Çfarë është kristalizimi i një lënde? Përgatitja e pjesës materiale

Në jetën e përditshme, të gjithë ne hasim vazhdimisht dukuri që shoqërojnë proceset e kalimit të substancave nga një gjendje grumbullimi në tjetrën. Dhe më shpesh ne vëzhgojmë fenomene të tilla në shembullin e një prej përbërjeve kimike më të zakonshme - uji i njohur dhe i njohur. Nga artikulli do të mësoni se si ndodh shndërrimi i ujit të lëngshëm në akull të ngurtë - një proces i quajtur kristalizimi i ujit - dhe cilat veçori e karakterizojnë këtë tranzicion.

Çfarë është një tranzicion fazor?

Të gjithë e dinë se në natyrë ekzistojnë tre gjendje (faza) kryesore agregate të materies: e ngurtë, e lëngët dhe e gaztë. Shpesh atyre u shtohet një gjendje e katërt - plazma (për shkak të veçorive që e dallojnë atë nga gazrat). Sidoqoftë, gjatë kalimit nga gazi në plazmë nuk ka një kufi karakteristik të mprehtë, dhe vetitë e tij përcaktohen jo aq shumë nga marrëdhënia midis grimcave të materies (molekulave dhe atomeve) sa nga gjendja e vetë atomeve.

Të gjitha substancat, duke kaluar nga një gjendje në tjetrën, në kushte normale ndryshojnë ndjeshëm vetitë e tyre (përjashtim bëjnë disa gjendje superkritike, por ne nuk do t'i prekim ato këtu). Një transformim i tillë është, më saktë, një nga varietetet e tij. Ndodh në një kombinim të caktuar të parametrave fizikë (temperatura dhe presioni), i quajtur pika e tranzicionit fazor.

Shndërrimi i një lëngu në gaz është fenomeni i kundërt - kondensimi. Kalimi i një lënde nga një gjendje e ngurtë në një gjendje të lëngshme është duke u shkrirë, por nëse procesi shkon në drejtim të kundërt, atëherë quhet kristalizimi. Një e ngurtë mund të kthehet menjëherë në gaz dhe anasjelltas - në këto raste ata flasin për sublimim dhe desublimim.

Gjatë kristalizimit, uji shndërrohet në akull dhe tregon qartë se si ndryshojnë vetitë e tij fizike. Le të ndalemi në disa detaje të rëndësishme të këtij fenomeni.

Koncepti i kristalizimit

Kur një lëng ngurtësohet pas ftohjes, natyra e ndërveprimit dhe rregullimi i grimcave të substancës ndryshon. Energjia kinetike e lëvizjes termike të rastësishme të grimcave përbërëse të saj zvogëlohet dhe ato fillojnë të formojnë lidhje të qëndrueshme midis tyre. Kur këto lidhje bëjnë që molekulat (ose atomet) të rreshtohen në një mënyrë të rregullt dhe të rregullt, formohet struktura kristalore e një trupi të ngurtë.

Kristalizimi nuk mbulon njëkohësisht të gjithë vëllimin e lëngut të ftohur, por fillon me formimin e kristaleve të vogla. Këto janë të ashtuquajturat qendra kristalizimi. Ata rriten shtresë pas shtrese, hap pas hapi, duke shtuar gjithnjë e më shumë molekula ose atome të lëndës përgjatë shtresës në rritje.

Kushtet e kristalizimit

Kristalizimi kërkon ftohjen e lëngut në një temperaturë të caktuar (e cila është edhe pika e shkrirjes). Kështu, temperatura e kristalizimit të ujit në kushte normale është 0 °C.

Për çdo substancë, kristalizimi karakterizohet nga sasia e nxehtësisë latente. Kjo është sasia e energjisë së çliruar gjatë një procesi të caktuar (dhe në rastin e kundërt, respektivisht energjia e absorbuar). Nxehtësia specifike e kristalizimit të ujit është nxehtësia latente e lëshuar nga një kilogram ujë në 0 °C. Nga të gjitha substancat, uji ka një nga nivelet më të larta dhe është rreth 330 kJ/kg. Një vlerë kaq e madhe është për shkak të veçorive strukturore që përcaktojnë parametrat e kristalizimit të ujit. Ne do të përdorim formulën për llogaritjen e nxehtësisë latente më poshtë, pasi të kemi marrë parasysh këto karakteristika.

Për të kompensuar nxehtësinë latente, lëngu duhet të ftohet shumë për të lejuar që të fillojë rritja e kristalit. Shkalla e superftohjes ka një efekt të rëndësishëm në numrin e qendrave të kristalizimit dhe shkallën e rritjes së tyre. Ndërsa procesi është në vazhdim, ftohja e mëtejshme temperatura e substancës nuk ndryshon.

Molekula e ujit

Për të kuptuar më mirë se si kristalizohet uji, duhet të dini se si është strukturuar molekula e këtij përbërësi kimik, sepse struktura e molekulës përcakton karakteristikat e lidhjeve që ajo formon.

Një molekulë uji përmban një atom oksigjen dhe dy atome hidrogjeni. Ato formojnë një trekëndësh të mpirë izoscelular në të cilin atomi i oksigjenit ndodhet në kulmin e një këndi të mpirë me madhësi 104,45°. Në këtë rast, oksigjeni tërheq fort retë elektronike në drejtimin e tij, kështu që molekula përfaqëson Ngarkesat në të shpërndahen përgjatë kulmeve të një piramide imagjinare tetraedrale - një tetraedron me kënde të brendshme afërsisht 109°. Si rezultat, një molekulë mund të formojë katër lidhje hidrogjeni (proton), të cilat, natyrisht, ndikojnë në vetitë e ujit.

Karakteristikat e strukturës së ujit dhe akullit të lëngshëm

Aftësia e një molekule uji për të formuar lidhje protonike manifestohet si në gjendje të lëngshme ashtu edhe në gjendje të ngurtë. Kur uji është i lëngshëm, këto lidhje janë mjaft të paqëndrueshme, shkatërrohen lehtësisht, por gjithashtu formohen vazhdimisht përsëri. Falë pranisë së tyre, molekulat e ujit janë të lidhura me njëra-tjetrën më fort se grimcat e lëngjeve të tjera. Duke u shoqëruar ato formojnë struktura të veçanta - grupime. Për këtë arsye, pikat fazore të ujit zhvendosen drejt temperaturave më të larta, sepse shkatërrimi i këtyre bashkimeve shtesë kërkon edhe energji. Për më tepër, energjia është mjaft domethënëse: nëse nuk do të kishte lidhje dhe grupime hidrogjeni, temperatura e kristalizimit të ujit (si dhe shkrirja e tij) do të ishte -100 °C, dhe pika e vlimit +80 °C.

Struktura e grupimeve është identike me akullin. Secila që lidhet me katër fqinjë, molekulat e ujit ndërtojnë një strukturë kristalore të hapur me një bazë në formë gjashtëkëndëshi. Ndryshe nga uji i lëngshëm, ku mikrokristalet - grupimet - janë të paqëndrueshme dhe të lëvizshme për shkak të lëvizjes termike të molekulave, kur formohet akulli ato riorganizohen në mënyrë të qëndrueshme dhe të rregullt. Lidhjet e hidrogjenit rregullojnë pozicionet relative të nyjeve të rrjetës kristalore, dhe si rezultat, distanca midis molekulave bëhet disi më e madhe se në fazën e lëngshme. Kjo rrethanë shpjegon kërcimin në densitetin e ujit gjatë kristalizimit të tij - dendësia bie nga pothuajse 1 g/cm 3 në afërsisht 0,92 g/cm 3 .

