SOLIDIFICARE: PUNCT DE SOLIDIFICARE ȘI EXEMPLE - CHIMIE - 2025

Solidificare este un lichid care suferă schimbări atunci când se trece la faza solidă. Lichidul poate fi o substanță pură sau un amestec. De asemenea, modificarea se poate datora unei scăderi a temperaturii sau ca urmare a unei reacții chimice.

Cum poate fi explicat acest fenomen? Din punct de vedere vizual, lichidul începe să se întoarcă pietrificat sau întărit, până în punctul în care nu mai curge liber. Cu toate acestea, solidificarea constă, de fapt, dintr-o serie de etape care au loc pe scări microscopice.

Sursa: Pixabay

Un exemplu de solidificare este o bulă de lichid care îngheață. În imaginea de mai sus puteți vedea cum o bulă îngheață la contactul cu zăpada. Care este partea bulei care începe să se solidifice? Cel care este în contact direct cu zăpada. Zăpada funcționează ca un suport pe care se pot așeza moleculele bulei.

Solidificarea este rapid declanșată din partea de jos a bulei. Acest lucru se poate observa în „pinii vitrați” care se extind pentru a acoperi întreaga suprafață. Acești pini reflectă creșterea cristalelor, care nu sunt altceva decât aranjamente ordonate și simetrice ale moleculelor.

Pentru ca solidificarea să apară este necesar ca particulele lichidului să fie aranjate, astfel încât acestea să interacționeze între ele. Aceste interacțiuni devin mai puternice pe măsură ce temperatura scade, ceea ce afectează cinetica moleculară; adică încetinesc și devin parte din cristal.

Acest proces este cunoscut sub numele de cristalizare, iar prezența unui nucleu (agregate mici de particule) și un suport accelerează acest proces. Odată ce lichidul s-a cristalizat, se spune că s-a solidificat sau s-a înghețat.

Entalpie de solidificare

Nu toate substanțele se solidifică la aceeași temperatură (sau sub același tratament). Unii chiar „îngheață” peste temperatura camerei, cum ar fi solidele cu topire ridicată. Aceasta depinde de tipul de particule care alcătuiesc solidul sau lichidul.

În solid, interacționează puternic și rămân vibrând în poziții fixe în spațiu, fără libertate de mișcare și cu un volum definit, în timp ce în lichid, acestea au capacitatea de a se deplasa ca numeroase straturi care se mișcă unul peste altul, ocupând volumul recipient care îl conține.

Solidul necesită energie termică pentru a trece în faza lichidă; cu alte cuvinte, are nevoie de căldură. Obține căldură din împrejurimile sale, iar cea mai mică cantitate pe care o absoarbe pentru a genera prima picătură de lichid este cunoscută sub denumirea de căldură latentă de fuziune (ΔHf).

Pe de altă parte, lichidul trebuie să elibereze căldură în împrejurimile sale pentru a-și ordona moleculele și a cristaliza în faza solidă. Căldura degajată este apoi căldura latentă de solidificare sau îngheț (ΔHc). Atât ΔHf cât și ΔHc sunt de mărime egală, dar cu direcții opuse; primul are un semn pozitiv, iar al doilea un semn negativ.

De ce temperatura rămâne constantă în solidificare?

La un moment dat lichidul începe să înghețe, iar termometrul citește o temperatură T. Atâta timp cât lichidul nu s-a solidificat complet, T rămâne constant. Deoarece ΔHc are un semn negativ, constă într-un proces exotermic care eliberează căldură.

Prin urmare, termometrul va citi căldura degajată de lichid în timpul schimbării fazei sale, contracarează scăderea de temperatură impusă. De exemplu, dacă recipientul care conține lichidul este pus într-o baie de gheață. Astfel, T nu scade până când solidificarea este complet completă.

