ЗАТВЕРДІННЯ: ТОЧКА ЗАТВЕРДІННЯ ТА ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Затвердіння є рідиною , яка зазнає зміна , коли він переходить в тверду фазу. Рідина може бути чистою речовиною або сумішшю. Так само зміна може бути наслідком падіння температури або внаслідок хімічної реакції.

Як можна пояснити це явище? Візуально рідина починає обертатися або затвердіти, аж до того, що вона перестає вільно текти. Однак затвердіння насправді складається з серії етапів, які відбуваються на мікроскопічних масштабах.

Джерело: Pixabay

Прикладом затвердіння є рідкий міхур, який замерзає. На зображенні вище ви можете бачити, як міхур замерзає при контакті зі снігом. Яка частина міхура, яка починає затвердіти? Той, що безпосередньо контактує зі снігом. Сніг працює як опора, на якій молекули міхура можуть осідати.

Затвердіння швидко починається з дна міхура. Це можна побачити в «глазурованих соснах», які поширюються на всю поверхню. Ці сосни відображають ріст кристалів, які є не що інше, як впорядковані та симетричні розташування молекул.

Для затвердіння необхідно, щоб частинки рідини могли бути влаштовані таким чином, щоб вони взаємоділи між собою. Ці взаємодії стають сильнішими зі зниженням температури, що впливає на молекулярну кінетику; тобто вони сповільнюються і стають частиною кристала.

Цей процес відомий як кристалізація, а наявність ядра (невеликих агрегатів частинок) і опори прискорює цей процес. Після того як рідина кристалізується, вона, як кажуть, затверділа або застигла.

Ентальпія затвердіння

Не всі речовини тверднуть при одній температурі (або при одній обробці). Деякі навіть «замерзають» над кімнатною температурою, наприклад, тверді речовини з високим плавленням. Це залежить від типу частинок, що входять до складу твердого або рідкого.

У твердому тілі вони сильно взаємодіють і залишаються вібруючи у фіксованих положеннях у просторі, без свободи руху та з визначеним об'ємом, перебуваючи в рідині, вони мають здатність рухатись як численні шари, які рухаються один над одним, займаючи об'єм контейнер, який містить його.

Тверді речовини потребують теплової енергії для переходу в рідку фазу; іншими словами, воно потребує тепла. Він отримує тепло від оточення, а найменша кількість, яку він поглинає, щоб генерувати першу краплю рідини, відомий як прихована теплота плавлення (ΔHf).

З іншого боку, рідина повинна виділяти тепло в навколишнє середовище, щоб впорядкувати свої молекули і кристалізуватися в тверду фазу. Тоді виділяється тепло - це прихована теплота затвердіння або замерзання (ΔHc). І ΔHf, і ΔHc однакові за величиною, але з протилежними напрямками; перший має позитивний знак, а другий - негативний.

Чому при затвердінні температура залишається постійною?

У певний момент рідина починає замерзати, а термометр зчитує температуру Т. Поки рідина повністю не затверділа, Т залишається постійним. Оскільки ΔHc має негативний знак, він складається з екзотермічного процесу, який виділяє тепло.

Тому термометр зчитує тепло, виділене рідиною під час зміни фази, протидіючи встановленому падінню температури. Наприклад, якщо ємність, яка містить рідину, помістити в крижану ванну. Таким чином, Т не зменшується до повного затвердіння.

Які одиниці супроводжують ці вимірювання тепла? Зазвичай кДж / моль або Дж / г. Вони тлумачаться так: kJ або J - кількість тепла, необхідна 1 моль рідини або 1 г, щоб можна було охолонути або затвердіти.

Для води, наприклад, ΔHc дорівнює 6,02 кДж / моль. Тобто, 1 моль чистої води потребує виділення 6,02 кДж тепла для того, щоб замерзнути, і саме ця теплота підтримує постійну температуру в процесі. Аналогічно, 1 моль льоду повинен поглинати 6,02 кДж тепла, щоб плавитись.

Точка затвердіння

Точна температура, де відбувається процес, називається точкою затвердіння (Тс). Це різниться у всіх речовин залежно від того, наскільки сильні їх міжмолекулярні взаємодії в твердому тілі.

Чистота також є важливою змінною, оскільки нечисте тверде речовина не твердне при тій же температурі, що і чисте. Це відомо як зниження точки замерзання. Для порівняння точок затвердіння речовини необхідно використовувати як еталон той, який є максимально чистим.

Однак те ж саме не можна застосовувати до розчинів, як у випадку з металевими сплавами. Для порівняння точок їх затвердіння необхідно враховувати суміші з рівними масовими пропорціями; тобто з однаковими концентраціями його компонентів.

Безумовно, точка затвердіння представляє великий науковий та технологічний інтерес щодо сплавів та інших різновидів матеріалів. Це пояснюється тим, що, контролюючи час і спосіб їх охолодження, можна отримати деякі бажані фізичні властивості або уникнути тих, невідповідних для даної програми.

З цієї причини розуміння та вивчення цієї концепції має велике значення в металургії та мінералогії, а також у будь-якій іншій науці, яка заслуговує на виготовлення та характеристику матеріалу.

