KALJENJE: TOČKA SKRUĆIVANJA I PRIMJERI - KEMIJA - 2025

Skrućivanje je tekućina koja podliježe promjenama kada se prelazi na čvrstoj fazi. Tekućina može biti čista tvar ili smjesa. Isto tako, promjena može biti zbog pada temperature ili kao rezultat kemijske reakcije.

Kako se ovaj fenomen može objasniti? Vizualno, tekućina se počinje okamenjevati ili otvrdnuti, do te mjere da prestaje slobodno teći. Međutim, očvršćavanje se zapravo sastoji od niza koraka koji se događaju na mikroskopskim mjerilima.

Izvor: Pixabay

Primjer skrućivanja je tekući mjehurić koji se smrzava. Na gornjoj slici možete vidjeti kako mjehurić smrzava u kontaktu sa snijegom. Koji je dio mjehurića koji se počinje učvršćivati? Ona koja je u izravnom kontaktu sa snijegom. Snijeg djeluje kao oslonac na kojem se mogu smjestiti molekule mjehurića.

Kaljenje se brzo pokreće s dna mjehurića. To se može vidjeti u "ostakljenim borovima" koji se protežu na cijelu površinu. Ovi borovi odražavaju rast kristala, koji nisu ništa drugo do naručeni i simetrični raspored molekula.

Da bi došlo do skrućivanja potrebno je da se čestice tekućine mogu rasporediti na način da djeluju jedna s drugom. Ove interakcije postaju jače kako temperatura pada, što utječe na molekulsku kinetiku; to jest, oni usporavaju i postaju dio kristala.

Taj je proces poznat kao kristalizacija, a prisustvo jezgre (malih agregata čestica) i potpora ubrzava taj proces. Kad se tekućina kristalizira, tada se kaže da se očvrsnula ili smrznula.

Entalpija solidifikacije

Ne skidaju se sve tvari na istoj temperaturi (ili pod istim postupkom). Neki se čak i "smrzavaju" iznad sobne temperature, poput krutih tvarnih tvari. To ovisi o vrsti čestica koje čine čvrstu ili tekuću.

U čvrstom obliku, oni snažno djeluju i ostaju vibrirati u fiksnim položajima u prostoru, bez slobode kretanja i definiranog volumena, dok se u tekućini imaju mogućnost kretanja kao brojni slojevi koji se kreću jedan prema drugom, zauzimajući volumen spremnik koji ga sadrži.

Krutini je potrebna toplinska energija da bi prešla u tekuću fazu; drugim riječima, treba joj toplina. Dobiva toplinu iz svoje okoline, a najmanja količina koju apsorbira da bi stvorila prvu kap tekućine poznata je kao latentna toplina fuzije (ΔHf).

S druge strane, tekućina mora oslobađati toplinu u svoju okolinu kako bi naručila svoje molekule i kristalizirala u čvrstu fazu. Oslobođena toplina tada je latentna toplina stvrdnjavanja ili smrzavanja (ΔHc). I ΔHf i ΔHc su jednaki po veličini, ali u suprotnim smjerovima; prvi ima pozitivan znak, a drugi negativni.

Zašto temperatura ostaje konstantna pri skrućivanju?

U određenom trenutku tekućina počinje zamrzavati, a termometar očitava temperaturu T. Sve dok se tekućina nije u potpunosti očvrsnula, T ostaje konstantan. Budući da ΔHc ima negativan znak, sastoji se od egzotermnog procesa koji oslobađa toplinu.

Stoga će termometar očitavati toplinu koju odvodi tekućina tijekom promjene faze, suprotstavljajući se nametnutom padu temperature. Na primjer, ako se spremnik koji sadrži tekućinu stavi u ledenu kupelj. Stoga se T ne smanjuje dok skrućivanje nije potpuno.

