Krzepnięcie w temperaturze krzepnięcia i przykłady

1857
Sherman Hoover
Krzepnięcie w temperaturze krzepnięcia i przykłady

Plik krzepnięcie jest zmianą, której podlega ciecz, gdy przechodzi do fazy stałej. Ciecz może być czystą substancją lub mieszaniną. Podobnie zmiana może wynikać ze spadku temperatury lub w wyniku reakcji chemicznej..

Jak wytłumaczyć to zjawisko? Wizualnie ciecz zaczyna się skamieniać lub stwardnieć, do tego stopnia, że ​​przestaje swobodnie płynąć. Jednak krzepnięcie w rzeczywistości składa się z szeregu etapów zachodzących w mikroskopijnych skalach..

Źródło: Pixabay

Przykładem zestalenia jest zamarzający płynny pęcherzyk. Na powyższym obrazku widać, jak bańka zamarza w kontakcie ze śniegiem. Jaka część bańki zaczyna się zestalać? Ten, który ma bezpośredni kontakt ze śniegiem. Śnieg działa jako podpora, na której można umieścić cząsteczki bańki..

Krzepnięcie jest szybko wyzwalane z dna bańki. Można to zobaczyć w „oszklonych sosnach”, które obejmują całą powierzchnię. Te sosny odzwierciedlają wzrost kryształów, które są niczym innym jak uporządkowanym i symetrycznym układem cząsteczek.

Aby doszło do zestalenia, konieczne jest ułożenie cząstek cieczy w taki sposób, aby oddziaływały na siebie. Te interakcje stają się silniejsze wraz ze spadkiem temperatury, co wpływa na kinetykę molekularną; to znaczy zwalniają i stają się częścią kryształu.

Proces ten nazywany jest krystalizacją, a obecność jądra (małe skupiska cząstek) i nośnika przyspiesza ten proces. Gdy ciecz skrystalizowała, mówi się, że zestaliła się lub zamarzła.

Indeks artykułów

  • 1 Entalpia krzepnięcia
    • 1.1 Dlaczego temperatura krzepnięcia pozostaje stała?
  • 2 Punkt krzepnięcia
    • 2.1 Temperatura krzepnięcia i topnienia
    • 2.2 Porządkowanie molekularne
  • 3 Przechłodzenie
  • 4 Przykłady krzepnięcia
  • 5 Referencje

Entalpia krzepnięcia

Nie wszystkie substancje zestalają się w tej samej temperaturze (lub przy tej samej obróbce). Niektóre nawet „zamrażają” powyżej temperatury pokojowej, jak w przypadku wysokotopliwych ciał stałych. Zależy to od rodzaju cząstek, z których składa się ciało stałe lub ciecz..

W ciele stałym oddziałują silnie i pozostają wibrując w ustalonych pozycjach w przestrzeni, bez swobody ruchu io określonej objętości, natomiast w cieczy mają zdolność poruszania się tak wieloma warstwami, które przesuwają się nad sobą, zajmując objętość pojemnik, który go zawiera.

Ciało stałe wymaga energii cieplnej, aby przejść do fazy ciekłej; innymi słowy, potrzebuje ciepła. Ciepło jest pozyskiwane z otoczenia, a minimalna ilość, jaką pochłania, aby wytworzyć pierwszą kroplę cieczy, nazywana jest utajonym ciepłem topnienia (ΔHf)..

Z drugiej strony ciecz musi uwalniać ciepło do otoczenia, aby uporządkować swoje cząsteczki i skrystalizować w fazie stałej. Uwolnione ciepło jest wówczas utajonym ciepłem krzepnięcia lub zamarzania (ΔHc). Zarówno ΔHf, jak i ΔHc mają taką samą wielkość, ale mają przeciwne kierunki; pierwszy ma znak dodatni, a drugi znak ujemny.

Dlaczego temperatura krzepnięcia pozostaje stała?

W pewnym momencie ciecz zaczyna zamarzać, a termometr wskazuje temperaturę T. Dopóki nie zestali się całkowicie, T pozostaje stała. Ponieważ ΔHc ma znak ujemny, składa się z egzotermicznego procesu, który uwalnia ciepło.

