STOLLING: STOLPUNT EN VOORBEELDEN - CHEMIE - 2025

De stolling is een vloeistof die verandert wanneer deze overgaat in de vaste fase. De vloeistof kan een pure substantie zijn of een mengsel. Evenzo kan de verandering het gevolg zijn van een temperatuurdaling of als gevolg van een chemische reactie.

Hoe is dit fenomeen te verklaren? Visueel begint de vloeistof versteend of verhard te worden, tot het punt dat hij niet meer vrij kan stromen. Stolling bestaat echter eigenlijk uit een reeks stappen die plaatsvinden op microscopische schaal.

Bron: Pixabay

Een voorbeeld van stollen is een vloeibare bel die bevriest. In de afbeelding hierboven kun je zien hoe een luchtbel bevriest bij contact met sneeuw. Wat is het deel van de bubbel dat begint te stollen? Degene die in direct contact staat met de sneeuw. De sneeuw werkt als een drager waarop de moleculen van de bel zich kunnen nestelen.

Stolling wordt snel geactiveerd vanaf de onderkant van de bubbel. Dit is te zien aan de "geglazuurde dennen" die zich uitstrekken over het hele oppervlak. Deze dennen weerspiegelen de groei van kristallen, die niets meer zijn dan geordende en symmetrische rangschikkingen van moleculen.

Om stolling te laten plaatsvinden, is het noodzakelijk dat de deeltjes van de vloeistof zodanig kunnen worden gerangschikt dat ze met elkaar in wisselwerking staan. Deze interacties worden sterker naarmate de temperatuur daalt, wat de moleculaire kinetiek beïnvloedt; dat wil zeggen, ze vertragen en worden een deel van het kristal.

Dit proces staat bekend als kristallisatie, en de aanwezigheid van een kern (kleine aggregaten van deeltjes) en een drager versnelt dit proces. Zodra de vloeistof is gekristalliseerd, wordt gezegd dat deze is gestold of bevroren.

Stollingsenthalpie

Niet alle stoffen stollen bij dezelfde temperatuur (of onder dezelfde behandeling). Sommige "bevriezen" zelfs boven kamertemperatuur, zoals hoogsmeltende vaste stoffen. Dit hangt af van het soort deeltjes waaruit de vaste stof of vloeistof bestaat.

In de vaste stof werken deze sterk samen en blijven ze vibreren op vaste posities in de ruimte, zonder bewegingsvrijheid en met een bepaald volume, terwijl ze in de vloeistof het vermogen hebben om te bewegen als meerdere lagen die over elkaar bewegen en het volume van de ruimte innemen. container die het bevat.

De vaste stof heeft thermische energie nodig om naar de vloeistoffase te gaan; met andere woorden, het heeft warmte nodig. Het haalt warmte uit zijn omgeving en de kleinste hoeveelheid die het absorbeert om de eerste druppel vloeistof te genereren, staat bekend als latente smeltwarmte (ΔHf).

Aan de andere kant moet de vloeistof warmte afgeven aan zijn omgeving om zijn moleculen te ordenen en te kristalliseren tot de vaste fase. De vrijgekomen warmte is dan de latente warmte van stollen of bevriezen (ΔHc). Zowel ΔHf als ΔHc zijn gelijk in grootte maar met tegengestelde richtingen; het eerste heeft een positief teken en het tweede een negatief teken.

Waarom blijft de temperatuur constant tijdens het stollen?

Op een gegeven moment begint de vloeistof te bevriezen en geeft de thermometer een temperatuur T aan. Zolang de vloeistof niet volledig gestold is, blijft T constant. Omdat ΔHc een negatief teken heeft, bestaat het uit een exotherm proces waarbij warmte vrijkomt.

Daarom zal de thermometer de warmte aflezen die door de vloeistof wordt afgegeven tijdens de faseverandering, waardoor de opgelegde temperatuurdaling wordt tegengegaan. Bijvoorbeeld als de container met de vloeistof in een ijsbad wordt gedaan. De T neemt dus niet af totdat de stolling volledig is voltooid.

