In die alledaagse lewe kom ons almal nou en dan verskynsels teë wat die prosesse van oorgang van stowwe van een toestand van aggregasie na 'n ander vergesel. En meestal moet ons sulke verskynsels waarneem op die voorbeeld van een van die mees algemene chemiese verbindings - bekende en bekende water. Uit die artikel sal jy leer hoe die transformasie van vloeibare water in soliede ys plaasvind - 'n proses wat waterkristallisasie genoem word - en watter kenmerke hierdie oorgang kenmerk.
Wat is 'n fase-oorgang?
Almal weet dat daar in die natuur drie hoof-aggregaattoestande (fases) van materie is: vastestof, vloeistof en gasvormig. Dikwels word 'n vierde toestand by hulle gevoeg - plasma (as gevolg van die kenmerke wat dit van gasse onderskei). Wanneer daar egter van gas na plasma oorgedra word, is daar geen kenmerkende skerp grens nie, en die eienskappe daarvan word nie so baie bepaal nie.die verhouding tussen die deeltjies van materie (molekules en atome), hoeveel die toestand van die atome self.
Alle stowwe wat van een toestand na 'n ander oorgaan, verander onder normale toestande skielik hul eienskappe (met die uitsondering van sommige superkritiese toestande, maar ons sal hulle nie hier aanraak nie). So 'n transformasie is 'n fase-oorgang, of liewer, een van sy variëteite. Dit vind plaas by 'n sekere kombinasie van fisiese parameters (temperatuur en druk), wat die fase-oorgangspunt genoem word.
Die transformasie van vloeistof in gas is verdamping, die omgekeerde verskynsel is kondensasie. Die oorgang van 'n stof van 'n vaste stof na 'n vloeibare toestand is besig om te smelt, maar as die proses in die teenoorgestelde rigting gaan, word dit kristallisasie genoem. 'n Soliede liggaam kan dadelik in 'n gas verander en omgekeerd - in hierdie gevalle praat hulle van sublimasie en desublimasie.
Tydens kristallisasie verander water in ys en wys dit duidelik hoeveel die fisiese eienskappe daarvan verander. Kom ons stilstaan by 'n paar belangrike besonderhede van hierdie verskynsel.
Die konsep van kristallisasie
Wanneer 'n vloeistof stol tydens afkoeling, verander die aard van die interaksie en rangskikking van die deeltjies van die stof. Die kinetiese energie van die ewekansige termiese beweging van sy samestellende deeltjies neem af, en hulle begin stabiele bindings met mekaar vorm. Wanneer molekules (of atome) op 'n gereelde, ordelike wyse deur hierdie bindings in lyn is, word die kristalstruktuur van 'n vaste stof gevorm.
Kristallisasie dek nie gelyktydig die hele volume van die afgekoelde vloeistof nie, maar begin met die vorming van klein kristalle. Dit is die sogenaamde sentrums van kristallisasie. Hulle groei in lae, stapsgewys, deur meer en meer molekules of atome van materie langs die groeiende laag by te voeg.
Kristallisasietoestande
Kristallisasie vereis dat die vloeistof tot 'n sekere temperatuur afgekoel word (dit is ook die smeltpunt). Dus, die kristallisasietemperatuur van water onder normale toestande is 0 °C.
Vir elke stof word kristallisasie gekenmerk deur die hoeveelheid latente hitte. Dit is die hoeveelheid energie wat tydens hierdie proses vrygestel word (en in die teenoorgestelde geval, onderskeidelik, die energie wat geabsorbeer word). Die spesifieke hitte van kristallisasie van water is die latente hitte wat deur een kilogram water by 0 °C vrygestel word. Van al die stowwe naby water is dit een van die hoogste en is ongeveer 330 kJ / kg. So 'n groot waarde is te danke aan die strukturele kenmerke wat die parameters van waterkristallisasie bepaal. Ons sal die formule vir die berekening van latente hitte hieronder gebruik, nadat ons hierdie kenmerke oorweeg het.
Om te kompenseer vir die latente hitte, is dit nodig om die vloeistof te onderverkoel om kristalgroei te begin. Die mate van onderverkoeling het 'n beduidende effek op die aantal kristallisasiesentrums en op die tempo van hul groei. Terwyl die proses aan die gang is, verander verdere afkoeling van die temperatuur van die stof nie.
Watermolekule
Om beter te verstaan hoe water kristalliseer, moet jy weet hoe die molekule van hierdie chemiese verbinding gerangskik is, wantdie struktuur van 'n molekule bepaal die kenmerke van die bindings wat dit vorm.
