Замерзание дистиллированной воды: когда и при какой температуре происходит, может ли на улице, на морозе замёрзнуть вода в аккумуляторе в машине, должна ли

Что такое фазовый переход?

Всем известно, что в природе существует три основных агрегатных состояния (фазы) вещества: твердое, жидкое и газообразное. Часто к ним добавляют четвертое состояние — плазму (из-за особенностей, отличающих ее от газов). Но при переходе от газа к плазме характерно резкой границы нет, и свойства определяются не столько соотношением между частицами вещества (молекулами и атомами), сколько состоянием самих атомов.

Все вещества, переходя из одного состояния в другое, при нормальных условиях скачком меняют свои свойства (за исключением некоторых сверхкритических состояний, но их мы здесь касаться не будем). Такое превращение является фазовым переходом, вернее, одним из его вариантов. Это происходит при определенном сочетании физических параметров (температура и давление), называемом точкой фазового перехода.

Превращение жидкости в газ – это испарение, противоположное явление – конденсация. Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением, если же процесс идет в обратном направлении, то его называют кристаллизацией. Твердое тело может сразу превратиться в газ и наоборот — в этих случаях говорят о сублимации и десублимации.

При кристаллизации вода превращается в лед и наглядно показывает, насколько меняются ее физические свойства. Остановимся на некоторых важных деталях этого явления.

Понятие о кристаллизации

При затвердевании жидкости при охлаждении изменяется характер взаимодействия и расположения частиц вещества. Кинетическая энергия хаотического теплового движения ее составляющих уменьшается, и они начинают образовывать устойчивые связи друг с другом. Когда эти связи располагают молекулы (или атомы) правильным, упорядоченным образом, формируется кристаллическая структура твердого тела.

Кристаллизация не охватывает сразу весь объем охлаждаемой жидкости, а начинается с образования мелких кристаллов. Это так называемые центры кристаллизации. Они растут слоями, шаг за шагом, добавляя все больше и больше молекул или атомов вещества вдоль растущего слоя.

Условия кристаллизации

Кристаллизация требует охлаждения жидкости до определенной температуры (она же и температура плавления). Таким образом, температура кристаллизации воды при нормальных условиях равна 0 °С.

Для каждого вещества кристаллизация характеризуется количеством скрытой теплоты. Это количество энергии, выделяемой при этом процессе (и в обратном случае, соответственно, поглощаемой энергии). Удельная теплота кристаллизации воды – это скрытая теплота, выделяемая одним килограммом воды при 0 °С. Из всех веществ вблизи воды она одна из самых высоких и составляет около 330 кДж/кг. Такое большое значение обусловлено структурными свойствами, определяющими параметры кристаллизации воды. Мы будем использовать формулу для расчета скрытой теплоты ниже, после рассмотрения этих функций.

Чтобы компенсировать скрытую теплоту, необходимо переохладить жидкость, чтобы инициировать рост кристаллов. Степень переохлаждения оказывает существенное влияние на число центров кристаллизации и скорость роста. Пока идет процесс, дальнейшее охлаждение не меняет температуру вещества.

Молекула воды

Чтобы лучше понять, как кристаллизуется вода, необходимо знать, как устроена молекула этого химического соединения, ведь строение молекулы определяет свойства образуемых ею связей.

Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Они образуют тупоугольный равнобедренный треугольник, в котором атом кислорода расположен при вершине тупого угла 104,45°. В этом случае кислород сильно тянет электронные облака в свою сторону, так что молекула представляет собой электрический диполь. Заряды в нем распределены по вершинам воображаемой четырехгранной пирамиды — тетраэдра с внутренними углами около 109°. В результате молекула может образовывать четыре водородные (протонные) связи, что, конечно же, влияет на свойства воды.

Особенности структуры жидкой воды и льда

Способность молекулы воды образовывать протонные связи проявляется как в жидком, так и в твердом состояниях. Когда вода находится в жидком состоянии, эти связи весьма неустойчивы, легко рвутся, но также постоянно восстанавливаются. Благодаря их присутствию молекулы воды более прочно связаны друг с другом, чем частицы других жидкостей. Ассоциируясь, они образуют особые структуры — кластеры. По этой причине фазовые точки воды смещаются в сторону более высоких температур, ведь для разрушения таких дополнительных соединений также требуется энергия. Причем энергия весьма значительна: если бы не было водородных связей и кластеров, температура кристаллизации воды (как и ее плавления) была бы –100°С, а кипения +80°С.

