SOLIDIFICAZIONE: PUNTO DI SOLIDIFICAZIONE ED ESEMPI - CHIMICA - 2024

La solidificazione è un liquido che subisce mutamento quando passa alla fase solida. Il liquido può essere una sostanza pura o una miscela. Allo stesso modo, il cambiamento può essere dovuto a un calo di temperatura o come risultato di una reazione chimica.

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

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Un esempio di solidificazione è una bolla di liquido che si congela. Nell'immagine sopra puoi vedere come una bolla si congela a contatto con la neve. Qual è la parte della bolla che inizia a solidificarsi? Quello che è a diretto contatto con la neve. La neve funge da supporto su cui possono depositarsi le molecole della bolla.

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

Perché avvenga la solidificazione è necessario che le particelle del liquido possano essere disposte in modo tale da interagire tra loro. Queste interazioni diventano più forti al diminuire della temperatura, il che influisce sulla cinetica molecolare; cioè, rallentano e diventano parte del cristallo.

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

Entalpia di solidificazione

Non tutte le sostanze si solidificano alla stessa temperatura (o sotto lo stesso trattamento). Alcuni addirittura "congelano" sopra la temperatura ambiente, come i solidi ad alto punto di fusione. Questo dipende dal tipo di particelle che compongono il solido o il liquido.

Nel solido questi interagiscono fortemente e restano vibranti in posizioni fisse nello 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 sull'altro, occupando il volume del contenitore che lo contiene.

Il solido necessita di energia termica per passare alla fase liquida; in altre parole, ha bisogno di calore. Ottiene calore 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 rilasciare calore nell'ambiente circostante per ordinare le sue molecole e cristallizzare 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 un segno negativo.

Perché la temperatura rimane costante nella solidificazione?

Ad un certo punto il liquido inizia a congelare, e il termometro legge una temperatura T. Finché il liquido non si è completamente solidificato, T rimane costante. Poiché ΔHc ha un segno negativo, consiste in un processo esotermico che rilascia calore.

Pertanto, il termometro leggerà il calore sprigionato dal liquido durante il suo cambio di fase, contrastando il calo di temperatura imposto. Ad esempio, se il contenitore che contiene il liquido viene messo in un bagno di ghiaccio. Pertanto, T non diminuisce fino a quando la solidificazione non è completamente completa.

Quali unità accompagnano queste misurazioni del calore? Di solito kJ / mol o J / g. Questi sono interpretati come segue: kJ o J è la quantità di calore richiesta da 1 mole di liquido o 1 g per essere in grado di raffreddarsi o solidificare.

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

Punto di solidificazione

La temperatura esatta in cui si verifica il processo è nota come punto di solidificazione (Tc). Questo varia in tutte le sostanze a seconda di quanto siano forti le loro interazioni intermolecolari nel solido.

Anche la purezza è una variabile importante, poiché un solido impuro non si solidifica alla stessa temperatura di uno puro. Questo è noto come abbassamento del punto di congelamento. Per confrontare i punti di solidificazione di una sostanza è necessario utilizzare come riferimento quello più puro possibile.

Tuttavia, lo stesso non può essere applicato alle soluzioni, come nel caso delle leghe metalliche. Per confrontare i loro punti di solidificazione, devono 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 vengono raffreddati, è possibile ottenere alcune proprietà fisiche desiderabili o evitare quelle inappropriate per una data applicazione.

Per questo motivo la comprensione e lo studio di questo concetto è di grande importanza in metallurgia e mineralogia, così come in qualsiasi altra scienza che meriti di fabbricare e caratterizzare un materiale.

Solidificazione e punto di fusione

Teoricamente Tc dovrebbe essere uguale alla temperatura o punto di fusione (Tf). Tuttavia, questo non è sempre vero per tutte le sostanze. Il motivo principale è perché, a prima vista, è più facile confondere le molecole solide che ordinare quelle liquide.

Quindi, si preferisce in pratica usare Tf per misurare qualitativamente la purezza di un composto. Ad esempio, se un composto X ha molte impurità, il suo Tf sarà più distante da quello di X puro rispetto a un altro con purezza maggiore.

Ordinamento molecolare

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

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

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

Il caso più noto è invece il ghiaccio secco, che altro non è che CO _{2, i} cui vapori bianchi sono dovuti alla sua sublimazione alla pressione atmosferica. Questi sono stati usati per ricreare la foschia sul palco.

Perché un composto si solidifichi non dipende solo da Tc, ma anche dalla pressione e da altre variabili. Più piccole sono le molecole (H ₂ ) e più deboli sono le loro interazioni, più difficile sarà portarle allo stato solido.

Supercooling

Il liquido, sia esso una sostanza o una miscela, inizierà a congelare alla temperatura nel punto di solidificazione. Tuttavia, in determinate condizioni (come elevata purezza, tempo di raffreddamento lento o un ambiente molto energico), il liquido può tollerare temperature più basse senza congelarsi. Questo si chiama supercooling.

Non c'è ancora una spiegazione assoluta del fenomeno, ma la teoria sostiene che tutte quelle variabili che impediscono la crescita dei nuclei di cristallizzazione promuovono il super raffreddamento.

Perché? Perché dai nuclei si formano grandi cristalli dopo aver aggiunto molecole dall'ambiente circostante. Se questo processo è limitato, anche se la temperatura è inferiore a Tc, il liquido rimarrà invariato, come accade con le minuscole gocce che si 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 aggiungi un piccolo pezzo di ghiaccio o li agiti un po ', si congelano all'istante, il che è un esperimento facile e divertente da eseguire.

Esempi di solidificazione

-Anche se non è un solido in sé, 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 definite.

-Proprio come la bolla si è congelata a contatto con la neve, una bottiglia di soda può subire lo stesso processo; e se è super raffreddato, il suo congelamento sarà istantaneo.

-Quando la lava emerge dai vulcani coprendone i bordi o la superficie terrestre, si solidifica quando perde temperatura, fino a diventare rocce ignee.

-Uova e dolci si solidificano con l'aumento della temperatura. Allo stesso modo, la mucosa nasale lo fa, ma a causa della disidratazione. Un altro esempio può essere trovato anche nella vernice o nelle colle.

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

Altri:

- La conversione dell'acqua in ghiaccio: avviene a 0 ° C producendo ghiaccio, neve o cubetti glaciali.

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

- Congelamento degli alimenti per la sua conservazione: in questo caso le molecole d'acqua vengono congelate all'interno delle cellule della carne o delle verdure.

- Vetro soffiato: si scioglie per dargli forma e poi si solidifica.

- La fabbricazione del gelato: sono generalmente latticini che solidificano.

- Nell'ottenere il caramello, che è lo zucchero fuso e solidificato.

- 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 argilla che, mescolata con l'acqua, ha proprietà di indurimento.

- Nella produzione del cioccolato, il cacao in polvere viene mescolato con acqua e latte, che una volta essiccato, si solidifica.

Riferimenti

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