Etanol er hovedkomponenten i alkoholholdige drikker. Vanlig vodka er 40% laget av det. I hverdagen kalles det alkohol. Selv om dette begrepet faktisk karakteriserer en enorm klasse av organiske stoffer. Kokepunktet for alkohol ved normalt trykk er 78,3 grader Celsius. Dette gjelder kun ufortynnet etanol. Kokepunktet til en alkoholløsning er vanligvis noe lavere. I denne artikkelen vil vi forstå hva etanol er. Vi vil også diskutere dets fysiske og kjemiske egenskaper, egenskaper ved produksjon og bruk. Vi vil ikke se bort fra hovedspørsmålet om hva kokepunktet til alkohol er.

Generell informasjon

Etanol er en av de mest kjente alkoholene. Molekylet inneholder elementer som karbon, hydrogen og oksygen. Den kjemiske formelen til etanol er C 2 H 6 O. Det er en fargeløs væske med en spesifikk alkohollukt. Det er lettere enn vann. Kokepunktet for alkohol er 78,39 grader Celsius. Men dette er ved normalt trykk. Kokepunktet for rektifisert alkohol er 78,15 grader Celsius. Den inneholder 4,43% vann. Kokepunktet for etylalkohol er lavere, jo mer fortynnet den er.

Bruk i hverdagen og industrien

Etylalkohol er et utmerket løsningsmiddel. Den produseres ved å fermentere sukker med gjær. I mange landsbyer i post-sovjetiske land lages den fortsatt hjemme. Den resulterende alkoholholdige drikken kalles moonshine. Etylalkohol er det eldste rusmiddelet som brukes av mennesker. Det kan forårsake alkoholforgiftning hvis det konsumeres i betydelige mengder.

Etanol er et flyktig, brennbart stoff. Det brukes i hverdagen og industrien som et antiseptisk middel, løsemiddel, drivstoff og aktiv væske i termometre uten kvikksølv (det fryser ved -114 grader Celsius).

Kokepunkt for alkohol kontra trykk

Når referansebøker angir de fysiske egenskapene til stoffer, må du forstå at alle disse målingene ble gjort under såkalte normale forhold. Med økende trykk synker kokepunktet til etylalkohol. I dag kan du finne mange tabeller som gir referansedata om dette problemet. Ved 780 mm Hg koker etanol ved 78,91 grader Celsius, ved 770 - 78,53 ºC, ved 760 - 78,15 ºC, ved 750 - 77,77 ºC, ved 740 - 77,39 ºC, ved 720 - 763 ºC.

Kokepunkt for metylalkohol

CH 3 OH ble opprinnelig produsert som et biprodukt av destruktiv destillasjon av tre. I dag er det hentet direkte fra karbondioksid og hydrogen. Den lukter veldig lik etanol. Metanol er imidlertid svært giftig og kan forårsake død hos mennesker. Kokepunktet for alkohol er 64,7 grader Celsius. Det brukes som frostvæske og løsemiddel. Den brukes også til å produsere biodiesel.

Produksjonshistorie

Fermentering av sukker for å produsere etanol er en av de tidligste bioteknologiene som tjener menneskeheten. Den berusende effekten av drikker basert på det har vært kjent siden antikken. Folk har alltid likt tilstanden av endret bevissthet som det forårsaker. Til og med for 9000 år siden kjente kineserne til alkoholholdige drikkevarer. Destillasjon som prosess var godt kjent for araberne og grekerne, men de hadde nok vin. Alkymister lærte å produsere alkohol fra det først på 1100-tallet. Etanol ble først produsert syntetisk først i 1825 av Michael Faraday.

Kjemi og medisin

Etanol brukes hovedsakelig som råstoff for produksjon av andre stoffer og som løsemiddel. Det er en av komponentene i mange husholdningskjemikalier som brukes daglig i hverdagen. Etanol finnes i vindusviskere og frostvæske. I medisin brukes det som det enkleste antiseptisk middel. Den desinfiserer og tørker sår godt. Den brukes også til å lage alle slags tinkturer og ekstrakter. I tillegg kjøler og varmer det godt. I mangel av andre medisiner ble det brukt som anestesi.

Samfunn og kultur

En studie publisert i 2002 fant at 41 % av dødsfallene i bilulykker skyldes fyllekjøring. Jo høyere promille føreren har, jo større er risikoen. Inntak av alkoholholdige drikkevarer har en lang historie. Mange studier har blitt viet til dette sosiale fenomenet. Prosessen med å drikke alkoholholdige drikker og rus er beskrevet i mange skjønnlitterære verk. Den berømte nyttårsfilmen "The Irony of Fate, or Enjoy Your Bath!" er dedikert nettopp til konsekvensene av alkoholmisbruk, om enn i en komisk form. Mange kreative mennesker har brukt alkohol som et nødvendig element for å generere nye ideer eller som en enkel måte å overvinne stress. Moderat drikking er akseptabelt og til og med ønskelig i de fleste moderne kulturer. Å drikke alkoholholdige drikker er en tradisjon ved mange spesielle arrangementer. Unntaket er islam. I henhold til reglene for denne religionen er det en forferdelig synd å drikke alkoholholdig drikke.

Alkoholisme og dens konsekvenser

Overdreven drikking er en sykdom. Den er preget av fysisk og mental avhengighet av vodka eller andre sterke drikker, og er en type rusmisbruk. Alkoholikere mister kontrollen over mengden de drikker. De krever en stadig økende dose for å oppleve nytelse. Det antas at forbedring av befolkningens velvære bare fører til en økning i volumet av alkoholforbruket. Den svenske legen M. Huss var den første som studerte kronisk alkoholisme i 1849. Han identifiserte en rekke patologiske forandringer som vises hos en person med systematisk alkoholforbruk. Nå trekker forskere en klar grense mellom drukkenskap og alkoholisme. Den andre er en sykdom som en person selv ikke er i stand til å takle. Den går gjennom flere stadier i utviklingen. På hvert nytt stadium er det en gradvis økning i avhengighet. Pasienten trenger en stadig større dose. Gradvis fører kronisk alkoholforgiftning til somatiske lidelser. De første tegnene på fysisk og mental avhengighet inkluderer tap av kontroll over bruken og utseendet til overstadig drikking. Personer med alvorlig alkoholisme kjennetegnes ved funksjonsfeil i indre organer og psykiske lidelser.

Behandling og forebygging

For å bekjempe alkoholavhengighet er det nødvendig med medisiner. For det første er det nødvendig med medisiner for å eliminere funksjonsfeil i kroppen. For det andre kreves det medisiner som er uforenlige med alkoholforbruk. Pasienten blir informert om at overstadig drikking under behandling kan føre til at han dør. I tillegg skal psykologer jobbe med pasienter. Deres oppgave er å konsolidere effekten av behandlingen og danne et negativt bilde av drukkenskap. Sosial rehabilitering av tidligere alkoholikere er også obligatorisk. Det er viktig å hjelpe en person med å finne sin plass i samfunnet og bringe familien tilbake. Lykkelige mennesker går ikke på en fyllesyke. Derfor avhenger behandlingen av alkoholisme i stor grad av ferdighetene til en psykolog.

Kokende- dette er en intensiv overgang av væske til damp, som oppstår med dannelse av dampbobler gjennom hele væskevolumet ved en viss temperatur.

Under koking endres ikke temperaturen på væsken og dampen over den. Den forblir uendret til all væsken har kokt bort. Dette skjer fordi all energien som tilføres væsken brukes til å omdanne den til damp.

Temperaturen som en væske koker ved kalles kokepunkt.

Kokepunktet avhenger av trykket som utøves på den frie overflaten av væsken. Dette forklares av avhengigheten av mettet damptrykk på temperaturen. Dampboblen vokser til trykket til den mettede dampen inne i den litt overstiger trykket i væsken, som er summen av det ytre trykket og det hydrostatiske trykket til væskekolonnen.

Jo større ytre press, jo mer koketemperatur.

Alle vet at vann koker ved en temperatur på 100 ºC. Men vi bør ikke glemme at dette bare gjelder ved normalt atmosfærisk trykk (omtrent 101 kPa). Når trykket øker, øker kokepunktet til vannet. For eksempel, i trykkokere, tilberedes maten under trykk på ca. 200 kPa. Vannets kokepunkt når 120°C. I vann ved denne temperaturen skjer kokeprosessen mye raskere enn i vanlig kokende vann. Dette forklarer navnet "trykkkoker".

Og omvendt, ved å redusere ytre trykk senker vi dermed kokepunktet. For eksempel, i fjellområder (i en høyde av 3 km, hvor trykket er 70 kPa), koker vann ved en temperatur på 90 ° C. Derfor krever innbyggere i disse områdene som bruker slikt kokende vann mye mer tid til å tilberede mat enn beboere på slettene. Men det er generelt umulig å koke for eksempel et kyllingegg i dette kokende vannet, siden det hvite ikke koagulerer ved temperaturer under 100 °C.

Hver væske har sitt eget kokepunkt, som avhenger av det mettede damptrykket. Jo høyere det mettede damptrykket er, desto lavere er kokepunktet for den tilsvarende væsken, siden det mettede damptrykket ved lavere temperaturer blir lik atmosfærisk trykk. For eksempel, ved et kokepunkt på 100 °C, er det mettede damptrykket til vann 101 325 Pa (760 mm Hg), og damptrykket er bare 117 Pa (0,88 mm Hg). Kvikksølv koker ved 357°C ved normalt trykk.

Fordampningsvarme.

Fordampningsvarme (fordampningsvarme)- mengden varme som må tilføres et stoff (ved konstant trykk og konstant temperatur) for fullstendig omdannelse av et flytende stoff til damp.

Mengden varme som kreves for fordamping (eller frigjort under kondensering). For å beregne mengden varme Q som kreves for å omdanne enhver væskemasse tatt ved kokepunktet til damp, kreves den spesifikke fordampningsvarmen r sinn til masse m:

Når damp kondenserer frigjøres samme mengde varme.

Oppgaven består av to trinn - å fastslå avhengigheten av atmosfærisk trykk på høyden og avhengigheten av kokepunktet av trykk. La oss starte med sistnevnte, da det er mer interessant.

