I vardagen möter vi alla då och då fenomen som följer med ämnens övergångsprocesser från ett aggregationstillstånd till ett annat. Och oftast måste vi observera sådana fenomen på exemplet med en av de vanligaste kemiska föreningarna - välkänt och bekant vatten. Från artikeln får du lära dig hur omvandlingen av flytande vatten till fast is sker - en process som kallas vattenkristallisation - och vilka egenskaper som kännetecknar denna övergång.
Vad är en fasövergång?
Alla vet att det i naturen finns tre huvudsakliga aggregattillstånd (faser) av materia: fast, flytande och gasformig. Ofta läggs ett fjärde tillstånd till dem - plasma (på grund av egenskaperna som skiljer det från gaser). Men när man går från gas till plasma finns det ingen karakteristisk skarp gräns, och dess egenskaper bestäms inte så mycketförhållandet mellan materiens partiklar (molekyler och atomer), hur mycket tillståndet för själva atomerna.
Alla ämnen, som går från ett tillstånd till ett annat, ändrar under normala förhållanden abrupt sina egenskaper (med undantag för vissa överkritiska tillstånd, men vi kommer inte att beröra dem här). En sådan transformation är en fasövergång, eller snarare en av dess varianter. Det inträffar vid en viss kombination av fysikaliska parametrar (temperatur och tryck), som kallas fasövergångspunkten.
Omvandlingen av vätska till gas är avdunstning, det omvända fenomenet är kondensation. Övergången av ett ämne från ett fast till ett flytande tillstånd smälter, men om processen går i motsatt riktning kallas det kristallisation. En fast kropp kan omedelbart förvandlas till en gas och vice versa - i dessa fall talar de om sublimering och desublimering.
Under kristallisation förvandlas vatten till is och visar tydligt hur mycket dess fysikaliska egenskaper förändras. Låt oss uppehålla oss vid några viktiga detaljer om detta fenomen.
Begreppet kristallisation
När en vätska stelnar under kylning, förändras karaktären av interaktionen och arrangemanget av ämnets partiklar. Den kinetiska energin för den slumpmässiga termiska rörelsen av dess ingående partiklar minskar, och de börjar bilda stabila bindningar med varandra. När molekyler (eller atomer) radas upp på ett regelbundet, ordnat sätt genom dessa bindningar, bildas kristallstrukturen hos ett fast ämne.
Kristallisering täcker inte samtidigt hela volymen av den kylda vätskan, utan börjar med bildandet av små kristaller. Dessa är de så kallade kristallisationscentra. De växer i lager, stegvis, genom att lägga till fler och fler molekyler eller atomer av materia längs det växande lagret.
Kristallisationsvillkor
Kristallisation kräver kylning av vätskan till en viss temperatur (det är också smältpunkten). Sålunda är kristallisationstemperaturen för vatten under normala förhållanden 0 °C.
För varje ämne kännetecknas kristallisation av mängden latent värme. Detta är mängden energi som frigörs under denna process (och i motsatt fall den energi som absorberas). Det specifika värmet för kristallisation av vatten är den latenta värme som frigörs av ett kilo vatten vid 0 °C. Av alla ämnen nära vatten är det ett av de högsta och är cirka 330 kJ/kg. Ett så stort värde beror på de strukturella egenskaperna som bestämmer parametrarna för vattenkristallisation. Vi kommer att använda formeln för att beräkna latent värme nedan efter att ha övervägt dessa funktioner.
För att kompensera för den latenta värmen är det nödvändigt att underkyla vätskan för att få igång kristalltillväxt. Graden av underkylning har en betydande effekt på antalet kristallisationscentra och på deras tillväxthastighet. Medan processen pågår ändras inte ytterligare kylning av ämnets temperatur.
Vattenmolekyl
För att bättre förstå hur vatten kristalliseras måste du veta hur molekylen i denna kemiska förening är ordnad, eftersomstrukturen hos en molekyl bestämmer egenskaperna hos de bindningar den bildar.
