Etanol, alkollü içeceklerin ana maddesidir. Sıradan votka bunun% 40'ına mal oluyor. Günlük yaşamda buna alkol denir. Aslında bu terim çok büyük bir organik madde sınıfını karakterize etse de. Normal basınçta alkolün kaynama noktası 78.3 santigrat derecedir. Bu sadece seyreltilmemiş etanol için geçerlidir. Bir alkol çözeltisinin kaynama noktası genellikle biraz daha düşüktür. Bu yazıda etanolün ne olduğunu anlayacağız. Ayrıca fiziksel ve kimyasal özelliklerini, üretim ve uygulama özelliklerini tartışacağız. Alkolün kaynama noktasının ne olduğu konusundaki ana soruyu atlamayacağız.

Genel bilgi

Etanol en ünlü alkollerden biridir. Molekülünün bileşimi karbon, hidrojen ve oksijen gibi elementleri içerir. Etanolün kimyasal formülü C 2 H 6 O'dur. Belirli bir alkollü kokusu olan renksiz bir sıvıdır. Sudan daha hafiftir. Alkolün kaynama noktası 78.39 santigrat derecedir. Ama bu normal basınçta. Rektifiye edilmiş alkolün kaynama noktası 78.15 santigrat derecedir. %4.43 su içerir. Etil alkolün kaynama noktası ne kadar seyreltikse o kadar düşüktür.

Günlük yaşamda ve endüstride uygulama

Etil alkol mükemmel bir çözücüdür. Şekerin maya ile fermente edilmesiyle üretilir. Sovyet sonrası ülkelerin birçok köyünde hala evde yapılıyor. Ortaya çıkan alkollü içeceğe kaçak içki denir. Etil alkol, insan tarafından kullanılan en eski eğlence amaçlı uyuşturucudur. Çok miktarda tüketilirse alkol zehirlenmesine neden olabilir.

Etanol uçucu yanıcı bir maddedir. Evlerde ve sanayide antiseptik, solvent, yakıt ve cıvasız termometrelerde aktif sıvı (-114 derecede donar) olarak kullanılır.

Alkolün basınca karşı kaynama noktası

Maddelerin fiziksel özellikleri referans kitaplarında belirtildiğinde, tüm bu ölçümlerin sözde normal koşullar altında yapıldığı anlaşılmalıdır. Basınç arttıkça etanolün kaynama noktası düşer. Bugün bu konuda referans verileri sağlayan birçok tablo bulabilirsiniz. 780 mmHg'de etanol 78.91 santigrat derecede, 770 - 78.53ºC'de, 760 - 78.15ºC'de, 750 - 77.77ºC'de, 740 - 77.39ºC'de, 720 - 76.63ºC'de kaynar.

Metil alkolün kaynama noktası

CH3OH başlangıçta ahşabın yıkıcı damıtılmasının bir yan ürünü olarak üretildi. Bugüne kadar doğrudan karbondioksit ve hidrojenden elde edildi. Etanole çok benzer kokuyor. Bununla birlikte, metanol oldukça zehirlidir ve insan ölümüne yol açabilir. Alkolün kaynama noktası 64.7 santigrat derecedir. Antifriz ve çözücü olarak kullanılır. Biyodizel yakıtı üretiminde de kullanılmaktadır.

Üretim geçmişi

Etanol üretmek için şekerin fermantasyonu, insanlığın hizmetindeki en eski biyoteknolojilerden biridir. Buna dayalı içeceklerin sarhoş edici etkisi eski çağlardan beri bilinmektedir. İnsanlar her zaman bunun neden olduğu değişen bilinç durumunu sevmişlerdir. 9.000 yıl önce bile Çinliler alkollü içecekleri biliyorlardı. Bir süreç olarak damıtma, Araplar ve Yunanlılar tarafından iyi biliniyordu, ancak yeterince şarapları vardı. Simyacılar ondan alkol üretmeyi ancak 12. yüzyılda öğrendiler. Sentetik olarak, etanol ilk olarak sadece 1825'te Michael Faraday tarafından üretildi.

kimya ve tıp

Etanol esas olarak diğer maddelerin üretimi için hammadde ve çözücü olarak kullanılır. Günlük yaşamda günlük olarak kullanılan birçok ev kimyasalının bileşenlerinden biridir. Etanol ön cam sileceklerinde ve antifrizde bulunur. Tıpta en basit antiseptik olarak kullanılır. İyi dezenfekte eder ve yaraları kurutur. Ayrıca her türlü tentür ve özüt yapımında kullanılır. Ayrıca iyi soğutur ve ısıtır. Diğer ilaçların yokluğunda anestezik olarak kullanıldı.

Toplum ve kültür

2002'de yayınlanan bir araştırma, araba kazalarındaki ölümlerin %41'inin alkollü araç kullanmaktan kaynaklandığını ortaya koydu. Sürücünün kanındaki alkol içeriği ne kadar yüksekse, risk o kadar fazladır. Alkollü içeceklerin kullanımı uzun bir geçmişe sahiptir. Birçok çalışma bu sosyal olguya ayrılmıştır. Alkollü içeceklerin içilme süreci ve sarhoşluk birçok sanat eserinde anlatılmaktadır. Ünlü Yeni Yıl filmi "Kaderin İronisi veya Banyonun Keyfini Çıkarın!" komedi biçiminde de olsa, sadece alkol kötüye kullanımının sonuçlarına ayrılmıştır. Pek çok yaratıcı insan, alkolü yeni fikirler üretmek için gerekli bir unsur veya stresin üstesinden gelmenin kolay bir yolu olarak kullanmıştır. Çoğu modern kültürde ölçülü içme kabul edilebilir ve hatta arzu edilir. Alkol içmek birçok bayramda bir gelenektir. İstisna İslam'dır. Bu dinin hükümlerine göre, herhangi bir alkollü içki içmek büyük bir günahtır.

Alkolizm ve sonuçları

Aşırı içki içmek bir hastalıktır. Votka veya diğer güçlü içeceklere fiziksel ve zihinsel bağımlılık ile karakterizedir, bir tür madde bağımlılığıdır. Alkolikler ne kadar içtikleri konusunda kontrollerini kaybederler. Eğlenmek için gittikçe daha fazlasına ihtiyaçları var. Nüfusun refahını iyileştirmenin yalnızca alkollü içecek tüketiminde bir artışa yol açtığına inanılmaktadır. İlk kez, İsveçli doktor M. Huss, 1849'da kronik alkolizm çalışmasına başladı. Sistematik alkol kullanan bir kişide ortaya çıkan bir dizi patolojik değişikliği seçti. Şimdi bilim adamları sarhoşluk ve alkolizm arasında net bir çizgi çiziyor. İkincisi, kişinin kendisinin baş edemediği bir hastalıktır. Gelişiminde birkaç aşamadan geçer. Her yeni aşamada, bağımlılıkta kademeli bir artış vardır. Hastanın artan bir doza ihtiyacı vardır. Yavaş yavaş, kronik alkol zehirlenmesi somatik bozukluklara yol açar. Fiziksel ve zihinsel bağımlılığın ilk belirtileri, kullanım üzerindeki kontrolün kaybedilmesi ve kanamaların ortaya çıkmasıdır. Şiddetli alkolizmi olan kişiler, iç organların çalışmalarındaki arızalar ve zihinsel bozukluklarla ayırt edilir.

Tedavi ve korunma

Alkol bağımlılığı ile savaşmak için uyuşturucu gereklidir. İlk olarak, vücuttaki arızaları gidermek için ilaçlara ihtiyaç vardır. İkincisi, alkolle uyumlu olmayan ilaçlar zorunludur. Tedavi sırasında aşırı içki içmenin ölümüne yol açabileceği hastanın dikkatine sunulur. Ayrıca psikologlar hastalarla çalışmalıdır. Görevleri, tedavinin etkisini pekiştirmek ve olumsuz bir sarhoşluk imajı oluşturmaktır. Eski alkoliklerin sosyal rehabilitasyonu da zorunludur. Aileye geri dönmek için bir kişinin toplumdaki yerini bulmasına yardımcı olmak önemlidir. Mutlu insanlar sarhoş olmaz. Bu nedenle, alkolizmin tedavisi daha çok bir psikoloğun becerilerine bağlıdır.

Kaynamak- Bu, belirli bir sıcaklıkta sıvının tüm hacmi boyunca buhar kabarcıklarının oluşmasıyla meydana gelen, sıvının buhara yoğun bir geçişidir.

Kaynama sırasında sıvının ve üzerindeki buharın sıcaklığı değişmez. Tüm sıvı kaynayana kadar değişmeden kalır. Bunun nedeni, sıvıya verilen tüm enerjinin onu buhara dönüştürmek için harcanmasıdır.

Bir sıvının kaynadığı sıcaklığa denir kaynama noktası.

Kaynama noktası, sıvının serbest yüzeyine uygulanan basınca bağlıdır. Bu, doymuş buhar basıncının sıcaklığa bağımlılığından kaynaklanmaktadır. Bir buhar kabarcığı, içindeki doymuş buharın basıncı, sıvı sütununun dış basıncı ile hidrostatik basıncının toplamı olan sıvıdaki basıncı biraz aştığı sürece büyür.

Dış basınç ne kadar büyükse, o kadar fazla kaynama sıcaklığı.

Suyun 100 ºC'de kaynadığını herkes bilir. Ancak bunun sadece normal atmosfer basıncında (yaklaşık 101 kPa) geçerli olduğunu unutmamalıyız. Basıncın artmasıyla suyun kaynama noktası yükselir. Yani örneğin düdüklü tencerelerde yemek yaklaşık 200 kPa basınç altında pişirilir. Suyun kaynama noktası 120°C'ye ulaşır. Bu sıcaklıktaki suda pişirme işlemi, normal kaynar suya göre çok daha hızlıdır. Bu, "düdüklü tencere" adını açıklar.

Tersine, dış basıncı azaltarak kaynama noktasını düşürürüz. Örneğin, dağlık bölgelerde (basıncın 70 kPa olduğu 3 km yükseklikte), su 90 ° C sıcaklıkta kaynar. Bu nedenle, bu tür kaynar su kullanan bu bölgelerin sakinleri, yemek pişirmek için ova sakinlerinden çok daha fazla zamana ihtiyaç duyar. Ve bu kaynar suda, örneğin bir tavuk yumurtasını pişirmek genellikle imkansızdır, çünkü 100 ° C'nin altındaki bir sıcaklıkta protein pıhtılaşmaz.

Her sıvının, doymuş buhar basıncına bağlı olan kendi kaynama noktası vardır. Doymuş buhar basıncı ne kadar yüksek olursa, karşılık gelen sıvının kaynama noktası o kadar düşük olur, çünkü daha düşük sıcaklıklarda doymuş buhar basıncı atmosfer basıncına eşit olur. Örneğin, 100 °C'lik bir kaynama noktasında, doymuş su buharının basıncı 101.325 Pa (760 mm Hg), buhar basıncı ise yalnızca 117 Pa'dır (0,88 mm Hg). Cıva normal basınçta 357°C'de kaynar.

Buharlaşma ısısı.

Buharlaşma ısısı (buharlaşma ısısı)- sıvı bir maddenin tamamen buhara dönüşmesi için maddeye (sabit basınç ve sabit sıcaklıkta) bildirilmesi gereken ısı miktarı.

Buharlaşma için gereken (veya yoğuşma sırasında salınan) ısı miktarı. Isı miktarını hesaplamak için Q Kaynama noktasında alınan herhangi bir kütledeki bir sıvının buhara dönüşmesi için gerekli olan özgül buharlaşma ısısına ihtiyacınız vardır. R kitleye akıl bıçağı M:

Buhar yoğunlaştığında, aynı miktarda ısı açığa çıkar.

Görev iki aşamadan oluşur - atmosferik basıncın rakıma bağımlılığını ve kaynama noktasının basınca bağımlılığını belirlemek. Daha ilginç olan ikincisi ile başlayalım.

