JÄHMETTYMINEN: JÄHMETTYMISPISTE JA ESIMERKIT - KEMIA - 2026

Jähmettyminen on neste, joka käy läpi muutoksen, kun se siirtyy kiinteän faasin. Neste voi olla puhdasta ainetta tai seosta. Samoin muutos voi johtua lämpötilan laskusta tai kemiallisen reaktion seurauksena.

Kuinka tämä ilmiö voidaan selittää? Visuaalisesti neste alkaa muuttua sulautuneeksi tai kovettua siihen pisteeseen, että se lakkaa virtaamasta vapaasti. Jähmettyminen koostuu tosiasiassa kuitenkin sarjasta vaiheita, jotka tapahtuvat mikroskooppisilla vaakoilla.

Lähde: Pixabay

Esimerkki jähmettymisestä on nestekupla, joka jäätyy. Yllä olevassa kuvassa voit nähdä kuinka kupla jäätyy kosketukseen lumen kanssa. Mikä on kuplan osa, joka alkaa kiinteytyä? Se, joka on suorassa kontaktissa lumen kanssa. Lumi toimii tukena, johon kuplan molekyylit voivat asettua.

Jähmettyminen käynnistyy nopeasti kuplan pohjasta. Tämä näkyy "lasitetuissa mäntyissä", jotka ulottuvat kattamaan koko pinnan. Nämä mäntyjä kuvaavat kiteiden kasvua, jotka ovat vain molekyylien järjestettyä ja symmetristä järjestelyä.

Kiinteistymisen tapahtumiseksi on välttämätöntä, että nestehiukkaset voidaan järjestää siten, että ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Nämä vuorovaikutukset vahvistuvat lämpötilan laskiessa, mikä vaikuttaa molekyylin kinetiikkaan; ts. ne hidastuvat ja tulevat osaksi kristallia.

Tätä prosessia kutsutaan kiteytykseksi, ja ytimen (pienten hiukkasten aggregaatit) ja kantajan läsnäolo nopeuttaa tätä prosessia. Kun neste on kiteytynyt, sen sanotaan sitten kiinteytyneen tai jäätyneen.

Jähmettymis entalpia

Kaikki aineet jähmettyvät samassa lämpötilassa (tai samassa käsittelyssä). Jotkut jopa "jäädyttävät" huoneenlämpötilan yläpuolella, kuten korkean lämpötilan sulavat kiinteät aineet. Tämä riippuu hiukkasten tyypistä, jotka muodostavat kiinteän tai nestemäisen.

Kiinteässä aineessa ne ovat vuorovaikutuksessa voimakkaasti ja pysyvät värisevinä kiinteissä asemissa avaruudessa, ilman liikkumisvapautta ja määritellyn tilavuuden kanssa. Nesteessä ollessaan nesteellä on kyky liikkua niin monina kerroksina, jotka liikkuvat toistensa yli, miehittäen säiliö, joka sisältää sen.

Kiinteä aine vaatii lämpöenergiaa siirtyäkseen nestefaasiin; toisin sanoen se tarvitsee lämpöä. Lämpöä saadaan sen ympäristöstä, ja vähimmäismäärä, jonka se absorboi tuottamaan ensimmäisen nestepisaran, tunnetaan latenttuna sulamislämmönä (ΔHf).

Toisaalta nesteen on vapautettava lämpöä ympäristöönsä molekyyliensä järjestämiseksi ja kiteytymiseksi kiinteään faasiin. Vapautunut lämpö on sitten jähmettyvän jähmettymisen tai jäätymisen lämpöä (ΔHc). Sekä ΔHf että ΔHc ovat yhtä suuria, mutta vastakkaisiin suuntiin; ensimmäisessä on positiivinen merkki ja toisessa negatiivinen merkki.

Miksi lämpötila pysyy vakiona kiinteytyessä?

Tietyssä vaiheessa neste alkaa jäätyä ja lämpömittari lukee lämpötilan T. Niin kauan kuin neste ei ole täysin jähmettynyt, T pysyy vakiona. Koska ΔHc: llä on negatiivinen merkki, se koostuu eksotermisestä prosessista, joka vapauttaa lämpöä.

Siksi lämpömittari lukee nesteen aiheuttaman lämmön vaiheen aikana, vastapainona asetetulle lämpötilan pudotukselle. Esimerkiksi, jos nestettä sisältävä säiliö laitetaan jäähauteeseen. Siten T ei vähene ennen kuin kiinteytyminen on täysin valmis.

