Bod tuhnutia tuhnutia a príklady



tuhnutia je to zmena, ktorá prechádza kvapalinou, keď prechádza na pevnú fázu. Kvapalina môže byť čistá látka alebo zmes. Zmena môže byť tiež spôsobená poklesom teploty alebo následkom chemickej reakcie.

Ako možno tento jav vysvetliť? Zrakovo sa kvapalina začne stenčovať alebo stvrdnúť až do bodu, kedy voľne pretečie. Tuhnutie však v skutočnosti pozostáva zo série krokov, ktoré sa vyskytujú na mikroskopických mierkach.

Príkladom tuhnutia je kvapalná bublina, ktorá zamrzne. Na obrázku vyššie môžete vidieť, ako bublina zamrzne, keď narazí na sneh. Aká je časť bubliny, ktorá začína tuhnúť? To, čo je v priamom kontakte so snehom. Sneh funguje ako podpera, na ktorej môžu byť umiestnené molekuly bubliny.

Solidifikácia sa rýchlo spúšťa zo spodnej časti bubliny. To možno vidieť v "sklenených boroviciach", ktoré sa rozprestierajú na pokrytie celého povrchu. Tieto borovice odrážajú rast kryštálov, ktoré nie sú ničím iným ako usporiadaným a symetrickým usporiadaním molekúl.

Aby nastala tuhnutia, je potrebné, aby častice kvapaliny mohli byť usporiadané takým spôsobom, že vzájomne pôsobia. Tieto interakcie sú silnejšie, keď teplota klesá, čo ovplyvňuje molekulárnu kinetiku; to znamená, že sa stávajú pomalšími a stávajú sa súčasťou kryštálu.

Tento proces je známy ako kryštalizácia a prítomnosť jadra (malé agregáty častíc) a podpora urýchľuje tento proces. Akonáhle tekutina vykryštalizovala, potom sa uvádza, že stuhla alebo zmrazila.

index

  • 1 Nadbytok tuhnutia
    • 1.1 Prečo zostáva teplota v tuhom stave konštantná?
  • 2 Bod mrazu
    • 2.1 Teplota tuhnutia a tavenia
    • 2.2 Molekulárne objednávanie
  • 3 Podchladenie
  • 4 Príklady tuhnutia
  • 5 Referencie

Entalýza tuhnutia

Nie všetky látky tuhnú pri rovnakej teplote (alebo pri rovnakom spracovaní). Niektorí dokonca "zamrznú" nad teplotou miestnosti, ako sa to deje pri pevných látkach s vysokým bodom topenia. To závisí od typu častíc, ktoré tvoria tuhú látku alebo kvapalinu.

V tuhom skupenstve silne pôsobia a zostávajú vibrujúce v pevných polohách priestoru, bez slobody pohybu as definovaným objemom, zatiaľ čo v kvapaline majú schopnosť pohybovať sa ako početné vrstvy, ktoré sa pohybujú po sebe, pričom zaberajú objem kontajner, ktorý ho obsahuje.

Tuhá látka vyžaduje, aby tepelná energia prešla do kvapalnej fázy; Inými slovami, potrebuje teplo. Teplo sa získava z jeho okolia a minimálne množstvo, ktoré absorbuje prvú kvapku kvapaliny, je známe ako latentné teplo fúzie (ΔHf)..

Na druhej strane musí kvapalina uvoľňovať teplo do svojho okolia, aby si objednala svoje molekuly a kryštalizovala v pevnej fáze. Uvoľnené teplo je potom latentné teplo tuhnutia alebo zmrazovania (AHc). AHf aj AHc sú rovnako veľké, ale s opačnými smermi; prvé nesie pozitívne znamenie a druhé negatívne znamenie.

Prečo zostáva teplota v tuhom skupenstve konštantná?

V určitom okamihu začne kvapalina zamrzať a teplomer ukazuje teplotu T. Hoci nie je úplne stuhnutý, T zostáva konštantný. Pretože AHc má záporné znamienko, pozostáva z exotermického procesu, ktorý uvoľňuje teplo.

