Katika maisha ya kila siku, sote mara kwa mara tunakumbana na matukio ambayo huambatana na michakato ya uhamishaji wa dutu kutoka hali moja ya mkusanyiko hadi nyingine. Na mara nyingi tunapaswa kuzingatia matukio kama haya kwa mfano wa moja ya misombo ya kawaida ya kemikali - maji yanayojulikana na yanayojulikana. Kutoka kwa makala utajifunza jinsi mabadiliko ya maji kioevu kuwa barafu ngumu hutokea - mchakato unaoitwa uwekaji fuwele wa maji - na ni vipengele vipi vinavyoashiria mpito huu.
Mpito wa awamu ni nini?
Kila mtu anajua kwamba katika maumbile kuna jumla ya hali (awamu) tatu za maada: kigumu, kioevu na gesi. Mara nyingi hali ya nne huongezwa kwao - plasma (kutokana na vipengele vinavyotofautisha na gesi). Walakini, wakati wa kupita kutoka kwa gesi hadi plasma, hakuna mpaka mkali wa tabia, na mali yake imedhamiriwa sio sana.uhusiano kati ya chembe za maada (molekuli na atomi), ni kiasi gani hali ya atomi zenyewe.
Vitu vyote, vinavyopita kutoka hali moja hadi nyingine, katika hali ya kawaida hubadilisha tabia zao ghafla (isipokuwa baadhi ya hali za juu sana, lakini hatutazigusa hapa). Mabadiliko hayo ni mabadiliko ya awamu, au tuseme, moja ya aina zake. Hutokea katika mchanganyiko fulani wa vigezo vya kimwili (joto na shinikizo), inayoitwa sehemu ya mpito ya awamu.
Kubadilika kwa kioevu kuwa gesi ni uvukizi, hali ya kinyume ni ufupishaji. Mpito wa dutu kutoka kwa imara hadi hali ya kioevu ni kuyeyuka, lakini ikiwa mchakato unakwenda kinyume chake, basi inaitwa crystallization. Mwili dhabiti unaweza kubadilika mara moja kuwa gesi na kinyume chake - katika hali hizi wanazungumza juu ya usablimishaji na uondoaji.
Wakati wa uangazaji, maji hubadilika kuwa barafu na kuonyesha kwa uwazi ni kiasi gani sifa zake za kimaumbile hubadilika. Hebu tuzingatie baadhi ya maelezo muhimu ya jambo hili.
Dhana ya ukaushaji fuwele
Kioevu kikiganda wakati wa kupoeza, asili ya mwingiliano na mpangilio wa chembe za dutu hii hubadilika. Nishati ya kinetic ya mwendo wa joto wa nasibu wa chembe zake zinazounda hupungua, na huanza kuunda vifungo thabiti na kila mmoja. Molekuli (au atomi) zinapojipanga kwa mpangilio wa kawaida na kwa utaratibu kupitia vifungo hivi, muundo wa fuwele wa kitu kigumu huundwa.
Uwekaji fuwele haufuniki ujazo wote wa kioevu kilichopozwa kwa wakati mmoja, lakini huanza na uundaji wa fuwele ndogo. Hizi ni kinachojulikana vituo vya crystallization. Hukua katika tabaka, hatua kwa hatua, kwa kuongeza molekuli zaidi na zaidi au atomi za mada kwenye safu inayokua.
Masharti ya uwekaji fuwele
Crystallization inahitaji kupoeza kioevu hadi joto fulani (pia ni kiwango myeyuko). Kwa hivyo, halijoto ya ukaushaji wa maji katika hali ya kawaida ni 0 °C.
Kwa kila dutu, uangazaji wa fuwele hubainishwa na kiasi cha joto fiche. Hii ni kiasi cha nishati iliyotolewa wakati wa mchakato huu (na katika kesi kinyume, kwa mtiririko huo, nishati kufyonzwa). Joto mahususi la ukaushaji wa maji ni joto fiche linalotolewa na kilo moja ya maji kwa 0 °C. Kati ya vitu vyote vilivyo karibu na maji, ni moja ya juu zaidi na ni karibu 330 kJ / kg. Thamani hiyo kubwa ni kutokana na vipengele vya kimuundo vinavyoamua vigezo vya crystallization ya maji. Tutatumia fomula ya kuhesabu joto fiche hapa chini, baada ya kuzingatia vipengele hivi.
