Фазен дијаграм на густина на солена вода. Дијаграм на состојбата на водата и правило на фази. Фазен дијаграм на вода

Примена на правилото на Гибсовата фаза на еднокомпонентни системи. Фазни дијаграми на вода и сулфур

За еднокомпонентен систем ДО=1 и фазното правило е напишано како:

C = 3– Ф

Ако Ф= 1, тогаш СО=2, велат дека системот биваријантна;
Ф= 2, тогаш СО=1, систем моноваријанта;
Ф= 3, тогаш СО = 0, систем непроменлив.

Односот помеѓу притисокот ( Р), температура ( Т) и волумен ( В) фазите може да се претстават во три димензии фазен дијаграм. Секоја точка (наречена фигуративна точка) на таков дијаграм прикажува некаква рамнотежна состојба. Обично е попогодно да се работи со делови од овој дијаграм користејќи рамнина Р – Т(на V = конст) или авион P–V(на Т = конст). Во продолжение ќе го разгледаме само случајот на дел од рамнина Р – Т(на V = конст).

Состојбата на водата е проучена на широк опсег на температури и притисоци. При високи притисоци, утврдено е постоење на најмалку десет кристални модификации на мразот. Најпроучен е мразот I - единствената модификација на мразот пронајдена во природата.

Присуството на различни модификации на супстанцијата - полиморфизам - доведува до компликација на дијаграмите на состојби.

Фазен дијаграм на вода во координати Р – Те претставено на слика 15. Се состои од 3 фазни полиња- области на различни Р, Т- вредности во кои постои вода во форма на одредена фаза - мраз, течна вода или пареа (на сликата означени со буквите L, F и P, соодветно). Овие фазни полиња се одделени со 3 гранични кривини.

Крива AB - крива на испарување, ја изразува зависноста притисок на пареа на течна вода од температурата(или, обратно, ја претставува зависноста на точката на вриење на водата од надворешниот притисок). Со други зборови, оваа линија одговара на двофазна рамнотежа.

Течна вода ↔ пареа, а бројот на степени на слобода пресметан со фазното правило е СО= 3 – 2 = 1. Оваа рамнотежа се нарекува моноваријанта. Тоа значи дека за целосен опис на системот доволно е само да се определи една променлива- или температура или притисок, бидејќи за дадена температура има само еден рамнотежен притисок, а за даден притисок има само една температура на рамнотежа.

При притисок и температури што одговараат на точките под линијата AB, течноста целосно ќе испари, а овој регион е регион на пареа. За да се опише систем во даден еднофазен регион, потребни се две независни променливи: температура и притисок ( СО = 3 – 1 = 2).

При притисоци и температури што одговараат на точките над линијата AB, пареата целосно се кондензира во течност ( СО= 2). Горната граница на кривата на испарување AB е во точката B, која се нарекува критична точка (за вода 374,2ºС и 218,5 банкомат.). Над оваа температура, фазата на течност и пареа не се разликуваат (интерфејсот течност/пареа исчезнува), затоа Ф = 1.

Линија AC - оваа крива на сублимација на мраз (понекогаш се нарекува и линија на сублимација), што ја одразува зависноста притисок на водена пареа над мразот на температура. Оваа линија одговара на моноваријантната рамнотежа мраз ↔ пареа ( СО= 1). Над линијата AC е областа мраз, подолу е областа на пареа.

Линија AD - крива на топење, ја изразува зависноста температура на топење на мраз наспроти притисоки одговара на едноваријантната рамнотежа мраз ↔ течна вода. За повеќето супстанции, линијата АД отстапува од вертикалата надесно, но однесувањето на водата е аномално: течната вода зафаќа помал волумен од мразот. Зголемувањето на притисокот ќе предизвика промена на рамнотежата кон формирање на течност, т.е. точката на замрзнување ќе се намали.

Студиите за прв пат спроведени од Бриџман за да се одреди текот на кривата на топење на мразот при високи притисоци покажаа дека сите постоечки кристални модификации на мразот, со исклучок на првата, се погусти од водата. Така, горната граница на линијата AD е точката D, каде што во рамнотежа коегзистираат мраз I (обичен мраз), мраз III и течна вода. Оваа точка се наоѓа на -22ºС и 2450 банкомат.

Ориз. 15. Фазен дијаграм на вода

Користејќи го примерот на водата, јасно е дека фазниот дијаграм не е секогаш толку едноставен како што е прикажано на слика 15. Водата може да постои во форма на неколку цврсти фази, кои се разликуваат по нивната кристална структура (види Сл. 16).

Ориз. 16. Проширен фазен дијаграм на вода во широк опсег на вредности на притисок.

Тројната точка на вода (точка што ја одразува рамнотежата на три фази - течност, мраз и пареа) во отсуство на воздух се наоѓа на 0,01ºС ( Т = 273,16К) и 4.58 mmHg. Број на степени на слобода СО= 3-3 = 0 и таквата рамнотежа се нарекува непроменлива.

Во присуство на воздух, трите фази се во рамнотежа на 1 банкомат. и 0ºС ( Т = 273,15К). Намалувањето на тројната точка во воздухот е предизвикано од следниве причини:

1. Растворливост на воздухот во течна вода на 1 банкомат, што доведува до намалување на тројната точка за 0,0024ºС;

2. Зголемување на притисокот од 4,58 mmHg. до 1 банкомат, што ја намалува тројната точка за уште 0,0075ºС.

Услови на вода.

Водата може да биде во три агрегатни состојби или фази: цврста (мраз), течна (самата вода), гасовита (водена пареа). Многу е важно, со оглед на опсегот на атмосферскиот притисок и температурата што всушност постојат на Земјата, водата може истовремено да биде во различни состојби на агрегација. Во овој поглед, водата значително се разликува од другите физички супстанции, кои се наоѓаат во природни услови претежно или во цврста (минерали, метали) или во гасовита (O 2, N 2, CO 2 итн.) состојба.

