በዕለት ተዕለት ሕይወታችን ውስጥ፣ ሁላችንም አሁኑ እና ከዚያም የቁስ አካላትን ከአንድ የመደመር ሁኔታ ወደ ሌላ የመሸጋገር ሂደት ጋር አብረው የሚመጡ ክስተቶች ያጋጥሙናል። እና ብዙውን ጊዜ እንደዚህ ያሉ ክስተቶችን ማየት ያለብን በጣም ከተለመዱት የኬሚካላዊ ውህዶች - ታዋቂ እና የታወቀ ውሃ ምሳሌ ነው። ከጽሁፉ ውስጥ ፈሳሽ ውሃ ወደ ጠንካራ በረዶ እንዴት እንደሚቀየር - የውሃ ክሪስታላይዜሽን የሚባል ሂደት - እና የዚህ ሽግግር ባህሪ ምን እንደሆነ ይማራሉ ።
የደረጃ ሽግግር ምንድነው?
በተፈጥሮ ውስጥ ሶስት ዋና ዋና የቁስ አካላት (ደረጃዎች) እንዳሉ ሁሉም ያውቃል ጠንካራ፣ ፈሳሽ እና ጋዝ። ብዙውን ጊዜ አራተኛው ግዛት ለእነሱ ተጨምሯል - ፕላዝማ (ከጋዞች በሚለዩት ባህሪያት ምክንያት). ነገር ግን ከጋዝ ወደ ፕላዝማ ሲተላለፉ ምንም አይነት የባህርይ ወሰን የለም, እና ባህሪያቱ ብዙም አይወሰኑም.በቁስ አካል (ሞለኪውሎች እና አተሞች) መካከል ያለው ግንኙነት፣ የአተሞች እራሳቸው ሁኔታ ምን ያህል ነው።
ሁሉም ንጥረ ነገሮች ከአንዱ ግዛት ወደ ሌላው የሚሸጋገሩ በተለመዱ ሁኔታዎች በድንገት ንብረታቸውን ይለውጣሉ (ከአንዳንድ እጅግ በጣም ወሳኝ ግዛቶች በስተቀር እኛ ግን እዚህ አንነካቸውም)። እንዲህ ዓይነቱ ለውጥ የደረጃ ሽግግር ነው ፣ ወይም ይልቁንስ ከዝርያዎቹ ውስጥ አንዱ። በተወሰነ የአካላዊ መመዘኛዎች (ሙቀት እና ግፊት) ውህደት ላይ ይከሰታል፣ የክፍል ሽግግር ነጥብ ይባላል።
ፈሳሹን ወደ ጋዝ መቀየር ትነት ነው፣የተገላቢጦሹ ክስተት ኮንደንስ ነው። የአንድ ንጥረ ነገር ሽግግር ከጠንካራ ወደ ፈሳሽ ሁኔታ እየቀለጠ ነው, ነገር ግን ሂደቱ ወደ ተቃራኒው አቅጣጫ የሚሄድ ከሆነ, ከዚያም ክሪስታላይዜሽን ይባላል. አንድ ጠንካራ አካል ወዲያውኑ ወደ ጋዝ ሊለወጥ ይችላል እና በተቃራኒው - በነዚህ ሁኔታዎች ውስጥ ስለ ማጉላት እና ስለ መበላሸት ይናገራሉ.