Koje jedinice prate ova mjerenja topline? Obično kJ / mol ili J / g. To se tumači na sljedeći način: kJ ili J je količina topline koja je potrebna 1 molu tekućine ili 1 g da bi se mogla ohladiti ili očvrsnuti.

Na primjer, u slučaju vode, ΔHc je jednak 6,02 kJ / mol. Odnosno, 1 mol čiste vode treba davati 6,02 kJ topline da bi se smrznuo, a ta toplina održava temperaturu konstantnom u procesu. Slično tome, 1 mol leda treba apsorbirati 6,02 kJ topline da bi se rastopilo.

Točka solidifikacije

Točna temperatura na kojoj se događa proces poznat je kao točka otvrdnjavanja (Tc). To varira u svim tvarima, ovisno o tome koliko su čvrste njihove intermolekularne interakcije u krutini.

Čistoća je također važna varijabla, jer se nečista kruta tvar ne učvršćuje na istoj temperaturi kao čista. To je poznato kao spuštanje točke smrzavanja. Za usporedbu točaka otvrdnjavanja tvari, potrebno je upotrijebiti što čistiju referentnu vrijednost.

Međutim, isto se ne može primijeniti na otopine, kao u slučaju metalnih legura. Za usporedbu njihovih točaka stvrdnjavanja, moraju se uzeti u obzir smjese jednakih udjela mase; to jest s identičnim koncentracijama njegovih komponenata.

Točka otvrdnjavanja je svakako od velikog znanstvenog i tehnološkog interesa s obzirom na legure i druge vrste materijala. To je zato što se, kontroliranjem vremena i načina hlađenja, mogu dobiti neka poželjna fizička svojstva ili se mogu izbjeći ona neprikladna za određenu primjenu.

Zbog toga je razumijevanje i proučavanje ovog koncepta od velike važnosti u metalurgiji i mineralogiji, kao i u bilo kojoj drugoj znanosti koja zaslužuje proizvodnju i karakterizaciju materijala.

Kaljenje i talište

Teoretski, Tc treba biti jednak temperaturi ili talištu (Tf). Međutim, to ne vrijedi uvijek za sve tvari. Glavni razlog je taj što je, na prvi pogled, lakše zabrljati čvrste molekule nego naručiti tekuće.

Stoga se u praksi preferira upotreba Tf za kvalitativno mjerenje čistoće spoja. Na primjer, ako spoj X ima mnogo nečistoća, tada će njegov Tf biti udaljeniji od čistog X u usporedbi s onom veće čistoće.

Molekularno uređivanje

Kao što je već rečeno, očvršćavanje nastavlja kristalizaciji. Neke tvari, s obzirom na prirodu svojih molekula i njihove interakcije, zahtijevaju vrlo niske temperature i visoke pritiske da bi se mogle očvrsnuti.

Na primjer, dobiva se tekući dušik na temperaturama nižim od -196ºC. Dok se ne skrutne, bit će potrebno da se ohladi dalje, ili povećati pritisak na njega, tako da prisiljava N ₂ molekula u nakupljanju stvaranje jezgre kristalizacije.

Isto se može uzeti u obzir za ostale plinove: kisik, argon, fluor, neon, helij; a za krajnje krajnje vodik, čija je čvrsta faza privukla mnogo interesa zbog mogućih svojstava bez presedana.

S druge strane, najpoznatiji je slučaj suhi led, koji nije ništa drugo do CO _2, čije bijele pare nastaju zbog njegove sublimacije atmosferskom tlaku. Koristili su se za ponovno stvaranje izmaglice na pozornici.

Da bi se spoj učvrstio, on ne ovisi samo o Tc, već i o tlaku i drugim varijablama. Manje molekule (H ₂) i slabije njihove interakcije, teško da će se dobiti ih da postanu krute tvari.

Pothlađenje

Tekućina, bilo da je tvar ili smjesa, počet će zamrzavati pri temperaturi na mjestu stvrdnjavanja. Međutim, pod određenim uvjetima (poput visoke čistoće, sporog vremena hlađenja ili vrlo energičnog okruženja), tekućina može podnijeti niže temperature bez smrzavanja. To se naziva superhlađenjem.

