Când apa pura la presiune atmosferică normală, răcit in vivo sau in vitro la 0 ° (sub formă de picături mici și o peliculă subțire de câteva cantități mari), se observă întotdeauna mișcarea moleculelor și separarea gheții.
La o presiune atmosferică considerabil mai mare, punctul de îngheț al apei și al soluțiilor apoase scade, deoarece gheața la 0 ° ocupă un volum mai mare decât apa. Ca rezultat al compresiei, gheața se transformă în apă. Cantitatea de căldură de 80 de cal pe gram de gheață formate în timpul înghețării apei și retrase din circuitul agricol până când toată cantitatea de căldură egală cu căldura latentă de cristalizare, apa nu ingheata. Volumul gheții formate depinde de cantitatea de căldură eliminată. La presiunea atmosferică de gheață, apa și gheața la 0 ° rămân în echilibru, dar un schimb intens de molecule are loc la limita dintre aceste două faze. Schimbul de molecule are loc, de asemenea, între gheață și vapori de apă în atmosfera cu care gheața este învecinată. Acest lucru creează o presiune a vaporilor deasupra gheții, care se poate observa chiar și la temperaturi foarte scăzute. Dacă în stare de echilibru la 0 °, se aduce puțină căldură în apă și gheață, o anumită cantitate de gheață se topește și, odată cu îndepărtarea căldurii, se formează mai multe gheață. Când căldura este îndepărtată treptat, temperatura fazei lichide rămâne la 0 °, până când toată apa se transformă în gheață. După aceea, temperatura întregii godeuri de gheață scade brusc. Gheata are o conductivitate termică bună, dar volumul său mare temperatura de suprafață, în cazul în care are loc răcirea poate fi mai mică decât în blocul de centrul de gheață sau la o adâncime unde gheața intră în contact cu apa, la o temperatură de 0 °. Astfel, un lac adânc situat sus în munții din Alaska, acoperite de gheață pe parcursul întregului an, iar suprafața sa exterioară poate fi în echilibru cu temperatura aerului ambiant în timpul iernii ajunge la -40 ° C. În același timp, nu înghețate în adâncimea apei cu o temperatură de 0 ° va fi întotdeauna în echilibru cu suprafața interioară a stratului de gheață care acoperă lacul. Această apă care curge prin gaura dinspre munte, activează un generator electric, care circulă pe tot parcursul anului în valea vecină. Același fenomen, doar la o scară mai mică, este posibil să se reproducă în condiții de laborator, atunci când apa este vărsat în tuburi, flacoane sau alte recipiente sub influența temperaturilor joase va îngheța la marginile și în mijloc punctul până când acesta este echilibrul termic, va fi apă liberă.
Particulele suspendate în apă resping frontalul de gheață în timp ce avansează și nu sunt incluse în cristalele de gheață, chiar și atunci când sunt înconjurate de gheață pe toate laturile. Gazele atmosferice la o temperatură de 0 ° rămân dizolvate în apă. În anumite condiții, se pot forma deseori bule de gaz între cristalele de gheață, adesea vizibile pe animale sau plante înconjurate de cristale de gheață. Rata de difuzie a oxigenului, a dioxidului de carbon și a altor gaze prin gheață este nesemnificativă, însă trebuie luată în considerare.
Gheața precipită sub formă de film subțire pe sticlă și pe alte suprafețe ca rezultat al condensării și înghețării ulterioare a moleculelor de apă care au fost anterior în stare de vapori. Rata de creștere și forma cristalelor individuale variază în funcție de temperatură, umiditate și natura suprafeței. Un exemplu poate servi ca o varietate de desene complexe de cristale de gheață, formate în timpul iernii pe panouri de sticlă înghețate.
Lyuyet metodă de măsurare a temperaturilor scăzute și a metodelor optice îmbunătățite de înregistrare cinematografice de cristale în pelicule subțiri de apă pură descrisă, răcită lent, sau invers, la o viteză de câteva sute de grade în 1 secundă. Când gheața se formează în apă pură cu o temperatură de 0 °, colțurile plăcilor de gheață au o formă rotunjită, la fel ca și vârful și marginile cristalelor de ace. Cu cât rata de răcire este mai mare, cu atât este mai mare numărul de cristale formate și dimensiunea inițială mai mică. subliniază Lyuyet care pot fi observate în cristale mici microscop de aproximativ 1 m / s 3. Cea mai apropiată distanță dintre centrele de atomi de oxigen individuale în moleculele de apă este 2,76 A. Astfel, cele mai mici cristale de gheață vizibile trebuie să conțină mai puțin de 27 x 10 9 molecule. Se poate părea că un film de apă, răcit la o viteză de câteva sute de grade într-o secundă, se transformă într-o masă de sticlă omogenă. Dacă ar fi vitrificat, ar exista un aranjament aleatoriu de molecule în el. Recent, folosind microscopie electronica si spectroscopie de raze X nu a reușit să detecteze o peliculă de apă este răcită cu viteza maximă disponibilă, cristalele mici, metode optice evaziv.
