Kietėjimas: kietėjimo taškas ir pavyzdžiai

Kietėjimas yra tai, kad skystis patenka į kietąją fazę. Skystis gali būti gryna medžiaga arba mišinys. Be to, pokytis gali būti dėl temperatūros kritimo arba dėl cheminės reakcijos.

Kaip galima paaiškinti šį reiškinį? Vizualiai skystis pradeda tapti sutankintas arba sukietėjęs iki taško, kad jis nustoja tekėti laisvai. Tačiau kietėjimas iš tikrųjų susideda iš daugybės žingsnių, kurie vyksta mikroskopinėse svarstyklėse.

Kietėjimo pavyzdys yra užšalęs skystis. Viršuje esančiame paveikslėlyje galite pamatyti, kaip burbulas užšąla, kai jis pasiekia sniegą. Kokia yra burbulo dalis, kuri pradeda kietėti? Tai, kas tiesiogiai liečiasi su sniegu. Sniegas veikia kaip atrama, ant kurios gali būti pritaikytos burbulo molekulės.

Nuo burbulo dugno greitai išsiskiria kietėjimas. Tai matoma „stiklo pušyne“, kurie apima visą paviršių. Šios pušys atspindi kristalų augimą, kuris yra ne tik tvarkingas ir simetriškas molekulių išdėstymas.

Kad susidarytų kietėjimas, būtina, kad skysčio dalelės būtų išdėstytos taip, kad jos tarpusavyje sąveikautų. Šios sąveikos tampa stipresnės, kai temperatūra mažėja, o tai daro įtaką molekulinei kinetikai; tai yra, jie tampa lėtesni ir tampa kristalo dalimi.

Šis procesas yra žinomas kaip kristalizacija, o branduolys (smulkūs dalelių agregatai) ir atrama pagreitina šį procesą. Kai skystis kristalizuojasi, tuomet sakoma, kad jis yra sukietėjęs arba užšaldytas.

Kietėjimo entalpija

Ne visos medžiagos kietėja toje pačioje temperatūroje (arba taikant tą patį apdorojimą). Kai kurie net „užšaldo“ aukštesnėje nei kambario temperatūroje, kaip atsitinka su kietomis medžiagomis, kurių temperatūra yra aukšta. Tai priklauso nuo kietųjų ar skystųjų dalelių tipo.

Kietoje medžiagoje jie stipriai sąveikauja ir išlieka vibruojantys fiksuotose erdvės vietose, be judėjimo laisvės ir nustatyto tūrio, o skystyje jie turi galimybę judėti kaip daugybė sluoksnių, kurie perkelia vienas kitą, užimdami viename kitame. konteinerį, kuriame yra.

Kieta medžiaga turi šiluminę energiją, kuri patenka į skystąją fazę; Kitaip tariant, jam reikia šilumos. Šiluma gaunama iš jos apylinkės, o mažiausias kiekis, kurį jis sugeria, kad generuotų pirmąjį skysčio lašą, yra vadinamas latentine sintezės šiluma (ΔHf).

Kita vertus, skystis turi išskirti šilumą į aplinką, kad užsakytų savo molekules ir kristalizuotų kietoje fazėje. Išlaisvinta šiluma yra latentinė kietėjimo arba užšalimo šiluma (ΔHc). Abi ΔHf ir ΔHc yra vienodo dydžio, bet su kitomis kryptimis; pirmasis turi teigiamą ženklą, o antrasis neigiamas ženklas.

Kodėl kietėjimo metu temperatūra išlieka pastovi?

Tam tikru momentu skystis pradeda užšaldyti, o termometras žymi temperatūrą T. Nors šis nėra visiškai sukietėjęs, T lieka pastovus. Kadangi ΔHc turi neigiamą ženklą, jis susideda iš egzoterminio proceso, kuris išskiria šilumą.

Todėl termometras nuskaito skysčio išsiskyrimą per fazės keitimą, neutralizuodamas nustatytą temperatūros kritimą. Pavyzdžiui, jei įdedate talpyklą, kurioje yra skystis, į ledo vonią. Taigi, T nesumažėja tol, kol pilnas kietėjimas nėra baigtas.

