Jokapäiväisessä elämässä me kaikki kohtaamme silloin tällöin ilmiöitä, jotka seuraavat aineiden siirtymisprosesseja aggregaatiotilasta toiseen. Ja useimmiten meidän on tarkkailtava tällaisia ilmiöitä yhden yleisimmistä kemiallisista yhdisteistä - tunnetusta ja tutusta vedestä. Artikkelista opit, kuinka nestemäinen vesi muuttuu kiinteäksi jääksi - prosessia kutsutaan veden kiteytymiseksi - ja mitkä piirteet ovat ominaisia tälle siirtymiselle.
Mikä on vaihesiirtymä?
Kaikki tietävät, että luonnossa aineella on kolme pääaggregaattitilaa (faasia): kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen. Usein niihin lisätään neljäs tila - plasma (johtuen ominaisuuksista, jotka erottavat sen kaasuista). Kaasusta plasmaan siirtyessä ei kuitenkaan ole ominaista terävää rajaa, ja sen ominaisuudet eivät määritetä niin paljonaineen hiukkasten (molekyylien ja atomien) välinen suhde, kuinka paljon atomien tila.
Kaikki aineet, jotka siirtyvät tilasta toiseen, muuttavat normaaliolosuhteissa äkillisesti ominaisuuksiaan (lukuun ottamatta joitakin ylikriittisiä tiloja, mutta emme käsittele niitä tässä). Tällainen muutos on faasisiirtymä tai pikemminkin yksi sen lajikkeista. Se tapahtuu tietyssä fysikaalisten parametrien (lämpötila ja paine) yhdistelmässä, jota kutsutaan vaiheenmuutospisteeksi.
Nesteen muuttuminen kaasuksi on haihtumista, päinvastainen ilmiö on kondensaatio. Aineen siirtyminen kiinteästä tilasta nestemäiseen on sulamista, mutta jos prosessi etenee päinvastaiseen suuntaan, sitä kutsutaan kiteytykseksi. Kiinteä kappale voi muuttua välittömästi kaasuksi ja päinvastoin - näissä tapauksissa puhutaan sublimaatiosta ja desublimaatiosta.
Kiteytymisen aikana vesi muuttuu jääksi ja osoittaa selvästi, kuinka paljon sen fysikaaliset ominaisuudet muuttuvat. Katsotaanpa joitakin tämän ilmiön tärkeitä yksityiskohtia.
Kiteytymisen käsite
Kun neste jähmettyy jäähtyessään, aineen hiukkasten vuorovaikutuksen luonne ja järjestys muuttuu. Sen muodostavien hiukkasten satunnaisen lämpöliikkeen kineettinen energia pienenee ja ne alkavat muodostaa stabiileja sidoksia keskenään. Kun molekyylit (tai atomit) asettuvat säännönmukaisesti ja järjestyksessä näiden sidosten kautta, muodostuu kiinteän aineen kiderakenne.
Kiteytyminen ei kata samanaikaisesti jäähdytetyn nesteen koko tilavuutta, vaan alkaa pienten kiteiden muodostumisesta. Nämä ovat niin sanottuja kiteytyskeskuksia. Ne kasvavat kerroksittain, asteittain lisäämällä yhä enemmän molekyylejä tai aineatomeja pitkin kasvavaa kerrosta.
Kiteytysolosuhteet
Kiteytys vaatii nesteen jäähdyttämistä tiettyyn lämpötilaan (se on myös sulamispiste). Näin ollen veden kiteytyslämpötila normaaleissa olosuhteissa on 0 °C.
Jokaisen aineen kiteytymiselle on tunnusomaista piilevän lämmön määrä. Tämä on tämän prosessin aikana vapautuvan energian määrä (ja päinvastaisessa tapauksessa absorboitunut energia). Veden ominaiskiteytyslämpö on piilevää lämpöä, jonka yksi kilogramma vettä vapauttaa 0 °C:ssa. Kaikista veden lähellä olevista aineista se on yksi korkeimmista ja on noin 330 kJ / kg. Tällainen suuri arvo johtuu rakenteellisista ominaisuuksista, jotka määrittävät veden kiteytymisen parametrit. Käytämme piilevän lämmön laskemiseen alla olevaa kaavaa näiden ominaisuuksien huomioimisen jälkeen.