Rreth nxehtësisë latente

Veçoritë e strukturës molekulare të ujit ndikojnë seriozisht në vetitë e tij. Kjo është e dukshme, veçanërisht, nga nxehtësia e lartë specifike e kristalizimit të ujit. Kjo është pikërisht për shkak të pranisë së lidhjeve protonike, e cila e dallon ujin nga komponimet e tjera që formojnë kristale molekulare. Është vërtetuar se energjia e lidhjeve të hidrogjenit në ujë është rreth 20 kJ për mol, domethënë për 18 g, një pjesë e konsiderueshme e këtyre lidhjeve krijohen "në masë" kur uji ngrin - këtu është një lëshim kaq i madh. energjia vjen nga.

Le të bëjmë një llogaritje të thjeshtë. Lëreni kristalizimin e ujit të çlirojë 1650 kJ energji. Kjo është shumë: energji ekuivalente mund të merret, për shembull, nga shpërthimi i gjashtë granatave limoni F-1. Le të llogarisim masën e ujit që i është nënshtruar kristalizimit. Formula që lidh sasinë e nxehtësisë latente Q, masën m dhe nxehtësinë specifike të kristalizimit λ është shumë e thjeshtë: Q = - λ * m. Shenja minus thjesht do të thotë që nxehtësia lëshohet nga sistemi fizik. Duke zëvendësuar vlerat e njohura, marrim: m = 1650/330 = 5 (kg). Duhen vetëm 5 litra që të çlirohen 1650 kJ energji gjatë kristalizimit të ujit! Sigurisht, energjia nuk lëshohet menjëherë - procesi zgjat për një kohë mjaft të gjatë dhe nxehtësia shpërndahet.

Për shembull, shumë zogj e dinë mirë këtë veti të ujit dhe e përdorin atë për t'u lagur pranë ujit të ngrirë të liqeneve dhe lumenjve në vende të tilla temperatura e ajrit është disa gradë më e lartë.

Kristalizimi i tretësirave

Uji është një tretës i mrekullueshëm. Substancat e tretura në të e zhvendosin pikën e kristalizimit, si rregull, poshtë. Sa më i lartë të jetë përqendrimi i tretësirës, ​​aq më i ulët do të ndodhë ngrirja e temperaturës. Një shembull i mrekullueshëm është uji i detit, në të cilin treten shumë kripëra të ndryshme. Përqendrimi i tyre në ujin e oqeanit është 35 ppm, dhe një ujë i tillë kristalizohet në -1,9 °C. Kripësia e ujit në dete të ndryshme ndryshon shumë, prandaj pika e ngrirjes është e ndryshme. Kështu, uji baltik ka një kripësi prej jo më shumë se 8 ppm, dhe temperatura e tij e kristalizimit është afër 0 ° C. Ujërat nëntokësore të mineralizuara gjithashtu ngrijnë në temperatura nën zero. Duhet të kihet parasysh se gjithmonë po flasim vetëm për kristalizimin e ujit: akulli i detit është pothuajse gjithmonë i freskët, ose të paktën pak i kripur.

Tretësirat ujore të alkooleve të ndryshme kanë gjithashtu një pikë ngrirjeje më të ulët dhe kristalizimi i tyre nuk ndodh papritur, por me një diapazon të caktuar të temperaturës. Për shembull, alkooli 40% fillon të ngrijë në -22,5 °C, dhe në fund kristalizohet në -29,5 °C.

Por një zgjidhje e një alkali të tillë si sode kaustike NaOH ose sode kaustike është një përjashtim interesant: karakterizohet nga një temperaturë e rritur e kristalizimit.

Si ngrin uji i pastër?

Në ujin e distiluar, struktura e grumbullit prishet për shkak të avullimit gjatë distilimit, dhe numri i lidhjeve hidrogjenore midis molekulave të këtij uji është shumë i vogël. Përveç kësaj, një ujë i tillë nuk përmban papastërti të tilla si grimcat mikroskopike të pezulluara të pluhurit, flluska, etj., të cilat janë qendra shtesë të formimit të kristaleve. Për këtë arsye, pika e kristalizimit të ujit të distiluar reduktohet në -42 °C.

Ju mund të ftohni ujë të distiluar deri në -70 °C. Në këtë gjendje, uji i tepërt i ftohur mund të kristalizohet pothuajse menjëherë në të gjithë vëllimin e tij me goditjen më të vogël ose hyrjen e një papastërtie të parëndësishme.

Ujë i nxehtë paradoksal

Një fakt mahnitës - uji i nxehtë shndërrohet në një gjendje kristalore më shpejt se uji i ftohtë - u quajt "efekti Mpemba" për nder të nxënësit të shkollës Tanzaniane që zbuloi këtë paradoks. Më saktësisht, ata dinin për të në kohët e lashta, megjithatë, duke mos gjetur një shpjegim, filozofët e natyrës dhe shkencëtarët e natyrës përfundimisht pushuan t'i kushtonin vëmendje fenomenit misterioz.

Në vitin 1963, Erasto Mpemba u befasua që përzierja e nxehtë e akullores ngurtësohej më shpejt se akullorja e ftohtë. Dhe në vitin 1969, një fenomen intrigues u konfirmua në një eksperiment fizik (nga rruga, me pjesëmarrjen e vetë Mpemba). Efekti shpjegohet nga një sërë arsyesh:

• një numër më i madh qendrash kristalizimi, si flluskat e ajrit;
• transferim i lartë i nxehtësisë së ujit të nxehtë;
• shkalla e lartë e avullimit, duke rezultuar në një ulje të vëllimit të lëngut.

Presioni si faktor kristalizimi

Marrëdhënia midis presionit dhe temperaturës si sasi kryesore që ndikojnë në procesin e kristalizimit të ujit pasqyrohet qartë në diagramin fazor. Ajo tregon se me rritjen e presionit, temperatura e kalimit fazor të ujit nga lëngu në të ngurtë zvogëlohet jashtëzakonisht ngadalë. Natyrisht, e kundërta është gjithashtu e vërtetë: sa më i ulët të jetë presioni, aq më e lartë është temperatura e nevojshme për të formuar akullin dhe ai rritet po aq ngadalë. Për të arritur kushte në të cilat uji (jo i distiluar!) është në gjendje të kristalizohet në akull të zakonshëm Ih në temperaturën më të ulët të mundshme prej -22 °C, presioni duhet të rritet në 2085 atmosfera.

Temperatura maksimale e kristalizimit korrespondon me kombinimin e mëposhtëm të kushteve, të quajtur pika e trefishtë e ujit: 0,006 atmosfera dhe 0,01 °C. Me parametra të tillë, pikat e kristalizimit-shkrirjes dhe kondensimit-vlimit përkojnë dhe të tre gjendjet agreguese të ujit bashkëjetojnë në ekuilibër (në mungesë të substancave të tjera).

Shumë lloje akulli

Aktualisht, dihen rreth 20 modifikime të gjendjes së ngurtë të ujit - nga amorf në akull XVII. Të gjithë ata, me përjashtim të akullit të zakonshëm Ih, kërkojnë kushte kristalizimi që janë ekzotike për Tokën, dhe jo të gjitha janë të qëndrueshme. Vetëm Ic i akullit gjendet shumë rrallë në shtresat e sipërme të atmosferës së tokës, por formimi i tij nuk shoqërohet me ngrirjen e ujit, pasi formohet nga avujt e ujit në temperatura jashtëzakonisht të ulëta. Ice XI u gjet në Antarktidë, por ky modifikim është një derivat i akullit të zakonshëm.

Duke kristalizuar ujin në presione jashtëzakonisht të larta, është e mundur të merren modifikime të akullit si III, V, VI, dhe me një rritje të njëkohshme të temperaturës - akull VII. Ka të ngjarë që disa prej tyre mund të formohen në kushte të pazakonta për planetin tonë në trupa të tjerë të Sistemit Diellor: në Uran, Neptun ose satelitë të mëdhenj të planetëve gjigantë. Duhet menduar se eksperimentet e ardhshme dhe studimet teorike të vetive ende pak të studiuara të këtyre akujve, si dhe veçoritë e proceseve të tyre të kristalizimit, do ta qartësojnë këtë çështje dhe do të zbulojnë shumë gjëra të tjera të reja.

