در زندگی روزمره، همه ما گاهی اوقات با پدیده هایی مواجه می شویم که فرآیندهای انتقال مواد از یک حالت تجمع به حالت دیگر را همراهی می کنند. و اغلب ما باید چنین پدیده هایی را به عنوان مثال یکی از رایج ترین ترکیبات شیمیایی - آب شناخته شده و آشنا مشاهده کنیم. از مقاله یاد خواهید گرفت که چگونه تبدیل آب مایع به یخ جامد - فرآیندی به نام تبلور آب - و ویژگی‌هایی که این انتقال را مشخص می‌کند، رخ می‌دهد.
انتقال فاز چیست؟
همه می دانند که در طبیعت سه حالت (فاز) تجمع اصلی ماده وجود دارد: جامد، مایع و گاز. اغلب حالت چهارم به آنها اضافه می شود - پلاسما (به دلیل ویژگی هایی که آن را از گازها متمایز می کند). با این حال، هنگام عبور از گاز به پلاسما، هیچ مرز تیز مشخصی وجود ندارد و خواص آن چندان تعیین نمی شود.رابطه بین ذرات ماده (مولکول ها و اتم ها)، وضعیت خود اتم ها چقدر است.
همه مواد با عبور از حالتی به حالت دیگر، در شرایط عادی به طور ناگهانی خواص خود را تغییر می دهند (به استثنای برخی از حالت های فوق بحرانی، اما در اینجا به آنها اشاره نمی کنیم). چنین تبدیلی یک انتقال فاز یا بهتر است بگوییم یکی از انواع آن است. این در ترکیب خاصی از پارامترهای فیزیکی (دما و فشار) رخ می‌دهد که نقطه انتقال فاز نامیده می‌شود.
تبدیل مایع به گاز تبخیر است و پدیده معکوس آن تراکم است. انتقال یک ماده از حالت جامد به حالت مایع در حال ذوب است، اما اگر این فرآیند در جهت مخالف پیش رود، آن را تبلور می گویند. یک جسم جامد می تواند بلافاصله به گاز تبدیل شود و بالعکس - در این موارد آنها از تصعید و تصعید صحبت می کنند.
در طول تبلور، آب به یخ تبدیل می شود و به وضوح نشان می دهد که خواص فیزیکی آن چقدر تغییر می کند. بیایید به جزئیات مهم این پدیده بپردازیم.
مفهوم تبلور
وقتی مایعی در هنگام سرد شدن جامد می شود، ماهیت برهمکنش و آرایش ذرات ماده تغییر می کند. انرژی جنبشی حرکت حرارتی تصادفی ذرات تشکیل دهنده آن کاهش می یابد و آنها شروع به تشکیل پیوندهای پایدار با یکدیگر می کنند. هنگامی که مولکول ها (یا اتم ها) به صورت منظم و منظم از طریق این پیوندها در یک ردیف قرار می گیرند، ساختار کریستالی یک جامد تشکیل می شود.
کریستالیزاسیون به طور همزمان کل حجم مایع خنک شده را پوشش نمی دهد، بلکه با تشکیل کریستال های کوچک آغاز می شود. اینها به اصطلاح مراکز تبلور هستند. آنها با افزودن بیشتر و بیشتر مولکول ها یا اتم های ماده در امتداد لایه در حال رشد، به صورت گام به گام رشد می کنند.
شرایط تبلور
کریستالیزاسیون مستلزم خنک شدن مایع تا دمای معینی است (همچنین نقطه ذوب است). بنابراین دمای تبلور آب در شرایط عادی صفر درجه سانتیگراد است.
برای هر ماده، تبلور با مقدار گرمای نهان مشخص می شود. این مقدار انرژی آزاد شده در طول این فرآیند (و در حالت مخالف، به ترتیب انرژی جذب شده) است. گرمای ویژه تبلور آب، گرمای نهان آزاد شده توسط یک کیلوگرم آب در دمای صفر درجه سانتیگراد است. از بین تمام مواد نزدیک به آب، یکی از بالاترین ها است و حدود 330 کیلوژول بر کیلوگرم است. چنین مقدار زیادی به دلیل ویژگی های ساختاری است که پارامترهای تبلور آب را تعیین می کند. پس از در نظر گرفتن این ویژگی ها، از فرمول محاسبه گرمای نهان در زیر استفاده خواهیم کرد.