Ili kufidia joto lililofichwa, ni muhimu kupoza kioevu zaidi ili kuanza ukuaji wa fuwele. Kiwango cha supercooling kina athari kubwa kwa idadi ya vituo vya fuwele na kwa kiwango cha ukuaji wao. Wakati mchakato unaendelea, upoaji zaidi wa halijoto ya dutu hii haubadiliki.
Molekuli ya maji
Ili kuelewa vyema jinsi maji yanavyong'aa, unahitaji kujua jinsi molekuli ya kiwanja hiki cha kemikali imepangwa, kwa sababumuundo wa molekuli huamua sifa za vifungo vinavyounda.
Atomu moja ya oksijeni na atomi mbili za hidrojeni zimeunganishwa katika molekuli ya maji. Wanaunda pembetatu ya isosceles butu ambayo atomi ya oksijeni iko kwenye kilele cha pembe ya 104.45 °. Katika kesi hii, oksijeni huvuta sana mawingu ya elektroni katika mwelekeo wake, ili molekuli ni dipole ya umeme. Malipo ndani yake yanasambazwa juu ya wima ya piramidi ya tetrahedral ya kufikiria - tetrahedron yenye pembe za ndani za takriban 109 °. Kwa hivyo, molekuli inaweza kuunda vifungo vinne vya hidrojeni (protoni), ambayo, bila shaka, huathiri sifa za maji.
Sifa za muundo wa maji kimiminika na barafu
Uwezo wa molekuli ya maji kuunda vifungo vya protoni unaonyeshwa katika hali kioevu na dhabiti. Wakati maji ni kioevu, vifungo hivi havi imara kabisa, vinaharibiwa kwa urahisi, lakini pia hutengenezwa mara kwa mara tena. Kwa sababu ya uwepo wao, molekuli za maji zimeunganishwa kwa nguvu zaidi kuliko chembe za vimiminiko vingine. Kuunganisha, huunda miundo maalum - makundi. Kwa sababu hii, pointi za awamu za maji zinabadilishwa kuelekea joto la juu, kwa sababu uharibifu wa washirika vile wa ziada pia unahitaji nishati. Zaidi ya hayo, nishati hiyo ni muhimu sana: kama kusingekuwa na viunga na makundi ya hidrojeni, halijoto ya ukaushaji wa maji (pamoja na kuyeyuka kwake) ingekuwa -100 °C, na kuchemka +80 °C.
Muundo wa makundi ni sawa na muundo wa barafu ya fuwele. Kuunganisha kila moja na majirani wanne, molekuli za maji huunda muundo wa fuwele wazi na msingi katika umbo la hexagon. Tofauti na maji ya maji, ambapo microcrystals - makundi - ni imara na ya simu kutokana na harakati ya joto ya molekuli, wakati barafu inapoundwa, hujipanga upya kwa namna imara na ya kawaida. Vifungo vya hidrojeni hurekebisha mpangilio wa pande zote wa maeneo ya kimiani ya kioo, na kwa sababu hiyo, umbali kati ya molekuli inakuwa kubwa zaidi kuliko katika awamu ya kioevu. Hali hii inaelezea kuruka kwa msongamano wa maji wakati wa uangazaji wake - msongamano hushuka kutoka karibu 1 g/cm3 hadi takriban 0.92 g/cm3.
Kuhusu joto fiche
Sifa za muundo wa molekuli ya maji huonyeshwa kwa umakini sana katika sifa zake. Hii inaweza kuonekana, hasa, kutokana na joto la juu maalum la crystallization ya maji. Ni kutokana na kuwepo kwa vifungo vya protoni, ambayo hufautisha maji kutoka kwa misombo mingine ambayo huunda fuwele za Masi. Imeanzishwa kuwa nishati ya dhamana ya hidrojeni katika maji ni karibu 20 kJ kwa mole, yaani, kwa g 18. Sehemu kubwa ya vifungo hivi huanzishwa "kwa wingi" wakati maji yanaganda - hapa ndipo kurudi kwa nishati kubwa kama hiyo. inatoka.
