Στην καθημερινή ζωή, όλοι συναντάμε πότε πότε φαινόμενα που συνοδεύουν τις διαδικασίες μετάβασης των ουσιών από τη μια κατάσταση συσσωμάτωσης στην άλλη. Και πιο συχνά πρέπει να παρατηρήσουμε τέτοια φαινόμενα στο παράδειγμα μιας από τις πιο κοινές χημικές ενώσεις - γνωστού και οικείου νερού. Από το άρθρο θα μάθετε πώς γίνεται η μετατροπή του υγρού νερού σε στερεό πάγο - μια διαδικασία που ονομάζεται κρυστάλλωση νερού - και ποια χαρακτηριστικά χαρακτηρίζουν αυτή τη μετάβαση.
Τι είναι η μετάβαση φάσης;
Όλοι γνωρίζουν ότι στη φύση υπάρχουν τρεις κύριες αθροιστικές καταστάσεις (φάσεις) της ύλης: στερεή, υγρή και αέρια. Συχνά προστίθεται μια τέταρτη κατάσταση - πλάσμα (λόγω των χαρακτηριστικών που το διακρίνουν από τα αέρια). Ωστόσο, όταν περνά από το αέριο στο πλάσμα, δεν υπάρχει χαρακτηριστικό αιχμηρό όριο και οι ιδιότητές του δεν καθορίζονται τόσο πολύη σχέση μεταξύ των σωματιδίων της ύλης (μόρια και άτομα), πόση είναι η κατάσταση των ίδιων των ατόμων.
Όλες οι ουσίες, περνώντας από τη μια κατάσταση στην άλλη, υπό κανονικές συνθήκες αλλάζουν απότομα τις ιδιότητές τους (με εξαίρεση ορισμένες υπερκρίσιμες καταστάσεις, αλλά δεν θα τις θίξουμε εδώ). Ένας τέτοιος μετασχηματισμός είναι μια μετάβαση φάσης, ή μάλλον, μια από τις ποικιλίες του. Εμφανίζεται σε έναν ορισμένο συνδυασμό φυσικών παραμέτρων (θερμοκρασία και πίεση), που ονομάζεται σημείο μετάβασης φάσης.
Η μετατροπή του υγρού σε αέριο είναι εξάτμιση, το αντίστροφο φαινόμενο είναι η συμπύκνωση. Η μετάβαση μιας ουσίας από στερεά σε υγρή κατάσταση λιώνει, αλλά αν η διαδικασία πάει προς την αντίθετη κατεύθυνση, τότε ονομάζεται κρυστάλλωση. Ένα στερεό σώμα μπορεί αμέσως να μετατραπεί σε αέριο και το αντίστροφο - σε αυτές τις περιπτώσεις μιλούν για εξάχνωση και αποεξάχνωση.
Κατά την κρυστάλλωση, το νερό μετατρέπεται σε πάγο και δείχνει ξεκάθαρα πόσο αλλάζουν οι φυσικές του ιδιότητες. Ας σταθούμε σε μερικές σημαντικές λεπτομέρειες αυτού του φαινομένου.
Η έννοια της κρυστάλλωσης
Όταν ένα υγρό στερεοποιείται κατά την ψύξη, η φύση της αλληλεπίδρασης και της διάταξης των σωματιδίων της ουσίας αλλάζει. Η κινητική ενέργεια της τυχαίας θερμικής κίνησης των σωματιδίων που το αποτελούν μειώνεται και αρχίζουν να σχηματίζουν σταθερούς δεσμούς μεταξύ τους. Όταν τα μόρια (ή τα άτομα) ευθυγραμμίζονται με κανονικό, τακτικό τρόπο μέσω αυτών των δεσμών, σχηματίζεται η κρυσταλλική δομή ενός στερεού.
Η κρυστάλλωση δεν καλύπτει ταυτόχρονα ολόκληρο τον όγκο του ψυχθέντος υγρού, αλλά ξεκινά με το σχηματισμό μικρών κρυστάλλων. Αυτά είναι τα λεγόμενα κέντρα κρυστάλλωσης. Αναπτύσσονται σε στρώματα, σταδιακά, προσθέτοντας όλο και περισσότερα μόρια ή άτομα ύλης κατά μήκος του αναπτυσσόμενου στρώματος.
