Dit artikel legt uit wat kristallisatie en smelten zijn. Aan de hand van het voorbeeld van verschillende aggregatietoestanden van water wordt uitgelegd hoeveel warmte er nodig is voor invriezen en ontdooien en waarom deze waarden verschillen. Het verschil tussen poly- en eenkristallen wordt getoond, evenals de complexiteit van de vervaardiging van de laatste.
Overgang naar een andere geaggregeerde staat
Een gewoon persoon denkt er zelden over na, maar leven op het niveau waarop het nu bestaat, zou onmogelijk zijn zonder wetenschap. Welke? De vraag is niet eenvoudig, omdat veel processen zich afspelen op het snijvlak van meerdere disciplines. Verschijnselen waarvoor het wetenschapsgebied moeilijk precies te definiëren is, zijn kristallisatie en smelten. Het lijkt, nou ja, wat hier zo ingewikkeld is: er was water - er was ijs, er was een metalen bal - er was een plas vloeibaar metaal. Er zijn echter geen exacte mechanismen voor de overgang van de ene staat van aggregatie naar de andere. Natuurkundigen dringen steeds dieper het oerwoud in, maar het is nog niet te voorspellen wanneer het smelten en kristalliseren van lichamen precies zal beginnen.blijkt.
Wat we weten
Iets wat de mensheid nog steeds weet. De smelt- en kristallisatietemperaturen zijn vrij eenvoudig empirisch te bepalen. Maar zelfs hier is alles niet zo eenvoudig. Iedereen weet dat water smelt en bevriest bij nul graden Celsius. Water is echter meestal niet zomaar een theoretische constructie, maar een specifiek volume. Vergeet niet dat het smelt- en kristallisatieproces niet onmiddellijk plaatsvindt. Het ijsblokje begint een beetje te smelten voordat het precies nul graden bereikt, het water in het glas is bedekt met de eerste ijskristallen bij een temperatuur die iets boven deze markering op de schaal ligt.
Emissie en opname van warmte tijdens de overgang naar een andere aggregatietoestand
Kristallisatie en smelten van vaste stoffen gaan gepaard met bepaalde thermische effecten. In vloeibare toestand zijn moleculen (of soms atomen) niet erg stevig aan elkaar gebonden. Hierdoor hebben ze de eigenschap "vloeibaar" te zijn. Wanneer het lichaam warmte begint te verliezen, beginnen atomen en moleculen zich te combineren tot de structuur die voor hen het meest geschikt is. Dit is hoe kristallisatie optreedt. Vaak hangt het van externe omstandigheden af of uit dezelfde koolstof grafiet, diamant of fullereen wordt gewonnen. Dus niet alleen temperatuur, maar ook druk beïnvloedt hoe kristallisatie en smelten zal verlopen. Om de bindingen van een starre kristallijne structuur te verbreken, kost het echter iets meer energie, en dus de hoeveelheid warmte, dan om ze te creëren. Dus,onder dezelfde procesomstandigheden zal de stof sneller bevriezen dan smelten. Dit fenomeen wordt latente warmte genoemd en weerspiegelt het hierboven beschreven verschil. Bedenk dat latente warmte niets te maken heeft met warmte als zodanig en de hoeveelheid warmte weerspiegelt die nodig is om kristallisatie en smelten te laten plaatsvinden.
Verandering in volume bij overgang naar een andere aggregatiestatus
Zoals reeds vermeld, zijn de kwantiteit en kwaliteit van bindingen in vloeibare en vaste toestand verschillend. De vloeibare toestand vereist meer energie, vandaar dat de atomen sneller bewegen, constant van de ene plaats naar de andere springen en tijdelijke bindingen creëren. Omdat de amplitude van deeltjestrillingen groter is, neemt de vloeistof ook een groter volume in. Terwijl in een vast lichaam de bindingen star zijn, oscilleert elk atoom rond één evenwichtspositie, het kan zijn positie niet verlaten. Deze constructie neemt minder ruimte in beslag. Het smelten en kristalliseren van stoffen gaat dus gepaard met een verandering in volume.
Kenmerken van kristallisatie en smelten van water
Zo'n veel voorkomende en belangrijke vloeistof voor onze planeet als water, misschien is het geen toeval dat het een grote rol speelt in het leven van bijna alle levende wezens. Het verschil tussen de hoeveelheid warmte die nodig is om kristallisatie en smelten te laten plaatsvinden, evenals de verandering in volume bij het veranderen van de aggregatietoestand, is hierboven beschreven. Een uitzondering op beide regels is water. Waterstof van verschillende moleculen, zelfs in vloeibare toestand, combineert voor een korte tijd, vormt een zwak, maar nog steeds nietnul waterstofbinding. Dit verklaart de ongelooflijk hoge warmtecapaciteit van deze universele vloeistof. Opgemerkt moet worden dat deze bindingen de waterstroom niet verstoren. Maar hun rol tijdens het invriezen (met andere woorden, kristallisatie) blijft tot het einde onduidelijk. Er moet echter worden erkend dat ijs met dezelfde massa meer volume inneemt dan vloeibaar water. Dit feit veroorzaakt veel schade aan openbare nutsbedrijven en veroorzaakt veel problemen voor de mensen die hen bedienen.