En syreatom och två väteatomer är kombinerade i en vattenmolekyl. De bildar en trubbig likbent triangel där syreatomen är belägen vid spetsen av en trubbig vinkel på 104,45°. I detta fall drar syre starkt elektronmolnen i sin riktning, så att molekylen är en elektrisk dipol. Laddningarna i den är fördelade över hörnen på en imaginär tetraedrisk pyramid - en tetraeder med inre vinklar på ungefär 109 °. Som ett resultat kan molekylen bilda fyra väte(proton)bindningar, vilket naturligtvis påverkar vattnets egenskaper.
Funktioner i strukturen för flytande vatten och is
Förmågan hos en vattenmolekyl att bilda protonbindningar manifesteras i både flytande och fast tillstånd. När vatten är en vätska är dessa bindningar ganska instabila, förstörs lätt, men bildas också ständigt igen. På grund av sin närvaro är vattenmolekyler starkare bundna till varandra än partiklar av andra vätskor. Associerande bildar de speciella strukturer - kluster. Av denna anledning förskjuts vattenfaspunkterna mot högre temperaturer, eftersom förstörelsen av sådana ytterligare associerade ämnen också kräver energi. Dessutom är energin ganska betydande: om det inte fanns några vätebindningar och kluster, skulle vattnets kristallisationstemperatur (liksom dess smältning) vara –100 °C, och kokande +80 °C.
Klusters struktur är identisk med strukturen hos kristallin is. Vattenmolekyler förbinder var och en med fyra grannar och bygger en genombruten kristallstruktur med en bas i form av en hexagon. Till skillnad från flytande vatten, där mikrokristaller - kluster - är instabila och rörliga på grund av molekylernas termiska rörelse, när is bildas, omordnar de sig på ett stabilt och regelbundet sätt. Vätebindningar fixerar det inbördes arrangemanget av kristallgitterställena, och som ett resultat blir avståndet mellan molekylerna något större än i vätskefasen. Denna omständighet förklarar hoppet i vattentätheten under dess kristallisering - densiteten sjunker från nästan 1 g/cm3 till cirka 0,92 g/cm3.
Om latent värme
Särdrag hos vattens molekylära struktur återspeglas mycket allvarligt i dess egenskaper. Detta kan särskilt ses från det höga specifika värmet från kristallisation av vatten. Det beror just på närvaron av protonbindningar, vilket skiljer vatten från andra föreningar som bildar molekylära kristaller. Det har konstaterats att vätebindningsenergin i vatten är cirka 20 kJ per mol, det vill säga för 18 g. En betydande del av dessa bindningar etableras "en masse" när vatten fryser - det är här en så stor återföring av energi kommer från.
Låt oss ge en enkel uträkning. Låt 1650 kJ energi frigöras under kristalliseringen av vatten. Detta är mycket: ekvivalent energi kan erhållas, till exempel från explosionen av sex F-1 citrongranater. Låt oss beräkna massan av vatten som har genomgått kristallisation. Formel som relaterar mängden latent värme Q, massa m och specifikt kristallisationsvärmeλ är väldigt enkelt: Q=– λm. Minustecknet betyder helt enkelt att värme avges av det fysiska systemet. Genom att ersätta de kända värdena får vi: m=1650/330=5 (kg). Det behövs bara 5 liter för att så mycket som 1650 kJ energi ska frigöras vid kristallisering av vatten! Naturligtvis ges energin inte bort direkt - processen varar tillräckligt länge och värmen försvinner.
Många fåglar, till exempel, är väl medvetna om denna egenskap hos vatten och använder den för att sola sig nära det iskalla vattnet i sjöar och floder, på sådana platser är lufttemperaturen flera grader högre.
Kristallisering av lösningar
Vatten är ett underbart lösningsmedel. Ämnen lösta i den flyttar kristallisationspunkten som regel nedåt. Ju högre koncentration lösningen är, desto lägre fryser temperaturen. Ett slående exempel är havsvatten, där många olika s alter är lösta. Deras koncentration i havsvatten är 35 ppm, och sådant vatten kristalliserar vid -1,9 °C. S alth alten i vattnet i olika hav är väldigt olika, så fryspunkten är olika. Sålunda har Östersjövattnet en s alth alt på högst 8 ppm och dess kristallisationstemperatur är nära 0 °C. Mineraliserat grundvatten fryser också vid temperaturer under noll. Man bör komma ihåg att vi alltid bara talar om vattenkristallisation: havsisen är nästan alltid färsk, i extrema fall något s alt.