برای جبران گرمای نهان، لازم است مایع فوق خنک شود تا رشد کریستال شروع شود. درجه فوق سرد شدن بر تعداد مراکز تبلور و سرعت رشد آنها تأثیر بسزایی دارد. در حالی که فرآیند ادامه دارد، خنک شدن بیشتر دمای ماده تغییر نمی کند.
مولکول آب
برای درک بهتر نحوه کریستال شدن آب، باید بدانید که مولکول این ترکیب شیمیایی چگونه قرار گرفته است، زیراساختار یک مولکول ویژگی های پیوندهایی را که تشکیل می دهد تعیین می کند.
یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن در یک مولکول آب ترکیب می شوند. آنها یک مثلث متساوی الساقین منفرد را تشکیل می دهند که در آن اتم اکسیژن در راس یک زاویه مبهم 104.45 درجه قرار دارد. در این حالت، اکسیژن ابرهای الکترونی را به شدت به سمت خود می کشد، به طوری که مولکول یک دوقطبی الکتریکی است. بارهای موجود در آن بر روی رئوس یک هرم چهار وجهی خیالی - یک چهار وجهی با زوایای داخلی تقریباً 109 درجه توزیع می شود. در نتیجه، این مولکول می تواند چهار پیوند هیدروژنی (پروتون) ایجاد کند که البته بر خواص آب تأثیر می گذارد.
ویژگی های ساختار آب و یخ مایع
توانایی یک مولکول آب برای تشکیل پیوندهای پروتونی در هر دو حالت مایع و جامد آشکار می شود. هنگامی که آب مایع است، این پیوندها کاملاً ناپایدار هستند، به راحتی از بین می روند، اما دائماً دوباره تشکیل می شوند. مولکول های آب به دلیل وجودشان، پیوند قوی تری به یکدیگر نسبت به ذرات مایعات دیگر دارند. با همراهی، آنها ساختارهای ویژه - خوشه ها را تشکیل می دهند. به همین دلیل، نقاط فاز آب به سمت دماهای بالاتر منتقل می‌شوند، زیرا از بین بردن چنین عناصر اضافی نیز به انرژی نیاز دارد. علاوه بر این، انرژی بسیار قابل توجه است: اگر پیوندها و خوشه های هیدروژنی وجود نداشت، دمای تبلور آب (و همچنین ذوب آن) 100- درجه سانتیگراد و در حال جوش +80 درجه سانتیگراد بود.
ساختار خوشه ها با ساختار یخ کریستالی یکسان است.مولکول های آب با اتصال هر کدام به چهار همسایه، یک ساختار کریستالی روباز با پایه ای به شکل شش ضلعی می سازند. بر خلاف آب مایع، که در آن میکروکریستال ها - خوشه ها - به دلیل حرکت حرارتی مولکول ها ناپایدار و متحرک هستند، زمانی که یخ تشکیل می شود، خود را به شیوه ای پایدار و منظم دوباره مرتب می کنند. پیوندهای هیدروژنی آرایش متقابل محل‌های شبکه کریستالی را ثابت می‌کنند و در نتیجه فاصله بین مولکول‌ها تا حدودی بیشتر از فاز مایع می‌شود. این شرایط جهش چگالی آب را در طول تبلور آن توضیح می دهد - چگالی از تقریباً 1 گرم در سانتی متر3 به حدود 0.92 گرم در سانتی متر کاهش می یابد3.
