Questo articolo spiega cosa sono la cristallizzazione e la fusione. Utilizzando l'esempio dei vari stati di aggregazione dell'acqua, viene spiegato quanto calore è necessario per il congelamento e lo scongelamento e perché questi valori sono diversi. Viene mostrata la differenza tra cristalli singoli e policristallini, nonché la complessità della produzione di questi ultimi.
Transizione a un altro stato aggregato
Una persona comune ci pensa raramente, ma la vita al livello in cui esiste adesso sarebbe impossibile senza la scienza. Quale? La domanda non è facile, perché molti processi si verificano all'intersezione di diverse discipline. I fenomeni per i quali è difficile definire con precisione il campo della scienza sono la cristallizzazione e lo scioglimento. Sembrerebbe, beh, cosa c'è di così complicato qui: c'era acqua - c'era ghiaccio, c'era una palla di metallo - c'era una pozza di metallo liquido. Tuttavia, non esistono meccanismi esatti per il passaggio da uno stato di aggregazione a un altro. I fisici si stanno addentrando sempre più nella giungla, ma non è ancora possibile prevedere esattamente a che punto comincerà lo scioglimento e la cristallizzazione dei corpi.risulta.
Cosa sappiamo
Qualcosa che l'umanità sa ancora. Le temperature di fusione e cristallizzazione sono facilmente determinate empiricamente. Ma anche qui non tutto è così semplice. Tutti sanno che l'acqua si scioglie e si congela a zero gradi Celsius. Tuttavia, l'acqua di solito non è solo un costrutto teorico, ma un volume specifico. Non dimenticare che il processo di fusione e cristallizzazione non è istantaneo. Il cubetto di ghiaccio inizia a sciogliersi un po' prima di raggiungere esattamente gli zero gradi, l'acqua nel bicchiere viene ricoperta dai primi cristalli di ghiaccio ad una temperatura leggermente superiore a questo segno sulla scala.
Emissione e assorbimento di calore durante il passaggio ad un altro stato di aggregazione
La cristallizzazione e la fusione dei solidi sono accompagnate da determinati effetti termici. Allo stato liquido, le molecole (o talvolta gli atomi) non sono strettamente legate tra loro. Per questo motivo hanno la proprietà di "fluidità". Quando il corpo inizia a perdere calore, atomi e molecole iniziano a combinarsi nella struttura a loro più comoda. Ecco come avviene la cristallizzazione. Spesso dipende dalle condizioni esterne se dallo stesso carbonio si ottengono grafite, diamante o fullerene. Quindi non solo la temperatura, ma anche la pressione influenzano il modo in cui procederanno la cristallizzazione e la fusione. Tuttavia, per rompere i legami di una struttura cristallina rigida, ci vuole un po' più di energia, e quindi la quantità di calore, che per crearli. Così,la sostanza congelerà più velocemente della fusione, nelle stesse condizioni di processo. Questo fenomeno è chiamato calore latente e riflette la differenza sopra descritta. Ricordiamo che il calore latente non ha nulla a che fare con il calore in quanto tale e riflette la quantità di calore necessaria per la cristallizzazione e la fusione.
Cambiamento di volume al passaggio a un altro stato di aggregazione
Come già accennato, la quantità e la qualità dei legami allo stato liquido e allo stato solido sono differenti. Lo stato liquido richiede più energia, quindi gli atomi si muovono più velocemente, s altando costantemente da un luogo all' altro e creando legami temporanei. Poiché l'ampiezza delle oscillazioni delle particelle è maggiore, anche il liquido occupa un volume maggiore. Mentre in un corpo solido i legami sono rigidi, ogni atomo oscilla attorno a una posizione di equilibrio, non è in grado di lasciare la sua posizione. Questa struttura occupa meno spazio. Quindi la fusione e la cristallizzazione delle sostanze sono accompagnate da una variazione di volume.
Caratteristiche di cristallizzazione e fusione dell'acqua
Un liquido così comune e importante per il nostro pianeta come l'acqua, forse non è un caso che svolga un ruolo importante nella vita di quasi tutti gli esseri viventi. La differenza tra la quantità di calore necessaria per la cristallizzazione e la fusione, nonché la variazione di volume quando si cambia lo stato di aggregazione, è stata descritta sopra. Qualche eccezione a entrambe le regole è l'acqua. L'idrogeno di diverse molecole, anche allo stato liquido, si combina per un breve periodo, formando un debole, ma non ancorazero legame idrogeno. Questo spiega l'incredibile capacità termica di questo fluido universale. Va notato che questi legami non interferiscono con il flusso dell'acqua. Ma il loro ruolo durante il congelamento (in altre parole, la cristallizzazione) rimane poco chiaro fino alla fine. Tuttavia, va riconosciuto che il ghiaccio della stessa massa occupa più volume dell'acqua liquida. Questo fatto causa molti danni ai servizi di pubblica utilità e causa molti problemi alle persone che li servono.
