Solidificação: ponto de solidificação e exemplos

A solidificação é um líquido que sofre uma alteração quando ele passa para a fase sólida. O líquido pode ser uma substância pura ou uma mistura. Além disso, a alteração pode ser devido a uma diminuição da temperatura ou como resultado de uma reação química.

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

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Fonte: Pixabay

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

A solidificação é rapidamente desencadeada a partir do fundo da bolha. Isso pode ser visto nos “pinheiros envidraçados” que se estendem para cobrir toda a superfície. Esses pinheiros refletem o crescimento de cristais, que nada mais são do que arranjos simétricos e ordenados das moléculas.

Para que a solidificação ocorra, é necessário que as partículas do líquido possam ser arranjadas, para que elas interajam. 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 vidro.

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

Entalpia de solidificação

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

No sólido, eles interagem fortemente e permanecem vibrando em posições fixas do espaço, sem liberdade de movimento e com 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 contêiner que o contém.

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

Por outro lado, o líquido deve liberar calor ao seu redor para poder 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 carrega um sinal positivo e o segundo sinal negativo.

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Por que a temperatura permanece constante na solidificação?

Em um determinado momento, o líquido começa a congelar e o termômetro marca uma temperatura T. Enquanto não solidificar 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 sua mudança de fase, neutralizando a queda de temperatura imposta. Por exemplo, se você colocar o recipiente que contém o líquido dentro de um banho de gelo. Assim, T não diminui até a solidificação estar completa.

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 necessária para 1 mole de líquido ou 1 g para poder arrefecer ou solidificar.

No 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 congelar, e é esse calor 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 solidificação

À temperatura exata em que o processo ocorre, é conhecido como ponto de solidificação (Tc). Isso 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 que um puro. O acima é conhecido como diminuição do ponto de congelamento . Para comparar os pontos de solidificação de uma substância, é necessário usar como referência o mais puro possível.

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

Certamente, o ponto de solidificação é de grande interesse científico e tecnológico em relação a ligas e outras variedades de materiais. Isso ocorre porque, controlando o tempo e como eles esfriam, algumas propriedades físicas desejáveis ​​podem ser obtidas ou as inadequadas para um determinado aplicativo podem ser evitadas.

Por esse motivo, o entendimento e o estudo desse conceito são de grande importância na metalurgia e na mineralogia, assim como em qualquer outra ciência que mereça fabricar e caracterizar um material.

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Ponto de solidificação e fusão

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

Por isso, é preferível na prática recorrer a Tf para medir qualitativamente a pureza de um composto. Por exemplo, se um composto X possui muitas impurezas, seu Tf fica mais distante do X puro em comparação com outro com maior pureza.

Ordenação molecular

Como foi dito até agora, a solidificação procede à 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 a temperaturas abaixo de -196 ° C. Para solidificá-lo, seria necessário resfriá-lo ainda mais ou aumentar a pressão sobre ele, forçando assim 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 em suas possíveis propriedades sem precedentes.

Por outro lado, o caso mais conhecido é o gelo seco , que nada mais é do que CO 2 cujos vapores brancos são devidos à sublimação à pressão atmosférica. Estes foram usados ​​para recriar névoa nos cenários.

Para um composto solidificar, ele não depende apenas de Tc, mas também de pressão e outras variáveis. Quanto menores as moléculas (H 2 ) e mais fracas suas interações, mais difícil será levá-las ao estado sólido.

Superaquecimento

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

Ainda não existe uma explicação absoluta do fenômeno, mas a teoria sustenta que todas as variáveis ​​que impedem o crescimento dos núcleos de cristalização promovem superaquecimento.

Porque Porque grandes cristais se formam a partir dos núcleos após a adição de moléculas circundantes. Se esse processo for limitado, mesmo que a temperatura esteja abaixo de Tc, o líquido permanecerá inalterado, como é o caso das pequenas gotas que compõem as nuvens no céu.

Todos os líquidos super-resfriados são metaestáveis, ou seja, são suscetíveis à menor perturbação externa. Por exemplo, se um pequeno pedaço de gelo for adicionado a eles, ou eles forem agitados um pouco, eles congelarão instantaneamente, resultando em um experimento divertido e fácil de executar.

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Exemplos de solidificação

-Mesmo se não for um sólido, a gelatina é um exemplo de processo de solidificação por resfriamento.

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

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

-Quando a lava dos vulcões que cobre suas bordas ou a superfície da Terra emerge, ela solidifica quando perde a temperatura, até se tornar rochas ígneas.

-Ovos e bolos solidificam com o aumento da temperatura. Da mesma forma, a mucosa nasal faz isso, 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 um produto de resfriamento. Portanto, o fato de um líquido solidificar não significa necessariamente que congela (não reduz significativamente sua temperatura); mas quando um líquido congela, acaba solidificando.

Outro:

– A conversão da água em gelo: ocorre a 0 ° C produzindo gelo, neve ou cubos glaciais.

– Cera de vela que derrete com a chama e solidifica novamente.

– O congelamento de alimentos para preservação: neste caso, as moléculas de água são congeladas dentro das células da carne ou vegetais.

– Sopro de vidro: derrete para dar forma e depois solidifica.

– Fabricação de sorvetes: geralmente são laticínios que solidificam.

– Na obtenção de caramelo, que é açúcar derretido e solidificado.

– Manteiga e margarina são ácidos graxos na forma sólida.

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

– O cimento é uma mistura de calcário e argila que, quando misturada com água, tem a propriedade de endurecer.

– Na fabricação de chocolate, o cacau em pó é misturado com água e leite que, quando seco, solidifica.

Referências

  1. Whitten, Davis, Peck e Stanley. Química (8a ed.). CENGAGE Learning, p. 448, 467.
  2. Wikipedia (2018). Congelamento Retirado de: en.wikipedia.org
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  4. Fusão e solidificação. Retirado de: juntadeandalucia.es
  5. Dr. Carter Solidificação de um fundido. Retirado de: itc.gsw.edu/
  6. Explicação experimental do super-resfriamento: por que a água não congela nas nuvens. Retirado de: esrf.eu
  7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 de junho de 2018). Definição e exemplos de solidificação. Retirado de: thoughtco.com

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