Кристаллизация металлов

При переходе из жидкого состояния в твердое образуется кристаллическая решетка, возникают кристаллы. Такой процесс называется кристаллизацией.

Кристаллизация обусловлена стремлением системы при определенных условиях перейти к энергетически более устойчивому состоянию с меньшей свободной энергией F (рис.1.7). (рис.1.3 из ТКМ Комарова.)

Рис. 1.7 Изменение свободной энергии F металла в жидком (Fж) и твердом (Fт) состоянии в зависимости от температуры Т:

T s – теоретическая температура плавления.

Из рис.1.7 видно, что при Т > T s меньшей свободной энергией обладает вещество в жидком состоянии, а при Т < T s - в твердом.

В реальных телах как процесс кристаллизации, так и процесс плавления не может начаться при Т = T s , т.к. оба состояния (жидкое и твердое) обладают одинаковым запасом свободной энергии. Поэтому реальных телах процесс кристаллизации начнется при Т=Т кр < T s .

Разность ∆Т= T s - Т кр - называется степенью переохлаждения системы ∆Т.

При нагреве переход из твердого в жидкое состояние также начинается при определенной степени перегрева системы ∆Т.

Выделяютдва вида кристаллизации:

1) первичная - переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры;

2) вторичная - образование новых кристаллов в твердом кристаллическом веществе.

Рис.1.8. Модель процесса кристаллизации (1с – 1 секунда, 2с – 2 секунды и т.д.)

На рис.1.8 приведена модель процесса кристаллизации.

Предположим, что на площади, изображенной на рис.1.9. за секунду возникает пять зародышей, которые растут с определенной скоростью. К концу первой секунды образовалось пять зародышей, к концу второй секунды они выросли и одновременно с этим возникло еще пять новых зародышей будущих кристаллов. Так, в результате возникновения зародышей и их роста происходит процесс кристаллизации, который, как видно в данном примере, заканчивается на седьмой секунде.

Кристаллизацию исследуют с помощью термического анализа , суть которого заключается в регистрации температуры системы через равные промежутки времени. Для этого в тигель 1 (рис. 1.9,а), с расплавленным металлом, погружают термоэлектрический термометр (термопару) 2, подключенный к регистрирующему потенциометру 3.

Рис.1.9 Кристаллизация металлов:

а – схема установки для регистрации процесса; б – кривая охлаждения и схема процесса кристаллизации (L – жидкое состояние, α – твердое состояние). 1- тигель, 2- термопара, 3 – регистрирующие потенциометр.

На основании полученных данных в координатах температура – время строят кривую охлаждения (рис. 1.9, б), которая отражает последовательность протекания процесса кристаллизации.

Верхний участок кривой охлаждения показывает понижение температуры жидкого металла. При температуре Т s , соответствующей горизонтальному участку , происходит процесс затвердевания жидкого металла. Выделение скрытой теплоты кристаллизации способствует сохранению постоянной температуры в течении всего времени, необходимого для завершения затвердевания (поэтому участок кривой охлаждения горизонтальный ). Нижний участок кривой соответствует охлаждению уже твердого металла.

На рис. 1.10 приведены кривые охлаждения металла при кристаллизации с различной скоростью охлаждения. Тонкой горизонтальной линией показано значение теоретической температуры кристаллизации Т s .

Рис.1.10 Влияние скорости охлаждения на процессы кристаллизации:

а – кривые охлаждения чистого металла; б – влияние степени переохлаждения ∆Т на скорость зарождения (СЗ) и скорость роста (СР)

Из рас. 1.10 видно, что по мере увеличения скорости охлаждения (V 1

Более 100 лет назад основоположник науки о металлах Д.К. Чернов, установил, что кристаллизация состоит из двух процессов:

1) зарождение мельчайших частиц твердого вещества – зародышей или центров кристаллизации ;

2) роста кристаллов из этих центров.

Рост кристалла заключается в том, что к поверхности зародышей присоединяются все новые и новые атомы металла. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, затем при столкновении растущих кристаллов их форма нарушается, и в дальнейшем рост продолжается только там, где есть свободный доступ к расплаву. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы и называются зернами. Размер зерна зависит от СЗ и СР.

Из рис. 1.9 видно, что с увеличением степени переохлаждения ∆Т (скорости охлаждения) количество зародышей, образующихся в единицу времени, возрастает (кривая СЗ на рис. 1.10, б), а кроме того, скорость роста кристаллов также увеличивается (кривая СР на рис. 1.10, б).

Процесс преобразования, а точнее, перехода вещества из субстанции жидкости в состояние твердого тела называется кристаллизация . Наиболее ярким примером подобной химической реакции является лед. Результат процесса называется кристаллом.

