La solidification est le changement qu'un liquide subit lorsqu'il passe à la phase solide. Le liquide peut être une substance pure ou un mélange. De même, le changement peut être dû à une baisse de température ou à une réaction chimique..
Comment expliquer ce phénomène? Visuellement, le liquide commence à devenir pétrifié ou durci, au point qu'il cesse de s'écouler librement. Cependant, la solidification consiste en fait en une série d'étapes qui se produisent à des échelles microscopiques..
Un exemple de solidification est une bulle liquide qui gèle. Dans l'image ci-dessus, vous pouvez voir comment une bulle gèle au contact de la neige. Quelle est la partie de la bulle qui commence à se solidifier? Celui qui est en contact direct avec la neige. La neige fonctionne comme un support sur lequel les molécules de la bulle peuvent être logées..
La solidification est rapidement déclenchée à partir du fond de la bulle. Ceci peut être vu dans les "pins glacés" qui s'étendent pour couvrir toute la surface. Ces pins reflètent la croissance de cristaux, qui ne sont rien de plus que des arrangements ordonnés et symétriques de molécules.
Pour que la solidification se produise, il est nécessaire que les particules du liquide puissent être disposées de manière à interagir les unes avec les autres. Ces interactions deviennent plus fortes à mesure que la température diminue, ce qui affecte la cinétique moléculaire; c'est-à-dire qu'ils ralentissent et font partie du cristal.
Ce processus est appelé cristallisation, et la présence d'un noyau (petits agrégats de particules) et d'un support accélère ce processus. Une fois le liquide cristallisé, on dit alors qu'il s'est solidifié ou congelé.
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Toutes les substances ne se solidifient pas à la même température (ou sous le même traitement). Certains «gèlent» même au-dessus de la température ambiante, comme avec les solides à point de fusion élevé. Cela dépend du type de particules qui composent le solide ou le liquide..
Dans le solide, ils interagissent fortement et restent vibrants dans des positions fixes dans l'espace, sans liberté de mouvement et avec un volume défini, tandis que dans le liquide, ils ont la capacité de se déplacer comme de nombreuses couches qui se déplacent les unes sur les autres, occupant le volume de le conteneur qui le contient.
Le solide a besoin d'énergie thermique pour passer à la phase liquide; en d'autres termes, il a besoin de chaleur. La chaleur est obtenue à partir de son environnement, et la quantité minimale qu'elle absorbe pour générer la première goutte de liquide est connue sous le nom de chaleur latente de fusion (ΔHf)..
D'autre part, le liquide doit dégager de la chaleur dans son environnement pour ordonner ses molécules et se cristalliser en phase solide. La chaleur dégagée est alors la chaleur latente de solidification ou de congélation (ΔHc). Les deux ΔHf et ΔHc sont égaux en grandeur mais avec des directions opposées; le premier a un signe positif et le second un signe négatif.
À un certain moment, le liquide commence à geler et le thermomètre lit une température T. Tant qu'il n'est pas complètement solidifié, T reste constant. Puisque ΔHc a un signe négatif, il s'agit d'un processus exothermique qui dégage de la chaleur.
Par conséquent, le thermomètre lira la chaleur dégagée par le liquide lors de son changement de phase, contrebalançant la baisse de température imposée. Par exemple, si le récipient contenant le liquide est placé dans un bain de glace. Ainsi, T ne diminue pas tant que la solidification n'est pas complètement complète..
Quelles unités accompagnent ces mesures de chaleur? Habituellement kJ / mol ou J / g. Celles-ci sont interprétées comme suit: kJ ou J est la quantité de chaleur requise par 1 mole de liquide ou 1 g pour pouvoir se refroidir ou se solidifier.
Pour le cas de l'eau par exemple, ΔHc est égal à 6,02 kJ / mol. Autrement dit, 1 mole d'eau pure doit libérer 6,02 kJ de chaleur pour geler, et cette chaleur est ce qui maintient la température constante dans le processus. De même, 1 mole de glace doit absorber 6,02 kJ de chaleur pour fondre..
La température exacte à laquelle le processus se produit est connue sous le nom de point de solidification (Tc). Cela varie dans toutes les substances en fonction de la force de leurs interactions intermoléculaires dans le solide..
La pureté est également une variable importante, car un solide impur ne se solidifie pas à la même température qu'un solide pur. Ce qui précède est connu comme chute du point de congélation. Pour comparer les points de solidification d'une substance, il faut utiliser comme référence celle qui est la plus pure possible.
Cependant, il ne peut en être de même pour les solutions, comme c'est le cas pour les alliages métalliques. Pour comparer leurs points de solidification, il faut considérer des mélanges avec les mêmes proportions massiques; c'est-à-dire avec des concentrations identiques de ses composants.
Certes, le point de solidification présente un grand intérêt scientifique et technologique en ce qui concerne les alliages et autres variétés de matériaux. En effet, en contrôlant le temps et la manière dont ils sont refroidis, certaines propriétés physiques souhaitables peuvent être obtenues ou celles inappropriées pour une certaine application peuvent être évitées..
Pour cette raison, la compréhension et l'étude de ce concept sont d'une grande importance en métallurgie et minéralogie, ainsi que dans toute autre science qui mérite de fabriquer et de caractériser un matériau..
