Kundalik hayotda biz hammamiz vaqti-vaqti bilan moddalarning bir agregatsiya holatidan ikkinchisiga o'tish jarayonlari bilan birga keladigan hodisalarga duch kelamiz. Va ko'pincha biz bunday hodisalarni eng keng tarqalgan kimyoviy birikmalardan biri - taniqli va tanish suv misolida kuzatishimiz kerak. Maqolada siz suyuq suvning qattiq muzga aylanishi qanday sodir bo'lishini - bu jarayon suvning kristallanishi deb ataladi va bu o'tish qanday xususiyatlarni tavsiflashini bilib olasiz.
Fazali oʻtish nima?
Tabiatda moddalarning uchta asosiy agregat holati (fazalari) mavjudligini hamma biladi: qattiq, suyuq va gazsimon. Ko'pincha ularga to'rtinchi holat qo'shiladi - plazma (uni gazlardan ajratib turadigan xususiyatlar tufayli). Biroq, gazdan plazmaga o'tishda xarakterli keskin chegara yo'q va uning xususiyatlari unchalik aniqlanmaydi.moddaning zarralari (molekulalar va atomlar) o'rtasidagi munosabatlar, atomlarning o'zlari qanchalik holati.
Bir holatdan ikkinchi holatga oʻtuvchi barcha moddalar normal sharoitda oʻz xossalarini keskin oʻzgartiradi (baʼzi oʻta kritik holatlar bundan mustasno, lekin biz bu yerda ularga toʻxtalmaymiz). Bunday transformatsiya fazali o'tish, aniqrog'i, uning navlaridan biridir. U fazaga o'tish nuqtasi deb ataladigan jismoniy parametrlarning (harorat va bosim) ma'lum kombinatsiyasida sodir bo'ladi.
Suyuqlikning gazga aylanishi bug'lanish, teskari hodisa kondensatsiyadir. Moddaning qattiq holatdan suyuq holatga o'tishi erish hisoblanadi, lekin agar jarayon teskari yo'nalishda ketsa, u kristallanish deb ataladi. Qattiq jism darhol gazga aylanishi mumkin va aksincha - bu hollarda ular sublimatsiya va desublimatsiya haqida gapirishadi.
Kristallanish jarayonida suv muzga aylanadi va uning fizik xossalari qanchalik oʻzgarishini yaqqol namoyish etadi. Keling, ushbu hodisaning muhim tafsilotlariga toʻxtalib oʻtamiz.
Kristallanish tushunchasi
Suyuqlik sovutish paytida qotib qolganda, moddaning zarrachalarining o'zaro ta'siri va joylashishi tabiati o'zgaradi. Uni tashkil etuvchi zarrachalarning tasodifiy issiqlik harakatining kinetik energiyasi kamayadi va ular bir-biri bilan barqaror aloqalar hosil qila boshlaydi. Molekulalar (yoki atomlar) bu bogʻlanishlar orqali muntazam, tartibli tarzda joylashsa, qattiq jismning kristall tuzilishi hosil boʻladi.
Kristallanish bir vaqtning o'zida sovutilgan suyuqlikning butun hajmini qamrab olmaydi, lekin kichik kristallar hosil bo'lishi bilan boshlanadi. Bular kristallanish markazlari deb ataladi. Ular oʻsayotgan qatlam boʻylab tobora koʻproq molekulalar yoki moddalar atomlarini qoʻshish orqali bosqichma-bosqich qatlamlarda oʻsadi.
Kristallanish shartlari
Kristallanish suyuqlikni ma'lum bir haroratgacha sovutishni talab qiladi (bu erish nuqtasi hamdir). Shunday qilib, normal sharoitda suvning kristallanish harorati 0 °C ni tashkil qiladi.