Kaynama, birinci türden bir faz geçişidir (su, toplanma durumunu sıvıdan gaza değiştirir).
Birinci türden faz geçişi, Clapeyron denklemi ile tanımlanır:
,
Nerede
- faz geçişinin gerçekleşmesi için maddenin birim kütlesine bildirilen ısı miktarına sayısal olarak eşit olan faz geçişinin özgül ısısı,
- faz geçiş sıcaklığı,
- geçiş sırasında belirli hacimdeki değişiklik

Clausius, Clapeyron'un buharlaşma ve süblimleşme durumları için denklemini aşağıdakileri varsayarak basitleştirdi:

1. Buhar ideal gaz yasasına uyar
2. Sıvının özgül hacmi, buharın özgül hacminden çok daha küçüktür.

Birinci noktadan, buharın durumunun Mendeleev-Clapeyron denklemi ile tanımlanabileceği sonucu çıkar.
,
ve ikinci noktadan - sıvının özgül hacmi ihmal edilebilir.

Böylece, Clapeyron denklemi şu şekli alır:
,
özgül hacmin cinsinden ifade edilebildiği yerde
,
ve sonunda

değişkenleri ayırarak, elde ederiz

Sol tarafı to'dan ve sağ tarafı to'dan entegre ederek, yani. sıvı-buhar denge çizgisi üzerinde uzanan bir noktadan başka bir noktaya, denklemi elde ederiz

Clausius-Clapeyron denklemi denir.

Aslında bu, kaynama noktasının basınca istenen bağımlılığıdır.

Birkaç değişiklik daha yapalım.
,
Burada
- suyun molar kütlesi, 18 g/mol

Evrensel gaz sabiti, 8,31 J/(mol × K)

Suyun özgül buharlaşma ısısı 2,3 × 10 6 J/kg

Şimdi atmosferik basıncın rakıma bağımlılığını belirlemeye devam ediyor. Burada barometrik formülü kullanacağız (zaten başka bir formülümüz yok):

veya
,
Burada
- havanın molar kütlesi, 29 g/mol
- evrensel gaz sabiti, 8,31 J/(mol×K)
- yerçekimi ivmesi, 9,81 m/(s×s)
- hava sıcaklığı

Hava ile ilgili değerler v, su ile ilgili olanlar - h indeksi ile işaretlenecektir.
Üslü eşitleyerek ve ondan kurtularak, şunu elde ederiz:

Peki, son formül

Aslında, gerçek hava basıncı barometrik formüle uymaz, çünkü büyük yükseklik değişikliklerinde hava sıcaklığı sabit kabul edilemez. Ek olarak, serbest düşüşün hızlanması coğrafi enleme bağlıdır ve atmosferik basınç da su buharı konsantrasyonuna bağlıdır. Yani bu formüle göre yaklaşık bir değer elde edeceğiz. Bu nedenle, aşağıda milimetre cıva cinsinden hava basıncına bağlı olarak kaynama noktasını hesaplamak için bir formül kullanan başka bir hesaplayıcı ekledim.

Yükseklik hesaplayıcısına karşı kaynama sıcaklığı.

Maddenin halleri

Demir buharı ve katı hava

Garip bir kelime kombinasyonu değil mi? Ancak bu hiç de saçma değil: Doğada hem demir buharı hem de katı hava var, ancak normal koşullar altında değil.

Hangi koşullardan bahsediyoruz? Maddenin hali iki koşul tarafından belirlenir: sıcaklık ve basınç.

Hayatımız nispeten az değişen koşullarda gerçekleşir. Hava basıncı, bir atmosfer etrafında yüzde birkaç dalgalanma gösterir; örneğin Moskova bölgesindeki hava sıcaklığı -30 ile + 30 ° C arasında; olabilecek en düşük sıcaklığın (-273°C) sıfır olarak alındığı mutlak sıcaklık ölçeğinde; bu aralık daha az etkileyici görünecektir: 240-300 K, bu da ortalama değerin yalnızca ±%10'udur.

Bu olağan şartlara alışmış olmamız gayet doğaldır ve bu nedenle "demir katıdır, hava gazdır" gibi basit doğruları söylediğimizde "normal şartlar altında" eklemeyi unutuyoruz.

Demir ısıtılırsa önce erir sonra buharlaşır. Hava soğutulursa önce sıvıya dönüşür, sonra katılaşır.

Okuyucu, demir buharı ve katı hava ile hiç tanışmamış olsa bile, muhtemelen herhangi bir maddenin sıcaklığı değiştirilerek katı, sıvı ve gaz hallerinde veya dedikleri gibi katı , sıvı halde elde edilebileceğine kolayca inanacaktır. veya gaz fazları.

Buna inanmak kolaydır, çünkü Dünya'da yaşamın imkansız olacağı tek bir madde, herkes hem gaz hem de sıvı ve katı cisim şeklinde gözlemledi. Tabii ki sudan bahsediyoruz.

Bir maddenin bir halden başka bir hale dönüştüğü koşullar nelerdir?

Kaynamak

Termometreyi su ısıtıcısına dökülen suya indirir, elektrikli ocağı açar ve termometrenin cıvasını izlersek, şunu görürüz: cıva seviyesi neredeyse anında yükselir. Şimdiden 90, 95, nihayet 100°C. Su kaynar ve aynı zamanda cıvanın yükselmesi durur. Su dakikalarca kaynıyor ama cıva seviyesi değişmiyor. Tüm su kaynayana kadar sıcaklık değişmez (Şek. 4.1).

Pirinç. 4.1

Suyun sıcaklığı değişmezse ısı nereye gider? Cevap açık. Suyu buhara dönüştürme işlemi enerji gerektirir.

Bir gram su ile ondan oluşan bir gram buharın enerjisini karşılaştıralım. Buhar molekülleri su moleküllerinden daha uzaktır. Bu nedenle suyun potansiyel enerjisinin buharın potansiyel enerjisinden farklı olacağı açıktır.

Çekilmiş parçacıkların potansiyel enerjisi, birbirlerine yaklaştıkça azalır. Bu nedenle buharın enerjisi suyun enerjisinden daha fazladır ve suyun buhara dönüşmesi için enerji gerekir. Bu fazla enerji, bir elektrikli soba tarafından bir su ısıtıcısında kaynayan suya iletilir.

Suyu buhara dönüştürmek için gereken enerji; buharlaşma ısısı denir. 1 gr suyu buhara dönüştürmek için 539 kalori gerekir (bu rakam 100°C sıcaklık içindir).

539 cal 1 g'a giderse, 1 mol suya 18 * 539 \u003d 9700 cal harcanır. Moleküller arası bağları kırmak için bu miktarda ısı harcanmalıdır.

Bu rakamı molekül içi bağları kırmak için gereken iş miktarıyla karşılaştırabilirsiniz. 1 mol su buharını atomlarına ayırmak için yaklaşık 220.000 kalori, yani 25 kat daha fazla enerji gerekir. Bu, atomları bir molekül haline getiren kuvvetlerle karşılaştırıldığında, molekülleri birbirine bağlayan kuvvetlerin zayıflığını doğrudan kanıtlar.

Basınca karşı kaynama sıcaklığı

Suyun kaynama noktası 100°C'dir; bunun suyun doğasında var olduğu, suyun nerede ve hangi koşullarda olursa olsun her zaman 100°C'de kaynayacağı düşünülebilir.

Ancak bu öyle değil ve yüksek dağ köylerinin sakinleri bunun çok iyi farkında.

Elbrus'un tepesine yakın bir yerde turistler için bir ev ve bir bilim istasyonu var. Yeni başlayanlar bazen "kaynar suda yumurta kaynatmanın ne kadar zor olduğunu" veya "kaynar suyun neden yanmadığını" merak ederler. Bu koşullar altında, Elbrus'un tepesindeki suyun zaten 82°C'de kaynadığı söyleniyor.

Burada sorun nedir? Kaynama olgusuna hangi fiziksel faktör müdahale eder? Yüksekliğin önemi nedir?

Bu fiziksel faktör, sıvının yüzeyine etki eden basınçtır. Söylenenlerin geçerliliğini kontrol etmek için dağın tepesine çıkmanıza gerek yok.

Kazanın altına ısıtılmış su yerleştirerek ve içine veya dışına hava pompalayarak, kaynama noktasının artan basınçla yükseldiği ve azalan basınçla düştüğü ikna edilebilir.

Su sadece 760 mm Hg gibi belirli bir basınçta 100°C'de kaynar. Sanat. (veya 1 atm).

Kaynama noktasına karşı basınç eğrisi, şekil 2'de gösterilmiştir. 4.2. Elbrus'un tepesinde basınç 0,5 atm'dir ve bu basınç 82 °C'lik bir kaynama noktasına karşılık gelir.

Pirinç. 4.2

Ancak su 10-15 mm Hg'de kaynar. Art., sıcak havalarda tazelenebilirsiniz. Bu basınçta kaynama noktası 10-15°C'ye düşecektir.

Suyun donma sıcaklığına sahip olan "kaynar su" bile alabilirsiniz. Bunu yapmak için basıncı 4,6 mm Hg'ye düşürmeniz gerekecek. Sanat.

Zilin altına açık bir su kabı yerleştirip havayı dışarı pompalarsanız ilginç bir resim gözlemlenebilir. Pompalamak suyu kaynatır, ancak kaynatmak ısı gerektirir. Onu alacak hiçbir yer yok ve su enerjisinden vazgeçmek zorunda kalacak. Kaynayan suyun sıcaklığı düşmeye başlayacak, ancak pompalama devam ettikçe basınç da düşecektir. Bu nedenle kaynama durmayacak, su soğumaya devam edecek ve sonunda donacaktır.

Bu tür soğuk su kaynaması, yalnızca hava dışarı pompalandığında meydana gelmez. Örneğin, bir geminin pervanesi döndüğünde, metal bir yüzeyin yakınında hızla hareket eden bir su tabakasındaki basınç keskin bir şekilde düşer ve bu tabakadaki su kaynar, yani içinde buharla dolu çok sayıda kabarcık belirir. Bu fenomene kavitasyon denir (Latince cavitas - boşluk kelimesinden).

Basıncı düşürerek kaynama noktasını düşürürüz. Arttırmaya ne dersiniz? Bizimki gibi bir grafik bu soruyu cevaplıyor. 15 atm basınç suyun kaynamasını geciktirebilir, ancak 200°C'de başlar, 80 atm basınç ise suyu ancak 300°C'de kaynatır.

Yani belirli bir dış basınç, belirli bir kaynama noktasına karşılık gelir. Ancak bu ifade şu şekilde "ters çevrilebilir": suyun her kaynama noktası kendi özel basıncına karşılık gelir. Bu basınca buhar basıncı denir.

Basıncın bir fonksiyonu olarak kaynama noktasını gösteren eğri, aynı zamanda sıcaklığın bir fonksiyonu olarak buhar basıncının eğrisidir.

Kaynama noktası grafiğinde (veya buhar basıncı grafiğinde) çizilen rakamlar, buhar basıncının sıcaklıkla çok hızlı değiştiğini gösterir. 0°C'de (yani 273 K), buhar basıncı 4,6 mm Hg'dir. Art., 100 ° C'de (373 K) 760 mm Hg'ye eşittir. Art., yani 165 kat artar. Sıcaklık iki katına çıktığında (0 ° C'den, yani 273 K'den 273 ° C'ye, yani 546 K'ye), buhar basıncı 4,6 mm Hg'den yükselir. Sanat. yaklaşık 60 atm'ye kadar, yani yaklaşık 10.000 kez.

Bu nedenle, aksine, kaynama noktası basınçla oldukça yavaş değişir. Basınç 0,5 atm'den 1 atm'ye iki katına çıkarıldığında kaynama noktası 82°C'den (355 K) 100°C'ye (373 K) çıkar ve basınç 1'den 2 atm'ye çıkarıldığında 100°C'den (373 K) çıkar. K) ila 120°C (393 K).

Şimdi ele aldığımız aynı eğri, buharın suya dönüşmesini (yoğunlaşmasını) da kontrol eder.

Buhar, sıkıştırma veya soğutma yoluyla suya dönüştürülebilir.

Hem kaynama hem de yoğuşma sırasında, buharın suya veya suyun buhara dönüşümü tamamlanana kadar nokta eğriden çıkmayacaktır. Bu şu şekilde de formüle edilebilir: Eğrimizin koşulları altında ve ancak bu koşullar altında sıvı ve buharın bir arada bulunması mümkündür. Aynı zamanda ısı eklenmez veya alınmazsa, kapalı bir kaptaki buhar ve sıvı miktarları değişmeyecektir. Böyle bir buhar ve sıvının dengede olduğu ve sıvısıyla dengede olan bir buharın doymuş olduğu söylenir.

