Dalam kehidupan sehari-hari, kita semua senantiasa menjumpai fenomena-fenomena yang menyertai proses peralihan zat dari satu keadaan agregasi ke keadaan agregasi lainnya. Dan paling sering kita mengamati fenomena seperti itu pada contoh salah satu senyawa kimia yang paling umum - air yang terkenal dan familiar. Dari artikel tersebut Anda akan mempelajari bagaimana air cair menjadi es padat terjadi - suatu proses yang disebut kristalisasi air - dan ciri-ciri apa yang menjadi ciri transisi ini.

Apa itu transisi fase?

Semua orang tahu bahwa di alam ada tiga keadaan agregat (fase) utama materi: padat, cair, dan gas. Seringkali keadaan keempat ditambahkan ke dalamnya - plasma (karena fitur yang membedakannya dari gas). Namun, selama transisi dari gas ke plasma tidak ada batas tajam yang khas, dan sifat-sifatnya tidak ditentukan oleh hubungan antar partikel materi (molekul dan atom) melainkan oleh keadaan atom itu sendiri.

Semua zat, berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain, dalam kondisi normal secara tajam, mengubah sifat-sifatnya secara tiba-tiba (dengan pengecualian beberapa keadaan superkritis, tetapi kami tidak akan membahasnya di sini). Transformasi semacam itu, lebih tepatnya, adalah salah satu variasinya. Itu terjadi pada kombinasi parameter fisik tertentu (suhu dan tekanan), yang disebut titik transisi fase.

Transformasi cairan menjadi gas adalah fenomena sebaliknya - kondensasi. Peralihan suatu zat dari wujud padat ke cair adalah meleleh, tetapi jika prosesnya berlawanan arah, maka disebut kristalisasi. Benda padat dapat segera berubah menjadi gas dan, sebaliknya - dalam kasus ini kita berbicara tentang sublimasi dan desublimasi.

Selama kristalisasi, air berubah menjadi es dan dengan jelas menunjukkan seberapa besar perubahan sifat fisiknya. Mari kita membahas beberapa rincian penting dari fenomena ini.

Konsep kristalisasi

Ketika cairan membeku saat didinginkan, sifat interaksi dan susunan partikel zat berubah. Energi kinetik dari pergerakan termal acak partikel-partikel penyusunnya berkurang, dan mereka mulai membentuk ikatan yang stabil satu sama lain. Ketika ikatan ini menyebabkan molekul (atau atom) tersusun secara teratur dan teratur, struktur kristal padatan akan terbentuk.

Kristalisasi tidak sekaligus menutupi seluruh volume cairan yang didinginkan, tetapi diawali dengan pembentukan kristal-kristal kecil. Inilah yang disebut pusat kristalisasi. Mereka tumbuh lapis demi lapis, selangkah demi selangkah, dengan menambahkan lebih banyak molekul atau atom materi di sepanjang lapisan yang sedang tumbuh.

Kondisi kristalisasi

Kristalisasi memerlukan pendinginan cairan sampai suhu tertentu (yang juga merupakan titik leleh). Jadi, suhu kristalisasi air pada kondisi normal adalah 0 °C.

Untuk setiap zat, kristalisasi ditandai dengan besarnya panas laten. Ini adalah jumlah energi yang dilepaskan selama proses tertentu (dan sebaliknya, energi yang diserap). Panas spesifik kristalisasi air adalah panas laten yang dilepaskan oleh satu kilogram air pada suhu 0 °C. Dari semua zat, air memiliki salah satu kadar tertinggi yaitu sekitar 330 kJ/kg. Nilai yang begitu besar disebabkan oleh fitur struktural yang menentukan parameter kristalisasi air. Kami akan menggunakan rumus untuk menghitung panas laten di bawah ini, setelah mempertimbangkan fitur-fitur ini.

Untuk mengimbangi panas laten, cairan perlu didinginkan secara super agar pertumbuhan kristal dimulai. Derajat hipotermia mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap jumlah pusat kristalisasi dan laju pertumbuhannya. Selama proses berlangsung, pendinginan lebih lanjut suhu zat tidak berubah.

Molekul air

Untuk lebih memahami bagaimana air mengkristal, Anda perlu mengetahui bagaimana struktur molekul senyawa kimia ini, karena struktur molekul menentukan karakteristik ikatan yang dibentuknya.

Molekul air mengandung satu atom oksigen dan dua atom hidrogen. Mereka membentuk segitiga sama kaki tumpul di mana atom oksigen terletak di titik sudut tumpul berukuran 104,45°. Dalam hal ini, oksigen dengan kuat menarik awan elektron ke arahnya, sehingga molekul mewakili Muatan di dalamnya didistribusikan di sepanjang simpul piramida tetrahedral imajiner - tetrahedron dengan sudut internal kira-kira 109°. Akibatnya, sebuah molekul dapat membentuk empat ikatan hidrogen (proton), yang tentu saja mempengaruhi sifat-sifat air.