Συνθήκες κρυστάλλωσης
Η κρυστάλλωση απαιτεί ψύξη του υγρού σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία (είναι και το σημείο τήξης). Έτσι, η θερμοκρασία κρυστάλλωσης του νερού υπό κανονικές συνθήκες είναι 0 °C.
Για κάθε ουσία, η κρυστάλλωση χαρακτηρίζεται από την ποσότητα της λανθάνουσας θερμότητας. Αυτή είναι η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας (και στην αντίθετη περίπτωση, αντίστοιχα, η ενέργεια που απορροφάται). Η ειδική θερμότητα κρυστάλλωσης του νερού είναι η λανθάνουσα θερμότητα που απελευθερώνεται από ένα κιλό νερού στους 0 °C. Από όλες τις ουσίες κοντά στο νερό, είναι μια από τις υψηλότερες και είναι περίπου 330 kJ / kg. Μια τόσο μεγάλη τιμή οφείλεται στα δομικά χαρακτηριστικά που καθορίζουν τις παραμέτρους της κρυστάλλωσης του νερού. Θα χρησιμοποιήσουμε τον τύπο για τον υπολογισμό της λανθάνουσας θερμότητας παρακάτω, αφού λάβουμε υπόψη αυτά τα χαρακτηριστικά.
Για να αντισταθμιστεί η λανθάνουσα θερμότητα, είναι απαραίτητο να υπερψυχθεί το υγρό για να ξεκινήσει η ανάπτυξη των κρυστάλλων. Ο βαθμός υπερψύξης έχει σημαντική επίδραση στον αριθμό των κέντρων κρυστάλλωσης και στο ρυθμό ανάπτυξής τους. Όσο προχωρά η διαδικασία, η περαιτέρω ψύξη της θερμοκρασίας της ουσίας δεν αλλάζει.
μόριο νερού
Για να κατανοήσετε καλύτερα πώς κρυσταλλώνεται το νερό, πρέπει να γνωρίζετε πώς είναι διατεταγμένο το μόριο αυτής της χημικής ένωσης, επειδήη δομή ενός μορίου καθορίζει τα χαρακτηριστικά των δεσμών που σχηματίζει.
Ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου συνδυάζονται σε ένα μόριο νερού. Σχηματίζουν ένα αμβλύ ισοσκελές τρίγωνο στο οποίο το άτομο οξυγόνου βρίσκεται στην κορυφή μιας αμβλείας γωνίας 104,45°. Σε αυτή την περίπτωση, το οξυγόνο έλκει έντονα τα νέφη των ηλεκτρονίων προς την κατεύθυνση του, έτσι ώστε το μόριο να είναι ένα ηλεκτρικό δίπολο. Τα φορτία σε αυτό κατανέμονται στις κορυφές μιας φανταστικής τετραεδρικής πυραμίδας - ενός τετραέδρου με εσωτερικές γωνίες περίπου 109 °. Ως αποτέλεσμα, το μόριο μπορεί να σχηματίσει τέσσερις δεσμούς υδρογόνου (πρωτονίου), οι οποίοι, φυσικά, επηρεάζουν τις ιδιότητες του νερού.
Χαρακτηριστικά της δομής του υγρού νερού και του πάγου
Η ικανότητα ενός μορίου νερού να σχηματίζει δεσμούς πρωτονίων εκδηλώνεται τόσο σε υγρή όσο και σε στερεή κατάσταση. Όταν το νερό είναι υγρό, αυτοί οι δεσμοί είναι αρκετά ασταθείς, καταστρέφονται εύκολα, αλλά και σχηματίζονται ξανά συνεχώς. Λόγω της παρουσίας τους, τα μόρια του νερού είναι πιο ισχυρά συνδεδεμένα μεταξύ τους από τα σωματίδια άλλων υγρών. Συσχετιζόμενοι σχηματίζουν ειδικές δομές – συστάδες. Για το λόγο αυτό, τα σημεία φάσης του νερού μετατοπίζονται προς υψηλότερες θερμοκρασίες, επειδή η καταστροφή τέτοιων πρόσθετων συνεργατών απαιτεί και ενέργεια. Επιπλέον, η ενέργεια είναι αρκετά σημαντική: αν δεν υπήρχαν δεσμοί και συστάδες υδρογόνου, η θερμοκρασία κρυστάλλωσης του νερού (καθώς και η τήξη του) θα ήταν –100 °C και βρασμού +80 °C.
