ЗАТВЕРДЕВАНИЕ: ТОЧКА ЗАТВЕРДЕВАНИЯ И ПРИМЕРЫ - ХИМИЯ - 2026

Затвердевание представляет собой жидкость , которая претерпевает изменение , когда он переходит в твердую фазу. Жидкость может быть чистым веществом или смесью. Точно так же изменение может быть связано с падением температуры или в результате химической реакции.

Как можно объяснить это явление? Визуально жидкость начинает окаменевать или затвердевать до такой степени, что перестает течь свободно. Однако на самом деле затвердевание состоит из серии этапов, которые происходят в микроскопических масштабах.

Источник: Pixabay

Примером затвердевания является замерзающий жидкий пузырь. На изображении выше вы можете увидеть, как пузырь замерзает при контакте со снегом. Какая часть пузыря начинает затвердевать? Тот, который находится в непосредственном контакте со снегом. Снег работает как опора, на которой могут оседать молекулы пузыря.

От дна пузыря происходит быстрое затвердевание. Это можно увидеть в «глазурованных соснах», которые покрывают всю поверхность. Эти сосны отражают рост кристаллов, которые представляют собой не что иное, как упорядоченное и симметричное расположение молекул.

Для того чтобы произошло отверждение, необходимо, чтобы частицы жидкости могли быть расположены таким образом, чтобы они взаимодействовали друг с другом. Эти взаимодействия усиливаются при понижении температуры, что влияет на молекулярную кинетику; то есть они замедляются и становятся частью кристалла.

Этот процесс известен как кристаллизация, и наличие зародыша (небольших скоплений частиц) и опоры ускоряет этот процесс. Когда жидкость кристаллизовалась, говорят, что она затвердела или замерзла.

Энтальпия затвердевания

Не все вещества затвердевают при одинаковой температуре (или при одинаковой обработке). Некоторые даже «замерзают» при температуре выше комнатной, например, тугоплавкие твердые вещества. Это зависит от типа частиц, из которых состоит твердое вещество или жидкость.

В твердом теле они сильно взаимодействуют и продолжают колебаться в фиксированных положениях в пространстве без свободы движения и с определенным объемом, в то время как в жидкости они обладают способностью перемещаться в виде многочисленных слоев, которые перемещаются друг над другом, занимая объем контейнер, в котором он находится.

Твердому телу требуется тепловая энергия для перехода в жидкую фазу; другими словами, ему нужно тепло. Он получает тепло от окружающей среды, и наименьшее количество тепла, которое он поглощает для образования первой капли жидкости, называется скрытой теплотой плавления (ΔHf).

С другой стороны, жидкость должна отдавать тепло своему окружению, чтобы упорядочить свои молекулы и кристаллизоваться в твердую фазу. Выделяющееся тепло представляет собой скрытую теплоту затвердевания или замерзания (ΔHc). И ΔHf, и ΔHc равны по величине, но с противоположными направлениями; первый имеет положительный знак, а второй - отрицательный.

Почему при затвердевании температура остается постоянной?

В определенный момент жидкость начинает замерзать, и термометр показывает температуру T. Пока она не полностью затвердеет, T остается постоянной. Поскольку ΔHc имеет отрицательный знак, он представляет собой экзотермический процесс с выделением тепла.

Следовательно, термометр будет считывать тепло, выделяемое жидкостью во время ее фазового перехода, противодействуя наложенному перепаду температуры. Например, если емкость с жидкостью поместить в ледяную баню. Таким образом, T не уменьшается до полного затвердевания.

Какие единицы сопровождают эти измерения тепла? Обычно кДж / моль или Дж / г. Они интерпретируются следующим образом: кДж или Дж - количество тепла, необходимое для охлаждения или затвердевания 1 моля жидкости или 1 г.

Например, для воды ΔHc равно 6,02 кДж / моль. То есть 1 моль чистой воды должен выделять 6,02 кДж тепла, чтобы замерзнуть, и именно это тепло поддерживает постоянную температуру в процессе. Точно так же 1 моль льда должен поглотить 6,02 кДж тепла, чтобы расплавиться.

Точка затвердевания

Точная температура, при которой происходит процесс, называется точкой затвердевания (Tc). Это варьируется для всех веществ в зависимости от того, насколько сильны их межмолекулярные взаимодействия в твердом теле.

Чистота также является важной переменной, поскольку нечистое твердое вещество не затвердевает при той же температуре, что и чистое. Это называется понижением точки замерзания. Для сравнения точек затвердевания вещества необходимо использовать как можно более чистое вещество.

Однако то же самое нельзя применить к растворам, как в случае металлических сплавов. Чтобы сравнить их точки затвердевания, необходимо учитывать смеси с равными массовыми долями; то есть с одинаковыми концентрациями его компонентов.

Конечно, точка затвердевания представляет большой научный и технический интерес в отношении сплавов и других разновидностей материалов. Это связано с тем, что, контролируя время и способ их охлаждения, можно получить некоторые желательные физические свойства или избежать тех, которые не подходят для данного применения.

По этой причине понимание и изучение этой концепции имеет большое значение в металлургии и минералогии, а также в любой другой науке, которая имеет право производить и характеризовать материал.

