SOLIDIFICACIÓ: PUNT DE SOLIDIFICACIÓ I EXEMPLES - QUIMICA - 2026

La solidificació és el canvi que experimenta un líquid quan passa a la fase sòlida. El líquid pot tractar-se d'una substància pura o d'una mescla. Així mateix, el canvi pot ser degut per un descens de la temperatura o com a resultat d'una reacció química.

Com pot explicar-se aquest fenomen? Visualment, el líquid comença a tornar-se petrificat o endurit, fins al punt que deixi de fluir lliurement. No obstant això, la solidificació consisteix en realitat en una sèrie de passos que ocorren a escales microscòpiques.

Font: Pixabay

Un exemple de solidificació és una bombolla líquida que es congela. A la imatge superior pot apreciar-se com una bombolla es congela a el contacte de la neu. Quina és la part de la bombolla que comença a solidificar? Aquella que està en contacte directe amb la neu. La neu funciona com un suport sobre el qual pot acomodar les molècules de la bombolla.

Des de la part inferior de la bombolla es desencadena ràpidament la solidificació. Aquesta pot observar-se en els "pins envidrats" que s'estenen fins a cobrir tota la superfície. Aquests pins reflecteixen el creixement de cristalls, els quals no són més que arranjaments ordenats i simètrics de les molècules.

Perquè passi la solidificació cal que les partícules de el líquid puguin ordenar-se, de tal manera que interactuïn unes amb les altres. Aquestes interaccions es van fent més forts a mesura que disminueix la temperatura, la qual cosa repercuteix en la cinètica molecular; és a dir, es fan més lentes i passen a formar part de la plataforma.

Aquest procés es coneix com cristal·lització, i la presència d'un nucli (petits agregats de partícules) i un suport accelera aquest procés. Una vegada que el líquid hagi cristal·litzat, es diu llavors que ha solidificat o congelat.

Entalpia de solidificació

No totes les substàncies es solidifiquen a la mateixa temperatura (o sota el mateix tractament). Algunes inclusivament es "congelen" per sobre de la temperatura ambient, com passa amb els sòlids amb alts punt de fusió. Això depèn de el tipus de partícules que conformen el sòlid o el líquid.

En el sòlid, aquestes interactuen fortament i romanen vibrant en posicions fixes de l'espai, sense llibertat de moviment i amb volum definit, mentre que en el líquid, tenen la capacitat de desplaçar-se com nombroses capes que es mouen unes sobre les altres, ocupant el volum de l' recipient que el conté.

El sòlid requereix energia tèrmica per a passar a la fase líquida; en altres paraules, necessita calor. La calor l'obté dels seus voltants, i la mínima quantitat que absorbeix per generar la primera gota de líquid es coneix com a calor latent de fusió (ΔHf).

D'altra banda, el líquid ha d'alliberar calor als seus voltants per poder ordenar les seves molècules i cristal·litzar en la fase sòlida. La calor alliberada és, llavors, la calor latent de solidificació o congelació (ΔHc). Tant ΔHf i ΔHc són iguals en magnitud però amb direccions contràries; el primer porta signe positiu, i el segon signe negatiu.

Per què la temperatura es manté constant en la solidificació?

En un moment determinat el líquid comença a congelar-se, i el termòmetre marca una temperatura T. Mentre aquest no s'hagi solidificat del tot, T es manté constant. Com ΔHc té signe negatiu, consisteix d'un procés exotèrmic que allibera calor.

Per tant, el termòmetre llegirà la calor despresa pel líquid durant el seu canvi de fase, contrarestant el descens de temperatura impost. Per exemple, si es fica el recipient que conté el líquid dins d'un bany de gel. Així, T no disminueix fins a la solidificació hagi finalitzat del tot.

Quines unitats acompanyen aquests mesuraments de calor? En general kJ / mol o J / g. Aquestes s'interpreten de la següent forma: kJ o J és la quantitat de calor que requereix 1 mol de líquid o 1 g per poder refredar o solidificar-se.

Per al cas de l'aigua, per exemple, ΔHc és igual a 6,02 kJ / mol. És a dir, 1 mol d'aigua pura necessita desprendre 6,02 kJ de calor per poder congelar-se, i aquesta calor és el que manté constant la temperatura en el procés. De la mateixa manera, 1 mol de gel necessita absorbir 6,02 kJ de calor per fondre.

Punt de solidificació

A la temperatura exacta on passa el procés es coneix com a punt de solidificació (Tc). Aquest varia en totes les substàncies depenent de què tan forts són les seves interaccions intermoleculars en el sòlid.

La puresa també és una variable important, ja que un sòlid impur no solidifica a la mateixa temperatura que un pur. L'anterior es coneix com descens de el punt de congelació. Per comparar els punts de solidificació d'una substància cal fer servir com a referència aquella que sigui el més pura possible.

No obstant això, el mateix no pot aplicar-se per les solucions, com el cas dels aliatges metàl·lics. Per comparar els seus punts de solidificació s'ha de considerar mescles amb iguals proporcions màssiques; és a dir, amb idèntiques concentracions dels seus components.

Certament, el punt de solidificació cobra un gran interès científic i tecnològic pel que fa als aliatges i altres varietats de materials. Això es deu al fet que, controlant el temps i com ells es refreden, es poden obtenir algunes propietats físiques desitjables o evitar les inapropiades per a determinada aplicació.

Per aquesta raó la comprensió i l'estudi d'aquest concepte és de gran importància en metal·lúrgia i mineralogia, així com en qualsevol altra ciència que mereixi fabricar i caracteritzar un material.