Ciri-ciri struktur air cair dan es

Kemampuan molekul air untuk membentuk ikatan proton diwujudkan dalam keadaan cair dan padat. Ketika air berbentuk cair, ikatan-ikatan ini tidak stabil, mudah hancur, tetapi juga terus-menerus terbentuk kembali. Berkat kehadirannya, molekul air terikat satu sama lain lebih kuat dibandingkan partikel cairan lainnya. Dengan bergabung, mereka membentuk struktur khusus - kelompok. Oleh karena itu, titik fase air bergeser ke arah suhu yang lebih tinggi, karena penghancuran senyawa tambahan tersebut juga memerlukan energi. Selain itu, energinya cukup signifikan: jika tidak ada ikatan dan gugus hidrogen, suhu kristalisasi air (serta titik lelehnya) akan menjadi -100 °C, dan titik didihnya +80 °C.

Struktur gugusannya identik dengan es. Masing-masing terhubung dengan empat tetangganya, molekul air membangun struktur kristal kerawang dengan dasar berbentuk segi enam. Berbeda dengan air cair, di mana mikrokristal - cluster - tidak stabil dan bergerak karena pergerakan termal molekul, ketika es terbentuk, mereka disusun ulang secara stabil dan teratur. Ikatan hidrogen memperbaiki posisi relatif simpul kisi kristal, dan akibatnya, jarak antar molekul menjadi lebih besar dibandingkan pada fase cair. Keadaan ini menjelaskan lonjakan massa jenis air selama kristalisasi - massa jenisnya turun dari hampir 1 g/cm 3 menjadi sekitar 0,92 g/cm 3 .

Tentang panas laten

Keunikan struktur molekul air sangat mempengaruhi sifat-sifatnya. Hal ini khususnya terlihat dari tingginya kalor jenis kristalisasi air. Hal ini justru disebabkan oleh adanya ikatan proton yang membedakan air dengan senyawa lain yang membentuk kristal molekul. Telah ditetapkan bahwa energi ikatan hidrogen dalam air adalah sekitar 20 kJ per mol, yaitu per 18 g. Sebagian besar ikatan ini terbentuk “secara massal” ketika air membeku - di sinilah pelepasan yang begitu besar energi berasal.

Mari kita beri perhitungan sederhana. Biarkan kristalisasi air melepaskan energi 1650 kJ. Ini banyak: energi yang setara dapat diperoleh, misalnya, dari ledakan enam granat lemon F-1. Mari kita hitung massa air yang telah mengalami kristalisasi. Rumus yang menghubungkan jumlah kalor laten Q, massa m dan kalor jenis kristalisasi λ sangat sederhana: Q = - λ * m. Tanda minus berarti panas dilepaskan oleh sistem fisik. Mengganti nilai yang diketahui, kita mendapatkan: m = 1650/330 = 5 (kg). Hanya diperlukan 5 liter untuk melepaskan energi sebanyak 1650 kJ selama kristalisasi air! Tentu saja, energi tidak dilepaskan secara instan - prosesnya memakan waktu cukup lama, dan panasnya hilang.

Misalnya, banyak burung yang sangat menyadari sifat air ini dan menggunakannya untuk berjemur di dekat air danau dan sungai yang membekukan; di tempat yang suhu udaranya beberapa derajat lebih tinggi.

Kristalisasi larutan

Air adalah pelarut yang luar biasa. Zat yang terlarut di dalamnya biasanya menggeser titik kristalisasi ke bawah. Semakin tinggi konsentrasi larutan maka suhu pembekuan yang terjadi akan semakin rendah. Contoh yang mencolok adalah air laut, yang di dalamnya banyak garam berbeda terlarut. Konsentrasinya di air laut adalah 35 ppm, dan air tersebut mengkristal pada suhu -1,9 °C. Salinitas air di laut yang berbeda sangat bervariasi, oleh karena itu titik bekunya pun berbeda-beda. Jadi, air Baltik memiliki salinitas tidak lebih dari 8 ppm, dan suhu kristalisasinya mendekati 0 °C. Air tanah yang termineralisasi juga membeku pada suhu di bawah nol. Perlu diingat bahwa kita selalu berbicara hanya tentang kristalisasi air: es laut hampir selalu segar, atau setidaknya sedikit asin.

Larutan berair dari berbagai alkohol juga memiliki titik beku yang lebih rendah, dan kristalisasinya tidak terjadi secara tiba-tiba, tetapi pada kisaran suhu tertentu. Misalnya, alkohol 40% mulai membeku pada -22,5 °C, dan akhirnya mengkristal pada -29,5 °C.

Tetapi larutan alkali seperti soda kaustik NaOH atau soda kaustik merupakan pengecualian yang menarik: larutan ini ditandai dengan peningkatan suhu kristalisasi.

Bagaimana air murni bisa membeku?

Pada air suling, struktur cluster terganggu akibat penguapan selama distilasi, dan jumlah ikatan hidrogen antar molekul air tersebut sangat kecil. Selain itu, air tersebut tidak mengandung kotoran seperti partikel debu mikroskopis tersuspensi, gelembung, dll., yang merupakan pusat tambahan pembentukan kristal. Oleh karena itu, titik kristalisasi air sulingan diturunkan menjadi -42 °C.

Anda dapat mendinginkan air sulingan hingga suhu -70 °C. Dalam keadaan ini, air yang sangat dingin mampu mengkristal hampir seketika di seluruh volume dengan sedikit guncangan atau masuknya sedikit pengotor.

