Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta ai cũng gặp phải những hiện tượng đi kèm với quá trình chuyển hóa các chất từ trạng thái tập hợp này sang trạng thái tập hợp khác. Và chúng ta thường phải quan sát những hiện tượng như vậy trên ví dụ của một trong những hợp chất hóa học phổ biến nhất - nước nổi tiếng và quen thuộc. Từ bài viết này, bạn sẽ tìm hiểu quá trình chuyển hóa nước lỏng thành băng rắn xảy ra như thế nào - một quá trình gọi là kết tinh nước - và những đặc điểm nào đặc trưng cho quá trình chuyển đổi này.
Chuyển pha là gì?
Ai cũng biết rằng trong tự nhiên có ba trạng thái (pha) tập hợp chính của vật chất: rắn, lỏng và khí. Thường thì trạng thái thứ tư được thêm vào chúng - plasma (do các đặc điểm phân biệt nó với khí). Tuy nhiên, khi truyền từ khí sang plasma, không có ranh giới rõ nét đặc trưng và các tính chất của nó được xác định không nhiềumối quan hệ giữa các hạt vật chất (phân tử và nguyên tử), trạng thái của chính các nguyên tử đó.
Tất cả các chất, chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác, trong điều kiện bình thường đột ngột thay đổi tính chất của chúng (ngoại trừ một số trạng thái siêu tới hạn, nhưng chúng tôi sẽ không đề cập đến chúng ở đây). Sự biến đổi như vậy là sự chuyển pha, hay nói đúng hơn, là một trong những giống của nó. Nó xảy ra ở một sự kết hợp nhất định của các thông số vật lý (nhiệt độ và áp suất), được gọi là điểm chuyển pha.
Sự chuyển thể lỏng thành khí là sự bay hơi, hiện tượng ngược lại là sự ngưng tụ. Sự chuyển của một chất từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng là nóng chảy, nhưng nếu quá trình diễn ra theo chiều ngược lại thì gọi là sự kết tinh. Một thể rắn có thể ngay lập tức biến thành khí và ngược lại - trong những trường hợp này, chúng nói lên sự thăng hoa và khử thăng hoa.
Trong quá trình kết tinh, nước biến thành nước đá và chứng tỏ rõ ràng tính chất vật lý của nó thay đổi nhiều như thế nào. Hãy xem xét một số chi tiết quan trọng của hiện tượng này.
Khái niệm kết tinh
Khi chất lỏng đông đặc trong quá trình làm lạnh, bản chất của sự tương tác và sắp xếp các phần tử của chất đó sẽ thay đổi. Động năng của chuyển động nhiệt ngẫu nhiên của các hạt cấu thành của nó giảm đi, và chúng bắt đầu hình thành liên kết bền với nhau. Khi các phân tử (hoặc nguyên tử) xếp thành hàng một cách đều đặn, có trật tự thông qua các liên kết này, cấu trúc tinh thể của chất rắn được hình thành.
Sự kết tinh không đồng thời bao phủ toàn bộ thể tích của chất lỏng được làm lạnh, mà bắt đầu bằng sự hình thành các tinh thể nhỏ. Đây là những trung tâm được gọi là kết tinh. Chúng phát triển theo từng lớp, từng bước, bằng cách thêm ngày càng nhiều phân tử hoặc nguyên tử của vật chất dọc theo lớp đang phát triển.
Điều kiện kết tinh
Sự kết tinh đòi hỏi phải làm lạnh chất lỏng đến một nhiệt độ nhất định (đó cũng là điểm nóng chảy). Do đó, nhiệt độ kết tinh của nước ở điều kiện bình thường là 0 ° C.
