KIETĖJIMAS: KIETĖJIMO TAŠKAS IR PAVYZDŽIAI - CHEMIJA - 2025

Kietėjimas yra skystis, kuris patiria pasikeitimą, kai ji eina prie kietosios fazės. Skystis gali būti gryna medžiaga arba mišinys. Panašiai pokytis gali atsirasti dėl temperatūros kritimo arba dėl cheminės reakcijos.

Kaip galima paaiškinti šį reiškinį? Vizualiai skystis pradeda suktis ar sukietėti iki tiek, kad nustoja laisvai tekėti. Tačiau kietėjimą iš tikrųjų sudaro daugybė etapų, kurie vyksta mikroskopinėmis skalėmis.

Šaltinis: „Pixabay“

Kietėjimo pavyzdys yra skysčio burbulas, kuris užšąla. Aukščiau esančiame paveikslėlyje galite pamatyti, kaip burbulas užšąla susilietęs su sniegu. Kokia burbulo dalis pradeda kietėti? Tas, kuris tiesiogiai liečiasi su sniegu. Sniegas veikia kaip atrama, ant kurios gali įsikurti burbulo molekulės.

Kietėjimas greitai suaktyvinamas iš burbulo dugno. Tai galima pastebėti „įstiklintose pušyse“, kurios dengiasi iki viso paviršiaus. Šios pušys atspindi kristalų, kurie yra ne kas kita kaip tvarkingas ir simetriškas molekulių išdėstymas, augimą.

Kad kietėjimas įvyktų, būtina, kad skysčio dalelės būtų išdėstytos taip, kad jos sąveikautų viena su kita. Šios sąveikos sustiprėja mažėjant temperatūrai, o tai daro įtaką molekulinei kinetikai; tai yra, jie sulėtėja ir tampa kristalo dalimi.

Šis procesas yra žinomas kaip kristalizacija, o branduolys (maži dalelių agregatai) ir atrama pagreitina šį procesą. Kai skystis kristalizuojasi, sakoma, kad jis sukietėja arba užšąla.

Kietėjimo entalpija

Ne visos medžiagos sukietėja toje pačioje temperatūroje (arba tuo pačiu būdu). Kai kurie net „užšąla“ aukštesnėje nei kambario temperatūroje, pavyzdžiui, kietos medžiagos, kurios tirpsta labai gerai. Tai priklauso nuo kietų ar skystų dalelių tipo.

Kietoje medžiagoje jie stipriai sąveikauja ir išlieka vibruojantys fiksuotose erdvės padėtyse, be judėjimo laisvės ir su apibrėžtu tūriu, o būdami skysčio, jie turi galimybę judėti kaip daugybė sluoksnių, kurie juda vienas per kitą, užimdami tūrį. talpyklą, kurioje yra.

Kietajai medžiagai reikalinga šiluminė energija, kad pereitų į skystąją fazę; kitaip tariant, jai reikia šilumos. Šiluma gaunama iš apylinkių, o mažiausias kiekis, kurį jis sugeria, kad susidarytų pirmasis skysčio lašas, yra žinomas kaip latentinė suliejimo šiluma (ΔHf).

Kita vertus, skystis turi išleisti šilumą į apylinkes, kad galėtų užsisakyti savo molekules ir kristalizuotis į kietą fazę. Išleista šiluma yra latentinė sukietėjimo ar užšalimo šiluma (ΔHc). Ir ΔHf, ir ΔHc yra vienodi pagal dydį, bet su priešingomis kryptimis; pirmasis turi teigiamą ženklą, o antrasis - neigiamą ženklą.

Kodėl sukietėjus temperatūra išlieka pastovi?

Tam tikru metu skystis pradeda užšalti, o termometras nuskaito temperatūrą T. Kol skystis nevisiškai sukietėjo, T išlieka pastovus. Kadangi ΔHc turi neigiamą ženklą, jį sudaro egzoterminis procesas, kuris išskiria šilumą.

Todėl termometras nuskaito skysčio skleidžiamą šilumą jo fazių kitimo metu, neutralizuodamas nustatytą temperatūros kritimą. Pavyzdžiui, jei indas, kuriame yra skysčio, dedamas į ledo vonią. Taigi T nemažėja, kol kietėjimas nėra visiškai baigtas.

