Sa pang-araw-araw na buhay, lahat tayo ngayon at pagkatapos ay nakakaranas ng mga phenomena na kasama ng mga proseso ng paglipat ng mga sangkap mula sa isang estado ng pagsasama-sama patungo sa isa pa. At madalas na kailangan nating obserbahan ang mga naturang phenomena sa halimbawa ng isa sa mga pinaka-karaniwang compound ng kemikal - kilala at pamilyar na tubig. Mula sa artikulo ay matututunan mo kung paano nangyayari ang pagbabago ng likidong tubig sa solidong yelo - isang prosesong tinatawag na pagkikristal ng tubig - at kung anong mga tampok ang nagpapakilala sa paglipat na ito.
Ano ang phase transition?
Alam ng lahat na sa kalikasan mayroong tatlong pangunahing pinagsama-samang estado (mga yugto) ng bagay: solid, likido at gas. Kadalasan ang isang ikaapat na estado ay idinagdag sa kanila - plasma (dahil sa mga tampok na nakikilala ito mula sa mga gas). Gayunpaman, kapag dumadaan mula sa gas hanggang sa plasma, walang katangian na matalim na hangganan, at ang mga katangian nito ay hindi masyadong natutukoy.ang ugnayan sa pagitan ng mga particle ng bagay (mga molekula at atomo), kung gaano kalaki ang estado ng mga atomo mismo.
Lahat ng mga substance, na dumadaan mula sa isang estado patungo sa isa pa, sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay biglang nagbabago ng kanilang mga katangian (maliban sa ilang supercritical na estado, ngunit hindi namin ito hihilingin dito). Ang ganitong pagbabago ay isang phase transition, o sa halip, isa sa mga varieties nito. Ito ay nangyayari sa isang partikular na kumbinasyon ng mga pisikal na parameter (temperatura at presyon), na tinatawag na phase transition point.
Ang pagbabagong-anyo ng likido sa gas ay evaporation, ang kabaligtaran na phenomenon ay condensation. Ang paglipat ng isang sangkap mula sa isang solido patungo sa isang likidong estado ay natutunaw, ngunit kung ang proseso ay napupunta sa kabaligtaran ng direksyon, kung gayon ito ay tinatawag na pagkikristal. Ang solid body ay maaaring agad na maging gas at vice versa - sa mga kasong ito, tinutukoy nila ang sublimation at desublimation.
Sa panahon ng crystallization, ang tubig ay nagiging yelo at malinaw na ipinapakita kung gaano nagbabago ang mga pisikal na katangian nito. Pag-isipan natin ang ilang mahahalagang detalye ng hindi pangkaraniwang bagay na ito.
Ang konsepto ng crystallization
Kapag ang isang likido ay tumigas sa panahon ng paglamig, ang likas na katangian ng pakikipag-ugnayan at pagsasaayos ng mga particle ng sangkap ay nagbabago. Ang kinetic energy ng random na thermal motion ng mga constituent particle nito ay bumababa, at nagsisimula silang bumuo ng mga matatag na bono sa isa't isa. Kapag ang mga molekula (o mga atomo) ay nakahanay sa regular at maayos na paraan sa pamamagitan ng mga bono na ito, ang kristal na istraktura ng isang solid ay nabubuo.
Hindi sabay na sinasaklaw ng crystallization ang buong volume ng pinalamig na likido, ngunit nagsisimula sa pagbuo ng maliliit na kristal. Ito ang tinatawag na mga sentro ng pagkikristal. Lumalaki sila sa mga layer, sunud-sunod, sa pamamagitan ng pagdaragdag ng higit pang mga molekula o mga atomo ng bagay sa kahabaan ng lumalaking layer.
Mga kundisyon ng crystallization
Ang pag-crystallization ay nangangailangan ng paglamig ng likido sa isang tiyak na temperatura (ito rin ang punto ng pagkatunaw). Kaya, ang temperatura ng crystallization ng tubig sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay 0 °C.
Para sa bawat substance, ang crystallization ay nailalarawan sa dami ng latent heat. Ito ang dami ng enerhiya na inilabas sa panahon ng prosesong ito (at sa kabaligtaran ng kaso, ayon sa pagkakabanggit, ang enerhiya na hinihigop). Ang tiyak na init ng pagkikristal ng tubig ay ang nakatagong init na inilabas ng isang kilo ng tubig sa 0 °C. Sa lahat ng mga sangkap na malapit sa tubig, isa ito sa pinakamataas at humigit-kumulang 330 kJ / kg. Ang ganitong malaking halaga ay dahil sa mga tampok na istruktura na tumutukoy sa mga parameter ng pagkikristal ng tubig. Gagamitin namin ang formula para sa pagkalkula ng latent heat sa ibaba, pagkatapos isaalang-alang ang mga feature na ito.
