SỰ RẮN CHẮC: ĐIỂM ĐÔNG ĐẶC VÀ CÁC VÍ DỤ - HÓA HỌC - 2025

Chất rắn là một chất lỏng trải qua sự thay đổi khi nó chuyển sang pha rắn. Chất lỏng có thể là một chất tinh khiết hoặc một hỗn hợp. Tương tự như vậy, sự thay đổi có thể do nhiệt độ giảm hoặc kết quả của một phản ứng hóa học.

Có thể giải thích hiện tượng này như thế nào? Bằng mắt thường, chất lỏng bắt đầu hóa đá hoặc cứng lại, đến mức nó ngừng chảy tự do. Tuy nhiên, sự đông đặc thực sự bao gồm một loạt các bước xảy ra trên quy mô cực nhỏ.

Nguồn: Pixabay

Một ví dụ về sự đông đặc là một bong bóng lỏng đóng băng. Trong hình trên, bạn có thể thấy bong bóng đóng băng như thế nào khi tiếp xúc với tuyết. Phần nào của bong bóng bắt đầu đông đặc lại? Cái tiếp xúc trực tiếp với tuyết. Tuyết hoạt động như một giá đỡ để các phân tử của bong bóng có thể lắng xuống.

Sự đông đặc nhanh chóng được kích hoạt từ đáy của bong bóng. Điều này có thể được nhìn thấy trong "cây thông tráng men" kéo dài bao phủ toàn bộ bề mặt. Những cây thông này phản ánh sự phát triển của các tinh thể, chúng không khác gì sự sắp xếp có trật tự và đối xứng của các phân tử.

Để quá trình đông đặc xảy ra, điều cần thiết là các phần tử của chất lỏng có thể được sắp xếp, sao cho chúng tương tác với nhau. Các tương tác này trở nên mạnh hơn khi nhiệt độ giảm, ảnh hưởng đến động học phân tử; nghĩa là, chúng chậm lại và trở thành một phần của tinh thể.

Quá trình này được gọi là quá trình kết tinh, và sự hiện diện của một hạt nhân (các tập hợp nhỏ của các hạt) và một giá đỡ sẽ đẩy nhanh quá trình này. Khi chất lỏng đã kết tinh, nó được cho là đã đông đặc hoặc đông cứng.

Entanpi hóa rắn

Không phải tất cả các chất đều đông đặc ở cùng một nhiệt độ (hoặc trong cùng một cách xử lý). Một số thậm chí "đóng băng" trên nhiệt độ phòng, chẳng hạn như chất rắn nóng chảy cao. Điều này phụ thuộc vào loại hạt tạo nên chất rắn hay chất lỏng.

Trong chất rắn, chúng tương tác mạnh và dao động ở những vị trí cố định trong không gian, không chuyển động tự do và với một thể tích xác định, trong khi ở chất lỏng, chúng có khả năng chuyển động như nhiều lớp chuyển động lên nhau, chiếm thể tích của thùng chứa nó.

Chất rắn cần nhiệt năng để truyền sang pha lỏng; nói cách khác, nó cần nhiệt. Nó nhận nhiệt từ môi trường xung quanh, và lượng nhỏ nhất mà nó hấp thụ để tạo ra giọt chất lỏng đầu tiên được gọi là nhiệt tiềm ẩn của phản ứng tổng hợp (ΔHf).

Mặt khác, chất lỏng phải giải phóng nhiệt ra môi trường xung quanh để sắp xếp các phân tử và kết tinh thành pha rắn. Nhiệt giải phóng sau đó là nhiệt tiềm ẩn của quá trình đông đặc hoặc đông đặc (ΔHc). Cả ∆Hf và ∆Hc đều có độ lớn bằng nhau nhưng ngược hướng; đầu tiên có một dấu tích cực và thứ hai là một dấu hiệu tiêu cực.

Tại sao nhiệt độ không đổi trong quá trình đông đặc?

Tại một thời điểm nhất định, chất lỏng bắt đầu đông đặc, và nhiệt kế ghi nhiệt độ T. Chừng nào chất lỏng chưa đông đặc hoàn toàn, T không đổi. Vì ∆Hc mang dấu âm nên nó bao gồm một quá trình tỏa nhiệt và toả nhiệt.

Do đó, nhiệt kế sẽ đọc nhiệt do chất lỏng tỏa ra trong quá trình thay đổi pha của nó, chống lại sự giảm nhiệt độ áp đặt. Ví dụ, nếu vật chứa chất lỏng được cho vào một bồn nước đá. Như vậy, T không giảm cho đến khi hoàn toàn đông đặc.

