Kristalizacija metala
Prilikom prijelaza iz tekućeg u čvrsto stanje formira se kristalna rešetka, pojavljuju se kristali. Takav proces se zove kristalizacija.
Kristalizacija nastaje zbog želje sistema da pod određenim uslovima pređe u energetski stabilnije stanje sa nižom slobodnom energijom F (slika 1.7). (Slika 1.3 iz Komarovljevog TCM-a.)
Rice. 1.7 Promjena slobodne energije F metala u tekućem (Fl) i čvrstom (Ft) stanju u zavisnosti od temperature T:
T s je teoretska temperatura topljenja.
Sa slike 1.7 se može vidjeti da pri T > T s supstanca u tekućem stanju ima manje slobodne energije, a pri T< T s - в твердом.
U stvarnim tijelima, i proces kristalizacije i proces topljenja ne mogu započeti u T = T s , jer oba stanja (tečno i čvrsto) imaju istu količinu slobodne energije. Stoga će u stvarnim tijelima proces kristalizacije započeti pri T=T cr< T s .
Razlika ∆T= T s - T cr - naziva se stepen prehlađenja sistema ∆T.
Kada se zagrije, prijelaz iz čvrstog u tekuće stanje također počinje na određenom stepen pregrijavanja sistema ∆T.
Dodijeli dvije vrste kristalizacije:
1) primarni - prijelaz metala iz tekućeg u čvrsto stanje s formiranjem kristalne strukture;
2) sekundarni - formiranje novih kristala u čvrstoj kristalnoj supstanci.
Sl.1.8. Model procesa kristalizacije (1s - 1 sekunda, 2s - 2 sekunde, itd.)
Slika 1.8 prikazuje model procesa kristalizacije.
Pretpostavimo da je u području prikazanom na sl. 1.9. pojavljuje se pet embrija u sekundi, koji rastu određenom brzinom. Do kraja prve sekunde nastalo je pet jezgara, do kraja druge sekunde su narasle, a istovremeno se pojavilo još pet novih jezgara budućih kristala. Dakle, kao rezultat nastanka jezgara i njihovog rasta, dolazi do procesa kristalizacije, koji se, kao što se može vidjeti na ovom primjeru, završava u sedmoj sekundi.
Kristalizacija se proučava pomoću termička analiza, čija je suština da se registruje temperatura sistema u pravilnim intervalima. Da bi se to postiglo, termoelektrični termometar (termopar) 2 povezan sa potenciometrom za snimanje 3 uronjen je u lončić 1 (slika 1.9, a), sa rastopljenim metalom.
Slika 1.9 Kristalizacija metala:
a - šema instalacije za registraciju procesa; b – kriva hlađenja i šema procesa kristalizacije (L – tečno stanje, α – čvrsto stanje). 1 - lončić, 2 - termoelement, 3 - potenciometar za registraciju.
Na osnovu podataka dobijenih u koordinatama temperatura - vrijeme izgradnje kriva hlađenja(Sl. 1.9, b), što odražava slijed procesa kristalizacije.
Gornji dio krivulje hlađenja pokazuje smanjenje temperature tekućeg metala. Na temperaturi T s koja odgovara horizontalni presek, tečni metal se stvrdnjava. Oslobađanje latentne toplote kristalizacije doprinosi održavanju konstantne temperature tokom vremena potrebnog za potpuno skrućivanje ( zbog toga dio krivulje hlađenja horizontalno). Donji dio krivulje odgovara hlađenju već čvrstog metala.
Na sl. 1.10 prikazuje krivulje hlađenja metala tokom kristalizacije sa različitim brzinama hlađenja. Tanka horizontalna linija pokazuje vrijednost teorijske temperature kristalizacije Ts.
Slika 1.10 Uticaj brzine hlađenja na procese kristalizacije:
a – krive hlađenja čistog metala; b – uticaj stepena prehlađenja ∆T na brzinu nukleacije (SZ) i brzinu rasta (SR)
Od trka. 1.10 može se vidjeti da kako se brzina hlađenja povećava (V 1 Prije više od 100 godina, osnivač nauke o metalima D.K. Černov, otkrio je da se kristalizacija sastoji od dva procesa: 1) porijeklo najmanjih čestica čvrste materije - embriona ili centre kristalizacije; 2) rast kristala iz ovih centara. Rast kristala se sastoji u činjenici da se sve više atoma metala vezuje za površinu jezgara. Prvo, formirani kristali rastu slobodno, održavajući ispravan geometrijski oblik, zatim, kada se rastući kristali sudare, njihov oblik se poremeti, a dalji rast se nastavlja samo tamo gdje postoji slobodan pristup talini. Kao rezultat toga, kristali nemaju pravilan geometrijski oblik i nazivaju se zrnima. Veličina zrna zavisi od SZ i SR. Od sl. 1.9 može se vidjeti da sa povećanjem stepena superhlađenja ∆T (brzina hlađenja) raste broj jezgara koje se formiraju u jedinici vremena (kriva SZ na slici 1.10, b), a pored toga i brzina rasta kristala takođe raste (CP kriva na slici 1.10, b). Proces transformacije, odnosno prijelaz tvari iz tekuće tvari u čvrsto stanje naziva se kristalizacija. Najupečatljiviji primjer takve kemijske reakcije je led. Rezultat procesa naziva se kristal. Za početak procesa potrebno je stvoriti stanje prezasićenosti otopine na kojoj se eksperiment izvodi. Fazni prelaz tečnosti se