Në jetën e përditshme, të gjithë herë pas here ndeshemi me fenomene që shoqërojnë proceset e kalimit të substancave nga një gjendje grumbullimi në tjetrën. Dhe më shpesh ne duhet të vëzhgojmë fenomene të tilla në shembullin e një prej përbërjeve kimike më të zakonshme - uji i njohur dhe i njohur. Nga artikulli do të mësoni se si ndodh shndërrimi i ujit të lëngshëm në akull të ngurtë - një proces i quajtur kristalizimi i ujit - dhe cilat veçori e karakterizojnë këtë tranzicion.
Çfarë është një tranzicion fazor?
Të gjithë e dinë se në natyrë ekzistojnë tre gjendje (faza) kryesore agregate të materies: e ngurtë, e lëngët dhe e gaztë. Shpesh atyre u shtohet një gjendje e katërt - plazma (për shkak të veçorive që e dallojnë atë nga gazrat). Sidoqoftë, kur kalon nga gazi në plazmë, nuk ka një kufi karakteristik të mprehtë dhe vetitë e tij përcaktohen jo aq shumëmarrëdhënia ndërmjet grimcave të materies (molekulave dhe atomeve), sa është gjendja e vetë atomeve.
Të gjitha substancat, duke kaluar nga një gjendje në tjetrën, në kushte normale ndryshojnë befas vetitë e tyre (me përjashtim të disa gjendjeve superkritike, por ne nuk do t'i prekim ato këtu). Një transformim i tillë është një tranzicion fazor, ose më saktë, një nga varietetet e tij. Ndodh në një kombinim të caktuar të parametrave fizikë (temperatura dhe presioni), i quajtur pika e tranzicionit fazor.
Shndërrimi i lëngut në gaz është avullim, fenomeni i kundërt është kondensimi. Kalimi i një lënde nga një gjendje e ngurtë në një gjendje të lëngshme është duke u shkrirë, por nëse procesi shkon në drejtim të kundërt, atëherë quhet kristalizimi. Një trup i ngurtë mund të kthehet menjëherë në gaz dhe anasjelltas - në këto raste ata flasin për sublimim dhe desublimim.
Gjatë kristalizimit, uji shndërrohet në akull dhe tregon qartë se sa ndryshojnë vetitë e tij fizike. Le të ndalemi në disa detaje të rëndësishme të këtij fenomeni.
Koncepti i kristalizimit
Kur një lëng ngurtësohet gjatë ftohjes, natyra e ndërveprimit dhe rregullimit të grimcave të substancës ndryshon. Energjia kinetike e lëvizjes termike të rastësishme të grimcave përbërëse të saj zvogëlohet dhe ato fillojnë të formojnë lidhje të qëndrueshme me njëra-tjetrën. Kur molekulat (ose atomet) rreshtohen në një mënyrë të rregullt dhe të rregullt përmes këtyre lidhjeve, formohet struktura kristalore e një trupi të ngurtë.
Kristalizimi nuk mbulon njëkohësisht të gjithë vëllimin e lëngut të ftohur, por fillon me formimin e kristaleve të vogla. Këto janë të ashtuquajturat qendra të kristalizimit. Ata rriten në shtresa, hap pas hapi, duke shtuar gjithnjë e më shumë molekula ose atome të lëndës përgjatë shtresës në rritje.
Kushtet e kristalizimit
Kristalizimi kërkon ftohjen e lëngut në një temperaturë të caktuar (është gjithashtu pika e shkrirjes). Kështu, temperatura e kristalizimit të ujit në kushte normale është 0 °C.
Për çdo substancë, kristalizimi karakterizohet nga sasia e nxehtësisë latente. Kjo është sasia e energjisë së çliruar gjatë këtij procesi (dhe në rastin e kundërt, respektivisht, energjia e absorbuar). Nxehtësia specifike e kristalizimit të ujit është nxehtësia latente e lëshuar nga një kilogram ujë në 0 °C. Nga të gjitha substancat pranë ujit, është një nga më të lartat dhe është rreth 330 kJ / kg. Një vlerë kaq e madhe është për shkak të veçorive strukturore që përcaktojnë parametrat e kristalizimit të ujit. Ne do të përdorim formulën për llogaritjen e nxehtësisë latente më poshtë, pasi të kemi marrë parasysh këto karakteristika.