Чтобы запустить процесс, в растворе, над которым производится опыт, необходимо создать состояние перенасыщенности. Фазовый переход жидкости протекает следующим образом:

1. Меняется уровень температуры жидкости.
2. Удаляется часть растворителя.
3. Происходит комбинирование двух предыдущих действий.
4. Из получившихся расплавов происходит процесс кристаллизации.

Кристаллизация и методы получения кристаллов из жидкости

Существует два метода кристаллизации: изотермический и политермический.

При первом способе раствор подвергается интенсивному охлаждению, при этом начинают выделяться кристаллы, а количество жидкости растворителя остается прежним.

При изотермической кристаллизации, появление кристаллов происходит путем выпаривания. Процесс получил названия, поскольку вся реакция происходит при постоянной температуре, являющейся точкой кипения раствора. На практике, оба способа используются совместно. В этом случае, часть растворителя испаряется путем кипячения, при этом в это же время происходит охлаждение жидкости.

Есть еще один вариант кристаллизации, при котором в раствор добавляют вещества, обладающие хорошей способностью впитывать воду и уменьшающие восприимчивость содержащейся в жидкости соли к растворению. Вариант такого развития событий называется высаливанием. В этом случае используются препараты, способные «связать воду» (таким способом производится кристаллизация сульфата натрия, в процессе которой добавляется аммиак либо спирт), либо у них имеется одинаковый с используемой солью ион. Примером может служить химическая реакция, направленная на кристаллизацию медного купороса либо хлористого натрия.

Чтобы вырастить кристалл , начинают с мелкой частицы, называемой «зародышем». Иначе говоря, это своеобразный центр, вокруг которого, в процессе химической реакции начинает образовываться кристалл. В этом случае, процесс, при котором протекает образование зародышей, и сам процесс кристаллизации происходит в одно и то же время. В случае если это не так, например, зародыши образуются быстрее, появляется много слишком мелких кристалликов, а вот в обратном случае их получается мало, но большего размера.

Благодаря этому свойству, можно контролировать величину и скорость, с которой происходит кристаллизация. Осуществляется это с помощью следующих факторов:

1. Раствор, должен быстро охлаждаться.
2. Жидкости нельзя находиться в состоянии покоя.
3. Нужна повышенная температура.
4. Молекулярная масса кристаллов должна быть низкой.

Все вышеперечисленные нюансы способствуют появлению в результате продукции небольшого калибра, чтобы получить кристаллы большего размера требуется:

1. Медленное охлаждение.
2. Жидкость в состоянии покоя.
3. Значительно пониженная температура.
4. Высокая молекулярная масса.

Чтобы облегчить сам момент, когда начинают формироваться зародыши, в раствор вносят элементы кристаллического вещества, в виде мелкоизмельченного порошка. При этом сам процесс кристаллизации происходит за счет последующего ввода частиц того же элемента. Количество вводимого вещества, зависит от величины желаемого кристалла, например, для более крупного, используется небольшое количество затравочного материала.

Размеры кристаллов имеют значение при их дальнейшей обработке, например, большие кристаллы способны отдавать большое количество влаги в процессе мытья и фильтрации. Они быстрее сохнут, отстаиваются, легче отфильтровываются.

Поскольку основное назначение кристаллизации – получение конечного вещества, идеально чистого и без примесей, то обычно, полученные кристаллы подвергают процессы перекристаллизации, с удалением излишних примесей и повторной промывкой и сушкой.

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением . Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристал лизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристалли зации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K ). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Из графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была -40 °С, или, как принято говорить, температура в начальный момент времени t нач = -40 °С (точка А на графике). При дальнейшем нагревании температура льда растет (на графике это участок АВ ). Увеличение температуры происходит до 0 °С — температуры плавления льда. При 0°С лед начинает плавиться, а его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока весь лед не расплавится) температура льда не меняется, хотя горелка продолжает го-реть и тепло, следовательно, подводится. Процессу плавления соответствует горизонтальный учас-ток графика ВС. Только после того как весь лед расплавится и превратится в воду , температура снова начинает подниматься (участок CD ). После того, как температура воды достигнет +40 °С, горелку гасят и воду начинают охлаждать, т. е. тепло отводят (для этого можно сосуд с водой по-местить в другой, больший сосуд со льдом). Температура воды начинает снижаться (участок DE ). При достижении температуры 0 °С температура воды перестает снижаться, несмотря на то, что тепло по-прежнему отводится. Это идет процесс кристаллизации воды — образования льда (гори-зонтальный участок EF ). Пока вся вода не превратится в лед, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок FK ).

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия моле-кул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD ) означает увеличение кинетической энер-гии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок DE ) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF ) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвер-девании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, пре-вращаясь в жидкость (участок ВС ). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром , молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С . Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Неда-ром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Плавление аморфных веществ.

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача-ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы-шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Теплота плавления.