odvija na sledeći način: Postoje dvije metode kristalizacije: izotermna i politermalna. U prvoj metodi, rastvor se podvrgava intenzivnom hlađenju, dok kristali počinju da se talože, a količina tečnosti otapala ostaje ista. U izotermnoj kristalizaciji do pojave kristala dolazi isparavanjem. Proces je nazvan jer se cijela reakcija odvija na konstantnoj temperaturi, što je tačka ključanja otopine. U praksi se obje metode koriste zajedno. U tom slučaju dio rastvarača isparava ključanjem, dok se u isto vrijeme tečnost hladi. Postoji još jedna opcija za kristalizaciju, u kojoj se u otopinu dodaju tvari koje imaju dobru sposobnost apsorpcije vode i smanjuju osjetljivost soli sadržane u tekućini na otapanje. Varijanta ovakvog razvoja događaja naziva se soljenje. U ovom slučaju se koriste lijekovi koji mogu „vezati vodu“ (na taj način se kristališe natrijum sulfat, pri čemu se dodaje amonijak ili alkohol), ili imaju isti jon kao i upotrijebljena sol. Primjer je kemijska reakcija čiji je cilj kristalizacija bakar-sulfata ili natrijevog klorida. Da bi se uzgajao kristal, počinje se s malom česticom koja se naziva "sjeme". Drugim riječima, to je neka vrsta centra oko kojeg se u toku kemijske reakcije počinje formirati kristal. U ovom slučaju se istovremeno odvija proces kojim se formiraju jezgra i sam proces kristalizacije. Ako to nije slučaj, na primjer, jezgre se brže formiraju, pojavljuju se mnogi premali kristali, ali u suprotnom slučaju, malo ih je, ali su veći. Zahvaljujući ovoj osobini, moguće je kontrolisati količinu i brzinu kojom dolazi do kristalizacije. To se radi kroz sljedeće faktore: Sve gore navedene nijanse doprinose pojavljivanju proizvoda malog kalibra, a za dobivanje većih kristala potrebno je: Da bi se olakšao sam trenutak kada se jezgra počnu formirati, elementi kristalne supstance se unose u otopinu u obliku fino usitnjenog praha. U ovom slučaju dolazi do samog procesa kristalizacije uslijed naknadnog unošenja čestica istog elementa. Količina unesene tvari ovisi o veličini željenog kristala, na primjer, za veći se koristi mala količina sjemenskog materijala. Veličina kristala je važna u njihovoj daljoj obradi, na primjer, veliki kristali su u stanju da ispuštaju veliku količinu vlage tokom pranja i filtriranja. Brže se suše, talože i lakše se filtriraju. Budući da je glavna svrha kristalizacije da se dobije konačna supstanca, idealno čista i bez nečistoća, obično se dobijeni kristali podvrgavaju procesima rekristalizacije, uz uklanjanje viška nečistoća i ponovljeno pranje i sušenje. Prijelaz tvari iz čvrstog kristalnog stanja u tekuće stanje naziva se topljenje. Da bi se rastopilo čvrsto kristalno tijelo, ono se mora zagrijati na određenu temperaturu, odnosno donijeti toplinu.Temperatura na kojoj se supstanca topi naziva setačka topljenja supstance. Obrnuti proces - prijelaz iz tekućeg u čvrsto stanje - događa se kada temperatura padne, odnosno toplina se ukloni. Prijelaz tvari iz tekućeg u čvrsto stanje naziva seotvrdnjavanje ,
ili kristalliza .
Temperatura na kojoj se supstanca kristališe naziva setemperatura kristalacije .
Iskustvo pokazuje da svaka tvar kristalizira i topi se na istoj temperaturi. Na slici je prikazan grafik zavisnosti temperature kristalnog tela (leda) od vremena zagrevanja (od tačke ALI do tačke D) i vrijeme hlađenja (od tačke D do tačke K).
Prikazuje vrijeme na horizontalnoj osi i temperaturu na vertikalnoj osi. Iz grafikona se vidi da je posmatranje procesa počelo od trenutka kada je temperatura leda bila -40 °C, odnosno, kako se kaže, temperatura u početnom trenutku vremena trano= -40 °S (tačka ALI na grafikonu). Daljnjim zagrijavanjem temperatura leda raste (na grafikonu je to površina AB). Temperatura raste na 0 °C, tačku topljenja leda. Na 0°C led počinje da se topi i njegova temperatura prestaje da raste. Tokom cijelog vremena topljenja (tj. dok se sav led ne otopi), temperatura leda se ne mijenja, iako gorionik nastavlja da gori i stoga se dovodi toplina. Proces topljenja odgovara horizontalnom dijelu grafikona sunce .
Tek nakon što se sav led otopi i pretvori u vodu, temperatura ponovo počinje rasti (odjeljak CD). Nakon što temperatura vode dostigne +40°C, gorionik se gasi i voda počinje da se hladi, odnosno uklanja toplota (za to se posuda sa vodom može staviti u drugu, veću posudu sa ledom). Temperatura vode počinje opadati (odjeljak DE). Kada temperatura dostigne 0 °C, temperatura vode prestaje da se smanjuje, uprkos činjenici da se toplota i dalje uklanja. Ovo je proces kristalizacije vode - formiranje leda (horizontalni presjek EF).