Gördüğümüz gibi, kaynama ve yoğuşma eğrisinin başka bir anlamı vardır: sıvı ve buharın denge eğrisidir. Denge eğrisi, diyagram alanını iki kısma ayırır. Solda ve yukarı doğru (daha yüksek sıcaklıklara ve daha düşük basınçlara doğru) buharın kararlı halinin bulunduğu bölgedir. Sağa ve aşağı - sıvının kararlı halinin bölgesi.

Buhar-sıvı denge eğrisi, yani kaynama noktasının basınca bağımlılığı veya aynı olan buhar basıncının sıcaklığa bağlılığı, tüm sıvılar için yaklaşık olarak aynıdır. Bazı durumlarda, değişiklik biraz daha ani olabilir, diğerlerinde - biraz daha yavaş, ancak her zaman buhar basıncı artan sıcaklıkla birlikte hızla artar.

"Gaz" ve "buhar" kelimelerini birçok kez kullandık. Bu iki kelime hemen hemen aynıdır. Şunu söyleyebiliriz: su gazı suyun buharıdır, gaz oksijen bir oksijen sıvısının buharıdır. Bununla birlikte, bu iki kelimenin kullanımında bazı alışkanlıklar gelişmiştir. Nispeten küçük bir sıcaklık aralığına alışkın olduğumuz için, normal sıcaklıklardaki buhar basıncı atmosferik basıncın üzerinde olan maddelere genellikle "gaz" kelimesini kullanırız. Aksine, oda sıcaklığında ve atmosferik basınçta, madde sıvı haldeyken daha kararlı olduğunda buhardan söz ederiz.

buharlaşma

Kaynatma hızlı bir işlemdir ve kısa sürede kaynayan sudan eser kalmaz, buhara dönüşür.

Ancak suyun veya başka bir sıvının buhara dönüşmesiyle ilgili başka bir olgu daha vardır - bu buharlaşmadır. Buharlaşma, normal koşullar altında her zaman 760 mm Hg'ye yakın olan basınçtan bağımsız olarak herhangi bir sıcaklıkta gerçekleşir. Sanat. Buharlaşma, kaynamanın aksine çok yavaş bir süreçtir. Kapatmayı unuttuğumuz kolonya şişesi birkaç gün sonra boşalacak; daha fazla zaman o su ile bir tabak duracak, ancak er ya da geç kuruyacaktır.

Hava, buharlaşma sürecinde önemli bir rol oynar. Tek başına suyun buharlaşmasını engellemez. Sıvının yüzeyini açar açmaz, su molekülleri en yakın hava katmanına doğru hareket etmeye başlayacaktır.

Bu katmandaki buhar yoğunluğu hızla artacaktır; Kısa bir süre sonra, buhar basıncı ortamın sıcaklığının esneklik özelliğine eşit olacaktır. Bu durumda, buhar basıncı, havanın yokluğundaki ile tam olarak aynı olacaktır.

Buharın havaya geçmesi elbette basıncın artması anlamına gelmez. Su yüzeyinin üzerindeki boşluktaki toplam basınç artmaz, sadece bu basınçta buharın aldığı pay artar ve buna bağlı olarak buharın yer değiştirdiği havanın oranı azalır.

Suyun üstünde havayla karışmış buhar, üstünde ise buharsız hava katmanları vardır. Kaçınılmaz olarak karışacaklar. Su buharı sürekli olarak üst katmanlara hareket edecek ve onun yerine hava, su molekülleri içermeyen alt katmana akacaktır. Bu nedenle suya en yakın katmanda her zaman yeni su molekülleri için yerler boşalacaktır. Su, yüzeydeki su buharı basıncını elastikiyete eşit tutarak sürekli olarak buharlaşacak ve işlem, su tamamen buharlaşana kadar devam edecektir.

Kolonya ve su örneğiyle başladık. Farklı hızlarda buharlaştıkları iyi bilinmektedir. Eter son derece hızlı, alkol oldukça hızlı ve su çok daha yavaş buharlaşır. Referans kitabında, örneğin oda sıcaklığında bu sıvıların buhar basıncı değerlerini bulursak sorunun ne olduğunu hemen anlayacağız. İşte rakamlar: eter - 437 mm Hg. Art., alkol - 44,5 mm Hg. Sanat. ve su - 17,5 mm Hg. Sanat.

Esneklik ne kadar büyük olursa, bitişik hava tabakasında o kadar fazla buhar olur ve sıvı o kadar hızlı buharlaşır. Buhar basıncının sıcaklıkla arttığını biliyoruz. Buharlaşma hızının ısıtma ile neden arttığı açıktır.

Buharlaşma hızı başka bir şekilde de etkilenebilir. Buharlaşmaya yardımcı olmak istiyorsak, sıvıdan buharı hızla uzaklaştırmalıyız, yani havanın karışmasını hızlandırmalıyız. Bu nedenle, sıvının üflenmesiyle buharlaşma büyük ölçüde hızlanır. Nispeten küçük bir buhar basıncına sahip olmasına rağmen su, eğer daire rüzgara yerleştirilirse oldukça hızlı bir şekilde kaybolacaktır.

Bu nedenle, sudan çıkan bir yüzücünün rüzgarda üşümesinin nedeni anlaşılabilir. Rüzgar, havanın buharla karışmasını hızlandırır ve bu nedenle buharlaşmayı hızlandırır ve buharlaşma için ısı insan vücudunu terk etmeye zorlar.

Bir kişinin refahı, havada çok veya az su buharı olmasına bağlıdır. Hem kuru hem de nemli hava hoş değildir. Nem %60 olduğunda normal kabul edilir. Bu, su buharının yoğunluğunun, aynı sıcaklıktaki doymuş su buharının yoğunluğunun %60'ı olduğu anlamına gelir.

Nemli hava soğutulursa, sonunda içindeki su buharının basıncı bu sıcaklıktaki buhar basıncına eşit olacaktır. Buhar doymuş hale gelecek ve sıcaklık daha da düştükçe yoğuşarak suya dönüşmeye başlayacaktır. Çimleri ve yaprakları nemlendiren sabah çiği, tam da bu fenomen nedeniyle ortaya çıkar.

20°C'de doymuş su buharının yoğunluğu yaklaşık 0,00002 g/cm3'tür. Hava, bu sayıdaki su buharının %60'ını içeriyorsa kendimizi iyi hissedeceğiz - bu, 1 cm3'te bir gramın yüz binde birinden biraz daha fazlası anlamına gelir.

Bu rakam küçük olmasına rağmen, bir oda için etkileyici miktarda buhara yol açacaktır. 12 m 2 alana ve 3 m yüksekliğe sahip orta büyüklükte bir odaya yaklaşık bir kilogram suyun doymuş buhar şeklinde "sığabileceğini" hesaplamak kolaydır.

Yani, böyle bir odayı sıkıca kapatırsanız ve açık bir varil su koyarsanız, varilin kapasitesi ne olursa olsun bir litre su buharlaşır.

Su için bu sonucu cıva için karşılık gelen rakamlarla karşılaştırmak ilginçtir. 20°C'lik aynı sıcaklıkta, doymuş cıva buharının yoğunluğu 10 -8 g/cm3'tür.

Az önce tartıştığımız odaya 1 g'dan fazla cıva buharı sığmaz.

Bu arada cıva buharı çok zehirlidir ve 1 gr cıva buharı her insanın sağlığına ciddi zararlar verebilir. Cıva ile çalışırken cıvanın en küçük damlasının bile dökülmemesine dikkat edilmelidir.

Kritik sıcaklık

Gaz sıvıya nasıl çevrilir? Kaynama grafiği bu soruyu cevaplar. Bir gazı, sıcaklığı düşürerek veya basıncı artırarak sıvı hale getirebilirsiniz.

19. yüzyılda basıncı yükseltmek, sıcaklığı düşürmekten daha kolay görünüyordu. Bu yüzyılın başında büyük İngiliz fizikçi Michael Farada, gazları buhar basıncı değerlerine sıkıştırmayı ve bu sayede birçok gazı (klor, karbondioksit vb.) sıvı hale getirmeyi başardı.

Bununla birlikte, bazı gazlar - hidrojen, nitrojen, oksijen - sıvılaşmaya uygun değildi. Basınç ne kadar arttırılırsa arttırılsın sıvı hale dönüşmezler. Oksijen ve diğer gazların sıvı olamayacağı düşünülebilirdi. Gerçek veya kalıcı gazlar olarak sınıflandırıldılar.

Aslında başarısızlıklar, önemli bir durumun yanlış anlaşılmasından kaynaklanıyordu.

Denge halindeki bir sıvı ve bir buharı düşünün ve kaynama noktası yükseldikçe ve tabii ki buna bağlı olarak basınç yükseldikçe bunlara ne olduğunu düşünün. Başka bir deyişle, kaynama grafiğindeki bir noktanın eğri boyunca yukarı doğru hareket ettiğini hayal edin. Sıvının artan sıcaklıkla genleştiği ve yoğunluğunun azaldığı açıktır. Buhar gelince, kaynama noktasında bir artış var mı? tabii ki genişlemesine katkıda bulunur, ancak daha önce de söylediğimiz gibi doymuş buhar basıncı kaynama noktasından çok daha hızlı yükselir. Bu nedenle buhar yoğunluğu düşmez, aksine kaynama noktası arttıkça hızla artar.

Sıvının yoğunluğu düştüğünden ve buharın yoğunluğu arttığından, kaynama eğrisi boyunca "yukarı" hareket ederek, kaçınılmaz olarak sıvı ve buharın yoğunluklarının eşit hale geldiği bir noktaya ulaşacağız (Şekil 4.3).

Pirinç. 4.3

Kritik nokta olarak adlandırılan bu dikkat çekici noktada kaynama eğrisi sona erer. Gaz ve sıvı arasındaki tüm farklılıklar yoğunluk farkından kaynaklandığından, kritik noktada sıvı ve gazın özellikleri aynı hale gelir. Her maddenin kendi kritik sıcaklığı ve kendi kritik basıncı vardır. Böylece su için kritik nokta 374°C sıcaklığa ve 218,5 atm basınca karşılık gelir.

Sıcaklığı kritik olanın altında olan bir gazı sıkıştırırsanız, sıkıştırma işlemi kaynama eğrisini kesen bir okla gösterilecektir (Şekil 4.4). Bu, buhar basıncına (okun kaynama eğrisi ile kesişme noktası) eşit bir basınca ulaştığı anda, gazın bir sıvıya yoğunlaşmaya başlayacağı anlamına gelir. Kabımız şeffaf olsaydı, o anda kabın dibinde sıvı bir tabaka oluşumunun başladığını görürdük. Sabit basınçta, sıvı tabakası sonunda tüm gaz bir sıvıya dönüşene kadar büyüyecektir. Daha fazla sıkıştırma, basınçta bir artış gerektirecektir.

Pirinç. 4.4

Sıcaklığı kritik olandan daha yüksek olan gaz sıkıştırıldığında durum tamamen farklıdır. Sıkıştırma işlemi yine aşağıdan yukarıya doğru giden bir ok olarak gösterilebilir. Ama şimdi bu ok kaynama eğrisini geçmiyor. Bu, sıkıştırma sırasında buharın yoğunlaşmayacağı, yalnızca sürekli olarak yoğunlaşacağı anlamına gelir.

Kritik sıcaklığın üzerindeki bir sıcaklıkta, bir arayüzle ayrılmış bir sıvı ve gazın varlığı imkansızdır: Herhangi bir yoğunluğa sıkıştırıldığında, pistonun altında homojen bir madde olacaktır ve buna ne zaman denilebileceğini söylemek zordur. gaz ve ne zaman sıvı olarak adlandırılabilir.

Kritik bir noktanın varlığı, sıvı ve gaz halleri arasında temel bir fark olmadığını gösterir. İlk bakışta, yalnızca kritik sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklardan söz ettiğimiz durumda böyle temel bir fark yokmuş gibi görünebilir. Ancak durum böyle değil. Kritik bir noktanın varlığı, bir sıvının - bir bardağa dökülebilen gerçek bir sıvı - herhangi bir kaynama görüntüsü olmadan gaz haline dönüşme olasılığını gösterir.

