Erstarrungspunktverfestigung und Beispiele

2509
David Holt
Erstarrungspunktverfestigung und Beispiele

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

Wie kann dieses Phänomen erklärt werden? Optisch beginnt sich die Flüssigkeit zu versteinern oder zu verhärten, bis sie nicht mehr frei fließt. Die Verfestigung besteht jedoch tatsächlich aus einer Reihe von Schritten, die im mikroskopischen Maßstab auftreten..

Quelle: Pixabay

Ein Beispiel für die Verfestigung ist eine flüssige Blase, die gefriert. Im Bild oben sehen Sie, wie eine Blase bei Kontakt mit Schnee gefriert. Was ist der Teil der Blase, der sich zu verfestigen beginnt? Derjenige, der in direktem Kontakt mit dem Schnee steht. Der Schnee wirkt als Träger, auf dem die Moleküle der Blase untergebracht werden können..

Die Verfestigung wird schnell vom Boden der Blase aus ausgelöst. Dies ist an den "glasierten Kiefern" zu erkennen, die sich über die gesamte Oberfläche erstrecken. Diese Kiefern spiegeln das Wachstum von Kristallen wider, die nichts anderes als geordnete und symmetrische Anordnungen von Molekülen sind.

Damit eine Verfestigung stattfinden kann, müssen die Partikel der Flüssigkeit so angeordnet werden, dass sie miteinander interagieren. Diese Wechselwirkungen werden mit abnehmender Temperatur stärker, was sich auf die Molekülkinetik auswirkt. Das heißt, sie werden langsamer und werden Teil des Kristalls.

Dieser Prozess ist als Kristallisation bekannt, und das Vorhandensein eines Kerns (kleine Aggregate von Partikeln) und eines Trägers beschleunigt diesen Prozess. Sobald die Flüssigkeit kristallisiert ist, soll sie sich verfestigt oder gefroren haben.

Artikelverzeichnis

  • 1 Erstarrungsenthalpie
    • 1.1 Warum bleibt die Temperatur beim Erstarren konstant??
  • 2 Erstarrungspunkt
    • 2.1 Erstarrungs- und Schmelzpunkt
    • 2.2 Molekulare Ordnung
  • 3 Unterkühlung
  • 4 Beispiele für die Verfestigung
  • 5 Referenzen

Erstarrungsenthalpie

Nicht alle Substanzen verfestigen sich bei derselben Temperatur (oder unter derselben Behandlung). Einige "gefrieren" sogar über Raumtemperatur, wie bei hochschmelzenden Feststoffen. Dies hängt von der Art der Partikel ab, aus denen der Feststoff oder die Flüssigkeit besteht..

Im Feststoff interagieren sie stark und vibrieren in festen Positionen im Raum, ohne Bewegungsfreiheit und mit einem definierten Volumen, während sie sich in der Flüssigkeit als zahlreiche Schichten bewegen können, die sich übereinander bewegen und das Volumen von einnehmen der Container, der es enthält.

Der Feststoff benötigt Wärmeenergie, um in die flüssige Phase überzugehen. Mit anderen Worten, es braucht Wärme. Die Wärme wird aus ihrer Umgebung gewonnen, und die minimale Menge, die sie zur Erzeugung des ersten Flüssigkeitstropfens absorbiert, wird als latente Schmelzwärme (ΔHf) bezeichnet..

Andererseits muss die Flüssigkeit Wärme an ihre Umgebung abgeben, um ihre Moleküle zu ordnen und in die feste Phase zu kristallisieren. Die freigesetzte Wärme ist dann die latente Erstarrungs- oder Gefrierwärme (ΔHc). Sowohl ΔHf als auch ΔHc sind gleich groß, jedoch mit entgegengesetzten Richtungen; Das erste hat ein positives Vorzeichen und das zweite ein negatives Vorzeichen.

Warum bleibt die Temperatur beim Erstarren konstant??

Ab einem bestimmten Punkt beginnt die Flüssigkeit zu gefrieren und das Thermometer zeigt eine Temperatur T an. Solange es nicht vollständig erstarrt ist, bleibt T konstant. Da ΔHc ein negatives Vorzeichen hat, besteht es aus einem exothermen Prozess, der Wärme abgibt.