Mitkä yksiköt seuraavat näitä lämpömittauksia? Yleensä kJ / mol tai J / g. Ne tulkitaan seuraavasti: kJ tai J on lämmön määrä, jota tarvitaan 1 moolia nestettä tai 1 g jäähtyäkseen tai jähmettyäkseen.

Esimerkiksi veden tapauksessa ΔHc on yhtä suuri kuin 6,02 kJ / mol. Toisin sanoen yhden moolin puhdasta vettä on vapautettava 6,02 kJ lämpöä jäätyäkseen, ja tämä lämpö on se, joka pitää lämpötilan vakiona prosessissa. Samoin yhden moolin jään täytyy absorboida 6,02 kJ lämpöä sulamiseksi.

Jähmettymispiste

Tarkka lämpötila, jossa prosessi tapahtuu, tunnetaan kiinteytymispisteenä (Tc). Tämä vaihtelee kaikissa aineissa riippuen siitä, kuinka vahvat niiden molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat kiinteissä aineissa.

Puhtaus on myös tärkeä muuttuja, koska epäpuhdas kiinteä aine ei jähmetty samassa lämpötilassa kuin puhdas. Tätä kutsutaan jäätymispisteen alentamiseksi. Aineen jähmettymispisteiden vertaamiseksi on käytettävä vertailukohtana mahdollisimman puhdasta.

Samaa ei kuitenkaan voida soveltaa ratkaisuihin, kuten metalliseosten tapauksessa. Niiden kiinteytymispisteiden vertaamiseksi on otettava huomioon seokset, joilla on yhtä suuret massaosuudet; eli sen komponenttien samanlaisilla pitoisuuksilla.

Kiinteytymispisteellä on varmasti suuri tieteellinen ja tekninen merkitys lejeerinkien ja muiden materiaalimuotojen suhteen. Tämä johtuu siitä, että säätelemällä aikaa ja tapaa, jolla ne jäähdytetään, voidaan saada joitain toivottuja fysikaalisia ominaisuuksia tai voidaan välttää tietylle sovellukselle sopimattomat ominaisuudet.

Tästä syystä tämän käsitteen ymmärtämisellä ja tutkimisella on suuri merkitys metallurgiassa ja mineralogiassa, samoin kuin muussa tieteessä, joka ansaitsee valmistaa ja karakterisoida materiaalia.

Kiinteistymis- ja sulamispiste

Teoreettisesti Tc: n tulisi olla yhtä suuri kuin lämpötila tai sulamispiste (Tf). Tämä ei kuitenkaan aina pidä paikkaansa kaikkia aineita. Pääsyy on, koska ensi silmäyksellä on helpompaa sekoittaa kiinteät molekyylit kuin tilata nestemäiset.

Siksi on käytännössä edullista käyttää Tf: tä kvalitatiivisesti mittaamaan yhdisteen puhtautta. Esimerkiksi, jos yhdisteellä X on paljon epäpuhtauksia, niin sen Tf on kauempana puhtaan X: n arvosta verrattuna puhtaampaan X: ään.

Molekyylien tilaaminen

Kuten toistaiseksi on sanottu, kiinteytyminen etenee kiteytymiseen. Jotkin aineet, ottaen huomioon niiden molekyylien luonteen ja vuorovaikutuksen, vaativat erittäin matalia lämpötiloja ja korkeita paineita voidakseen jähmettyä.

Esimerkiksi nestemäistä typpeä saadaan lämpötiloissa, jotka ovat alle -196ºC. Jähmettyä, se olisi tarpeen jäähdyttää sitä vielä enemmän, tai lisätä painetta, mikä puolestaan pakottaa N ₂ -molekyylien paakkuuntumiseksi luoda kiteytymisytimiä.

Samaa voidaan pitää muissa kaasuissa: happea, argonia, fluoria, neonia, heliumia; ja äärimmäisenä kaikista vety, jonka kiinteä faasi on herättänyt paljon kiinnostusta sen mahdollisista ennennäkemättömistä ominaisuuksista.

Toisaalta tunnetuin tapaus on kuivajää, joka ei ole muuta kuin hiilidioksidi , jonka valkoiset höyryt johtuvat sen sublimoitumisesta ilmakehän paineessa. Niitä on käytetty palaamaan utu lavalle.