Për të kompensuar nxehtësinë latente, është e nevojshme që lëngu të mbiftohët në mënyrë që të fillojë rritja e kristalit. Shkalla e superftohjes ka një efekt të rëndësishëm në numrin e qendrave të kristalizimit dhe në shkallën e rritjes së tyre. Ndërsa procesi po vazhdon, ftohja e mëtejshme e temperaturës së substancës nuk ndryshon.
Molekula e ujit
Për të kuptuar më mirë se si kristalizohet uji, duhet të dini se si është rregulluar molekula e këtij përbërësi kimik, sepsestruktura e një molekule përcakton karakteristikat e lidhjeve që ajo formon.
Një atom oksigjeni dhe dy atome hidrogjeni kombinohen në një molekulë uji. Ato formojnë një trekëndësh të mpirë izoscelular në të cilin atomi i oksigjenit ndodhet në kulmin e një këndi të mpirë prej 104,45°. Në këtë rast, oksigjeni i tërheq fort retë elektronike në drejtimin e tij, në mënyrë që molekula të jetë një dipol elektrik. Ngarkesat në të shpërndahen në kulmet e një piramide imagjinare tetraedrale - një tetrahedron me kënde të brendshme afërsisht 109 °. Si rezultat, molekula mund të formojë katër lidhje hidrogjeni (proton), të cilat, natyrisht, ndikojnë në vetitë e ujit.
Veçoritë e strukturës së ujit dhe akullit të lëngët
Aftësia e një molekule uji për të formuar lidhje protonike manifestohet si në gjendje të lëngshme ashtu edhe në gjendje të ngurtë. Kur uji është i lëngshëm, këto lidhje janë mjaft të paqëndrueshme, shkatërrohen lehtësisht, por gjithashtu formohen vazhdimisht përsëri. Për shkak të pranisë së tyre, molekulat e ujit janë të lidhura më fort me njëra-tjetrën sesa grimcat e lëngjeve të tjera. Duke u shoqëruar, ato formojnë struktura të veçanta - grupime. Për këtë arsye, pikat fazore të ujit zhvendosen drejt temperaturave më të larta, sepse shkatërrimi i këtyre bashkimeve shtesë kërkon edhe energji. Për më tepër, energjia është mjaft domethënëse: nëse nuk do të kishte lidhje dhe grupime hidrogjeni, temperatura e kristalizimit të ujit (si dhe shkrirja e tij) do të ishte –100 °C dhe vlimi +80 °C.
Struktura e grupimeve është identike me strukturën e akullit kristalor. Duke e lidhur secilën me katër fqinjë, molekulat e ujit ndërtojnë një strukturë kristalore të hapur me një bazë në formën e një gjashtëkëndëshi. Ndryshe nga uji i lëngshëm, ku mikrokristalet - grupimet - janë të paqëndrueshme dhe të lëvizshme për shkak të lëvizjes termike të molekulave, kur formohet akulli, ato riorganizohen në një mënyrë të qëndrueshme dhe të rregullt. Lidhjet e hidrogjenit rregullojnë rregullimin e ndërsjellë të vendeve të rrjetës kristalore, dhe si rezultat, distanca midis molekulave bëhet disi më e madhe se në fazën e lëngshme. Kjo rrethanë shpjegon kërcimin në densitetin e ujit gjatë kristalizimit të tij - dendësia bie nga pothuajse 1 g/cm3 në rreth 0,92 g/cm3.