Hebu tupe hesabu rahisi. Hebu 1650 kJ ya nishati kutolewa wakati wa fuwele ya maji. Hii ni nyingi: nishati sawa inaweza kupatikana, kwa mfano, kutoka kwa mlipuko wa grenades sita za limau F-1. Hebu tuhesabu wingi wa maji ambayo yamepitia fuwele. Fomula inayohusiana na kiasi cha joto fiche Q, wingi wa m na joto mahususi la ukaushaji fuweleλ ni rahisi sana: Q=– λm. Ishara ya minus ina maana tu kwamba joto hutolewa na mfumo wa kimwili. Kubadilisha maadili yanayojulikana, tunapata: m=1650/330=5 (kg). Ni lita 5 tu zinahitajika kwa kiasi cha kJ 1650 cha nishati kutolewa wakati wa uwekaji wa fuwele wa maji! Bila shaka, nishati haitolewi papo hapo - mchakato hudumu kwa muda mrefu vya kutosha, na joto hutolewa.
Ndege wengi, kwa mfano, wanafahamu vyema mali hii ya maji, na huyatumia kuota karibu na maji baridi ya maziwa na mito, katika maeneo kama hayo halijoto ya hewa ni digrii kadhaa zaidi.
Miyeyusho ya fuwele
Maji ni kiyeyusho kizuri sana. Dutu zilizoyeyushwa ndani yake hubadilisha kiwango cha fuwele, kama sheria, kwenda chini. Ya juu ya mkusanyiko wa suluhisho, joto la chini litafungia. Mfano wa kushangaza ni maji ya bahari, ambayo chumvi nyingi tofauti hupasuka. Mkusanyiko wao katika maji ya bahari ni 35 ppm, na maji kama hayo hung'aa kwa -1.9 °C. Salinity ya maji katika bahari tofauti ni tofauti sana, hivyo hatua ya kufungia ni tofauti. Kwa hivyo, maji ya B altic yana chumvi ya si zaidi ya 8 ppm, na hali ya joto ya fuwele ni karibu 0 °C. Maji ya chini ya ardhi yenye madini pia huganda kwenye joto chini ya sifuri. Ikumbukwe kwamba kila mara tunazungumza tu kuhusu uwekaji fuwele wa maji: barafu ya bahari karibu kila mara huwa mbichi, katika hali mbaya sana, ina chumvi kidogo.
Miyeyusho yenye maji ya pombe mbalimbali pia hutofautiana katika kupunguzwakiwango cha kufungia, na fuwele zao haziendelei kwa ghafla, lakini kwa aina fulani ya joto. Kwa mfano, asilimia 40 ya pombe huanza kuganda saa -22.5°C na hatimaye kung'aa kwa -29.5°C.
Lakini myeyusho wa alkali kama vile caustic soda NaOH au caustic ni hali ya kipekee isiyo ya kawaida: ina sifa ya kuongezeka kwa halijoto ya fuwele.
Je, maji safi huganda vipi?
Katika maji yaliyoyeyushwa, muundo wa nguzo huvunjwa kutokana na uvukizi wakati wa kunereka, na idadi ya vifungo vya hidrojeni kati ya molekuli za maji kama hayo ni ndogo sana. Kwa kuongezea, maji kama hayo hayana uchafu kama vile chembe za vumbi hadubini, viputo, n.k. ambazo ni vituo vya ziada vya uundaji wa fuwele. Kwa sababu hii, kiwango cha fuwele cha maji yaliyoyeyushwa hupunguzwa hadi -42 °C.
Inawezekana kupoza sana maji yaliyeyushwa hadi -70 °C. Katika hali hii, maji yaliyopozwa kupita kiasi yanaweza kuwaka kwa fuwele karibu papo hapo juu ya kiasi kizima kwa mtikisiko mdogo au uchafu usio na maana.
