Erstarrungsverfestigungspunkt und Beispiele

Die Erstarrung es ist die Veränderung, die eine Flüssigkeit erfährt, wenn sie in die feste Phase übergeht. Die Flüssigkeit kann eine reine Substanz oder eine Mischung sein. Die Änderung kann auch auf einen Temperaturabfall oder auf eine chemische Reaktion zurückzuführen sein.

Wie kann dieses Phänomen erklärt werden? Visuell beginnt die Flüssigkeit zu versteinern oder zu verhärten, bis zu dem Punkt, an dem sie nicht mehr frei fließt. Die Erstarrung besteht jedoch tatsächlich aus einer Reihe von Schritten, die auf mikroskopischen Skalen auftreten.

Ein Beispiel für eine Verfestigung ist eine Flüssigkeitsblase, die gefriert. Im Bild oben sehen Sie, wie eine Blase beim Auftreffen auf den Schnee gefriert. Was ist der Teil der Blase, der sich zu verfestigen beginnt? Das, was in direktem Kontakt mit dem Schnee steht. Der Schnee fungiert als Stütze, auf der die Moleküle der Blase untergebracht werden können.

Die Verfestigung wird vom Boden der Blase aus schnell ausgelöst. Dies zeigt sich in den "Glaskiefern", die sich über die gesamte Fläche erstrecken. Diese Kiefern spiegeln das Wachstum von Kristallen wider, die nichts anderes als geordnete und symmetrische Anordnungen der Moleküle sind.

Damit eine Verfestigung stattfinden kann, ist es notwendig, dass die Partikel der Flüssigkeit so angeordnet werden können, dass sie miteinander interagieren. Diese Wechselwirkungen werden stärker, wenn die Temperatur abnimmt, was die molekulare Kinetik beeinflusst; das heißt, sie werden langsamer und werden Teil des Kristalls.

Dieser Prozess wird als Kristallisation bezeichnet, und die Anwesenheit eines Kerns (kleiner Partikelaggregate) und eines Trägers beschleunigt diesen Prozess. Sobald die Flüssigkeit kristallisiert ist, wird gesagt, dass sie erstarrt oder gefroren ist.

Index

• 1 Enthalpie der Erstarrung
  • 1.1 Warum bleibt die Temperatur in der Erstarrung konstant?
• 2 Gefrierpunkt
  • 2.1 Erstarrung und Schmelzpunkt
  • 2.2 Molekulare Ordnung
• 3 Unterkühlung
• 4 Beispiele für die Erstarrung
• 5 Referenzen

Enthalpie der Erstarrung

Nicht alle Stoffe verfestigen sich bei gleicher Temperatur (oder unter der gleichen Behandlung). Einige "frieren" sogar oberhalb der Raumtemperatur ein, wie dies bei Festkörpern mit hohem Schmelzpunkt der Fall ist. Dies hängt von der Art der Partikel ab, aus denen der Feststoff oder die Flüssigkeit besteht.

Im Festkörper interagieren sie stark und bleiben in festen Positionen des Raumes, ohne Bewegungsfreiheit und mit einem definierten Volumen, vibrieren, während sie sich in der Flüssigkeit wie zahlreiche übereinander bewegte Schichten bewegen, die das Volumen des Körpers einnehmen Container, der es enthält.

Der Feststoff benötigt thermische Energie, um in die flüssige Phase überzugehen; Mit anderen Worten, es braucht Wärme. Die Wärme wird von seiner Umgebung erhalten, und die minimale Menge, die absorbiert, um den ersten Flüssigkeitstropfen zu erzeugen, ist als latente Schmelzwärme (ΔHf) bekannt.

Auf der anderen Seite muss die Flüssigkeit Wärme an ihre Umgebung abgeben, um ihre Moleküle anzuordnen und in der festen Phase zu kristallisieren. Die freigesetzte Wärme ist dann die latente Wärme der Verfestigung oder des Gefrierens (ΔHc). Sowohl ΔHf als auch ΔHc sind gleich groß, aber mit entgegengesetzten Richtungen; der erste hat ein positives Vorzeichen und das zweite ein negatives Vorzeichen.

Warum bleibt die Temperatur in der Erstarrung konstant?

Zu einem bestimmten Zeitpunkt beginnt die Flüssigkeit zu gefrieren, und das Thermometer markiert eine Temperatur T. Während diese nicht vollständig erstarrt ist, bleibt T konstant. Da ΔHc ein negatives Vorzeichen hat, besteht es aus einem exothermen Prozess, der Wärme freisetzt.

