Igapäevaelus puutume me kõik aeg-aj alt kokku nähtustega, mis kaasnevad ainete üleminekuga ühest agregatsiooniseisundist teise. Ja kõige sagedamini peame selliseid nähtusi jälgima ühe levinuima keemilise ühendi - tuntud ja tuttava vee - näitel. Artiklist saate teada, kuidas toimub vedela vee muutumine tahkeks jääks – protsessi, mida nimetatakse vee kristalliseerumiseks – ja millised omadused seda üleminekut iseloomustavad.
Mis on faasisiire?
Kõik teavad, et looduses on aine kolm peamist agregeeritud olekut (faasi): tahke, vedel ja gaasiline. Sageli lisatakse neile neljas olek - plasma (omaduste tõttu, mis eristavad seda gaasidest). Gaasilt plasmale üleminekul pole aga iseloomulikku teravat piiri ja selle omadusi ei määrata nii paljuaineosakeste (molekulide ja aatomite) vaheline seos, kui palju on aatomite endi olek.
Kõik ained, mis lähevad ühest olekust teise, muudavad tavatingimustes järsult oma omadusi (välja arvatud mõned ülekriitilised olekud, kuid me ei puuduta neid siin). Selline transformatsioon on faasiüleminek või pigem üks selle sortidest. See ilmneb teatud füüsikaliste parameetrite (temperatuur ja rõhk) kombinatsioonil, mida nimetatakse faasisiirdepunktiks.
Vedeliku muundumine gaasiks on aurustumine, vastupidine nähtus on kondenseerumine. Aine üleminek tahkest olekust vedelasse on sulamine, aga kui protsess kulgeb vastupidises suunas, siis nimetatakse seda kristalliseerumiseks. Tahke keha võib kohe muutuda gaasiks ja vastupidi – sellistel juhtudel räägitakse sublimatsioonist ja desublimatsioonist.
Kristalliseerumise käigus muutub vesi jääks ja näitab selgelt, kui palju selle füüsikalised omadused muutuvad. Vaatleme selle nähtuse mõnel olulisel detailil.
Kristalliseerumise mõiste
Kui vedelik jahutamisel tahkub, muutub aine osakeste vastastikmõju iseloom ja paigutus. Selle koostisosade osakeste juhusliku soojusliikumise kineetiline energia väheneb ja nad hakkavad moodustama üksteisega stabiilseid sidemeid. Kui molekulid (või aatomid) reastuvad nende sidemete kaudu korrapäraselt ja korrapäraselt, moodustub tahke aine kristallstruktuur.
Kristallisatsioon ei kata korraga kogu jahutatud vedeliku mahtu, vaid algab väikeste kristallide moodustumisega. Need on niinimetatud kristallisatsioonikeskused. Nad kasvavad kihtidena, astmeliselt, lisades järjest rohkem molekule või aineaatomeid piki kasvavat kihti.
Kristalliseerimistingimused
Kristalliseerimine nõuab vedeliku jahutamist teatud temperatuurini (see on ka sulamistemperatuur). Seega on vee kristalliseerumistemperatuur tavatingimustes 0 °C.
Iga aine puhul iseloomustab kristalliseerumist varjatud soojuse hulk. See on selle protsessi käigus vabanev energia hulk (ja vastupidisel juhul vastav alt neeldunud energia). Vee eriline kristalliseerumissoojus on latentne soojus, mis vabaneb ühest kilogrammist veest temperatuuril 0 °C. Kõigist vee lähedal leiduvatest ainetest on see üks kõrgemaid ja on umbes 330 kJ / kg. Nii suur väärtus on tingitud struktuurilistest iseärasustest, mis määravad vee kristalliseerumise parameetrid. Pärast nende funktsioonide kaalumist kasutame varjatud soojuse arvutamiseks allolevat valemit.
Latentse kuumuse kompenseerimiseks on vaja vedelikku üle jahutada, et alustada kristallide kasvu. Ülejahutusastmel on oluline mõju kristallisatsioonikeskuste arvule ja nende kasvukiirusele. Protsessi käigus aine edasine jahutamine ei muutu.
Veemolekul
Vee kristalliseerumise paremaks mõistmiseks peate teadma, kuidas selle keemilise ühendi molekul on paigutatud, sestmolekuli struktuur määrab selle tekkivate sidemete omadused.
Üks hapnikuaatom ja kaks vesinikuaatomit on ühendatud veemolekulis. Need moodustavad nüri võrdhaarse kolmnurga, milles hapnikuaatom asub 104,45° nürinurga tipus. Sel juhul tõmbab hapnik elektronpilvi tugev alt enda suunas, nii et molekul on elektriline dipool. Selles olevad laengud jaotuvad kujuteldava tetraeedrilise püramiidi tippude vahel - tetraeedris, mille sisenurk on ligikaudu 109 °. Selle tulemusena võib molekul moodustada neli vesinik (prooton) sidet, mis loomulikult mõjutab vee omadusi.