Çfarë është kristalizimi studiohet në shkollë. Por, si rregull, koncepti konsiderohet vetëm në lidhje me një shkencë - kiminë. Dhe ky proces ka vërtet rëndësinë më të madhe për të, megjithëse kjo nuk është një arsye për të mos i kushtuar vëmendje konsideratës së tij në industri të tjera. Dhe tani është koha për ta rregulluar atë. Por gjërat e para së pari.

Përkufizimi i procesit

Pra, çfarë është kristalizimi? Ky është një proces gjatë të cilit kristalet formohen nga gazrat, shkrirjet, gotat dhe tretësirat. Të gjithë e dinë se çfarë janë. Në terma shkencorë, kristalet janë lëndë të ngurta me një rregullim të rregullt të atomeve (grimcat më të vogla të një elementi kimik që kanë vetitë e tij). Ata kanë një formë natyrale të poliedrave të rregullt simetrike, e cila përcaktohet nga struktura e tyre e brendshme.

Pyetjes se çfarë është kristalizimi mund të përgjigjet në një mënyrë tjetër. Ky është gjithashtu emri për formimin e këtyre trupave të ngurtë nga kristale me një strukturë të ndryshme. Kjo i referohet transformimeve polimorfike. Ato shpjegohen me faktin se të njëjtat atome janë në gjendje të formojnë rrjeta të ndryshme kristalore.

Për më tepër, kristalizimi është procesi i kalimit të një substance nga një gjendje e lëngshme në një të ngurtë kristalore.

Procesi politermik

Duke folur për atë që është kristalizimi, duhet të theksohet se ka disa mënyra në të cilat ai formohet. Ato ndryshojnë në teknikat e përdorura për të arritur ngopjen e tretësirës.

Hapi i parë është të flasim për kristalizimin politermik, i quajtur gjithashtu izohidrik. Mund të ndodhë vetëm nëse përmbajtja e ujit në sistem mbetet konstante.

Parimi nuk është aq i ndërlikuar sa mund të duket. Një zgjidhje e mbingopur formohet për shkak të ftohjes së sistemit. Procesi ndodh vetëm në temperatura të ndryshueshme.

Procesi politermik, i kryer nga ftohja e solucioneve të ngopura, mund të zbatohet vetëm për disa substanca. Për ata, tretshmëria e të cilëve përmirësohet gjithashtu me rritjen e temperaturës.

Vlen të përmendet se ndonjëherë përdoret edhe metoda e avullimit politermik. Gjatë këtij procesi, substanca nxehet dhe avullohet. Pas kësaj, ndodhin shkëmbime të shumta të nxehtësisë dhe masës midis fazave të avullit dhe të lëngshme.

Metoda politermale përdoret gjithashtu kur një substancë përmban disa kripëra me aftësi të ndryshme tretshmërie. Një shembull i mrekullueshëm është izolimi i klorurit të kaliumit nga silviniti.

Metoda izotermale dhe kriposja

Duhet folur edhe për këtë. Procesi i kristalizimit izotermik karakterizohet nga avullimi i ujit nga tretësirat në një temperaturë konstante dhe të pandryshueshme. Kjo metodë është e zbatueshme për substancat që përmbajnë kripëra, tretshmëria e të cilave është praktikisht e pavarur nga ngrohja.

Avullimi mund të arrihet duke e çuar lëngun në një valë intensive dhe duke e mbajtur atë në këtë gjendje. Kjo është metoda "tradicionale". Mund të përdoret gjithashtu avullimi i ngadalshëm i sipërfaqes.

Në disa raste, substancat futen në lëngje që ulin aftësinë e tyre për t'u tretur. Kjo quhet kriposje. "Ndihmues" të tillë janë substanca që përmbajnë të njëjtin jon si kripa e dhënë. Një shembull i mrekullueshëm: procesi i kristalizimit të klorurit të natriumit nga një zgjidhje me një përqendrim të lartë, në të cilën shtohet klorur magnezi.

Duhet të theksohet se mekanizmi i kriposjes nuk është gjithmonë i njëjtë. Nëse, për të kryer këtë proces, përzieni dy elektrolite, prej të cilëve ai shtesë do të jetë me të njëjtin jon, atëherë në fund do të arrini një përqendrim të tillë që produkti i tretshmërisë së substancës do të rritet ndjeshëm. Çfarë do të thotë? Me fjalë të thjeshta, do të shfaqet një tepricë e substancës dhe ajo do të lëshohet në fazën e ngurtë.

Ndodh ndryshe. Për të arritur kriposjen, është e nevojshme të ndryshoni plotësisht strukturën e tretësirës - për të nxitur formimin e predhave hidratimi rreth grimcave të substancës që duhet të kristalizohet. Si arrihet kjo? Duke shkatërruar predha të një lënde tashmë të tretur.

Është e rëndësishme të kuptohet: kripërat që formojnë hidrate kristalore kriposen më intensivisht se ato që formohen në formë anhidër. Por disa "aditivë" vetëm rrisin tretshmërinë. Kjo çon në kriposje.

Precipitimi i substancave nga reagentët

Kjo është metoda më e zakonshme e kristalizimit në kimi. Është më e shpejta dhe më e thjeshta.

Nëse procesi prodhon një produkt reaksioni që është praktikisht i pazgjidhshëm në ujë, ai precipiton menjëherë jashtë tretësirës. Çfarë tjetër? Nëse produkti i reaksionit karakterizohet nga tretshmëria, atëherë fillimi i kristalizimit ndodh në momentin kur lëngu arrin nivelin e kërkuar të ngopjes. Dhe procesi vazhdon për aq kohë sa precipitanti (reagenti) hyn në të.

Një shembull i mrekullueshëm është prodhimi i karbonatit të kalciumit. Është i pazgjidhshëm. Pra, ne duhet të përdorim shndërrimin e nitratit të kalciumit në nitrat alumini. Duke parë formulën, mund të kuptoni afërsisht se si ndodh ky proces: Ca (NO 3) 2 + (NH 4) 2 CO3 = CaCO 3 + 2NH 4 NO 3.

Për të marrë katalizatorë, ata përdorin precipitimin e metaleve në formën e substancave të patretshme. Këto përfshijnë oksalate, hidrokside, karbonate dhe kripëra të tjera. Ato precipitohen sepse më pas dekompozohen në okside.

Ngrirja

Një proces tjetër që duhet theksuar kur flasim për atë që është kristalizimi. Ngrirja është ndarja në formë të ngurtë e një prej përbërësve të një përzierjeje gazi ose lëngu, e cila arrihet duke ftohur përzierjen. Për më tepër, një temperaturë arrihet nën atë në të cilën zakonisht fillon kristalizimi.

Baza e këtij procesi është tretshmëria e ulët e ndërsjellë e përbërësve që duhet të ndahen. Shembull: kur tretjet ujore ngrihen, substancat e tretura nuk përfshihen në kristalet që rezultojnë.

Kjo metodë përdoret në raste të veçanta. Ngrirja është efektive kur ju duhet të ndani përzierjet, të pastroni substancat ose të përqendroni një zgjidhje.

Metoda përdoret në mënyrë aktive në industrinë kimike, mikrobiologjike, farmakologjike dhe ushqimore. Por ka shumë shembuj të këtij procesi në jetën e përditshme. Po flasim për përqendrim nga ngrirja me lëshimin e akullit. Ai synon të ruajë aromën, ngjyrën, si dhe cilësitë medicinale dhe shije të produkteve termolabile. Këto përfshijnë: ekstrakte bimore, lëngje, birrë, verë, solucione enzimash. Dhe gjithashtu barna që janë biologjikisht dhe medicinalisht aktive.

