Gündəlik həyatda biz hamımız vaxtaşırı maddələrin bir birləşmə vəziyyətindən digərinə keçid proseslərini müşayiət edən hadisələrlə qarşılaşırıq. Və ən çox belə hadisələri ən çox yayılmış kimyəvi birləşmələrdən birinin - tanınmış və tanış suyun timsalında müşahidə etməliyik. Məqalədən siz maye suyun bərk buza çevrilməsinin necə baş verdiyini - suyun kristallaşması adlanan proses - və bu keçidin hansı xüsusiyyətlərini xarakterizə etdiyini öyrənəcəksiniz.
Faza keçidi nədir?
Hər kəs bilir ki, təbiətdə maddənin üç əsas məcmu vəziyyəti (fazaları) mövcuddur: bərk, maye və qaz halında. Çox vaxt onlara dördüncü bir vəziyyət əlavə olunur - plazma (qazlardan fərqləndirən xüsusiyyətlərə görə). Ancaq qazdan plazmaya keçərkən xarakterik kəskin sərhəd yoxdur və onun xassələri o qədər də müəyyən edilmir.maddənin hissəcikləri (molekullar və atomlar) arasındakı əlaqə, atomların özlərinin vəziyyəti nə qədərdir.
Bir vəziyyətdən digərinə keçən bütün maddələr normal şəraitdə öz xassələrini kəskin şəkildə dəyişir (bəzi superkritik hallar istisna olmaqla, lakin biz burada onlara toxunmayacağıq). Belə bir çevrilmə faza keçididir, daha doğrusu, onun növlərindən biridir. O, faza keçid nöqtəsi adlanan fiziki parametrlərin (temperatur və təzyiq) müəyyən birləşməsində baş verir.
Mayenin qaza çevrilməsi buxarlanma, əksi isə kondensasiyadır. Maddənin bərk haldan maye vəziyyətə keçməsi ərimədir, lakin proses əks istiqamətdə gedirsə, buna kristallaşma deyilir. Bərk cisim dərhal qaza çevrilə bilər və əksinə - bu hallarda onlar sublimasiya və desublimasiyadan danışırlar.
Kristallaşma zamanı su buza çevrilir və onun fiziki xüsusiyyətlərinin nə qədər dəyişdiyini aydın şəkildə nümayiş etdirir. Gəlin bu fenomenin bəzi mühüm təfərrüatları üzərində dayanaq.
Kristallaşma anlayışı
Soyutma zamanı maye qatılaşdıqda maddənin hissəciklərinin qarşılıqlı təsirinin və düzülüşü xarakteri dəyişir. Onu təşkil edən hissəciklərin təsadüfi istilik hərəkətinin kinetik enerjisi azalır və onlar bir-biri ilə sabit bağlar yaratmağa başlayır. Molekullar (və ya atomlar) bu bağlar vasitəsilə nizamlı, nizamlı şəkildə düzüldükdə bərk cismin kristal quruluşu əmələ gəlir.
Kristallaşma eyni zamanda soyudulmuş mayenin bütün həcmini əhatə etmir, lakin kiçik kristalların əmələ gəlməsi ilə başlayır. Bunlar kristallaşma mərkəzləri adlananlardır. Böyüyən təbəqə boyunca daha çox molekul və ya maddə atomu əlavə edərək, mərhələli şəkildə təbəqələr şəklində böyüyürlər.
Kristallaşma şərtləri
Kristallaşma mayenin müəyyən bir temperatura qədər soyudulmasını tələb edir (bu həm də ərimə nöqtəsidir). Beləliklə, normal şəraitdə suyun kristallaşma temperaturu 0 °C-dir.