Đối với mỗi chất, sự kết tinh được đặc trưng bởi lượng nhiệt tiềm ẩn. Đây là lượng năng lượng được giải phóng trong quá trình này (và trong trường hợp ngược lại, tương ứng là năng lượng được hấp thụ). Nhiệt dung riêng của sự kết tinh của nước là nhiệt lượng tiềm ẩn do một kilogam nước toả ra ở 0 ° C. Trong tất cả các chất gần nước, nó là một trong những chất cao nhất và khoảng 330 kJ / kg. Giá trị lớn như vậy là do đặc điểm cấu tạo quyết định các thông số về độ kết tinh của nước. Chúng tôi sẽ sử dụng công thức tính nhiệt tiềm ẩn bên dưới, sau khi xem xét các đặc điểm này.
Để bù đắp nhiệt tiềm ẩn, cần phải làm lạnh siêu tốc chất lỏng để bắt đầu phát triển tinh thể. Mức độ siêu lạnh có ảnh hưởng đáng kể đến số lượng trung tâm kết tinh và tốc độ phát triển của chúng. Trong khi quá trình đang diễn ra, việc làm mát thêm nhiệt độ của chất không thay đổi.
Phân tử nước
Để hiểu rõ hơn về cách nước kết tinh, bạn cần biết cách sắp xếp phân tử của hợp chất hóa học này, bởi vìcấu trúc của phân tử xác định đặc điểm của các liên kết mà nó tạo thành.
Một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro được kết hợp trong một phân tử nước. Chúng tạo thành một tam giác cân trong đó nguyên tử oxi nằm ở đỉnh một góc tù 104,45 °. Trong trường hợp này, oxy kéo mạnh các đám mây electron theo hướng của nó, do đó phân tử là một lưỡng cực điện. Các điện tích trong nó được phân bố trên các đỉnh của một hình chóp tứ diện tưởng tượng - một hình tứ diện có các góc bên trong xấp xỉ 109 °. Kết quả là, phân tử có thể hình thành bốn liên kết hydro (proton), tất nhiên, điều này ảnh hưởng đến các đặc tính của nước.
Đặc điểm cấu trúc của nước lỏng và nước đá
Khả năng hình thành liên kết proton của phân tử nước được thể hiện ở cả trạng thái lỏng và rắn. Khi nước là chất lỏng, các liên kết này khá không bền, dễ bị phá hủy, nhưng cũng liên tục được hình thành trở lại. Do sự hiện diện của chúng, các phân tử nước liên kết chặt chẽ với nhau hơn so với các phần tử của chất lỏng khác. Liên kết với nhau, chúng tạo thành cấu trúc đặc biệt - cụm. Vì lý do này, các điểm pha của nước bị dịch chuyển theo hướng nhiệt độ cao hơn, bởi vì sự phá hủy các liên kết bổ sung như vậy cũng đòi hỏi năng lượng. Hơn nữa, năng lượng khá đáng kể: nếu không có liên kết và cụm hydro, nhiệt độ kết tinh của nước (cũng như độ nóng chảy của nó) sẽ là –100 ° C và sôi +80 ° C.
Cấu trúc của các cụm giống như cấu trúc của băng kết tinh. Kết nối mỗi bên với bốn nước láng giềng, các phân tử nước xây dựng một cấu trúc tinh thể openwork với phần đế là hình lục giác. Không giống như nước lỏng, nơi các vi tinh thể - cụm - không ổn định và di động do chuyển động nhiệt của các phân tử, khi băng hình thành, chúng tự sắp xếp lại một cách ổn định và đều đặn. Các liên kết hydro cố định sự sắp xếp lẫn nhau của các vị trí mạng tinh thể, và kết quả là khoảng cách giữa các phân tử trở nên lớn hơn một chút so với trong pha lỏng. Tình huống này giải thích sự tăng tỷ trọng của nước trong quá trình kết tinh của nó - mật độ giảm từ gần 1 g / cm3xuống khoảng 0,92 g / cm3.