Koking er en førsteordens faseovergang (vann endrer sin aggregeringstilstand fra flytende til gassformig).
En førsteordens faseovergang er beskrevet av Clapeyron-ligningen:
,
Hvor
- spesifikk faseovergangsvarme, som er numerisk lik mengden varme som tildeles per masseenhet av et stoff for å bevirke en faseovergang,
- faseovergangstemperatur,
- endring i spesifikt volum under overgang

Clausius forenklet Clapeyrons ligning for tilfellene av fordampning og sublimering ved å anta at

1. Steam følger den ideelle gassloven
2. Det spesifikke volumet av væske er mye mindre enn det spesifikke volumet av damp

Fra punkt én følger det at tilstanden til damp kan beskrives ved Mendeleev-Clapeyron-ligningen
,
og fra punkt to - at det spesifikke volumet av væske kan neglisjeres.

Dermed tar Clapeyron-ligningen formen
,
hvor det spesifikke volumet kan uttrykkes gjennom
,
og endelig

skille variablene, får vi

Etter å ha integrert venstre side fra til , og høyre side fra til , dvs. fra ett punkt til et annet punkt som ligger på væske-damp likevektslinjen, får vi ligningen

kalt Clausius-Clapeyron-ligningen.

Faktisk er dette ønsket avhengighet av koketemperaturen på trykk.

La oss gjøre et par transformasjoner til
,
Her
- molar masse vann, 18 g/mol

Universalgasskonstant, 8,31 J/(mol × K)

Spesifikk fordampningsvarme av vann 2,3 × 10 6 J/kg

Nå gjenstår det å fastslå avhengigheten av atmosfærisk trykk på høyden. Her vil vi bruke den barometriske formelen (vi har uansett ikke en annen):

eller
,
Her
- molar masse luft, 29 g/mol
- universell gasskonstant, 8,31 J/(mol×K)
- gravitasjonsakselerasjon, 9,81 m/(s×s)
- lufttemperatur

Verdier relatert til luft vil bli merket med indeksen v, til vann - h
Å likestille og bli kvitt eksponenten får vi

Vel, den endelige formelen

Faktisk følger ikke reelt lufttrykk den barometriske formelen, siden lufttemperaturen med store høydeforskjeller ikke kan betraktes som konstant. I tillegg avhenger akselerasjonen av fritt fall av geografisk breddegrad, og atmosfærisk trykk avhenger også av konsentrasjonen av vanndamp. Det vil si at vi får en omtrentlig verdi ved å bruke denne formelen. Derfor har jeg nedenfor inkludert en annen kalkulator som bruker en formel for å beregne kokepunktet avhengig av lufttrykket i millimeter kvikksølv.

Kalkulator for kokepunkt versus høyde.

tingenes tilstand

Jerndamp og fast luft

Er det ikke en merkelig kombinasjon av ord? Dette er imidlertid ikke tull i det hele tatt: både jerndamp og fast luft finnes i naturen, men ikke under vanlige forhold.

Hvilke forhold snakker vi om? Tilstanden til et stoff bestemmes av to faktorer: temperatur og trykk.

Livet vårt foregår under relativt lite skiftende forhold. Lufttrykket svinger innen noen få prosent rundt én atmosfære; lufttemperaturen, si, i Moskva-regionen varierer fra -30 til +30 °C; i den absolutte temperaturskalaen, der lavest mulig temperatur (-273°C) tas som null; dette intervallet vil se mindre imponerende ut: 240-300 K, som også er bare ±10 % av gjennomsnittsverdien.

Det er ganske naturlig at vi er vant til disse normale forholdene, og derfor, når vi sier enkle sannheter som: "jern er et fast stoff, luft er en gass," osv., glemmer vi å legge til: "under normale forhold."

Varmer du opp jern vil det først smelte og deretter fordampe. Hvis luft avkjøles, vil den først bli til væske og deretter stivne.

Selv om leseren aldri har møtt jerndamp eller fast luft, vil han sannsynligvis lett tro at ethvert stoff, ved å endre temperaturen, kan oppnås i fast, flytende og gassform, eller, som de også sier, i fast , flytende eller gassfaser.

Det er lett å tro på dette fordi alle observerte ett stoff, uten hvilket liv på jorden ville være umulig, både i form av en gass, og som en væske, og i form av et fast stoff. Vi snakker selvfølgelig om vann.

Under hvilke forhold skjer transformasjoner av materie fra en tilstand til en annen?

Kokende

Hvis vi senker termometeret ned i vannet som helles i kjelen, slår på den elektriske komfyren og overvåker kvikksølvet til termometeret, vil vi se følgende: nesten umiddelbart vil kvikksølvnivået krype opp. Nå er det 90, 95 og til slutt 100 °C. Vannet koker, og samtidig stopper oppgangen av kvikksølv. Vannet har kokt i mange minutter, men kvikksølvnivået har ikke endret seg. Inntil alt vannet koker bort vil ikke temperaturen endres (fig. 4.1).

Ris. 4.1

Hvor går varmen hvis vanntemperaturen ikke endres? Svaret er åpenbart. Prosessen med å gjøre vann om til damp krever energi.

La oss sammenligne energien til et gram vann og et gram damp dannet fra det. Dampmolekyler er plassert lenger fra hverandre enn vannmolekyler. Det er klart at på grunn av dette vil den potensielle energien til vann avvike fra den potensielle energien til damp.

Den potensielle energien til å tiltrekke partikler avtar når de nærmer seg hverandre. Derfor er energien til damp større enn energien til vann, og å gjøre vann om til damp krever energi. Denne overskuddsenergien overføres av den elektriske komfyren til det kokende vannet i kjelen.

Energi som kreves for å omdanne vann til damp; kalt fordampningsvarmen. For å omdanne 1 g vann til damp, kreves det 539 cal (dette er tallet for en temperatur på 100 ° C).

Hvis det forbrukes 539 cal per 1 g, vil 18*539 = 9700 cal bli forbrukt per 1 mol vann. Denne mengden varme må brukes på å bryte intermolekylære bindinger.

Du kan sammenligne denne figuren med mengden arbeid som kreves for å bryte intramolekylære bindinger. For å dele 1 mol vanndamp i atomer, tar det omtrent 220 000 cal, det vil si 25 ganger mer energi. Dette beviser direkte svakheten til kreftene som binder molekyler sammen, sammenlignet med kreftene som trekker atomer sammen til et molekyl.

Avhengighet av koketemperatur på trykk

Vannets kokepunkt er 100°C; man kan tro at dette er en iboende egenskap ved vann, at vann, uansett hvor og under hvilke forhold det er, alltid vil koke ved 100°C.

Men slik er det ikke, og innbyggere i høyfjellsbygder er godt klar over dette.

Nær toppen av Elbrus er det et hus for turister og en vitenskapelig stasjon. Nybegynnere blir noen ganger overrasket over "hvor vanskelig det er å koke et egg i kokende vann" eller "hvorfor brenner ikke kokende vann." Under disse forholdene får de beskjed om at vann koker på toppen av Elbrus allerede ved 82°C.

Hva er i veien? Hvilken fysisk faktor forstyrrer kokefenomenet? Hva er betydningen av høyde over havet?

Denne fysiske faktoren er trykket som virker på overflaten av væsken. Du trenger ikke å klatre til toppen av et fjell for å bekrefte sannheten av det som har blitt sagt.

Ved å legge oppvarmet vann under en bjelle og pumpe eller pumpe ut luft derfra, kan du sørge for at kokepunktet stiger når trykket øker og synker når det synker.

Vann koker ved 100°C bare ved et visst trykk - 760 mm Hg. Kunst. (eller 1 atm).

Kurven for kokepunkt versus trykk er vist i fig. 4.2. På toppen av Elbrus er trykket 0,5 atm, og dette trykket tilsvarer et kokepunkt på 82°C.

Ris. 4.2

Men vann som koker ved 10-15 mm Hg. Art., du kan kjøle deg ned i varmt vær. Ved dette trykket vil kokepunktet synke til 10-15°C.

Du kan til og med få "kokende vann", som har temperaturen som fryser vann. For å gjøre dette må du redusere trykket til 4,6 mm Hg. Kunst.

Et interessant bilde kan observeres hvis du plasserer et åpent kar med vann under klokken og pumper ut luften. Pumping vil få vannet til å koke, men koking krever varme. Det er ingen steder å ta det fra, og vannet må gi opp energien sin. Temperaturen på det kokende vannet vil begynne å synke, men etter hvert som pumpingen fortsetter, vil også trykket synke. Derfor vil ikke kokingen stoppe, vannet vil fortsette å avkjøles og til slutt fryse.

Denne kokingen av kaldt vann skjer ikke bare når luft pumpes ut. For eksempel, når en skipspropell roterer, synker trykket i et raskt bevegelig vannlag nær en metalloverflate sterkt og vannet i dette laget koker, det vil si at det oppstår mange dampfylte bobler i det. Dette fenomenet kalles kavitasjon (fra det latinske ordet cavitas - hulrom).

Ved å redusere trykket senker vi kokepunktet. Og ved å øke den? En graf som vår svarer på dette spørsmålet. Et trykk på 15 atm kan forsinke koking av vann, det vil begynne først ved 200 °C, og et trykk på 80 atm vil føre til at vann koker bare ved 300 °C.

Så et visst ytre trykk tilsvarer et visst kokepunkt. Men denne uttalelsen kan "snues" ved å si dette: hvert kokepunkt for vann tilsvarer sitt eget spesifikke trykk. Dette trykket kalles damptrykk.

Kurven som viser kokepunktet som funksjon av trykk er også en kurve for damptrykk som funksjon av temperatur.

Tallene plottet på en kokepunktsgraf (eller på en damptrykkgraf) viser at damptrykket endrer seg veldig kraftig med temperaturen. Ved 0°C (dvs. 273 K) er damptrykket 4,6 mmHg. Art., ved 100°C (373 K) er det lik 760 mm Hg. Art., dvs. øker 165 ganger. Når temperaturen dobles (fra 0°C, dvs. 273 K, til 273°C, dvs. 546 K), øker damptrykket fra 4,6 mm Hg. Kunst. nesten opp til 60 atm, dvs. omtrent 10 000 ganger.

Derfor, tvert imot, endres kokepunktet med trykk ganske sakte. Når trykket endres to ganger fra 0,5 atm til 1 atm, øker kokepunktet fra 82°C (355 K) til 100°C (373 K) og når trykket dobles fra 1 til 2 atm - fra 100°C (373 K) ) til 120°C (393 K).

Den samme kurven som vi nå vurderer styrer også kondensasjonen (kondenseringen) av damp til vann.

Damp kan omdannes til vann enten ved kompresjon eller avkjøling.

