في الحياة اليومية ، نواجه جميعًا بين الحين والآخر ظواهر تصاحب عمليات انتقال المواد من حالة تجميع إلى أخرى. وغالبًا ما يتعين علينا ملاحظة مثل هذه الظواهر على مثال أحد المركبات الكيميائية الأكثر شيوعًا - الماء المعروف والمألوف. ستتعلم من المقالة كيفية حدوث تحول الماء السائل إلى جليد صلب - وهي عملية تسمى تبلور الماء - وما هي الميزات التي تميز هذا الانتقال.
ما هي المرحلة الانتقالية؟
يعلم الجميع أنه في الطبيعة هناك ثلاث حالات مجمعة رئيسية (مراحل) للمادة: الصلبة والسائلة والغازية. غالبًا ما يتم إضافة حالة رابعة إليهم - البلازما (بسبب الميزات التي تميزها عن الغازات). ومع ذلك ، عند الانتقال من الغاز إلى البلازما ، لا توجد حدود حادة مميزة ، ولا يتم تحديد خصائصها كثيرًاالعلاقة بين جسيمات المادة (الجزيئات والذرات) كم حالة الذرات نفسها.
جميع المواد ، التي تنتقل من حالة إلى أخرى ، في ظل الظروف العادية تغير خصائصها فجأة (باستثناء بعض الحالات فوق الحرجة ، لكننا لن نتطرق إليها هنا). مثل هذا التحول هو مرحلة انتقالية ، أو بالأحرى أحد أصنافها. يحدث عند مجموعة معينة من المعلمات الفيزيائية (درجة الحرارة والضغط) ، تسمى نقطة انتقال الطور.
تحول السائل إلى غاز هو تبخر ، والظاهرة العكسية هي التكثيف. إن انتقال المادة من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة يذوب ، ولكن إذا سارت العملية في الاتجاه المعاكس ، فيطلق عليها اسم التبلور. يمكن أن يتحول الجسم الصلب على الفور إلى غاز والعكس صحيح - في هذه الحالات يتحدثون عن التسامي وإزالة التسامي.
أثناء التبلور ، يتحول الماء إلى جليد ويوضح بوضوح مدى تغير خصائصه الفيزيائية. دعونا نتناول بعض التفاصيل المهمة لهذه الظاهرة.
مفهوم التبلور
عندما يتصلب السائل أثناء التبريد ، تتغير طبيعة التفاعل وترتيب جزيئات المادة. تتناقص الطاقة الحركية للحركة الحرارية العشوائية للجسيمات المكونة لها ، وتبدأ في تكوين روابط مستقرة مع بعضها البعض. عندما تصطف الجزيئات (أو الذرات) بطريقة منتظمة ومنظمة من خلال هذه الروابط ، يتشكل التركيب البلوري للمادة الصلبة.
لا يغطي التبلور الحجم الكامل للسائل المبرد في نفس الوقت ، ولكنه يبدأ بتكوين بلورات صغيرة. هذه هي ما يسمى بمراكز التبلور. تنمو في طبقات ، تدريجياً ، عن طريق إضافة المزيد والمزيد من جزيئات أو ذرات المادة على طول الطبقة المتنامية.
شروط التبلور
يتطلب التبلور تبريد السائل إلى درجة حرارة معينة (إنها أيضًا نقطة الانصهار). وبالتالي ، فإن درجة حرارة تبلور الماء في الظروف العادية هي 0 درجة مئوية.
لكل مادة ، يتسم التبلور بكمية الحرارة الكامنة. هذا هو مقدار الطاقة المنبعثة خلال هذه العملية (وفي الحالة المعاكسة ، على التوالي ، الطاقة الممتصة). الحرارة النوعية لبلورة الماء هي الحرارة الكامنة التي يطلقها كيلوغرام واحد من الماء عند 0 درجة مئوية. من بين جميع المواد القريبة من الماء ، فهو من أعلى المعدلات ويبلغ حوالي 330 كيلوجول / كيلوجرام. ترجع هذه القيمة الكبيرة إلى الميزات الهيكلية التي تحدد معلمات تبلور الماء. سنستخدم الصيغة أدناه لحساب الحرارة الكامنة ، بعد النظر في هذه الميزات.
