ERSTARRUNG: ERSTARRUNGSPUNKT UND BEISPIELE - CHEMIE - 2025

Die Verfestigung ist eine Flüssigkeit, die sich ändert, 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.

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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 dient als Träger, auf dem sich die Moleküle der Blase absetzen 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.

Erstarrungsenthalpie

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

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

Der Feststoff benötigt Wärmeenergie, um in die flüssige Phase überzugehen. Mit anderen Worten, es braucht Wärme. Wärme wird aus seiner Umgebung gewonnen, und die kleinste Menge, die es absorbiert, um den ersten Tropfen Flüssigkeit zu erzeugen, ist als latente Schmelzwärme (ΔHf) bekannt.

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. Dies wird als Absenken des Gefrierpunktes bezeichnet. Um die Erstarrungspunkte eines Stoffes zu vergleichen, muss derjenige verwendet werden, der so rein wie möglich ist.

Dies kann jedoch nicht auf Lösungen angewendet werden, wie dies bei Metalllegierungen der Fall ist. Um ihre Erstarrungspunkte zu vergleichen, müssen Gemische mit 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 wie sie abgekühlt werden, einige wünschenswerte physikalische Eigenschaften erhalten werden können oder diejenigen, die für eine gegebene 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 festen Moleküle durcheinander zu bringen, als die flüssigen zu bestellen.

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 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 verfestigen zu können.

Beispielsweise wird flüssiger Stickstoff bei Temperaturen unter -196ºC erhalten. Um es zu verfestigen, wäre es notwendig, es weiter abzukühlen oder den Druck darauf zu erhöhen, wodurch die N ₂ -Moleküle gezwungen würden, sich zu verklumpen, 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.

Der bekannteste Fall ist dagegen Trockeneis, bei dem es sich lediglich um CO _{2 handelt,} dessen weiße Dämpfe auf die Sublimation auf atmosphärischen Druck zurückzuführen sind. 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 ₂ ) 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 Sie ihnen beispielsweise ein kleines Stück Eis hinzufügen oder sie ein wenig schütteln, 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 Verfestigungsprozess durch Abkühlen.

- Mit geschmolzenem Glas werden viele Objekte erstellt und gestaltet, die nach dem Abkühlen ihre endgültig definierten Formen behalten.

- Gerade als die Blase bei Kontakt mit Schnee gefroren ist, kann eine Limo-Flasche den gleichen Vorgang durchlaufen. und wenn es unterkühlt ist, wird es sofort einfrieren.

- Wenn die Lava aus den 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 sind auch Farben oder Klebstoffe.

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

Andere:

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

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

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

- Glasblasen: Dieses schmilzt, um ihm Form zu geben, und verfestigt sich dann.

- Die Herstellung von Eiscreme: Es handelt sich in der Regel 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 in Mischung mit Wasser aushärtet.

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

Verweise

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