Kokie vienetai lydi šiuos šilumos matavimus? Paprastai kJ / mol arba J / g. Jie aiškinami taip: kJ arba J yra šilumos kiekis, reikalingas 1 moliui skysčio arba 1 g, kad galėtų atvėsti ar sukietėti.

Pavyzdžiui, vandens atveju ΔHc yra lygus 6,02 kJ / mol. Tai yra, 1 molis gryno vandens turi atiduoti 6,02 kJ šilumos, kad užšaltų, ir ši šiluma palaiko pastovią temperatūrą procese. Panašiai 1 molis ledo turi sugerti 6,02 kJ šilumos, kad ištirptų.

Kietėjimo taškas

Tiksli temperatūra, kurioje vyksta procesas, yra žinoma kaip kietėjimo taškas (Tc). Tai skiriasi visose medžiagose priklausomai nuo to, kokia stipri yra jų tarpmolekulinė sąveika kietoje medžiagoje.

Grynumas taip pat yra svarbus kintamasis, nes nešvari kieta medžiaga nekietėja toje pačioje temperatūroje kaip gryna. Tai vadinama nušalimo taško sumažinimu. Norint palyginti medžiagos kietėjimo taškus, būtina naudoti kaip įmanoma grynesnę etaloninę medžiagą.

Tačiau to paties negalima taikyti sprendiniams, kaip metalo lydinių atveju. Norint palyginti jų kietėjimo taškus, reikia atsižvelgti į mišinius, kurių masės santykis yra lygus; tai yra, esant vienodoms jo komponentų koncentracijoms.

Žinoma, kietėjimo taškas yra didelis mokslinis ir technologinis interesas lydinių ir kitų rūšių medžiagų atžvilgiu. Taip yra todėl, kad kontroliuodami laiką ir kaip jie atvėsinami, galima gauti kai kurių pageidaujamų fizinių savybių arba išvengti tų, kurios netinka konkrečiam naudojimui.

Dėl šios priežasties šios sąvokos supratimas ir tyrimas turi didelę reikšmę metalurgijoje ir mineralogijoje, taip pat visuose kituose moksluose, kurie nusipelno gaminti ir apibūdinti medžiagą.

Kietėjimas ir lydymosi temperatūra

Teoriškai Tc turėtų būti lygi temperatūrai arba lydymosi temperatūrai (Tf). Tačiau tai ne visada galioja visoms medžiagoms. Pagrindinė priežastis yra ta, kad iš pirmo žvilgsnio lengviau sukramtyti kietas molekules, nei užsisakyti skystas.

Taigi praktikoje yra pageidautina naudoti Tf, norint kokybiškai išmatuoti junginio grynumą. Pavyzdžiui, jei junginys X turi daug priemaišų, tada jo Tf bus labiau nutolęs nuo gryno X, palyginti su aukštesnio grynumo.

Molekulinis užsakymas

Kaip iki šiol buvo pasakyta, kietėjimas vyksta į kristalizaciją. Kai kurioms medžiagoms, atsižvelgiant į jų molekules ir jų sąveiką, reikalinga labai žema temperatūra ir aukštas slėgis, kad galėtų sukietėti.

Pavyzdžiui, skystas azotas gaunamas esant žemesnei kaip -196ºC temperatūrai. Norint jį sukietinti, reiktų jį dar atvėsinti arba padidinti slėgį, tokiu būdu priverčiant N ₂ molekules susilieti į grupes, kad susidarytų kristalizacijos branduoliai.

Tą patį galima laikyti ir kitomis dujomis: deguonimi, argonu, fluoru, neonu, heliu; ir, kraštutiniausiai, vandenilis, kurio kieta fazė sulaukė didelio susidomėjimo dėl galimų precedento neturinčių savybių.

Kita vertus, žinomiausias atvejis yra sausas ledas, kuris yra ne kas kita kaip CO _2, kurio balti garai susidaro dėl jo sublimacijos atmosferos slėgyje. Jie buvo naudojami atkurti miglą scenoje.

Kad junginys sukietėtų, jis priklauso ne tik nuo Tc, bet ir nuo slėgio bei kitų kintamųjų. Kuo mažesnės molekulės (H ₂ ) ir kuo silpnesnė jų sąveika, tuo sunkiau bus jas gauti į kietą būseną.

