ყოველდღიურ ცხოვრებაში, ჩვენ ყველანი ვაწყდებით ფენომენებს, რომლებიც თან ახლავს ნივთიერებების გადასვლის პროცესებს აგრეგაციის ერთი მდგომარეობიდან მეორეში. და ყველაზე ხშირად ჩვენ უნდა დავაკვირდეთ ასეთ ფენომენებს ერთ-ერთი ყველაზე გავრცელებული ქიმიური ნაერთის - კარგად ცნობილი და ნაცნობი წყლის მაგალითზე. სტატიიდან შეიტყობთ, თუ როგორ ხდება თხევადი წყლის გადაქცევა მყარ ყინულად - პროცესი, რომელსაც წყლის კრისტალიზაცია ჰქვია - და რა თვისებები ახასიათებს ამ გადასვლას.
რა არის ფაზური გადასვლა?
ყველამ იცის, რომ ბუნებაში არსებობს მატერიის სამი ძირითადი აგრეგატული მდგომარეობა (ფაზა): მყარი, თხევადი და აირისებრი. ხშირად მათ ემატება მეოთხე მდგომარეობა - პლაზმა (იმ თვისებების გამო, რომლებიც განასხვავებს მას გაზებისგან). თუმცა, გაზიდან პლაზმაში გადასვლისას არ არსებობს დამახასიათებელი მკვეთრი საზღვარი და მისი თვისებები განისაზღვრება არც ისე დიდად.მატერიის ნაწილაკებს შორის ურთიერთობა (მოლეკულები და ატომები), რამდენად არის თავად ატომების მდგომარეობა.
ყველა ნივთიერება, რომელიც გადადის ერთი მდგომარეობიდან მეორეში, ნორმალურ პირობებში მკვეთრად იცვლის თავის თვისებებს (გარდა ზოგიერთი სუპერკრიტიკული მდგომარეობისა, მაგრამ მათ აქ არ შევეხებით). ასეთი ტრანსფორმაცია არის ფაზის გადასვლა, უფრო სწორად, მისი ერთ-ერთი სახეობა. ეს ხდება ფიზიკური პარამეტრების (ტემპერატურა და წნევა) გარკვეულ კომბინაციაში, რომელსაც ეწოდება ფაზის გარდამავალი წერტილი.
თხევადი გარდაქმნა გაზად არის აორთქლება, საპირისპირო ფენომენი არის კონდენსაცია. ნივთიერების გადასვლა მყარიდან თხევად მდგომარეობაში დნება, მაგრამ თუ პროცესი საპირისპირო მიმართულებით მიდის, მაშინ მას კრისტალიზაციას უწოდებენ. მყარი სხეული შეიძლება მაშინვე გადაიქცეს გაზად და პირიქით - ამ შემთხვევაში ისინი საუბრობენ სუბლიმაციაზე და დესუბლიმაციაზე.
კრისტალიზაციის დროს წყალი იქცევა ყინულად და ნათლად აჩვენებს, თუ რამდენად იცვლება მისი ფიზიკური თვისებები. მოდით ვისაუბროთ ამ ფენომენის რამდენიმე მნიშვნელოვან დეტალზე.
კრისტალიზაციის კონცეფცია
როდესაც სითხე გაცივებისას მყარდება, იცვლება ნივთიერების ნაწილაკების ურთიერთქმედების და განლაგების ხასიათი. მისი შემადგენელი ნაწილაკების შემთხვევითი თერმული მოძრაობის კინეტიკური ენერგია მცირდება და ისინი იწყებენ ერთმანეთთან სტაბილური ბმების შექმნას. როდესაც მოლეკულები (ან ატომები) რეგულარულად, მოწესრიგებულად რიგდებიან ამ ობლიგაციების მეშვეობით, იქმნება მყარის კრისტალური სტრუქტურა.
კრისტალიზაცია ერთდროულად არ მოიცავს გაციებული სითხის მთელ მოცულობას, მაგრამ იწყება პატარა კრისტალების წარმოქმნით. ეს არის კრისტალიზაციის ე.წ. ისინი იზრდებიან ფენებად, ეტაპობრივად, მზარდი ფენის გასწვრივ უფრო და უფრო მეტი მოლეკულების ან მატერიის ატომების დამატებით.
