Втвърдяване: точка на втвърдяване и примери

Втвърдяването е промяната, която се проявява при преминаване на течността 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 при 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.

Енталпия на втвърдяване

Не всички вещества се втвърдяват при една и съща 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 в неподвижни 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 околностите му и минималната сума, която абсорбира, за да генерира първата капка течност, се нарича 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 има положителен знак, а вторият отрицателен знак.

Защо температурата остава постоянна при втвърдяването?

В определен момент течността започва да замръзва и термометърът отбелязва температура Т. Докато тази не се втвърдява напълно, Т остава постоянна. Тъй като ΔHc има отрицателен знак, той се състои от екзотермичен процес, който отделя топлина.

Следователно, термометърът ще отчете топлината, отделяна от течността по време на нейната фазова смяна, като противодейства на наложеното температурно понижение. Например, ако поставите контейнера, съдържащ течността, в ледена баня. По този начин, Т не намалява, докато втвърдяването не завърши изцяло.

Кои единици придружават тези измервания на топлината? Обикновено kJ / mol или J / g. Те се интерпретират по следния начин: 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 се замразява, 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 точката на втвърдяване (Tc). Той 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 като референтна, колкото е възможно по-чиста.

Същото обаче не може да се прилага за разтвори, както при металните 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 на охлаждане, можете да получите някои желани физически свойства или да избегнете неподходящите за дадено 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 да се произведе и характеризира даден материал.

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 поръчат молекулите 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 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 увеличи налягането върху него, принуждавайки N2 молекулите да се групират заедно, за да създадат 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, който 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, но също и от налягането и други променливи. Колкото по-малки са молекулите (Н2) и колкото по-слаби са техните взаимодействия, толкова по-трудно ще е да ги накарат да влязат в 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 това явление, но теорията твърди, че всички тези променливи, които възпрепятстват растежа на ядрата на кристализация, насърчават преохлаждането.

Защо? Тъй като големите кристали се образуват от ядрата 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 видими облаците в небето.

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

Примери за втвърдяване

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

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

- Тъй като балонът е замръзнал до контакта със снега, една бутилка сода може да претърпи същия процес; и ако е преохладено, замразяването му ще бъде мигновено.

Когато лавата изригва от вулканите, покриващи нейните ръбове или земната повърхност, тя се втвърдява, когато загуби температурата, докато се трансформира в магмени скали.

- Яйцата и кейките 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:

- Превръщане на вода в лед: то се осъществява при 0 ° C, като произвежда лед, сняг или кубчета лед.

- Восък от свещ, 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.

- Вдухване на стъкло: то се топи, за да се оформи и след това се втвърдява.

- Производство на сладолед: обикновено млечни продукти, които се втвърдяват.

- При получаване на бонбони, които се стопят 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 на втвърдяване.

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