В ежедневието всички ние от време на време се сблъскваме с явления, които съпътстват процесите на преход на веществата от едно агрегатно състояние в друго. И най-често се налага да наблюдаваме подобни явления на примера на едно от най-разпространените химични съединения – добре познатата и позната вода. От статията ще научите как става трансформацията на течната вода в твърд лед - процес, наречен кристализация на водата - и какви характеристики характеризират този преход.
Какво е фазов преход?
Всеки знае, че в природата има три основни агрегатни състояния (фази) на материята: твърдо, течно и газообразно. Често към тях се добавя и четвърто състояние - плазма (поради характеристиките, които я отличават от газовете). Въпреки това, при преминаване от газ към плазма, няма характерна остра граница и свойствата му се определят не толковавръзката между частиците на материята (молекули и атоми), колко е състоянието на самите атоми.
Всички вещества, преминаващи от едно състояние в друго, при нормални условия рязко променят свойствата си (с изключение на някои свръхкритични състояния, но тук няма да ги засягаме). Такава трансформация е фазов преход или по-скоро една от неговите разновидности. Това се случва при определена комбинация от физически параметри (температура и налягане), наречена точка на фазов преход.
Превръщането на течност в газ е изпаряване, обратното явление е кондензация. Преходът на вещество от твърдо към течно състояние е топене, но ако процесът върви в обратна посока, тогава се нарича кристализация. Твърдо тяло може веднага да се превърне в газ и обратно - в тези случаи се говори за сублимация и десублимация.
По време на кристализация водата се превръща в лед и ясно показва колко се променят нейните физически свойства. Нека се спрем на някои важни подробности за това явление.
Концепцията за кристализация
Когато течността се втвърди по време на охлаждане, естеството на взаимодействието и подредбата на частиците на веществото се променя. Кинетичната енергия на произволното топлинно движение на съставните му частици намалява и те започват да образуват стабилни връзки помежду си. Когато молекулите (или атомите) се подредят по редовен, подреден начин чрез тези връзки, се образува кристалната структура на твърдото вещество.
Кристализацията не покрива едновременно целия обем на охладената течност, а започва с образуването на малки кристали. Това са така наречените центрове на кристализация. Те растат на слоеве, поетапно, като добавят все повече и повече молекули или атоми от материята по протежение на нарастващия слой.
Условия на кристализация
Кристализацията изисква охлаждане на течността до определена температура (това е и точката на топене). Така температурата на кристализация на водата при нормални условия е 0 °C.
За всяко вещество кристализацията се характеризира с количеството латентна топлина. Това е количеството енергия, освободено по време на този процес (и в обратния случай, съответно, погълнатата енергия). Специфичната топлина на кристализация на водата е латентната топлина, отделена от един килограм вода при 0 °C. От всички вещества в близост до водата, тя е една от най-високите и е около 330 kJ / kg. Такава голяма стойност се дължи на структурните особености, които определят параметрите на кристализация на водата. Ще използваме формулата за изчисляване на латентната топлина по-долу, след като разгледаме тези характеристики.
За да се компенсира латентната топлина, е необходимо течността да се преохлади, за да започне растеж на кристали. Степента на преохлаждане оказва значително влияние върху броя на кристализационните центрове и върху скоростта на техния растеж. Докато процесът продължава, по-нататъшното охлаждане на температурата на веществото не се променя.
Водна молекула
За да разберете по-добре как кристализира водата, трябва да знаете как е подредена молекулата на това химично съединение, т.к.структурата на молекулата определя характеристиките на връзките, които образува.
Един кислороден атом и два водородни атома са комбинирани във водна молекула. Те образуват тъп равнобедрен триъгълник, в който кислородният атом е разположен на върха на тъп ъгъл от 104,45°. В този случай кислородът силно дърпа електронните облаци в своята посока, така че молекулата е електрически дипол. Зарядите в него са разпределени по върховете на въображаема тетраедрична пирамида - тетраедър с вътрешни ъгли приблизително 109 °. В резултат на това молекулата може да образува четири водородни (протонни) връзки, което, разбира се, влияе върху свойствата на водата.