Preto bude teplomer odčítavať teplo uvoľnené kvapalinou počas jeho fázovej zmeny, pôsobiace proti poklesu teploty. Ak napríklad umiestnite nádobu obsahujúcu tekutinu do ľadového kúpeľa. T sa teda neznižuje až do úplného úplného tuhnutia.

Ktoré jednotky sprevádzajú tieto merania tepla? Obvykle kJ / mol alebo J / g. Tieto sú interpretované nasledovne: kJ alebo J je množstvo tepla, ktoré vyžaduje 1 mol kvapaliny alebo 1 g, aby bolo možné ochladiť alebo stuhnúť.

Napríklad v prípade vody je hodnota AHc 6,02 kJ / mol. To znamená, že 1 mol čistej vody musí uvoľniť 6,02 kJ tepla, aby mohol zmraziť, a toto teplo udržiava konštantnú teplotu v procese. Podobne 1 mól ľadu musí absorbovať 6,02 kJ tepla na roztavenie.

Bod tuhnutia

Pri presnej teplote, v ktorej proces prebieha, je známe ako bod tuhnutia (Tc). To sa líši vo všetkých látkach v závislosti od toho, ako silné sú ich intermolekulárne interakcie v pevnej látke.

Čistota je tiež dôležitou premennou, pretože nečistá pevná látka nestuhne pri rovnakej teplote ako čistá. Vyššie uvedené je známe ako pokles bodu mrazu. Na porovnanie bodov tuhnutia látky je potrebné použiť čo najčistejšiu referenciu.

To isté však nie je možné aplikovať na roztoky, ako v prípade kovových zliatin. Na porovnanie bodov tuhnutia by sa mali považovať zmesi s rovnakým hmotnostným pomerom; to znamená s identickými koncentráciami jeho zložiek.

Samozrejme, bod tuhnutia má veľký vedecký a technický záujem, pokiaľ ide o zliatiny a iné druhy materiálov. Je to preto, že ovládaním času a toho, ako sa ochladzujú, môžete získať určité požadované fyzikálne vlastnosti alebo sa vyhnúť nevhodným pre určité aplikácie.

Z tohto dôvodu má pochopenie a štúdium tohto konceptu veľký význam v metalurgii a mineralogii, ako aj v akejkoľvek inej vede, ktorá si zaslúži výrobu a charakterizáciu materiálu..

Teplota tuhnutia a teploty topenia

Teoreticky by sa Tc mala rovnať teplote alebo teplote topenia (Tf). Toto však nie vždy platí pre všetky látky. Hlavným dôvodom je to, že na prvý pohľad je ľahšie narušiť molekuly pevnej látky, ako je tomu v prípade kvapaliny.

Preto je v praxi výhodné použiť Tf na kvalitatívne meranie čistoty zlúčeniny. Napríklad, ak zlúčenina X má mnoho nečistôt, potom jej Tf bude vzdialenejšia od čistoty X v porovnaní s inou s vyššou čistotou.

Molekulárne objednávanie

Ako už bolo povedané, tuhnutie prebieha kryštalizáciou. Niektoré látky, vzhľadom na povahu ich molekúl a ich interakcie, vyžadujú veľmi nízke teploty a vysoké tlaky, aby mohli tuhnúť.

Napríklad kvapalný dusík sa získava pri teplotách pod -196 ° C. Na jeho spevnenie by bolo potrebné ho ešte viac ochladiť, alebo zvýšiť tlak na ňu a nútiť molekuly N takýmto spôsobom.2 zoskupiť a vytvoriť kryštalizačné jadrá.

To isté platí aj pre iné plyny: kyslík, argón, fluór, neón, hélium; a pre najviac extrémne všetkých, vodík, ktorého pevná fáza vzbudila veľký záujem o jeho potenciálne nebývalé vlastnosti.

Na druhej strane najznámejším prípadom je. \ T suchý ľad, čo nie je nič viac ako CO2 ktorých biele výpary sú spôsobené ich sublimáciou pri atmosférickom tlaku. Tieto boli použité na opätovné vytvorenie zákalu v scenároch.

