I hverdagen møter vi alle nå og da fenomener som følger prosessene med overgang av stoffer fra en tilstand av aggregering til en annen. Og oftest må vi observere slike fenomener på eksemplet med en av de vanligste kjemiske forbindelsene - velkjent og kjent vann. Fra artikkelen vil du lære hvordan transformasjonen av flytende vann til fast is skjer - en prosess som kalles vannkrystallisering - og hvilke egenskaper som kjennetegner denne overgangen.
Hva er en faseovergang?
Alle vet at i naturen er det tre hovedaggregattilstander (faser) av materie: fast, flytende og gassformig. Ofte legges en fjerde tilstand til dem - plasma (på grunn av funksjonene som skiller det fra gasser). Men når man går fra gass til plasma, er det ingen karakteristisk skarp grense, og egenskapene bestemmes ikke så myeforholdet mellom materiepartiklene (molekyler og atomer), hvor mye tilstanden til selve atomene.
Alle stoffer, som går fra en tilstand til en annen, endrer under normale forhold brått egenskapene deres (med unntak av noen superkritiske tilstander, men vi vil ikke berøre dem her). En slik transformasjon er en faseovergang, eller rettere sagt, en av dens varianter. Det oppstår ved en bestemt kombinasjon av fysiske parametere (temperatur og trykk), k alt faseovergangspunktet.
Forvandlingen av væske til gass er fordampning, det motsatte fenomenet er kondensering. Overgangen til et stoff fra en fast til en flytende tilstand er smelting, men hvis prosessen går i motsatt retning, kalles det krystallisering. Et fast legeme kan umiddelbart bli til en gass og omvendt - i disse tilfellene snakker de om sublimering og desublimering.
Under krystallisering blir vann til is og viser tydelig hvor mye dets fysiske egenskaper endres. La oss dvele ved noen viktige detaljer om dette fenomenet.
Krystalliseringsbegrepet
Når en væske størkner under avkjøling, endres arten av interaksjonen og arrangementet av stoffpartiklene. Den kinetiske energien til den tilfeldige termiske bevegelsen til dens bestanddeler avtar, og de begynner å danne stabile bindinger med hverandre. Når molekyler (eller atomer) stiller opp på en regelmessig, ryddig måte gjennom disse bindingene, dannes krystallstrukturen til et fast stoff.
Krystallisering dekker ikke hele volumet av den avkjølte væsken samtidig, men begynner med dannelsen av små krystaller. Dette er de såk alte sentrene for krystallisering. De vokser i lag, trinnvis, ved å legge til flere og flere molekyler eller atomer av materie langs det voksende laget.
Krystalliseringsbetingelser
Krystallisering krever avkjøling av væsken til en viss temperatur (det er også smeltepunktet). Dermed er krystallisasjonstemperaturen til vann under normale forhold 0 °C.
For hvert stoff er krystallisering preget av mengden latent varme. Dette er mengden energi som frigjøres under denne prosessen (og i motsatt tilfelle, henholdsvis energien som absorberes). Den spesifikke varmen ved krystallisering av vann er den latente varmen som frigjøres av ett kilo vann ved 0 °C. Av alle stoffene i nærheten av vann er det et av de høyeste og er ca 330 kJ / kg. En så stor verdi skyldes de strukturelle egenskapene som bestemmer parametrene for vannkrystallisering. Vi vil bruke formelen for å beregne latent varme nedenfor, etter å ha vurdert disse funksjonene.
For å kompensere for den latente varmen er det nødvendig å superkjøle væsken for å starte krystallvekst. Graden av underkjøling har en betydelig effekt på antall krystalliseringssentre og på veksthastigheten. Mens prosessen pågår, endres ikke ytterligere avkjøling av temperaturen på stoffet.
Vannmolekyl
For bedre å forstå hvordan vann krystalliserer, må du vite hvordan molekylet til denne kjemiske forbindelsen er ordnet, fordistrukturen til et molekyl bestemmer egenskapene til bindingene det danner.
Ett oksygenatom og to hydrogenatomer er kombinert i et vannmolekyl. De danner en stump likebenet trekant der oksygenatomet er plassert på toppen av en stump vinkel på 104,45°. I dette tilfellet trekker oksygen elektronskyene sterkt i sin retning, slik at molekylet er en elektrisk dipol. Ladningene i den er fordelt over toppunktene til en imaginær tetraedrisk pyramide - et tetraeder med indre vinkler på omtrent 109 °. Som et resultat kan molekylet danne fire hydrogen(proton)bindinger, noe som selvfølgelig påvirker egenskapene til vannet.
