Առօրյա կյանքում մենք բոլորս երբեմն հանդիպում ենք երևույթների, որոնք ուղեկցում են նյութերի ագրեգացման մի վիճակից մյուսին անցման գործընթացներին: Եվ ամենից հաճախ մենք ստիպված ենք լինում դիտարկել նման երեւույթները ամենատարածված քիմիական միացություններից մեկի՝ հայտնի ու ծանոթ ջրի օրինակով։ Հոդվածից դուք կիմանաք, թե ինչպես է տեղի ունենում հեղուկ ջրի փոխակերպումը պինդ սառույցի` գործընթաց, որը կոչվում է ջրի բյուրեղացում, և ինչ հատկանիշներ են բնութագրում այս անցումը:
Ի՞նչ է փուլային անցումը:
Բոլորը գիտեն, որ բնության մեջ կան նյութի երեք հիմնական ագրեգատային վիճակներ (փուլեր)՝ պինդ, հեղուկ և գազային: Հաճախ դրանց ավելացվում է չորրորդ վիճակ՝ պլազմա (շնորհիվ այն հատկանիշների, որոնք տարբերում են այն գազերից)։ Այնուամենայնիվ, գազից պլազմա անցնելիս չկա բնորոշ սուր սահման, և դրա հատկությունները որոշվում են ոչ այնքան.նյութի մասնիկների (մոլեկուլների և ատոմների) փոխհարաբերությունները, որքանով են ատոմների վիճակը:
Բոլոր նյութերը, անցնելով մի վիճակից մյուսը, նորմալ պայմաններում կտրուկ փոխում են իրենց հատկությունները (բացառությամբ որոշ գերկրիտիկական վիճակների, բայց մենք նրանց այստեղ չենք անդրադառնա): Նման փոխակերպումը փուլային անցում է, ավելի ճիշտ, դրա սորտերից մեկը: Այն տեղի է ունենում ֆիզիկական պարամետրերի որոշակի համակցությամբ (ջերմաստիճան և ճնշում), որը կոչվում է փուլային անցումային կետ:
Հեղուկի վերածումը գազի գոլորշիացում է, հակառակ երեւույթը՝ խտացում։ Նյութի անցումը պինդ վիճակից հեղուկի հալչում է, բայց եթե պրոցեսն ընթանում է հակառակ ուղղությամբ, ապա այն կոչվում է բյուրեղացում։ Պինդ մարմինը կարող է անմիջապես վերածվել գազի և հակառակը՝ այս դեպքերում խոսում են սուբլիմացիայի և սուբլիմացիայի մասին։
Բյուրեղացման ընթացքում ջուրը վերածվում է սառույցի և հստակ ցույց է տալիս, թե որքան են փոխվում նրա ֆիզիկական հատկությունները։ Անդրադառնանք այս երևույթի մի քանի կարևոր մանրամասներին։
Բյուրեղացման հայեցակարգ
Երբ հեղուկը պնդանում է սառեցման ժամանակ, փոխվում է նյութի մասնիկների փոխազդեցության և դասավորության բնույթը։ Նրա բաղկացուցիչ մասնիկների պատահական ջերմային շարժման կինետիկ էներգիան նվազում է, և նրանք սկսում են կայուն կապեր ձևավորել միմյանց հետ։ Երբ մոլեկուլները (կամ ատոմները) կանոնավոր, կանոնավոր կերպով շարվում են այս կապերի միջով, ձևավորվում է պինդ մարմնի բյուրեղային կառուցվածքը:
Բյուրեղացումը միաժամանակ չի ծածկում սառեցված հեղուկի ամբողջ ծավալը, այլ սկսվում է փոքր բյուրեղների առաջացմամբ։ Սրանք այսպես կոչված բյուրեղացման կենտրոններ են։ Նրանք աճում են շերտերով, աստիճանաբար՝ աճող շերտի երկայնքով ավելացնելով ավելի ու ավելի շատ մոլեկուլներ կամ նյութի ատոմներ։