Både under koking og under kondensering vil ikke punktet bevege seg fra kurven før omdannelsen av damp til vann eller vann til damp er fullført. Dette kan også formuleres på denne måten: under forholdene i kurven vår og bare under disse forholdene, er sameksistensen av væske og damp mulig. Hvis du ikke legger til eller fjerner varme, vil mengdene av damp og væske i et lukket kar forbli uendret. Slik damp og væske sies å være i likevekt, og damp som er i likevekt med væsken kalles mettet.

Koke- og kondenseringskurven, som vi ser, har en annen betydning: det er likevektskurven for væske og damp. Likevektskurven deler diagramfeltet i to deler. Til venstre og oppover (mot høyere temperaturer og lavere trykk) er området med stabil tilstand av damp. Til høyre og ned er området for væskens stabile tilstand.

Damp-væske-likevektskurven, dvs. kurven for kokepunktets avhengighet av trykk eller, som er det samme, damptrykk på temperatur, er omtrent den samme for alle væsker. I noen tilfeller kan endringen være noe mer brå, i andre noe langsommere, men damptrykket øker alltid raskt med økende temperatur.

Vi har allerede brukt ordene "gass" og "damp" mange ganger. Disse to ordene er ganske like. Vi kan si: vanngass er vanndamp, oksygengass er oksygenvæskedamp. Likevel har det utviklet seg en viss vane ved bruk av disse to ordene. Siden vi er vant til et visst relativt lite temperaturområde, bruker vi vanligvis ordet "gass" på de stoffene hvis dampelastisitet ved vanlige temperaturer er høyere enn atmosfærisk trykk. Tvert imot snakker vi om damp når stoffet ved romtemperatur og atmosfærisk trykk er mer stabilt i form av en væske.

Fordampning

Koking er en rask prosess, og på kort tid er det ingen spor igjen av kokende vann, det blir til damp.

Men det er et annet fenomen med å gjøre vann eller annen væske til damp - dette er fordampning. Fordampning skjer ved enhver temperatur, uavhengig av trykk, som under normale forhold alltid er nær 760 mm Hg. Kunst. Fordampning, i motsetning til koking, er en veldig langsom prosess. En flaske med cologne som vi har glemt å lukke vil være tom om noen dager; o tallerkenen med vann vil stå lenger, men før eller siden vil den vise seg å være tørr.

Luft spiller en stor rolle i fordampningsprosessen. I seg selv hindrer det ikke vann i å fordampe. Så snart vi åpner overflaten av væsken, vil vannmolekyler begynne å bevege seg inn i det nærmeste luftlaget.

Damptettheten i dette laget vil øke raskt; Etter kort tid vil damptrykket bli lik elastisiteten som er karakteristisk for mediets temperatur. I dette tilfellet vil damptrykket være nøyaktig det samme som i fravær av luft.

Overgangen av damp til luft betyr selvfølgelig ikke en økning i trykket. Det totale trykket i rommet over vannoverflaten øker ikke, bare andelen av dette trykket som overtas av damp øker, og følgelig reduseres andelen luft som fortrenges av damp.

Over vannet er det damp blandet med luft, over er det lag med luft uten damp. De vil uunngåelig blande seg. Vanndamp vil kontinuerlig bevege seg til høyere lag, og i stedet vil luft som ikke inneholder vannmolekyler komme inn i det nedre laget. Derfor vil det i laget nærmest vannet alltid frigjøres steder for nye vannmolekyler. Vannet vil kontinuerlig fordampe, og holde vanndamptrykket ved overflaten lik elastisitet, og prosessen vil fortsette til vannet er fullstendig fordampet.

Vi startet med eksempelet cologne og vann. Det er velkjent at de fordamper med ulik hastighet. Eter fordamper ekstremt raskt, alkohol fordamper ganske raskt, og vann mye saktere. Vi vil umiddelbart forstå hva som skjer her hvis vi i oppslagsboken finner verdiene av damptrykket til disse væskene, for eksempel ved romtemperatur. Her er tallene: eter - 437 mm Hg. Art., alkohol - 44,5 mm Hg. Kunst. og vann - 17,5 mm Hg. Kunst.

Jo større elastisitet, jo mer damp i det tilstøtende luftlaget og jo raskere fordamper væsken. Vi vet at damptrykket øker med økende temperatur. Det er klart hvorfor fordampningshastigheten øker med oppvarming.

Fordampningshastigheten kan påvirkes på en annen måte. Hvis vi vil hjelpe til med fordampning, må vi raskt fjerne dampen fra væsken, det vil si fremskynde blandingen av luften. Det er grunnen til at fordampningen akselereres kraftig ved å blåse væske. Vann, selv om det har et relativt lavt damptrykk, vil forsvinne ganske raskt hvis tallerkenen settes i vinden.

Det er derfor forståelig hvorfor en svømmer som kommer opp av vannet føler seg kald i vinden. Vinden akselererer blandingen av luft med damp og akselererer derfor fordampningen, og menneskekroppen blir tvunget til å gi fra seg varme for fordampning.

En persons velvære avhenger av om det er mye eller lite vanndamp i luften. Både tørr og fuktig luft er ubehagelig. Fuktigheten regnes som normal når den er 60 %. Dette betyr at tettheten til vanndamp er 60 % av tettheten til mettet vanndamp ved samme temperatur.

Hvis fuktig luft avkjøles, vil til slutt vanndamptrykket i den være lik damptrykket ved den temperaturen. Dampen vil bli mettet og vil begynne å kondensere til vann når temperaturen synker ytterligere. Morgenduggen som fukter gresset og bladene dukker opp nettopp på grunn av dette fenomenet.

Ved 20°C er tettheten av mettet vanndamp ca. 0,00002 g/cm3. Vi vil føle oss bra hvis det er 60 % av dette antallet vanndamp i luften - det betyr bare litt mer enn hundre tusendels gram per 1 cm 3.

Selv om dette tallet er lite, vil det føre til imponerende mengder damp for rommet. Det er ikke vanskelig å beregne at i et mellomstort rom med et areal på 12 m2 og en høyde på 3 m, kan omtrent et kilo vann "passe" i form av mettet damp.

Det betyr at dersom et slikt rom er tett lukket og en åpen tønne med vann plasseres, vil en liter vann fordampe, uansett hvilken kapasitet tønnen har.

Det er interessant å sammenligne dette resultatet for vann med tilsvarende tall for kvikksølv. Ved samme temperatur på 20°C er tettheten av mettet kvikksølvdamp 10-8 g/cm 3 .

I det nettopp diskuterte rommet vil ikke mer enn 1 g kvikksølvdamp passe.

Forresten, kvikksølvdamp er veldig giftig, og 1 g kvikksølvdamp kan alvorlig skade helsen til enhver person. Når du arbeider med kvikksølv, må du sørge for at selv den minste dråpe kvikksølv ikke søles.

Kritisk temperatur

Hvordan gjøre gass om til væske? Kokepunktdiagrammet svarer på dette spørsmålet. Du kan gjøre en gass om til en væske ved enten å senke temperaturen eller øke trykket.

På 1800-tallet virket økende trykk som en enklere oppgave enn å senke temperaturen. På begynnelsen av dette århundret klarte den store engelske fysikeren Michael Farada å komprimere gasser til damptrykkverdier og på denne måten gjøre mange gasser (klor, karbondioksid, etc.) til væske.

Noen gasser - hydrogen, nitrogen, oksygen - kunne imidlertid ikke gjøres flytende. Uansett hvor mye trykk ble økt, ble de ikke til væske. Man skulle kanskje tro at oksygen og andre gasser ikke kan være flytende. De ble klassifisert som sanne, eller permanente, gasser.

Faktisk var feilene forårsaket av manglende forståelse av en viktig omstendighet.

La oss vurdere væske og damp i likevekt og tenke på hva som skjer med dem når kokepunktet øker og selvfølgelig den tilsvarende trykkøkningen. Med andre ord, forestill deg at et punkt på den kokende grafen beveger seg oppover langs kurven. Det er klart at når temperaturen øker, ekspanderer en væske og dens tetthet avtar. Når det gjelder damp, øker kokepunktet? Selvfølgelig bidrar det til utvidelsen, men som vi allerede har sagt, øker det mettede damptrykket mye raskere enn kokepunktet. Derfor faller ikke damptettheten, men øker tvert imot raskt med økende koketemperatur.

Siden væskens tetthet avtar og dampens tetthet øker, vil vi, når vi beveger oss "opp" langs kokekurven, uunngåelig nå et punkt hvor tetthetene til væsken og dampen er like (fig. 4.3).

Ris. 4.3

På dette bemerkelsesverdige punktet, kalt det kritiske punktet, slutter kokekurven. Siden alle forskjellene mellom gass og væske er assosiert med forskjellen i tetthet, blir egenskapene til væsken og gassen de samme på det kritiske punktet. Hvert stoff har sin egen kritiske temperatur og sitt eget kritiske trykk. For vann tilsvarer det kritiske punktet en temperatur på 374 ° C og et trykk på 218,5 atm.

Hvis du komprimerer en gass hvis temperatur er under den kritiske temperaturen, vil prosessen med dens komprimering representeres av en pil som krysser kokekurven (fig. 4.4). Dette betyr at i det øyeblikk man når et trykk lik damptrykket (punktet der pilen skjærer kokekurven), vil gassen begynne å kondensere til en væske. Hvis karet vårt var gjennomsiktig, ville vi i dette øyeblikket se begynnelsen på dannelsen av et væskelag i bunnen av karet. Ved konstant trykk vil væskelaget vokse til til slutt all gassen blir til væske. Ytterligere kompresjon vil kreve økt trykk.

Ris. 4.4

Situasjonen er helt annerledes når man komprimerer en gass hvis temperatur er over den kritiske temperaturen. Komprimeringsprosessen kan igjen avbildes som en pil som går fra bunn til topp. Men nå krysser ikke denne pilen kokekurven. Dette betyr at når den komprimeres, vil dampen ikke kondensere, men bare komprimeres kontinuerlig.

Ved temperaturer over den kritiske temperaturen er eksistensen av væske og gass atskilt av et grensesnitt umulig: Når den komprimeres til en hvilken som helst tetthet, vil det være et homogent stoff under stempelet, og det er vanskelig å si når det kan kalles en gass og når en væske.

Tilstedeværelsen av et kritisk punkt viser at det ikke er noen grunnleggende forskjell mellom flytende og gassformig tilstand. Ved første øyekast kan det se ut til at det ikke er noen grunnleggende forskjell bare når vi snakker om temperaturer over kritiske. Dette er imidlertid ikke tilfelle. Eksistensen av et kritisk punkt indikerer muligheten for å gjøre en væske - en ekte væske som kan helles i et glass - til en gassform uten noen form for koking.