Промените во агрегатната состојба на супстанцијата се нарекуваат фазни транзиции. Во овие случаи, својствата на супстанцијата (на пример, густината) нагло се менуваат. Фазните транзиции се придружени со ослободување или апсорпција на енергија, наречена топлина на фазна транзиција („латентна топлина“).

Зависноста на агрегатната состојба на водата од притисокот и температурата се изразува со дијаграмот на состојбата на водата или фазен дијаграм (сл. 5.1.1.).

Кривата BB"O на сл. 5.1.1 се нарекува крива на топење. Кога се минува низ оваа крива од лево кон десно, доаѓа до топење

Ориз. 5.1.1. Дијаграм за вода

I – VIII - разни модификации на мраз

мраз, а од десно кон лево - формирање мраз (кристализација на вода). ОК кривата се нарекува крива на испарување. При минување низ оваа крива се забележува вриење на водата од лево кон десно, а кондензација на водена пареа се забележува од десно кон лево. Кривата AO се нарекува крива на сублимација, или крива на сублимација. Кога се преминува од лево кон десно, мразот испарува (сублимација), а од десно кон лево доаѓа до кондензација во цврстата фаза (или сублимација).

Во точката О (т.н. тројна точка, при притисок од 610 Pa и температура од 0,01 ° C или 273,16 K), водата е истовремено во сите три состојби на агрегација.

Температурата на која мразот се топи (или водата кристализира) се нарекува температура или точка на топење T pl. Оваа температура може да се нарече и температура или точка на замрзнување Т под.

Од површината на водата, како и мразот и снегот, одреден број на молекули постојано се откинуваат и се носат во воздухот, формирајќи молекули на водена пареа. Во исто време, некои од молекулите на водената пареа се враќаат назад на површината на водата, снегот и мразот. Ако преовладува првиот процес, тогаш доаѓа до испарување на водата, ако се случи вториот процес, водената пареа кондензира. Регулатор на насоката и интензитетот на овие процеси е дефицитот на влажност - разликата помеѓу еластичноста на водената пареа што го заситува просторот при даден воздушен притисок и температура на површината на водата (снег, мраз) и еластичноста на водената пареа всушност содржани во воздухот, т.е. апсолутна влажност на воздухот. Содржината на заситената водена пареа во воздухот и нејзината еластичност се зголемуваат со зголемување на температурата (при нормален притисок) на следниов начин. На температура од O°C, содржината и еластичноста на заситената водена пареа се соодветно 4,856 g/m3 и 6,1078 hPa, на температура од 20°C - 30,380 g/m3 и 23,373 hPa, на 40°C - 51,127 g/ m3 и 73.777 hPa.

Испарувањето од површината на водата (мраз, снег), како и од влажна почва, се случува на која било температура и колку е поинтензивно, толку е поголем дефицитот на влага. Со зголемување на температурата, еластичноста на водената пареа што го заситува просторот се зголемува, а испарувањето се забрзува. Зголемувањето на испарувањето, исто така, доведува до зголемување на брзината на движење на воздухот над површината што испарува (т.е. брзина на ветерот во природни услови), зголемувајќи го интензитетот на вертикалната маса и пренос на топлина.

Кога интензивното испарување ја покрива не само слободната површина на водата, туку и нејзината дебелина, каде што испарувањето се јавува од внатрешната површина на добиените меурчиња, започнува процесот на вриење. Температурата на која притисокот на заситената водена пареа е еднаков на надворешниот притисок се нарекува температура или точка на вриење T bp.

При нормален атмосферски притисок (1,013 105 Pa = 1,013 bar = 1 atm = 760 mm Hg), точките на замрзнување на водата (топење мраз) и точките на вриење (кондензација) одговараат на 0 и 100 ° на скалата на Целзиусови.

Точката на замрзнување Tzam и точката на вриење на водата Tbip зависат од притисокот (види Сл. 3.9.2.). Во опсегот на промените на притисокот од 610 до 1,013 105 Pa (или 1 atm), температурата на замрзнување се намалува малку (од 0,01 до 0 ° C), потоа кога притисокот се зголемува на приближно 6 107 Pa (600 atm) T температурата на замрзнување паѓа до -5 ° C, со зголемување на притисокот до 2,2 108 Pa (2200 atm), Tdz се намалува на -22 ° C. Со дополнително зголемување на притисокот, Tdz почнува брзо да се зголемува. При многу висок притисок, се формираат посебни „модификации“ на мраз (II-VIII), кои се разликуваат по нивните својства од обичниот мраз (мраз I).

При реален атмосферски притисок на Земјата, свежата вода замрзнува на температура од околу 0 ° C. На максимална длабочина во океанот (околу 11 km), притисокот надминува 108 Pa, или 1.000 atm (зголемување на длабочината за секои 10 m се зголемува притисокот за приближно 105 Pa, или 1 atm). При овој притисок, точката на замрзнување на свежата вода би била околу -12°C.

За да се намали точката на замрзнување на водата

неговите влијанија на соленоста.

1.4). Зголемувањето на соленоста на секои 10‰ го намалува Т за приближно 0,54°C:

Т заменик = -0,054 С.

Точката на вриење се намалува со намалување на притисокот (види Сл. 3.9.2.). Затоа, на големи надморски височини во планините, водата врие на температура пониска од 100 ° C. Со зголемен притисок, T вриењето се зголемува до таканаречената „критична точка“, кога на p = 2,2 107 Pa и T врие = 374 ° В, водата истовремено има својства и на течност и на гас.

