- เอนทาลปีแข็งตัว
- ทำไมอุณหภูมิถึงคงที่ในการแข็งตัว?
- จุดแข็งตัว
- การแข็งตัวและจุดหลอมเหลว
- การจัดลำดับโมเลกุล
- ซุปเปอร์คูลลิ่ง
- ตัวอย่างของการแข็งตัว
- อ้างอิง
การแข็งตัวเป็นของเหลวที่เกิดการเปลี่ยนแปลงเมื่อผ่านไปยังเฟสของแข็ง ของเหลวอาจเป็นสารบริสุทธิ์หรือของผสม ในทำนองเดียวกันการเปลี่ยนแปลงอาจเกิดจากอุณหภูมิที่ลดลงหรือเป็นผลมาจากปฏิกิริยาทางเคมี
ปรากฏการณ์นี้สามารถอธิบายได้อย่างไร? ในสายตาของเหลวเริ่มกลายเป็นหินหรือแข็งตัวจนถึงจุดที่หยุดไหลอย่างอิสระ อย่างไรก็ตามการแข็งตัวจริงประกอบด้วยขั้นตอนต่างๆที่เกิดขึ้นบนเครื่องชั่งกล้องจุลทรรศน์
ที่มา: Pixabay
ตัวอย่างของการแข็งตัวคือฟองสบู่ที่แข็งตัว ในภาพด้านบนคุณจะเห็นว่าฟองอากาศแข็งตัวเมื่อสัมผัสกับหิมะ อะไรคือส่วนของฟองที่เริ่มแข็งตัว? สิ่งที่สัมผัสโดยตรงกับหิมะ หิมะทำหน้าที่เป็นตัวรองรับที่โมเลกุลของฟองสามารถตกตะกอนได้
การแข็งตัวจะถูกกระตุ้นอย่างรวดเร็วจากด้านล่างของฟอง สิ่งนี้สามารถเห็นได้ใน "ต้นสนเคลือบ" ที่ขยายออกไปจนครอบคลุมพื้นผิวทั้งหมด ต้นสนเหล่านี้สะท้อนถึงการเติบโตของผลึกซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่าการเรียงลำดับและการจัดเรียงโมเลกุลที่สมมาตร
เพื่อให้การแข็งตัวเกิดขึ้นจำเป็นที่จะต้องจัดเรียงอนุภาคของของเหลวในลักษณะที่มีปฏิสัมพันธ์กัน ปฏิกิริยาเหล่านี้จะรุนแรงขึ้นเมื่ออุณหภูมิลดลงซึ่งมีผลต่อจลนศาสตร์ของโมเลกุล นั่นคือพวกมันช้าลงและกลายเป็นส่วนหนึ่งของคริสตัล
กระบวนการนี้เรียกว่าการตกผลึกและการมีนิวเคลียส (อนุภาครวมขนาดเล็ก) และการสนับสนุนช่วยเร่งกระบวนการนี้ เมื่อของเหลวตกผลึกแล้วจะมีการบอกว่าแข็งตัวหรือแข็งตัว
เอนทาลปีแข็งตัว
สารบางชนิดไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิเดียวกัน (หรืออยู่ภายใต้การบำบัดเดียวกัน) บางคนถึงกับ "แข็งตัว" เหนืออุณหภูมิห้องเช่นของแข็งที่มีการละลายสูง ขึ้นอยู่กับชนิดของอนุภาคที่ประกอบขึ้นเป็นของแข็งหรือของเหลว
ในของแข็งพวกมันมีปฏิสัมพันธ์กันอย่างรุนแรงและยังคงสั่นอยู่ในตำแหน่งคงที่ในอวกาศโดยไม่มีอิสระในการเคลื่อนไหวและด้วยปริมาตรที่กำหนดในขณะที่อยู่ในของเหลวพวกมันมีความสามารถในการเคลื่อนที่เป็นชั้นจำนวนมากที่เคลื่อนที่ทับกันโดยครอบครองปริมาตรของ ภาชนะที่บรรจุ
ของแข็งต้องการพลังงานความร้อนเพื่อส่งผ่านไปยังเฟสของเหลว กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือต้องการความร้อน ได้รับความร้อนจากสภาพแวดล้อมและปริมาณที่น้อยที่สุดที่ดูดซับเพื่อสร้างของเหลวหยดแรกเรียกว่าความร้อนแฝงของฟิวชัน (ΔHf)
ในทางกลับกันของเหลวจะต้องปล่อยความร้อนออกสู่สภาพแวดล้อมเพื่อที่จะสั่งโมเลกุลและตกผลึกเป็นเฟสของแข็ง ความร้อนที่ปล่อยออกมาจะเป็นความร้อนแฝงของการแข็งตัวหรือการแช่แข็ง (ΔHc) ทั้งΔHfและΔHcมีขนาดเท่ากัน แต่มีทิศทางตรงกันข้าม อันแรกมีเครื่องหมายบวกและอันที่สองเป็นเครื่องหมายลบ
ทำไมอุณหภูมิถึงคงที่ในการแข็งตัว?
