Күнүмдүк турмушта биз ар бирибиз заттардын бир агрегация абалынан экинчисине өтүү процесстери менен коштолгон кубулуштарга учурайбыз. Ал эми көбүнчө биз көп таралган химиялык кошулмалардын бири мисалында мындай кубулуштарды байкоого туура келет - белгилүү жана тааныш суу. Макаладан сиз суюк суунун катуу музга айланышы кандай болорун билесиз - бул процесс суу кристаллдашуу деп аталат - жана бул өтүү кандай өзгөчөлүктөр менен мүнөздөлөт.
Фазалык өтүү деген эмне?
Жаратылышта заттын үч негизги агрегаттык абалы (фазалары) бар экенин баары билет: катуу, суюк жана газ. Көбүнчө аларга төртүнчү абал кошулат - плазма (аны газдардан айырмалоочу өзгөчөлүктөрүнөн улам). Бирок, газдан плазмага өткөндө мүнөздүү курч чек жок, анын касиеттери анчалык деле аныкталбайт.заттын бөлүкчөлөрү (молекулалар жана атомдор) ортосундагы байланыш, атомдордун өздөрүнүн абалы канчалык.
Кадимки шарттарда бир абалдан экинчи абалга өткөн бардык заттар өзүнүн касиеттерин кескин түрдө өзгөртөт (айрым суперкритикалык абалдарды кошпогондо, бирок бул жерде аларга токтолбойбуз). Мындай трансформация фазалык өтүү, тагыраак айтканда, анын түрлөрүнүн бири. Ал фазалык өтүү чекити деп аталган физикалык параметрлердин (температура жана басым) белгилүү бир айкалышында пайда болот.
Суюктуктун газга айланышы буулануу, тескери кубулуш конденсация. Заттын катуу абалдан суюк абалга өтүшү эрүү болуп саналат, бирок процесс карама-каршы багытта жүрсө, анда ал кристаллдашуу деп аталат. Катуу дене дароо газга айланышы мүмкүн жана тескерисинче - бул учурларда алар сублимация жана десублимация жөнүндө айтышат.
Кристалдашуу учурунда суу музга айланат жана анын физикалык касиеттери канчалык өзгөргөнүн даана көрсөтөт. Келгиле, бул көрүнүштүн айрым маанилүү деталдарына токтололу.
Кристалдашуу түшүнүгү
Муздатуу учурунда суюктук катып калганда, заттын бөлүкчөлөрүнүн өз ара аракеттенүү жана жайгашуу мүнөзү өзгөрөт. Аны түзүүчү бөлүкчөлөрдүн кокус жылуулук кыймылынын кинетикалык энергиясы азайып, алар бири-бири менен туруктуу байланыш түзө баштайт. Молекулалар (же атомдор) бул байланыштар аркылуу үзгүлтүксүз, иреттүү тизилгенде, катуу заттын кристаллдык структурасы пайда болот.
Кристалдашуу бир убакта муздатылган суюктуктун бардык көлөмүн камтыбайт, бирок майда кристаллдардын пайда болушу менен башталат. Булар кристаллдашуу борборлору деп аталгандар. Алар өсүп жаткан катмарга заттын молекулаларын же атомдорун кошуу менен этап-этабы менен катмарланып өсөт.
Кристалдашуу шарттары
Кристалдашуу суюктукту белгилүү бир температурага чейин муздатууну талап кылат (бул ошондой эле эрүү чекити). Ошентип, нормалдуу шарттарда суунун кристаллдашуу температурасы 0 °C.
Ар бир зат үчүн кристаллдашуу жашыруун жылуулуктун көлөмү менен мүнөздөлөт. Бул процесстин жүрүшүндө бөлүнүп чыккан энергиянын көлөмү (жана карама-каршы учурда, тиешелүүлүгүнө жараша, сиңирилген энергия). Суунун кристаллдашуусунун салыштырма жылуулугу – 0°С температурада бир килограмм суу бөлүп чыгарган жашыруун жылуулук. Суунун жанындагы бардык заттардын ичинен эң жогоркуларынын бири жана болжол менен 330 кДж/кг түзөт. Мындай чоң маани суунун кристаллдашуу параметрлерин аныктоочу структуралык өзгөчөлүктөргө байланыштуу. Бул функцияларды карап чыккандан кийин, жашыруун жылуулукту эсептөө үчүн төмөндөгү формуланы колдонобуз.