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты , которое выделяется при кристалли-зации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер-гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж .

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m , следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Теплота сгорания.

Теплота сгорания (или теплотворная способность , калорийность ) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч-ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод . При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода , содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа . Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина , показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q , выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Что такое кристаллизация, изучают еще в школе. Но, как правило, рассматривают понятие лишь в отношении одной науки - химии. И наибольшее отношение данный процесс действительно имеет к ней, хотя это не повод не уделять внимание его рассмотрению в других отраслях. И сейчас стоит это исправить. Но обо всем по порядку.

Определение процесса

Итак, что такое кристаллизация? Это процесс, в ходе которого из газов, расплавов, стекол и растворов образуются кристаллы. Все знают, что они собой представляют. Если выражаться научным языком, то кристаллы - это твердые тела с закономерным расположением атомов (наименьших частиц химического элемента, носящих его свойства). Они имеют естественную форму правильных симметричных многогранников, которая обусловлена их внутренней структурой.

На вопрос о том, что такое кристаллизация, можно ответить и по-другому. Так еще называется образование этих твердых тел из кристаллов с другой структурой. Имеются в виду полиморфные превращения. Они объясняются тем, что одни и те же атомы способны образовывать разные кристаллические решетки.

Кроме того, кристаллизацией называют процесс перехода какого-либо вещества из жидкого состояния в твердый кристаллический.

Политермический процесс

Рассказывая о том, что такое кристаллизация, следует отметить, что способов, которыми она образуется, существует несколько. Отличаются они приемами, используемыми для достижения пресыщения раствора.

Первым делом стоит рассказать про политермическую кристаллизацию, также именуемую изогидрической. Она может происходить лишь при неизменном содержании воды в системе.

Принцип не так сложен, каким может казаться. Пересыщенный раствор образуется благодаря охлаждению системы. Протекает процесс только при переменной температуре.

Политермический процесс, ведомый посредством охлаждения насыщенных растворов, может быть применим лишь для некоторых веществ. Для тех, растворимость которых при увеличении температуры также улучшается.

Стоит отметить, что иногда применяют также метод политермической выпарки. В ходе данного процесса вещество нагревается и испаряется. После этого происходит многократный тепловой и массовый обмен между паровой фазой и жидкой.

Еще политермический метод применяется, когда в веществе присутствует несколько солей с разными способностями к растворимости. Яркий пример - выделение хлористого калия из сильвинита.

Изотермический способ и высаливание

Об этом тоже следует рассказать. Изотермический процесс кристаллизации характеризуется испарением воды из растворов при постоянной, не меняющейся температуре. Этот метод применим для веществ с содержанием солей, растворимость которых практически не зависит от нагревания.

Испарения удается добиться за счет доведения жидкости до интенсивного кипения и поддержания ее в таком состоянии. Это «традиционный» метод. Еще может использоваться медленное поверхностное испарение.

В некоторых случаях в жидкости вводят вещества, которые понижают их способность к растворению. Это называется высаливанием. Такими «помощниками» являются вещества, в которых содержится одинаковый с данной солью ион. Яркий пример: процесс кристаллизации хлорида натрия из раствора с высокой концентрацией, в который добавляют хлорид магния.

Следует оговориться, что механизм высаливания не всегда одинаков. Если в целях проведения данного процесса смешать два электролита, добавочный из которых будет с одноименным ионом, то в итоге получится добиться такой концентрации, что произведение растворимости вещества станет значительно выше. Что это значит? Говоря простыми словами - появится избыток вещества, и он выделится в твердую фазу.

Бывает и по-другому. Чтобы добиться высаливания, приходится и вовсе менять структуру раствора - способствовать образованию гидратных оболочек вокруг частиц вещества, которое необходимо кристаллизовать. Как это достигается? Посредством разрушения оболочек у уже растворенного вещества.

Важно усвоить: соли, которые образуют кристаллогидраты, высаливаются интенсивнее, чем те, которые образуются в безводной форме. Но некоторые «добавки» лишь усиливают растворимость. Это приводит к всаливанию.

Осаждение веществ реагентами

Это самый распространенный метод кристаллизации в химии. Он является наиболее быстрым и простым.

Если в процессе образуется продукт реакции, практически не растворяющийся в воде, то он тут же выпадает в осадок из раствора. Что в противном случае? Если продукту реакции свойственна растворимость, то начало кристаллизации приходится на тот момент, когда жидкость достигает необходимого уровня пресыщения. И продолжается процесс до тех пор, пока в нее поступает осадитель (реагент).

Яркий пример - получение карбоната кальция. Он нерастворим. Так что приходится использовать конверсию нитрата кальция в нитрат алюминия. Взглянув на формулу, можно понять, как примерно происходит данный процесс: Са (NO 3) 2 + (NH 4) 2 CO3 = CaCO 3 + 2NH 4 NO 3 .