Een suurstofatoom en twee waterstofatome word in 'n watermolekule gekombineer. Hulle vorm 'n stomp gelykbenige driehoek waarin die suurstofatoom geleë is op die toppunt van 'n stomp hoek van 104,45°. In hierdie geval trek suurstof die elektronwolke sterk in sy rigting, sodat die molekule 'n elektriese dipool is. Die ladings daarin is versprei oor die hoekpunte van 'n denkbeeldige tetraëdriese piramide - 'n tetraëder met interne hoeke van ongeveer 109 °. As gevolg hiervan kan die molekule vier waterstof (proton) bindings vorm, wat natuurlik die eienskappe van water beïnvloed.
Kenmerke van die struktuur van vloeibare water en ys
Die vermoë van 'n watermolekule om protonbindings te vorm, word in beide vloeibare en vaste toestande gemanifesteer. Wanneer water 'n vloeistof is, is hierdie bindings redelik onstabiel, word maklik vernietig, maar word ook voortdurend weer gevorm. As gevolg van hul teenwoordigheid is watermolekules sterker aan mekaar gebind as deeltjies van ander vloeistowwe. As hulle assosieer, vorm hulle spesiale strukture - trosse. Om hierdie rede word die fasepunte van water na hoër temperature verskuif, omdat die vernietiging van sulke bykomende assosiate ook energie verg. Boonop is die energie baie betekenisvol: as daar geen waterstofbindings en trosse was nie, sou die kristallisasietemperatuur van water (asook die smelt daarvan) –100 °C wees, en kook +80 °C.
Die struktuur van trosse is identies aan die struktuur van kristallyne ys. Deur elkeen met vier bure te verbind, bou watermolekules 'n oopwerk kristallyne struktuur met 'n basis in die vorm van 'n seshoek. Anders as vloeibare water, waar mikrokristalle - trosse - onstabiel en beweeglik is as gevolg van die termiese beweging van molekules, herrangskik hulle hulself wanneer ys vorm op 'n stabiele en gereelde manier. Waterstofbindings bevestig die onderlinge rangskikking van die kristalroosterplekke, en gevolglik word die afstand tussen die molekules ietwat groter as in die vloeistoffase. Hierdie omstandigheid verklaar die sprong in die digtheid van water tydens die kristallisasie daarvan - die digtheid daal van amper 1 g/cm3 tot ongeveer 0,92 g/cm3.
Oor latente hitte
Kenmerke van die molekulêre struktuur van water word baie ernstig in die eienskappe daarvan weerspieël. Dit kan veral gesien word uit die hoë spesifieke hitte van kristallisasie van water. Dit is juis te danke aan die teenwoordigheid van protonbindings, wat water onderskei van ander verbindings wat molekulêre kristalle vorm. Daar is vasgestel dat die waterstofbindingsenergie in water ongeveer 20 kJ per mol is, dit wil sê vir 18 g. 'n Beduidende deel van hierdie bindings word "en masse" gevestig wanneer water vries - dit is waar so 'n groot opbrengs van energie kom van.
Kom ons gee 'n eenvoudige berekening. Laat 1650 kJ energie vrygestel word tydens die kristallisasie van water. Dit is baie: ekwivalente energie kan verkry word, byvoorbeeld, uit die ontploffing van ses F-1 suurlemoengranate. Kom ons bereken die massa water wat kristallisasie ondergaan het. Formule wat die hoeveelheid latente hitte Q, massa m en spesifieke hitte van kristallisasie in verband bringλ is baie eenvoudig: Q=– λm. Die minus teken beteken eenvoudig dat hitte deur die fisiese sisteem afgegee word. Deur die bekende waardes te vervang, kry ons: m=1650/330=5 (kg). Slegs 5 liter is nodig vir soveel as 1650 kJ energie om tydens die kristallisasie van water vrygestel te word! Natuurlik word die energie nie onmiddellik weggegee nie – die proses duur genoegsaam lank, en die hitte word verdryf.
Baie voëls is byvoorbeeld deeglik bewus van hierdie eienskap van water, en gebruik dit om naby die ysige water van mere en riviere te bak, op sulke plekke is die lugtemperatuur etlike grade hoër.
Kristallisasie van oplossings
Water is 'n wonderlike oplosmiddel. Stowwe wat daarin opgelos is, skuif die kristallisasiepunt, as 'n reël, afwaarts. Hoe hoër die konsentrasie van die oplossing, hoe laer sal die temperatuur vries. 'n Treffende voorbeeld is seewater, waarin baie verskillende soute opgelos word. Hulle konsentrasie in seewater is 35 dpm, en sulke water kristalliseer by -1,9 °C. Die soutgeh alte van water in verskillende seë verskil baie, so die vriespunt verskil. Die B altiese water het dus 'n soutgeh alte van nie meer as 8 dpm nie, en sy kristallisasietemperatuur is naby 0 °C. Gemineraliseerde grondwater vries ook by temperature onder nul. Daar moet in gedagte gehou word dat ons altyd net van waterkristallisasie praat: see-ys is amper altyd vars, in uiterste gevalle effens sout.