Hər bir maddə üçün kristallaşma gizli istiliyin miqdarı ilə xarakterizə olunur. Bu, bu proses zamanı ayrılan enerjinin miqdarıdır (və əks halda, müvafiq olaraq, udulmuş enerji). Suyun kristallaşmasının xüsusi istiliyi 0 ° C-də bir kiloqram suyun buraxdığı gizli istilikdir. Suya yaxın olan bütün maddələrdən ən yüksəklərdən biridir və təxminən 330 kJ / kq-dır. Belə bir böyük dəyər suyun kristallaşmasının parametrlərini müəyyən edən struktur xüsusiyyətləri ilə bağlıdır. Bu xüsusiyyətləri nəzərdən keçirdikdən sonra gizli istiliyi hesablamaq üçün aşağıdakı düsturdan istifadə edəcəyik.
Gizli istiliyi kompensasiya etmək üçün kristal böyüməsinə başlamaq üçün mayeni həddindən artıq soyutmaq lazımdır. Aşırı soyutma dərəcəsi kristallaşma mərkəzlərinin sayına və onların böyümə sürətinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. Proses davam edərkən, maddənin temperaturunun daha da soyuması dəyişmir.
Su molekulu
Suyun necə kristallaşdığını daha yaxşı başa düşmək üçün bu kimyəvi birləşmənin molekulunun necə düzüldüyünü bilməlisiniz, çünkimolekulun quruluşu onun yaratdığı bağların xüsusiyyətlərini müəyyən edir.
Bir oksigen atomu və iki hidrogen atomu bir su molekulunda birləşir. Onlar oksigen atomunun 104,45° küt bucağın zirvəsində yerləşdiyi küt ikitərəfli üçbucaq əmələ gətirirlər. Bu zaman oksigen elektron buludlarını güclü şəkildə öz istiqamətinə çəkir, beləliklə molekul elektrik dipoludur. İçindəki yüklər xəyali tetrahedral piramidanın təpələri üzərində paylanır - daxili bucaqları təxminən 109 ° olan bir tetraedr. Nəticədə, molekul dörd hidrogen (proton) bağı yarada bilər ki, bu da təbii ki, suyun xüsusiyyətlərinə təsir edir.
Maye suyun və buzun quruluşunun xüsusiyyətləri
Su molekulunun proton bağları yaratmaq qabiliyyəti həm maye, həm də bərk halda özünü göstərir. Su maye olduqda, bu bağlar kifayət qədər qeyri-sabitdir, asanlıqla məhv edilir, həm də daim yenidən əmələ gəlir. Onların mövcudluğuna görə su molekulları digər mayelərin hissəciklərinə nisbətən bir-biri ilə daha güclü birləşir. Birləşərək xüsusi strukturlar - klasterlər əmələ gətirirlər. Bu səbəbdən suyun faza nöqtələri daha yüksək temperaturlara doğru sürüşür, çünki bu cür əlavə birləşmələrin məhv edilməsi də enerji tələb edir. Üstəlik, enerji olduqca əhəmiyyətlidir: hidrogen bağları və çoxluqları olmasaydı, suyun kristallaşma temperaturu (həmçinin əriməsi) -100 °C, qaynama isə +80 °C olardı.
Klosterlərin quruluşu kristal buzun quruluşu ilə eynidir. Hər birini dörd qonşu ilə birləşdirən su molekulları altıbucaqlı şəklində əsası olan açıq iş kristal quruluşu qurur. Mikrokristalların - çoxluqların molekulların istilik hərəkəti səbəbindən qeyri-sabit və hərəkətli olduğu maye sudan fərqli olaraq, buz əmələ gəldikdə, onlar sabit və nizamlı şəkildə yenidən qurulur. Hidrogen bağları kristal qəfəs sahələrinin qarşılıqlı düzülməsini tənzimləyir və nəticədə molekullar arasındakı məsafə maye fazadan bir qədər böyük olur. Bu vəziyyət suyun kristallaşması zamanı sıxlığının sıçrayışını izah edir - sıxlıq demək olar ki, 1 q/sm3-dən təxminən 0,92 q/sm3-ə enir..