კრისტალიზაციის პირობები
კრისტალიზაცია მოითხოვს სითხის გაციებას გარკვეულ ტემპერატურამდე (ეს არის ასევე დნობის წერტილი). ამრიგად, წყლის კრისტალიზაციის ტემპერატურა ნორმალურ პირობებში არის 0 °C.
თითოეული ნივთიერებისთვის კრისტალიზაცია ხასიათდება ლატენტური სითბოს რაოდენობით. ეს არის ამ პროცესის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის რაოდენობა (და საპირისპირო შემთხვევაში, შესაბამისად, შთანთქმული ენერგია). წყლის კრისტალიზაციის სპეციფიკური სითბო არის ლატენტური სითბო, რომელიც გამოიყოფა ერთი კილოგრამი წყლის მიერ 0 °C ტემპერატურაზე. წყლის მახლობლად არსებული ყველა ნივთიერებიდან ის ერთ-ერთი ყველაზე მაღალია და არის დაახლოებით 330 კჯ/კგ. ასეთი დიდი მნიშვნელობა განპირობებულია სტრუქტურული მახასიათებლებით, რომლებიც განსაზღვრავენ წყლის კრისტალიზაციის პარამეტრებს. ჩვენ გამოვიყენებთ ფორმულას ლატენტური სითბოს გამოსათვლელად ქვემოთ, ამ მახასიათებლების გათვალისწინების შემდეგ.
ლატენტური სითბოს კომპენსირებისთვის აუცილებელია სითხის ზედმეტად გაცივება, რათა დაიწყოს კრისტალების ზრდა. სუპერგაგრილების ხარისხი მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს კრისტალიზაციის ცენტრების რაოდენობაზე და მათი ზრდის ტემპზე. სანამ პროცესი მიმდინარეობს, ნივთიერების ტემპერატურის შემდგომი გაგრილება არ იცვლება.
წყლის მოლეკულა
იმისათვის, რომ უკეთ გაიგოთ როგორ კრისტალიზდება წყალი, თქვენ უნდა იცოდეთ როგორ არის მოწყობილი ამ ქიმიური ნაერთის მოლეკულა, რადგანმოლეკულის სტრუქტურა განსაზღვრავს მის მიერ წარმოქმნილი ბმების მახასიათებლებს.
ერთი ჟანგბადის ატომი და ორი წყალბადის ატომი გაერთიანებულია წყლის მოლეკულაში. ისინი ქმნიან ბლაგვ ტოლფერდა სამკუთხედს, რომელშიც ჟანგბადის ატომი მდებარეობს ბლაგვი კუთხის მწვერვალზე 104,45°. ამ შემთხვევაში ჟანგბადი ძლიერად უბიძგებს ელექტრონულ ღრუბლებს თავისი მიმართულებით, ისე რომ მოლეკულა ელექტრო დიპოლურია. მასში მუხტები ნაწილდება წარმოსახვითი ტეტრაედრული პირამიდის წვეროებზე - ტეტრაედონი, რომლის შიდა კუთხეებია დაახლოებით 109 °. შედეგად, მოლეკულას შეუძლია შექმნას ოთხი წყალბადის (პროტონული) ბმა, რაც, რა თქმა უნდა, გავლენას ახდენს წყლის თვისებებზე.
თხევადი წყლისა და ყინულის სტრუქტურის თავისებურებები
წყლის მოლეკულის უნარი შექმნას პროტონული ბმები ვლინდება როგორც თხევად, ასევე მყარ მდგომარეობაში. როდესაც წყალი თხევადია, ეს ობლიგაციები საკმაოდ არასტაბილურია, ადვილად ნადგურდება, მაგრამ ასევე მუდმივად იქმნება ხელახლა. მათი არსებობის გამო, წყლის მოლეკულები უფრო მჭიდროდ არის დაკავშირებული ერთმანეთთან, ვიდრე სხვა სითხეების ნაწილაკები. ასოცირდებიან, ისინი ქმნიან სპეციალურ სტრუქტურებს - კლასტერებს. ამ მიზეზით, წყლის ფაზური წერტილები გადადის უფრო მაღალ ტემპერატურაზე, რადგან ასეთი დამატებითი ასოციაციების განადგურება ასევე მოითხოვს ენერგიას. უფრო მეტიც, ენერგია საკმაოდ მნიშვნელოვანია: წყალბადის ბმები და გროვები რომ არ არსებობდეს, წყლის კრისტალიზაციის ტემპერატურა (ისევე როგორც მისი დნობა) იქნებოდა –100 °C, ხოლო დუღილის +80 °C.
