Σε μοριακό επίπεδο τι συμβαίνει καθώς παγώνει μια ουσία;
1. Από διαταραχή σε παραγγελία:
* Υγρή κατάσταση: Τα μόρια σε ένα υγρό είναι σχετικά μακριά και κινούνται ελεύθερα, συγκρούονται συνεχώς μεταξύ τους. Διαθέτουν σημαντική κινητική ενέργεια (ενέργεια κίνησης).
* κατάψυξη: Καθώς ένα υγρό ψύχεται, τα μόρια του χάνουν κινητική ενέργεια και επιβραδύνουν. Οι ασθενέστερες ενδομοριακές δυνάμεις (όπως οι δυνάμεις van der Waals ή οι δεσμοί υδρογόνου) που κανονικά προκαλούν μόνο προσωρινά αξιοθέατα γίνονται πλέον ισχυρότερα.
* Κρυστάλλωση: Τα μόρια αρχίζουν να οργανώνονται σε ένα πολύ διατεταγμένο, επαναλαμβανόμενο μοτίβο που ονομάζεται κρυσταλλικό πλέγμα. Αυτή η δομή ελαχιστοποιεί την πιθανή ενέργεια του συστήματος.
2. Ο ρόλος των διαμοριακών δυνάμεων:
* έλξη: Η αντοχή των διαμοριακών δυνάμεων μεταξύ των μορίων καθορίζει το σημείο κατάψυξης μιας ουσίας. Οι ισχυρότερες δυνάμεις οδηγούν σε υψηλότερα σημεία κατάψυξης. Για παράδειγμα, το νερό έχει σχετικά υψηλό σημείο κατάψυξης λόγω ισχυρών δεσμών υδρογόνου μεταξύ των μορίων του.
* σχηματισμός πλέγματος: Η συγκεκριμένη διάταξη των μορίων εντός του κρυσταλλικού πλέγματος υπαγορεύεται από τον τύπο και τη δύναμη των διαμοριακών δυνάμεων. Διαφορετικές ουσίες σχηματίζουν διαφορετικές κρυσταλλικές δομές.
3. Αλλαγές ενέργειας:
* Εξαθερμική διαδικασία: Η κατάψυξη είναι μια εξωθερμική διαδικασία, που σημαίνει ότι η θερμότητα απελευθερώνεται από την ουσία καθώς αλλάζει κατάσταση. Αυτή η θερμότητα είναι η ενέργεια που είχε προηγουμένως αποθηκευτεί μέσα στα μόρια στην υγρή κατάσταση.
* Ενθαλπία σύντηξης: Η ποσότητα θερμότητας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της κατάψυξης ονομάζεται ενθαλπία της σύντηξης. Είναι η ίδια ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να λιώσει την ίδια ποσότητα της ουσίας.
4. Παραδείγματα:
* νερό: Τα μόρια του νερού σχηματίζουν ένα εξαγωνικό κρυσταλλικό πλέγμα με δεσμούς υδρογόνου που τους συγκρατούν.
* μέταλλα: Τα μεταλλικά άτομα οργανώνονται σε ένα σφιχτά συσκευασμένο, κανονικό πλέγμα.
* Αέρια: Πολλά αέρια, όπως το άζωτο και το οξυγόνο, γίνονται υγρά και στη συνέχεια στερεά σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες.
5. Εξαιρέσεις:
* Άμορφα στερεά: Ορισμένες ουσίες, όπως το γυαλί, το πάγωμα χωρίς να σχηματίζουν κρυσταλλικό πλέγμα. Τα μόρια τους γίνονται λιγότερο κινητά, αλλά δεν κανονίζουν τον εαυτό τους σε ένα κανονικό μοτίβο.
* supercooling: Υπό ορισμένες συνθήκες, ένα υγρό μπορεί να ψύχεται κάτω από το σημείο κατάψυξης χωρίς κατάψυξη. Αυτό ονομάζεται υπερψύξη και είναι μια μεταστατική κατάσταση.
Στην ουσία, η κατάψυξη είναι μια δραματική μετατόπιση της μοριακής συμπεριφοράς μιας ουσίας. Τα μόρια πηγαίνουν από μια διαταραγμένη κατάσταση υψηλής ενέργειας σε μια εξαιρετικά διατεταγμένη κατάσταση χαμηλής ενέργειας, που οδηγείται από τη δύναμη των διαμοριακών δυνάμεων και την απελευθέρωση της θερμικής ενέργειας.
