V každodennom živote sa všetci občas stretávame s javmi, ktoré sprevádzajú procesy prechodu látok z jedného stavu agregácie do druhého. A najčastejšie musíme takéto javy pozorovať na príklade jednej z najbežnejších chemických zlúčenín – známej a známej vody. Z článku sa dozviete, ako prebieha premena tekutej vody na pevný ľad – proces nazývaný kryštalizácia vody – a aké vlastnosti charakterizujú tento prechod.
Čo je fázový prechod?
Každý vie, že v prírode existujú tri hlavné súhrnné stavy (fázy) hmoty: pevné, kvapalné a plynné. Často sa k nim pridáva štvrtý stav - plazma (kvôli vlastnostiam, ktoré ju odlišujú od plynov). Pri prechode z plynu do plazmy však neexistuje žiadna charakteristická ostrá hranica a jej vlastnosti nie sú tak určovanévzťah medzi časticami hmoty (molekuly a atómy), aký je stav samotných atómov.
Všetky látky, ktoré prechádzajú z jedného stavu do druhého, za normálnych podmienok náhle menia svoje vlastnosti (s výnimkou niektorých superkritických stavov, ale tých sa tu nebudeme dotýkať). Takáto transformácia je fázovým prechodom, alebo skôr jednou z jeho odrôd. Vyskytuje sa pri určitej kombinácii fyzikálnych parametrov (teplota a tlak), ktoré sa nazývajú bod fázového prechodu.
Premena kvapaliny na plyn je vyparovanie, opačným javom je kondenzácia. Prechod látky z pevného do kvapalného stavu je topenie, ale ak proces ide opačným smerom, potom sa to nazýva kryštalizácia. Pevné teleso sa môže okamžite zmeniť na plyn a naopak - v týchto prípadoch sa hovorí o sublimácii a desublimácii.
Počas kryštalizácie sa voda mení na ľad a jasne ukazuje, ako veľmi sa menia jej fyzikálne vlastnosti. Zastavme sa pri niektorých dôležitých detailoch tohto fenoménu.
Koncept kryštalizácie
Keď kvapalina stuhne počas chladenia, zmení sa povaha interakcie a usporiadanie častíc látky. Kinetická energia náhodného tepelného pohybu častíc, z ktorých sa skladá, sa zmenšuje a začnú medzi sebou vytvárať stabilné väzby. Keď sa molekuly (alebo atómy) zoradia pravidelným, usporiadaným spôsobom prostredníctvom týchto väzieb, vytvorí sa kryštálová štruktúra pevnej látky.
Kryštalizácia nepokrýva súčasne celý objem ochladenej kvapaliny, ale začína tvorbou malých kryštálov. Sú to takzvané centrá kryštalizácie. Rastú vo vrstvách, postupne pridávaním ďalších a ďalších molekúl alebo atómov hmoty pozdĺž rastúcej vrstvy.
Podmienky kryštalizácie
Kryštalizácia vyžaduje ochladenie kvapaliny na určitú teplotu (je to tiež teplota topenia). Teplota kryštalizácie vody za normálnych podmienok je teda 0 °C.
Pre každú látku je kryštalizácia charakterizovaná množstvom latentného tepla. Ide o množstvo energie uvoľnenej pri tomto procese (a v opačnom prípade o absorbovanú energiu). Merné kryštalizačné teplo vody je latentné teplo uvoľnené jedným kilogramom vody pri 0 °C. Zo všetkých látok pri vode je jednou z najvyšších a má okolo 330 kJ / kg. Takáto veľká hodnota je spôsobená štrukturálnymi vlastnosťami, ktoré určujú parametre kryštalizácie vody. Po zvážení týchto vlastností použijeme vzorec na výpočet latentného tepla nižšie.
Na kompenzáciu latentného tepla je potrebné kvapalinu podchladiť, aby sa začal rast kryštálov. Stupeň podchladenia má významný vplyv na počet kryštalizačných centier a na rýchlosť ich rastu. Kým proces prebieha, ďalšie ochladzovanie teploty látky sa nemení.
Molekula vody
Ak chcete lepšie pochopiť, ako voda kryštalizuje, musíte vedieť, ako je usporiadaná molekula tejto chemickej zlúčeniny, pretožeštruktúra molekuly určuje vlastnosti väzieb, ktoré tvorí.
Jeden atóm kyslíka a dva atómy vodíka sú spojené v molekule vody. Tvoria tupý rovnoramenný trojuholník, v ktorom je atóm kyslíka umiestnený na vrchole tupého uhla 104,45°. V tomto prípade kyslík silne ťahá elektrónové oblaky vo svojom smere, takže molekula je elektrický dipól. Náboje v ňom sú rozložené cez vrcholy pomyselnej štvorstennej pyramídy - štvorstenu s vnútornými uhlami približne 109°. Vďaka tomu môže molekula vytvoriť štyri vodíkové (protónové) väzby, čo samozrejme ovplyvňuje vlastnosti vody.