Những đơn vị đi kèm với các phép đo nhiệt này? Thường là kJ / mol hoặc J / g. Chúng được hiểu như sau: kJ hoặc J là nhiệt lượng cần thiết của 1 mol chất lỏng hoặc 1 g để có thể làm lạnh hoặc đông đặc.

Ví dụ, đối với trường hợp của nước, ΔHc bằng 6,02 kJ / mol. Tức là, 1 mol nước tinh khiết cần tỏa ra 6,02 kJ nhiệt để đóng băng, và nhiệt này là thứ giữ cho nhiệt độ không đổi trong quá trình này. Tương tự, 1 mol nước đá cần hấp thụ 6,02 kJ nhiệt để nóng chảy.

Điểm đông đặc

Nhiệt độ chính xác nơi quá trình xảy ra được gọi là điểm đông đặc (Tc). Điều này thay đổi ở tất cả các chất tùy thuộc vào mức độ mạnh mẽ của tương tác giữa các phân tử của chúng trong chất rắn.

Độ tinh khiết cũng là một biến số quan trọng, vì chất rắn không tinh khiết không đông đặc ở cùng nhiệt độ với chất tinh khiết. Điều này được gọi là hạ thấp điểm đóng băng. Để so sánh các điểm đông đặc của một chất, cần sử dụng chất chuẩn càng tinh khiết càng tốt.

Tuy nhiên, điều tương tự không thể được áp dụng cho các giải pháp, như trong trường hợp của hợp kim kim loại. Để so sánh các điểm đông đặc của chúng, các hỗn hợp có tỷ lệ khối lượng bằng nhau phải được xem xét; nghĩa là, với nồng độ giống hệt nhau của các thành phần của nó.

Chắc chắn, điểm đông đặc là mối quan tâm lớn của khoa học và công nghệ đối với hợp kim và các loại vật liệu khác. Điều này là do, bằng cách kiểm soát thời gian và cách chúng được làm lạnh, có thể thu được một số đặc tính vật lý mong muốn hoặc có thể tránh được những đặc tính không phù hợp với một ứng dụng nhất định.

Vì lý do này, việc hiểu và nghiên cứu khái niệm này có tầm quan trọng lớn trong luyện kim và khoáng vật học, cũng như trong bất kỳ ngành khoa học nào khác xứng đáng để sản xuất và mô tả đặc tính của vật liệu.

Sự đông đặc và điểm nóng chảy

Về mặt lý thuyết, Tc phải bằng nhiệt độ hoặc điểm nóng chảy (Tf). Tuy nhiên, điều này không phải lúc nào cũng đúng với tất cả các chất. Lý do chính là bởi vì thoạt nhìn, phân tử rắn dễ làm lộn xộn hơn là trật tự phân tử lỏng.

Do đó, trong thực tế, nó được ưu tiên sử dụng Tf để đo định tính độ tinh khiết của một hợp chất. Ví dụ, nếu một hợp chất X có nhiều tạp chất thì Tf của nó sẽ xa hơn của X nguyên chất so với một hợp chất có độ tinh khiết cao hơn.

Thứ tự phân tử

Như đã nói cho đến nay, quá trình đông đặc tiến tới kết tinh. Một số chất, với bản chất của phân tử và tương tác của chúng, cần nhiệt độ rất thấp và áp suất cao để có thể đông đặc.

Ví dụ, nitơ lỏng thu được ở nhiệt độ dưới -196ºC. Để đông đặc nó, cần phải làm lạnh nó thêm, hoặc tăng áp suất lên nó, do đó buộc các phân tử N ₂ tụ lại với nhau để tạo ra hạt nhân kết tinh.

Điều tương tự cũng có thể được xem xét đối với các khí khác: oxy, argon, flo, neon, heli; và cực đoan nhất là hydro, mà pha rắn của nó đã thu hút nhiều sự quan tâm vì những đặc tính có thể chưa từng có của nó.

Mặt khác, trường hợp được biết đến nhiều nhất là đá khô, không gì khác hơn là CO _2, có hơi màu trắng là do nó thăng hoa ở áp suất khí quyển. Chúng đã được sử dụng để tạo lại khói mù trên sân khấu.

Để một hợp chất đông đặc, nó không chỉ phụ thuộc vào Tc mà còn phụ thuộc vào áp suất và các biến số khác. Các phân tử (H ₂ ) càng nhỏ và tương tác của chúng càng yếu thì càng khó đưa chúng về trạng thái rắn.