Tali messaggi appaiono nelle notizie più di una o due volte. In inverno, si è verificato un incidente nella centrale termica di un remoto insediamento. A causa di bufere di neve, ghiaccio o forti gelate, non abbiamo avuto il tempo di fornire carburante. L'acqua fornita ai radiatori e ai rubinetti ha smesso di riscaldarsi. Se non viene drenato in tempo, lasciando l'impianto almeno parzialmente vuoto, e preferibilmente completamente asciutto, inizia ad acquisire temperatura ambiente. Molto spesso, sfortunatamente, in questo momento ci sono forti gelate. E il ghiaccio rompe i tubi, lasciando le persone senza possibilità di una vita confortevole nei prossimi mesi. Poi, ovviamente, l'incidente viene eliminato, i valorosi dipendenti del Ministero delle situazioni di emergenza, sfondando la bufera di neve, lanciano lì diverse tonnellate di ambito carbone in elicottero e gli sfortunati idraulici cambiano i tubi 24 ore su 24 nel freddo pungente.
Neve e fiocchi di neve
Quando pensiamo al ghiaccio, molto spesso pensiamo ai cubetti di ghiaccio in un bicchiere di succo o alle vaste distese dell'Antartide ghiacciata. La neve è percepita dalle persone come un fenomeno speciale, che sembra esserenon correlato all'acqua. Ma in re altà è lo stesso ghiaccio, congelato solo in un certo ordine che ne determina la forma. Dicono che non ci siano due fiocchi di neve identici in tutto il mondo. Uno scienziato statunitense si è messo seriamente al lavoro e ha determinato le condizioni per ottenere queste bellezze esagonali della forma desiderata. Il suo laboratorio può persino fornire una bufera di neve di una skin sponsorizzata dal cliente. A proposito, la grandine, come la neve, è il risultato di un processo di cristallizzazione molto curioso: dal vapore, non dall'acqua. La trasformazione inversa di un corpo solido immediatamente in un aggregato gassoso è chiamata sublimazione.
Cristalli singoli e policristalli
Tutti hanno visto tracce di ghiaccio sui vetri dell'autobus in inverno. Si formano perché all'interno del trasporto la temperatura è superiore a zero Celsius. Inoltre, molte persone, espirando insieme all'aria dai vapori leggeri, forniscono una maggiore umidità. Ma il vetro (il più delle volte sottile singolo) ha una temperatura ambiente, cioè negativa. Il vapore acqueo, toccando la sua superficie, perde molto rapidamente calore e si trasforma in uno stato solido. Un cristallo si attacca all' altro, ogni forma successiva è leggermente diversa dalla precedente e bellissimi motivi asimmetrici crescono rapidamente. Questo è un esempio di policristalli. "Poly" deriva dal latino "molti". In questo caso, un certo numero di microparti vengono combinate in un unico insieme. Qualsiasi prodotto in metallo è anche molto spesso un policristallo. Ma la forma perfetta del prisma naturale di quarzo è un cristallo singolo. Nella sua struttura nessuno troverà difetti e lacune, mentre nei volumi policristallini della regiale parti sono disposte in modo casuale e non sono d'accordo tra loro.
Smartphone e binocolo
Ma nella tecnologia moderna spesso sono richiesti cristalli singoli assolutamente puri. Ad esempio, quasi tutti gli smartphone contengono un elemento di memoria in silicio nelle sue viscere. Non un singolo atomo in tutto questo volume dovrebbe essere spostato dalla sua posizione ideale. Ognuno deve prendere il suo posto. Altrimenti, invece di una foto, otterrai dei suoni in uscita e, molto probabilmente, sgradevoli.
Nei binocoli, anche i dispositivi per la visione notturna necessitano di monocristalli sufficientemente voluminosi che convertano la radiazione infrarossa in visibile. Esistono diversi modi per coltivarli, ma ognuno richiede cure speciali e calcoli verificati. Come si ottengono i cristalli singoli, gli scienziati capiscono dai diagrammi di stato di stato, cioè osservano il grafico della fusione e della cristallizzazione di una sostanza. Disegnare un'immagine del genere è difficile, motivo per cui gli scienziati dei materiali apprezzano particolarmente gli scienziati che decidono di scoprire tutti i dettagli di un tale grafico.