Waterige oplossings van verskeie alkohole verskil ook in verminderdevriespunt, en hul kristallisasie gaan nie skielik voort nie, maar met 'n sekere temperatuurreeks. Byvoorbeeld, 40% alkohol begin vries by -22.5°C en kristalliseer uiteindelik by -29.5°C.
Maar 'n oplossing van so 'n alkali soos bytsoda NaOH of byt is 'n interessante uitsondering: dit word gekenmerk deur 'n verhoogde kristallisasietemperatuur.
Hoe vries suiwer water?
In gedistilleerde water word die trosstruktuur gebreek as gevolg van verdamping tydens distillasie, en die aantal waterstofbindings tussen die molekules van sulke water is baie klein. Daarbenewens bevat sulke water nie onsuiwerhede soos gesuspendeerde mikroskopiese stofdeeltjies, borrels, ens., wat addisionele sentrums van kristalvorming is nie. Om hierdie rede word die kristallisasiepunt van gedistilleerde water tot -42 °C verlaag.
Dit is moontlik om gedistilleerde water selfs tot -70 °C te onderverkoel. In hierdie toestand is onderverkoelde water in staat om byna onmiddellik oor die hele volume te kristalliseer met die geringste skud of die binnedring van 'n onbeduidende onreinheid.
Paradoksiese warm water
'n Wonderlike feit - warm water verander vinniger in 'n kristallyne toestand as koue water - is die "Mpemba-effek" genoem ter ere van die Tanzaniese skoolseun wat hierdie paradoks ontdek het. Meer presies, hulle het in die oudheid daarvan geweet, maar sonder om 'n verduideliking te vind, het natuurfilosowe en natuurwetenskaplikes uiteindelik opgehou om aandag aan die geheimsinnige verskynsel te gee.
In 1963 was Erasto Mpemba verbaas daaroorWarm roomysmengsel stol vinniger as koue roomysmengsel. En in 1969 is 'n intrigerende verskynsel reeds in 'n fisiese eksperiment (terloops, met die deelname van Mpemba self) bevestig. Die effek word deur 'n hele reeks redes verklaar:
- meer sentrums van kristallisasie soos lugborrels;
- hoë hitte-afvoer van warm water;
- hoë tempo van verdamping, wat lei tot 'n afname in vloeistofvolume.
Druk as 'n kristallisasiefaktor
Die verband tussen druk en temperatuur as sleutelhoeveelhede wat die proses van waterkristallisasie beïnvloed, word duidelik in die fasediagram weerspieël. Daaruit kan gesien word dat met toenemende druk die temperatuur van die fase-oorgang van water van 'n vloeistof na 'n vaste toestand uiters stadig afneem. Die teenoorgestelde is natuurlik ook waar: hoe laer die druk, hoe hoër is die temperatuur wat nodig is vir ysvorming, en dit groei net so stadig. Om toestande te bereik waaronder water (nie gedistilleer nie!) in staat is om te kristalliseer in gewone ys Ih by die laagste moontlike temperatuur van -22 ° C, moet die druk verhoog word tot 2085 atmosfeer.
Die maksimum kristallisasietemperatuur stem ooreen met die volgende kombinasie van toestande, genoem die driedubbele punt van water: 0,006 atmosfeer en 0,01 °C. Met sulke parameters val die punte van kristallisasie-smelt en kondensasie-kook saam, en al drie toestande van aggregasie van water bestaan saam in ewewig (in die afwesigheid van ander stowwe).
Baie soorte ys
Tans bekend oor 20 wysigingsvaste toestand van water - van amorf tot ys XVII. Almal van hulle, behalwe vir gewone Ih ys, vereis kristallisasie toestande wat eksoties is vir die Aarde, en nie almal van hulle is stabiel nie. Slegs ys Ic word baie selde in die boonste lae van die aarde se atmosfeer aangetref, maar die vorming daarvan word nie met die vries van water geassosieer nie, aangesien dit uit waterdamp by uiters lae temperature gevorm word. Ys XI is in Antarktika gevind, maar hierdie wysiging is 'n afgeleide van gewone ys.
Deur kristallisasie van water by uiters hoë drukke, is dit moontlik om sulke ysmodifikasies soos III, V, VI te verkry, en met 'n gelyktydige toename in temperatuur - ys VII. Dit is waarskynlik dat sommige van hulle gevorm kan word onder toestande wat ongewoon is vir ons planeet op ander liggame van die sonnestelsel: op Uranus, Neptunus of groot satelliete van die reusagtige planete. Mens moet dink dat toekomstige eksperimente en teoretiese studies van die nog min bestudeerde eienskappe van hierdie yse, sowel as die kenmerke van hul kristallisasieprosesse, hierdie kwessie sal opklaar en baie meer nuwe dinge sal oopmaak.
