Күнделікті өмірде заттардың бір агрегаттық күйден екіншісіне ауысу процестерімен бірге жүретін құбылыстарға бәріміз де кездесеміз. Көбінесе мұндай құбылыстарды ең көп таралған химиялық қосылыстардың бірі - белгілі және таныс судың мысалында байқауға тура келеді. Мақалада сіз сұйық судың қатты мұзға айналуы қалай жүретінін - бұл процесс судың кристалдануы деп аталатынын және бұл өтудің қандай ерекшеліктерін сипаттайтынын білесіз.
Фазалық ауысу дегеніміз не?
Табиғатта заттың үш негізгі агрегаттық күйі (фазасы) бар екенін бәрі біледі: қатты, сұйық және газ тәрізді. Көбінесе оларға төртінші күй қосылады - плазма (оны газдардан ерекшелендіретін ерекшеліктеріне байланысты). Алайда, газдан плазмаға өткенде, тән өткір шекара болмайды және оның қасиеттері онша анықталмайды.зат бөлшектері (молекулалар мен атомдар) арасындағы байланыс, атомдардың өздерінің күйі қаншалықты.
Бір күйден екінші күйге өтетін барлық заттар қалыпты жағдайда өзінің қасиеттерін күрт өзгертеді (кейбір суперкритикалық күйлерді қоспағанда, бірақ біз бұл жерде оларға тоқталмаймыз). Мұндай түрлендіру фазалық ауысу, дәлірек айтқанда, оның сорттарының бірі болып табылады. Ол фазалық ауысу нүктесі деп аталатын физикалық параметрлердің (температура мен қысым) белгілі комбинациясында болады.
Сұйықтың газға айналуы булану, кері құбылыс конденсация. Заттың қатты күйден сұйық күйге өтуі балқу болып табылады, бірақ егер процесс қарама-қарсы бағытта жүрсе, онда оны кристалдану деп атайды. Қатты дене бірден газға айналуы мүмкін және керісінше - бұл жағдайларда олар сублимация және десублимация туралы айтады.
Кристалдану кезінде су мұзға айналады және оның физикалық қасиеттерінің қаншалықты өзгеретінін анық көрсетеді. Бұл құбылыстың кейбір маңызды мәліметтеріне тоқталайық.
Кристалдану түсінігі
Сұйықтық салқындату кезінде қатқан кезде зат бөлшектерінің өзара әрекеттесу және орналасу сипаты өзгереді. Оны құрайтын бөлшектердің кездейсоқ жылулық қозғалысының кинетикалық энергиясы азаяды және олар бір-бірімен тұрақты байланыс түзе бастайды. Молекулалар (немесе атомдар) осы байланыстар арқылы біркелкі, реттелген тәртіпте орналасқанда, қатты дененің кристалдық құрылымы пайда болады.
Кристалдану бір уақытта салқындатылған сұйықтықтың барлық көлемін қамтымайды, бірақ ұсақ кристалдардың түзілуінен басталады. Бұлар кристалдану орталықтары деп аталады. Олар өсіп келе жатқан қабат бойына заттың көбірек молекулалары немесе атомдарын қосу арқылы біртіндеп, қабат-қабат өседі.
Кристалдану шарттары
Кристалдану үшін сұйықтықты белгілі бір температураға дейін салқындату қажет (ол сондай-ақ балқу нүктесі). Осылайша, қалыпты жағдайда судың кристалдану температурасы 0 °C болады.
Әр зат үшін кристалдану жасырын жылу мөлшерімен сипатталады. Бұл процесс кезінде бөлінетін энергия мөлшері (және керісінше жағдайда, сәйкесінше, сіңірілген энергия). Судың кристалдануының меншікті жылуы деп 0 °С температурада бір килограмм су бөлетін жасырын жылуды айтады. Судың жанындағы барлық заттардың ішінде ол ең жоғарылардың бірі болып табылады және шамамен 330 кДж / кг құрайды. Мұндай үлкен мән судың кристалдану параметрлерін анықтайтын құрылымдық ерекшеліктерге байланысты. Осы мүмкіндіктерді қарастырғаннан кейін жасырын жылуды есептеу үшін төмендегі формуланы қолданамыз.
Жасырын жылуды өтеу үшін кристалдардың өсуін бастау үшін сұйықтықты өте суыту керек. Қатты салқындату дәрежесі кристалдану орталықтарының санына және олардың өсу жылдамдығына айтарлықтай әсер етеді. Процесс жүріп жатқан кезде заттың температурасын одан әрі салқындату өзгермейді.
Су молекуласы
Судың кристалдану жолын жақсырақ түсіну үшін осы химиялық қосылыс молекуласының қалай орналасатынын білу керек, өйткенімолекуланың құрылымы ол түзетін байланыстардың сипаттамаларын анықтайды.