በክሪስታይላይዜሽን ወቅት ውሃ ወደ በረዶነት ይቀየራል እና ምን ያህል አካላዊ ባህሪያቶቹ እንደሚቀየሩ በግልፅ ያሳያል። እስቲ የዚህን ክስተት አንዳንድ ጠቃሚ ዝርዝሮች ላይ እናንሳ።
የክሪስላይዜሽን ጽንሰ-ሀሳብ
አንድ ፈሳሽ በሚቀዘቅዝበት ጊዜ ሲጠናከር የንጥረቱ ቅንጣቶች መስተጋብር እና አደረጃጀት ባህሪይ ይለወጣል። በውስጡ ያሉት ቅንጣቶች የዘፈቀደ የሙቀት እንቅስቃሴ እንቅስቃሴ ኃይል ይቀንሳል እና እርስ በእርሳቸው የተረጋጋ ትስስር መፍጠር ይጀምራሉ። ሞለኪውሎች (ወይም አተሞች) በመደበኛ እና በሥርዓት በእነዚህ ቦንዶች ሲሰለፉ የአንድ ጠንካራ ክሪስታል መዋቅር ይፈጠራል።
ክሪስታላይዜሽን የቀዘቀዘውን ፈሳሽ መጠን በአንድ ጊዜ አይሸፍነውም ፣ ግን በትንሽ ክሪስታሎች መፈጠር ይጀምራል። እነዚህ ክሪስታላይዜሽን የሚባሉት ማዕከሎች ናቸው. በማደግ ላይ ባለው ንብርብር ላይ ተጨማሪ እና ተጨማሪ ሞለኪውሎች ወይም የቁስ አተሞች በመጨመር ደረጃ በደረጃ ያድጋሉ።
ክሪስታላይዜሽን ሁኔታዎች
ክሪስታልላይዜሽን ፈሳሹን ወደ አንድ የሙቀት መጠን ማቀዝቀዝ ይጠይቃል (የማቅለጫው ነጥብም ነው)። ስለዚህ በመደበኛ ሁኔታዎች ውስጥ ያለው የውሃ ክሪስታላይዜሽን የሙቀት መጠን 0 ° ሴ ነው።
ለእያንዳንዱ ንጥረ ነገር ክሪስታላይዜሽን የሚታወቀው በድብቅ ሙቀት መጠን ነው። ይህ በዚህ ሂደት ውስጥ የሚለቀቀው የኃይል መጠን ነው (እና በተቃራኒ ሁኔታ, እንደ ቅደም ተከተላቸው, የኃይል መሳብ). የውሃ ክሪስታላይዜሽን ልዩ ሙቀት በአንድ ኪሎ ግራም ውሃ በ 0 ዲግሪ ሴንቲ ግሬድ የሚወጣው ድብቅ ሙቀት ነው. በውሃ አቅራቢያ ከሚገኙት ሁሉም ንጥረ ነገሮች ውስጥ, ከከፍተኛው ውስጥ አንዱ ሲሆን ወደ 330 ኪ.ግ / ኪ.ግ. እንዲህ ዓይነቱ ትልቅ ዋጋ የውሃ ክሪስታላይዜሽን መለኪያዎችን በሚወስኑት መዋቅራዊ ባህሪያት ምክንያት ነው. እነዚህን ባህሪያት ግምት ውስጥ ካስገባን በኋላ ድብቅ ሙቀትን ለማስላት ቀመሩን ከዚህ በታች እንጠቀማለን።
የተደበቀውን ሙቀት ለማካካስ፣የክሪስታል እድገትን ለመጀመር ፈሳሹን ማቀዝቀዝ ያስፈልጋል። የሱፐር ማቀዝቀዣው መጠን በክሪስታልላይዜሽን ማእከሎች ብዛት እና በእድገታቸው መጠን ላይ ከፍተኛ ተጽዕኖ ያሳድራል. ሂደቱ በሂደት ላይ እያለ የእቃው ሙቀት ተጨማሪ ማቀዝቀዝ አይቀየርም።
የውሃ ሞለኪውል
ውሃ እንዴት ክሪስታላይዝ እንደሚሆን የበለጠ ለመረዳት የዚህ ኬሚካላዊ ውህድ ሞለኪውል እንዴት እንደሚደረደር ማወቅ አለቦት።የሞለኪውል አወቃቀር የሚፈጥረውን ቦንዶችን ባህሪያት ይወስናል።
አንድ የኦክስጂን አቶም እና ሁለት ሃይድሮጂን አተሞች በውሃ ሞለኪውል ውስጥ ይጣመራሉ። የኦክስጂን አቶም በ 104.45 ° በ obtuse ማዕዘን ጫፍ ላይ የሚገኝበት obtuse isosceles triangle ይመሰርታሉ. በዚህ ሁኔታ ኦክስጅን ኤሌክትሮን ደመናዎችን ወደ አቅጣጫው አጥብቆ ይጎትታል, ስለዚህም ሞለኪውሉ ኤሌክትሪክ ዲፖል ነው. በውስጡ ያሉት ክፍያዎች በግምት 109 ° ውስጣዊ ማዕዘኖች ያሉት tetrahedron - ምናባዊ tetrahedral ፒራሚድ ላይ ተሰራጭቷል. በውጤቱም, ሞለኪውሉ አራት ሃይድሮጂን (ፕሮቶን) ቦንዶችን ሊፈጥር ይችላል, ይህም በእርግጥ የውሃ ባህሪያትን ይጎዳል.
