Ikdienā mēs visi šad tad sastopamies ar parādībām, kas pavada vielu pārejas procesus no viena agregācijas stāvokļa citā. Un visbiežāk šādas parādības nākas novērot uz viena no visizplatītākajiem ķīmiskajiem savienojumiem - labi zināmā un pazīstamā ūdens - piemēra. No raksta jūs uzzināsit, kā notiek šķidrā ūdens pārvēršanās cietā ledū - process, ko sauc par ūdens kristalizāciju - un kādas iezīmes raksturo šo pāreju.
Kas ir fāzes pāreja?
Ikviens zina, ka dabā ir trīs galvenie matērijas agregātie stāvokļi (fāzes): ciets, šķidrs un gāzveida. Bieži vien tiem tiek pievienots ceturtais stāvoklis - plazma (pazīmju dēļ, kas to atšķir no gāzēm). Tomēr, pārejot no gāzes uz plazmu, nav raksturīgas asas robežas, un tās īpašības tiek noteiktas ne tik daudzattiecības starp vielas daļiņām (molekulām un atomiem), cik daudz ir pašu atomu stāvoklis.
Visas vielas, pārejot no viena stāvokļa citā, normālos apstākļos krasi maina savas īpašības (izņemot dažus superkritiskos stāvokļus, bet mēs tos šeit neapspriedīsim). Šāda transformācija ir fāzes pāreja vai drīzāk viena no tās šķirnēm. Tas notiek pie noteiktas fizisko parametru kombinācijas (temperatūras un spiediena), ko sauc par fāzes pārejas punktu.
Šķidruma pārvēršanās gāzē ir iztvaikošana, pretēja parādība ir kondensācija. Vielas pāreja no cieta stāvokļa šķidrā ir kušana, bet, ja process notiek pretējā virzienā, tad to sauc par kristalizāciju. Ciets ķermenis var uzreiz pārvērsties gāzē un otrādi – šajos gadījumos viņi runā par sublimāciju un desublimāciju.
Kristalizācijas laikā ūdens pārvēršas ledū un uzskatāmi parāda, cik ļoti mainās tā fizikālās īpašības. Pakavēsimies pie dažām svarīgām šīs parādības detaļām.
Kristalizācijas jēdziens
Kad šķidrums atdzesēšanas laikā sacietē, mainās vielas daļiņu mijiedarbības raksturs un izkārtojums. To veidojošo daļiņu nejaušās termiskās kustības kinētiskā enerģija samazinās, un tās sāk veidot stabilas saites viena ar otru. Kad molekulas (vai atomi) ar šīm saitēm sarindojas regulāri, sakārtoti, veidojas cietas vielas kristāliskā struktūra.
Kristalizācija neaptver vienlaikus visu atdzesētā šķidruma tilpumu, bet sākas ar mazu kristāliņu veidošanos. Tie ir tā sauktie kristalizācijas centri. Tie aug slāņos, pakāpeniski, augošajam slānim pievienojot arvien vairāk vielas molekulu vai atomu.
Kristalizācijas apstākļi
Kristalizācijai nepieciešams šķidrums atdzesēt līdz noteiktai temperatūrai (tā ir arī kušanas temperatūra). Tādējādi ūdens kristalizācijas temperatūra normālos apstākļos ir 0 °C.
Katrai vielai kristalizāciju raksturo latentā siltuma daudzums. Tas ir šī procesa laikā atbrīvotās enerģijas daudzums (un pretējā gadījumā attiecīgi absorbētā enerģija). Ūdens īpatnējais kristalizācijas siltums ir latentais siltums, ko izdala viens kilograms ūdens 0 °C temperatūrā. No visām vielām ūdens tuvumā tas ir viens no augstākajiem un ir aptuveni 330 kJ / kg. Tik liela vērtība ir saistīta ar strukturālajām iezīmēm, kas nosaka ūdens kristalizācijas parametrus. Mēs izmantosim tālāk norādīto formulu latentā siltuma aprēķināšanai, ņemot vērā šīs funkcijas.
Lai kompensētu latento siltumu, nepieciešams pārdzesēt šķidrumu, lai sāktu kristālu augšanu. Pārdzesēšanas pakāpei ir būtiska ietekme uz kristalizācijas centru skaitu un to augšanas ātrumu. Kamēr process norisinās, vielas temperatūra turpmāka dzesēšana nemainās.
Ūdens molekula
Lai labāk izprastu, kā kristalizējas ūdens, ir jāzina, kā izkārtojas šī ķīmiskā savienojuma molekula, jomolekulas struktūra nosaka tās izveidoto saišu īpašības.
Viens skābekļa atoms un divi ūdeņraža atomi ir apvienoti ūdens molekulā. Tie veido neasu vienādsānu trīsstūri, kurā skābekļa atoms atrodas 104,45° neasā leņķa virsotnē. Šajā gadījumā skābeklis spēcīgi velk elektronu mākoņus savā virzienā, tā ka molekula ir elektrisks dipols. Tajā esošie lādiņi tiek sadalīti pa iedomātas tetraedriskas piramīdas virsotnēm - tetraedru ar iekšējiem leņķiem aptuveni 109 °. Rezultātā molekula var veidot četras ūdeņraža (protonu) saites, kas, protams, ietekmē ūdens īpašības.