Denne transformasjonsbanen er vist i fig. 4.4. Et kryss markerer en kjent væske. Senker du trykket litt (pil ned) vil det koke, og det vil også koke hvis du hever temperaturen litt (pil til høyre). Men vi skal gjøre noe helt annet.Vi skal komprimere væsken veldig kraftig, til et trykk over kritisk. Punktet som representerer tilstanden til væsken vil gå vertikalt oppover. Deretter varmer vi væsken - denne prosessen er avbildet av en horisontal linje. Nå, etter at vi befinner oss til høyre for den kritiske temperaturen, senker vi trykket til den opprinnelige. Hvis du nå reduserer temperaturen, kan du få skikkelig damp, som kunne hentes fra denne væsken på en enklere og kortere måte.

Dermed er det alltid mulig, ved å endre trykk og temperatur utenom det kritiske punktet, å oppnå damp ved kontinuerlig å overføre den fra væske eller væske fra damp. Denne kontinuerlige overgangen krever ikke koking eller kondensering.

Tidlige forsøk på å flytende gasser som oksygen, nitrogen og hydrogen var mislykket fordi eksistensen av en kritisk temperatur ikke var kjent. Disse gassene har svært lave kritiske temperaturer: nitrogen -147°C, oksygen -119°C, hydrogen -240°C eller 33 K. Rekordholderen er helium, dens kritiske temperatur er 4,3 K. Konverter disse gassene til væske kan bare brukes på en måte - du må redusere temperaturen under den angitte.

Mottar lave temperaturer

En betydelig reduksjon i temperatur kan oppnås på forskjellige måter. Men ideen om alle metoder er den samme: vi må tvinge kroppen som vi ønsker å avkjøle til å bruke sin indre energi.

Hvordan gjøre dette? En måte er å få væsken til å koke uten å tilføre varme utenfra. For å gjøre dette, som vi vet, må vi redusere trykket - redusere det til verdien av damptrykk. Varmen brukt på koking vil bli lånt fra væsken og temperaturen på væsken og dampen, og med den vil damptrykket falle. Derfor, for at kokingen ikke skal stoppe og skje raskere, må luft kontinuerlig pumpes ut av karet med væsken.

Temperaturfallet under denne prosessen når imidlertid en grense: dampens elastisitet blir til slutt helt ubetydelig, og selv de kraftigste pumpene kan ikke skape det nødvendige trykket.

For å fortsette å senke temperaturen, er det mulig, ved å avkjøle gassen med den resulterende væsken, å gjøre den om til en væske med et lavere kokepunkt.

Nå kan pumpeprosessen gjentas med det andre stoffet og dermed oppnå lavere temperaturer. Om nødvendig kan denne "kaskade"-metoden for å oppnå lave temperaturer utvides.

Det var nettopp dette de gjorde på slutten av forrige århundre; Flytendegjøring av gasser ble utført i trinn: etylen, oksygen, nitrogen, hydrogen - stoffer med kokepunkter på -103, -183, -196 og -253 °C - ble sekvensielt omdannet til væske. Med flytende hydrogen kan du få den lavest kokende væsken - helium (-269°C). Naboen til venstre hjalp til med å få naboen til høyre.

Kaskadekjølemetoden er nesten hundre år gammel. I 1877 ble flytende luft oppnådd ved denne metoden.

I 1884-1885 Flytende hydrogen ble produsert for første gang. Til slutt, ytterligere tjue år senere, ble den siste festningen tatt: i 1908 gjorde Kamerlingh Onnes i byen Leiden i Holland helium til væske – et stoff med den laveste kritiske temperaturen. 70-årsjubileet for denne viktige vitenskapelige prestasjonen ble nylig feiret.

I mange år var Leiden-laboratoriet det eneste "lavtemperatur"-laboratoriet. Nå, i alle land, finnes det dusinvis av slike laboratorier, for ikke å snakke om fabrikker som produserer flytende luft, nitrogen, oksygen og helium til tekniske formål.

Kaskademetoden for å oppnå lave temperaturer brukes nå sjelden. I tekniske installasjoner for å senke temperaturen, brukes en annen metode for å redusere den indre energien til gassen: de tvinger gassen til raskt å utvide seg og produsere arbeid ved hjelp av intern energi.

Hvis for eksempel luft komprimert til flere atmosfærer settes inn i en ekspander, når arbeidet med å flytte stempelet eller rotere turbinen utføres, vil luften avkjøles så kraftig at den blir til væske. Karbondioksid, hvis det raskt slippes ut fra en sylinder, avkjøles så kraftig at det blir til "is" i farten.

Flytende gasser er mye brukt i teknologi. Flytende oksygen brukes i eksplosiv teknologi, som en komponent av drivstoffblandingen i jetmotorer.

Luft flytendegjøring brukes i teknologi for å separere gassene som utgjør luft.

Innenfor ulike teknologifelt er det nødvendig å arbeide ved flytende lufttemperatur. Men for mange fysiske studier er ikke denne temperaturen lav nok. Faktisk, hvis vi konverterer grader Celsius til en absolutt skala, vil vi se at temperaturen på flytende luft er omtrent 1/3 av romtemperaturen. Mye mer interessant for fysikk er "hydrogen" temperaturer, dvs. temperaturer i størrelsesorden 14-20 K, og spesielt "helium" temperaturer. Den laveste temperaturen oppnådd ved pumping av flytende helium er 0,7 K.

Fysikere har klart å komme mye nærmere absolutt null. Det er nå oppnådd temperaturer som overstiger absolutt null med bare noen få tusendeler av en grad. Imidlertid oppnås disse ultralave temperaturene på måter som ikke ligner de vi beskrev ovenfor.

De siste årene har lavtemperaturfysikk gitt opphav til en spesiell industrigren dedikert til produksjon av utstyr som gjør det mulig å opprettholde store volumer ved temperaturer nær det absolutte nullpunktet; Det er utviklet strømkabler hvis ledende samleskinner fungerer ved temperaturer under 10 K.

Superkjølt damp og overopphetet væske

Når dampen passerer kokepunktet, må den kondensere og bli til en væske. Derimot,; Det viser seg at hvis dampen ikke kommer i kontakt med væsken og hvis dampen er veldig ren, så er det mulig å få superkjølt eller "overmettet damp - damp som for lenge siden skulle ha blitt en væske.

Overmettet damp er veldig ustabil. Noen ganger er et dytt eller et dampkorn som kastes ut i verdensrommet nok til at den forsinkede kondenseringen begynner.

Erfaring viser at kondensering av dampmolekyler i stor grad forenkles ved innføring av små fremmede partikler i dampen. I støvete luft oppstår ikke overmetning av vanndamp. Kondens kan være forårsaket av røykskyer. Tross alt består røyk av små faste partikler. En gang i dampen samler disse partiklene molekyler rundt seg og blir kondensasjonssentre.

Så selv om det er ustabilt, kan damp eksistere i et temperaturområde som er egnet for "levetiden" til en væske.

Kan en væske "leve" i dampområdet under de samme forholdene? Med andre ord, er det mulig å overopphete en væske?

Det viser seg at det er mulig. For å gjøre dette må du sørge for at væskemolekylene ikke kommer av overflaten. Et radikalt middel er å eliminere den frie overflaten, det vil si å plassere væsken i et kar hvor den vil bli komprimert på alle sider av solide vegger. På denne måten er det mulig å oppnå overoppheting i størrelsesorden flere grader, dvs. flytte punktet som representerer væsketilstanden til høyre for kokekurven (fig. 4.4).

Overoppheting er en flytting av væske inn i dampområdet, så overoppheting av væsken kan oppnås både ved å tilføre varme og redusere trykket.

Den siste metoden kan oppnå fantastiske resultater. Vann eller annen væske, forsiktig frigjort fra oppløste gasser (dette er ikke lett å gjøre), plasseres i et kar med et stempel som når overflaten av væsken. Karet og stempelet må fuktes med væske. Hvis du nå trekker stempelet mot deg, vil vannet som fester seg til bunnen av stempelet følge det. Men vannlaget som klamrer seg til stempelet vil trekke det neste laget med vann med seg, dette laget vil trekke det underliggende, som et resultat vil væsken strekke seg.

Til slutt vil vannsøylen gå i stykker (det er vannsøylen, ikke vannet, som vil bryte seg bort fra stempelet), men dette vil skje når kraften per arealenhet når titalls kilo. Det skapes med andre ord et undertrykk på titalls atmosfærer i væsken.

Selv ved lave overtrykk er damptilstanden til stoffet stabil. Og væsken kan bringes til undertrykk. Du kan ikke tenke deg et mer slående eksempel på "overoppheting".

Smelting

Det er ingen fast kropp som tåler en temperaturøkning så mye som mulig. Før eller siden blir det faste stykket til væske; riktig, i noen tilfeller vil vi ikke kunne nå smeltepunktet - kjemisk nedbrytning kan forekomme.

Når temperaturen øker, beveger molekylene seg mer og mer intenst. Endelig kommer et øyeblikk da det blir umulig å opprettholde orden blant de sterkt "svingende" molekylene. Faststoffet smelter. Wolfram har det høyeste smeltepunktet: 3380 °C. Gull smelter ved 1063 °C, jern - ved 1539 °C. er også lavtsmeltende metaller. Kvikksølv, som kjent, smelter ved en temperatur på -39 ° C. Organiske stoffer har ikke høye smeltepunkter. Naftalen smelter ved 80 ° C, toluen - ved -94,5 ° C.

Det er slett ikke vanskelig å måle smeltepunktet til en kropp, spesielt hvis den smelter i temperaturområdet målt med et vanlig termometer. Det er slett ikke nødvendig å følge den smeltende kroppen med øynene. Bare se på kvikksølvsøylen på termometeret. Inntil smeltingen begynner, stiger kroppstemperaturen (fig. 4.5). Når smeltingen begynner, stopper temperaturøkningen og temperaturen vil forbli den samme til smelteprosessen er fullført.

Ris. 4.5

Som å gjøre en væske om til damp, krever varme å gjøre et fast stoff til en væske. Varmen som kreves for dette kalles den latente fusjonsvarmen. For eksempel krever 80 kcal å smelte ett kilo is.