Ce unități însoțesc aceste măsurători de căldură? De obicei kJ / mol sau J / g. Acestea sunt interpretate după cum urmează: kJ sau J este cantitatea de căldură necesară de 1 mol de lichid sau 1 g pentru a putea răci sau solidifica.

În cazul apei, de exemplu, ΔHc este egal cu 6,02 kJ / mol. Adică, 1 mol de apă pură trebuie să degajeze 6,02 kJ de căldură pentru a îngheța, iar această căldură este cea care menține temperatura constantă în proces. În mod similar, 1 mol de gheață trebuie să absoarbă 6,02 kJ de căldură pentru a se topi.

Punctul de solidificare

Temperatura exactă în care are loc procesul este cunoscută sub denumirea de punct de solidificare (Tc). Acest lucru variază în toate substanțele, în funcție de cât de puternice sunt interacțiunile lor intermoleculare în solid.

Puritatea este, de asemenea, o variabilă importantă, deoarece un solid impur nu se solidifică la aceeași temperatură cu unul pur. Aceasta este cunoscută ca scăderea punctului de îngheț. Pentru a compara punctele de solidificare ale unei substanțe, este necesar să o utilizăm ca referință pe cea mai pură.

Totuși, același lucru nu poate fi aplicat soluțiilor, ca în cazul aliajelor metalice. Pentru a compara punctele lor de solidificare, trebuie luate în considerare amestecurile cu proporții de masă egale; adică cu concentrații identice ale componentelor sale.

Cu siguranță, punctul de solidificare prezintă un mare interes științific și tehnologic în ceea ce privește aliajele și alte soiuri de materiale. Acest lucru se datorează faptului că, controlând timpul și modul în care sunt răcite, pot fi obținute unele proprietăți fizice dezirabile sau pot fi evitate cele necorespunzătoare pentru o anumită aplicație.

Din acest motiv, înțelegerea și studiul acestui concept are o importanță deosebită în metalurgie și mineralogie, precum și în orice altă știință care merită să fabrice și să caracterizeze un material.

Punctul de solidificare și de topire

Teoretic Tc trebuie să fie egal cu temperatura sau punctul de topire (Tf). Cu toate acestea, acest lucru nu este întotdeauna valabil pentru toate substanțele. Motivul principal este că, la prima vedere, este mai ușor să încurcați moleculele solide decât să le comandați pe cele lichide.

Prin urmare, în practică se preferă utilizarea Tf pentru a măsura calitativ puritatea unui compus. De exemplu, dacă un compus X are multe impurități, atunci Tf-ul său va fi mai îndepărtat de cel al X-ului pur în comparație cu unul cu puritate mai mare.

Comandare moleculară

Așa cum s-a spus până acum, solidificarea trece la cristalizare. Unele substanțe, având în vedere natura moleculelor și interacțiunile lor, necesită temperaturi foarte scăzute și presiuni ridicate pentru a se putea solidifica.

De exemplu, azotul lichid este obținut la temperaturi sub -196ºC. Pentru solidifica, ar fi necesar să se răcească și mai mult, sau crește presiunea pe ea, astfel forțând N ₂ molecule de grup împreună pentru a crea nuclee de cristalizare.

Același lucru poate fi luat în considerare și pentru alte gaze: oxigen, argon, fluor, neon, heliu; și pentru cel mai extrem dintre toate, hidrogenul, a cărui fază solidă a atras mult interes pentru posibilele sale proprietăți fără precedent.

Pe de altă parte, cel mai cunoscut caz este gheața uscată, care nu este altceva decât CO _2, ale cărui vapori albi se datorează sublimării sale la presiunea atmosferică. Acestea au fost folosite pentru a recrea ceata pe scenă.

