KRZEPNIĘCIE: PUNKT KRZEPNIĘCIA I PRZYKŁADY - CHEMIA - 2026

Krzepnięcia jest ciecz, która ulega zmianie po to przechodzi do fazy stałej. Ciecz może być czystą substancją lub mieszaniną. Podobnie zmiana może wynikać ze spadku temperatury lub w wyniku reakcji chemicznej.

Jak wytłumaczyć to zjawisko? Wizualnie ciecz zaczyna skamieniać lub stwardnieć, do tego stopnia, że ​​przestaje swobodnie płynąć. Jednak krzepnięcie w rzeczywistości składa się z szeregu etapów zachodzących w mikroskopijnych skalach.

Źródło: Pixabay

Przykładem zestalenia jest zamarzający płynny pęcherzyk. Na powyższym obrazku widać, jak bańka zamarza w kontakcie ze śniegiem. Jaka część bańki zaczyna się krzepnąć? Ten, który ma bezpośredni kontakt ze śniegiem. Śnieg działa jako podpora, na której mogą osadzać się cząsteczki bańki.

Krzepnięcie jest szybko wyzwalane z dna bańki. Można to zobaczyć w „oszklonych sosnach”, które obejmują całą powierzchnię. Te sosny odzwierciedlają wzrost kryształów, które są niczym innym jak uporządkowanym i symetrycznym układem cząsteczek.

Aby doszło do zestalenia, konieczne jest ułożenie cząstek cieczy w taki sposób, aby oddziaływały na siebie. Te interakcje stają się silniejsze wraz ze spadkiem temperatury, co wpływa na kinetykę molekularną; to znaczy zwalniają i stają się częścią kryształu.

Proces ten nazywany jest krystalizacją, a obecność jądra (małe skupiska cząstek) i nośnika przyspiesza ten proces. Gdy ciecz skrystalizowała, mówi się, że zestaliła się lub zamarzła.

Entalpia krzepnięcia

Nie wszystkie substancje zestalają się w tej samej temperaturze (lub przy tej samej obróbce). Niektóre nawet „zamrażają” powyżej temperatury pokojowej, na przykład substancje stałe o wysokiej temperaturze topnienia. Zależy to od rodzaju cząstek, z których składa się ciało stałe lub ciecz.

W ciele stałym oddziałują one silnie i pozostają wibrując w ustalonych pozycjach w przestrzeni, bez swobody ruchu i przy określonej objętości, natomiast w cieczy mają zdolność poruszania się tak wieloma warstwami, które przesuwają się nad sobą, zajmując objętość przestrzeni pojemnik, który go zawiera.

Ciało stałe wymaga energii cieplnej, aby przejść do fazy ciekłej; innymi słowy, potrzebuje ciepła. Pobiera ciepło z otoczenia, a najmniejsza ilość, jaką pochłania, aby wytworzyć pierwszą kroplę cieczy, nazywana jest utajonym ciepłem topnienia (ΔHf).

Z drugiej strony ciecz musi uwalniać ciepło do otoczenia, aby uporządkować swoje cząsteczki i skrystalizować w fazie stałej. Uwolnione ciepło jest wówczas utajonym ciepłem krzepnięcia lub zamarzania (ΔHc). Zarówno ΔHf, jak i ΔHc mają taką samą wielkość, ale mają przeciwne kierunki; pierwszy ma znak dodatni, a drugi znak ujemny.

Dlaczego temperatura krzepnięcia pozostaje stała?

W pewnym momencie ciecz zaczyna zamarzać, a termometr wskazuje temperaturę T. Dopóki ciecz nie zestali się całkowicie, T pozostaje stała. Ponieważ ΔHc ma znak ujemny, składa się z egzotermicznego procesu, który uwalnia ciepło.

Dlatego termometr odczyta ciepło oddane przez ciecz podczas zmiany fazy, przeciwdziałając narzuconemu spadkowi temperatury. Na przykład, jeśli pojemnik zawierający płyn zostanie umieszczony w łaźni lodowej. Tak więc T nie zmniejsza się, dopóki zestalenie nie zostanie całkowicie zakończone.