Sve dok se sva voda ne pretvori u led, temperatura se neće promijeniti. Tek nakon toga temperatura leda počinje opadati (presjek FK). Pogled na razmatrani graf je objašnjen na sljedeći način. Lokacija uključena AB zbog unosa topline, prosječna kinetička energija molekula leda raste, a temperatura raste. Lokacija uključena sunce sva energija koju prima sadržaj tikvice troši se na uništavanje kristalne rešetke leda: uređeni prostorni raspored njegovih molekula zamjenjuje se neuređenim, mijenja se udaljenost između molekula, tj. molekuli su preuređeni na takav način da supstanca postaje tečna. Prosječna kinetička energija molekula se ne mijenja, tako da temperatura ostaje nepromijenjena. Daljnji porast temperature rastopljene ledene vode (u tom području CD) znači povećanje kinetičke energije molekula vode zbog topline koju dovodi gorionik. Prilikom hlađenja vode (odjeljak DE) dio energije mu se oduzima, molekuli vode se kreću manjim brzinama, njihova prosječna kinetička energija opada – temperatura se smanjuje, voda se hladi. Na 0°C (horizontalni presjek EF) molekuli se počinju nizati određenim redoslijedom, formirajući kristalnu rešetku. Dok se ovaj proces ne završi, temperatura tvari se neće mijenjati, unatoč uklonjenoj toplini, što znači da pri skrućivanju tekućina (voda) oslobađa energiju. To je upravo energija koju je led apsorbirao, pretvarajući se u tečnost (presjek sunce). Unutrašnja energija tečnosti je veća od energije čvrste materije. Tokom topljenja (i kristalizacije), unutrašnja energija tijela se naglo mijenja. Zovu se metali koji se tope na temperaturama iznad 1650 ºS vatrostalna(titanijum, hrom, molibden, itd.). Volfram ima najvišu tačku topljenja među njima - oko 3400 ° C. Vatrostalni metali i njihovi spojevi koriste se kao materijali otporni na toplinu u konstrukciji aviona, raketnoj i svemirskoj tehnologiji, te nuklearnoj energiji. Još jednom naglašavamo da tokom topljenja supstanca apsorbuje energiju. Prilikom kristalizacije, naprotiv, daje ga okolini. Primajući određenu količinu toplote koja se oslobađa tokom kristalizacije, medij se zagrijava. Ovo je dobro poznato mnogim pticama. Nije ni čudo što se mogu vidjeti zimi po mraznom vremenu kako sjede na ledu koji prekriva rijeke i jezera. Zbog oslobađanja energije prilikom formiranja leda, zrak iznad njega se ispostavlja da je nekoliko stupnjeva topliji nego u šumi na drveću, a ptice to iskorištavaju. Prisustvo određenog tačke topljenja je važna karakteristika kristalnih supstanci. Na osnovu toga se lako mogu razlikovati od amorfnih tijela, koja se također klasificiraju kao čvrsta tijela. To uključuje, posebno, staklo, vrlo viskozne smole i plastiku. Amorfne supstance(za razliku od kristalnih) nemaju određenu tačku topljenja - ne tope se, već omekšaju. Kada se zagrije, komad stakla, na primjer, prvo postaje mekan od tvrdog, može se lako saviti ili rastegnuti; na višoj temperaturi, komad počinje mijenjati svoj oblik pod utjecajem vlastite gravitacije. Kako se zagrije, gusta viskozna masa poprima oblik posude u kojoj leži. Ova masa je u početku gusta, poput meda, zatim poput kisele pavlake, da bi na kraju postala tečnost skoro niskog viskoziteta kao voda. Međutim, ovdje je nemoguće naznačiti određenu temperaturu za prijelaz čvrste tvari u tekućinu, jer ona ne postoji. Razlozi za to leže u fundamentalnoj razlici između strukture amorfnih tijela i strukture kristalnih. Atomi u amorfnim tijelima su raspoređeni nasumično. Amorfna tijela po svojoj strukturi podsjećaju na tekućine. Već u čvrstom staklu atomi su raspoređeni nasumično. To znači da povećanje temperature stakla samo povećava raspon vibracija njegovih molekula, daje im postepeno sve veću slobodu kretanja. Stoga staklo omekšava postupno i ne pokazuje oštar prijelaz "čvrsto-tekuće" karakterističan za prijelaz sa rasporeda molekula po strogom redu u neuređeni. Toplota topljenja- to je količina topline koja se mora prenijeti tvari pri konstantnom pritisku i konstantnoj temperaturi jednakoj tački da bi se ona u potpunosti prebacila iz čvrstog kristalnog stanja u tekuće. Toplota fuzije jednaka je količini toplote koja se oslobađa tokom kristalizacije supstance iz tečnog stanja. Tokom topljenja, sva toplota dovedena u supstancu ide na povećanje potencijalne energije njenih molekula. Kinetička energija se ne mijenja jer se topljenje odvija na konstantnoj temperaturi. Proučavajući eksperimentalno topljenje različitih supstanci iste mase, može se primijetiti da su potrebne različite količine topline da bi se one pretvorile u tekućinu. Na primjer, da biste otopili jedan kilogram leda, potrebno je potrošiti 332 J energije, a da biste otopili 1 kg olova - 25 kJ. Količina topline koju tijelo oslobađa smatra se negativnom. Stoga, pri izračunavanju količine topline koja se oslobađa tijekom kristalizacije tvari s masom m, trebali biste koristiti istu formulu, ali sa predznakom minus: Toplota sagorevanja(ili kaloričnu vrijednost, kalorija) je količina toplote koja se oslobađa tokom potpunog sagorevanja goriva. Za zagrijavanje tijela često se koristi energija koja se oslobađa tokom sagorijevanja goriva. Konvencionalno gorivo (ugalj, nafta, benzin) sadrži ugljenik. Tokom sagorevanja, atomi ugljenika se kombinuju sa atomima kiseonika u vazduhu, što rezultira stvaranjem