A mindennapi életben időnként mindannyian találkozunk olyan jelenségekkel, amelyek az anyagok egyik halmozódási állapotból a másikba való átmenetét kísérik. És leggyakrabban az egyik leggyakoribb kémiai vegyület - a jól ismert és ismert víz - példáján kell megfigyelnünk az ilyen jelenségeket. A cikkből megtudhatja, hogyan megy végbe a folyékony víz szilárd jéggé történő átalakulása – ezt a folyamatot vízkristályosodásnak nevezik – és milyen jellemzők jellemzik ezt az átalakulást.
Mi az a fázisátalakulás?
Mindenki tudja, hogy a természetben az anyagnak három fő halmazállapota (fázisa) van: szilárd, folyékony és gáznemű. Gyakran egy negyedik állapotot adnak hozzájuk - plazmát (a gázoktól megkülönböztető jellemzők miatt). A gázról a plazmára való átmenet során azonban nincs jellegzetes éles határ, és tulajdonságai nem annyira meghatározhatókaz anyagrészecskék (molekulák és atomok) közötti kapcsolat, mennyi az atomok állapota.
Minden anyag, amely egyik állapotból a másikba megy át, normál körülmények között hirtelen megváltoztatja tulajdonságait (kivéve néhány szuperkritikus állapotot, de ezekre itt nem térünk ki). Az ilyen átalakulás fázisátalakulás, vagy inkább annak egyik fajtája. Ez a fizikai paraméterek (hőmérséklet és nyomás) bizonyos kombinációján fordul elő, amelyet fázisátmeneti pontnak neveznek.
A folyadék gázzá alakulása párolgás, ennek fordított jelensége a kondenzáció. Egy anyag szilárd halmazállapotból folyékony halmazállapotba való átmenete olvadás, de ha a folyamat ellenkező irányba megy, akkor azt kristályosodásnak nevezzük. A szilárd test azonnal gázzá alakulhat és fordítva – ezekben az esetekben szublimációról és deszublimációról beszélnek.
A kristályosodás során a víz jéggé alakul, és egyértelműen megmutatja, hogy fizikai tulajdonságai mennyire megváltoznak. Maradjunk a jelenség néhány fontos részleténél.
A kristályosodás fogalma
Amikor egy folyadék hűtés közben megszilárdul, megváltozik a kölcsönhatás jellege és az anyag részecskéinek elrendezése. Az alkotórészecskék véletlenszerű hőmozgásának kinetikai energiája csökken, és stabil kötéseket kezdenek kialakítani egymással. Amikor a molekulák (vagy atomok) szabályos, rendezett módon sorakoznak fel ezeken a kötéseken keresztül, akkor kialakul a szilárd test kristályszerkezete.
A kristályosodás nem fedi le egyszerre a lehűtött folyadék teljes térfogatát, hanem kis kristályok képződésével kezdődik. Ezek az úgynevezett kristályosodási központok. Rétegekben, lépcsőzetesen nőnek úgy, hogy egyre több molekulát vagy anyagatomot adnak hozzá a növekvő réteghez.
Kristályosítási feltételek
A kristályosításhoz a folyadékot egy bizonyos hőmérsékletre le kell hűteni (ez egyben az olvadáspont is). Így a víz kristályosodási hőmérséklete normál körülmények között 0 °C.
Minden anyag esetében a kristályosodást a látens hő mennyisége jellemzi. Ez a folyamat során felszabaduló energia mennyisége (és ellenkező esetben az elnyelt energia). A víz fajkristályosodási hője egy kilogramm víz által 0 °C-on felszabaduló látens hő. A vízközeli anyagok közül az egyik legmagasabb, körülbelül 330 kJ / kg. Az ilyen nagy érték a vízkristályosodás paramétereit meghatározó szerkezeti sajátosságoknak köszönhető. Az alábbi képletet használjuk a látens hő kiszámításához, miután figyelembe vettük ezeket a jellemzőket.
A látens hő kompenzálására a folyadék túlhűtése szükséges, hogy meginduljon a kristálynövekedés. A túlhűtés mértéke jelentősen befolyásolja a kristályosodási centrumok számát és növekedési ütemét. Amíg a folyamat zajlik, az anyag további hűtése nem változik.
Vízmolekula
A víz kristályosodásának jobb megértéséhez ismernie kell ennek a kémiai vegyületnek a molekulájának elrendezését, merta molekula szerkezete meghatározza az általa kialakított kötések jellemzőit.