Vedela vee ja jää struktuuri tunnused
Veemolekuli võime moodustada prootonsidemeid avaldub nii vedelas kui ka tahkes olekus. Kui vesi on vedel, on need sidemed üsna ebastabiilsed, kergesti hävivad, aga ka pidev alt uuesti moodustuvad. Tänu oma olemasolule on veemolekulid üksteisega tugevamini seotud kui teiste vedelike osakesed. Ühendades moodustavad nad erilisi struktuure - klastreid. Sel põhjusel nihkuvad vee faasipunktid kõrgemate temperatuuride poole, sest selliste lisapartnerite hävitamine nõuab ka energiat. Pealegi on energia üsna märkimisväärne: kui vesiniksidemeid ja klastreid poleks, oleks vee kristalliseerumistemperatuur (ja ka sulamistemperatuur) –100 °C ja keemistemperatuur +80 °C.
Klastrite struktuur on identne kristalse jää struktuuriga. Ühendades igaüks nelja naabriga, loovad veemolekulid ažuurse kristalse struktuuri, mille alus on kuusnurga kujuline. Erinev alt vedelast veest, kus mikrokristallid – klastrid – on molekulide termilise liikumise tõttu ebastabiilsed ja liikuvad, korraldavad nad jää tekkimisel end stabiilselt ja korrapäraselt ümber. Vesiniksidemed fikseerivad kristallvõre kohtade vastastikuse paigutuse ja selle tulemusena muutub molekulide vaheline kaugus mõnevõrra suuremaks kui vedelas faasis. See asjaolu seletab vee tiheduse hüpet selle kristalliseerumise ajal – tihedus langeb peaaegu 1 g/cm3 tasemele umbes 0,92 g/cm3.
Varjatud kuumuse kohta
Vee molekulaarstruktuuri omadused peegelduvad väga tõsiselt selle omadustes. Seda on näha eelkõige vee kõrgest kristalliseerumissoojusest. See on tingitud just prootonsidemete olemasolust, mis eristab vett teistest molekulaarseid kristalle moodustavatest ühenditest. On kindlaks tehtud, et vesiniksideme energia vees on umbes 20 kJ mooli kohta ehk 18 g kohta.. Märkimisväärne osa nendest sidemetest tekib massiliselt vee külmumisel – siin on nii suur energiatagastus. pärineb.
Tehkem lihtsa arvutuse. Laske vee kristalliseerumisel vabaneda 1650 kJ energiat. Seda on palju: samaväärset energiat saab näiteks kuue F-1 sidrunigranaadi plahvatusest. Arvutame kristalliseerunud vee massi. Valem, mis seostab varjatud soojuse Q kogust, massi m ja kristalliseerumise erisoojustλ on väga lihtne: Q=– λm. Miinusmärk tähendab lihts alt seda, et soojust eraldab füüsiline süsteem. Teadaolevad väärtused asendades saame: m=1650/330=5 (kg). Koguni 1650 kJ energia vabanemiseks vee kristalliseerumisel on vaja vaid 5 liitrit! Muidugi ei anta energiat koheselt ära – protsess kestab piisav alt kaua ja soojus hajub.
Näiteks paljud linnud tunnevad hästi seda vee omadust ja kasutavad seda järvede ja jõgede jäätuva vee läheduses peesitamiseks, sellistes kohtades on õhutemperatuur mitu kraadi kõrgem.
Lahenduste kristalliseerimine
Vesi on suurepärane lahusti. Selles lahustunud ained nihutavad kristalliseerumispunkti reeglina allapoole. Mida suurem on lahuse kontsentratsioon, seda madalam temperatuur külmub. Markantne näide on merevesi, milles on lahustunud palju erinevaid sooli. Nende kontsentratsioon ookeanivees on 35 ppm ja selline vesi kristalliseerub -1,9 °C juures. Erinevate merede vee soolsus on väga erinev, seega on ka külmumispunkt erinev. Seega on Läänemere vee soolsus mitte üle 8 ppm ja selle kristalliseerumistemperatuur on 0 °C lähedal. Mineraliseeritud põhjavesi külmub ka nullist madalamal temperatuuril. Tuleb meeles pidada, et me räägime alati ainult vee kristalliseerumisest: merejää on peaaegu alati värske, äärmisel juhul kergelt soolane.
