Punkt krzepnięcia i przykłady

The zestalenie jest to zmiana, której doświadcza ciecz, gdy przechodzi w fazę stałą. Ciecz może być czystą substancją lub mieszaniną. Ponadto zmiana może wynikać ze spadku temperatury lub w wyniku reakcji chemicznej.

Jak wyjaśnić to zjawisko? Wizualnie ciecz zaczyna stawać się skamieniała lub stwardniała, do tego stopnia, że ​​przestaje swobodnie płynąć. Jednak zestalanie się 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. Po wykrystalizowaniu płynu mówi się, że zestalił się lub zamarzł.

Indeks

• 1 Entalpia krzepnięcia
  • 1.1 Dlaczego temperatura pozostaje stała podczas krzepnięcia?
• 2 Punkt zamarzania
  • 2.1 Krzepnięcie i temperatura topnienia
  • 2.2 Zamawianie molekularne
• 3 Przechłodzenie
• 4 Przykłady krzepnięcia
• 5 referencji

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 absorbująca do wytworzenia pierwszej kropli 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 niesie znak pozytywny, a drugi znak ujemny.

Dlaczego temperatura pozostaje stała w krzepnięciu?

W pewnym momencie ciecz zaczyna zamarzać, a termometr pokazuje temperaturę T. Chociaż nie zestalił 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 zawierający płyn wewnątrz 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 schłodzić lub zestalić się.

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

W dokładnej temperaturze, w której zachodzi proces, jest znany jako punkt krzepnięcia (Tc). To zmienia 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 jest znane jako spadek 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 ich chłodzenia, można uzyskać pewne pożądane właściwości fizyczne lub uniknąć niewłaściwych dla niektórych zastosowań.

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 zamówić ciecze.

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, aby mogły się zestalić.

Na przykład ciekły azot otrzymuje się w temperaturach poniżej -196 ° C. Aby ją zestalić, konieczne byłoby jej ochłodzenie jeszcze bardziej lub zwiększenie nacisku na nią, zmuszając w ten sposób cząsteczki N.₂ grupować razem, 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 najlepiej znanym przypadkiem jest suchy lód, co jest niczym więcej niż CO₂ których białe opary są wynikiem sublimacji tego samego pod ciśnieniem atmosferycznym. Zostały one wykorzystane do odtworzenia zamglenia w scenariuszach.

Zestalenie związku nie zależy tylko od Tc, ale także od ciśnienia i innych zmiennych. Im mniejsze cząsteczki (H₂) i 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 zapobiegają wzrostowi jąder krystalizacji, sprzyjają przechłodzeniu.

Dlaczego? Ponieważ z jąder powstają duże kryształy po dodaniu do nich otaczających cząsteczek. Jeśli ten proces jest ograniczony, nawet jeśli temperatura jest niższa niż Tc, ciecz pozostanie niezmieniona, co dzieje się z drobnymi kroplami, które tworzą i powodują, że chmury są widoczne na niebie.

Wszystkie przechłodzone ciecze są metastabilne, to znaczy są podatne na najmniejsze zewnętrzne zakłócenia. Na przykład, jeśli dodają mały kawałek lodu lub potrząsa nim trochę, natychmiast zamarzną, co spowoduje zabawny i łatwy do przeprowadzenia eksperyment..

Przykłady zestalania

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

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

-Tak jak bańka zamarzła w kontakcie ze śniegiem, tak i butelka sodowa może cierpieć na ten sam proces; a jeśli jest przechłodzony, jego zamrożenie będzie natychmiastowe.

-Kiedy lawa wybucha z wulkanów pokrywających jej krawędzie lub powierzchnię ziemi, krzepnie, gdy traci temperaturę, aż zamienia 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:

- Konwersja 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.

- Szkło dmuchające: topi się, a następnie krzepnie.

- Produkcja lodów: zazwyczaj są to produkty mleczne, które krzepną.

- W uzyskaniu cukierka, który jest stopiony i zestalony cukier.

- Masło i margaryna są kwasami tłuszczowymi w stanie stałym.

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

- Cement jest mieszaniną wapienia i glin, która po zmieszaniu z wodą ma właściwości twardnienia.

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

Referencje

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