Образование и рост кристаллов льда реферат
Обновлено: 05.07.2024
Льдообразование всегда связано с возникновением поверхности раздела фаз. Затрачиваемая при этом работа расходуется в основном на преодоление межфазового поверхностного натяжения первичного зародыша кристалла льда, вероятность возникновения которого определяется законами статистической физики.
Кристаллизуемость воды обычно характеризуется связанными с ее переохлаждением основными двумя факторами: скоростью зарождения центров кристаллизации и линейной скоростью кристаллизации.
Вязкие жидкости с минимальными значениями этих показателей даже при относительно небольшой скорости охлаждения могут быть, минуя кристаллизацию, переведены в твердое аморфное (стеклообразное) состояние.
По Френкелю, даже в абсолютно чистой свободной жидкости, в случае ее достаточного переохлаждения могут возникать благодаря флюктуациям зародыши кристаллов критического размера, которые при благоприятных условиях и становятся центрами кристаллизации. Для развития кристаллизации необходимо, чтобы количество возникающих кристаллов превосходило количество разрушающихся. Предположение о том, что вода в предкристаллизационном состоянии содержит множество зародышей твердой фазы, в известной мере подтверждается, например, аномальным увеличением скорости звука в воде при температуре около 0° С.
Практически затравками кристаллизации воды являются всегда присутствующие в ней незначительные твердые примеси, которые дополнительно уменьшают межфазное поверхностное натяжение и работу кристаллизации. Для возбуждения кристаллизации в переохлажденной воде (и водяном паре) наиболее эффективны микрозатравки из льда или из вещества, практически изоморфного льду, например из йодида серебра.
При кристаллизации (и плавлении) льда всегда на границе раздела фаз в результате частичной поляризации возникает разность электрических потенциалов, причем сила тока устанавливается пропорциональной скорости фазового превращения. Кристаллизация воды, связанной, например, капилляром, требует предварительного восстановления соответствующей структуры воды, в том числе нарушенных капилляром водородных связей.
В обычном случае образовавшиеся в зонах достаточно переохлажденной воды кристаллы внутриводного льда при симметрии среды и теплоотдачи растут в направлениях их оптических осей. При этом рост кристаллов происходит скачками и наиболее энергично у вершин и ребер, т. е. там, где больше ненасыщенных связей.
При кристаллизации воды, требующей переохлаждения ее, температура возникающей фазы - зародыша кристалла внутриводного льда в принципе равна температуре фазового превращения 0°С. Вокруг образующихся зародышей кристаллов льда из-за выделения теплоты кристаллизации возникает скачок температуры, местное переохлаждение воды ликвидируется и отдельные возникшие зародыши льда могут расплавиться. Поэтому для поддержания процесса льдообразования необходимо непрерывное отнятие теплоты кристаллизации. При 0° С может иметь место динамическое равновесие льда и воды.
Процесс кристаллизации поверхностного льда локализуется в пограничном слое переохлажденной воды. По данным Коста, переохлаждение воды при образовании поверхностного льда является функцией линейной скорости кристаллизации воды на охлаждаемой поверхности и составляет от -0,02° до -0,11° С при скоростях от 2 до 30 мм/мин. При этом температура смоченной поверхности льда должна быть ниже 0° С.
При кристаллизации вода превращается в лед - новую, термодинамически более устойчивую фазу. Частично происходит и обратное превращение вещества, однако преобладает переход молекул в твердую фазу. Возникающее в случае кристаллизации восстановление (по Поплу - выпрямление) водородных связей и другие явления изменяют кварцеобразную структуру жидкой воды на менее плотную структуру льда.
Так как при обычной тридимитообразной структуре льда каждая его молекула связана с тремя молекулами ее структурного слоя и одной молекулой соседнего слоя, то координационное число молекул у льда равно четырем. Изменения ряда физических свойств воды при охлаждении и замораживании наглядно отражают превращения ее структуры.
Аномальное падение плотности воды вызывается в основном уменьшением компактности среднего расположения молекул. Особенности воды и льда, в частности, объясняются изменениями в соотношениях количеств молекул с временно фиксированным положением и молекул, перемещающихся, а также влиянием водородных связей, полостей в структурах и полимеризацией молекул.
