Точка на втвърдяване и примери за втвърдяване

на втвърдяване това е промяната, която течността изпитва, когато преминава към твърдата фаза. Течността може да бъде чисто вещество или смес. Също така, промяната може да се дължи на спад в температурата или в резултат на химическа реакция.

Как може да се обясни това явление? Визуално, течността започва да се превръща в вкаменена или втвърдена, до степен, че спира да тече свободно. Обаче, втвърдяването всъщност се състои от поредица от стъпки, които се случват в микроскопски скали.

Пример за втвърдяване е течен мехур, който замръзва. В изображението по-горе можете да видите как балонът замръзва, когато удари снега. Каква е частта от балона, която започва да се втвърдява? Това, което е в пряк контакт със снега. Снягът работи като опора, върху която могат да бъдат настанени молекулите на балона.

Втвърдяването бързо се задейства от дъното на балона. Това може да се види в "стъклените борове", които обхващат цялата повърхност. Тези борове отразяват растежа на кристалите, които не са нищо повече от подредени и симетрични подреждания на молекулите.

За да настъпи втвърдяването, е необходимо частиците на течността да бъдат подредени по такъв начин, че да взаимодействат помежду си. Тези взаимодействия стават по-силни при понижаване на температурата, което засяга молекулярната кинетика; те стават по-бавни и стават част от кристала.

Този процес е известен като кристализация, а наличието на ядро ​​(малки агрегати от частици) и подкрепа ускоряват този процес. След като течността кристализира, се казва, че тя е втвърдена или замразена.

индекс

• 1 Енталпия на втвърдяване
  • 1.1 Защо температурата остава постоянна при втвърдяването?
• 2 Точка на замръзване
  • 2.1 Втвърдяване и точка на топене
  • 2.2 Молекулярно подреждане
• 3 Охлаждане
• 4 Примери за втвърдяване
• 5 Препратки

Енталпия на втвърдяване

Не всички вещества се втвърдяват при същата температура (или при същата обработка). Някои дори "замръзват" над стайната температура, както при твърдите вещества с висока точка на топене. Това зависи от вида на частиците, които образуват твърдото или течното вещество.

В твърдото тяло силно взаимодействат и остават вибриращи при фиксирани позиции на пространството, без свобода на движение и с определен обем, докато в течността те имат способността да се движат като многобройни слоеве, които се движат една над друга, заемайки обема на контейнер, който го съдържа.

Твърдото вещество изисква топлинна енергия да премине към течната фаза; С други думи, тя се нуждае от топлина. Топлината се получава от обкръжението му и минималната сума, която абсорбира за генериране на първата капка течност, е известна като латентна топлина на сливане (ΔHf)..

От друга страна, течността трябва да отделя топлина в околността, за да поръча молекулите си и да кристализира в твърдата фаза. Освободената топлина е, следователно, латентната топлина на втвърдяване или замразяване (ΔHc). И ΔHf, и ΔHc са еднакви по величина, но с противоположни посоки; първият носи положителен знак, а вторият отрицателен знак.

Защо температурата остава постоянна при втвърдяването?

В определен момент течността започва да замръзва, а термометърът показва температура Т. Въпреки че не е напълно втвърдена, Т остава постоянна. Тъй като ΔHc има отрицателен знак, той се състои от екзотермичен процес, който отделя топлина.

Следователно, термометърът ще отчете топлината, отделена от течността, по време на фазовата му промяна, като противодейства на наложеното температурно понижение. Например, ако поставите контейнера, съдържащ течността, в ледена баня. По този начин, Т не намалява, докато втвърдяването е завършено в неговата цялост.

Кои единици придружават тези измервания на топлината? Обикновено kJ / mol или J / g. Те се интерпретират както следва: kJ или J е количеството топлина, което изисква 1 мол течност или 1 g, за да може да се охлади или втвърди..

За водата например ΔHc е равно на 6.02 kJ / mol. Това означава, че 1 мол чиста вода трябва да освободи 6,02 kJ топлина, за да може да замръзне, и тази топлина поддържа температурата постоянна в процеса. По същия начин 1 мол лед трябва да абсорбира 6,02 kJ топлина, за да се стопи.

Точка на замръзване

При точната температура, в която протича процесът, тя е известна като точка на втвърдяване (Tc). Това варира във всички вещества в зависимост от това колко силни са техните междумолекулни взаимодействия в твърдото вещество.

Чистотата също е важна променлива, тъй като нечистото твърдо вещество не се втвърдява при същата температура като чистото. Горното е известно като спадане на точката на замръзване. За да се сравнят точките на втвърдяване на дадено вещество, е необходимо да се използва възможно най-чистата препратка.

Същото обаче не може да се прилага за разтвори, както в случая на метални сплави. За да се сравнят техните точки на втвърдяване трябва да се считат смеси с равни пропорции на масата; с идентични концентрации на компонентите.

Разбира се, точката на втвърдяване е от голям научен и технологичен интерес по отношение на сплави и други разновидности на материалите. Това е така, защото, контролирайки времето и начина им на охлаждане, можете да получите някои желани физически свойства или да избегнете неподходящите такива за определено приложение.

Поради тази причина разбирането и изучаването на тази концепция е от голямо значение в металургията и минералогията, както и във всяка друга наука, която заслужава производството и характеризирането на материала..

