Dans la vie de tous les jours, nous rencontrons tous de temps à autre des phénomènes qui accompagnent les processus de transition de substances d'un état d'agrégation à un autre. Et le plus souvent, nous devons observer de tels phénomènes sur l'exemple de l'un des composés chimiques les plus courants - l'eau bien connue et familière. À partir de l'article, vous apprendrez comment se produit la transformation de l'eau liquide en glace solide - un processus appelé cristallisation de l'eau - et quelles caractéristiques caractérisent cette transition.
Qu'est-ce qu'une transition de phase ?
Tout le monde sait que dans la nature, il existe trois principaux états agrégés (phases) de la matière: solide, liquide et gazeux. Souvent, un quatrième état leur est ajouté - le plasma (en raison des caractéristiques qui le distinguent des gaz). Cependant, lors du passage du gaz au plasma, il n'y a pas de frontière nette caractéristique, et ses propriétés ne sont pas tant déterminéesla relation entre les particules de matière (molécules et atomes), combien l'état des atomes eux-mêmes.
Toutes les substances, passant d'un état à un autre, dans des conditions normales changent brusquement leurs propriétés (à l'exception de certains états supercritiques, mais nous n'en parlerons pas ici). Une telle transformation est une transition de phase, ou plutôt une de ses variétés. Il se produit à une certaine combinaison de paramètres physiques (température et pression), appelée point de transition de phase.
La transformation du liquide en gaz est l'évaporation, le phénomène inverse est la condensation. La transition d'une substance d'un état solide à un état liquide est la fusion, mais si le processus va dans le sens opposé, on parle alors de cristallisation. Un corps solide peut immédiatement se transformer en gaz et vice versa - dans ces cas, on parle de sublimation et de désublimation.
Pendant la cristallisation, l'eau se transforme en glace et montre clairement à quel point ses propriétés physiques changent. Arrêtons-nous sur quelques détails importants de ce phénomène.
Le concept de cristallisation
Lorsqu'un liquide se solidifie pendant le refroidissement, la nature de l'interaction et de la disposition des particules de la substance change. L'énergie cinétique du mouvement thermique aléatoire de ses particules constitutives diminue et elles commencent à former des liaisons stables les unes avec les autres. Lorsque les molécules (ou atomes) s'alignent de manière régulière et ordonnée à travers ces liaisons, la structure cristalline d'un solide se forme.
La cristallisation ne couvre pas simultanément tout le volume du liquide refroidi, mais commence par la formation de petits cristaux. Ce sont les soi-disant centres de cristallisation. Ils se développent en couches, par étapes, en ajoutant de plus en plus de molécules ou d'atomes de matière le long de la couche en croissance.
Conditions de cristallisation
La cristallisation nécessite de refroidir le liquide à une certaine température (c'est aussi le point de fusion). Ainsi, la température de cristallisation de l'eau dans des conditions normales est de 0 °C.
Pour chaque substance, la cristallisation est caractérisée par la quantité de chaleur latente. C'est la quantité d'énergie libérée au cours de ce processus (et dans le cas contraire, respectivement, l'énergie absorbée). La chaleur spécifique de cristallisation de l'eau est la chaleur latente dégagée par un kilogramme d'eau à 0 °C. De toutes les substances proches de l'eau, c'est l'une des plus élevées et elle est d'environ 330 kJ/kg. Une valeur aussi élevée est due aux caractéristiques structurelles qui déterminent les paramètres de cristallisation de l'eau. Nous utiliserons la formule de calcul de la chaleur latente ci-dessous, après avoir pris en compte ces caractéristiques.
Pour compenser la chaleur latente, il est nécessaire de sur-refroidir le liquide afin de démarrer la croissance des cristaux. Le degré de surfusion a un effet significatif sur le nombre de centres de cristallisation et sur la vitesse de leur croissance. Pendant que le processus se déroule, un refroidissement supplémentaire de la température de la substance ne change pas.
Molécule d'eau
Pour mieux comprendre comment l'eau cristallise, il faut savoir comment s'organise la molécule de ce composé chimique, carla structure d'une molécule détermine les caractéristiques des liaisons qu'elle forme.
