ในชีวิตประจำวัน เราทุกคนต้องพบกับปรากฏการณ์ที่มาพร้อมกับกระบวนการเปลี่ยนผ่านของสารจากสถานะการรวมกลุ่มไปสู่อีกสถานะหนึ่ง และบ่อยครั้งที่เราต้องสังเกตปรากฏการณ์ดังกล่าวจากตัวอย่างของหนึ่งในสารประกอบทางเคมีที่พบบ่อยที่สุด - น้ำที่เป็นที่รู้จักและคุ้นเคย จากบทความ คุณจะได้เรียนรู้ว่าการเปลี่ยนแปลงของน้ำของเหลวเป็นน้ำแข็งแข็งเกิดขึ้นได้อย่างไร - กระบวนการที่เรียกว่าการตกผลึกของน้ำ - และลักษณะเฉพาะของการเปลี่ยนแปลงนี้
การเปลี่ยนเฟสคืออะไร
ทุกคนรู้ดีว่าในธรรมชาติมีสถานะรวมหลักสามสถานะ (เฟส) ของสสาร: ของแข็ง ของเหลว และก๊าซ บ่อยครั้งที่มีการเพิ่มสถานะที่สี่ - พลาสมา (เนื่องจากคุณสมบัติที่แยกความแตกต่างจากก๊าซ) อย่างไรก็ตามเมื่อผ่านจากก๊าซไปยังพลาสมาไม่มีขอบเขตที่คมชัดและคุณสมบัติของมันถูกกำหนดไม่มากความสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคของสสาร (โมเลกุลและอะตอม) ว่าสถานะของอะตอมนั้นเป็นอย่างไร
สารทั้งหมดซึ่งผ่านจากสถานะหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งภายใต้สภาวะปกติจะเปลี่ยนคุณสมบัติของพวกมันอย่างกะทันหัน (ยกเว้นบางสภาวะวิกฤตยิ่งยวด แต่เราจะไม่แตะต้องพวกมันที่นี่) การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวเป็นการเปลี่ยนเฟสหรืออาจกล่าวได้ว่าเป็นหนึ่งในรูปแบบที่หลากหลาย มันเกิดขึ้นที่การรวมกันของพารามิเตอร์ทางกายภาพบางอย่าง (อุณหภูมิและความดัน) เรียกว่าจุดเปลี่ยนเฟส
การเปลี่ยนแปลงของของเหลวเป็นก๊าซคือการระเหย และปรากฏการณ์ย้อนกลับคือการควบแน่น การเปลี่ยนผ่านของสารจากสถานะของแข็งไปเป็นของเหลวกำลังหลอมละลาย แต่ถ้ากระบวนการไปในทิศทางตรงกันข้ามจะเรียกว่าการตกผลึก ร่างกายที่แข็งแรงสามารถเปลี่ยนเป็นก๊าซในทันที และในทางกลับกัน ในกรณีนี้ พวกมันพูดถึงการระเหิดและการคายน้ำ
ในระหว่างการตกผลึก น้ำจะกลายเป็นน้ำแข็งและแสดงให้เห็นชัดเจนว่าคุณสมบัติทางกายภาพของมันเปลี่ยนแปลงไปมากเพียงใด มาดูรายละเอียดที่สำคัญของปรากฏการณ์นี้กัน
แนวคิดของการตกผลึก
เมื่อของเหลวแข็งตัวในระหว่างการทำความเย็น ลักษณะของปฏิกิริยาและการจัดเรียงตัวของอนุภาคของสารจะเปลี่ยนไป พลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนแบบสุ่มของอนุภาคที่เป็นส่วนประกอบลดลง และเริ่มสร้างพันธะที่เสถียรต่อกันและกัน เมื่อโมเลกุล (หรืออะตอม) เรียงตัวกันเป็นระเบียบเรียบร้อยผ่านพันธะเหล่านี้ โครงสร้างผลึกของของแข็งก็ก่อตัวขึ้น