Температура затвердевания и плавления

Теоретически Tc должна быть равна температуре или точке плавления (Tf). Однако это не всегда верно для всех веществ. Основная причина в том, что на первый взгляд легче испортить твердые молекулы, чем заказать жидкие.

Следовательно, на практике предпочтительно использовать Tf для качественного измерения чистоты соединения. Например, если соединение X имеет много примесей, то его Tf будет более далекой от Tf чистого X по сравнению с соединением с более высокой чистотой.

Молекулярный порядок

Как было сказано до сих пор, отверждение переходит в кристаллизацию. Некоторым веществам, учитывая природу их молекул и их взаимодействия, требуются очень низкие температуры и высокое давление, чтобы они могли затвердеть.

Например, жидкий азот получается при температуре ниже -196ºC. Для его затвердевания необходимо было бы еще больше охладить его или увеличить давление на него, заставляя, таким образом, молекулы N ₂ слипаться вместе с образованием зародышей кристаллизации.

То же самое можно сказать и о других газах: кислород, аргон, фтор, неон, гелий; и, что особенно важно, водород, твердая фаза которого вызвала большой интерес из-за своих возможных беспрецедентных свойств.

С другой стороны, самый известный случай - это сухой лед, который представляет собой не что иное, как CO _2, белые пары которого возникают из-за его сублимации при атмосферном давлении. Они использовались для воссоздания дымки на сцене.

Отверждение соединения зависит не только от Tc, но также от давления и других переменных. Чем меньше молекулы (H ₂ ) и чем слабее их взаимодействие, тем труднее будет перевести их в твердое состояние.

Переохлаждение

Жидкость, будь то вещество или смесь, начнет замерзать при температуре точки затвердевания. Однако при определенных условиях (таких как высокая чистота, медленное время охлаждения или очень энергичная среда) жидкость может выдерживать более низкие температуры без замерзания. Это называется переохлаждением.

Абсолютного объяснения этого явления до сих пор нет, но теория утверждает, что все те переменные, которые препятствуют росту ядер кристаллизации, способствуют переохлаждению.

Зачем? Потому что из ядер образуются большие кристаллы после добавления к ним молекул из окружающей среды. Если этот процесс ограничен, даже если температура ниже Tc, жидкость останется неизменной, как это происходит с крошечными каплями, которые образуют и делают облака видимыми в небе.

Все переохлажденные жидкости метастабильны, то есть подвержены малейшим внешним воздействиям. Например, если вы добавите к ним небольшой кусок льда или немного встряхнете, они мгновенно замерзнут, что является забавным и легким экспериментом.

Примеры затвердевания

-Хотя желатин не является твердым телом, он является примером процесса затвердевания при охлаждении.

-Плавленое стекло используется для создания и дизайна многих объектов, которые после охлаждения сохраняют свою окончательную определенную форму.

-Точно так же, как пузырек замерз при контакте со снегом, бутылка содовой может пройти тот же процесс; а если он переохлажден, его замораживание будет мгновенным.

-Когда лава выходит из вулканов, покрывающих их края или поверхность земли, она затвердевает, когда теряет температуру, пока не превращается в вулканические породы.

-Яйца и лепешки застывают при повышении температуры. Точно так же слизистая носа делает это из-за обезвоживания. Другой пример можно найти в красках или клеях.

Однако следует отметить, что в последних случаях затвердевание не происходит в результате охлаждения. Следовательно, тот факт, что жидкость затвердевает, не обязательно означает, что она замерзает (это не снижает ее температуру заметно); но когда жидкость замерзает, она затвердевает.

Другие:

- Превращение воды в лед: это происходит при 0 ° C, образуя лед, снег или ледяные кубики.

- Свечной воск, который тает с пламенем и снова затвердевает.

- Замораживание продуктов для их сохранения: в этом случае молекулы воды замораживаются внутри клеток мяса или овощей.

- Выдувание стекла: оно плавится, чтобы придать форму, а затем затвердевает.

- Производство мороженого: обычно это молочные продукты, которые затвердевают.

- При получении карамели, в которой растопленный и застывший сахар.

- Масло и маргарин - это жирные кислоты в твердом состоянии.

- Металлургия: производство слитков, балок или конструкций из определенных металлов.

- Цемент - это смесь известняка и глины, которая при смешивании с водой имеет свойство твердеть.

- При производстве шоколада какао-порошок смешивают с водой и молоком, которое при сушке затвердевает.

Ссылки

1. Уиттен, Дэвис, Пек и Стэнли. Химия. (8-е изд.). CENGAGE Learning, стр 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Замораживание. Взято с: en.wikipedia.org
3. Лорен А. Якобсон. (16 мая 2008 г.). Затвердевание. . Взято с: infohost.nmt.edu/
4. Сплавление и затвердевание. Взято с: juntadeandalucia.es
5. Доктор Картер. Затвердевание расплава. Взято с сайта: itc.gsw.edu/
6. Экспериментальное объяснение переохлаждения: почему вода не замерзает в облаках. Взято с: esrf.eu
7. Хельменстин, Энн Мари, доктор философии. (22 июня 2018 г.). Определение и примеры затвердевания. Взято с: thinkco.com