Kokie vienetai prideda šiuos šilumos matavimus? Paprastai kJ / mol arba J / g. Jie interpretuojami taip: kJ arba J - tai šilumos kiekis, kuriam reikia 1 molio skysčio arba 1 g, kad būtų galima atvėsinti arba sukietėti.

Pavyzdžiui, vandens atveju ΔHc yra lygus 6, 02 kJ / mol. Tai reiškia, kad 1 moliui gryno vandens reikia išleisti 6, 02 kJ šilumos, kad būtų galima užšaldyti, ir ši šiluma išlaiko pastovią temperatūrą šiame procese. Panašiai 1 molis ledo turi sugerti 6, 02 kJ šilumos, kad ištirptų.

Užšalimo taškas

Tikslioje temperatūroje, kur vyksta procesas, jis vadinamas kietėjimo tašku (Tc). Jis priklauso nuo visų medžiagų priklausomai nuo to, kaip stipriai jų tarpusavio sąveika yra kietoje medžiagoje.

Grynumas taip pat yra svarbus kintamasis, nes nešvari kieta medžiaga neviršija toje pačioje temperatūroje kaip gryna. Pirmiau minėtas yra šaldymo taško kritimas . Norint palyginti medžiagos kietėjimo taškus, kaip pavyzdį būtina naudoti kuo aiškesnį.

Tačiau to paties negalima taikyti sprendimams, pavyzdžiui, metalo lydiniams. Palyginti jų kietėjimo taškus reikėtų laikyti mišiniais, kurių masės santykis yra vienodas; tai yra su identiškomis jo komponentų koncentracijomis.

Žinoma, kietėjimo taškas turi didelį mokslinį ir technologinį interesą lydinių ir kitų medžiagų rūšių atžvilgiu. Taip yra todėl, kad kontroliuodami laiką ir kaip jie atvėsta, galite gauti tam tikrų pageidaujamų fizinių savybių arba išvengti netinkamų konkrečiai programai.

Dėl šios priežasties šios sąvokos supratimas ir tyrimas yra labai svarbus metalurgijoje ir mineralogijoje, taip pat bet kokiame kitame moksle, kuriam reikia gaminti ir apibūdinti medžiagą.

Kietėjimas ir lydymosi temperatūra

Teoriškai Tc turi būti lygi temperatūrai arba lydymosi temperatūrai (Tf). Tačiau tai ne visada pasakytina apie visas medžiagas. Pagrindinė priežastis yra ta, kad iš pirmo žvilgsnio lengviau sutrikdyti kietosios medžiagos molekules nei užsisakyti skysčio molekules.

Todėl praktiškai pageidautina, kad Tf būtų naudojamas kokybiškai išmatuoti junginio grynumą. Pavyzdžiui, jei junginys X turi daug priemaišų, tuomet jo Tf bus tolesnis nuo gryno X, palyginti su kitu, turinčiu didesnį grynumą.

Molekulinis užsakymas

Kaip jau minėta, kietėjimas vyksta iki kristalizacijos. Kai kurios medžiagos, atsižvelgiant į jų molekulių pobūdį ir jų sąveiką, reikalauja labai žemos temperatūros ir aukšto slėgio, kad būtų sukietėję.

Pavyzdžiui, skystas azotas gaunamas žemesnėje nei -196 ° C temperatūroje. Norint ją sutvirtinti, reikėtų dar labiau atvėsti arba padidinti spaudimą, priverčiant N2 molekules sugrupuoti, kad sukurtų kristalizacijos branduolius.

Tą patį galima pasakyti ir apie kitas dujas: deguonį, argoną, fluorą, neoną, helį; ir ypač ekstremaliomis sąlygomis, vandeniliu, kurio kietas etapas sukėlė didelį susidomėjimą dėl galimų precedento neturinčių savybių.