բյուրեղացման պայմաններ
Բյուրեղացման համար անհրաժեշտ է հեղուկը սառեցնել մինչև որոշակի ջերմաստիճան (դա նաև հալման կետ է): Այսպիսով, ջրի բյուրեղացման ջերմաստիճանը նորմալ պայմաններում 0 °C է։
Յուրաքանչյուր նյութի համար բյուրեղացումը բնութագրվում է թաքնված ջերմության քանակով: Սա այս գործընթացի ընթացքում թողարկված էներգիայի քանակն է (և հակառակ դեպքում, համապատասխանաբար, կլանված էներգիան): Ջրի բյուրեղացման հատուկ ջերմությունը 0 °C ջերմաստիճանում մեկ կիլոգրամ ջրի արտանետվող թաքնված ջերմությունն է։ Ջրի մոտ գտնվող բոլոր նյութերից այն ամենաբարձրերից մեկն է և կազմում է մոտ 330 կՋ / կգ: Նման մեծ արժեքը պայմանավորված է կառուցվածքային առանձնահատկություններով, որոնք որոշում են ջրի բյուրեղացման պարամետրերը: Մենք կօգտագործենք ստորև բերված թաքնված ջերմության հաշվարկման բանաձևը՝ այս հատկանիշները դիտարկելուց հետո:
Թաքուն ջերմությունը փոխհատուցելու համար անհրաժեշտ է հեղուկը գերհովացնել, որպեսզի սկսի բյուրեղների աճը։ Գերհովացման աստիճանը էական ազդեցություն ունի բյուրեղացման կենտրոնների քանակի և դրանց աճի արագության վրա։ Մինչ գործընթացը շարունակվում է, նյութի ջերմաստիճանի հետագա սառեցումը չի փոխվում։
Ջրի մոլեկուլ
Որպեսզի ավելի լավ հասկանաք, թե ինչպես է ջուրը բյուրեղանում, դուք պետք է իմանաք, թե ինչպես է դասավորված այս քիմիական միացության մոլեկուլը, քանի որ.մոլեկուլի կառուցվածքը որոշում է նրա գոյացած կապերի բնութագրերը։
Թթվածնի մեկ ատոմ և ջրածնի երկու ատոմ միացված են ջրի մոլեկուլում: Նրանք կազմում են բութ հավասարաչափ եռանկյունի, որում թթվածնի ատոմը գտնվում է 104,45° բութ անկյան գագաթին։ Այս դեպքում թթվածինը ուժեղորեն ձգում է էլեկտրոնային ամպերն իր ուղղությամբ, այնպես որ մոլեկուլը էլեկտրական դիպոլ է։ Դրանում գտնվող լիցքերը բաշխվում են երևակայական քառանիստ բուրգի գագաթների վրա՝ քառաեդրոն՝ մոտավորապես 109 ° ներքին անկյուններով: Արդյունքում մոլեկուլը կարող է ձևավորել չորս ջրածնային (պրոտոնային) կապ, ինչը, իհարկե, ազդում է ջրի հատկությունների վրա։
Հեղուկ ջրի և սառույցի կառուցվածքի առանձնահատկությունները
Ջրի մոլեկուլի՝ պրոտոնային կապեր ձևավորելու ունակությունը դրսևորվում է ինչպես հեղուկ, այնպես էլ պինդ վիճակում։ Երբ ջուրը հեղուկ է, այդ կապերը բավականին անկայուն են, հեշտությամբ քայքայվում են, բայց և անընդհատ նորից ձևավորվում: Իրենց առկայության շնորհիվ ջրի մոլեկուլներն ավելի ուժեղ են միմյանց հետ կապված, քան այլ հեղուկների մասնիկները։ Ասոցացվելով՝ նրանք կազմում են հատուկ կառույցներ՝ կլաստերներ։ Այդ պատճառով ջրի ֆազային կետերը տեղափոխվում են դեպի ավելի բարձր ջերմաստիճաններ, քանի որ նման հավելյալ ասոցիացիաների ոչնչացումը նույնպես էներգիա է պահանջում: Ավելին, էներգիան բավականին նշանակալից է. եթե չլինեին ջրածնային կապեր և կլաստերներ, ապա ջրի բյուրեղացման ջերմաստիճանը (ինչպես նաև դրա հալման) կլիներ –100 °C, իսկ եռմանը՝ +80 °C։
