Solidization: điểm hóa và ví dụ
Sự hóa rắn là sự thay đổi mà chất lỏng trải qua khi chuyển sang pha rắn. Chất lỏng có thể là một chất tinh khiết hoặc hỗn hợp. Ngoài ra, sự thay đổi có thể là do nhiệt độ giảm hoặc là kết quả của phản ứng hóa học.
Làm thế nào hiện tượng này có thể được giải thích? Trực quan, chất lỏng bắt đầu bị hóa đá hoặc cứng lại, đến mức nó ngừng chảy tự do. Tuy nhiên, quá trình hóa rắn thực sự bao gồm một loạt các bước xảy ra ở quy mô cực nhỏ.
Một ví dụ về quá trình hóa rắn là bong bóng chất lỏng đóng băng. Trong hình trên, bạn có thể thấy một bong bóng đóng băng như thế nào khi nó rơi vào tuyết. Phần của bong bóng bắt đầu hóa rắn là gì? Đó là tiếp xúc trực tiếp với tuyết. Tuyết hoạt động như một sự hỗ trợ mà trên đó các phân tử của bong bóng có thể được cung cấp.
Sự hóa rắn nhanh chóng được kích hoạt từ đáy bong bóng. Điều này có thể được nhìn thấy trong "cây thông thủy tinh" kéo dài để bao phủ toàn bộ bề mặt. Những cây thông này phản ánh sự phát triển của các tinh thể, không gì khác hơn là sự sắp xếp có trật tự và đối xứng của các phân tử.
Để quá trình hóa rắn xảy ra, các hạt của chất lỏng có thể được sắp xếp theo cách mà chúng tương tác với nhau. Những tương tác này trở nên mạnh hơn khi nhiệt độ giảm, ảnh hưởng đến động học phân tử; nghĩa là, chúng trở nên chậm hơn và trở thành một phần của tinh thể.
Quá trình này được gọi là quá trình kết tinh, và sự hiện diện của một hạt nhân (tập hợp nhỏ của các hạt) và hỗ trợ đẩy nhanh quá trình này. Một khi chất lỏng đã kết tinh, người ta nói rằng nó đã đông cứng hoặc đông lạnh.
Entanpi hóa rắn
Không phải tất cả các chất rắn hóa ở cùng nhiệt độ (hoặc trong cùng một điều trị). Một số thậm chí "đóng băng" trên nhiệt độ phòng, như xảy ra với chất rắn có điểm nóng chảy cao. Điều này phụ thuộc vào loại hạt tạo nên chất rắn hoặc chất lỏng.
Trong chất rắn, chúng tương tác mạnh và duy trì rung động ở các vị trí không gian cố định, không có tự do di chuyển và với một thể tích xác định, trong khi ở chất lỏng, chúng có khả năng di chuyển như nhiều lớp di chuyển lẫn nhau, chiếm thể tích của thùng chứa nó.
Chất rắn đòi hỏi năng lượng nhiệt để chuyển sang pha lỏng; Nói cách khác, nó cần nhiệt. Nhiệt thu được từ môi trường xung quanh và lượng tối thiểu mà nó hấp thụ để tạo ra giọt chất lỏng đầu tiên được gọi là nhiệt dung nhiệt hạch tiềm ẩn (ΔHf).
Mặt khác, chất lỏng phải giải phóng nhiệt ra môi trường xung quanh để sắp xếp các phân tử của nó và kết tinh ở pha rắn. Sau đó, nhiệt được giải phóng là nhiệt ẩn của quá trình hóa rắn hoặc đóng băng (ΔHc). Cả Hf và Hc đều có độ lớn bằng nhau nhưng ngược chiều nhau; dấu hiệu thứ nhất có dấu hiệu tích cực và dấu hiệu tiêu cực thứ hai.
Tại sao nhiệt độ không đổi trong quá trình hóa rắn?
Tại một thời điểm nhất định, chất lỏng bắt đầu đóng băng và nhiệt kế đánh dấu nhiệt độ T. Trong khi nhiệt độ này chưa đông cứng hoàn toàn, T không đổi. Vì Hc có dấu âm, nó bao gồm một quá trình tỏa nhiệt giải phóng nhiệt.