Kita vertus, geriausiai žinomas atvejis yra sausas ledas, kuris yra ne daugiau kaip CO _2, kurio baltieji garai yra susiję su to paties sublimacija atmosferos slėgyje. Tai buvo panaudota norint atkurti miglotą scenarijų.

Jei junginys kietėja, jis priklauso ne tik nuo Tc, bet ir nuo slėgio bei kitų kintamųjų. Kuo mažesnės yra molekulės (H ₂ ) ir kuo silpnesnės jų sąveikos, tuo sunkiau juos pasiekti į kietąją būseną.

Perpildymas

Skystis, arba medžiaga, arba mišinys, pradės užšaldyti temperatūroje kietėjimo taške. Tačiau esant tam tikroms sąlygoms (pvz., Labai grynas, lėtas aušinimo laikas arba labai energinga aplinka), skystis gali toleruoti žemesnes temperatūras be užšalimo. Tai vadinama peršaldymu.

Dar nėra absoliučio šio reiškinio paaiškinimo, tačiau teorija teigia, kad visi tie kintamieji, kurie trukdo kristalizacijos branduolių augimui, skatina perpildymą.

Kodėl? Kadangi dideli kristalai susidaro iš branduolių, į juos įdėjus aplinkines molekules. Jei šis procesas yra ribotas, net jei temperatūra yra žemesnė nei Tc, skystis išliks nepakitęs, kaip atsitinka su mažais lašais, kurie sudaro ir padaro debesys matomus danguje.

Visi suskystinti skysčiai yra metastabilūs, ty jie yra jautrūs mažiausiems išoriniams trikdžiams. Pavyzdžiui, jei prie jų pridedamas nedidelis ledo gabalas arba jie šiek tiek pakratomi, jie iškart užšaldys, o tai paskatins linksmą ir lengvai atliekamą eksperimentą.

Kietėjimo pavyzdžiai

- Nors želatina nėra tinkama kieta medžiaga, jis yra kietinimo proceso pavyzdys aušinimo būdu.

- Išlydytas stiklas naudojamas daugeliui objektų, kurie po atšaldymo išsaugo savo galutines nustatytas formas, kūrimui ir projektavimui.

-Kaip burbulas užšaldė prie sniego sąlyčio, butelis sodos gali patekti į tą patį procesą; ir jei jis yra peršaldytas, jo užšalimas bus momentinis.

-Kai lava išsiveržia iš ugnikalnių, apimančių jo kraštus ar antžeminį paviršių, ji sustingsta, kai praranda temperatūrą, kol ji virsta akmenimis.

- Kiaušiniai ir pyragai sušvelnina temperatūrą. Panašiai ir nosies gleivinė, bet dėl ​​dehidratacijos. Kitas pavyzdys taip pat randamas dažuose ar klijuose.

Tačiau reikėtų pažymėti, kad kietėjimo procesas pastaraisiais atvejais nepasireiškia dėl aušinimo. Todėl tai, kad skystis sukietėja, nebūtinai reiškia, kad jis užšąla (jis nesumažina jos temperatūros); bet kai skystis užšąla, jis baigiasi.

Kiti:

- Vandens pavertimas ledu: jis atsiranda 0 ° C temperatūroje, gaminant ledą, sniegą ar ledo kubelius.

- Žvakių vaškas, lydantis liepsną ir dar kartą sukietėja.

- maisto užšaldymas jo išsaugojimui: šiuo atveju jis užšąla vandens molekules mėsos ar daržovių ląstelėse.

- stiklo pūtimas: jis ištirpsta ir sukietėja.

- ledų gamyba: paprastai pieno produktai, kurie kietėja.

- Gavus saldainį, kuris yra lydytas ir sukietėjęs cukrus.

- Sviestas ir margarinas yra riebalų rūgštys kietoje būsenoje.

- Metalurgija: gaminant luitus ar sijas arba tam tikrų metalų konstrukcijas.

- Cementas yra kalkakmenio ir molio mišinys, kuris, sumaišius su vandeniu, yra sukietėjimo savybė.

- Gaminant šokoladą, kakavos milteliai sumaišomi su vandeniu ir pienu, kuris, džiovinant, sukietėja.