V vsakdanjem življenju se vsi občasno srečamo s pojavi, ki spremljajo procese prehoda snovi iz enega agregacijskega stanja v drugo. In najpogosteje moramo takšne pojave opazovati na primeru ene najpogostejših kemičnih spojin - dobro znane in znane vode. Iz članka boste izvedeli, kako poteka pretvorba tekoče vode v trden led – proces, imenovan kristalizacija vode – in kakšne značilnosti so značilne za ta prehod.
Kaj je fazni prehod?
Vsakdo ve, da v naravi obstajajo tri glavna agregatna stanja (faze) snovi: trdno, tekoče in plinasto. Pogosto se jim doda še četrto stanje - plazma (zaradi lastnosti, ki jo razlikujejo od plinov). Vendar pa pri prehodu iz plina v plazmo ni značilne ostre meje in njene lastnosti niso določene tolikorazmerje med delci snovi (molekule in atomi), koliko je stanje samih atomov.
Vse snovi, ki prehajajo iz enega stanja v drugo, v normalnih pogojih nenadoma spremenijo svoje lastnosti (z izjemo nekaterih nadkritičnih stanj, vendar se jih tukaj ne bomo dotikali). Takšna transformacija je fazni prehod ali bolje rečeno ena od njegovih sort. Pojavi se pri določeni kombinaciji fizičnih parametrov (temperatura in tlak), ki se imenuje točka faznega prehoda.
Preoblikovanje tekočine v plin je izhlapevanje, obratni pojav je kondenzacija. Prehod snovi iz trdnega v tekoče stanje je taljenje, če pa gre proces v nasprotni smeri, potem se imenuje kristalizacija. Trdno telo se lahko takoj spremeni v plin in obratno - v teh primerih govorijo o sublimaciji in desublimaciji.
Med kristalizacijo se voda spremeni v led in jasno dokazuje, kako zelo se spreminjajo njene fizikalne lastnosti. Oglejmo si nekaj pomembnih podrobnosti tega pojava.
Koncept kristalizacije
Ko se tekočina med hlajenjem strdi, se spremeni narava interakcije in razporeditev delcev snovi. Kinetična energija naključnega toplotnega gibanja njegovih sestavnih delcev se zmanjša in začnejo med seboj tvoriti stabilne vezi. Ko se molekule (ali atomi) redno in urejeno vrstijo skozi te vezi, nastane kristalna struktura trdne snovi.
Kristalizacija ne pokrije hkrati celotnega volumna ohlajene tekočine, ampak se začne s tvorbo majhnih kristalov. To so tako imenovani centri kristalizacije. Rastejo v plasteh, postopoma, z dodajanjem vedno več molekul ali atomov snovi vzdolž rastoče plasti.
pogoji kristalizacije
Kristalizacija zahteva hlajenje tekočine na določeno temperaturo (to je tudi tališče). Tako je temperatura kristalizacije vode v normalnih pogojih 0 °C.
Za vsako snov je kristalizacija značilna količina latentne toplote. To je količina energije, ki se sprosti med tem procesom (in v nasprotnem primeru absorbirana energija). Specifična toplota kristalizacije vode je latentna toplota, ki jo sprosti en kilogram vode pri 0 °C. Med vsemi snovmi v bližini vode je ena najvišjih in znaša približno 330 kJ / kg. Tako velika vrednost je posledica strukturnih značilnosti, ki določajo parametre kristalizacije vode. Spodaj bomo uporabili formulo za izračun latentne toplote, potem ko bomo upoštevali te značilnosti.
Za kompenzacijo latentne toplote je potrebno tekočino prehladiti, da se začne rast kristalov. Stopnja prehlajenja pomembno vpliva na število kristalizacijskih centrov in na hitrost njihove rasti. Med potekom postopka se nadaljnje hlajenje temperature snovi ne spremeni.
Molekula vode
Če želite bolje razumeti, kako voda kristalizira, morate vedeti, kako je urejena molekula te kemične spojine, kerstruktura molekule določa značilnosti vezi, ki jih tvori.
En atom kisika in dva atoma vodika sta združena v molekuli vode. Tvorijo topo enakokraki trikotnik, v katerem se atom kisika nahaja na vrhu topega kota 104,45°. V tem primeru kisik močno vleče elektronske oblake v svojo smer, tako da je molekula električni dipol. Naboji v njem so razporejeni po ogliščih namišljene tetraedrske piramide - tetraedra z notranjimi koti približno 109 °. Zaradi tega lahko molekula tvori štiri vodikove (protonske) vezi, kar seveda vpliva na lastnosti vode.
