Solidificação: ponto de solidificação e exemplos

Solidificação é a mudança que um líquido experimenta quando passa para a fase sólida. O líquido pode ser uma substância pura ou uma mistura. Além disso, a mudança pode ser devido a uma queda na temperatura ou como resultado de uma reação química.

Como esse fenômeno pode ser explicado? Visualmente, o líquido começa a ficar petrificado ou endurecido, a ponto de parar de fluir livremente. No entanto, a solidificação consiste, na verdade, em uma série de etapas que ocorrem em escalas microscópicas.

Um exemplo de solidificação é uma bolha líquida que congela. Na imagem acima você pode ver como uma bolha congela quando atinge a neve. Qual é a parte da bolha que começa a se solidificar? Aquilo que está em contato direto com a neve. A neve funciona como um suporte no qual as moléculas da bolha podem ser acomodadas.

A solidificação é disparada rapidamente a partir da parte inferior da bolha. Isso pode ser visto nos "pinheiros de vidro" que se estendem para cobrir toda a superfície. Esses pinheiros refletem o crescimento de cristais, que nada mais são do que arranjos ordenados e simétricos das moléculas.

Para que a solidificação ocorra, é necessário que as partículas do líquido possam ser dispostas de tal forma que interajam umas com as outras. Essas interações se tornam mais fortes à medida que a temperatura diminui, o que afeta a cinética molecular; isto é, eles se tornam mais lentos e se tornam parte do cristal.

Esse processo é conhecido como cristalização, e a presença de um núcleo (pequenos agregados de partículas) e um suporte acelera esse processo. Uma vez que o líquido tenha cristalizado, diz-se que ele se solidificou ou congelou.

Entalpia de solidificação

Nem todas as substâncias se solidificam na mesma temperatura (ou sob o mesmo tratamento). Alguns até "congelam" acima da temperatura ambiente, como acontece com sólidos com alto ponto de fusão. Isso depende do tipo de partículas que compõem o sólido ou líquido.

No sólido, eles interagem fortemente e permanecem vibrando em posições fixas do espaço, sem liberdade de movimento e com um volume definido, enquanto no líquido, eles têm a capacidade de se mover como numerosas camadas que se movem umas sobre as outras, ocupando o volume do espaço. recipiente que o contém.

O sólido requer energia térmica para passar para a fase líquida; Em outras palavras, precisa de calor. O calor é obtido a partir do seu entorno, e a quantidade mínima que ele absorve para gerar a primeira gota de líquido é conhecida como calor latente de fusão (ΔHf).

Por outro lado, o líquido deve liberar calor para os seus arredores para ordenar suas moléculas e cristalizar na fase sólida. O calor liberado é, então, o calor latente de solidificação ou congelamento (ΔHc). Tanto ΔHf quanto ΔHc são iguais em magnitude, mas com direções opostas; o primeiro tem um sinal positivo e o segundo sinal negativo.

Por que a temperatura permanece constante na solidificação?

Em determinado momento, o líquido começa a congelar e o termômetro marca uma temperatura T. Embora este não tenha se solidificado completamente, T permanece constante. Como ΔHc tem um sinal negativo, consiste em um processo exotérmico que libera calor.

Portanto, o termômetro lerá o calor liberado pelo líquido durante a mudança de fase, neutralizando a queda de temperatura imposta. Por exemplo, se você colocar o recipiente contendo o líquido dentro de um banho de gelo. Assim, T não diminui até que a solidificação esteja completa em sua totalidade.

Quais unidades acompanham essas medições de calor? Geralmente kJ / mol ou J / g. Estes são interpretados da seguinte forma: kJ ou J é a quantidade de calor que requer 1 mole de líquido ou 1 g para poder resfriar ou solidificar.

Para o caso da água, por exemplo, ΔHc é igual a 6, 02 kJ / mol. Ou seja, 1 mole de água pura precisa liberar 6, 02 kJ de calor para poder congelar, e esse calor é o que mantém a temperatura constante no processo. Da mesma forma, 1 mole de gelo precisa absorver 6, 02 kJ de calor para derreter.

Ponto de congelamento

Na temperatura exata em que o processo ocorre, é conhecido como ponto de solidificação (Tc). Varia em todas as substâncias dependendo de quão fortes são suas interações intermoleculares no sólido.

A pureza também é uma variável importante, pois um sólido impuro não se solidifica na mesma temperatura de um puro. O acima é conhecido como queda do ponto de congelamento . Para comparar os pontos de solidificação de uma substância, é necessário usar como referência aquilo que é o mais puro possível.

No entanto, o mesmo não pode ser aplicado para soluções, como no caso de ligas metálicas. Para comparar seus pontos de solidificação, devem ser consideradas misturas com proporções de massa iguais; isto é, com concentrações idênticas de seus componentes.

Certamente, o ponto de solidificação é de grande interesse científico e tecnológico no que diz respeito a ligas e outras variedades de materiais. Isso porque, controlando o tempo e como eles resfriam, você pode obter algumas propriedades físicas desejáveis ​​ou evitar as inadequadas para uma aplicação específica.

