SZILÁRDULÁS: MEGSZILÁRDULÁSI PONT ÉS PÉLDÁK - KÉMIA - 2026

A megszilárdulás olyan folyadék, amely megváltozik, amikor átjut a szilárd fázisba. A folyadék lehet tiszta anyag vagy keverék. Hasonlóképpen, a változás oka lehet a hőmérséklet csökkenése vagy egy kémiai reakció eredményeként.

Hogyan magyarázható ez a jelenség? Vizuálisan a folyadék megkövesedett megkövessé válik vagy megszilárdul, és arra a pontra válik, hogy abbahagyja a szabad áramlást. A megszilárdulás azonban valójában egy olyan lépésből álló sorozatból áll, amelyek mikroszkopikus skálán lépnek fel.

Forrás: Pixabay

A megszilárdulásra példa a folyadék buborék, amely lefagy. A fenti képen látható, hogy egy buborék mikor fagy le, amikor a hóval érintkezik. Mi a buborék része, amely megszilárdulni kezd? Az, amely közvetlen kapcsolatban van a hóval. A hó támaszként szolgál, amelyen a buborék molekulái lerakódhatnak.

A megszilárdulás gyorsan elindul a buborék alján. Ez látható az "üvegezett fenyőkben", amelyek kiterjednek az egész felületre. Ezek a fenyők a kristályok növekedését tükrözik, amelyek nem más, mint a molekulák rendezett és szimmetrikus elrendezései.

A megszilárduláshoz a folyadék részecskéit úgy kell elrendezni, hogy kölcsönhatásba lépjenek egymással. Ezek a kölcsönhatások egyre erősebbé válnak, amikor a hőmérséklet csökken, ami befolyásolja a molekuláris kinetikát; vagyis lelassulnak és a kristály részévé válnak.

Ezt a folyamatot kristályosításnak nevezik, és egy mag (kis részecskék aggregátuma) és egy hordozó jelenléte felgyorsítja ezt a folyamatot. Miután a folyadék kristályosodott, azt mondják, hogy megszilárdult vagy fagyott.

Szilárdulási entalpia

Nem minden anyag megszilárdul ugyanazon a hőmérsékleten (vagy ugyanazon kezelés alatt). Néhányan szobahőmérsékleten "lefagy", például magas olvadású szilárd anyagok. Ez a szilárd vagy folyékony részecskék típusától függ.

A szilárd anyagban erősen kölcsönhatásba lépnek, és a térben rögzített helyzetben rezegnek, mozgásmentesség nélkül és meghatározott térfogat mellett, míg a folyadékban képesek számos olyan rétegként mozogni, amelyek egymás felett mozognak, elfoglalva a tároló, amely tartalmazza.

A szilárd anyagnak hőenergiára van szüksége ahhoz, hogy átjuthasson a folyékony fázisba; más szavakkal, hőre van szüksége. Hőt kap a környezetéből, és a legkisebb mennyiséget, amelyet abszorbeál az első csepp folyadék előállításához, látens fúziós hőnek (ΔHf) hívják.

Másrészt a folyadéknak hőt kell kibocsátania a környezetéhez annak érdekében, hogy molekuláit rendezze és a szilárd fázisba kristályosodjon. A felszabadult hő ezután a megszilárdulás vagy fagyasztás látens hője (ΔHc). Mind ΔHf, mind ΔHc nagyságrendben azonos, de ellentétes irányokkal; az első pozitív, a második pedig negatív.

Miért marad a hőmérséklet állandó megszilárdulással?

Egy bizonyos ponton a folyadék fagyni kezd, és a hőmérő leolvassa a T hőmérsékletet. Mindaddig, amíg a folyadék nem teljesen megszilárdult, a T állandó marad. Mivel az ΔHc negatív jellel rendelkezik, egy exoterm folyamatból áll, amely hőt bocsát ki.

Ezért a hőmérő leolvassa a folyadék által a fázisváltás során kibocsátott hőt, ellentétes a beállított hőmérséklet-csökkenéssel. Például, ha a folyadékot tartalmazó tartályt jégfürdőbe helyezik. Így a T nem csökken, amíg a megszilárdulás teljesen befejeződik.

