Σημείο στερεοποίησης στερεοποίησης και παραδείγματα

Το στερεοποίηση είναι η αλλαγή που ένα υγρό βιώνει όταν περνά στη στερεά φάση. Το υγρό μπορεί να είναι μια καθαρή ουσία ή ένα μείγμα. Επίσης, η αλλαγή μπορεί να οφείλεται σε πτώση της θερμοκρασίας ή ως αποτέλεσμα χημικής αντίδρασης.

Πώς μπορεί να εξηγηθεί αυτό το φαινόμενο; Οραματικά, το υγρό αρχίζει να απολιπαίνεται ή να σκληραίνει, στο σημείο που σταματά να ρέει ελεύθερα. Ωστόσο, στερεοποίηση πραγματικότητα αποτελείται από μια σειρά βημάτων τα οποία συμβαίνουν κατά τη μικροσκοπική κλίμακες.

Ένα παράδειγμα στερεοποίησης είναι μια υγρή φούσκα που παγώνει. Στην παραπάνω εικόνα μπορείτε να δείτε πώς μια φούσκα παγώνει όταν χτυπά το χιόνι. Ποιο είναι το τμήμα της φούσκας που αρχίζει να στερεοποιείται; Αυτό που βρίσκεται σε άμεση επαφή με το χιόνι. Το χιόνι λειτουργεί ως στήριγμα πάνω στο οποίο μπορούν να φιλοξενηθούν τα μόρια της φυσαλίδας.

Η στερεοποίηση ενεργοποιείται ταχέως από το κάτω μέρος της φούσκας. Αυτό μπορεί να φανεί στα "πεύκα γυαλιού" που εκτείνονται για να καλύψουν ολόκληρη την επιφάνεια. Αυτά τα πεύκα αντικατοπτρίζουν την ανάπτυξη κρυστάλλων, τα οποία δεν είναι τίποτα περισσότερο από κανονική και συμμετρική διάταξη των μορίων.

Για να συμβεί η στερεοποίηση, είναι απαραίτητο τα σωματίδια του υγρού να είναι διατεταγμένα κατά τέτοιο τρόπο ώστε να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις γίνονται ισχυρότερες καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, η οποία επηρεάζει τη μοριακή κινητική. δηλαδή, καθίστανται πιο αργές και γίνονται μέρος του κρυστάλλου.

Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως κρυστάλλωση και η παρουσία ενός πυρήνα (μικρά συσσωματώματα σωματιδίων) και ένα στήριγμα επιταχύνει αυτή τη διαδικασία. Μόλις το υγρό κρυσταλλωθεί, τότε λέγεται ότι έχει στερεοποιηθεί ή καταψυχθεί.

Ευρετήριο

• 1 Ενθαλπία στερεοποίησης
  • 1.1 Γιατί η θερμοκρασία παραμένει σταθερή κατά τη στερεοποίηση?
• 2 Σημείο πήξης
  • 2.1 Στερεοποίηση και σημείο τήξης
  • 2.2 Μοριακή παραγγελία
• 3 Υπερψύκνωση
• 4 Παραδείγματα στερεοποίησης
• 5 Αναφορές

Ενθαλπία στερεοποίησης

Δεν όλες οι ουσίες στερεοποιούνται στην ίδια θερμοκρασία (ή υπό την ίδια επεξεργασία). Κάποιοι ακόμη και "παγώνουν" πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου, όπως συμβαίνει με τα στερεά με υψηλό σημείο τήξης. Αυτό εξαρτάται από τον τύπο των σωματιδίων που σχηματίζουν το στερεό ή το υγρό.

Στο στερεό, αυτές αλληλεπιδρούν έντονα και παραμένουν δόνησης σε σταθερές θέσεις στο χώρο, χωρίς ελευθερία κινήσεων και με καθορισμένο όγκο, ενώ στο υγρό, είναι σε θέση να κινηθεί όπως πολλά στρώματα τα οποία κινούνται πάνω από κάθε άλλο, καταλαμβάνει όγκο περιέκτη που το περιέχει.

Το στερεό απαιτεί θερμική ενέργεια για να περάσει στην υγρή φάση. Με άλλα λόγια, χρειάζεται θερμότητα. Η θερμότητα αποκτάται από το περιβάλλον της και η ελάχιστη ποσότητα που απορροφά για να δημιουργήσει την πρώτη σταγόνα υγρού είναι γνωστή ως λανθάνουσα θερμότητα σύντηξης (ΔHf).

