रोजमर्रा की जिंदगी में, हम सभी कभी न कभी ऐसी घटनाओं का सामना करते हैं जो पदार्थों के एकत्रीकरण की एक अवस्था से दूसरी अवस्था में संक्रमण की प्रक्रियाओं के साथ होती हैं। और सबसे अधिक बार हमें सबसे आम रासायनिक यौगिकों में से एक के उदाहरण पर ऐसी घटनाओं का निरीक्षण करना पड़ता है - प्रसिद्ध और परिचित पानी। लेख से आप सीखेंगे कि तरल पानी का ठोस बर्फ में परिवर्तन कैसे होता है - एक प्रक्रिया जिसे जल क्रिस्टलीकरण कहा जाता है - और इस संक्रमण की क्या विशेषताएं हैं।
एक चरण संक्रमण क्या है?
हर कोई जानता है कि प्रकृति में पदार्थ के तीन मुख्य समुच्चय (चरण) होते हैं: ठोस, तरल और गैसीय। अक्सर उनमें एक चौथा राज्य जोड़ा जाता है - प्लाज्मा (उन विशेषताओं के कारण जो इसे गैसों से अलग करते हैं)। हालांकि, जब गैस से प्लाज्मा में गुजरते हैं, तो कोई विशिष्ट तेज सीमा नहीं होती है, और इसके गुण इतने अधिक निर्धारित नहीं होते हैंपदार्थ के कणों (अणुओं और परमाणुओं) के बीच संबंध, स्वयं परमाणुओं की स्थिति कितनी है।
सभी पदार्थ, एक अवस्था से दूसरी अवस्था में जाने वाले, सामान्य परिस्थितियों में अचानक अपने गुणों को बदलते हैं (कुछ सुपरक्रिटिकल अवस्थाओं के अपवाद के साथ, लेकिन हम यहां उन पर स्पर्श नहीं करेंगे)। ऐसा परिवर्तन एक चरण संक्रमण है, या बल्कि, इसकी किस्मों में से एक है। यह भौतिक मापदंडों (तापमान और दबाव) के एक निश्चित संयोजन पर होता है, जिसे चरण संक्रमण बिंदु कहा जाता है।
तरल का गैस में परिवर्तन वाष्पीकरण है, विपरीत घटना संक्षेपण है। किसी पदार्थ का ठोस से तरल अवस्था में संक्रमण पिघल रहा है, लेकिन यदि प्रक्रिया विपरीत दिशा में जाती है, तो इसे क्रिस्टलीकरण कहा जाता है। एक ठोस पिंड तुरंत गैस में बदल सकता है और इसके विपरीत - इन मामलों में वे ऊर्ध्वपातन और ऊर्ध्वपातन की बात करते हैं।
क्रिस्टलीकरण के दौरान पानी बर्फ में बदल जाता है और स्पष्ट रूप से दर्शाता है कि इसके भौतिक गुणों में कितना परिवर्तन होता है। आइए इस घटना के कुछ महत्वपूर्ण विवरणों पर ध्यान दें।
क्रिस्टलीकरण की अवधारणा
जब कोई द्रव शीतलन के दौरान जम जाता है, तो पदार्थ के कणों की परस्पर क्रिया और व्यवस्था की प्रकृति बदल जाती है। इसके घटक कणों की यादृच्छिक तापीय गति की गतिज ऊर्जा कम हो जाती है, और वे एक दूसरे के साथ स्थिर बंधन बनाने लगते हैं। जब अणु (या परमाणु) इन बंधों के माध्यम से एक नियमित, व्यवस्थित ढंग से पंक्तिबद्ध होते हैं, तो एक ठोस की क्रिस्टल संरचना बनती है।
क्रिस्टलीकरण एक साथ ठंडा तरल की पूरी मात्रा को कवर नहीं करता है, लेकिन छोटे क्रिस्टल के गठन के साथ शुरू होता है। ये क्रिस्टलीकरण के तथाकथित केंद्र हैं। वे बढ़ती हुई परत के साथ अधिक से अधिक अणुओं या पदार्थ के परमाणुओं को जोड़कर, परतों में बढ़ते हैं।
