Günlük yaşamda, hepimiz zaman zaman maddelerin bir kümelenme durumundan diğerine geçiş süreçlerine eşlik eden fenomenlerle karşılaşırız. Ve çoğu zaman, en yaygın kimyasal bileşiklerden biri olan iyi bilinen ve tanıdık su örneğinde bu tür olayları gözlemlemeliyiz. Makaleden, sıvı suyun katı buza dönüşümünün - su kristalizasyonu adı verilen bir süreç - nasıl gerçekleştiğini ve bu geçişi hangi özelliklerin karakterize ettiğini öğreneceksiniz.
Faz geçişi nedir?
Herkes bilir ki doğada maddenin üç ana toplam hali (fazı) vardır: katı, sıvı ve gaz. Genellikle onlara dördüncü bir durum eklenir - plazma (onu gazlardan ayıran özelliklerden dolayı). Ancak gazdan plazmaya geçerken karakteristik keskin bir sınır yoktur ve özellikleri çok fazla belirlenmemiştir.maddenin tanecikleri arasındaki ilişki (moleküller ve atomlar), atomların kendilerinin durumu ne kadardır.
Normal şartlar altında bir halden diğerine geçen tüm maddeler aniden özelliklerini değiştirirler (bazı süperkritik durumlar dışında, ama burada bunlara değinmeyeceğiz). Böyle bir dönüşüm, bir faz geçişi veya daha doğrusu çeşitlerinden biridir. Faz geçiş noktası olarak adlandırılan belirli bir fiziksel parametre kombinasyonunda (sıcaklık ve basınç) oluşur.
Sıvının gaza dönüşümü buharlaşmadır, bunun tersi de yoğuşmadır. Bir maddenin katı halden sıvı hale geçişi ergimedir, ancak süreç ters yönde ilerlerse buna kristalleşme denir. Katı bir cisim hemen gaza dönüşebilir ve bunun tersi de olabilir - bu durumlarda süblimleşme ve desüblimasyondan bahsederler.
Kristalleşme sırasında su buza dönüşür ve fiziksel özelliklerinin ne kadar değiştiğini açıkça gösterir. Bu fenomenin bazı önemli detayları üzerinde duralım.
Kristalizasyon kavramı
Soğutma sırasında bir sıvı katılaştığında, etkileşimin doğası ve maddenin parçacıklarının düzeni değişir. Bileşen parçacıklarının rastgele termal hareketinin kinetik enerjisi azalır ve birbirleriyle kararlı bağlar oluşturmaya başlarlar. Moleküller (veya atomlar) bu bağlar boyunca düzenli, düzenli bir şekilde sıralandığında, bir katının kristal yapısı oluşur.
Kristalizasyon, aynı anda soğutulan sıvının tüm hacmini kapsamaz, ancak küçük kristallerin oluşumuyla başlar. Bunlar sözde kristalleşme merkezleridir. Büyüyen katman boyunca daha fazla molekül veya madde atomu ekleyerek adım adım katmanlar halinde büyürler.
Kristalleşme koşulları
Kristalizasyon, sıvının belirli bir sıcaklığa soğutulmasını gerektirir (aynı zamanda erime noktasıdır). Bu nedenle normal koşullar altında suyun kristalleşme sıcaklığı 0 °C'dir.
Her madde için kristalleşme, gizli ısı miktarı ile karakterize edilir. Bu, bu işlem sırasında salınan enerji miktarıdır (ve tersi durumda sırasıyla emilen enerji). Suyun özgül kristalleşme ısısı, 0 °C'de bir kilogram suyun açığa çıkardığı gizli ısıdır. Suya yakın tüm maddelerden en yükseklerinden biridir ve yaklaşık 330 kJ / kg'dır. Böyle büyük bir değer, su kristalizasyonunun parametrelerini belirleyen yapısal özelliklerden kaynaklanmaktadır. Bu özellikleri göz önünde bulundurarak aşağıdaki gizli ısıyı hesaplamak için formülü kullanacağız.
Gizli ısıyı telafi etmek için, kristal büyümesini başlatmak için sıvıyı aşırı soğutmak gerekir. Aşırı soğutmanın derecesi, kristalizasyon merkezlerinin sayısı ve büyüme hızları üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. İşlem devam ederken, maddenin sıcaklığının daha fazla soğuması değişmez.
Su molekülü
Suyun nasıl kristalleştiğini daha iyi anlamak için, bu kimyasal bileşiğin molekülünün nasıl düzenlendiğini bilmeniz gerekir, çünkübir molekülün yapısı, oluşturduğu bağların özelliklerini belirler.
Bir oksijen atomu ve iki hidrojen atomu bir su molekülünde birleştirilir. Oksijen atomunun 104,45 ° 'lik geniş bir açının tepesinde yer aldığı geniş bir ikizkenar üçgen oluştururlar. Bu durumda oksijen, elektron bulutlarını güçlü bir şekilde kendi yönünde çeker, böylece molekül bir elektrik dipolü olur. İçindeki yükler, hayali bir tetrahedral piramidin köşelerine dağıtılır - iç açıları yaklaşık 109 ° olan bir tetrahedron. Sonuç olarak molekül, elbette suyun özelliklerini etkileyen dört hidrojen (proton) bağı oluşturabilir.