Is er en av kroppene med høy fusjonsvarme. Å smelte is krever for eksempel 10 ganger mer energi enn å smelte den samme blymassen. Vi snakker selvfølgelig om selve smeltingen, vi sier ikke her at før blyet begynner å smelte, må det varmes opp til +327°C. På grunn av den høye varmen fra smelting av is, bremses smeltingen av snø. Tenk deg at smeltevarmen ville være 10 ganger mindre. Da ville vårflom føre til ufattelige katastrofer hvert år.

Så smeltevarmen til is er stor, men den er også liten sammenlignet med den spesifikke fordampningsvarmen på 540 kcal/kg (sju ganger mindre). Denne forskjellen er imidlertid helt naturlig. Når vi konverterer en væske til damp, må vi skille molekyler fra hverandre, men når vi smelter, trenger vi bare å ødelegge rekkefølgen i arrangementet av molekylene, og etterlate dem på nesten samme avstander. Det andre tilfellet krever tydeligvis mindre arbeid.

Tilstedeværelsen av et visst smeltepunkt er et viktig trekk ved krystallinske stoffer. Det er ved denne funksjonen at de lett kan skilles fra andre faste stoffer kalt amorfe eller glass. Briller finnes blant både uorganiske og organiske stoffer. Vindusglass er vanligvis laget av natrium- og kalsiumsilikater; Økologisk glass plasseres ofte på skrivebordet (også kalt plexiglass).

Amorfe stoffer, i motsetning til krystaller, har ikke et spesifikt smeltepunkt. Glasset smelter ikke, men mykner. Ved oppvarming blir et glassstykke først mykt av hardt, det kan lett bøyes eller strekkes; ved høyere temperatur begynner stykket å endre form under påvirkning av sin egen tyngdekraft. Når det varmes opp, tar den tykke viskøse glassmassen formen til karet den ligger i. Denne massen er først tykk, som honning, deretter som rømme, og blir til slutt nesten den samme lavviskøse væsken som vann. Selv om vi skulle ønske det, kan vi ikke her angi en bestemt temperatur for overgangen av et fast stoff til en væske. Årsakene til dette ligger i den grunnleggende forskjellen mellom strukturen til glass og strukturen til krystallinske legemer. Som nevnt ovenfor er atomer i amorfe legemer ordnet tilfeldig. Glass ligner i strukturen på væsker.Allerede i fast glass er molekylene tilfeldig ordnet. Dette betyr at å øke temperaturen på glasset bare øker vibrasjonsområdet til molekylene, og gir dem gradvis større og større bevegelsesfrihet. Derfor mykner glasset gradvis og viser ikke en skarp overgang fra "fast" til "flytende", karakteristisk for overgangen fra arrangementet av molekyler i en streng rekkefølge til et uordnet arrangement.

Da vi snakket om kokekurven sa vi at væske og damp kan, selv om de er i ustabil tilstand, leve i fremmede områder - damp kan superkjøles og overføres til venstre for kokekurven, væske kan overopphetes og trekkes til høyre av denne kurven.

Er lignende fenomener mulig når det gjelder en krystall med en væske? Det viser seg at analogien her er ufullstendig.

Hvis du varmer opp en krystall, vil den begynne å smelte ved smeltepunktet. Det vil ikke være mulig å overopphete krystallen. Tvert imot, når du avkjøler en væske, er det mulig, hvis visse tiltak tas, å "overskride" smeltepunktet relativt enkelt. I noen væsker er det mulig å oppnå stor hypotermi. Det finnes til og med væsker som er enkle å superkjøle, men vanskelige å få til å krystallisere. Ettersom en slik væske avkjøles, blir den stadig mer tyktflytende og stivner til slutt uten å krystallisere. Det er sånn glass er.

Du kan også superkjøle vannet. Tåkedråper kan ikke fryse selv i sterk frost. Hvis du slipper en krystall av et stoff - et frø - i en underkjølt væske, vil krystallisering umiddelbart begynne.

Til slutt, i mange tilfeller kan forsinket krystallisering begynne fra risting eller andre tilfeldige hendelser. Det er for eksempel kjent at krystallinsk glyserol først ble oppnådd under transport med jernbane. Etter å ha stått i lang tid, kan glass begynne å krystallisere (devitify, eller "kollapse", som de sier i teknologi).

Hvordan dyrke en krystall

Nesten alle stoffer kan gi krystaller under visse forhold. Krystaller kan oppnås fra en løsning eller fra en smelte av et gitt stoff, så vel som fra dets damp (for eksempel faller svarte diamantformede krystaller av jod lett ut av dampen ved normalt trykk uten en mellomliggende overgang til flytende tilstand ).

Begynn å løse opp bordsalt eller sukker i vann. Ved romtemperatur (20°C) kan du løse opp kun 70 g salt i et fasettert glass. Ytterligere tilsetninger av salt vil ikke løse seg opp og vil legge seg i bunnen i form av sediment. En løsning der ytterligere oppløsning ikke lenger skjer kalles mettet. .Hvis du endrer temperaturen, vil også graden av løselighet av stoffet endre seg. Alle vet at varmt vann løser opp de fleste stoffer mye lettere enn kaldt vann.

Se for deg nå at du har tilberedt en mettet løsning av for eksempel sukker ved en temperatur på 30°C og begynner å avkjøle den til 20°C. Ved 30 °C klarte du å løse opp 223 g sukker i 100 g vann, ved 20 °C 205 g oppløst. Deretter, når avkjølt fra 30 til 20 °C, vil 18 g vise seg å være "ekstra" og, som de sier, vil falle ut av løsningen. Så en mulig måte å oppnå krystaller på er å avkjøle en mettet løsning.

Du kan gjøre det annerledes. Forbered en mettet saltløsning og la den stå i et åpent glass. Etter en tid vil du legge merke til utseendet til krystaller. Hvorfor ble de dannet? Nøye observasjon vil vise at samtidig med dannelsen av krystaller skjedde det en annen endring - vannmengden ble redusert. Vannet fordampet, og det var et "ekstra" stoff i løsningen. Så en annen mulig måte for krystaller å danne seg på er ved fordampning av løsningen.

Hvordan skjer dannelsen av krystaller fra løsning?

Vi sa at krystaller "faller ut" av løsningen; Skal dette forstås slik at krystallen ikke var der på en uke, og på et øyeblikk dukket den plutselig opp? Nei, det er ikke tilfelle: Krystallene vokser. Det er selvfølgelig umulig å oppdage med øyet de aller første øyeblikkene av vekst. Først samles noen av de tilfeldig bevegelige molekylene eller atomene i det oppløste stoffet i omtrent den rekkefølgen som trengs for å danne et krystallgitter. En slik gruppe atomer eller molekyler kalles en kjerne.

Erfaring viser at kjerner oftere dannes i nærvær av fremmede små støvpartikler i løsningen. Krystallisering starter raskest og lettest når en liten frøkrystall plasseres i en mettet løsning. I dette tilfellet vil frigjøringen av et fast stoff fra løsningen ikke bestå i dannelsen av nye krystaller, men i veksten av frøet.

Veksten av embryoet er selvfølgelig ikke forskjellig fra veksten av frøet. Poenget med å bruke et frø er at det "trekker" det frigjorte stoffet over på seg selv og dermed forhindrer samtidig dannelse av et stort antall kjerner. Hvis det dannes mange kjerner, vil de forstyrre hverandre under veksten og vil ikke tillate oss å få store krystaller.

Hvordan blir deler av atomer eller molekyler frigjort fra løsningen fordelt på overflaten av embryoet?

Erfaring viser at veksten av et embryo eller frø så å si består i å bevege ansiktene parallelt med seg selv i en retning vinkelrett på ansiktet. I dette tilfellet forblir vinklene mellom flatene konstante (vi vet allerede at vinklenes konstantitet er den viktigste egenskapen til en krystall, som følge av gitterstrukturen).

I fig. Figur 4.6 viser konturene av tre krystaller av samme stoff under veksten. Lignende bilder kan observeres under et mikroskop. I tilfellet vist til venstre opprettholdes antall ansikter under veksten. Det midterste bildet gir et eksempel på at et nytt ansikt dukker opp (øverst til høyre) og forsvinner igjen.

Ris. 4.6

Det er veldig viktig å merke seg at veksthastigheten til ansiktene, dvs. hastigheten på deres bevegelse parallelt med seg selv, ikke er den samme for forskjellige ansikter. I dette tilfellet er det de kantene som "gror over" (forsvinner) som beveger seg raskest, for eksempel den nedre venstre kanten i det midterste bildet. Tvert imot, sakte voksende kanter viser seg å være de bredeste og, som de sier, de mest utviklede.

Dette er spesielt godt synlig i den siste figuren. Et formløst fragment får samme form som andre krystaller nettopp på grunn av veksthastighetens anisotropi. Visse fasetter utvikler seg sterkest på bekostning av andre og gir krystallen en form som er karakteristisk for alle prøver av dette stoffet.

Svært vakre overgangsformer observeres når en ball tas som et frø, og løsningen vekselvis litt avkjølt og oppvarmet. Ved oppvarming blir løsningen umettet og frøet er delvis oppløst. Avkjøling fører til metning av løsningen og vekst av frøet. Men molekylene legger seg annerledes, som om de gir preferanse til bestemte steder. Stoffet overføres dermed fra et sted av ballen til et annet.

Først vises små kanter i form av sirkler på overflaten av ballen. Sirklene øker gradvis i størrelse og, ved å berøre hverandre, smelter de sammen langs rette kanter. Ballen blir til et polyeder. Da innhenter noen ansikter andre, noen av ansiktene blir overgrodde, og krystallen får sin karakteristiske form (fig. 4.7).

Ris. 4.7

Når man observerer veksten av krystaller, blir man slått av hovedtrekket ved veksten - den parallelle bevegelsen av ansiktene. Det viser seg at det frigjorte stoffet bygger opp kanten i lag: før ett lag er ferdig, begynner ikke det neste å bygges.

I fig. Figur 4.8 viser den "uferdige" pakkingen av atomer. I hvilken av bokstavposisjonene vil det nye atomet holdes fastest når det festes til krystallen? Uten tvil, i A, siden han her opplever tiltrekningen av naboer fra tre sider, mens i B - fra to, og i C - bare fra den ene siden. Derfor er først kolonnen fullført, deretter hele flyet, og først da begynner leggingen av det nye flyet.

Ris. 4.8

I en rekke tilfeller dannes krystaller fra en smeltet masse - fra en smelte. I naturen skjer dette i stor skala: basalter, granitter og mange andre bergarter oppsto fra brennende magma.