Gizli istilik haqqında
Suyun molekulyar strukturunun xüsusiyyətləri onun xassələrində çox ciddi şəkildə əks olunur. Bunu xüsusilə suyun kristallaşmasının yüksək xüsusi istiliyindən görmək olar. Bu, suyu molekulyar kristallar əmələ gətirən digər birləşmələrdən fərqləndirən proton bağlarının olması ilə bağlıdır. Müəyyən edilmişdir ki, suda hidrogen rabitəsi enerjisi hər mol üçün təxminən 20 kJ, yəni 18 q-dır. Bu bağların əhəmiyyətli bir hissəsi su donduqda “kütləvi” şəkildə qurulur - burada belə böyük bir enerji qaytarılır. gəlir.
Sadə bir hesablama verək. Suyun kristallaşması zamanı 1650 kJ enerji ayrılsın. Bu çox şeydir: ekvivalent enerjini, məsələn, altı F-1 limon qumbarasının partlamasından əldə etmək olar. Kristallaşmaya məruz qalmış suyun kütləsini hesablayaq. Gizli istiliyin miqdarı Q, kütlə m və kristallaşmanın xüsusi istiliyinə aid düsturλ çox sadədir: Q=– λm. Mənfi işarə sadəcə olaraq istiliyin fiziki sistem tərəfindən ayrıldığını bildirir. Məlum dəyərləri əvəz edərək, əldə edirik: m=1650/330=5 (kq). Suyun kristallaşması zamanı 1650 kJ-a qədər enerjinin ayrılması üçün cəmi 5 litr lazımdır! Təbii ki, enerji dərhal verilmir - proses kifayət qədər uzun müddət davam edir və istilik yayılır.
Bir çox quşlar, məsələn, suyun bu xassəsini yaxşı bilirlər və ondan göllərin və çayların dondurucu suyunun yanında isitmək üçün istifadə edirlər, belə yerlərdə havanın temperaturu bir neçə dərəcə yüksək olur.
Məhsulların kristallaşması
Su gözəl həlledicidir. Orada həll olunan maddələr kristallaşma nöqtəsini, bir qayda olaraq, aşağıya doğru dəyişir. Məhlulun konsentrasiyası nə qədər yüksək olarsa, temperatur bir o qədər aşağı donacaq. Parlaq bir nümunə, çoxlu müxtəlif duzların həll edildiyi dəniz suyudur. Onların okean suyunda konsentrasiyası 35 ppm-dir və belə su -1,9 °C-də kristallaşır. Müxtəlif dənizlərdə suyun duzluluğu çox fərqli olduğu üçün donma nöqtəsi də fərqlidir. Beləliklə, B altik suyunun duzluluğu 8 ppm-dən çox deyil və kristallaşma temperaturu 0 ° C-yə yaxındır. Minerallaşmış qrunt suları da sıfırdan aşağı temperaturda donur. Nəzərə almaq lazımdır ki, biz həmişə yalnız suyun kristallaşmasından danışırıq: dəniz buzu demək olar ki, həmişə təzə, ekstremal hallarda bir az duzlu olur.
Müxtəlif spirtlərin sulu məhlulları da azaldılması ilə fərqlənirdonma nöqtəsi və onların kristallaşması kəskin şəkildə deyil, müəyyən bir temperatur diapazonu ilə baş verir. Məsələn, 40% spirt -22,5°C-də donmağa başlayır və nəhayət -29,5°C-də kristallaşır.
Lakin kaustik soda NaOH və ya kaustik kimi qələvi məhlulu maraqlı bir istisnadır: o, kristallaşma temperaturunun artması ilə xarakterizə olunur.
Təmiz su necə donur?
Distillə edilmiş suda distillə zamanı buxarlanma nəticəsində çoxluq strukturu pozulur və belə suyun molekulları arasında hidrogen bağlarının sayı çox az olur. Bundan əlavə, belə suda əlavə kristal əmələgəlmə mərkəzləri olan asılı mikroskopik toz hissəcikləri, qabarcıqlar və s. kimi çirkləri yoxdur. Bu səbəbdən distillə edilmiş suyun kristallaşma nöqtəsi -42 °C-ə endirilir.
Distillə edilmiş suyu hətta -70 °C-ə qədər soyutmaq mümkündür. Bu vəziyyətdə həddindən artıq soyudulmuş su ən kiçik silkələnmə və ya əhəmiyyətsiz çirkin daxil olması ilə demək olar ki, dərhal bütün həcmdə kristallaşa bilir.