Bu dönüşüm yolu, Şekil 1'de gösterilmektedir. 4.4. Bilinen sıvı bir çarpı ile işaretlenmiştir. Basıncı biraz düşürürseniz (aşağı ok) kaynar, sıcaklığı biraz yükseltirseniz (sağdaki ok) kaynar. Ama tamamen farklı bir şey yapacağız, sıvıyı çok güçlü bir şekilde, kritik olanın üzerinde bir basınca sıkıştıracağız. Sıvının durumunu temsil eden nokta dikey olarak yukarı doğru gidecektir. Sonra sıvıyı ısıtıyoruz - bu işlem yatay bir çizgi ile gösteriliyor. Şimdi, kendimizi Kritik sıcaklığın sağında bulduktan sonra, basıncı ilk sıcaklığa indireceğiz. Şimdi sıcaklığı düşürürsek, bu sıvıdan elde edilebilecek en gerçek buharı daha basit ve daha kısa yoldan elde edebiliriz.

Bu nedenle, kritik noktayı atlamak için basınç ve sıcaklığı değiştirerek, sıvıdan veya buhardan sıvıya sürekli geçiş yoluyla buhar elde etmek her zaman mümkündür. Böyle sürekli bir geçiş, kaynama veya yoğuşma gerektirmez.

Oksijen, nitrojen, hidrojen gibi gazları sıvılaştırmaya yönelik ilk girişimler bu nedenle başarısız oldu çünkü kritik bir sıcaklığın varlığı bilinmiyordu. Bu gazlar çok düşük kritik sıcaklıklara sahiptir: nitrojen -147°C, oksijen -119°C, hidrojen -240°C veya 33 K. Rekor sahibi helyumdur, kritik sıcaklığı 4,3 K'dir. sıvı yalnızca tek bir şekilde yapılabilir - sıcaklıklarını belirtilenin altına düşürmek gerekir.

Düşük sıcaklıklar elde etmek

Sıcaklıkta önemli bir düşüş çeşitli şekillerde sağlanabilir. Ancak tüm yöntemlerin fikri aynıdır: Soğutmak istediğimiz bedeni iç enerjisini harcamaya zorlamalıyız.

Nasıl yapılır? Bunun bir yolu, sıvıyı dışarıdan ısı sağlamadan kaynatmaktır. Bunu yapmak için, bildiğimiz gibi, basıncı azaltmak - onu buhar basıncı değerine düşürmek gerekir. Kaynama için harcanan ısı sıvıdan ve sıvının ve buharın sıcaklığından ödünç alınacak ve bununla birlikte buhar basıncı düşecektir. Bu nedenle kaynamanın durmaması ve daha hızlı gerçekleşmesi için sıvı ile birlikte kaptan sürekli olarak havanın dışarı pompalanması gerekir.

Bununla birlikte, bu işlem sırasında sıcaklık düşüşünün bir sınırı vardır: sonunda buhar basıncı tamamen önemsiz hale gelir ve en güçlü pompalama pompaları bile gerekli basıncı oluşturamaz.

Sıcaklığı düşürmeye devam etmek için elde edilen sıvı ile gazı soğutarak kaynama noktası daha düşük bir sıvıya dönüştürmek mümkündür.

Artık pompalama işlemi ikinci madde ile tekrarlanarak daha düşük sıcaklıklar elde edilebilir. Gerekirse, düşük sıcaklıklar elde etmek için böyle bir "kademeli" yöntem genişletilebilir.

Geçen yüzyılın sonunda yaptıkları tam olarak buydu; gazların sıvılaştırılması aşamalar halinde gerçekleştirildi: etilen, oksijen, nitrojen, hidrojen, -103, -183, -196 ve -253°C kaynama noktalarına sahip maddeler sırasıyla sıvıya dönüştürüldü. Sıvı hidrojene sahip olarak, en düşük kaynayan sıvıyı da elde edebilirsiniz - helyum (-269 ° C). "Soldaki" komşu, komşunun "sağdaki" olmasına yardım etti.

Kademeli soğutma yöntemi neredeyse yüz yaşındadır. 1877'de bu yöntemle sıvı hava elde edildi.

1884-1885'te. ilk kez sıvı hidrojen üretildi. Nihayet, yirmi yıl sonra, son kale alındı: 1908'de Hollanda'nın Leiden şehrinde bulunan Kamerling-Onnes, helyumu bir sıvıya dönüştürdü - kritik sıcaklığı en düşük olan bir madde. Bu önemli bilimsel başarının 70. yıl dönümü geçtiğimiz günlerde kutlandı.

Uzun yıllar boyunca Leiden Laboratuvarı tek "düşük sıcaklık" laboratuvarıydı. Şimdi tüm ülkelerde, teknik amaçlar için sıvı hava, nitrojen, oksijen ve helyum üreten tesislerden bahsetmeye bile gerek yok, bu tür düzinelerce laboratuvar var.

Düşük sıcaklıklar elde etmek için kademeli yöntem artık nadiren kullanılmaktadır. Teknik kurulumlarda, sıcaklığı düşürmek için gazın iç enerjisini düşürmek için başka bir yöntem kullanılır: gaz hızla genleşmeye ve iç enerji pahasına iş yapmaya zorlanır.

Örneğin, birkaç atmosfere sıkıştırılmış hava bir genişleticiye konursa, o zaman pistonu hareket ettirme veya türbini döndürme işi yapıldığında, hava o kadar keskin bir şekilde soğur ki bir sıvıya dönüşür. Karbondioksit, silindirden hızla salınırsa, o kadar keskin bir şekilde soğur ki anında "buza" dönüşür.

Sıvı gazlar mühendislikte yaygın olarak kullanılmaktadır. Sıvı oksijen, jet motorlarında yakıt karışımının bir bileşeni olarak patlayıcı teknolojisinde kullanılır.

Hava sıvılaştırma, mühendislikte havayı oluşturan gazları ayırmak için kullanılır.

Teknolojinin çeşitli alanlarında sıvı hava sıcaklığında çalışmak gerekmektedir. Ancak birçok fiziksel çalışma için bu sıcaklık yeterince düşük değildir. Gerçekten de Celsius derecesini mutlak bir ölçeğe çevirirsek, sıvı havanın sıcaklığının oda sıcaklığının yaklaşık 1/3'ü kadar olduğunu görürüz. Fizik için çok daha ilginç olan "hidrojen" sıcaklıkları, yani 14-20 K mertebesindeki sıcaklıklar ve özellikle "helyum" sıcaklıklarıdır. Sıvı helyum dışarı pompalandığında elde edilen en düşük sıcaklık 0,7 K'dir.

Fizikçiler mutlak sıfıra çok daha fazla yaklaşmayı başardılar. Şu anda, mutlak sıfırı bir derecenin yalnızca birkaç binde biri kadar aşan sıcaklıklar elde edildi. Ancak bu ultra düşük sıcaklıklar, yukarıda anlattıklarımıza benzer olmayan yollarla elde edilir.

Son yıllarda, düşük sıcaklık fiziği, büyük hacimleri mutlak sıfıra yakın bir sıcaklıkta tutmayı mümkün kılan aparat üretimiyle uğraşan özel bir endüstri dalının ortaya çıkmasına neden oldu; baraları 10 K'den daha düşük bir sıcaklıkta çalışan güç kabloları geliştirilmiştir.

Aşırı soğutulmuş buhar ve aşırı ısıtılmış sıvı

Kaynama noktasının geçişinde buhar yoğunlaşmalı, sıvıya dönüşmelidir. Fakat,; Buhar sıvı ile temas etmezse ve buhar çok safsa, o zaman aşırı soğutulmuş veya aşırı doymuş bir buhar - uzun zaman önce sıvı olması gereken bir buhar - elde etmenin mümkün olduğu ortaya çıktı.

Aşırı doymuş buhar çok kararsızdır. Bazen bir itme veya uzaya atılan bir buhar tanesi, gecikmiş bir yoğuşmayı başlatmak için yeterlidir.

Deneyimler, buhar moleküllerinin yoğunlaşmasının, küçük yabancı parçacıkların buhara dahil edilmesiyle büyük ölçüde kolaylaştırıldığını göstermektedir. Tozlu havada, su buharının aşırı doyması meydana gelmez. Duman üflemeleri ile yoğuşmaya neden olabilir. Sonuçta, duman küçük katı parçacıklardan oluşur. Buharlaşan bu parçacıklar, etraflarında moleküller toplar ve yoğunlaşma merkezleri haline gelirler.

Bu nedenle, kararsız olmasına rağmen, sıvının "ömrü" için uyarlanmış sıcaklık aralığında buhar bulunabilir.

Bir sıvı, buhar bölgesinde aynı koşullar altında "yaşayabilir" mi? Başka bir deyişle, bir sıvıyı kızdırmak mümkün müdür?

Yapabileceğin ortaya çıktı. Bunu yapmak için sıvının moleküllerinin yüzeyinden ayrılmamasını sağlamak gerekir. Radikal çare, serbest yüzeyi ortadan kaldırmak, yani sıvıyı katı duvarlarla her taraftan sıkıştırılacağı bir kaba yerleştirmektir. Bu şekilde, birkaç derece mertebesinde aşırı ısınma elde etmek, yani sıvıların durumunu gösteren noktayı kaynama eğrisinin sağına kaydırmak mümkündür (Şekil 4.4).

Aşırı ısınma, bir sıvının buhar bölgesine kaymasıdır, dolayısıyla bir sıvının aşırı ısınması hem ısı sağlayarak hem de basıncı azaltarak sağlanabilir.

Harika sonuçlar elde etmenin son yolu. Çözünmüş gazlardan dikkatlice arındırılmış su veya başka bir sıvı (bunu yapmak kolay değildir), sıvının yüzeyine ulaşan bir pistonlu bir kaba yerleştirilir. Kap ve piston sıvı ile ıslatılmalıdır. Şimdi pistonu kendinize doğru çekerseniz pistonun dibine yapışık su da onu takip edecektir. Ancak pistona yapışan su tabakası bir sonraki su tabakasını çekecek, bu tabaka alttakini çekecek ve sonuç olarak sıvı gerilecektir.

Sonunda, su sütunu kırılacaktır (pistondan çıkacak olan su değil, su sütunudur), ancak bu, birim alan başına kuvvet onlarca kilograma ulaştığında gerçekleşecektir. Yani sıvıda onlarca atmosferlik bir negatif basınç oluşur.

Düşük pozitif basınçlarda bile maddenin buhar hali kararlıdır. Bir sıvı negatif basınca getirilebilir. Daha çarpıcı bir "aşırı ısınma" örneği hayal edemezsiniz.

Erime

Sıcaklık artışına gerektiği kadar direnecek katı bir cisim yoktur. Er ya da geç katı bir parça sıvıya dönüşür; doğru, bazı durumlarda erime noktasına ulaşamayacağız - kimyasal ayrışma meydana gelebilir.

Sıcaklık yükseldikçe, moleküller daha hızlı ve daha hızlı hareket eder. Son olarak, "güçlü" sallanan "moleküller arasında düzeni sağlamanın imkansız hale geldiği bir an gelir. Katı erir. Tungsten en yüksek erime noktasına sahiptir: 3380 ° C Altın 1063 ° C'de, demir 1539 ° C'de erir. düşük erime noktalı metallerdir.Merkür bilindiği üzere zaten -39°C'de erir.Organik maddeler yüksek erime noktalarına sahip değildir.Naftalin 80°C'de, toluen - -94.5°C'de erir.

Özellikle sıradan bir termometre ile ölçülen sıcaklık aralığında eriyen bir cismin erime noktasını ölçmek hiç de zor değildir. Eriyen bedeni gözlerinizle takip etmenize hiç gerek yok. Termometrenin cıva sütununa bakmak yeterlidir. Erime başlayana kadar vücut ısısı yükselir (Şekil 4.5). Erime başlar başlamaz sıcaklık artışı durur ve erime işlemi tamamlanana kadar sıcaklık değişmeden kalır.