Funksjoner ved strukturen til flytende vann og is
Evnen til et vannmolekyl til å danne protonbindinger manifesteres i både flytende og fast tilstand. Når vann er en væske, er disse bindingene ganske ustabile, lett ødelagt, men dannes også hele tiden igjen. På grunn av deres tilstedeværelse er vannmolekyler sterkere bundet til hverandre enn partikler av andre væsker. Assosierende danner de spesielle strukturer - klynger. Av denne grunn blir fasepunktene til vann forskjøvet mot høyere temperaturer, fordi ødeleggelsen av slike tilleggsforbindelser også krever energi. Dessuten er energien ganske betydelig: hvis det ikke fantes hydrogenbindinger og klynger, ville krystalliseringstemperaturen til vannet (så vel som dets smelting) vært –100 °C, og kokende +80 °C.
Strukturen til klynger er identisk med strukturen til krystallinsk is. Ved å forbinde hver med fire naboer, bygger vannmolekyler en åpen krystallstruktur med en base i form av en sekskant. I motsetning til flytende vann, hvor mikrokrystaller - klynger - er ustabile og mobile på grunn av termisk bevegelse av molekyler, omorganiserer de seg på en stabil og regelmessig måte når det dannes is. Hydrogenbindinger fikserer det innbyrdes arrangementet av krystallgitterstedene, og som et resultat blir avstanden mellom molekylene noe større enn i væskefasen. Denne omstendigheten forklarer hoppet i tettheten til vann under krystalliseringen - tettheten faller fra nesten 1 g/cm3 til omtrent 0,92 g/cm3.
Om latent varme
Funksjoner ved molekylstrukturen til vann gjenspeiles veldig alvorlig i egenskapene. Dette kan sees spesielt fra den høye spesifikke varmen ved krystallisering av vann. Det skyldes nettopp tilstedeværelsen av protonbindinger, som skiller vann fra andre forbindelser som danner molekylære krystaller. Det er slått fast at hydrogenbindingsenergien i vann er ca. 20 kJ per mol, det vil si for 18 g. En betydelig del av disse bindingene etableres "en masse" når vann fryser - det er her en så stor retur av energi kommer fra.
La oss gi et enkelt regnestykke. La 1650 kJ energi frigjøres under krystalliseringen av vann. Dette er mye: ekvivalent energi kan oppnås, for eksempel fra eksplosjonen av seks F-1 sitrongranater. La oss beregne massen av vann som har gjennomgått krystallisering. Formel som relaterer mengden latent varme Q, masse m og spesifikk krystalliseringsvarmeλ er veldig enkelt: Q=– λm. Minustegnet betyr ganske enkelt at varme avgis av det fysiske systemet. Ved å erstatte de kjente verdiene får vi: m=1650/330=5 (kg). Bare 5 liter skal til for at hele 1650 kJ energi skal frigjøres under krystalliseringen av vann! Energien gis selvfølgelig ikke bort med en gang – prosessen varer i tilstrekkelig lang tid, og varmen forsvinner.
Mange fugler, for eksempel, er godt klar over denne egenskapen til vann, og bruker den til å sole seg nær frysevannet i innsjøer og elver, på slike steder er lufttemperaturen flere grader høyere.
Krystallisering av løsninger
Vann er et fantastisk løsemiddel. Stoffer oppløst i den flytter krystalliseringspunktet, som regel, nedover. Jo høyere konsentrasjonen av løsningen er, jo lavere vil temperaturen fryse. Et slående eksempel er sjøvann, der mange forskjellige s alter er oppløst. Konsentrasjonen deres i havvann er 35 ppm, og slikt vann krystalliserer ved -1,9 °C. Vannets s altholdighet i forskjellige hav er veldig forskjellig, så frysepunktet er forskjellig. Således har det b altiske vannet en s altholdighet på ikke mer enn 8 ppm, og krystalliseringstemperaturen er nær 0 °C. Mineralisert grunnvann fryser også ved temperaturer under null. Man bør huske på at vi alltid snakker bare om vannkrystallisering: sjøis er nesten alltid fersk, i ekstreme tilfeller litt s alt.