Су молекуласында бір оттегі атомы мен екі сутегі атомы біріктірілген. Олар доғал тең қабырғалы үшбұрышты құрайды, онда оттегі атомы 104,45° доғал бұрыштың шыңында орналасқан. Бұл жағдайда оттегі электрон бұлттарын өз бағытында қатты тартады, сондықтан молекула электрлік диполь болады. Ондағы зарядтар ойдан шығарылған тетраэдрлік пирамиданың – ішкі бұрыштары шамамен 109° тетраэдрдің шыңдарына таралады. Нәтижесінде молекула төрт сутегі (протон) байланысын құра алады, бұл, әрине, судың қасиеттеріне әсер етеді.
Сұйық су мен мұздың құрылыс ерекшеліктері
Су молекуласының протондық байланыс түзу қабілеті сұйық күйде де, қатты күйде де көрінеді. Су сұйық болған кезде бұл байланыстар айтарлықтай тұрақсыз, оңай бұзылады, сонымен қатар үнемі қайта түзіледі. Олардың қатысуына байланысты су молекулалары басқа сұйықтықтардың бөлшектеріне қарағанда бір-бірімен күшті байланысқан. Ассоциацияланып, олар ерекше құрылымдарды – кластерлерді құрайды. Осы себепті судың фазалық нүктелері жоғары температураға қарай жылжиды, өйткені мұндай қосымша ассоциациялардың жойылуы да энергияны қажет етеді. Оның үстіне, энергия айтарлықтай маңызды: егер сутегі байланыстары мен шоғырлары болмаса, судың кристалдану температурасы (сонымен бірге оның балқуы) –100 °C, қайнау температурасы +80 °C болар еді.
Кластерлердің құрылымы кристалдық мұздың құрылымымен бірдей. Әрқайсысын төрт көршімен байланыстыра отырып, су молекулалары негізі алтыбұрышты пішінді ашық кристалды құрылымды құрайды. Молекулалардың жылулық қозғалысына байланысты микрокристалдар - шоғырлар тұрақсыз және қозғалмалы сұйық судан айырмашылығы, мұз пайда болған кезде олар тұрақты және тұрақты түрде қайта орналасады. Сутегі байланыстары кристалдық тор учаскелерінің өзара орналасуын бекітеді, нәтижесінде молекулалар арасындағы қашықтық сұйық фазаға қарағанда біршама үлкен болады. Бұл жағдай судың кристалдану кезіндегі тығыздығының секіруін түсіндіреді - тығыздық 1 г/см3 ден шамамен 0,92 г/см3 дейін төмендейді..
Жасырын қызу туралы
Судың молекулалық құрылымының ерекшеліктері оның қасиеттерінде өте байсалды түрде көрінеді. Мұны, атап айтқанда, судың кристалдануының жоғары меншікті жылуынан көруге болады. Бұл суды молекулалық кристалдарды құрайтын басқа қосылыстардан ерекшелендіретін протондық байланыстардың болуына байланысты. Судағы сутегі байланысының энергиясы бір мольге шамамен 20 кДж, яғни 18 г үшін екені анықталды. Осы байланыстардың едәуір бөлігі су қатқанда «жаппай түрде» орнатылады - дәл осы жерде энергияның үлкен қайтарымы болады. келеді.
Қарапайым есеп берейік. Судың кристалдануы кезінде 1650 кДж энергия бөлінсін. Бұл өте көп: баламалы энергияны, мысалы, алты F-1 лимон гранатасының жарылуынан алуға болады. Кристалданған судың массасын есептейік. Жасырын жылу мөлшері Q, массасы m және кристалданудың меншікті жылуына қатысты формулаλ өте қарапайым: Q=– λm. Минус таңбасы жай ғана жылуды физикалық жүйеден бөлетінін білдіреді. Белгілі мәндерді ауыстырып, аламыз: m=1650/330=5 (кг). Судың кристалдануы кезінде 1650 кДж энергия бөлінуі үшін небәрі 5 литр қажет! Әрине, энергия бірден берілмейді - процесс жеткілікті ұзақ уақытқа созылады және жылу бөлінеді.
Көптеген құстар, мысалы, судың бұл қасиетін жақсы біледі және оны көлдер мен өзендердің қақаған суының жанында шомылу үшін пайдаланады, мұндай жерлерде ауа температурасы бірнеше градусқа жоғары болады.
Ерітінділердің кристалдануы
Су - тамаша еріткіш. Онда еріген заттар кристалдану нүктесін, әдетте, төмен қарай жылжытады. Ерітінді концентрациясы неғұрлым жоғары болса, соғұрлым төмен температура қатады. Жарқын мысал - теңіз суы, онда көптеген әртүрлі тұздар еріген. Олардың мұхит суындағы концентрациясы 35 ppm құрайды және мұндай су -1,9 °C температурада кристалданады. Әр түрлі теңіздердегі судың тұздылығы өте әртүрлі, сондықтан қату температурасы әртүрлі. Осылайша, Балтық суының тұздылығы 8 промилледен аспайды, ал оның кристалдану температурасы 0 ° C-қа жақын. Минералды жер асты сулары да нөлден төмен температурада қатып қалады. Біз әрқашан тек судың кристалдануы туралы айтатынын есте ұстаған жөн: теңіз мұзы әрдайым дерлік тұщы, төтенше жағдайларда аздап тұзды болады.
