Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул - Кейт Бибердорф

молекулы находятся близко друг к другу, жидкость может превратиться в твердое тело. Замерзание и плавление (то есть таяние) – это противоположные процессы. При плавлении молекулам необходимо двигаться и увеличивать расстояние между собой; в результате твердое тело превращается в жидкость. Однако для того, чтобы жидкость стала твердым телом, молекулы должны располагаться практически вплотную к друг другу.

Лучший способ заморозить что-либо – это поместить объект в среду с низкой температурой, например, в морозильную камеру. Вы также можете изменить давление (в лаборатории). При низкой температуре движение молекул замедляется, из-за чего расстояние между ними уменьшается. Когда я убираю брецели в шоколаде в холодильник, растопленный шоколад затвердевает и превращается в глазурь. Этот процесс начинает происходить не сразу, к тому же тут играет роль толщина слоя шоколада. Чем больше молекул, тем больше времени требуется для их замедления – для перехода жидкости в твердое состояние. Однако все молекулы обладают точкой замерзания – температурой, при которой жидкость превращается в твердое тело.

Таяние, испарение, конденсация и заморозка – самые распространенные переходы. Есть еще два, не столь распространенных, но их нужно упомянуть: сублимация и десублимация. Это процессы перехода твердого тела в газообразное и наоборот. Молекулы, минуя жидкое состояние, сразу переходят из твердого в газообразное или наоборот. Чтобы произошли эти процессы, расстояние между молекулами должно резко увеличиться или резко уменьшиться. В зависимости от молекул подобные переходы могут происходить естественным путем в обычных условиях или в лаборатории с использованием экстремальных температур и изменением давления.

В естественных условиях сублимация происходит редко, так как для такого перехода молекулам надо очень быстро двигаться. По правде говоря, в повседневной жизни мы практически не сталкиваемся с этим процессом. Большинство людей наблюдают его только в том случае, если работают с сухим льдом. Сухой лед (или углекислый газ в твердом состоянии) обладает удивительными свойствами, благодаря которым может переходить из твердого состояния в газообразное. Это означает, что во время перехода расстояние между молекулами быстро увеличивается. Процесс происходит самостоятельно при нормальных атмосферном давлении и температуре; именно поэтому сухой лед используется для создания тумана или дыма на концертах, представлениях, а также на моих лекциях.

Сублимация также используется в освежителях воздуха и камфорных шариках. Сами по себе эти вещества твердые, но со временем они выделяют в воздух немного молекул, из-за чего появляется определенный запах. Каждая система сублимируется при комнатной температуре, однако, в отличие от сухого льда, этот процесс может занять дни, а то и недели. Вот почему автомобильные ароматизаторы необходимо менять раз в несколько недель – они перестают выделять в воздух молекулы.

Противоположный сублимации процесс – десублимация: газ превращается в твердое тело. Во время этого перехода теряется много энергии, из-за чего молекулы замедляются и останавливаются. Люди, живущие в холодном климате, сталкиваются с десублимацией намного чаще, чем им кажется. Каждое утро, когда вы выглядываете в окно и видите покрытые инеем листья, вы наблюдаете результат десублимации. Ночью молекулы воды в воздухе теряют много энергии, из-за чего оседают на листьях, образуя ледяную корочку. Если вы когда-нибудь решите понаблюдать за тем, как образуется иней, то увидите, что пар сразу превращается в лед, минуя жидкую форму.

Еще один пример десублимации – сажа внутри дымохода. Когда я жила в Мичигане, то любила проводить холодное утро, сидя у камина с кружкой горячего какао. В то время я не понимала, что если буду чуть внимательнее, то смогу увидеть, как частички сажи, переходя из газообразной формы в твердую, объединяются с пылью. Пыль и сажа копились внутри камина, оставляя после себя черный налет, который моя мама просто ненавидела. В этом случае десублимация сажи происходила намного быстрее, чем десублимация инея; по моему предвзятому мнению, оба процесса одинаково завораживают.

Напомню, что существует шесть видов фазовых переходов, которые я собрала в одной таблице.

Большинство молекул имеют собственную температуру и давление для каждого из шести переходов, однако каждая молекула уникальна. У некоторых, например, есть тройная точка. Это сочетание температуры и давления, при котором расстояние между молекулами неопределенно, из-за чего вещество одновременно существует в трех агрегатных формах: твердой, жидкой и газообразной. Например, для воды тройной точкой является температура 0,01°C (32°F) и давление 4,58 торр. Самый простой способ наблюдать такое явление в лаборатории – это набрать воду в закрытый контейнер и поместить в вакуум, чтобы снизить давление.

Я уверена, что вы видели в интернете, как люди на Аляске выливают кипящую воду при температуре –52°C. Как только вода покидает емкость, происходит фазовый переход: часть молекул моментально замерзает, превращаясь в маленькие сосульки, а часть молекул испаряется в большое белое облако. Очень похоже на заледеневший фейерверк: большое облако газа с маленькими сосульками в форме радуги. Вода находится во всех трех состояниях одновременно около одной секунды. Вот так классно она выглядит в своей тройной точке.

Есть еще несколько условий (определенные температура и давление), при которых можно отличить жидкости и газы. Когда вы поднимаетесь выше критической точки, то расстояние между молекулами в жидкостях и газах изменяется так быстро, что невозможно определить агрегатное состояние вещества. Это называется сверхкритическая жидкость; она представляет собой жидкостногазовое вещество и обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами газов (для разных типов молекул – разные свойства).

Самый распространенный пример сверхкритической жидкости – безкофеиновый кофе. Сначала зерна обрабатываются паром, после чего их помещают в специальный контейнер, способный выдерживать высокое давление. В него поступает диоксид углерода в сверхкритическом (или сжиженном) состоянии, растворяющий кофеин. Сверхкритическая жидкость не влияет на зерна кофе, благодаря чему считается идеальным растворителем кофеина. Самое интересное то, что диоксид углерода можно очистить от кофеина. А это значит, что его можно будет использовать еще несколько раз!

Раньше диоксид углерода в сжиженном состоянии часто использовался в качестве растворителя на химчистках, так как он легко удалял грязь с одежды, оставляя ту практически «сухой». (Я использую кавычки, потому что сверхкритическая жидкость – это не вполне та жидкость, к которой мы привыкли. Жидкое/газовое вещество не влажное, но и не сухое.) Однако была одна большая проблема. Вещество распылялось на одежду под большим давлением, но когда давление спадало, то хрупкие или плохо пришитые пуговицы ломались и отрывались. Улучшить этот процесс никак не получилось, поэтому, на сегодняшний день, в большинстве химчисток отказались от такого метода в пользу других вариантов.

Но все эти фазовые изменения происходят на макроскопическом уровне. Мы можем увидеть конденсацию, замерзание или даже сверхкритическую жидкость невооруженным глазом. Однако мы не