A la vida quotidiana, tots ens trobem de tant en tant amb fenòmens que acompanyen els processos de transició de substàncies d'un estat d'agregació a un altre. I sovint hem d'observar aquests fenòmens amb l'exemple d'un dels compostos químics més comuns: l'aigua coneguda i familiar. A partir de l'article aprendràs com es produeix la transformació de l'aigua líquida en gel sòlid, un procés anomenat cristal·lització de l'aigua, i quines característiques caracteritzen aquesta transició.
Què és una transició de fase?
Tothom sap que a la natura hi ha tres estats agregats principals (fases) de la matèria: sòlid, líquid i gasós. Sovint se'ls afegeix un quart estat: el plasma (a causa de les característiques que el distingeixen dels gasos). Tanmateix, quan es passa del gas al plasma, no hi ha un límit agut característic i les seves propietats no es determinen tant.la relació entre les partícules de la matèria (molècules i àtoms), quant és l'estat dels propis àtoms.
Totes les substàncies, que passen d'un estat a un altre, en condicions normals canvien bruscament les seves propietats (a excepció d'alguns estats supercrítics, però no els tocarem aquí). Aquesta transformació és una transició de fase, o millor dit, una de les seves varietats. Es produeix en una determinada combinació de paràmetres físics (temperatura i pressió), anomenada punt de transició de fase.
La transformació de líquid en gas és l'evaporació, el fenomen invers és la condensació. La transició d'una substància d'un estat sòlid a un estat líquid s'està fonent, però si el procés va en sentit contrari, llavors s'anomena cristal·lització. Un cos sòlid es pot convertir immediatament en un gas i viceversa; en aquests casos parlen de sublimació i desublimació.
Durant la cristal·lització, l'aigua es converteix en gel i demostra clarament com canvien les seves propietats físiques. Detenem-nos en alguns detalls importants d'aquest fenomen.
El concepte de cristal·lització
Quan un líquid es solidifica durant el refredament, la naturalesa de la interacció i la disposició de les partícules de la substància canvia. L'energia cinètica del moviment tèrmic aleatori de les seves partícules constituents disminueix i comencen a formar enllaços estables entre si. Quan les molècules (o àtoms) s'alineen de manera regular i ordenada a través d'aquests enllaços, es forma l'estructura cristal·lina d'un sòlid.
La cristal·lització no cobreix simultàniament tot el volum del líquid refredat, sinó que comença amb la formació de petits cristalls. Aquests són els anomenats centres de cristal·lització. Creixen en capes, pas a pas, afegint més i més molècules o àtoms de matèria al llarg de la capa en creixement.
Condicions de cristal·lització
La cristal·lització requereix refredar el líquid a una temperatura determinada (també és el punt de fusió). Així, la temperatura de cristal·lització de l'aigua en condicions normals és de 0 °C.
Per a cada substància, la cristal·lització es caracteritza per la quantitat de calor latent. Aquesta és la quantitat d'energia alliberada durant aquest procés (i en el cas contrari, respectivament, l'energia absorbida). La calor específica de cristal·lització de l'aigua és la calor latent alliberada per un quilo d'aigua a 0 °C. De totes les substàncies properes a l'aigua, és una de les més altes i és d'uns 330 kJ/kg. Un valor tan gran es deu a les característiques estructurals que determinen els paràmetres de cristal·lització de l'aigua. Utilitzarem la fórmula per calcular la calor latent a continuació, després de considerar aquestes característiques.
Per compensar la calor latent, cal súper refredar el líquid per començar el creixement dels cristalls. El grau de superrefrigeració té un efecte significatiu en el nombre de centres de cristal·lització i en la velocitat del seu creixement. Mentre el procés continua, el refredament addicional de la temperatura de la substància no canvia.
Molècula d'aigua
Per entendre millor com es cristal·litza l'aigua, cal saber com està disposada la molècula d'aquest compost químic, perquèl'estructura d'una molècula determina les característiques dels enllaços que forma.
Un àtom d'oxigen i dos àtoms d'hidrogen es combinen en una molècula d'aigua. Formen un triangle isòsceles obtús en el qual l'àtom d'oxigen es troba a l'àpex d'un angle obtús de 104,45°. En aquest cas, l'oxigen tira fortament els núvols d'electrons en la seva direcció, de manera que la molècula és un dipol elèctric. Les càrregues que hi ha es distribueixen sobre els vèrtexs d'una piràmide tetraèdrica imaginària: un tetraedre amb angles interns d'aproximadament 109 °. Com a resultat, la molècula pot formar quatre enllaços d'hidrogen (protons), cosa que, per descomptat, afecta les propietats de l'aigua.