Дијаграмот за состојбата на водата илустрира две „аномалии“ на водата, кои имаат одлучувачко влијание не само врз „однесувањето“ на водата на Земјата, туку и врз природните услови на планетата како целина. Во споредба со супстанциите кои се соединенија на водород со елементи кои се во ист ред како кислородот во периодниот систем на Менделеев - телуриум Те, селен Се и сулфур S, точките на замрзнување и вриење на водата се невообичаено високи. Со оглед на природната врска помеѓу точките на замрзнување и вриење и масениот број на споменатите супстанции, би се очекувало водата да има температура на замрзнување од околу -90 ° C и точка на вриење од околу -70 ° C. Ненормално високи вредности Температурите на замрзнување и вриење ја предодредуваат можноста за постоење на вода на планетата како во цврста и течна состојба и служат како определувачки услови за главните хидролошки и други природни процеси на Земјата.

Густина на вода

Густината е најважната физичка карактеристика на секоја супстанција. Ја претставува масата на хомогена супстанција по единица волумен:

каде што m е маса, V е волумен. Густината p има димензија kg/m3.

Густината на водата, како и другите супстанции, зависи првенствено од температурата и притисокот (и за природните води, исто така и од содржината на растворени и фино дисперзирани суспендирани цврсти материи) и нагло се менува за време на фазните транзиции. Со зголемување на температурата, густината на водата, како која било друга супстанција, во поголемиот дел од опсегот на температурни промени се намалува, што е поврзано со зголемување на растојанието помеѓу молекулите со зголемување на температурата. Оваа шема се нарушува само кога мразот се топи и кога водата се загрева во опсег од 0 до 4 ° (поточно 3,98 ° C). Овде се забележани уште две многу важни „анатомии“ на водата: 1) густината на водата во цврста состојба (мраз) е помала отколку во течна состојба (вода), што не е случај за огромното мнозинство на други супстанции; 2) во опсегот на температурата на водата од 0 до 4 ° C, густината на водата не се намалува со зголемување на температурата, туку се зголемува. Карактеристиките на промените во густината на водата се поврзани со реструктуирање на молекуларната структура на водата. Овие две „аномалии“ на водата се од голема хидролошка важност: мразот е полесен од водата и затоа „плови“ на неговата површина; резервоарите обично не замрзнуваат до дното, бидејќи свежата вода изладена на температура под 4 ° станува помалку густа и затоа останува во површинскиот слој.

Густината на мразот зависи од неговата структура и температура. Порозниот мраз може да има густина многу помала од наведената во Табела 1.1. Густината на снегот е уште помала. Свежо паднатиот снег има густина од 80-140 kg/m3, густината на набиениот снег постепено се зголемува од 140-300 (пред почетокот на топењето) на 240-350 (на почетокот на топењето) и 300-450 kg/m3 (на крајот на топењето). Густиот влажен снег може да има густина до 600-700 kg/m3. Снегулките при топење имаат густина од 400-600, лавинскиот снег 500-650 kg/m3. Слојот на вода што се формира кога мразот и снегот се топат зависи од дебелината на слојот мраз или снег и неговата густина. Количината на вода во мраз или снег е еднаква на:

h во = ах л р л / р

каде што h l е дебелината на слојот од мраз или снег, r l е нивната густина, p е густината на водата и е множител определен со односот на димензиите h во и h l: ако водениот слој е изразен во mm, а дебелината на мразот (снегот) во cm, потоа a=10, со иста димензија a=1.

Густината на водата исто така се менува во зависност од содржината на растворените материи во неа и се зголемува со зголемување на соленоста (сл. 1.5). Густината на морската вода при нормален притисок може да достигне 1025-1033 kg/m3.

Комбинираниот ефект на температурата и соленоста врз густината на водата при атмосферски притисок се изразува со помош на таканаречената равенка на состојбата на морската вода. Таквата равенка во својата наједноставна линеарна форма е напишана на следниов начин:

p = p o (1 - α 1 T + α 2 S)

каде што T е температурата на водата, °C, S е соленоста на водата, ‰, p o е густината на водата при T = 0 и S = ​​0, α 1 и α 2 се параметри.

Зголемувањето на соленоста, исто така, доведува до намалување на температурата со најголема густина (°C) според формулата

T max.pl = 4 - 0,215 С.

Ориз. 5.2.1. Зависност на густината на водата при нормален атмосферски притисок од температурата и соленоста на водата.

Зголемувањето на соленоста за секои 10‰ го намалува Tmax за приближно 2°C. Зависноста на температурата на максималната густина и температурата на замрзнување од соленоста на водата е илустрирана со таканаречениот график Хеланд-Хансен (види Сл. 3.10.1.) .

Односот помеѓу температурите со најголема густина и замрзнувањето влијае на природата на процесот на ладење на водата и вертикалната конвекција - мешање предизвикано од разликите во густината. Ладењето на водата како резултат на размена на топлина со воздухот доведува до зголемување на густината на водата и, соодветно, до спуштање на погустата вода надолу. На негово место се издигнуваат потопли и помалку густи води. Се јавува процес на конвекција со вертикална густина. Меѓутоа, за свежи и соленкави води со соленост помала од 24,7‰, овој процес продолжува само додека водата не ја достигне температурата со најголема густина (види Сл. 1.4). Понатамошното ладење на водата доведува до намалување на нејзината густина, а вертикалната конвекција престанува. Солените води на S>24,7‰ се предмет на вертикална конвекција додека не замрзнат.

Така, во свежите или соленките води во зима, во хоризонтите блиску до дното, температурата на водата е повисока отколку на површината и, според графикот Хеланд-Хансен, секогаш над температурата на замрзнување. Оваа околност е од големо значење за зачувување на животот во водните тела на длабочините. Ако водата имала иста температура со најголема густина и замрзнување, како и сите други течности, тогаш резервоарите би можеле да замрзнат до дното, предизвикувајќи неизбежна смрт на повеќето организми.

„Аномалната“ промена на густината на водата со промена на температурата ја повлекува истата „аномална“ промена на волуменот на водата: со зголемување на температурата од 0 до 4 ° C, волуменот на хемиски чиста вода се намалува и само со дополнително зголемување на температурата се зголемува; волуменот на мразот е секогаш забележливо поголем од волуменот на иста маса на вода (сетете се како пукаат цевките кога водата замрзнува).