Sıvı su ve buzun yapısının özellikleri
Bir su molekülünün proton bağları oluşturma yeteneği hem sıvı hem de katı halde kendini gösterir. Su bir sıvı olduğunda, bu bağlar oldukça kararsızdır, kolayca yok edilir, ancak aynı zamanda sürekli olarak yeniden oluşur. Varlıkları nedeniyle su molekülleri, diğer sıvıların parçacıklarından daha güçlü bir şekilde birbirine bağlanır. İlişkilendirerek, özel yapılar oluştururlar - kümeler. Bu nedenle, suyun faz noktaları daha yüksek sıcaklıklara doğru kayar, çünkü bu tür ek ortakların yok edilmesi de enerji gerektirir. Ayrıca, enerji oldukça önemlidir: Hidrojen bağları ve kümeleri olmasaydı, suyun kristalleşme sıcaklığı (ve erimesi) –100 °C ve kaynama +80 °C olurdu.
Kümelerin yapısı kristal buzun yapısıyla aynıdır. Her birini dört komşuyla birbirine bağlayan su molekülleri, altıgen şeklinde bir tabanı olan bir açık kristal yapı oluşturur. Mikro kristallerin - kümelerin - moleküllerin termal hareketi nedeniyle kararsız ve hareketli olduğu sıvı suyun aksine, buz oluştuğunda, kendilerini kararlı ve düzenli bir şekilde yeniden düzenlerler. Hidrojen bağları, kristal kafes bölgelerinin karşılıklı düzenini sabitler ve sonuç olarak, moleküller arasındaki mesafe sıvı fazdakinden biraz daha büyük olur. Bu durum, kristalleşme sırasında suyun yoğunluğundaki sıçramayı açıklar - yoğunluk neredeyse 1 g/cm3'den yaklaşık 0,92 g/cm3'ye düşer..
Gizli ısı hakkında
Suyun moleküler yapısının özellikleri, özelliklerine çok ciddi bir şekilde yansır. Bu, özellikle suyun kristalleşmenin yüksek özgül ısısından görülebilir. Tam olarak, suyu moleküler kristaller oluşturan diğer bileşiklerden ayıran proton bağlarının varlığından kaynaklanmaktadır. Sudaki hidrojen bağ enerjisinin mol başına yaklaşık 20 kJ, yani 18 g olduğu tespit edilmiştir. Bu bağların önemli bir kısmı, su donduğunda “toplu olarak” kurulur - bu, böyle büyük bir enerji geri dönüşünün olduğu yerdir. gelen.
Basit bir hesaplama yapalım. Suyun kristalleşmesi sırasında 1650 kJ enerji açığa çıksın. Bu çok fazla: örneğin altı F-1 limon bombasının patlamasından eşdeğer enerji elde edilebilir. Kristalleşmeye uğramış suyun kütlesini hesaplayalım. Gizli ısı miktarı Q, kütle m ve kristalleşmenin özgül ısısı ile ilgili formülλ çok basittir: Q=– λm. Eksi işareti, ısının fiziksel sistem tarafından verildiği anlamına gelir. Bilinen değerleri değiştirerek şunu elde ederiz: m=1650/330=5 (kg). Suyun kristalleşmesi sırasında açığa çıkacak 1650 kJ kadar enerji için sadece 5 litreye ihtiyaç vardır! Tabii ki, enerji anında verilmez - süreç yeterince uzun sürer ve ısı dağıtılır.
Örneğin, birçok kuş suyun bu özelliğinin çok iyi farkındadır ve onu göllerin ve nehirlerin dondurucu sularının yakınında güneşlenmek için kullanır, bu tür yerlerde hava sıcaklığı birkaç derece daha yüksektir.
Çözümlerin kristalleştirilmesi
Su harika bir çözücüdür. İçinde çözünen maddeler, kristalleşme noktasını kural olarak aşağı kaydırır. Çözeltinin konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, sıcaklık o kadar düşük olur. Çarpıcı bir örnek, içinde birçok farklı tuzun çözüldüğü deniz suyudur. Okyanus suyundaki konsantrasyonları 35 ppm'dir ve bu su -1.9 °C'de kristalleşir. Farklı denizlerdeki suyun tuzluluğu çok farklıdır, bu nedenle donma noktası farklıdır. Bu nedenle B altık suyunun tuzluluğu 8 ppm'den fazla değildir ve kristalleşme sıcaklığı 0 °C'ye yakındır. Mineralli yer altı suyu da sıfırın altındaki sıcaklıklarda donar. Her zaman sadece su kristalizasyonundan bahsettiğimiz akılda tutulmalıdır: deniz buzu neredeyse her zaman tazedir, aşırı durumlarda hafif tuzludur.