Vlastnosti štruktúry tekutej vody a ľadu
Schopnosť molekuly vody vytvárať protónové väzby sa prejavuje v kvapalnom aj pevnom skupenstve. Keď je voda kvapalina, tieto väzby sú dosť nestabilné, ľahko sa zničia, ale tiež sa neustále znovu vytvárajú. Vďaka svojej prítomnosti sú molekuly vody navzájom silnejšie viazané ako častice iných kvapalín. Združujúce sa tvoria špeciálne štruktúry – zhluky. Z tohto dôvodu sú fázové body vody posunuté smerom k vyšším teplotám, pretože deštrukcia takýchto dodatočných zložiek tiež vyžaduje energiu. Energia je navyše dosť významná: ak by neexistovali vodíkové väzby a zhluky, teplota kryštalizácie vody (ako aj jej topenia) by bola –100 °C a var +80 °C.
Štruktúra zhlukov je totožná so štruktúrou kryštalického ľadu. Spojením každej so štyrmi susedmi vytvárajú molekuly vody prelamovanú kryštalickú štruktúru so základňou v tvare šesťuholníka. Na rozdiel od tekutej vody, kde sú mikrokryštály - zhluky - nestabilné a pohyblivé v dôsledku tepelného pohybu molekúl, sa pri tvorbe ľadu stabilne a pravidelne preskupujú. Vodíkové väzby fixujú vzájomné usporiadanie miest kryštálovej mriežky a v dôsledku toho je vzdialenosť medzi molekulami o niečo väčšia ako v kvapalnej fáze. Táto okolnosť vysvetľuje skok v hustote vody počas jej kryštalizácie – hustota klesá z takmer 1 g/cm3 na približne 0,92 g/cm3.
O latentnom teple
Vlastnosti molekulárnej štruktúry vody sa veľmi vážne odrážajú v jej vlastnostiach. Je to vidieť najmä z vysokého špecifického tepla kryštalizácie vody. Je to práve kvôli prítomnosti protónových väzieb, ktoré odlišujú vodu od iných zlúčenín, ktoré tvoria molekulárne kryštály. Zistilo sa, že energia vodíkových väzieb vo vode je asi 20 kJ na mol, teda pre 18 g. Značná časť týchto väzieb vzniká „hromadne“pri zamrznutí vody – tu je taký veľký návrat energie pochádza z.
Urobme si jednoduchý výpočet. Nech sa pri kryštalizácii vody uvoľní 1650 kJ energie. To je veľa: ekvivalentnú energiu možno získať napríklad z výbuchu šiestich citrónových granátov F-1. Vypočítajme hmotnosť vody, ktorá prešla kryštalizáciou. Vzorec týkajúci sa množstva latentného tepla Q, hmotnosti m a špecifického kryštalizačného teplaλ je veľmi jednoduché: Q=– λm. Znamienko mínus jednoducho znamená, že teplo uvoľňuje fyzikálny systém. Dosadením známych hodnôt dostaneme: m=1650/330=5 (kg). Len 5 litrov stačí na to, aby sa pri kryštalizácii vody uvoľnilo až 1650 kJ energie! Energia sa samozrejme neodovzdáva okamžite – proces trvá dostatočne dlho a teplo sa odvádza.
Mnohé vtáky napríklad dobre poznajú túto vlastnosť vody a využívajú ju na vyhrievanie sa v blízkosti mrazivej vody jazier a riek, kde je teplota vzduchu o niekoľko stupňov vyššia.
Kryštalizácia riešení
Voda je úžasné rozpúšťadlo. Látky v ňom rozpustené posúvajú bod kryštalizácie spravidla nadol. Čím vyššia je koncentrácia roztoku, tým nižšia teplota zamrzne. Pozoruhodným príkladom je morská voda, v ktorej je rozpustených veľa rôznych solí. Ich koncentrácia v oceánskej vode je 35 ppm a takáto voda kryštalizuje pri -1,9 °C. Slanosť vody v rôznych moriach je veľmi rozdielna, takže aj bod mrazu je odlišný. B altská voda má teda slanosť nie vyššiu ako 8 ppm a jej kryštalizačná teplota je blízka 0 °C. Mineralizovaná podzemná voda zamŕza aj pri teplotách pod nulou. Treba mať na pamäti, že vždy hovoríme len o kryštalizácii vody: morský ľad je takmer vždy čerstvý, v extrémnych prípadoch mierne slaný.