Milyen egységek kísérik ezeket a hőméréseket? Általában kJ / mol vagy J / g. Ezeket a következőképpen értelmezzük: kJ vagy J az a hőmennyiség, amelyet 1 mol folyadék vagy 1 g szükséges ahhoz, hogy lehűtse vagy megszilárduljon.

Például víz esetében az ΔHc 6,02 kJ / mol. Vagyis 1 mol tiszta víznek 6,02 kJ hőt kell kibocsátania ahhoz, hogy fagyjon, és ez a hő tartja állandó hőmérsékletet a folyamatban. Hasonlóképpen, 1 mol jégnek 6,02 kJ hőt kell elnyelnie az olvadáshoz.

Megkeményedési pont

A folyamat pontos hőmérséklete megszilárdulási pontnak (Tc) nevezzük. Ez az összes anyagban változik, attól függően, hogy milyen erős molekulaközi kölcsönhatásuk van a szilárd anyagban.

A tisztaság szintén fontos változó, mivel egy szennyezett szilárd anyag nem szilárdul meg ugyanolyan hőmérsékleten, mint a tiszta. Ezt úgy hívják, hogy csökken a fagypont. Az anyag megszilárdulási pontjainak összehasonlításához referenciaként kell használni azt, amely a lehető legtisztább.

Ugyanez nem alkalmazható az oldatokra, mint a fémötvözetek esetében. A megszilárdulási pontok összehasonlításához mérlegelni kell az egyenlő tömegű keverékeket; vagyis az alkotóelemek azonos koncentrációjával.

Természetesen a megszilárdulási pont nagy tudományos és technológiai érdeklődést mutat az ötvözetek és más anyagfajták tekintetében. Ennek oka az, hogy az idő és a lehűlés módjának szabályozásával elérhetik néhány kívánatos fizikai tulajdonságot, vagy elkerülhetők az adott alkalmazásra alkalmatlan tulajdonságok.

Ezért ennek a koncepciónak a megértése és tanulmányozása nagy jelentőséggel bír a kohászatban és ásványtanban, valamint minden más tudományban, amely megérdemli az anyag előállítását és jellemzését.

Szilárdulás és olvadáspont

Elméletileg a Tc-nek meg kell egyeznie a hőmérséklettel vagy az olvadásponttal (Tf). Ez azonban nem mindig igaz minden anyagra. Ennek fő oka az, hogy első pillantásra a szilárd molekulákat könnyebb összekeverni, mint a folyékonyokat megrendelni.

Ezért a gyakorlatban előnyös a Tf-t használni a vegyület tisztaságának kvalitatív mérésére. Például, ha egy X vegyületnek sok szennyeződése van, akkor Tf-je nagyobb távolságra van a tiszta X képletétől, mint a nagyobb tisztaságú.

Molekuláris rendezés

Ahogy eddig elmondták, a megszilárdulás kristályosodáshoz vezet. Bizonyos anyagok, tekintettel molekuláik jellegére és kölcsönhatásukra, nagyon alacsony hőmérsékletet és magas nyomást igényelnek, hogy megszilárduljanak.

Például folyékony nitrogént -196ºC alatti hőmérsékleten kapunk. Az megszilárdul, arra lenne szükség, hogy hűtsük le a további, vagy növelje a nyomást rá, így kényszerítve a N ₂ molekula csoportba együtt létre sejtmagok kristályosodás.

Ugyanez vonatkozik más gázokra: oxigén, argon, fluor, neon, hélium; és ami a legszélsőségesebb, a hidrogén, amelynek szilárd fázisa nagy érdeklődést váltott ki a lehetséges példa nélküli tulajdonságai miatt.

Másrészről a legismertebb eset a szárazjég, amely nem más, mint a szén-dioxid , amelynek fehér gőzei a légköri nyomáson történő szublimációnak tudhatók be. Ezeket arra használták, hogy újból felépítsék a ködöt a színpadon.

Ahhoz, hogy egy vegyület megszilárduljon, nemcsak a Tc-től függ, hanem a nyomástól és más változóktól is. Minél kisebbek a molekulák (H ₂) és annál gyengébb a kölcsönhatásuk, annál nehezebb őket szilárd állapotba jutni.

túlhűtés

A folyadék, akár anyag, akár keverék, a megszilárdulási hőmérsékleten kezd fagyni. Bizonyos körülmények között (például nagy tisztaságú, lassú hűtési idő vagy nagyon energikus környezet) a folyadék fagyás nélkül képes alacsonyabb hőmérsékletet elviselni. Ezt nevezzük szuperhűtésnek.