Чтобы получить катализаторы, прибегают к осаждению металлов в виде нерастворимых веществ. К ним относятся оксалаты, гидроксиды, карбонаты и прочие соли. Их осаждают, потому что впоследствии они разлагаются до оксидов.

Вымораживание

Еще один процесс, который необходимо отметить вниманием, рассказывая о том, что такое кристаллизация. Вымораживанием называется выделение в твердом виде одного из компонентов газовой или жидкой смеси, которое достигается посредством охлаждения смеси. Причем достигается температура ниже той, при которой обычно начинается кристаллизация.

Основа данного процесса - низкая взаимная растворимость компонентов, которые нужно разделить. Пример: когда водные растворы вымораживают, то растворенные вещества в состав формирующихся в итоге кристаллов не входят.

Задействуется данный метод в особых случаях. Вымораживание эффективно, когда нужно разделить смеси, очистить вещества или концентрировать раствор.

Метод активно применяется в химической, микробиологической, фармакологической и пищевой промышленности. Но и в быту встречается масса примеров данного процесса. Речь идет про концентрирование вымораживанием с выделением льда. Оно направлено на сохранение аромата, цвета, а также лекарственных и вкусовых качеств термолабильных продуктов. К таковым относятся: травяные экстракты, соки, пиво, вино, ферментные растворы. А еще препараты, являющиеся биологически и лекарственно активными.

Нередко кристаллизация вещества посредством вымораживания сопровождается, впоследствии, сублимационной сушкой. Этот метод задействуется при производстве порошкообразных, предназначенных для растворения продуктов. Примеров полно - соки, чаи, кофе, супы, молоко, сливки, пюре, кисель, мороженое… всем знакомы эти порошки в пакетиках или банках, разведя которые в воде, удается получить готовый к употреблению продукт.

Кстати, еще вымораживание применяют для очистки сточных вод и обессоливания морских - чтобы получить чистую, без примесей. Даже воздух, иногда, разделяют. Криогенным способом, разумеется. Посредством вымораживания из него удается удалить пары диоксида углерода и воды.

Удельная теплота кристаллизации

Вкратце стоит отметить вниманием и это понятие. Оно также известно, как «удельная теплота плавления» и «энтальпия». Названия разные, а определение одно. Это - количество теплоты, которое нужно сообщить одной единице массы кристаллического вещества, чтобы оно из твердого состояния перешло в жидкое.

Обозначается греческой буквой λ. В химии формула температуры кристаллизации выглядит следующим образом: Q: m = λ. Здесь под Q понимается количество теплоты, которое получено веществом в процессе его плавления. А буквой m обозначается его масса.

Стоит отметить, что удельная теплота кристаллизации (плавления) всегда положительна. Исключением является только гелий под высоким давлением. Интересно, что этот простейший одноатомный газ имеет самую низкую температуру кипения среди всех известных на сегодняшний день веществ. Данный процесс с гелием начинает происходить при -268,93 °C.

Что касательно температуры плавления? Вот несколько примеров, указанных в кДж по отношению к одному килограмму вещества: лед - 330, ртуть -12, нафталин - 151, белый и серый свинец - 14 и 100.

Примеры

Кристаллизация - это в химии очень тщательно изучаемый процесс, который особенно интересен на практике.

В качестве примера можно рассмотреть процесс образования сахара. Суть процесса заключается в выделении сахарозы, содержащейся в сиропе. Последний, в свою очередь, содержит также другие вещества, которые не были удалены в процессе очистки сока, и вновь образовались по ходу сгущения.

Когда поднимается температура, кристаллизация начинается, и в ее процессе образуется межкристальный раствор, который называется утфель. Все лишние вещества будут скапливаться в нем. На самом деле, они серьезно затрудняют весь процесс, поскольку наличие различного рода примесей увеличивает вязкость раствора.

Еще один яркий пример кристаллизации в химии связан с образованием соли. Для того чтобы его увидеть воочию, даже не нужно проводить экспериментов - данный процесс существует в природе. В холодное время года прибой выбрасывает на берег тонны соли. Она не пропадает. Ее сгребают в огромные кучи, а потом, когда наступает жара и сухость, из нее испаряется кристаллизационная вода. Остается лишь мелкий порошок - соль, потребляемая промышленностью.

Пример с солью - самый простой. Даже в некоторых школах детям дают на дом задание в рамках урока химии: растворить в совсем небольшом количестве воды 1-2 ложки соли и оставить емкость где-нибудь. Для более интенсивной кристаллизации температуру можно увеличить - пододвинуть раствор к батарее, например. Через пару дней вода испарится. А вот солевые кристаллы останутся.

