Точка твердіння затвердіння і приклади

The затвердіння це зміна, що відбувається при переході рідини в тверду фазу. Рідина може бути чистим речовиною або сумішшю. Крім того, зміна може бути викликана зниженням температури або в результаті хімічної реакції.

Як пояснити це явище? Візуально рідина починає застигати або застигати, так що вона перестає вільно текти. Однак затвердіння фактично складається з серії кроків, які відбуваються на мікроскопічних шкалах.

Прикладом твердіння є рідкий міхур, який замерзає. На зображенні вище можна побачити, як бульбашка замерзає, коли вона потрапляє в сніг. Яка частина міхура починає тверднути? Те, що знаходиться в безпосередньому контакті зі снігом. Сніг працює як опора, на якій можуть розміщуватися молекули міхура.

Затвердіння швидко спрацьовує з дна бульбашки. Це можна побачити в «скляних соснах», які поширюються на всю поверхню. Ці сосни відображають зростання кристалів, які є не більш ніж впорядкованими і симетричними домовленостями молекул.

Для виникнення затвердіння необхідно, щоб частинки рідини були розташовані таким чином, що вони взаємодіють один з одним. Ці взаємодії стають сильнішими при зниженні температури, що впливає на молекулярну кінетику; тобто вони стають повільнішими і стають частиною кристала.

Цей процес відомий як кристалізація, а наявність ядра (невеликі агрегати частинок) і опори прискорює цей процес. Після того, як рідина кристалізується, вона сказала, що вона затверділа або заморожена.

Індекс

• 1 Ентальпія затвердіння
  • 1.1 Чому температура залишається постійною при затвердінні?
• 2 Точка замерзання
  • 2.1 Температура застигання і плавлення
  • 2.2 Молекулярне впорядкування
• 3 Охолодження
• 4 Приклади затвердіння
• 5 Посилання

Ентальпія затвердіння

Не всі речовини тверднуть при тій же температурі (або при тій же обробці). Деякі навіть "заморожують" вище кімнатної температури, як це відбувається з твердими речовинами з високою температурою плавлення. Це залежить від типу частинок, що входять до складу твердої речовини або рідини.

У твердому тілі вони сильно взаємодіють і залишаються вібруючими в фіксованих положеннях простору, без свободи руху і з певним обсягом, у той час як у рідині вони мають здатність рухатися, як численні шари, що переміщуються один з одним, займаючи обсяг контейнер, що містить його.

Тверде речовина вимагає переходу теплової енергії в рідку фазу; Іншими словами, воно потребує тепла. Тепло отримують з його оточення, і мінімальна кількість, яка поглинає для створення першої краплі рідини, відома як латентна теплота плавлення (ΔHf).

З іншого боку, рідина повинна виділяти тепло навколишньому середовищу, щоб упорядкувати її молекули і кристалізуватися в твердій фазі. Тепло, що виділяється, є, таким чином, прихованою теплотою затвердіння або заморожування (ΔHc). Обидва ΔHf і ΔHc рівні за величиною, але з протилежними напрямками; перший несе позитивний знак, а другий - негативний.

Чому температура залишається постійною при затвердінні?

У певний момент рідина починає замерзати, а термометр показує температуру Т. Хоча вона не повністю затверділа, Т залишається постійною. Оскільки ΔHc має негативний знак, він складається з екзотермічного процесу, який вивільняє тепло.

Тому термометр зчитує тепло, що виділяється рідиною, під час його зміни фази, протидіючи падінню температури. Наприклад, якщо ви помістіть контейнер, що містить рідину, у крижану баню. Таким чином, Т не зменшується до повного завершення затвердіння.

Які одиниці супроводжують ці вимірювання тепла? Зазвичай kJ / моль або J / г. Вони інтерпретуються наступним чином: kJ або J - кількість тепла, яке вимагає 1 моль рідини або 1 г для охолодження або затвердіння.

Для випадку води, наприклад, ΔHc дорівнює 6,02 кДж / моль. Тобто, 1 моль чистої води потребує вивільнення 6,02 кДж тепла, щоб можна було заморозити, і це тепла - це те, що підтримує постійну температуру в процесі. Аналогічно, 1 моль льоду потребує поглинання 6,02 кДж теплоти для розплавлення.

Точка замерзання

При точній температурі, де відбувається процес, вона відома як точка затвердіння (Tc). Це змінюється в усіх речовинах залежно від того, наскільки сильними є їх міжмолекулярні взаємодії в твердому тілі.

Чистота також є важливою змінною, оскільки нечисте тверда речовина не твердне при тій же температурі, що і чиста. Вищезгадане відомо як падіння точки замерзання. Для порівняння точок затвердіння речовини необхідно використовувати в якості посилання те, що є максимально чистим.

Однак те ж саме не можна застосовувати для розчинів, як у випадку металевих сплавів. Для порівняння їх точок затвердіння слід вважати сумішами з однаковими масовими співвідношеннями; тобто з однаковими концентраціями його компонентів.

Безумовно, точка затвердіння має великий науковий та технологічний інтерес щодо сплавів та інших сортів матеріалів. Це пояснюється тим, що, контролюючи час і те, як вони охолоджуються, ви можете отримати деякі бажані фізичні властивості або уникнути недоречних для певних програм.

З цієї причини розуміння і вивчення цієї концепції має велике значення в металургії і мінералогії, а також в будь-якій іншій науці, яка заслуговує на виготовлення і характеристику матеріалу..

