TUHNUTIE: BOD TUHNUTIA A PRÍKLADY - CHÉMIA - 2026

Tuhnutia je kvapalina, ktorá podlieha zmene, keď sa prechádza na pevnej fáze. Kvapalinou môže byť čistá látka alebo zmes. Podobne môže byť zmena spôsobená poklesom teploty alebo v dôsledku chemickej reakcie.

Ako je možné tento jav vysvetliť? Z vizuálneho hľadiska sa kvapalina začne zhlukovať alebo stvrdnúť do tej miery, že prestane voľne prúdiť. Avšak tuhnutie v skutočnosti pozostáva z radu krokov, ktoré sa vyskytujú na mikroskopických mierkach.

Zdroj: Pixabay

Príkladom tuhnutia je tekutá bublina, ktorá zamrzne. Na obrázku vyššie môžete vidieť, ako sa bublina zamrzne pri kontakte so snehom. Aká je časť bubliny, ktorá začína tuhnúť? Ten, ktorý je v priamom kontakte so snehom. Sneh funguje ako podpora, na ktorej sa môžu usadiť molekuly bubliny.

Tuhnutie sa rýchlo spustí zo spodnej časti bubliny. To je vidieť na „glazovaných boroviciach“, ktoré sa rozkladajú tak, aby pokrývali celý povrch. Tieto borovice odrážajú rast kryštálov, ktoré nie sú nič iné ako usporiadané a symetrické usporiadanie molekúl.

Aby mohlo dôjsť k stuhnutiu, je potrebné, aby častice kvapaliny boli usporiadané takým spôsobom, že vzájomne interagujú. Tieto interakcie sa zosilňujú, keď teplota klesá, čo ovplyvňuje molekulárnu kinetiku; to znamená, že spomaľujú a stávajú sa súčasťou kryštálu.

Tento proces je známy ako kryštalizácia a prítomnosť jadra (malé agregáty častíc) a nosiča tento proces urýchľuje. Akonáhle kvapalina vykryštalizuje, potom sa tvrdí, že stuhla alebo zamrzla.

Entalpia tuhnutia

Nie všetky látky tuhnú pri rovnakej teplote (alebo pri rovnakom spracovaní). Niektorí dokonca „mrznú“ nad izbovou teplotou, ako sú pevné látky s vysokou teplotou topenia. Závisí to od typu častíc, ktoré tvoria pevnú látku alebo tekutinu.

V pevnej látke tieto silno interagujú a zostávajú vibrujúce v stálych polohách v priestore, bez slobody pohybu a s definovaným objemom, zatiaľ čo v kvapaline majú schopnosť pohybovať sa ako početné vrstvy, ktoré sa pohybujú jeden cez druhého a zaberajú objem kontajner, ktorý ho obsahuje.

Tuhá látka potrebuje tepelnú energiu na prechod do kvapalnej fázy; inými slovami, potrebuje teplo. Z jeho okolia získava teplo a najmenšie množstvo, ktoré absorbuje, aby vytvoril prvú kvapku kvapaliny, sa nazýva latentné teplo fúzie (ΔHf).

Na druhej strane musí tekutina uvoľňovať teplo do svojho okolia, aby si mohla objednať svoje molekuly a kryštalizovať do tuhej fázy. Uvoľnené teplo je potom latentným teplom tuhnutia alebo mrazu (ΔHc). ΔHf aj ΔHc sú si rovné, ale majú opačné smery; prvý má kladné znamenie a druhý záporné znamenie.

Prečo zostáva teplota pri tuhnutí konštantná?

V určitom okamihu tekutina začne zamrznúť a teplomer ukazuje teplotu T. Pokiaľ kvapalina úplne neztuhne, T zostáva konštantný. Pretože ΔHc má záporné znamenie, pozostáva z exotermického procesu, ktorý uvoľňuje teplo.

Preto bude teplomer odčítavať teplo odovzdávané kvapalinou počas jej fázovej zmeny, pôsobiace proti uloženému poklesu teploty. Napríklad, ak sa nádoba, ktorá obsahuje tekutinu, vloží do ľadového kúpeľa. T teda neklesá, kým stuhnutie nie je úplne dokončené.