Un atome d'oxygène et deux atomes d'hydrogène sont combinés dans une molécule d'eau. Ils forment un triangle isocèle obtus dans lequel l'atome d'oxygène est situé au sommet d'un angle obtus de 104,45°. Dans ce cas, l'oxygène attire fortement les nuages d'électrons dans sa direction, de sorte que la molécule est un dipôle électrique. Les charges qu'elle contient sont réparties sur les sommets d'une pyramide tétraédrique imaginaire - un tétraèdre avec des angles internes d'environ 109 °. En conséquence, la molécule peut former quatre liaisons hydrogène (proton), ce qui, bien sûr, affecte les propriétés de l'eau.
Caractéristiques de la structure de l'eau liquide et de la glace
La capacité d'une molécule d'eau à former des liaisons protoniques se manifeste à la fois à l'état liquide et à l'état solide. Lorsque l'eau est un liquide, ces liaisons sont assez instables, facilement détruites, mais aussi constamment reconstituées. En raison de leur présence, les molécules d'eau sont plus fortement liées les unes aux autres que les particules d'autres liquides. En s'associant, ils forment des structures particulières - des clusters. Pour cette raison, les points de phase de l'eau sont décalés vers des températures plus élevées, car la destruction de ces associés supplémentaires nécessite également de l'énergie. De plus, l'énergie est assez importante: s'il n'y avait pas de liaisons hydrogène et d'agrégats, la température de cristallisation de l'eau (ainsi que sa fusion) serait de -100 °C, et d'ébullition de +80 °C.
La structure des amas est identique à la structure de la glace cristalline. Reliant chacune à quatre voisins, les molécules d'eau construisent une structure cristalline ajourée avec une base en forme d'hexagone. Contrairement à l'eau liquide, où les microcristaux - clusters - sont instables et mobiles en raison du mouvement thermique des molécules, lorsque la glace se forme, ils se réarrangent de manière stable et régulière. Les liaisons hydrogène fixent l'arrangement mutuel des sites du réseau cristallin et, par conséquent, la distance entre les molécules devient un peu plus grande que dans la phase liquide. Cette circonstance explique le saut de densité de l'eau lors de sa cristallisation - la densité passe de près de 1 g/cm3 à environ 0,92 g/cm3.
À propos de la chaleur latente
Les caractéristiques de la structure moléculaire de l'eau se reflètent très sérieusement dans ses propriétés. Cela se voit notamment à la chaleur spécifique élevée de cristallisation de l'eau. Cela est dû précisément à la présence de liaisons protoniques, qui distinguent l'eau des autres composés qui forment des cristaux moléculaires. Il a été établi que l'énergie des liaisons hydrogène dans l'eau est d'environ 20 kJ par mole, soit pour 18 g. Une partie importante de ces liaisons s'établit «en masse» lorsque l'eau gèle - c'est là qu'un si grand retour d'énergie vient de.
Donnons un calcul simple. Soit 1650 kJ d'énergie libérée lors de la cristallisation de l'eau. C'est beaucoup: une énergie équivalente peut être obtenue, par exemple, à partir de l'explosion de six grenades citron F-1. Calculons la masse d'eau qui a subi la cristallisation. Formule reliant la quantité de chaleur latente Q, la masse m et la chaleur spécifique de cristallisationλ est très simple: Q=– λm. Le signe moins signifie simplement que la chaleur est dégagée par le système physique. En substituant les valeurs connues, on obtient: m=1650/330=5 (kg). Il suffit de 5 litres pour que 1650 kJ d'énergie soient libérés lors de la cristallisation de l'eau ! Bien sûr, l'énergie n'est pas donnée instantanément - le processus dure suffisamment longtemps et la chaleur est dissipée.
De nombreux oiseaux, par exemple, connaissent bien cette propriété de l'eau et l'utilisent pour se prélasser près de l'eau glacée des lacs et des rivières, dans de tels endroits la température de l'air est supérieure de plusieurs degrés.
Cristallisation des solutions
L'eau est un merveilleux solvant. Les substances qui y sont dissoutes déplacent généralement le point de cristallisation vers le bas. Plus la concentration de la solution est élevée, plus la température gèlera. Un exemple frappant est l'eau de mer, dans laquelle de nombreux sels différents sont dissous. Leur concentration dans l'eau de mer est de 35 ppm et cette eau cristallise à -1,9 °C. La salinité de l'eau dans différentes mers est très différente, donc le point de congélation est différent. Ainsi, l'eau de la B altique a une salinité ne dépassant pas 8 ppm et sa température de cristallisation est proche de 0 °C. Les eaux souterraines minéralisées gèlent également à des températures inférieures à zéro. Il ne faut pas oublier que nous ne parlons toujours que de la cristallisation de l'eau: la glace de mer est presque toujours fraîche, dans les cas extrêmes, légèrement salée.