molekula ugljen-dioksida. Pokazalo se da je kinetička energija ovih molekula veća od one početnih čestica. Povećanje kinetičke energije molekula tokom sagorevanja naziva se oslobađanjem energije. Energija koja se oslobađa tokom potpunog sagorevanja goriva je toplota sagorevanja ovog goriva. Toplota sagorevanja goriva zavisi od vrste goriva i njegove mase. Što je veća masa goriva, to je veća količina toplote koja se oslobađa tokom njegovog potpunog sagorevanja. Fizička veličina koja pokazuje koliko se toplote oslobađa pri potpunom sagorevanju goriva težine 1 kg naziva se specifična toplota sagorevanja goriva.Specifična toplota sagorevanja je označena slovomqi mjeri se u džulima po kilogramu (J/kg). Količina toplote Q oslobađa se tokom sagorevanja m kg goriva određuje se po formuli: Da bismo pronašli količinu toplote koja se oslobađa pri potpunom sagorevanju goriva proizvoljne mase, potrebno je pomnožiti specifičnu toplotu sagorevanja ovog goriva njegovom masom. Šta je kristalizacija, oni uče u školi. Ali, u pravilu, koncept se razmatra samo u odnosu na jednu nauku - hemiju. I ovaj proces zaista ima najveći odnos prema njemu, iako to nije razlog da se ne obraća pažnja na njegovo razmatranje u drugim industrijama. A sada je vrijeme da to popravimo. Ali prvo stvari. Dakle, šta je kristalizacija? Ovo je proces tokom kojeg se kristali formiraju iz gasova, talina, stakla i rastvora. Svi znaju šta su. U naučnom smislu, kristali su čvrsta tijela sa pravilnim rasporedom atoma (najmanje čestice hemijskog elementa koje nose njegova svojstva). Imaju prirodni oblik pravilnih simetričnih poliedara, što je zbog njihove unutrašnje strukture. Na pitanje šta je kristalizacija može se odgovoriti na drugi način. Takođe se naziva formiranje ovih čvrstih materija iz kristala drugačije strukture. Ovo se odnosi na polimorfne transformacije. Objašnjavaju se činjenicom da isti atomi mogu formirati različite kristalne rešetke. Osim toga, kristalizacija je proces prijelaza tvari iz tekućeg stanja u čvrsto kristalno stanje. Govoreći o tome šta je kristalizacija, treba napomenuti da postoji nekoliko načina na koje ona nastaje. Razlikuju se po metodama koje se koriste za postizanje zasićenja otopine. Prvi korak je razgovor o politermalnoj kristalizaciji, koja se naziva i izohidričnom. Može se dogoditi samo uz konstantan sadržaj vode u sistemu. Princip nije tako komplikovan kao što se čini. Prezasićeni rastvor nastaje usled hlađenja sistema. Proces se odvija samo na promjenjivoj temperaturi. Politermalni proces, vođen hlađenjem zasićenih otopina, može se primijeniti samo na određene tvari. Za one čija se rastvorljivost takođe poboljšava sa povećanjem temperature. Treba napomenuti da se ponekad koristi i metoda politermalnog isparavanja. Tokom ovog procesa, tvar se zagrijava i isparava. Nakon toga dolazi do višestruke toplinske i masene izmjene između parne faze i tekućine. Druga politermalna metoda se koristi kada je u tvari prisutno nekoliko soli s različitim sposobnostima topljivosti. Upečatljiv primjer je izolacija kalijevog hlorida iz silvinita. I o tome treba razgovarati. Izotermni proces kristalizacije karakterizira isparavanje vode iz otopina na konstantnoj, nepromjenjivoj temperaturi. Ova metoda je primjenjiva na tvari koje sadrže soli, čija je rastvorljivost praktički nezavisna od zagrijavanja. Isparavanje se može postići dovođenjem tečnosti do intenzivnog ključanja i održavanjem u ovom stanju. Ovo je "tradicionalna" metoda. Može se koristiti i sporo površinsko isparavanje. U nekim slučajevima, tvari se unose u tekućine koje smanjuju njihovu sposobnost rastvaranja. Ovo se zove soljenje. Takvi "pomagači" su supstance koje sadrže isti jon kao i data so. Živopisan primjer: proces kristalizacije natrijevog klorida iz otopine visoke koncentracije u koju se dodaje magnezijev klorid. Treba napomenuti da mehanizam isoljavanja nije uvijek isti. Ako se za izvođenje ovog procesa pomiješaju dva elektrolita, od kojih će dodatni biti s istoimenim jonom, tada će na kraju biti moguće postići takvu koncentraciju da će proizvod topljivosti tvari postati mnogo viši. Šta to znači? Jednostavnim riječima, pojavit će se višak tvari i ona će se osloboditi u čvrstu fazu. Takođe se dešava drugačije. Da bi se postiglo soljenje, potrebno je potpuno promijeniti strukturu otopine - potaknuti stvaranje hidratnih ljuski oko čestica tvari koju treba kristalizirati. Kako se to postiže? Kroz uništavanje ljuski već otopljene supstance. Važno je naučiti: soli koje formiraju kristalne hidrate intenzivnije se sole od onih koje nastaju u bezvodnom obliku. Ali neki "aditivi" samo povećavaju rastvorljivost. To dovodi do namakanja. Ovo je najčešća metoda kristalizacije u hemiji. To je najbrži i najjednostavniji. Ako se u procesu formira produkt reakcije, koji se praktički ne otapa u vodi, tada se odmah taloži iz otopine. Šta još? Ako je proizvod reakcije karakteriziran rastvorljivošću, tada se početak kristalizacije javlja u trenutku kada tekućina dostigne potrebnu razinu zasićenja. I proces se nastavlja sve dok taložnik (reagens) ne uđe u njega. Upečatljiv primjer je proizvodnja kalcijum karbonata. On je nerastvorljiv. Dakle, morate koristiti konverziju kalcijum nitrata u aluminijum nitrat. Gledajući formulu, možete razumjeti