Por esta razão, o entendimento e estudo deste conceito é de grande importância na metalurgia e mineralogia, bem como em qualquer outra ciência que mereça fabricar e caracterizar um material.

Solidificação e ponto de fusão

Teoricamente, Tc deve ser igual à temperatura ou ao ponto de fusão (Tf). No entanto, isso nem sempre é verdade para todas as substâncias. A principal razão é que, à primeira vista, é mais fácil romper as moléculas do sólido do que ordenar as moléculas do líquido.

Por isso, é preferido na prática recorrer a Tf para medir qualitativamente a pureza de um composto. Por exemplo, se um composto X tem muitas impurezas, então o seu Tf será mais distante daquele do X puro comparado a outro com maior pureza.

Ordenação molecular

Como já foi dito até agora, a solidificação prossegue para a cristalização. Algumas substâncias, dada a natureza de suas moléculas e suas interações, exigem temperaturas muito baixas e altas pressões para solidificar.

Por exemplo, o nitrogênio líquido é obtido em temperaturas abaixo de -196ºC. Para solidificá-lo, seria necessário resfriá-lo ainda mais ou aumentar a pressão sobre ele, forçando as moléculas de N ₂ a se agruparem para criar núcleos de cristalização.

O mesmo pode ser considerado para outros gases: oxigênio, argônio, flúor, néon, hélio; e para o mais extremo de todos, o hidrogênio, cuja fase sólida despertou muito interesse por suas potenciais propriedades sem precedentes.

Por outro lado, o caso mais conhecido é o gelo seco, que nada mais é do que o CO _2, cujos vapores brancos são devidos à sublimação dos mesmos à pressão atmosférica. Estes foram usados ​​para recriar a névoa nos cenários.

Para um composto para solidificar não depende apenas do Tc, mas também da pressão e outras variáveis. Quanto menores forem as moléculas (H ₂ ) e quanto mais fracas forem suas interações, mais difícil será conseguir que elas entrem no estado sólido.

Overcooling

O líquido, uma substância ou mistura, começará a congelar à temperatura no ponto de solidificação. No entanto, sob certas condições (como alta pureza, um tempo de resfriamento lento ou um ambiente muito energético), o líquido pode tolerar temperaturas mais baixas sem congelamento. Isso é chamado de super-resfriamento.

Ainda não há uma explicação absoluta para o fenômeno, mas a teoria sustenta que todas essas variáveis ​​que impedem o crescimento dos núcleos de cristalização promovem o super-resfriamento.

Por quê? Porque grandes cristais são formados a partir dos núcleos após a adição de moléculas adjacentes a eles. Se este processo for limitado, mesmo se a temperatura estiver abaixo de Tc, o líquido permanecerá inalterado, como acontece com as minúsculas gotas que compõem e tornam visíveis as nuvens no céu.

Todos os líquidos super-resfriados são metaestáveis, ou seja, são suscetíveis ao menor distúrbio externo. Por exemplo, se um pequeno pedaço de gelo é adicionado a eles, ou eles são um pouco abalados, eles vão congelar instantaneamente, o que resulta em uma experiência divertida e fácil de executar.

Exemplos de solidificação

-Embora não seja propriamente um sólido, a gelatina é um exemplo de um processo de solidificação por resfriamento.

-O vidro fundido é usado para criar e projetar muitos objetos, que após o resfriamento, mantêm suas formas definidas finais.

-Como a bolha congelou ao contato da neve, uma garrafa de refrigerante pode passar pelo mesmo processo; e se for super-resfriado, seu congelamento será instantâneo.

Quando a lava irrompe dos vulcões que cobrem suas bordas ou a superfície terrestre, ela se solidifica quando perde temperatura, até se transformar em rochas ígneas.

-Os ovos e bolos solidificam com o aumento da temperatura. Da mesma forma, a mucosa nasal faz, mas por causa da desidratação. Outro exemplo também pode ser encontrado em tintas ou colas.

No entanto, deve-se notar que a solidificação não ocorre nos últimos casos como resultado do resfriamento. Portanto, o fato de que um líquido se solidifica não significa necessariamente que ele congela (ele não reduz sua temperatura apreciavelmente); mas quando um líquido congela, ele acaba se solidificando.

Outros:

- A conversão de água em gelo: ocorre a 0 ° C produzindo gelo, neve ou cubos de gelo.

- A cera de vela que se funde com a chama e se solidifica novamente.

- O congelamento do alimento para a sua conservação: neste caso, congela as moléculas de água no interior das células das carnes ou vegetais.

- O sopro de vidro: ele derrete para moldá-lo e depois se solidifica.

- A fabricação de sorvete: geralmente produtos lácteos que solidificam.

- Na obtenção do doce, que é o açúcar derretido e solidificado.

- Manteiga e margarina são ácidos graxos no estado sólido.

- Metalurgia: na fabricação de lingotes ou vigas ou estruturas de certos metais.

- O cimento é uma mistura de calcário e argilas que quando misturados com a água tem a propriedade de endurecer.

- No fabrico de chocolate, o cacau em pó é misturado com água e leite que, quando seco, solidifica.