Структура кластеров идентична структуре кристаллического льда. Соединяя каждую с четырьмя соседями, молекулы воды строят открытую кристаллическую структуру с основанием в форме шестиугольника. В отличие от жидкой воды, где микрокристаллы — кластеры — неустойчивы и подвижны за счет теплового движения молекул, при образовании льда они стабильно и закономерно перестраиваются. Водородные связи фиксируют взаимное расположение узлов кристаллической решетки, в результате чего расстояние между молекулами становится несколько больше, чем в жидкой фазе. Этим обстоятельством объясняется скачок плотности воды при кристаллизации – плотность падает с почти 1 г/см3 до примерно 0,92 г/см3.

Читайте также: Морозильная камера не отключается: 8 причин, почему это происходит

О скрытой теплоте

Особенности молекулярного строения воды очень серьезно отражаются на ее свойствах. Особенно это видно по высокой удельной теплоте кристаллизации воды. Именно благодаря наличию протонных связей, которые отделяют воду от других соединений, образующих молекулярные кристаллы. Установлено, что энергия водородной связи в воде составляет ок. 20 кДж на моль, то есть на 18 г. Значительная часть этих связей устанавливается «в массе» при замерзании воды — отсюда и такая большая отдача энергии.

Проведем простой расчет. Пусть при кристаллизации воды выделяется 1650 кДж энергии. Это очень много: эквивалентную энергию можно получить, например, от взрыва шести лимонных гранат Ф-1. Рассчитаем массу воды, подвергшейся кристаллизации. Формула, связывающая количество скрытой теплоты Q, массу m и удельную теплоту кристаллизации λ, очень проста: Q = — λ * m. Знак минус просто означает, что тепло выделяется физической системой. Подставляя известные значения получаем: m = 1650/330 = 5 (кг). Всего 5 литров нужно, чтобы при кристаллизации воды выделилось целых 1650 кДж энергии! Естественно, энергия сразу не отдается — процесс длится достаточно долго, и тепло улетучивается.

Многие птицы, например, хорошо знают об этом свойстве воды, и пользуются им, чтобы нежиться возле ледяной воды в озерах и реках, в таких местах температура воздуха на несколько градусов выше.

Кристаллизация растворов

Вода — прекрасный растворитель. Растворенные в нем вещества сдвигают точку кристаллизации, как правило, вниз. Чем выше концентрация раствора, тем ниже температура замерзания. Ярким примером является морская вода, в которой растворено множество различных солей. Их концентрация в воде Мирового океана составляет 35 ppm, а кристаллизуется такая вода при -1,9°С. Соленость воды в разных океанах очень разная, поэтому и температура замерзания разная. Так, балтийская вода имеет соленость не более 8 промилле, а температура кристаллизации близка к 0 °С. Минерализованные подземные воды также замерзают при отрицательных температурах. Следует помнить, что речь всегда идет только о кристаллизации воды: морской лед почти всегда пресный, в крайнем случае слабосоленый.

Водные растворы различных спиртов также характеризуются более низкой температурой замерзания, и их кристаллизация протекает не скачком, а с определенным диапазоном температур. Например, 40% спирт начинает замерзать при -22,5°С и окончательно кристаллизуется при -29,5°С.

Но раствор такой щелочи, как едкий натр NaOH или каустик, представляет собой интересное исключение: для него характерна повышенная температура кристаллизации.

Как замерзает чистая вода?

В дистиллированной воде кластерная структура нарушена из-за испарения при перегонке, и количество водородных связей между молекулами такой воды очень мало. Кроме того, такая вода не содержит примесей в виде взвешенных микроскопических частиц пыли, пузырьков и т д., являющихся в дальнейшем очагами кристаллообразования. По этой причине температура кристаллизации дистиллированной воды понижена до -42 °С.