Daher liest das Thermometer die Wärme ab, die von der Flüssigkeit während ihres Phasenwechsels abgegeben wird, und wirkt dem Temperaturabfall entgegen. Zum Beispiel, wenn Sie den Behälter mit der Flüssigkeit in ein Eisbad legen. Daher nimmt T nicht ab, bis die Verfestigung vollständig abgeschlossen ist.

Welche Einheiten begleiten diese Wärmemessungen? Normalerweise kJ / mol oder J / g. Diese werden wie folgt interpretiert: kJ oder J ist die Wärmemenge, die 1 Mol Flüssigkeit oder 1 g benötigt, um abkühlen oder erstarren zu können.

Für den Fall von Wasser ist beispielsweise ΔHc gleich 6,02 kJ / mol. Das heißt, 1 Mol reines Wasser muss 6,02 kJ Wärme freisetzen, um gefrieren zu können, und diese Wärme hält die Temperatur während des Prozesses konstant. In ähnlicher Weise muss 1 Mol Eis 6,02 kJ Wärme zum Schmelzen absorbieren.

Erstarrungspunkt

Bei der genauen Temperatur, bei der der Prozess stattfindet, ist dies als Erstarrungspunkt (Tc) bekannt. Es variiert in allen Substanzen, abhängig davon, wie stark ihre intermolekularen Wechselwirkungen im Feststoff sind.

Reinheit ist auch eine wichtige Variable, da ein unreiner Feststoff nicht bei der gleichen Temperatur wie ein reiner erstarrt. Das Obige ist bekannt als Gefrierpunkt fallen. Um die Erstarrungspunkte einer Substanz zu vergleichen, ist es notwendig, als Referenz die möglichst reine zu verwenden.

Dies gilt jedoch nicht für Lösungen wie bei Metalllegierungen.Zum Vergleich ihrer Erstarrungspunkte sollten Mischungen mit gleichen Massenanteilen in Betracht gezogen werden; das heißt mit identischen Konzentrationen seiner Komponenten.

Sicherlich ist der Erstarrungspunkt von großem wissenschaftlichem und technologischem Interesse für Legierungen und andere Materialarten. Dies liegt daran, durch Steuern der Zeit und wie sie abgekühlt sind, können einige wünschenswerte physikalische Eigenschaften erhalten werden oder ungeeignet für bestimmte Anwendung zu vermeiden.

Aus diesem Grunde ist das Verständnis und das Studium dieses Begriffs von großer Bedeutung in der Metallurgie und Mineralogie sowie jede anderen Wissenschaft, die ein Material herzustellen und zu charakterisieren verdient.

Erstarrung und Schmelzpunkt

Theoretisch sollte Tc gleich der Temperatur oder dem Schmelzpunkt (Tf) sein. Dies gilt jedoch nicht immer für alle Substanzen. Der Hauptgrund ist, weil auf dem ersten Blick einfaches Scramble-Molekül ist solide Art der Flüssigkeit.

Daher ist es in der Praxis bevorzugt, auf Tf zurückzugreifen, um die Reinheit einer Verbindung qualitativ zu messen. wenn eine Verbindung X viele Verunreinigungen zum Beispiel, hat, dann die Tf weiter entfernt von der X reiner Vergleich zu anderer höherer Reinheit.

Molekulare Ordnung

Wie bis jetzt gesagt wurde, schreitet die Erstarrung zur Kristallisation fort. Einige Substanzen erfordern aufgrund der Art ihrer Moleküle und ihrer Wechselwirkungen sehr niedrige Temperaturen und hohe Drücke, um sich zu verfestigen.

Zum Beispiel wird flüssiger Stickstoff bei Temperaturen unter -196ºC erhalten. Erstarren sie, kühlen sie würde weiter erfordern, oder erhöhen den Druck auf ihn auf, um dadurch die Moleküle N₂ sich zu Kristallisationskernen zusammenzuschließen.

Das Gleiche gilt für andere Gase: Sauerstoff, Argon, Fluor, Neon, Helium; und für das Ende von allem Wasserstoff, deren festen Phase hat für ihre potenziellen Eigenschaften beispiellos großes Interesse geweckt.

Auf der anderen Seite ist der bekannteste Fall der Trockeneis, das ist nichts anderes als CO₂ deren weiße Dämpfe sind auf die Sublimation derselben bei Atmosphärendruck zurückzuführen. Diese wurden verwendet, um Nebel in den Szenarien neu zu erstellen.