Pirinç. 4.5

Bir sıvının buhara dönüşmesi gibi, bir katının sıvıya dönüşmesi de ısı gerektirir. Bunun için gereken ısıya füzyon gizli ısısı denir. Örneğin, bir kilogram buzu eritmek 80 kcal gerektirir.

Buz, füzyon ısısı yüksek olan cisimlerden biridir. Örneğin buz eritmek, aynı kütledeki kurşunu eritmekten 10 kat daha fazla enerji gerektirir. Elbette erimenin kendisinden bahsediyoruz, burada kurşunun erimesi başlamadan önce + 327 ° C'ye ısıtılması gerektiğini söylemiyoruz. Eriyen buzun yüksek ısısından dolayı karın erimesi yavaşlar. Erime ısısının 10 kat daha az olacağını hayal edin. Sonra bahar selleri her yıl akıl almaz felaketleri getirirdi.

Bu nedenle, buzun erime ısısı büyüktür, ancak 540 kcal/kg (yedi kat daha az) olan özgül buharlaşma ısısıyla karşılaştırıldığında küçüktür. Ancak bu fark oldukça doğaldır. Bir sıvıyı buhara dönüştürürken molekülleri birbirinden ayırmamız, eritirken ise sadece moleküllerin dizilişindeki düzeni bozmamız ve onları hemen hemen aynı mesafelerde bırakmamız gerekir. İkinci durumda daha az iş gerektiği açıktır.

Belirli bir erime noktasının varlığı, kristalli maddelerin önemli bir özelliğidir. Bu temelde, şekilsiz veya cam olarak adlandırılan diğer katılardan kolayca ayırt edilebilirler. Camlar hem inorganik hem de organik maddeler arasında bulunur. Pencere camları genellikle sodyum ve kalsiyum silikatlardan yapılır; genellikle masanın üzerine organik cam yerleştirilir (buna pleksiglas da denir).

Amorf maddeler, kristallerin aksine, belirli bir erime noktasına sahip değildir. Cam erimez, yumuşar. Isıtıldığında, bir cam parçası önce sertten yumuşak hale gelir, kolayca bükülebilir veya gerilebilir; daha yüksek bir sıcaklıkta, parça kendi yerçekiminin etkisi altında şeklini değiştirmeye başlar. Isındıkça kalın viskoz cam kütlesi içinde bulunduğu kabın şeklini alır. Bu kütle önce bal gibi kalın, sonra ekşi krema gibi ve sonunda neredeyse su kadar düşük viskoziteli bir sıvı haline gelir. Tüm arzumuzla, burada bir katının sıvıya geçişi için belirli bir sıcaklık belirtemiyoruz. Bunun nedenleri, camın yapısı ile kristal cisimlerin yapısı arasındaki temel farkta yatmaktadır. Yukarıda bahsedildiği gibi, amorf cisimlerdeki atomlar rastgele dizilmiştir. Camlar yapı olarak sıvıları andırır.Katı camda bile moleküller gelişigüzel dizilmiştir. Bu, camın sıcaklığındaki bir artışın, yalnızca moleküllerinin titreşim aralığını arttırdığı ve onlara giderek daha fazla hareket özgürlüğü verdiği anlamına gelir. Bu nedenle, cam yavaş yavaş yumuşar ve moleküllerin katı bir düzende düzenlenmesinden rastgele bir düzenlemeye geçişin özelliği olan keskin bir "katı" - "sıvı" geçişi göstermez.

Kaynama eğrisine gelince, sıvı ve buharın, kararsız bir durumda da olsa, yabancı bölgelerde yaşayabileceğini söyledik - buhar aşırı soğutulabilir ve kaynama eğrisinin soluna aktarılabilir, sıvı aşırı ısıtılabilir ve sağa çekilebilir. bu eğrinin

Bir sıvı ile bir kristal durumunda benzer fenomenler mümkün mü? Buradaki analojinin eksik olduğu ortaya çıktı.

Kristali ısıtırsanız, erime noktasında erimeye başlayacaktır. Kristal aşırı ısıtılamaz. Aksine, sıvıyı soğutarak, belirli önlemler alınırsa, erime noktasından nispeten kolay bir şekilde "kaymak" mümkündür. Bazı sıvılarda, büyük aşırı soğumalar elde edilebilir. Süper soğutması kolay, ancak kristalleştirmesi zor olan sıvılar bile vardır. Böyle bir sıvı soğudukça daha viskoz hale gelir ve sonunda kristalleşmeden katılaşır. Cam böyledir.

Ayrıca suyu yeniden soğutabilirsiniz. Şiddetli donlarda bile sis damlacıkları donmayabilir. Bir maddenin kristali, bir tohum, aşırı soğutulmuş bir sıvıya atılırsa, o zaman kristalleşme hemen başlar.

Son olarak, birçok durumda gecikmiş kristalleşme, bir çalkalama veya diğer rasgele olaylarla başlatılabilir. Örneğin, kristal gliserolün ilk olarak demiryolu ile taşıma sırasında elde edildiği bilinmektedir. Uzun bir süre bekledikten sonra camlar kristalleşmeye başlayabilir (teknolojide dedikleri gibi cansızlaşabilir veya "çökebilir").

Bir kristal nasıl yetiştirilir

Hemen hemen her madde belirli koşullar altında kristal verebilir. Kristaller, belirli bir maddenin bir çözeltisinden veya eriyiğinden ve ayrıca buharlarından elde edilebilir (örneğin, siyah elmas şeklindeki iyot kristalleri, sıvı duruma ara geçiş olmadan normal basınçta buharlarından kolayca çökelir) .

Sofra tuzunu veya şekeri suda eritmeye başlayın. Oda sıcaklığında (20°C), yönlü bir bardakta sadece 70 g tuzu çözebileceksiniz. Daha fazla tuz ilavesi çözülmeyecek ve dipte tortu şeklinde çökecektir. Daha fazla çözünmenin olmadığı bir çözeltiye doymuş denir. .Sıcaklığı değiştirirseniz, maddenin çözünürlük derecesi de değişir. Sıcak suyun çoğu maddeyi soğuk sudan çok daha kolay çözdüğünü herkes bilir.

Şimdi - diyelim ki 30 ° C sıcaklıkta doymuş bir şeker çözeltisi hazırladığınızı ve 20 ° C'ye soğutmaya başladığınızı hayal edin. 30°C'de 223 g şekeri 100 g suda çözebildiniz, 20°C'de 205 g şeker çözünüyor, 30'dan 20°C'ye soğutulduğunda 18 g "ekstra" olacak ve çözümden düşeceğini söylüyorlar. Bu nedenle, kristal elde etmenin olası yollarından biri doymuş çözeltiyi soğutmaktır.

Farklı yapabilirsiniz. Doymuş bir tuz çözeltisi hazırlayın ve açık bir bardakta bırakın. Bir süre sonra kristallerin görünümünü bulacaksınız. Neden oluştular? Dikkatli gözlem, kristal oluşumuyla aynı anda başka bir değişikliğin meydana geldiğini - su miktarının azaldığını gösterecektir. Su buharlaştı ve çözeltide "fazladan" madde belirdi. Bu nedenle, kristal oluşumunun bir başka olası yolu, bir çözeltinin buharlaşmasıdır.

Çözeltiden kristaller nasıl oluşur?

Kristallerin solüsyondan "düştüğünü" söylemiştik; Bunu, bir hafta boyunca kristal olmayacak ve bir anda aniden ortaya çıkacak şekilde anlamak gerekli mi? Hayır, durum böyle değil: kristaller büyüyor. Büyümenin ilk anlarını gözle tespit etmek elbette mümkün değildir. İlk başta, çözünen maddenin rastgele hareket eden birkaç molekülü veya atomu, kristal kafesi oluşturmak için gereken yaklaşık sırada toplanır. Böyle bir atom veya molekül grubuna çekirdek denir.

Deneyimler, çekirdeklerin daha çok çözeltide herhangi bir yabancı küçük toz partikülünün varlığında oluştuğunu göstermektedir. En hızlı ve en kolay kristalleşme, küçük bir tohum kristalinin doymuş bir çözeltiye konmasıyla başlar. Bu durumda, bir katının çözeltiden izolasyonu, yeni kristallerin oluşumundan değil, tohumun büyümesinden oluşacaktır.

Embriyonun büyümesi elbette tohumun büyümesinden farklı değildir. Bir tohum kullanmanın anlamı, salınan maddeyi kendi üzerine "çekmesi" ve böylece çok sayıda çekirdeğin aynı anda oluşumunu önlemesidir. Çok sayıda çekirdek oluşursa, büyüme sırasında birbirlerine müdahale edecekler ve büyük kristaller elde etmemize izin vermeyeceklerdir.

Çözeltiden salınan atom veya moleküllerin parçaları çekirdeğin yüzeyinde nasıl dağılır?

Deneyimler, bir çekirdeğin veya bir tohumun büyümesinin, adeta yüzleri kendilerine paralel ve yüze dik bir yönde hareket ettirmekten ibaret olduğunu göstermektedir. Bu durumda, yüzler arasındaki açılar sabit kalır (kafes yapısından kaynaklanan bir kristalin en önemli özelliğinin açıların değişmezliği olduğunu zaten biliyoruz).

Şek. 4.6 Büyümeleri sırasında meydana gelen aynı maddenin üç kristalinin ana hatları verilmiştir. Benzer modeller mikroskop altında gözlemlenebilir. Solda gösterilen durumda, büyüme sırasında yüz sayısı korunur. Ortadaki çizim, görünen (sağ üst) ve tekrar kaybolan yeni bir yüzün bir örneğini veriyor.

Pirinç. 4.6

Yüzlerin büyüme hızlarının yani kendilerine paralel hareket hızlarının farklı yüzler için aynı olmadığını belirtmek çok önemlidir. Bu durumda, tam olarak en hızlı hareket eden yüzler, örneğin ortadaki şeklin sol alt yüzü "aşırı büyür" (yok olur). Aksine, yavaş büyüyen yüzler, dedikleri gibi en geniş, en gelişmiş yüzlerdir.

Bu, özellikle son şekilde açıkça görülmektedir. Şekilsiz parça, tam olarak büyüme hızı anizotropisi nedeniyle diğer kristallerle aynı şekli alır. İyi tanımlanmış yönler, diğerlerinin pahasına en güçlü şekilde gelişir ve kristale bu maddenin tüm numunelerinin karakteristik bir formunu verir.

Tohum olarak bir top alındığında çok güzel ara formlar gözlenir ve çözelti dönüşümlü olarak hafifçe soğutulur ve ısıtılır. Isıtıldığında çözelti doymamış hale gelir ve tohum kısmen çözülür. Soğutma, çözeltinin doygunluğuna ve tohumun büyümesine yol açar. Ancak moleküller, sanki belirli yerleri tercih ediyormuş gibi farklı bir şekilde yerleşirler. Madde böylece topun bir yerinden başka bir yerine aktarılır.

İlk olarak, topun yüzeyinde küçük daire şeklindeki yüzler belirir. Daireler yavaş yavaş artar ve birbirine dokunarak düz kenarlar boyunca birleşir. Top bir polihedrona dönüşür. Sonra bazı yüzler diğerlerini solluyor, bazı yüzler aşırı büyüyor ve kristal karakteristik şeklini alıyor (Şekil 4.7).

Pirinç. 4.7

Kristallerin büyümesini gözlemlerken, büyümenin ana özelliği dikkat çekicidir - yüzlerin paralel hareketi. Serbest bırakılan maddenin yüzü katmanlar halinde oluşturduğu ortaya çıktı: bir katman tamamlanana kadar bir sonraki katman oluşmaya başlamıyor.

Şek. 4.8, atomların "bitmemiş" paketlenmesini gösterir. Yeni atom kristale bağlı olarak harflerle gösterilen konumlardan hangisinde en sıkı şekilde tutulacaktır? Hiç şüphe yok ki A'da, çünkü burada komşuların çekiciliğini üç taraftan yaşarken, B'de - ikiden ve C'de - sadece bir taraftan. Bu nedenle önce sütun, ardından tüm düzlem tamamlanır ve ancak o zaman yeni bir düzlemin döşenmesi başlar.

Pirinç. 4.8

Bazı durumlarda, kristaller erimiş bir kütleden - bir eriyikten oluşur. Doğada, bu muazzam bir ölçekte gerçekleşir: bazaltlar, granitler ve diğer birçok kaya, ateşli magmadan ortaya çıktı.