Aké jednotky tieto merania tepla sprevádzajú? Zvyčajne kJ / mol alebo J / g. Vykladajú sa takto: kJ alebo J je množstvo tepla potrebné na 1 mól kvapaliny alebo 1 g, aby bolo možné ochladiť alebo stuhnúť.

Napríklad v prípade vody sa AHc rovná 6,02 kJ / mol. To znamená, že 1 mol čistej vody musí uvoľniť 6,02 kJ tepla, aby zamrzlo, a toto teplo udržiava konštantnú teplotu v tomto procese. Podobne musí 1 mol ľadu absorbovať 6,02 kJ tepla na roztavenie.

Bod tuhnutia

Presná teplota, pri ktorej proces prebieha, je známa ako bod tuhnutia (Tc). To sa líši vo všetkých látkach v závislosti od toho, ako silné sú ich intermolekulárne interakcie v pevnej látke.

Čistota je tiež dôležitou premennou, pretože nečistá tuhá látka neztuhne pri rovnakej teplote ako čistá. Toto je známe ako zníženie teploty tuhnutia. Na porovnanie bodov tuhnutia látky je potrebné použiť ako referenciu ten, ktorý je čo najčistejší.

To isté však nemožno uplatniť na roztoky, ako v prípade kovových zliatin. Na porovnanie ich bodov tuhnutia sa musia vziať do úvahy zmesi s rovnakým hmotnostným pomerom; to znamená s rovnakými koncentráciami jeho zložiek.

Bod tuhnutia má určite veľký vedecký a technologický význam, pokiaľ ide o zliatiny a iné druhy materiálov. Je to tak preto, že kontrolou času a spôsobu, ako sú ochladené, sa môžu získať niektoré požadované fyzikálne vlastnosti alebo sa dá vyhnúť tým, ktoré sú pre danú aplikáciu nevhodné.

Z tohto dôvodu má pochopenie a štúdium tohto konceptu veľký význam v metalurgii a mineralógii, ako aj v akejkoľvek inej vede, ktorá si zaslúži výrobu a charakterizáciu materiálu.

Pevnosť a teplota topenia

Teoreticky by sa Tc malo rovnať teplote alebo teplote topenia (Tf). To však neplatí vždy pre všetky látky. Hlavný dôvod je ten, že na prvý pohľad je ľahšie zkaziť pevné molekuly ako objednať tekuté molekuly.

Preto je v praxi výhodné použiť Tf na kvalitatívne meranie čistoty zlúčeniny. Napríklad, ak zlúčenina X má veľa nečistôt, potom bude jej Tf vzdialenejšia od čistej X v porovnaní s tými, ktoré majú vyššiu čistotu.

Molekulárne usporiadanie

Ako už bolo povedané, tuhnutie pokračuje kryštalizáciou. Niektoré látky, vzhľadom na povahu ich molekúl a ich vzájomné pôsobenie, vyžadujú na tuhnutie veľmi nízke teploty a vysoké tlaky.

Napríklad tekutý dusík sa získa pri teplotách pod -196 ° C. Ak ho chcete spevniť, že by bolo nutné ho ďalej ochladiť, alebo zvýšenie tlaku na neho, a tým núti N ₂ molekuly do skupín dohromady, aby vytvorili jadra kryštalizácie.

To isté sa dá vziať do úvahy pre ďalšie plyny: kyslík, argón, fluór, neón, hélium; a pre najextrémnejší zo všetkých je to vodík, ktorého pevná fáza priťahuje veľký záujem o jeho možné bezprecedentné vlastnosti.

Na druhej strane najznámejším prípadom je suchý ľad, ktorý nie je ničím iným ako CO2 _, ktorého biele pary sú spôsobené jeho sublimáciou pri atmosférickom tlaku. Používajú sa na obnovenie zákalu na javisku.