Η δομή των συστάδων είναι πανομοιότυπη με τη δομή του κρυσταλλικού πάγου. Συνδέοντας το καθένα με τέσσερις γείτονες, τα μόρια του νερού χτίζουν μια διάτρητη κρυσταλλική δομή με βάση σε σχήμα εξαγώνου. Σε αντίθεση με το υγρό νερό, όπου οι μικροκρύσταλλοι - συστάδες - είναι ασταθείς και κινητοί λόγω της θερμικής κίνησης των μορίων, όταν σχηματίζεται πάγος, αναδιατάσσονται με σταθερό και κανονικό τρόπο. Οι δεσμοί υδρογόνου καθορίζουν την αμοιβαία διάταξη των θέσεων του κρυσταλλικού πλέγματος, και ως αποτέλεσμα, η απόσταση μεταξύ των μορίων γίνεται κάπως μεγαλύτερη από ό,τι στην υγρή φάση. Αυτή η περίσταση εξηγεί το άλμα στην πυκνότητα του νερού κατά την κρυστάλλωσή του - η πυκνότητα πέφτει από σχεδόν 1 g/cm3 σε περίπου 0,92 g/cm3.
Σχετικά με τη λανθάνουσα θερμότητα
Τα χαρακτηριστικά της μοριακής δομής του νερού αντικατοπτρίζονται πολύ σοβαρά στις ιδιότητές του. Αυτό μπορεί να φανεί, ειδικότερα, από την υψηλή ειδική θερμότητα κρυστάλλωσης του νερού. Οφείλεται ακριβώς στην παρουσία δεσμών πρωτονίων, που διακρίνει το νερό από άλλες ενώσεις που σχηματίζουν μοριακούς κρυστάλλους. Έχει διαπιστωθεί ότι η ενέργεια του δεσμού υδρογόνου στο νερό είναι περίπου 20 kJ ανά mole, δηλαδή για 18 g. Ένα σημαντικό μέρος αυτών των δεσμών δημιουργείται "μαζικά" όταν το νερό παγώνει - εδώ είναι μια τόσο μεγάλη επιστροφή ενέργειας προέρχεται από.
Ας δώσουμε έναν απλό υπολογισμό. Ας απελευθερωθούν 1650 kJ ενέργειας κατά την κρυστάλλωση του νερού. Αυτό είναι πολύ: ισοδύναμη ενέργεια μπορεί να ληφθεί, για παράδειγμα, από την έκρηξη έξι λεμονοβομβίδων F-1. Ας υπολογίσουμε τη μάζα του νερού που έχει υποστεί κρυστάλλωση. Τύπος που σχετίζεται με την ποσότητα της λανθάνουσας θερμότητας Q, τη μάζα m και την ειδική θερμότητα κρυστάλλωσηςΤο λ είναι πολύ απλό: Q=– λm. Το σύμβολο μείον σημαίνει απλώς ότι η θερμότητα εκπέμπεται από το φυσικό σύστημα. Αντικαθιστώντας τις γνωστές τιμές, παίρνουμε: m=1650/330=5 (kg). Μόνο 5 λίτρα χρειάζονται για να απελευθερωθούν έως και 1650 kJ ενέργειας κατά την κρυστάλλωση του νερού! Φυσικά, η ενέργεια δεν χάνεται αμέσως - η διαδικασία διαρκεί για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα και η θερμότητα διαχέεται.
Πολλά πουλιά, για παράδειγμα, γνωρίζουν καλά αυτή την ιδιότητα του νερού και το χρησιμοποιούν για να λιάζονται κοντά στο παγωμένο νερό λιμνών και ποταμών, σε τέτοια μέρη η θερμοκρασία του αέρα είναι αρκετούς βαθμούς υψηλότερη.