Piilevän lämmön kompensoimiseksi on välttämätöntä ylijäähdyttää nestettä kiteen kasvun käynnistämiseksi. Alijäähdytysasteella on merkittävä vaikutus kiteytyskeskusten lukumäärään ja niiden kasvunopeuteen. Prosessin edetessä aineen lämpötilan lisäjäähdytys ei muutu.
Vesimolekyyli
Ymmärtääksesi paremmin, kuinka vesi kiteytyy, sinun on tiedettävä, kuinka tämän kemiallisen yhdisteen molekyyli on järjestetty, koskamolekyylin rakenne määrää sen muodostamien sidosten ominaisuudet.
Yksi happiatomi ja kaksi vetyatomia yhdistyvät vesimolekyylissä. Ne muodostavat tylpän tasakylkisen kolmion, jossa happiatomi sijaitsee 104,45°:n tylpän kulman kärjessä. Tässä tapauksessa happi vetää voimakkaasti elektronipilviä omaan suuntaansa, jolloin molekyyli on sähködipoli. Siinä olevat varaukset jakautuvat kuvitteellisen tetraedrisen pyramidin kärkipisteille - tetraedriin, jonka sisäiset kulmat ovat noin 109 °. Tämän seurauksena molekyyli voi muodostaa neljä vety (protoni) sidosta, mikä tietysti vaikuttaa veden ominaisuuksiin.
Nestemäisen veden ja jään rakenteen piirteet
Vesimolekyylin kyky muodostaa protonisidoksia ilmenee sekä nestemäisessä että kiinteässä tilassa. Kun vesi on nestettä, nämä sidokset ovat melko epävakaita, helposti tuhoutuvia, mutta myös jatkuvasti uudelleen muodostuvia. Läsnäolostaan johtuen vesimolekyylit sitoutuvat vahvemmin toisiinsa kuin muiden nesteiden hiukkaset. Assosioituessaan ne muodostavat erityisiä rakenteita - klustereita. Tästä syystä veden vaihepisteet siirtyvät korkeampia lämpötiloja kohti, koska tällaisten lisäosien tuhoaminen vaatii myös energiaa. Lisäksi energia on varsin merkittävä: jos vetysidoksia ja klustereita ei olisi, veden kiteytymislämpötila (samoin kuin sen sulamislämpötila) olisi –100 °C ja kiehumislämpötila +80 °C.
Klusterien rakenne on identtinen kiteisen jään rakenteen kanssa. Yhdistämällä kunkin neljään naapuriin vesimolekyylit rakentavat avoimen kiteisen rakenteen, jonka pohja on kuusikulmion muotoinen. Toisin kuin nestemäisessä vedessä, jossa mikrokiteet - klusterit - ovat epävakaita ja liikkuvia molekyylien lämpöliikkeen vuoksi, jään muodostuessa ne järjestäytyvät uudelleen vakaasti ja säännöllisellä tavalla. Vetysidokset kiinnittävät kidehilakohtien keskinäisen järjestelyn, minkä seurauksena molekyylien välinen etäisyys tulee jonkin verran suuremmaksi kuin nestefaasissa. Tämä seikka selittää veden tiheyden hypyn sen kiteytymisen aikana - tiheys putoaa lähes 1 g/cm3 arvoon noin 0,92 g/cm3.
