U svakodnevnom životu svi se tu i tamo susrećemo s pojavama koje prate procese prijelaza tvari iz jednog agregatnog stanja u drugo. A najčešće takve pojave moramo promatrati na primjeru jednog od najčešćih kemijskih spojeva – dobro poznate i poznate vode. Iz članka ćete naučiti kako se događa transformacija tekuće vode u čvrsti led - proces koji se naziva kristalizacija vode - i koje značajke karakteriziraju ovaj prijelaz.
Što je fazni prijelaz?
Svi znaju da u prirodi postoje tri glavna agregatna stanja (faze) materije: čvrsto, tekuće i plinovito. Često im se dodaje i četvrto stanje - plazma (zbog osobina koje ga razlikuju od plinova). Međutim, prilikom prijelaza iz plina u plazmu, nema karakteristične oštre granice, a njegova svojstva nisu toliko određenaodnos između čestica materije (molekula i atoma), koliko je stanje samih atoma.
Sve tvari, prelazeći iz jednog stanja u drugo, u normalnim uvjetima naglo mijenjaju svoja svojstva (s izuzetkom nekih superkritičnih stanja, ali ih se ovdje nećemo doticati). Takva transformacija je fazni prijelaz, točnije, jedna od njegovih varijanti. Događa se pri određenoj kombinaciji fizičkih parametara (temperature i tlaka), koja se naziva točka faznog prijelaza.
Transformacija tekućine u plin je isparavanje, obrnuta pojava je kondenzacija. Prijelaz tvari iz čvrstog u tekuće stanje je taljenje, ali ako proces ide u suprotnom smjeru, tada se naziva kristalizacija. Čvrsto tijelo može se odmah pretvoriti u plin i obrnuto - u tim slučajevima govore o sublimaciji i desublimaciji.
Tijekom kristalizacije, voda se pretvara u led i jasno pokazuje koliko se mijenjaju njena fizička svojstva. Zadržimo se na nekim važnim detaljima ovog fenomena.
Koncept kristalizacije
Kada se tekućina tijekom hlađenja skrutne, mijenja se priroda interakcije i raspored čestica tvari. Kinetička energija nasumičnog toplinskog gibanja njegovih sastavnih čestica se smanjuje i one počinju stvarati stabilne veze jedna s drugom. Kada se molekule (ili atomi) poredaju na pravilan, uredan način kroz ove veze, formira se kristalna struktura čvrste tvari.
Kristalizacija ne pokriva istovremeno cijeli volumen ohlađene tekućine, već počinje stvaranjem malih kristala. To su takozvani centri kristalizacije. Oni rastu u slojevima, postupno, dodavanjem sve više i više molekula ili atoma tvari duž rastućeg sloja.
Uvjeti kristalizacije
Kristalizacija zahtijeva hlađenje tekućine na određenu temperaturu (to je također točka taljenja). Dakle, temperatura kristalizacije vode u normalnim uvjetima je 0 °C.
Za svaku tvar, kristalizaciju karakterizira količina latentne topline. To je količina energije koja se oslobađa tijekom ovog procesa (iu suprotnom slučaju, odnosno apsorbirana energija). Specifična toplina kristalizacije vode je latentna toplina koju oslobađa jedan kilogram vode pri 0 °C. Od svih tvari u blizini vode, ona je jedna od najvećih i iznosi oko 330 kJ/kg. Ovako velika vrijednost posljedica je strukturnih značajki koje određuju parametre kristalizacije vode. Koristit ćemo formulu za izračun latentne topline u nastavku, nakon što razmotrimo ove značajke.
Da bi se kompenzirala latentna toplina, potrebno je prehlađenje tekućine kako bi se pokrenuo rast kristala. Stupanj prehlađenja ima značajan utjecaj na broj kristalizacijskih centara i na brzinu njihovog rasta. Dok se proces odvija, daljnje hlađenje temperature tvari se ne mijenja.
Molekula vode
Da biste bolje razumjeli kako voda kristalizira, morate znati kako je raspoređena molekula ovog kemijskog spoja, jerstruktura molekule određuje karakteristike veza koje stvara.