kako se ovaj proces otprilike odvija: Ca (NO 3) 2 + (NH 4) 2 CO3 = CaCO 3 + 2NH 4 NO 3. Da biste dobili katalizatore, pribjegavajte taloženju metala u obliku netopivih tvari. To uključuje oksalate, hidrokside, karbonate i druge soli. Oni se talože jer se naknadno razlažu u okside. Još jedan proces na koji treba obratiti pažnju je razgovor o tome šta je kristalizacija. Zamrzavanje je odvajanje u čvrstom obliku jedne od komponenti gasne ili tečne mešavine, koje se postiže hlađenjem smeše. Štaviše, temperatura se postiže ispod one na kojoj obično počinje kristalizacija. Osnova ovog procesa je niska međusobna rastvorljivost komponenti koje treba odvojiti. Primjer: kada se vodene otopine zamrznu, otopljene tvari nisu uključene u rezultirajuće kristale. Ova metoda se koristi u posebnim slučajevima. Zamrzavanje je efikasno kada je potrebno odvojiti smjese, prečistiti tvari ili koncentrirati otopinu. Metoda se aktivno koristi u hemijskoj, mikrobiološkoj, farmakološkoj i prehrambenoj industriji. Ali u svakodnevnom životu postoji mnogo primjera ovog procesa. Govorimo o koncentraciji smrzavanjem uz oslobađanje leda. Usmjeren je na očuvanje arome, boje, kao i ljekovitih i okusnih kvaliteta termolabilnih proizvoda. To uključuje: biljne ekstrakte, sokove, pivo, vino, rastvore enzima. I lijekovi koji su biološki i medicinski aktivni. Vrlo često, kristalizacija tvari smrzavanjem slijedi, zatim, sušenje zamrzavanjem. Ova metoda se koristi u proizvodnji praškastih proizvoda namijenjenih rastvaranju. Ima dosta primjera - sokovi, čajevi, kafa, supe, mlijeko, kajmak, pire krompir, žele, sladoled... svima su poznati ovi praškovi u vrećicama ili teglama, razrijeđenim u vodi, možete dobiti gotove - jesti proizvod. Inače, zamrzavanje se koristi i za prečišćavanje otpadnih voda i desalinizaciju morske vode - kako bi bila čista, bez nečistoća. Čak je i zrak ponekad odvojen. Kriogenski, naravno. Smrzavanje je iz njega moguće ukloniti ugljični dioksid i vodenu paru. Ukratko, vrijedno je obratiti pažnju na ovaj koncept. Takođe je poznata kao "specifična toplota fuzije" i "entalpija". Imena su različita, ali je definicija ista. Ovo je količina toplote koja se mora preneti jednoj jedinici mase kristalne supstance da bi prešla iz čvrstog u tekuće stanje. Označeno grčkim slovom λ. U hemiji, formula temperature kristalizacije je sljedeća: Q: m = λ. Ovdje je Q količina topline koju prima supstanca u procesu njenog topljenja. A slovo m označava njegovu masu. Treba napomenuti da je specifična toplota kristalizacije (taljenja) uvijek pozitivna. Jedini izuzetak je helijum pod visokim pritiskom. Zanimljivo je da ovaj najjednostavniji monoatomski plin ima najnižu tačku ključanja od svih trenutno poznatih supstanci. Ovaj proces sa helijumom počinje da se odvija na -268,93 °C. Šta je sa tačkom topljenja? Evo nekoliko primjera naznačenih u kJ u odnosu na jedan kilogram tvari: led - 330, živa -12, naftalen - 151, bijelo i sivo olovo - 14 i 100. Kristalizacija je vrlo pažljivo proučavan proces u hemiji, koji je posebno zanimljiv u praksi. Primjer je stvaranje šećera. Suština procesa je da se izoluje saharoza sadržana u sirupu. Potonji, pak, sadrži i druge tvari koje nisu uklonjene tokom procesa pročišćavanja soka, a ponovo su formirane tokom zgušnjavanja. Kada temperatura poraste, počinje kristalizacija i u njenom procesu nastaje interkristalna otopina koja se naziva masekut. U njemu će se akumulirati sve suvišne tvari. Zapravo, oni ozbiljno kompliciraju cijeli proces, jer prisustvo raznih vrsta nečistoća povećava viskoznost otopine. Još jedan upečatljiv primjer kristalizacije u hemiji povezan je sa stvaranjem soli. Da biste to vidjeli vlastitim očima, ne morate ni provoditi eksperimente - ovaj proces postoji u prirodi. U hladnoj sezoni, surf izbacuje tone soli na obalu. Ona ne nestaje. Razbija se u ogromne gomile, a onda, kada nastupi vrućina i suvoća, iz njega isparava voda za kristalizaciju. Ostaje samo fini prah - sol, koju troši industrija. Primjer soli je najjednostavniji. Čak iu nekim školama djeca dobiju domaći zadatak kao dio časa hemije: otopite 1-2 žlice soli u vrlo maloj količini vode i ostavite posudu negdje. Za intenzivniju kristalizaciju, temperatura se može povećati - premjestite otopinu u bateriju, na primjer. Nakon nekoliko dana voda će ispariti. Ali kristali soli će ostati. Takođe se kristališu. Štaviše, svi tvrdi metali koje možemo vidjeti i dodirnuti su rezultat ovog procesa. Transformacije koje se odvijaju paralelno su od velike važnosti, jer u velikoj mjeri određuju svojstva metala. Kristalizacija kao proces je u ovom slučaju vrlo zanimljiva. Dok je supstanca u tekućem stanju, atomi u njoj se stalno kreću. Naravno, odgovarajuća visoka temperatura se održava sve ovo vrijeme. Kako se smanjuje, atomi se približavaju jedni drugima, zbog čega se grupišu u kristale. Tako se formiraju centri. Odnosno, primarne grupe kristala. Njima, kako se kretanje drugih atoma usporava, pridružuju se sekundarni. U početku kristali rastu nesmetano. A oni koji su već formirani ne gube ispravnost strukture. Ali tada se kristali sudaraju dok se kreću dalje. Zbog njihovog kontakta, forma se pogoršava. Međutim, unutar svakog kristala, struktura i dalje ostaje ispravna. Ove grupe se, inače, nazivaju žitaricama. I ne