Daher liest das Thermometer die Wärme ab, die die Flüssigkeit während ihres Phasenwechsels abgibt, um dem auferlegten Temperaturabfall entgegenzuwirken. Zum Beispiel, wenn der Behälter, der die Flüssigkeit enthält, in ein Eisbad gestellt wird. Somit 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 sich verfestigen zu können.

Für den Fall von Wasser beträgt beispielsweise ΔHc 6,02 kJ / mol. Das heißt, 1 Mol reines Wasser muss 6,02 kJ Wärme abgeben, um einzufrieren, und diese Wärme hält die Temperatur im Prozess konstant. In ähnlicher Weise muss 1 Mol Eis 6,02 kJ Wärme absorbieren, um zu schmelzen..

Erstarrungspunkt

Die genaue Temperatur, bei der der Prozess stattfindet, wird als Erstarrungspunkt (Tc) bezeichnet. Dies variiert bei allen Substanzen in Abhängigkeit 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 fest wird. Das obige ist bekannt als Gefrierpunktabfall. Um die Erstarrungspunkte eines Stoffes zu vergleichen, muss derjenige verwendet werden, der so rein wie möglich ist.

Dies gilt jedoch nicht für Lösungen, wie dies bei Metalllegierungen der Fall ist. Um ihre Erstarrungspunkte zu vergleichen, müssen Gemische mit den gleichen Massenanteilen berücksichtigt werden; das heißt, mit identischen Konzentrationen seiner Komponenten.

Sicherlich ist der Erstarrungspunkt in Bezug auf Legierungen und andere Arten von Materialien von großem wissenschaftlichen und technologischen Interesse. Dies liegt daran, dass durch Steuern der Zeit und der Art und Weise, wie sie abgekühlt werden, einige wünschenswerte physikalische Eigenschaften erhalten werden können oder diejenigen, die für eine bestimmte Anwendung ungeeignet sind, vermieden werden können..

Aus diesem Grund ist das Verständnis und Studium dieses Konzepts in der Metallurgie und Mineralogie sowie in jeder anderen Wissenschaft, die es verdient, ein Material herzustellen und zu charakterisieren, von großer Bedeutung..

Erstarrungs- und Schmelzpunkt

Theoretisch sollte Tc gleich der Temperatur oder dem Schmelzpunkt (Tf) sein. Dies gilt jedoch nicht immer für alle Substanzen. Der Hauptgrund ist, dass es auf den ersten Blick einfacher ist, die Moleküle des Feststoffs durcheinander zu bringen, als die der Flüssigkeit zu ordnen..

Daher ist es in der Praxis bevorzugt, Tf zu verwenden, um die Reinheit einer Verbindung qualitativ zu messen. Wenn beispielsweise eine Verbindung X viele Verunreinigungen aufweist, ist ihre Tf von der von reinem X weiter entfernt als eine andere mit höherer Reinheit..

Molekulare Ordnung

Wie bisher gesagt, geht die Verfestigung zur Kristallisation über. Einige Substanzen erfordern aufgrund der Natur ihrer Moleküle und ihrer Wechselwirkungen sehr niedrige Temperaturen und hohe Drücke, um sich zu verfestigen..

Beispielsweise wird flüssiger Stickstoff bei Temperaturen unter -196ºC erhalten. Um es zu verfestigen, müsste es noch mehr gekühlt oder der Druck darauf erhöht werden, wodurch die N-Moleküle gezwungen werdenzwei gruppiert werden, um Kristallisationskerne zu erzeugen.

Gleiches gilt für andere Gase: Sauerstoff, Argon, Fluor, Neon, Helium; und am extremsten von allen Wasserstoff, dessen feste Phase wegen seiner möglichen beispiellosen Eigenschaften großes Interesse auf sich gezogen hat.

Auf der anderen Seite ist der bekannteste Fall Trockeneis, Das ist nichts weiter als COzwei deren weiße Dämpfe sind auf seine Sublimation auf atmosphärischen Druck zurückzuführen. Diese wurden verwendet, um Dunst auf der Bühne wiederherzustellen..

Damit sich eine Verbindung verfestigt, hängt dies nicht nur von Tc ab, sondern auch vom Druck und anderen Variablen. Je kleiner die Moleküle (H.zwei) und je schwächer ihre Wechselwirkungen sind, desto schwieriger wird es, sie in den festen Zustand zu bringen.

