응고 시 변화를 겪게 액체로 는 고체상에 전달한다. 액체는 순수한 물질 또는 혼합물 일 수 있습니다. 마찬가지로 온도 저하 또는 화학 반응의 결과로 변경 될 수 있습니다.
이 현상을 어떻게 설명 할 수 있습니까? 시각적으로 액체는 자유롭게 흐르지 않을 정도로 석화되거나 경화되기 시작합니다. 그러나 응고는 실제로 미세한 스케일에서 발생하는 일련의 단계로 구성됩니다.
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응고의 예는 동결되는 액체 거품입니다. 위의 이미지에서 거품이 눈에 닿으면 얼어 붙는 것을 볼 수 있습니다. 굳기 시작하는 거품 부분은 무엇입니까? 눈과 직접 접촉하는 것. 눈은 거품 분자가 자리를 잡을 수있는 지지대 역할을합니다.
응고는 기포 바닥에서 빠르게 시작됩니다. 이것은 전체 표면을 덮도록 확장 된 "유약 소나무"에서 볼 수 있습니다. 이 소나무는 결정의 성장을 반영하는데, 이는 분자의 정렬되고 대칭적인 배열에 지나지 않습니다.
응고가 일어나기 위해서는 액체 입자가 서로 상호 작용하는 방식으로 배열 될 수 있어야합니다. 이러한 상호 작용은 온도가 낮아질수록 더 강해져 분자 역학에 영향을 미칩니다. 즉, 속도가 느려지고 크리스탈의 일부가됩니다.
이 과정을 결정화라고하며 핵 (입자의 작은 집합체)과 지지체의 존재는이 과정을 가속화합니다. 액체가 결정화되면 응고되거나 얼 었다고합니다.
응고 엔탈피
모든 물질이 동일한 온도에서 (또는 동일한 처리에서) 응고되는 것은 아닙니다. 고 융점 고체와 같이 일부는 심지어 실온보다 높은 온도에서 "동결"됩니다. 이것은 고체 또는 액체를 구성하는 입자의 유형에 따라 다릅니다.
고체에서 이들은 강하게 상호 작용하고 공간의 고정 된 위치에서 움직임의 자유와 정의 된 부피로 계속 진동하는 반면, 액체에서는 서로 위로 이동하는 수많은 층으로 움직일 수있는 능력이 있습니다. 그것을 포함하는 컨테이너.
고체는 액체 상태로 전달하기 위해 열 에너지가 필요합니다. 즉, 열이 필요합니다. 주변에서 열을 받아 첫 번째 액체 방울을 생성하기 위해 흡수하는 최소량을 융합 잠열 (ΔHf)이라고합니다.
반면에 액체는 분자를 정렬하고 고체상으로 결정화하기 위해 주변으로 열을 방출해야합니다. 방출 된 열은 응고 또는 동결 잠열 (ΔHc)입니다. ΔHf와 ΔHc는 크기가 같지만 방향은 반대입니다. 첫 번째는 양수 부호이고 두 번째는 음수 부호입니다.
응고시 온도가 일정하게 유지되는 이유는 무엇입니까?
특정 지점에서 액체가 얼기 시작하고 온도계는 온도 T를 읽습니다. 액체가 완전히 응고되지 않는 한 T는 일정하게 유지됩니다. ΔHc는 음의 부호를 갖기 때문에 열을 방출하는 발열 과정으로 구성됩니다.
따라서 온도계는 상이 변화하는 동안 액체가 발산하는 열을 판독하여 부과 된 온도 강하에 대응합니다. 예를 들어, 액체가 들어있는 용기를 얼음 욕조에 넣은 경우. 따라서 T는 응고가 완전히 완료 될 때까지 감소하지 않습니다.
이러한 열 측정에는 어떤 단위가 수반됩니까? 일반적으로 kJ / mol 또는 J / g. 이는 다음과 같이 해석됩니다. kJ 또는 J는 냉각 또는 응고를 위해 1 몰의 액체 또는 1g에 필요한 열량입니다.
예를 들어 물의 경우 ΔHc는 6.02 kJ / mol과 같습니다. 즉, 1 몰의 순수한 물이 얼기 위해서는 6.02kJ의 열을 발산해야하는데이 열이 공정에서 온도를 일정하게 유지하는 것입니다. 마찬가지로 1 몰의 얼음이 녹기 위해 6.02kJ의 열을 흡수해야합니다.
응고점
공정이 발생하는 정확한 온도를 응고점 (Tc)이라고합니다. 이것은 고체에서 분자간 상호 작용이 얼마나 강한 지에 따라 모든 물질에서 다릅니다.
불순한 고체는 순수한 것과 같은 온도에서 고형화되지 않기 때문에 순도도 중요한 변수입니다. 이것은 어는점을 낮추는 것으로 알려져 있습니다. 물질의 응고점을 비교하려면 가능한 한 순수한 것을 기준으로 사용해야합니다.
그러나 금속 합금의 경우와 마찬가지로 용액에도 동일하게 적용될 수 없습니다. 응고점을 비교하려면 질량 비율이 동일한 혼합물을 고려해야합니다. 즉, 구성 요소의 농도가 동일합니다.
확실히, 응고점은 합금 및 기타 다양한 재료와 관련하여 과학적, 기술적 관심이 매우 높습니다. 이는 시간과 냉각 방식을 제어함으로써 원하는 물리적 특성을 얻을 수 있거나 주어진 용도에 적합하지 않은 특성을 피할 수 있기 때문입니다.