Возникающие при кристаллизации воды монокристаллы льда не имеют идеальной кристаллической решетки из-за неизбежных дефектов структуры, в частности типа дислокаций (сдвигов), вызываемых нарушением упаковки молекул и чередования атомных плоскостей.
По Альтбергу, природный внутриводный (донный) лед образуется в реке за счет конвективного заноса переохлажденной поверхностной воды внутрь потока и последующей кристаллизации ее преимущественно на песчинках и других твердых предметах.
В случае образования поверхностного льда в водоеме возникающие при температуре атмосферы обычно ниже 0° С отдельные монокристаллы льда объединяются, в частности, в игловидные горизонтальные кристаллы, которые по мере роста пересекаются и создают решетку. Промежутки ледяной решетки заполняются монокристаллами, также объединенными в кристаллиты, которые и завершают допленочную стадию образования сплошной корки поликристаллического льда в основном с хаотическим расположением кристаллов. При сильном ночном излучении тепла поверхностью спокойной воды корка льда может образоваться даже при положительной температуре.
На дальнейший рост кристаллов первоначальной корки льда влияют соседние кристаллы. При этом в связи с анизотропией роста имеет место преимущественное развитие кристаллов двух видов: а) с вертикальными оптическими осями, перпендикулярными поверхности льдообразования, - при спокойной воде с относительно большим градиентом температур и б) с горизонтальными осями, параллельными поверхности льдообразования, - при движущейся воде и примерной изотермии ее.
Обеспеченные питанием растущие кристаллы проявляют так называемую кристаллизационную силу, отталкивающую препятствия. При медленной кристаллизации и хорошей циркуляции пресной воды большинство примесей воды оттесняется и образуется прозрачный лед зеленовато-голубого оттенка. Лед образуется в основном с правильно ориентированными крупными кристаллитами в виде призмы с поперечником порядка нескольких миллиметров и с относительно небольшим количеством примесей.
При быстрой кристаллизации и слабой циркуляции воды лед получается непрозрачным, белого цвета (матовый лед) и представляет собой в этом случае тело с хаотическим расположением сростков мелких кристаллов обычно с поперечником менее 1 мм, перемежающихся с твердыми, жидкими и газообразными (воздух) примесями. При быстрой кристаллизации воды с повышенным количеством примесей они иногда располагаются не только между кристаллами, но и на базисных плоскостях внутри их. Прослойки между кристаллитами всегда содержат гораздо больше примесей, чем прослойки между монокристаллами. Межкристаллические прослойки имеют в частном случае речного льда толщину порядка 3 мкм при температуре замораживания -2° С и 0,3 мкм при температуре около -20° С. Отмечается, что размеры кристаллов льда из воды с примесью водорастворимых солей обратно пропорциональны скорости замораживания и концентрации солей.
Если лед образуется не на плоской поверхности воды, а в очень мелких водяных каплях, присутствующих, например, в облаках, где может иметь место значительное переохлаждение воды (до -40° С и ниже), то начало кристаллизации ее возможно не снаружи, а изнутри капель, где образуется внутриводный лед. Крупные же капли воды после переохлаждения обычно начинают замерзать снаружи.
При кристаллизации пресной воды растущий ледяной фронт бывает почти гладким. При этом вода, содержащая при 0° С около 40 г воздуха в тонне (при 30°С - только 20 г), во время кристаллизации при движении фронта выделяет воздух во вне- или в межкристаллитное пространство.
При кристаллизации соленой воды (начинается при температуре, определяемой составом и концентрацией солей) растущий ледяной фронт бывает шероховатым, с выступами, вершины которых находятся в зонах наименьшей концентрации солей. В первую очередь кристаллизуется вода, менее связанная гидратацией с ионами солей. В дальнейшем ионы солей могут в той или иной степени дегидратироваться и соли выпадут из раствора в соответствии с их растворимостью. При этом могут образовываться и соответствующие температуре кристаллогидраты. Во льду с водорастворимыми примесями последние в основном размещаются в ячейках из кристаллов, что важно, например, при производстве рассольного льда.