การตกผลึกไม่ได้ครอบคลุมปริมาตรทั้งหมดของของเหลวที่เย็นลงพร้อมกัน แต่เริ่มด้วยการก่อตัวของผลึกขนาดเล็ก สิ่งเหล่านี้เรียกว่าศูนย์กลางของการตกผลึก พวกมันเติบโตเป็นชั้น ๆ เป็นขั้น ๆ โดยการเพิ่มโมเลกุลหรืออะตอมของสสารมากขึ้นเรื่อย ๆ ตามชั้นที่กำลังเติบโต
สภาวะตกผลึก
ตกผลึกต้องทำให้ของเหลวเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด (เป็นจุดหลอมเหลวด้วย) ดังนั้นอุณหภูมิการตกผลึกของน้ำภายใต้สภาวะปกติคือ 0 °C
สำหรับสารแต่ละชนิด การตกผลึกจะแสดงลักษณะเฉพาะด้วยปริมาณความร้อนแฝง นี่คือปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างกระบวนการนี้ (และในกรณีตรงกันข้าม ตามลำดับ คือพลังงานที่ดูดซับ) ความร้อนจำเพาะของการตกผลึกของน้ำคือความร้อนแฝงที่ปล่อยออกมาจากน้ำหนึ่งกิโลกรัมที่อุณหภูมิ 0 °C ในบรรดาสารที่อยู่ใกล้น้ำทั้งหมดนั้นเป็นหนึ่งในสารที่สูงที่สุดและมีค่าประมาณ 330 kJ / kg ค่าขนาดใหญ่ดังกล่าวเกิดจากคุณสมบัติโครงสร้างที่กำหนดพารามิเตอร์ของการตกผลึกของน้ำ เราจะใช้สูตรคำนวณความร้อนแฝงด้านล่าง หลังจากพิจารณาคุณสมบัติเหล่านี้แล้ว
เพื่อชดเชยความร้อนแฝง จำเป็นต้องทำให้ของเหลวเย็นลงเป็นพิเศษเพื่อเริ่มการเติบโตของผลึก ระดับของ supercooling มีผลอย่างมากต่อจำนวนศูนย์การตกผลึกและอัตราการเติบโต ในขณะที่กำลังดำเนินการ อุณหภูมิของสารที่เย็นลงต่อไปจะไม่เปลี่ยนแปลง
โมเลกุลน้ำ
เพื่อให้เข้าใจมากขึ้นว่าน้ำตกผลึกอย่างไร คุณจำเป็นต้องรู้ว่าโมเลกุลของสารเคมีนี้จัดเรียงตัวอย่างไร เพราะโครงสร้างของโมเลกุลเป็นตัวกำหนดลักษณะของพันธะที่มันก่อตัว
ออกซิเจนหนึ่งอะตอมและไฮโดรเจนสองอะตอมรวมกันเป็นโมเลกุลของน้ำ พวกมันสร้างสามเหลี่ยมหน้าจั่วแบบป้านซึ่งอะตอมออกซิเจนตั้งอยู่ที่ปลายยอดของมุมป้านที่ 104.45° ในกรณีนี้ ออกซิเจนจะดึงเมฆอิเล็กตรอนไปในทิศทางของมันอย่างแรง เพื่อให้โมเลกุลเป็นไดโพลไฟฟ้า ประจุในนั้นกระจายไปทั่วจุดยอดของปิรามิดจัตุรมุขจินตภาพ - จัตุรมุขที่มีมุมภายในประมาณ 109 ° เป็นผลให้โมเลกุลสามารถสร้างพันธะไฮโดรเจน (โปรตอน) ได้สี่พันธะ ซึ่งแน่นอนว่าส่งผลต่อคุณสมบัติของน้ำ
คุณสมบัติของโครงสร้างน้ำของเหลวและน้ำแข็ง
ความสามารถของโมเลกุลน้ำในการสร้างพันธะโปรตอนนั้นแสดงออกทั้งในสถานะของเหลวและของแข็ง เมื่อน้ำเป็นของเหลว พันธะเหล่านี้ค่อนข้างไม่เสถียร ถูกทำลายได้ง่าย แต่ยังก่อตัวขึ้นใหม่อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากการมีอยู่ของมัน โมเลกุลของน้ำจึงถูกยึดติดกันอย่างแน่นหนามากกว่าอนุภาคของของเหลวอื่นๆ เชื่อมโยงกันก่อตัวเป็นโครงสร้างพิเศษ - กลุ่ม ด้วยเหตุผลนี้ จุดเฟสของน้ำจะเปลี่ยนไปสู่อุณหภูมิที่สูงขึ้น เนื่องจากการทำลายสารที่เกี่ยวข้องเพิ่มเติมดังกล่าวยังต้องการพลังงานอีกด้วย ยิ่งกว่านั้น พลังงานก็ค่อนข้างสำคัญ: หากไม่มีพันธะไฮโดรเจนและกระจุกตัว อุณหภูมิการตกผลึกของน้ำ (รวมถึงการละลายของมัน) จะอยู่ที่ –100 °C และกำลังเดือด +80 °C