Paradoksal isti su
Heyrətamiz bir fakt - isti su soyuq sudan daha tez kristal halına gəlir - bu paradoksu kəşf edən tanzaniyalı məktəblinin şərəfinə "Mpemba effekti" adlandırılıb. Daha doğrusu, onlar bunu qədim zamanlarda bilirdilər, lakin izahat tapa bilməyən təbiət filosofları və təbiətşünaslar sonda sirli fenomenə diqqət yetirməyi dayandırdılar.
1963-cü ildə Erasto Mpemba buna təəccübləndiİlıq dondurma qarışığı soyuq dondurma qarışığından daha sürətli yığılır. Və 1969-cu ildə maraqlı bir hadisə artıq fiziki təcrübədə (yeri gəlmişkən, Mpembanın özünün iştirakı ilə) təsdiqləndi. Təsiri bir sıra səbəblərlə izah olunur:
- hava qabarcıqları kimi daha çox kristallaşma mərkəzləri;
- isti suyun yüksək istilik yayılması;
- yüksək buxarlanma sürəti, nəticədə mayenin həcmi azalır.
Kristallaşma faktoru kimi təzyiq
Suyun kristallaşması prosesinə təsir edən əsas kəmiyyətlər kimi təzyiq və temperatur arasındakı əlaqə faza diaqramında aydın şəkildə əks olunub. Ondan görünür ki, artan təzyiqlə suyun maye haldan bərk vəziyyətə faza keçidinin temperaturu olduqca yavaş azalır. Təbii ki, bunun əksi də doğrudur: təzyiq nə qədər aşağı olarsa, buz əmələ gəlməsi üçün tələb olunan temperatur bir o qədər yüksək olur və o, eynilə yavaş-yavaş böyüyür. Suyun (distillə edilməmiş!) mümkün olan ən aşağı temperaturda -22 ° C-də adi buza Ih kristallaşa bildiyi şəraitə nail olmaq üçün təzyiq 2085 atmosferə qədər artırılmalıdır.
Maksimum kristallaşma temperaturu suyun üçlü nöqtəsi adlanan aşağıdakı şərtlər kombinasiyasına uyğundur: 0,006 atmosfer və 0,01 °C. Belə parametrlərlə kristallaşma-ərimə və kondensasiya-qaynama nöqtələri üst-üstə düşür və suyun hər üç aqreqasiya vəziyyəti tarazlıqda (başqa maddələr olmadıqda) birlikdə mövcuddur.
Bir çox buz növləri
Hazırda 20-yə yaxın modifikasiya məlumdursuyun bərk vəziyyəti - amorfdan buza qədər XVII. Onların hamısı, adi Ih buzundan başqa, Yer üçün ekzotik olan kristallaşma şərtlərini tələb edir və hamısı sabit deyil. Yer atmosferinin yuxarı təbəqələrində yalnız buz Ic çox nadir hallarda olur, lakin onun əmələ gəlməsi suyun donması ilə əlaqəli deyil, çünki o, son dərəcə aşağı temperaturda su buxarından əmələ gəlir. Buz XI Antarktidada tapılıb, lakin bu modifikasiya adi buzun törəməsidir.
Suyun son dərəcə yüksək təzyiqlərdə kristallaşması ilə III, V, VI kimi buz modifikasiyalarını və eyni zamanda temperaturun artması ilə - VII buz əldə etmək mümkündür. Çox güman ki, onlardan bəziləri planetimiz üçün qeyri-adi şəraitdə Günəş sisteminin digər cisimlərində: Uranda, Neptunda və ya nəhəng planetlərin iri peyklərində əmələ gələ bilər. Düşünmək lazımdır ki, bu buzların hələ də az öyrənilmiş xassələri, eləcə də kristallaşma proseslərinin xüsusiyyətləri ilə bağlı gələcək təcrübələr və nəzəri tədqiqatlar bu məsələyə aydınlıq gətirəcək və daha çox yeni şeylər açacaq.