Air panas yang paradoks

Fakta yang menakjubkan - air panas berubah menjadi kristal lebih cepat daripada air dingin - disebut “efek Mpemba” untuk menghormati anak sekolah Tanzania yang menemukan paradoks ini. Lebih tepatnya, mereka mengetahuinya pada zaman kuno, namun karena tidak menemukan penjelasannya, para filsuf alam dan ilmuwan alam akhirnya berhenti memperhatikan fenomena misterius tersebut.

Pada tahun 1963, Erasto Mpemba terkejut karena campuran es krim yang dipanaskan lebih cepat mengeras dibandingkan es krim dingin. Dan pada tahun 1969, sebuah fenomena menarik dikonfirmasi dalam eksperimen fisik (omong-omong, dengan partisipasi Mpemba sendiri). Efeknya dijelaskan oleh berbagai alasan:

• lebih banyak pusat kristalisasi, seperti gelembung udara;
• perpindahan panas yang tinggi dari air panas;
• tingkat penguapan yang tinggi, sehingga mengakibatkan penurunan volume cairan.

Tekanan sebagai faktor kristalisasi

Hubungan antara tekanan dan suhu sebagai besaran kunci yang mempengaruhi proses kristalisasi air tercermin dengan jelas dalam diagram fasa. Hal ini menunjukkan bahwa dengan meningkatnya tekanan, suhu transisi fase air dari cair ke padat menurun sangat lambat. Tentu saja, hal sebaliknya juga terjadi: semakin rendah tekanannya, semakin tinggi suhu yang dibutuhkan untuk membentuk es, dan pertumbuhannya pun sama lambatnya. Untuk mencapai kondisi di mana air (bukan sulingan!) mampu mengkristal menjadi es biasa Ih pada suhu serendah mungkin -22 °C, tekanan harus ditingkatkan hingga 2085 atmosfer.

Suhu kristalisasi maksimum sesuai dengan kombinasi kondisi berikut, yang disebut titik tripel air: 0,006 atmosfer dan 0,01 °C. Dengan parameter seperti itu, titik leleh kristalisasi dan titik didih kondensasi bertepatan, dan ketiga keadaan agregat air hidup berdampingan dalam kesetimbangan (tanpa adanya zat lain).

Banyak jenis es

Saat ini, sekitar 20 modifikasi keadaan padat air diketahui - dari amorf hingga es XVII. Semuanya, kecuali es Ih biasa, memerlukan kondisi kristalisasi yang eksotik bagi Bumi, dan tidak semuanya stabil. Hanya es Ic yang sangat jarang ditemukan di lapisan atas atmosfer bumi, namun pembentukannya tidak terkait dengan pembekuan air, karena terbentuk dari uap air pada suhu yang sangat rendah. Ice XI ditemukan di Antartika, namun modifikasi ini merupakan turunan dari es biasa.

Dengan mengkristalkan air pada tekanan yang sangat tinggi, dimungkinkan untuk memperoleh modifikasi es seperti III, V, VI, dan dengan peningkatan suhu secara simultan - es VII. Kemungkinan besar beberapa di antaranya dapat terbentuk dalam kondisi yang tidak biasa bagi planet kita di benda lain di Tata Surya: di Uranus, Neptunus, atau satelit besar dari planet raksasa. Kita harus berpikir bahwa eksperimen dan studi teoretis di masa depan tentang sifat-sifat es yang masih sedikit dipelajari, serta ciri-ciri proses kristalisasinya, akan memperjelas masalah ini dan menemukan lebih banyak hal baru.

Meleleh

Meleleh adalah proses perubahan wujud zat dari padat menjadi cair.

Pengamatan menunjukkan bahwa jika es yang dihancurkan, misalnya, bersuhu 10 ° C, dibiarkan di ruangan yang hangat, suhunya akan meningkat. Pada suhu 0 °C, es akan mulai mencair, dan suhu tidak akan berubah sampai seluruh es berubah menjadi cair. Setelah itu suhu air yang terbentuk dari es akan meningkat.

Artinya benda kristal, termasuk es, meleleh pada suhu tertentu, yang disebut titik lebur. Penting bahwa selama proses peleburan, suhu zat kristal dan cairan yang terbentuk selama peleburan tetap tidak berubah.

Dalam percobaan yang dijelaskan di atas, es menerima sejumlah panas, energi internalnya meningkat karena peningkatan energi kinetik rata-rata gerak molekul. Kemudian es tersebut mencair, suhunya tidak berubah, meskipun es tersebut menerima panas dalam jumlah tertentu. Akibatnya, energi internalnya meningkat, tetapi bukan karena energi kinetik, tetapi karena energi potensial interaksi molekul. Energi yang diterima dari luar digunakan untuk menghancurkan kisi kristal. Benda kristal apa pun meleleh dengan cara yang sama.

Benda amorf tidak memiliki titik leleh tertentu. Saat suhu meningkat, mereka secara bertahap melunak hingga berubah menjadi cair.

