Solidificazione: punto di solidificazione ed esempi

La solidificazione è il cambiamento che un liquido sperimenta quando passa alla fase solida. Il liquido può essere una sostanza pura o una miscela. Inoltre, il cambiamento potrebbe essere dovuto a una caduta di temperatura oa seguito di una reazione chimica.

Come può essere spiegato questo fenomeno? Visivamente, il liquido inizia a diventare pietrificato o indurito, al punto che smette di scorrere liberamente. Tuttavia, la solidificazione consiste in realtà in una serie di passaggi che avvengono su scale microscopiche.

Un esempio di solidificazione è una bolla liquida che si congela. Nell'immagine sopra puoi vedere come una bolla si congela quando colpisce la neve. Qual è la parte della bolla che inizia a solidificarsi? Quello che è in contatto diretto con la neve. La neve funziona come supporto su cui possono essere ospitate le molecole della bolla.

La solidificazione viene rapidamente attivata dal fondo della bolla. Questo può essere visto nei "pini di vetro" che si estendono fino a coprire l'intera superficie. Questi pini riflettono la crescita dei cristalli, che non sono altro che disposizioni ordinate e simmetriche delle molecole.

Affinché la solidificazione si verifichi, è necessario che le particelle del liquido possano essere disposte in modo tale che interagiscano l'una con l'altra. Queste interazioni diventano più forti man mano che la temperatura diminuisce, il che influenza la cinetica molecolare; cioè, diventano più lenti e diventano parte del cristallo.

Questo processo è noto come cristallizzazione e la presenza di un nucleo (piccoli aggregati di particelle) e un supporto accelera questo processo. Una volta che il liquido si è cristallizzato, si dice che si è solidificato o congelato.

Entalpia di solidificazione

Non tutte le sostanze si solidificano alla stessa temperatura (o sotto lo stesso trattamento). Alcuni addirittura "congelano" al di sopra della temperatura ambiente, come accade con i solidi con un punto di fusione elevato. Questo dipende dal tipo di particelle che costituiscono il solido o il liquido.

Nel solido interagiscono fortemente e rimangono in vibrazione in posizioni fisse dello spazio, senza libertà di movimento e con un volume definito, mentre nel liquido hanno la capacità di muoversi come numerosi strati che si muovono uno sopra l'altro, occupando il volume del contenitore che lo contiene.

Il solido richiede energia termica per passare alla fase liquida; In altre parole, ha bisogno di calore. Il calore viene ottenuto dall'ambiente circostante e la quantità minima che assorbe per generare la prima goccia di liquido è nota come calore latente di fusione (ΔHf).

D'altra parte, il liquido deve liberare calore nei suoi dintorni per ordinare le sue molecole e cristallizzarsi nella fase solida. Il calore rilasciato è quindi il calore latente di solidificazione o congelamento (ΔHc). Sia ΔHf che ΔHc sono uguali in grandezza ma con direzioni opposte; il primo ha un segno positivo e il secondo segno negativo.

Perché la temperatura rimane costante nella solidificazione?

Ad un certo momento il liquido inizia a congelarsi e il termometro segna una temperatura T. Mentre questo non si è solidificato completamente, T rimane costante. Poiché ΔHc ha un segno negativo, consiste in un processo esotermico che rilascia calore.

Pertanto, il termometro leggerà il calore rilasciato dal liquido durante il suo cambio di fase, contrastando la caduta di temperatura imposta. Ad esempio, se si mette il contenitore contenente il liquido all'interno di un bagno di ghiaccio. Pertanto, T non diminuisce fino a quando la solidificazione non è completa nella sua interezza.

Quali unità accompagnano queste misurazioni di calore? Solitamente kJ / mol o J / g. Questi sono interpretati come segue: kJ o J è la quantità di calore che richiede 1 mole di liquido o 1 g per essere in grado di raffreddare o solidificare.

Per il caso dell'acqua, ad esempio, ΔHc è pari a 6, 02 kJ / mol. Cioè, 1 mole di acqua pura deve liberare 6.02 kJ di calore per poter congelare, e questo calore è ciò che mantiene la temperatura costante nel processo. Allo stesso modo, 1 mole di ghiaccio deve assorbire 6, 02 kJ di calore per fondere.

Punto di congelamento

Alla temperatura esatta in cui si verifica il processo, è noto come punto di solidificazione (Tc). Varia in tutte le sostanze a seconda di quanto forti siano le interazioni intermolecolari nel solido.

Anche la purezza è una variabile importante, poiché un solido impuro non si solidifica alla stessa temperatura di un puro. Quanto sopra è noto come punto di congelamento . Per confrontare i punti di solidificazione di una sostanza è necessario utilizzare come riferimento ciò che è il più puro possibile.

Tuttavia, lo stesso non può essere applicato per soluzioni, come nel caso delle leghe metalliche. Per confrontare i loro punti di solidificazione dovrebbero essere considerate miscele con proporzioni di massa uguali; cioè con concentrazioni identiche dei suoi componenti.

Certamente, il punto di solidificazione è di grande interesse scientifico e tecnologico per quanto riguarda le leghe e altre varietà di materiali. Questo perché, controllando il tempo e il modo in cui si raffredda, è possibile ottenere alcune proprietà fisiche desiderabili o evitare quelle inappropriate per una particolare applicazione.

