U svakodnevnom životu svi se povremeno susrećemo sa pojavama koje prate procese prelaska supstanci iz jednog agregacionog stanja u drugo. I najčešće takve pojave moramo promatrati na primjeru jednog od najčešćih hemijskih spojeva - dobro poznate i poznate vode. Iz članka ćete naučiti kako se odvija transformacija tekuće vode u čvrsti led - proces koji se naziva kristalizacija vode - i koje karakteristike karakteriziraju ovaj prijelaz.
Šta je fazna tranzicija?
Svi znaju da u prirodi postoje tri glavna agregatna stanja (faze) materije: čvrsto, tečno i gasovito. Često im se dodaje i četvrto stanje - plazma (zbog karakteristika koje ga razlikuju od plinova). Međutim, pri prelasku iz plina u plazmu ne postoji karakteristična oštra granica, a njena svojstva nisu toliko određenaodnos između čestica materije (molekula i atoma), koliko je stanje samih atoma.
Sve supstance, prelazeći iz jednog stanja u drugo, u normalnim uslovima naglo menjaju svoja svojstva (sa izuzetkom nekih superkritičnih stanja, ali ih se ovde nećemo doticati). Takva transformacija je fazni prijelaz, odnosno jedna od njegovih varijanti. Javlja se pri određenoj kombinaciji fizičkih parametara (temperatura i pritisak), koja se naziva tačka faznog prijelaza.
Transformacija tečnosti u gas je isparavanje, obrnuta pojava je kondenzacija. Prijelaz tvari iz čvrstog u tekuće stanje je topljenje, ali ako proces ide u suprotnom smjeru, onda se to naziva kristalizacija. Čvrsto tijelo se može odmah pretvoriti u plin i obrnuto - u ovim slučajevima govore o sublimaciji i desublimaciji.
Tokom kristalizacije, voda se pretvara u led i jasno pokazuje koliko se njena fizička svojstva mijenjaju. Hajde da se zadržimo na nekim važnim detaljima ovog fenomena.
Koncept kristalizacije
Kada se tečnost očvrsne tokom hlađenja, priroda interakcije i raspored čestica supstance se menja. Kinetička energija nasumičnog toplinskog kretanja njegovih sastavnih čestica se smanjuje i one počinju stvarati stabilne veze jedna s drugom. Kada se molekuli (ili atomi) poredaju na pravilan, uredan način kroz ove veze, formira se kristalna struktura čvrste supstance.
Kristalizacija ne pokriva istovremeno ceo volumen ohlađene tečnosti, već počinje formiranjem malih kristala. To su takozvani centri kristalizacije. Oni rastu u slojevima, postepeno, dodavanjem sve više i više molekula ili atoma materije duž rastućeg sloja.
Uslovi kristalizacije
Kristalizacija zahteva hlađenje tečnosti na određenu temperaturu (to je takođe tačka topljenja). Dakle, temperatura kristalizacije vode u normalnim uslovima je 0 °C.
Za svaku supstancu, kristalizaciju karakteriše količina latentne toplote. Ovo je količina energije koja se oslobađa tokom ovog procesa (iu suprotnom slučaju, respektivno, apsorbovana energija). Specifična toplota kristalizacije vode je latentna toplota koju oslobađa jedan kilogram vode na 0 °C. Od svih supstanci u blizini vode, ona je jedna od najvećih i iznosi oko 330 kJ/kg. Ovako velika vrijednost je posljedica strukturnih karakteristika koje određuju parametre kristalizacije vode. Koristićemo formulu za izračunavanje latentne toplote ispod, nakon što razmotrimo ove karakteristike.
Da bi se kompenzirala latentna toplota, potrebno je prehlađenje tečnosti kako bi se pokrenuo rast kristala. Stepen prehlađenja ima značajan uticaj na broj centara kristalizacije i na brzinu njihovog rasta. Dok se proces odvija, dalje hlađenje temperature supstance se ne mijenja.
Molekul vode
Da biste bolje razumjeli kako voda kristalizira, morate znati kako je raspoređena molekula ovog hemijskog jedinjenja, jerstruktura molekula određuje karakteristike veza koje formira.