formiraju se uvijek. Sve ovisi o uvjetima kristalizacije, na kojoj temperaturi se dogodila (stabilna ili ne), kao i o prirodi samog metala. Gore je mnogo rečeno o specifičnoj kristalizaciji, kao io različitim metodama kojima se ovaj proces izvodi. U nastavku teme o metalima, želio bih govoriti o ozloglašenoj zrnatosti, čiji su uzroci opisani u prethodnom pasusu. Zapravo, njegov izgled je znak slabe kristalizacije. Krupnozrnati metal je krhak, praktički ne može odoljeti stvarno velikom udaru. Tokom kovanja na njemu se pojavljuju pukotine. Takođe se formiraju u zoni zahvaćenom toplotom. Da bi se smanjila vjerojatnost njihovog formiranja, u proizvodnji se koriste različite mjere - modificiraju metal titanskim šavovima, na primjer. Oni su u stanju da spreče rast zrna. Za grubozrnate metale postavljaju se čak i drugi zahtjevi za prezentaciju uzoraka. Njihova debljina treba da bude najmanje 1,5 cm. Samo u tom slučaju biće moguće uporediti rezultate mehaničkih i mikromehaničkih ispitivanja. Dakle, u proizvodnji nastoje dobiti metale s fino zrnatom strukturom. Za to se stvaraju posebni uvjeti - oni pod kojima je moguća niska stopa rasta kristala i maksimalan broj ozloglašenih centara, oko kojih se potom formiraju njihove grupe. Koliko će zrna biti velika zavisi od broja čestica nerastvorljivih nečistoća. Obično su to sulfidi, nitridi i oksidi - oni igraju ulogu spremnih centara za kristalizaciju. Finozrna struktura se može postići modifikacijom - dodavanjem stranih supstanci metalima. Podijeljeni su u dvije vrste: A kvaliteta dobivenog metala proučava se različitim metodama. Sprovesti termičke, dilatometrijske, magnetne analize, strukturne i fizičke studije. Štaviše, nemoguće je saznati informacije o svim svojstvima metala samo na jedan način. Već je rečeno o nastanku soli, o količini toplote pri kristalizaciji io tome kako se taj proces odvija u slučaju metala. Pa, konačno možemo govoriti o vodi – najnevjerovatnijem fenomenu na planeti. U prirodi postoje samo tri agregatna stanja - gasovito, čvrsto i tečno. Voda se može zadržati u bilo kojoj od njih, prelazeći s jedne na drugu u prirodnim uvjetima. Kada je tečan, njegovi molekuli su labavo povezani. Oni su u stalnom pokretu, pokušavaju da se grupišu u jednu strukturu, ali to ne funkcioniše zbog vrućine. A kada je voda izložena niskim temperaturama, molekuli postaju jači. Više ih ne ometa toplina, pa dobijaju heksagonalnu kristalnu strukturu. Sigurno je svako barem jednom u životu vidio njen živopisan primjer. Pahulja je pravi šestougao. Šta je sa "toplinom" kristalizacije? Voda, kao što svi znaju od djetinjstva, počinje da se smrzava na 0°C. Ako je Farenhajt, onda će ova brojka biti 32 stepena. Ali sa ovim oznakama, proces tek počinje. Voda ne kristalizira uvijek na ovim temperaturama. Čista tečnost se može čak i ohladiti do -40°C i dalje se neće smrznuti. Zašto? Jer u čistoj vodi nema nečistoća koje su osnova za pojavu kristalne strukture. Obično su to otopljene soli, čestice prašine itd. Još jedna karakteristika vode: kada se smrzne, širi se. Dok se druge supstance skupljaju tokom kristalizacije. Žašto je to? Jer kada voda prelazi iz tekućeg u čvrsto stanje, udaljenost između njenih molekula se povećava. Ne može se zanemariti kada se govori o kristalizaciji vode. Takav fenomen kao što je Mpemba paradoks zanimljiv je barem po svojoj formulaciji. Fraza zvuči ovako: "Topla voda se smrzava brže od hladne vode." Intrigantno i zbunjujuće. Kako je to moguće? Na kraju krajeva, voda prije nego što prijeđe u fazu kristalizacije mora proći kroz "hladnu" fazu - da se ohladi! Postoji kontradikcija sa prvim zakonom termodinamike. Ali zato je paradoks - nema logičnog objašnjenja, ali u praksi postoji. Iako je prva diskutabilna. Još uvijek postoje objašnjenja, a evo nekih od njih: Postoji još nekoliko zanimljivih pokušaja da se potkrijepi paradoks Mpemba, ali je nedvosmislen razlog još uvijek nepoznat. Možda će jednog dana naučnici provesti temeljnu studiju, čiji će rezultat pomoći da se konačno shvati ovaj efekat. Pažnja! Stranica administracije stranice nije odgovorna za sadržaj metodoloških razvoja, kao ni za usklađenost razvoja Federalnog državnog obrazovnog standarda. Voda nije samo jedan od najpotrebnijih, već i najnevjerovatniji fenomen na našoj planeti. Uloga vode u nastanku i održavanju života na Zemlji, u hemijskoj strukturi živih organizama, u formiranju klime i vremena je izuzetno važna. Voda je najvažnija supstanca za sva živa bića na Zemlji. Većina Zemljine površine je prekrivena vodom (okeani, mora, jezera, rijeke, led). Na Zemlji se otprilike 96,5% vode nalazi u okeanima, 1,7% svjetskih rezervi su podzemne vode, još 1,7% je u glečerima i ledenim kapama Antarktika i Grenlanda, mali dio je u rijekama, jezerima i močvarama, a 0,001 % u oblacima, koji nastaju od čestica leda i tekuće vode suspendovanih u vazduhu. Voda je u normalnim uslovima u tečnom stanju, ali na temperaturi od 0°C prelazi u čvrsto stanje - led i ključa (pretvara se u vodenu paru) na temperaturi od 100°C. Vrijednosti od 0 °C i 100 °C odabrane su da odgovaraju temperaturama topljenja leda i kipuće vode prilikom kreiranja Celzijusove temperaturne skale. Led se u prirodi javlja u obliku samog leda (kopno, plutajući, podzemni), kao i u obliku snijega, inja, mraza. Pod