Shpesh kristalizimi i një substance me ngrirje shoqërohet më pas me tharje në ngrirje. Kjo metodë përdoret në prodhimin e produkteve pluhur të destinuara për tretje. Ka plot shembuj - lëngje, çajra, kafe, supa, qumësht, krem, pure, pelte, akullore... të gjithë janë të njohur me këto pluhura në qese ose kavanoza, duke i holluar në ujë për të marrë një gatim të gatshëm. produkt.

Nga rruga, ngrirja përdoret gjithashtu për pastrimin e ujërave të zeza dhe shkripëzimin e ujit të detit - për ta bërë atë të pastër, pa papastërti. Edhe ajri ndonjëherë ndahet. Në mënyrë kriogjenike, natyrisht. Me anë të ngrirjes është e mundur të largohet dioksidi i karbonit dhe avujt e ujit prej tij.

Nxehtësia specifike e kristalizimit

Vlen të përmendet shkurtimisht ky koncept. Njihet gjithashtu si "nxehtësi specifike e shkrirjes" dhe "entalpi". Emrat janë të ndryshëm, por përkufizimi është i njëjtë. Kjo është sasia e nxehtësisë që duhet t'i jepet një njësie të masës së një lënde kristalore në mënyrë që ajo të kalojë nga një gjendje e ngurtë në një gjendje të lëngshme.

Shënohet me shkronjën greke λ. Në kimi, formula e temperaturës së kristalizimit është si më poshtë: Q: m = λ. Këtu, Q i referohet sasisë së nxehtësisë së marrë nga një substancë gjatë procesit të shkrirjes së saj. Dhe shkronja m tregon masën e saj.

Vlen të përmendet se nxehtësia specifike e kristalizimit (shkrirjes) është gjithmonë pozitive. Përjashtimi i vetëm është heliumi nën presion të lartë. Është interesante se ky gaz monoatomik më i thjeshtë ka pikën më të ulët të vlimit nga të gjitha substancat e njohura deri më sot. Ky proces me helium fillon të ndodhë në -268,93 °C.

Po pikën e shkrirjes? Këtu janë disa shembuj, të treguar në kJ në lidhje me një kilogram të një substance: akull - 330, merkur -12, naftalinë - 151, plumb i bardhë dhe gri - 14 dhe 100.

Shembuj

Kristalizimi është një proces i studiuar me shumë kujdes në kimi, i cili është veçanërisht interesant në praktikë.

Si shembull, merrni parasysh procesin e formimit të sheqerit. Thelbi i procesit është izolimi i saharozës që përmbahet në shurup. Kjo e fundit, nga ana tjetër, përmban edhe substanca të tjera që nuk u hoqën gjatë procesit të pastrimit të lëngut dhe u formuan përsëri gjatë kondensimit.

Kur temperatura rritet, fillon kristalizimi dhe në procesin e tij formohet një tretësirë ​​ndërkristalore, e cila quhet masekuite. Të gjitha substancat e tepërta do të grumbullohen në të. Në fakt, ato e ndërlikojnë seriozisht të gjithë procesin, pasi prania e llojeve të ndryshme të papastërtive rrit viskozitetin e tretësirës.

Një shembull tjetër i mrekullueshëm i kristalizimit në kimi lidhet me formimin e kripës. Për ta parë atë me sytë tuaj, as nuk keni nevojë të bëni eksperimente - ky proces ekziston në natyrë. Gjatë stinës së ftohtë, sërfi hedh tonelata kripë në breg. Ajo nuk zhduket. Grumbullohet në grumbuj të mëdhenj dhe më pas, kur nxehet dhe thahet, uji i kristalizimit avullon prej tij. Mbetet vetëm pluhur i imët - kripë, e konsumuar nga industria.

Shembulli me kripën është më i thjeshti. Edhe në disa shkolla, fëmijëve u jepet një detyrë shtëpie si pjesë e mësimit të kimisë: shpërndani 1-2 lugë kripë në një sasi shumë të vogël uji dhe lëreni enën diku. Për kristalizimin më intensiv, temperatura mund të rritet - zhvendoseni tretësirën më afër baterisë, për shembull. Pas disa ditësh uji do të avullojë. Por kristalet e kripës do të mbeten.

Metalet

Ata gjithashtu kristalizohen. Për më tepër, të gjitha metalet e forta që shohim dhe prekim janë rezultat i këtij procesi. Transformimet që ndodhin paralelisht kanë një rëndësi të madhe, pasi ato përcaktojnë kryesisht vetitë e metaleve.

Kristalizimi si proces është shumë interesant në këtë rast. Ndërsa një substancë është në gjendje të lëngshme, atomet në të lëvizin vazhdimisht. Natyrisht, temperatura e duhur e lartë ruhet gjatë gjithë kësaj kohe. Ndërsa zvogëlohet, atomet afrohen më shumë, duke rezultuar në grupimin e tyre në kristale. Kështu formohen “qendrat”. Kjo është, grupet kryesore të kristaleve. Ndërsa lëvizja e atomeve të mbetura ngadalësohet, atomet dytësore bashkohen me to.

Në fillim, kristalet rriten pa pengesa. Dhe ato që janë formuar tashmë nuk e humbasin strukturën e tyre të saktë. Por më pas kristalet përplasen ndërsa lëvizin më tej. Për shkak të kontaktit të tyre, forma përkeqësohet. Megjithatë, brenda çdo kristali struktura është ende e saktë. Këto grupe, nga rruga, quhen kokrra. Dhe ato nuk formohen gjithmonë. E gjitha varet nga kushtet e kristalizimit, në cilën temperaturë ka ndodhur (e qëndrueshme apo jo), si dhe nga natyra e vetë metalit.

Rreth madhësisë së kokrrës

Është thënë shumë më lart për kristalizimin specifik, si dhe për metodat e ndryshme me të cilat kryhet ky proces. Duke vazhduar temën e metaleve, do të doja të flisja për kokrrizën famëkeqe, shkaqet e së cilës janë përshkruar në paragrafin e mëparshëm.

Në fakt, pamja e saj është një shenjë e kristalizimit të dobët. Metali me kokërr të trashë është i brishtë, praktikisht i paaftë për t'i rezistuar një ndikimi vërtet të lartë. Gjatë procesit të falsifikimit, në të shfaqen çarje. Ato gjithashtu formohen në zonën e prekur nga nxehtësia. Për të zvogëluar gjasat e formimit të tyre, prodhimi përdor masa të ndryshme - modifikimi i metalit me qepje titani, për shembull. Ata janë në gjendje të parandalojnë rritjen e grurit.

Për metalet me kokrriza të trashë, ka edhe kërkesa të ndryshme për paraqitjen e mostrave. Trashësia e tyre duhet të jetë së paku 1.5 cm Vetëm në këtë rast do të jetë e mundur të krahasohen rezultatet e provave mekanike dhe mikromekanike.

Pra, në prodhim ata përpiqen të prodhojnë metale me strukturë të imët. Për këtë, krijohen kushte të veçanta - ato në të cilat është e mundur një shkallë e ulët e rritjes së kristalit dhe një numër maksimal qendrash famëkeqe, rreth të cilave më pas formohen grupet e tyre.

Sa të mëdha do të jenë kokrrat varet nga numri i grimcave të papastërtive të patretshme. Zakonisht këto janë sulfide, nitride dhe okside - ato luajnë rolin e qendrave të gatshme të kristalizimit.

Një strukturë me grimca të imta mund të arrihet përmes modifikimit - duke shtuar substanca të huaja në metale. Ato ndahen në dy lloje:

• Substancat që nuk treten në metal të lëngshëm. Ata luajnë rolin e qendrave shtesë të kristalizimit.
• Komponentët aktivë në sipërfaqe. Shkrihet në metale. Më pas, ato vendosen në sipërfaqen e kristaleve në rritje dhe ndërhyjnë në rritjen e tyre.

Dhe cilësia e metalit që rezulton studiohet përmes metodave të ndryshme. Kryerja e analizave termike, dilatometrike, magnetike, strukturore dhe fizike. Për më tepër, është e pamundur të gjesh informacione për të gjitha vetitë e metalit duke përdorur vetëm një metodë.