Har bir modda uchun kristallanish yashirin issiqlik miqdori bilan tavsiflanadi. Bu jarayon davomida chiqarilgan energiya miqdori (va aksincha, mos ravishda so'rilgan energiya). Suvning kristallanishning o'ziga xos issiqligi 0 ° C da bir kilogramm suv tomonidan chiqarilgan yashirin issiqlikdir. Suv yaqinidagi barcha moddalardan u eng yuqorilaridan biridir va taxminan 330 kJ / kg ni tashkil qiladi. Bunday katta qiymat suvning kristallanish parametrlarini aniqlaydigan strukturaviy xususiyatlarga bog'liq. Bu xususiyatlarni ko‘rib chiqqandan so‘ng, quyida yashirin issiqlikni hisoblash formulasidan foydalanamiz.
Yashirin issiqlikni qoplash uchun kristall o'sishini boshlash uchun suyuqlikni haddan tashqari sovutish kerak. Yuqori sovutish darajasi kristallanish markazlari soniga va ularning o'sish tezligiga sezilarli ta'sir ko'rsatadi. Jarayon davom etayotganda, moddaning haroratini keyingi sovutish o'zgarmaydi.
Suv molekulasi
Suvning kristallanishini yaxshiroq tushunish uchun siz ushbu kimyoviy birikmaning molekulasi qanday joylashganligini bilishingiz kerak, chunkimolekula tuzilishi uning hosil qiladigan bog'lanish xususiyatlarini belgilaydi.
Bir kislorod atomi va ikkita vodorod atomi suv molekulasida birlashgan. Ular kislorod atomi 104,45° ga teng boʻlmagan burchak choʻqqisida joylashgan oʻtmas teng yonli uchburchakni hosil qiladi. Bunday holda, kislorod elektron bulutlarni o'z yo'nalishi bo'yicha kuchli tortadi, shuning uchun molekula elektr dipoldir. Undagi zaryadlar xayoliy tetraedral piramidaning uchlari bo'ylab taqsimlanadi - ichki burchaklari taxminan 109 ° bo'lgan tetraedr. Natijada, molekula to'rtta vodorod (proton) aloqasini hosil qilishi mumkin, bu, albatta, suvning xususiyatlariga ta'sir qiladi.
Suyuq suv va muzning tuzilishining xususiyatlari
Suv molekulasining proton aloqalarini hosil qilish qobiliyati suyuq va qattiq holatda ham namoyon bo`ladi. Suv suyuqlik bo'lsa, bu aloqalar juda beqaror, osonlikcha yo'q qilinadi, lekin doimiy ravishda yana hosil bo'ladi. Ularning mavjudligi tufayli suv molekulalari boshqa suyuqliklarning zarralariga qaraganda bir-biri bilan kuchliroq bog'langan. Birlashtirib, ular maxsus tuzilmalarni - klasterlarni hosil qiladi. Shu sababli, suvning faza nuqtalari yuqori haroratlar tomon siljiydi, chunki bunday qo'shimcha assotsiatsiyalarni yo'q qilish ham energiya talab qiladi. Bundan tashqari, energiya juda muhim: agar vodorod bog'lari va klasterlari bo'lmaganida, suvning kristallanish harorati (shuningdek, erishi) -100 ° C va qaynash +80 ° C bo'lar edi.
Klasterlarning tuzilishi kristalli muzning tuzilishi bilan bir xil. Har birini to'rtta qo'shni bilan bog'lab, suv molekulalari olti burchakli asosga ega ochiq kristalli tuzilmani yaratadi. Suyuq suvdan farqli o'laroq, mikrokristallar - klasterlar - molekulalarning issiqlik harakati tufayli beqaror va harakatchan bo'lib, muz hosil bo'lganda, ular barqaror va muntazam ravishda o'zlarini qayta tashkil qiladi. Vodorod aloqalari kristall panjara joylarining o'zaro joylashishini o'rnatadi va natijada molekulalar orasidagi masofa suyuq fazaga qaraganda biroz kattaroq bo'ladi. Bu holat suvning kristallanish jarayonida zichligining sakrashini tushuntiradi - zichlik deyarli 1 g/sm3 dan taxminan 0,92 g/sm3gacha tushadi..