Jakie jednostki towarzyszą tym pomiarom ciepła? Zwykle kJ / mol lub J / g. Interpretuje się je następująco: kJ lub J to ilość ciepła potrzebna na 1 mol cieczy lub 1 g, aby mógł ostygnąć lub zestalić się.

Na przykład w przypadku wody ΔHc wynosi 6,02 kJ / mol. Oznacza to, że 1 mol czystej wody musi oddać 6,02 kJ ciepła, aby zamarznąć, a to ciepło utrzymuje stałą temperaturę w procesie. Podobnie 1 mol lodu musi wchłonąć 6,02 kJ ciepła, aby się stopić.

Punkt krzepnięcia

Dokładna temperatura, w której zachodzi proces, nazywana jest temperaturą krzepnięcia (Tc). Różni się to w przypadku wszystkich substancji w zależności od tego, jak silne są ich interakcje międzycząsteczkowe w ciele stałym.

Czystość jest również ważną zmienną, ponieważ zanieczyszczone ciało stałe nie krzepnie w tej samej temperaturze co czyste. Nazywa się to obniżeniem temperatury zamarzania. Aby porównać punkty krzepnięcia substancji, konieczne jest użycie jako odniesienia możliwie najczystszej substancji.

Jednak nie można tego samego zastosować do rozwiązań, jak w przypadku stopów metali. Aby porównać ich punkty krzepnięcia, należy wziąć pod uwagę mieszaniny o równych proporcjach masowych; to znaczy z identycznymi stężeniami jego składników.

Z pewnością punkt krzepnięcia ma duże znaczenie naukowe i technologiczne w odniesieniu do stopów i innych odmian materiałów. Dzieje się tak, ponieważ kontrolując czas i sposób chłodzenia, można uzyskać pewne pożądane właściwości fizyczne lub uniknąć tych, które są nieodpowiednie dla danego zastosowania.

Z tego powodu zrozumienie i badanie tej koncepcji ma ogromne znaczenie w metalurgii i mineralogii, a także w każdej innej nauce, która zasługuje na wytworzenie i scharakteryzowanie materiału.

Temperatura krzepnięcia i topnienia

Teoretycznie Tc powinno być równe temperaturze lub temperaturze topnienia (Tf). Jednak nie zawsze dotyczy to wszystkich substancji. Głównym powodem jest to, że na pierwszy rzut oka łatwiej jest zepsuć stałe cząsteczki niż zamówić ciekłe.

Stąd w praktyce korzystne jest stosowanie Tf do jakościowego pomiaru czystości związku. Na przykład, jeśli związek X ma wiele zanieczyszczeń, to jego Tf będzie bardziej odległa od czystego X w porównaniu do związku o wyższej czystości.

Porządkowanie molekularne

Jak już powiedziano, zestalanie przechodzi w krystalizację. Niektóre substancje, biorąc pod uwagę naturę ich cząsteczek i ich wzajemne oddziaływanie, wymagają bardzo niskich temperatur i wysokich ciśnień, aby mogły się zestalić.

Na przykład ciekły azot uzyskuje się w temperaturach poniżej -196ºC. Aby go zestalić, należałoby go dalej ochłodzić lub zwiększyć ciśnienie na nim, zmuszając w ten sposób cząsteczki N ₂ do grupowania się, tworząc jądra krystalizacji.

To samo można rozważyć w przypadku innych gazów: tlenu, argonu, fluoru, neonu, helu; a co najbardziej ekstremalne - wodór, którego faza stała wzbudziła duże zainteresowanie ze względu na swoje możliwe bezprecedensowe właściwości.

Z drugiej strony najbardziej znanym przypadkiem jest suchy lód, będący niczym innym jak CO _2, którego białe opary powstają w wyniku sublimacji pod ciśnieniem atmosferycznym. Zostały one użyte do odtworzenia mgiełki na scenie.

Zestalenie związku zależy nie tylko od Tc, ale także od ciśnienia i innych zmiennych. Im mniejsze cząsteczki (H ₂ ) i im słabsze ich oddziaływanie, tym trudniej będzie doprowadzić je do stanu stałego.