Rreth nxehtësisë latente
Veçoritë e strukturës molekulare të ujit reflektohen shumë seriozisht në vetitë e tij. Kjo mund të shihet, veçanërisht, nga nxehtësia e lartë specifike e kristalizimit të ujit. Kjo është pikërisht për shkak të pranisë së lidhjeve protonike, e cila e dallon ujin nga komponimet e tjera që formojnë kristale molekulare. Është vërtetuar se energjia e lidhjes së hidrogjenit në ujë është rreth 20 kJ për mol, domethënë për 18 g. Një pjesë e konsiderueshme e këtyre lidhjeve krijohen "në masë" kur uji ngrin - këtu është një kthim kaq i madh energjie. vjen nga.
Le të bëjmë një llogaritje të thjeshtë. Le të lirohen 1650 kJ energji gjatë kristalizimit të ujit. Kjo është shumë: energji ekuivalente mund të merret, për shembull, nga shpërthimi i gjashtë granatave limoni F-1. Le të llogarisim masën e ujit që i është nënshtruar kristalizimit. Formula që lidh sasinë e nxehtësisë latente Q, masën m dhe nxehtësinë specifike të kristalizimitλ është shumë e thjeshtë: Q=– λm. Shenja minus thjesht do të thotë që nxehtësia lëshohet nga sistemi fizik. Duke zëvendësuar vlerat e njohura, marrim: m=1650/330=5 (kg). Vetëm 5 litra nevojiten që të çlirohen 1650 kJ energji gjatë kristalizimit të ujit! Sigurisht, energjia nuk jepet menjëherë - procesi zgjat për një kohë mjaft të gjatë dhe nxehtësia shpërndahet.
Shumë zogj, për shembull, e dinë mirë këtë veti të ujit dhe e përdorin atë për t'u larë pranë ujit të ngrirë të liqeneve dhe lumenjve, në vende të tilla temperatura e ajrit është disa gradë më e lartë.
Kristalizimi i tretësirave
Uji është një tretës i mrekullueshëm. Substancat e tretura në të e zhvendosin pikën e kristalizimit, si rregull, poshtë. Sa më i lartë të jetë përqendrimi i tretësirës, aq më e ulët do të ngrijë temperatura. Një shembull i mrekullueshëm është uji i detit, në të cilin treten shumë kripëra të ndryshme. Përqendrimi i tyre në ujin e oqeanit është 35 ppm, dhe një ujë i tillë kristalizohet në -1,9 °C. Kripësia e ujit në dete të ndryshme është shumë e ndryshme, kështu që pika e ngrirjes është e ndryshme. Kështu, uji B altik ka një kripësi jo më shumë se 8 ppm, dhe temperatura e tij e kristalizimit është afër 0 ° C. Ujërat nëntokësore të mineralizuara gjithashtu ngrijnë në temperatura nën zero. Duhet të kihet parasysh se gjithmonë po flasim vetëm për kristalizimin e ujit: akulli i detit është pothuajse gjithmonë i freskët, në raste ekstreme pak i kripur.
Trelucionet ujore të alkooleve të ndryshme ndryshojnë gjithashtu në reduktimpikën e ngrirjes dhe kristalizimi i tyre nuk vazhdon befas, por me një diapazon të caktuar temperaturash. Për shembull, 40% alkool fillon të ngrijë në -22,5°C dhe në fund kristalizohet në -29,5°C.
Por një zgjidhje e një alkali të tillë si soda kaustike NaOH ose kaustike është një përjashtim interesant: karakterizohet nga një temperaturë e rritur kristalizimi.
Si ngrin uji i pastër?
Në ujin e distiluar, struktura e grumbullit prishet për shkak të avullimit gjatë distilimit, dhe numri i lidhjeve hidrogjenore midis molekulave të këtij uji është shumë i vogël. Përveç kësaj, një ujë i tillë nuk përmban papastërti të tilla si grimcat mikroskopike të pezulluara të pluhurit, flluska, etj., të cilat janë qendra shtesë të formimit të kristaleve. Për këtë arsye, pika e kristalizimit të ujit të distiluar ulet në -42 °C.
Është e mundur që uji i distiluar të superftohët edhe deri në -70 °C. Në këtë gjendje, uji i tepërt i ftohur është në gjendje të kristalizohet pothuajse menjëherë në të gjithë vëllimin me lëkundjen më të vogël ose hyrjen e një papastërtie të parëndësishme.