Pre tuhnutie zlúčeniny nezávisí len na Tc, ale aj na tlaku a iných premenných. Čím menšie sú molekuly (H2) a čím slabšie sú ich interakcie, tým ťažšie bude ich uvedenie do tuhého stavu.

podchladenie

Kvapalina, buď látka alebo zmes, začne zmrazovať pri teplote v bode tuhnutia. Avšak za určitých podmienok (ako je vysoká čistota, pomalá doba ochladzovania alebo veľmi energetické prostredie) môže kvapalina tolerovať nižšie teploty bez zamrznutia. Toto sa nazýva supercooling.

Ešte neexistuje absolútne vysvetlenie tohto fenoménu, ale teória tvrdí, že všetky tie premenné, ktoré bránia rastu kryštalizačných jadier, podporujú nadmerné chladenie.

Prečo? Vzhľadom k tomu, veľké kryštály sú tvorené z jadier po pridaní okolitých molekúl k nim. Ak je tento proces obmedzený, aj keď je teplota nižšia ako Tc, kvapalina zostane nezmenená, ako sa to stane s malými kvapkami, ktoré tvoria a robia mraky viditeľné na oblohe.

Všetky podchladené kvapaliny sú metastabilné, to znamená, že sú citlivé na najmenšie vonkajšie rušenie. Ak napríklad pridajú malý kúsok ľadu alebo ich trochu potriasajú, okamžite zmrazia, čo má za následok zábavný a ľahko vykonateľný experiment..

Príklady tuhnutia

-Želatína je síce nie pevnou látkou, ale príkladom procesu tuhnutia ochladením.

-Roztavené sklo sa používa na vytváranie a navrhovanie mnohých predmetov, ktoré si po ochladení zachovávajú svoje konečné definované formy.

-Rovnako ako bublina stuhla pri kontakte so snehom, fľaša sódy môže trpieť rovnakým procesom; a ak je podchladený, jeho zmrazenie bude okamžité.

-Keď láva vybuchne zo sopiek pokrývajúcich jej okraje alebo zemský povrch, tuhne, keď stráca teplotu, až kým sa nezmení na vyvreté horniny..

-Vajcia a koláče stuhnú so zvýšením teploty. Podobne nosná sliznica robí, ale kvôli dehydratácii. Ďalší príklad možno nájsť aj v náteroch alebo lepidlách.

Treba však poznamenať, že v týchto prípadoch nedochádza v dôsledku ochladzovania k tuhnutiu. Preto skutočnosť, že kvapalina tuhne, nemusí nevyhnutne znamenať, že zamrzne (neznižuje svoju teplotu značne); ale keď kvapalina zamrzne, skončí tuhnutie.

iné:

- Premena vody na ľad: nastáva pri teplote 0 ° C, pričom vzniká ľad, sneh alebo kocky ľadu.

- Vosk na sviečky, ktorý sa taví s plameňom a znova stuhne.

- Mrazenie potravín na ich konzerváciu: v tomto prípade zmrazí molekuly vody vo vnútri buniek mäsa alebo zeleniny.

- Fúkacie sklo: roztaví sa do tvaru a potom stuhne.

- Výroba zmrzliny: zvyčajne sú to mliečne výrobky, ktoré tuhnú.

- Pri získaní cukrovinky, ktorá je roztavený a stuhnutý cukor.

- Maslo a margarín sú mastné kyseliny v tuhom stave.

- Metalurgia: pri výrobe ingotov alebo nosníkov alebo konštrukcií určitých kovov.

- Cement je zmes vápenca a ílov, ktoré pri zmiešaní s vodou majú schopnosť kalenia.

- Pri výrobe čokolády sa kakaový prášok zmieša s vodou a mliekom, ktoré po sušení stuhne.

referencie

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, str. 448, 467.
  2. Wikipedia. (2018). Zmrazenie. Prevzaté z: en.wikipedia.org
  3. Loren A. Jacobson. (16. máj 2008) Tuhnutia. [PDF]. Prevzaté z: infohost.nmt.edu/
  4. Fúzia a tuhnutie. Prevzaté z: juntadeandalucia.es
  5. Carterová. Tuhnutia. Prevzaté z: itc.gsw.edu/
  6. Experimentálne vysvetlenie podchladenia: prečo voda v oblakoch nezmrzne. Prevzaté z: esrf.eu
  7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. júna 2018). Definícia tuhnutia a príklady. Prevzaté z: thoughtco.com