Tietoja piilevästä lämmöstä
Veden molekyylirakenteen ominaisuudet näkyvät erittäin vakavasti sen ominaisuuksissa. Tämä näkyy erityisesti veden korkeasta ominaislämmöstä. Se johtuu nimenomaan protonisidosten läsnäolosta, mikä erottaa veden muista yhdisteistä, jotka muodostavat molekyylikiteitä. Vetysidosenergian on todettu olevan noin 20 kJ per mooli eli 18 g. Merkittävä osa näistä sidoksista muodostuu "massana" veden jäätyessä - tässä on niin suuri energian palautus. tulee kohteesta.
Annetaan yksinkertainen laskelma. Vapautukoon 1650 kJ energiaa veden kiteytymisen aikana. Tämä on paljon: vastaavaa energiaa voidaan saada esimerkiksi kuuden F-1-sitruunakranaatin räjähtämisestä. Lasketaan kiteytyneen veden massa. Kaava, joka kuvaa piilevän lämmön Q määrää, massaa m ja ominaiskiteytyslämpöäλ on hyvin yksinkertainen: Q=– λm. Miinusmerkki tarkoittaa yksinkertaisesti sitä, että fyysinen järjestelmä luovuttaa lämpöä. Kun tunnetut arvot korvataan, saadaan: m=1650/330=5 (kg). Vain 5 litraa tarvitaan jopa 1650 kJ energian vapautumiseen veden kiteytymisen aikana! Energiaa ei tietenkään luovuteta hetkessä – prosessi kestää riittävän pitkään ja lämpö haihtuu.
Esimerkiksi monet linnut ovat hyvin tietoisia tästä veden ominaisuudesta ja käyttävät sitä leikkiäkseen lähellä järvien ja jokien jäätymistä vesissä, sellaisissa paikoissa ilman lämpötila on useita asteita korkeampi.
Liuosten kiteytyminen
Vesi on loistava liuotin. Siihen liuenneet aineet siirtävät kiteytyspistettä pääsääntöisesti alaspäin. Mitä korkeampi liuoksen pitoisuus, sitä alhaisempi lämpötila jäätyy. Silmiinpistävä esimerkki on merivesi, johon on liuennut monia erilaisia suoloja. Niiden pitoisuus merivedessä on 35 ppm, ja tällainen vesi kiteytyy -1,9 °C:ssa. Veden suolapitoisuus eri merissä on hyvin erilainen, joten jäätymispiste on erilainen. Itämeren veden suolapitoisuus on siis korkeintaan 8 ppm ja sen kiteytymislämpötila on lähellä 0 °C. Mineralisoitunut pohjavesi jäätyy myös alle nollan lämpötiloissa. On syytä muistaa, että puhumme aina vain veden kiteytymisestä: merijää on lähes aina tuoretta, äärimmäisissä tapauksissa hieman suolaista.
Erilaisten alkoholien vesiliuokset eroavat myös pelkistettyinäjäätymispiste, ja niiden kiteytyminen ei etene äkillisesti, vaan tietyllä lämpötila-alueella. Esimerkiksi 40 % alkoholia alkaa jäätyä -22,5°C:ssa ja lopulta kiteytyy -29,5°C:ssa.
Mutta sellaisen alkalin liuos, kuten kaustinen sooda NaOH tai emäs, on mielenkiintoinen poikkeus: sille on ominaista kohonnut kiteytyslämpötila.
Miten puhdas vesi jäätyy?
Tislatussa vedessä klusterin rakenne rikkoutuu tislauksen aikana tapahtuvan haihtumisen vuoksi, ja vetysidosten määrä tällaisen veden molekyylien välillä on hyvin pieni. Lisäksi tällainen vesi ei sisällä epäpuhtauksia, kuten suspendoituneita mikroskooppisia pölyhiukkasia, kuplia jne., jotka ovat lisäkeskuksia kiteen muodostumiselle. Tästä syystä tislatun veden kiteytyspiste laskee -42 °C:seen.
Tislattu vesi voidaan ylijäähdyttää jopa -70 °C:seen. Tässä tilassa alijäähdytetty vesi pystyy kiteytymään lähes välittömästi koko tilavuuden yli pienimmälläkin ravistelulla tai merkityksettömän epäpuhtauden pääsyn sisään.