للتعويض عن الحرارة الكامنة ، من الضروري التبريد الفائق للسائل لبدء نمو البلورات. درجة التبريد الفائق لها تأثير كبير على عدد مراكز التبلور ومعدل نموها. أثناء استمرار العملية ، لا يتغير المزيد من التبريد لدرجة حرارة المادة.
جزيء الماء
لفهم كيفية تبلور الماء بشكل أفضل ، تحتاج إلى معرفة كيفية ترتيب جزيء هذا المركب الكيميائي ، لأنتحدد بنية الجزيء خصائص الروابط التي تشكلها.
يتم دمج ذرة أكسجين واحدة وذرتي هيدروجين في جزيء ماء. إنها تشكل مثلثًا متساوي الساقين منفرجًا حيث توجد ذرة الأكسجين عند قمة زاوية منفرجة مقدارها 104.45 درجة. في هذه الحالة ، يسحب الأكسجين بقوة سحب الإلكترون في اتجاهه ، بحيث يكون الجزيء ثنائي القطب كهربائيًا. يتم توزيع الشحنات الموجودة فيه على رؤوس هرم وهمي رباعي السطوح - رباعي السطوح بزوايا داخلية تقارب 109 درجة. نتيجة لذلك ، يمكن للجزيء تكوين أربع روابط هيدروجينية (بروتون) ، والتي تؤثر بالطبع على خصائص الماء.
ملامح هيكل الماء السائل والجليد
تتجلى قدرة جزيء الماء على تكوين روابط بروتونية في كل من الحالة السائلة والصلبة. عندما يكون الماء سائلاً ، تكون هذه الروابط غير مستقرة تمامًا ، ويمكن تدميرها بسهولة ، ولكنها تتشكل أيضًا مرة أخرى باستمرار. نظرًا لوجودها ، ترتبط جزيئات الماء ببعضها بقوة أكبر من جزيئات السوائل الأخرى. الارتباط ، يشكلون هياكل خاصة - عناقيد. لهذا السبب ، يتم تحويل نقاط طور الماء نحو درجات حرارة أعلى ، لأن تدمير هذه العناصر الزميلة الإضافية يتطلب أيضًا طاقة. علاوة على ذلك ، فإن الطاقة مهمة جدًا: إذا لم تكن هناك روابط وعناقيد هيدروجينية ، فإن درجة حرارة تبلور الماء (بالإضافة إلى ذوبانه) ستكون -100 درجة مئوية ، والغليان +80 درجة مئوية.
هيكل العناقيد مطابق لبنية الجليد البلوري.من خلال ربط كل منها بأربعة جيران ، تبني جزيئات الماء هيكلًا بلوريًا مخرمًا بقاعدة على شكل مسدس. على عكس الماء السائل ، حيث البلورات الدقيقة - العناقيد - غير مستقرة ومتحركة بسبب الحركة الحرارية للجزيئات ، عندما يتشكل الجليد ، فإنها تعيد ترتيب نفسها بطريقة مستقرة ومنتظمة. تعمل الروابط الهيدروجينية على إصلاح الترتيب المتبادل لمواقع الشبكة البلورية ، ونتيجة لذلك ، تصبح المسافة بين الجزيئات أكبر إلى حد ما مما كانت عليه في المرحلة السائلة. يفسر هذا الظرف القفزة في كثافة الماء أثناء تبلوره - تنخفض الكثافة من حوالي 1 جم / سم3إلى حوالي 0.92 جم / سم3.
حول الحرارة الكامنة
تنعكس ميزات التركيب الجزيئي للماء بشكل خطير للغاية في خصائصه. يمكن ملاحظة ذلك ، على وجه الخصوص ، من الحرارة النوعية العالية لتبلور الماء. يرجع ذلك تحديدًا إلى وجود روابط بروتونية ، والتي تميز الماء عن المركبات الأخرى التي تشكل البلورات الجزيئية. لقد ثبت أن طاقة الرابطة الهيدروجينية في الماء تبلغ حوالي 20 كيلو جول لكل مول ، أي 18 جرامًا. ويتم إنشاء جزء كبير من هذه الروابط "بشكل جماعي" عندما يتجمد الماء - وهذا هو المكان الذي يوجد فيه مثل هذا العائد الكبير للطاقة يأتي من.