Металлы

Они тоже кристаллизуются. Более того, все твердые металлы, которые мы видим и можем потрогать, являются результатом данного процесса. Превращения, происходящие параллельно, имеют огромное значение, поскольку они в значительной степени определяют свойства металлов.

Кристаллизация, как процесс, весьма интересна в данном случае. Пока вещество находится в жидком состоянии - атомы в нем непрерывно движутся. Естественно, все это время поддерживается соответствующая высокая температура. По мере ее понижения атомы сближаются, вследствие чего происходит их группирование в кристаллы. Так образуются «центры». То есть, первичные группы кристаллов. К ним, по мере замедления движения остальных атомов, присоединяются уже вторичные.

Поначалу кристаллы нарастают беспрепятственно. А те, которые уже образовались, не теряют правильности строения. Но потом кристаллы сталкиваются при дальнейшем движении. Вследствие их контакта форма портится. Однако внутри каждого кристалла строение по-прежнему остается правильным. Эти группы, кстати, именуются зернами. И образуются они не всегда. Все зависит от условий кристаллизации, при какой температуре она происходила (стабильной или нет), а также от природы самого металла.

О зернистости

Выше было многое сказано про удельную кристаллизацию, а также о различных методах, посредством которых осуществляется данный процесс. В продолжение темы металлов хотелось бы рассказать о пресловутой зернистости, причины возникновения которой описаны в предыдущем абзаце.

На самом деле, ее появление - признак плохой кристаллизации. Крупнозернистый металл является непрочным, практически не способен сопротивляться действительно высокому удару. В процессе ковке в нем появляются трещины. Также они образуются в зоне термического влияния. Чтобы уменьшить вероятность их образования, на производствах используют различные меры - модифицируют металл титановыми швами, например. Они способны предупредить рост зерна.

Для крупнозернистых металлов даже выдвигаются другие требования по предъявлению образцов. Их толщина должна быть как минимум 1,5 см. Только в таком случае удастся сравнить результаты механических и микромеханических испытаний.

Так что на производствах стремятся к получению металлов мелкозернистой структуры. Для этого создают особые условия - те, при которых возможна малая скорость роста кристаллов и максимальное число пресловутых центров, вокруг которых потом формируются их группы.

То, насколько крупными получатся зерна, зависит от количества частичек нерастворимых примесей. Обычно это сульфиды, нитриды и оксиды - они играют роль готовых центров кристаллизации.

Мелкозернистой структуры можно добиться посредством модифицирования - добавления в металлы посторонних веществ. Они делятся на два вида:

• Вещества, которые не растворяются в жидком металле. Играют роль дополнительных центров кристаллизации.
• Поверхностно-активные компоненты. В металлах растворяются. Впоследствии они оседают на поверхности растущих кристаллов и препятствуют их росту.

А качество полученного металла изучается посредством различных методов. Проводят термический, дилатометрический, магнитный анализ, структурные и физические исследования. Причем одним только способом выяснить информацию обо всех свойствах металла невозможно.

Вода

Уже было рассказано и об образовании солей, и о количестве теплоты при кристаллизации, и о том, как данный процесс протекает в случае с металлами. Что ж, можно напоследок поговорить и про воду - самое удивительное явление на планете.

В природе существует лишь три агрегатных состояния - газообразное, твердое и жидкое. Вода способна пребывать в любом из них, переходя из одного в другое в естественных условиях.

Когда она жидкая, ее молекулы слабо связаны между собой. Они пребывают в постоянном движении, предпринимая попытки по группированию в единую структуру, но этого не получается из-за тепла. И, когда на воду воздействуют низкие температуры, молекулы становятся прочнее. Им перестает мешать тепло, поэтому они приобретают кристаллическую структуру шестигранной формы. Наверняка каждый хоть раз в жизни видел яркий ее пример. Снежинка - самый настоящий шестигранник.

Что касательно «теплоты» кристаллизации? Вода, как всем известно с детства, начинает застывать при 0°C. Если по Фаренгейту, то данный показатель составит 32 градуса.

Но с этих отметок процесс лишь начинается. Вода не всегда кристаллизуется при указанных температурах. Чистую жидкость можно даже охладить до -40°C, и она все равно не заледенеет. Почему? Потому что в чистой воде отсутствуют примеси, являющиеся основанием для возникновения кристаллической структуры. Это, обычно, растворенные соли, частички пыли и т. д.

Еще одна особенность воды: она, замерзая, расширяется. В то время, как другие вещества при кристаллизации сжимаются. Почему так? Потому что при переходе воды из жидкого состояния в твердое, между ее молекулами увеличивается расстояние.

Парадокс Мпембы

Его нельзя не отметить вниманием, рассказывая о кристаллизации воды. Такое явление, как парадокс Мпембы, интересно как минимум своей формулировкой. Звучит фраза так: «Горячая вода замерзает быстрее холодной». Интригует и озадачивает. Как такое возможно? Ведь вода перед переходом в стадию кристаллизации должна пройти «холодный» этап - остыть!