Do đó, nhiệt kế sẽ đọc nhiệt do chất lỏng giải phóng trong quá trình thay đổi pha, chống lại sự giảm nhiệt độ áp đặt. Ví dụ, nếu bạn đặt thùng chứa chất lỏng bên trong bồn nước đá. Do đó, T không giảm cho đến khi hoàn thành quá trình hóa rắn.
Đơn vị nào đi kèm với các phép đo nhiệt này? Thường là kJ / mol hoặc J / g. Chúng được hiểu như sau: kJ hoặc J là lượng nhiệt cần 1 mol chất lỏng hoặc 1 g để có thể làm mát hoặc hóa rắn.
Đối với trường hợp nước, ví dụ, ΔHc bằng 6, 02 kJ / mol. Nghĩa là, 1 mol nước tinh khiết cần giải phóng 6.02 kJ nhiệt để có thể đóng băng, và nhiệt này là thứ giữ cho nhiệt độ không đổi trong quá trình. Tương tự, 1 mol đá cần hấp thụ 6.02 kJ nhiệt để tan chảy.
Điểm đóng băng
Ở nhiệt độ chính xác nơi quá trình xảy ra, nó được gọi là điểm hóa rắn (Tc). Nó thay đổi trong tất cả các chất tùy thuộc vào mức độ tương tác giữa các phân tử của chúng trong chất rắn.
Độ tinh khiết cũng là một biến số quan trọng, vì chất rắn không tinh khiết không đông cứng ở cùng nhiệt độ với chất rắn nguyên chất. Trên đây được gọi là điểm đóng băng thả . Để so sánh các điểm hóa rắn của một chất, cần phải sử dụng như một tài liệu tham khảo càng tinh khiết càng tốt.
Tuy nhiên, điều tương tự không thể được áp dụng cho các giải pháp, như trong trường hợp hợp kim kim loại. Để so sánh các điểm hóa rắn của chúng nên được coi là hỗn hợp có tỷ lệ khối lượng bằng nhau; đó là, với nồng độ giống hệt nhau của các thành phần của nó.
Chắc chắn, điểm hóa rắn là mối quan tâm lớn về khoa học và công nghệ liên quan đến hợp kim và các loại vật liệu khác. Điều này là do, kiểm soát thời gian và cách chúng làm mát, bạn có thể có được một số tính chất vật lý mong muốn hoặc tránh những đặc tính không phù hợp cho một ứng dụng cụ thể.
Vì lý do này, sự hiểu biết và nghiên cứu về khái niệm này có tầm quan trọng lớn trong luyện kim và khoáng vật học, cũng như trong bất kỳ ngành khoa học nào khác có giá trị sản xuất và mô tả vật liệu.
Điểm hóa rắn và nóng chảy
Về mặt lý thuyết Tc phải bằng nhiệt độ hoặc điểm nóng chảy (Tf). Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng đúng với tất cả các chất. Lý do chính là, thoạt nhìn, việc phá vỡ các phân tử của chất rắn dễ dàng hơn so với việc sắp xếp các phân tử của chất lỏng.
Do đó, nó được ưu tiên trong thực tế sử dụng Tf để đo lường một cách định tính độ tinh khiết của hợp chất. Ví dụ, nếu một hợp chất X có nhiều tạp chất, thì Tf của nó sẽ khác xa so với hợp chất X nguyên chất so với hợp chất X khác có độ tinh khiết cao hơn.
Đặt hàng phân tử
Như đã nói cho đến nay, quá trình hóa rắn tiến hành kết tinh. Một số chất, với bản chất của các phân tử và tương tác của chúng, đòi hỏi nhiệt độ rất thấp và áp suất cao để hóa rắn.
Ví dụ, nitơ lỏng thu được ở nhiệt độ dưới -196ºC. Để hóa rắn nó, cần phải làm mát nó nhiều hơn, hoặc tăng áp lực lên nó, buộc các phân tử N 2 phải nhóm lại với nhau để tạo ra các hạt nhân kết tinh.
Điều tương tự có thể được xem xét cho các loại khí khác: oxy, argon, flo, neon, helium; và đối với tất cả các cực đoan nhất, hydro, có pha rắn đã thu hút nhiều sự quan tâm vì các tính chất chưa từng có của nó.
Mặt khác, trường hợp được biết đến nhiều nhất là đá khô, không gì khác hơn CO 2 có hơi trắng là do sự thăng hoa của cùng một áp suất khí quyển. Chúng đã được sử dụng để tái tạo sương mù trong các kịch bản.