Die Erstarrung einer Verbindung hängt nicht nur von Tc ab, sondern auch vom Druck und anderen Variablen. Je kleiner die Moleküle (H₂) und je schwächer ihre Wechselwirkungen sind, desto schwieriger wird es, sie in den festen Zustand zu versetzen.

Überkühlung

Die Flüssigkeit, entweder eine Substanz oder ein Gemisch, beginnt bei der Temperatur am Erstarrungspunkt zu gefrieren. Jedoch kann unter bestimmten Bedingungen (wie hohe Reinheit, eine langsame Abkühlungszeit oder eine energiereichen Umgebung), kann die Flüssigkeit niedrigere Temperaturen tolerieren, ohne gefrieren. Dies nennt man Unterkühlung.

Es gibt immer noch keine vollständige Erklärung des Phänomens, aber die Theorie besagt, dass alle Variablen, die das Wachstum von Kristallisationskeimen fördern Kühlungs verhindern.

Warum? Weil große Kristalle aus den Kernen gebildet werden, nachdem ihnen umgebende Moleküle hinzugefügt wurden. Wenn dieser Prozess begrenzt ist, obwohl die Temperatur unterhalb von Tc ist, wird die Flüssigkeit unverändert bleiben, wie bei den winzigen Tröpfchen bilden und sichtbare Wolken am Himmel worden.

Alle unterkühlten Flüssigkeiten sind metastabil, dh sie sind anfällig für die geringste äußere Störung. Zum Beispiel werden, wenn diese ein kleines Stück Eis gegeben, und ihnen ein wenig schütteln, werden sie sofort einfrieren, was zu einem Spaß und einfach Experiment durchzuführen.

Erstarrungsbeispiele

Obwohl Gelatine kein Feststoff ist, ist sie ein Beispiel für einen Erstarrungsprozess durch Kühlung.

-Das geschmolzene Glas wird verwendet, um viele Objekte zu schaffen und zu entwerfen, die nach dem Abkühlen ihre endgültigen definierten Formen behalten.

- So wie die Blase beim Kontakt mit dem Schnee gefror, kann eine Flasche Soda denselben Prozess durchlaufen; und wenn es unterkühlt ist, wird es sofort eingefroren.

-Am Lava Vulkane bedecken die Kanten oder der Erdoberfläche entstehen, erstarrt es, wenn es Temperatur Eruptivgesteinen werden verliert.

- Die Eier und Kuchen erstarren mit einer Temperaturerhöhung. Ähnlich verhält es sich mit der Nasenschleimhaut, aber wegen Dehydration. Ein anderes Beispiel kann auch in Farben oder Leimen gefunden werden.

Es ist jedoch anzumerken, dass in den letzten Fällen keine Verfestigung durch Abkühlung auftritt. Daher ist die Tatsache, dass eine Flüssigkeit nicht notwendigerweise bedeuten, dass das Einfrieren verfestigt (nicht merklich seine Temperatur verringern); aber wenn eine Flüssigkeit gefriert, endet sie erstarrend.

Andere:

- Die Umwandlung von Wasser zu Eis: dies geschieht bei 0 ° C unter Bildung von Eiswürfeln, Schnee oder Eis.

- Das Kerzenwachs, das mit der Flamme schmilzt und wieder erstarrt.

- Das Einfrieren des Lebensmittels zu seiner Konservierung: In diesem Fall friert es die Wassermoleküle in den Zellen des Fleisches oder Gemüses ein.

- Glasblasen: es schmilzt, um es zu formen und dann erstarrt.

- Die Herstellung von Eiscreme: in der Regel sind sie Milchprodukte, die erstarren.

- Bei der Beschaffung der Süßigkeiten, die geschmolzen und erstarrter Zucker ist.

- Butter und Margarine sind Fettsäuren im festen Zustand.

- Metallurgie: bei der Herstellung von Barren oder Balken oder Strukturen bestimmter Metalle.

- Zement ist eine Mischung aus Kalkstein und Tonen, die bei Mischung mit Wasser die Eigenschaft hat, zu härten.

- Bei der Herstellung von Schokolade wird Kakaopulver mit Wasser und Milch vermischt, die sich nach dem Trocknen verfestigt.

Referenzen

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6. Experimentelle Erklärung der Unterkühlung: Warum gefriert kein Wasser in den Wolken? Genommen von: esrf.eu
7. Helmenstin, Anne Marie, Ph.D. (22. Juni 2018). Erstarrungsdefinition und Beispiele. Genommen von: thoughtco.com