Κρυστάλλωση διαλυμάτων
Το νερό είναι ένας υπέροχος διαλύτης. Οι ουσίες που διαλύονται σε αυτό μετατοπίζουν το σημείο κρυστάλλωσης, κατά κανόνα, προς τα κάτω. Όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση του διαλύματος, τόσο χαμηλότερη θα παγώσει η θερμοκρασία. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα είναι το θαλασσινό νερό, στο οποίο διαλύονται πολλά διαφορετικά άλατα. Η συγκέντρωσή τους στο νερό των ωκεανών είναι 35 ppm και τέτοιο νερό κρυσταλλώνεται στους -1,9 °C. Η αλατότητα του νερού σε διαφορετικές θάλασσες είναι πολύ διαφορετική, επομένως το σημείο πήξης είναι διαφορετικό. Έτσι, το νερό της Βαλτικής έχει αλατότητα όχι μεγαλύτερη από 8 ppm και η θερμοκρασία κρυστάλλωσής του είναι κοντά στους 0 °C. Τα μεταλλαγμένα υπόγεια ύδατα παγώνουν επίσης σε θερμοκρασίες κάτω από το μηδέν. Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι μιλάμε πάντα μόνο για κρυστάλλωση του νερού: ο θαλάσσιος πάγος είναι σχεδόν πάντα φρέσκος, σε ακραίες περιπτώσεις, ελαφρώς αλμυρός.
Τα υδατικά διαλύματα διαφόρων αλκοολών διαφέρουν επίσης σε ανηγμένασημείο πήξης, και η κρυστάλλωσή τους δεν προχωρά απότομα, αλλά με ένα συγκεκριμένο εύρος θερμοκρασίας. Για παράδειγμα, το 40% αλκοόλ αρχίζει να παγώνει στους -22,5°C και τελικά κρυσταλλώνεται στους -29,5°C.
Αλλά ένα διάλυμα ενός τέτοιου αλκαλίου όπως η καυστική σόδα NaOH ή καυστικό είναι μια ενδιαφέρουσα εξαίρεση: χαρακτηρίζεται από αυξημένη θερμοκρασία κρυστάλλωσης.
Πώς παγώνει το καθαρό νερό;
Στο απεσταγμένο νερό, η δομή του συμπλέγματος σπάει λόγω της εξάτμισης κατά την απόσταξη και ο αριθμός των δεσμών υδρογόνου μεταξύ των μορίων αυτού του νερού είναι πολύ μικρός. Επιπλέον, τέτοιο νερό δεν περιέχει ακαθαρσίες όπως αιωρούμενα μικροσκοπικά σωματίδια σκόνης, φυσαλίδες κ.λπ., τα οποία είναι πρόσθετα κέντρα σχηματισμού κρυστάλλων. Για το λόγο αυτό, το σημείο κρυστάλλωσης του απεσταγμένου νερού μειώνεται στους -42 °C.
Είναι δυνατό να υπερψύξετε το απεσταγμένο νερό ακόμα και στους -70 °C. Σε αυτή την κατάσταση, το υπερψυγμένο νερό μπορεί να κρυσταλλωθεί σχεδόν αμέσως σε ολόκληρο τον όγκο με το παραμικρό τίναγμα ή την είσοδο μιας ασήμαντης ακαθαρσίας.
Παράδοξο ζεστό νερό
Ένα εκπληκτικό γεγονός - το ζεστό νερό μετατρέπεται σε κρυσταλλική κατάσταση πιο γρήγορα από το κρύο νερό - ονομάστηκε "φαινόμενο Mpemba" προς τιμήν του μαθητή της Τανζανίας που ανακάλυψε αυτό το παράδοξο. Πιο συγκεκριμένα, το γνώριζαν στην αρχαιότητα, ωστόσο, μη βρίσκοντας εξήγηση, οι φυσικοί φιλόσοφοι και οι φυσικοί επιστήμονες σταμάτησαν τελικά να δίνουν προσοχή στο μυστηριώδες φαινόμενο.