Théoriquement, Tc doit être égal à la température ou au point de fusion (Tf). Cependant, ce n'est pas toujours vrai pour toutes les substances. La raison principale est que, à première vue, il est plus facile de gâcher les molécules du solide que de commander celles du liquide..
Par conséquent, il est préférable en pratique d'utiliser Tf pour mesurer qualitativement la pureté d'un composé. Par exemple, si un composé X a de nombreuses impuretés, alors sa Tf sera plus éloignée de celle du X pur par rapport à un autre avec une pureté plus élevée..
Comme cela a été dit jusqu'à présent, la solidification passe à la cristallisation. Certaines substances, compte tenu de la nature de leurs molécules et de leurs interactions, nécessitent des températures très basses et des pressions élevées pour se solidifier..
Par exemple, l'azote liquide est obtenu à des températures inférieures à -196 ° C. Pour le solidifier, il faudrait le refroidir encore plus, ou augmenter la pression sur celui-ci, forçant ainsi les N moléculesdeux à regrouper pour créer des noyaux de cristallisation.
La même chose peut être envisagée pour d'autres gaz: oxygène, argon, fluor, néon, hélium; et pour le plus extrême de tous, l'hydrogène, dont la phase solide a suscité beaucoup d'intérêt pour ses éventuelles propriétés sans précédent.
En revanche, le cas le plus connu est glace sèche, qui n'est rien de plus que du COdeux dont les vapeurs blanches sont dues à sa sublimation à la pression atmosphérique. Ceux-ci ont été utilisés pour recréer de la brume sur la scène..
Pour qu'un composé se solidifie, il ne dépend pas seulement de Tc, mais également de la pression et d'autres variables. Plus les molécules sont petites (Hdeux) et plus leurs interactions sont faibles, plus il sera difficile de les faire passer à l'état solide.
Le liquide, qu'il s'agisse d'une substance ou d'un mélange, commencera à geler à la température au point de solidification. Cependant, dans certaines conditions (comme une pureté élevée, un temps de refroidissement lent ou un environnement très énergétique), le liquide peut tolérer des températures plus basses sans geler. C'est ce qu'on appelle la surfusion..
Il n'y a toujours pas d'explication absolue du phénomène, mais la théorie soutient que toutes ces variables qui empêchent la croissance des noyaux de cristallisation favorisent la surfusion..
Parce que? Parce qu'à partir des noyaux, de gros cristaux se forment après avoir ajouté des molécules de l'environnement à eux. Si ce processus est limité, même si la température est inférieure à Tc, le liquide restera inchangé, comme cela se produit avec les minuscules gouttes qui composent et rendent les nuages visibles dans le ciel..
Tous les liquides surfondus sont métastables, c'est-à-dire qu'ils sont sensibles à la moindre perturbation externe. Par exemple, si un petit morceau de glace leur est ajouté, ou secoué un peu, ils gèlent instantanément, ce qui est une expérience amusante et facile à réaliser..
-Bien qu'elle ne soit pas un solide en soi, la gélatine est un exemple de processus de solidification par refroidissement.
-Le verre fondu est utilisé pour créer et concevoir de nombreux objets qui, après refroidissement, conservent leurs formes définitives définitives.
-Tout comme la bulle a gelé au contact de la neige, une bouteille de soda peut subir le même processus; et s'il est surfondu, sa congélation sera instantanée.
-Lorsque la lave émerge des volcans couvrant leurs bords ou la surface de la terre, elle se solidifie lorsqu'elle perd de la température, jusqu'à ce qu'elle devienne des roches ignées.
-Les œufs et les gâteaux se solidifient avec une augmentation de la température. De même, la muqueuse nasale le fait mais à cause de la déshydratation. Un autre exemple peut également être trouvé dans la peinture ou les colles.
Cependant, il convient de noter que la solidification ne se produit pas dans ces derniers cas en tant que produit du refroidissement. Par conséquent, le fait qu'un liquide se solidifie ne signifie pas nécessairement qu'il gèle (il ne réduit pas sa température de manière appréciable); mais quand un liquide gèle, il finit par se solidifier.
Autres:
- La conversion de l'eau en glace: elle se produit à 0 ° C produisant de la glace, de la neige ou des cubes glaciaires.
- Cire de bougie qui fond avec la flamme et se solidifie à nouveau.
- La congélation des aliments pour leur conservation: dans ce cas, les molécules d'eau au sein des cellules de viande ou de légumes sont congelées..
- Verre soufflé: celui-ci est fondu pour former puis se solidifie.
- La fabrication de glaces: ce sont généralement des produits laitiers qui se solidifient.
- En obtenant du caramel, qui est du sucre fondu et solidifié.
- Le beurre et la margarine sont des acides gras à l'état solide.
- Métallurgie: dans la fabrication de lingots ou de poutres ou de structures de certains métaux.
- Le ciment est un mélange de calcaire et d'argile qui, lorsqu'il est mélangé à de l'eau, a la propriété de durcir.
- Dans la fabrication du chocolat, la poudre de cacao est mélangée avec de l'eau et du lait qui, une fois séché, se solidifie.
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