Bod tuhnutí tuhnutí a příklady

tuhnutí je to změna, kterou kapalina zažívá, když přechází do pevné fáze. Kapalinou může být čistá látka nebo směs. Změna může být také způsobena poklesem teploty nebo následkem chemické reakce.

Jak lze tento jev vysvětlit? Kapalina začne vizuálně stárnout nebo ztvrdnout do té míry, že přestane volně protékat. Nicméně, tuhnutí vlastně sestává z řady kroků, které se vyskytují na mikroskopických měřítcích.

Příkladem tuhnutí je kapalná bublina, která zamrzne. Na obrázku nahoře můžete vidět, jak bublina zamrzne, když narazí na sníh. Jaká je část bubliny, která začíná tuhnout? To, co je v přímém kontaktu se sněhem. Sníh funguje jako podpěra, na které mohou být umístěny molekuly bubliny.

Solidifikace se rychle spouští ze spodní části bubliny. Toto může být viděno v “skleněných borovicích” to rozšířit se pokrýt celý povrch. Tyto borovice odrážejí růst krystalů, které nejsou ničím jiným než řádným a symetrickým uspořádáním molekul.

Aby mohlo dojít ke ztuhnutí, je nutné, aby částice kapaliny mohly být uspořádány takovým způsobem, že vzájemně spolupracují. Tyto interakce zesílí s poklesem teploty, což ovlivňuje molekulární kinetiku; to znamená, že se stávají pomalejšími a stávají se součástí krystalu.

Tento proces je známý jako krystalizace a přítomnost jádra (malé agregáty částic) a podpora urychluje tento proces. Jakmile tekutina vykrystalizuje, je řečeno, že ztuhla nebo zmrzla.

Index

• 1 Entalpie tuhnutí
  • 1.1 Proč zůstává teplota v tuhnutí konstantní?
• 2 Bod tuhnutí
  • 2.1 Bod tuhnutí a tání
  • 2.2 Molekulární uspořádání
• 3 Podchlazování
• 4 Příklady tuhnutí
• 5 Odkazy

Entalpie tuhnutí

Ne všechny látky ztuhnou při stejné teplotě (nebo při stejném ošetření). Někteří dokonce "mrazí" nad pokojovou teplotou, jak je tomu u pevných látek s vysokým bodem tání. To závisí na typu částic, které tvoří pevnou látku nebo kapalinu.

V pevné látce silně interagují a zůstávají vibrující v pevných polohách prostoru, bez svobody pohybu as definovaným objemem, zatímco v kapalině mají schopnost pohybovat se jako četné vrstvy, které se pohybují po sobě, přičemž zabírají objem kontejner, který ho obsahuje.

Pevná látka vyžaduje, aby tepelná energie přecházela do kapalné fáze; Jinými slovy, potřebuje teplo. Teplo je získáno z jeho okolí a minimální množství, které absorbuje první kapku kapaliny, je známo jako latentní teplo tavení (ΔHf)..

Na druhé straně musí kapalina uvolňovat teplo do svého okolí, aby objednala své molekuly a krystalizovala v pevné fázi. Uvolněné teplo je pak latentní teplo tuhnutí nebo zmrazení (AHc). AHf i AHc mají stejnou velikost, ale s opačným směrem; první nese pozitivní znamení a druhé negativní znamení.

Proč zůstává teplota v tuhnutí konstantní?

V určitém okamžiku kapalina začne mrznout a teploměr ukazuje teplotu T. Zatímco není zcela ztuhlý, T zůstává konstantní. Protože AHc má negativní znaménko, sestává z exotermického procesu, který uvolňuje teplo.

Teploměr proto odečítá teplo uvolněné kapalinou během jeho fázové změny, což působí proti poklesu teploty. Pokud například nádobu obsahující tekutinu vložíte do ledové lázně. T se tedy nesníží, dokud není úplné tuhnutí.

Které jednotky doprovázejí tato měření tepla? Obvykle kJ / mol nebo J / g. Ty jsou interpretovány následovně: kJ nebo J je množství tepla, které vyžaduje 1 mol kapaliny nebo 1 g, aby bylo možné ochladit nebo ztuhnout.

Pro případ vody je například AHc 6,02 kJ / mol. To znamená, že 1 mol čisté vody potřebuje uvolnit 6,02 kJ tepla, aby mohl zmrazit, a toto teplo udržuje teplotu v procesu konstantní. Podobně 1 mol ledu potřebuje absorbovat 6,02 kJ tepla pro tání.

Bod tuhnutí

Při přesné teplotě, kde proces probíhá, je znám jako bod tuhnutí (Tc). To se liší ve všech látkách v závislosti na tom, jak silné jsou jejich intermolekulární interakce v pevné látce.

Čistota je také důležitá proměnná, protože nečistá pevná látka nestuhne při stejné teplotě jako čistá. Výše uvedené je známo jako pokles bodu mrazu. Pro porovnání bodů tuhnutí látky je nutné použít jako odkaz co nejčistší.

Totéž však nelze použít pro řešení, jako v případě kovových slitin. Pro porovnání jejich bodů tuhnutí by měly být uvažovány směsi se stejnými hmotnostními poměry; tj. s identickými koncentracemi jeho složek.

Bod tuhnutí má jistě velký vědecký a technologický zájem o slitiny a jiné druhy materiálů. Je to proto, že řízení času a toho, jak chladné, můžete získat nějaké žádoucí fyzikální vlastnosti nebo se vyhnout nevhodným pro určité aplikace.

Z tohoto důvodu má pochopení a studium tohoto konceptu velký význam v metalurgii a mineralogii, stejně jako v jakékoli jiné vědě, která si zaslouží výrobu a charakterizaci materiálu..