Το 1963, ο Erasto Mpemba εξεπλάγη από αυτόΤο ζεστό μείγμα παγωτού πήζει πιο γρήγορα από το μείγμα κρύου παγωτού. Και το 1969, ένα ενδιαφέρον φαινόμενο επιβεβαιώθηκε ήδη σε ένα φυσικό πείραμα (παρεμπιπτόντως, με τη συμμετοχή του ίδιου του Mpemba). Το αποτέλεσμα εξηγείται από μια ολόκληρη σειρά λόγων:
- περισσότερα κέντρα κρυστάλλωσης, όπως φυσαλίδες αέρα;
- υψηλή διάχυση θερμότητας του ζεστού νερού;
- υψηλός ρυθμός εξάτμισης, με αποτέλεσμα τη μείωση του όγκου του υγρού.
Πίεση ως παράγοντας κρυστάλλωσης
Η σχέση μεταξύ πίεσης και θερμοκρασίας ως βασικών μεγεθών που επηρεάζουν τη διαδικασία κρυστάλλωσης του νερού αντικατοπτρίζεται ξεκάθαρα στο διάγραμμα φάσεων. Μπορεί να φανεί από αυτό ότι με την αύξηση της πίεσης, η θερμοκρασία της μετάβασης φάσης του νερού από υγρή σε στερεή κατάσταση μειώνεται εξαιρετικά αργά. Φυσικά, ισχύει και το αντίθετο: όσο χαμηλότερη είναι η πίεση, τόσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία που απαιτείται για τον σχηματισμό πάγου και αναπτύσσεται εξίσου αργά. Για να επιτευχθούν συνθήκες υπό τις οποίες το νερό (όχι αποσταγμένο!) μπορεί να κρυσταλλωθεί σε συνηθισμένο πάγο Ih στη χαμηλότερη δυνατή θερμοκρασία -22 ° C, η πίεση πρέπει να αυξηθεί στις 2085 ατμόσφαιρες.
Η μέγιστη θερμοκρασία κρυστάλλωσης αντιστοιχεί στον ακόλουθο συνδυασμό συνθηκών, που ονομάζεται τριπλό σημείο του νερού: 0,006 ατμόσφαιρες και 0,01 °C. Με τέτοιες παραμέτρους, τα σημεία κρυστάλλωσης-τήξης και συμπύκνωσης-βρασμού συμπίπτουν και συνυπάρχουν σε ισορροπία και οι τρεις καταστάσεις συσσωμάτωσης του νερού (ελλείψει άλλων ουσιών).
Πολλοί τύποι πάγου
Προς το παρόν γνωστές περίπου 20 τροποποιήσειςστερεά κατάσταση του νερού - από άμορφο σε πάγο XVII. Όλοι τους, εκτός από τον συνηθισμένο πάγο Ih, απαιτούν συνθήκες κρυστάλλωσης που είναι εξωτικές για τη Γη και δεν είναι όλες σταθερές. Μόνο ο πάγος Ic βρίσκεται πολύ σπάνια στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας της γης, αλλά ο σχηματισμός του δεν σχετίζεται με το πάγωμα του νερού, καθώς σχηματίζεται από υδρατμούς σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Ο πάγος XI βρέθηκε στην Ανταρκτική, αλλά αυτή η τροποποίηση είναι παράγωγο του συνηθισμένου πάγου.
Με την κρυστάλλωση του νερού σε εξαιρετικά υψηλές πιέσεις, είναι δυνατό να ληφθούν τέτοιες τροποποιήσεις πάγου όπως III, V, VI και με ταυτόχρονη αύξηση της θερμοκρασίας - πάγος VII. Είναι πιθανό ότι μερικά από αυτά μπορούν να σχηματιστούν κάτω από συνθήκες ασυνήθιστες για τον πλανήτη μας σε άλλα σώματα του ηλιακού συστήματος: στον Ουρανό, τον Ποσειδώνα ή μεγάλους δορυφόρους των γιγάντιων πλανητών. Πρέπει να σκεφτεί κανείς ότι μελλοντικά πειράματα και θεωρητικές μελέτες των ακόμη ελάχιστα μελετημένων ιδιοτήτων αυτών των πάγων, καθώς και των χαρακτηριστικών των διαδικασιών κρυστάλλωσής τους, θα ξεκαθαρίσουν αυτό το ζήτημα και θα ανοίξουν πολλά άλλα νέα πράγματα.