क्रिस्टलीकरण की स्थिति
क्रिस्टलीकरण के लिए तरल को एक निश्चित तापमान तक ठंडा करने की आवश्यकता होती है (यह गलनांक भी होता है)। इस प्रकार, सामान्य परिस्थितियों में पानी का क्रिस्टलीकरण तापमान 0 °C होता है।
प्रत्येक पदार्थ के लिए, क्रिस्टलीकरण को गुप्त ऊष्मा की मात्रा की विशेषता होती है। यह इस प्रक्रिया के दौरान जारी ऊर्जा की मात्रा है (और विपरीत स्थिति में, क्रमशः, अवशोषित ऊर्जा)। पानी के क्रिस्टलीकरण की विशिष्ट ऊष्मा 0 डिग्री सेल्सियस पर एक किलोग्राम पानी द्वारा छोड़ी गई गुप्त ऊष्मा होती है। पानी के पास के सभी पदार्थों में से, यह उच्चतम में से एक है और लगभग 330 kJ / kg है। इतना बड़ा मूल्य संरचनात्मक विशेषताओं के कारण है जो पानी के क्रिस्टलीकरण के मापदंडों को निर्धारित करते हैं। इन विशेषताओं पर विचार करने के बाद, हम गुप्त ऊष्मा की गणना के लिए सूत्र का उपयोग करेंगे।
अव्यक्त गर्मी की भरपाई के लिए, क्रिस्टल की वृद्धि शुरू करने के लिए तरल को सुपरकूल करना आवश्यक है। सुपरकूलिंग की डिग्री क्रिस्टलीकरण केंद्रों की संख्या और उनके विकास की दर पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालती है। जबकि प्रक्रिया आगे बढ़ रही है, पदार्थ के तापमान का और ठंडा होना नहीं बदलता है।
पानी के अणु
यह समझने के लिए कि पानी कैसे क्रिस्टलीकृत होता है, आपको यह जानना होगा कि इस रासायनिक यौगिक के अणु की व्यवस्था कैसे की जाती है, क्योंकिअणु की संरचना उसके द्वारा बनने वाले बंधों की विशेषताओं को निर्धारित करती है।
एक पानी के अणु में एक ऑक्सीजन परमाणु और दो हाइड्रोजन परमाणु संयुक्त होते हैं। वे एक अधिक समद्विबाहु त्रिभुज बनाते हैं जिसमें ऑक्सीजन परमाणु 104.45° के अधिक कोण के शीर्ष पर स्थित होता है। इस मामले में, ऑक्सीजन इलेक्ट्रॉन बादलों को अपनी दिशा में दृढ़ता से खींचती है, जिससे अणु एक विद्युत द्विध्रुव होता है। इसमें आवेश एक काल्पनिक टेट्राहेड्रल पिरामिड के शीर्ष पर वितरित किए जाते हैं - लगभग 109 ° के आंतरिक कोणों वाला एक टेट्राहेड्रोन। नतीजतन, अणु चार हाइड्रोजन (प्रोटॉन) बांड बना सकता है, जो निश्चित रूप से पानी के गुणों को प्रभावित करता है।
तरल पानी और बर्फ की संरचना की विशेषताएं
एक पानी के अणु की प्रोटॉन बांड बनाने की क्षमता तरल और ठोस दोनों अवस्थाओं में प्रकट होती है। जब पानी एक तरल होता है, तो ये बंधन काफी अस्थिर होते हैं, आसानी से नष्ट हो जाते हैं, लेकिन लगातार फिर से बनते भी हैं। उनकी उपस्थिति के कारण, पानी के अणु अन्य तरल पदार्थों के कणों की तुलना में एक दूसरे से अधिक मजबूती से बंधे होते हैं। जुड़ते हुए, वे विशेष संरचनाएं बनाते हैं - क्लस्टर। इस कारण से, पानी के चरण बिंदु उच्च तापमान की ओर स्थानांतरित हो जाते हैं, क्योंकि ऐसे अतिरिक्त सहयोगियों के विनाश के लिए भी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, ऊर्जा काफी महत्वपूर्ण है: यदि कोई हाइड्रोजन बांड और क्लस्टर नहीं थे, तो पानी का क्रिस्टलीकरण तापमान (साथ ही इसके पिघलने) -100 डिग्री सेल्सियस और उबलते +80 डिग्री सेल्सियस होगा।