Жашыруун жылуулуктун ордун толтуруу үчүн, кристаллдык өсүүнү баштоо үчүн суюктукту өтө муздатуу керек. Ашыкча муздатуу даражасы кристаллдашуу борборлорунун санына жана алардын өсүү темпине олуттуу таасирин тийгизет. Процесс жүрүп жаткан учурда заттын температурасын андан ары муздатуу өзгөрбөйт.
Суу молекуласы
Суунун кантип кристаллдашканын жакшыраак түшүнүү үчүн бул химиялык кошулманын молекуласы кантип тизилгенин билишиңиз керек, анткенимолекуланын түзүлүшү ал түзгөн байланыштардын өзгөчөлүктөрүн аныктайт.
Бир кычкылтек атому жана эки суутек атому суу молекуласында бириктирилген. Алар кычкылтек атому 104,45° сүйрү бурчтун чокусунда жайгашкан сүйрү тең жактуу үч бурчтукту түзөт. Бул учурда кычкылтек электрон булуттарын өз багытында катуу тартат, ошондуктан молекула электрдик диполь болот. Андагы заряддар ойдон чыгарылган тетраэдрдик пирамиданын - ички бурчтары болжол менен 109° болгон тетраэдрдин чокуларына бөлүштүрүлөт. Натыйжада, молекула төрт суутек (протон) байланышын түзө алат, бул албетте суунун касиетине таасирин тийгизет.
Суюк суунун жана муздун түзүлүшүнүн өзгөчөлүктөрү
Суу молекуласынын протондук байланыш түзүүгө жөндөмдүүлүгү суюк жана катуу абалда да көрүнөт. Суу суюктук болгондо, бул байланыштар абдан туруксуз, оңой бузулат, бирок тынымсыз кайра пайда болот. Алардын катышуусу менен суу молекулалары башка суюктуктардын бөлүкчөлөрүнө караганда бири-бири менен тыгыз байланышта. Ассоциацияланып, алар атайын структураларды - кластерлерди түзөт. Ушул себептен улам, суунун фазалык чекиттери жогорку температурага жылат, анткени мындай кошумча бирикмелердин бузулушу да энергияны талап кылат. Анын үстүнө, энергия абдан маанилүү: эгерде суутек байланыштары жана кластерлери болбосо, суунун кристаллдашуу температурасы (ошондой эле анын эрүү) –100 °C, кайноосу +80 °C болмок.
Кластерлердин түзүлүшү кристаллдык муздун структурасына окшош. Ар бирин төрт кошунасы менен байланыштырып, суу молекулалары алты бурчтук формасында негизи бар ачык кристаллдык түзүлүштү курат. Молекулалардын жылуулук кыймылынан улам микрокристаллдар - кластерлер туруксуз жана кыймылдуу суюк суудан айырмаланып, муз пайда болгондо, алар туруктуу жана үзгүлтүксүз түрдө кайра тизилип турушат. Суутек байланыштары кристалл торчолордун өз ара жайгашуусун бекитет жана натыйжада молекулалар ортосундагы аралык суюк фазага караганда бир аз чоңоюп кетет. Бул жагдай суунун кристаллдашуу учурундагы тыгыздыгынын секирүүсүн түшүндүрөт - тыгыздык дээрлик 1 г/см3 дан болжол менен 0,92 г/см3 чейин төмөндөйт..