Затвердіння і температура плавлення

Теоретично Tc має бути рівним температурі або температурі плавлення (Tf). Однак це не завжди справедливо для всіх речовин. Основна причина полягає в тому, що, на перший погляд, легше зіпсувати тверді молекули, ніж замовляти рідкі.

Отже, на практиці бажано використовувати Tf для якісного вимірювання чистоти сполуки. Наприклад, якщо сполука X має багато домішок, то її Tf буде більш віддаленим від чистого X порівняно з рівнем вищої чистоти.

Молекулярне впорядкування

Як було сказано до цього часу, затвердіння переходить до кристалізації. Деякі речовини, враховуючи характер їхніх молекул та їх взаємодію, потребують дуже низьких температур та високого тиску, щоб можна було затвердіти.

Наприклад, рідкий азот отримують при температурі нижче -196ºC. Для його затвердіння необхідно було б його додатково охолодити або збільшити тиск на нього, змусивши молекули N ₂ згрупуватися, щоб створити ядра кристалізації.

Те ж саме можна розглядати і для інших газів: кисню, аргону, фтору, неону, гелію; а для самого крайнього - водень, тверда фаза якого викликала великий інтерес за свої можливі безпрецедентні властивості.

З іншого боку, найвідомішим випадком є ​​сухий лід, який є не що інше, як CO _2, білі пари якого обумовлені його сублімацією при атмосферному тиску. Вони використовувались для відтворення серпанку на сцені.

Для затвердіння сполуки це залежить не тільки від Tc, але й від тиску та інших змінних. Чим менше молекул (Н ₂ ) і чим слабкіші їх взаємодії, тим складніше буде довести їх до твердого стану.

Переохолодження

Рідина, будь то речовина чи суміш, почне замерзати при температурі в точці затвердіння. Однак за певних умов (таких як висока чистота, повільний час охолодження або дуже енергійне середовище) рідина може переносити більш низькі температури без замерзання. Це називається переохолодженням.

Все ще немає абсолютного пояснення цього явища, але теорія підтверджує, що всі ті змінні, які перешкоджають зростанню ядер кристалізації, сприяють переохолодженню.

Чому? Тому що з ядер утворюються великі кристали після додавання до них молекул. Якщо цей процес обмежений, навіть якщо температура нижче Тс, рідина залишатиметься незмінною, як це відбувається з крихітними краплями, які складають і роблять хмари видимими на небі.

Всі переохолоджені рідини є метастабільними, тобто чутливі до найменших зовнішніх порушень. Наприклад, якщо додати до них невеликий шматочок льоду або трохи струсити їх, вони миттєво замерзнуть, що це цікавий і простий експеримент.

Приклади затвердіння

-Хоча сам по собі це не тверда речовина, желатин є прикладом процесу затвердіння шляхом охолодження.

-Плавлене скло використовується для створення та проектування багатьох предметів, які після охолодження зберігають свої остаточні визначені форми.

-Після того, як міхур застиг при контакті зі снігом, пляшка соди може пройти той же процес; і якщо воно буде переохолоджене, його заморожування буде миттєвим.

-Коли лава виходить з вулканів, що покривають їхні краї або земну поверхню, вона твердне, коли втрачає температуру, доки не стане магматичними скелями.

-Яйця і пиріжки тверднуть із підвищенням температури. Так само це робить слизова носа, але через зневоднення. Ще один приклад можна знайти в фарбі або клеях.

Однак слід зазначити, що затвердіння в останніх випадках не відбувається як продукт охолодження. Тому те, що рідина твердне, не означає, що вона замерзає (це не помітно знижує її температуру); але коли рідина замерзає, вона закінчується твердінням.

Інші:

- Перетворення води в лід: це відбувається при 0 ° C, утворюючи лід, сніг або льодовикові кубики.

- Свічок віск, який плавиться полум’ям і знову твердне.

- Заморожування їжі для її збереження: у цьому випадку молекули води заморожуються всередині клітин м’яса чи овочів.

- Видування скла: воно плавиться, надаючи йому форму, а потім твердне.

- Виробництво морозива: вони, як правило, молочні, які тверднуть.

- При отриманні карамелі, в якій розтоплений і затверділий цукор.

- Масло та маргарин - це жирні кислоти в твердому стані.

- Металургія: у виробництві злитків, балок або конструкцій певних металів.

- Цемент - це суміш вапняку та глини, яка при змішуванні з водою має властивість затвердіння.

- При виробництві шоколаду какао-порошок змішується з водою і молоком, яке при висиханні твердне.

Список літератури

1. Віттен, Девіс, Пек і Стенлі. Хімія. (8-е видання). CENGAGE Learning, p 448, 467.
2. Вікіпедія. (2018). Замороження. Взято з: en.wikipedia.org
3. Лорен А. Якобсон. (16 травня 2008 р.). Затвердіння. . Взято з: infohost.nmt.edu/
4. Злиття і затвердіння. Взято з: juntadeandalucia.es
5. Доктор Картер. Затвердіння розплаву. Взято з: itc.gsw.edu/
6. Експериментальне пояснення переохолодження: чому вода не замерзає в хмарах. Взято з: esrf.eu
7. Гельменстін, Анна Марі, к.т.н. (22 червня 2018 р.). Визначення та приклади затвердіння. Взято з: thinkco.com