Pre tuhnutie zlúčeniny nezávisí iba od Tc, ale aj od tlaku a ďalších premenných. Menšie molekuly (H ₂ ) a slabšie ich interakcie, tým ťažšie bude dostať ich do pevného stavu.

podchladenie

Kvapalina, či už ide o látku alebo zmes, začne pri teplote tuhnutia tuhnúť. Avšak za určitých podmienok (ako je vysoká čistota, pomalý čas chladenia alebo veľmi energetické prostredie) môže kvapalina tolerovať nižšie teploty bez zamrznutia. Toto sa nazýva podchladenie.

Stále neexistuje absolútne vysvetlenie tohto fenoménu, ale teória podporuje, že všetky tie premenné, ktoré bránia rastu kryštalizačných jadier, podporujú podchladenie.

Prečo? Pretože z jadier vznikajú veľké kryštály po pridaní molekúl z okolia do nich. Ak je tento proces obmedzený, aj keď je teplota pod Tc, tekutina zostane nezmenená, ako sa to stane s malými kvapkami, ktoré tvoria a vytvárajú oblaky viditeľné na oblohe.

Všetky podchladené kvapaliny sú metastabilné, to znamená, že sú citlivé na najmenšie vonkajšie rušenie. Napríklad, ak k nim pridáte malý kúsok ľadu alebo ich trochu zatrasiete, okamžite zamrznú, čo je zábavný a ľahký experiment.

Príklady tuhnutia

- Aj keď to nie je samotná pevná látka, želatína je príkladom procesu tuhnutia ochladením.

-Tavené sklo sa používa na vytváranie a navrhovanie mnohých objektov, ktoré po ochladení si zachovajú svoje konečné definované tvary.

- Len keď bublina pri styku so snehom stuhla, fľaša na sódu môže podstúpiť rovnaký proces; a ak je podchladený, jeho zmrazenie bude okamžité.

- Keď sa láva vynára zo sopiek pokrývajúcich ich okraje alebo zemský povrch, tuhne, keď stráca teplotu, až sa stáva vyvierajúcimi horninami.

-Gg a koláče stuhnú so zvýšením teploty. Podobne to robí aj nosná sliznica, ale kvôli dehydratácii. Ďalší príklad možno nájsť aj vo farbách alebo lepidlách.

Malo by sa však poznamenať, že k tuhnutiu nedochádza v posledne uvedených prípadoch ako produkt chladenia. Preto skutočnosť, že kvapalina tuhne, neznamená nevyhnutne, že zamrzne (neznižuje výrazne svoju teplotu); ale keď kvapalina zamrzne, nakoniec stuhne.

Ostatné:

- Premena vody na ľad: dochádza k nemu pri 0 ° C za vzniku ľadu, snehu alebo ľadovcových kociek.

- Sviečkový vosk, ktorý sa topí s plameňom a znova stuhne.

- Zmrazovanie potravín na jeho konzerváciu: v tomto prípade sú molekuly vody v bunkách mäsa alebo zeleniny zmrazené.

- Vyfukovanie skla: roztaví sa, čím sa získa tvar a potom stuhne.

- Výroba zmrzliny: vo všeobecnosti ide o mliečne výrobky, ktoré stuhnú.

- Pri získavaní karamelu, ktorý je roztavený a stužený cukor.

- Maslo a margarín sú mastné kyseliny v pevnom stave.

- Metalurgia: pri výrobe ingotov alebo lúčov alebo štruktúr určitých kovov.

- Cement je zmesou vápenca a ílu, ktoré po zmiešaní s vodou majú vlastnosti tvrdnutia.

- Pri výrobe čokolády sa kakaový prášok zmieša s vodou a mliekom, ktoré po vysušení stuhne.

Referencie

1. Whitten, Davis, Peck a Stanley. Chémia. (8. vydanie). CENGAGE Learning, s. 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Zmrazenie. Prevzaté z: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (16. mája 2008). Tuhnutia. , Prevzaté z: infohost.nmt.edu/
4. Fúzia a solidifikácia. Prevzaté z: juntadeandalucia.es
5. Carter. Tuhnutie taveniny. Prevzaté z: itc.gsw.edu/
6. Experimentálne vysvetlenie podchladenia: prečo voda v mrakoch nezamŕza. Prevzaté z: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. júna 2018). Definícia a príklady solidifikácie. Prevzaté z: thinkco.com