Επιπλέον, το υγρό πρέπει να απελευθερώνουν θερμότητα με τον περιβάλλοντα χώρο για να κανονίσει μορίων και κρυστάλλωσης του στην στερεά φάση. Η θερμότητα που απελευθερώνεται είναι, στη συνέχεια, η λανθάνουσα θερμότητα στερεοποίησης ή κατάψυξης (ΔHc). Και οι ΔHf και ΔHc είναι ίσες σε μέγεθος αλλά με αντίθετες κατευθύνσεις. το πρώτο φέρει ένα θετικό σημάδι και το δεύτερο αρνητικό σημάδι.

Γιατί η θερμοκρασία παραμένει σταθερή κατά τη στερεοποίηση?

Σε μια συγκεκριμένη στιγμή το υγρό αρχίζει να παγώνει και το θερμόμετρο δείχνει μια θερμοκρασία Τ. Ενώ δεν έχει πλήρως στερεοποιηθεί, ο Τ παραμένει σταθερός. Δεδομένου ότι το ΔHc έχει αρνητικό σημάδι, συνίσταται σε μια εξωθερμική διαδικασία που απελευθερώνει θερμότητα.

Ως εκ τούτου, το θερμόμετρο θα διαβάσει τη θερμότητα που απελευθερώνεται από το υγρό κατά τη διάρκεια της αλλαγής φάσης του, αντισταθμίζοντας την επιβαλλόμενη πτώση θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, εάν τοποθετήσετε το δοχείο που περιέχει το υγρό μέσα σε παγόλουτρο. Έτσι, το Τ δεν μειώνεται μέχρις ότου ολοκληρωθεί η στερεοποίηση στο σύνολό του.

Ποιες μονάδες συνοδεύουν αυτές τις μετρήσεις θερμότητας; Συνήθως kJ / mol ή J / g. Αυτά ερμηνεύονται ως εξής: kJ ή J είναι η ποσότητα θερμότητας που απαιτεί 1 γραμμομόριο υγρού ή 1 γραμμάριο για να μπορεί να κρυώσει ή να στερεοποιηθεί.

Για την περίπτωση του νερού, για παράδειγμα, το ΔHc είναι ίσο με 6.02 kJ / mol. Δηλαδή, 1 γραμμάριο καθαρού νερού χρειάζεται να απελευθερώσει 6.02 kJ θερμότητας για να μπορέσει να παγώσει και αυτή η θερμότητα είναι αυτή που διατηρεί τη θερμοκρασία σταθερή στη διαδικασία. Ομοίως, 1 γραμμομόριο πάγου χρειάζεται να απορροφήσει 6.02 kJ θερμότητας για να λιώσει.

Σημείο πήξης

Στην ακριβή θερμοκρασία όπου συμβαίνει η διαδικασία, είναι γνωστό ως το σημείο στερεοποίησης (Tc). Αυτό ποικίλλει σε όλες τις ουσίες ανάλογα με το πόσο ισχυρές είναι οι διαμοριακές αλληλεπιδράσεις τους στο στερεό.

Η καθαρότητα είναι επίσης μια σημαντική μεταβλητή, καθώς ένα ακάθαρτο στερεό δεν στερεοποιείται στην ίδια θερμοκρασία με μια καθαρή. Τα παραπάνω είναι γνωστά ως πτώση σημείου πήξης. Για να συγκρίνουμε τα σημεία στερεοποίησης μιας ουσίας, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσουμε ως αναφορά το καθαρότερο δυνατό.

Ωστόσο, το ίδιο δεν μπορεί να εφαρμοστεί σε διαλύματα, όπως στην περίπτωση των μεταλλικών κραμάτων. Για τη σύγκριση των σημείων στερεοποίησης τους θα πρέπει να θεωρούνται μείγματα με ίσες αναλογίες μάζας. δηλαδή με ίδιες συγκεντρώσεις των συστατικών του.

Βεβαίως, το σημείο στερεοποίησης έχει μεγάλο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον όσον αφορά τα κράματα και άλλες ποικιλίες υλικών. Αυτό συμβαίνει επειδή, ελέγχοντας τον χρόνο και τον τρόπο που κρυώνει, μπορείτε να πάρετε κάποιες επιθυμητές φυσικές ιδιότητες ή να αποφύγετε τις ακατάλληλες για συγκεκριμένη εφαρμογή.

Για το λόγο αυτό, η κατανόηση και η μελέτη της έννοιας αυτής έχει μεγάλη σημασία στη μεταλλουργία και την ορυκτολογία, καθώς και κάθε άλλη επιστήμη που αξίζει να κατασκευάσει και να χαρακτηρίζουν ένα υλικό.

