În viața de zi cu zi, cu toții întâlnim din când în când fenomene care însoțesc procesele de tranziție a substanțelor de la o stare de agregare la alta. Și cel mai adesea trebuie să observăm astfel de fenomene pe exemplul unuia dintre cei mai obișnuiți compuși chimici - apa binecunoscută și familiară. Din articol veți afla cum are loc transformarea apei lichide în gheață solidă - un proces numit cristalizare a apei - și ce caracteristici caracterizează această tranziție.
Ce este o tranziție de fază?
Toată lumea știe că în natură există trei stări (faze) agregate principale ale materiei: solidă, lichidă și gazoasă. Adesea li se adaugă o a patra stare - plasmă (datorită caracteristicilor care o deosebesc de gaze). Cu toate acestea, la trecerea de la gaz la plasmă, nu există o limită ascuțită caracteristică, iar proprietățile sale sunt determinate nu atât de multrelația dintre particulele de materie (molecule și atomi), cât de mult starea atomilor înșiși.
Toate substanțele, care trec dintr-o stare în alta, în condiții normale își schimbă brusc proprietățile (cu excepția unor stări supercritice, dar nu le vom atinge aici). O astfel de transformare este o tranziție de fază sau, mai degrabă, una dintre soiurile sale. Are loc la o anumită combinație de parametri fizici (temperatura și presiune), numită punct de tranziție de fază.
Transformarea lichidului în gaz este evaporarea, fenomenul invers este condensarea. Trecerea unei substanțe de la starea solidă la starea lichidă se topește, dar dacă procesul merge în direcția opusă, atunci se numește cristalizare. Un corp solid se poate transforma imediat într-un gaz și invers - în aceste cazuri se vorbește despre sublimare și desublimare.
În timpul cristalizării, apa se transformă în gheață și demonstrează clar cât de mult se schimbă proprietățile sale fizice. Să ne oprim asupra unor detalii importante ale acestui fenomen.
Conceptul de cristalizare
Când un lichid se solidifică în timpul răcirii, natura interacțiunii și aranjamentul particulelor substanței se modifică. Energia cinetică a mișcării termice aleatoare a particulelor sale constitutive scade și acestea încep să formeze legături stabile între ele. Atunci când moleculele (sau atomii) se aliniază în mod regulat și ordonat prin aceste legături, se formează structura cristalină a unui solid.
Cristalizarea nu acoperă simultan întregul volum al lichidului răcit, ci începe cu formarea de cristale mici. Acestea sunt așa-numitele centre de cristalizare. Ele cresc în straturi, treptat, adăugând tot mai multe molecule sau atomi de materie de-a lungul stratului în creștere.
Condiții de cristalizare
Cristalizarea necesită răcirea lichidului la o anumită temperatură (este și punctul de topire). Astfel, temperatura de cristalizare a apei în condiții normale este de 0 °C.
Pentru fiecare substanță, cristalizarea este caracterizată de cantitatea de căldură latentă. Aceasta este cantitatea de energie eliberată în timpul acestui proces (și, în caz opus, respectiv, energia absorbită). Căldura specifică de cristalizare a apei este căldura latentă eliberată de un kilogram de apă la 0 °C. Dintre toate substanțele din apropierea apei, este una dintre cele mai mari și are aproximativ 330 kJ / kg. O valoare atât de mare se datorează caracteristicilor structurale care determină parametrii de cristalizare a apei. Vom folosi formula pentru calcularea căldurii latente de mai jos, după ce luăm în considerare aceste caracteristici.
Pentru a compensa căldura latentă, este necesar să suprarăciți lichidul pentru a începe creșterea cristalelor. Gradul de suprarăcire are un efect semnificativ asupra numărului de centre de cristalizare și asupra ratei de creștere a acestora. În timp ce procesul se desfășoară, răcirea ulterioară a temperaturii substanței nu se modifică.
Moleculă de apă
Pentru a înțelege mai bine cum se cristalizează apa, trebuie să știți cum este aranjată molecula acestui compus chimic, deoarecestructura unei molecule determină caracteristicile legăturilor pe care le formează.
Un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen sunt combinați într-o moleculă de apă. Ele formează un triunghi isoscel obtuz în care atomul de oxigen este situat la vârful unui unghi obtuz de 104,45°. În acest caz, oxigenul trage puternic norii de electroni în direcția sa, astfel încât molecula să fie un dipol electric. Sarcinile din acesta sunt distribuite pe vârfurile unei piramide tetraedrice imaginare - un tetraedru cu unghiuri interne de aproximativ 109 °. Drept urmare, molecula poate forma patru legături de hidrogen (protoni), care, desigur, afectează proprietățile apei.