Característiques de l'estructura de l'aigua líquida i el gel
La capacitat d'una molècula d'aigua per formar enllaços de protons es manifesta tant en estat líquid com sòlid. Quan l'aigua és líquida, aquests enllaços són força inestables, es destrueixen fàcilment, però també es tornen a formar constantment. A causa de la seva presència, les molècules d'aigua s'uneixen més fortament entre elles que les partícules d' altres líquids. Associant-se, formen estructures especials: clústers. Per aquest motiu, els punts de fase de l'aigua es desplacen cap a temperatures més altes, perquè la destrucció d'aquests associats addicionals també requereix energia. A més, l'energia és força important: si no hi hagués enllaços d'hidrogen i cúmuls, la temperatura de cristal·lització de l'aigua (així com la seva fusió) seria de –100 °C, i d'ebullició de +80 °C.
L'estructura dels cúmuls és idèntica a l'estructura del gel cristal·lí. Connectant cadascuna amb quatre veïnes, les molècules d'aigua construeixen una estructura cristal·lina calada amb una base en forma d'hexàgon. A diferència de l'aigua líquida, on els microcristalls -cúmuls- són inestables i mòbils a causa del moviment tèrmic de les molècules, quan es forma gel, es reorganitzen d'una manera estable i regular. Els enllaços d'hidrogen fixen la disposició mútua dels llocs de la xarxa cristal·lina i, com a resultat, la distància entre les molècules es fa una mica més gran que en la fase líquida. Aquesta circumstància explica el s alt de la densitat de l'aigua durant la seva cristal·lització: la densitat baixa de gairebé 1 g/cm3 a uns 0,92 g/cm3.
Sobre la calor latent
Les característiques de l'estructura molecular de l'aigua es reflecteixen molt seriosament en les seves propietats. Això es pot veure, en particular, per l'elevat calor específic de cristal·lització de l'aigua. Es deu precisament a la presència d'enllaços de protons, que distingeixen l'aigua d' altres compostos que formen cristalls moleculars. S'ha establert que l'energia d'enllaç d'hidrogen a l'aigua és d'uns 20 kJ per mol, és a dir, per a 18 g. Una part significativa d'aquests enllaços s'estableixen "en massa" quan l'aigua es congela - aquí és on un retorn d'energia tan gran. prové de
Fem un càlcul senzill. Deixa que s'alliberin 1650 kJ d'energia durant la cristal·lització de l'aigua. Això és molt: es pot obtenir energia equivalent, per exemple, a partir de l'explosió de sis granades de llimona F-1. Calculem la massa d'aigua que ha sofert la cristal·lització. Fórmula que relaciona la quantitat de calor latent Q, la massa m i la calor específica de cristal·litzacióλ és molt simple: Q=– λm. El signe menys significa simplement que el sistema físic desprèn calor. Substituint els valors coneguts, obtenim: m=1650/330=5 (kg). Només calen 5 litres perquè s'alliberin fins a 1650 kJ d'energia durant la cristal·lització de l'aigua! Per descomptat, l'energia no es lliura a l'instant: el procés dura prou temps i la calor es dissipa.
Molts ocells, per exemple, són ben conscients d'aquesta propietat de l'aigua i l'utilitzen per prendre el sol a prop de l'aigua gelada de llacs i rius, en aquests llocs la temperatura de l'aire és diversos graus més alta.
Cristalització de solucions
L'aigua és un dissolvent meravellós. Les substàncies dissoltes en ell desplacen el punt de cristal·lització, per regla general, cap avall. Com més gran sigui la concentració de la solució, més baixa es congelarà la temperatura. Un exemple sorprenent és l'aigua de mar, en la qual es dissolen moltes sals diferents. La seva concentració a l'aigua de l'oceà és de 35 ppm, i aquesta aigua cristal·litza a -1,9 °C. La salinitat de l'aigua en diferents mars és molt diferent, de manera que el punt de congelació és diferent. Així, l'aigua del Bàltic té una salinitat de no més de 8 ppm i la seva temperatura de cristal·lització és propera als 0 °C. L'aigua subterrània mineralitzada també es congela a temperatures inferiors a zero. Cal tenir en compte que sempre parlem només de la cristal·lització de l'aigua: el gel marí és gairebé sempre fresc, en casos extrems, lleugerament salat.