uticajem sopstvene težine, led dobija plastična svojstva i fluidnost. Prirodni led je obično mnogo čišći od vode, jer kada voda kristalizira, molekuli vode prvi ulaze u rešetku. Ukupne rezerve leda na Zemlji iznose oko 30 miliona km³. Glavne rezerve leda koncentrisane su u polarnim kapama (uglavnom na Antarktiku, gdje debljina sloja leda doseže 4 km). U okeanima je voda slana i to sprečava stvaranje leda, pa se led formira samo u polarnim i subpolarnim geografskim širinama, gdje su zime duge i veoma hladne. Neka plitka mora koja se nalaze u umjerenom pojasu se smrzavaju. Osim toga, postoje podaci o prisutnosti leda na planetama Sunčevog sistema (na primjer, na Marsu), njihovim satelitima, na patuljastim planetama i u jezgrima kometa. Proučavanje svojstava vode neophodno je za čovječanstvo. Istovremeno, proces kristalizacije vode može se proučavati kod kuće, kao i na nastavi u srednjoj školi. Relevantnost rada je upotreba u nastavi fizike, za upoznavanje učenika sa svojstvima vode tokom kristalizacije. Predmet istraživanja je kristalizacija vode. Predmet istraživanja je proučavanje svojstava vode tokom kristalizacije. Svrha rada je izvođenje eksperimenata na kristalizaciji vode i priprema prijedloga za njihovu implementaciju. Glavni zadatak je proučavanje svojstava vode tokom kristalizacije. Za rješavanje glavnog zadatka potrebno je: Teorijski značaj rada leži u sistematizaciji osnovnih svojstava vode i važnosti kristalizacije vode za floru i faunu Zemlje. Praktični značaj rada je proučavanje procesa kristalizacije vode u toku eksperimenata, kao i izrada predloga za izvođenje ogleda u učionici u srednjoj školi. Voda je jedna od najneverovatnijih supstanci na planeti Zemlji. Vodu možete sresti skoro svuda u prirodnim uslovima kako na površini planete tako iu njenim dubinama u tri moguća fizička stanja za supstance: tečno, čvrsto, gasovito (odnosno voda, led, vodena para). Naravno, postoje supstance koje se mogu dobiti u obliku tečnosti, čvrste supstance ili gasa. Međutim, ne postoji slična hemijska supstanca koja se prirodno pojavljuje u gornja tri fizička stanja. Svojstva vode: Svojstva snega: Ne volimo snijeg samo zato što nam pruža veličanstvene zimske pejzaže. Mnogo je racionalnih razloga za našu ljubav prema snijegu. "Snijeg u poljima - hljeb u kanti", "Zima bez snijega - ljeto bez kruha", s pravom kažu stare ruske poslovice. Snježni pokrivač je ogromna zaliha vlage, toliko neophodna za njive, a ujedno je i neka vrsta džinovskog pokrivača koji štiti površinu zemlje od hladnih vjetrova. Akademik B. I. Vernadsky je naglasio da snježni pokrivač "nije samo topla guma za zimske usjeve, već je guma koja daje život", u proljeće proizvodi otopljenu vodu zasićenu kisikom. Poznato je da je količina azotnih spojeva u tlu ljeti proporcionalna visini palog snježnog pokrivača. Nije ni čudo da se melioracija snijega danas smatra jednim od najvažnijih uslova za postizanje visokih i stabilnih prinosa. Zalihe snijega značajno utiču na vodostaj u rijekama, određuju klimatske promjene na velikim područjima. Osim toga, snijeg je dobar građevinski materijal za razne građevine na sjeveru - od iglua (eskimskih stanova) do velikih skladišta. Tu je najveći hotel na svijetu u potpunosti napravljen od leda i snijega, koji se nalazi u švedskoj Laponiji, 200 kilometara od Arktičkog kruga. Služi kao osnova za zimske puteve, pa čak i aerodrome. Zahvaljujući snijegu, svake godine se divimo fantastičnim zimskim pejzažima, igramo snježne grudve, gradimo snježne gradove, tvrđave, skijamo se, sanjkamo, a predivan novogodišnji praznik stiže nam u snježnoj opremi. Vrijednost leda je teško podcijeniti. Led ima veliki uticaj na uslove života i život biljaka i životinja, na različite vidove čovekove ekonomske aktivnosti. Prekrivajući vodu odozgo, led u prirodi igra ulogu svojevrsnog plutajućeg paravana koji štiti rijeke i akumulacije od daljnjeg smrzavanja i čuva život podvodnog svijeta. Ako bi se gustina vode povećala pri smrzavanju, led bi bio teži od vode i počeo bi tonuti, što bi dovelo do smrti svih živih bića u rijekama, jezerima i okeanima, koja bi se potpuno zamrznula, pretvarajući se u blokove leda, a Zemlja bi postala ledena pustinja, što bi neminovno dovelo do smrti svih živih bića. Led može izazvati niz prirodnih katastrofa sa štetnim i razornim posljedicama - zaleđivanje aviona, brodova, konstrukcija, puteva i tla, grad, mećave i snježni nanosi, zastoji rijeka sa poplavama, odroni leda i dr. Prirodni led se koristi za skladištenje i hladne prehrambene proizvode, biološke i medicinske preparate, za koje se posebno proizvodi i bere. Za provođenje eksperimenata s vodom potrebno je odabrati one koji najpotpunije karakteriziraju i potvrđuju svojstva vode. Izvršena analiza je pokazala da bi se to najbolje implementiralo pri izvođenju sljedećih eksperimenata: Za eksperimente su uzeti: U dva kalupa sipajte vodu - čistu i jako slanu. Izvadite kalupe na hladno ili stavite u zamrzivač. Primijetit ćete da se čista slatka voda pretvorila u led, a slana voda će se smrznuti na jakom mrazu. Smrzavanje vode se ne dešava u temperaturnim uslovima najveće gustine (na 4 stepena Celzijusa), već na nula stepeni Celzijusa. Ovo su svojstva slatke vode. Istovremeno, morski led se razlikuje od slatkovodnog na