Przechłodzenie

Ciecz, czy to substancja, czy mieszanina, zacznie zamarzać w temperaturze w punkcie krzepnięcia. Jednak w pewnych warunkach (takich jak wysoka czystość, długi czas chłodzenia lub bardzo energiczne środowisko) ciecz może tolerować niższe temperatury bez zamarzania. Nazywa się to przechłodzeniem.

Nadal nie ma absolutnego wyjaśnienia tego zjawiska, ale teoria potwierdza, że ​​wszystkie te zmienne, które zapobiegają wzrostowi jąder krystalizacji, sprzyjają przechłodzeniu.

Czemu? Ponieważ z jąder po dodaniu do nich cząsteczek z otoczenia powstają duże kryształy. Jeśli ten proces jest ograniczony, nawet jeśli temperatura spadnie poniżej Tc, ciecz pozostanie niezmieniona, jak to ma miejsce w przypadku drobnych kropelek, które tworzą i sprawiają, że chmury są widoczne na niebie.

Wszystkie przechłodzone ciecze są metastabilne, to znaczy są podatne na najmniejsze zewnętrzne zakłócenia. Na przykład, jeśli dodasz do nich mały kawałek lodu lub trochę nimi potrząśniesz, natychmiast zamarzną, co jest przyjemnym i łatwym do przeprowadzenia eksperymentem.

Przykłady zestalenia

- Chociaż żelatyna sama w sobie nie jest ciałem stałym, jest przykładem procesu krzepnięcia przez chłodzenie.

-Szkło stapiane służy do tworzenia i projektowania wielu obiektów, które po schłodzeniu zachowują swój ostateczny określony kształt.

-Jak bańka zamarzła w kontakcie ze śniegiem, butelka po napoju może przejść ten sam proces; a jeśli jest przechłodzony, jego zamarznięcie będzie natychmiastowe.

-Gdy lawa wyłania się z wulkanów pokrywających ich krawędzie lub powierzchnię ziemi, zestala się po obniżeniu temperatury, aż staje się skałami magmowymi.

-Jajka i ciastka krzepną wraz ze wzrostem temperatury. Podobnie robi to błona śluzowa nosa, ale z powodu odwodnienia. Inny przykład można znaleźć również w farbach lub klejach.

Należy jednak zauważyć, że krzepnięcie nie występuje w tych ostatnich przypadkach jako produkt chłodzenia. Dlatego fakt, że ciecz krzepnie, nie musi oznaczać, że zamarza (nie obniża znacząco swojej temperatury); ale kiedy ciecz zamarza, krzepnie.

Inne:

- Przemiana wody w lód: zachodzi w temperaturze 0 ° C, w wyniku czego powstaje lód, śnieg lub kostki lodu.

- Wosk ze świecy, który topi się z płomieniem i ponownie krzepnie.

- Zamrażanie żywności w celu jej konserwacji: w tym przypadku cząsteczki wody są zamrożone w komórkach mięsa lub warzyw.

- Wydmuchiwanie szkła: topi się, aby nadać mu kształt, a następnie krzepnie.

- Produkcja lodów: na ogół są to produkty mleczne, które zestalają się.

- W uzyskaniu karmelu, który jest stopionym i zestalonym cukrem.

- Masło i margaryna to kwasy tłuszczowe w stanie stałym.

- Metalurgia: w produkcji wlewków, belek lub konstrukcji z niektórych metali.

- Cement to mieszanka wapienia i gliny, która po zmieszaniu z wodą ma właściwość utwardzania.

- Przy produkcji czekolady kakao w proszku miesza się z wodą i mlekiem, które po wysuszeniu zestala się.

Bibliografia

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemia. (8th ed.). CENGAGE Learning, s. 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Zamrażanie. Zaczerpnięte z: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (16 maja 2008). Zestalenie. . Zaczerpnięte z: infohost.nmt.edu/
4. Fuzja i zestalenie. Zaczerpnięte z: juntadeandalucia.es
5. Dr. Carter. Krzepnięcie stopu. Zaczerpnięte 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). Definicja zestalenia i przykłady. Zaczerpnięte z: thinkco.com