Upang mabayaran ang nakatagong init, kinakailangang i-supercool ang likido upang simulan ang paglaki ng kristal. Ang antas ng supercooling ay may makabuluhang epekto sa bilang ng mga sentro ng pagkikristal at sa rate ng kanilang paglaki. Habang nagpapatuloy ang proseso, hindi nagbabago ang karagdagang paglamig ng temperatura ng substance.
Molekyul ng tubig
Upang mas maunawaan kung paano nag-kristal ang tubig, kailangan mong malaman kung paano nakaayos ang molekula ng kemikal na tambalang ito, dahiltinutukoy ng istruktura ng isang molekula ang mga katangian ng mga bono na nabubuo nito.
Ang isang oxygen atom at dalawang hydrogen atom ay pinagsama sa isang molekula ng tubig. Bumubuo sila ng obtuse isosceles triangle kung saan ang oxygen atom ay matatagpuan sa tuktok ng isang obtuse angle na 104.45°. Sa kasong ito, malakas na hinihila ng oxygen ang mga ulap ng elektron sa direksyon nito, upang ang molekula ay isang electric dipole. Ang mga singil sa loob nito ay ipinamamahagi sa mga vertices ng isang haka-haka na tetrahedral pyramid - isang tetrahedron na may panloob na mga anggulo na humigit-kumulang 109 °. Bilang resulta, ang molekula ay maaaring bumuo ng apat na hydrogen (proton) bond, na, siyempre, ay nakakaapekto sa mga katangian ng tubig.
Mga tampok ng istraktura ng likidong tubig at yelo
Ang kakayahan ng isang molekula ng tubig na bumuo ng mga proton bond ay makikita sa parehong likido at solidong estado. Kapag ang tubig ay isang likido, ang mga bono na ito ay medyo hindi matatag, madaling masira, ngunit patuloy na nabuo muli. Dahil sa kanilang presensya, ang mga molekula ng tubig ay mas malakas na nakagapos sa isa't isa kaysa sa mga particle ng iba pang mga likido. Ang pag-uugnay, bumubuo sila ng mga espesyal na istruktura - mga kumpol. Para sa kadahilanang ito, ang mga phase point ng tubig ay inililipat patungo sa mas mataas na temperatura, dahil ang pagkasira ng naturang karagdagang mga kasama ay nangangailangan din ng enerhiya. Bukod dito, ang enerhiya ay medyo makabuluhan: kung walang hydrogen bond at cluster, ang crystallization temperature ng tubig (pati na rin ang pagkatunaw nito) ay magiging –100 °C, at kumukulo +80 °C.
Ang istraktura ng mga kumpol ay kapareho ng istraktura ng mala-kristal na yelo. Ang pagkonekta sa bawat isa sa apat na kapitbahay, ang mga molekula ng tubig ay bumuo ng isang openwork na mala-kristal na istraktura na may base sa hugis ng isang hexagon. Hindi tulad ng likidong tubig, kung saan ang mga microcrystals - mga kumpol - ay hindi matatag at gumagalaw dahil sa thermal movement ng mga molecule, kapag nabubuo ang yelo, inaayos nila ang kanilang mga sarili sa isang matatag at regular na paraan. Ang mga hydrogen bond ay nag-aayos ng magkaparehong pag-aayos ng mga kristal na lattice site, at bilang isang resulta, ang distansya sa pagitan ng mga molekula ay nagiging medyo mas malaki kaysa sa likidong bahagi. Ipinapaliwanag ng sitwasyong ito ang pagtalon sa density ng tubig sa panahon ng pagkikristal nito - bumaba ang density mula sa halos 1 g/cm3 hanggang sa humigit-kumulang 0.92 g/cm3.
Tungkol sa nakatagong init
Ang mga tampok ng molecular structure ng tubig ay napakaseryosong makikita sa mga katangian nito. Ito ay makikita, sa partikular, mula sa mataas na tiyak na init ng pagkikristal ng tubig. Ito ay dahil tiyak sa pagkakaroon ng mga proton bond, na nagpapakilala sa tubig mula sa iba pang mga compound na bumubuo ng mga molekular na kristal. Napag-alaman na ang enerhiya ng hydrogen bond sa tubig ay humigit-kumulang 20 kJ bawat mole, iyon ay, para sa 18 g. Ang isang makabuluhang bahagi ng mga bono na ito ay itinatag "en masse" kapag ang tubig ay nag-freeze - dito ang malaking pagbabalik ng enerhiya nanggaling sa.