Противоречие первому началу термодинамики налицо. Но на то он и парадокс - логического объяснения нет, но на практике существует. Хотя с первым можно поспорить. Объяснения все-таки есть, и вот некоторые из них:

• Горячая вода начинает процесс испарения. Однако в холодном воздухе она превращается в лед и падает, образуя ледяную корку.
• Когда горячая вода испаряется из сосуда, ее объем уменьшается. Чем меньше жидкости - тем быстрее она кристаллизуется. Рюмка кипятка быстрее кристаллизуется, чем бутылка воды комнатной температуре.
• Снеговая подкладка в морозилке. Сосуд с кипятком ее плавит, устанавливая тепловой контакт со стенкой камеры. А вот под контейнером с холодной водой снег не тает.
• Кипяток охлаждается снизу. А холодная вода - сверху, что ухудшает конвекцию и теплоизлучение. На убыли тепла это тоже отражается.
• Расстояние между молекулами в горячей воде больше, чем в холодной. Это отражается на растягивании водородных связей. Следовательно, они запасают большую энергию. Она, в свою очередь, высвобождается в процессе охлаждения жидкости, и молекулы идут на сближение. Считается, что это меняет свойства кипятка, и потому замерзает он быстрее.

Есть еще несколько интересных попыток обосновать парадокс Мпембы, но однозначная причина по-прежнему неизвестна. Возможно, однажды ученые проведут основательное исследование, результат которого поможет окончательно разобраться в данном эффекте.

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

• Участник:Ковалёв Павел Алексеевич
• Руководитель:Шик Галина Яковлевна

Цель работы: провести опыты по кристаллизации воды и подготовить предложения по их проведению.

Вступление

Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете. Исключительно важна роль воды в возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Вода является важнейшим веществом для всех живых существ на Земле.

Введение

Большая часть поверхности Земли покрыта водой (океаны, моря, озёра, реки, льды). На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % – ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть находится в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках, которые образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды.

Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, однако при температуре в 0 °C она переходит в твердое состояние – лед и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C.

Значения 0 °C и 100 °C были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию».

Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея, изморози. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды.

Общие запасы льда на Земле около 30 млн. км³. Основные запасы льда сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).

В мировом океане вода солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе.

Кроме того, имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы (например, на Марсе), их спутниках, на карликовых планетах и в ядрах комет.

Исследование свойств воды необходимо для человечества.

При этом процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней школе.

Актуальность работы использование на уроках физики, для знакомства учащихся со свойствами воды при кристаллизации.

Объектом исследования является кристаллизация воды.

Предмет исследования – изучения свойств воды при кристаллизации.

Цель работы провести опыты по кристаллизации воды и подготовить предложения по их проведению.

Главной задачей является изучение свойств воды при кристаллизации.

Для решения главной задачи необходимо:

Теоретическая значимость работы заключается в систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.

Практическая значимость работы – изучение процесса кристаллизации воды во время проведение опытов, а также подготовка предложений по проведению опытов на уроках в средней школе.

1. Подготовка к исследованию

1.1 Анализ основных свойств воды

Вода является одним из самых удивительных веществ на планете Земля. Встретить воду можно практически везде в естественных условиях как на поверхности планеты, так и в ее недрах в трех возможных физических состояниях для веществ: жидкое, твердое, газообразное (то есть вода, лед, водяной пар).

Конечно, существуют вещества, которые можно получить в виде жидкости, твердого тела или газа. Однако, не существует подобного химического вещества, которое именно в естественных условиях встречается в указанных выше трех физических состояниях.

Свойства воды:

1. Вода является веществом, которое не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса.
2. Вода является единственным на планете Земля известным науке веществом, встречающимся в природных условиях в трех физических состояниях: твердое тело, жидкость, газ.
3. Вода является универсальным растворителем, имея возможность растворять большее количество солей, а также других веществ, чем какие-либо другие вещества.
4. Вода с большим трудом поддается окислению. Вода - достаточно химически устойчива, то есть разложить ее на составные части или сжечь достаточно проблематично.
5. Окислению водой поддаются практически все естественные металлы, так же под ее воздействием разрушаются особо твердые горные породы.
6. Вода, как физическое вещество, характеризуется большим сродством сама с собой. Такое сродство у воды является самым большим среди всех жидкостей. Вследствие этого вода на поверхности размещается в виде капель сферической формы, поскольку сфера обладает наименьшей при заданном объеме поверхностью.
7. Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды. Однако, замерзание морской воды происходит при более низких температурах: минус 1,9 градусов Цельсия, при солености 35%.
8. Вода обладает очень высокой теплоемкостью, относительно мало нагреваясь при этом. Также вода обладает достаточно высокой скрытой теплотой плавления (порядка 80 кал/г), а также испарения (порядка 540 кал/г). Вода способна поглощать значительные объемы дополнительного тепла. Температура же в процессе замерзания или при кипении остается неизменной.
9. Дистиллированная вода практически не проводит электрический ток, однако наличие в воде даже небольшого количества солей значительно увеличивает ее токопроводящие свойства.