Bod tuhnutí a tání

Teoreticky by se Tc měla rovnat teplotě nebo teplotě tání (Tf). To však neplatí vždy pro všechny látky. Hlavním důvodem je, že na první pohled je snazší rozrušit molekuly pevné látky, než je tomu u kapalin.

Proto je v praxi výhodné použít Tf k kvalitativnímu měření čistoty sloučeniny. Například, jestliže sloučenina X má mnoho nečistot, pak její Tf bude vzdálenější než čistá X ve srovnání s jinou s vyšší čistotou.

Molekulární uspořádání

Jak již bylo řečeno, tuhnutí probíhá krystalizaci. Některé látky, vzhledem k povaze svých molekul a jejich interakcím, vyžadují velmi nízké teploty a vysoké tlaky, aby mohly tuhnout.

Například kapalný dusík se získává při teplotách nižších než -196 ° C. Pro jeho zpevnění by bylo nutné jej ještě více ochladit, nebo zvýšit tlak na něj, čímž se N molekuly tímto způsobem nutí.₂ seskupit dohromady a vytvořit krystalizační jádra.

Totéž lze považovat za jiné plyny: kyslík, argon, fluor, neon, helium; a pro nejvíce extrémní všechny, vodík, jehož pevná fáze vzbudila velký zájem o jeho potenciální nebývalé vlastnosti.

Na druhou stranu nejznámějším případem je suchý led, což není nic víc než CO₂ jejichž bílé páry jsou způsobeny sublimací stejné atmosféry při atmosférickém tlaku. Ty byly použity pro opětovné vytvoření oparu ve scénářích.

Pro ztuhnutí sloučeniny nezávisí pouze na Tc, ale také na tlaku a dalších proměnných. Menší molekuly (H₂) a čím slabší jsou jejich interakce, tím obtížnější bude jejich přesun do pevného stavu.

Podchlazení

Kapalina, buď látka nebo směs, začne zmrazovat při teplotě v bodě tuhnutí. Za určitých podmínek (jako je vysoká čistota, pomalá doba ochlazování nebo velmi energetické prostředí) může kapalina snášet nižší teploty bez zamrznutí. Toto se nazývá supercooling.

Dosud neexistuje absolutní vysvětlení tohoto jevu, ale teorie tvrdí, že všechny tyto proměnné, které brání růstu krystalizačních jader, podporují přechlazování.

Proč? Protože velké krystaly jsou vytvořeny z jader po přidání okolních molekul k nim. Pokud je tento proces omezený, i když je teplota pod Tc, kapalina zůstane nezměněna, jak se to děje s malými kapkami, které tvoří a činí mraky viditelné na obloze.

Všechny podchlazené kapaliny jsou metastabilní, to znamená, že jsou citlivé na nejmenší vnější rušení. Pokud například přidají malý kus ledu, nebo je trochu otřásají, okamžitě zmrazí, což vede k zábavnému a snadno proveditelnému experimentu..

Příklady solidifikace

-Želatina není příkladem pevné látky, ale je příkladem procesu tuhnutí ochlazením.

-Roztavené sklo se používá k vytváření a konstrukci mnoha objektů, které si po ochlazení zachovávají své konečné definované formy.

-Stejně jako bublina ztuhla při kontaktu se sněhem, láhev sody může trpět stejným procesem; a pokud je podchlazený, jeho zmrazení bude okamžité.

-Když láva vybuchne z sopek pokrývajících její okraje nebo zemský povrch, ztuhne, když ztratí teplotu, až se změní na vyvřelé horniny..

-Vejce a koláče ztuhnou se zvýšením teploty. Podobně nosní sliznice dělá, ale kvůli dehydrataci. Další příklad lze nalézt také v nátěrech nebo lepidlech.

Je však třeba poznamenat, že v těchto případech nedochází k tuhnutí v důsledku chlazení. Proto skutečnost, že kapalina ztuhne, nemusí nutně znamenat, že zamrzne (nezníží znatelně její teplotu); ale když kapalina zamrzne, skončí tuhnutí.

Ostatní:

- Přeměna vody na led: k tomu dochází při teplotě 0 ° C, kde vzniká led, sníh nebo kostky ledu.

- Svíčkový vosk, který se taví s plamenem a znovu ztuhne.

- Zmrazení potravy pro její konzervaci: v tomto případě zmrazí molekuly vody uvnitř buněk masa nebo zeleniny.

- Foukací sklo: roztaví se do tvaru a pak ztuhne.

- Výroba zmrzliny: obvykle se jedná o mléčné výrobky, které tuhnou.

- Při získávání bonbónu, kterým je roztavený a ztuhlý cukr.

- Máslo a margarín jsou mastné kyseliny v pevném stavu.

- Metalurgie: při výrobě ingotů nebo nosníků nebo konstrukcí určitých kovů.

- Cement je směsí vápence a jílu, který má při smíchání s vodou tuhost.

- Při výrobě čokolády se kakaový prášek smísí s vodou a mlékem, které po usušení ztuhne.

Odkazy

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie (8. vydání). CENGAGE Learning, str. 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Zmrazení Převzato z: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (16. května 2008) Solidifikace [PDF] Převzato z: infohost.nmt.edu/
4. Fúze a tuhnutí. Převzato z: juntadeandalucia.es
5. Dr. Carterová. Ztuhnutí taveniny. Převzato z: itc.gsw.edu/
6. Experimentální vysvětlení podchlazení: proč voda v oblacích nezmrzne. Převzato z: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. června 2018). Definice tuhnutí a příklady. Převzato z: thoughtco.com