የፈሳሽ ውሃ እና የበረዶ መዋቅር ገፅታዎች
የውሃ ሞለኪውል የፕሮቶን ቦንድ የመፍጠር አቅም በፈሳሽ እና በጠጣር ግዛቶች ውስጥ ይገለጻል። ውሃ ፈሳሽ ሲሆን, እነዚህ ማሰሪያዎች በጣም ያልተረጋጉ, በቀላሉ የሚወድሙ ናቸው, ነገር ግን ያለማቋረጥ እንደገና ይመሰረታሉ. በመኖራቸው ምክንያት የውሃ ሞለኪውሎች ከሌላው ፈሳሽ ቅንጣቶች የበለጠ በጥብቅ የተሳሰሩ ናቸው። በማያያዝ, ልዩ መዋቅሮችን - ስብስቦችን ይመሰርታሉ. በዚህ ምክንያት የውሃው የደረጃ ነጥቦች ወደ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ይቀየራሉ ፣ ምክንያቱም እንደነዚህ ያሉ ተጨማሪ አጋሮችን ማጥፋት ኃይል ይጠይቃል። በተጨማሪም ሃይሉ በጣም ጠቃሚ ነው፡ የሃይድሮጂን ቦንድ እና ዘለላዎች ከሌሉ የውሃው ክሪስታላይዜሽን የሙቀት መጠን (እንዲሁም ማቅለጥ) -100 ዲግሪ ሴንቲግሬድ እና የፈላ + 80 ° ሴ.
ይሆናል.
የክላስተር መዋቅር ከክሪስላይላይን በረዶ መዋቅር ጋር ተመሳሳይ ነው።እያንዳንዳቸውን ከአራት ጎረቤቶች ጋር በማገናኘት, የውሃ ሞለኪውሎች በሄክሳጎን ቅርጽ ያለው መሰረት ያለው ክፍት ስራ ክሪስታል መዋቅር ይገነባሉ. እንደ ፈሳሽ ውሃ ፣ ማይክሮ ክሪስታሎች - ክላስተር - በሞለኪውሎች የሙቀት እንቅስቃሴ ምክንያት የማይረጋጉ እና ተንቀሳቃሽ ሲሆኑ በረዶ በሚፈጠርበት ጊዜ በተረጋጋ እና በመደበኛነት እራሳቸውን ያስተካክላሉ። የሃይድሮጅን ቦንዶች የክሪስታል ጥልፍልፍ ቦታዎችን የጋራ አቀማመጥ ያስተካክላሉ, እና በውጤቱም, በሞለኪውሎች መካከል ያለው ርቀት ከፈሳሹ ደረጃ በመጠኑ ይበልጣል. ይህ ሁኔታ በክርታላይዜሽን ወቅት የውሃው ጥግግት ውስጥ ያለውን ዝላይ ያብራራል - ጥግግት ከ 1 g/ሴሜ 3 ወደ 0.92 ግ/ሴሜ3 ይወርዳል።.