Đối với một hợp chất để hóa rắn không chỉ phụ thuộc vào Tc, mà còn phụ thuộc vào áp suất và các biến khác. Các phân tử (H 2 ) càng nhỏ và tương tác của chúng càng yếu thì càng khó để đưa chúng vào trạng thái rắn.
Quá tải
Chất lỏng, hoặc là một chất hoặc hỗn hợp, sẽ bắt đầu đóng băng ở nhiệt độ tại điểm hóa rắn. Tuy nhiên, trong một số điều kiện nhất định (như độ tinh khiết cao, thời gian làm lạnh chậm hoặc môi trường rất năng lượng), chất lỏng có thể chịu được nhiệt độ thấp hơn mà không bị đóng băng. Điều này được gọi là siêu lạnh.
Vẫn chưa có một lời giải thích tuyệt đối về hiện tượng này, nhưng lý thuyết cho rằng tất cả những biến đó cản trở sự phát triển của hạt nhân kết tinh đều thúc đẩy quá tải.
Tại sao? Bởi vì các tinh thể lớn được hình thành từ các hạt nhân sau khi thêm các phân tử xung quanh vào chúng. Nếu quá trình này bị hạn chế, ngay cả khi nhiệt độ dưới Tc, chất lỏng sẽ không thay đổi, như xảy ra với những giọt nhỏ tạo thành và nhìn thấy những đám mây trên bầu trời.
Tất cả các chất lỏng siêu lạnh đều có thể di chuyển, nghĩa là chúng dễ bị xáo trộn bên ngoài. Ví dụ, nếu một mảnh băng nhỏ được thêm vào chúng, hoặc chúng bị rung lắc một chút, chúng sẽ đóng băng ngay lập tức, dẫn đến một thí nghiệm thú vị và dễ thực hiện.
Ví dụ kiên cố hóa
-Mặc dù nó không phải là chất rắn, gelatine là một ví dụ về quá trình hóa rắn bằng cách làm mát.
- Kính nóng chảy được sử dụng để tạo và thiết kế nhiều vật thể, sau khi làm mát, giữ lại các dạng xác định cuối cùng của chúng.
-Như bong bóng đóng băng với sự tiếp xúc của tuyết, một chai soda có thể trải qua quá trình tương tự; và nếu nó được siêu lạnh, sự đóng băng của nó sẽ là tức thời.
-Khi dung nham phun trào từ các ngọn núi lửa bao phủ các cạnh hoặc bề mặt trên mặt đất, nó sẽ rắn lại khi mất nhiệt độ, cho đến khi biến thành đá lửa.
-Các trứng và bánh cứng lại với sự gia tăng nhiệt độ. Tương tự, niêm mạc mũi có nhưng vì mất nước. Một ví dụ khác cũng có thể được tìm thấy trong sơn hoặc keo.
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng quá trình hóa rắn không xảy ra trong các trường hợp sau do làm mát. Do đó, việc chất lỏng hóa rắn không nhất thiết có nghĩa là nó đóng băng (nó không làm giảm đáng kể nhiệt độ của nó); nhưng khi một chất lỏng đóng băng, nó kết thúc đông đặc.
Những người khác:
- Sự chuyển đổi nước thành băng: xảy ra ở 0 ° C tạo ra băng, tuyết hoặc khối băng.
- Sáp nến tan chảy với ngọn lửa và đông cứng lại.
- Việc đóng băng thực phẩm để bảo quản: trong trường hợp này, nó đóng băng các phân tử nước bên trong các tế bào của thịt hoặc rau.
- Việc thổi thủy tinh: nó tan chảy để định hình nó và sau đó hóa rắn.
- Sản xuất kem: thường là các sản phẩm sữa đông cứng.
- Trong việc thu được kẹo, đó là đường tan chảy và đông đặc.
- Bơ và bơ thực vật là các axit béo ở trạng thái rắn.
- Luyện kim: trong sản xuất phôi hoặc dầm hoặc cấu trúc của một số kim loại.
- Xi măng là hỗn hợp đá vôi và đất sét mà khi trộn với nước có đặc tính làm cứng.
- Trong sản xuất sô cô la, bột ca cao được trộn với nước và sữa mà khi sấy khô sẽ đông cứng lại.