เมื่อถึงจุดหนึ่งของเหลวจะเริ่มแข็งตัวและเทอร์โมมิเตอร์จะอ่านอุณหภูมิ T. ตราบใดที่ของเหลวยังไม่แข็งตัว T จะคงที่ เนื่องจากΔHcมีเครื่องหมายลบจึงประกอบด้วยกระบวนการคายความร้อนที่ปล่อยความร้อน
ดังนั้นเทอร์โมมิเตอร์จะอ่านความร้อนที่ของเหลวได้รับในระหว่างการเปลี่ยนเฟสเพื่อต่อต้านการลดลงของอุณหภูมิที่กำหนด ตัวอย่างเช่นหากใส่ภาชนะที่บรรจุของเหลวลงในอ่างน้ำแข็ง ดังนั้น T จะไม่ลดลงจนกว่าการแข็งตัวจะสมบูรณ์
หน่วยใดที่มาพร้อมกับการวัดความร้อนเหล่านี้? โดยปกติ kJ / mol หรือ J / g สิ่งเหล่านี้ตีความได้ดังนี้: kJ หรือ J คือปริมาณความร้อนที่ของเหลว 1 โมลต้องการหรือ 1 กรัมจึงจะทำให้เย็นหรือแข็งตัวได้
สำหรับกรณีของน้ำเช่นΔHcเท่ากับ 6.02 kJ / mol นั่นคือน้ำบริสุทธิ์ 1 โมลจำเป็นต้องให้ความร้อน 6.02 กิโลจูลเพื่อให้แข็งตัวและความร้อนนี้เป็นสิ่งที่ช่วยให้อุณหภูมิคงที่ในกระบวนการ ในทำนองเดียวกันน้ำแข็ง 1 โมลต้องดูดซับความร้อน 6.02 กิโลจูลเพื่อละลาย
จุดแข็งตัว
อุณหภูมิที่แน่นอนที่กระบวนการเกิดขึ้นเรียกว่าจุดแข็งตัว (Tc) สิ่งนี้แตกต่างกันไปในสารทั้งหมดขึ้นอยู่กับว่าปฏิกิริยาระหว่างโมเลกุลในของแข็งมีความรุนแรงเพียงใด
ความบริสุทธิ์ก็เป็นตัวแปรที่สำคัญเช่นกันเนื่องจากของแข็งที่ไม่บริสุทธิ์ไม่แข็งตัวที่อุณหภูมิเดียวกับของบริสุทธิ์ ซึ่งเรียกว่าการลดจุดเยือกแข็ง ในการเปรียบเทียบจุดแข็งตัวของสารจำเป็นต้องใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงที่บริสุทธิ์ที่สุด
อย่างไรก็ตามไม่สามารถใช้วิธีเดียวกันนี้กับสารละลายได้เช่นเดียวกับในกรณีของโลหะผสม ในการเปรียบเทียบจุดแข็งตัวต้องพิจารณาส่วนผสมที่มีสัดส่วนมวลเท่ากัน นั่นคือมีความเข้มข้นเท่ากันของส่วนประกอบ
แน่นอนว่าจุดแข็งตัวเป็นสิ่งที่น่าสนใจทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอย่างมากเกี่ยวกับโลหะผสมและวัสดุประเภทอื่น ๆ เนื่องจากการควบคุมเวลาและวิธีการระบายความร้อนทำให้สามารถรับคุณสมบัติทางกายภาพบางอย่างที่ต้องการได้หรือไม่เหมาะสมกับแอปพลิเคชันที่กำหนด
ด้วยเหตุนี้ความเข้าใจและการศึกษาแนวคิดนี้จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในด้านโลหะวิทยาและแร่วิทยาตลอดจนในศาสตร์อื่น ๆ ที่สมควรได้รับในการผลิตและกำหนดลักษณะของวัสดุ
การแข็งตัวและจุดหลอมเหลว
ในทางทฤษฎี Tc ควรเท่ากับอุณหภูมิหรือจุดหลอมเหลว (Tf) อย่างไรก็ตามนี่ไม่ได้เป็นความจริงเสมอไปสำหรับสารทั้งหมด สาเหตุหลักเป็นเพราะเมื่อมองแวบแรกมันง่ายกว่าที่จะเลอะโมเลกุลของของแข็งมากกว่าการสั่งให้ของเหลว