ስለ ድብቅ ሙቀት
የውሃ ሞለኪውላዊ መዋቅር ገፅታዎች በንብረቶቹ ላይ በቁም ነገር ተንጸባርቀዋል። ይህ በተለይ የውሃ ክሪስታላይዜሽን ከፍተኛ ሙቀት ከ ሊታይ ይችላል. ልክ እንደ ሞለኪውላዊ ክሪስታሎች ከሚፈጠሩ ሌሎች ውህዶች ውስጥ ውሃን የሚለየው የፕሮቶን ቦንዶች በመኖሩ ነው. በውሃ ውስጥ ያለው የሃይድሮጂን ቦንድ ሃይል በአንድ ሞለኪውል 20 ኪ.ጂ. ማለትም ለ 18 ግራም ያህል እንደሆነ ተረጋግጧል.የእነዚህ ቦንዶች አንድ ጉልህ ክፍል ውሃ በሚቀዘቅዝበት ጊዜ "በጅምላ" ይመሰረታል - ይህ ትልቅ የኃይል መመለሻ ቦታ ነው. የመጣው ከ
ቀላል ስሌት እንስጥ። የውሃ ክሪስታላይዜሽን በሚፈጠርበት ጊዜ 1650 ኪ.ጂ ሃይል ይለቀቃል. ይህ በጣም ብዙ ነው ተመጣጣኝ ኃይል ለምሳሌ ከስድስት F-1 የሎሚ የእጅ ቦምቦች ፍንዳታ ሊገኝ ይችላል. ክሪስታላይዜሽን የተደረገውን የውሃ መጠን እናሰላለን። የድብቅ ሙቀት Q፣ mass m እና የተወሰነ የክሪስታላይዜሽን ሙቀት መጠንን የሚመለከት ቀመርλ በጣም ቀላል ነው፡ Q=– λm. የመቀነስ ምልክቱ በቀላሉ ሙቀትን በአካላዊ ስርአት ይሰጣል ማለት ነው. የታወቁትን ዋጋዎች በመተካት: m=1650/330=5 (kg) እናገኛለን. በውሃ ክሪስታላይዜሽን ወቅት ለመልቀቅ እስከ 1650 ኪ.ጂ ሃይል 5 ሊትር ብቻ ያስፈልጋል! በእርግጥ ጉልበቱ ወዲያውኑ አይሰጥም - ሂደቱ በበቂ ሁኔታ ለረጅም ጊዜ ይቆያል, እና ሙቀቱ ይጠፋል.
ለምሳሌ ያህል ብዙ ወፎች ይህንን የውሃ ንብረት ጠንቅቀው ያውቃሉ እና በሚቀዘቅዙ ሀይቆች እና ወንዞች አቅራቢያ ለመቅዳት ይጠቀሙበት ፣ በዚህ ቦታ የአየር ሙቀት በበርካታ ዲግሪዎች ከፍ ያለ ነው።
የመፍትሄዎች ክሪስታላይዜሽን
ውሃ ድንቅ ሟሟ ነው። በውስጡ የተሟሟት ንጥረ ነገሮች ክሪስታላይዜሽን ነጥቡን እንደ አንድ ደንብ ወደ ታች ይቀየራሉ. የመፍትሄው መጠን ከፍ ባለ መጠን የሙቀት መጠኑ ይቀንሳል. በጣም አስደናቂው ምሳሌ የባህር ውሃ ነው, በውስጡም ብዙ የተለያዩ ጨዎችን ይቀልጣሉ. በውቅያኖስ ውሃ ውስጥ ትኩረታቸው 35 ፒፒኤም ነው, እና እንዲህ ያለው ውሃ በ -1.9 ° ሴ ክሪስታል. በተለያዩ ባሕሮች ውስጥ ያለው የውሃ ጨዋማነት በጣም የተለያየ ነው, ስለዚህ የመቀዝቀዣው ነጥብ የተለየ ነው. ስለዚህ, የባልቲክ ውሃ ከ 8 ፒፒኤም የማይበልጥ ጨዋማነት አለው, እና ክሪስታላይዜሽን የሙቀት መጠኑ ወደ 0 ዲግሪ ሴንቲ ግሬድ ይደርሳል. ማዕድን ያለው የከርሰ ምድር ውሃ ከዜሮ በታች በሆነ የሙቀት መጠን ይቀዘቅዛል። ሁልጊዜ የምንናገረው ስለ ውሃ ክሪስታላይዜሽን ብቻ እንደሆነ መታወስ ያለበት፡ የባህር በረዶ ሁልጊዜ ማለት ይቻላል ትኩስ፣ በከፋ ሁኔታ፣ ትንሽ ጨዋማ ነው።
የተለያዩ አልኮሆሎች የውሃ መፍትሄዎች እንዲሁ በተቀነሰ መልኩ ይለያያሉ።የማቀዝቀዝ ነጥብ ፣ እና ክሪስታላይዜናቸው በድንገት አይቀጥሉም ፣ ግን ከተወሰነ የሙቀት መጠን ጋር። ለምሳሌ፣ 40% አልኮሆል በ -22.5°C መቀዝቀዝ ይጀምራል እና በመጨረሻም በ -29.5°ሴ ክሪስታላይዝ ያደርጋል።
ነገር ግን እንደ ካስቲክ ሶዳ ናኦኤች ወይም ካስቲክ ያለ የአልካላይን መፍትሄ ልዩ ትኩረት የሚስብ ነው፡ በጨመረው ክሪስታላይዜሽን የሙቀት መጠን ይታወቃል።
ንፁህ ውሃ እንዴት ይቀዘቅዛል?