Magbigay tayo ng simpleng kalkulasyon. Hayaang mailabas ang 1650 kJ ng enerhiya sa panahon ng pagkikristal ng tubig. Ito ay marami: ang katumbas na enerhiya ay maaaring makuha, halimbawa, mula sa pagsabog ng anim na F-1 lemon grenades. Kalkulahin natin ang masa ng tubig na sumailalim sa crystallization. Formula na nag-uugnay sa dami ng latent heat Q, mass m at specific heat ng crystallizationNapakasimple ng λ: Q=– λm. Ang minus sign ay nangangahulugan lamang na ang init ay ibinibigay ng pisikal na sistema. Ang pagpapalit sa mga kilalang halaga, nakukuha natin: m=1650/330=5 (kg). 5 litro lamang ang kailangan para sa kasing dami ng 1650 kJ ng enerhiya na mailalabas sa panahon ng pagkikristal ng tubig! Siyempre, ang enerhiya ay hindi nabibigay kaagad - ang proseso ay tumatagal ng sapat na mahabang panahon, at ang init ay nawawala.
Maraming mga ibon, halimbawa, ang lubos na nakakaalam sa katangiang ito ng tubig, at ginagamit ito upang magpainit malapit sa nagyeyelong tubig ng mga lawa at ilog, sa mga nasabing lugar ang temperatura ng hangin ay ilang degrees na mas mataas.
Crystallization ng mga solusyon
Ang tubig ay isang napakagandang solvent. Ang mga sangkap na natunaw sa loob nito ay nagbabago sa punto ng pagkikristal, bilang panuntunan, pababa. Kung mas mataas ang konsentrasyon ng solusyon, mas mababa ang temperatura ay magyeyelo. Ang isang kapansin-pansing halimbawa ay ang tubig dagat, kung saan maraming iba't ibang mga asin ang natutunaw. Ang kanilang konsentrasyon sa tubig sa karagatan ay 35 ppm, at ang naturang tubig ay nag-kristal sa -1.9 °C. Ang kaasinan ng tubig sa iba't ibang dagat ay ibang-iba, kaya't iba ang lamig ng panahon. Kaya, ang tubig ng B altic ay may kaasinan na hindi hihigit sa 8 ppm, at ang temperatura ng crystallization nito ay malapit sa 0 °C. Ang mineralized na tubig sa lupa ay nagyeyelo rin sa mga temperaturang mababa sa zero. Dapat tandaan na palagi lang nating pinag-uusapan ang tungkol sa pagkikristal ng tubig: ang yelo sa dagat ay halos palaging sariwa, sa matinding mga kaso, medyo maalat.
Ang mga may tubig na solusyon ng iba't ibang alkohol ay nagkakaiba din sa nabawasnagyeyelong punto, at ang kanilang pagkikristal ay hindi nagpapatuloy nang biglaan, ngunit may isang tiyak na hanay ng temperatura. Halimbawa, ang 40% na alkohol ay nagsisimulang mag-freeze sa -22.5°C at sa wakas ay nag-kristal sa -29.5°C.
Ngunit ang solusyon ng naturang alkali gaya ng caustic soda NaOH o caustic ay isang kawili-wiling pagbubukod: ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagtaas ng temperatura ng crystallization.
Paano nagyeyelo ang purong tubig?
Sa distilled water, nasira ang cluster structure dahil sa evaporation sa panahon ng distillation, at napakaliit ng bilang ng hydrogen bond sa pagitan ng mga molecule ng naturang tubig. Bilang karagdagan, ang naturang tubig ay hindi naglalaman ng mga impurities tulad ng mga nasuspinde na microscopic dust particle, mga bula, atbp., na mga karagdagang sentro ng pagbuo ng kristal. Para sa kadahilanang ito, ang crystallization point ng distilled water ay ibinaba sa -42 °C.
Posibleng i-supercool ang distilled water kahit hanggang -70 °C. Sa ganitong estado, ang supercooled na tubig ay nagagawang mag-kristal halos kaagad sa buong volume na may kaunting pag-alog o pagpasok ng hindi gaanong karumihan.