Промената на волуменот на водата кога се менува нејзината температура може да се изрази со формулата

V T1 = V T2 (1 + β DT)

каде V T1 е волумен на вода на температура T1, V T2 е волумен на вода на T2, β е коефициент на волуметриско проширување, кој зема негативни вредности на температури од 0 до 4 ° C и позитивни вредности на температури на водата над 4 ° C и помали од 0 ° C (мраз) (види табела 1.1),

Притисокот, исто така, има одреден ефект врз густината на водата. Компресибилноста на водата е многу мала, но на големи длабочини во океанот сè уште влијае на густината на водата. На секои 1000 m длабочина, густината поради влијанието на притисокот на водениот столб се зголемува за 4,5-4,9 kg/m3. Затоа, на максималните океански длабочини (околу 11 km), густината на водата ќе биде приближно 48 kg/m 3 поголема отколку на површината, а на S = 35‰ ќе биде околу 1076 kg/m 3. Ако водата е целосно некомпресибилна, нивото на светските океани би било 30 m повисоко отколку што е всушност. Ниската компресибилност на водата овозможува значително да се поедностави хидродинамичката анализа на движењето на природните води.

Влијанието на финиот суспендиран талог врз физичките карактеристики на водата и особено врз нејзината густина сè уште не е доволно проучен. Се верува дека густината на водата може да биде под влијание само на многу фини суспендирани материи при нивната исклучително висока концентрација, кога водата и седиментот повеќе не можат да се разгледуваат изолирано. Така, некои видови калливи текови, кои содржат само 20-30% вода, во суштина се глинест раствор со зголемена густина. Друг пример за влијанието на малите седименти врз густината се водите на Жолтата река што се влеваат во заливот Жолто Море. Со многу висока содржина на ситен талог (до 220 kg/m3), речните заматени води имаат густина од 2-2,5 kg/m3 поголема од морската вода (нивната густина при реална соленост и температура е околу 1018 kg/m3). Затоа, тие „нуркаат“ до длабочина и се спуштаат по морското дно, формирајќи „густ“ или „заматен“ проток.

И тука можеме да преминеме на втората категорија. Под зборот "мраз"Ние сме навикнати да ја разбираме цврстата фазна состојба на водата. Но, покрај него, на замрзнување се и други супстанции. Така, мразот може да се разликува по хемискиот состав на оригиналната супстанција, на пример, јаглерод диоксид, амонијак, метан мраз и други.

Трето, постојат кристални решетки (модификации) на воден мраз, чие формирање се одредува со термодинамички фактор. Тоа е она за што ќе зборуваме малку во овој пост.

Во написот Мраз, погледнавме како структурата на водата претрпува реструктуирање со промена на состојбата на агрегација и ја допревме кристалната структура на обичниот мраз. Благодарение на внатрешната структура на самата молекула на водата и водородните врски што ги поврзуваат сите молекули во подреден систем, се формира хексагонална (шестоаголна) кристална решетка од мраз. Молекулите најблиску една до друга (еден централен и четири агол) се наредени во форма на триедрална пирамида, или тетраедар, која лежи во основата на хексагоналната кристална модификација ( Сл.1).

Патем, растојанието помеѓу најмалите честички на материјата се мери во нанометри (nm) или ангстроми (именуван по шведскиот физичар Андерс Јонас Ангстром од 19 век; означен со симболот Å). 1 Å = 0,1 nm = 10−10 m.

Оваа шестоаголна структура на обичен мраз се протега до целиот нејзин волумен. Можете јасно да го видите ова со голо око: за време на снежни врнежи во зима, фатете снегулка на ракавот или ракавицата и погледнете ја одблизу нејзината форма - таа е со шест зраци или шестоаголна. Ова е типично за секоја снегулка, но ниту една снегулка никогаш не повторува друга (повеќе за ова во нашата статија). Па дури и големите кристали мраз со нивната надворешна форма одговараат на внатрешната молекуларна структура ( Сл.2).

Веќе рековме дека преминот на супстанција, особено вода, од една во друга состојба се случува под одредени услови. Нормален мраз се формира на температури од 0°C и пониски и при притисок од 1 атмосфера (нормална вредност). Следствено, за појава на други модификации на мразот, потребна е промена на овие вредности, а во повеќето случаи присуство на ниски температури и висок притисок, при што се менува аголот на водородните врски и се реконструира целата кристална решетка.

Секоја модификација на мразот припаѓа на специфичен систем - група на кристали во кои единечните ќелии имаат иста симетрија и координатен систем (XYZ оски). Севкупно се издвојуваат седум сингонии. Карактеристиките на секоја од нив се претставени на илустрации 3-4. А веднаш подолу е слика на главните форми на кристали ( Сл.5)

Сите модификации на мразот кои се разликуваат од обичниот мраз се добиени во лабораториски услови. Првите полиморфни структури на мраз станаа познати на почетокот на 20 век преку напорите на научниците Густав Хајнрих ТаманИ Перси Вилијамс Бриџман. Бриџмановиот дијаграм на модификации периодично се дополнуваше. Идентификувани се нови модификации од оние добиени претходно. Најновите промени на дијаграмот беа направени во наше време. Досега се добиени шеснаесет кристални видови мраз. Секој тип има свое име и е означен со римски број.

Нема да навлегуваме длабоко во физичките карактеристики на секој молекуларен тип на воден мраз, за ​​да не ви досадуваме, драги читатели, со научни детали; ќе ги забележиме само главните параметри.

Обичниот мраз се нарекува мраз Ih (префиксот „h“ значи хексагонален систем). На илустрации 7претставена е неговата кристална структура која се состои од хексагонални врски (хексамери), кои се разликуваат по форма - една во форма лежалка за сонце(Англиски) стол-форма), друг во форма карпи (форма на брод). Овие хексамери формираат тродимензионален пресек - две „кочила“ се хоризонтални на врвот и на дното, а три „чамци“ заземаат вертикална положба.

