdziałając nałożonemu spadkowi temperatury. Na przykład, jeśli umieścisz pojemnik z płynem w łaźni lodowej. Tak więc T nie zmniejsza się aż do całkowitego zestalenia się.

Które jednostki towarzyszą tym pomiarom ciepła? Zwykle kJ / mol lub J / g. Są one interpretowane w następujący sposób: kJ lub J to ilość ciepła, która wymaga 1 mola cieczy lub 1 g, aby móc się ochłodzić lub zestalić.

Na przykład w przypadku wody ΔHc wynosi 6, 02 kJ / mol. Oznacza to, że 1 mol czystej wody musi uwolnić 6, 02 kJ ciepła, aby móc zamarznąć, a to ciepło utrzymuje stałą temperaturę w tym procesie. Podobnie 1 mol lodu musi pochłonąć 6, 02 kJ ciepła do stopienia.

Punkt zamarzania

Dokładna temperatura, w której zachodzi proces, nazywana jest punktem krzepnięcia (Tc). Różni się we wszystkich substancjach w zależności od tego, jak silne są ich międzycząsteczkowe oddziaływania w ciele stałym.

Czystość jest również ważną zmienną, ponieważ zanieczyszczona substancja stała nie zestala się w tej samej temperaturze co czysta. Powyższe nazywane jest spadkiem punktu zamarzania . Aby porównać punkty krzepnięcia substancji, konieczne jest użycie jako odniesienia tego, co jest możliwie czyste.

Jednak tego samego nie można zastosować do rozwiązań, jak w przypadku stopów metali. Aby porównać ich punkty krzepnięcia należy uznać za mieszaniny o równych proporcjach mas; to znaczy przy identycznych stężeniach składników.

Z pewnością punkt krzepnięcia ma duże znaczenie naukowe i technologiczne w odniesieniu do stopów i innych odmian materiałów. Dzieje się tak dlatego, że kontrolując czas i sposób chłodzenia, można uzyskać pożądane właściwości fizyczne lub uniknąć nieodpowiednich dla konkretnego zastosowania.

Z tego powodu zrozumienie i badanie tej koncepcji ma ogromne znaczenie w metalurgii i mineralogii, a także w każdej innej nauce, która zasługuje na produkcję i charakterystykę materiału.

Temperatura krzepnięcia i topnienia

Teoretycznie Tc powinno być równe temperaturze lub temperaturze topnienia (Tf). Nie zawsze jest tak jednak w przypadku wszystkich substancji. Głównym powodem jest to, że na pierwszy rzut oka łatwiej jest rozbić cząsteczki ciała stałego niż uporządkować cząsteczki cieczy.

Dlatego w praktyce preferuje się uciekanie się do Tf, aby jakościowo zmierzyć czystość związku. Na przykład, jeśli związek X ma wiele zanieczyszczeń, to jego Tf będzie bardziej odległe od czystego X w porównaniu z innym o wyższej czystości.

Zamawianie molekularne

Jak już powiedziano, zestalanie przechodzi do krystalizacji. Niektóre substancje, biorąc pod uwagę charakter ich cząsteczek i ich interakcje, wymagają bardzo niskich temperatur i wysokich ciśnień w celu zestalenia.

Na przykład ciekły azot otrzymuje się w temperaturach poniżej -196ºC. Aby ją zestalić, konieczne byłoby jej ochłodzenie jeszcze bardziej lub zwiększenie ciśnienia, zmuszając cząsteczki N2 do grupowania się, tworząc jądra krystalizacji.

To samo można rozważyć w przypadku innych gazów: tlenu, argonu, fluoru, neonu, helu; a najbardziej ekstremalny wodór, którego faza stała wzbudziła duże zainteresowanie ze względu na jego potencjalnie niespotykane właściwości.

Z drugiej strony, najbardziej znanym przypadkiem jest suchy lód, który jest niczym więcej niż CO _2, którego białe opary są wynikiem sublimacji tego samego pod ciśnieniem atmosferycznym. Zostały one użyte do odtworzenia mgły w scenariuszach.