Kristalisasi

Kristalisasi adalah proses peralihan suatu zat dari wujud cair ke wujud padat. Saat cairan mendingin, ia akan melepaskan sejumlah panas ke udara sekitarnya. Dalam hal ini energi dalam akan berkurang karena penurunan energi kinetik rata-rata molekulnya. Pada suhu tertentu akan dimulai proses kristalisasi, selama proses ini suhu zat tidak akan berubah hingga seluruh zat berubah menjadi padat. Transisi ini disertai dengan pelepasan sejumlah panas dan, dengan demikian, penurunan energi internal suatu zat karena penurunan energi potensial interaksi molekul-molekulnya.

Jadi, peralihan suatu zat dari wujud cair ke wujud padat terjadi pada suhu tertentu, yang disebut suhu kristalisasi. Suhu ini tetap konstan selama proses peleburan. Itu sama dengan titik leleh zat ini.

Gambar tersebut menunjukkan grafik suhu zat kristal padat terhadap waktu selama pemanasan dari suhu kamar ke titik leleh, peleburan, pemanasan zat dalam keadaan cair, pendinginan zat cair, kristalisasi dan pendinginan zat selanjutnya. dalam keadaan padat.

Panas spesifik peleburan

Zat kristal yang berbeda memiliki struktur yang berbeda. Oleh karena itu, untuk menghancurkan kisi kristal suatu zat padat pada suhu lelehnya, perlu diberikan jumlah panas yang berbeda padanya.

Panas spesifik peleburan- ini adalah jumlah panas yang harus diberikan pada 1 kg zat kristal untuk mengubahnya menjadi cairan pada titik lelehnya. Pengalaman menunjukkan bahwa panas spesifik peleburan sama dengan panas spesifik kristalisasi .

Panas spesifik peleburan ditunjukkan dengan huruf λ . Satuan kalor jenis peleburan - [λ] = 1 J/kg.

Nilai kalor jenis peleburan zat kristal diberikan dalam tabel. Kalor jenis peleburan aluminium adalah 3,9*10 5 J/kg. Artinya untuk melebur 1 kg aluminium pada suhu lelehnya, diperlukan kalor sebesar 3,9 * 10 5 J. Nilai yang sama sama dengan pertambahan energi dalam 1 kg aluminium.

Untuk menghitung jumlah panas Q diperlukan untuk melelehkan suatu zat bermassa M, diambil pada suhu leleh, mengikuti panas spesifik peleburan λ dikalikan dengan massa zat: Q = λm.

Rumus yang sama digunakan untuk menghitung jumlah panas yang dilepaskan selama kristalisasi suatu cairan.

Konsep dasar. Dalam banyak proses teknologi yang terkait dengan pengolahan bahan padat dalam media cair, perlu dilakukan isolasi zat padat yang terlarut dalam cairan dalam bentuk kristal melalui kristalisasi.

Kristalisasi adalah proses pemisahan fasa padat pada saat pemadatan zat dalam wujud cair (dari lelehan), atau proses pemisahan zat padat terlarut dari suatu larutan. Kristalisasi adalah salah satu metode terpenting untuk memperoleh padatan dalam bentuk murni.

Kristal adalah benda padat, homogen secara kimia, dan bentuknya teratur. Struktur kristal dicirikan oleh susunan atom, ion, dan molekul yang simetris pada titik-titik kisi spasial, yang dibentuk oleh tiga sistem bidang yang saling berpotongan.

Kristal dari zat yang sama dapat bervariasi dalam ukuran dan bentuk. Bergantung pada kondisi pembentukan kristal, laju pertumbuhannya di sepanjang permukaan individu mungkin berbeda, akibatnya kristal, dengan tetap mempertahankan kisi kristal yang sama, berbentuk memanjang atau datar tergantung pada suhu dan viskositas medium.

Setiap bentuk kristal tetap stabil hanya dalam kisaran suhu dan tekanan tertentu. Ketika kondisi batas tercapai, terjadi transisi dari satu bentuk kristal ke bentuk kristal lainnya, disertai dengan efek termal; batas-batas transisi ini ditentukan dengan cara yang sama seperti ketika keadaan agregasi suatu zat berubah. Selain itu, masing-masing bentuk kristal memiliki tekanan uap dan kelarutan berbeda yang unik.

Dalam teknologi, berbagai bentuk kristal digunakan untuk memperoleh zat yang sama dalam bentuk kristal dengan bentuk tertentu, yang memiliki sifat berbeda, sehingga tercipta kondisi kristalisasi yang sesuai.

Jadi, bergantung pada suhu kristalisasi, beberapa zat dapat diperoleh dalam warna berbeda. Misalnya, merkuri yodium, tergantung pada suhu, dapat dilepaskan dalam bentuk endapan berwarna kuning atau merah. Garam kromium timbal juga berubah warna pada suhu kristalisasi yang berbeda.

Bentuk dan ukuran kristal mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap proses selanjutnya melalui filtrasi, dimana kedua faktor ini sangat mempengaruhi kecepatan proses. Diketahui bahwa semakin besar kristal dan semakin jelas bentuk kristalnya, semakin efisien proses filtrasi.