Твърдение и точка на топене

Теоретично Tc трябва да бъде равна на температурата или точката на топене (Tf). Това обаче не винаги е вярно за всички вещества. Основната причина е, че на пръв поглед е по-лесно да се разрушат молекулите на твърдото вещество, отколкото да се подредят тези на течността.

Следователно, на практика е за предпочитане да се прибягва до Tf, за да се оцени качествено чистотата на съединението. Например, ако съединение X има много примеси, тогава неговият Tf ще бъде по-отдалечен от този на чистия X в сравнение с друг с по-висока чистота..

Молекулярно подреждане

Както беше казано дотук, втвърдяването преминава към кристализация. Някои вещества, предвид естеството на техните молекули и техните взаимодействия, изискват много ниски температури и високи налягания, за да могат да се втвърдят.

Например, течен азот се получава при температури под -196 ° С. За да се втвърди, би било необходимо да се охлади още повече, или да се повиши налягането върху него, принуждавайки N молекулите по този начин.₂ да се групират заедно за създаване на ядра на кристализация.

Същото може да се разглежда и за други газове: кислород, аргон, флуор, неон, хелий; и за най-екстремния от всички, водород, чиято твърда фаза е предизвикала голям интерес за неговите потенциални безпрецедентни свойства.

От друга страна, най-известният случай е сух лед, което не е нищо повече от СО₂ чиито бели пари се дължат на сублимацията на същите при атмосферно налягане. Те са използвани за пресъздаване на мъгла в сценариите.

За да се втвърди съединението не зависи само от Tc, а също и от налягането и други променливи. Колкото по-малки са молекулите (Н₂) и колкото по-слаби са техните взаимодействия, толкова по-трудно ще бъде да ги накарат да преминат към твърдо състояние.

преохлаждане

Течността, или вещество или смес, ще започне да замръзва при температурата на точката на втвърдяване. Въпреки това, при определени условия (като висока чистота, бавно време на охлаждане или много енергийна среда), течността може да понася по-ниски температури без замръзване. Това се нарича свръхохлаждане.

Все още няма абсолютно обяснение на явлението, но теорията твърди, че всички тези променливи, които предотвратяват растежа на ядрата на кристализация, насърчават преохлаждането.

Защо? Тъй като от ядрата се образуват големи кристали след добавяне на околни молекули към тях. Ако този процес е ограничен, дори ако температурата е под Тс, течността ще остане непроменена, както се случва с малките капки, които образуват и правят облаци видими в небето..

Всички преохладени течности са метастабилни, т.е. те са податливи на най-малкото външно смущение. Например, ако добавят малко парче лед или ги разклатят малко, те незабавно ще замръзнат, което води до забавен и лесен за изпълнение експеримент..

Примери за втвърдяване

-Въпреки че не е подходящо твърдо вещество, желатинът е пример за процес на втвърдяване чрез охлаждане.

-Стопеното стъкло се използва за създаване и проектиране на много обекти, които след охлаждане запазват окончателно определени форми.

-Точно както балонът замръзна при контакт със снега, бутилка сода може да претърпи същия процес; и ако е преохладено, замразяването му ще бъде мигновено.

-Когато лавата изригне от вулканите, покриващи нейните ръбове или земната повърхност, тя се втвърдява, когато загуби температура, докато се превръща в магмени скали..

-Яйцата и сладкишите се втвърдяват с повишаване на температурата. По същия начин, носната лигавица прави, но поради дехидратация. Друг пример може да се намери в боя или лепила.

Трябва да се отбележи обаче, че в последния случай не се получава втвърдяване в резултат на охлаждане. Следователно, фактът, че течността се втвърдява, не означава непременно, че той замръзва (не намалява значително температурата); но когато течност замръзне, тя се втвърдява.

други:

- Превръщането на водата в лед: това се случва при 0 ° C, като произвежда лед, сняг или кубчета лед.

- Восъкът на свещта, който се топи с пламъка и отново се втвърдява.

- Замразяването на храната за нейното съхранение: в този случай замръзва водните молекули в клетките на месото или зеленчуците..

- Разпенващата чаша: тя се топи до форма и след това се втвърдява.

- Производството на сладолед: обикновено те са млечни продукти, които се втвърдяват.

- При получаване на бонбони, които се разтопяват и втвърдяват захар.

- Маслото и маргаринът са мастни киселини в твърдо състояние.

- Металургия: при производството на блокове или греди или структури от определени метали.

- Циментът е смес от варовик и глини, която при смесване с вода има свойството да втвърдява.

- При производството на шоколад какаовият прах се смесва с вода и мляко, което при сушене се втвърдява.

препратки

1. Уитън, Дейвис, Пек и Стенли. Химия. (8-мо изд.). CENGAGE Learning, стр. 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Замразяване. Взето от: en.wikipedia.org
3. Лорен А. Джейкъбсън. (16 май 2008 г.) Втвърдяване. [PDF]. Взето от: infohost.nmt.edu/
4. Сливане и втвърдяване. Взети от: juntadeandalucia.es
5. Д-р Картър. Втвърдяване на стопилка. Взето от: itc.gsw.edu/
6. Експериментално обяснение на преохлаждането: защо водата не замръзва в облаците. Взето от: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 юни 2018 г.). Определение и примери за втвърдяване. Взето от: thoughtco.com