SOLIDIFIKACE: BOD TUHNUTÍ A PŘÍKLADY - CHEMIE - 2025

Tuhnutí je kapalina, která podléhá změně, když se přechází na pevné fázi. Kapalinou může být čistá látka nebo směs. Stejně tak může být změna způsobena poklesem teploty nebo v důsledku chemické reakce.

Jak lze tento jev vysvětlit? Kapalina se vizuálně začne zkamenět nebo ztuhnout do té míry, že přestane volně proudit. Avšak tuhnutí ve skutečnosti sestává z řady kroků, ke kterým dochází na mikroskopických stupnicích.

Zdroj: Pixabay

Příkladem tuhnutí je tekutá bublina, která zamrzne. Na obrázku výše vidíte, jak bublina zmrzne při kontaktu se sněhem. Jaká část bubliny začíná tuhnout? Ten, který je v přímém kontaktu se sněhem. Sníh funguje jako podpora, na které se mohou molekuly bubliny usadit.

Solidifikace se rychle spouští ze spodní části bubliny. To je vidět na „prosklených borovicích“, které se rozprostírají tak, aby pokryly celou plochu. Tyto borovice odrážejí růst krystalů, které nejsou ničím jiným než uspořádaným a symetrickým uspořádáním molekul.

Aby došlo ke ztuhnutí, je nutné, aby částice kapaliny mohly být uspořádány takovým způsobem, aby vzájemně reagovaly. Tyto interakce se zesilují se snižováním teploty, což ovlivňuje molekulární kinetiku; to znamená, že zpomalují a stávají se součástí krystalu.

Tento proces je známý jako krystalizace a přítomnost jádra (malé agregáty částic) a podpora tento proces urychluje. Jakmile kapalina krystalizuje, pak se říká, že ztuhla nebo zmrzla.

Entalpie tuhnutí

Ne všechny látky ztuhnou při stejné teplotě (nebo při stejném zpracování). Někteří dokonce „mrazí“ nad pokojovou teplotu, jako jsou pevné látky s vysokou teplotou tání. Závisí to na typu částic, které tvoří pevnou látku nebo kapalinu.

V pevné látce silně interagují a zůstávají vibrující ve stálých polohách v prostoru, bez svobody pohybu a s definovaným objemem, zatímco v kapalině mají schopnost pohybovat se jako početné vrstvy, které se pohybují přes sebe a zabírají objem kontejner, který jej obsahuje.

Pevná látka vyžaduje tepelnou energii, aby prošla do kapalné fáze; jinými slovy, potřebuje teplo. Z jeho okolí získává teplo a nejmenší množství, které absorbuje, aby vytvořilo první kapku kapaliny, se nazývá latentní teplo fúze (ΔHf).

Na druhé straně, kapalina musí uvolňovat teplo do svého okolí, aby uspořádala své molekuly a krystalizovala do pevné fáze. Uvolněné teplo je pak latentní teplo tuhnutí nebo zmrazení (ΔHc). ΔHf a ΔHc jsou si rovny ve velikosti, ale s opačným směrem; první má kladné znamení a druhý záporné znamení.

Proč zůstává teplota při tuhnutí konstantní?

V určitém okamžiku začne kapalina mrznout a teploměr odečte teplotu T. Dokud kapalina úplně neztuhne, T zůstává konstantní. Protože ΔHc má negativní znamení, skládá se z exotermického procesu, který uvolňuje teplo.

Proto bude teploměr odečítat teplo uvolňované kapalinou během její fázové změny, působící proti uloženému poklesu teploty. Například pokud je nádoba, která obsahuje kapalinu, vložena do ledové lázně. T tedy neklesá, dokud není ztuhnutí úplně dokončeno.

Jaké jednotky doprovázejí tato měření tepla? Obvykle kJ / mol nebo J / g. Jsou interpretovány následovně: kJ nebo J je množství tepla potřebné k 1 molu kapaliny nebo 1 g, aby bylo možné ochladit nebo ztuhnout.

Například v případě vody se AHc rovná 6,02 kJ / mol. To znamená, že 1 mol čisté vody musí uvolnit 6,02 kJ tepla, aby zamrzlo, a toto teplo udržuje teplotu v tomto procesu konstantní. Podobně 1 mol ledu musí absorbovat 6,02 kJ tepla, které se má roztavit.

Bod tuhnutí

Přesná teplota, ve které proces probíhá, se nazývá 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 neztuhne při stejné teplotě jako čistá. Toto je známé jako snížení bodu mrazu. Pro porovnání bodů tuhnutí látky je nutné použít jako referenční ten, který je co nejčistší.

Totéž však nelze aplikovat na řešení, jako v případě kovových slitin. Pro porovnání jejich bodů tuhnutí je třeba zvážit směsi se stejnými hmotnostními proporcemi; to znamená, se stejnými koncentracemi jejích složek.

Bod tuhnutí má samozřejmě velký vědecký a technologický význam, pokud jde o slitiny a jiné druhy materiálů. Je tomu tak proto, že řízením času a způsobu, jakým jsou chlazeny, lze získat některé požadované fyzikální vlastnosti nebo se vyhnout těm nevhodným pro danou aplikaci.