Просторниот дијаграм го прикажува редоследот на распоредот на водородните врски на мразот Их, но во реалноста врските се градат случајно. Сепак, научниците не исклучуваат дека водородните врски на површината на хексагоналниот мраз се повеќе подредени отколку внатре во структурата.

Единечната клетка на хексагонален мраз (т.е. минималниот волумен на кристал, чија повторена репродукција во три димензии ја формира целата кристална решетка како целина) вклучува 4 молекули на вода. Димензиите на ќелијата се 4,51 Åна двете страни а, бИ 7,35 Åна страната c (страната или оската c во дијаграмите има вертикална насока). Аглите меѓу страните, како што се гледа од илустрација 4: α=β = 90°, γ = 120°. Растојанието помеѓу соседните молекули е 2,76 Å.

Шестоаголните ледени кристали формираат хексагонални плочи и колони; горните и долните лица во нив се основните рамнини, а шесте идентични странични лица се нарекуваат призматични ( Сл.10).

Минималниот број на молекули на вода потребни за да започне нејзината кристализација е околу 275 (±25). Во голема мера, формирањето мраз се случува на површината на водната маса што се граничи со воздухот, наместо внатре во неа. Груби мраз кристали Ихсе формираат бавно во насока на оската c, на пример, во застоена вода тие растат вертикално надолу од кристалните плочи или во услови кога растот на страна е тежок. Ситнозрнестиот мраз, формиран во турбулентна вода или кога брзо се замрзнува, има забрзан раст насочен од призматичните лица. Температурата на околната вода го одредува степенот на разгранување на ледената кристална решетка.

Честичките на супстанции растворени во вода, со исклучок на атоми на хелиум и водород, чии димензии им дозволуваат да се вклопат во шуплините на структурата, се исклучени од кристалната решетка при нормален атмосферски притисок, присилувајќи се да излезат на површината на кристалот или , како и во случајот со аморфната сорта (повеќе за ова подоцна во статијата) која формира слоеви помеѓу микрокристалите. Може да се користат последователни циклуси на замрзнување и одмрзнување на водата за да се прочисти од нечистотии, на пример, гасови (дегасирање).

Заедно со мраз Ихима и мраз Иц (кубен систем), меѓутоа, во природата, формирањето на овој вид мраз повремено е можно само во горните слоеви на атмосферата. Вештачки мраз Ицдобиена со моментално замрзнување на вода, за која пареата се кондензира на изладена 80 до минус 110°Сметална површина при нормален атмосферски притисок. Како резултат на експериментот, на површината паѓаат кристали со кубна форма или во форма на октаедари. Нема да може да се создаде кубен мраз на првата модификација од обичен хексагонален мраз со намалување на неговата температура, но преминот од кубен во хексагонален е возможен со загревање на мразот Ицповисок минус 80°C.

Во молекуларната структура на мразот Ицаголот на водородната врска е ист како оној на обичниот мраз Ih – 109,5°. И тука е хексагонален прстен формиран од молекули во ледена решетка Ицприсутни само во форма на кочија.

Густината на мразот Ic е 0,92 g/cm³ при притисок од 1 atm. Единечната клетка во кубен кристал има 8 молекули и димензии: a=b=c = 6,35 Å, а нејзините агли α=β=γ = 90°.

На забелешка.Почитувани читатели, во оваа статија постојано ќе наидеме на индикатори за температура и притисок за еден или друг вид мраз. И ако температурните вредности изразени во степени Целзиусови се јасни за сите, тогаш перцепцијата на вредностите на притисокот може да биде тешка за некои. Во физиката, за мерење се користат различни единици, но во нашата статија ќе го означиме во атмосфери (atm), заокружувајќи ги вредностите. Нормалниот атмосферски притисок е 1 atm, што е еднакво на 760 mmHg, или нешто повеќе од 1 bar, или 0,1 MPa (мегапаскал).

Како што разбирате, особено, од примерот со мраз Иц, можно е постоење на кристални модификации на мразот во услови на термодинамичка рамнотежа, т.е. кога ќе се наруши рамнотежата на температурата и притисокот што го одредува присуството на кој било кристален тип мраз, овој тип исчезнува, трансформирајќи се во друга модификација. Опсегот на овие термодинамички вредности варира; тој е различен за секој вид. Да ги разгледаме другите видови мраз, не строго по номенклатурен редослед, туку во врска со овие структурни транзиции.

Мраз IIприпаѓа на тригоналниот систем. Може да се формира од хексагонален тип при притисок од околу 3.000 atm и температура од околу минус 75 ° C, или од друга модификација ( мраз В), со нагло намалување на притисокот на температура од минус 35°C. Егзистенција IIтипот на мраз е можен во услови од минус 170°C и притисок од 1 до 50.000 атм (или 5 гигапаскали (GPa)). Според научниците, мразот од оваа модификација веројатно може да биде дел од ледените сателити на далечните планети на Сончевиот систем. Нормалниот атмосферски притисок и температурите над минус 113°C создаваат услови овој тип мраз да се трансформира во обичен хексагонален мраз.

На илустрации 13прикажана ледена кристална решетка II. Карактеристична карактеристика на структурата е видлива - еден вид шупливи хексагонални канали формирани од молекуларни врски. Единечната клетка (областа означена на илустрацијата со дијамант) се состои од два лигаменти кои се поместени еден во однос на друг, така да се каже, „во висина“. Како резултат на тоа, се формира систем на ромбоедрална решетка. Димензии на ќелијата a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Во една клетка има 12 молекули. Аголот на врската помеѓу молекулите (O–O–O) варира од 80 до 120 °.

Кога ја загревате модификацијата II, можете да добиете мраз III, и обратно, ладење со мраз IIIго претвора во мраз II. Исто така мраз IIIсе формира кога температурата на водата постепено се спушта на минус 23°C, зголемувајќи го притисокот до 3.000 атм.
Како што може да се види на фазниот дијаграм ( болен. 6), термодинамички услови за стабилна состојба на мраз III, како и друга модификација - мраз В, се мали.