Egy oxigénatom és két hidrogénatom egyesül egy vízmolekulában. Egy tompa egyenlőszárú háromszöget alkotnak, amelyben az oxigénatom 104,45°-os tompaszög csúcsán helyezkedik el. Ebben az esetben az oxigén erősen maga irányába húzza az elektronfelhőket, így a molekula elektromos dipólus. A benne lévő töltések egy képzeletbeli tetraéder piramis csúcsai között oszlanak el - egy tetraéder, amelynek belső szöge körülbelül 109 °. Ennek eredményeként a molekula négy hidrogén- (proton) kötést tud kialakítani, ami természetesen befolyásolja a víz tulajdonságait.
A folyékony víz és jég szerkezetének jellemzői
A vízmolekulák azon képessége, hogy protonkötéseket hozzon létre, folyékony és szilárd halmazállapotban is megnyilvánul. Amikor a víz folyékony, ezek a kötések meglehetősen instabilok, könnyen megsemmisülnek, de folyamatosan újra kialakulnak. Jelenlétüknek köszönhetően a vízmolekulák erősebben kötődnek egymáshoz, mint más folyadékok részecskéi. Asszociálva speciális struktúrákat - klasztereket - alkotnak. Emiatt a víz fázispontjai magasabb hőmérséklet felé tolódnak el, mert az ilyen járulékos társulások elpusztítása is energiát igényel. Ráadásul az energia igen jelentős: ha nem lennének hidrogénkötések és klaszterek, akkor a víz kristályosodási hőmérséklete (valamint olvadása) –100 °C, forráspontja pedig +80 °C.
A klaszterek szerkezete megegyezik a kristályos jég szerkezetével. Mindegyiket négy szomszéddal összekötve a vízmolekulák áttört kristályos szerkezetet építenek fel hatszög alakú alappal. A folyékony víztől eltérően, ahol a mikrokristályok - klaszterek - a molekulák hőmozgása miatt instabilok és mozgékonyak, jég képződésekor stabilan és szabályosan átrendeződnek. A hidrogénkötések rögzítik a kristályrács helyek kölcsönös elrendeződését, és ennek következtében a molekulák közötti távolság valamivel nagyobb lesz, mint a folyadékfázisban. Ez a körülmény magyarázza a víz kristályosodása során bekövetkező sűrűségének ugrását - a sűrűség majdnem 1 g/cm3-ról körülbelül 0,92 g/cm-re3.
A látens hőről
A víz molekulaszerkezetének sajátosságai nagyon komolyan tükröződnek tulajdonságaiban. Ez különösen a víz magas fajlagos kristályosodási hőjéből látszik. Ez pontosan a protonkötések jelenlétének köszönhető, amely megkülönbözteti a vizet más molekuláris kristályokat alkotó vegyületektől. Megállapítást nyert, hogy a hidrogénkötés energiája a vízben körülbelül 20 kJ/mol, azaz 18 g-ra. E kötések jelentős része „tömegesen” jön létre, amikor a víz megfagy – itt van ekkora energiavisszaadás. innen származik.
Vegyünk egy egyszerű számítást. A víz kristályosodása során 1650 kJ energia szabaduljon fel. Ez nagyon sok: ekvivalens energia nyerhető például hat F-1 citromgránát felrobbanásával. Számítsuk ki a kristályosodáson átesett víz tömegét! A Q látens hő mennyiségére, m tömegére és fajlagos kristályosodási hőjére vonatkozó képletλ nagyon egyszerű: Q=– λm. A mínusz jel egyszerűen azt jelenti, hogy a hőt a fizikai rendszer adja le. Az ismert értékeket behelyettesítve a következőt kapjuk: m=1650/330=5 (kg). Mindössze 5 liter kell ahhoz, hogy a víz kristályosodása során 1650 kJ energia szabaduljon fel! Természetesen az energiát nem adják ki azonnal - a folyamat kellően hosszú ideig tart, és a hő eloszlik.
Sok madár például jól ismeri a víznek ezt a tulajdonságát, és a tavak, folyók fagyos vizének közelében sütkéreznek vele, ilyen helyeken több fokkal magasabb a levegő hőmérséklete.
Az oldatok kristályosítása
A víz csodálatos oldószer. A benne oldott anyagok általában lefelé tolják el a kristályosodási pontot. Minél nagyobb az oldat koncentrációja, annál alacsonyabb a hőmérséklet lefagyni. Meglepő példa erre a tengervíz, amelyben sok különböző sót oldanak fel. Koncentrációjuk az óceánvízben 35 ppm, és az ilyen víz -1,9 °C-on kristályosodik ki. A víz sótartalma a különböző tengerekben nagyon eltérő, így a fagyáspont is eltérő. Így a B alti-víz sótartalma nem haladja meg a 8 ppm-et, kristályosodási hőmérséklete pedig megközelíti a 0 °C-ot. Az ásványos talajvíz nulla alatti hőmérsékleten is megfagy. Figyelembe kell venni, hogy mindig csak vízkristályosodásról beszélünk: a tengeri jég szinte mindig friss, extrém esetben enyhén sós.