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

Ztuhnutí a teplota tání

Teoreticky by se Tc mělo rovnat teplotě nebo teplotě tání (Tf). To však neplatí vždy pro všechny látky. Hlavním důvodem je to, že na první pohled je snazší zpevnit pevné molekuly než objednat kapalné.

Proto je v praxi výhodné použít Tf ke kvalitativnímu měření čistoty sloučeniny. Například, pokud má sloučenina X mnoho nečistot, pak bude její Tf daleko vzdálenější od nečistoty čistého X ve srovnání s jinou s vyšší čistotou.

Molekulární uspořádání

Jak již bylo řečeno, tuhnutí pokračuje krystalizací. Některé látky, vzhledem k povaze jejich molekul a jejich interakcím, vyžadují velmi nízké teploty a vysoké tlaky, aby ztuhly.

Například kapalný dusík se získá při teplotách pod -196 ° C. Chcete-li jej zpevnit, že by bylo nutné ho dále ochladit, nebo zvýšení tlaku na něj, a tím nutí N ₂ molekuly se shlukují k vytvoření krystalizačních jader.

Totéž lze vzít v úvahu pro další plyny: kyslík, argon, fluor, neon, helium; a pro nejextrémnější ze všech, vodík, jehož pevná fáze přitahuje velký zájem o jeho možné nebývalé vlastnosti.

Na druhé straně nejznámějším případem je suchý led, který není ničím jiným než CO2 , jehož bílé páry jsou způsobeny jeho sublimací za atmosférického tlaku. Byly použity k obnovení zákalu na jevišti.

Pro ztuhnutí sloučeniny nezávisí pouze na Tc, ale také na tlaku a dalších proměnných. Menší molekuly (H ₂) a slabší jejich interakce, tím obtížnější bude dostat je do pevného stavu.

Přechlazení

Kapalina, ať už jde o látku nebo směs, začne při teplotě v bodu tuhnutí zmrznout. Avšak za určitých podmínek (jako je vysoká čistota, pomalá doba chlazení nebo velmi energetické prostředí) může kapalina tolerovat nižší teploty bez zamrznutí. Tomu se říká supercooling.

Stále neexistuje absolutní vysvětlení tohoto jevu, ale teorie podporuje to, že všechny ty proměnné, které brání růstu krystalizačních jader, podporují podchlazení.

Proč? Protože z jádra vznikají velké krystaly po přidání molekul z okolí do nich. Pokud je tento proces omezený, i když je teplota pod Tc, kapalina zůstane nezměněna, jako se to stane s malými kapkami, které vytvářejí a zviditelňují mraky na obloze.

Všechny podchlazené kapaliny jsou metastabilní, to znamená, že jsou citlivé na sebemenší vnější rušení. Pokud například k nim přidáte malý kus ledu nebo ho trochu zatřepete, okamžitě zamrznou, což je zábavný a snadný experiment.

Příklady tuhnutí

- Ačkoli to není sama o sobě, želatina je příkladem procesu tuhnutí ochlazením.

-Tavené sklo se používá k vytváření a navrhování mnoha objektů, které po ochlazení si zachovají své konečné definované tvary.

- Stejně jako bublina ztuhla při kontaktu se sněhem, může se láhev sody podrobit stejnému procesu; a pokud je podchlazený, jeho zmrazení bude okamžité.

- Když se láva vynoří ze sopek zakrývajících jejich okraje nebo zemský povrch, tuhne, když ztrácí teplotu, dokud se nestane vyvřelými horninami.

-Ggs a dorty ztuhnou se zvýšením teploty. Také nosní sliznice to dělá, ale kvůli dehydrataci. Další příklad lze nalézt také v barvě nebo lepidlech.

Je však třeba poznamenat, že k tuhnutí nedochází v posledně uvedených případech jako produkt chlazení. Skutečnost, že kapalina ztuhne, tedy nutně neznamená, že zmrzne (významně nesnižuje teplotu); ale když kapalina zamrzne, nakonec ztuhne.

Ostatní:

- Přeměna vody na led: k tomu dochází při 0 ° C za vzniku ledu, sněhu nebo ledovcových kostek.

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

- Zmrazování potravin pro jeho uchování: v tomto případě jsou molekuly vody zmrazeny v buňkách masa nebo zeleniny.

- Foukání skla: to se roztaví, aby mu dalo tvar, a pak ztuhne.

- Výroba zmrzliny: obvykle jde o mléčné výrobky, které ztuhnou.

- Při získávání karamelu, který je roztavený a ztuhlý cukr.

- Máslo a margarin jsou mastné kyseliny v pevném stavu.

- Metalurgie: při výrobě ingotů nebo paprsků nebo struktur určitých kovů.

- Cement je směs vápence a jílu, která po smíchání s vodou má tuhost.

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

Reference

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. Chemie. (8. ed.). CENGAGE Learning, str. 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Zmrazení. Převzato z: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (16. května 2008). Solidifikace.. 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 mracích nezamrzne. Převzato z: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. června 2018). Definice a příklady solidifikace. Převzato z: thinkco.com