ดังนั้นในทางปฏิบัติจึงควรใช้ Tf เพื่อวัดความบริสุทธิ์ของสารประกอบในเชิงคุณภาพ ตัวอย่างเช่นถ้าสารประกอบ X มีสิ่งสกปรกจำนวนมาก Tf ของมันจะอยู่ห่างจาก X บริสุทธิ์มากกว่าเมื่อเทียบกับสารประกอบที่มีความบริสุทธิ์สูงกว่า
การจัดลำดับโมเลกุล
ดังที่ได้กล่าวไปแล้วการแข็งตัวดำเนินไปสู่การตกผลึก สารบางชนิดตามธรรมชาติของโมเลกุลและปฏิกิริยาของสารเหล่านี้ต้องการอุณหภูมิที่ต่ำมากและความกดดันสูงเพื่อให้สามารถแข็งตัวได้
ตัวอย่างเช่นไนโตรเจนเหลวจะได้รับที่อุณหภูมิต่ำกว่า-196ºC ในการทำให้มันแข็งตัวจำเป็นต้องทำให้มันเย็นลงมากขึ้นหรือเพิ่มความกดดันให้กับมันด้วยเหตุนี้จึงบังคับให้โมเลกุล N 2รวมตัวกันเพื่อสร้างนิวเคลียสการตกผลึก
เช่นเดียวกันกับก๊าซอื่น ๆ : ออกซิเจนอาร์กอนฟลูออรีนนีออนฮีเลียม และที่สำคัญที่สุดคือไฮโดรเจนซึ่งเฟสของแข็งได้รับความสนใจอย่างมากจากคุณสมบัติที่ไม่เคยมีมาก่อน
ในทางกลับกันกรณีที่รู้จักกันดีที่สุดคือน้ำแข็งแห้งซึ่งไม่มีอะไรมากไปกว่า CO 2ซึ่งมีไอระเหยสีขาวเนื่องจากการระเหิดที่ความดันบรรยากาศ สิ่งเหล่านี้ถูกใช้เพื่อสร้างหมอกควันบนเวที
สำหรับสารประกอบที่จะแข็งตัวนั้นไม่ได้ขึ้นอยู่กับ Tc เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับความดันและตัวแปรอื่น ๆ ด้วย ยิ่งโมเลกุลมีขนาดเล็ก (H 2 ) และปฏิสัมพันธ์ของพวกมันก็จะยิ่งอ่อนลงการทำให้โมเลกุลเหล่านี้อยู่ในสถานะของแข็งได้ยากขึ้น
ซุปเปอร์คูลลิ่ง
ของเหลวไม่ว่าจะเป็นสารหรือของผสมจะเริ่มแข็งตัวที่อุณหภูมิที่จุดแข็งตัว อย่างไรก็ตามภายใต้เงื่อนไขบางประการ (เช่นความบริสุทธิ์สูงเวลาในการทำความเย็นช้าหรือสภาพแวดล้อมที่มีพลังมาก) ของเหลวสามารถทนต่ออุณหภูมิที่ต่ำกว่าได้โดยไม่ต้องแช่แข็ง สิ่งนี้เรียกว่า supercooling
ยังไม่มีคำอธิบายที่แน่นอนของปรากฏการณ์ แต่ทฤษฎีสนับสนุนว่าตัวแปรทั้งหมดที่ขัดขวางการเติบโตของนิวเคลียสการตกผลึกจะส่งเสริมการทำให้เย็นลง
ทำไม? เนื่องจากผลึกขนาดใหญ่จากนิวเคลียสเกิดขึ้นหลังจากเพิ่มโมเลกุลจากสิ่งรอบตัวเข้าไป หากกระบวนการนี้มีข้อ จำกัด แม้ว่าอุณหภูมิจะต่ำกว่า Tc ของเหลวจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเช่นเดียวกับหยดเล็ก ๆ ที่ประกอบขึ้นและทำให้มองเห็นเมฆบนท้องฟ้า
ของเหลวที่ระบายความร้อนด้วยความเย็นสูงทั้งหมดสามารถแพร่กระจายได้กล่าวคือมีความอ่อนไหวต่อการรบกวนภายนอกเพียงเล็กน้อย ตัวอย่างเช่นหากคุณใส่น้ำแข็งชิ้นเล็ก ๆ ลงไปหรือเขย่าเล็กน้อยพวกมันจะแข็งตัวทันทีซึ่งเป็นการทดลองที่สนุกและทำได้ง่าย