მტევნების სტრუქტურა კრისტალური ყინულის სტრუქტურის იდენტურია.თითოეულს აკავშირებს ოთხ მეზობელთან, წყლის მოლეკულები აშენებენ ღია კრისტალურ სტრუქტურას ექვსკუთხედის ფორმის ფუძით. თხევადი წყლისგან განსხვავებით, სადაც მიკროკრისტალები - მტევნები - არასტაბილური და მოძრავია მოლეკულების თერმული მოძრაობის გამო, როდესაც ყინული წარმოიქმნება, ისინი სტაბილურად და რეგულარულად აწესრიგებენ თავს. წყალბადის ბმები აფიქსირებს კრისტალური გისოსების ურთიერთგანლაგებას და შედეგად, მოლეკულებს შორის მანძილი გარკვეულწილად უფრო დიდი ხდება, ვიდრე თხევად ფაზაში. ეს გარემოება ხსნის წყლის სიმკვრივის ნახტომს მისი კრისტალიზაციის დროს - სიმკვრივე ეცემა თითქმის 1 გ/სმ-დან3-მდე დაახლოებით 0,92 გ/სმ3..
ლატენტური სიცხის შესახებ
წყლის მოლეკულური სტრუქტურის თავისებურებები ძალიან სერიოზულად აისახება მის თვისებებში. ეს ჩანს, კერძოდ, წყლის კრისტალიზაციის მაღალი სპეციფიკური სითბოდან. ეს გამოწვეულია სწორედ პროტონული ბმების არსებობით, რაც განასხვავებს წყალს სხვა ნაერთებისგან, რომლებიც ქმნიან მოლეკულურ კრისტალებს. დადგენილია, რომ წყალბადის ბმის ენერგია წყალში არის დაახლოებით 20 კჯ თითო მოლზე, ანუ 18 გ. ამ ობლიგაციების მნიშვნელოვანი ნაწილი იქმნება „მასობრივად“წყლის გაყინვისას - სწორედ აქ ხდება ენერგიის ასეთი დიდი დაბრუნება. მოდის.
მოდით მარტივი გამოთვლა. მოდით, წყლის კრისტალიზაციის დროს გამოიყოფა 1650 კჯ ენერგია. ეს ბევრია: ექვივალენტური ენერგიის მიღება შესაძლებელია, მაგალითად, ექვსი F-1 ლიმონის ყუმბარის აფეთქებით. მოდით გამოვთვალოთ წყლის მასა, რომელმაც განიცადა კრისტალიზაცია. ფარული სითბოს Q, მასა m და კრისტალიზაციის სპეციფიკური სითბოს შემცველი ფორმულაλ ძალიან მარტივია: Q=– λm. მინუს ნიშანი უბრალოდ ნიშნავს, რომ სითბო გამოიყოფა ფიზიკური სისტემის მიერ. ცნობილი მნიშვნელობების ჩანაცვლებით მივიღებთ: m=1650/330=5 (კგ). წყლის კრისტალიზაციის დროს 1650 კჯ ენერგიის გამოყოფისთვის საჭიროა მხოლოდ 5 ლიტრი! რა თქმა უნდა, ენერგია მყისიერად არ გაიცემა - პროცესი საკმაოდ დიდხანს გრძელდება და სითბო იფანტება.
ბევრმა ფრინველმა, მაგალითად, კარგად იცის წყლის ეს თვისება და იყენებს მას ტბებისა და მდინარეების გაყინულ წყალთან დასაბანად, ასეთ ადგილებში ჰაერის ტემპერატურა რამდენიმე გრადუსით მაღალია.