Dlatego termometr odczyta ciepło oddawane przez ciecz podczas zmiany fazy, przeciwdziałając narzuconemu spadkowi temperatury. Na przykład, jeśli pojemnik zawierający płyn zostanie umieszczony w łaźni lodowej. Tak więc T nie zmniejsza się, dopóki zestalenie nie zostanie całkowicie zakończone..

Jakie jednostki towarzyszą tym pomiarom ciepła? Zwykle kJ / mol lub J / g. Są one interpretowane w następujący sposób: kJ lub J to ilość ciepła potrzebna 1 mol cieczy lub 1 g, aby był w stanie ostygnąć lub zestalić.

Na przykład w przypadku wody ΔHc jest równe 6,02 kJ / mol. Oznacza to, że 1 mol czystej wody musi uwolnić 6,02 kJ ciepła, aby zamarznąć, a to ciepło utrzymuje stałą temperaturę w procesie. Podobnie 1 mol lodu musi wchłonąć 6,02 kJ ciepła, aby się stopić..

Punkt krzepnięcia

Dokładna temperatura, w której zachodzi proces, nazywana jest temperaturą krzepnięcia (Tc). Różni się to w przypadku wszystkich substancji w zależności od tego, jak silne są ich interakcje międzycząsteczkowe w ciele stałym..

Czystość jest również ważną zmienną, ponieważ zanieczyszczone ciało stałe nie krzepnie w tej samej temperaturze co czyste. Powyższe jest znane jako spadek temperatury zamarzania. Aby porównać punkty krzepnięcia substancji, konieczne jest użycie jako odniesienia możliwie najczystszego.

Jednak tego samego nie można zastosować do rozwiązań, jak ma to miejsce w przypadku stopów metali. Aby porównać ich punkty krzepnięcia, należy wziąć pod uwagę mieszaniny o takich samych proporcjach masowych; to znaczy z identycznymi stężeniami jego składników.

Z pewnością punkt krzepnięcia ma duże znaczenie naukowe i technologiczne w odniesieniu do stopów i innych odmian materiałów. Dzieje się tak, ponieważ kontrolując czas i sposób chłodzenia, można uzyskać pewne pożądane właściwości fizyczne lub można uniknąć tych, które są nieodpowiednie dla określonego zastosowania..

Z tego powodu zrozumienie i badanie tego pojęcia ma ogromne znaczenie w metalurgii i mineralogii, a także w każdej innej nauce, która zasługuje na wytworzenie i scharakteryzowanie materiału..

Punkt krzepnięcia i topnienia

Teoretycznie Tc powinno być równe temperaturze lub temperaturze topnienia (Tf). Jednak nie zawsze dotyczy to wszystkich substancji. Głównym powodem jest to, że na pierwszy rzut oka łatwiej jest zepsuć cząsteczki ciała stałego niż uporządkować cząsteczki cieczy..

W związku z tym w praktyce korzystne jest stosowanie Tf do jakościowego pomiaru czystości związku. Na przykład, jeśli związek X ma wiele zanieczyszczeń, to jego Tf będzie bardziej odległa od Tf czystego X w porównaniu z innym o wyższej czystości..

Porządkowanie molekularne

Jak już powiedziano, krzepnięcie przechodzi w krystalizację. Niektóre substancje, ze względu na charakter ich cząsteczek i ich interakcje, wymagają bardzo niskich temperatur i wysokich ciśnień do zestalenia..

Na przykład ciekły azot uzyskuje się w temperaturach poniżej -196ºC. Aby go zestalić, należałoby go jeszcze bardziej ochłodzić lub zwiększyć ciśnienie, zmuszając w ten sposób cząsteczki Ndwa być zgrupowane razem, aby stworzyć jądra krystalizacji.

To samo można rozważyć w przypadku innych gazów: tlenu, argonu, fluoru, neonu, helu; a co najbardziej ekstremalne - wodór, którego faza stała wzbudziła duże zainteresowanie ze względu na swoje możliwe bezprecedensowe właściwości.

Z drugiej strony najbardziej znanym przypadkiem jest suchy lód, czyli nic więcej niż COdwa którego białe opary powstają w wyniku sublimacji pod ciśnieniem atmosferycznym. Zostały one użyte do odtworzenia mgiełki na scenie..