Super aušinimas

Skystis, nesvarbu, ar tai medžiaga ar mišinys, kietėjimo taško temperatūroje pradės užšalti. Tačiau tam tikromis sąlygomis (tokiomis kaip aukštas grynumas, lėtas aušinimo laikas arba labai energinga aplinka) skystis gali toleruoti žemesnę temperatūrą, nesušaldamas. Tai vadinama super aušinimu.

Vis dar nėra absoliutaus šio reiškinio paaiškinimo, tačiau teorija patvirtina, kad visi tie kintamieji, kurie neleidžia augti kristalizacijos branduoliams, skatina peršalimą.

Kodėl? Nes iš branduolių susidaro dideli kristalai, į juos įtraukus aplinkinių molekules. Jei šis procesas bus ribotas, net jei temperatūra žemesnė nei Tc, skystis išliks nepakitęs, kaip nutinka mažyčiams lašeliams, kurie sudaro ir padaro debesis matomus danguje.

Visi peršaldyti skysčiai yra metastabilūs, tai yra, jie yra jautrūs mažiausiems išorės trikdžiams. Pvz., Jei į juos įdėsite nedidelį ledo gabalėlį ar šiek tiek papurtysite, jie akimirksniu užšąla, o tai yra įdomus ir lengvas eksperimentas.

Kietėjimo pavyzdžiai

Nors pati žolė nėra kieta medžiaga, ji yra kietėjimo proceso aušinant pavyzdys.

- Lydytas stiklas yra naudojamas kuriant ir projektuojant daugelį objektų, kurie po aušinimo išlaiko savo galutines apibrėžtas formas.

- Tiesiog kai burbulas užšaldo, kai liečiasi su sniegu, soda butelis gali būti atliekamas tokiu pačiu būdu; o jei jis yra per aušinamas, jis greitai užšąla.

- Kai lava iškyla iš ugnikalnių, dengiančių jų kraštus ar žemės paviršių, kietėja, kai praranda temperatūrą, kol virsta svetimomis uolienomis.

-Kiaušiniai ir pyragai kietėja padidėjus temperatūrai. Panašiai tai daro nosies gleivinė, bet dėl ​​dehidratacijos. Kitas pavyzdys taip pat gali būti dažuose ar klijuose.

Tačiau reikia pažymėti, kad pastaraisiais atvejais kietėjimas neįvyksta kaip aušinimo produktas. Todėl tai, kad skystis sukietėja, nebūtinai reiškia, kad jis užšąla (tai nemažina jo temperatūros); bet kai skystis užšąla, jis galutinai sukietėja.

Kiti:

- Vandens pavertimas ledu: tai vyksta 0 ° C temperatūroje, susidarant ledui, sniegui ar ledynams.

- Žvakių vaškas, kuris ištirpsta kartu su liepsna ir vėl sukietėja.

- Maisto produktų užšaldymas jo išsaugojimui: tokiu atveju vandens molekulės užšaldomos mėsos ar daržovių ląstelėse.

- Stiklo pūtimas: jis ištirpsta, kad suteiktų jam formą, o vėliau sukietėja.

- Ledų gamyba: jie dažniausiai būna pieno produktai, kurie sukietėja.

- gaunant karamelę, ištirpintą ir sukietintą cukrų.

- Sviestas ir margarinas yra kietos riebalų rūgštys.

- Metalurgija: gaminant luitus ar sijas ar tam tikrų metalų konstrukcijas.

- Cementas yra kalkakmenio ir molio mišinys, kuris, sumaišytas su vandeniu, turi savybę kietėti.

- Gaminant šokoladą kakavos milteliai sumaišomi su vandeniu ir pienu, kurie džiovinant sukietėja.

Nuorodos

1. Whittenas, Davisas, Peckas ir Stanley. Chemija. (8-asis leidimas). CENGAGE mokymasis, p. 448, 467.
2. Vikipedija. (2018 m.). Užšalimas. Paimta iš: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (2008 m. Gegužės 16 d.). Kietėjimas. . Paimta iš: infohost.nmt.edu/
4. Lydymas ir kietėjimas. Paimta iš: juntadeandalucia.es
5. Daktaras Carteris. Lydytuvo kietėjimas. Paimta iš: itc.gsw.edu/
6. Eksperimentinis superšaldymo paaiškinimas: kodėl vanduo neužšąla debesyse. Paimta iš: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018 m. Birželio 22 d.). Kietėjimo apibrėžimas ir pavyzdžiai. Paimta iš: thinkco.com