Welke eenheden begeleiden deze warmtemetingen? Meestal kJ / mol of J / g. Deze worden als volgt geïnterpreteerd: kJ of J is de hoeveelheid warmte die 1 mol vloeistof of 1 g nodig heeft om te kunnen koelen of stollen.

Voor bijvoorbeeld water is ΔHc gelijk aan 6,02 kJ / mol. Dat wil zeggen, 1 mol zuiver water moet 6,02 kJ warmte afgeven om te bevriezen, en deze warmte houdt de temperatuur constant in het proces. Evenzo heeft 1 mol ijs 6,02 kJ warmte nodig om te smelten.

Stollingspunt

De exacte temperatuur waar het proces plaatsvindt, staat bekend als het stolpunt (Tc). Dit varieert bij alle stoffen, afhankelijk van hoe sterk hun intermoleculaire interacties in de vaste stof zijn.

Zuiverheid is ook een belangrijke variabele, aangezien een onzuivere vaste stof niet stolt bij dezelfde temperatuur als een zuivere vaste stof. Dit staat bekend als het verlagen van het vriespunt. Om de stollingspunten van een stof te vergelijken, is het nodig om als referentie degene te gebruiken die zo zuiver mogelijk is.

Hetzelfde kan echter niet worden toegepast op oplossingen, zoals in het geval van metaallegeringen. Om hun stollingspunten te vergelijken, moeten mengsels met gelijke massaverhoudingen worden overwogen; dat wil zeggen met identieke concentraties van zijn componenten.

Het stolpunt is zeker van groot wetenschappelijk en technologisch belang met betrekking tot legeringen en andere soorten materialen. Dit komt doordat, door de tijd en de manier waarop ze worden gekoeld, bepaalde gewenste fysische eigenschappen kunnen worden verkregen of die ongeschikt voor een bepaalde toepassing kunnen worden vermeden.

Om deze reden is het begrijpen en bestuderen van dit concept van groot belang in de metallurgie en mineralogie, evenals in elke andere wetenschap die het verdient om een ​​materiaal te vervaardigen en te karakteriseren.

Stolling en smeltpunt

Theoretisch zou Tc gelijk moeten zijn aan de temperatuur of het smeltpunt (Tf). Dit geldt echter niet altijd voor alle stoffen. De belangrijkste reden is dat het op het eerste gezicht gemakkelijker is om de vaste moleculen te verknoeien dan om de vloeibare te bestellen.

Daarom verdient het in de praktijk de voorkeur om Tf te gebruiken om de zuiverheid van een verbinding kwalitatief te meten. Als een verbinding X bijvoorbeeld veel onzuiverheden heeft, zal de Tf ervan verder verwijderd zijn van die van zuivere X in vergelijking met een verbinding met een hogere zuiverheid.

Moleculaire ordening

Zoals tot dusver is gezegd, gaat het stollen over tot kristallisatie. Sommige stoffen hebben, gezien de aard van hun moleculen en hun interacties, zeer lage temperaturen en hoge drukken nodig om te kunnen stollen.

Vloeibare stikstof wordt bijvoorbeeld verkregen bij temperaturen onder -196ºC. Te stollen, zou het noodzakelijk zijn om het koeler of verhogen van de druk op, dwingt dus de N ₂ moleculen samen te klonteren tot kristallisatiekernen maken.

Hetzelfde kan worden overwogen voor andere gassen: zuurstof, argon, fluor, neon, helium; en voor de meest extreme van allemaal, waterstof, waarvan de vaste fase veel belangstelling heeft getrokken vanwege zijn mogelijke ongekende eigenschappen.

Aan de andere kant is het bekendste geval droogijs, dat niets meer is dan CO _2, waarvan de witte dampen het gevolg zijn van sublimatie tot atmosferische druk. Deze zijn gebruikt om haze op het podium te creëren.

Om een ​​verbinding te laten stollen, is deze niet alleen afhankelijk van Tc, maar ook van druk en andere variabelen. Hoe kleiner de moleculen (H ₂ ) en de zwakkere hun interacties, hoe moeilijker het zal zijn om ze in de vaste toestand.