Yashirin issiqlik haqida
Suvning molekulyar tuzilishining xususiyatlari uning xossalarida juda jiddiy aks ettirilgan. Buni, xususan, suvning kristallanishning yuqori o'ziga xos issiqligidan ko'rish mumkin. Bu suvni molekulyar kristallarni hosil qiluvchi boshqa birikmalardan ajratib turadigan proton bog'larining mavjudligi bilan bog'liq. Suvdagi vodorod bog'lanish energiyasi har bir mol uchun 20 kJ ni tashkil etishi aniqlandi, ya'ni 18 g uchun. Ushbu aloqalarning muhim qismi suv muzlaganda "ommaviy ravishda" o'rnatiladi - bu erda energiyaning katta qaytishi. dan keladi.
Oddiy hisob-kitob qilaylik. Suvning kristallanishida 1650 kJ energiya ajralib chiqsin. Bu juda ko'p: ekvivalent energiyani, masalan, oltita F-1 limonli granata portlashidan olish mumkin. Kristallanishga uchragan suvning massasini hisoblaylik. Yashirin issiqlik miqdori Q, massa m va kristallanishning solishtirma issiqligi bilan bog'liq formulal juda oddiy: Q=– lm. Minus belgisi shunchaki issiqlik jismoniy tizim tomonidan berilishini anglatadi. Ma'lum qiymatlarni almashtirib, biz olamiz: m=1650/330=5 (kg). Suvning kristallanishi paytida 1650 kJ energiya ajralib chiqishi uchun faqat 5 litr kerak bo'ladi! Albatta, energiya bir zumda berilmaydi - jarayon etarlicha uzoq davom etadi va issiqlik tarqaladi.
Masalan, koʻplab qushlar suvning bu xususiyatini yaxshi bilishadi va undan koʻl va daryolarning muzlab turgan suvi yaqinida suzish uchun foydalanadilar, bunday joylarda havo harorati bir necha daraja yuqori boʻladi.
Eritmalarning kristallanishi
Suv ajoyib erituvchidir. Unda erigan moddalar kristallanish nuqtasini, qoida tariqasida, pastga siljitadi. Eritmaning konsentratsiyasi qanchalik yuqori bo'lsa, harorat shunchalik past bo'ladi. Ko'p turli tuzlar erigan dengiz suvi yorqin misoldir. Ularning okean suvidagi konsentratsiyasi 35 ppm ni tashkil qiladi va bunday suv -1,9 ° C da kristallanadi. Turli dengizlardagi suvning sho'rligi juda farq qiladi, shuning uchun muzlash nuqtasi boshqacha. Shunday qilib, Boltiqbo'yi suvining sho'rligi 8 ppm dan oshmaydi va uning kristallanish harorati 0 ° C ga yaqin. Minerallashgan er osti suvlari noldan past haroratlarda ham muzlaydi. Shuni yodda tutish kerakki, biz doimo faqat suvning kristallanishi haqida gapiramiz: dengiz muzi deyarli har doim yangi, o'ta og'ir hollarda ozgina sho'r bo'ladi.
Har xil spirtlarning suvli eritmalari ham kamaytirilganligi bilan farqlanadimuzlash nuqtasi va ularning kristallanishi keskin emas, balki ma'lum bir harorat oralig'ida. Masalan, 40% spirt -22,5°C da muzlay boshlaydi va nihoyat -29,5°C da kristallanadi.
Ammo kaustik soda NaOH yoki kaustik kabi gidroksidi eritmasi qiziq istisno: u kristallanish haroratining oshishi bilan tavsiflanadi.
Toza suv qanday muzlaydi?
Distillangan suvda distillash paytida bug'lanish tufayli klaster tuzilishi buziladi va bunday suv molekulalari orasidagi vodorod bog'lari soni juda kam. Bundan tashqari, bunday suvda kristal shakllanishining qo'shimcha markazlari bo'lgan to'xtatilgan mikroskopik chang zarralari, pufakchalar va boshqalar kabi aralashmalar mavjud emas. Shuning uchun distillangan suvning kristallanish nuqtasi -42 °C ga tushiriladi.
Distillangan suvni hatto -70 °C gacha sovutish mumkin. Bu holatda, o'ta sovutilgan suv ozgina tebranish yoki arzimas aralashmaning kirishi bilan deyarli bir zumda butun hajm bo'ylab kristallanishi mumkin.
Paradoksal issiq suv
Ajoyib fakt - issiq suv sovuq suvga qaraganda tezroq kristall holatga aylanadi - bu paradoksni kashf etgan tanzaniyalik maktab o'quvchisi sharafiga "Mpemba effekti" deb nomlangan. Aniqrog'i, ular bu haqda antik davrda bilishgan, ammo tushuntirish topa olmay, tabiat faylasuflari va tabiatshunoslar oxir-oqibat sirli hodisaga e'tibor berishni to'xtatdilar.
1963 yilda Erasto Mpemba bundan hayratda ediIssiq muzqaymoq aralashmasi sovuq muzqaymoq aralashmasidan tezroq tayyorlanadi. Va 1969 yilda qiziqarli hodisa allaqachon fizik tajribada tasdiqlangan (Aytgancha, Mpembaning o'zi ishtirokida). Effekt bir qator sabablar bilan izohlanadi:
- koʻproq kristallanish markazlari, masalan havo pufakchalari;
- issiq suvning yuqori issiqlik tarqalishi;
- bugʻlanishning yuqori tezligi, natijada suyuqlik hajmi kamayadi.
Kristallanish omili sifatidagi bosim
Suvning kristallanish jarayoniga ta'sir qiluvchi asosiy miqdorlar sifatida bosim va harorat o'rtasidagi bog'liqlik fazalar diagrammasida aniq aks ettirilgan. Bundan ko'rinib turibdiki, bosim ortishi bilan suvning suyuqlikdan qattiq holatga o'tish fazasi harorati juda sekin pasayadi. Tabiiyki, buning aksi ham bo'ladi: bosim qanchalik past bo'lsa, muz hosil bo'lishi uchun zarur bo'lgan harorat shunchalik yuqori bo'ladi va u xuddi shunday sekin o'sadi. Suv (distillanmagan!) Ih mumkin bo'lgan eng past haroratda -22 ° C da oddiy muzga kristallanishga qodir bo'lgan sharoitlarga erishish uchun bosimni 2085 atmosferaga oshirish kerak.
Maksimal kristallanish harorati suvning uchlik nuqtasi deb ataladigan quyidagi shartlar kombinatsiyasiga mos keladi: 0,006 atmosfera va 0,01 °C. Bunday parametrlar bilan kristallanish - erish va kondensatsiya - qaynash nuqtalari bir-biriga to'g'ri keladi va suvning barcha uchta agregatsiya holati muvozanatda (boshqa moddalar bo'lmaganda) birga mavjud.
Koʻp turdagi muzlar
Hozirda 20 ga yaqin modifikatsiya ma'lumsuvning qattiq holati - amorfdan muzgacha XVII. Ularning barchasi, oddiy Ih muzdan tashqari, Yer uchun ekzotik bo'lgan kristallanish sharoitlarini talab qiladi va ularning hammasi ham barqaror emas. Er atmosferasining yuqori qatlamlarida faqat muz Ic juda kam uchraydi, lekin uning shakllanishi suvning muzlashi bilan bog'liq emas, chunki u juda past haroratlarda suv bug'idan hosil bo'ladi. Muz XI Antarktidada topilgan, ammo bu modifikatsiya oddiy muzning hosilasidir.
Suvni nihoyatda yuqori bosimlarda kristallash orqali III, V, VI kabi muz modifikatsiyalarini va bir vaqtda harorat oshishi bilan VII muzni olish mumkin. Ehtimol, ularning ba'zilari bizning sayyoramiz uchun g'ayrioddiy sharoitlarda Quyosh tizimining boshqa jismlarida: Uran, Neptun yoki gigant sayyoralarning yirik sun'iy yo'ldoshlarida paydo bo'lishi mumkin. O'ylash kerakki, kelajakdagi tajribalar va bu muzlarning hali oz o'rganilgan xususiyatlari, shuningdek, kristallanish jarayonlarining xususiyatlari bo'yicha nazariy tadqiqotlar bu masalaga oydinlik kiritadi va yana ko'plab yangi narsalarni ochib beradi.