Vandige løsninger av ulike alkoholer er også forskjellig i redusertefrysepunktet, og deres krystallisering fortsetter ikke brått, men med et visst temperaturområde. For eksempel begynner 40 % alkohol å fryse ved -22,5°C og krystalliserer til slutt ved -29,5°C.
Men en løsning av en slik alkali som kaustisk soda NaOH eller kaustisk er et interessant unntak: den er preget av en økt krystalliseringstemperatur.
Hvordan fryser rent vann?
I destillert vann brytes klyngestrukturen på grunn av fordampning under destillasjon, og antallet hydrogenbindinger mellom molekylene i slikt vann er svært lite. I tillegg inneholder slikt vann ikke urenheter som suspenderte mikroskopiske støvpartikler, bobler osv., som er ytterligere senter for krystalldannelse. Av denne grunn senkes krystallisasjonspunktet for destillert vann til -42 °C.
Det er mulig å superkjøle destillert vann helt ned til -70 °C. I denne tilstanden er superkjølt vann i stand til å krystallisere nesten øyeblikkelig over hele volumet med den minste risting eller inntrengning av en ubetydelig urenhet.
Paradoks alt varmtvann
Et utrolig faktum - varmt vann blir til en krystallinsk tilstand raskere enn kaldt vann - ble k alt "Mpemba-effekten" til ære for den tanzaniske skolegutten som oppdaget dette paradokset. Mer presist, de visste om det i antikken, men uten å finne en forklaring, sluttet naturfilosofer og naturvitere til slutt å ta hensyn til det mystiske fenomenet.
I 1963 ble Erasto Mpemba overrasket over detVarm iskremblanding stivner raskere enn kald iskremblanding. Og i 1969 ble et spennende fenomen bekreftet allerede i et fysisk eksperiment (forresten, med deltakelse av Mpemba selv). Effekten forklares av en rekke årsaker:
- flere krystalliseringssentre som luftbobler;
- høy varmespredning av varmt vann;
- høy fordampningshastighet, noe som resulterer i en reduksjon i væskevolum.
Trykk som krystalliseringsfaktor
Forholdet mellom trykk og temperatur som nøkkelmengder som påvirker prosessen med vannkrystallisering, gjenspeiles tydelig i fasediagrammet. Det kan sees av det at med økende trykk, synker temperaturen på faseovergangen til vann fra en flytende til en fast tilstand ekstremt sakte. Naturligvis er det motsatt: Jo lavere trykk, jo høyere temperatur kreves det for isdannelse, og den vokser like sakte. For å oppnå forhold der vann (ikke destillert!) er i stand til å krystallisere til vanlig is Ih ved lavest mulig temperatur på -22 °C, må trykket økes til 2085 atmosfærer.
Maksimal krystalliseringstemperatur tilsvarer følgende kombinasjon av forhold, k alt trippelpunktet for vann: 0,006 atmosfærer og 0,01 °C. Med slike parametere faller punktene for krystallisering-smelting og kondensasjon-koking sammen, og alle tre aggregeringstilstander for vann eksisterer samtidig i likevekt (i fravær av andre stoffer).
Mange typer is
Foreløpig kjent rundt 20 modifikasjonerfast tilstand av vann - fra amorf til is XVII. Alle av dem, bortsett fra vanlig Ih-is, krever krystalliseringsforhold som er eksotiske for jorden, og ikke alle er stabile. Bare is Ic finnes svært sjelden i de øvre lagene av jordens atmosfære, men dannelsen er ikke forbundet med frysing av vann, siden den dannes fra vanndamp ved ekstremt lave temperaturer. Ice XI ble funnet i Antarktis, men denne modifikasjonen er et derivat av vanlig is.
Ved krystallisering av vann ved ekstremt høye trykk er det mulig å oppnå slike ismodifikasjoner som III, V, VI, og med en samtidig temperaturøkning - is VII. Det er sannsynlig at noen av dem kan dannes under forhold som er uvanlige for planeten vår på andre kropper i solsystemet: på Uranus, Neptun eller store satellitter til de gigantiske planetene. Man må tro at fremtidige eksperimenter og teoretiske studier av de fortsatt lite studerte egenskapene til disse isene, så vel som egenskapene til deres krystalliseringsprosesser, vil avklare dette spørsmålet og åpne for mange flere nye ting.