Onderkoeling

De vloeistof, of het nu een stof of een mengsel is, begint te bevriezen bij de temperatuur op het stolpunt. Onder bepaalde omstandigheden (zoals hoge zuiverheid, langzame afkoeltijd of een zeer energetische omgeving) kan de vloeistof echter lagere temperaturen verdragen zonder te bevriezen. Dit wordt onderkoeling genoemd.

Er is nog geen absolute verklaring voor het fenomeen, maar de theorie ondersteunt dat al die variabelen die de groei van de kristallisatiekernen verhinderen, onderkoeling bevorderen.

Waarom? Omdat uit de kernen grote kristallen worden gevormd door er moleculen uit de omgeving aan toe te voegen. Als dit proces wordt beperkt, zelfs als de temperatuur lager is dan Tc, blijft de vloeistof ongewijzigd, zoals gebeurt met de kleine druppels waaruit de wolken bestaan ​​en die zichtbaar maken in de lucht.

Alle onderkoelde vloeistoffen zijn metastabiel, dat wil zeggen dat ze vatbaar zijn voor de minste externe verstoring. Als je er bijvoorbeeld een klein stukje ijs aan toevoegt of een beetje schudt, zullen ze onmiddellijk bevriezen, wat een leuk en gemakkelijk experiment is om te doen.

Voorbeelden van stollen

-Hoewel het zelf geen vaste stof is, is gelatine een voorbeeld van een stollingsproces door afkoeling.

-Gesmolten glas wordt gebruikt om veel objecten te maken en te ontwerpen, die na afkoeling hun uiteindelijke gedefinieerde vorm behouden.

- Net zoals de luchtbel bij contact met sneeuw bevroor, kan een frisdrankfles hetzelfde proces ondergaan; en als het onderkoeld is, zal het onmiddellijk bevriezen.

-Wanneer de lava uit de vulkanen tevoorschijn komt die hun randen of het aardoppervlak bedekken, stolt het wanneer het temperatuur verliest, totdat het stollingsgesteente wordt.

-Eieren en cakes stollen bij temperatuurstijging. Evenzo doet het neusslijmvlies het, maar vanwege uitdroging. Een ander voorbeeld is ook te vinden in verf of lijmen.

Er moet echter worden opgemerkt dat stolling in de laatste gevallen niet optreedt als een product van afkoeling. Daarom betekent het feit dat een vloeistof stolt niet noodzakelijk dat het bevriest (het verlaagt de temperatuur niet merkbaar); maar als een vloeistof bevriest, stolt het.

Andere:

- De omzetting van water in ijs: dit gebeurt bij 0 ° C waarbij ijs, sneeuw of ijsblokjes ontstaan.

- Het kaarsvet dat smelt met de vlam en weer stolt.

- Voedsel invriezen om het te bewaren: in dit geval worden de watermoleculen ingevroren in de cellen van vlees of groenten.

- Glasblazen: dit smelt om het vorm te geven en stolt vervolgens.

- De vervaardiging van consumptie-ijs: het zijn over het algemeen zuivelproducten die stollen.

- Bij het verkrijgen van karamel, dat is gesmolten en gestolde suiker.

- Boter en margarine zijn vetzuren in vaste vorm.

- Metallurgie: bij de vervaardiging van blokken of balken of constructies van bepaalde metalen.

- Cement is een mengsel van kalksteen en klei dat, gemengd met water, de eigenschap heeft uit te harden.

- Bij de vervaardiging van chocolade wordt cacaopoeder gemengd met water en melk, die na droging stolt.

Referenties

1. Whitten, Davis, Peck & Stanley. Chemie. (8e ed.). CENGAGE Leren, p 448, 467.
2. Wikipedia. (2018). Bevriezing. Ontleend aan: en.wikipedia.org
3. Loren A. Jacobson. (16 mei 2008). Stolling. . Genomen uit: infohost.nmt.edu/
4. Fusie en stolling. Genomen uit: juntadeandalucia.es
5. Dr. Carter. Stolling van een smelt. Genomen uit: itc.gsw.edu/
6. Experimentele verklaring van onderkoeling: waarom water niet bevriest in de wolken. Overgenomen van: esrf.eu
7. Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. (22 juni 2018). Definitie en voorbeelden van stolling. Ontleend aan: thoughtco.com