Необходимо заметить, что рост крупных снежинок за счет мелких кристаллов и капель связан с повышенной упругостью водяного пара для малых кристаллов и капель. Упругость же пара зависит от кривизны и поверхностного натяжения водяных капель или ледяных кристаллов. Искусственное внесение затравок льдообразования в облака уже практически применялось в Приднепровье для снегования озимых посевов при малоснежной зиме.
Плавление льда. Льдообразованию предшествует то или иное переохлаждение воды, а плавлению - процесс предплавления, не связанный практически с перегревом твердой фазы, так как с поверхности лед при нормальном давлении начинает плавиться при температуре 0° С (273,15 К). При плавлении в отличие от кристаллизации не преодолевается значительная сила поверхностного натяжения воды. Дальний порядок размещения молекул, присущий льду, изменяется при плавлении на ближний порядок, свойственный воде.
Внутренняя энергия в случае плавления льда возрастает. Исходя из удельной теплоты плавления льда 334 кДж/кг и теплоты возгонки 2840 кДж/кг, характеризующей разрыв всех молекулярных связей, можно степень ослабления молекулярных связей при плавлении принять равной 12%. Из них примерно 9% приходится на водородные связи и только 3% на связи ван дер Ваальса.
В случае плавления льда длительность пребывания молекул в положении равновесия резко меняется. Энергия активации (потенциальный барьер) Е уменьшается, так как Е воды меньше Е льда. Всегда имеющиеся дефекты структуры кристаллической решетки и примеси дополнительно уменьшают энергию активации. Плавление льда обычно начинается с поверхности его, на гранях и ребрах кристаллов, а также в местах расположения примесей, являющихся затравками плавления. Поверхность плавящегося льда всегда микрошероховата.
Наиболее сложен процесс плавления льда в составе других структур, например в случае льдистого грунта. Водорастворимые соли во льду способствуют плавлению его как снаружи, так и внутри.
Необходимо подчеркнуть, что в свежем расплаве льда временно сохраняются некоторые физические особенности, более близкие ко льду, чем к воде околонулевой температуры. Присущие льду молекулярные свойства временно передаются талой воде, чем, видимо, и обусловливают ее повышенную биологическую активность. Электрические процессы при плавлении льда, а также особая активность льда и свежеталой воды могут влиять, например, на охлаждаемые тающим льдом пищевые продукты. Технологически также важно, что тающий лед хорошо поглощает многие газы, а следовательно, и запахи.
Более подробно физика и химия воды и льда рассматриваются в монографиях Фрицмана, Дорси и Флетчера, специально процесс плавления - в работе Уббелоде, структура воды и льда - в трудах Шумского, Зацепиной, Эйзенберга и Кауцмана.
Образование снежных узоров и ледяных кристаллов, этапы и принципы их роста. Структура узоров и снежинок, их основные разновидности и формы. Методы и главные этапы проведения исследовательской работы, анализ и интерпретация полученных результатов.
| Рубрика | Биология и естествознание |
| Вид | контрольная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 22.02.2016 |
| Размер файла | 617,6 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Введение
снежинка кристалл ледяной
Человеку всегда важно знать, какая будет погода, поскольку она влияет на его деятельность и самочувствие. Наблюдая природу в ненастье и солнечным днём, в сумерки и ночью, люди отмечали характерные признаки, предваряющие те или иные изменения погоды. Так появились многочисленные приметы - свидетельства народной мудрости. Красив снежный узор на окнах в блеске утреннего солнца и в густой синеве зимних сумерек…Мне всегда хотелось узнать, почему на окнах появляются снежные узоры? И можно ли по узору предсказывать погоду?
В этом и заключается актуальность моего исследования: в изучении ледяных узоров и снежинок на стекле и возможности предсказания погоды по ним.
Цель исследования: исследовать взаимосвязь снежных узоров и погоды.
Исходя из поставленной цели, в ходе работы над научно-исследовательским проектом мною были выявлены следующие задачи.