درباره گرمای نهان
ویژگی های ساختار مولکولی آب به طور جدی در خواص آن منعکس شده است. این را می توان به ویژه از گرمای ویژه بالای تبلور آب مشاهده کرد. این دقیقاً به دلیل وجود پیوندهای پروتونی است که آب را از سایر ترکیبات تشکیل دهنده بلورهای مولکولی متمایز می کند. ثابت شده است که انرژی پیوند هیدروژنی در آب حدود 20 کیلوژول در هر مول است، یعنی برای 18 گرم. بخش قابل توجهی از این پیوندها "به طور انبوه" در هنگام یخ زدن آب ایجاد می شود - اینجاست که چنین بازگشت انرژی زیادی وجود دارد. می آید از.
بیایید یک محاسبه ساده ارائه دهیم. بگذارید 1650 کیلوژول انرژی در طول تبلور آب آزاد شود. این مقدار زیادی است: به عنوان مثال، از انفجار شش نارنجک لیمویی F-1 می توان انرژی معادل را به دست آورد. اجازه دهید جرم آبی را که متبلور شده است محاسبه کنیم. فرمول مربوط به مقدار گرمای نهان Q، جرم m و گرمای ویژه تبلورλ بسیار ساده است: Q=– λm. علامت منفی به سادگی به این معنی است که گرما توسط سیستم فیزیکی منتشر می شود. با جایگزینی مقادیر شناخته شده، دریافت می کنیم: m=1650/330=5 (kg). فقط 5 لیتر انرژی لازم است تا 1650 کیلوژول در طی کریستال شدن آب آزاد شود! البته، انرژی فوراً از بین نمی رود - این فرآیند به اندازه کافی طولانی طول می کشد و گرما از بین می رود.
مثلاً بسیاری از پرندگان به خوبی از این خاصیت آب آگاه هستند و از آن برای آب انجماد در کنار آب یخ زده دریاچه ها و رودخانه ها استفاده می کنند، در چنین مکان هایی دمای هوا چندین درجه بالاتر است.
کریستالیزاسیون محلولها
آب یک حلال فوق العاده است. مواد حل شده در آن نقطه تبلور را معمولاً به سمت پایین تغییر می دهند. هر چه غلظت محلول بیشتر باشد، درجه حرارت پایین تر یخ می زند. یک مثال بارز آب دریا است که در آن املاح مختلف حل شده است. غلظت آنها در آب اقیانوس 35 ppm است و چنین آبی در -1.9 درجه سانتیگراد متبلور می شود. شوری آب در دریاهای مختلف بسیار متفاوت است، بنابراین نقطه انجماد متفاوت است. بنابراین، آب بالتیک دارای شوری بیش از 8 ppm نیست و دمای تبلور آن نزدیک به 0 درجه سانتیگراد است. آب های زیرزمینی معدنی نیز در دمای زیر صفر یخ می زند. باید در نظر داشت که ما همیشه فقط در مورد تبلور آب صحبت می کنیم: یخ دریا تقریبا همیشه تازه است، در موارد شدید، کمی شور است.
محلول های آبی الکل های مختلف نیز در کاهش یافته متفاوت هستندنقطه انجماد، و تبلور آنها به طور ناگهانی انجام نمی شود، اما با یک محدوده دمایی خاص. به عنوان مثال، 40٪ الکل در 22.5- درجه سانتیگراد شروع به یخ زدن می کند و در نهایت در -29.5 درجه سانتیگراد متبلور می شود.
اما محلول قلیایی مانند سود سوزآور NaOH یا کاستیک استثنای جالبی است: با افزایش دمای تبلور مشخص می شود.
چگونه آب خالص یخ می زند؟
در آب مقطر، ساختار خوشه به دلیل تبخیر در حین تقطیر شکسته می شود و تعداد پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های چنین آبی بسیار کم است. علاوه بر این، چنین آبی حاوی ناخالصی هایی مانند ذرات گرد و غبار میکروسکوپی معلق، حباب ها و غیره که مراکز اضافی تشکیل کریستال هستند، نیست. به همین دلیل، نقطه تبلور آب مقطر به -42 درجه سانتیگراد کاهش می یابد.