Uji

Ne kemi folur tashmë për formimin e kripërave, sasinë e nxehtësisë gjatë kristalizimit dhe si ndodh ky proces në rastin e metaleve. Epo, më në fund mund të flasim për ujin - fenomeni më i mahnitshëm në planet.

Në natyrë, ekzistojnë vetëm tre gjendje grumbullimi - të gazta, të ngurta dhe të lëngshme. Uji mund të banojë në secilën prej tyre, duke lëvizur nga njëri në tjetrin në kushte natyrore.

Kur është i lëngshëm, molekulat e tij janë të lidhura lirshëm së bashku. Ata janë në lëvizje të vazhdueshme, duke u përpjekur të grupohen në një strukturë të vetme, por kjo nuk funksionon për shkak të nxehtësisë. Dhe kur uji ekspozohet ndaj temperaturave të ulëta, molekulat bëhen më të forta. Ata nuk shqetësohen më nga nxehtësia, kështu që fitojnë një strukturë kristalore gjashtëkëndore. Me siguri të gjithë e kanë parë një shembull të gjallë të saj të paktën një herë në jetën e tyre. Një flok dëbore është një gjashtëkëndësh i vërtetë.

Po “nxehtësia” e kristalizimit? Uji, siç e dinë të gjithë që nga fëmijëria, fillon të ngurtësohet në 0°C. Nëse në Fahrenheit, atëherë kjo shifër do të jetë 32 gradë.

Por nga këto shenja procesi vetëm fillon. Uji nuk kristalizohet gjithmonë në këto temperatura. Lëngu i pastër madje mund të ftohet deri në -40°C dhe sërish nuk do të ngrijë. Pse? Sepse në ujin e pastër nuk ka papastërti që janë bazë për shfaqjen e një strukture kristalore. Këto janë zakonisht kripëra të tretura, grimca pluhuri, etj.

Një veçori tjetër e ujit: kur ngrin, zgjerohet. Ndërsa substancat e tjera ngjeshen gjatë kristalizimit. Pse është kështu? Sepse kur uji kalon nga lëngu në të ngurtë, distanca midis molekulave të tij rritet.

Paradoksi i Mpemba

Nuk mund të injorohet kur flitet për kristalizimin e ujit. Një fenomen i tillë si paradoksi Mpemba është interesant të paktën për formulimin e tij. Fraza shkon kështu: "Uji i nxehtë ngrin më shpejt se uji i ftohtë". Intriguese dhe e paqartë. Si është e mundur kjo? Në fund të fundit, para se të hyni në fazën e kristalizimit, uji duhet të kalojë në një fazë "të ftohtë" - ftohet!

Kontradikta me ligjin e parë të termodinamikës është e dukshme. Por kjo është arsyeja pse është një paradoks - nuk ka shpjegim logjik, por në praktikë ekziston. Edhe pse mund të debatoni me të parën. Ka ende shpjegime, dhe këtu janë disa prej tyre:

• Uji i nxehtë fillon procesin e avullimit. Megjithatë, në ajrin e ftohtë kthehet në akull dhe bie, duke formuar një kore akulli.
• Ndërsa uji i nxehtë avullohet nga një enë, vëllimi i tij zvogëlohet. Sa më pak lëng, aq më shpejt kristalizohet. Një gotë me ujë të vluar kristalizohet më shpejt se një shishe me ujë në temperaturën e dhomës.
• Rreshtimi i borës në frigorifer. Një enë me ujë të vluar e shkrin atë, duke vendosur kontakt termik me murin e dhomës. Por bora nuk shkrihet nën një enë me ujë të ftohtë.
• Uji i vluar ftohet nga poshtë. Dhe uji i ftohtë është në krye, gjë që përkeqëson konvekcionin dhe rrezatimin e nxehtësisë. Kjo ndikon edhe në humbjen e nxehtësisë.
• Distanca midis molekulave në ujin e nxehtë është më e madhe se në ujin e ftohtë. Kjo reflektohet në shtrirjen e lidhjeve hidrogjenore. Për rrjedhojë, ata ruajnë më shumë energji. Ai, nga ana tjetër, lëshohet gjatë ftohjes së lëngut dhe molekulat lëvizin më afër njëra-tjetrës. Besohet se kjo ndryshon vetitë e ujit të vluar, dhe për këtë arsye ai ngrin më shpejt.

Ka disa përpjekje të tjera interesante për të vërtetuar paradoksin Mpemba, por ende nuk dihet një arsye e qartë. Ndoshta një ditë shkencëtarët do të kryejnë një studim të plotë, rezultati i të cilit do të ndihmojë për të kuptuar përfundimisht këtë efekt.

Oriz. 3. Lakoret e kristalizimit të metaleve kur ftohen me shpejtësi të ndryshme

Oriz. 4. Fazat e njëpasnjëshme të procesit të kristalizimit të metaleve

Oriz. 5. Skema e rritjes së kristaleve dendritike

Oriz. 6. Skema e strukturës së një shufër çeliku:
a - vendndodhja e dendriteve në pjesët e jashtme të shufrës, b - struktura e shufrës; 1- muret e kallëpit. 2 – kristale të vogla të barabarta, 3 – kristale të ngjashme me pemët, 4 – kristale të barabarta jo të orientuara me përmasa të mëdha, 5 – lirshmëria e tkurrjes, 6 – zgavër tkurrjeje

Oriz. 7. Shndërrimet alotropike në hekur

ku a -kinetike koeficienti parësore, e cila konsiderohet në kuadrin e kinetikës. teoritë e formimit të një faze të re; R - ; T - temperatura e kristalizimit; u-ud. të lira sipërfaqësore energji; V t - vëllimi molar i fazës së re; Dm = D HS dhe S = (T 0 -7)/T 0 për, jam =RT1n(S + 1) dhe S = (c-c 0)/c0 për tretësirat; D H-entalpia e kristalizimit; c - substanca kristalizuese; T 0 dhe c 0 - respektivisht. t-ra in-va dhe ngopja. zgjidhje; E - kalimi nga qendra e mesme në qendrat e kristalizimit; I në - intensiteti i sekondarit në vëllimin e fazës fillestare. Për të matur a, E akt dhe I w, gjeni varësinë e intensitetit të formimit të qendrave të kristalizimit nga temperatura, mbingopja dhe grimcat e huaja të ngurta. Vlera I dhe kalon nëpër një ose disa. maksimumi (Fig. 1) me rritjen e superftohjes (mbingopjes) dhe rritet me gëzofin. ndikimet (,

Oriz. I Varësia e shpejtësisë nga superftohja e InSb: I me peshë 16 g u mbinxeh në një kavanoz kuarci në 15 K mbi temperaturën për 9 minuta dhe më pas u fto me një shpejtësi prej 1 deg/min; 2 njëjtë, në 55 K për 20 s.