Oleh karena itu, misalnya, proses netralisasi larutan asam sulfat dengan kapur harus dilakukan pada suhu tertentu (60-65°) dan perbandingan massa reaksi tertentu (penuangan suspensi kapur berair dan air secara merata dan simultan. cairan yang dinetralkan), yang menyebabkan terbentuknya endapan kristal kasar kalsium sulfat (gipsum) dari bentuk hidrasi tertentu.

Diketahui juga bahwa dalam sintesis zat antara organik dan pewarna dari seri antrakuinon, keberhasilan seluruh proses seringkali sangat bergantung pada metode isolasi kristal. Misalnya, pengendapan antrakuinon dan turunannya yang cepat tanpa pemanasan menyebabkan pembentukan endapan yang praktis tidak tersaring, dan pengendapan lambat dalam media encer ketika larutan direbus menghasilkan kristal kasar, endapan yang relatif mudah disaring.

Proses hidrasi, di mana satu atau lebih molekul zat terlarut yang dilepaskan dari suatu larutan bergabung dengan satu atau lebih molekul pelarut, mempunyai pengaruh yang signifikan terhadap kristalisasi. Dalam hal ini, jumlah molekul pelarut yang ditambahkan dapat bervariasi tergantung pada suhu dan konsentrasi di mana kristalisasi dilakukan.

Akibat hidrasi, suatu zat dilepaskan dari larutan dalam bentuk kristal hidrat dengan bentuk tertentu, mengandung molekul pelarut (air) dalam jumlah yang sangat tertentu, dan kandungan air kristalisasi dalam kristal tidak hanya mempengaruhi bentuknya. , tetapi juga propertinya. Misalnya, tembaga sulfat anhidrat CuS04 adalah senyawa tidak berwarna yang mengkristal dalam bentuk jarum prismatik dari sistem ortorombik, dan tembaga sulfat pentahidrat hidrat C kamu S04-5H20 membentuk kristal biru besar dari sistem triklinik. Ketika dipanaskan hingga 100°, hidrat ini kehilangan 4 molekul air, dan pada suhu 240° ia kehilangan seluruh air kristalisasinya, berubah menjadi sulfat anhidrat.

Kristal hidrat memiliki tekanan uap tertentu. Jika tekanan uapnya lebih besar dari tekanan uap air di udara sekitar pada suhu tertentu, maka kristal, ketika disimpan di udara, kehilangan air kristalisasi dan terkikis. Contoh hidrat kristalin tersebut adalah garam Glauber, yang merupakan natrium sulfat sepuluh encer Na2S04-10H20.

Sebaliknya, jika tekanan uap di atas kristal hidrat lebih kecil dari tekanan uap air di udara sekitarnya, kristal tersebut “menarik” air dari udara sekitarnya dan secara bertahap “meleleh”. Untuk kristal ini, bila disimpan di udara, kandungan air kristalisasi harus sedemikian rupa sehingga bentuk kristal tidak terganggu. Contoh khas hidrat kristalin tersebut adalah garam meja biasa.

Kesetimbangan fasa dan kelarutan. Semua zat, termasuk padatan, memiliki kemampuan untuk larut sampai tingkat tertentu dalam berbagai pelarut cair. Derajat kelarutan dan konsentrasi larutan paling sering dinyatakan dalam persen berat zat terlarut relatif terhadap berat total larutan atau dalam gram zat terlarut per 100 g pelarut.

Kelarutan suatu zat bergantung pada sifat kimianya, sifat pelarutnya, dan suhunya. Data tentang kelarutan berbagai zat ditemukan secara eksperimental dan biasanya digambarkan dalam bentuk kurva disolusi versus suhu.

Kelarutan banyak zat digambarkan dengan kurva mulus, tanpa putus, dan biasanya kelarutan meningkat seiring dengan meningkatnya suhu.

Untuk banyak zat yang membentuk kristal hidrat, kurva kelarutannya terputus; kelarutan zat tersebut dapat menurun dengan meningkatnya suhu.

Menentukan kelarutan suatu zat pada suhu tertentu sangat penting secara praktis, tetapi tidak ada rumus perhitungan yang dapat diandalkan, dan dalam setiap kasus tertentu perlu menggunakan data eksperimen.

Untuk menghitung kelarutan garam mineral tak terhidrasi dalam air pada suhu berapa pun, aturan keunikan fungsi fisikokimia dapat diterapkan jika kelarutan garam pada dua suhu diketahui. Perhitungan tersebut serupa dengan menentukan titik didih larutan pada berbagai tekanan (lihat halaman 422), karena dasarnya adalah aturan umum yang menyatakan perubahan linier besaran fisikokimia untuk proses serupa.

Sehubungan dengan kelarutan, aturan ini dapat dirumuskan sebagai berikut: perbandingan perbedaan suhu (/-/"), yang berhubungan dengan dua kelarutan molar yang berbeda suatu zat, dengan perbedaan suhu (

Dengan demikian, keseimbangan panas proses secara umum dapat dinyatakan sebagai berikut:

Qi + Q2"+ Pertanyaan = Q* + Pertanyaan+ Pertanyaan 4- Pertanyaan T + Pertanyaan (3-322)

Sehubungan dengan jenis kristalisasi tertentu, persamaan ini harus dimodifikasi.

Selama penguapan dengan kristalisasi Q7=0.