በተፈጨ ውሃ ውስጥ የክላስተር አወቃቀሩ ተሰብሯል በማጣራት ጊዜ በትነት ምክንያት እና በእንደዚህ አይነት ውሃ ሞለኪውሎች መካከል ያለው የሃይድሮጂን ትስስር ቁጥር በጣም ትንሽ ነው. በተጨማሪም, እንዲህ ዓይነቱ ውሃ እንደ የተንጠለጠሉ ጥቃቅን የአቧራ ቅንጣቶች, አረፋዎች, ወዘተ የመሳሰሉ ተጨማሪ የክሪስታል መፈጠር ማዕከሎች ያሉ ቆሻሻዎችን አያካትትም. በዚህ ምክንያት የተጣራ ውሃ ወደ ክሪስታላይዜሽን ነጥብ ወደ -42 ° ሴ ዝቅ ብሏል.
የተጣራ ውሃ እስከ -70°C እንኳን ማቀዝቀዝ ይቻላል። በዚህ ሁኔታ፣ እጅግ በጣም የቀዘቀዘ ውሃ በትንሹ በመንቀጥቀጥ ወይም ጉልህ ባልሆነ ርኩሰት ወደ ውስጥ በመግባት በጠቅላላው ድምፁ ላይ በቅጽበት መብረቅ ይችላል።
ፓራዶክሲካል ሙቅ ውሃ
አንድ አስደናቂ እውነታ - ሙቅ ውሃ ከቀዝቃዛ ውሃ በበለጠ ፍጥነት ወደ ክሪስታል ሁኔታ ይለወጣል - ይህንን አያዎ (ፓራዶክስ) ላወቀው የታንዛኒያ ትምህርት ቤት ልጅ ክብር “Mpemba effect” ተባለ። ይበልጥ በትክክል፣ ስለእሱ በጥንት ጊዜ ያውቁ ነበር፣ ሆኖም ግን ማብራሪያ አላገኙም፣ የተፈጥሮ ፈላስፋዎች እና የተፈጥሮ ሳይንቲስቶች በመጨረሻ ለምስጢራዊው ክስተት ትኩረት መስጠቱን አቆሙ።
በ1963 ኤራስቶ ምፔምባ ተገረመሞቅ ያለ አይስክሬም ድብልቅ ከቀዝቃዛ አይስክሬም የበለጠ በፍጥነት ያዘጋጃል። እና እ.ኤ.አ. በ 1969 አንድ አስገራሚ ክስተት በአካላዊ ሙከራ (በነገራችን ላይ በሜፔምባ ራሱ ተሳትፎ) ተረጋግጧል። ውጤቱ በተለያዩ ምክንያቶች ተብራርቷል፡
- እንደ የአየር አረፋ ያሉ የክሪስታላይዜሽን ማዕከላት፤
- የሙቅ ውሃ ከፍተኛ ሙቀት፤
- ከፍተኛ የትነት መጠን፣የፈሳሽ መጠን እንዲቀንስ አድርጓል።
ግፊት እንደ ክሪስታላይዜሽን ምክንያት
በውሃ ክሪስታላይዜሽን ሂደት ላይ ተጽእኖ የሚያሳድሩ እንደ ቁልፍ መጠኖች በግፊት እና በሙቀት መካከል ያለው ግንኙነት በደረጃ ስዕላዊ መግለጫው ላይ በግልፅ ተንጸባርቋል። ከእሱ ሊታይ የሚችለው ግፊት እየጨመረ በሄደ መጠን የውሃው ደረጃ ሽግግር ከፈሳሽ ወደ ጠንካራ ሁኔታ በጣም በዝግታ እየቀነሰ ይሄዳል። በተፈጥሮ, ተቃራኒው ደግሞ እውነት ነው: ግፊቱ ዝቅተኛ ነው, ለበረዶ መፈጠር የሚያስፈልገው የሙቀት መጠን ከፍ ያለ ነው, እና ልክ በዝግታ ያድጋል. ውሀ (ያልተጣራ!) ወደ ተራ በረዶነት ለመሸጋገር በሚቻል ዝቅተኛው የሙቀት መጠን -22 ° ሴ, ግፊቱ ወደ 2085 ከባቢ አየር መጨመር አለበት.