Caracteristici ale structurii apei lichide și a gheții
Abilitatea unei molecule de apă de a forma legături de protoni se manifestă atât în stare lichidă, cât și în stare solidă. Când apa este lichidă, aceste legături sunt destul de instabile, ușor de distrus, dar și formate din nou constant. Datorită prezenței lor, moleculele de apă sunt mai puternic legate între ele decât particulele altor lichide. Asociându-se, formează structuri speciale - clustere. Din acest motiv, punctele de fază ale apei sunt deplasate către temperaturi mai ridicate, deoarece distrugerea unor astfel de asociați suplimentari necesită și energie. Mai mult, energia este destul de semnificativă: dacă nu ar exista legături și aglomerări de hidrogen, temperatura de cristalizare a apei (precum și topirea acesteia) ar fi de –100 °C, iar fierbere +80 °C.
Structura clusterelor este identică cu structura gheții cristaline. Conectând fiecare cu patru vecini, moleculele de apă construiesc o structură cristalină ajurata cu o bază în formă de hexagon. Spre deosebire de apa lichidă, unde microcristalele - ciorchini - sunt instabile și mobile din cauza mișcării termice a moleculelor, atunci când se formează gheață, acestea se rearanjează într-o manieră stabilă și regulată. Legăturile de hidrogen fixează aranjamentul reciproc al site-urilor rețelei cristaline și, ca urmare, distanța dintre molecule devine ceva mai mare decât în faza lichidă. Această împrejurare explică s altul în densitatea apei în timpul cristalizării acesteia - densitatea scade de la aproape 1 g/cm3 la aproximativ 0,92 g/cm3.
Despre căldura latentă
Caracteristicile structurii moleculare a apei se reflectă foarte serios în proprietățile acesteia. Acest lucru se poate observa, în special, din căldura specifică ridicată de cristalizare a apei. Se datorează tocmai prezenței legăturilor de protoni, care deosebesc apa de alți compuși care formează cristale moleculare. S-a stabilit că energia legăturilor de hidrogen în apă este de aproximativ 20 kJ pe mol, adică pentru 18 g. O parte semnificativă a acestor legături se stabilește „în masă” atunci când apa îngheață - aici este o revenire atât de mare a energiei. vine de la
Să facem un calcul simplu. Să se elibereze 1650 kJ de energie în timpul cristalizării apei. Este mult: energie echivalentă poate fi obținută, de exemplu, din explozia a șase grenade de lămâie F-1. Să calculăm masa de apă care a suferit cristalizare. Formula care raportează cantitatea de căldură latentă Q, masa m și căldura specifică de cristalizareλ este foarte simplu: Q=– λm. Semnul minus înseamnă pur și simplu că căldura este emisă de sistemul fizic. Înlocuind valorile cunoscute, obținem: m=1650/330=5 (kg). Sunt necesari doar 5 litri pentru ca până la 1650 kJ de energie să fie eliberată în timpul cristalizării apei! Desigur, energia nu este dată instantaneu - procesul durează suficient de lung, iar căldura este disipată.
Multe păsări, de exemplu, sunt foarte conștiente de această proprietate a apei și o folosesc pentru a se relaxa lângă apa înghețată a lacurilor și râurilor, în astfel de locuri temperatura aerului este cu câteva grade mai mare.
Cristalizarea soluțiilor
Apa este un solvent minunat. Substanțele dizolvate în el mută punctul de cristalizare, de regulă, în jos. Cu cât concentrația soluției este mai mare, cu atât temperatura va îngheța mai mică. Un exemplu izbitor este apa de mare, în care sunt dizolvate multe săruri diferite. Concentrația lor în apa oceanică este de 35 ppm și o astfel de apă cristalizează la -1,9 °C. Salinitatea apei în diferite mări este foarte diferită, astfel încât punctul de îngheț este diferit. Astfel, apa b altică are o salinitate de cel mult 8 ppm, iar temperatura sa de cristalizare este apropiată de 0 °C. Apa subterană mineralizată îngheață și la temperaturi sub zero. Trebuie avut în vedere că vorbim întotdeauna doar despre cristalizarea apei: gheața de mare este aproape întotdeauna proaspătă, în cazuri extreme, ușor sărată.