Στερεοποίηση και σημείο τήξης

Θεωρητικά η Tc θα πρέπει να είναι ίση με τη θερμοκρασία ή το σημείο τήξης (Tf). Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει πάντα για όλες τις ουσίες. Ο κύριος λόγος είναι ότι, με την πρώτη ματιά, είναι ευκολότερο να διαταραχθούν τα μόρια του στερεού από ό, τι να παραγγελθούν εκείνα του υγρού.

Ως εκ τούτου, προτιμάται στην πράξη να καταφεύγουμε σε Tf για να μετρήσουμε ποιοτικά την καθαρότητα μιας ένωσης. Για παράδειγμα, εάν μια ένωση Χ έχει πολλές ακαθαρσίες, τότε η Tf της θα είναι πιο απομακρυσμένη από εκείνη του καθαρού Χ σε σύγκριση με άλλη με υψηλότερη καθαρότητα.

Μοριακή παραγγελία

Όπως έχει ειπωθεί μέχρι τώρα, η στερεοποίηση προχωρά στην κρυστάλλωση. Ορισμένες ουσίες, δεδομένης της φύσης των μορίων τους και των αλληλεπιδράσεών τους, απαιτούν πολύ χαμηλές θερμοκρασίες και υψηλές πιέσεις για να στερεοποιηθούν.

Για παράδειγμα, λαμβάνεται υγρό άζωτο σε θερμοκρασίες κάτω από -196ºC. Για να στερεοποιηθεί, θα ήταν απαραίτητο να το ψύξουμε ακόμα περισσότερο ή να αυξήσουμε την πίεση σε αυτό, αναγκάζοντας τα μόρια Ν με αυτό τον τρόπο.₂ να συγκεντρωθούν μαζί για να δημιουργήσουν πυρήνες κρυσταλλοποίησης.

Το ίδιο μπορεί να ληφθεί υπόψη και για άλλα αέρια: οξυγόνο, αργό, φθόριο, νέον, ήλιο. και για το πιο ακραίο από όλα, το υδρογόνο, του οποίου η στερεή φάση έχει προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον για τις πιθανές πρωτοφανείς ιδιότητές του.

Από την άλλη πλευρά, η πιο γνωστή περίπτωση είναι η ξηρό πάγο, που δεν είναι τίποτα περισσότερο από CO₂ των οποίων οι λευκοί ατμοί οφείλονται στην εξάχνωση αυτών υπό ατμοσφαιρική πίεση. Αυτά έχουν χρησιμοποιηθεί για να αναδημιουργήσουν ομίχλη στα σενάρια.

Για να στερεοποιηθεί μία ένωση δεν εξαρτάται μόνο από την Tc, αλλά και από την πίεση και άλλες μεταβλητές. Όσο μικρότερα είναι τα μόρια (Η₂) και όσο ασθενέστερες είναι οι αλληλεπιδράσεις τους, τόσο πιο δύσκολο θα είναι να τους μεταφέρουμε στη στερεά κατάσταση.

Υπερψυχή

Το υγρό, είτε μια ουσία είτε ένα μείγμα, θα αρχίσει να παγώνει στη θερμοκρασία στο σημείο στερεοποίησης. Ωστόσο, υπό ορισμένες συνθήκες (όπως η υψηλή καθαρότητα, ένα αργό χρόνο ψύξεως ή ένα περιβάλλον υψηλής ενέργειας), το υγρό μπορεί να ανεχθεί χαμηλότερες θερμοκρασίες χωρίς κατάψυξη. Αυτό ονομάζεται υπερψύξης.

Εξακολουθεί να μην υπάρχει πλήρης εξήγηση του φαινομένου, αλλά η θεωρία υποστηρίζει ότι όλες οι μεταβλητές που εμποδίζουν την ανάπτυξη των πυρήνων κρυστάλλωσης προώθηση υπερψυκτικό.

Γιατί; Επειδή σχηματίζονται μεγάλοι κρύσταλλοι από τους πυρήνες μετά την προσθήκη γύρω τους μορίων. Εάν αυτή η διαδικασία είναι περιορισμένη, αν και η θερμοκρασία είναι κάτω από το Tc, το υγρό θα παραμείνει αμετάβλητη, όπως και με τα μικροσκοπικά σταγονίδια που συνθέτουν και γίνονται ορατά σύννεφα στον ουρανό.