Характеристики на структурата на течната вода и лед
Способността на водната молекула да образува протонни връзки се проявява както в течно, така и в твърдо състояние. Когато водата е течност, тези връзки са доста нестабилни, лесно се разрушават, но и постоянно се образуват отново. Поради тяхното присъствие водните молекули са по-силно свързани помежду си, отколкото частиците от други течности. Асоциирайки се, те образуват специални структури - клъстери. Поради тази причина фазовите точки на водата са изместени към по-високи температури, тъй като разрушаването на такива допълнителни спътници също изисква енергия. Освен това енергията е доста значителна: ако нямаше водородни връзки и клъстери, температурата на кристализация на водата (както и нейното топене) би била –100 °C, а кипене +80 °C.
Структурата на клъстерите е идентична със структурата на кристалния лед. Свързвайки всяка с четири съседи, водните молекули изграждат ажурна кристална структура с основа във формата на шестоъгълник. За разлика от течната вода, където микрокристалите - клъстери - са нестабилни и подвижни поради термичното движение на молекулите, когато се образува лед, те се пренареждат по стабилен и редовен начин. Водородните връзки фиксират взаимното подреждане на местата на кристалната решетка и в резултат на това разстоянието между молекулите става малко по-голямо, отколкото в течната фаза. Това обстоятелство обяснява скока в плътността на водата по време на нейната кристализация - плътността пада от почти 1 g/cm3 до около 0,92 g/cm3.
Относно латентната топлина
Характеристиките на молекулярната структура на водата са много сериозно отразени в нейните свойства. Това може да се види по-специално от високата специфична топлина на кристализация на водата. Дължи се именно на наличието на протонни връзки, което отличава водата от другите съединения, които образуват молекулни кристали. Установено е, че енергията на водородната връзка във водата е около 20 kJ на мол, тоест за 18 г. Значителна част от тези връзки се установяват "масово" при замръзване на водата - тук се получава толкова голямо възвръщане на енергия идва от.
Нека направим просто изчисление. Нека по време на кристализацията на водата се освободи 1650 kJ енергия. Това е много: еквивалентна енергия може да се получи например от експлозията на шест лимонови гранати F-1. Нека изчислим масата на водата, която е претърпяла кристализация. Формула, свързваща количеството латентна топлина Q, маса m и специфична топлина на кристализацияλ е много просто: Q=– λm. Знакът минус просто означава, че топлината се отделя от физическата система. Замествайки известните стойности, получаваме: m=1650/330=5 (kg). Необходими са само 5 литра, за да се отделят цели 1650 kJ енергия при кристализацията на водата! Разбира се, енергията не се отделя моментално - процесът продължава достатъчно дълго време и топлината се разсейва.
Много птици, например, са добре запознати с това свойство на водата и го използват, за да се припичат близо до замръзналата вода на езерата и реките, на такива места температурата на въздуха е с няколко градуса по-висока.
Кристализиране на решения
Водата е прекрасен разтворител. Разтворените в него вещества изместват точката на кристализация, като правило, надолу. Колкото по-висока е концентрацията на разтвора, толкова по-ниска ще замръзне температурата. Ярък пример е морската вода, в която са разтворени много различни соли. Тяхната концентрация в океанската вода е 35 ppm и такава вода кристализира при -1,9 °C. Солеността на водата в различните морета е много различна, така че точката на замръзване е различна. Така балтийската вода има соленост не повече от 8 ppm, а температурата й на кристализация е близка до 0 °C. Минерализираните подземни води също замръзват при температури под нулата. Трябва да се има предвид, че винаги говорим само за кристализация на водата: морският лед е почти винаги пресен, в краен случай леко солен.
