SOLIDIFICAÇÃO: PONTO DE SOLIDIFICAÇÃO E EXEMPLOS - QUÍMICA - 2024

A solidificação é um líquido que sofre alterações ao passar para a fase sólida. O líquido pode ser uma substância pura ou uma mistura. Da mesma forma, 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.

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Um exemplo de solidificação é uma bolha de líquido que congela. Na imagem acima você pode ver como uma bolha congela ao entrar em contato com a 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 no qual as moléculas da bolha podem se assentar.

A solidificação é rapidamente disparada do fundo da bolha. Isso pode ser visto nos "pinheiros vidrados" que se estendem por toda a superfície. Esses pinheiros refletem o crescimento de cristais, que nada mais são do que arranjos ordenados e simétricos de moléculas.

Para que ocorra a solidificação é necessário que as partículas do líquido possam estar dispostas, de forma que interajam entre si. Essas interações tornam-se mais fortes à medida que a temperatura diminui, o que afeta a cinética molecular; isto é, eles diminuem a velocidade e se tornam parte do cristal.

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 tenha cristalizado, é dito que ele solidificou ou congelou.

Entalpia de solidificação

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

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

O sólido requer energia térmica para passar à fase líquida; em outras palavras, ele precisa de calor. Ele obtém calor de seus arredores e a menor quantidade que ele absorve para gerar a primeira gota de líquido é conhecido como calor latente de fusão (ΔHf).

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

Por que a temperatura permanece constante na solidificação?

Em um determinado ponto, o líquido começa a congelar e o termômetro mostra a temperatura T. Enquanto o líquido não solidificar completamente, T permanece constante. Como ΔHc tem sinal negativo, ele consiste em um processo exotérmico que libera calor.

Portanto, o termômetro fará a leitura do calor emitido pelo líquido durante sua mudança de fase, contrariando a queda de temperatura imposta. Por exemplo, se o recipiente que contém o líquido for colocado em um banho de gelo. Assim, T não diminui até que a solidificação esteja completamente completa.

Que unidades acompanham essas medições de calor? Normalmente kJ / mol ou J / g. Eles são interpretados da seguinte forma: kJ ou J é a quantidade de calor necessária para 1 mol de líquido ou 1 g para ser capaz de resfriar ou solidificar.

Para o caso da água, por exemplo, ΔHc é igual a 6,02 kJ / mol. Ou seja, 1 mol de água pura precisa liberar 6,02 kJ de calor para 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 solidificação

A temperatura exata onde ocorre o processo é conhecida como ponto de solidificação (Tc). Isso varia em todas as substâncias, dependendo da intensidade de suas interações intermoleculares no sólido.

Pureza também é uma variável importante, uma vez que um sólido impuro não solidifica à mesma temperatura que um puro. Isso é conhecido como redução do ponto de congelamento. Para comparar os pontos de solidificação de uma substância é necessário usar como referência aquela que for o mais pura possível.

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

Certamente, o ponto de solidificação é de grande interesse científico e tecnológico no que diz respeito às ligas e outras variedades de materiais. Isso porque, controlando o tempo e como são resfriados, algumas propriedades físicas desejáveis ​​podem ser obtidas ou aquelas inadequadas para uma determinada aplicação podem ser evitadas.

Por este motivo a compreensão e o 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 ponto de fusão (Tf). No entanto, isso nem sempre é verdadeiro para todas as substâncias. A principal razão é porque, à primeira vista, é mais fácil bagunçar as moléculas sólidas do que ordenar as líquidas.

Portanto, é preferível na prática usar Tf para medir qualitativamente a pureza de um composto. Por exemplo, se um composto X tem muitas impurezas, então seu Tf estará mais distante daquele de X puro em comparação com um de maior pureza.

Ordenação molecular

Como foi dito até agora, a solidificação segue para a cristalização. Algumas substâncias, dada a natureza de suas moléculas e suas interações, requerem temperaturas muito baixas e altas pressões para serem capazes de se solidificar.

Por exemplo, o nitrogênio líquido é obtido a 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 tudo, o hidrogênio, cuja fase sólida tem atraído muito interesse por suas possíveis propriedades sem precedentes.

Por outro lado, o caso mais conhecido é o do gelo seco, que nada mais é do que CO _2, cujos vapores brancos se devem à sua sublimação à pressão atmosférica. Eles foram usados ​​para recriar a névoa no palco.

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

Superresfriamento

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

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

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

Todos os líquidos super-resfriados são metaestáveis, ou seja, são suscetíveis ao menor distúrbio externo. Por exemplo, se você adicionar um pequeno pedaço de gelo a eles ou sacudi-los um pouco, eles congelarão instantaneamente, o que é uma experiência divertida e fácil de realizar.

Exemplos de solidificação

-Embora não seja 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, mantêm suas formas definidas finais.

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

-Quando a lava emerge dos vulcões cobrindo suas bordas ou a superfície da terra, ela se solidifica ao perder temperatura, até se transformar em rochas ígneas.

-Os 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 nestes últimos casos como produto do resfriamento. Portanto, o fato de um líquido solidificar não significa necessariamente que congele (não reduz sua temperatura de forma apreciável); mas quando um líquido congela, ele acaba se solidificando.

Outras:

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

- A cera da vela que derrete com a chama e se solidifica novamente.

- Congelar alimentos para sua preservação: neste caso, as moléculas de água são congeladas dentro das células da carne ou dos vegetais.

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

- A fabricação de sorvetes: geralmente são lácteos que se solidificam.

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

- A manteiga e a 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 argila que, quando misturada com água, tem a propriedade de endurecer.

- Na fabricação do chocolate, o cacau em pó é misturado com água e leite, que depois de seco, solidifica.

Referências

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Química. (8ª ed.). CENGAGE Learning, p 448, 467.
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5. Dr. Carter. Solidificação de uma fusão. 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