Nuclearea este un proces fizic în care o schimbare de stare – de exemplu, lichid în solid – are loc într-o substanță în jurul anumitor puncte focale, cunoscute sub numele de nuclee. Exemple comune sunt condensarea vaporilor de apă în picături în atmosferă, formarea de cristale de gheață atunci când apa îngheață și apariția bulelor de gaz într-un lichid. Nuclearea eterogenă are loc în cazurile în care există nuclee preexistente, cum ar fi particule minuscule de praf suspendate într-un lichid sau gaz. Nuclearea omogenă are loc acolo unde nu sunt prezenți astfel de contaminanți și este mult mai rar întâlnită. Această reacție fizică este baza pentru o varietate de procese de fabricație și fenomene naturale interesante.
Adesea, odată ce începe să aibă loc nuclearea, aceasta arată o curbă de creștere exponențială. De exemplu, odată ce cristalele încep să se formeze într-o soluție, suprafața lor crește pe măsură ce cresc, atrăgând mai multe molecule și promovând creșterea într-un ritm din ce în ce mai mare, până când soluția se stabilizează și nu se mai pot forma cristale. Acest lucru explică de ce este nevoie de timp pentru ca un râu să înghețe în timpul iernii, dar odată ce gheața începe să se formeze în corpul râului, de obicei acoperă râul foarte rapid.
Nucleare eterogenă
Apa îngheață în mod normal la 32 ° F (0 ° C). Acest lucru se datorează faptului că conține numeroase particule solide minuscule de praf și materie organică în jurul cărora poate apărea înghețarea – ele pot fi considerate „semințe” care pornesc procesul. Apa extrem de pură, care nu conține aceste particule, îngheață de fapt la -43.6 ° F (-42 ° C). Dacă apa pură este răcită la o temperatură sub punctul normal de îngheț, dar peste punctul său de îngheț pur, ea rămâne lichidă și se spune că este suprarăcită. Apa poate fi apoi indusă să înghețe foarte rapid prin adăugarea unui singur cristal mic de gheață, care acționează ca un nucleu.
Un fenomen similar poate fi demonstrat folosind o soluție suprasaturată de acetat de sodiu. Mai mult compus se va dizolva în apă fierbinte decât în rece, dar se poate face o soluție suprasaturată prin adăugarea acesteia în apă foarte fierbinte până când nu se va dizolva mai mult, lăsându-l apoi să se răcească netulburat. Când apa este rece, va avea mai mult acetat de sodiu în soluție decât ar fi putut fi dizolvat prin simpla adăugare în apă rece. Aceasta este o soluție suprasaturată. Dacă se adaugă acum un singur granul de compus, cristalele se vor forma rapid prin nucleare și se vor răspândi în lichid, astfel încât acesta pare să înghețe.
Un alt exemplu distractiv, care implică de data aceasta eliberarea de gaz dizolvat, este binecunoscuta demonstrație explozivă folosind mărci populare de mentă și băuturi gazoase. Suprafața mentei este acoperită cu zahăr, care formează o mulțime de centre de nucleare minuscule. Băutura gazoasă conține mult dioxid de carbon dizolvat, care devine gaz la contactul cu menta, formând cantități mari de bule și creând presiune care forțează lichidul să iasă din recipient cu viteză mare, formând o fântână sau „gheizer”.
Formarea norilor în atmosferă este un exemplu de condensare a unui gaz într-un lichid prin nucleare. Ar fi mult mai dificil ca norii să se formeze fără prezența particulelor de praf în aer, care sunt cunoscute sub numele de nuclee de condensare. Se crede că fumul, funinginea și alte particule produse de activitățile umane pot acționa în acest fel, crescând acoperirea norilor în zonele poluate. În unele cazuri, cristalele minuscule sunt eliberate în mod deliberat în atmosferă pentru a acționa ca nuclee de condensare și pentru a încuraja formarea norilor în zonele foarte uscate; această practică este cunoscută sub denumirea de „însămânțare a norilor”.
Nucleare omogenă
Acest lucru se întâmplă spontan într-o substanță care nu conține impurități care pot acționa ca nuclee preexistente și, prin urmare, este complet uniformă. Se întâmplă de obicei ca răspuns la o schimbare de temperatură sau presiune. Pentru ca procesul să aibă loc, noi nuclee trebuie să fie create din substanța însăși, prin fluctuații aleatorii, odată ce condițiile sunt adecvate. Un exemplu este înghețarea apei absolut pure la -43.6 ° F (-42 ° C).
Un altul este formarea de cristale de gheață în nori sau ceață înghețată la nivelul solului. Picăturile de apă suspendate în aer pot fi răcite cu mult sub punctul de îngheț fără a forma gheață; din acest motiv, norii, chiar și atunci când temperatura aerului este sub punctul de îngheț, constau de obicei din picături de apă suprarăcită. Ceața înghețată se formează din picăturile de apă care îngheață instantaneu atunci când intră în contact cu o suprafață; ceața înghețată, formată din cristale de gheață, se formează doar la temperaturi extrem de scăzute.
aplicatii
Nuclearea afectează și este utilizată în multe procese de fabricație. De exemplu, este folosit în producția de catalizatori pentru industria chimică, iar mulți catalizatori își ating efectele prin acest proces. Este folosit și la fabricarea semiconductorilor pentru industria electronică. În cofetărie, producția de bomboane de piatră este un exemplu de nucleare care permite formarea de cristale mari dintr-o soluție de zahăr suprasaturată.