می توان آب مقطر را حتی تا دمای -70 درجه سانتیگراد فوق خنک کرد. در این حالت، آب فوق سرد می تواند تقریباً بلافاصله در کل حجم با کوچکترین تکان یا نفوذ ناخالصی ناچیز متبلور شود.
آب گرم متناقض
یک واقعیت شگفت انگیز - آب گرم سریعتر از آب سرد به حالت کریستالی تبدیل می شود - به افتخار دانش آموز تانزانیایی که این پارادوکس را کشف کرد "اثر Mpemba" نام گرفت. به عبارت دقیق‌تر، آنها در دوران باستان درباره آن می‌دانستند، اما فیلسوفان طبیعی و دانشمندان علوم طبیعی، با یافتن توضیحی، در نهایت توجه خود را به این پدیده مرموز متوقف کردند.
در سال 1963، Erasto Mpemba از این موضوع شگفت زده شدمخلوط بستنی گرم سریعتر از مخلوط بستنی سرد سفت می شود. و در سال 1969 ، یک پدیده جالب قبلاً در یک آزمایش فیزیکی تأیید شد (به هر حال ، با مشارکت خود Mpemba). این اثر با طیف وسیعی از دلایل توضیح داده می شود:
- مراکز تبلور بیشتر مانند حباب های هوا؛
- اتلاف حرارت زیاد آب داغ؛
- سرعت تبخیر بالا که منجر به کاهش حجم مایع می شود.
فشار به عنوان عامل تبلور
رابطه بین فشار و دما به عنوان مقادیر کلیدی که بر فرآیند تبلور آب تأثیر می گذارند به وضوح در نمودار فاز منعکس شده است. از آن می توان دریافت که با افزایش فشار، دمای انتقال فاز آب از حالت مایع به حالت جامد بسیار آهسته کاهش می یابد. طبیعتاً عکس این موضوع نیز صادق است: هر چه فشار کمتر باشد، دمای مورد نیاز برای تشکیل یخ بالاتر می رود و به همین آرامی رشد می کند. برای دستیابی به شرایطی که در آن آب (غیر تقطیر شده!) بتواند در کمترین دمای ممکن 22- درجه سانتیگراد به یخ معمولی در ساعت متبلور شود، باید فشار را تا 2085 اتمسفر افزایش داد.
حداکثر دمای تبلور با ترکیب شرایط زیر مطابقت دارد که به آن نقطه سه گانه آب می گویند: 0.006 اتمسفر و 0.01 درجه سانتی گراد. با چنین پارامترهایی، نقاط تبلور - ذوب و تراکم - جوش منطبق هستند و هر سه حالت تجمع آب در حالت تعادل (در صورت عدم وجود مواد دیگر) همزیستی دارند.
بسیاری از انواع یخ
در حال حاضر حدود 20 تغییر شناخته شده استحالت جامد آب - از آمورف تا یخ XVII. همه آنها، به جز یخ معمولی Ih، نیاز به شرایط کریستالیزاسیون دارند که برای زمین عجیب و غریب است، و همه آنها پایدار نیستند. فقط یخ یخ به ندرت در لایه های بالایی جو زمین یافت می شود، اما تشکیل آن با انجماد آب مرتبط نیست، زیرا از بخار آب در دمای بسیار پایین تشکیل می شود. Ice XI در قطب جنوب یافت شد، اما این تغییر مشتق شده از یخ معمولی است.
با تبلور آب در فشارهای بسیار بالا، می توان تغییرات یخی مانند III، V، VI، و با افزایش همزمان دما - یخ VII به دست آورد. به احتمال زیاد برخی از آنها می توانند تحت شرایط غیرعادی برای سیاره ما در سایر اجرام منظومه شمسی تشکیل شوند: در اورانوس، نپتون یا ماهواره های بزرگ سیارات غول پیکر. باید فکر کرد که آزمایش‌های آتی و مطالعات نظری در مورد ویژگی‌های هنوز مطالعه نشده این یخ‌ها و همچنین ویژگی‌های فرآیند تبلور آنها، این موضوع را روشن می‌کند و چیزهای جدید بیشتری را باز می‌کند.