Kaya tuzu gibi kristal bir maddeyi ısıtmaya başlayalım. 804°C'ye kadar, kaya tuzu kristalleri çok az değişir: sadece hafifçe genişlerler ve madde katı kalır. İçinde madde bulunan bir kaba konulan sıcaklık ölçer, ısıtıldığında sıcaklıkta sürekli bir artış gösterir. 804°C'de, birbiriyle bağlantılı iki yeni fenomeni hemen keşfedeceğiz: madde erimeye başlayacak ve sıcaklıktaki artış duracaktır. Tüm maddeler sıvı hale gelinceye kadar; sıcaklık değişmeyecek; sıcaklıktaki bir başka artış zaten sıvıyı ısıtıyor. Tüm kristalli maddelerin belirli bir erime noktası vardır. Buz 0°C'de erir, demir 1527°C'de erir, cıva -39°C'de erir, vb.

Bildiğimiz gibi, her kristalde bir maddenin atomları veya molekülleri düzenli bir G paketi oluşturur ve ortalama konumları etrafında küçük titreşimler yaparlar. Vücut ısındıkça, salınımların genliği ile birlikte salınım yapan parçacıkların hızı artar. Artan sıcaklıkla birlikte parçacıkların hızındaki bu artış, katı, sıvı veya gaz halindeki herhangi bir durumdaki madde için geçerli olan temel doğa yasalarından biridir.

Kristalin belirli, yeterince yüksek bir sıcaklığına ulaşıldığında, parçacıklarının titreşimleri o kadar enerjik hale gelir ki, parçacıkların doğru bir şekilde düzenlenmesi imkansız hale gelir - kristal erir. Erimenin başlamasıyla birlikte, sağlanan ısı artık parçacık hızını artırmak için değil, kristal kafesini yok etmek için kullanılır. Bu nedenle, sıcaklıktaki artış askıya alınır. Sonraki ısıtma, sıvı parçacıkların hızında bir artıştır.

Bizi ilgilendiren bir eriyikten kristalleşme durumunda, yukarıdaki fenomen ters sırada gözlemlenir: sıvı soğudukça, parçacıkları kaotik hareketlerini yavaşlatır; Belirli, yeterince düşük bir sıcaklığa ulaşıldığında, parçacıkların hızı zaten o kadar düşüktür ki, bazıları, çekici kuvvetlerin etkisi altında, kendilerini kristal çekirdekler oluşturarak birbirlerine bağlamaya başlarlar. Tüm madde kristalleşene kadar sıcaklık sabit kalır. Bu sıcaklık genellikle erime noktası ile aynıdır.

Özel önlemler alınmazsa birçok yerde eriyikten kristalleşme hemen başlayacaktır. Kristaller, yukarıda açıkladığımız gibi, kendilerine özgü düzenli çokyüzlüler şeklinde büyüyeceklerdir. Ancak serbest büyüme uzun sürmez: büyüme, kristaller birbiriyle çarpışma, büyüme temas noktalarında durur ve sertleşen gövde tanecikli bir yapı kazanır. Her tane, doğru şeklini alamayan ayrı bir kristaldir.

Pek çok koşula ve her şeyden önce soğuma hızına bağlı olarak, katı bir cisim az ya da çok büyük tanelere sahip olabilir: soğutma ne kadar yavaş olursa, taneler o kadar büyük olur. Kristal cisimlerin tane boyutları bir santimetrenin milyonda biri ile birkaç milimetre arasında değişir. Çoğu durumda, granüler kristal yapı mikroskop altında gözlemlenebilir. Katılar genellikle böyle ince taneli bir yapıya sahiptir.

Teknoloji için metallerin katılaşma süreci büyük ilgi görüyor. Döküm sırasında ve metalin kalıplarda katılaşması sırasında meydana gelen olaylar fizikçiler tarafından çok detaylı bir şekilde incelenmiştir.

Çoğunlukla, katılaşma sırasında, dendrit adı verilen ağaç benzeri tek kristaller büyür. Diğer durumlarda dendritler rastgele yönlendirilir, diğer durumlarda birbirine paraleldir.

Şek. 4.9, bir dendritin büyüme aşamalarını gösterir. Bu davranışla, bir dendrit, benzer başka bir dendritle karşılaşmadan önce aşırı büyüyebilir. O zaman dökümde dendrit bulamayacağız. Olaylar farklı şekilde de gelişebilir: dendritler henüz "genç"ken buluşabilir ve birbirleriyle büyüyebilir (birinin dalları diğerinin dalları arasındaki boşluklarda).

Pirinç. 4.9

Bu şekilde, taneleri (Şekil 2.22'de gösterilen) çok farklı bir yapıya sahip olan dökümler ortaya çıkabilir. Ve metallerin özellikleri önemli ölçüde bu yapının doğasına bağlıdır. Soğutma hızını ve ısı uzaklaştırma sistemini değiştirerek katılaşma sırasında metalin davranışını kontrol etmek mümkündür.

Şimdi büyük bir tek kristalin nasıl yetiştirileceğinden bahsedelim. Kristalin tek bir yerden büyümesini sağlamak için önlemler alınması gerektiği açıktır. Ve birkaç kristal zaten büyümeye başladıysa, o zaman her halükarda, büyüme koşullarının bunlardan yalnızca biri için uygun olduğundan emin olmak gerekir.

Burada, örneğin, düşük erime noktalı metallerin kristallerini büyütürken nasıl ilerledikleri açıklanmaktadır. Metal, ucu çekilmiş bir cam test tüpünde eritilir. Dikey silindirik bir fırının içinde bir iplikle asılı duran bir test tüpü yavaşça aşağı indirilir. Çekilen uç yavaş yavaş ocaktan çıkar ve soğur. Kristalleşme başlar. İlk başta birkaç kristal oluşur, ancak yanlara doğru büyüyenler test tüpünün duvarına yaslanır ve büyümeleri yavaşlar. Yalnızca test tüpünün ekseni boyunca, yani eriyiğin derinliklerinde büyüyen kristal uygun koşullarda olacaktır. Test tüpü alçaltıldıkça, eriyiğin düşük sıcaklıklar bölgesine düşen yeni kısımları bu tek kristali "besleyecektir". Bu nedenle, tüm kristaller arasında yalnızca o hayatta kalır; tüp alçaltıldıkça ekseni boyunca büyümeye devam eder. Sonunda erimiş metalin tamamı tek bir kristal şeklinde katılaşır.

Ateşe dayanıklı yakut kristallerinin büyümesinin altında da aynı fikir yatmaktadır. Maddenin ince bir tozu alevden fışkırtılır. Aynı zamanda tozlar erir; küçük damlalar, çok küçük bir alandaki refrakter bir desteğin üzerine düşerek birçok kristal oluşturur. Damlalar standın üzerine düştükçe tüm kristaller büyür, ancak yine yalnızca düşen damlaları "almak" için en uygun konumda olan kristal büyür.

Büyük kristaller ne için?

Endüstri ve bilim genellikle büyük tek kristallere ihtiyaç duyar. Teknoloji için büyük önem taşıyan, mekanik eylemleri (örneğin basıncı) elektrik voltajına dönüştürme gibi olağanüstü bir özelliğe sahip olan Rochelle tuzu ve kuvars kristalleridir.

Optik endüstrisinin büyük kalsit, kaya tuzu, florit vb. kristallerine ihtiyacı vardır.

Saat endüstrisi yakut kristallerine, safirlere ve diğer bazı değerli taşlara ihtiyaç duyar. Gerçek şu ki, sıradan saatlerin bireysel hareketli parçaları saatte 20.000'e kadar titreşim yapıyor. Böylesine yüksek bir yük, aks uçlarının ve yataklarının kalitesine alışılmadık derecede yüksek talepler getirir. 0,07-0,15 mm çapında bir aksın ucu için bir yakut veya safir yatak görevi gördüğünde aşınma en küçük olacaktır. Bu maddelerin yapay kristalleri çok dayanıklıdır ve çelik tarafından çok az aşınır. Yapay taşların aynı doğal taşlardan daha iyi çıkması dikkat çekicidir.

Bununla birlikte, yarı iletkenlerin - silikon ve germanyum - tek kristallerinin büyümesi endüstri için çok önemlidir.

Basıncın erime noktasına etkisi

Basınç değişirse erime noktası da değişir. Haşlamadan bahsederken de aynı düzenlilikle karşılaştık. Daha fazla baskı; kaynama noktası ne kadar yüksekse. Kural olarak, bu aynı zamanda eritme için de geçerlidir. Bununla birlikte, anormal davranan az sayıda madde vardır: artan basınçla erime noktaları düşer.

Gerçek şu ki, katıların büyük çoğunluğu sıvılarından daha yoğundur. Bu dravilin istisnası, tam olarak, örneğin su gibi, basınçtaki bir değişiklikle erime noktaları pek normal olarak değişmeyen maddelerdir. Buz sudan daha hafiftir ve basınç arttıkça buzun erime noktası düşer.

Sıkıştırma, daha yoğun bir durumun oluşumunu teşvik eder. Bir katı bir sıvıdan daha yoğunsa, sıkıştırma katılaşmaya yardımcı olur ve erimeyi önler. Ancak erime sıkıştırma nedeniyle engelleniyorsa, bu, maddenin katı kaldığı anlamına gelir, oysa daha önce bu sıcaklıkta zaten erimiş olurdu, yani artan basınçla erime noktası artar. Anormal durumda, sıvı katıdan daha yoğundur ve basınç sıvının oluşumuna yardımcı olur, yani erime noktasını düşürür.

Basıncın erime noktasına etkisi kaynamaya göre çok daha azdır. Basınçtaki 100 kgf / cm2'den fazla artış, buzun erime noktasını 1°C düşürür.

Neden patenler sadece buzda kayıyor da eşit derecede pürüzsüz parke üzerinde kaymıyor? Görünüşe göre tek açıklama, pateni yağlayan suyun oluşumu. Ortaya çıkan çelişkiyi anlamak için şunu hatırlamamız gerekiyor: künt patenler buz üzerinde çok zayıf kayıyor. Buzu kesmek için patenlerin keskinleştirilmesi gerekir. Bu durumda, sırtın kenarının sadece ucu buza baskı yapar. Buz üzerindeki basınç on binlerce atmosfere ulaşır, buz hala erir.

katıların buharlaşması

"Bir madde buharlaşır" derken, genellikle bir sıvının buharlaştığını kastederler. Ancak katılar da buharlaşabilir. Bazen katıların buharlaşmasına süblimasyon denir.

Buharlaşan katı örneğin naftalindir. Naftalin 80°C'de erir ve oda sıcaklığında buharlaşır. Naftalinin güveleri yok etmek için kullanılmasına izin veren bu özelliğidir.

Naftalin kaplı bir kürk manto, naftalin buharıyla doyurulur ve güvelerin dayanamayacağı bir atmosfer yaratır. Herhangi bir kokulu katı büyük ölçüde süblimleşir. Ne de olsa koku, maddeden koparak burnumuza ulaşan moleküller tarafından oluşturulur. Bununla birlikte, maddenin önemsiz bir dereceye kadar, bazen çok dikkatli araştırmalarla bile tespit edilemeyecek bir dereceye kadar yüceltildiği daha sık durumlar vardır. Prensip olarak, herhangi bir katı madde (tam olarak herhangi biri, hatta demir veya bakır) buharlaşır. Süblimleşmeleri tespit etmezsek, bu sadece doymuş buharın yoğunluğunun çok düşük olduğu anlamına gelir.

Oda sıcaklığında keskin bir kokuya sahip olan bazı maddelerin düşük sıcaklıkta bu kokuyu kaybettiği görülmektedir.

Bir katı ile denge halindeki doymuş buharın yoğunluğu artan sıcaklıkla hızla artar. Bu davranışı, Şekil 2'de gösterilen buz eğrisi ile gösterdik. 4.10. Doğru, buz kokmuyor ...

Pirinç. 4.10

Çoğu durumda, basit bir nedenden ötürü katının doymuş buharının yoğunluğunu önemli ölçüde artırmak imkansızdır - madde daha erken eriyecektir.