A különböző alkoholok vizes oldatai redukáltságban is különböznekfagyáspont, és kristályosodásuk nem hirtelen megy végbe, hanem egy bizonyos hőmérséklet-tartományban. Például a 40%-os alkohol -22,5 °C-on fagyni kezd, és végül -29,5 °C-on kristályosodik.
De érdekes kivételt képez egy ilyen lúg, például nátrium-hidroxid vagy maró oldat: megnövekedett kristályosodási hőmérséklet jellemzi.
Hogyan fagy meg a tiszta víz?
A desztillált vízben a klaszter szerkezete a desztilláció során fellépő párolgás miatt megbomlik, és az ilyen víz molekulái között nagyon kicsi a hidrogénkötések száma. Ezenkívül az ilyen víz nem tartalmaz szennyeződéseket, például lebegő mikroszkopikus porszemcséket, buborékokat stb., amelyek a kristályképződés további központjai. Emiatt a desztillált víz kristályosodási pontja -42 °C-ra csökken.
A desztillált víz túlhűtése akár -70 °C-ig is lehetséges. Ebben az állapotban a túlhűtött víz a legkisebb rázással vagy jelentéktelen szennyeződés behatolásával szinte azonnal a teljes térfogatban képes kikristályosodni.
Paradox melegvíz
Egy csodálatos tény – a forró víz gyorsabban válik kristályos állapotba, mint a hideg víz – „Mpemba-effektusnak” nevezték el a tanzániai iskolásfiú tiszteletére, aki felfedezte ezt a paradoxont. Pontosabban az ókorban tudtak róla, azonban magyarázatot nem találva a természetfilozófusok és természettudósok végül nem figyeltek a titokzatos jelenségre.
1963-ban Erasto Mpemba meglepődött ezenA meleg fagyl altkeverék gyorsabban megköt, mint a hideg jégkrémkeverék. És 1969-ben egy érdekes jelenséget már egy fizikai kísérlet során megerősítettek (mellesleg maga Mpemba részvételével). A hatást számos ok magyarázza:
- több kristályosodási központ, például légbuborékok;
- a melegvíz nagy hőelvezetése;
- magas párolgási sebesség, ami a folyadék térfogatának csökkenését eredményezi.
Nyomás mint kristályosodási tényező
A nyomás és a hőmérséklet, mint a vízkristályosodás folyamatát befolyásoló kulcsfontosságú mennyiségek közötti összefüggést egyértelműen tükrözi a fázisdiagram. Látható belőle, hogy a nyomás növekedésével a víz folyékonyból szilárd halmazállapotúvá történő fázisátalakulásának hőmérséklete rendkívül lassan csökken. Természetesen ennek az ellenkezője is igaz: minél alacsonyabb a nyomás, annál magasabb a jégképződéshez szükséges hőmérséklet, és ugyanolyan lassan növekszik. Ahhoz, hogy a víz (nem desztillált!) a lehető legalacsonyabb, -22 °C hőmérsékleten képes legyen közönséges jéggé kristályosodni, a nyomást 2085 atmoszférára kell növelni.
A maximális kristályosodási hőmérséklet a feltételek következő kombinációjának felel meg, amelyet a víz hármaspontjának neveznek: 0,006 atmoszféra és 0,01 °C. Ilyen paraméterek mellett a kristályosodás-olvadás és a kondenzáció-forráspont egybeesik, és a víz aggregációjának mindhárom állapota egyensúlyban (egyéb anyagok hiányában) együtt létezik.
Sokféle jég
Jelenleg körülbelül 20 módosítás ismertszilárd halmazállapotú víz - amorftól jégig XVII. A közönséges Ih jég kivételével mindegyik a Föld számára egzotikus kristályosodási körülményeket igényel, és nem mindegyik stabil. Csak jég Ic található nagyon ritkán a föld légkörének felső rétegeiben, de kialakulása nincs összefüggésben a víz megfagyásával, hiszen rendkívül alacsony hőmérsékleten vízgőzből képződik. Az Ice XI-t az Antarktiszon találták, de ez a módosítás a közönséges jég származéka.
A víz rendkívül magas nyomáson történő kristályosításával olyan jégmódosulások érhetők el, mint a III, V, VI, és egyidejű hőmérséklet-emeléssel - jég VII. Valószínű, hogy néhányuk bolygónk számára szokatlan körülmények között képződhet a Naprendszer más testein: az Uránuszon, a Neptunuszon vagy az óriásbolygók nagy műholdain. Azt kell gondolni, hogy a jövőbeli kísérletek és elméleti tanulmányok e fagyok még kevéssé tanulmányozott tulajdonságairól, valamint kristályosodási folyamataik jellemzőiről tisztázni fogják ezt a kérdést, és még sok új dolgot nyitnak meg.