Yhdisteen jähmettymiselle se ei riipu vain Tc: stä, vaan myös paineesta ja muista muuttujista. Mitä pienemmät ovat molekyylit (H ₂) ja mitä heikompi on niiden vuorovaikutus, sitä vaikeampaa on saada ne kiinteään tilaan.

alijäähtymisen

Neste, olipa kyse aineesta tai seoksesta, alkaa jäätyä lämpötilassa kiinteytymispisteessä. Tietyissä olosuhteissa (kuten korkea puhtaus, hidas jäähdytysaika tai erittäin energinen ympäristö) neste kykenee sietämään kuitenkin alhaisempia lämpötiloja ilman jäätymistä. Tätä kutsutaan superjäähdytykseksi.

Ilmiölle ei vielä ole olemassa absoluuttista selitystä, mutta teoria tukee sitä, että kaikki muuttujat, jotka estävät kiteytysytimien kasvua, edistävät superjäähdytystä.

Miksi? Koska ytimistä muodostuu suuria kiteitä sen jälkeen, kun niihin on lisätty molekyylejä ympäristöstä. Jos tämä prosessi on rajoitettu, vaikka lämpötila olisi alle Tc: n, neste pysyy muuttumattomana, kuten tapahtuu pienten tippojen kanssa, jotka muodostavat ja tekevät pilvistä näkyvän taivaalla.

Kaikki jäähdytetyt nesteet ovat metastabiileja, ts. Ne ovat alttiita pienimmälle ulkoiselle häiriölle. Jos esimerkiksi lisäät heihin pienen palapalaa tai ravistat niitä, ne jäätyvät heti, mikä on hauska ja helppo kokeilu.

Esimerkkejä jähmettymisestä

-Vaikka se ei ole itse kiinteä aine, gelatiini on esimerkki jähmettymisprosessista jäähdyttämällä.

-Sulatettua lasia käytetään luomaan ja suunnittelemaan monia esineitä, jotka jäähdytyksen jälkeen säilyttävät lopulliset määritellyt muodonsa.

-Juuri kun kupla jäätyi kosketuksessa lumen kanssa, soodapullolle voidaan suorittaa sama prosessi; ja jos se on jäähdytetty, sen jäätyminen tapahtuu välittömästi.

-Kun laava nousee tulivuoreista, jotka peittävät niiden reunat tai maan pinnan, se jähmettyy lämpötilan menettäessä, kunnes siitä tulee tiukat kivit.

-Munat ja kakut jähmettyvät lämpötilan noustessa. Samoin nenän limakalvo tekee sen, mutta nestehukka. Toinen esimerkki löytyy myös maalista tai liimoista.

On kuitenkin huomattava, että jähmettymistä ei tapahdu jälkimmäisissä tapauksissa jäähdytystuotteena. Siksi se, että neste jähmettyy, ei välttämättä tarkoita sen jäätymistä (se ei alenna lämpötilaa tuntuvasti); mutta kun neste jäätyy, se lopulta jähmettyy.

Muut:

- Veden muuttuminen jääksi: tämä tapahtuu 0 ° C: ssa, jolloin syntyy jäätä, lunta tai jääpalat.

- Kynttilävaha, joka sulaa liekin kanssa ja jähmettyy uudelleen.

- Ruoan pakastaminen sen säilyttämistä varten: tässä tapauksessa vesimolekyylit jäädytetään liha- tai vihannessoluissa.

- Lasin puhallus: tämä sulaa antaen sille muodon ja kiinteytyy sitten.

- Jäätelön valmistus: ne ovat yleensä meijerituotteita, jotka jähmettyvät.

- Saadaan karamellia, joka on sulanut ja jähmettynyt sokeri.

- Voi ja margariini ovat rasvahappoja kiinteässä tilassa.

- Metallurgia: harkkojen, palkkien tai tiettyjen metallien rakenteiden valmistuksessa.

- Sementti on kalkkikiven ja saven seos, jolla on veteen sekoitettuna kovettuvuus.

- Suklaan valmistuksessa kaakaojauhe sekoitetaan veden ja maidon kanssa, jotka kuivattaessa kiinteytyvät.

Viitteet

1. Whitten, Davis, Peck ja Stanley. Kemia. (8. painos). CENGAGE Learning, s. 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Pakastaminen. Kuvannut: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (16. toukokuuta 2008). Jähmettyminen.. Otettu: infohost.nmt.edu/
4. Fuusio ja kiinteytyminen. Ostettu: juntadeandalucia.es
5. Tri Carter. Sulan kiinteytyminen. Otettu: itc.gsw.edu/
6. Kokeellinen selitys superjäähdytyksestä: miksi vesi ei jääty pilvissä. Otettu: esrf.eu
7. Helmenstine, tohtori Anne Marie (22. kesäkuuta 2018). Kiinteytymisen määritelmä ja esimerkit. Kuvannut: thinkco.com