Selama kristalisasi dengan pendinginan dengan air, air garam atau udara yang didinginkan, Q3=0.

Selama kristalisasi vakum Q3=Q7=0.

Dalam alat kristalisasi dengan pendinginan, kehilangan panas ke lingkungan dapat diabaikan dan Q8=0-

Peralihan suatu zat dari wujud kristal padat menjadi cair disebut meleleh. Untuk melelehkan benda kristal padat, ia harus dipanaskan sampai suhu tertentu, yaitu panas harus disuplai.Suhu ketika suatu zat melebur disebuttitik leleh zat tersebut.

Proses sebaliknya—transisi dari wujud cair ke wujud padat—terjadi ketika suhu menurun, yaitu panas dihilangkan. Perubahan wujud zat dari cair menjadi padat disebutpengerasan , atau kristallisasi . Suhu saat suatu zat mengkristal disebutsuhu kristaltions .

Pengalaman menunjukkan bahwa zat apa pun mengkristal dan meleleh pada suhu yang sama.

Gambar tersebut menunjukkan grafik suhu benda kristal (es) versus waktu pemanasan (dari titik A ke titik D) dan waktu pendinginan (dari titik D ke titik K). Ini menunjukkan waktu sepanjang sumbu horizontal, dan suhu sepanjang sumbu vertikal.

Grafik menunjukkan bahwa pengamatan proses dimulai dari saat suhu es mencapai -40 °C, atau, seperti yang mereka katakan, suhu pada saat awal. Tawal= -40 °C (titik A pada grafik). Dengan pemanasan lebih lanjut, suhu es meningkat (pada grafik ini adalah bagiannya AB). Suhu meningkat hingga 0 °C - suhu leleh es. Pada suhu 0°C, es mulai mencair dan suhunya berhenti naik. Selama seluruh waktu pencairan (yaitu sampai semua es mencair), suhu es tidak berubah, meskipun pembakar terus menyala dan oleh karena itu, panas disuplai. Proses peleburan sesuai dengan bagian horizontal grafik Matahari . Hanya setelah semua es mencair dan berubah menjadi air barulah suhu mulai naik kembali (bagian CD). Setelah suhu air mencapai +40 °C, pembakar padam dan air mulai mendingin, yaitu panas dihilangkan (untuk melakukan ini, Anda dapat menempatkan bejana berisi air di bejana lain yang lebih besar berisi es). Suhu air mulai menurun (bagian DE). Ketika suhu mencapai 0 °C, suhu air berhenti turun, meskipun panas tetap dihilangkan. Ini adalah proses kristalisasi air - pembentukan es (bagian horizontal E.F.). Sampai semua air berubah menjadi es, suhunya tidak akan berubah. Baru setelah itu suhu es mulai menurun (bagian FK).

Kemunculan grafik yang diperhatikan dijelaskan sebagai berikut. Lokasi aktif AB Karena panas yang diberikan, energi kinetik rata-rata molekul es meningkat dan suhunya meningkat. Lokasi aktif Matahari semua energi yang diterima oleh isi labu dihabiskan untuk penghancuran kisi kristal es: susunan spasial molekul-molekulnya yang teratur digantikan oleh yang tidak teratur, jarak antar molekul berubah, mis. Molekul-molekul tersebut disusun ulang sedemikian rupa sehingga zat menjadi cair. Energi kinetik rata-rata molekul tidak berubah, sehingga suhunya tidak berubah. Peningkatan lebih lanjut pada suhu air es cair (di area tersebut CD) berarti peningkatan energi kinetik molekul air akibat panas yang disuplai oleh burner.

Saat mendinginkan air (bagian DE) sebagian energi diambil darinya, molekul air bergerak dengan kecepatan lebih rendah, energi kinetik rata-ratanya turun - suhu menurun, air menjadi dingin. Pada 0°C (bagian horizontal E.F.) molekul mulai berbaris dalam urutan tertentu, membentuk kisi kristal. Sampai proses ini selesai, suhu zat tidak akan berubah meskipun panasnya dihilangkan, yang berarti ketika membeku, cairan (air) melepaskan energi. Inilah energi yang diserap es, berubah menjadi cair (bagian Matahari). Energi dalam zat cair lebih besar dibandingkan energi dalam zat padat. Selama peleburan (dan kristalisasi), energi internal tubuh berubah secara tiba-tiba.

Logam yang meleleh pada suhu diatas 1650 ºС disebut tahan panas(titanium, kromium, molibdenum, dll.). Tungsten memiliki titik leleh tertinggi di antara semuanya - sekitar 3400 °C. Logam tahan api dan senyawanya digunakan sebagai bahan tahan panas dalam konstruksi pesawat terbang, teknologi roket dan luar angkasa, serta energi nuklir.

Mari kita tekankan sekali lagi bahwa ketika meleleh, suatu zat menyerap energi. Sebaliknya, selama kristalisasi, ia melepaskannya ke lingkungan. Menerima sejumlah panas yang dilepaskan selama kristalisasi, medium memanas. Hal ini diketahui oleh banyak burung. Tak heran jika mereka terlihat di musim dingin dalam cuaca dingin sambil duduk di atas es yang menutupi sungai dan danau. Karena pelepasan energi saat es terbentuk, udara di atasnya menjadi beberapa derajat lebih hangat dibandingkan di pepohonan di hutan, dan burung memanfaatkan hal ini.