Дистиллированную воду можно переохладить до -70°С. В таком состоянии переохлажденная вода способна практически мгновенно кристаллизоваться по всему объему при малейшем встряхивании или попадании незначительной примеси.

Парадоксальная горячая вода

Невероятный факт — горячая вода превращается в кристаллическое состояние быстрее, чем холодная — был назван «эффектом Мпембы» в честь танзанийского школьника, открывшего этот парадокс. Точнее, знали об этом еще в древности, но, не найдя объяснения, естествоиспытатели и естествоиспытатели окончательно перестали обращать внимание на загадочное явление.

В 1963 году Эрасто Мпемба был удивлен тем, что нагретое мороженое затвердевает быстрее, чем холодный лед. А в 1969 году захватывающее явление уже подтвердилось в физическом эксперименте (кстати, при участии самого Мпембы). Эффект объясняется рядом причин:

• множественные центры кристаллизации, такие как пузырьки воздуха;
• высокая теплоотдача горячей воды;
• высокая скорость испарения, что приводит к уменьшению объема жидкости.

Давление как фактор кристаллизации

Взаимосвязь между давлением и температурой как ключевыми величинами, влияющими на процесс кристаллизации воды, наглядно отражена на фазовой диаграмме. Отсюда видно, что с ростом давления температура фазового перехода воды из жидкого состояния в твердое снижается крайне медленно. Естественно, верно и обратное: чем ниже давление, тем выше температура, необходимая для образования льда, и так же медленно он растет. Для достижения условий, при которых вода (не дистиллированная!) способна кристаллизоваться в обычный лед Ih при минимально возможной температуре -22°С, давление необходимо повысить до 2085 атмосфер.

Максимальная температура кристаллизации соответствует следующему сочетанию условий, называемому тройной точкой воды: 0,006 атмосферы и 0,01 °С. При таких параметрах точки кристаллизации-плавления и конденсации-кипения совпадают, и все три агрегатных состояния воды одновременно существуют в равновесии (в отсутствие других веществ).

Множество типов льда

В настоящее время известно около 20 модификаций твердого состояния воды — от аморфной до ледяной XVII. Все они, кроме обычного Ih льда, требуют экзотических для Земли условий кристаллизации, и не все стабильны. Только лед Ic очень редко встречается в верхних слоях атмосферы Земли, но его образование не связано с замерзанием воды, так как он образуется из водяного пара при крайне низких температурах. Лед XI был найден в Антарктиде, но эта модификация является производной от обычного льда.

Путем кристаллизации воды при сверхвысоких давлениях можно получить такие модификации льда, как III, V, VI, а при одновременном повышении температуры — лед VII. Вполне вероятно, что некоторые из них могли образоваться в несвойственных нашей планете условиях на других телах Солнечной системы: на Уране, Нептуне или крупных спутниках планет-гигантов. Надо полагать, что будущие эксперименты и теоретические исследования свойств этих льдов, пока еще мало изученных, а также свойств процессов их кристаллизации прояснят этот вопрос и откроют еще много нового.

Может и должна ли замораживаться?

Дистиллированная вода может замерзнуть. Но этот процесс начинает происходить при более низкой температуре.

Если в обычной воде появляются кристаллы льда уже при 00С, то дистиллят замерзает только при фиксированном минусе.

Неочищенная вода содержит соли с другими примесями. Из-за них в такой воде много центров кристаллизации. Перегнанный раствор практически не имеет центров кристаллизации.

В такой среде отсутствуют примеси, благодаря которым вода быстро переходит в твердую форму. Но при дальнейшем снижении температуры даже идеально очищенная смесь все равно замерзнет. Дистиллят обычного качества может превратиться в лед при -100С. Стерильная лабораторная вода замерзает при более низком значении. Это -420С. В лабораторных условиях зафиксирован случай, когда стерильный раствор превращался в лед только при -700С.

Почему существует утверждение, что дистиллят не превращается в лед?

Это мнение основано на свойствах такого состава. Он не содержит примесей. Именно из-за них обычная вода замерзает уже при 00С. Поскольку в очищенных растворах отсутствуют примеси, считается, что они могут оставаться в жидком состоянии даже при минусовой температуре.

От каких факторов зависит температура кристаллизации?