Pride și Jones au indicat dificultățile asociate cu transformarea apei într-o stare sticlosă. O masă vitroasă densă care conține o anumită cantitate de gheață cristalină poate fi obținută și menținută la temperaturi sub -130 ° C. Dar când se încălzește la o temperatură de peste -129 ° C, procesul de cristalizare a fost finalizat. Merimen și Keifig au obținut o răcire excepțională rapidă prin sublimare și condensare lentă a gheții într-un vid pe o suprafață metalică la o temperatură a azotului lichid (-196 °). Replici ale suprafeței cristalelor au fost preparate pentru examinare sub microscop electronic. Astfel de filme s-au dovedit a fi fine, granulele individuale ajungând în diametru aproximativ 150 microni. Poate că acestea erau cristale foarte mici sau agregate de molecule. Peliculele au fost încălzite la o temperatură cuprinsă între -70 și -120 ° pentru diferite perioade de timp (de la 30 de secunde la 5 minute), apoi au fost re-răcite la temperatura azotului lichid și au fost scoase din acestea replici. Rezultatele studiilor indică o creștere extrem de intensă a cristalelor de gheață pentru perioade scurte de timp la temperaturi foarte scăzute (de la 70 la 96 °). Recristalizarea migrației de acest tip poate să apară în filmele de gheață subțiri la orice temperatură de la 0 la -120 °. Mobilitatea gheții la temperaturi scăzute poate fi observată atât în frigiderele de uz casnic, cât și în unitățile industriale de refrigerare. Inutil să spun că apa transformată în gheață nu este în stare statică. Cristalele de gheață individuale migrează, se conectează la altele și cresc astfel volumul, indiferent dacă intră în contact cu apă liberă sau cu vapori de apă în aer.
Studiile cu raze X au arătat că aparentul aparent are o "structură de gheață spartă". Și aceasta înseamnă că apa neînghețată conține întotdeauna mai multe molecule care sunt legate de cele patru molecule vecine prin legături de hidrogen, precum și molecule de gheață, formând un tetraedru. Aceste conexiuni sunt în mod continuu rupte și reconstruite. Pe măsură ce crește temperatura, numărul mediu de legături pe moleculă scade și ajunge la două la o temperatură de aproximativ + 40 °. Este de la sine înțeles că, dacă privim apa ca un fel de acumulare de molecule, nu putem considera că gheața este o substanță complet străină de ea. Fiecare moleculă de apă are o formă în formă de V, cu atomul de oxigen situat la vârful V. Unghiul la vârful V între cele două legături OH este 103-106 °. Lungimea fiecărei legături OH este de 0,96 A.
Fiecare atom de oxigen este înconjurat de alte patru, cu ioni de hidrogen localizați pe linii care leagă nucleele de atomi de oxigen. Astfel, protonii încărcați pozitiv ai unei molecule de apă sunt conectați cu sarcini negative ale două molecule învecinate. Fiecare dintre cele patru molecule de apă exterioară ale tetraedrului original atrage la sine trei molecule, care formează și un tetraedru. Numărul de molecule asociate cu centrul de cristalizare a gheții crește treptat, iar structura inițială (sub forma unui tetraedru) persistă pe tot parcursul perioadei de creștere a plăcii de cristal sau de gheață. Deoarece tetraedre nu poate fi foarte strâns adiacente reciproc, densitatea gheții este mică, ea plutește la suprafața apei, și, după cum sa menționat deja, comprimarea cauzează topirea gheții la 0 °, deoarece cristalele de gheață deschise „libere“ cu zăbrele nu poate fi menținut la un nivel ridicat presiunea atmosferică. În schimb, multe alte substanțe cu o creștere a presiunii sunt mai ușor de întărit.
Moleculele individuale de apă din cristalul de gheață în creștere au un grad semnificativ de libertate. Cu toate acestea, pentru a rupe legăturile de hidrogen, este necesară energia, iar masa gheții într-un anumit sens poate fi considerată o singură moleculă gigantică. Este necesar să se înțeleagă că legarea moleculelor de apă la compușii complexi care conțin grupe hidroxil este în esență aceeași cu cea a moleculelor de apă legată între ele în gheață. Numai câteva substanțe leagă moleculele de apă mai bine decât apa în sine, în special la temperaturi scăzute. Acest lucru poate fi confirmat de faptul că pentru transformarea gheții la 0 ° în vapori de apă, în care moleculele legate sunt mai mici, este necesară 600 cal pe 1 g.
Distribuiți un link cu prietenii
Trimiteți-le prietenilor: