V každodenním životě se všichni tu a tam setkáváme s jevy, které doprovázejí procesy přechodu látek z jednoho stavu agregace do druhého. A nejčastěji takové jevy musíme pozorovat na příkladu jedné z nejrozšířenějších chemických sloučenin – dobře známé a známé vody. Z článku se dozvíte, jak probíhá přeměna kapalné vody na pevný led - proces zvaný krystalizace vody - a jaké vlastnosti tento přechod charakterizují.
Co je to fázový přechod?
Každý ví, že v přírodě existují tři hlavní skupenství (fáze) hmoty: pevné, kapalné a plynné. Často se k nim přidává ještě čtvrtý stav – plazma (kvůli vlastnostem, které ji odlišují od plynů). Při přechodu z plynu do plazmatu však neexistuje žádná charakteristická ostrá hranice a její vlastnosti nejsou tak určoványvztah mezi částicemi hmoty (molekuly a atomy), nakolik je stav atomů samotných.
Všechny látky přecházející z jednoho stavu do druhého za normálních podmínek náhle mění své vlastnosti (s výjimkou některých superkritických stavů, ale těch se zde nebudeme dotýkat). Taková transformace je fázovým přechodem, nebo spíše jednou z jeho odrůd. Vyskytuje se při určité kombinaci fyzikálních parametrů (teplota a tlak), které se říká bod fázového přechodu.
Přeměna kapaliny na plyn je vypařování, opačným jevem je kondenzace. Přechod látky z pevného do kapalného skupenství je tání, ale jde-li proces opačným směrem, pak se nazývá krystalizace. Pevné těleso se může okamžitě proměnit v plyn a naopak - v těchto případech se mluví o sublimaci a desublimaci.
Voda se během krystalizace mění v led a jasně ukazuje, jak moc se mění její fyzikální vlastnosti. Pojďme se zastavit u některých důležitých detailů tohoto jevu.
Koncept krystalizace
Když kapalina během ochlazování tuhne, mění se povaha interakce a uspořádání částic látky. Kinetická energie náhodného tepelného pohybu jeho základních částic klesá a začnou mezi sebou vytvářet stabilní vazby. Když se molekuly (nebo atomy) seřadí pravidelným, uspořádaným způsobem prostřednictvím těchto vazeb, vytvoří se krystalická struktura pevné látky.
Krystalizace nepokrývá současně celý objem chlazené kapaliny, ale začíná tvorbou malých krystalů. Jedná se o takzvaná centra krystalizace. Rostou ve vrstvách, postupně, přidáváním dalších a dalších molekul nebo atomů hmoty podél rostoucí vrstvy.
Podmínky krystalizace
Krystalizace vyžaduje ochlazení kapaliny na určitou teplotu (je to také bod tání). Teplota krystalizace vody za normálních podmínek je tedy 0 °C.
Pro každou látku je krystalizace charakterizována množstvím latentního tepla. To je množství energie uvolněné během tohoto procesu (a v opačném případě energie absorbovaná). Měrné krystalizační teplo vody je latentní teplo uvolněné jedním kilogramem vody při 0 °C. Ze všech látek v blízkosti vody je jednou z nejvyšších a činí asi 330 kJ / kg. Tak velká hodnota je dána strukturními znaky, které určují parametry krystalizace vody. Po zvážení těchto vlastností použijeme vzorec pro výpočet latentního tepla níže.
Pro kompenzaci latentního tepla je nutné kapalinu podchladit, aby se začal růst krystalů. Stupeň podchlazení má významný vliv na počet krystalizačních center a na rychlost jejich růstu. Zatímco proces probíhá, další ochlazování teploty látky se nemění.
Molekula vody
Abyste lépe pochopili, jak voda krystalizuje, musíte vědět, jak je uspořádána molekula této chemické sloučeniny, protožestruktura molekuly určuje vlastnosti vazeb, které tvoří.
Jeden atom kyslíku a dva atomy vodíku jsou spojeny v molekule vody. Tvoří tupý rovnoramenný trojúhelník, ve kterém je atom kyslíku umístěn na vrcholu tupého úhlu 104,45°. V tomto případě kyslík silně táhne elektronová mračna svým směrem, takže molekula je elektrický dipól. Náboje v něm jsou rozmístěny přes vrcholy pomyslné čtyřstěnné pyramidy - čtyřstěnu s vnitřními úhly přibližně 109°. Díky tomu může molekula vytvořit čtyři vodíkové (protonové) vazby, což samozřejmě ovlivňuje vlastnosti vody.