Per questo motivo, la comprensione e lo studio di questo concetto è di grande importanza nella metallurgia e nella mineralogia, così come in ogni altra scienza che meriti la produzione e la caratterizzazione di un materiale.

Solidificazione e punto di fusione

Teoricamente Tc dovrebbe essere uguale alla temperatura o al punto di fusione (Tf). Tuttavia, questo non è sempre vero per tutte le sostanze. La ragione principale è che, a prima vista, è più facile interrompere le molecole del solido piuttosto che ordinare le molecole del liquido.

Quindi, nella pratica è preferito ricorrere a Tf per misurare qualitativamente la purezza di un composto. Per esempio, se un composto X ha molte impurità, allora il suo Tf sarà più distante da quello di X puro rispetto ad un altro con purezza più elevata.

Ordinamento molecolare

Come è stato detto finora, la solidificazione procede alla cristallizzazione. Alcune sostanze, data la natura delle loro molecole e le loro interazioni, richiedono temperature molto basse e pressioni elevate per solidificarsi.

Ad esempio, l'azoto liquido si ottiene a temperature inferiori a -196ºC. Per solidificarlo, sarebbe necessario raffreddarlo ancora di più o aumentare la pressione su di esso, forzando le molecole di N 2 a raggrupparsi per creare nuclei di cristallizzazione.

Lo stesso può essere considerato per altri gas: ossigeno, argon, fluoro, neon, elio; e per il più estremo di tutti, l'idrogeno, la cui solida fase ha destato molto interesse per le sue potenziali proprietà senza precedenti.

D'altra parte, il caso più noto è il ghiaccio secco, che non è altro che CO 2 i cui vapori bianchi sono dovuti alla sublimazione dello stesso a pressione atmosferica. Questi sono stati usati per ricreare la foschia negli scenari.

Per un composto solidificare non dipende solo da Tc, ma anche dalla pressione e da altre variabili. Più piccole sono le molecole (H 2 ) e più debole è la loro interazione, più difficile sarà farle entrare nello stato solido.

sottoraffreddamento

Il liquido, una sostanza o miscela, inizierà a congelarsi alla temperatura nel punto di solidificazione. Tuttavia, in determinate condizioni (ad esempio elevata purezza, un tempo di raffreddamento lento o un ambiente molto energico), il liquido può tollerare temperature più basse senza congelamento. Questo è chiamato supercooling.

Non esiste ancora una spiegazione assoluta del fenomeno, ma la teoria sostiene che tutte quelle variabili che impediscono la crescita dei nuclei di cristallizzazione promuovono il sovraraffreddamento.

Perché? Perché i grandi cristalli si formano dai nuclei dopo aver aggiunto loro molecole circostanti. Se questo processo è limitato, anche se la temperatura è inferiore a Tc, il liquido rimarrà invariato, come accade con le piccole gocce che compongono e rendono visibili le nuvole nel cielo.

Tutti i liquidi super raffreddati sono metastabili, cioè sono suscettibili al minimo disturbo esterno. Ad esempio, se viene aggiunto un piccolo pezzo di ghiaccio o vengono scossi un po ', si congelano immediatamente, il che si traduce in un esperimento divertente e facile da eseguire.

Esempi di solidificazione

-Anche se non è propriamente un solido, la gelatina è un esempio di un processo di solidificazione mediante raffreddamento.

-Il vetro fuso viene utilizzato per creare e progettare molti oggetti che, dopo il raffreddamento, mantengono le loro forme definitive definitive.

-Come la bolla si è congelata al contatto della neve, una bottiglia di soda può subire lo stesso processo; e se è troppo freddo, il suo congelamento sarà istantaneo.

-Quando la lava erutta dai vulcani che coprono i suoi bordi o la superficie terrestre, si solidifica quando perde la temperatura, fino a trasformarsi in rocce ignee.

-Le uova e le torte si solidificano con un aumento della temperatura. Allo stesso modo, la mucosa nasale fa ma a causa della disidratazione. Un altro esempio si può trovare anche in vernice o colle.

Tuttavia, va notato che la solidificazione non si verifica in questi ultimi casi a causa del raffreddamento. Pertanto, il fatto che un liquido si solidifichi non significa necessariamente che si congela (non riduce sensibilmente la sua temperatura); ma quando un liquido si congela, finisce per solidificarsi.

altro:

- La conversione di acqua in ghiaccio: si verifica a 0 ° C producendo ghiaccio, neve o cubetti di ghiaccio.

- La cera di candela che si scioglie con la fiamma e si solidifica di nuovo.

- Il congelamento del cibo per la sua conservazione: in questo caso congela le molecole d'acqua all'interno delle cellule delle carni o dei vegetali.

- Il soffio del vetro: si scioglie per modellarlo e quindi solidificarsi.

- La fabbricazione del gelato: solitamente prodotti caseari che si solidificano.

- Nell'ottenere le caramelle, che si scioglie e solidifica lo zucchero.

- Il burro e la margarina sono acidi grassi allo stato solido.

- Metallurgia: nella fabbricazione di lingotti o travi o strutture di determinati metalli.

- Il cemento è una miscela di calcare e argille che, se miscelato con acqua, ha la proprietà di indurire.

- Nella produzione di cioccolato, la polvere di cacao viene mescolata con acqua e latte che, una volta essiccato, solidifica.