La oss begynne å varme opp et krystallinsk stoff, for eksempel steinsalt. Opp til 804°C vil bergsaltkrystallene endre seg lite: de utvider seg bare litt, og stoffet forblir fast. En temperaturmåler plassert i et kar med et stoff viser en kontinuerlig økning i temperaturen ved oppvarming. Ved 804°C vil vi umiddelbart oppdage to nye, sammenkoblede fenomener: Stoffet vil begynne å smelte, og temperaturstigningen vil stoppe. Inntil alt stoffet blir til væske; temperaturen vil ikke endres; en ytterligere temperaturøkning betyr oppvarming av væsken. Alle krystallinske stoffer har et visst smeltepunkt. Is smelter ved 0°C, jern - ved 1527°C, kvikksølv - ved -39°C osv.

Som vi allerede vet, danner atomene eller molekylene i stoffet i hver krystall en ordnet G-pakking og utfører små vibrasjoner rundt sine gjennomsnittlige posisjoner. Når kroppen varmes opp, øker hastigheten til de oscillerende partiklene sammen med amplituden til svingningene. Denne økningen i hastigheten på partikkelbevegelse med økende temperatur utgjør en av de grunnleggende naturlovene, som gjelder materie i enhver tilstand - fast, flytende eller gass.

Når en viss, tilstrekkelig høy temperatur på krystallen er nådd, blir vibrasjonene til partiklene så energiske at et pent arrangement av partikler blir umulig - krystallen smelter. Med begynnelsen av smeltingen brukes ikke lenger varmen som tilføres til å øke hastigheten på partikler, men til å ødelegge krystallgitteret. Derfor stopper temperaturstigningen. Etterfølgende oppvarming er en økning i hastigheten til væskepartikler.

Når det gjelder krystallisering fra en smelte som interesserer oss, observeres de ovenfor beskrevne fenomenene i omvendt rekkefølge: når væsken avkjøles, bremser partiklene deres kaotiske bevegelse; ved å nå en viss, tilstrekkelig lav temperatur, er hastigheten til partiklene allerede så lav at noen av dem, under påvirkning av tiltrekningskrefter, begynner å feste seg til hverandre og danner krystallinske kjerner. Inntil alt stoffet krystalliserer, forblir temperaturen konstant. Denne temperaturen er vanligvis den samme som smeltepunktet.

Hvis det ikke gjøres spesielle tiltak, vil krystallisering fra smelten begynne mange steder samtidig. Krystallene vil vokse i form av regulære, karakteristiske polyeder på nøyaktig samme måte som vi beskrev ovenfor. Fri vekst varer imidlertid ikke lenge: Når krystallene vokser, kolliderer de med hverandre, ved kontaktpunktene stopper veksten, og den størknede kroppen får en granulær struktur. Hvert korn er en separat krystall som ikke klarte å ta sin riktige form.

Avhengig av mange forhold, og først og fremst av kjølehastigheten, kan et fast stoff ha mer eller mindre store korn: jo langsommere avkjøling, jo større korn. Kornstørrelsene til krystallinske legemer varierer fra en milliondels centimeter til flere millimeter. I de fleste tilfeller kan den granulære krystallinske strukturen observeres under et mikroskop. Faste stoffer har vanligvis akkurat en slik finkrystallinsk struktur.

Prosessen med størkning av metaller er av stor interesse for teknologi. Fysikere har studert hendelsene som skjer under støping og under størkning av metall i støpeformer i ekstremt detalj.

For det meste, når de er størknet, vokser trelignende enkeltkrystaller, kalt dendritter. I andre tilfeller er dendrittene orientert tilfeldig, i andre tilfeller - parallelt med hverandre.

I fig. Figur 4.9 viser vekststadiene til én dendritt. Med denne oppførselen kan en dendritt bli overgrodd før den møter en annen lignende. Da finner vi ikke dendritter i avstøpningen. Hendelser kan også utvikle seg annerledes: dendritter kan møtes og vokse inn i hverandre (grenene til den ene inn i mellomrommene mellom grenene til den andre) mens de fortsatt er "unge".

Ris. 4.9

Dermed kan det oppstå støpegods hvis korn (vist i fig. 2.22) har svært forskjellige strukturer. Og egenskapene til metaller avhenger betydelig av arten av denne strukturen. Du kan kontrollere oppførselen til metallet under størkning ved å endre kjølehastigheten og varmefjerningssystemet.

La oss nå snakke om hvordan du dyrker en stor enkeltkrystall. Det er klart at det må gjøres tiltak for å sikre at krystallen vokser fra ett sted. Og hvis flere krystaller allerede har begynt å vokse, er det i alle fall nødvendig å sikre at vekstforholdene er gunstige for bare en av dem.

Her er for eksempel hva man gjør når man dyrker krystaller av lavtsmeltende metaller. Metallet smeltes i et glassreagensrør med enden trukket ut. Et reagensrør hengt på en gjenge inne i en vertikal sylindrisk ovn senkes sakte ned. Den trukket enden forlater gradvis ovnen og avkjøles. Krystallisering begynner. Til å begynne med dannes det flere krystaller, men de som vokser sidelengs hviler mot veggen i reagensrøret og veksten avtar. Bare krystallen som vokser langs reagensrørets akse, dvs. dypt ned i smelten, vil være under gunstige forhold. Når reagensrøret faller ned, vil nye deler av smelten som kommer inn i lavtemperaturområdet "mate" denne enkeltkrystallen. Derfor, av alle krystallene, er det den eneste som overlever; mens reagensrøret synker, fortsetter det å vokse langs sin akse. Til slutt stivner alt det smeltede metallet til en enkelt krystall.

Den samme ideen ligger til grunn for dyrking av ildfaste rubinkrystaller. Fint pulver av stoffet sprayes gjennom flammen. Pulveret smelter; små dråper faller ned på en ildfast støtte på et veldig lite område, og danner mange krystaller. Når dråpene fortsetter å falle ned på stativet, vokser alle krystallene, men igjen vokser bare den som er i den gunstigste posisjonen til å "motta" de fallende dråpene.

Hva trengs store krystaller til?

Industri og vitenskap trenger ofte store enkeltkrystaller. Av stor betydning for teknologien er krystaller av Rochelle-salt og kvarts, som har den bemerkelsesverdige egenskapen å konvertere mekaniske handlinger (for eksempel trykk) til elektrisk spenning.

Den optiske industrien trenger store krystaller av kalsitt, steinsalt, fluoritt, etc.

Klokkeindustrien trenger krystaller av rubiner, safirer og noen andre edelstener. Faktum er at de enkelte bevegelige delene på en vanlig klokke gir opptil 20 000 vibrasjoner i timen. En så stor belastning stiller uvanlig høye krav til kvaliteten på akseltuppene og lagrene. Slitasje vil være minst når lageret for akseltuppen med en diameter på 0,07-0,15 mm er rubin eller safir. Kunstige krystaller av disse stoffene er svært holdbare og slites svært lite av stål. Det er bemerkelsesverdig at kunststein viser seg å være bedre enn de samme natursteinene.

Den største betydningen for industrien er imidlertid veksten av halvleder-enkeltkrystaller - silisium og germanium.

Effekt av trykk på smeltepunkt

Hvis du endrer trykket, vil også smeltepunktet endres. Vi møtte det samme mønsteret da vi snakket om koking. Jo høyere trykk; jo høyere kokepunkt. Dette gjelder generelt også for smelting. Imidlertid er det et lite antall stoffer som oppfører seg unormalt: deres smeltepunkt synker med økende trykk.

Faktum er at det store flertallet av faste stoffer er tettere enn deres flytende motstykker. Unntaket fra denne regelen er nettopp de stoffene hvis smeltepunkt endres med en trykkendring på en uvanlig måte, for eksempel vann. Is er lettere enn vann, og isens smeltepunkt synker når trykket øker.

Kompresjon fremmer dannelsen av en tettere tilstand. Hvis et fast stoff er tettere enn en væske, hjelper kompresjon med å størkne og forhindrer smelting. Men hvis smelting vanskeliggjøres ved kompresjon, betyr dette at stoffet forblir fast, mens det tidligere ved denne temperaturen allerede ville ha smeltet, dvs. med økende trykk øker smeltetemperaturen. I det unormale tilfellet er væsken tettere enn faststoffet, og trykk hjelper til med dannelsen av væsken, dvs. senker smeltepunktet.

Effekten av trykk på smeltepunktet er mye mindre enn tilsvarende effekt på koking. En økning i trykket med mer enn 100 kgf/cm2 senker isens smeltepunkt med 1°C.

Hvorfor glir skøyter bare på is, men ikke på like glatt parkett? Tilsynelatende er den eneste forklaringen dannelsen av vann, som smører skøyten. For å forstå motsetningen som har oppstått, må du huske følgende: dumme skøyter glir veldig dårlig på isen. Skøyter må slipes slik at de kan kutte is. I dette tilfellet er det kun spissen av skøytekanten som trykker på isen. Trykket på isen når titusenvis av atmosfærer, men isen smelter fortsatt.

Fordampning av faste stoffer

Når de sier "et stoff fordamper", mener de vanligvis at en væske fordamper. Men faste stoffer kan også fordampe. Noen ganger kalles fordampning av faste stoffer sublimering.

Et fordampende fast stoff er for eksempel naftalen. Naftalen smelter ved 80°C og fordamper ved romtemperatur. Det er denne egenskapen til naftalen som gjør at den kan brukes til å utrydde møll.

En pels dekket med møllkuler er mettet med naftalendamper og skaper en atmosfære som møll ikke tåler. Hvert luktende faststoff sublimerer i betydelig grad. Tross alt er lukten skapt av molekyler som bryter seg vekk fra stoffet og når nesen vår. Men hyppigere tilfeller er når et stoff sublimerer i liten grad, noen ganger i en grad som ikke kan oppdages selv ved svært nøye forskning. I prinsippet fordamper ethvert fast stoff (og det er ethvert fast stoff, til og med jern eller kobber). Hvis vi ikke oppdager sublimering, betyr dette bare at tettheten til metningsdampen er svært ubetydelig.

Du kan verifisere at en rekke stoffer som har en skarp lukt ved romtemperatur, mister den ved lave temperaturer.

Tettheten av mettet damp i likevekt med et fast stoff øker raskt med økende temperatur. Vi illustrerer denne oppførselen med iskurven vist i fig. 4.10. Det er sant at is ikke lukter...

Ris. 4.10

I de fleste tilfeller er det umulig å øke den mettede damptettheten til et fast legeme betydelig av en enkel grunn - stoffet vil smelte tidligere.