Maji ya moto ya ajabu
Hali ya kushangaza - maji ya moto hubadilika kuwa hali ya fuwele haraka kuliko maji baridi - iliitwa "athari ya Mpemba" kwa heshima ya mvulana wa shule wa Kitanzania aliyegundua kitendawili hiki. Kwa usahihi zaidi, walijua juu yake hapo zamani, hata hivyo, bila kupata maelezo, wanafalsafa wa asili na wanasayansi wa asili hatimaye waliacha kulipa kipaumbele kwa jambo hilo la kushangaza.
Mwaka 1963, Erasto Mpemba alishangaa hiloMchanganyiko wa aiskrimu joto huwekwa haraka kuliko mchanganyiko baridi wa aiskrimu. Na mwaka wa 1969, jambo la kuvutia lilithibitishwa tayari katika majaribio ya kimwili (kwa njia, na ushiriki wa Mpemba mwenyewe). Athari inaelezewa na anuwai ya sababu:
- vituo zaidi vya uwekaji fuwele kama vile viputo vya hewa;
- utawanyiko wa joto mwingi wa maji ya moto;
- kiwango cha juu cha uvukizi, na kusababisha kupungua kwa ujazo wa kioevu.
Shinikizo kama kipengele cha uwekaji fuwele
Uhusiano kati ya shinikizo na halijoto kama viwango muhimu vinavyoathiri mchakato wa uwekaji fuwele wa maji unaonyeshwa kwa uwazi katika mchoro wa awamu. Inaweza kuonekana kutoka kwake kwamba kwa shinikizo la kuongezeka, joto la awamu ya mpito ya maji kutoka kwa kioevu hadi hali imara hupungua polepole sana. Kwa kawaida, kinyume chake pia ni kweli: chini ya shinikizo, juu ya joto inahitajika kwa ajili ya malezi ya barafu, na inakua polepole tu. Ili kufikia hali ambayo maji (hayajachanganywa!) Yana uwezo wa kumeta kwenye barafu ya kawaida Ih kwa joto la chini kabisa linalowezekana la -22 ° C, shinikizo lazima liongezwe hadi angahewa 2085.
Kiwango cha juu cha halijoto ya kuangazia fuwele kinalingana na mchanganyiko wa hali zifuatazo, unaoitwa sehemu tatu za maji: angahewa 0.006 na 0.01 °C. Pamoja na vigezo hivyo, pointi za kuyeyuka kwa fuwele na kuchemsha kwa condensation zinapatana, na majimbo yote matatu ya mkusanyiko wa maji hukaa kwa usawa (bila kukosekana kwa vitu vingine).
Aina nyingi za barafu
Marekebisho 20 yanayojulikana kwa sasahali ngumu ya maji - kutoka kwa amorphous hadi barafu XVII. Zote, isipokuwa kwa barafu ya kawaida ya Ih, zinahitaji hali ya fuwele ambayo ni ya kigeni kwa Dunia, na sio zote ni thabiti. Barafu Ic pekee haipatikani sana kwenye tabaka za juu za angahewa la dunia, lakini uundaji wake hauhusiani na kuganda kwa maji, kwani huundwa kutoka kwa mvuke wa maji kwa joto la chini sana. Ice XI ilipatikana Antaktika, lakini marekebisho haya yanatokana na barafu ya kawaida.
Kwa kuangazia maji kwa shinikizo la juu sana, inawezekana kupata marekebisho ya barafu kama III, V, VI, na kwa ongezeko la wakati mmoja la joto - barafu VII. Kuna uwezekano kwamba baadhi yao yanaweza kuundwa chini ya hali isiyo ya kawaida kwa sayari yetu kwenye miili mingine ya mfumo wa jua: kwenye Uranus, Neptune au satelaiti kubwa za sayari kubwa. Ni lazima mtu afikiri kwamba majaribio ya siku za usoni na tafiti za kinadharia za mali ambazo bado hazijasomwa za barafu hizi, pamoja na vipengele vya michakato yao ya uwekaji fuwele, zitafafanua suala hili na kufungua mambo mengi mapya zaidi.