Pentru ca un compus să se solidifice nu depinde numai de Tc, ci și de presiune și alte variabile. Cu cât moleculele (H ₂ ) sunt mai mici și interacțiunile lor sunt mai slabe, cu atât va fi mai dificil să le aducem la starea solidă.

suprarăcire

Lichidul, indiferent dacă este o substanță sau un amestec, va începe să înghețe la temperatura din punctul de solidificare. Cu toate acestea, în anumite condiții (cum ar fi puritatea ridicată, timpul de răcire lent sau un mediu foarte energic), lichidul poate tolera temperaturi mai scăzute fără îngheț. Aceasta se numește supercooling.

Încă nu există o explicație absolută a fenomenului, dar teoria susține că toate acele variabile care împiedică creșterea nucleelor ​​de cristalizare promovează supra-răcirea.

De ce? Deoarece din nuclee se formează cristale mari după adăugarea de molecule din împrejurimi. Dacă acest proces este limitat, chiar dacă temperatura este sub Tc, lichidul va rămâne neschimbat, așa cum se întâmplă cu picăturile minuscule care se alcătuiesc și fac vizibil norii pe cer.

Toate lichidele supraîncărcate sunt metastabile, adică sunt susceptibile la cea mai mică perturbare externă. De exemplu, dacă adăugați o bucată mică de gheață sau le agitați puțin, acestea vor îngheța instantaneu, ceea ce este un experiment distractiv și ușor de efectuat.

Exemple de solidificare

-Deși nu este un solid în sine, gelatina este un exemplu de proces de solidificare prin răcire.

-Sticla turnată este folosită pentru a crea și proiecta multe obiecte care, după răcire, își păstrează formele finale definite.

-Deoarece bula a înghețat la contactul cu zăpada, o sticlă de sodă poate suferi același proces; iar dacă este supraîncălzit, înghețarea acestuia va fi instantanee.

-Când lava iese din vulcani care își acoperă marginile sau suprafața pământului, aceasta se solidifică atunci când pierde temperatura, până când devine roci igrene.

-Orele și prăjiturile se solidifică cu o creștere a temperaturii. La fel, mucoasa nazală o face, dar din cauza deshidratării. Un alt exemplu poate fi găsit și în vopsea sau lipici.

Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că solidificarea nu se produce în ultimele cazuri ca produs de răcire. Prin urmare, faptul că un lichid se solidifică nu înseamnă neapărat că îngheață (nu își reduce temperatura în mod apreciabil); dar când un lichid îngheață, sfârșește să se solidifice.

Alții:

- Conversia apei în gheață: aceasta se produce la 0 ° C producând gheață, zăpadă sau cuburi glaciare.

- Ceara de lumânare care se topește cu flacăra și se solidifică din nou.

- Congelarea alimentelor pentru conservarea sa: în acest caz, moleculele de apă sunt înghețate în celulele cărnii sau legumelor.

- Suflarea sticlei: aceasta se topește pentru a-i da formă și apoi se solidifică.

- Fabricarea înghețatei: sunt în general lactate care se solidifică.

- În obținerea caramelului, care este topit și solidificat zahăr.

- Untul și margarina sunt acizi grași în stare solidă.

- Metalurgie: în fabricarea de lingouri sau grinzi sau structuri ale anumitor metale.

- Cimentul este un amestec de calcar și argilă care, atunci când este amestecat cu apă, are proprietatea de a se întări.

- La fabricarea ciocolatei, pudra de cacao este amestecată cu apă și lapte, care, atunci când sunt uscate, se solidifică.

Referințe

1. Whitten, Davis, Peck și Stanley. Chimie. (Ediția a VIII-a). CENGAGE Learning, p 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Congelare. Preluat de la: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (16 mai 2008). Solidificarea. . Luat de la: infohost.nmt.edu/
4. Fuziunea și solidificarea. Luat de la: juntadeandalucia.es
5. Dr. Carter. Solidificarea unei topituri. Luat de la: itc.gsw.edu/
6. Explicație experimentală a supraînvelirii: de ce apa nu îngheață în nori. Luat de la: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, doctorat. (22 iunie 2018). Definiție și exemple de solidificare. Luat de la: thinkco.com