Nella vita di tutti i giorni, tutti di tanto in tanto incontriamo fenomeni che accompagnano i processi di transizione delle sostanze da uno stato di aggregazione all' altro. E molto spesso dobbiamo osservare tali fenomeni sull'esempio di uno dei composti chimici più comuni: l'acqua ben nota e familiare. Dall'articolo imparerai come avviene la trasformazione dell'acqua liquida in ghiaccio solido - un processo chiamato cristallizzazione dell'acqua - e quali caratteristiche caratterizzano questa transizione.
Cos'è una transizione di fase?
Tutti sanno che in natura esistono tre principali stati aggregati (fasi) della materia: solido, liquido e gassoso. Spesso viene aggiunto loro un quarto stato: il plasma (a causa delle caratteristiche che lo distinguono dai gas). Tuttavia, quando si passa dal gas al plasma, non esiste un caratteristico confine netto e le sue proprietà non sono determinateil rapporto tra le particelle di materia (molecole e atomi), quanto lo stato degli atomi stessi.
Tutte le sostanze, passando da uno stato all' altro, in condizioni normali cambiano bruscamente le loro proprietà (ad eccezione di alcuni stati supercritici, ma non li toccheremo qui). Tale trasformazione è una transizione di fase, o meglio, una delle sue varietà. Si verifica a una certa combinazione di parametri fisici (temperatura e pressione), chiamata punto di transizione di fase.
La trasformazione del liquido in gas è l'evaporazione, il fenomeno inverso è la condensazione. La transizione di una sostanza da uno stato solido a uno liquido si sta sciogliendo, ma se il processo va nella direzione opposta, si parla di cristallizzazione. Un corpo solido può trasformarsi immediatamente in gas e viceversa - in questi casi si parla di sublimazione e desublimazione.
Durante la cristallizzazione, l'acqua si trasforma in ghiaccio e dimostra chiaramente quanto cambiano le sue proprietà fisiche. Soffermiamoci su alcuni dettagli importanti di questo fenomeno.
Il concetto di cristallizzazione
Quando un liquido si solidifica durante il raffreddamento, la natura dell'interazione e della disposizione delle particelle della sostanza cambia. L'energia cinetica del movimento termico casuale delle sue particelle costituenti diminuisce e iniziano a formare legami stabili tra loro. Quando le molecole (o atomi) si allineano in modo regolare e ordinato attraverso questi legami, si forma la struttura cristallina di un solido.
La cristallizzazione non copre contemporaneamente l'intero volume del liquido raffreddato, ma inizia con la formazione di piccoli cristalli. Questi sono i cosiddetti centri di cristallizzazione. Crescono a strati, gradualmente, aggiungendo sempre più molecole o atomi di materia lungo lo strato in crescita.
Condizioni di cristallizzazione
La cristallizzazione richiede il raffreddamento del liquido a una certa temperatura (è anche il punto di fusione). Pertanto, la temperatura di cristallizzazione dell'acqua in condizioni normali è 0 °C.
Per ogni sostanza, la cristallizzazione è caratterizzata dalla quantità di calore latente. Questa è la quantità di energia rilasciata durante questo processo (e nel caso opposto, rispettivamente, l'energia assorbita). Il calore specifico di cristallizzazione dell'acqua è il calore latente rilasciato da un chilogrammo di acqua a 0 °C. Di tutte le sostanze vicino all'acqua, è una delle più alte ed è di circa 330 kJ / kg. Un valore così grande è dovuto alle caratteristiche strutturali che determinano i parametri di cristallizzazione dell'acqua. Utilizzeremo la formula seguente per calcolare il calore latente, dopo aver considerato queste caratteristiche.
Per compensare il calore latente, è necessario raffreddare il liquido per avviare la crescita dei cristalli. Il grado di superraffreddamento ha un effetto significativo sul numero dei centri di cristallizzazione e sulla velocità della loro crescita. Durante il processo, l'ulteriore raffreddamento della temperatura della sostanza non cambia.
Molecola d'acqua
Per capire meglio come cristallizza l'acqua, devi sapere come è organizzata la molecola di questo composto chimico, perchéla struttura di una molecola determina le caratteristiche dei legami che forma.
Un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno sono combinati in una molecola d'acqua. Formano un triangolo isoscele ottuso in cui l'atomo di ossigeno si trova all'apice di un angolo ottuso di 104,45°. In questo caso, l'ossigeno attira fortemente le nubi di elettroni nella sua direzione, in modo che la molecola sia un dipolo elettrico. Le cariche in esso contenute sono distribuite sui vertici di un'immaginaria piramide tetraedrica, un tetraedro con angoli interni di circa 109°. Di conseguenza, la molecola può formare quattro legami idrogeno (protone), che, ovviamente, influenzano le proprietà dell'acqua.