Водните разтвори на различни алкохоли също се различават по редуциранеточка на замръзване, а кристализацията им не протича рязко, а с определен температурен диапазон. Например, 40% алкохол започва да замръзва при -22,5°C и накрая кристализира при -29,5°C.
Но разтвор на такава основа като сода каустик NaOH или каустик е интересно изключение: той се характеризира с повишена температура на кристализация.
Как замръзва чистата вода?
В дестилирана вода структурата на клъстера се нарушава поради изпаряване по време на дестилация и броят на водородните връзки между молекулите на такава вода е много малък. Освен това такава вода не съдържа примеси като суспендирани микроскопични прахови частици, мехурчета и др., които са допълнителни центрове на образуване на кристали. Поради тази причина точката на кристализация на дестилираната вода се понижава до -42 °C.
Възможно е преохлаждане на дестилирана вода дори до -70 °C. В това състояние преохладената вода може да кристализира почти мигновено в целия обем с най-малкото разклащане или проникване на незначителен примес.
Парадоксална топла вода
Удивителен факт - горещата вода се превръща в кристално състояние по-бързо от студената вода - беше наречен "ефект на Мпемба" в чест на танзанийския ученик, който открива този парадокс. По-точно, те са знаели за това в древността, но без да намерят обяснение, натурфилософите и естествените учени в крайна сметка спряха да обръщат внимание на мистериозния феномен.
През 1963 г. Ерасто Мпемба е изненадан от товаТоплият микс за сладолед се втвърдява по-бързо от студения микс за сладолед. И през 1969 г. интригуващо явление беше потвърдено вече във физически експеримент (между другото, с участието на самия Мпемба). Ефектът се обяснява с цял набор от причини:
- повече центрове на кристализация като въздушни мехурчета;
- високо разсейване на топлината на гореща вода;
- висока скорост на изпаряване, което води до намаляване на обема на течността.
Налягането като фактор на кристализация
Връзката между налягането и температурата като ключови величини, които влияят върху процеса на кристализация на водата, е ясно отразена във фазовата диаграма. От него се вижда, че с увеличаване на налягането температурата на фазовия преход на водата от течно в твърдо състояние намалява изключително бавно. Естествено, вярно е и обратното: колкото по-ниско е налягането, толкова по-висока е температурата, необходима за образуването на лед, и той расте също толкова бавно. За да се постигнат условия, при които водата (не дестилирана!) може да кристализира в обикновен лед Ih при възможно най-ниската температура от -22°C, налягането трябва да се увеличи до 2085 атмосфери.
Максималната температура на кристализация съответства на следната комбинация от условия, наречена тройна точка на водата: 0,006 атмосфери и 0,01 °C. При такива параметри точките на кристализация-топене и кондензационно-кипене съвпадат и и трите агрегатни състояния на водата съществуват съвместно в равновесие (при липса на други вещества).
Много видове лед
В момента са известни около 20 модификациитвърдо състояние на водата - от аморфно до ледено XVII. Всички те, с изключение на обикновения Ih лед, изискват екзотични за Земята условия на кристализация и не всички от тях са стабилни. Само лед Ic се среща много рядко в горните слоеве на земната атмосфера, но образуването му не е свързано със замръзване на водата, тъй като се образува от водна пара при изключително ниски температури. Лед XI е открит в Антарктида, но тази модификация е производна на обикновения лед.
Чрез кристализация на водата при изключително високи налягания е възможно да се получат такива ледени модификации като III, V, VI и при едновременно повишаване на температурата - лед VII. Вероятно някои от тях могат да се образуват при необичайни за нашата планета условия на други тела на Слънчевата система: на Уран, Нептун или големи спътници на планетите-гиганти. Трябва да се мисли, че бъдещите експерименти и теоретични изследвания на все още малко проучените свойства на тези ледове, както и особеностите на техните кристализационни процеси, ще изяснят този въпрос и ще отворят още много нови неща.