Unterkühlung

Die Flüssigkeit, ob es sich um eine Substanz oder ein Gemisch handelt, beginnt bei der Temperatur am Erstarrungspunkt zu gefrieren. Unter bestimmten Bedingungen (z. B. hohe Reinheit, langsame Abkühlzeit oder eine sehr energiereiche Umgebung) kann die Flüssigkeit jedoch niedrigere Temperaturen ohne Gefrieren tolerieren. Dies wird als Unterkühlung bezeichnet..

Es gibt noch keine absolute Erklärung für das Phänomen, aber die Theorie bestätigt, dass alle Variablen, die das Wachstum der Kristallisationskerne verhindern, die Unterkühlung fördern..

Warum? Denn aus den Kernen entstehen große Kristalle, nachdem ihnen Moleküle aus der Umgebung zugesetzt wurden. Wenn dieser Prozess begrenzt ist, bleibt die Flüssigkeit unverändert, selbst wenn die Temperatur unter Tc liegt, wie dies bei den winzigen Tropfen der Fall ist, die Wolken bilden und am Himmel sichtbar machen..

Alle unterkühlten Flüssigkeiten sind metastabil, dh sie sind anfällig für die geringste äußere Störung. Wenn ihnen beispielsweise ein kleines Stück Eis hinzugefügt oder ein wenig geschüttelt wird, frieren sie sofort ein, was ein unterhaltsames und einfaches Experiment ist..

Beispiele für die Verfestigung

-Obwohl es selbst kein Feststoff ist, ist Gelatine ein Beispiel für einen Prozess der Verfestigung durch Abkühlen.

-Geschmolzenes Glas wird verwendet, um viele Objekte zu erstellen und zu entwerfen, die nach dem Abkühlen ihre endgültig definierten Formen behalten.

-So wie die Blase bei Kontakt mit Schnee gefroren ist, kann eine Limo-Flasche denselben Prozess durchlaufen. und wenn es unterkühlt ist, wird es sofort einfrieren.

-Wenn Lava aus Vulkanen austritt, die ihre Ränder oder die Erdoberfläche bedecken, verfestigt sie sich, wenn sie an Temperatur verliert, bis sie zu magmatischen Gesteinen wird.

-Eier und Kuchen verfestigen sich mit steigender Temperatur. Ebenso tut es die Nasenschleimhaut aber wegen Dehydration. Ein weiteres Beispiel findet sich auch in Farbe oder Klebstoffen.

Es ist jedoch zu beachten, dass in letzteren Fällen keine Erstarrung als Produkt der Abkühlung auftritt. Die Tatsache, dass sich eine Flüssigkeit verfestigt, bedeutet daher nicht unbedingt, dass sie gefriert (sie senkt ihre Temperatur nicht merklich). Wenn eine Flüssigkeit jedoch gefriert, verfestigt sie sich.

Andere:

- Die Umwandlung von Wasser in Eis: Dies geschieht bei 0 ° C unter Bildung von Eis, Schnee oder Gletscherwürfeln.

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

- Das Einfrieren von Lebensmitteln zur Konservierung: In diesem Fall werden die Wassermoleküle in den Zellen von Fleisch oder Gemüse eingefroren..

- Glasblasen: Dieses wird geschmolzen, um sich zu formen und erstarrt dann.

- Die Herstellung von Eis: Es handelt sich normalerweise um Milchprodukte, die sich verfestigen.

- Bei der Gewinnung von Karamell, das geschmolzener und erstarrter Zucker ist.

- Butter und Margarine sind feste Fettsäuren.

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

- Zement ist eine Mischung aus Kalkstein und Ton, die beim Mischen mit Wasser die Eigenschaft hat, zu härten.

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

Verweise

  1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie. (8. Aufl.). CENGAGE Learning, S. 448, 467.
  2. Wikipedia. (2018). Einfrieren. Entnommen aus: en.wikipedia.org
  3. Loren A. Jacobson. (16. Mai 2008). Erstarrung. [PDF]. Entnommen aus: infohost.nmt.edu/
  4. Fusion und Verfestigung. Entnommen aus: juntadeandalucia.es
  5. Dr. Carter. Verfestigung einer Schmelze. Entnommen aus: itc.gsw.edu/
  6. Experimentelle Erklärung der Unterkühlung: Warum gefriert Wasser nicht in den Wolken. Entnommen aus: esrf.eu.
  7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22. Juni 2018). Erstarrungsdefinition und Beispiele. Entnommen aus :oughtco.com

Bisher hat noch niemand einen Kommentar zu diesem Artikel abgegeben.