Температура замерзания стерильного раствора зависит от следующих факторов:

• наличие посторонних примесей;
• концентрация посторонних включений;
• условия окружающей среды, где находится очищаемая смесь.

Свою роль играет внешнее воздействие на емкость с дистиллированной водой. Даже стерильный раствор при добавлении в него небольшого количества примесей быстро кристаллизуется даже при небольшом минусе.

Направления. Эксперименты указывают на чувствительность перегнанного раствора к механическим воздействиям. Охлажденная, но незамерзшая вода сразу же покроется льдом, если вы ударите ею по контейнеру или встряхнете. Это свидетельствует о его нестабильном состоянии при замораживании.

Отличие в заморозке дистиллята от обычной воды

Замороженный дистиллят отличается от замерзшей обычной воды более низкой температурой замерзания. Чем чище состав, тем ниже должна быть температура, чтобы он превратился в полноценный лед. Водопроводная вода превращается в лед уже при 00С.

Отличие также заключается в центрах кристаллизации. В очищенной воде их нет из-за отсутствия в ней примесей. Таких центров кристаллизации в обычной воде много. По этой причине он быстрее остывает.

Обычная вода замерзает быстрее, чем дистиллированная.

Очищенный состав кристаллизуется более длительное время. В такой воде постепенно образуются осколки льда.

Обыкновенная вода покрыта льдом по всей поверхности. Замораживание начинается снизу и движется вверх. В дистилляте этот процесс идет сверху вниз.

Температура превращения в лед

Скорость превращения очищенной воды в лед зависит от условий, в которых она находится. Перегнанная смесь, находящаяся снаружи и внутри автомобильного аккумулятора, замерзает при разных температурах. В этих двух случаях отмечается разная температура замерзания.

На улице

В уличных условиях очищенный состав довольно быстро кристаллизуется. На открытом воздухе отсутствуют факторы, препятствующие быстрому переходу раствора в состояние льда.

Качественный дистиллят на улице может замерзнуть при -100С. Это значение является точкой замерзания. Однако имеющиеся в продаже составы часто превращаются в лед при температуре от -1 до -50°С.

В аккумуляторе

Так как очищенная вода в этом случае находится внутри батареи, процесс заморозки будет медленнее. Но это касается случаев, когда дистиллят заливают в горячую батарею. Он медленно остывает. При небольшом минусе дистиллят внутри него не успеет застыть.

Важный. Температура замерзания качественной дистиллированной воды в аккумуляторе -70С. Обычные составы среднего качества могут начать кристаллизоваться уже при -30°C.

Как происходит процесс?

Процесс выглядит следующим образом:

1. 
   Состав остывает все сильнее по мере снижения температуры.
2. При достижении точки замерзания пространство между молекулами увеличивается.
3. Сначала на верхней части контейнера образуется ледяная шапка, которая начинает расти вниз.
4. Замораживание идет сверху вниз, пока не достигнет дна контейнера.

При замораживании объем перегоняемой смеси увеличивается почти на 10%.

Что делать, при замерзании?

В обычных условиях заморозка дистиллята не вызывает проблем. Застывший состав нужно поместить в отапливаемое помещение и подождать.

После того, как он оттает и достигнет комнатной температуры, его еще можно будет использовать по прямому назначению. Свойства такого раствора не изменятся.

Не ускоряйте оттаивание дистиллированной воды. Вы не можете нагреть его. В этом процессе раствор уже не будет чистым. В него попадут посторонние примеси из емкости, в которой он нагревается.

Если дистиллят замерз внутри аккумулятора, необходимо предварительно снять его с автомобиля и убрать в теплое помещение. Батарея должна разморозиться при комнатной температуре.

Его нельзя нагревать или включать во время процесса разморозки. После этого важно проверить состояние пластин аккумулятора.

Дистиллят в состоянии льда из-за его расширения может их повредить, и вся батарея придет в негодность.

Только после тщательной проверки аккумулятора можно ставить его обратно в автомобиль и продолжать им пользоваться. Замерзшая дистиллированная вода в аккумуляторе часто является причиной выхода аккумулятора из строя. В таких ситуациях дистиллят сливают и аккумулятор либо ремонтируют, либо заменяют новым.