Vattenlösningar av olika alkoholer skiljer sig också i reduceradefryspunkten, och deras kristallisering sker inte abrupt, utan med ett visst temperaturområde. Till exempel börjar 40 % alkohol frysa vid -22,5°C och kristalliseras slutligen vid -29,5°C.
Men en lösning av en sådan alkali som kaustiksoda NaOH eller kaustik är ett intressant undantag: den kännetecknas av en ökad kristallisationstemperatur.
Hur fryser rent vatten?
I destillerat vatten bryts klusterstrukturen på grund av avdunstning under destillation, och antalet vätebindningar mellan molekylerna i sådant vatten är mycket litet. Dessutom innehåller sådant vatten inte föroreningar såsom suspenderade mikroskopiska dammpartiklar, bubblor etc., som är ytterligare centra för kristallbildning. Av denna anledning sänks kristallisationspunkten för destillerat vatten till -42 °C.
Det är möjligt att underkyla destillerat vatten även ner till -70 °C. I detta tillstånd kan underkylt vatten kristallisera nästan omedelbart över hela volymen med den minsta skakning eller inträngning av en obetydlig förorening.
paradox alt varmvatten
Ett fantastiskt faktum - varmt vatten förvandlas till ett kristallint tillstånd snabbare än kallt vatten - kallades "Mpemba-effekten" för att hedra den tanzaniske skolpojken som upptäckte denna paradox. Mer exakt, de visste om det i antiken, men utan att hitta en förklaring, slutade naturfilosofer och naturvetare så småningom att uppmärksamma det mystiska fenomenet.
1963 blev Erasto Mpemba förvånad över detVarm glassmix stelnar snabbare än kall glassmix. Och 1969 bekräftades ett spännande fenomen redan i ett fysiskt experiment (förresten, med deltagande av Mpemba själv). Effekten förklaras av en rad olika orsaker:
- fler kristallisationscentra som luftbubblor;
- hög värmeavledning av varmvatten;
- hög avdunstning, vilket resulterar i en minskning av vätskevolymen.
Tryck som kristallisationsfaktor
Förhållandet mellan tryck och temperatur som nyckelstorheter som påverkar processen för vattenkristallisation återspeglas tydligt i fasdiagrammet. Det kan ses av det att med ökande tryck minskar temperaturen för fasövergången av vatten från ett flytande till ett fast tillstånd extremt långsamt. Naturligtvis är det också tvärtom: ju lägre tryck, desto högre temperatur krävs för isbildning, och den växer lika långsamt. För att uppnå förhållanden under vilka vatten (ej destillerat!) kan kristallisera till vanlig is Ih vid lägsta möjliga temperatur på -22 °C, måste trycket ökas till 2085 atmosfärer.
Den maximala kristallisationstemperaturen motsvarar följande kombination av förhållanden, kallad trippelpunkten för vatten: 0,006 atmosfärer och 0,01 °C. Med sådana parametrar sammanfaller punkterna för kristallisation-smältning och kondensation-kokning, och alla tre tillstånden för aggregation av vatten samexisterar i jämvikt (i frånvaro av andra ämnen).
Många typer av is
För närvarande kända cirka 20 modifieringarfast vattentillstånd - från amorf till is XVII. Alla av dem, förutom vanlig Ih-is, kräver kristallisationsförhållanden som är exotiska för jorden, och alla är inte stabila. Endast is Ic finns mycket sällan i de övre lagren av jordens atmosfär, men dess bildning är inte förknippad med frysning av vatten, eftersom den bildas av vattenånga vid extremt låga temperaturer. Ice XI hittades i Antarktis, men denna modifiering är ett derivat av vanlig is.
Genom kristallisering av vatten vid extremt höga tryck är det möjligt att erhålla sådana ismodifikationer som III, V, VI och med en samtidig temperaturökning - is VII. Det är troligt att några av dem kan bildas under förhållanden som är ovanliga för vår planet på andra kroppar i solsystemet: på Uranus, Neptunus eller stora satelliter av jätteplaneterna. Man måste tro att framtida experiment och teoretiska studier av de fortfarande föga studerade egenskaperna hos dessa isar, såväl som egenskaperna hos deras kristalliseringsprocesser, kommer att klargöra denna fråga och öppna upp för många fler nya saker.
