O solidificação é a mudança que um líquido sofre 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..
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 ser acomodadas..
A solidificação é rapidamente desencadeada a partir 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; ou seja, 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.
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Nem todas as substâncias solidificam à mesma temperatura (ou sob o mesmo tratamento). Alguns até "congelam" acima da temperatura ambiente, como ocorre com os sólidos de alto ponto de fusão. Isso depende do tipo de partículas que constituem o sólido ou o 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 de o recipiente que o contém.
O sólido requer energia térmica para passar à fase líquida; em outras palavras, ele precisa de calor. O calor é obtido de seu entorno, e a quantidade mínima 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 para o ambiente a fim de 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 um sinal positivo e o segundo um sinal negativo.
Em certo ponto, o líquido começa a congelar e o termômetro mostra a temperatura T. Enquanto não se solidificar completamente, T permanece constante. Como ΔHc tem sinal negativo, 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 por 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..
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. O acima é conhecido como queda do ponto de congelamento. Para comparar os pontos de solidificação de uma substância, é necessário ter como referência aquele que for o mais puro possível..
No entanto, o mesmo não pode ser aplicado a soluções, como é o caso das ligas metálicas. Para comparar seus pontos de solidificação, devem ser consideradas misturas com as mesmas proporções de massa; ou seja, 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..
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 do sólido do que ordenar as do líquido..
Portanto, é preferido 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 outro com maior pureza..
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 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 assim as N moléculasdois a serem agrupados 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 inéditas.
Por outro lado, o caso mais conhecido é gelo seco, que nada mais é do que COdois cujos vapores brancos são devidos à sua sublimação à pressão atmosférica. Eles foram usados para recriar a névoa no palco..
Para um composto solidificar, ele não depende apenas da Tc, mas também da pressão e de outras variáveis. Quanto menores forem as moléculas (Hdois) e quanto mais fracas suas interações, mais difícil será levá-los ao estado sólido.
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 pequenas 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 um pequeno pedaço de gelo for adicionado a eles, ou um pouco agitado, eles congelarão instantaneamente, o que é uma experiência divertida e fácil de realizar..
-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 for super-resfriado, seu congelamento será instantâneo.
-Quando a lava emerge de vulcões cobrindo suas bordas ou a superfície da Terra, ela se solidifica ao perder 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 nestes últimos casos como produto do resfriamento. Portanto, o fato de um líquido se solidificar não significa necessariamente que ele 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.
- Cera de vela que derrete com a chama e se solidifica novamente.
- O congelamento de alimentos para sua preservação: neste caso, as moléculas de água dentro das células da carne ou dos vegetais são congeladas..
- Sopro de vidro: este é derretido para dar forma e depois solidifica.
- A fabricação de sorvetes: geralmente são laticínios que se solidificam.
- Na obtenção de caramelo, que é açúcar derretido e solidificado.
- Manteiga e margarina são ácidos graxos em 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 ao secar, solidifica.
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