Jedan atom kisika i dva atoma vodika kombinirani su u molekuli vode. Oni tvore tupokutni jednakokračni trokut u kojem se atom kisika nalazi na vrhu tupog kuta od 104,45°. U tom slučaju kisik snažno vuče elektronske oblake u svom smjeru, tako da je molekula električni dipol. Naboji u njemu raspoređeni su po vrhovima zamišljene tetraedarske piramide - tetraedra s unutarnjim kutovima od približno 109 °. Kao rezultat toga, molekula može formirati četiri vodikove (protonske) veze, što, naravno, utječe na svojstva vode.
Obilježja strukture tekuće vode i leda
Sposobnost molekule vode da stvara protonske veze očituje se iu tekućem i u čvrstom stanju. Kada je voda tekućina, te su veze prilično nestabilne, lako se razaraju, ali se i stalno iznova stvaraju. Zbog svoje prisutnosti, molekule vode su jače vezane jedna za drugu od čestica drugih tekućina. Udružujući se, tvore posebne strukture - klastere. Zbog toga su fazne točke vode pomaknute prema višim temperaturama, jer je za uništavanje takvih dodatnih suradnika potrebna i energija. Štoviše, energija je prilično značajna: da nema vodikovih veza i klastera, temperatura kristalizacije vode (kao i njenog topljenja) bila bi –100 °C, a ključanje +80 °C.
Struktura grozdova je identična strukturi kristalnog leda. Povezujući svaku s četiri susjeda, molekule vode grade ažurnu kristalnu strukturu s bazom u obliku šesterokuta. Za razliku od tekuće vode, gdje su mikrokristali – klasteri – nestabilni i pokretni zbog toplinskog kretanja molekula, kada nastane led, oni se stabilno i pravilno reorganiziraju. Vodikove veze fiksiraju međusobni raspored mjesta kristalne rešetke, a kao rezultat toga, udaljenost između molekula postaje nešto veća nego u tekućoj fazi. Ova okolnost objašnjava skok gustoće vode tijekom njezine kristalizacije - gustoća pada sa gotovo 1 g/cm3 na oko 0,92 g/cm3.
O latentnoj toplini
Obilježja molekularne strukture vode vrlo se ozbiljno odražavaju na njezina svojstva. To se može vidjeti, posebice, iz visoke specifične topline kristalizacije vode. To je upravo zbog prisutnosti protonskih veza, po čemu se voda razlikuje od ostalih spojeva koji tvore molekularne kristale. Utvrđeno je da energija vodikove veze u vodi iznosi oko 20 kJ po molu, odnosno za 18 g. Značajan dio tih veza uspostavlja se "masovno" kada se voda smrzava - tu dolazi do tako velikog povrata energije. dolazi od.
Dajmo jednostavnu kalkulaciju. Neka se tijekom kristalizacije vode oslobodi 1650 kJ energije. Ovo je puno: ekvivalentna energija može se dobiti, na primjer, iz eksplozije šest F-1 limun granata. Izračunajmo masu vode koja je podvrgnuta kristalizaciji. Formula koja povezuje količinu latentne topline Q, masu m i specifičnu toplinu kristalizacijeλ je vrlo jednostavno: Q=– λm. Znak minus jednostavno znači da toplinu odaje fizički sustav. Zamjenom poznatih vrijednosti dobivamo: m=1650/330=5 (kg). Samo 5 litara potrebno je da se tijekom kristalizacije vode oslobodi čak 1650 kJ energije! Naravno, energija se ne odaje odmah - proces traje dovoljno dugo, a toplina se raspršuje.
Mnoge ptice, na primjer, itekako znaju za ovo svojstvo vode i koriste ga za kupanje u blizini ledene vode jezera i rijeka, na takvim mjestima temperatura zraka je nekoliko stupnjeva viša.
Kristalizacija rješenja
Voda je divno otapalo. Tvari otopljene u njemu pomiču točku kristalizacije, u pravilu, prema dolje. Što je veća koncentracija otopine, niža će temperatura smrznuti. Upečatljiv primjer je morska voda, u kojoj je otopljeno mnogo različitih soli. Njihova koncentracija u oceanskoj vodi je 35 ppm, a takva voda kristalizira na -1,9 °C. Slanost vode u različitim morima je vrlo različita, pa je i točka ledišta različita. Dakle, b altička voda ima salinitet ne veći od 8 ppm, a temperatura kristalizacije je blizu 0 °C. Mineralizirana podzemna voda također se smrzava na temperaturama ispod nule. Treba imati na umu da je uvijek riječ samo o kristalizaciji vode: morski led je gotovo uvijek svjež, u ekstremnim slučajevima malo slan.