Šķidra ūdens un ledus struktūras iezīmes
Ūdens molekulas spēja veidot protonu saites izpaužas gan šķidrā, gan cietā stāvoklī. Kad ūdens ir šķidrs, šīs saites ir diezgan nestabilas, viegli iznīcina, bet arī pastāvīgi veidojas no jauna. Pateicoties to klātbūtnei, ūdens molekulas ir ciešāk saistītas viena ar otru nekā citu šķidrumu daļiņas. Asociējoties, tās veido īpašas struktūras – kopas. Šī iemesla dēļ ūdens fāzes punkti tiek novirzīti uz augstāku temperatūru, jo šādu papildu asociēto savienojumu iznīcināšanai ir nepieciešama arī enerģija. Turklāt enerģija ir diezgan nozīmīga: ja nebūtu ūdeņraža saišu un kopu, ūdens kristalizācijas temperatūra (kā arī tā kušanas) būtu –100 °C, bet vārīšanās temperatūra +80 °C.
Klasteru struktūra ir identiska kristāliskā ledus struktūrai. Savienojot katru ar četriem kaimiņiem, ūdens molekulas veido ažūra kristālisku struktūru ar sešstūra formas pamatni. Atšķirībā no šķidrā ūdens, kur mikrokristāli - klasteri - molekulu termiskās kustības dēļ ir nestabili un mobili, veidojoties ledus, tie stabili un regulāri pārkārtojas. Ūdeņraža saites fiksē kristāla režģa vietu savstarpējo izvietojumu, un rezultātā attālums starp molekulām kļūst nedaudz lielāks nekā šķidrajā fāzē. Šis apstāklis izskaidro ūdens blīvuma lēcienu tā kristalizācijas laikā - blīvums samazinās no gandrīz 1 g/cm3 līdz aptuveni 0,92 g/cm3.
Par latento karstumu
Ūdens molekulārās struktūras iezīmes ļoti nopietni atspoguļojas tā īpašībās. To jo īpaši var redzēt no ūdens augstā īpatnējā kristalizācijas siltuma. Tas ir saistīts tieši ar protonu saišu klātbūtni, kas atšķir ūdeni no citiem savienojumiem, kas veido molekulāros kristālus. Konstatēts, ka ūdeņraža saites enerģija ūdenī ir aptuveni 20 kJ uz molu, tas ir, uz 18 g.. Ievērojama daļa no šīm saitēm veidojas “masveidā”, kad ūdens sasalst – lūk, kur tik liela enerģijas atdeve. nāk no.
Sniegsim vienkāršu aprēķinu. Ļaujiet ūdens kristalizācijas laikā atbrīvot 1650 kJ enerģijas. Tas ir daudz: līdzvērtīgu enerģiju var iegūt, piemēram, no sešu F-1 citronu granātu sprādziena. Aprēķināsim ūdens masu, kas ir izkristalizējies. Formula, kas nosaka latentā siltuma daudzumu Q, masu m un īpatnējo kristalizācijas siltumuλ ir ļoti vienkāršs: Q=– λm. Mīnusa zīme vienkārši nozīmē, ka siltumu izdala fiziskā sistēma. Aizvietojot zināmās vērtības, iegūstam: m=1650/330=5 (kg). Ir nepieciešami tikai 5 litri, lai ūdens kristalizācijas laikā atbrīvotos 1650 kJ enerģijas! Protams, enerģija netiek atdota uzreiz - process ilgst pietiekami ilgu laiku, un siltums tiek izkliedēts.
Daudzi putni, piemēram, labi zina šo ūdens īpašību un izmanto to, lai gozēties pie ezeru un upju aizsalstoša ūdens, tādās vietās gaisa temperatūra ir par vairākiem grādiem augstāka.
Risinājumu kristalizācija
Ūdens ir brīnišķīgs šķīdinātājs. Tajā izšķīdušās vielas novirza kristalizācijas punktu, kā likums, uz leju. Jo augstāka ir šķīduma koncentrācija, jo zemāka temperatūra sasalst. Spilgts piemērs ir jūras ūdens, kurā ir izšķīdināti daudzi dažādi sāļi. To koncentrācija okeāna ūdenī ir 35 ppm, un šāds ūdens kristalizējas -1,9 °C temperatūrā. Ūdens sāļums dažādās jūrās ir ļoti atšķirīgs, tāpēc arī sasalšanas temperatūra ir atšķirīga. Tādējādi B altijas ūdens sāļums nav lielāks par 8 ppm, un tā kristalizācijas temperatūra ir tuvu 0 °C. Mineralizētie gruntsūdeņi sasalst arī temperatūrā, kas zemāka par nulli. Jāpatur prātā, ka mēs vienmēr runājam tikai par ūdens kristalizāciju: jūras ledus gandrīz vienmēr ir svaigs, ārkārtējos gadījumos nedaudz sāļš.