։
Կլաստերների կառուցվածքը նույնական է բյուրեղային սառույցի կառուցվածքին:Յուրաքանչյուրը կապելով չորս հարևանների հետ՝ ջրի մոլեկուլները կառուցում են բացված բյուրեղային կառուցվածք՝ վեցանկյունի ձևով հիմքով: Ի տարբերություն հեղուկ ջրի, որտեղ միկրոբյուրեղները՝ կլաստերները, անկայուն են և շարժական՝ մոլեկուլների ջերմային շարժման պատճառով, երբ սառույցը ձևավորվում է, դրանք վերադասավորվում են կայուն և կանոնավոր կերպով: Ջրածնային կապերը ամրագրում են բյուրեղային ցանցերի փոխադարձ դասավորությունը, և արդյունքում մոլեկուլների միջև հեռավորությունը դառնում է մի փոքր ավելի մեծ, քան հեղուկ փուլում: Այս հանգամանքը բացատրում է ջրի խտության ցատկումը նրա բյուրեղացման ժամանակ. խտությունը նվազում է գրեթե 1 գ/սմ3-ից մինչև մոտ 0,92 գ/սմ3։.
Լատենտ ջերմության մասին
Ջրի մոլեկուլային կառուցվածքի առանձնահատկությունները շատ լրջորեն արտացոլված են նրա հատկությունների մեջ։ Դա երևում է, մասնավորապես, ջրի բյուրեղացման բարձր տեսակարար ջերմությունից։ Դա պայմանավորված է հենց պրոտոնային կապերի առկայությամբ, որը ջուրը տարբերում է մոլեկուլային բյուրեղներ ձևավորող այլ միացություններից: Պարզվել է, որ ջրածնային կապի էներգիան ջրում կազմում է մոտ 20 կՋ/մոլ, այսինքն՝ 18 գ-ի համար: Այս կապերի զգալի մասը «զանգվածային» ձևավորվում է, երբ ջուրը սառչում է, այստեղ է էներգիայի այդքան մեծ վերադարձը: գալիս է.
Եկեք պարզ հաշվարկ տանք. Թող ջրի բյուրեղացման ժամանակ արձակվի 1650 կՋ էներգիա։ Սա շատ է՝ համարժեք էներգիա կարելի է ստանալ, օրինակ, F-1 վեց կիտրոնի նռնակների պայթյունից։ Հաշվարկենք բյուրեղացման ենթարկված ջրի զանգվածը։ Բանաձև, որը վերաբերում է թաքնված ջերմության Q քանակությանը, m զանգվածին և բյուրեղացման հատուկ ջերմությանըλ շատ պարզ է՝ Q=– λm. Մինուս նշանը պարզապես նշանակում է, որ ջերմությունը տրվում է ֆիզիկական համակարգի կողմից: Փոխարինելով հայտնի արժեքները՝ ստանում ենք՝ m=1650/330=5 (կգ): Ընդամենը 5 լիտր է անհրաժեշտ ջրի բյուրեղացման ժամանակ 1650 կՋ էներգիայի արտազատման համար: Իհարկե, էներգիան անմիջապես չի տրվում. գործընթացը բավական երկար է տևում, և ջերմությունը ցրվում է։
Շատ թռչուններ, օրինակ, քաջատեղյակ են ջրի այս հատկությանը և օգտագործում են այն լճերի և գետերի սառցակալած ջրի մոտ լողանալու համար, այդպիսի վայրերում օդի ջերմաստիճանը մի քանի աստիճանով բարձր է։
Լուծումների բյուրեղացում