) ose nën ndikim. Gjatë rritjes, substanca kristalizuese së pari absorbohet në sipërfaqen e kristalinit të formuar, dhe më pas futet në kristalin e tij. grilë: me superftohje të fortë, është po aq e mundshme në çdo pjesë të sipërfaqes (rritje normale), me të dobët - në shtresa në mënyrë tangjenciale në shkallët e formuara nga bërthama spirale ose dydimensionale (rritje shtresë pas shtrese). Nëse hipotermia është nën një vlerë të caktuar, quhet. limit morfologjik stabiliteti, normalisht rritja ndjek formën (zakonisht të rrumbullakët) të nxehtësisë ose përqendrimit. fusha rreth tij, dhe rritja shtresë pas shtrese ka formën e një poliedri. Kur tejkalohet kufiri i specifikuar, rriten pemë të ngjashme me pemët (). Rritja karakterizohet në mënyrë sasiore nga një shpejtësi lineare e barabartë me shpejtësinë e lëvizjes së sipërfaqes së tyre në drejtimin normal me të. Ato përdoren në industri ritmi efektiv linear i rritjes (rritje me 1 s në rrezen e topit, vëllimi i të cilit është i barabartë me vëllimin): I eff = b S n exp(E p /RT), ku b - kinetike koeficienti rritja (10 -5 -10 -14 m/s), parametri n i rritjes (zakonisht 1-3), E p - rritja (10-150 kJ/). Opsionet b , n dhe E p gjenden duke matur I eff në temperatura të ndryshme dhe mbingopje të tretësirës ose mbiftohje. Me rritjen e superftohjes I eff kalon në një maksimum të ngjashëm me I m . Shkalla e rritjes mund të kufizohet në masë dhe me mjedisin (përkatësisht, mënyrat e rritjes së difuzionit të jashtëm dhe shkëmbimit të nxehtësisë), shkalla e kimisë. ndërveprim komponent kristalizues me komponentë të tjerë të mjedisit (regjimi kinetik i jashtëm) ose procese në sipërfaqe (regjimi adsorbimi-kinetik). Në kinetikë të jashtme modaliteti I eff rritet me rritjen dhe, në mënyrat e difuzionit të jashtëm dhe transferimit të nxehtësisë - me intensitet në rritje, në adsorbimin-kinetik. modaliteti - me një rritje të defekteve sipërfaqësore dhe një ulje të surfaktantit. Me ritme të larta rritjeje ata fitojnë mjete. numri i atyre jo ekuilibër (vendet e lira, etj.). Nëse tejkalohet kufiri, morfologjik stabiliteti, vëllimi përmban përfshirje tre-dimensionale të mediumit, të murosur midis degëve (). Përbërja i afrohet përbërjes së mediumit, aq më i lartë është I eff. Gjatë rritjes së tyre, ata kapin çdo papastërti të pranishme në mjedis, dhe papastërtia e kapur varet nga shkalla e rritjes. Nëse kristalizimi ndodh në një tretësirë ​​dhe, pas përfundimit të rritjes, ato vazhdojnë të jenë në kontakt me mjedisin, atëherë papastërtia e kapur jo ekuilibër hidhet jashtë në mjedis dhe struktura e tyre përmirësohet (strukturore). Në të njëjtën kohë, në një mjedis të përzier, në përplasje me njëri-tjetrin dhe me muret e kristalizuesit, lindin grimca shtesë. strukturore. Prandaj, defekti i palëvizshëm krijohet gradualisht në sistem, skajet në varësi të intensitetit. Në maksimum. Në një rast të zakonshëm të formimit të një shumice gjatë kristalizimit (kristalizimi në masë), faza e çliruar është polidisperse, e cila është për shkak të bërthamimit jo të njëkohshëm dhe luhatjeve të rritjes së tyre. Më të voglat janë më shumë p-rima sesa ato të mëdha, prandaj, me uljen e mbingopjes, vjen një moment kur mediumi, duke mbetur i mbingopur në raport me këtë të fundit, bëhet

Oriz. 2. Funksioni i shpërndarjes së madhësisë (r i zakonshëm dhe r më i mundshëm A) për periodike izotermale (298 K). kristalizimi nga një tretësirë ​​ujore në një kristalizues me (numri Re = 10 4): 1 BaSO 4, mbingopja fillestare S 0 = 500. r A = 7,6 μm; 2 - K2SO4, (1. 1)r A = 1 μm; t koha e procesit.

i ngopur relativisht i vogël. Nga ky moment, ato dhe rritja e të mëdhenjve fillojnë (pjekja e Oswald), si rezultat i së cilës madhësia mesatare rritet dhe numri i tyre zvogëlohet. Në të njëjtën kohë, në një mjedis të trazuar, ato ndahen pas përplasjeve dhe pas një kohe të caktuar fitojnë një gjendje të palëvizshme, të përcaktuar nga intensiteti i leshit. ndikim. bazë sasive, karakteristika e kristalizimit të masës është funksioni i shpërndarjes së madhësisë f(r,t)=dN/dr, ku N është numri, madhësia e të cilit është më e vogël se madhësia aktuale r, për njësi vëllimi në kohën t. Ky funksion shpesh ka një pamje në formë zile (Fig. 2); dega e saj ngjitëse është e ndjeshme kryesisht. tek, rritja, ndarja dhe (kur piqet) zbritja në rritjen dhe formimin e agregateve të tyre. Nëse devijimi standard i madhësisë nga mesatarja nuk kalon gjysmën e kësaj të fundit, thirret funksioni i përmendur. i ngushtë, nëse tejkalon - i gjerë. Ndryshimi në funksionin f(r,t) gjatë kristalizimit përshkruhet nga ekuacioni:


ku a është koeficienti. luhatjet në normën e rritjes; D në dhe v në - respektivisht. koeficienti dhe shpejtësia e lëvizjes në mjedis; I ar dhe unë р - respektivisht. intensiteti i formimit të një madhësie të caktuar për shkak të ngjitjes së grimcave më të vogla dhe ndarjes. Sistemi i ekuacioneve të ekuilibrave të materialit dhe nxehtësisë, ekuacioni (2), si dhe ekuacionet që lidhin madhësinë dhe shkallën e rritjes me formën e tyre, defektin dhe përmbajtjen e papastërtive, është baza për llogaritjen e kristalizimit të masës dhe zgjedhjen e optimales. kushtet për zbatimin e tij. Kristalizimi me shumicë kryhet periodikisht ose vazhdimisht. Me periodike kristalizimi ftohet ose ngopet. tretësirë ​​(), avulloni tretësirën, shtoni agjentë kriposjeje (shih më poshtë) ose përzieni pjesë për të formuar ato të prodhimit. Gjatë kristalizimit të vazhdueshëm, rrjedhat e një solucioni të mbingopur futen në kristalizues, ose kristalini hiqet vazhdimisht. produkt. Me periodike procesi, shpejtësia e kristalizimit, e përcaktuar nga f-le:
,
Ku r dhe V - respekt. dendësia e fazës së ngurtë dhe vëllimi i sistemit së pari rritet ngadalë (), pastaj rritet ndjeshëm si rezultat i një rritjeje të njëkohshme në r dhe f dhe, pasi ka kaluar një maksimum, zvogëlohet (Fig. 3) për shkak të një rënie në I eff. Kur shkalla e kristalizimit rritet, bërthama dhe rritja mbizotërojnë në sistem gjatë një periudhe të uljes së shpejtësisë, ndodh rritja, grumbullimi dhe ndarja e tyre, dhe më pas pjekja dhe formimi strukturor i tyre. zvogëlohet nën ndikimin e faktorëve që përshpejtojnë rritjen. Kështu, gjatë ftohjes, kjo periudhë fillimisht zvogëlohet me rritjen e intensitetit të ftohjes, e më pas

Oriz. 3. Ndryshimi tipik në shpejtësinë e kristalizimit periodik: t - koha e procesit; t- kohëzgjatja ; A është momenti i shfaqjes së një faze të re; B - fillimi i fazës së rikristalizimit strukturor dhe pjekjes së Osvaldit.