ხსნარების კრისტალიზაცია
წყალი შესანიშნავი გამხსნელია. მასში გახსნილი ნივთიერებები კრისტალიზაციის წერტილს, როგორც წესი, ქვევით ცვლის. რაც უფრო მაღალია ხსნარის კონცენტრაცია, მით უფრო დაბალი ტემპერატურა გაყინავს. თვალსაჩინო მაგალითია ზღვის წყალი, რომელშიც ბევრი სხვადასხვა მარილი იხსნება. მათი კონცენტრაცია ოკეანის წყალში არის 35 ppm და ასეთი წყალი კრისტალიზდება -1,9 °C-ზე. სხვადასხვა ზღვაში წყლის მარილიანობა ძალიან განსხვავებულია, ამიტომ გაყინვის წერტილი განსხვავებულია. ამრიგად, ბალტიის წყალს აქვს მარილიანობა არაუმეტეს 8 ppm, ხოლო მისი კრისტალიზაციის ტემპერატურა 0 °C-მდეა. მინერალიზებული მიწისქვეშა წყლები ასევე იყინება ნულის ქვემოთ ტემპერატურაზე. გასათვალისწინებელია, რომ ჩვენ ყოველთვის ვსაუბრობთ მხოლოდ წყლის კრისტალიზაციაზე: ზღვის ყინული თითქმის ყოველთვის სუფთაა, უკიდურეს შემთხვევაში, ოდნავ მარილიანი.
სხვადასხვა სპირტის წყალხსნარები ასევე განსხვავდება შემცირებულადგაყინვის წერტილი და მათი კრისტალიზაცია ხდება არა უეცრად, არამედ გარკვეული ტემპერატურის დიაპაზონით. მაგალითად, 40% ალკოჰოლი იწყებს გაყინვას -22,5°C-ზე და ბოლოს კრისტალიზდება -29,5°C-ზე.
მაგრამ ისეთი ტუტეს ხსნარი, როგორიც არის კაუსტიკური სოდა NaOH ან კასტიკა, საინტერესო გამონაკლისია: მას ახასიათებს გაზრდილი კრისტალიზაციის ტემპერატურა.
როგორ იყინება სუფთა წყალი?
გამოხდილ წყალში კასეტური სტრუქტურა იშლება დისტილაციის დროს აორთქლების გამო და ასეთი წყლის მოლეკულებს შორის წყალბადის ბმების რაოდენობა ძალიან მცირეა. გარდა ამისა, ასეთი წყალი არ შეიცავს მინარევებს, როგორიცაა შეჩერებული მიკროსკოპული მტვრის ნაწილაკები, ბუშტები და ა.შ., რომლებიც წარმოადგენს ბროლის წარმოქმნის დამატებით ცენტრებს. ამ მიზეზით, გამოხდილი წყლის კრისტალიზაციის წერტილი მცირდება -42 °C-მდე.
შესაძლებელია გამოხდილი წყლის სუპერგაგრილება -70 °C-მდეც კი. ამ მდგომარეობაში სუპერგაცივებულ წყალს შეუძლია თითქმის მყისიერად კრისტალიზაცია მოახდინოს მთელ მოცულობაზე ოდნავი შერყევის ან უმნიშვნელო მინარევების შეღწევით.
პარადოქსული ცხელი წყალი
საოცარ ფაქტს - ცხელი წყალი ცივ წყალზე უფრო სწრაფად იქცევა კრისტალურ მდგომარეობაში - ეწოდა "მპემბას ეფექტი" ტანზანიელი სკოლის მოსწავლის პატივსაცემად, რომელმაც აღმოაჩინა ეს პარადოქსი. უფრო სწორად, მათ ამის შესახებ ანტიკურ ხანაში იცოდნენ, თუმცა, ახსნა რომ ვერ იპოვეს, ბუნებისმეტყველმა ფილოსოფოსებმა და ბუნებისმეტყველებმა საბოლოოდ შეწყვიტეს იდუმალი ფენომენის ყურადღება.