Les solucions aquoses de diversos alcohols també difereixen en reduïdespunt de congelació, i la seva cristal·lització no es produeix bruscament, sinó amb un cert rang de temperatura. Per exemple, un 40% d'alcohol comença a congelar-se a -22,5 °C i finalment cristal·litza a -29,5 °C.
Però una solució d'un àlcali com la sosa càustica NaOH o càustica és una excepció interessant: es caracteritza per una temperatura de cristal·lització augmentada.
Com es congela l'aigua pura?
A l'aigua destil·lada, l'estructura del grup es trenca a causa de l'evaporació durant la destil·lació i el nombre d'enllaços d'hidrogen entre les molècules d'aquesta aigua és molt petit. A més, aquesta aigua no conté impureses com ara partícules de pols microscòpica en suspensió, bombolles, etc., que són centres addicionals de formació de cristalls. Per aquest motiu, el punt de cristal·lització de l'aigua destil·lada es redueix a -42 °C.
És possible refredar l'aigua destil·lada fins i tot fins a -70 °C. En aquest estat, l'aigua súper refredada és capaç de cristal·litzar gairebé a l'instant sobre tot el volum amb la mínima sacsejada o l'entrada d'una impuresa insignificant.
Aigua calenta paradoxal
Un fet sorprenent -l'aigua calenta es converteix en un estat cristal·lí més ràpid que l'aigua freda- es va anomenar "efecte Mpemba" en honor a l'escola tanzania que va descobrir aquesta paradoxa. Més precisament, ho sabien a l'antiguitat, però, sense trobar una explicació, els filòsofs naturals i els científics naturals finalment van deixar de prestar atenció al misteriós fenomen.
El 1963, Erasto Mpemba es va sorprendre d'aixòLa barreja de gelats calents es posa més ràpid que la barreja de gelats freds. I el 1969, ja es va confirmar un fenomen intrigant en un experiment físic (per cert, amb la participació del mateix Mpemba). L'efecte s'explica per tot un ventall de raons:
- més centres de cristal·lització, com ara bombolles d'aire;
- alta dissipació de calor de l'aigua calenta;
- alta taxa d'evaporació, que resulta en una disminució del volum del líquid.
La pressió com a factor de cristal·lització
La relació entre pressió i temperatura com a magnituds clau que afecten el procés de cristal·lització de l'aigua es reflecteix clarament en el diagrama de fases. Es pot veure que amb l'augment de la pressió, la temperatura de la transició de fase de l'aigua d'un estat líquid a un estat sòlid disminueix molt lentament. Naturalment, també passa el contrari: com més baixa és la pressió, més alta és la temperatura necessària per a la formació de gel, i creix igual de lentament. Per aconseguir condicions en què l'aigua (no destil·lada!) sigui capaç de cristal·litzar en gel normal Ih a la temperatura més baixa possible de -22 °C, la pressió s'ha d'augmentar a 2085 atmosferes.
La temperatura màxima de cristal·lització correspon a la següent combinació de condicions, anomenada punt triple de l'aigua: 0,006 atmosferes i 0,01 °C. Amb aquests paràmetres, els punts de cristal·lització-fusió i condensació-ebullició coincideixen, i els tres estats d'agregació de l'aigua coexisteixen en equilibri (en absència d' altres substàncies).
Molts tipus de gel
Actualment es coneixen unes 20 modificacionsestat sòlid de l'aigua - d'amorf a gel XVII. Tots ells, excepte el gel Ih normal, requereixen condicions de cristal·lització exòtiques per a la Terra, i no totes són estables. Només el gel Ic es troba molt rarament a les capes superiors de l'atmosfera terrestre, però la seva formació no està associada a la congelació de l'aigua, ja que es forma a partir de vapor d'aigua a temperatures extremadament baixes. El gel XI es va trobar a l'Antàrtida, però aquesta modificació és un derivat del gel normal.
Mitjançant la cristal·lització de l'aigua a pressions extremadament altes, és possible obtenir modificacions de gel com III, V, VI i amb un augment simultani de la temperatura - gel VII. És probable que alguns d'ells es puguin formar en condicions inusuals per al nostre planeta en altres cossos del sistema solar: a Urà, Neptú o grans satèl·lits dels planetes gegants. Cal pensar que els futurs experiments i estudis teòrics de les propietats encara poc estudiades d'aquests gels, així com les característiques dels seus processos de cristal·lització, aclariran aquesta qüestió i obriran moltes més coses noves.