Soluțiile apoase de diverși alcooli diferă și prin reducereapunctul de îngheț, iar cristalizarea lor nu are loc brusc, ci cu un anumit interval de temperatură. De exemplu, 40% alcool începe să înghețe la -22,5°C și în cele din urmă cristalizează la -29,5°C.
Dar o soluție dintr-un astfel de alcali precum soda caustică NaOH sau caustică este o excepție interesantă: se caracterizează printr-o temperatură de cristalizare crescută.
Cum îngheață apa pură?
În apa distilată, structura cluster este ruptă din cauza evaporării în timpul distilării, iar numărul de legături de hidrogen dintre moleculele unei astfel de ape este foarte mic. În plus, o astfel de apă nu conține impurități, cum ar fi particule microscopice de praf în suspensie, bule etc., care sunt centre adiționale de formare a cristalelor. Din acest motiv, punctul de cristalizare al apei distilate este coborât la -42 °C.
Este posibil să suprarăciți apa distilată chiar și până la -70 °C. În această stare, apa suprarăcită este capabilă să se cristalizeze aproape instantaneu pe întregul volum, cu cea mai mică tremurare sau cu pătrunderea unei impurități nesemnificative.
Apă fierbinte paradoxală
Un fapt uimitor – apa fierbinte se transformă într-o stare cristalină mai repede decât apa rece – a fost numit „efectul Mpemba” în onoarea școlarului din Tanzania care a descoperit acest paradox. Mai precis, ei știau despre asta în antichitate, însă, negăsind o explicație, filozofii naturii și oamenii de știință ai naturii au încetat în cele din urmă să mai acorde atenție fenomenului misterios.
În 1963, Erasto Mpemba a fost surprins de astaAmestecul de înghețată caldă se întărește mai repede decât amestecul de înghețată rece. Și în 1969, un fenomen intrigant a fost confirmat deja într-un experiment fizic (apropo, cu participarea lui Mpemba însuși). Efectul este explicat printr-o serie întreagă de motive:
- mai multe centre de cristalizare, cum ar fi bulele de aer;
- disipare mare a căldurii a apei calde;
- viteză mare de evaporare, rezultând o scădere a volumului lichidului.
Presiunea ca factor de cristalizare
Relația dintre presiune și temperatură ca cantități cheie care afectează procesul de cristalizare a apei este reflectată clar în diagrama de fază. Din aceasta se poate observa că, odată cu creșterea presiunii, temperatura tranziției de fază a apei de la starea lichidă la starea solidă scade extrem de lent. Desigur, este adevărat și opusul: cu cât presiunea este mai mică, cu atât este mai mare temperatura necesară pentru formarea gheții și crește la fel de încet. Pentru a realiza condiții în care apa (nu distilată!) poate cristaliza în gheață obișnuită Ih la cea mai scăzută temperatură posibilă de -22 ° C, presiunea trebuie crescută la 2085 atmosfere.
Temperatura maximă de cristalizare corespunde următoarei combinații de condiții, numită punctul triplu al apei: 0,006 atmosfere și 0,01 °C. Cu asemenea parametri, punctele de cristalizare-topire și condensare-fierbere coincid și toate cele trei stări de agregare ale apei coexistă în echilibru (în absența altor substanțe).
Multe tipuri de gheață
În prezent, se cunosc aproximativ 20 de modificăristarea solidă a apei - de la amorf la gheață XVII. Toate acestea, cu excepția gheții Ih obișnuite, necesită condiții de cristalizare care sunt exotice pentru Pământ și nu toate sunt stabile. Doar gheața Ic se găsește foarte rar în straturile superioare ale atmosferei pământului, dar formarea acesteia nu este asociată cu înghețarea apei, deoarece se formează din vapori de apă la temperaturi extrem de scăzute. Gheața XI a fost găsită în Antarctica, dar această modificare este un derivat al gheții obișnuite.
Prin cristalizarea apei la presiuni extrem de mari, este posibil să se obțină astfel de modificări ale gheții ca III, V, VI și cu o creștere simultană a temperaturii - gheața VII. Este probabil ca unele dintre ele să se poată forma în condiții neobișnuite pentru planeta noastră pe alte corpuri ale sistemului solar: pe Uranus, Neptun sau sateliții mari ai planetelor gigantice. Trebuie să ne gândim că experimentele viitoare și studiile teoretice ale proprietăților încă puțin studiate ale acestor gheață, precum și caracteristicile proceselor lor de cristalizare, vor clarifica această problemă și vor deschide multe alte lucruri noi.