Ջուրը հրաշալի լուծիչ է։ Նրանում լուծված նյութերը բյուրեղացման կետը, որպես կանոն, տեղափոխում են դեպի ներքև։ Որքան բարձր է լուծույթի կոնցենտրացիան, այնքան ցածր ջերմաստիճանը կսառչի։ Վառ օրինակ է ծովի ջուրը, որի մեջ լուծված են բազմաթիվ տարբեր աղեր։ Նրանց կոնցենտրացիան օվկիանոսի ջրում 35 ppm է, և այդպիսի ջուրը բյուրեղանում է -1,9 °C-ում։ Տարբեր ծովերում ջրի աղիությունը շատ տարբեր է, ուստի սառեցման կետը տարբեր է: Այսպիսով, Բալթյան ջուրն ունի ոչ ավելի, քան 8 ppm աղիություն, և դրա բյուրեղացման ջերմաստիճանը մոտ է 0 °C: Հանքայնացված ստորերկրյա ջրերը նույնպես սառչում են զրոյից ցածր ջերմաստիճանում: Պետք է նկատի ունենալ, որ մենք միշտ խոսում ենք միայն ջրի բյուրեղացման մասին. ծովի սառույցը գրեթե միշտ թարմ է, ծայրահեղ դեպքում՝ մի փոքր աղի։
Տարբեր սպիրտների ջրային լուծույթները նույնպես տարբերվում են նվազածովսառեցման կետը, և դրանց բյուրեղացումը տեղի է ունենում ոչ թե կտրուկ, այլ որոշակի ջերմաստիճանի միջակայքով: Օրինակ, 40% ալկոհոլը սկսում է սառչել -22,5°C-ում և վերջապես բյուրեղանում է -29,5°C-ում:
Բայց այնպիսի ալկալիի լուծույթը, ինչպիսին է կաուստիկ սոդա NaOH-ը կամ կաուստիկը, հետաքրքիր բացառություն է. այն բնութագրվում է բյուրեղացման ջերմաստիճանի բարձրացմամբ:
Ինչպե՞ս է սառչում մաքուր ջուրը:
Թորած ջրում թորման ժամանակ գոլորշիացման պատճառով կլաստերի կառուցվածքը կոտրվում է, և նման ջրի մոլեկուլների միջև ջրածնային կապերի թիվը շատ փոքր է։ Բացի այդ, նման ջուրը չի պարունակում այնպիսի կեղտեր, ինչպիսիք են կասեցված մանրադիտակային փոշու մասնիկները, փուչիկները և այլն, որոնք բյուրեղների առաջացման լրացուցիչ կենտրոններ են։ Այդ պատճառով թորած ջրի բյուրեղացման կետը իջեցվում է մինչև -42 °C։
Հնարավոր է գերհովացնել թորած ջուրը նույնիսկ մինչև -70 °C: Այս վիճակում գերսառեցված ջուրն ի վիճակի է գրեթե ակնթարթորեն բյուրեղանալ ամբողջ ծավալի վրա՝ ամենափոքր ցնցումով կամ աննշան աղտոտվածության ներթափանցմամբ:
Պարադոքսալ տաք ջուր
Զարմանալի փաստ՝ տաք ջուրն ավելի արագ է վերածվում բյուրեղային վիճակի, քան սառը ջուրը, կոչվում էր «Մպեմբայի էֆեկտ»՝ ի պատիվ այս պարադոքսը հայտնաբերած տանզանացի դպրոցականի։ Ավելի ճիշտ, նրանք գիտեին այդ մասին դեռ հին ժամանակներում, սակայն, բացատրություն չգտնելով, բնափիլիսոփաներն ու բնագետները ի վերջո դադարեցին ուշադրություն դարձնել առեղծվածային երեւույթին։
1963 թվականին Էրաստո Մպեմբան զարմացավ, որՊաղպաղակի տաք խառնուրդն ավելի արագ է ամրանում, քան սառը պաղպաղակի խառնուրդը: Իսկ 1969-ին մի ինտրիգային երեւույթ հաստատվեց արդեն ֆիզիկական փորձի արդյունքում (ի դեպ, անձամբ Մպեմբայի մասնակցությամբ)։ Էֆեկտը բացատրվում է մի շարք պատճառներով.