Çeşitli alkollerin sulu çözeltileri de indirgenmiş olarak farklılık gösterir.donma noktası ve kristalleşmeleri aniden değil, belirli bir sıcaklık aralığında ilerler. Örneğin, %40 alkol -22.5°C'de donmaya başlar ve son olarak -29.5°C'de kristalleşir.
Ancak kostik soda NaOH veya kostik gibi bir alkali çözeltisi ilginç bir istisnadır: artan kristalizasyon sıcaklığı ile karakterize edilir.
Saf su nasıl donar?
Damıtılmış suda, damıtma sırasında buharlaşma nedeniyle küme yapısı bozulur ve bu tür suyun molekülleri arasındaki hidrojen bağlarının sayısı çok azdır. Ek olarak, bu tür su, ek kristal oluşum merkezleri olan asılı mikroskobik toz parçacıkları, kabarcıklar vb. gibi safsızlıkları içermez. Bu nedenle distile suyun kristalleşme noktası -42 °C'ye düşürülür.
Damıtılmış suyu -70 °C'ye kadar aşırı soğutmak mümkündür. Bu durumda, aşırı soğutulmuş su, en ufak bir sarsıntıyla veya önemsiz bir safsızlığın girmesiyle neredeyse tüm hacim üzerinde neredeyse anında kristalleşebilir.
Çaresiz sıcak su
İnanılmaz bir gerçek - sıcak su, soğuk sudan daha hızlı bir şekilde kristal hale dönüşür - bu paradoksu keşfeden Tanzanya okul çocuğunun onuruna "Mpemba etkisi" olarak adlandırıldı. Daha doğrusu, antik çağda bunu biliyorlardı, ancak bir açıklama bulamayınca, doğa filozofları ve doğa bilimcileri sonunda gizemli fenomene dikkat etmeyi bıraktılar.
1963'te Erasto Mpemba buna şaşırdıSıcak dondurma karışımı, soğuk dondurma karışımından daha hızlı donar. Ve 1969'da, fiziksel bir deneyde (bu arada, Mpemba'nın katılımıyla) ilgi çekici bir fenomen doğrulandı. Etki, çok çeşitli nedenlerle açıklanır:
- hava kabarcıkları gibi daha fazla kristalleşme merkezi;
- sıcak suyun yüksek ısı dağılımı;
- sıvı hacminde azalmaya neden olan yüksek buharlaşma hızı.
Kristalizasyon faktörü olarak basınç
Su kristalleşme sürecini etkileyen temel miktarlar olarak basınç ve sıcaklık arasındaki ilişki, faz diyagramında açıkça yansıtılır. Artan basınçla, suyun bir sıvıdan katı bir duruma faz geçişinin sıcaklığının son derece yavaş düştüğü görülebilir. Doğal olarak, bunun tersi de geçerlidir: basınç ne kadar düşükse, buz oluşumu için gereken sıcaklık o kadar yüksek olur ve aynı şekilde yavaş büyür. Suyun (damıtılmamış!) mümkün olan en düşük -22 °C sıcaklıkta normal buza Ih kristalleşebildiği koşullara ulaşmak için, basıncın 2085 atmosfere yükseltilmesi gerekir.
Maksimum kristalleşme sıcaklığı, suyun üçlü noktası olarak adlandırılan aşağıdaki koşulların kombinasyonuna karşılık gelir: 0,006 atmosfer ve 0,01 °C. Bu tür parametrelerle, kristalleşme-erime ve yoğunlaşma-kaynama noktaları çakışır ve suyun üç kümelenme durumu da dengede (başka maddelerin yokluğunda) bir arada bulunur.
Birçok buz türü
Şu anda yaklaşık 20 değişiklik biliniyorsuyun katı hali - şekilsizden buza XVII. Sıradan Ih buz dışında hepsi, Dünya için egzotik olan kristalleşme koşulları gerektirir ve hepsi kararlı değildir. Dünya atmosferinin üst katmanlarında sadece buz Ic çok nadiren bulunur, ancak oluşumu, aşırı düşük sıcaklıklarda su buharından oluştuğu için suyun donmasıyla ilişkili değildir. Ice XI Antarktika'da bulundu, ancak bu değişiklik sıradan buzun bir türevi.
Suyun aşırı yüksek basınçlarda kristalleştirilmesiyle, III, V, VI gibi buz modifikasyonları ve aynı anda sıcaklıkta bir artışla - buz VII'yi elde etmek mümkündür. Bazılarının gezegenimiz için olağandışı koşullar altında, güneş sisteminin diğer gövdelerinde: Uranüs, Neptün veya dev gezegenlerin büyük uydularında oluşması muhtemeldir. Bu buzların henüz çok az çalışılmış özellikleri ve ayrıca kristalleşme süreçlerinin özellikleriyle ilgili gelecekteki deneylerin ve teorik çalışmaların bu konuyu açıklığa kavuşturacağını ve daha birçok yeni şeyin önünü açacağını düşünmek gerekir.