Әртүрлі спирттердің сулы ерітінділері де қалпына келтірілгенімен ерекшеленедіқату температурасы және олардың кристалдануы кенеттен емес, белгілі бір температура диапазонында жүреді. Мысалы, 40% спирт -22,5°C температурада қатып, соңында -29,5°C температурада кристалданады.
Бірақ каустикалық сода NaOH немесе каустик сияқты сілтінің ерітіндісі қызықты ерекшелік болып табылады: ол кристалдану температурасының жоғарылауымен сипатталады.
Таза су қалай қатады?
Дистилденген суда дистилляция кезінде булану салдарынан кластер құрылымы бұзылады және мұндай судың молекулалары арасындағы сутектік байланыстардың саны өте аз. Сонымен қатар, мұндай судың құрамында кристал түзудің қосымша орталықтары болып табылатын суспензиялы микроскопиялық шаң бөлшектері, көпіршіктер және т.б. сияқты қоспалар болмайды. Осы себепті тазартылған судың кристалдану нүктесі -42 °C дейін төмендетіледі.
Дистилденген суды тіпті -70 °C дейін салқындатуға болады. Бұл күйде өте салқындатылған су шамалы сілкініспен немесе елеусіз қоспаның енуімен бүкіл көлемде бірден дерлік кристалдануға қабілетті.
Парадоксальды ыстық су
Таңғажайып факт – ыстық су суық суға қарағанда тезірек кристалды күйге айналады – осы парадоксты ашқан танзаниялық мектеп оқушысының құрметіне «Мпемба эффектісі» деп аталды. Дәлірек айтсақ, олар бұл туралы ежелгі уақытта білген, бірақ түсіндірме таба алмаған натурфилософтар мен жаратылыстану ғалымдары ақырында жұмбақ құбылысқа назар аударуды тоқтатты.
1963 жылы Эрасто Мпемба бұған таң қалдыЖылы балмұздақ қоспасы суық балмұздақ қоспасынан тезірек жиналады. Ал 1969 жылы қызықты құбылыс физикалық экспериментте расталды (айтпақшы, Мпембаның өзі қатысуымен). Әсер көптеген себептермен түсіндіріледі:
- көбірек кристалдану орталықтары, мысалы, ауа көпіршіктері;
- ыстық судың жоғары жылу диссипациясы;
- буланудың жоғары жылдамдығы, нәтижесінде сұйықтық көлемі азаяды.
Кристалдану факторы ретіндегі қысым
Судың кристалдану процесіне әсер ететін негізгі шамалар ретінде қысым мен температура арасындағы байланыс фазалық диаграммада анық көрсетілген. Бұдан қысымның жоғарылауымен судың сұйық күйден қатты күйге фазалық ауысу температурасы өте баяу төмендейтінін көруге болады. Әрине, керісінше де дұрыс: қысым неғұрлым төмен болса, мұздың пайда болуына қажетті температура соғұрлым жоғары болады және ол баяу өседі. Су (тазартылған емес!) -22 ° C ең төменгі температурада кәдімгі мұз Ih кристалдануға қабілетті жағдайға жету үшін қысымды 2085 атмосфераға дейін арттыру керек.
Кристалданудың ең жоғары температурасы судың үштік нүктесі деп аталатын келесі шарттар комбинациясына сәйкес келеді: 0,006 атмосфера және 0,01 °C. Мұндай параметрлермен кристалдану-балқу және конденсация-қайнау нүктелері сәйкес келеді және судың барлық үш агрегация күйі тепе-теңдікте (басқа заттар болмаған кезде) бірге өмір сүреді.
Мұздың көптеген түрлері
Қазір 20-ға жуық модификация белгілісудың қатты күйі – аморфтан мұзға дейін XVII. Олардың барлығы, кәдімгі Ih мұзын қоспағанда, Жер үшін экзотикалық болып табылатын кристалдану жағдайларын талап етеді, және олардың барлығы тұрақты емес. Жер атмосферасының жоғарғы қабаттарында тек мұз Ic өте сирек кездеседі, бірақ оның пайда болуы судың қатуымен байланысты емес, өйткені ол өте төмен температурада су буынан түзіледі. Мұз XI Антарктидадан табылды, бірақ бұл модификация кәдімгі мұздың туындысы.
Суды өте жоғары қысымда кристалдану арқылы III, V, VI сияқты мұз модификацияларын, ал температураның бір мезгілде жоғарылауымен - VII мұзды алуға болады. Олардың кейбіреулері біздің планетамыз үшін әдеттен тыс жағдайларда Күн жүйесінің басқа денелерінде: Уранда, Нептунда немесе алып планеталардың үлкен серіктерінде пайда болуы мүмкін. Бұл мұздардың әлі де аз зерттелген қасиеттерін, сондай-ақ олардың кристалдану процестерінің ерекшеліктерін болашақ тәжірибелер мен теориялық зерттеулер бұл мәселені нақтылайды және тағы да көптеген жаңа нәрселерді ашады деп ойлау керек.