više načina. Za slanu vodu, tačka smrzavanja se smanjuje kako se salinitet povećava. U rasponu saliniteta od 30 do 35 ppm, tačka smrzavanja varira od -1,6 do -1,9 stepeni. Formiranje morskog leda može se posmatrati kao zamrzavanje slatke vode, sa premještanjem soli u ćelije morske vode unutar ledene mase. Kada temperatura dostigne tačku smrzavanja, formiraju se kristali leda koji "okružuju" nesmrznutu vodu. Napunite plastičnu čašu, plastičnu flašu i staklenu flašu vodom. Stavite ih na hladno. Smrznuvši se, voda povećava zapreminu, „ispuzi“ iz čaše, razbije staklenu flašu čak i kada je napola puna. Plastična boca ostaje nepromijenjena. Kada je zamrznuta, voda ima jedinstvena svojstva ekspanzije. Zahvaljujući ovim svojstvima, led pluta na vodi, koja je u obliku tečnosti. Zimi, zbog ovog svojstva vode, dolazi do havarija na vodovodnim cijevima. Kod jakih mrazeva glavni uzrok ovakvih nesreća je smrzavanje tekuće vode. Širi se, tako da nastali led lako lomi cijevi, jer je gustoća leda 917 kg / m3, a gustoća vode 1000 kg / m3, odnosno volumen se povećava za 1,1 puta, što je prilično značajno. Sipajte sok u plastičnu čašu (epruvetu) i stavite u šerpu sa slanim snegom. Sok će se smrznuti i vrlo brzo ćete uživati u sladoledu. Kada se sol pomiješa sa snijegom, kristalna struktura soli se razara, što se događa apsorpcijom topline. Stoga, kada se snijeg pomiješa sa solju, toplota se aktivno uklanja iz soka i sok se pretvara u led. Pripremite rastvor sapuna. Otopinu držite na hladnom u rukavici da se ne smrzne. Punite mjehuriće slamčicom za sok. Zbog temperaturne razlike između unutrašnjeg i vanjskog dijela mjehurića nastaje velika sila dizanja, koja momentalno podiže mjehuriće. Tanak film sapuna brzo se smrzava na hladnoći, pretvarajući mjehuriće u ledene kuglice. Tako se najtanji film mjehurića od sapunice zamrzne za nekoliko sekundi. Uzmi ledenicu. Provucite tanku žicu kroz nju, čiji su krajevi opterećeni utezima. Gledajte kako žica topi led, prodire dublje u ledenicu. Voda iznad ledenice ponovo se smrzava. Ovo potvrđuje svojstvo apsorpcije topline veće mase leda. Led raste odozdo, tik iznad žice, dok se otopljena voda koja teče smrzava kada dođe u kontakt sa hladnim zidovima ledenice. Sipajte granulirani šećer u činiju i počnite da ga drobite kašikom. Čućete karakterističnu škripu. Navlažite pijesak i ponovo utrljajte. Škripa je nestala. U mraznim danima zvuk putuje na velike udaljenosti. Snijeg škripi samo kada je hladno (ispod -5°C), a zvuk škripe se mijenja u zavisnosti od temperature zraka - što je mraz jači, to je škripe jači. Uz dovoljno iskustva, temperaturu zraka možete procijeniti po zvuku škripe snijega. Škripa nastaje zbog činjenice da se pod pritiskom uništavaju najmanji snježni kristali. Štaviše, svaki od njih pojedinačno je vrlo mali da bi zvuk bio dostupan ljudskom uhu, ali zajedno se lome prilično glasno. Sve veći mraz čini kristale leda tvrđima i lomljivijima. Sa svakim korakom, ledene igle se lome. Kada je temperatura vazduha ispod -50°C, škripanje snega postaje toliko snažno da se može čuti kroz trostruka stakla (ovo je takođe olakšano velikom gustinom smrznutog vazduha). Tiganj sa snijegom posolite u omjeru oko 1 prema 6. Smjesu dobro promiješajte. Ako sada želite da preuredite tavu, onda ćete je morati podići zajedno sa stolicom. Takođe potvrđuje apsorpciju toplote iz okoline. Prilikom miješanja soli sa snijegom nastaje otopina praćena snažnim hlađenjem zbog velike apsorpcije topline ledom prilikom njegovog topljenja i soli tokom njegovog rastvaranja. Tako, na primjer, temperatura mješavine od 29 grama soli i 100 grama leda pada na -21°C. A ako se uzme 143 grama soli i 100 grama leda, temperatura se može spustiti na -55°C. Eksperimente na proučavanju svojstava vode treba izvoditi u učionici u srednjim i osnovnim školama. Za učenike srednjih škola moguće je eksperimente br. 3, 6 i 7 izvoditi u nastavi pod vodstvom nastavnika, a eksperimente br. 4 i 5 - fakultativno ili samostalno kod kuće. Stoga je proučavanje svojstava vode neophodno za čovječanstvo. Proces kristalizacije vode može se izučavati kod kuće, kao iu učionici u srednjim i osnovnim školama. U radu su riješeni sljedeći zadaci: Potvrđen je značaj rada na sistematizaciji osnovnih svojstava vode i značaj kristalizacije vode za floru i faunu Zemlje.Kristalizacija i metode za dobijanje kristala iz tečnosti
Topljenje amorfnih materija.
Toplota topljenja.
Toplota sagorevanja.
Definicija procesa
Politermalni proces
Izotermna metoda i soljenje
Taloženje supstanci reagensima
Zamrzavanje
Specifična toplota kristalizacije
Primjeri
Metali
O pesku
Voda
Mpemba paradox
Svrha rada: izvođenje eksperimenata na kristalizaciji vode i priprema prijedloga za njihovu provedbu. Uvod
Uvod
1. Priprema za studiju
1.1 Analiza osnovnih svojstava vode
1.2. Značaj kristalizacije vode za floru i faunu
1.3 Izbor i opravdanost eksperimenata za istraživanje
2. Provođenje istraživanja
2.1 Priprema materijalnog dijela
2.2 Provođenje eksperimenata sa opisom glavnih rezultata
1. Zamrzavanje slane vode.
2. Ekspanzija vode pri smrzavanju.
3. Smrzavanje tečnosti pod spoljnim uticajem snega.
4. Zamrzavanje mjehurića od sapunice.
5. Fuzija ledenice.
6. Škripa suvog snijega.
7. Smrzavanje na površinu.
2.3 Prijedlozi eksperimenta
Zaključak