ከፍተኛው ክሪስታላይዜሽን የሙቀት መጠን ከሚከተለው የሁኔታዎች ጥምር ጋር ይዛመዳል፣ የሶስትዮሽ የውሃ ነጥብ ይባላል፡ 0.006 ከባቢ አየር እና 0.01 ° ሴ። በእንደዚህ ዓይነት መለኪያዎች ፣ ክሪስታላይዜሽን - የማቅለጥ እና የጤዛ - የመፍላት ነጥቦቹ ይገጣጠማሉ እና ሦስቱም የውሃ ውህደት ግዛቶች በእኩልነት (ሌሎች ንጥረ ነገሮች በሌሉበት) አብረው ይኖራሉ።
በርካታ የበረዶ አይነቶች
በአሁኑ ጊዜ የሚታወቁ 20 ማሻሻያዎችጠንካራ የውሃ ሁኔታ - ከአሞራ ወደ በረዶ XVII. ሁሉም, ከተራ Ih በረዶ በስተቀር, ለምድር ልዩ የሆኑ ክሪስታላይዜሽን ሁኔታዎችን ይጠይቃሉ, እና ሁሉም የተረጋጋ አይደሉም. በከባቢ አየር የላይኛው ክፍል ውስጥ የበረዶ አይክ ብቻ በጣም አልፎ አልፎ ይገኛል ፣ ግን አሰራሩ ከውኃ ቅዝቃዜ ጋር የተገናኘ አይደለም ፣ ምክንያቱም እጅግ በጣም ዝቅተኛ በሆነ የሙቀት መጠን ከውሃ ተን ስለሚፈጠር። Ice XI የተገኘው በአንታርክቲካ ውስጥ ነው፣ ነገር ግን ይህ ማሻሻያ ከተራ በረዶ የተገኘ ነው።
በከፍተኛ ከፍተኛ ጫና ውስጥ ውሃን ክሪስታላይዜሽን በማድረግ እንደ III፣V፣ VI እና በተመሳሳይ የሙቀት መጠን መጨመር - በረዶ VII ያሉ የበረዶ ለውጦችን ማግኘት ይቻላል። ምናልባትም አንዳንዶቹ በፕላኔታችን ላይ ባልተለመዱ ሁኔታዎች ውስጥ ሊፈጠሩ ይችላሉ የፀሐይ ስርዓት በሌሎች አካላት ላይ: በዩራነስ, በኔፕቱን ወይም በግዙፉ ፕላኔቶች ትላልቅ ሳተላይቶች ላይ. ወደፊት የሚደረጉ ሙከራዎች እና የእነዚህ የበረዶ ግግር ባህሪያት ገና ያልተጠኑ የንድፈ ሃሳባዊ ጥናቶች እና የክሪስታልላይዜሽን ሂደታቸው ገፅታዎች ይህንን ጉዳይ ያብራራሉ እና ብዙ ተጨማሪ አዳዲስ ነገሮችን ይከፍታሉ ብሎ ማሰብ አለበት።