Mencairnya zat amorf.

Ketersediaan tertentu titik leleh- Ini adalah fitur penting dari zat kristal. Dengan ciri inilah mereka dapat dengan mudah dibedakan dari benda amorf, yang juga diklasifikasikan sebagai benda padat. Ini termasuk, khususnya, kaca, resin yang sangat kental, dan plastik.

Zat amorf(tidak seperti kristal) tidak memiliki titik leleh tertentu - tidak meleleh, tetapi melunak. Ketika dipanaskan, sepotong kaca, misalnya, mula-mula menjadi lunak dari keras, mudah ditekuk atau diregangkan; pada suhu yang lebih tinggi, potongan tersebut mulai berubah bentuk karena pengaruh gravitasinya sendiri. Saat memanas, massa kental yang kental mengambil bentuk wadah tempatnya berada. Massa ini mula-mula kental, seperti madu, kemudian seperti krim asam, dan akhirnya menjadi cairan dengan viskositas rendah yang hampir sama dengan air. Namun, tidak mungkin untuk menunjukkan suhu transisi tertentu dari benda padat menjadi cair di sini, karena suhu tersebut tidak ada.

Alasannya terletak pada perbedaan mendasar antara struktur benda amorf dan struktur benda kristal. Atom-atom dalam benda amorf tersusun secara acak. Benda amorf menyerupai cairan dalam strukturnya. Sudah dalam kaca padat, atom-atomnya tersusun secara acak. Artinya, peningkatan suhu kaca hanya akan meningkatkan rentang getaran molekul-molekulnya, sehingga memberikan kebebasan bergerak yang semakin besar secara bertahap. Oleh karena itu, kaca melunak secara bertahap dan tidak menunjukkan transisi “padat-cair” yang tajam, yang merupakan karakteristik transisi dari susunan molekul dalam urutan yang ketat ke yang tidak teratur.

Panasnya fusi.

Panas Mencair- ini adalah jumlah panas yang harus diberikan pada suatu zat pada tekanan konstan dan suhu konstan sama dengan titik leleh untuk mengubahnya sepenuhnya dari wujud kristal padat menjadi cair. Panas peleburan sama dengan jumlah panas yang dilepaskan selama kristalisasi suatu zat dari wujud cair. Selama peleburan, semua panas yang disuplai ke suatu zat digunakan untuk meningkatkan energi potensial molekulnya. Energi kinetiknya tidak berubah karena peleburan terjadi pada suhu konstan.

Dengan mempelajari secara eksperimental peleburan berbagai zat dengan massa yang sama, kita dapat melihat bahwa jumlah panas yang berbeda diperlukan untuk mengubahnya menjadi cairan. Misalnya, untuk mencairkan satu kilogram es, Anda perlu mengeluarkan energi sebesar 332 J, dan untuk melelehkan 1 kg timbal - 25 kJ.

Jumlah panas yang dikeluarkan tubuh dianggap negatif. Oleh karena itu, ketika menghitung jumlah panas yang dilepaskan selama kristalisasi suatu zat bermassa M, sebaiknya gunakan rumus yang sama, tetapi dengan tanda minus:

Panas pembakaran.

Panas pembakaran(atau nilai kalori, kandungan kalori) adalah jumlah panas yang dilepaskan selama pembakaran sempurna bahan bakar.

Untuk memanaskan benda, energi yang dilepaskan selama pembakaran bahan bakar sering digunakan. Bahan bakar konvensional (batubara, minyak, bensin) mengandung karbon. Selama pembakaran, atom karbon bergabung dengan atom oksigen di udara untuk membentuk molekul karbon dioksida. Energi kinetik molekul-molekul ini ternyata lebih besar daripada energi kinetik partikel aslinya. Peningkatan energi kinetik molekul selama pembakaran disebut pelepasan energi. Energi yang dilepaskan selama pembakaran sempurna bahan bakar adalah panas pembakaran bahan bakar tersebut.

Panas pembakaran bahan bakar tergantung pada jenis bahan bakar dan massanya. Semakin besar massa bahan bakar, semakin besar jumlah panas yang dilepaskan selama pembakaran sempurna.

Besaran fisis yang menunjukkan banyaknya kalor yang dilepaskan pada pembakaran sempurna suatu bahan bakar bermassa 1 kg disebut panas spesifik pembakaran bahan bakar.Panas spesifik pembakaran ditunjukkan dengan hurufQdan diukur dalam joule per kilogram (J/kg).

Jumlah panas Q dilepaskan pada saat pembakaran M kg bahan bakar ditentukan dengan rumus:

Untuk mengetahui jumlah kalor yang dilepaskan selama pembakaran sempurna suatu bahan bakar dengan massa berapa pun, kalor jenis pembakaran bahan bakar tersebut harus dikalikan dengan massanya.

Kristalisasi logam

Selama transisi dari cair ke padat, kisi kristal terbentuk dan kristal muncul. Proses ini disebut kristalisasi.

