Denne artikel forklarer, hvad krystallisation og smeltning er. Ved at bruge eksemplet med forskellige tilstande af aggregering af vand, forklares det, hvor meget varme der kræves til frysning og optøning, og hvorfor disse værdier er forskellige. Forskellen mellem poly- og enkeltkrystaller er vist, såvel som kompleksiteten af at fremstille sidstnævnte.
Overgang til en anden samlet tilstand
En almindelig person tænker sjældent over det, men livet på det niveau, hvor det eksisterer nu, ville være umuligt uden videnskab. Hvilken en? Spørgsmålet er ikke let, for mange processer foregår i krydsfeltet mellem flere discipliner. Fænomener, som det er vanskeligt at definere videnskabens felt præcist for, er krystallisation og smeltning. Det ser ud til, hvad der er så kompliceret her: der var vand - der var is, der var en metalkugle - der var en pøl af flydende metal. Der er dog ingen nøjagtige mekanismer for overgangen fra en aggregeringstilstand til en anden. Fysikere kommer dybere og dybere ind i junglen, men det er stadig ikke muligt at forudsige præcist, hvornår smeltningen og krystalliseringen af kroppe vil begynde.viser sig.
Hvad vi ved
Noget menneskeheden stadig ved. Smelte- og krystallisationstemperaturerne bestemmes ret let empirisk. Men selv her er alt ikke så enkelt. Alle ved, at vand smelter og fryser ved nul grader celsius. Vand er dog norm alt ikke bare en teoretisk konstruktion, men et bestemt volumen. Glem ikke, at processen med smeltning og krystallisation ikke er øjeblikkelig. Isterningen begynder at smelte lidt før den når præcis nul grader, vandet i glasset er dækket med de første iskrystaller ved en temperatur der er lidt over dette mærke på skalaen.
Emission og absorption af varme under overgangen til en anden aggregeringstilstand
Krystallisation og smeltning af faste stoffer er ledsaget af visse termiske effekter. I flydende tilstand er molekyler (eller nogle gange atomer) ikke særlig tæt bundet sammen. På grund af dette har de egenskaben "fluiditet". Når kroppen begynder at miste varme, begynder atomer og molekyler at kombineres til den struktur, der er mest bekvem for dem. Sådan opstår krystallisation. Ofte afhænger det af ydre forhold, om grafit, diamant eller fulleren vil blive opnået fra det samme kulstof. Så ikke kun temperatur, men også tryk påvirker, hvordan krystallisation og smeltning vil forløbe. Men for at bryde bindingerne i en stiv krystallinsk struktur kræver det lidt mere energi, og dermed mængden af varme, end at skabe dem. Dermed,stoffet fryser hurtigere end smelter under de samme procesbetingelser. Dette fænomen kaldes latent varme og afspejler forskellen beskrevet ovenfor. Husk på, at latent varme ikke har noget at gøre med varme som sådan og afspejler den mængde varme, der kræves for at krystallisation og smeltning kan finde sted.
Ændring i volumen ved overgang til en anden aggregeringstilstand
Som allerede nævnt er mængden og kvaliteten af bindinger i flydende og fast tilstand forskellige. Den flydende tilstand kræver mere energi, derfor bevæger atomerne sig hurtigere, hopper konstant fra et sted til et andet og skaber midlertidige bindinger. Da amplituden af partikeloscillationer er større, optager væsken også et større volumen. Mens bindingerne i et fast legeme er stive, svinger hvert atom omkring en ligevægtsposition, det er ude af stand til at forlade sin position. Denne struktur fylder mindre. Så smeltning og krystallisation af stoffer er ledsaget af en ændring i volumen.
Funktioner ved krystallisation og smeltning af vand
En så almindelig og vigtig væske for vores planet som vand, måske er det ikke tilfældigt, at det spiller en stor rolle i næsten alle levende væseners liv. Forskellen mellem mængden af varme, der kræves for at krystallisation og smeltning kan forekomme, samt ændringen i volumen ved ændring af aggregeringstilstanden, er beskrevet ovenfor. En undtagelse fra begge regler er vand. Hydrogen af forskellige molekyler, selv i flydende tilstand, kombineres i kort tid og danner en svag, men stadig ikkenul hydrogenbinding. Dette forklarer den utrolig høje varmekapacitet af denne universalvæske. Det skal bemærkes, at disse bindinger ikke forstyrrer strømmen af vand. Men deres rolle under frysning (med andre ord krystallisering) forbliver uklar til slutningen. Det skal dog erkendes, at is af samme masse fylder mere end flydende vand. Denne kendsgerning forårsager stor skade på offentlige forsyningsvirksomheder og forårsager mange problemer for folk, der betjener dem.