이러한 이유로이 개념에 대한 이해와 연구는 야금과 광물학은 물론 재료를 제조하고 특성화 할 가치가있는 다른 모든 과학에서 매우 중요합니다.
응고 및 융점
이론적으로 Tc는 온도 또는 융점 (Tf)과 같아야합니다. 그러나 이것은 모든 물질에 대해 항상 사실은 아닙니다. 주된 이유는 언뜻보기에 액체 분자를 주문하는 것보다 고체 분자를 엉망으로 만드는 것이 더 쉽기 때문입니다.
따라서 화합물의 순도를 정 성적으로 측정하기 위해 Tf를 사용하는 것이 실제로 바람직합니다. 예를 들어, 화합물 X에 불순물이 많으면 Tf는 순도가 높은 화합물에 비해 순수한 X의 Tf에서 더 멀어집니다.
분자 순서
지금까지 말했듯이 응고는 결정화로 진행됩니다. 분자의 특성과 상호 작용을 고려할 때 일부 물질은 고화되기 위해 매우 낮은 온도와 높은 압력이 필요합니다.
예를 들어, 액체 질소는 -196ºC 미만의 온도에서 얻어집니다. 그것을 굳히려면 그것을 더 냉각 시키거나 압력을 증가시켜 N 2 분자 가 함께 그룹화되어 결정화 핵을 생성해야합니다.
산소, 아르곤, 불소, 네온, 헬륨과 같은 다른 가스도 마찬가지입니다. 그리고 무엇보다도 가장 극단적 인 것은 수소인데, 고체상은 전례없는 특성으로 인해 많은 관심을 끌었습니다.
한편, 최고의 알려진 경우는 CO에 불과하다 드라이 아이스,이다 2, 흰색 증기 대기압에서의 승화에 기인한다. 이들은 무대에서 안개를 재현하는 데 사용되었습니다.
화합물이 고형화되기 위해서는 Tc뿐만 아니라 압력 및 기타 변수에도 의존합니다. 분자 (H 2 )가 작고 상호 작용이 약할수록 고체 상태로 만드는 것이 더 어려워집니다.
과냉각
물질이든 혼합물이든 액체는 응고점의 온도에서 얼기 시작합니다. 그러나 특정 조건 (예 : 고순도, 느린 냉각 시간 또는 매우 에너지가 많은 환경)에서 액체는 동결없이 더 낮은 온도를 견딜 수 있습니다. 이것을 과냉각이라고합니다.
이 현상에 대한 절대적인 설명은 아직 없지만, 이론은 결정화 핵의 성장을 방해하는 모든 변수가 과냉각을 촉진한다고지지합니다.
왜? 주변에서 분자를 추가 한 후 핵에서 큰 결정이 형성되기 때문입니다. 이 과정이 제한되면 온도가 Tc보다 낮더라도 액체는 변하지 않고 그대로 유지됩니다. 하늘에서 구름을 구성하고 보이게하는 작은 방울이 발생합니다.
모든 과냉각 액체는 준 안정성입니다. 즉, 약간의 외부 교란에 민감합니다. 예를 들어 작은 얼음 조각을 넣거나 약간 흔들면 즉시 얼어 붙어 재미 있고 쉽게 실험 할 수 있습니다.
응고의 예
-고체 자체는 아니지만 젤라틴은 냉각에 의한 응고 과정의 예입니다.
-융합 유리는 냉각 후에도 최종 정의 된 모양을 유지하는 많은 물체를 만들고 디자인하는 데 사용됩니다.
-거품이 눈에 닿으면 얼어 붙는 것처럼 탄산 음료 병도 같은 과정을 거칠 수 있습니다. 과냉각하면 즉시 얼게됩니다.
-화산의 가장자리 나 지표면을 덮고있는 화산에서 용암이 나오면 온도가 떨어지면 굳어 화성암이됩니다.
-계란과 케이크는 온도가 상승하면 굳어집니다. 마찬가지로, 비점막이이를 수행하지만 탈수 때문입니다. 또 다른 예는 페인트 또는 접착제에서 찾을 수 있습니다.
그러나 후자의 경우 냉각 산물로서 응고가 발생하지 않는다는 점에 유의해야합니다. 따라서 액체가 응고된다는 사실이 반드시 동결된다는 것을 의미하지는 않습니다 (온도를 현저하게 낮추지는 않습니다). 하지만 액체가 얼면 굳어집니다.
기타 :
-물을 얼음으로 변환 : 이것은 0 ° C에서 발생하여 얼음, 눈 또는 빙하 큐브를 생성합니다.
-화염에 녹아 다시 굳어지는 캔들 왁스.
-보존을위한 식품 냉동 :이 경우 물 분자는 고기 나 채소의 세포 내에서 냉동됩니다.
-Glass Blowing : 녹아서 모양이 생기고 굳어집니다.
-아이스크림 제조 : 일반적으로 굳어지는 유제품입니다.
-설탕을 녹여 굳힌 캐러멜을 얻는다.
-버터와 마가린은 고체 상태의 지방산입니다.
-야금 : 잉곳, 빔 또는 특정 금속 구조물의 제조.
-시멘트는 석회석과 점토의 혼합물로 물과 혼합하면 굳는 성질이 있습니다.
-초콜릿 제조시 코코아 가루는 물과 우유에 섞여 건조되면 굳어집니다.
참고 문헌
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