गुच्छों की संरचना क्रिस्टलीय बर्फ की संरचना के समान होती है।प्रत्येक को चार पड़ोसियों से जोड़ते हुए, पानी के अणु एक षट्भुज के आकार में एक आधार के साथ एक ओपनवर्क क्रिस्टलीय संरचना का निर्माण करते हैं। तरल पानी के विपरीत, जहां माइक्रोक्रिस्टल - क्लस्टर - अणुओं के थर्मल आंदोलन के कारण अस्थिर और मोबाइल होते हैं, जब बर्फ बनते हैं, तो वे खुद को स्थिर और नियमित तरीके से पुनर्व्यवस्थित करते हैं। हाइड्रोजन बांड क्रिस्टल जाली साइटों की पारस्परिक व्यवस्था को ठीक करते हैं, और परिणामस्वरूप, अणुओं के बीच की दूरी तरल चरण की तुलना में कुछ बड़ी हो जाती है। यह परिस्थिति इसके क्रिस्टलीकरण के दौरान पानी के घनत्व में उछाल की व्याख्या करती है - घनत्व लगभग 1 g/cm3 से लगभग 0.92 g/cm3 तक गिर जाता है।.
अव्यक्त ऊष्मा के बारे में
पानी की आणविक संरचना की विशेषताएं इसके गुणों में बहुत गंभीरता से परिलक्षित होती हैं। यह देखा जा सकता है, विशेष रूप से, पानी के क्रिस्टलीकरण की उच्च विशिष्ट गर्मी से। यह ठीक प्रोटॉन बांड की उपस्थिति के कारण है, जो आणविक क्रिस्टल बनाने वाले अन्य यौगिकों से पानी को अलग करता है। यह स्थापित किया गया है कि पानी में हाइड्रोजन बांड ऊर्जा लगभग 20 kJ प्रति मोल है, यानी 18 ग्राम के लिए। इन बांडों का एक महत्वपूर्ण हिस्सा "एन मस्से" स्थापित किया जाता है जब पानी जम जाता है - यह वह जगह है जहां ऊर्जा की इतनी बड़ी वापसी होती है से आता है।
आइए एक साधारण गणना करते हैं। मान लीजिए कि पानी के क्रिस्टलीकरण के दौरान 1650 kJ ऊर्जा निकलती है। यह बहुत कुछ है: उदाहरण के लिए, छह एफ -1 नींबू हथगोले के विस्फोट से समकक्ष ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है। आइए हम पानी के द्रव्यमान की गणना करें जो क्रिस्टलीकरण से गुजरा है। गुप्त ऊष्मा Q, द्रव्यमान m और क्रिस्टलीकरण की विशिष्ट ऊष्मा की मात्रा से संबंधित सूत्रλ बहुत सरल है: क्यू=- λमी। माइनस साइन का सीधा सा मतलब है कि भौतिक प्रणाली द्वारा गर्मी को दूर किया जाता है। ज्ञात मानों को प्रतिस्थापित करने पर, हम प्राप्त करते हैं: m=1650/330=5 (किग्रा)। पानी के क्रिस्टलीकरण के दौरान 1650 kJ ऊर्जा मुक्त होने के लिए केवल 5 लीटर की आवश्यकता होती है! बेशक, ऊर्जा तुरंत नहीं दी जाती है - यह प्रक्रिया काफी लंबे समय तक चलती है, और गर्मी नष्ट हो जाती है।
कई पक्षी, उदाहरण के लिए, पानी की इस संपत्ति से अच्छी तरह वाकिफ हैं, और झीलों और नदियों के ठंडे पानी के पास इसका इस्तेमाल करते हैं, ऐसे स्थानों में हवा का तापमान कई डिग्री अधिक होता है।