Még mindig nincs abszolút magyarázat a jelenségre, de az elmélet alátámasztja, hogy mindazon változók, amelyek megakadályozzák a kristályosodási magok növekedését, elősegítik a túlhűtést.

Miért? Mivel a magokból nagy kristályok képződnek, miután a környezetükből molekulákat adtak hozzájuk. Ha ez a folyamat korlátozott, akkor is, ha a hőmérséklet Tc alatt van, a folyadék változatlan marad, amint ez történik az apró cseppekkel, amelyek felépítik és felhőket látnak az égen.

Az összes túlhűtött folyadék metastabilis, azaz érzékeny a legkisebb külső zavarra. Például, ha egy kis jégdarabot ad hozzá hozzájuk, vagy egy kicsit rázza meg, akkor azonnal megfagynak, ami szórakoztató és egyszerű kísérlet.

Példák a megszilárdulásra

- Noha önmagában nem szilárd anyag, a zselatin a hűtéssel történő megszilárdulási folyamat egyik példája.

Az olvasztott üveget sok olyan tárgy létrehozására és tervezésére használják, amelyek lehűlés után megtartják a véglegesen meghatározott alakjukat.

- Csak akkor, amikor a buborék hóval érintkezve megfagy, a szódaüveg ugyanezen a folyamaton megy keresztül; és ha túlhűtjük, akkor a fagyás azonnal megtörténik.

-Ha a láva kilép a vulkánokból, amelyek lefedik éleiket vagy a föld felszínét, akkor megszilárdul, amikor hőmérséklete lecsökken, és idegen kőzetekké válik.

-A héjak és sütemények megszilárdulnak a hőmérséklet emelkedésével. Hasonlóan az orr nyálkahártya is, de a kiszáradás miatt. Egy másik példa a festékben vagy a ragasztóban is megtalálható.

Meg kell azonban jegyezni, hogy az utóbbi esetekben a megszilárdulás nem fordul elő hűtés eredményeként. Ezért az a tény, hogy egy folyadék megszilárdul, nem feltétlenül jelenti azt, hogy fagyos (nem csökkenti jelentősen a hőmérsékletét); de amikor egy folyadék lefagy, megszilárdul.

Egyéb:

- A víz jéggé történő átalakulása: ez 0 ° C-on történik, jég, hó vagy jégkockák képződésével.

- A gyertyaviasz, amely megolvad a lánggal és újra megszilárdul.

- Élelmiszer fagyasztása megőrzése céljából: ebben az esetben a vízmolekulákat fagyasztják be a hús- vagy zöldségcellákban.

- Üvegfúvás: ez megolvad, hogy alakját kapja, majd megszilárdul.

- Fagylalt előállítása: általában tejipari termékek, amelyek megszilárdulnak.

- Karamell előállításakor, amely olvadt és megszilárdult cukor.

- A vaj és a margarin szilárd zsírsavak.

- Kohászat: egyes fémek rúdjainak vagy gerendáinak vagy szerkezetének előállításakor.

- A cement mészkő és agyag keveréke, amely vízzel keverve megkeményedik.

- A csokoládé gyártása során a kakaóport keverték vízzel és tejjel, amelyek szárításukkor megszilárdulnak.

Irodalom

1. Whitten, Davis, Peck és Stanley. Kémia. (8. kiadás). CENGAGE Learning, 448., 467. o.
2. Wikipedia. (2018). Fagyasztó. Forrás: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (2008. május 16). A megszilárdulás.. Feltöltve: infohost.nmt.edu/
4. Olvadás és megszilárdulás. Feltöltve: juntadeandalucia.es
5. Dr. Carter. Olvadás megszilárdulása. Feltöltve: itc.gsw.edu/
6. A szuperhűtés kísérleti magyarázata: miért nem fagy le a víz a felhőkben? Forrás: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (2018. június 22.). A megszilárdulás meghatározása és példák. Forrás: gondolat.com