Buz da buharlaşır. Bu, soğuk havada kuruması için ıslak çamaşırları asan ev hanımlarının çok iyi bildiği bir şeydir.Su önce donar, sonra buz buharlaşır ve çamaşırlar kurur.

üçlü nokta

Dolayısıyla, buhar, sıvı ve kristalin çiftler halinde dengede bulunabileceği koşullar vardır. Üç durum da dengede olabilir mi? Basınç-sıcaklık diyagramında böyle bir nokta vardır, buna üçlü denir. O nerede?

Sıfır derecede kapalı bir kaba yüzen buzla su koyarsanız, su (ve "buz") buharları boş alana akmaya başlayacaktır. 4,6 mm Hg buhar basıncında. Sanat. Buharlaşma duracak ve doygunluk başlayacaktır. Şimdi üç faz - buz, su ve buhar - dengede olacak. Bu üçlü noktadır.

Çeşitli durumlar arasındaki ilişki, şekil 2'de gösterilen su diyagramı ile açık ve net bir şekilde gösterilmiştir. 4.11.

Pirinç. 4.11

Böyle bir diyagram herhangi bir cisim için oluşturulabilir.

Şekildeki eğriler bize tanıdık geliyor - bunlar buz ve buhar, buz ve su, su ve buhar arasındaki denge eğrileridir. Her zaman olduğu gibi, basınç dikey olarak çizilir ve sıcaklık yatay olarak çizilir.

Üç eğri üçlü noktada kesişir ve diyagramı üç alana ayırır - buz, su ve su buharından oluşan yaşam alanları.

Durum diyagramı özlü bir referanstır. Amacı, şu ve bu basınçta ve şu ve şu sıcaklıkta vücudun hangi halinin kararlı olduğu sorusuna cevap vermektir.

"Sol bölge" koşullarına su veya buhar konursa, bunlar buz olur. "Alt bölgeye" bir sıvı veya katı bir cisim verilirse, buhar elde edilir. "Doğru bölgede" buhar yoğunlaşacak ve buz eriyecektir.

Fazların varlığının şeması, ısıtıldığında veya sıkıştırıldığında maddeye ne olduğunu hemen cevaplamanıza olanak tanır. Sabit bir basınçta ısıtma, şemada yatay bir çizgi olarak gösterilmiştir. Vücudun durumunu temsil eden bir nokta bu çizgi boyunca soldan sağa doğru hareket eder.

Şekilde bu tür iki çizgi gösterilmektedir, bunlardan biri normal basınçta ısıtmaktadır. Çizgi, üçlü noktanın üzerinde yer alır. Bu nedenle, önce erime eğrisini ve ardından çizimin dışında buharlaşma eğrisini geçecektir. Normal basınçtaki buz 0°C'de eriyecek ve elde edilen su 100°C'de kaynayacaktır.

Çok düşük basınçta, örneğin 5 mm Hg'nin hemen altında ısıtılan buz için durum farklı olacaktır. Sanat. Isıtma işlemi, üçlü noktanın altındaki bir çizgi ile temsil edilir. Erime ve kaynama eğrileri bu doğru ile kesişmez. Bu kadar hafif bir basınçta ısıtma, buzun doğrudan buhara geçişine yol açacaktır.

Şek. 4.12, aynı şema, su buharı şekilde çarpı işareti ile işaretlenmiş durumda sıkıştırıldığında ne kadar ilginç bir olayın meydana geleceğini göstermektedir. Buhar önce buza dönüşecek ve sonra eriyecektir. Şekil, kristalin büyümesinin hangi basınçta başlayacağını ve erimenin ne zaman gerçekleşeceğini hemen söylemenizi sağlar.

Pirinç. 4.12

Tüm maddelerin durum diyagramları birbirine benzer. Günlük bir bakış açısından büyük farklılıklar, diyagramdaki üçlü noktanın konumunun farklı maddeler için çok farklı olabilmesi nedeniyle ortaya çıkar.

Ne de olsa, "normal koşullar" yakınında, yani öncelikle bir atmosfere yakın bir basınçta varız. Maddenin üçlü noktasının normal basınç çizgisine göre nasıl konumlandığı bizim için çok önemlidir.

Üçlü noktadaki basınç atmosferik basınçtan düşükse, o zaman "normal" koşullarda yaşayan bizim için madde eriyor. Sıcaklık yükseldiğinde önce sıvıya dönüşür, sonra kaynar.

Tersi durumda - üçlü noktadaki basınç atmosferik basınçtan daha yüksek olduğunda - ısıtıldığında sıvı görmeyeceğiz, katı doğrudan buhara dönüşecektir. Dondurma satıcıları için çok uygun olan "kuru buz" böyle davranır. Dondurma blokları "kuru buz" parçaları ile kaydırılabilir ve dondurmanın ıslanacağından korkmaz. "Kuru buz" katı karbondioksit C02'dir. Bu maddenin üçlü noktası 73 atm'de yatıyor. Bu nedenle, katı C02 ısıtıldığında, durumunu temsil eden nokta yatay olarak hareket eder ve yalnızca katının buharlaşma eğrisini geçer (tıpkı yaklaşık 5 mm Hg'lik bir basınçtaki sıradan buz için olduğu gibi).

Okuyucuya, Kelvin ölçeğinde bir derece sıcaklığın nasıl belirlendiğini veya SI sisteminin artık gerektirdiği şekilde bir Kelvin'in nasıl belirlendiğini zaten anlatmıştık. Ancak, sıcaklığın belirlenmesi ilkesi ile ilgiliydi. Tüm metroloji enstitülerinde ideal gaz termometreleri yoktur. Bu nedenle, sıcaklık ölçeği, maddenin farklı halleri arasında doğa tarafından sabitlenmiş denge noktalarının yardımıyla oluşturulur.

Suyun üçlü noktası bunda özel bir rol oynar. Kelvin derecesi artık suyun üçlü noktasının termodinamik sıcaklığının 273.16'sı olarak tanımlanmaktadır. Oksijenin üçlü noktası 54.361 K olarak alınır. Altının katılaşma sıcaklığı 1337.58 K olarak ayarlanır. Bu referans noktaları kullanılarak herhangi bir termometre doğru bir şekilde kalibre edilebilir.

Aynı atomlar, ancak ... farklı kristaller

Yazdığımız mat siyah yumuşak grafit ve parlak, şeffaf, sert cam kesme elması aynı karbon atomlarından yapılmıştır. Bu iki özdeş maddenin özellikleri neden bu kadar farklı?

Her atomu en yakın üç komşuya sahip olan katmanlı grafit kafesini ve atomunun en yakın dört komşusu olan elmas kafesini hatırlayın. Bu örnek, kristallerin özelliklerinin atomların karşılıklı dizilişi tarafından belirlendiğini açıkça göstermektedir. Grafit, iki ila üç bin dereceye kadar sıcaklıklara dayanabilen refrakter potalar yapmak için kullanılır ve 700 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda elmas yanıkları; elmasın yoğunluğu 3,5 ve grafitinki 2,3'tür; Grafit elektriği iletir, elmas iletmez vs.

Farklı kristaller üretme özelliğine sahip olan sadece karbon değildir. Hemen hemen her kimyasal element ve sadece bir element değil, herhangi bir kimyasal madde birkaç çeşitte bulunabilir. Altı çeşit buz, dokuz çeşit kükürt, dört çeşit demir bilinmektedir.

Durum diyagramını tartışırken, farklı kristal türlerinden bahsetmedik ve katı bir cismin tek bir alanını çizdik. Ve pek çok madde için bu alan, her biri katı bir cismin belirli bir "derecesine" veya dedikleri gibi belirli bir katı faza (belirli bir kristal modifikasyon) karşılık gelen bölümlere ayrılmıştır.

Her kristal fazın, belirli bir basınç ve sıcaklık aralığı ile sınırlı kendi kararlı durum bölgesi vardır. Bir kristal çeşidin diğerine dönüşüm kanunları, erime ve buharlaşma kanunlarıyla aynıdır.

Her basınç için, her iki kristal türünün barış içinde bir arada var olacağı sıcaklığı belirleyebilirsiniz. Sıcaklık artırılırsa, bir türden bir kristal ikinci türden bir kristale dönüşecektir. Sıcaklık düşürülürse, ters dönüşüm gerçekleşir.

Kırmızı kükürdün normal basınçta sararması için 110°C'nin altında bir sıcaklığa ihtiyaç vardır. Bu sıcaklığın üzerinde, erime noktasına kadar, kırmızı sülfürün atomlarının dizilişi kararlıdır. Sıcaklık düşer, atomların titreşimleri azalır ve 110 °C'den itibaren doğa daha uygun bir atom dizilimi bulur. Bir kristalin diğerine dönüşümü vardır.

Kimse altı farklı buz için isim bulamadı. Diyorlar ki: buz bir, buz iki, ...., buz yedi. Sadece altı çeşit varsa, yediye ne dersiniz? Gerçek şu ki, tekrarlanan deneyler sırasında buz dörtlü tespit edilmedi.

Su yaklaşık sıfır sıcaklıkta sıkıştırılırsa, yaklaşık 2000 atm basınçta buz beş oluşur ve yaklaşık 6000 atm basınçta buz altı oluşur.

Buz iki ve buz üç, sıfır derecenin altındaki sıcaklıklarda kararlıdır.

Buz yedi - sıcak buz; sıcak su yaklaşık 20.000 atm basınca sıkıştırıldığında meydana gelir.

Normal buz dışındaki tüm buzlar sudan daha ağırdır. Normal koşullar altında üretilen buz anormal davranır; aksine, normdan farklı koşullarda elde edilen buz normal davranır.

Her kristal modifikasyonun belirli bir varoluş alanı ile karakterize edildiğini söylüyoruz. Peki öyleyse, grafit ve elmas aynı koşullar altında nasıl var oluyor?

Kristal dünyasında bu tür "kanunsuzluk" çok yaygındır. Kristaller için "yabancı" koşullarda yaşama yeteneği neredeyse bir kuraldır. Bir buharı veya bir sıvıyı diğer varlık alanlarına nakletmek için çeşitli oyunlara başvurmak gerekiyorsa, kristal ise tam tersine, tabiatın kendisine verdiği sınırlar içinde kalmaya neredeyse hiçbir zaman zorlanamaz.

Kristallerin aşırı ısınması ve aşırı soğutulması, aşırı kalabalık koşullar altında bir düzeni diğerine dönüştürmenin zorluğuyla açıklanır. Sarı kükürt 95.5°C'de kırmızıya dönmelidir. Az ya da çok hızlı ısıtma ile bu dönüşüm noktasını "atlayacağız" ve sıcaklığı 113°C'lik kükürt erime noktasına getireceğiz.

Gerçek dönüşüm sıcaklığı, kristaller temas ettiğinde tespit edilmesi en kolay olanıdır. Birbirlerinin üzerine sıkıca yerleştirilirlerse ve 96°C'de tutulurlarsa, sarı kırmızı tarafından yenir ve 95°C'de sarı kırmızıyı emer. "Kristal-sıvı" geçişinin aksine, "kristal-kristal" dönüşümleri genellikle hem aşırı soğutma hem de aşırı ısınma sırasında geciktirilir.

Bazı durumlarda, tamamen farklı sıcaklıklarda yaşaması gereken maddenin bu tür halleriyle uğraşıyoruz.

Sıcaklık +13°C'ye düştüğünde beyaz kalay griye dönmelidir. Genellikle beyaz teneke ile uğraşırız ve kışın onunla hiçbir şey yapılmadığını biliriz. 20-30 derecelik hipotermiye mükemmel şekilde dayanır. Ancak şiddetli kış koşullarında beyaz kalay gri renge dönüşmektedir. Bu gerçeğin cehaleti, Scott'ın Güney Kutbu seferini (1912) mahveden koşullardan biriydi. Sefer tarafından alınan sıvı yakıt, kalayla lehimlenmiş kaplardaydı. Büyük soğuklarda beyaz kalay gri bir toza dönüştü - kaplar lehimlenmedi; ve yakıt döküldü. Beyaz teneke üzerindeki gri lekelerin görünümüne kalay vebası denmesine şaşmamalı.