โครงสร้างของกระจุกจะเหมือนกับโครงสร้างของผลึกน้ำแข็งโดยเชื่อมต่อกับเพื่อนบ้านสี่คน โมเลกุลของน้ำสร้างโครงสร้างผลึกแบบ openwork โดยมีฐานเป็นรูปหกเหลี่ยม ซึ่งแตกต่างจากน้ำของเหลวที่ไมโครคริสตัล - กระจุก - ไม่เสถียรและเคลื่อนที่ได้เนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุล เมื่อน้ำแข็งก่อตัว พวกมันจัดเรียงตัวเองใหม่ในลักษณะที่เสถียรและสม่ำเสมอ พันธะไฮโดรเจนช่วยแก้ไขการจัดเรียงร่วมกันของตำแหน่งผลึกขัดแตะ และด้วยเหตุนี้ ระยะห่างระหว่างโมเลกุลจึงค่อนข้างใหญ่กว่าในเฟสของเหลว กรณีนี้อธิบายการกระโดดของความหนาแน่นของน้ำในระหว่างการตกผลึก - ความหนาแน่นลดลงจากเกือบ 1 ก./ซม.3 เป็นประมาณ 0.92 ก./ซม.3.
เกี่ยวกับความร้อนแฝง
คุณสมบัติของโครงสร้างโมเลกุลของน้ำสะท้อนให้เห็นอย่างจริงจังในคุณสมบัติของน้ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสิ่งนี้สามารถเห็นได้จากความร้อนจำเพาะสูงของการตกผลึกของน้ำ เกิดจากการมีพันธะโปรตอน ซึ่งทำให้น้ำแตกต่างจากสารประกอบอื่นๆ ที่ก่อตัวเป็นผลึกโมเลกุล มีการพิสูจน์แล้วว่าพลังงานพันธะไฮโดรเจนในน้ำอยู่ที่ประมาณ 20 kJ ต่อโมล ซึ่งก็คือ 18 กรัม ส่วนสำคัญของพันธะเหล่านี้จะถูกสร้างขึ้น "อย่างหนาแน่น" เมื่อน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง ซึ่งเป็นที่ที่พลังงานกลับคืนมาอย่างมหาศาล มาจาก
มาคำนวณง่ายๆกัน ปล่อยให้พลังงาน 1650 kJ ถูกปลดปล่อยออกมาในระหว่างการตกผลึกของน้ำ นี่เป็นจำนวนมาก: สามารถรับพลังงานที่เท่ากันได้ ตัวอย่างเช่น จากการระเบิดของระเบิดมะนาว F-1 หกลูก ให้เราคำนวณมวลของน้ำที่ผ่านการตกผลึก สูตรเกี่ยวกับปริมาณความร้อนแฝง Q มวล m และความร้อนจำเพาะของการตกผลึกλ ง่ายมาก: Q=– λm. เครื่องหมายลบก็หมายความว่าความร้อนถูกปล่อยออกจากระบบทางกายภาพ แทนค่าที่ทราบ เราได้รับ: m=1650/330=5 (กก.) ต้องการเพียง 5 ลิตรสำหรับพลังงานมากถึง 1,650 กิโลจูลที่จะถูกปล่อยออกมาในระหว่างการตกผลึกของน้ำ! แน่นอน พลังงานจะไม่ถูกทิ้งในทันที - กระบวนการนี้ใช้เวลานานพอสมควร และความร้อนก็กระจายไป