Vodene otopine raznih alkohola također se razlikuju po reduciranimledišta, a njihova kristalizacija ne teče naglo, već s određenim temperaturnim rasponom. Na primjer, 40% alkohola počinje se smrzavati na -22,5°C i konačno kristalizira na -29,5°C.
Ali otopina takve lužine kao što je kaustična soda NaOH ili kaustika zanimljiva je iznimka: karakterizira je povećana temperatura kristalizacije.
Kako se čista voda smrzava?
U destiliranoj vodi klasterska struktura je prekinuta zbog isparavanja tijekom destilacije, a broj vodikovih veza između molekula takve vode je vrlo mali. Osim toga, takva voda ne sadrži nečistoće kao što su suspendirane mikroskopske čestice prašine, mjehurići itd., koji su dodatni centri formiranja kristala. Iz tog razloga, točka kristalizacije destilirane vode snižena je na -42 °C.
Destilovanu vodu moguće je prehlađenje čak i do -70 °C. U tom stanju, prehlađena voda može gotovo trenutno kristalizirati u cijelom volumenu uz najmanje potresanje ili ulazak beznačajne nečistoće.
Paradoksalna topla voda
Nevjerojatna činjenica - vruća voda prelazi u kristalno stanje brže od hladne vode - nazvana je "Mpemba efektom" u čast tanzanijskog školarca koji je otkrio ovaj paradoks. Točnije, znali su za to još u antici, međutim, ne nalazeći objašnjenje, prirodni filozofi i prirodoslovci s vremenom su prestali obraćati pažnju na tajanstveni fenomen.
Erasto Mpemba je 1963. bio iznenađen timeTopla mješavina za sladoled se veže brže od hladne mješavine za sladoled. A 1969. godine, intrigantan fenomen potvrđen je već u fizičkom eksperimentu (usput, uz sudjelovanje samog Mpembe). Učinak se objašnjava cijelim nizom razloga:
- više centara kristalizacije kao što su mjehurići zraka;
- visoko rasipanje topline tople vode;
- visoka stopa isparavanja, što rezultira smanjenjem volumena tekućine.
Tlak kao faktor kristalizacije
Odnos između tlaka i temperature kao ključnih veličina koje utječu na proces kristalizacije vode jasno se odražava na faznom dijagramu. Iz njega se vidi da se s povećanjem tlaka temperatura faznog prijelaza vode iz tekućeg u čvrsto stanje iznimno sporo smanjuje. Naravno, vrijedi i suprotno: što je niži tlak, to je viša temperatura potrebna za stvaranje leda, a raste jednako sporo. Da bi se postigli uvjeti pod kojima voda (ne destilirana!) može kristalizirati u obični led Ih na najnižoj mogućoj temperaturi od -22 °C, tlak se mora povećati na 2085 atmosfera.
Maksimalna temperatura kristalizacije odgovara sljedećoj kombinaciji uvjeta, koja se naziva trostruka točka vode: 0,006 atmosfera i 0,01 °C. S takvim parametrima poklapaju se točke kristalizacije-taljenja i kondenzacije-vrenja, a sva tri agregirana stanja vode koegzistiraju u ravnoteži (u nedostatku drugih tvari).
Mnoge vrste leda
Trenutno poznato oko 20 izmjenakruto stanje vode - od amorfnog do ledenog XVII. Svi oni, osim običnog Ih leda, zahtijevaju kristalizacijske uvjete koji su egzotični za Zemlju, a nisu svi stabilni. Samo se led Ic vrlo rijetko nalazi u gornjim slojevima zemljine atmosfere, ali njegovo stvaranje nije povezano sa smrzavanjem vode, budući da nastaje iz vodene pare na ekstremno niskim temperaturama. Led XI pronađen je na Antarktiku, ali ova modifikacija je derivat običnog leda.
Kristalizacijom vode pri ekstremno visokim tlakovima moguće je dobiti ledene modifikacije III, V, VI, a uz istodobno povećanje temperature - led VII. Vjerojatno se neki od njih mogu formirati u uvjetima neuobičajenim za naš planet na drugim tijelima Sunčevog sustava: na Uranu, Neptunu ili velikim satelitima divovskih planeta. Treba misliti da će budući eksperimenti i teorijska proučavanja još uvijek malo proučavanih svojstava ovih leda, kao i obilježja njihovih procesa kristalizacije, razjasniti ovo pitanje i otvoriti još mnogo novih stvari.