Твердження і точка плавлення

Теоретично Tc має бути рівним температурі або точці плавлення (Tf). Однак це не завжди справедливо для всіх речовин. Основна причина полягає в тому, що, на перший погляд, легше зірвати молекули твердого тіла, ніж замовити ті рідини.

Отже, на практиці бажано вдатися до Тр, щоб якісно виміряти чистоту сполуки. Наприклад, якщо з'єднання X має багато домішок, то його Tf буде більш віддаленим від чистого X порівняно з іншим з більш високою чистотою.

Молекулярне впорядкування

Як вже було сказано, затвердіння переходить до кристалізації. Деякі речовини, враховуючи природу молекул і їх взаємодію, вимагають дуже низьких температур і високих тисків, щоб вони могли затвердіти.

Наприклад, рідкий азот отримують при температурі нижче -196ºC. Щоб його затвердіти, необхідно було б ще більше охолодити його або збільшити тиск на нього, примусивши N молекул таким чином.₂ згрупуватися разом для створення ядер кристалізації.

Те ж саме можна розглядати і для інших газів: кисню, аргону, фтору, неону, гелію; і для найбільш екстремальних з усіх, водень, чия тверда фаза викликає великий інтерес для його потенційних безпрецедентних властивостей.

З іншого боку, найбільш відомим випадком є сухий лід, що є не більш ніж CO₂ білі пари яких обумовлені сублімацією ж при атмосферному тиску. Вони використовуються для відтворення туману в сценаріях.

Для з'єднання для затвердіння не залежить тільки від Tc, а й від тиску та інших змінних. Чим менше молекули (H₂) і чим слабкіше їх взаємодія, тим складніше буде їх змусити перейти до твердого стану.

Переохолодження

Рідина, або речовина або суміш, почне замерзати при температурі в точці затвердіння. Однак, за певних умов (таких як висока чистота, повільний час охолодження або дуже енергетична середовище), рідина може переносити більш низькі температури без замерзання. Це називається переохолодженням.

Ще не існує абсолютного пояснення цього явища, але теорія вважає, що всі ті змінні, які перешкоджають зростанню ядер кристалізації, сприяють переохолодженню.

Чому? Тому що великі кристали формуються з ядер після додавання навколишніх молекул до них. Якщо цей процес обмежений, навіть якщо температура нижче Tc, рідина залишиться незмінною, як це відбувається з крихітними краплями, які складають і роблять хмари видимими на небі..

Всі переохолоджені рідини є метастабільними, тобто вони сприйнятливі до найменших зовнішніх збурень. Наприклад, якщо вони додадуть невеликий шматочок льоду або трохи потрясають, вони миттєво замерзають, що призводить до цікавого та легкого для виконання експерименту..

Приклади затвердіння

-Хоча це не є твердим, желатин є прикладом процесу затвердіння шляхом охолодження.

-Розплавлене скло використовується для створення та проектування багатьох об'єктів, які після охолодження зберігають свої остаточні визначені форми.

-Так само, як міхур замерзає при контакті зі снігом, пляшка соди може зазнати такого самого процесу; і якщо він переохолоджений, його заморожування буде миттєвим.

-Коли лава вивергається з вулканів, що покривають її краю або земну поверхню, вона застигає, коли вона втрачає температуру, поки вона не перетвориться на магматичні породи..

-Яйця і тістечка зміцнюються зі збільшенням температури. Аналогічно, слизова оболонка носа робить, але через зневоднення. Інший приклад можна також знайти в фарбах або клеях.

Однак слід зазначити, що затвердіння в останніх випадках не відбувається в результаті охолодження. Тому той факт, що рідина застигає, не обов'язково означає, що вона замерзає (вона не знижує її температуру помітно); але коли рідина замерзає, вона закінчується твердінням.

Інші:

- Перетворення води в лід: це відбувається при 0 ° C, утворюючи лід, сніг або кубики льоду.

- Віск свічки, який плавиться з полум'ям і знову застигає.

- Заморожування їжі для її збереження: в цьому випадку вона замерзає молекули води всередині клітин м'яса або овочів..

- Видувне скло: він плавиться і формується, а потім застигає.

- Виробництво морозива: зазвичай вони є молочними, які тверднуть.

- При отриманні цукерок, які розплавляються і затвердіють цукор.

- Масло та маргарин є жирними кислотами в твердому стані.

- Металургія: у виробництві злитків або балок або структур деяких металів.

- Цемент являє собою суміш вапняку і глини, яка при змішуванні з водою має властивість загартування.

- При виробництві шоколаду какао-порошок змішується з водою і молоком, які при висушуванні тверднуть.

Список літератури

1. Уіттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія (8-е изд.). CENGAGE Learning, стор 448, 467.
2. Вікіпедія. (2018). Заморожування Взяті з сайту: en.wikipedia.org
3. Лорен А. Якобсон. (16 травня 2008 р.) Затвердіння [PDF] Взяті з: infohost.nmt.edu/
4. Злиття і затвердіння. Взяті з: juntadeandalucia.es
5. Доктор Картер. Затвердіння розплаву. Взяті з: itc.gsw.edu/
6. Експериментальне пояснення переохолодження: чому вода не замерзає в хмарах. Взяті з: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 червня 2018). Визначення затвердіння та приклади. Взяті з: thoughtco.com