Isen fordamper også. Dette er velkjent for husmødre som henger vått tøy til tørk i kaldt vær." Vannet fryser først, og så fordamper isen, og tøyet viser seg å være tørt.

Trippelpunkt

Så det er forhold under hvilke damp, væske og krystall kan eksistere i par i likevekt. Kan alle tre tilstander være i likevekt? Et slikt punkt på trykk-temperaturdiagrammet eksisterer; det kalles trippel. Hvor er det?

Hvis du plasserer vann med flytende is i et lukket kar ved null grader, vil vann (og "is") damp begynne å strømme inn i det ledige rommet. Ved et damptrykk på 4,6 mm Hg. Kunst. fordampning vil stoppe og metning vil begynne. Nå vil de tre fasene - is, vann og damp - være i en likevektstilstand. Dette er trippelpunktet.

Forholdet mellom forskjellige tilstander er klart og tydelig vist av diagrammet for vann vist i fig. 4.11.

Ris. 4.11

Et slikt diagram kan konstrueres for enhver kropp.

Kurvene i figuren er kjent for oss – dette er likevektskurvene mellom is og damp, is og vann, vann og damp. Trykk plottes vertikalt, som vanlig er temperatur plottet horisontalt.

De tre kurvene skjærer hverandre i trippelpunktet og deler diagrammet inn i tre regioner - livsrommene for is, vann og vanndamp.

Et tilstandsdiagram er en kondensert referanse. Målet er å svare på spørsmålet om hvilken tilstand av kroppen som er stabil ved slikt og slikt trykk og slik og slik temperatur.

Hvis vann eller damp plasseres under forholdene i "venstreregionen", vil de bli til is. Hvis du legger til en væske eller et fast stoff til den "nedre regionen", får du damp. I "riktig område" vil dampen kondensere og isen vil smelte.

Faseeksistensdiagrammet lar deg umiddelbart svare på hva som vil skje med et stoff når det oppvarmes eller komprimeres. Oppvarming ved konstant trykk er representert på diagrammet med en horisontal linje. Et punkt som representerer kroppens tilstand beveger seg langs denne linjen fra venstre til høyre.

Figuren viser to slike linjer, en av dem varmes opp ved normalt trykk. Linjen ligger over trippelpunktet. Derfor vil den først skjære smeltekurven, og deretter, utenfor tegningen, fordampningskurven. Is ved normalt trykk vil smelte ved en temperatur på 0°C, og det resulterende vannet vil koke ved 100°C.

Situasjonen vil være annerledes for is oppvarmet ved svært lavt trykk, for eksempel rett under 5 mmHg. Kunst. Oppvarmingsprosessen er avbildet av en linje som går under trippelpunktet. Smelte- og kokekurvene skjærer ikke denne linjen. Ved et så lavt trykk vil oppvarming føre til en direkte overgang av is til damp.

I fig. 4.12 viser samme diagram hvilket interessant fenomen som vil oppstå når vanndamp komprimeres i tilstanden markert med kryss i figuren. Dampen vil først bli til is og deretter smelte. Tegningen lar deg umiddelbart fortelle ved hvilket trykk krystallen vil begynne å vokse og når smelting vil skje.

Ris. 4.12

Fasediagrammene for alle stoffene ligner hverandre. Store, fra et hverdagslig synspunkt, oppstår forskjeller på grunn av at plasseringen av trippelpunktet på diagrammet kan være svært forskjellig for ulike stoffer.

Tross alt eksisterer vi nær "normale forhold", det vil si primært ved et trykk nær én atmosfære. Hvordan trippelpunktet til et stoff ligger i forhold til normaltrykklinjen er veldig viktig for oss.

Hvis trykket ved trippelpunktet er mindre enn atmosfærisk, er stoffet for oss, som lever under "normale" forhold, klassifisert som smelting. Når temperaturen øker, blir den først til væske og koker deretter.

I motsatt tilfelle - når trykket ved trippelpunktet er høyere enn atmosfærisk - vil vi ikke se væske ved oppvarming, det faste stoffet vil direkte bli til damp. Dette er hvordan "tørris" oppfører seg, noe som er veldig praktisk for iskremselgere. Isbriketter kan overføres med biter av "tørris" og ikke vær redd for at isen blir våt. "Tørris" er fast karbondioksid C0 2. Trippelpunktet til dette stoffet ligger ved 73 atm. Derfor, når fast CO 2 varmes opp, beveger punktet som representerer dets tilstand horisontalt, og krysser bare fordampningskurven til faststoffet (det samme som for vanlig is ved et trykk på ca. 5 mm Hg).

Vi har allerede fortalt leseren hvordan én temperaturgrad bestemmes på Kelvin-skalaen, eller, som SI-systemet nå krever at vi sier, én kelvin. Imidlertid snakket vi om prinsippet om temperaturbestemmelse. Ikke alle metrologiinstitutter har ideelle gasstermometre. Derfor bygges temperaturskalaen ved hjelp av likevektspunkter som er fastlagt av naturen mellom forskjellige materietilstander.

Vannets trippelpunkt spiller en spesiell rolle i dette. En grad Kelvin er nå definert som den 273.16. delen av den termodynamiske temperaturen til trippelpunktet til vann. Trippelpunktet for oksygen antas å være 54,361 K. Størkningstemperaturen til gull er satt til 1337,58 K. Ved å bruke disse referansepunktene kan ethvert termometer kalibreres nøyaktig.

De samme atomene, men... forskjellige krystaller

Den mattsvarte myke grafitten vi skriver med og den skinnende gjennomsiktige harde glassskjærende diamanten er bygget av de samme karbonatomene. Hvorfor er egenskapene til disse to identiske stoffene så forskjellige?

Tenk på gitteret av lagdelt grafitt, hvor hvert atom har tre nærmeste naboer, og gitteret av diamant, hvis atom har fire nærmeste naboer. Dette eksemplet viser tydelig at egenskapene til krystaller bestemmes av det relative arrangementet av atomer. Brannsikre digler er laget av grafitt som tåler temperaturer opp til to til tre tusen grader, og diamant brenner ved temperaturer over 700°C; tettheten av diamant er 3,5, og grafitt - 2,3; grafitt leder elektrisitet, diamant ikke osv.

Det er ikke bare karbon som har denne egenskapen til å produsere forskjellige krystaller. Nesten hvert kjemisk element, og ikke bare et element, men ethvert kjemisk stoff, kan eksistere i flere varianter. Det er seks varianter av is, ni varianter av svovel og fire varianter av jern.

Når vi diskuterte fasediagrammet, snakket vi ikke om forskjellige typer krystaller og tegnet et enkelt område av faststoffet. Og denne regionen for mange stoffer er delt inn i seksjoner, som hver tilsvarer en viss "type" av et fast stoff eller, som de sier, en viss fast fase (en viss krystallinsk modifikasjon).

Hver krystallinsk fase har sin egen region med stabil tilstand, begrenset av et visst område av trykk og temperaturer. Lovene for transformasjon av en krystallinsk variant til en annen er de samme som lovene for smelting og fordampning.

For hvert trykk kan du spesifisere temperaturen der begge typer krystaller fredelig vil eksistere side om side. Hvis du øker temperaturen, vil en krystall av den ene typen bli til en krystall av den andre typen. Hvis du senker temperaturen, vil den omvendte transformasjonen skje.

For at rødt svovel skal bli gult ved normalt trykk, er det nødvendig med en temperatur under 110°C. Over denne temperaturen, opp til smeltepunktet, er rekkefølgen av arrangement av atomer som er karakteristiske for rødt svovel stabil. Temperaturen synker, vibrasjonene til atomer avtar, og fra 110°C finner naturen et mer praktisk arrangement av atomer. Det er en transformasjon av en krystall til en annen.

Ingen kom opp med navn på seks forskjellige iser. Det er det de sier: is en, is to, ...., is syv. Hva med sju hvis det bare er seks varianter? Faktum er at is fire ikke ble oppdaget under gjentatte eksperimenter.

Hvis du komprimerer vann ved en temperatur nær null, dannes det ved et trykk på omtrent 2000 atm is fem, og ved et trykk på omtrent 6000 atm dannes det seks.

Is to og is tre er stabile ved temperaturer under null grader.

Is syv er varm is; det oppstår når varmt vann komprimeres til trykk på omtrent 20 000 atm.

All is, bortsett fra vanlig is, er tyngre enn vann. Is produsert under normale forhold oppfører seg unormalt; tvert imot, is oppnådd under andre forhold enn normen oppfører seg normalt.

Vi sier at hver krystallinsk modifikasjon er preget av en viss eksistensregion. Men i så fall, hvordan eksisterer grafitt og diamant under de samme forholdene?

Slik "lovløshet" forekommer veldig ofte i krystallverdenen. Evnen til å leve under "fremmede" forhold er nesten en regel for krystaller. Hvis man for å overføre damp eller væske til fremmede eksistensområder må ty til forskjellige triks, så kan en krystall tvert imot nesten aldri tvinges til å forbli innenfor grensene som er tildelt den av naturen.

Overoppheting og overkjøling av krystaller forklares av vanskeligheten med å konvertere en ordre til en annen under ekstremt overfylte forhold. Gult svovel skal bli rødt ved 95,5°C. Med mer eller mindre rask oppvarming vil vi "overskyte" dette transformasjonspunktet og bringe temperaturen til svovelsmeltepunktet på 113°C.

Den sanne transformasjonstemperaturen er lettest å oppdage når krystallene kommer i kontakt. Hvis de er tett plassert oppå hverandre og temperaturen holdes på 96°C, vil det gule spises opp av det røde, og ved 95°C vil det gule absorbere det røde. I motsetning til "krystall-væske"-overgangen, er "krystall-krystall"-transformasjoner vanligvis forsinket både under underkjøling og overoppheting.

I noen tilfeller har vi å gjøre med materietilstander som bør leve ved helt andre temperaturer.

Hvit tinn skal bli grå når temperaturen synker til +13°C. Vi holder vanligvis på med hvit tinn og vet at det ikke gjøres noe med det om vinteren. Den tåler perfekt hypotermi på 20-30 grader. Men under tøffe vinterforhold blir hvit tinn til grå. Uvitenhet om dette var en av omstendighetene som ødela Scotts ekspedisjon til Sydpolen (1912). Det flytende drivstoffet som ble tatt av ekspedisjonen var i kar loddet med tinn. I ekstrem kulde ble hvit tinn til grå pulver - karene var uloddet; og drivstoffet rant ut. Det er ikke for ingenting at utseendet til grå flekker på hvitt tinn kalles tinnpest.