1963 წელს ერასტო მპემბას ეს გაუკვირდათბილი ნაყინის მიქსი უფრო სწრაფად დნება, ვიდრე ცივი ნაყინის ნაზავი. და 1969 წელს, დამაინტრიგებელი ფენომენი უკვე ფიზიკურ ექსპერიმენტში დადასტურდა (სხვათა შორის, თავად მპემბას მონაწილეობით). ეფექტი აიხსნება მთელი რიგი მიზეზებით:
- მეტი კრისტალიზაციის ცენტრი, როგორიცაა ჰაერის ბუშტები;
- ცხელი წყლის მაღალი სითბოს გაფრქვევა;
- აორთქლების მაღალი სიჩქარე, რაც იწვევს სითხის მოცულობის შემცირებას.
წნევა როგორც კრისტალიზაციის ფაქტორი
დაკავშირება წნევასა და ტემპერატურას შორის, როგორც ძირითადი სიდიდეები, რომლებიც გავლენას ახდენენ წყლის კრისტალიზაციის პროცესზე, ნათლად არის ასახული ფაზურ დიაგრამაზე. მისგან ჩანს, რომ წნევის მატებასთან ერთად, წყლის თხევადი მდგომარეობიდან მყარ მდგომარეობაში გადასვლის ფაზური ტემპერატურა უკიდურესად ნელა მცირდება. ბუნებრივია, პირიქითაც არის: რაც უფრო დაბალია წნევა, მით უფრო მაღალია ყინულის წარმოქმნისთვის საჭირო ტემპერატურა და ის ისევე ნელა იზრდება. პირობების მისაღწევად, რომლებშიც წყალს (არა გამოხდილი!) შეუძლია კრისტალიზდეს ჩვეულებრივ ყინულში Ih ყველაზე დაბალ ტემპერატურაზე -22 ° C, წნევა უნდა გაიზარდოს 2085 ატმოსფერომდე.
მაქსიმალური კრისტალიზაციის ტემპერატურა შეესაბამება პირობების შემდეგ კომბინაციას, რომელსაც ეწოდება წყლის სამმაგი წერტილი: 0,006 ატმოსფერო და 0,01 °C. ასეთი პარამეტრებით კრისტალიზაცია-დნობის და კონდენსაცია-დუღილის წერტილები ერთმანეთს ემთხვევა და წყლის აგრეგაციის სამივე მდგომარეობა თანაარსებობს წონასწორობაში (სხვა ნივთიერებების არარსებობის შემთხვევაში).
მრავალი სახეობის ყინული
ამჟამად ცნობილია 20-მდე მოდიფიკაციაწყლის მყარი მდგომარეობა - ამორფულიდან ყინულამდე XVII. ყველა მათგანი, გარდა ჩვეულებრივი Ih ყინულისა, მოითხოვს დედამიწისთვის ეგზოტიკური კრისტალიზაციის პირობებს და ყველა მათგანი არ არის სტაბილური. მხოლოდ ყინულის ყინული ძალიან იშვიათად გვხვდება დედამიწის ატმოსფეროს ზედა ფენებში, მაგრამ მისი წარმოქმნა არ არის დაკავშირებული წყლის გაყინვასთან, რადგან იგი წარმოიქმნება წყლის ორთქლისგან უკიდურესად დაბალ ტემპერატურაზე. ყინული XI აღმოაჩინეს ანტარქტიდაზე, მაგრამ ეს მოდიფიკაცია ჩვეულებრივი ყინულის წარმოებულია.
უაღრესად მაღალ წნევაზე წყლის კრისტალიზაციით შესაძლებელია ისეთი ყინულის მოდიფიკაციების მიღება, როგორიცაა III, V, VI და ტემპერატურის ერთდროული მატებით - ყინული VII. სავარაუდოა, რომ ზოგიერთი მათგანი შეიძლება ჩამოყალიბდეს ჩვენი პლანეტისთვის უჩვეულო პირობებში მზის სისტემის სხვა სხეულებზე: ურანზე, ნეპტუნზე ან გიგანტური პლანეტების დიდ თანამგზავრებზე. უნდა ვიფიქროთ, რომ მომავალი ექსპერიმენტები და თეორიული კვლევები ამ ყინულების ჯერ კიდევ მცირედ შესწავლილი თვისებების, აგრეთვე მათი კრისტალიზაციის პროცესების თავისებურებების გარკვევას ამ საკითხს და კიდევ ბევრ ახალს გახსნის.