دعونا نعطي عملية حسابية بسيطة. دع 1650 كيلو جول من الطاقة يتم إطلاقها أثناء تبلور الماء. هذا كثير: يمكن الحصول على طاقة مكافئة ، على سبيل المثال ، من انفجار ست قنابل ليمون من طراز F-1. دعونا نحسب كتلة الماء التي خضعت للتبلور. صيغة تتعلق بكمية الحرارة الكامنة Q والكتلة m والحرارة النوعية للتبلورλ بسيط للغاية: Q=- λم. تعني علامة الطرح ببساطة أن الحرارة تنبعث من النظام الفيزيائي. باستبدال القيم المعروفة ، نحصل على: م=1650/330=5 (كجم). هناك حاجة إلى 5 لترات فقط لما يصل إلى 1650 كيلو جول من الطاقة ليتم إطلاقها أثناء تبلور الماء! بالطبع ، لا يتم التخلص من الطاقة على الفور - تستمر العملية لفترة طويلة بما فيه الكفاية ، ويتم تبديد الحرارة.
العديد من الطيور ، على سبيل المثال ، تدرك جيدًا خاصية الماء هذه ، وتستخدمها للاستمتاع بالقرب من المياه المتجمدة للبحيرات والأنهار ، في مثل هذه الأماكن تكون درجة حرارة الهواء أعلى بعدة درجات.
تبلور الحلول
الماء مذيب رائع. المواد المذابة فيه تحول نقطة التبلور ، كقاعدة عامة ، إلى أسفل. كلما زاد تركيز المحلول ، انخفضت درجة الحرارة. وخير مثال على ذلك مياه البحر ، حيث يتم إذابة العديد من الأملاح المختلفة. تركيزها في مياه المحيط هو 35 جزء في المليون ، وتتبلور هذه المياه عند -1.9 درجة مئوية. تختلف درجة ملوحة المياه في البحار اختلافًا كبيرًا ، لذا فإن نقطة التجمد مختلفة. وبالتالي ، فإن ملوحة مياه البلطيق لا تزيد عن 8 جزء في المليون ، ودرجة حرارة تبلورها قريبة من 0 درجة مئوية. تتجمد المياه الجوفية المعدنية أيضًا عند درجات حرارة أقل من الصفر. يجب أن يؤخذ في الاعتبار أننا نتحدث دائمًا فقط عن تبلور الماء: الجليد البحري دائمًا ما يكون طازجًا ، وفي الحالات القصوى ، مالح قليلاً.
تختلف المحاليل المائية للكحولات المختلفة أيضًا في الاختزالنقطة التجمد ، ولا يستمر تبلورها فجأة ، ولكن بنطاق درجة حرارة معين. على سبيل المثال ، يبدأ الكحول بنسبة 40٪ في التجمد عند -22.5 درجة مئوية ويتبلور أخيرًا عند -29.5 درجة مئوية.
لكن محلول قلوي مثل الصودا الكاوية NaOH أو مادة كاوية استثناء مثير للاهتمام: يتميز بزيادة درجة حرارة التبلور.
كيف يتجمد الماء النقي؟
في الماء المقطر ، ينكسر الهيكل العنقودي بسبب التبخر أثناء التقطير ، وعدد الروابط الهيدروجينية بين جزيئات هذا الماء صغير جدًا. بالإضافة إلى ذلك ، لا تحتوي هذه المياه على شوائب مثل جزيئات الغبار المجهري المعلقة والفقاعات وما إلى ذلك ، والتي تعد مراكز إضافية لتشكيل البلورات. لهذا السبب ، يتم خفض نقطة تبلور الماء المقطر إلى -42 درجة مئوية.