Задачи исследования:
1. Исследовать имеющуюся литературу по теме исследования.
2. Измерять температуру воздуха на улице в течение определенного времени.
3. Сделать фотографии ледяных узоров и снежных рисунков на стекле.
4. Обработать и систематизировать полученные результаты, свести их в таблицы.
5. Провести анализ результатов исследования и сделать выводы о том, как влияет температура и образование снежных узоров на изменение температуры воздуха на улице.
1. Теоретическая часть
1.1 Образование снежных узоров и ледяных кристаллов
В морозную ночь оконное стекло очень быстро теряет тепло, охлаждая молекулы водяного пара в воздухе помещения возле окна. Температура молекул воды в воздухе может упасть ниже точки замерзания, но сами молекулы при этом не замерзнут. Однако при соприкосновении с холодным стеклом этот переохлажденный водяной пар мгновенно, минуя стадию воды, превращается в лед.
Данное явление называется десублимация или депозицией - физический процесс перехода вещества из газообразного состояния в твёрдое, минуя жидкое. Десублимация является экзотермическим фазовым переходом и при десублимации высвобождается энергия.
Из молекул, скопившихся в крошечных царапинах на стекле, формируется кристалл, из которого затем произрастают замысловатые узоры.
Таким образом: узоры на окне появляются в мороз, когда на поверхности стекла конденсируется влага теплого комнатного воздуха.
1.2 Рост кристаллов льда
Новые кристаллы всегда начинают расти от краёв глазка, от оставшихся не растаявших слоёв льда. Это и понятно: пристроиться к уже готовой кристаллической решётке частицам воды легче, чем начинать строить новую решётку.
1.3 Структура ледяных узоров и снежинок
При медленной конденсации водяных паров молекулы воды образуют почти плоскую структуру - кластер, которая имеет осевую симметрию шестого порядка, т.е. при повороте на 60° она переходит сам в себя. Заметим, что это только один из множества возможных способов объединения молекул воды в кристалл льда.
На схематическом рисунке атомы кислорода в молекулах изображены, синим цветом, атомы водорода - красным. Хорошо видно, что некоторые места в структуре (они отмечены зеленым цветом) могут заполнить только молекулы воды, ориентированные не в плоскости рисунка, потому, что к тому месту, где должен находиться отрицательно заряженный атом кислорода, уже обращены два атома водорода соседних молекул.
Заполнение этих мест молекулами при росте кристалла льда происходит с меньшей скоростью или вовсе не происходит (это связано с глубиной соответствующей потенциальной ямы для этого места).
Поперечные размеры правильной снежинки отличаются во много раз, т.е. отношение диаметра снежинки к ее толщине может достигать нескольких десятков. Это отношение характеризует скорость роста снежинки в соответствующем направлении. При росте кристалла возможны разные способы (последовательности) заполнения энергетически выгодных позиций, что обеспечивает получение кристаллов (снежинок) разной формы.
Реализация конкретного способа роста - случайное событие, поэтому совершенно одинаковые по форме снежинки встречаются крайне редко. Попробуйте продолжить построение нарисованного кластера, и вы сразу увидите, как появляются возможность разветвления: достаточно увеличить радиус кластера на величину, соответствующую диаметру одной шестиугольной соты, и возникает очередное ветвление.
1.4 Основные виды морозных узоров
Ледяные узоры на окнах представляют собой редкое по красоте зрелище. Среди многих видов морозных узоров чаще других встречаются дендриты (древовидные образования) и трихиты (волокнистые формы).
Характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения. При охлаждении от 0 до - 6°C и небольшой исходной упругости водяного пара на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда. Для начального образования тонкого слоя такого льда в качестве затравок кристаллизации известную роль могут играть дефекты структуры поверхности, царапины. Однако в ходе дальнейшего развития процесса эти влияния полностью перекрываются общей картиной осаждения льда по всей охлаждающейся поверхности.