Jedan atom kiseonika i dva atoma vodonika su kombinovani u molekulu vode. Oni formiraju tupokraki trokut u kojem se atom kisika nalazi na vrhu tupog ugla od 104,45°. U ovom slučaju kisik snažno vuče elektronske oblake u svom smjeru, tako da je molekul električni dipol. Naboji u njemu raspoređeni su po vrhovima zamišljene tetraedarske piramide - tetraedra s unutarnjim uglovima od približno 109 °. Kao rezultat toga, molekul može formirati četiri vodikove (protonske) veze, što, naravno, utiče na svojstva vode.
Karakteristike strukture tekuće vode i leda
Sposobnost molekula vode da formira protonske veze se manifestuje iu tečnom iu čvrstom stanju. Kada je voda tečna, te veze su prilično nestabilne, lako se razaraju, ali se i stalno ponovo stvaraju. Zbog svog prisustva, molekuli vode su jače vezani jedni za druge od čestica drugih tečnosti. Udružujući se, formiraju posebne strukture - klastere. Zbog toga se fazne tačke vode pomeraju ka višim temperaturama, jer je za uništavanje takvih dodatnih saradnika potrebna i energija. Štaviše, energija je prilično značajna: da nema vodoničnih veza i klastera, temperatura kristalizacije vode (kao i njenog topljenja) bila bi –100 °C, a ključanja +80 °C.
Struktura klastera je identična strukturi kristalnog leda. Povezujući svaki sa četiri susjeda, molekule vode grade otvorenu kristalnu strukturu s bazom u obliku šesterokuta. Za razliku od tekuće vode, gdje su mikrokristali - klasteri - nestabilni i pokretni zbog termičkog kretanja molekula, kada se led formira, oni se stabilno i pravilno preuređuju. Vodikove veze fiksiraju međusobni raspored mjesta kristalne rešetke, a kao rezultat toga, razmak između molekula postaje nešto veći nego u tekućoj fazi. Ova okolnost objašnjava skok gustine vode tokom njene kristalizacije - gustina pada sa skoro 1 g/cm3 na oko 0,92 g/cm3.
O latentnoj toplini
Karakteristike molekularne strukture vode se veoma ozbiljno odražavaju na njena svojstva. To se posebno vidi iz visoke specifične topline kristalizacije vode. To je zbog prisustva protonskih veza, koje vodu razlikuju od ostalih spojeva koji formiraju molekularne kristale. Utvrđeno je da energija vodikove veze u vodi iznosi oko 20 kJ po molu, odnosno za 18 g. Značajan dio ovih veza se uspostavlja “masovno” kada se voda smrzava – tu dolazi do tako velikog povrata energije. dolazi od.
Dajmo jednostavnu kalkulaciju. Neka se tokom kristalizacije vode oslobodi 1650 kJ energije. Ovo je mnogo: ekvivalentna energija se može dobiti, na primjer, eksplozijom šest F-1 limun bombi. Izračunajmo masu vode koja je prošla kroz kristalizaciju. Formula koja povezuje količinu latentne toplote Q, mase m i specifične toplote kristalizacijeλ je vrlo jednostavno: Q=– λm. Znak minus jednostavno znači da toplinu odaje fizički sistem. Zamjenom poznatih vrijednosti dobijamo: m=1650/330=5 (kg). Potrebno je samo 5 litara da bi se tokom kristalizacije vode oslobodilo čak 1650 kJ energije! Naravno, energija se ne odaje odmah - proces traje dovoljno dugo, a toplota se raspršuje.
Mnoge ptice, na primjer, dobro znaju za ovo svojstvo vode i koriste ga da se kupaju u blizini ledene vode jezera i rijeka, na takvim mjestima temperatura zraka je nekoliko stepeni viša.
Kristalizacija rješenja
Voda je divan rastvarač. Supstance otopljene u njemu pomiču tačku kristalizacije, po pravilu, naniže. Što je veća koncentracija otopine, niža će temperatura zamrznuti. Upečatljiv primjer je morska voda u kojoj je otopljeno mnogo različitih soli. Njihova koncentracija u okeanskoj vodi je 35 ppm, a takva voda kristalizira na -1,9 °C. Salinitet vode u različitim morima je veoma različit, pa je i tačka smrzavanja različita. Dakle, b altička voda ima salinitet ne veći od 8 ppm, a temperatura kristalizacije je blizu 0 °C. Mineralizovana podzemna voda takođe 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 reduciranjutačku smrzavanja, a njihova kristalizacija ne teče naglo, već sa određenim temperaturnim rasponom. Na primjer, 40% alkohola počinje da se smrzava na -22,5°C i konačno kristalizira na -29,5°C.