Dergelijke berichten verschijnen meer dan een of twee keer in het nieuws. In de winter vond er een ongeval plaats in het ketelhuis van een afgelegen nederzetting. Door sneeuwstormen, ijs of strenge vorst hadden we geen tijd om brandstof te leveren. Het water dat aan de radiatoren en kranen werd geleverd, stopte met verwarmen. Als het niet op tijd wordt geleegd, waardoor het systeem ten minste gedeeltelijk leeg en bij voorkeur volledig droog blijft, begint het omgevingstemperatuur te krijgen. Meestal is er op dit moment helaas strenge vorst. En het ijs breekt de leidingen, waardoor mensen de komende maanden geen kans hebben op een comfortabel leven. Dan is het ongeval natuurlijk geëlimineerd, de dappere medewerkers van het ministerie van Noodsituaties breken door de sneeuwstorm heen, gooien er enkele tonnen felbegeerde kolen per helikopter naartoe en de ongelukkige loodgieters wisselen de klok rond in de bittere kou.
Sneeuw en sneeuwvlokken
Als we aan ijs denken, denken we meestal aan koude blokjes in een glas sap of aan uitgestrekte bevroren Antarctica. Sneeuw wordt door mensen gezien als een bijzonder fenomeen, wat lijkt te zijnniet gerelateerd aan water. Maar in feite is het hetzelfde ijs, alleen bevroren in een bepaalde volgorde, dat de vorm bepa alt. Ze zeggen dat er in de hele wereld geen twee identieke sneeuwvlokken zijn. Een wetenschapper uit de VS ging serieus aan de slag en bepaalde de voorwaarden voor het verkrijgen van deze zeshoekige schoonheden van de gewenste vorm. Zijn lab kan zelfs een sneeuwvlok van een door de klant gesponsorde huid leveren. Trouwens, hagel is, net als sneeuw, het resultaat van een heel merkwaardig proces van kristallisatie - van stoom, niet van water. De omgekeerde transformatie van een vast lichaam onmiddellijk in een gasvormig aggregaat wordt sublimatie genoemd.
Enkele kristallen en polykristallen
Iedereen zag in de winter ijspatronen op het glas in de bus. Ze ontstaan doordat de temperatuur in het transport boven nul Celsius ligt. En bovendien zorgen veel mensen, die samen met de lucht uit lichte dampen uitademen, voor een verhoogde luchtvochtigheid. Maar glas (meestal dunne single) heeft een omgevingstemperatuur, dat wil zeggen negatief. Waterdamp, die het oppervlak raakt, verliest zeer snel warmte en verandert in een vaste toestand. Het ene kristal plakt aan het andere, elke volgende vorm is iets anders dan de vorige en prachtige asymmetrische patronen groeien snel. Dit is een voorbeeld van polykristallen. "Poly" is van het Latijnse "veel". In dit geval worden een aantal microparts samengevoegd tot één geheel. Elk metalen product is ook meestal een polykristal. Maar de perfecte vorm van het natuurlijke prisma van kwarts is een enkel kristal. In zijn structuur zal niemand gebreken en gaten vinden, terwijl in polykristallijne volumes van de richtingdelen zijn willekeurig gerangschikt en zijn het niet met elkaar eens.
Smartphone en verrekijker
Maar in de moderne technologie zijn vaak absoluut zuivere eenkristallen vereist. Bijna elke smartphone bevat bijvoorbeeld een siliciumgeheugenelement in zijn darmen. Geen enkel atoom in dit hele volume mag van zijn ideale locatie worden verplaatst. Iedereen moet zijn plaats innemen. Anders krijg je in plaats van een foto geluiden aan de uitgang, en hoogstwaarschijnlijk onaangename geluiden.
In verrekijkers hebben nachtkijkers ook voldoende volumineuze eenkristallen nodig die infraroodstraling omzetten in zichtbaar. Er zijn verschillende manieren om ze te laten groeien, maar elk vereist speciale zorg en geverifieerde berekeningen. Hoe eenkristallen worden verkregen, begrijpen wetenschappers uit fasediagrammen van de toestand, dat wil zeggen, ze kijken naar de grafiek van het smelten en kristalliseren van een stof. Het tekenen van zo'n afbeelding is moeilijk, daarom waarderen materiaalwetenschappers vooral wetenschappers die besluiten om alle details van zo'n grafiek te weten te komen.