Жашыруун жылуулук жөнүндө
Суунун молекулярдык түзүлүшүнүн өзгөчөлүктөрү анын касиетинде өтө олуттуу чагылдырылган. Муну, атап айтканда, суунун кристаллдашуусунун жогорку салыштырма жылуулугунан байкоого болот. Бул молекулярдык кристаллдарды түзүүчү башка кошулмалардан сууну айырмалап турган протондук байланыштардын болушуна байланыштуу. Суудагы суутек байланыш энергиясы бир мольге 20 кДж, башкача айтканда, 18 г үчүн экендиги аныкталды. Бул байланыштардын олуттуу бөлүгү суу тоңгондо “массалык түрдө” түзүлөт – бул жерде энергиянын мынчалык чоң кайтарымы болот. келген.
Жөнөкөй эсеп берели. Суунун кристаллдашуусу учурунда 1650 кДж энергия бөлүнүп чыксын. Бул көп: эквиваленттүү энергияны, мисалы, алты F-1 лимон гранатасынын жарылуусунан алууга болот. Кристалданган суунун массасын эсептеп көрөлү. Жашыруун жылуулуктун Q, масса m жана кристаллдашуунун салыштырма жылуулугуна тиешелүү формулаλ абдан жөнөкөй: Q=– λm. Минус белгиси жөн гана жылуулук физикалык система тарабынан берилип жатканын билдирет. Белгилүү чоңдуктарды алмаштыруу менен: m=1650/330=5 (кг) болот. Суунун кристаллдашуусу учурунда 1650 кДж энергия бөлүнүп чыгышы үчүн болгону 5 литр керектелет! Албетте, энергия дароо эле берилбейт - процесс жетиштүү убакытка созулуп, жылуулук таркап кетет.
Көптөгөн канаттуулар, мисалы, суунун бул касиетин жакшы билишет жана аны көлдөрдүн жана дарыялардын муздак сууларынын жанында сүзүү үчүн колдонушат, мындай жерлерде абанын температурасы бир нече градуска жогору болот.
Эритмелерди кристаллдаштыруу
Суу сонун эриткич. Анда эриген заттар, эреже катары, кристаллдашуу чекити ылдый карай жылат. Эритменин концентрациясы канчалык жогору болсо, температура ошончолук төмөн болот. Мында көптөгөн түрдүү туздар эриген деңиз суусу эң сонун мисал. Алардын океан суусунда концентрациясы 35 промилле түзөт жана мындай суу -1,9°С кристаллдашат. Ар кайсы деңиздердеги суунун туздуулугу өтө ар түрдүү, ошондуктан тоңуу температурасы ар башка. Ошентип, Балтика суусунун туздуулугу 8 промилледен ашпайт, ал эми кристаллдашуу температурасы 0°Сге жакын. Минералдуу жер астындагы суулар да нөлдөн төмөн температурада тоңот. Биз дайыма суунун кристаллдашуусу жөнүндө гана сөз болуп жатканын эстен чыгарбоо керек: деңиз музу дээрлик дайыма жаңы, өзгөчө учурларда бир аз туздуу.
Ар кандай спирттердин суудагы эритмелери да кыскартылгандыгы боюнча айырмаланаттоңуу температурасы жана алардын кристаллдашуу кескин түрдө эмес, белгилүү бир температура диапазону менен жүрөт. Мисалы, 40% спирт -22,5°Cде тоңуп, акыры -29,5°Cде кристаллдашат.
Бирок каустикалык сода NaOH же каустик сыяктуу щелочтун эритмеси кызыктуу өзгөчөлүк болуп саналат: ал кристаллдашуу температурасынын жогорулашы менен мүнөздөлөт.
Таза суу кантип тоңот?
Дистилденген сууда дистилляция учурунда буулануунун натыйжасында кластердик түзүлүш бузулат жана мындай суунун молекулаларынын ортосундагы суутек байланыштарынын саны өтө аз. Мындан тышкары, мындай суунун курамында кристалл түзүүнүн кошумча борборлору болуп саналган асма микроскопиялык чаң бөлүкчөлөрү, көбүкчөлөр жана башкалар сыяктуу аралашмалар жок. Ушул себептен дистилденген суунун кристаллдашуу чекити -42 °Cге чейин түшүрүлөт.