Vodné roztoky rôznych alkoholov sa tiež líšia v redukovanombod tuhnutia a ich kryštalizácia neprebieha náhle, ale s určitým teplotným rozsahom. Napríklad 40% alkohol začína mrznúť pri -22,5°C a nakoniec kryštalizuje pri -29,5°C.
Ale roztok takej zásady, ako je hydroxid sodný NaOH alebo žieravina, je zaujímavou výnimkou: vyznačuje sa zvýšenou teplotou kryštalizácie.
Ako zamŕza čistá voda?
V destilovanej vode sa klastrová štruktúra poruší v dôsledku vyparovania počas destilácie a počet vodíkových väzieb medzi molekulami takejto vody je veľmi malý. Okrem toho takáto voda neobsahuje nečistoty, ako sú suspendované mikroskopické prachové častice, bublinky a pod., ktoré sú dodatočnými centrami tvorby kryštálov. Z tohto dôvodu je bod kryštalizácie destilovanej vody znížený na -42 °C.
Destilovanú vodu je možné podchladiť až na -70 °C. V tomto stave je podchladená voda schopná takmer okamžite kryštalizovať v celom objeme pri najmenšom zatrasení alebo vniknutí nepatrnej nečistoty.
Paradoxná horúca voda
Úžasný fakt – horúca voda sa mení na kryštalický stav rýchlejšie ako studená voda – bol nazvaný „Mpembov efekt“na počesť tanzánskeho školáka, ktorý objavil tento paradox. Presnejšie povedané, vedeli o tom už v staroveku, no nenašli vysvetlenie, prírodní filozofi a prírodovedci nakoniec záhadnému javu prestali venovať pozornosť.
V roku 1963 bol Erasto Mpemba prekvapenýTeplá zmrzlinová zmes tuhne rýchlejšie ako studená zmrzlinová zmes. A v roku 1969 sa už vo fyzikálnom experimente (mimochodom, za účasti samotného Mpembu) potvrdil zaujímavý jav. Účinok sa vysvetľuje celým radom dôvodov:
- viac centier kryštalizácie, ako sú vzduchové bubliny;
- vysoký odvod tepla teplej vody;
- vysoká rýchlosť vyparovania, čo vedie k zníženiu objemu kvapaliny.
Tlak ako faktor kryštalizácie
Vzťah medzi tlakom a teplotou ako kľúčovými veličinami, ktoré ovplyvňujú proces kryštalizácie vody, sa jasne odráža vo fázovom diagrame. Vidno z nej, že so zvyšujúcim sa tlakom extrémne pomaly klesá teplota fázového prechodu vody z kvapalného do tuhého skupenstva. Prirodzene to platí aj naopak: čím nižší tlak, tým vyššia teplota potrebná na tvorbu ľadu a rovnako pomaly rastie. Na dosiahnutie podmienok, za ktorých je voda (nie destilovaná!) schopná kryštalizovať na obyčajný ľad Ih pri najnižšej možnej teplote -22 °C, je potrebné zvýšiť tlak na 2085 atmosfér.
Maximálna teplota kryštalizácie zodpovedá nasledujúcej kombinácii podmienok nazývanej trojitý bod vody: 0,006 atmosféry a 0,01 °C. Pri takýchto parametroch sa body kryštalizácie-topenia a kondenzácie-varu zhodujú a všetky tri stavy agregácie vody koexistujú v rovnováhe (v neprítomnosti iných látok).
Veľa druhov ľadu
V súčasnosti je známych asi 20 úpravpevné skupenstvo vody – od amorfnej po ľadovú XVII. Všetky, okrem obyčajného ľadu Ih, vyžadujú kryštalizačné podmienky, ktoré sú pre Zem exotické a nie všetky sú stabilné. V horných vrstvách zemskej atmosféry sa veľmi zriedka vyskytuje iba ľad Ic, ale jeho tvorba nesúvisí so zamŕzaním vody, keďže vzniká z vodnej pary pri extrémne nízkych teplotách. Ľad XI bol nájdený v Antarktíde, ale táto modifikácia je derivátom obyčajného ľadu.
Kryštalizáciou vody pri extrémne vysokých tlakoch je možné získať také modifikácie ľadu ako III, V, VI a pri súčasnom zvýšení teploty - ľad VII. Je pravdepodobné, že niektoré z nich môžu vzniknúť za podmienok neobvyklých pre našu planétu na iných telesách slnečnej sústavy: na Uráne, Neptúne alebo veľkých satelitoch obrích planét. Treba si myslieť, že budúce experimenty a teoretické štúdie zatiaľ málo prebádaných vlastností týchto ľadov, ako aj vlastností ich kryštalizačných procesov, objasnia túto problematiku a otvoria mnoho ďalších nových vecí.