Về nhiệt tiềm ẩn
Đặc điểm của cấu trúc phân tử của nước được phản ánh rất nghiêm túc trong các đặc tính của nó. Đặc biệt, có thể thấy điều này từ nhiệt độ riêng cao của quá trình kết tinh của nước. Đó chính là nhờ sự hiện diện của các liên kết proton, giúp phân biệt nước với các hợp chất khác tạo thành tinh thể phân tử. Người ta đã chứng minh rằng năng lượng liên kết hydro trong nước là khoảng 20 kJ trên mỗi mol, tức là 18 g. Một phần đáng kể của các liên kết này được thiết lập "hàng loạt" khi nước đóng băng - đây là nơi mà năng lượng trở lại lớn như vậy đến từ.
Hãy đưa ra một phép tính đơn giản. Để 1650 kJ năng lượng được giải phóng trong quá trình kết tinh của nước. Đây là rất nhiều: năng lượng tương đương có thể thu được, ví dụ, từ vụ nổ của sáu quả lựu đạn chanh F-1. Chúng ta hãy tính khối lượng của nước đã trải qua quá trình kết tinh. Công thức liên hệ giữa nhiệt lượng tiềm ẩn Q, khối lượng m và nhiệt dung riêng của quá trình kết tinhλ rất đơn giản: Q=- λm. Dấu trừ chỉ đơn giản có nghĩa là nhiệt được tỏa ra bởi hệ thống vật lý. Thay các giá trị đã biết, ta được: m=1650/330=5 (kg). Chỉ cần 5 lít để giải phóng năng lượng 1650 kJ trong quá trình kết tinh của nước! Tất nhiên, năng lượng không được trao đi ngay lập tức - quá trình này kéo dài trong một thời gian đủ dài và nhiệt sẽ bị tiêu tán.
Chẳng hạn, nhiều loài chim nhận thức rõ đặc tính này của nước và sử dụng nó để ngâm mình gần vùng nước đóng băng của hồ và sông, ở những nơi như vậy nhiệt độ không khí cao hơn vài độ.
Kết tinh của các giải pháp
Nước là một dung môi tuyệt vời. Các chất hòa tan trong nó làm thay đổi điểm kết tinh, như một quy luật, đi xuống. Dung dịch có nồng độ càng cao thì nhiệt độ sẽ đông càng giảm. Một ví dụ nổi bật là nước biển, trong đó nhiều loại muối khác nhau được hòa tan. Nồng độ của chúng trong nước đại dương là 35 ppm, và nước như vậy kết tinh ở -1,9 ° C. Độ mặn của nước ở các vùng biển khác nhau rất khác nhau nên điểm đóng băng cũng khác nhau. Do đó, nước B altic có độ mặn không quá 8 ppm, và nhiệt độ kết tinh của nó gần 0 ° C. Nước ngầm được khoáng hóa cũng đóng băng ở nhiệt độ dưới 0. Cần lưu ý rằng chúng ta luôn chỉ nói về sự kết tinh của nước: đá biển hầu như luôn tươi, trong những trường hợp cực đoan, hơi mặn.
Dung dịch nước của các loại rượu khác nhau cũng khác nhau về độ giảmđiểm đóng băng, và sự kết tinh của chúng không diễn ra đột ngột mà với một khoảng nhiệt độ nhất định. Ví dụ: rượu 40% bắt đầu đông ở -22,5 ° C và cuối cùng kết tinh ở -29,5 ° C.
Nhưng dung dịch kiềm như xút NaOH hoặc xút là một ngoại lệ thú vị: nó có đặc điểm là tăng nhiệt độ kết tinh.
Nước tinh khiết đóng băng như thế nào?
Trong nước cất, cấu trúc cụm bị phá vỡ do bay hơi trong quá trình chưng cất, và số lượng liên kết hydro giữa các phân tử của nước như vậy là rất nhỏ. Ngoài ra, nước như vậy không chứa các tạp chất như các hạt bụi cực nhỏ lơ lửng, bong bóng,… là những trung tâm bổ sung của quá trình hình thành tinh thể. Vì lý do này, điểm kết tinh của nước cất được hạ xuống -42 ° C.
Có thể làm lạnh nước cất thậm chí xuống -70 ° C. Ở trạng thái này, nước siêu lạnh có thể kết tinh gần như ngay lập tức trên toàn bộ thể tích chỉ với một cái lắc nhẹ nhất hoặc sự xâm nhập của một tạp chất không đáng kể.