समाधानों का क्रिस्टलीकरण
पानी एक अद्भुत विलायक है। इसमें घुले पदार्थ क्रिस्टलीकरण बिंदु को, एक नियम के रूप में, नीचे की ओर स्थानांतरित करते हैं। घोल की सांद्रता जितनी अधिक होगी, तापमान उतना ही कम होगा। एक ज्वलंत उदाहरण समुद्र का पानी है, जिसमें कई अलग-अलग लवण घुल जाते हैं। समुद्र के पानी में उनकी सांद्रता 35 पीपीएम है, और ऐसा पानी -1.9 डिग्री सेल्सियस पर क्रिस्टलीकृत हो जाता है। विभिन्न समुद्रों में पानी की लवणता बहुत भिन्न होती है, इसलिए हिमांक भिन्न होता है। इस प्रकार, बाल्टिक पानी में 8 पीपीएम से अधिक की लवणता नहीं है, और इसका क्रिस्टलीकरण तापमान 0 डिग्री सेल्सियस के करीब है। खनिजयुक्त भूजल भी शून्य से नीचे के तापमान पर जम जाता है। यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि हम हमेशा केवल पानी के क्रिस्टलीकरण के बारे में बात कर रहे हैं: समुद्री बर्फ लगभग हमेशा ताजा होती है, चरम मामलों में, थोड़ा नमकीन।
विभिन्न अल्कोहल के जलीय घोल भी कम में भिन्न होते हैंहिमांक, और उनका क्रिस्टलीकरण अचानक नहीं, बल्कि एक निश्चित तापमान सीमा के साथ आगे बढ़ता है। उदाहरण के लिए, 40% अल्कोहल -22.5°C पर जमने लगता है और अंत में -29.5°C पर क्रिस्टलीकृत हो जाता है।
लेकिन कास्टिक सोडा NaOH या कास्टिक जैसे क्षार का घोल एक दिलचस्प अपवाद है: यह एक बढ़े हुए क्रिस्टलीकरण तापमान की विशेषता है।
शुद्ध पानी कैसे जमता है?
आसुत जल में, आसवन के दौरान वाष्पीकरण के कारण क्लस्टर संरचना टूट जाती है, और ऐसे पानी के अणुओं के बीच हाइड्रोजन बांड की संख्या बहुत कम होती है। इसके अलावा, ऐसे पानी में निलंबित सूक्ष्म धूल कण, बुलबुले आदि जैसी अशुद्धियाँ नहीं होती हैं, जो क्रिस्टल निर्माण के अतिरिक्त केंद्र हैं। इस कारण से, आसुत जल का क्रिस्टलीकरण बिंदु -42 °C तक कम हो जाता है।
-70 डिग्री सेल्सियस तक भी आसुत जल को सुपरकूल करना संभव है। इस अवस्था में, सुपरकूल्ड पानी थोड़ी सी भी झटकों या मामूली अशुद्धता के प्रवेश के साथ पूरी मात्रा में लगभग तुरंत क्रिस्टलीकृत करने में सक्षम है।
विरोधाभासी गर्म पानी
एक आश्चर्यजनक तथ्य - गर्म पानी ठंडे पानी की तुलना में तेजी से क्रिस्टलीय अवस्था में बदल जाता है - इस विरोधाभास की खोज करने वाले तंजानिया के स्कूली छात्र के सम्मान में इसे "मपेम्बा प्रभाव" कहा गया। अधिक सटीक रूप से, वे इसके बारे में पुरातनता में जानते थे, हालांकि, स्पष्टीकरण नहीं मिलने पर, प्राकृतिक दार्शनिकों और प्राकृतिक वैज्ञानिकों ने अंततः रहस्यमय घटना पर ध्यान देना बंद कर दिया।