Siêu lạnh

Chất lỏng, cho dù là một chất hay hỗn hợp, sẽ bắt đầu đông đặc ở nhiệt độ tại điểm đông đặc. Tuy nhiên, trong những điều kiện nhất định (chẳng hạn như độ tinh khiết cao, thời gian làm lạnh chậm, hoặc môi trường nhiều năng lượng), chất lỏng có thể chịu được nhiệt độ thấp hơn mà không bị đóng băng. Đây được gọi là siêu lạnh.

Vẫn chưa có lời giải thích tuyệt đối về hiện tượng này, nhưng lý thuyết ủng hộ rằng tất cả những biến số ngăn cản sự phát triển của các hạt nhân kết tinh sẽ thúc đẩy quá trình siêu lạnh.

Tại sao? Vì từ hạt nhân các tinh thể lớn được hình thành sau khi thêm các phân tử từ môi trường xung quanh vào chúng. Nếu quá trình này bị hạn chế, ngay cả khi nhiệt độ dưới Tc, chất lỏng vẫn không thay đổi, như xảy ra với những giọt nhỏ tạo nên và làm cho mây có thể nhìn thấy trên bầu trời.

Tất cả các chất lỏng siêu lạnh đều có khả năng di căn, tức là chúng dễ bị tác động bên ngoài dù là nhỏ nhất. Ví dụ, nếu bạn thêm một cục đá nhỏ hoặc lắc chúng một chút, chúng sẽ ngay lập tức đóng băng, đây là một thử nghiệm thú vị và dễ thực hiện.

Ví dụ về sự đông đặc

-Mặc dù bản thân nó không phải là chất rắn, gelatin là một ví dụ về quá trình đông đặc bằng cách làm lạnh.

-Kính nung được sử dụng để tạo ra và thiết kế nhiều đồ vật, sau khi làm nguội vẫn giữ được hình dạng xác định cuối cùng của chúng.

-Cũng giống như bong bóng đóng băng khi tiếp xúc với tuyết, một chai nước ngọt có thể trải qua quá trình tương tự; và nếu nó được làm lạnh siêu tốc, sự đóng băng của nó sẽ ngay lập tức.

-Khi dung nham nổi lên từ các ngọn núi lửa bao phủ các rìa của chúng hoặc bề mặt trái đất, nó sẽ đông đặc lại khi mất nhiệt độ, cho đến khi nó trở thành đá lửa.

- Bột và bánh đông đặc khi nhiệt độ tăng. Tương tự như vậy, niêm mạc mũi làm điều đó nhưng vì mất nước. Một ví dụ khác cũng có thể được tìm thấy trong sơn hoặc keo.

Tuy nhiên, cần lưu ý rằng sự đông đặc không xảy ra trong các trường hợp sau do sản phẩm của quá trình làm lạnh. Do đó, thực tế là chất lỏng đông đặc không nhất thiết có nghĩa là nó đóng băng (nó không làm giảm nhiệt độ đáng kể); nhưng khi một chất lỏng đóng băng, nó sẽ đông đặc lại.

Khác:

- Sự chuyển đổi nước thành nước đá: xảy ra ở 0 ° C tạo ra băng, tuyết hoặc các khối băng.

- Sáp nến nóng chảy với ngọn lửa và đông đặc lại.

- Làm đông lạnh thực phẩm để bảo quản: trong trường hợp này, các phân tử nước bị đóng băng trong các tế bào của thịt hoặc rau.

- Thổi thủy tinh: điều này làm tan chảy để tạo hình dạng và sau đó đóng rắn.

- Sản xuất kem: chúng thường là sữa đông đặc.

- Để thu được caramen là đường tan chảy và đông đặc.

- Bơ và bơ thực vật là những axit béo ở trạng thái rắn.

- Luyện kim: trong sản xuất thỏi hoặc dầm hoặc kết cấu bằng kim loại nhất định.

- Xi măng là hỗn hợp của đá vôi và đất sét, khi trộn với nước có tính chất đông cứng.

- Trong sản xuất sô cô la, bột ca cao được trộn với nước và sữa, khi sấy khô sẽ đông đặc lại.

Người giới thiệu

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Hóa học. (Xuất bản lần thứ 8). CENGAGE Learning, tr 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Đóng băng. Lấy từ: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (Ngày 16 tháng 5 năm 2008). Sự đông đặc. . Lấy từ: infohost.nmt.edu/
4. Nhiệt hạch và đông đặc. Lấy từ: juntadeandalucia.es
5. Tiến sĩ Carter. Sự đông đặc của một chất nóng chảy. Lấy từ: itc.gsw.edu/
6. Giải thích thực nghiệm về siêu lạnh: tại sao nước không đóng băng trong các đám mây. Lấy từ: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (Ngày 22 tháng 6 năm 2018). Định nghĩa và ví dụ về sự rắn chắc. Lấy từ: thinkco.com