Dažādu spirtu ūdens šķīdumi atšķiras arī ar reducētiemsasalšanas temperatūra, un to kristalizācija nenotiek pēkšņi, bet ar noteiktu temperatūras diapazonu. Piemēram, 40% spirta sāk sas alt pie -22,5°C un beidzot kristalizējas pie -29,5°C.
Bet tāda sārma šķīdums kā kaustiskā soda NaOH vai kodīgs šķīdums ir interesants izņēmums: to raksturo paaugstināta kristalizācijas temperatūra.
Kā sasalst tīrs ūdens?
Destilētajā ūdenī klastera struktūra ir salauzta destilācijas laikā iztvaikošanas dēļ, un ūdeņraža saišu skaits starp šāda ūdens molekulām ir ļoti mazs. Turklāt šāds ūdens nesatur tādus piemaisījumus kā suspendētas mikroskopiskas putekļu daļiņas, burbuļi utt., kas ir papildu kristālu veidošanās centri. Šī iemesla dēļ destilēta ūdens kristalizācijas punkts tiek pazemināts līdz -42 °C.
Destilēto ūdeni iespējams pārdzesēt pat līdz -70 °C. Šādā stāvoklī pārdzesēts ūdens spēj gandrīz acumirklī kristalizēties visā tilpumā ar mazāko kratīšanu vai nenozīmīga piemaisījuma iekļūšanu.
Paradoksāli karstais ūdens
Apbrīnojams fakts – karstais ūdens pārvēršas kristāliskā stāvoklī ātrāk nekā auksts ūdens – tika nosaukts par "Mpembas efektu" par godu Tanzānijas skolēnam, kurš atklāja šo paradoksu. Precīzāk, viņi par to zināja senatnē, tomēr, neatrodot izskaidrojumu, dabas filozofi un dabaszinātnieki ar laiku pārstāja pievērst uzmanību noslēpumainajai parādībai.
1963. gadā Erasto Mpemba par to bija pārsteigtsSiltais saldējuma maisījums sacietē ātrāk nekā aukstais saldējuma maisījums. Un 1969. gadā intriģējoša parādība tika apstiprināta jau fiziskā eksperimentā (starp citu, ar paša Mpemba piedalīšanos). Ietekme ir izskaidrojama ar vairākiem iemesliem:
- vairāk kristalizācijas centru, piemēram, gaisa burbuļi;
- karstā ūdens augsta siltuma izkliede;
- liels iztvaikošanas ātrums, kā rezultātā samazinās šķidruma tilpums.
Spiediens kā kristalizācijas faktors
Attiecība starp spiedienu un temperatūru kā galvenajiem lielumiem, kas ietekmē ūdens kristalizācijas procesu, ir skaidri atspoguļota fāzes diagrammā. No tā var redzēt, ka, palielinoties spiedienam, ūdens fāzes pārejas temperatūra no šķidruma uz cietu stāvokli pazeminās ārkārtīgi lēni. Protams, ir arī otrādi: jo zemāks spiediens, jo augstāka ir ledus veidošanās temperatūra, un tas aug tikpat lēni. Lai sasniegtu apstākļus, kādos ūdens (nav destilēts!) spēj kristalizēties parastā ledū Ih pie zemākās iespējamās temperatūras -22 °C, spiediens jāpalielina līdz 2085 atmosfērām.
Maksimālā kristalizācijas temperatūra atbilst šādai apstākļu kombinācijai, ko sauc par ūdens trīskāršo punktu: 0,006 atmosfēras un 0,01 °C. Ar šādiem parametriem kristalizācijas-kušanas un kondensācijas-vārīšanās punkti sakrīt, un visi trīs ūdens agregācijas stāvokļi pastāv līdzsvarā (ja nav citu vielu).
Daudzu veidu ledus
Šobrīd zināmas aptuveni 20 modifikācijasciets ūdens stāvoklis - no amorfa līdz ledus XVII. Visiem tiem, izņemot parasto Ih ledu, nepieciešami Zemei eksotiski kristalizācijas apstākļi, turklāt ne visi ir stabili. Tikai ledus Ic zemes atmosfēras augšējos slāņos sastopams ļoti reti, taču tā veidošanās nav saistīta ar ūdens sasalšanu, jo veidojas no ūdens tvaikiem ārkārtīgi zemās temperatūrās. Ledus XI tika atrasts Antarktīdā, taču šī modifikācija ir parastā ledus atvasinājums.
Kristalizējot ūdeni pie ārkārtīgi augsta spiediena, iespējams iegūt tādas ledus modifikācijas kā III, V, VI un ar vienlaicīgu temperatūras paaugstināšanu - ledus VII. Iespējams, ka daži no tiem var veidoties mūsu planētai neparastos apstākļos uz citiem Saules sistēmas ķermeņiem: uz Urāna, Neptūna vai lielajiem milzu planētu pavadoņiem. Jādomā, ka turpmākie eksperimenti un teorētiskie pētījumi par šo ledu vēl maz pētītajām īpašībām, kā arī to kristalizācijas procesu iezīmēm noskaidros šo jautājumu un pavērs daudz vairāk jaunu lietu.