Značilnosti strukture tekoče vode in ledu
Zmožnost molekule vode, da tvori protonske vezi, se kaže tako v tekočem kot v trdnem stanju. Ko je voda tekoča, so te vezi precej nestabilne, se zlahka uničijo, a tudi nenehno ponovno nastajajo. Zaradi svoje prisotnosti so molekule vode med seboj močneje vezane kot delci drugih tekočin. Združujejo se, tvorijo posebne strukture - grozde. Zaradi tega so fazne točke vode premaknjene proti višjim temperaturam, saj je za uničenje takšnih dodatnih asociatov potrebna tudi energija. Poleg tega je energija precej pomembna: če ne bi bilo vodikovih vezi in grozdov, bi bila temperatura kristalizacije vode (kot tudi njeno taljenje) –100 °C, vrelišče pa +80 °C.
Struktura grozdov je identična strukturi kristalnega ledu. Molekule vode, ki povezujejo vsako s štirimi sosedi, gradijo odprto kristalno strukturo z osnovo v obliki šesterokotnika. Za razliko od tekoče vode, kjer so mikrokristali – grozdi – zaradi toplotnega gibanja molekul nestabilni in mobilni, se pri nastanku ledu stabilno in pravilno prerazporedijo. Vodikove vezi fiksirajo medsebojno razporeditev mest kristalne mreže in posledično postane razdalja med molekulami nekoliko večja kot v tekoči fazi. Ta okoliščina pojasnjuje skok gostote vode med njeno kristalizacijo - gostota pade s skoraj 1 g/cm3 na približno 0,92 g/cm3.
O latentni toploti
Lastnosti molekularne strukture vode se zelo resno odražajo v njenih lastnostih. To je razvidno predvsem iz visoke specifične toplote kristalizacije vode. To je posledica ravno prisotnosti protonskih vezi, ki ločijo vodo od drugih spojin, ki tvorijo molekularne kristale. Ugotovljeno je bilo, da je energija vodikove vezi v vodi približno 20 kJ na mol, torej za 18 g. Pomemben del teh vezi se vzpostavi "množično", ko voda zmrzne - tukaj je tako velik povratek energije prihaja iz.
Naredimo preprost izračun. Naj se med kristalizacijo vode sprosti 1650 kJ energije. To je veliko: enakovredno energijo je mogoče pridobiti na primer z eksplozijo šestih limonovih granat F-1. Izračunajmo maso vode, ki je bila podvržena kristalizaciji. Formula, ki povezuje količino latentne toplote Q, maso m in specifično kristalizacijsko toplotoλ je zelo preprosta: Q=– λm. Znak minus preprosto pomeni, da toploto oddaja fizični sistem. Če zamenjamo znane vrednosti, dobimo: m=1650/330=5 (kg). Samo 5 litrov je potrebnih, da se pri kristalizaciji vode sprosti kar 1650 kJ energije! Seveda se energija ne odda takoj - proces traja dovolj dolgo, toplota pa se razprši.
Mnogi ptiči se na primer dobro zavedajo te lastnosti vode in se z njo sončijo v bližini zmrznjene vode jezer in rek, v takih krajih je temperatura zraka za nekaj stopinj višja.
kristalizacija raztopin
Voda je čudovito topilo. V njem raztopljene snovi premaknejo točko kristalizacije praviloma navzdol. Višja kot je koncentracija raztopine, nižja bo temperatura zmrznila. Osupljiv primer je morska voda, v kateri je raztopljenih veliko različnih soli. Njihova koncentracija v oceanski vodi je 35 ppm, taka voda pa kristalizira pri -1,9 °C. Slanost vode v različnih morjih je zelo različna, zato je ledišče različno. Tako ima b altska voda slanost največ 8 ppm, njena temperatura kristalizacije pa je blizu 0 °C. Mineralizirana podtalnica zmrzne tudi pri temperaturah pod ničlo. Upoštevati je treba, da vedno govorimo samo o kristalizaciji vode: morski led je skoraj vedno svež, v skrajnih primerih rahlo slan.