Solidificació i punt de fusió

Teòricament Tc hauria de ser igual a la temperatura o punt de fusió (Tf). No obstant això, això no es compleix sempre per a totes les substàncies. El principal motiu es deu al fet que, a primera vista, és més fàcil desordenar les molècules de l'sòlid que ordenar les de el líquid.

D'aquí al fet que es prefereixi en la pràctica recórrer a Tf per mesurar qualitativament la puresa d'un compost. Per exemple, si un compost X té moltes impureses, llavors la seva Tf estarà més distant del de X pur en comparació a un altre amb més puresa.

Ordenament molecular

Com s'ha dit fins ara, la solidificació procedeix a la cristal·lització. Algunes substàncies, donada la naturalesa de les seves molècules i les seves interaccions, requereixen de temperatures molt baixes i d'altes pressions per poder solidificar-se.

Per exemple, el nitrogen líquid s'obté a temperatures inferiors de -196ºC. Per solidificar, caldria refredar encara més, o augmentar la pressió sobre ell, obligant d'aquesta manera a les molècules de N ₂ a agrupar-se per crear nuclis de cristal·lització.

El mateix es pot considerar per altres gasos: oxigen, argó, fluor, neó, heli; i per al més extrem de tots, l'hidrogen, la fase sòlida ha despertat molt d'interès per les seves possibles propietats sense precedents.

D'altra banda, el cas més conegut és el gel sec, que no és més que CO ₂ els vapors blancs es deuen a la sublimació de la mateixa a la pressió atmosfèrica. Aquests s'han utilitzat per recrear boirina en els escenaris.

Perquè un compost es solidifiqui no depèn únicament de Tc, sinó a més de la pressió i altres variables. Com més petites siguin les molècules (H ₂) i més febles les seves interaccions, més difícil serà aconseguir que aquestes passin a l'estat sòlid.

Sobreenfriamiento

El líquid, ja sigui una substància o mescla, començarà a congelar a la temperatura en el punt de solidificació. No obstant això, en certes condicions (com d'alta puresa, un temps lent de refredament o un entorn molt energètic), el líquid pot tolerar temperatures més baixes sense congelar-se. A això se li diu sobreenfriamiento.

No existeix encara una explicació absoluta el fenomen, però la teoria sustenta que totes aquelles variables que impedeixin el creixement dels nuclis de cristal·lització promouen el sobreenfriamiento.

Per què? Perquè a partir dels nuclis es formen cristalls grans després afegir-hi molècules dels voltants. Si es limita aquest procés, encara que la temperatura estigui per sota de Tc, el líquid romandrà inalterat, tal com passa amb les diminutes gotes que conformen i fan visibles els núvols al cel.

Tots els líquids sobreenfriados són metastables, és a dir, són susceptibles a la més lleu pertorbació externa. Per exemple, si a aquests se li afegeixen un tros petit de gel, o se'ls sacsegen una mica, es congelaran instantàniament, la qual cosa resulta en un experiment entretingut i fàcil de realitzar.

Exemples de solidificació

-Encara que no es tracti pròpiament d'un sòlid, la gelatina és un exemple d'un procés de solidificació mitjançant refredament.

-El vidre fos s'utilitza per crear i dissenyar molts objectes, que després de refredar-se, conserven les seves formes finals definides.

-Així com la bombolla es va congelar a el contacte de la neu, una ampolla de refresc pot patir el mateix procés; i si està sobrerefredada, la seva congelació resultarà instantani.

-Al sorgir la lava dels volcans cobrint les seves vores o la superfície terrestre, aquesta es solidifica quan perd temperatura, fins transformar-se en roques ígnies.

-Els ous i les coques es solidifiquen amb un increment de la temperatura. Igualment, la mucosa nasal ho fa però a causa de la deshidratació. Un altre exemple pot trobar-se també en la pintura o en les coles.

No obstant això, cal ressaltar que la solidificació no passa en aquests últims casos com producte de l'refredament. Per tant, el fet que un líquid es solidifiqui no vol dir obligatòriament que es congeli (no redueix la seva temperatura apreciablement); però quan un líquid es congela, aquest acaba solidificant.

altres:

- La conversió de l'aigua a el gel: aquesta passa a 0 ° C produint cubs de gel, neu o glacials.

- La cera de vela que es fon amb la flama i es solidifica novament.

- La congelació del menjar per a la seva preservació: en aquest cas es congela les molècules d'aigua dins de les cèl·lules de les carns o vegetals.

- El bufat de vidre: aquest es fon per donar-li forma i després es solidifica.

- La fabricació de gelats: en general són lactis que es solidifiquen.

- En l'obtenció de l'caramel, que és sucre fos i solidificat.

- La mantega i la margarina són àcids grassos en estat sòlid.

- Metal·lúrgia: en la fabricació de lingots o bigues o estructures de certs metalls.

- El ciment és una barreja de calcàries i argiles que a l'barrejar-se amb aigua té la propietat de endurir-se.

- En la fabricació de la xocolata es barreja la pols de cacau amb aigua i llet que a l'ésser dessecat, solidifica.

referències

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8va ed.). Cengage Learning, pàg 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Freezing. Pres de: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (16 de maig de 2008). Solidification.. Pres de: infohost.nmt.edu/
4. Fusió i solidificació. Pres de: juntadeandalucia.es
5. Dr. Carter. Solidification of a melt. Pres de: itc.gsw.edu/
6. Experimental explanation of supercooling: why water does not freeze in the clouds. Pres de: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de juny del 2018). Solidification Definition and Examples. Pres de: thoughtco.com