Мраз IIIИ Вимаат четири тројни точки со околни модификации (термодинамички вредности при кои е можно постоење на различни состојби на материјата). Сепак, мразот II, IIIИ Вмодификациите можат да постојат во услови на нормален атмосферски притисок и температура од минус 170°C, а нивното загревање до минус 150°C доведува до формирање на мраз Иц.

Во споредба со другите моментално познати модификации со висок притисок, мразот IIIима најмала густина - при притисок од 3.500 атм. тоа е еднакво на 1,16 g/cm³.
Мраз IIIе тетрагонална разновидност на кристализирана вода, но самата структура на ледена решетка IIIима прекршоци. Ако секоја молекула обично е опкружена со 4 соседни, тогаш во овој случај овој индикатор ќе има вредност од 3,2, а покрај тоа може да има уште 2 или 3 молекули во близина кои немаат водородни врски.
Во просторното уредување, молекулите формираат спирали со десната рака.
Димензии на единица клетка со 12 молекули на минус 23°C и околу 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. Аголот на водородната врска се движи од 87 до 141°.

На илустрации 15конвенционално е претставен просторен дијаграм на молекуларната структура на мразот III. Молекулите (сините точки) лоцирани поблиску до гледачот се прикажани поголеми, а водородните врски (црвените линии) се соодветно подебели.

И сега, како што велат, жешки на пети, веднаш да ги „прескокнеме“ оние што доаѓаат по мразот IIIпо номенклатурен редослед, кристални модификации и да кажеме неколку зборови за мразот IX.
Овој тип на мраз во суштина е модифициран мраз III, подложен на брзо длабоко ладење од минус 65 до минус 108 ° C за да не се трансформира во мраз II. Мраз IXостанува стабилен на температури под 133°C и притисоци од 2.000 до 4.000 атм. Неговата густина и структура се идентични IIIумот, но за разлика од мразот IIIво структурата на мразот IXима ред во распоредот на протоните.
Греење мраз IXне го враќа во оригинал IIIмодификации, но се претвора во мраз II. Димензии на ќелијата: a=b = 6,69, c = 6,71 Å на температура од минус 108°C и 2800 atm.

Патем, Романот „Мачката лулка“ на писателот на научна фантастика Курт Вонегат од 1963 година е центриран околу супстанцијата наречена мраз-девет, која е опишана како материјал направен од човекот кој претставува голема опасност за животот бидејќи водата кристализира при контакт со неа, претворајќи се во мраз-девет. Влегувањето дури и на мала количина од оваа супстанца во природните води свртени кон светските океани се заканува да ја замрзне целата вода на планетата, што пак значи смрт на сите живи суштества. На крајот, тоа е она што се случува.

Мраз IVе метастабилна (слабо стабилна) тригонална формација на кристална решетка. Неговото постоење е можно во фазниот простор на мразот III, ВИ VIмодификации. Земете малку мраз IVможе да се направи од аморфен мраз со висока густина со бавно загревање, почнувајќи од минус 130°C при постојан притисок од 8.000 атм.
Големината на ромбоедралната единица клетка е 7,60 Å, аглите α=β=γ = 70,1°. Клетката вклучува 16 молекули; водородните врски меѓу молекулите се асиметрични. При притисок од 1 atm и температура од минус 163°C, густината на мразот IV е 1,27 g/cm³. О–О–О агол на врска: 88–128°.

Исто така IVтипот на мраз кој формира мраз XII– со загревање на аморфна модификација со висока густина (повеќе за ова подолу) од минус 196 до минус 90°C при ист притисок од 8.000 атм, но со поголема брзина.
Мраз XIIисто така метастабилен во фазниот регион ВИ VIкристални типови. Тоа е еден вид тетрагонален систем.
Единечната клетка содржи 12 молекули, кои поради водородните врски со агли од 84–135° се наоѓаат во кристалната решетка, формирајќи двојна десна спирала. Ќелијата има димензии: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; агли α=β=γ = 90º. Густината на мразот XII е 1,30 g/cm³ при нормален атмосферски притисок и температура од минус 146°C. Агли на водородни врски: 67–132°.

Од моментално откриените модификации на воден мраз, мразот има најсложена кристална структура В. 28 молекули ја сочинуваат нејзината единица клетка; водородните врски опфаќаат празнини во други молекуларни соединенија, а некои молекули формираат врски само со одредени соединенија. Аголот на водородни врски помеѓу соседните молекули варира во голема мера - од 86 до 132 °, затоа во кристалната решетка од мраз Впостои силна напнатост и огромно снабдување со енергија.
Параметри на клетките во услови на нормален атмосферски притисок и температура минус 175°C: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Мраз Ве моноклинична сорта формирана со вода за ладење до минус 20°C при притисок од околу 5.000 атм. Густината на кристалната решетка, земајќи го предвид притисокот од 3.500 атм, е 1,24 g/cm³.
Просторен дијаграм на ледената кристална решетка Втип прикажан во илустрации 18. Регионот на единицата ќелија на кристалот е означен со сив преглед.

Подредено распоредување на протоните во структурата на мразот Вго прави друга сорта наречена мраз XIII. Оваа моноклиничка модификација може да се добие со ладење на вода под минус 143°C со додавање на хлороводородна киселина (HCl) за да се олесни фазната транзиција, создавајќи притисок од 5.000 атм. Реверзибилна транзиција од XIIIтип к Втипот е можен во температурен опсег од минус 193°C до минус 153°C.
Димензии на единицата ќелија на мраз XIIIмалку поинаков од Вмодификации: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (на 1 атм, минус 193°С). Бројот на молекули во клетката е ист - 28. Аголот на водородните врски: 82–135°.

Во следниот дел од нашата статија ќе продолжиме со нашиот преглед на модификациите на воден мраз.

