Nucleação

Definição de nucleação

A nucleação é o processo em que gotículas de líquido podem se condensar a partir de um vapor, ou bolhas de gás podem formar-se em um líquido a ferver. A nucleação também pode ocorrer na solução de cristais para crescer novos cristais. Em geral, a nucleação é um processo de auto-organização que leva a uma nova fase termodinâmica ou a uma estrutura auto-montada.

A nucleação é afetada pelo nível de impurezas em um sistema, que pode fornecer superfícies para suportar a montagem.

Em nucleação heterogênea, a organização começa nos pontos de nucleação nas superfícies. Em nucleação homogênea, a organização ocorre longe de uma superfície. Por exemplo, os cristais de açúcar que crescem em uma corda são um exemplo de nucleação heterogênea. Outro exemplo é a cristalização de um floco de neve em torno de uma partícula de poeira. Um exemplo de nucleação homogênea é o crescimento de cristais em uma solução em vez de uma parede de recipiente.

O que é Nucleação?

A nucleação é um processo físico em que uma mudança de estado – por exemplo, líquida a sólida – ocorre em uma substância em torno de certos pontos focais, conhecidos como núcleos.

Exemplos comuns são a condensação de vapor de água em gotículas na atmosfera, a formação de cristais de gelo quando a água se congela e a aparência de bolhas de gás em um líquido.

A nucleação heterogênea acontece nos casos em que há núcleos pré-existentes presentes, como pequenas partículas de poeira suspensas em um líquido ou gás. A nucleação homogênea ocorre onde nenhum contaminante está presente e é muito menos comum. Essa reação física é a base para uma variedade de processos de fabricação e fenômenos naturais interessantes.

Muitas vezes, uma vez que a nucleação começa a ocorrer, mostra uma curva de crescimento exponencial. Por exemplo, uma vez que os cristais começam a se formar em uma solução, sua área superficial aumenta à medida que crescem, atraindo mais moléculas e promovendo o crescimento a uma taxa cada vez maior, até que a solução se estabilize e não mais se formem cristais. Isso explica por que leva tempo para um rio congelar no inverno, mas uma vez que o gelo começa a se formar no corpo do rio, geralmente cobre o rio muito rapidamente.

Nucleação heterogênea

A água normalmente congela a 32 ° F (0 ° C). Isso ocorre porque contém numerosas minúsculas partículas sólidas de poeira e matéria orgânica em torno das quais o congelamento pode ocorrer – eles podem ser pensados como “sementes” que iniciam o processo. A água extremamente pura, que não contém essas partículas, congela a -43.6 ° F (-42 ° C).

Se a água pura é arrefecida a uma temperatura abaixo do ponto de congelamento normal, mas acima do seu ponto de congelamento puro, ele permanece líquido, e diz-se que é super-resfriado. A água pode então ser induzida a congelar muito rapidamente, adicionando um único cristal de gelo pequeno, que atua como um núcleo.

Um fenômeno semelhante pode ser demonstrado usando uma solução supersaturada de acetato de sódio. Mais do composto irá dissolver-se em água quente do que em frio, mas uma solução supersaturada pode ser feita adicionando-o a água muito quente até que não mais se dissolva, permitindo que esfriar sem perturbações.

No momento em que a água está fria, terá mais acetato de sódio em solução do que poderia ter sido dissolvido simplesmente adicionando-a à água fria. Esta é uma solução sobresaturada. Se um único grão do composto agora for adicionado, os cristais se formarão rapidamente através da nucleação e se espalharão por todo o líquido, de modo que pareça congelar.

Outro exemplo divertido, desta vez envolvendo a liberação de gás dissolvido, é a demonstração explosiva bem conhecida usando marcas populares de menta e bebidas efervescentes. A superfície da hortelã é revestida com açúcar, que faz muitos pequenos centros de nucleação.

A bebida efervescente contém muito dióxido de carbono dissolvido, que se torna gás em contato com a hortelã, formando grandes quantidades de bolhas e criando pressão que força o líquido de um recipiente em alta velocidade, formando uma fonte ou “géiser”.

A formação de nuvens na atmosfera é um exemplo de condensação de gás em um líquido através da nucleação. Seria muito mais difícil formar nuvens sem a presença de partículas de poeira no ar, conhecidas como núcleos de condensação. Pensa-se que fumaça, fuligem e outras partículas produzidas por atividades humanas podem atuar dessa maneira, aumentando a cobertura de nuvens em áreas poluídas. Em alguns casos, pequenos cristais são liberados deliberadamente para a atmosfera para atuar como núcleos de condensação e incentivam a formação de nuvens em áreas muito secas; Esta prática é conhecida como “a semeação de nuvens.”

Nucleação homogênea

Isso ocorre espontaneamente em uma substância que não contém impurezas que possam atuar como núcleos pré-existentes e, portanto, é completamente uniforme. Geralmente acontece em resposta a uma mudança de temperatura ou pressão. Para que o processo ocorra, novos núcleos devem ser criados a partir da própria substância, através de flutuações aleatórias, uma vez que as condições são adequadas. Um exemplo é o congelamento de água absolutamente pura a -43,6 ° F (-42 ° C).

Outra é a formação de cristais de gelo em nuvens, ou neblina congelada no nível do solo. As gotas de água suspensas no ar podem ser arrefecidas até muito abaixo do ponto de congelação sem formar gelo; por esta razão, as nuvens, mesmo quando a temperatura do ar está abaixo do zero, geralmente consistem em gotas de água super-resfriada.

O nevoeiro gelado é formado por gotas de água que congelam instantaneamente quando entram em contato com uma superfície; O nevoeiro congelado, composto de cristais de gelo, só se forma a temperaturas extremamente baixas.

Aplicações

Nucleação afeta, e é usado em, muitos processos de fabricação. Por exemplo, é empregada na produção de catalisadores para a indústria química, e muitos catalisadores conseguem seus efeitos através desse processo. Também é utilizado na fabricação de semicondutores para a indústria eletrônica.

Nucleação – Resumo

Nucleação, o processo inicial que ocorre na formação de um cristal a partir de uma solução, um líquido ou um vapor, em que um pequeno número de íons, átomos ou moléculas se arranjam em um padrão característico de um sólido cristalino, formando um local sobre o qual as partículas adicionais são depositadas à medida que o cristal cresce.

Os processos de nucleação são classificados como heterogêneos ou homogêneos. No primeiro, a superfície de alguma substância diferente, como uma partícula de poeira ou a parede do recipiente, atua como o centro sobre o qual os primeiros átomos, íons ou moléculas do cristal se tornam adequadamente orientados; no último, algumas partículas vêm em justaposição correta ao longo de seu movimento aleatório através da maior parte do meio.

A nucleação heterogênea é mais comum, mas o mecanismo homogêneo torna-se mais provável à medida que o grau de super-saturação ou super-resfriamento aumenta. As substâncias diferem amplamente na probabilidade de que elas cristalizem em condições em que o estado cristalino é intrinsecamente estável; O glicerol é um exemplo bem conhecido de um composto propenso a super-resfriamento.

Fonte: www.thoughtco.com/www.wisegeek.org/www.britannica.com/www.colegiosaofrancisco.com.br