Nghịch lý nước nóng
Một sự thật đáng kinh ngạc - nước nóng chuyển thành trạng thái kết tinh nhanh hơn nước lạnh - được gọi là "hiệu ứng Mpemba" để vinh danh một nam sinh Tanzania đã phát hiện ra nghịch lý này. Chính xác hơn, họ đã biết về nó từ thời cổ đại, tuy nhiên, không tìm ra lời giải thích, các nhà triết học tự nhiên và các nhà khoa học tự nhiên cuối cùng đã ngừng chú ý đến hiện tượng bí ẩn.
Năm 1963, Erasto Mpemba ngạc nhiên rằngBộ trộn kem ấm nhanh hơn kem trộn lạnh. Và vào năm 1969, một hiện tượng hấp dẫn đã được xác nhận trong một thí nghiệm vật lý (nhân tiện, với sự tham gia của chính Mpemba). Hiệu ứng này được giải thích bởi rất nhiều lý do:
- nhiều trung tâm kết tinh hơn như bọt khí;
- tản nhiệt cao của nước nóng;
- tốc độ bay hơi cao, dẫn đến giảm thể tích chất lỏng.
Áp suất như một yếu tố kết tinh
Mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ là các đại lượng chủ yếu ảnh hưởng đến quá trình kết tinh của nước được phản ánh rõ ràng trong giản đồ pha. Từ đó có thể thấy rằng khi tăng áp suất, nhiệt độ của quá trình chuyển pha của nước từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn giảm cực kỳ chậm. Đương nhiên, điều ngược lại cũng đúng: áp suất càng thấp, nhiệt độ cần thiết cho quá trình hình thành băng càng cao, và nó phát triển chậm lại. Để đạt được điều kiện mà nước (không phải chưng cất!) Có thể kết tinh thành nước đá thông thường Ih ở nhiệt độ thấp nhất có thể là -22 ° C, áp suất phải được tăng lên 2085 atm.
Nhiệt độ kết tinh tối đa tương ứng với sự kết hợp của các điều kiện sau, được gọi là điểm ba của nước: 0,006 atm và 0,01 ° C. Với các thông số như vậy, các điểm kết tinh-tan chảy và ngưng tụ-sôi trùng nhau, và cả ba trạng thái tập hợp của nước cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng (trong trường hợp không có các chất khác).
Nhiều loại đá
Hiện đã biết khoảng 20 sửa đổitrạng thái rắn của nước - từ vô định hình đến băng XVII. Tất cả chúng, ngoại trừ băng Ih thông thường, đều yêu cầu các điều kiện kết tinh rất kỳ lạ đối với Trái đất và không phải tất cả chúng đều ổn định. Chỉ có Ic băng là rất hiếm khi được tìm thấy ở các tầng trên của khí quyển trái đất, nhưng sự hình thành của nó không liên quan đến sự đóng băng của nước, vì nó được hình thành từ hơi nước ở nhiệt độ cực thấp. Băng XI được tìm thấy ở Nam Cực, nhưng biến đổi này là một dẫn xuất của băng thông thường.
Bằng cách kết tinh nước ở áp suất cực cao, có thể thu được các biến đổi nước đá như III, V, VI, và với sự tăng nhiệt độ đồng thời - nước đá VII. Có khả năng một số trong số chúng có thể được hình thành trong những điều kiện bất thường đối với hành tinh của chúng ta trên các thiên thể khác của hệ mặt trời: trên Sao Thiên Vương, Sao Hải Vương hoặc các vệ tinh lớn của các hành tinh khổng lồ. Người ta phải nghĩ rằng các thí nghiệm trong tương lai và các nghiên cứu lý thuyết về các đặc tính vẫn còn ít được nghiên cứu của các loại đá này, cũng như các tính năng của quá trình kết tinh của chúng, sẽ làm rõ vấn đề này và mở ra nhiều điều mới mẻ hơn.