Som med svovel kan hvitt tinn omdannes til grått ved temperaturer like under 13°C; med mindre et lite korn av den grå varianten faller på en blikkgjenstand.

Eksistensen av flere varianter av samme stoff og forsinkelser i deres gjensidige transformasjoner er av stor betydning for teknologien.

Ved romtemperatur danner jernatomer et kroppssentrert kubisk gitter, der atomene opptar posisjoner ved hjørnene og i midten av kuben. Hvert atom har 8 naboer. Ved høye temperaturer danner jernatomer en tettere "pakking" - hvert atom har 12 naboer. Jern med 8 naboer er mykt, jern med 12 naboer er hardt. Det viser seg at det er mulig å få tak i jern av den andre typen ved romtemperatur. Denne metoden - herding - er mye brukt i metallurgi.

Herding gjøres veldig enkelt - en metallgjenstand varmes opp rødglødende og deretter kastes i vann eller olje. Avkjøling skjer så raskt at transformasjonen av en struktur som er stabil ved høye temperaturer ikke rekker å skje. Dermed vil høytemperaturstrukturen eksistere på ubestemt tid i lang tid under forhold som er uvanlige for den: omkrystallisering til en stabil struktur skjer så sakte at den er praktisk talt umerkelig.

Når vi snakket om herding av jern var vi ikke helt nøyaktige. Stål er herdet, det vil si jern som inneholder fraksjoner av en prosent karbon. Tilstedeværelsen av svært små karbonurenheter forsinker omdannelsen av hardt jern til mykt og tillater herding. Når det gjelder helt rent jern, er det ikke mulig å herde det - transformasjonen av strukturen klarer å skje selv med den raskeste avkjølingen.

Avhengig av type tilstandsdiagram, skiftende trykk eller temperatur, oppnås en eller annen transformasjon.

Mange krystall-til-krystall-transformasjoner observeres med endringer i trykk alene. Svart fosfor ble oppnådd på denne måten.

Ris. 4.13

Det var mulig å transformere grafitt til diamant kun ved å bruke både høy temperatur og høyt trykk samtidig. I fig. Figur 4.13 viser fasediagrammet for karbon. Ved trykk under ti tusen atmosfærer og ved temperaturer under 4000 K er grafitt en stabil modifikasjon. Dermed lever diamant under "fremmede" forhold, så det kan gjøres om til grafitt uten store problemer. Men det omvendte problemet er av praktisk interesse. Det er ikke mulig å forvandle grafitt til diamant ved å øke trykket alene. Fasetransformasjonen i fast tilstand er tilsynelatende for langsom. Utseendet til fasediagrammet antyder den riktige løsningen: øk trykket og varmen samtidig. Da får vi (høyre hjørne av diagrammet) smeltet karbon. Ved å avkjøle den ved høyt trykk bør vi komme inn i diamantområdet.

Den praktiske muligheten for en slik prosess ble bevist i 1955, og problemet anses nå som teknisk løst.

Utrolig væske

Hvis du senker temperaturen på en kropp, vil den før eller siden stivne og få en krystallinsk struktur. Det spiller ingen rolle ved hvilket trykk kjølingen skjer. Denne omstendigheten virker helt naturlig og forståelig sett fra fysikkens lover, som vi allerede har blitt kjent med. Faktisk, ved å senke temperaturen, reduserer vi intensiteten av termisk bevegelse. Når bevegelsen til molekyler blir så svak at den ikke lenger forstyrrer kreftene i samspillet mellom dem, vil molekylene stille seg opp i en ryddig rekkefølge - de vil danne en krystall. Ytterligere avkjøling vil ta bort all energien til bevegelsene deres fra molekylene, og ved absolutt null må stoffet eksistere i form av hvilende molekyler arrangert i et vanlig gitter.

Erfaring viser at alle stoffer oppfører seg slik. Alt bortsett fra én ting: helium er et slikt "monster".

Vi har allerede gitt leseren litt informasjon om helium. Helium har rekorden for sin kritiske temperatur. Ingen stoffer har en kritisk temperatur lavere enn 4,3 K. Denne rekorden i seg selv betyr imidlertid ikke noe overraskende. En annen ting er slående: kjøling av helium under den kritiske temperaturen, når nesten absolutt null, vil vi ikke få fast helium. Helium forblir flytende selv ved absolutt null.

Heliums oppførsel er helt uforklarlig fra synspunktet til bevegelseslovene vi har skissert og er et av tegnene på den begrensede gyldigheten til slike naturlover som virket universelle.

Hvis et legeme er flytende, er dets atomer i bevegelse. Men ved å avkjøle kroppen til absolutt null, har vi tatt bort all bevegelsesenergien fra den. Vi må innrømme at helium har en slik bevegelsesenergi som ikke kan tas bort. Denne konklusjonen er uforenlig med mekanikken vi har studert så langt. I henhold til denne mekanikken vi har studert, kan bevegelsen til en kropp alltid bremses ned til fullstendig stopp, og tar bort all dens kinetiske energi; på samme måte kan du stoppe bevegelsen til molekyler ved å ta fra energien deres når de kolliderer med veggene i et avkjølt kar. For helium er slik mekanikk tydeligvis ikke egnet.

Den "merkelige" oppførselen til helium er en indikasjon på et faktum av stor betydning. For første gang møtte vi umuligheten av å anvende i atomenes verden de grunnleggende lovene for mekanikk etablert ved direkte studie av bevegelsen til synlige legemer - lover som så ut til å være fysikkens urokkelige grunnlag.

Det faktum at helium ved absolutt null "nekter" å krystallisere kan ikke på noen måte forenes med mekanikken vi har studert så langt. Motsetningen som vi møtte for første gang - at atomenes verden ikke er underordnet mekanikkens lover - er bare det første leddet i en kjede av enda mer akutte og drastiske motsetninger i fysikken.

Disse motsetningene fører til behovet for å revidere det grunnleggende i atomverdenens mekanikk. Denne revisjonen er veldig dyptgripende og fører til en endring i hele vår forståelse av naturen.

Behovet for en radikal revisjon av mekanikken i atomverdenen betyr ikke at vi trenger å sette en stopper for mekanikkens lover som vi har studert. Det ville være urettferdig å tvinge leseren til å studere unødvendige ting. Den gamle mekanikken er fullstendig gyldig i verden av store kropper. Dette alene er nok til å behandle de relevante kapitlene i fysikk med full respekt. Det er imidlertid også viktig at en rekke lover for "gammel" mekanikk går over i "ny" mekanikk. Dette inkluderer spesielt loven om bevaring av energi.

Tilstedeværelsen av "u-fjernbar" energi ved absolutt null er ikke en spesiell egenskap ved helium. Viser seg; Alle stoffer har "null" energi.

Bare i helium er denne energien tilstrekkelig til å forhindre at atomene danner et vanlig krystallgitter.

Ikke tro at helium ikke kan være i krystallinsk tilstand. For å krystallisere helium trenger du bare å øke trykket til ca. 25 atm. Avkjøling utført ved høyere trykk vil resultere i dannelse av fast krystallinsk helium med helt normale egenskaper. Helium danner et ansiktssentrert kubisk gitter.

I fig. Figur 4.14 viser fasediagrammet for helium. Det skiller seg kraftig fra diagrammene over alle andre stoffer i fravær av et trippelpunkt. Smelte- og kokekurver skjærer ikke hverandre.

Ris. 4.14

Og dette unike tilstandsdiagrammet har en funksjon til: det er to forskjellige heliumvæsker. Du vil finne ut hva forskjellen deres er litt senere.

Over alle væsker, som et resultat av deres fordampning, etableres en likevekt mellom væske og damp, og følgelig et visst damptrykk. Størrelsen på dette trykket avhenger av væskens natur og temperaturen. Med økende temperatur øker den kinetiske energien til molekyler i en væske, flere og flere av dem er i stand til å gå over i gassfasen og følgelig øker damptrykket over væsken (Figur 4).

Figur 4 – Vanndamptrykkkurve

Temperaturen der damptrykket blir lik det ytre trykket kalles kokepunkt. Skjæringspunktet (Figur 4) til den horisontale rette linjen som tilsvarer et trykk på 760 mm Hg. Art., og damptrykkskurven tilsvarer kokepunktet ved normalt trykk. Enhver væske som ikke brytes ned når den varmes opp til en temperatur der damptrykket blir lik 760 mm Hg. Art., har sitt eget karakteristiske kokepunkt ved normalt atmosfærisk trykk. Figur 4 viser også at ved et trykk på 200 mm Hg. Kunst. vann ville koke ved omtrent 66°C. Denne avhengigheten av kokepunktet av trykk brukes i laboratoriepraksis og industri for destillasjon uten dekomponering av stoffer som koker ved høye temperaturer (vakuumdestillasjon). En rekke oppslagsbøker og lærebøker inneholder nomogrammer som lar en relatere kokepunkter ved atmosfærisk trykk og i vakuum, dvs. bestemme det maksimale resttrykket som bør være i en destillasjonsenhet for at et stoff skal destilleres under spaltningstemperaturen. (se f.eks. /3, s. 32/).

Andre modifikasjoner av destillasjon tjener også samme formål (rensing av høytkokende stoffer). For eksempel lar dampdestillasjon deg destillere et høytkokende stoff ved atmosfærisk trykk, men damptrykket over overflaten av væsken, lik atmosfærisk trykk, er summen av partialtrykket til selve stoffet og vanndamp. I denne metoden blåses vanndamp (boble) gjennom tykkelsen på stoffet i destillasjonskuben.

I de fleste tilfeller bestemmes kokepunktet under destillasjonen av et stoff under renseprosessen. Om nødvendig kan det brukes å bestemme kokepunktet for en liten mengde væske Sivolobovs mikrometode(Figur 6).

For å utføre det kan du bruke en standard enhet for å bestemme smeltepunktet, beskrevet ovenfor (figur 5). En dråpe væske plasseres i et tynnvegget glassrør (6) - diameter ~ 3 mm - forseglet i den ene enden. En kapillær (4), forseglet i den øvre enden, senkes ned i røret, røret festes til termometeret med et elastisk bånd (5) og varmes opp i anordningen til det begynner å komme bobler ut av kapillæren i en kontinuerlig strøm . Temperaturen ved hvilken kontinuerlig utslipp av bobler begynte er notert. Det tilsvarer kokepunktet til væsken. Pass på å registrere atmosfærisk trykk ved hjelp av et barometer. Ved hjelp av kokepunktverdien kan et stoff identifiseres og dets renhet bestemmes.