Paradoxical na mainit na tubig
Isang kamangha-manghang katotohanan - ang mainit na tubig ay nagiging mala-kristal na estado na mas mabilis kaysa sa malamig na tubig - ay tinawag na "Epekto ng Mpemba" bilang parangal sa Tanzanian schoolboy na nakatuklas ng kabalintunaan na ito. Mas tiyak, alam nila ang tungkol dito noong unang panahon, gayunpaman, nang hindi nakahanap ng paliwanag, ang mga natural na pilosopo at natural na siyentipiko ay tuluyang tumigil sa pagbibigay pansin sa mahiwagang phenomenon.
Noong 1963, nagulat si Erasto MpembaAng mainit na paghahalo ng ice cream ay mas mabilis kaysa sa malamig na paghahalo ng ice cream. At noong 1969, ang isang nakakaintriga na kababalaghan ay nakumpirma na sa isang pisikal na eksperimento (sa pamamagitan ng paraan, kasama ang pakikilahok mismo ni Mpemba). Ang epekto ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng isang buong hanay ng mga dahilan:
- higit pang mga sentro ng pagkikristal gaya ng mga bula ng hangin;
- high heat dissipation ng mainit na tubig;
- mataas na rate ng evaporation, na nagreresulta sa pagbaba sa dami ng likido.
Pressure bilang crystallization factor
Ang ugnayan sa pagitan ng presyon at temperatura bilang mga pangunahing dami na nakakaapekto sa proseso ng pagkikristal ng tubig ay malinaw na makikita sa phase diagram. Ito ay makikita mula dito na sa pagtaas ng presyon, ang temperatura ng phase transition ng tubig mula sa isang likido hanggang sa isang solidong estado ay bumababa nang napakabagal. Natural, ang kabaligtaran ay totoo rin: mas mababa ang presyon, mas mataas ang temperatura na kinakailangan para sa pagbuo ng yelo, at ito ay lumalaki nang kasingbagal. Upang makamit ang mga kondisyon kung saan ang tubig (hindi distilled!) ay nagagawang mag-kristal sa ordinaryong yelo Ih sa pinakamababang posibleng temperatura na -22 ° C, ang presyon ay dapat tumaas sa 2085 atmospheres.
Ang pinakamataas na temperatura ng crystallization ay tumutugma sa sumusunod na kumbinasyon ng mga kundisyon, na tinatawag na triple point ng tubig: 0.006 atmospheres at 0.01 °C. Sa ganitong mga parameter, ang mga punto ng crystallization-melting at condensation-boiling ay nag-tutugma, at ang lahat ng tatlong estado ng pagsasama-sama ng tubig ay magkakasamang nabubuhay sa balanse (sa kawalan ng iba pang mga sangkap).
Maraming uri ng yelo
Kasalukuyang kilala tungkol sa 20 pagbabagosolidong estado ng tubig - mula sa amorphous hanggang sa yelo XVII. Ang lahat ng mga ito, maliban sa ordinaryong yelo, ay nangangailangan ng mga kondisyon ng pagkikristal na kakaiba para sa Earth, at hindi lahat ng mga ito ay matatag. Tanging ang yelo Ic ay napakabihirang matatagpuan sa itaas na mga layer ng atmospera ng mundo, ngunit ang pagbuo nito ay hindi nauugnay sa pagyeyelo ng tubig, dahil ito ay nabuo mula sa singaw ng tubig sa napakababang temperatura. Natagpuan ang Ice XI sa Antarctica, ngunit ang pagbabagong ito ay hango sa ordinaryong yelo.
Sa pamamagitan ng pagkikristal ng tubig sa napakataas na presyon, posibleng makakuha ng mga pagbabago sa yelo gaya ng III, V, VI, at sa sabay-sabay na pagtaas ng temperatura - yelo VII. Malamang na ang ilan sa mga ito ay maaaring mabuo sa ilalim ng mga kondisyon na hindi karaniwan para sa ating planeta sa iba pang mga katawan ng solar system: sa Uranus, Neptune o malalaking satellite ng mga higanteng planeta. Dapat isipin ng isang tao na ang mga eksperimento sa hinaharap at teoretikal na pag-aaral ng hindi pa gaanong pinag-aralan na mga katangian ng mga yelong ito, gayundin ang mga tampok ng kanilang mga proseso ng crystallization, ay magpapalinaw sa isyung ito at magbubukas ng marami pang bagong bagay.