Sådanne beskeder vises i nyhederne mere end én eller to gange. Om vinteren skete der en ulykke ved kedelhuset i en fjern bebyggelse. På grund af snestorme, is eller hård frost, havde vi ikke tid til at levere brændstof. Vandet til radiatorerne og vandhanerne stoppede med at varme. Hvis det ikke tømmes i tide, hvilket efterlader systemet i det mindste delvist tomt, og helst helt tørt, begynder det at opnå omgivelsestemperatur. Oftest er der desværre på dette tidspunkt svær frost. Og isen bryder rørene og efterlader folk uden chance for et behageligt liv i de kommende måneder. Så er ulykken naturligvis elimineret, de tapre medarbejdere i Beredskabsministeriet, der bryder igennem snestormen, kaster adskillige tons eftertragtede kul dertil med helikopter, og de uheldige VVS-installatører skifter rør døgnet rundt i den bitre kulde.
Sne og snefnug
Når vi tænker på is, tænker vi oftest på kolde tern i et glas juice eller store vidder af frosset Antarktis. Sne opfattes af mennesker som et særligt fænomen, hvilket synes at væreikke relateret til vand. Men faktisk er det den samme is, kun frosset i en bestemt rækkefølge, der bestemmer formen. De siger, at der ikke er to identiske snefnug i hele den vide verden. En videnskabsmand fra USA gik seriøst i gang og bestemte betingelserne for at opnå disse sekskantede skønheder af den ønskede form. Hans laboratorium kan endda give en snefnug-snestorm af en kunde-sponsoreret hud. Forresten er hagl, som sne, resultatet af en meget nysgerrig proces med krystallisering - fra damp, ikke fra vand. Den omvendte omdannelse af et fast legeme umiddelbart til et gasformigt tilslag kaldes sublimering.
Enkeltkrystaller og polykrystaller
Alle så ismønstre på glasset i bussen om vinteren. De dannes, fordi temperaturen inde i transporten er over nul celsius. Og desuden giver mange mennesker, der udånder sammen med luften fra lette dampe, øget luftfugtighed. Men glas (oftest tynd enkelt) har en omgivende temperatur, det vil sige negativ. Vanddamp, der rører dens overflade, mister meget hurtigt varme og bliver til en fast tilstand. En krystal klæber til en anden, hver efterfølgende form er lidt anderledes end den foregående, og smukke asymmetriske mønstre vokser hurtigt. Dette er et eksempel på polykrystaller. "Poly" er fra det latinske "mange". I dette tilfælde kombineres et antal mikrodele til en enkelt helhed. Ethvert metalprodukt er også oftest en polykrystal. Men den perfekte form for det naturlige prisme af kvarts er en enkelt krystal. I sin struktur vil ingen finde fejl og huller, mens i polykrystallinske volumener af retningendele er arrangeret tilfældigt og stemmer ikke overens med hinanden.
Smartphone og kikkert
Men i moderne teknologi kræves der ofte absolut rene enkeltkrystaller. For eksempel indeholder næsten enhver smartphone et siliciumhukommelseselement i sine tarme. Ikke et eneste atom i hele dette volumen bør flyttes fra dets ideelle placering. Alle skal tage deres plads. Ellers vil du i stedet for et billede få lyde ved udgangen, og højst sandsynligt ubehagelige.
I kikkerter har nattesynsenheder også brug for tilstrækkeligt voluminøse monokrystaller, der omdanner infrarød stråling til synlig. Der er flere måder at dyrke dem på, men hver kræver særlig pleje og verificerede beregninger. Hvordan enkeltkrystaller opnås, forstår forskerne fra fasediagrammer af tilstand, det vil sige, de ser på grafen for smeltning og krystallisation af et stof. Det er svært at tegne sådan et billede, og derfor sætter materialeforskere især pris på videnskabsmænd, der beslutter sig for at finde ud af alle detaljerne i en sådan graf.