Се гледаме на страниците на нашиот блог!

ТЕРМОДИНАМИЧКИ СВОЈСТВА НА ВОДАТА И ВОДЕНАТА ПАРЕА

Под поимот „вода“ подразбираме H 2 O во која било од можните фазни состојби.

Во природата, водата може во три состојби: ТВ (мраз, снег), л. (вода), г (пареа).

Размислете за вода без енергија. интеракција со околината Сре, т.е. во рамнотежа.

Секогаш има пареа присутна на површината на мразот или течноста. Контактните фази се во t/d рамнотежа: брзите молекули летаат надвор од течната фаза, надминувајќи ги површинските сили, а од фазата на пареа бавните молекули се префрлаат во течност. фаза.

Во состојба на рамнотежа, секој T одговара на одреден парен притисок - вкупен (ако има само пареа над течноста) или делумно (ако има мешавина на пареа со воздух или други гасови).

Пареа во рамнотежа со течност. фазата од која е формирана е заситена, а соодветната Т е T сатурација, а притисокот–p заситеност.

Нерамнотежни состојби на водата:

а) Нека притисокот на пареата над течноста се намали под притисокот на заситеноста. Во овој случај, рамнотежата е нарушена, некомпензирана транзиција на супстанцијата од течна фаза во гасовита фаза се јавува преку фазниот интерфејс поради најбрзите молекули.

Процесот на некомпензирана транзиција на супстанција од течност. фази во градот - испарување.

Процесот на некомпензиран премин на супстанција од цврста во гасна фаза се нарекува сублимација или сублимација .

Интензитетот на испарување или сублимација се зголемува со интензивно отстранување на добиената пареа. Во овој случај, температурата на течната фаза се намалува поради заминувањето на молекулите со најголема енергија од неа. Ова може да се постигне без намалување на притисокот, едноставно со дување на проток на воздух.

б) Нека течноста се снабдува со топлина во отворен сад. Во овој случај, T, и соодветно на тоа, p на заситената пареа над течноста се зголемува и може да го достигне целосниот надворешен притисок (P = P n). Во случај кога P = P n, на грејната површина, T на течноста се издига над Т на заситената пареа при преовладувачкиот притисок овде, оние. се создаваат услови за формирање на пареа во дебелината на течноста.

Процесот на премин на супстанција од течна фаза во фаза на пареа директно во течноста се нарекува вриење.

Процесот на нуклеација на меурчиња од пареа во дебелината на течноста е сложен. За да зоврие водата, потребно е на површината на доводот на топлина да има центри на испарување - вдлабнатини, испакнатини, неправилности итн. На грејната површина, за време на вриење, разликата во Т на водата и заситената пареа при преовладувачкиот притисок овде зависи од интензитетот на снабдувањето со топлина и може да достигне десетици степени.

Дејството на силите на површинскиот напон на течноста предизвикува прегревање на течноста на фазниот интерфејс кога врие за 0,3-1,5 o C во однос на температурата на заситената пареа над неа.

Секој процес на транзиција на супстанција од течна фаза во фаза на пареа - испарување.

Процесот спротивен на испарувањето, т.е. некомпензиран премин на супстанција од фаза на пареа во течна фаза - кондензација.

При постојан притисок на пареа, кондензацијата се јавува (како вриење) на константна температура и е резултат на отстранување на топлината од системот.

Процесот спротивен на сублимацијата, т.е. премин на супстанција од фаза на пареа директно во цврста фаза - десублимација.

Течната фаза на водата во точката на вриење се нарекува заситен со течност .

Пареа на температура на вриење (заситеност) се нарекува сува заситена пареа .

Двофазна смеса „l+p“ во состојба на заситеност - влажна заситена пареа.

Во t/d, овој термин се однесува на двофазни системи во кои заситената пареа може да биде над нивото на течноста или да претставува мешавина од пареа со течни капки суспендирани во неа.За да се карактеризира влажната заситена пареа, концепт степен на сувост X, што е односот на масата на сува заситена пареа, m s.n.p, до вкупната маса на смесата,m cm = m s.n.p + m w.s.n., тоа со течност во состојба на заситеност:

Односот на масата на течната фаза на водата во состојба на заситеност со масата на смесата се нарекува степен на влажност (1):

Снабдувањето со топлина на влажна заситена пареа при константна p доведува до транзиција l. фаза на смесата во стр Во овој случај, Т од смесата (заситеност) може да не биде се зголемува додека целата течност не се претвори во пареа. Понатамошното снабдување со топлина само на фазата на пареа во состојба на заситеност доведува до зголемување на Т на пареата.

Пареа со температура над температурата на сатурација при даден притисок се нарекува прегреана пареа. Температурна разлика на прегреана пареат и заситена пареа со ист притисок t n повикани степен на прегревање на пареата Dt p = t -t n.

Како што се зголемува степенот на прегревање на пареата, нејзиниот волумен се зголемува, концентрацијата на молекулите се намалува, а неговите својства се приближуваат до својствата на гасовите.

6.2. Фазни дијаграми P,t-, P,v- и T,s за H 2 O

За да се анализираат различни t/d процеси на промени во состојбата на H 2 O, широко се користат фазни дијаграми.

Фазен дијаграм (или фазен дијаграм) е графички приказ на односот помеѓу количините што ја карактеризираат состојбата на системот и фазните трансформации во системот (премин од цврсто во течно, од течно во гасовито итн.).

Ориз. 72. Дијаграм на структурата на мразот.

Ориз. 73. Дијаграм на состојбата на водата во регионот на ниски притисоци.

Ориз. 74. Цилиндар со вода во рамнотежа со водена пареа.

Фазните дијаграми се широко користени во хемијата. За еднокомпонентни системи, обично се користат фазни дијаграми, кои ја покажуваат зависноста на фазните трансформации од температурата и притисокот; тие се нарекуваат фазни дијаграми во P-T координати.