Još uvijek ne postoji apsolutno objašnjenje fenomena, ali teorija podupire da sve one varijable koje sprečavaju rast jezgara kristalizacije potiču pregrijavanje.

Zašto? Jer veliki kristali nastaju iz jezgara nakon dodavanja molekula iz okoline. Ako je taj postupak ograničen, čak i ako je temperatura ispod Tc, tekućina će ostati nepromijenjena, kao što se događa sa sitnim kapljicama koje čine i čine oblake vidljivim na nebu.

Sve prehlađene tekućine su metastabilne, odnosno osjetljive su na najmanje vanjske smetnje. Na primjer, dodate li im mali komad leda ili ih malo protresete, oni će se odmah smrznuti, što je izvesti zabavan i jednostavan eksperiment.

Primjeri skrućivanja

-Iako nije čvrsta supstanca, želatina je primjer postupka skrućivanja hlađenjem.

-Zaljeno staklo koristi se za stvaranje i oblikovanje mnogih predmeta koji nakon hlađenja zadržavaju svoje konačno definirane oblike.

-Samo dok se mjehurić smrznuo u dodiru sa snijegom, boca soda može proći isti postupak; i ako se prehladi, njegovo zamrzavanje će biti trenutačno.

-Kad lava izlazi iz vulkana koji pokrivaju njihove rubove ili zemaljsku površinu, ona se očvrsne kad izgubi temperaturu, dok ne postanu magnetske stijene.

-Java i kolači se stvrdnjavaju s porastom temperature. Isto tako, nosna sluznica to radi, ali zbog dehidracije. Drugi primjer je također boja ili ljepilo.

Međutim, treba napomenuti da se u posljednjim slučajevima očvršćavanje ne događa kao produkt hlađenja. Stoga, činjenica da se neka tekućina stvrdnjava ne znači nužno da se smrzava (ne smanjuje vidljivo njenu temperaturu); ali kad se tekućina smrzne, završava očvršćavanje.

Drugi:

- Pretvaranje vode u led: to se događa na 0 ° C, stvarajući led, snijeg ili ledene kocke.

- Vosak za svijeću koji se topi s plamenom i ponovno se učvršćuje.

- Zamrzavanje hrane za njezino očuvanje: u ovom slučaju molekule vode su zamrznute u stanicama mesa ili povrća.

- Puhanje stakla: to se topi kako bi se dobilo oblik, a zatim očvrsnulo.

- Proizvodnja sladoleda: oni su uglavnom mliječni proizvodi koji se stvrdnjavaju.

- U dobivanju karamele, koja je rastopljeni i očvrsnuti šećer.

- Maslac i margarin su masne kiseline u čvrstom stanju.

- Metalurgija: u proizvodnji ingota ili greda ili struktura određenih metala.

- Cement je mješavina vapnenca i gline koja, pomiješana s vodom, ima svojstvo stvrdnjavanja.

- U proizvodnji čokolade, kakao prah se miješa s vodom i mlijekom koji se nakon sušenja očvrsne.

Reference

1. Whitten, Davis, Peck i Stanley. Kemija. (8. izd.). CENGAGE Učenje, str 448, 467.
2. Wikipedia. (2018.). Zamrzavanje. Preuzeto sa: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (16. svibnja 2008.). Skrućivanja., Preuzeto sa: infohost.nmt.edu/
4. Fuzija i očvršćivanje. Preuzeto sa: juntadeandalucia.es
5. Dr. Carter. Učvršćivanje taline. Preuzeto iz: itc.gsw.edu/
6. Eksperimentalno objašnjenje prehlađenja: zašto se voda ne smrzava u oblacima. Preuzeto sa: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, dr. Sc. (22. lipnja 2018.). Definicija i primjeri solidifikacije. Preuzeto sa: misao.com