Vodne raztopine različnih alkoholov se razlikujejo tudi po reduciranihledišče, njihova kristalizacija pa ne poteka nenadoma, ampak z določenim temperaturnim območjem. Na primer, 40 % alkohola začne zmrzovati pri -22,5°C in končno kristalizira pri -29,5°C.
Toda raztopina takšne alkalije, kot je kavstična soda NaOH ali kavstična, je zanimiva izjema: zanjo je značilna povišana temperatura kristalizacije.
Kako zamrzne čista voda?
V destilirani vodi je struktura grozda porušena zaradi izhlapevanja med destilacijo, število vodikovih vezi med molekulami takšne vode pa je zelo majhno. Poleg tega taka voda ne vsebuje nečistoč, kot so suspendirani mikroskopski prašni delci, mehurčki ipd., ki so dodatna središča nastajanja kristalov. Zaradi tega se kristalizacijska točka destilirane vode zniža na -42 °C.
Destilirano vodo je mogoče prehladiti tudi do -70 °C. V tem stanju lahko prehlajena voda skoraj v trenutku kristalizira po celotnem volumnu z najmanjšim stresanjem ali vdorom nepomembne nečistoče.
paradoksalna vroča voda
Neverjetno dejstvo - vroča voda se hitreje spremeni v kristalno stanje kot hladna voda - so poimenovali "učinek Mpemba" v čast tanzanijskega šolarja, ki je odkril ta paradoks. Natančneje, za to so vedeli že v antiki, a ker niso našli razlage, so naravni filozofi in naravoslovci sčasoma nehali posvečati pozornost skrivnostnemu pojavu.
Leta 1963 je bil Erasto Mpemba to presenečenTopla sladoledna mešanica se strdi hitreje kot hladna sladoledna mešanica. In leta 1969 je bil zanimiv pojav potrjen že v fizičnem eksperimentu (mimogrede, s sodelovanjem samega Mpemba). Učinek je razložen s celo vrsto razlogov:
- več centrov kristalizacije, kot so zračni mehurčki;
- visoko odvajanje toplote tople vode;
- visoka stopnja izhlapevanja, kar povzroči zmanjšanje volumna tekočine.
Tlak kot kristalizacijski faktor
Razmerje med tlakom in temperaturo kot ključnimi količinami, ki vplivajo na proces kristalizacije vode, se jasno odraža v faznem diagramu. Iz nje je razvidno, da se s povečanjem tlaka temperatura faznega prehoda vode iz tekočega v trdno stanje izredno počasi znižuje. Seveda velja tudi nasprotno: nižji kot je tlak, višja je temperatura, potrebna za nastanek ledu, prav tako počasi raste. Da bi dosegli pogoje, pod katerimi lahko voda (ne destilirana!) kristalizira v navaden led Ih pri najnižji možni temperaturi -22 °C, je treba tlak povečati na 2085 atmosfer.
Najvišja temperatura kristalizacije ustreza naslednji kombinaciji pogojev, imenovanih trojna točka vode: 0,006 atmosfere in 0,01 °C. S takšnimi parametri sovpadata točke kristalizacije-taljenja in kondenzacije-vrelišča in vsa tri agregirana stanja vode sobivajo v ravnotežju (v odsotnosti drugih snovi).
Veliko vrst ledu
Trenutno znanih približno 20 modifikacijtrdno stanje vode - od amorfnega do ledenega XVII. Vsi, razen navadnega ledu Ih, zahtevajo kristalizacijske pogoje, ki so za Zemljo eksotični in niso vsi stabilni. Le led Ic se zelo redko nahaja v zgornjih plasteh zemeljske atmosfere, vendar njegov nastanek ni povezan z zmrzovanjem vode, saj nastane iz vodne pare pri izjemno nizkih temperaturah. Led XI so našli na Antarktiki, vendar je ta modifikacija izpeljanka navadnega ledu.
S kristalizacijo vode pri izjemno visokih tlakih je mogoče pridobiti takšne modifikacije ledu, kot so III, V, VI, in ob hkratnem dvigu temperature - led VII. Verjetno je, da se nekatere od njih lahko oblikujejo v razmerah, ki so za naš planet nenavadne, na drugih telesih sončnega sistema: na Uranu, Neptunu ali velikih satelitih orjaških planetov. Treba je misliti, da bodo prihodnji poskusi in teoretične študije še malo raziskanih lastnosti teh ledov, pa tudi značilnosti njihovih kristalizacijskih procesov, razjasnili to vprašanje in odprli še marsikaj novega.