rritet për shkak të varësisë ekstreme të bërthamimit dhe ritmeve të rritjes nga superftohja; nëse shpejtësia e ftohjes është mjaft e shpejtë, ajo ngurtësohet, duke mbetur amorfe (shih). Për të reduktuar, një produkt (farë) i shtohet sistemit, i cili rritet, gjë që çon në një rritje të shkallës së kristalizimit. Si rezultat i lëshimit, me një rritje të nxehtësisë së kristalizimit, superftohja zvogëlohet dhe ngadalësohet. Në superftohje të ulëta (mbingopje), bërthamat nuk shfaqen fare, dhe fara e futur në sistem në formën e bërthamave të vetme mund të rritet në , dhe në formën e pluhurit, në të ashtuquajturat. produkt monodispers me funksion të ngushtë f(r, t). Me kristalizimin e vazhdueshëm, funksioni f(r,t) në kushte të krahasueshme është më i gjerë se me kristalizimin periodik. kristalizimi, i cili shpjegohet me përhapjen e kohërave të qëndrimit në kristalizuesit e vazhdueshëm. Për të ngushtuar këtë veçori, modalizoni kristalizimi afrohet me regjimin ideal të zhvendosjes, në mënyrë që të zgjerohet - në regjimin ideal (shih). Në mbingopje të ulët të sistemit, kristalizimi i vazhdueshëm është rezistent ndaj luhatjeve të jashtme. kushtet; në mbingopje të lartë, vlera dhe madhësia e tij luhaten gjatë kristalizimit. Në kim. dhe industritë përkatëse, si dhe në laboratorë. përdoret kristalizimi nga tretësirat, më rrallë - kristalizimi nga avulli dhe fazat e ngurta. TE kristalizimi nga përdoret Ch. arr. për substancat e shkrira dhe, përveç kësaj, për ndarjen e tyre fraksionale dhe. në formën e derdhjeve (blloqeve) kryhen në të veçanta. forma. Në prodhimin në shkallë të vogël (për shembull, reagentët), zakonisht përdoren forma të veçanta të madhësive ose konfigurimeve të caktuara, në të cilat ato ftohen me mjete natyrore. Me ; në industri të mëdha (etj.). Kristalizimi kryhet në kristalizues seksionalë, tubarë, transportues dhe të tjerë me kallëpe të integruara, ftohje të detyruar, lëng NH 3 etj. Për të marrë produkte në formën e pllakave ose thekoneve të holla, përdoren kristalizues të rripit, rulit dhe disqeve që funksionojnë vazhdimisht, ku procesi është shumë më intensiv sesa në kallëpe. Në kristalizuesin e brezit (Fig. 4) fillestari

Oriz. 4. Kristalizues brezi: 1 shirit; 2 makinë; 3 plesht për ushqim; 4 pajisje ftohëse; 5 produkt i kuruar.

një shtresë e hollë futet në metalin në lëvizje. shirit, mbi të cilin ftohet derisa të ngurtësohet plotësisht. Në një aparat rul (Fig. 5), produkti kristalizohet në sipërfaqen e jashtme të një zgavër rrotulluese (rrul) të ftohur nga brenda, pjesërisht të zhytur në ujë; hiqet me thikë të fiksuar. Në pajisjet e diskut, produktet ndodhin në një sipërfaqe rrotulluese të ftohur nga brenda.


Oriz. 5. Kristalizues me rul: 1; 2 ; 3 thikë; 4 tub furnizimi; 5 hundë; 6; 7 produkt i kuruar.

Gjatë përgatitjes së kokrrizave. produktet shpërndahen drejtpërdrejt në rrjedhën e gaztë, kryesisht (prodhimi, etj.), ose lëng, për shembull. ose (prodhimi etj.) në kulla të zgavra ose aparate me shtrat të lëngshëm, ku kristalizohen pika të vogla (shih). Kristalizimi nga përdoret kryesisht. për izolimin e përbërësve të vlefshëm nga solucionet, si dhe përqendrimin e tyre (shih) dhe pastrimin e substancave nga papastërtitë. Tretësira, tretësira e së cilës varet fuqimisht nga temperatura (për shembull, KNO 3 in), kristalizohet nga ftohja e tretësirave të nxehta, ndërsa sasia fillestare e tretësirës, ​​e cila gjendet në pijet amë, në sistem nuk ndryshon. (kristalizimi izohidrik). Në prodhimin në shkallë të vogël, përdoren kristalizues periodik kapacitiv. veprime të pajisura me xhaketa të ftohta. Në pajisje të tilla tretësira ftohet në të vazhdueshme sipas një programi të caktuar. Për të parandaluar ngjeshjen intensive të sipërfaqeve ftohëse, diferenca e temperaturës ndërmjet tretësirës duhet të jetë jo më shumë se 8-10°C. Në prodhimin në shkallë të gjerë, si rregull, përdoren kristalizues të vazhdueshëm, vidë, disk, daulle dhe kristalizues rrotullues. Pajisjet kruese zakonisht përbëhen nga disa. Seksione tubulare të lidhura në seri, secila prej të cilave ka një bosht me kruajtëse dhe të cilat janë të pajisura me xhaketa ftohëse të zakonshme ose individuale. Kur boshti rrotullohet, krueset pastrojnë pjesën e brendshme. sipërfaqja e tubave të ftohur të mos vendoset mbi to dhe lehtëson transportimin e materialit të kondensuar që rezulton nga seksioni në seksion. Në kristalizuesit me vida, tretësira përzihet dhe lëvizet duke përdorur vida të forta ose rrip. Kristalizuesit e diskut janë të pajisur me të palëvizshëm ose rrotullues. Në rastin e parë (Fig. 6), një bosht lëvizës me kruajtëse është vendosur përgjatë boshtit të aparatit për të pastruar sipërfaqet nga depozitat; tretësira fillestare futet në kristalizues nga lart, dhe zgjidhja që rezulton kalon në mënyrë sekuenciale nëpër hapësirën midis atyre të ftohurit dhe shkarkohet nga fundi. bashkim. Në rastin e dytë, boshti c vendoset brenda një korite ose cilindrike horizontale. ; hiqen me kruajtëse pothuajse të palëvizshme.


bazë Elementi i kristalizuesit të kazanit është i zbrazët me breza mbështetës, të instaluar në një kënd prej 15° ndaj boshtit horizontal dhe që rrotullohet me një frekuencë 5-20 min -1. Zgjidhja, e ftohur nga një xhaketë uji ose (e cila pompohet nga një ventilator përmes zgavrës së brendshme), hyn nga njëri skaj dhe shkarkohet nga tjetri. Tretësirat viskoze (për shembull, acidet yndyrore) shpesh ftohen në kristalizues rrotullues - cilindrikë. pajisje, brenda të cilave një rotor me thika rrotullohet me shpejtësi të madhe. Këto të fundit, nën ndikimin e forcës centrifugale, shtypen nga brenda. sipërfaqja e kristalizuesit, duke e pastruar atë nga ndenjur . Zgjidhja zakonisht futet në aparat nën ujë të tepërt. Për të rritur kohën e qëndrimit të tretësirës në kristalizues dhe për të rritur superftohjen e tij, disa janë të lidhura në seri. pajisje. Kur përdorni kristalizues, vidhos, rrotullues dhe nganjëherë kristalizues të diskut, shpesh formohen kristalizues të vegjël (0,1-0,15 mm), gjë që çon në një rritje të grumbullimit dhe adsorbimit. ndotja e produktit dhe gjithashtu dëmton filtrimin e tij. Prandaj, për të zmadhuar produktin, pas pajisjeve të përmendura, të ashtuquajturat. tretës kristal, në të cilat janë të përqendruara mbahet me ftohje të ngadaltë, gjë që çon në rritje deri në 2-3 mm. Për të marrë kristalin të madh Për produktet homogjene, shpesh përdoren kristalizues të shtratit të lëngshëm (Fig. 7). Tretësira origjinale së bashku me atë qarkulluese pijet amtare të kthjelluara futen në ujë, ku, si rezultat i ftohjes, tretësira mbingopet dhe hyn në qarkullim. tub në pjesën e poshtme pjesë e tretësit kristal, në të cilin mbahen në pezullim nga rrjedha në rritje e tretësirës. Kryesisht ndodh kristalizimi në qendra të gatshme kristalizimi, ndërsa të mëdha

Kur maja e reve të fuqishme kumulus është në rajonin e temperaturave të ulëta negative, pikat ngrijnë, gjë që çon në një ndryshim të kushteve për rritjen dhe elektrifikimin e grimcave. Prandaj, përpara se të shqyrtojmë karakteristikat e rritjes së grimcave të akullit në re, duket e këshillueshme që të njihemi me proceset e kristalizimit të pikave të superftohura dhe ndikimin e forcave elektrike mbi to.