Дистилденген сууну -70 °Cге чейин муздатууга болот. Мындай абалда өтө муздатылган суу кичине титиреп же анча-мынча кирдин кириши менен бүт көлөмдө дээрлик заматта кристаллдашып кете алат.
Парадоксалдуу ысык суу
Укмуштуудай факт - ысык суу муздак сууга караганда тезирээк кристаллдык абалга айланат - бул парадоксту ачкан танзаниялык мектеп окуучусунун урматына "Мпемба эффектиси" деп аталды. Тагыраагы, алар бул тууралуу байыркы заманда эле билишкен, бирок түшүндүрмө таппай, натурфилософтор менен табият таануучулар акыры сырдуу кубулушка көңүл бурбай калышты.
1963-жылы Эрасто Мпемба буга таң калганЖылуу балмуздак аралашмасы муздак балмуздак аралашмага караганда тезирээк батат. Ал эми 1969-жылы интригалуу көрүнүш физикалык экспериментте тастыкталган (Баса, Mpemba өзүнүн катышуусу менен). Эффект көптөгөн себептер менен түшүндүрүлөт:
- дагы кристаллдашуу борборлору, мисалы аба көбүктөрү;
- ысык суунун жогорку жылуулук диссипациясы;
- буулануунун жогорку ылдамдыгы, натыйжада суюктуктун көлөмү азаят.
Кристалдаштыруу фактору катары басым
Суунун кристаллдашуу процессине таасир этүүчү негизги чоңдуктар катары басым менен температуранын ортосундагы байланыш фаза диаграммасында ачык чагылдырылган. Андан басымдын жогорулашы менен суунун суюктуктан катуу абалга өтүү фазасынын температурасы өтө жай төмөндөй турганын көрүүгө болот. Албетте, мунун тескериси да болот: басым канчалык төмөн болсо, муздун пайда болушу үчүн талап кылынган температура ошончолук жогору болот жана ал ошондой эле жай өсөт. Суу (дистилденбеген!) мүмкүн болгон эң төмөнкү температурада -22°Cде кадимки музга Ih кристаллдашы мүмкүн болгон шарттарга жетүү үчүн басымды 2085 атмосферага чейин жогорулатуу керек.
Кристалдаштыруунун максималдуу температурасы суунун үчтүк чекити деп аталган төмөнкү шарттардын айкалышына туура келет: 0,006 атмосфера жана 0,01 °C. Мындай параметрлер менен кристаллдашуу-эрүү жана конденсация-кайноо чекиттери дал келип, суунун агрегациясынын үч абалы тең тең салмактуулукта (башка заттар жок болгон учурда) жашайт.
Муздун көп түрлөрү
Учурда 20га жакын өзгөртүүлөр белгилүүсуунун катуу абалы - аморфтуктан музга чейин XVII. Алардын баары, кадимки Ih муздан башкасы, Жер үчүн экзотикалык кристаллдашуу шарттарын талап кылат жана алардын баары эле туруктуу эмес. Муз Ic гана жер атмосферасынын жогорку катмарларында өтө сейрек кездешет, бирок анын пайда болушу суунун тоңушу менен байланышпайт, анткени ал өтө төмөн температурада суу буусунан пайда болот. Ice XI Антарктидадан табылган, бирок бул модификация кадимки муздун туундусу.
Суунун өтө жогорку басымда кристаллдашуусу аркылуу муздун III, V, VI сыяктуу модификацияларын жана бир эле убакта температуранын жогорулашы менен - VII музду алууга болот. Кыязы, алардын айрымдары биздин планета үчүн адаттан тыш шарттарда Күн системасынын башка денелеринде: Уранда, Нептунда же гигант планеталардын чоң спутниктеринен түзүлүшү мүмкүн. Бул муздардын али аз изилденген касиеттерин, ошондой эле алардын кристаллдашуу процесстеринин өзгөчөлүктөрүн келечектеги эксперименттер жана теориялык изилдөөлөр бул маселени тактап, дагы көптөгөн жаңы нерселерди ачат деп ойлош керек.