Caratteristiche della struttura dell'acqua liquida e del ghiaccio
La capacità di una molecola d'acqua di formare legami protonici si manifesta sia nello stato liquido che in quello solido. Quando l'acqua è un liquido, questi legami sono abbastanza instabili, facilmente distrutti, ma anche costantemente formati di nuovo. A causa della loro presenza, le molecole d'acqua sono più fortemente legate tra loro rispetto alle particelle di altri liquidi. Associandosi, formano strutture speciali - cluster. Per questo motivo, i punti di fase dell'acqua vengono spostati verso temperature più elevate, poiché anche la distruzione di tali associati aggiuntivi richiede energia. Inoltre, l'energia è piuttosto significativa: se non ci fossero legami idrogeno e cluster, la temperatura di cristallizzazione dell'acqua (così come la sua fusione) sarebbe –100 °C e l'ebollizione di +80 °C.
La struttura degli ammassi è identica alla struttura del ghiaccio cristallino. Collegando ciascuna con quattro vicini, le molecole d'acqua costruiscono una struttura cristallina traforata con una base a forma di esagono. A differenza dell'acqua liquida, dove i microcristalli - ammassi - sono instabili e mobili a causa del movimento termico delle molecole, quando si forma il ghiaccio si riorganizzano in maniera stabile e regolare. I legami idrogeno fissano la disposizione reciproca dei siti del reticolo cristallino e, di conseguenza, la distanza tra le molecole diventa leggermente maggiore rispetto alla fase liquida. Questa circostanza spiega il s alto nella densità dell'acqua durante la sua cristallizzazione: la densità scende da quasi 1 g/cm3 a circa 0,92 g/cm3.
Informazioni sul calore latente
Le caratteristiche della struttura molecolare dell'acqua si riflettono molto seriamente nelle sue proprietà. Questo può essere visto, in particolare, dall' alto calore specifico di cristallizzazione dell'acqua. È dovuto proprio alla presenza di legami protonici, che distingue l'acqua da altri composti che formano cristalli molecolari. È stato stabilito che l'energia del legame idrogeno nell'acqua è di circa 20 kJ per mole, cioè per 18 g Una parte significativa di questi legami si stabilisce "in massa" quando l'acqua si congela: è qui che un così grande ritorno di energia viene da.
Diamo un semplice calcolo. Lascia che siano rilasciati 1650 kJ di energia durante la cristallizzazione dell'acqua. Questo è molto: energia equivalente può essere ottenuta, ad esempio, dall'esplosione di sei granate al limone F-1. Calcoliamo la massa d'acqua che ha subito la cristallizzazione. Formula che mette in relazione la quantità di calore latente Q, la massa m e il calore specifico di cristallizzazioneλ è molto semplice: Q=– λm. Il segno meno significa semplicemente che il calore viene emesso dal sistema fisico. Sostituendo i valori noti si ottiene: m=1650/330=5 (kg). Sono necessari solo 5 litri per rilasciare fino a 1650 kJ di energia durante la cristallizzazione dell'acqua! Naturalmente, l'energia non viene ceduta istantaneamente: il processo dura per un tempo sufficientemente lungo e il calore viene dissipato.
Molti uccelli, ad esempio, sono ben consapevoli di questa proprietà dell'acqua e la usano per crogiolarsi vicino all'acqua gelida di laghi e fiumi, in questi luoghi la temperatura dell'aria è di diversi gradi più alta.
Cristallizzazione delle soluzioni
L'acqua è un solvente meraviglioso. Le sostanze disciolte in esso spostano il punto di cristallizzazione, di regola, verso il basso. Maggiore è la concentrazione della soluzione, minore sarà la temperatura di congelamento. Un esempio lampante è l'acqua di mare, in cui sono disciolti molti sali diversi. La loro concentrazione nell'acqua oceanica è di 35 ppm e tale acqua cristallizza a -1,9 ° C. La salinità dell'acqua nei diversi mari è molto diversa, quindi il punto di congelamento è diverso. Pertanto, l'acqua b altica ha una salinità non superiore a 8 ppm e la sua temperatura di cristallizzazione è vicina a 0 ° C. Anche le acque sotterranee mineralizzate gelano a temperature inferiori allo zero. Va tenuto presente che si parla sempre solo di cristallizzazione dell'acqua: il ghiaccio marino è quasi sempre fresco, in casi estremi leggermente salato.
Anche le soluzioni acquose di vari alcoli differiscono per ridottepunto di congelamento e la loro cristallizzazione non procede bruscamente, ma con un certo intervallo di temperatura. Ad esempio, l'alcol al 40% inizia a congelare a -22,5°C e infine cristallizza a -29,5°C.
Ma una soluzione di un alcali come la soda caustica NaOH o caustica è un'interessante eccezione: è caratterizzata da una temperatura di cristallizzazione aumentata.
Come si congela l'acqua pura?
Nell'acqua distillata, la struttura a grappolo si rompe a causa dell'evaporazione durante la distillazione e il numero di legami idrogeno tra le molecole di tale acqua è molto piccolo. Inoltre, tale acqua non contiene impurità come particelle di polvere microscopiche sospese, bolle, ecc., che sono centri aggiuntivi di formazione di cristalli. Per questo motivo, il punto di cristallizzazione dell'acqua distillata viene abbassato a -42 °C.
È possibile raffreddare l'acqua distillata anche fino a -70 °C. In questo stato, l'acqua superraffreddata è in grado di cristallizzare quasi istantaneamente sull'intero volume con il minimo scuotimento o l'ingresso di un'impurità insignificante.
Acqua calda paradossale
Un fatto sorprendente - l'acqua calda si trasforma in uno stato cristallino più velocemente dell'acqua fredda - è stato chiamato "effetto Mpemba" in onore dello scolaro tanzaniano che ha scoperto questo paradosso. Più precisamente, ne erano a conoscenza nell'antichità, tuttavia, non trovando una spiegazione, i filosofi naturali e gli scienziati naturali alla fine smisero di prestare attenzione al fenomeno misterioso.
Nel 1963, Erasto Mpemba ne fu sorpresoLa miscela per gelato calda si fissa più velocemente della miscela per gelato fredda. E nel 1969 un fenomeno intrigante fu confermato già in un esperimento fisico (a proposito, con la partecipazione dello stesso Mpemba). L'effetto è spiegato da tutta una serie di ragioni:
- più centri di cristallizzazione come bolle d'aria;
- elevata dissipazione del calore dell'acqua calda;
- alto tasso di evaporazione, con conseguente diminuzione del volume del liquido.
Pressione come fattore di cristallizzazione
La relazione tra pressione e temperatura come grandezze chiave che influenzano il processo di cristallizzazione dell'acqua si riflette chiaramente nel diagramma di fase. Da esso si può vedere che all'aumentare della pressione, la temperatura della transizione di fase dell'acqua da uno stato liquido a uno stato solido diminuisce estremamente lentamente. Naturalmente è vero anche il contrario: più bassa è la pressione, maggiore è la temperatura richiesta per la formazione del ghiaccio, e cresce altrettanto lentamente. Per ottenere le condizioni in cui l'acqua (non distillata!) è in grado di cristallizzare in ghiaccio normale Ih alla temperatura più bassa possibile di -22°C, la pressione deve essere aumentata a 2085 atmosfere.
La temperatura massima di cristallizzazione corrisponde alla seguente combinazione di condizioni, chiamata punto triplo dell'acqua: 0,006 atmosfere e 0,01 °C. Con tali parametri i punti di cristallizzazione-fusione e condensazione-ebollizione coincidono, e tutti e tre gli stati di aggregazione dell'acqua coesistono in equilibrio (in assenza di altre sostanze).
Molti tipi di ghiaccio
Attualmente noto circa 20 modifichestato solido dell'acqua - da amorfo a ghiaccio XVII. Tutti, ad eccezione del normale ghiaccio Ih, richiedono condizioni di cristallizzazione esotiche per la Terra e non tutti sono stabili. Solo il ghiaccio Ic si trova molto raramente negli strati superiori dell'atmosfera terrestre, ma la sua formazione non è associata al congelamento dell'acqua, poiché è formata dal vapore acqueo a temperature estremamente basse. Ice XI è stato trovato in Antartide, ma questa modifica è un derivato del ghiaccio ordinario.
Con la cristallizzazione dell'acqua a pressioni estremamente elevate, è possibile ottenere modificazioni del ghiaccio come III, V, VI e con un contemporaneo aumento della temperatura - ghiaccio VII. È probabile che alcuni di essi si possano formare in condizioni insolite per il nostro pianeta su altri corpi del sistema solare: su Urano, Nettuno o sui grandi satelliti dei pianeti giganti. Si deve pensare che futuri esperimenti e studi teorici sulle proprietà ancora poco studiate di questi ghiacci, così come sulle caratteristiche dei loro processi di cristallizzazione, chiariranno questo problema e apriranno molte altre cose nuove.