Erinevate alkoholide vesilahused erinevad ka redutseeritudkülmumispunkti ja nende kristalliseerumine ei toimu järsult, vaid teatud temperatuurivahemikus. Näiteks 40% alkohol hakkab külmuma temperatuuril -22,5 °C ja lõpuks kristalliseeruma -29,5 °C juures.
Kuid sellise leelise lahus nagu naatriumhüdroksiidi NaOH või kaustiline lahus on huvitav erand: seda iseloomustab kõrgem kristalliseerumistemperatuur.
Kuidas puhas vesi külmub?
Destilleeritud vees puruneb klastri struktuur destilleerimise ajal aurustumise tõttu ja sellise vee molekulide vahel on vesiniksidemete arv väga väike. Lisaks ei sisalda selline vesi lisandeid nagu hõljuvad mikroskoopilised tolmuosakesed, mullid jne, mis on täiendavateks kristallide moodustumise keskusteks. Sel põhjusel alandatakse destilleeritud vee kristalliseerumistemperatuuri -42 °C.
Destilleeritud vett on võimalik ülejahutada isegi kuni -70 °C. Selles olekus suudab ülejahutatud vesi vähimagi raputamise või ebaolulise lisandi sissetungimisel peaaegu koheselt kogu mahu ulatuses kristalliseeruda.
Paradoksaalne kuum vesi
Hämmastav tõsiasi – kuum vesi muutub kristalliliseks olekuks kiiremini kui külm vesi – nimetati "Mpemba efektiks" selle paradoksi avastanud Tansaania koolipoisi auks. Täpsem alt teadsid nad sellest juba antiikajal, kuid seletust leidmata lakkasid loodusfilosoofid ja loodusteadlased lõpuks salapärasele nähtusele tähelepanu pööramast.
1963. aastal üllatas Erasto Mpemba sedaSoe jäätisesegu tardub kiiremini kui külm jäätisesegu. Ja 1969. aastal leidis intrigeeriv nähtus kinnitust juba füüsilises eksperimendis (muide, Mpemba enda osalusel). Mõju on seletatav mitmel põhjusel:
- rohkem kristallisatsioonikeskusi, nagu õhumullid;
- sooja vee kõrge soojuseraldus;
- kõrge aurustumiskiirus, mille tulemuseks on vedeliku mahu vähenemine.
Rõhk kui kristallisatsioonitegur
Faasidiagrammil kajastub selgelt suhe rõhu ja temperatuuri kui põhisuuruste vahel, mis mõjutavad vee kristalliseerumisprotsessi. Sellest on näha, et rõhu tõustes langeb vee faasisiirde temperatuur vedelast tahkesse olekusse äärmiselt aeglaselt. Loomulikult on ka vastupidi: mida madalam on rõhk, seda kõrgem on jää tekkeks vajalik temperatuur ja see kasvab sama aeglaselt. Et saavutada tingimusi, milles vesi (mittedestilleeritud!) suudab kristalliseeruda tavaliseks jääks Ih madalaimal võimalikul temperatuuril -22 °C, tuleb rõhku tõsta 2085 atmosfäärini.
Maksimaalne kristalliseerumistemperatuur vastab järgmisele tingimuste kombinatsioonile, mida nimetatakse vee kolmikpunktiks: 0,006 atmosfääri ja 0,01 °C. Selliste parameetrite korral langevad kristalliseerumise-sulamise ja kondenseerumise keemispunktid kokku ning kõik kolm vee agregatsiooni olekut eksisteerivad tasakaalus (muude ainete puudumisel).
Palju tüüpi jääd
Praegu teada umbes 20 modifikatsioonivee tahke olek – amorfsest jääni XVII. Kõik need, välja arvatud tavaline Ih jää, nõuavad Maa jaoks eksootilisi kristalliseerumistingimusi ja mitte kõik pole stabiilsed. Maa atmosfääri ülemistes kihtides leidub vaid jääd Ic väga harva, kuid selle teket ei seostata vee külmumisega, kuna see tekib ülimadalatel temperatuuridel veeaurust. Jää XI leiti Antarktikast, kuid see modifikatsioon on tavalise jää tuletis.
Vee kristalliseerimisel äärmiselt kõrgel rõhul on võimalik saada selliseid jää modifikatsioone nagu III, V, VI ja samaaegse temperatuuri tõusuga - jää VII. Tõenäoliselt võivad mõned neist tekkida meie planeedi jaoks ebatavalistes tingimustes teistel päikesesüsteemi kehadel: Uraanil, Neptuunil või hiidplaneetide suurtel satelliitidel. Tuleb mõelda, et tulevased katsed ja teoreetilised uuringud nende jääde veel vähe uuritud omaduste ja nende kristalliseerumisprotsesside omaduste kohta selgitavad seda küsimust ja avavad palju uusi asju.