Όλα supercooled υγρό είναι μετασταθερή, δηλαδή, αυτά είναι ευάλωτα σε εξωτερικές διαταραχές παραμικρό. Για παράδειγμα, αν προσθέσουν ένα μικρό κομμάτι πάγου ή τα κουνήσουν λίγο, θα παγώσουν αμέσως, πράγμα που θα οδηγήσει σε ένα διασκεδαστικό και εύκολο στην εκτέλεση πείραμα..

Παραδείγματα στερεοποίησης

-Αν και δεν είναι σωστά ένα στερεό, η ζελατίνη είναι ένα παράδειγμα μιας διαδικασίας στερεοποίησης με ψύξη.

-Το τετηγμένο γυαλί χρησιμοποιείται για να δημιουργήσει και να σχεδιάσει πολλά αντικείμενα, τα οποία μετά την ψύξη διατηρούν τις τελικές καθορισμένες μορφές τους.

-Ακριβώς όπως η φούσκα πάγωσε κατά την επαφή με το χιόνι, μια φιάλη σόδα μπορεί να υποστεί την ίδια διαδικασία. και αν είναι υπερψυγμένο, το πάγωμα θα είναι στιγμιαίο.

-Η εμφάνιση των ηφαιστείων λάβας καλύπτουν τις άκρες τους ή την επιφάνεια της γης, στερεοποιείται όταν χάνει τη θερμοκρασία να γίνει πυριγενή πετρώματα.

-Τα αυγά και τα κέικ στερεοποιούνται με αύξηση της θερμοκρασίας. Ομοίως, ο ρινικός βλεννογόνος κάνει αλλά λόγω της αφυδάτωσης. Ένα άλλο παράδειγμα μπορεί επίσης να βρεθεί σε μπογιά ή κόλλες.

Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι η στερεοποίηση δεν εμφανίζεται στις τελευταίες περιπτώσεις ως αποτέλεσμα της ψύξης. Επομένως, το γεγονός ότι ένα υγρό στερεοποιείται δεν σημαίνει απαραίτητα ότι παγώνει (δεν μειώνει αισθητά τη θερμοκρασία του). αλλά όταν ένα υγρό παγώσει, καταλήγει να στερεοποιηθεί.

Άλλα:

- Η μετατροπή του νερού σε πάγο: αυτό συμβαίνει στους 0 ° C παράγοντας πάγο, χιόνι ή παγάκια.

- Το κερί κεριών που λιώνει με τη φλόγα και στερεοποιείται ξανά.

- Η κατάψυξη των τροφίμων για τη διατήρησή τους: στην περίπτωση αυτή παγώνει τα μόρια του νερού μέσα στα κύτταρα των κρεάτων ή των λαχανικών.

- Το γυαλί φυσήματος: λιώνει σε σχήμα και στη συνέχεια στερεοποιείται.

- Η παρασκευή παγωτού: συνήθως είναι τα γαλακτοκομικά που στερεοποιούνται.

- Στην απόκτηση της καραμέλας, η οποία είναι λιωμένη και στερεοποιημένη ζάχαρη.

- Το βούτυρο και η μαργαρίνη είναι λιπαρά οξέα στη στερεά κατάσταση.

- Μεταλλουργία: στην κατασκευή πλινθωμάτων ή δοκών ή δομών ορισμένων μετάλλων.

- Το τσιμέντο είναι ένα μίγμα ασβεστόλιθου και αργίλων που όταν έχουν αναμιχθεί με νερό έχει την ιδιότητα της σκλήρυνσης.

- Στην παρασκευή σοκολάτας, η σκόνη κακάο αναμιγνύεται με νερό και γάλα, το οποίο, όταν στεγνώσει, στερεοποιείται.

Αναφορές

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Χημεία (8η έκδοση). CENGAGE Learning, σελ. 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Κατάψυξη Λαμβάνεται από: en.wikipedia.org
3. Loren Α. Jacobson. (16 Μαΐου 2008) Στερεοποίηση [PDF] Λήψη από: infohost.nmt.edu/
4. Σύντηξη και στερεοποίηση. Λαμβάνεται από: juntadeandalucia.es
5. Δρ Κάρτερ. Στερεοποίηση ενός τήγματος. Λήψη από: itc.gsw.edu/
6. Πειραματική εξήγηση της υπερψύξης: γιατί το νερό δεν παγώνει στα σύννεφα. Από: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 Ιουνίου 2018). Ορισμός στερεοποίησης και Παραδείγματα. Από: thoughtco.com