من الممكن تبريد الماء المقطر الفائق حتى إلى -70 درجة مئوية. في هذه الحالة ، يكون الماء شديد البرودة قادرًا على التبلور على الفور تقريبًا على كامل الحجم مع أدنى اهتزاز أو دخول شوائب ضئيلة.
الماء الساخن المتناقض
حقيقة مذهلة - الماء الساخن يتحول إلى حالة بلورية أسرع من الماء البارد - كان يسمى "تأثير مبيمبا" تكريما لتلميذ المدرسة التنزاني الذي اكتشف هذا التناقض. بتعبير أدق ، لقد عرفوا عنها في العصور القديمة ، ومع ذلك ، لم يعثروا على تفسير ، توقف الفلاسفة الطبيعيون وعلماء الطبيعة في النهاية عن الاهتمام بالظاهرة الغامضة.
في عام 1963 ، فوجئ إيراستو مبيمبا بذلكمزيج الآيس كريم الدافئ أسرع من مزيج الآيس كريم البارد. وفي عام 1969 ، تم تأكيد ظاهرة مثيرة للاهتمام بالفعل في تجربة جسدية (بالمناسبة ، بمشاركة مبيمبا نفسه). يتم تفسير التأثير من خلال مجموعة كاملة من الأسباب:
- المزيد من مراكز التبلور مثل فقاعات الهواء ؛
- تبديد حرارة عالية للماء الساخن
- ارتفاع معدل التبخر ، مما يؤدي إلى انخفاض حجم السائل.
الضغط كعامل تبلور
العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة ككميات رئيسية تؤثر على عملية تبلور الماء تنعكس بوضوح في مخطط الطور. يمكن ملاحظة أنه مع زيادة الضغط ، تنخفض درجة حرارة انتقال الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة ببطء شديد. وبطبيعة الحال ، فإن العكس هو الصحيح أيضًا: فكلما انخفض الضغط ، زادت درجة الحرارة المطلوبة لتكوين الجليد ، وينمو ببطء. لتحقيق الظروف التي يكون فيها الماء (غير المقطر!) قادرًا على التبلور إلى جليد عادي Ih عند أدنى درجة حرارة ممكنة لـ -22 درجة مئوية ، يجب زيادة الضغط إلى 2085 ضغطًا جويًا.
تتوافق درجة حرارة التبلور القصوى مع مجموعة الظروف التالية ، والتي تسمى النقطة الثلاثية للماء: 0.006 أجواء و 0.01 درجة مئوية. مع هذه المعلمات ، تتزامن نقاط التبلور - الذوبان والتكثيف - الغليان ، وتتعايش جميع الحالات الثلاث لتجميع الماء في حالة توازن (في حالة عدم وجود مواد أخرى).
أنواع كثيرة من الجليد
معروف حاليًا عن 20 تعديلًاالحالة الصلبة للماء - من غير متبلور إلى جليد XVII. تتطلب جميعها ، باستثناء الجليد العادي ، ظروف بلورة غريبة على الأرض ، وليست جميعها مستقرة. نادرًا ما يوجد الجليد Ic فقط في الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض ، لكن تكوينه لا يرتبط بتجميد الماء ، لأنه يتكون من بخار الماء في درجات حرارة منخفضة للغاية. تم العثور على Ice XI في القارة القطبية الجنوبية ، لكن هذا التعديل مشتق من الجليد العادي.
من خلال تبلور الماء عند ضغوط عالية للغاية ، من الممكن الحصول على تعديلات الجليد مثل III ، V ، VI ، ومع زيادة متزامنة في درجة الحرارة - الجليد السابع. من المحتمل أن يتشكل بعضها في ظل ظروف غير معتادة لكوكبنا على أجسام أخرى من النظام الشمسي: على أورانوس أو نبتون أو الأقمار الصناعية الكبيرة للكواكب العملاقة. يجب على المرء أن يعتقد أن التجارب المستقبلية والدراسات النظرية للخصائص التي لم تدرس بعد لهذه الجليد ، بالإضافة إلى ميزات عمليات التبلور الخاصة بها ، ستوضح هذه المشكلة وتفتح العديد من الأشياء الجديدة.