Свойства снега:

1. При смешивании соли со снегом наблюдается два процесса: разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла, и гидрация ионов. Последний процесс происходит с выделением тепла в окружающую среду. Для поваренной соли и хлористого кальция первый процесс превалирует над вторым. Поэтому при смешивании снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды. Ещё одна особенность соляных растворов состоит в том, что их точка замерзания ниже 0 градусов. Чтобы снег на тротуарах таял при температуре ниже 0 градусов, его посыпают этими солями.
2. Снег обладает удивительным свойством – памятью. Он сохраняет следы. По следам можно, например, изучать физику. Чем крупнее животное, тем глубже от него след, следовательно, тем большее давление оно оказывает на снег. Следы собаки более глубокие, чем следы её щенков. Мыши, ласки оставляет неглубокие чёрточки. Природа снабдила копытных животных способностью раздвигать копыта и увеличивать площадь опоры. Это помогает им зимой при передвижение по заснеженному лесу и полям не так глубоко погружаться в снег.

1.2 Значение кристаллизации воды для флоры и фауны

Мы любим снег не только за то, что он дарит нам великолепные зимние пейзажи. У нашей любви к снегу немало рациональных причин. «Снег на полях - хлеб в закромах», «Зима без снега – лето без хлеба», – справедливо утверждают старинные русские пословицы. Снежный покров - это огромный запас влаги, столь необходимый полям, в то же время это своеобразное гигантское одеяло, защищающее поверхность земли от холодных ветров. Академик Б. И. Вернадский подчеркивал, что снежный покров - «не просто теплая покрышка озимых, это живительная покрышка», весной он дает талые воды, насыщенные кислородом. Известно, что количество азотистых соединений летом в почве пропорционально высоте сошедшего снежного покрова. Недаром снежная мелиорация рассматривается сегодня как одно из важнейших условий получения высоких и устойчивых урожаев.

Запасы снега существенно влияют на уровень воды в реках, определяют изменения климата на больших территориях.

Кроме того, снег является хорошим строительным материалом для различных построек на севере - от иглу (жилищ эскимосов) до больших складских помещений. Существует самая большая в мире гостиница, полностью сделанная изо льда и снега, находится она в шведской Лапландии в 200 километрах от Северного полярного круга.

Он служит основой зимних дорог и даже аэродромов.

Благодаря снегу мы каждый год любуемся сказочными зимними пейзажами, играем в снежки, строим снежные городки, крепости, катаемся на лыжах, санках, в снежном уборе приходит к нам прекрасный новогодний праздник.

Значение льда трудно недооценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Лёд может вызывать ряд стихийных бедствий с вредными и разрушительными последствиями – обледенение летательных аппаратов, судов, сооружений, дорожного полотна и почвы, град, метели и снежные заносы, речные заторы с наводнениями, ледяные обвалы и др. Природный лёд используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается.

1.3 Выбор и обоснование опытов для проведения исследования

Для проведения опытов с водой необходимо выбрать те, которые наиболее полно характеризуют и подтверждают свойства воды.

Проведенный анализ показал, что лучше всего это будет реализовано при выполнении следующих опытов:

1. Замерзание соленой воды.
2. Расширение воды при замерзании.
3. Замерзание жидкости при внешнем воздействии снега.
4. Замерзание мыльных пузырей.
5. Срастание сосульки.
6. Скрип сухого снега.
7. Примерзание к поверхности.

2. Проведение исследования

2.1 Подготовка материальной части

Для проведения опытов были взяты:

• предметы – кастрюля, стеклянная бутылка, пластиковая бутылка, одноразовые стаканы, тонкая медная проволока, трубочка;
• вещества – снег, сосулька, соль, вода, мыльный раствор, сок.

2.2 Проведение опытов с описанием основных результатов

1. Замерзание соленой воды.

Налейте в две формочки воду – чистую и очень солёную. Вынесите формочки на мороз или поставьте в морозильную камеру. Вы заметите, что чистая пресная вода превратилась в лёд, а солёная замёрзнет при очень сильном морозе.

Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды.

При этом, морской лед отличается от пресноводного в ряде отношений. У соленой воды температура замерзания понижается по мере увеличения солености. В диапазоне солености от 30 до 35 промилле точка замерзания меняется от -1.6 до -1.9 град. Образование морского льда можно рассматривать как замерзание пресной воды с вытеснением солей в ячейки морской воды внутри толщи льда. Когда температура достигает точки замерзания, образуются ледяные кристаллы, которые «окружают» не замерзшую воду.