Për të kuptuar më mirë proceset e kristalizimit, le të shqyrtojmë fillimisht disa pyetje në lidhje me strukturën e ujit dhe akullit.

1.6.1. Struktura e ujit dhe akullit

Struktura e molekulave të ujit, si dhe struktura e ujit të lëngshëm dhe akullit, është studiuar duke përdorur metoda të ndryshme - spektroskopi optike, shpërndarja Raman e rrezeve të dritës,

difraksioni i rrezeve x, elektroneve dhe neutroneve. Megjithatë, edhe tani nuk ka një qartësi të plotë në lidhje me strukturën e ujit, veçanërisht në fazën e lëngshme. Arsyeja për këtë janë vetitë e jashtëzakonshme të ujit, i cili është një substancë anormale në shumë aspekte.

Në fazën e ngurtë, uji ka edhe veti anormale. Shumëllojshmëria e madhe e formave të kristaleve të akullit (flokave të borës) në atmosferë është e mahnitshme. Në kushte atmosferike, ekziston vetëm një nga strukturat e mundshme kristalore të akullit - gjashtëkëndore, ndërsa në temperatura nën -70 ° C kristalet e akullit fitojnë një strukturë kubike, në temperatura edhe më të ulëta akulli në përgjithësi humbet strukturën e tij kristalore - bëhet amorf.

Pesha molekulare e ujit të zakonshëm është 18 mol. Megjithatë, për shkak të ekzistencës së tre izotopeve të hidrogjenit dhe gjashtë izotopeve të oksigjenit, mund të formohet një numër i madh i llojeve të ujit, nga të cilët praktikisht vetëm uji i rëndë me deuterium ose dhe gjendet në sasi shumë të vogla në kushte natyrore. Uji natyror (shiu, lumi etj.) përmban rreth 0,02% ujë të rëndë. Prandaj, prania e ujit të rëndë nuk ka ndonjë efekt të dukshëm në strukturën e ujit atmosferik.

Kur atomet bashkohen në molekula, mund të lindin lidhje jonike ose polare, dhe më shpesh të dyja njëkohësisht (Sokolov). Në rastin e një lidhje jonike, një atom që ka një tepricë të elektroneve në orbitën e tij të jashtme lidhet me një atom që ka mungesë elektronesh në orbitën e tij të jashtme. Një reagim tipik është bashkimi i atomeve për të formuar jone. Në rastin e një lidhjeje polare, orbitat e elektroneve bashkohen rreth protoneve të atomeve që përbëjnë molekulën; Këtij lloji i përkasin edhe molekulat e ujit.

Uji është një substancë polare, domethënë molekulat e tij janë dipole elektrike me një moment Si rezultat, rregullimi i atomeve të hidrogjenit në një molekulë uji nuk mund të jetë linear dhe simetrik në raport me atomin e oksigjenit. Një rregullim asimetrik linear i atomeve të hidrogjenit është gjithashtu i pamundur, sepse një molekulë e tillë uji rezulton të jetë e paqëndrueshme. Prandaj, është e nevojshme të supozohet se atomet janë të vendosura në kulmet e një trekëndëshi izoscelular me brinjë identike, bazuar në studimet eksperimentale, u zbulua se gjatësia e brinjëve në trekëndësh është e barabartë dhe këndi midis këtyre brinjëve është gjatësia e anës është 1,52 A.

Në gjendje të gaztë, uji përmban kryesisht molekula individuale, por disa prej tyre kombinohen në komplekse të dy ose më shumë molekulave. Meqenëse reja e elektroneve të një atomi hidrogjeni kapet vetëm pjesërisht nga atomi i tij i oksigjenit, atomi i hidrogjenit nga fundi i hapur shfaqet si një ngarkesë e dobët pozitive, e cila tërhiqet nga atomi.

oksigjeni i një molekule tjetër (Fig. 17). Kjo lidhje quhet proton ose hidrogjen. Lidhja protonike është shumë më e dobët se lidhja polare. Si rezultat, formimi i molekulave të ujit të lidhur është i natyrës statistikore dhe kohëzgjatja e ekzistencës së kompleksit është shumë e shkurtër - në rendin e rregullsive të formimit të komplekseve të tilla në atmosferë u studiuan nga V. Ya.

Në gjendje të lëngshme, dendësia e paketimit të molekulave të ujit është shumë e lartë. Prandaj, probabiliteti i lidhjes molekulare rritet. Meqenëse dendësia e ujit të lëngshëm varet pak nga presioni, probabiliteti i lidhjes së molekulave varet vetëm nga temperatura.

Oriz. 17. Ndërtesa

Një lidhje polare është një vijë e fortë, një lidhje hidrogjeni (proton) është një vijë e ndërprerë.

Oriz. 18. Struktura tetraedrale e rrjetës së kristalit të akullit.

Në temperaturat e ujit afër 0 ° C, formohen komplekse prej pesë deri në gjashtë molekula.

Studimet me rreze X të kristaleve të akullit kanë treguar se në një rrjetë kristalore, çdo atom oksigjeni është i rrethuar nga katër atome të tjera oksigjeni. Kur distanca ndërmjet atomeve "periferike" të oksigjenit dhe atomeve "qendrore" të oksigjenit është e barabartë, formohet një tetraedron (Fig. 18); këndet e brendshme të tetraedrit duhet të jenë të barabarta me 109° 28. Çdo atom "periferik" mund të luajë rolin e një atomi "qendror", duke rezultuar në formimin e një rrjete kristalore akulli. Duhet të supozohet se në fazën e lëngët në temperatura afër komplekseve të përmendura prej pesë molekulave formojnë edhe tetraedra, një lloj kristalesh të lëngëta.

Nga studimet e difraksionit të neutronit në kristalet e akullit, u zbulua se atomet e hidrogjenit ndodhen në një distancë prej 1 A nga atomet e oksigjenit. Energjia e lidhjes së secilit atom hidrogjeni me atomin më të afërt të oksigjenit është saktësisht e njëjtë, prandaj, kur një nga atomet e hidrogjenit lëviz në një vend të zënë më parë nga një tjetër, energjia e tyre nuk ndryshon. Një tranzicion i tillë është i mundur vetëm

në rast se një ndikim i jashtëm shfaqet në formën e një fushe elektrike, ngrohje etj dhe atomi merr energjinë e nevojshme për kalimin. Por tranzicionet spontane janë gjithashtu të mundshme për shkak të të ashtuquajturit efekt "tuneli", në të cilin energjia shtesë mund të jetë më e vogël se energjia e kalimit të një atomi hidrogjeni nga një pozicion në tjetrin.

Le të, kur aplikohet një fushë elektrike e jashtme, një nga atomet e hidrogjenit lëviz përgjatë vijës së lidhjes nga një pozicion në tjetrin. Atëherë atomi i parë i oksigjenit do të humbasë një jon hidrogjeni, dhe i dyti do të fitojë. Si rezultat, një dipol do të rikthehet nëse një jon hidrogjeni nga një çift tjetër hidhet në këtë çift, etj. Si rezultat, do të shfaqet një rrymë elektrike. Kështu, përçueshmëria elektrike e akullit të pastër mund të shpjegohet me kalimin e joneve të hidrogjenit nën ndikimin e një fushe elektrike të jashtme, d.m.th., akulli ka përçueshmëri proton.

Në sipërfaqen e kristaleve të akullit, molekulat janë në një gjendje paksa të ndryshme sesa në brendësi. Këtyre molekulave u mungojnë disa lidhje dhe përveç atyre vibruese, kanë aftësinë për të kryer lëvizje rrotulluese. Si rezultat, një shtresë molekulare pothuajse e lëngshme duhet të ekzistojë në sipërfaqen e kristaleve të akullit, përçueshmëria e së cilës duhet të jetë më e lartë se përçueshmëria e vetë kristalit të akullit.