นกจำนวนมากเช่น ตระหนักดีถึงคุณสมบัติของน้ำนี้ และใช้มันเพื่ออาบแดดใกล้กับน้ำที่เย็นเยือกของทะเลสาบและแม่น้ำ ในสถานที่ดังกล่าวอุณหภูมิของอากาศจะสูงขึ้นหลายองศา
การตกผลึกของสารละลาย
น้ำเป็นตัวทำละลายที่ยอดเยี่ยม สารที่ละลายในนั้นจะเปลี่ยนจุดตกผลึกลงตามกฎ ยิ่งความเข้มข้นของสารละลายสูงขึ้น อุณหภูมิก็จะยิ่งเย็นลงเท่านั้น ตัวอย่างที่เด่นชัดคือน้ำทะเลซึ่งมีเกลือหลายชนิดละลายอยู่ ความเข้มข้นของพวกมันในน้ำทะเลคือ 35 ppm และน้ำดังกล่าวจะตกผลึกที่อุณหภูมิ -1.9 °C ความเค็มของน้ำในทะเลที่แตกต่างกันนั้นแตกต่างกันมาก ดังนั้นจุดเยือกแข็งจึงต่างกัน ดังนั้นน้ำบอลติกจึงมีความเค็มไม่เกิน 8 ppm และอุณหภูมิการตกผลึกนั้นใกล้เคียงกับ 0 °C น้ำบาดาลที่เป็นแร่จะแข็งตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์ โปรดทราบว่าเรามักพูดถึงแต่การตกผลึกของน้ำเท่านั้น: น้ำแข็งในทะเลเกือบจะสดตลอดเวลา ในกรณีที่รุนแรงมาก อาจมีความเค็มเล็กน้อย
สารละลายแอลกอฮอล์ต่างๆ ลดลงด้วยจุดเยือกแข็งและการตกผลึกของพวกมันไม่ได้เกิดขึ้นอย่างกะทันหัน แต่มีช่วงอุณหภูมิที่แน่นอน ตัวอย่างเช่น แอลกอฮอล์ 40% เริ่มแข็งตัวที่ -22.5°C และในที่สุดก็ตกผลึกที่ -29.5°C
แต่สารละลายของด่างเช่นโซดาไฟ NaOH หรือโซดาไฟเป็นข้อยกเว้นที่น่าสนใจ: มีลักษณะเฉพาะด้วยอุณหภูมิการตกผลึกที่เพิ่มขึ้น
น้ำบริสุทธิ์จะแข็งตัวได้อย่างไร
ในน้ำกลั่น โครงสร้างคลัสเตอร์ขาดเนื่องจากการระเหยระหว่างการกลั่น และจำนวนของพันธะไฮโดรเจนระหว่างโมเลกุลของน้ำดังกล่าวมีน้อยมาก นอกจากนี้ น้ำดังกล่าวไม่มีสิ่งเจือปน เช่น อนุภาคฝุ่นขนาดเล็กที่แขวนลอย ฟองอากาศ ฯลฯ ซึ่งเป็นจุดศูนย์กลางเพิ่มเติมของการเกิดผลึก ด้วยเหตุนี้ จุดตกผลึกของน้ำกลั่นจึงลดลงเหลือ -42 °C
ทำให้น้ำกลั่นเย็นมากได้แม้ที่อุณหภูมิ -70 °C ในสถานะนี้ น้ำที่ระบายความร้อนด้วยยิ่งยวดสามารถตกผลึกได้เกือบในทันทีทั่วทั้งปริมาตรด้วยการสั่นเพียงเล็กน้อยหรือการซึมผ่านของสิ่งเจือปนที่ไม่มีนัยสำคัญ
น้ำร้อนผิดปกติ
ความจริงที่น่าทึ่ง - น้ำร้อนกลายเป็นผลึกได้เร็วกว่าน้ำเย็น - ถูกเรียกว่า "เอฟเฟกต์ Mpemba" เพื่อเป็นเกียรติแก่เด็กนักเรียนชาวแทนซาเนียที่ค้นพบความขัดแย้งนี้ แม่นยำกว่านั้นคือ พวกเขารู้เรื่องนี้ในสมัยโบราณ แต่ไม่พบคำอธิบาย นักปรัชญาธรรมชาติและนักวิทยาศาสตร์ธรรมชาติจึงหยุดให้ความสนใจกับปรากฏการณ์ลึกลับนี้ในที่สุด
ในปี 1963 Erasto Mpemba รู้สึกประหลาดใจที่การผสมไอศกรีมอุ่น ๆ จะเร็วกว่าการผสมไอศกรีมเย็น ๆ และในปี 2512 ปรากฏการณ์ที่น่าสนใจได้รับการยืนยันแล้วในการทดลองทางกายภาพ (โดยการมีส่วนร่วมของ Mpemba เอง) เอฟเฟกต์อธิบายได้ด้วยสาเหตุทั้งหมด:
- ศูนย์กลางการตกผลึกเพิ่มเติม เช่น ฟองอากาศ
- กระจายความร้อนสูงของน้ำร้อน;
- อัตราการระเหยสูง ทำให้ปริมาณของเหลวลดลง
ความดันเป็นปัจจัยตกผลึก
ความสัมพันธ์ระหว่างความดันและอุณหภูมิเป็นปริมาณสำคัญที่ส่งผลต่อกระบวนการตกผลึกของน้ำนั้นสะท้อนให้เห็นอย่างชัดเจนในแผนภาพเฟส จะเห็นได้จากแรงดันที่เพิ่มขึ้น อุณหภูมิของการเปลี่ยนเฟสของน้ำจากของเหลวไปเป็นสถานะของแข็งจะลดลงอย่างช้ามาก โดยธรรมชาติ สิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริงเช่นกัน ยิ่งแรงดันต่ำ อุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับการก่อตัวของน้ำแข็งก็จะสูงขึ้น และมันก็จะเติบโตช้าเช่นกัน เพื่อให้บรรลุสภาวะที่น้ำ (ไม่กลั่น!) สามารถตกผลึกเป็นน้ำแข็งธรรมดา Ih ที่อุณหภูมิต่ำสุดที่เป็นไปได้ที่ -22 ° C ความดันจะต้องเพิ่มขึ้นเป็น 2085 บรรยากาศ
อุณหภูมิการตกผลึกสูงสุดสอดคล้องกับเงื่อนไขต่อไปนี้เรียกว่าจุดสามจุดของน้ำ: 0.006 ชั้นบรรยากาศและ 0.01 °C ด้วยพารามิเตอร์ดังกล่าว จุดหลอมเหลว-ตกผลึกและการควบแน่น-เดือดจึงตรงกัน และสถานะการรวมตัวของน้ำทั้งสามจะอยู่ร่วมกันอย่างสมดุล (ในกรณีที่ไม่มีสารอื่น)
น้ำแข็งหลายชนิด
ปัจจุบันมีการปรับเปลี่ยน 20 แบบสถานะของแข็งของน้ำ - จากอสัณฐานถึงน้ำแข็ง XVII ทั้งหมด ยกเว้นน้ำแข็ง Ih ธรรมดา ต้องการสภาวะการตกผลึกที่แปลกใหม่สำหรับโลก และไม่ใช่ทั้งหมดที่มีความเสถียร มีเพียงน้ำแข็ง Ic เท่านั้นที่หายากมากในชั้นบนของชั้นบรรยากาศของโลก แต่การก่อตัวของมันไม่เกี่ยวข้องกับการแช่แข็งของน้ำ เนื่องจากมันเกิดจากไอน้ำที่อุณหภูมิต่ำมาก พบ Ice XI ในแอนตาร์กติกา แต่การดัดแปลงนี้เป็นอนุพันธ์ของน้ำแข็งธรรมดา
ด้วยการตกผลึกของน้ำที่ความดันสูงมาก เป็นไปได้ที่จะได้รับการดัดแปลงน้ำแข็งเช่น III, V, VI และด้วยอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นพร้อมกัน - น้ำแข็ง VII มีแนวโน้มว่าบางส่วนสามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะที่ไม่ปกติสำหรับดาวเคราะห์ของเราบนวัตถุอื่นของระบบสุริยะ: บนดาวยูเรนัส ดาวเนปจูน หรือดาวเทียมขนาดใหญ่ของดาวเคราะห์ยักษ์ ต้องคิดว่าการทดลองในอนาคตและการศึกษาเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับคุณสมบัติที่ยังศึกษาเพียงเล็กน้อยของน้ำแข็งเหล่านี้ รวมทั้งคุณสมบัติของกระบวนการตกผลึก จะทำให้ปัญหานี้กระจ่างและเปิดกว้างขึ้นในสิ่งใหม่อีกมากมาย