Les solutions aqueuses de divers alcools diffèrent également par leur réductionpoint de congélation, et leur cristallisation ne se produit pas brusquement, mais avec une certaine plage de température. Par exemple, l'alcool à 40 % commence à geler à -22,5 °C et cristallise finalement à -29,5 °C.
Mais une solution d'un alcali tel que la soude caustique NaOH ou caustique est une exception intéressante: elle se caractérise par une température de cristallisation accrue.
Comment l'eau pure gèle-t-elle ?
Dans l'eau distillée, la structure en grappes est brisée en raison de l'évaporation pendant la distillation, et le nombre de liaisons hydrogène entre les molécules de cette eau est très faible. De plus, cette eau ne contient pas d'impuretés telles que des particules de poussière microscopiques en suspension, des bulles, etc., qui sont des centres supplémentaires de formation de cristaux. Pour cette raison, le point de cristallisation de l'eau distillée est abaissé à -42 °C.
Il est possible de surrefroidir de l'eau distillée même jusqu'à -70 °C. Dans cet état, l'eau surfondue est capable de cristalliser presque instantanément sur tout le volume avec la moindre secousse ou la pénétration d'une impureté insignifiante.
Eau chaude paradoxale
Un fait étonnant - l'eau chaude se transforme en un état cristallin plus rapidement que l'eau froide - a été appelé "l'effet Mpemba" en l'honneur de l'écolier tanzanien qui a découvert ce paradoxe. Plus précisément, ils le savaient dans l'Antiquité, cependant, ne trouvant pas d'explication, les philosophes naturels et les scientifiques naturels ont finalement cessé de prêter attention au phénomène mystérieux.
En 1963, Erasto Mpemba s'étonne queLe mélange de crème glacée chaude prend plus rapidement que le mélange de crème glacée froide. Et en 1969, un phénomène intrigant a déjà été confirmé dans une expérience physique (au fait, avec la participation de Mpemba lui-même). L'effet s'explique par toute une série de raisons:
- plus de centres de cristallisation tels que des bulles d'air;
- dissipation thermique élevée de l'eau chaude;
- taux d'évaporation élevé, entraînant une diminution du volume de liquide.
La pression comme facteur de cristallisation
La relation entre la pression et la température en tant que quantités clés qui affectent le processus de cristallisation de l'eau est clairement reflétée dans le diagramme de phases. On peut en déduire qu'avec l'augmentation de la pression, la température de transition de phase de l'eau d'un état liquide à un état solide diminue extrêmement lentement. Naturellement, l'inverse est également vrai: plus la pression est faible, plus la température nécessaire à la formation de la glace est élevée, et elle croît tout aussi lentement. Pour obtenir des conditions dans lesquelles l'eau (non distillée!) Est capable de cristalliser en glace ordinaire Ih à la température la plus basse possible de -22 ° C, la pression doit être augmentée à 2085 atmosphères.
La température maximale de cristallisation correspond à la combinaison de conditions suivante, appelée point triple de l'eau: 0,006 atmosphère et 0,01 °C. Avec de tels paramètres, les points de cristallisation-fusion et de condensation-ébullition coïncident, et les trois états d'agrégation de l'eau coexistent en équilibre (en l'absence d'autres substances).
De nombreux types de glace
Actuellement connu d'environ 20 modificationsétat solide de l'eau - de l'amorphe à la glace XVII. Tous, à l'exception de la glace Ih ordinaire, nécessitent des conditions de cristallisation exotiques pour la Terre, et tous ne sont pas stables. Seule la glace Ic se trouve très rarement dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre, mais sa formation n'est pas associée au gel de l'eau, puisqu'elle se forme à partir de vapeur d'eau à des températures extrêmement basses. La glace XI a été trouvée en Antarctique, mais cette modification est un dérivé de la glace ordinaire.
Par cristallisation de l'eau à des pressions extrêmement élevées, il est possible d'obtenir des modifications de glace telles que III, V, VI, et avec une augmentation simultanée de la température - glace VII. Il est probable que certains d'entre eux puissent se former dans des conditions inhabituelles pour notre planète sur d'autres corps du système solaire: sur Uranus, Neptune ou de gros satellites des planètes géantes. Il faut penser que de futures expériences et études théoriques sur les propriétés encore peu étudiées de ces glaces, ainsi que sur les caractéristiques de leurs processus de cristallisation, éclaireront cette question et ouvriront bien d'autres choses.