Если охлаждение поверхности оконного стекла начинается при положительной температуре и более высокой относительной влажности и в процессе охлаждения проходится точка росы, то на охлаждающейся поверхности сначала отлагается пленка воды, которая уже при отрицательных температурах закристаллизовывается в виде дендритов.
Чаще дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где вследствие действия силы тяжести накапливается большее количество воды. Размеры дендритных кристаллов зависят от имеющегося для их образования материала. В нижней части окна, где пленка воды толще, дендриты обычно имеют большие размеры. По мере перехода к верхней части окна размеры дендритов уменьшаются. В случае равномерной увлажненности стекла размеры дендритов примерно одинаковы. Дальнейшее охлаждение способствует отложению между дендритами, а затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда. Быстрые и значительные по величине переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации: дендриты растут островками, их формы менее резко выражены, а размеры уменьшены в сравнении с нормальными условиями.
Трихиты образуются у острых краев царапин на поверхности охлаждающегося твердого тела.
При этом вначале кристаллы образуют узкие параллельные полоски инея, вырождающиеся при дальнейшем охлаждении в достаточно плотные ледяные волокна, исходящие от основного стебля. В большинстве случаев, как основное волокно, так и прилегающие к нему тонкие полоски инея слегка изогнуты.
При осаждении льда вблизи охлаждающейся поверхности отмечаются колебания температуры величиной до 0,5°C, что указывает на существование в этой области ощутимой конвекции.
Дополнительная информация: Известно, что крепкая серная кислота хорошо поглощает воду. Если между рамами окна поставить стаканчик с такой кислотой, основное количество водяного пара из пространства между стеклами поглотится ею, и отложения льда на окне при не очень сильных морозах происходить не будет.
Тщательная теплоизоляция внешнего оконного стекла в местах его соприкосновения с рамой не допускает сильного охлаждения прилежащего изнутри к стеклу слоя воздуха, что также не благоприятствует осаждению льда на внутренней стороне стекла. С помощью этих мер затрудняется образование морозных узоров на окнах и обеспечивается необходимая прозрачность оконных стекол в зимнее время.
1.5 Внешний вид снежинок и кристаллов льда
Первые кристаллики льда на стекле это всегда шестилучевые звёздочки или шестигранные стебельки. Но, увеличиваясь, разрастаясь, они встречаются друг с другом, давят друг на друга, сгибаются, искривляются. И появляются узоры.
Чем сильнее мороз на улице, тем больше кристаллов-льдинок образуется и цепляется к царапинам и пылинкам на стекле.
Первым эту особенность снежинок отметил немецкий астроном Иоган Кеплер. Учёные установили, что форма снежного кристалла повторяет молекулярную структуру льда - его кристаллическая решётка, как раз состоит из шестиугольников. Получается, что внутреннее строение снежного кристалла определяет его внешний облик.
Первые систематические исследования снежных кристаллов предпринял в 30-х годах XX века японец Укихиро Накайя. Он выделил 41 тип снежинок, составил первую классификацию и выяснил, что величина и форма образующихся кристаллов льда зависит от зависит большого набора параметров: температуры внутри помещения и снаружи, влажности воздуха в помещении, толщины стекла и загрязненности его поверхности, от наличия и скорости воздушных потоков вблизи стекла и т.д.температуры и влажности (давление паров воды).
Замечательные ледяные узоры часто образуются зимой на стеклах автобусов или троллейбусов. При этом слой льда может достигать нескольких миллиметров. Источником водяного пара является, разумеется, дыхание пассажиров.
Рост кристаллов происходит во всевозможных направлениях, но самые большие кристаллы растут вдоль поверхности стекла. Скорости роста кристалла в различных направлениях тоже существенно различаются. Когда толщина ледяного панциря на стекле становится настолько большой, что отвод тепла наружу замедляется, кристаллы льда начинают расти в перпендикулярном стеклу направлении. Стекло как бы покрывается шубой из ледяных иголок.
2. Практическая часть
В ходе работы над научным проектом, мною была организована исследовательская работа, которая проводилась методами
Исследовательская работа проводилась в несколько этапов:
1. наблюдение ледяных узоров и снежинок;
2. измерение температуры воздуха на улице;
3. обработка и систематизирование полученных данных;
4. анализ результатов и подведение итогов исследования.