Zestalenie związku zależy nie tylko od Tc, ale także od ciśnienia i innych zmiennych. Mniejsze cząsteczki (H.dwa) i im słabsze będą ich interakcje, tym trudniej będzie doprowadzić je do przejścia w stan stały.

Przechłodzenie

Ciecz, czy to substancja, czy mieszanina, zacznie zamarzać w temperaturze w punkcie krzepnięcia. Jednak w pewnych warunkach (takich jak wysoka czystość, długi czas chłodzenia lub bardzo energiczne środowisko) ciecz może tolerować niższe temperatury bez zamarzania. Nazywa się to przechłodzeniem..

Nadal nie ma absolutnego wyjaśnienia tego zjawiska, ale teoria potwierdza, że ​​wszystkie te zmienne, które zapobiegają wzrostowi jąder krystalizacji, sprzyjają przechłodzeniu..

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

Wszystkie przechłodzone ciecze są metastabilne, to znaczy są podatne na najmniejsze zewnętrzne zakłócenia. Na przykład, jeśli zostanie do nich dodany mały kawałek lodu lub lekko potrząśnięty, natychmiast zamarzną, co jest przyjemnym i łatwym do przeprowadzenia eksperymentem..

Przykłady zestalenia

-Chociaż żelatyna sama w sobie nie jest ciałem stałym, jest przykładem procesu krzepnięcia przez chłodzenie.

-Szkło roztopione służy do tworzenia i projektowania wielu obiektów, które po schłodzeniu zachowują ostateczny określony kształt.

-Tak jak bańka zamarzała w kontakcie ze śniegiem, tak samo może przejść butelka po napoju; a jeśli jest przechłodzony, jego zamrożenie będzie natychmiastowe.

-Kiedy lawa wyłania się z wulkanów pokrywających ich krawędzie lub powierzchnię ziemi, zestala się po obniżeniu temperatury, aż staje się skałami magmowymi.

-Jajka i ciasta krzepną wraz ze wzrostem temperatury. Podobnie robi to błona śluzowa nosa, ale z powodu odwodnienia. Inny przykład można znaleźć również w farbach lub klejach.

Należy jednak zauważyć, że krzepnięcie nie występuje w tych ostatnich przypadkach jako produkt chłodzenia. Dlatego zestalenie cieczy niekoniecznie oznacza, że ​​zamarza (nie obniża znacznie swojej temperatury); ale kiedy ciecz zamarza, krzepnie.

Inne:

- Konwersja wody w lód: zachodzi w temperaturze 0 ° C, w wyniku czego powstaje lód, śnieg lub kostki lodowca.

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

- Zamrażanie żywności w celu jej konserwacji: w tym przypadku cząsteczki wody w komórkach mięsa lub warzyw są zamrożone..

- Wydmuchiwanie szkła: topi się do kształtu, a następnie krzepnie.

- Produkcja lodów: są to zwykle produkty mleczne, które zestalają się.

- W uzyskaniu karmelu, który jest stopionym i zestalonym cukrem.

- Masło i margaryna to kwasy tłuszczowe w stanie stałym.

- Metalurgia: w produkcji wlewków, belek lub konstrukcji z niektórych metali.

- Cement to mieszanka wapienia i gliny, która po zmieszaniu z wodą ma właściwość utwardzania.

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

Bibliografia

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning, s. 448, 467.
  2. Wikipedia. (2018). Zamrażanie. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org
  3. Loren A. Jacobson. (16 maja 2008). Zestalenie. [PDF]. Zaczerpnięte z: infohost.nmt.edu/
  4. Fuzja i zestalenie. Zaczerpnięte z: juntadeandalucia.es
  5. Dr. Carter. Krzepnięcie stopu. Zaczerpnięte z: itc.gsw.edu/
  6. Eksperymentalne wyjaśnienie przechłodzenia: dlaczego woda nie zamarza w chmurach. Zaczerpnięte z: esrf.eu
  7. Helmenstine, dr Anne Marie (22 czerwca 2018). Definicja zestalenia i przykłady. Zaczerpnięte z: thinkco.com

Jeszcze bez komentarzy