Tıpkı kükürt durumunda olduğu gibi, beyaz kalay 13 ° C'nin hemen altındaki bir sıcaklıkta griye dönüşebilir; kalaylı bir nesnenin üzerine gri çeşidin küçücük bir tanesi düşerse.

Aynı maddenin birkaç çeşidinin bulunması ve karşılıklı dönüşümlerinin gecikmesi teknoloji için büyük önem taşımaktadır.

Oda sıcaklığında, demir atomları, atomların küpün köşelerinde ve merkezinde yer aldığı vücut merkezli bir kübik kafes oluşturur. Her atomun 8 komşusu vardır. Yüksek sıcaklıklarda, demir atomları daha yoğun bir "paket" oluşturur - her atomun 12 komşusu vardır. 8 komşulu demir yumuşak, 12 komşulu demir serttir. Oda sıcaklığında ikinci tip demir elde etmenin mümkün olduğu ortaya çıktı. Bu yöntem - sertleştirme - metalurjide yaygın olarak kullanılmaktadır.

Sertleştirme çok basit bir şekilde gerçekleştirilir - metal bir nesne kızdırılır ve ardından suya veya yağa atılır. Soğutma o kadar hızlı gerçekleşir ki, yüksek sıcaklıkta kararlı olan yapının dönüşümünün gerçekleşmesi için zaman kalmaz. Bu nedenle, yüksek sıcaklıktaki bir yapı, kendisi için alışılmadık koşullar altında süresiz olarak var olacaktır: kararlı bir yapıya yeniden kristalleşme o kadar yavaş ilerler ki, pratik olarak algılanamaz.

Demirin sertleşmesinden bahsetmişken, tamamen doğru değildik. Çelik temperlenir, yani yüzde karbon fraksiyonları içeren demir. Çok küçük karbon safsızlıklarının varlığı, sert demirin yumuşak hale dönüşmesini geciktirir ve sertleşmeye izin verir. Tamamen saf demire gelince, onu sertleştirmek mümkün değildir - yapının dönüşümünün en ani soğumada bile gerçekleşmesi için zamanı vardır.

Durum diyagramının türüne bağlı olarak, basınç veya sıcaklık değiştirilerek belirli dönüşümler elde edilir.

Birçok kristalden kristale dönüşüm, yalnızca basınçtaki bir değişiklikle gözlenir. Bu şekilde siyah fosfor elde edilmiştir.

Pirinç. 4.13

Grafiti elmasa dönüştürmek ancak aynı anda hem yüksek sıcaklık hem de yüksek basınç kullanılarak mümkün oldu. Şek. 4.13, karbonun durum diyagramını gösterir. On bin atmosferin altındaki basınçlarda ve 4000 K'nin altındaki sıcaklıklarda grafit kararlı bir modifikasyondur. Böylece elmas "yabancı" koşullarda yaşar, bu nedenle kolayca grafite dönüştürülebilir. Ancak ters problem pratik açıdan ilgi çekicidir. Grafitin elmasa dönüşümünü sadece basıncı artırarak gerçekleştirmek mümkün değildir. Katı haldeki faz dönüşümü görünüşe göre çok yavaş ilerliyor. Durum diyagramının görünümü doğru çözümü önerir: basıncı ve ısıyı aynı anda artırın. Sonra (diyagramın sağ köşesi) erimiş karbon elde ederiz. Yüksek basınçta soğutarak elmasın alanına girmeliyiz.

Böyle bir sürecin pratik olasılığı 1955'te kanıtlandı ve şu anda sorunun teknik olarak çözülmüş olduğu düşünülüyor.

İnanılmaz Sıvı

Vücut ısısını düşürürseniz, er ya da geç sertleşecek ve kristal bir yapı kazanacaktır. Soğutmanın hangi basınçta gerçekleştiği önemli değildir. Bu durum, zaten aşina olduğumuz fizik yasaları açısından oldukça doğal ve anlaşılır görünüyor. Aslında, sıcaklığı düşürerek termal hareketin yoğunluğunu azaltırız. Moleküllerin hareketi, artık aralarındaki etkileşim güçlerine müdahale etmeyecek kadar zayıfladığında, moleküller düzgün bir düzende sıralanır - bir kristal oluştururlar. Daha fazla soğutma, moleküllerin hareketlerinin tüm enerjisini alacaktır ve mutlak sıfırda, maddenin düzenli bir kafes içinde düzenlenmiş dinlenme molekülleri biçiminde var olması gerekir.

Deneyimler, tüm maddelerin bu şekilde davrandığını göstermektedir. Hepsi, biri hariç: böyle bir "ucube" helyumdur.

Okuyucuya helyum hakkında bazı bilgiler verdik. Helyum, kritik sıcaklık rekorunu elinde tutuyor. Hiçbir maddenin kritik sıcaklığı 4,3 K'den düşük değildir. Ancak bu kayıt kendi başına şaşırtıcı bir şey ifade etmemektedir. Çarpıcı olan başka bir şey: helyumu kritik sıcaklığın altına soğutarak, neredeyse mutlak sıfıra ulaşarak, katı helyum elde etmeyeceğiz. Helyum mutlak sıfırda bile sıvı kalır.

Helyumun davranışı, özetlediğimiz hareket yasaları açısından tamamen açıklanamaz ve evrensel gibi görünen bu tür doğa yasalarının sınırlı geçerliliğinin işaretlerinden biridir.

Vücut sıvı ise, atomları hareket halindedir. Ama sonuçta, bedeni mutlak sıfıra soğuttuktan sonra, tüm hareket enerjisini ondan aldık. Kabul etmeliyiz ki helyum öyle bir hareket enerjisine sahiptir ki yok edilemez. Bu sonuç, şu ana kadar ele aldığımız mekanikle bağdaşmıyor. İncelediğimiz bu mekaniğe göre, bir cismin hareketi her zaman tüm kinetik enerjisi alınarak tamamen durdurulabilir; aynı şekilde soğutulmuş bir kabın duvarlarıyla çarpışan moleküllerin enerjilerini alarak hareketlerini durdurmak mümkündür. Helyum için bu tür mekanikler açıkça uygun değildir.

Helyumun "garip" davranışı, çok önemli bir gerçeğin göstergesidir. Görünür cisimlerin hareketinin doğrudan incelenmesiyle kurulan mekaniğin temel yasalarını, fiziğin sarsılmaz temeli gibi görünen yasaları atomlar dünyasına uygulamanın imkansızlığıyla ilk kez karşılaştık.

Helyumun mutlak sıfırda kristalleşmeyi "reddetmesi" gerçeği, şu ana kadar incelediğimiz mekanikle hiçbir şekilde bağdaştırılamaz. İlk kez karşılaştığımız çelişki - atomlar dünyasının mekanik yasalarına itaatsizliği - fizikteki daha da keskin çelişkiler zincirinin yalnızca ilk halkasıdır.

Bu çelişkiler, atom dünyasının mekaniğinin temellerini gözden geçirme ihtiyacına yol açar. Bu revizyon çok derin ve tüm doğa anlayışımızda bir değişikliğe yol açıyor.

Atom dünyasının mekaniğinin radikal bir şekilde gözden geçirilmesi ihtiyacı, incelediğimiz mekanik yasalarına bir son vermemiz gerektiği anlamına gelmez. Okuyucuyu gereksiz şeyleri öğrenmeye zorlamak haksızlık olur. Eski mekanik, büyük cisimlerin dünyasında tamamen geçerlidir. Zaten bu, fiziğin ilgili bölümlerine tam bir saygıyla yaklaşmak için yeterlidir. Bununla birlikte, "eski" mekaniğin bir dizi kanununun "yeni" mekaniğe geçmesi de önemlidir. Bu, özellikle enerjinin korunumu yasasını içerir.

Mutlak sıfırda "çıkarılamaz" enerjinin varlığı, helyumun özel bir özelliği değildir. çıktı; Tüm maddelerde "sıfır" enerji bulunur.

Sadece helyumda bu enerji atomların doğru kristal kafesi oluşturmasını engellemek için yeterlidir.

Helyumun kristal halde olamayacağını düşünmek gerekli değildir. Helyumun kristalleşmesi için sadece basıncı yaklaşık 25 atm'ye çıkarmak gerekir. Daha yüksek bir basınçta gerçekleştirilen soğutma, oldukça sıradan özelliklere sahip katı kristal helyum oluşumuna yol açacaktır. Helyum, yüz merkezli bir kübik kafes oluşturur.

Şek. 4.14, helyum durumunun bir diyagramını gösterir. Üçlü bir noktanın yokluğunda diğer tüm maddelerin şemalarından keskin bir şekilde farklıdır. Erime ve kaynama eğrileri kesişmez.

Pirinç. 4.14

Ve bu benzersiz durum diyagramının bir özelliği daha vardır: iki farklı helyum sıvısı vardır Aralarındaki fark nedir - biraz sonra öğreneceksiniz.

Tüm sıvıların üzerinde, buharlaşmalarının bir sonucu olarak, sıvı ve buhar arasında bir denge ve dolayısıyla belirli bir buhar basıncı kurulur. Bu basıncın büyüklüğü sıvının doğasına ve sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık arttıkça sıvı içindeki moleküllerin kinetik enerjisi artar, artan sayıda molekül gaz fazına geçebilir ve sonuç olarak sıvının üzerindeki buhar basıncı artar (Şekil 4).

Şekil 4 - Su buharı basınç eğrisi

Buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklığa denir. kaynama noktası. 760 mm Hg basınca karşılık gelen yatay çizginin kesişme noktası (Şekil 4). Art. ve buhar basıncı eğrisi, normal basınçtaki kaynama noktasına karşılık gelir. Buhar basıncının 760 mm Hg olduğu bir sıcaklığa ısıtıldığında ayrışmayan herhangi bir sıvı. Art., normal atmosfer basıncında kendi karakteristik kaynama noktasına sahiptir. Şekil 4 ayrıca 200 mm Hg'lik bir basınçta olduğunu göstermektedir. Sanat. su yaklaşık 66°C'de kaynar. Kaynama noktasının basınca olan bu bağımlılığı, laboratuvar uygulamalarında ve endüstride, yüksek sıcaklıklarda kaynayan maddelerin ayrışmadan damıtılması (vakumlu damıtma) için kullanılır. Bir dizi referans ve öğretim yardımcısında, atmosferik basınçta ve vakumda kaynama noktalarını ilişkilendirmeyi, yani maddenin aşağıda damıtılması için damıtma tesisinde olması gereken maksimum artık basıncı belirlemeyi mümkün kılan nomogramlar verilmiştir. ayrışma sıcaklığı (bkz. örneğin, /3, s. 32/).

Diğer damıtma modifikasyonları da aynı amaca hizmet eder (yüksek kaynama noktalı maddelerin saflaştırılması). Örneğin, buharla damıtma, kaynama noktası yüksek bir maddenin atmosfer basıncında damıtılmasını mümkün kılar, ancak sıvı yüzeyinin üzerindeki atmosfer basıncına eşit olan buhar basıncı, maddenin kendisinin ve su buharının kısmi basınçlarının toplamıdır. Bu yöntemde su buharı, damıtma küpündeki maddenin kalınlığı boyunca üflenir (serpilir).

Çoğu durumda, kaynama noktasının belirlenmesi, bir maddenin saflaştırılması sırasında damıtılması sırasında gerçekleştirilir. Gerekirse, az miktarda sıvının kaynama noktasının belirlenmesi kullanılabilir. Sivolobov'un mikro yöntemi(Şekil 6).

Bunu gerçekleştirmek için, yukarıda açıklanan erime noktasını belirlemek için standart cihazı kullanabilirsiniz (Şekil 5). Bir ucu kapalı (çap ~ 3 mm) ince duvarlı bir cam tüpe (6) bir damla sıvı konur. Üst ucundan kapatılmış bir kılcal boru (4) borunun içine indirilir, boru termometreye elastik bir bantla (5) bağlanır ve kılcal borudan sürekli bir akış halinde kabarcıklar çıkmaya başlayana kadar cihaz içinde ısıtılır. Sürekli köpürmenin başladığı sıcaklığa dikkat edin. Sıvının kaynama noktasına karşılık gelir. Barometrik basıncı kaydettiğinizden emin olun. Kaynama noktasının değeri ile bir madde tanımlanabilir ve saflığı belirlenebilir.