ตัวอย่างของการแข็งตัว
- แม้ว่ามันจะไม่ใช่ของแข็ง แต่เจลาตินก็เป็นตัวอย่างของกระบวนการทำให้แข็งตัวโดยการทำให้เย็น
- แก้วหลอมใช้ในการสร้างและออกแบบวัตถุจำนวนมากซึ่งหลังจากทำความเย็นแล้วจะยังคงรักษารูปร่างสุดท้ายที่กำหนดไว้
- เช่นเดียวกับฟองสบู่เมื่อสัมผัสกับหิมะขวดโซดาก็สามารถผ่านกระบวนการเดียวกันได้ และถ้ามันถูกทำให้เย็นมากเกินไปการแช่แข็งจะเกิดขึ้นทันที
- เมื่อลาวาโผล่ออกมาจากภูเขาไฟที่ปกคลุมขอบหรือพื้นผิวโลกมันจะแข็งตัวเมื่อสูญเสียอุณหภูมิจนกลายเป็นหินอัคนี
- ไข่และเค้กแข็งตัวเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น เยื่อบุจมูกก็เช่นเดียวกัน แต่เพราะการขาดน้ำ อีกตัวอย่างหนึ่งสามารถพบได้ในสีหรือกาว
อย่างไรก็ตามควรสังเกตว่าการแข็งตัวจะไม่เกิดขึ้นในกรณีหลังเป็นผลิตภัณฑ์จากการทำความเย็น ดังนั้นความจริงที่ว่าของเหลวแข็งตัวไม่ได้แปลว่าจะแข็งตัว (ไม่ได้ลดอุณหภูมิลงอย่างเห็นได้ชัด) แต่เมื่อของเหลวแข็งตัวก็จะแข็งตัว
อื่น ๆ :
- การเปลี่ยนน้ำเป็นน้ำแข็ง: เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 0 ° C เพื่อผลิตน้ำแข็งหิมะหรือน้ำแข็งก้อน
- เทียนขี้ผึ้งที่หลอมละลายด้วยเปลวไฟและแข็งตัวอีกครั้ง
- การแช่แข็งอาหารเพื่อการถนอมอาหาร: ในกรณีนี้โมเลกุลของน้ำจะถูกแช่แข็งภายในเซลล์ของเนื้อสัตว์หรือผัก
- การเป่าแก้ว: สิ่งนี้จะละลายเพื่อให้ได้รูปทรงแล้วจึงแข็งตัว
- การผลิตไอศกรีม: โดยทั่วไปเป็นผลิตภัณฑ์จากนมที่แข็งตัว
- ในการทำคาราเมลซึ่งเป็นน้ำตาลที่ละลายและแข็งตัว
- เนยและเนยเทียมเป็นกรดไขมันในสถานะของแข็ง
- โลหะวิทยา: ในการผลิตแท่งหรือคานหรือโครงสร้างของโลหะบางชนิด
- ปูนซีเมนต์เป็นส่วนผสมของหินปูนและดินเหนียวซึ่งเมื่อผสมกับน้ำแล้วจะมีคุณสมบัติในการแข็งตัว
- ในการผลิตช็อคโกแลตผงโกโก้จะผสมกับน้ำและนมซึ่งเมื่อแห้งจะแข็งตัว
อ้างอิง
- Whitten, Davis, Peck & Stanley เคมี. (ฉบับที่ 8) CENGAGE Learning, p 448, 467
- วิกิพีเดีย (2018) การแช่แข็ง นำมาจาก: en.wikipedia.org
- ลอเรนเอจาค็อบสัน (16 พฤษภาคม 2551). การแข็งตัว . นำมาจาก: infohost.nmt.edu/
- การหลอมรวมและการแข็งตัว นำมาจาก: juntadeandalucia.es
- ดร. คาร์เตอร์ การแข็งตัวของการหลอม นำมาจาก: itc.gsw.edu/
- คำอธิบายการทดลองของ supercooling: เหตุใดน้ำจึงไม่แข็งตัวในเมฆ นำมาจาก: esrf.eu
- Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 มิถุนายน 2561). นิยามและตัวอย่างการแข็งตัว นำมาจาก: thoughtco.com