Наблюдение снежных узоров проводилось в городе Астане в течение января месяца 2011 года в одно и то же время на одном и том же окне. Также проводилось измерение температуры воздуха на улице.
2.2 Результаты исследовательской работы
Анализируя результаты измерений и полученных фотографий, мной были выбраны несколько фотографий, изучая которые можно пронаблюдать изменения рисунков снежных узоров.
На фото 1 видно, что снежный узор в основном располагается в горизонтальной плоскости и лишь некоторые ветви направлены вверх, что позволяет сделать предположение о повышении температуры. Обратившись к таблице данных по температуре (Приложение 4) мы видим, что действительно температура повышается с -29 0 С до -25 0 С.
На фото 2 снежные стрелы бегут вверх, причудливо переплетаясь. Обратившись к таблице данных по температре, увидим, что температура понижается с -24 0 С до -27 0 С.
Рассматривая фото 3 можно увидеть, что причудливый узор напоминает ветви дерева, направившего свои ветви вверх. Температура в данном случае понижается с -21 0 С до -24 0 С.
Фото 4 поражает причудливым переплетением снежных узоров, устремлённых вверх. А температура, по данным из таблицы, понижается с-21 0 С до -24 0 С.
На фото 5 очень хорошо видно, что большинство ветвей узора направлены вниз и поэтому можно, предположить, что температура повышается с -21 0 С до -19 0 С.
Рассматривая фото 6 можно убедиться, что ветви снежного узора устремлены вверх. И если обратиться к таблице данных по температуре, то увидим, что температура действительно понизилась с -8 0 С до -13 0 С.
2.3 Выводы по исследовательской работе
В заключение проделанной работы, проанализировав все полученные данные и обработав результаты исследования, можно сделать некоторые выводы о влиянии изменения температуры воздуха на форму и направление ветвей снежных узоров.
Выводы:
ѕ Если снежный узор в основном располагается в горизонтальной плоскости и лишь некоторые ветви направлены вверх, то это позволяет сделать предположение о повышении температуры воздуха на улице.
ѕ Если снежные стрелы бегут вверх, причудливо переплетаясь, то можно сделать предположение о понижении температуры воздуха.
ѕ Если большинство ветвей узора направлены вниз, то можно, предположить, что температура воздуха повышается.
Проанализировав и сопоставив результаты проведённых наблюдений и измерений можно сделать следующий заключительный вывод: по снежным узорам на окнах можно судить об изменении температуры воздуха на улице.
Данная научно-исследовательская работа может иметь практическое применение:
В заключение - несколько слов по вопросу, о котором серьезные физики предпочитают не разговаривать, - о красоте. Ледяные узоры и снежинки, которые причудливым образом создает сама зима, очень красивы.
А что такое красота? Одно из самых загадочных явлений природы. И как в законах строения и развития природных тел мы имеем разные уровни, так есть они и в прекрасном.
И на самом высшем уровне, может быть, находятся абстрактнейшие математические теории и высшие музыкальные творения гениальных композиторов. Не всем дано подняться на эти вершины, но, как в капле воды отражается солнце, так некоторый намек на высшую красоту мы можем постичь, внимательно рассматривая такое скромное явление природы, как ледяные узоры на стеклах.
Список использованной литературы
1. Гумилевская М.П. Почему так бывает. М.: Детская литература. 1968.-146 с.
2. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Т.1. Механика. Теплота.
3. Молекулярная физика. М.: Наука. 1985.-608 с.
4. Шаскольская М.П. Кристаллы. М.: Наука.1928.-208 с.
Приложение
Круговорот воды, в том числе образование снежинок
Виды снежных осадков: F1 - п ластинки; F2 - звездочки; F3 - с толбики; F4 - и голки; F5 - п ространственные звездочки; F6 - столбики с пластинками; F7 - кристаллы неопределенной формы; F8 - снежная крупа; F9 - ледяные зерна; F0 - град. Первый столбик - графические символы. (Источник - Ме ждународная классификация выпадающих снежных кристаллов).