Kristalisasi disebabkan oleh keinginan sistem, dalam kondisi tertentu, untuk berpindah ke keadaan yang lebih stabil secara energi dengan energi bebas F yang lebih rendah (Gbr. 1.7). (Gambar 1.3 dari TCM Komarov.)

Beras. 1.7 Perubahan energi bebas F suatu logam dalam wujud cair (Fl) dan padat (Ft) bergantung pada suhu T:

T s – suhu leleh teoritis.

Dari Gambar 1.7 jelas bahwa pada T > T s zat dalam wujud cair memiliki energi bebas yang lebih kecil, dan pada T< T s - в твердом.

Dalam benda nyata, baik proses kristalisasi maupun proses peleburan tidak dapat dimulai pada T = T s, karena kedua keadaan (cair dan padat) memiliki jumlah energi bebas yang sama. Oleh karena itu, pada benda nyata proses kristalisasi akan dimulai pada T = T cr< T s .

Selisihnya ∆T= T s - T cr - disebut tingkat pendinginan berlebihan sistem ∆Т.

Ketika dipanaskan, peralihan dari wujud padat ke cair juga dimulai pada titik tertentu tingkat sistem terlalu panas ∆T.

Menyorot dua jenis kristalisasi:

1) utama - transisi logam dari cair ke padat dengan pembentukan struktur kristal;

2) sekunder - pembentukan kristal baru dalam padatan kristal.

Gambar 1.8. Model proses kristalisasi (1s – 1 detik, 2s – 2 detik, dst.)

Gambar 1.8 menunjukkan model proses kristalisasi.

Mari kita asumsikan bahwa pada area yang ditunjukkan pada Gambar 1.9. per detik, lima embrio muncul, yang tumbuh dengan kecepatan tertentu. Pada akhir detik pertama, lima embrio telah terbentuk, pada akhir detik kedua mereka telah tumbuh, dan pada saat yang sama, lima embrio baru dari kristal masa depan telah muncul. Jadi, sebagai akibat munculnya inti dan pertumbuhannya, terjadilah proses kristalisasi, yang seperti terlihat pada contoh ini, berakhir pada detik ketujuh.

Kristalisasi dipelajari menggunakan analisis termal, yang intinya adalah mencatat suhu sistem secara berkala. Untuk melakukan ini, termometer termoelektrik (termokopel) 2 yang dihubungkan ke potensiometer perekam 3 direndam dalam wadah 1 (Gbr. 1.9a), dengan logam cair.

Gambar.1.9 Kristalisasi logam:

a – diagram instalasi untuk merekam proses; b – kurva pendinginan dan diagram proses kristalisasi (L – wujud cair, α – wujud padat). 1- wadah, 2- termokopel, 3 – potensiometer perekam.

Berdasarkan data yang diperoleh pada koordinat suhu-waktu, a kurva pendinginan(Gbr. 1.9, b), yang mencerminkan urutan proses kristalisasi.

Bagian atas kurva pendinginan menunjukkan penurunan suhu logam cair. Pada suhu T s yang sesuai bagian horisontal, terjadi proses pemadatan logam cair. Pelepasan panas laten kristalisasi membantu mempertahankan suhu konstan sepanjang waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan pemadatan ( Itu sebabnya bagian kurva pendinginan horisontal). Bagian bawah kurva berhubungan dengan pendinginan logam yang sudah keras.

Pada Gambar. Gambar 1.10 menunjukkan kurva pendinginan logam selama kristalisasi pada laju pendinginan yang berbeda. Garis horizontal tipis menunjukkan nilai suhu kristalisasi teoritis T s.

Gambar 1.10 Pengaruh laju pendinginan pada proses kristalisasi:

a – kurva pendinginan logam murni; b – pengaruh derajat pendinginan super ∆T terhadap laju nukleasi (NR) dan laju pertumbuhan (GR)

Dari balapan. 1.10 jelas bahwa dengan meningkatnya laju pendinginan (V 1

Lebih dari 100 tahun yang lalu, pendiri ilmu logam D.K. Chernov menetapkan bahwa kristalisasi terdiri dari dua proses:

1) nukleasi partikel terkecil dari zat padat – embrio atau pusat kristalisasi;

2) pertumbuhan kristal dari pusat-pusat tersebut.

Pertumbuhan kristal melibatkan penambahan lebih banyak atom logam ke permukaan inti. Pada awalnya, kristal yang terbentuk tumbuh bebas, mempertahankan bentuk geometris yang benar, kemudian ketika kristal yang tumbuh bertabrakan, bentuknya terganggu, dan pertumbuhan selanjutnya berlanjut hanya jika ada akses bebas ke lelehan. Akibatnya, kristal tidak memiliki bentuk geometris yang teratur dan disebut butiran. Ukuran butir tergantung pada SZ dan SR.

Dari Gambar. Gambar 1.9 menunjukkan bahwa dengan peningkatan derajat hipotermia ∆T (laju pendinginan), jumlah inti yang terbentuk per satuan waktu meningkat (kurva SZ pada Gambar 1.10, b), dan sebagai tambahan, laju pertumbuhan kristal juga meningkat. (kurva CP pada Gambar 1.10 , b).