Ali rastvor takve alkalije kao što je kaustična soda NaOH ili kaustika je zanimljiv izuzetak: karakteriše ga povećana temperatura kristalizacije.
Kako se čista voda smrzava?
U destilovanoj vodi, struktura klastera je prekinuta usled isparavanja tokom destilacije, a broj vodoničnih veza između molekula takve vode je veoma mali. Osim toga, takva voda ne sadrži nečistoće poput suspendiranih mikroskopskih čestica prašine, mjehurića itd., koji su dodatni centri formiranja kristala. Iz tog razloga, tačka kristalizacije destilovane vode je spuštena na -42 °C.
Destilovanu vodu moguće je prehlađenje čak i do -70 °C. U ovom stanju, prehlađena voda može skoro trenutno kristalizirati u cijeloj zapremini uz najmanje potresanje ili ulazak beznačajne nečistoće.
Paradoksalna topla voda
Neverovatna činjenica - topla voda prelazi u kristalno stanje brže od hladne vode - nazvana je "Mpemba efektom" u čast tanzanijskog školarca koji je otkrio ovaj paradoks. Tačnije, znali su za to još u antici, međutim, ne nalazeći objašnjenje, prirodni filozofi i prirodni naučnici na kraju su prestali da obraćaju 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 je potvrđen već u fizičkom eksperimentu (uzgred, uz učešće samog Mpembe). Efekat se objašnjava čitavim nizom razloga:
- više centara kristalizacije kao što su mjehurići zraka;
- visoko rasipanje toplote tople vode;
- visoka stopa isparavanja, što rezultira smanjenjem zapremine tečnosti.
Pritisak kao faktor kristalizacije
Odnos između pritiska i temperature kao ključnih veličina koje utiču na proces kristalizacije vode jasno se ogleda u faznom dijagramu. Iz njega se može vidjeti da s povećanjem pritiska temperatura faznog prijelaza vode iz tekućeg u čvrsto stanje opada izuzetno sporo. Naravno, vrijedi i suprotno: što je pritisak niži, to je viša temperatura potrebna za stvaranje leda, a raste jednako sporo. Da bi se postigli uslovi pod kojima voda (ne destilirana!) može kristalizirati u običan led Ih na najnižoj mogućoj temperaturi od -22°C, pritisak se mora povećati na 2085 atmosfera.
Maksimalna temperatura kristalizacije odgovara sledećoj kombinaciji uslova, koja se naziva trostruka tačka vode: 0,006 atmosfera i 0,01 °C. Sa takvim parametrima, tačke kristalizacije-taljenja i kondenzacije-ključanja se poklapaju, a sva tri agregirana stanja vode koegzistiraju u ravnoteži (u odsustvu drugih supstanci).
Mnoge vrste leda
Trenutno poznato oko 20 modifikacijačvrsto stanje vode - od amorfnog do ledenog XVII. Svi oni, osim običnog Ih leda, zahtevaju uslove kristalizacije koji su egzotični za Zemlju, a nisu svi stabilni. Samo led Ic se vrlo rijetko nalazi u gornjim slojevima zemljine atmosfere, ali njegovo stvaranje nije povezano sa smrzavanjem vode, jer nastaje iz vodene pare na ekstremno niskim temperaturama. Led XI je pronađen na Antarktiku, ali ova modifikacija je derivat običnog leda.
Kristalizacijom vode pri ekstremno visokim pritiscima moguće je dobiti modifikacije leda kao što su III, V, VI, a uz istovremeni porast temperature - led VII. Vjerovatno je da se neki od njih mogu formirati u uvjetima neuobičajenim za našu planetu na drugim tijelima Sunčevog sistema: na Uranu, Neptunu ili velikim satelitima džinovskih planeta. Mora se misliti da će budući eksperimenti i teorijske studije još uvijek malo proučenih svojstava ovih leda, kao i karakteristika procesa njihove kristalizacije, razjasniti ovo pitanje i otvoriti još mnogo novih stvari.