Ujë i nxehtë paradoksal
Një fakt i mahnitshëm - uji i nxehtë kthehet në një gjendje kristalore më shpejt se uji i ftohtë - u quajt "efekti Mpemba" për nder të nxënësit të shkollës Tanzaniane që zbuloi këtë paradoks. Më saktësisht, ata e dinin për të në antikitet, megjithatë, duke mos gjetur një shpjegim, filozofët e natyrës dhe shkencëtarët e natyrës përfundimisht ndaluan t'i kushtonin vëmendje fenomenit misterioz.
Në vitin 1963, Erasto Mpemba u befasua nga kjoPërzierja e akullores së ngrohtë ngjitet më shpejt se përzierja e akullores së ftohtë. Dhe në vitin 1969, një fenomen intrigues u konfirmua tashmë në një eksperiment fizik (nga rruga, me pjesëmarrjen e vetë Mpemba). Efekti shpjegohet nga një sërë arsyesh:
- më shumë qendra kristalizimi si flluskat e ajrit;
- shpërndarja e lartë e nxehtësisë së ujit të nxehtë;
- shkallë e lartë e avullimit, që rezulton në një ulje të vëllimit të lëngut.
Presioni si faktor kristalizimi
Marrëdhënia midis presionit dhe temperaturës si sasi kryesore që ndikojnë në procesin e kristalizimit të ujit pasqyrohet qartë në diagramin fazor. Prej tij mund të shihet se me rritjen e presionit, temperatura e kalimit fazor të ujit nga një gjendje e lëngshme në një gjendje të ngurtë zvogëlohet jashtëzakonisht ngadalë. Natyrisht, e kundërta është gjithashtu e vërtetë: sa më i ulët të jetë presioni, aq më e lartë është temperatura e nevojshme për formimin e akullit dhe ai rritet po aq ngadalë. Për të arritur kushte në të cilat uji (jo i distiluar!) është në gjendje të kristalizohet në akull të zakonshëm Ih në temperaturën më të ulët të mundshme prej -22 ° C, presioni duhet të rritet në 2085 atmosfera.
Temperatura maksimale e kristalizimit korrespondon me kombinimin e mëposhtëm të kushteve, të quajtur pika e trefishtë e ujit: 0,006 atmosfera dhe 0,01 °C. Me parametra të tillë, pikat e kristalizimit-shkrirjes dhe kondensimit-vlimit përkojnë dhe të tre gjendjet e grumbullimit të ujit bashkëjetojnë në ekuilibër (në mungesë të substancave të tjera).
Shumë lloje akulli
Të njohura aktualisht rreth 20 modifikimegjendje e ngurtë e ujit - nga amorf në akull XVII. Të gjithë ata, përveç akullit të zakonshëm Ih, kërkojnë kushte kristalizimi që janë ekzotike për Tokën, dhe jo të gjithë janë të qëndrueshëm. Vetëm Ic i akullit gjendet shumë rrallë në shtresat e sipërme të atmosferës së tokës, por formimi i tij nuk shoqërohet me ngrirjen e ujit, pasi formohet nga avujt e ujit në temperatura jashtëzakonisht të ulëta. Ice XI u gjet në Antarktidë, por ky modifikim është një derivat i akullit të zakonshëm.
Me kristalizimin e ujit në presione jashtëzakonisht të larta, është e mundur të merren modifikime të tilla të akullit si III, V, VI, dhe me një rritje të njëkohshme të temperaturës - akulli VII. Ka të ngjarë që disa prej tyre të mund të formohen në kushte të pazakonta për planetin tonë në trupa të tjerë të sistemit diellor: në Uran, Neptun ose satelitë të mëdhenj të planetëve gjigantë. Duhet menduar se eksperimentet e ardhshme dhe studimet teorike të vetive ende pak të studiuara të këtyre akujve, si dhe veçoritë e proceseve të tyre të kristalizimit, do ta qartësojnë këtë çështje dhe do të hapin shumë gjëra të reja.