На сл. 73 е прикажан во шематски облик (без строго придржување кон размерот) дијаграм на состојбата на водата. Секоја точка на дијаграмот одговара на одредени вредности на температура и притисок.

Дијаграмот ги прикажува оние состојби на водата кои се термодинамички стабилни при одредени вредности на температура и притисок. Се состои од три кривини кои ги делат сите можни температури и притисоци во три региони што одговараат на мраз, течност и пареа.

Ајде да ја разгледаме секоја од кривините подетално. Да почнеме со кривата ОА (сл. 73), одвојувајќи го регионот на пареа од течниот регион. Да замислиме цилиндар од кој е отстранет воздухот, по што во него се внесува одредена количина чиста вода, без растворени материи, вклучително и гасови; цилиндерот е опремен со клип, кој е фиксиран во одредена положба (сл. 74). По некое време, дел од водата ќе испари и ќе има заситена пареа над нејзината површина. Можете да го измерите неговиот притисок и да бидете сигурни дека тој не се менува со текот на времето и не зависи од положбата на клипот. Ако ја зголемиме температурата на целиот систем и повторно го измериме притисокот на заситената пареа, ќе испадне дека е зголемен. Со повторување на таквите мерења на различни температури, ќе ја откриеме зависноста на притисокот на заситената водена пареа од температурата. Кривата ОА е график на оваа врска: точките на кривата ги прикажуваат оние парови на вредности на температура и притисок при кои течната вода и водена пареа се во рамнотежа едни со други - тие коегзистираат. Кривата ОА се нарекува крива на рамнотежа на течност-пареа или крива на вриење. Во табелата 8 (стр. 202) ги прикажува вредностите на притисокот на заситената водена пареа на неколку температури.

Ајде да се обидеме да создадеме притисок во цилиндерот кој е различен од рамнотежниот, на пример, помал од рамнотежниот. За да го направите ова, ослободете го клипот и подигнете го. Во првиот момент, притисокот во цилиндерот навистина ќе падне, но наскоро ќе се врати рамнотежата: дополнително количество вода ќе испари и притисокот повторно ќе ја достигне својата вредност на рамнотежа. Само кога целата вода ќе испари може да се постигне притисок помал од рамнотежа. Следи дека точките што лежат на фазниот дијаграм подолу или десно од кривата ОА одговараат на регионот на пареа.

Табела 8. Притисок на заситена водена пареа на различни температури

Ако се обидете да создадете притисок поголем од рамнотежа, тоа може да се постигне само со спуштање на клипот на површината на водата. Со други зборови, точките на дијаграмот што лежат над или лево од кривата ОА одговараат на регионот на течната состојба.

Колку лево се протегаат регионите на течни и пареа состојби? Да означиме една точка во двете области и да се движиме од нив хоризонтално налево. Ова движење на точките на дијаграмот одговара на ладење на течност или пареа при постојан притисок. Познато е дека ако ја изладите водата при нормален атмосферски притисок, тогаш кога ќе ја достигне, водата ќе почне да замрзнува. Спроведувајќи слични експерименти при други притисоци, пристигнуваме до кривата на ОС што го одвојува регионот на течна вода од областа на мраз. Оваа крива - кривата на рамнотежа на цврсто-течност, или крива на топење - ги покажува оние парови на вредности на температура и притисок во кои мразот и течната вода се во рамнотежа.

Движејќи се хоризонтално налево во пределот на пареа (на дното на дијаграмот), на сличен начин стигнуваме до кривата ОБ. Ова е кривата на рамнотежа на цврста состојба-пареа, или крива на сублимација. Тоа одговара на оние парови на вредности на температура и притисок во кои мразот и водената пареа се во рамнотежа.

Сите три кривини се сечат во точката О. Координатите на оваа точка се единствениот пар на вредности на температурата и притисокот во кои сите три фази можат да бидат во рамнотежа: мраз, течна вода и пареа. Тоа се нарекува тројна точка.

Кривата на топење е проучена до многу високи притисоци. Во оваа област беа откриени неколку модификации на мраз (не е прикажано на дијаграмот).

На десната страна, кривата на вриење завршува на критичната точка. На температурата што одговара на оваа точка - критичната температура - количините што ги карактеризираат физичките својства на течноста и пареата стануваат идентични, така што разликата помеѓу состојбата на течност и пареа исчезнува.

Постоењето на критична температура беше утврдено во 1860 година од страна на Д.И. Менделеев, проучувајќи ги својствата на течностите. Тој покажа дека на температури над критичната температура, супстанцијата не може да биде во течна состојба. Во 1869 година, Ендрјус, проучувајќи ги својствата на гасовите, дошол до сличен заклучок.

Критичната температура и притисокот се различни за различни супстанции. Значи, за водород, , за хлор, , за вода, .

Една од карактеристиките на водата што ја разликува од другите супстанции е намалувањето на точката на топење на мразот со зголемен притисок (види § 70). Оваа околност се рефлектира во дијаграмот. Кривата на топење на OC на дијаграмот за вода оди нагоре лево, додека за скоро сите други супстанции оди нагоре десно.

Трансформациите што се случуваат со вода при атмосферски притисок се рефлектираат на дијаграмот со точки или отсечки лоцирани на хоризонталната линија што одговара на . Така, топењето на мразот или кристализацијата на водата одговара на точката D (сл. 73), врела вода - точка Е, вода за греење или ладење - сегмент DE итн.

Проучени се фазни дијаграми за голем број супстанции од научно или практично значење. Во принцип, тие се слични на разгледуваниот дијаграм за состојбата на водата. Сепак, може да има карактеристики во фазните дијаграми на различни супстанции. Така, познати се супстанции чија тројна точка лежи на притисок што го надминува атмосферскиот притисок. Во овој случај, загревањето на кристалите при атмосферски притисок не доведува до топење на оваа супстанција, туку до нејзино сублимирање - трансформација на цврстата фаза директно во гасовита фаза,