1963 में, एरास्टो म्पेम्बा को आश्चर्य हुआ किगर्म आइसक्रीम मिश्रण ठंडे आइसक्रीम मिश्रण की तुलना में तेजी से सेट होता है। और 1969 में, एक भौतिक प्रयोग में पहले से ही एक पेचीदा घटना की पुष्टि की गई थी (वैसे, खुद Mpemba की भागीदारी के साथ)। प्रभाव को कई कारणों से समझाया गया है:
- क्रिस्टलीकरण के अधिक केंद्र जैसे हवा के बुलबुले;
- गर्म पानी का उच्च ताप अपव्यय;
- वाष्पीकरण की उच्च दर, जिसके परिणामस्वरूप तरल मात्रा में कमी आती है।
एक क्रिस्टलीकरण कारक के रूप में दबाव
पानी के क्रिस्टलीकरण की प्रक्रिया को प्रभावित करने वाली प्रमुख मात्राओं के रूप में दबाव और तापमान के बीच संबंध स्पष्ट रूप से चरण आरेख में परिलक्षित होता है। इससे यह देखा जा सकता है कि बढ़ते दबाव के साथ, तरल से ठोस अवस्था में पानी के चरण संक्रमण का तापमान बहुत धीरे-धीरे कम हो जाता है। स्वाभाविक रूप से, विपरीत भी सच है: दबाव जितना कम होगा, बर्फ बनाने के लिए आवश्यक तापमान उतना ही अधिक होगा, और यह धीरे-धीरे बढ़ता है। उन परिस्थितियों को प्राप्त करने के लिए जिनके तहत पानी (आसुत नहीं!) साधारण बर्फ में क्रिस्टलीकृत करने में सक्षम है Ih -22 डिग्री सेल्सियस के न्यूनतम संभव तापमान पर, दबाव को 2085 वायुमंडल तक बढ़ाया जाना चाहिए।
अधिकतम क्रिस्टलीकरण तापमान निम्नलिखित स्थितियों के संयोजन से मेल खाता है, जिसे पानी का त्रिगुण बिंदु कहा जाता है: 0.006 वायुमंडल और 0.01 डिग्री सेल्सियस। ऐसे मापदंडों के साथ, क्रिस्टलीकरण-पिघलने और संघनन-उबलने के बिंदु मेल खाते हैं, और पानी के एकत्रीकरण के तीनों राज्य संतुलन में (अन्य पदार्थों की अनुपस्थिति में) सह-अस्तित्व में हैं।
बर्फ के कई प्रकार
वर्तमान में लगभग 20 संशोधनों के बारे में जाना जाता हैपानी की ठोस अवस्था - अनाकार से बर्फ तक XVII। सामान्य आईएच बर्फ को छोड़कर, उन सभी को क्रिस्टलीकरण की स्थिति की आवश्यकता होती है जो पृथ्वी के लिए विदेशी हैं, और उनमें से सभी स्थिर नहीं हैं। पृथ्वी के वायुमंडल की ऊपरी परतों में केवल आइस आईसी बहुत कम पाया जाता है, लेकिन इसका गठन पानी के जमने से नहीं जुड़ा है, क्योंकि यह बेहद कम तापमान पर जल वाष्प से बनता है। आइस इलेवन अंटार्कटिका में पाया गया था, लेकिन यह संशोधन साधारण बर्फ का व्युत्पन्न है।
अत्यधिक उच्च दबाव पर पानी के क्रिस्टलीकरण द्वारा, III, V, VI जैसे बर्फ संशोधनों को प्राप्त करना संभव है, और तापमान में एक साथ वृद्धि के साथ - बर्फ VII। यह संभावना है कि उनमें से कुछ सौर मंडल के अन्य निकायों पर हमारे ग्रह के लिए असामान्य परिस्थितियों में बन सकते हैं: यूरेनस, नेपच्यून या विशाल ग्रहों के बड़े उपग्रहों पर। किसी को यह सोचना चाहिए कि भविष्य के प्रयोगों और इन बर्फों के अभी भी बहुत कम अध्ययन किए गए गुणों के साथ-साथ उनके क्रिस्टलीकरण प्रक्रियाओं की विशेषताओं के सैद्धांतिक अध्ययन, इस मुद्दे को स्पष्ट करेंगे और कई और नई चीजें खोलेंगे।