Vlastnosti struktury kapalné vody a ledu
Schopnost molekuly vody tvořit protonové vazby se projevuje v kapalném i pevném skupenství. Když je voda kapalná, jsou tyto vazby značně nestabilní, snadno se rozruší, ale také se neustále znovu vytvářejí. Molekuly vody jsou díky své přítomnosti na sebe pevněji vázány než částice jiných kapalin. Sdružováním tvoří zvláštní struktury – shluky. Z tohoto důvodu jsou fázové body vody posunuty směrem k vyšším teplotám, protože destrukce takových dodatečných složek také vyžaduje energii. Energie je navíc poměrně významná: pokud by neexistovaly vodíkové vazby a shluky, byla by teplota krystalizace vody (a také její tání) –100 °C a varu +80 °C.
Struktura shluků je totožná se strukturou krystalického ledu. Spojením každé se čtyřmi sousedy vytvářejí molekuly vody prolamovanou krystalickou strukturu se základnou ve tvaru šestiúhelníku. Na rozdíl od kapalné vody, kde jsou mikrokrystaly – shluky – nestabilní a pohyblivé díky tepelnému pohybu molekul, se při tvorbě ledu přeskupují stabilním a pravidelným způsobem. Vodíkové vazby fixují vzájemné uspořádání míst krystalové mřížky a v důsledku toho se vzdálenost mezi molekulami stává poněkud větší než v kapalné fázi. Tato okolnost vysvětluje skok v hustotě vody během její krystalizace – hustota klesá z téměř 1 g/cm3 na přibližně 0,92 g/cm3.
O latentním teplu
Vlastnosti molekulární struktury vody se velmi vážně odrážejí v jejích vlastnostech. To je patrné zejména z vysokého měrného krystalizačního tepla vody. Je to dáno právě přítomností protonových vazeb, které odlišují vodu od ostatních sloučenin tvořících molekulární krystaly. Bylo zjištěno, že energie vodíkové vazby ve vodě je asi 20 kJ na mol, tedy pro 18 g. Značná část těchto vazeb vzniká „hromadně“při zamrznutí vody – zde dochází k tak velkému návratu energie pochází z.
Udělejme jednoduchý výpočet. Při krystalizaci vody nechť se uvolní 1650 kJ energie. To je hodně: ekvivalentní energii lze získat například z exploze šesti citronových granátů F-1. Vypočítejme hmotnost vody, která prošla krystalizací. Vzorec vyjadřující množství latentního tepla Q, hmotnost m a měrné krystalizační teploλ je velmi jednoduché: Q=– λm. Znaménko mínus jednoduše znamená, že teplo je vydáváno fyzickým systémem. Dosazením známých hodnot dostaneme: m=1650/330=5 (kg). Na to, aby se při krystalizaci vody uvolnilo až 1650 kJ energie, je potřeba pouhých 5 litrů! Energie se samozřejmě nepředává okamžitě – proces trvá dostatečně dlouho a teplo se odvádí.
Mnoho ptáků si například tuto vlastnost vody dobře uvědomuje a využívá ji k vyhřívání v blízkosti mrazivé vody jezer a řek, v takových místech je teplota vzduchu o několik stupňů vyšší.
Krystalizace řešení
Voda je úžasné rozpouštědlo. Látky v něm rozpuštěné posouvají bod krystalizace zpravidla dolů. Čím vyšší je koncentrace roztoku, tím nižší teplota zamrzne. Pozoruhodným příkladem je mořská voda, ve které je rozpuštěno mnoho různých solí. Jejich koncentrace v oceánské vodě je 35 ppm a taková voda krystalizuje při -1,9 °C. Slanost vody v různých mořích je velmi odlišná, takže i bod mrazu je odlišný. B altská voda má tedy slanost nejvýše 8 ppm a její krystalizační teplota se blíží 0 °C. Mineralizovaná podzemní voda zamrzá i při teplotách pod nulou. Je třeba mít na paměti, že vždy mluvíme pouze o krystalizaci vody: mořský led je téměř vždy čerstvý, v extrémních případech mírně slaný.
Vodné roztoky různých alkoholů se také liší redukcíbod tuhnutí a jejich krystalizace neprobíhá náhle, ale v určitém teplotním rozmezí. Například 40% alkohol začíná mrznout při -22,5 °C a nakonec krystalizuje při -29,5 °C.
Zajímavou výjimkou je ale roztok takové zásady, jako je hydroxid sodný NaOH nebo louh: vyznačuje se zvýšenou teplotou krystalizace.
Jak čistá voda mrzne?
V destilované vodě se klastrová struktura poruší v důsledku odpařování během destilace a počet vodíkových vazeb mezi molekulami takové vody je velmi malý. Navíc taková voda neobsahuje nečistoty, jako jsou suspendované mikroskopické prachové částice, bublinky atd., které jsou dalšími centry tvorby krystalů. Z tohoto důvodu je bod krystalizace destilované vody snížen na -42 °C.
Destilovanou vodu je možné podchlazovat až na -70 °C. V tomto stavu je podchlazená voda schopna téměř okamžitě krystalizovat v celém objemu při sebemenším otřesu nebo vniknutí nepatrné nečistoty.
Paradoxní horká voda
Úžasný fakt – horká voda přechází do krystalického stavu rychleji než voda studená – byl nazván „Mpembův efekt“na počest tanzanského školáka, který tento paradox objevil. Přesněji, věděli o tom již ve starověku, ale nenašli vysvětlení, přírodní filozofové a přírodovědci nakonec záhadnému jevu přestali věnovat pozornost.
V roce 1963 byl Erasto Mpemba překvapenTeplá zmrzlinová směs tuhne rychleji než studená zmrzlinová směs. A v roce 1969 byl již ve fyzikálním experimentu (mimochodem za účasti samotného Mpemby) potvrzen zajímavý jev. Účinek je vysvětlen celou řadou důvodů:
- více center krystalizace, jako jsou vzduchové bubliny;
- vysoký odvod tepla horké vody;
- vysoká rychlost odpařování, což má za následek snížení objemu kapaliny.
Tlak jako krystalizační faktor
Vztah mezi tlakem a teplotou jako klíčovými veličinami, které ovlivňují proces krystalizace vody, se jasně odráží ve fázovém diagramu. Je z něj vidět, že s rostoucím tlakem extrémně pomalu klesá teplota fázového přechodu vody z kapalného do pevného skupenství. Přirozeně to platí i naopak: čím nižší tlak, tím vyšší teplota potřebná pro tvorbu ledu a stejně pomalu roste. K dosažení podmínek, za kterých je voda (nedestilovaná!) schopna krystalizovat na obyčejný led Ih při nejnižší možné teplotě -22 °C, je třeba zvýšit tlak na 2085 atmosfér.
Maximální teplota krystalizace odpovídá následující kombinaci podmínek, nazývané trojný bod vody: 0,006 atmosféry a 0,01 °C. S takovými parametry se body krystalizace-tavení a kondenzace-varu shodují a všechny tři stavy agregace vody koexistují v rovnováze (za nepřítomnosti jiných látek).
Mnoho druhů ledu
V současné době je známo asi 20 úpravpevné skupenství vody - od amorfní po led XVII. Všechny, kromě obyčejného ledu Ih, vyžadují krystalizační podmínky, které jsou pro Zemi exotické, a ne všechny jsou stabilní. V horních vrstvách zemské atmosféry se velmi zřídka vyskytuje pouze led Ic, ale jeho tvorba není spojena se zamrzáním vody, protože vzniká z vodní páry při extrémně nízkých teplotách. Led XI byl nalezen v Antarktidě, ale tato modifikace je derivátem obyčejného ledu.
Krystalizací vody za extrémně vysokých tlaků je možné získat takové modifikace ledu jako III, V, VI a při současném zvýšení teploty - led VII. Je pravděpodobné, že některé z nich mohou vzniknout za podmínek neobvyklých pro naši planetu na jiných tělesech sluneční soustavy: na Uranu, Neptunu nebo velkých satelitech obřích planet. Je třeba si myslet, že budoucí experimenty a teoretické studie dosud málo prozkoumaných vlastností těchto ledů, stejně jako rysů jejich krystalizačních procesů, tuto problematiku objasní a otevřou mnoho dalších nových věcí.