2. Расширение воды при замерзании.

Наполните водой пластиковый стакан, пластиковую бутылку и стеклянную бутылку. Выставьте их на мороз. Замерзая, вода увеличивается в объёме, «вылезает» из стакана, стеклянную бутылку разрывает даже в том случае, когда она заполнена наполовину. Пластиковая бутылка остаётся без видимых изменений.

При замерзании вода обладает уникальными свойствами расширения. Благодаря таким свойствам лед на воде, которая находится в виде жидкости, плавает.

Зимой из-за этого свойства воды происходят аварии на водопроводах. В сильные морозы основная причина таких аварий – замерзание текучей воды. Происходит ее расширение, так что образующийся лед легко разрывает трубы, так как плотность льда – 917 кг/м3, а плотность воды – 1000 кг/м3, то есть объем увеличивается в 1,1 раза, что довольно существенно.

3. Замерзание жидкости при внешнем воздействии снега.

Налейте в пластиковый стакан (пробирку) сок и поставьте его в кастрюлю с солёным снегом. Сок замёрзнет, и очень скоро вы будете лакомиться фруктовым льдом.

При смешивании соли со снегом наблюдается разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла. Поэтому при смешивании снега с солью происходит активный отбор тепла из сока и сок превращается в лед.

4. Замерзание мыльных пузырей.

Приготовьте мыльный раствор. Раствор на морозе держите в рукавице, чтобы он не замёрз. Выдувайте пузыри трубочкой для сока. Из-за разности температур изнутри пузыря и снаружи возникает большая подъёмная сила, мгновенно уносящая пузыри вверх. Тонкая мыльная плёнка на морозе быстро замерзает, превращая пузыри в ледяные шарики.

Таким образом, тончайшая пленка мыльного пузыря замерзает за считанные секунды.

5. Срастание сосульки.

Возьмите сосульку. Перекиньте через неё тонкую проволоку, концы которой утяжелите грузиками. Наблюдайте, как проволока растапливает лёд, проникает всё глубже в сосульку. Вода над сосулькой вновь замерзает.

Это подтверждает свойство поглощения тепла большей массой льда.

Лед нарастает снизу, сразу над проволокой, так как стекающая вниз талая вода замерзает при соприкосновении с холодными стенками сосульки.

6. Скрип сухого снега.

Насыпьте в тарелку сахарный песок горкой и начните давить его ложкой. Вы услышите характерный скрип. Намочите песок и вновь разотрите. Скрип исчез. В морозные дни звук распространяется на большие расстояния.

Снег скрипит только в мороз (ниже -5°C), и звук скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха – чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. При достаточном опыте можно оценивать температуру воздуха по звуку, который издает скрипящий снег. Скрип образуется из-за того, что при давлении разрушаются мельчайшие кристаллики снега. Причем каждый из них по отдельности очень мал, чтобы издавать звук, доступный уху человека, но вместе они ломаются довольно громко. Усиление морозов делает ледяные кристаллики более твердыми и хрупкими. При каждом шаге ледяные иглы ломаются. При температуре воздуха ниже -50°C скрип снега становится таким сильным, что его можно слышать через тройные стекла (этому способствует также большая плотность морозного воздуха).

7. Примерзание к поверхности.

Добавьте в кастрюлю со снегом поваренную соль в соотношении примерно 1 к 6. Тщательно размешайте смесь. Если теперь вы захотите переставить кастрюлю, то её придётся поднять вместе с табуретом.

Это также подтверждает поглощение тепла из окружающей среды.

При смешивании соли со снегом происходит образование раствора, сопровождающееся сильным охлаждением вследствие большого поглощения теплоты льдом при его плавлении и солью при ее растворении. Так, например, температура смеси из 29 грамм соли и 100 грамм льда понижается до – 21°С. А если взять 143 грамма соли и 100 грамм льда, то температура может быть понижена до – 55°С.

2.3 Предложения по проведению опытов

Опыты по изучению свойств воды целесообразно проводить на уроках в средней и начальной школе.

Для учеников средней школы возможно проведение опытов № 3, 6 и 7 на уроках под руководством учителя, а опыты № 4 и 5 – факультативно или самостоятельно в домашних условиях.

Заключение

Таким образом, исследование свойств воды необходимо для человечества.

Процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней и начальной школе.

В работе удалось решить следующие задачи:

1. Повести анализ основных свойств воды.
2. Изучить значение кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.
3. Определить основные опыты для проведения исследования.
4. Провести опыты и описать основные результаты.
5. Подготовить предложения по проведению опытов на уроках в средней школе.

Значимость работы по систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли подтвердилась.