Paradoksaalista kuumaa vettä
Hämmästyttävää tosiasiaa - kuuma vesi muuttuu kiteiseksi nopeammin kuin kylmä vesi - kutsuttiin "Mpemba-ilmiöksi" tansanialaisen koulupojan kunniaksi, joka löysi tämän paradoksin. Tarkemmin sanottuna he tiesivät siitä jo antiikissa, mutta löytämättä selitystä luonnonfilosofit ja luonnontieteilijät lopulta lakkasivat kiinnittämästä huomiota mystiseen ilmiöön.
Vuonna 1963 Erasto Mpemba yllättyi siitäLämmin jäätelöseos kovettuu nopeammin kuin kylmä jäätelöseos. Ja vuonna 1969 kiehtova ilmiö vahvistettiin jo fyysisessä kokeessa (muuten, itse Mpemba osallistui). Vaikutus selittyy useilla syillä:
- enemmän kiteytyskeskuksia, kuten ilmakuplia;
- kuuman veden korkea lämmönpoisto;
- korkea haihtumisnopeus, mikä johtaa nesteen tilavuuden vähenemiseen.
Paine kiteytystekijänä
Paineen ja lämpötilan välinen suhde veden kiteytymisprosessiin vaikuttavina keskeisinä suureina näkyy selvästi faasikaaviossa. Siitä voidaan nähdä, että paineen noustessa veden faasimuutoksen lämpötila nesteestä kiinteään tilaan laskee erittäin hitaasti. Luonnollisesti myös päinvastoin: mitä alhaisempi paine, sitä korkeampaa lämpötilaa jään muodostumiseen tarvitaan, ja se kasvaa yhtä hitaasti. Jotta saavutetaan olosuhteet, joissa vesi (ei tislattu!) pystyy kiteytymään tavalliseksi jääksi Ih alimmassa mahdollisessa lämpötilassa -22 °C, paine on nostettava 2085 ilmakehään.
Maksimikiteytyslämpötila vastaa seuraavaa olosuhteiden yhdistelmää, jota kutsutaan veden kolmoispisteeksi: 0,006 ilmakehää ja 0,01 °C. Tällaisilla parametreilla kiteytys-sulamis- ja kondensaatio-kiehumispisteet ovat samat, ja kaikki kolme veden aggregaatiotilaa esiintyvät tasapainossa (muiden aineiden puuttuessa).
Monet jäätyypit
Tällä hetkellä tiedossa noin 20 muutostakiinteä vesi - amorfisesta jäähän XVII. Ne kaikki, paitsi tavallinen Ih-jää, vaativat maapallolle eksoottisia kiteytysolosuhteita, eivätkä kaikki ole vakaita. Ainoastaan jäätä Ic löytyy hyvin harvoin maan ilmakehän ylemmistä kerroksista, mutta sen muodostuminen ei liity veden jäätymiseen, koska se muodostuu vesihöyrystä erittäin matalissa lämpötiloissa. Ice XI löydettiin Etelämantereelta, mutta tämä muunnos on johdannainen tavallisesta jäästä.
Kiteyttämällä vettä äärimmäisen korkeissa paineissa on mahdollista saada sellaisia jäämuunnelmia kuin III, V, VI ja samanaikaisesti lämpötilaa nostamalla - jää VII. On todennäköistä, että jotkut niistä voivat muodostua planeetallemme epätavallisissa olosuhteissa muissa aurinkokunnan kappaleissa: Uranuksessa, Neptunuksessa tai jättiläisplaneettojen suurissa satelliiteissa. Täytyy ajatella, että tulevat kokeet ja teoreettiset tutkimukset näiden jääten vielä vähän tutkituista ominaisuuksista sekä niiden kiteytymisprosessien ominaisuuksista selventävät tätä asiaa ja avaavat monia uusia asioita.