- բյուրեղացման ավելի շատ կենտրոններ, ինչպիսիք են օդային փուչիկները;
- տաք ջրի բարձր ջերմության ցրում;
- գոլորշիացման բարձր արագություն, ինչը հանգեցնում է հեղուկի ծավալի նվազմանը:
Ճնշումը որպես բյուրեղացման գործոն
Ճնշման և ջերմաստիճանի միջև կապը որպես հիմնական քանակություններ, որոնք ազդում են ջրի բյուրեղացման գործընթացի վրա, հստակ արտացոլված է փուլային դիագրամում: Դրանից երևում է, որ ճնշման բարձրացման հետ մեկտեղ ջրի հեղուկից պինդ վիճակի փուլային անցման ջերմաստիճանը չափազանց դանդաղ է նվազում։ Բնականաբար, ճիշտ է նաև հակառակը՝ որքան ճնշում է ճնշումը, այնքան բարձր է սառույցի առաջացման համար պահանջվող ջերմաստիճանը, և այն նույնքան դանդաղ է աճում։ Այն պայմաններին հասնելու համար, որոնց դեպքում ջուրը (ոչ թորած) կարող է բյուրեղանալ սովորական սառույցի Ih-ի մեջ ամենացածր հնարավոր ջերմաստիճանում՝ -22 ° C, ճնշումը պետք է հասցվի մինչև 2085 մթնոլորտ:
:
Բյուրեղացման առավելագույն ջերմաստիճանը համապատասխանում է պայմանների հետևյալ համակցությանը, որը կոչվում է ջրի եռակի կետ՝ 0,006 մթնոլորտ և 0,01 °C։ Նման պարամետրերով բյուրեղացում-հալման և խտացում-եռման կետերը համընկնում են, և ջրի ագրեգացման բոլոր երեք վիճակները գոյակցում են հավասարակշռության մեջ (այլ նյութերի բացակայության դեպքում):
Սառույցի շատ տեսակներ
Ներկայումս հայտնի է մոտ 20 փոփոխությունջրի պինդ վիճակ՝ ամորֆից մինչև սառույց XVII. Դրանք բոլորը, բացառությամբ սովորական Ih սառույցի, պահանջում են բյուրեղացման պայմաններ, որոնք էկզոտիկ են Երկրի համար, և ոչ բոլորն են կայուն։ Երկրի մթնոլորտի վերին շերտերում միայն սառցե Ic-ը շատ հազվադեպ է հանդիպում, բայց դրա ձևավորումը կապված չէ ջրի սառեցման հետ, քանի որ այն ձևավորվում է ջրի գոլորշիից ծայրահեղ ցածր ջերմաստիճանում: Ice XI-ը հայտնաբերվել է Անտարկտիդայում, սակայն այս փոփոխությունը սովորական սառույցի ածանցյալ է։
Ծայրահեղ բարձր ճնշման տակ ջրի բյուրեղացման միջոցով հնարավոր է ստանալ սառույցի այնպիսի փոփոխություններ, ինչպիսիք են III, V, VI, իսկ ջերմաստիճանի միաժամանակյա բարձրացմամբ՝ սառույց VII։ Հավանական է, որ դրանցից մի քանիսը կարող են ձևավորվել մեր մոլորակի համար անսովոր պայմաններում Արեգակնային համակարգի այլ մարմինների վրա՝ Ուրանի, Նեպտունի կամ հսկա մոլորակների մեծ արբանյակների վրա: Պետք է կարծել, որ այս սառույցների դեռևս քիչ ուսումնասիրված հատկությունների, ինչպես նաև դրանց բյուրեղացման գործընթացների առանձնահատկությունների հետագա փորձերը և տեսական ուսումնասիրությունները կպարզաբանեն այս հարցը և շատ նոր բաներ կբացեն։