Zestalenie związku nie zależy tylko od Tc, ale także od ciśnienia i innych zmiennych. Im mniejsze są cząsteczki (H ₂ ), a im słabsze są ich interakcje, tym trudniej będzie doprowadzić je do stanu stałego.

Chłodzenie

Ciecz, substancja lub mieszanina, zacznie zamarzać w temperaturze punktu krzepnięcia. Jednak w pewnych warunkach (takich jak wysoka czystość, powolny czas chłodzenia lub bardzo energetyczne środowisko) ciecz może tolerować niższe temperatury bez zamrażania. Nazywa się to przechłodzeniem.

Nie ma jeszcze absolutnego wyjaśnienia tego zjawiska, ale teoria utrzymuje, że wszystkie te zmienne, które utrudniają wzrost jąder krystalizacji, sprzyjają przechłodzeniu.

Dlaczego? Ponieważ duże kryształy powstają z jąder po dodaniu do nich otaczających cząsteczek. Jeśli ten proces jest ograniczony, nawet jeśli temperatura spadnie poniżej Tc, ciecz pozostanie niezmieniona, jak to ma miejsce w przypadku maleńkich kropli, które tworzą i sprawiają, że widoczne są chmury na niebie.

Wszystkie przechłodzone ciecze są metastabilne, to znaczy są podatne na najmniejsze zewnętrzne zakłócenia. Na przykład, jeśli do nich zostanie dodany mały kawałek lodu lub zostaną nieco wstrząśnięte, natychmiast zamarzną, co skutkuje zabawnym i łatwym do przeprowadzenia eksperymentem.

Przykłady zestalania

- Chociaż żelatyna nie jest właściwie stała, jest przykładem procesu krzepnięcia przez chłodzenie.

-Stopione szkło służy do tworzenia i projektowania wielu obiektów, które po ochłodzeniu zachowują swoje ostateczne zdefiniowane formy.

- Ponieważ bańka zamarzła do kontaktu ze śniegiem, butelka sody może przejść ten sam proces; a jeśli jest przechłodzony, jego zamrożenie będzie natychmiastowe.

- Kiedy lawa wybucha z wulkanów pokrywających jej krawędzie lub powierzchnię ziemską, krzepnie, gdy traci temperaturę, aż przekształci się w skały magmowe.

- Jaja i ciastka krzepną wraz ze wzrostem temperatury. Podobnie błona śluzowa nosa ma, ale z powodu odwodnienia. Inny przykład można znaleźć w farbie lub klejach.

Należy jednak zauważyć, że krzepnięcie nie występuje w tych ostatnich przypadkach w wyniku chłodzenia. Dlatego fakt, że ciecz zestala się, niekoniecznie oznacza, że ​​zamarza (nie zmniejsza znacznie swojej temperatury); ale gdy ciecz zamarza, kończy się krzepnięciem.

Inni:

- Przekształcenie wody w lód: występuje w 0 ° C, wytwarzając lód, śnieg lub kostki lodu.

- Wosk świecy, który topi się wraz z płomieniem i ponownie krzepnie.

- Zamrażanie żywności w celu jej zachowania: w tym przypadku zamraża cząsteczki wody w komórkach mięsa lub warzyw.

- Dmuchanie szkła: topi się, aby go ukształtować, a następnie krzepnie.

- Produkcja lodów: zwykle produkty mleczne, które krzepną.

- W uzyskiwaniu cukierków, które są stopionym i zestalonym cukrem.

- Masło i margaryna są kwasami tłuszczowymi w stanie stałym.

- Metalurgia: w produkcji wlewków lub belek lub struktur niektórych metali.

- Cement to mieszanina wapienia i glin, która po zmieszaniu z wodą ma właściwości twardnienia.

- W produkcji czekolady proszek kakaowy miesza się z wodą i mlekiem, które po wysuszeniu zestala się.