Процесс замораживания тканей – это прежде всего замерзание тканевой жидкости, т.е. раствора небольшой концентрации. Поскольку в воде продукта растворены минеральные и органические вещества, фазовое превращение начинается при отводе теплоты в момент нарушения состояния переохлаждения. При этом понижение температуры сопровождается соответствующим изменением концентрации жидкого раствора.
Криоскопическая температура – температура начала льдообразования. Она зависит от конц. раствора, степени диссоциации растворенных веществ и свойств растворения. Для продуктов животн. происхождения она ниже 0°С: мясного сока -1. -1,5°С, крови -0,55. -0,56°С, яичного белка -0,45 °С, яичного желтка -0,65 °С.
При замораживании разбавленных растворов вначале вымерзает чистая вода.
Количество воды в мясе убойных животных составляет 53-75%, а в рыбе - 55-80%. Пo существующей классификации в пищевых продуктах различают связанную (гидратационную) и свободную воду. Содержание связанной воды почти постоянно и составляет около 10% ее общего количества в продукте. Дипольные час-тицы воды посредством адсорбции прочно связаны c ионами и полимерными группами белков. При замораживании продуктов связанная вода не участвует в фазовых превращениях.
Свободная вода находится в межклеточном пространстве продукта и является растворителем минеральных веществ. При температуре ниже кpиоскопической она превращается в лед. Пo мере вымораживания свободной воды увеличивается концентрация солей в незамерзшем межклеточном растворе, что приводит к смещению криоскопической температуры в область более низких температур. При этом вымораживание воды происходит постепенно, с повышением концентрации оставшегося раствора. При достижении концентрации, определенной для данного раствора (тканевого сока), он застывает в сплошную твердую массу, назы-ваемую эвтектикой; температура ее образования называется эвтектической.
В холодильной технологии воду, перешедшую в твердое состояние, принято называть вымороженной.
Количество вымороженной воды ? опр. отношением влаги, превращенной в лед, к общему ее количеству:
где Gл, Gв - количество соответственно льда и влаги при данной температуре, доли единицы.
Экспериментально установлено, что примерно З/4 воды, содержащейся в мясе, птице, рыбе и яйцах, и до половины в картофеле вымораживается при температуре до -4°С. Считается, что полное вымораживание свободной воды продовольственных продуктов происходит при снижении их температуры до -30°С.
На качество замороженных продуктов большое влияние оказывают размер, форма и распределение кристаллов льда, образующихся в продукте при замораживании. Характер кристаллообразования зависит от состояния клеточных оболочек, концентрации растворенных веществ в клетках, степени гидратации белков, других свойств продукта. Большое значение имеет также скорость замораживания, зависящая от температуры, толщины продукта и способа замораживания.
По скорости замораживание подразделяют на медленное (до 0,01 м/ч), ускоренное (от 0,01 до 0,05 м/ч), быстрое (от 0,05 до 0,1м/ч) и ультрабыстрое (более 0,1 м/ч).
При медленном замораживании процесс кристаллообразования начинается при определенной температуре (ниже криоскопической) прежде всего в межклеточных и межволоконных пространствах, жидкость в которых имеет более высокую криоскопическую точку из-за меньшей концентрации солей и органических веществ и слабее связана с гидрофильными коллоидами продукта. При этом сначала образуются кристаллы - затравки льда из межклеточного (межволоконного) тканевого сока относительно невысокой концентрации. Повышенное давление пара над переохлажденной, но еще не затвердевшей жидкостью внутри клетки вызывает диффузию водяного пара через стенки клеток, что приводит к конденсации его на поверхности кристаллов-затравок и образованию крупных кристаллов льда вне клеток, травмирующих ткани. Медленное замораживание приводит к полной потере свободной воды внутри клеток (процесс криоосмоса, или криоконцентрации). В замороженной таким образом ткани внутри клеток, потерявших упругость, находится незамерзший раствор, а весь образовавшийся лед - вне клеток. При этом количество поврежденных клеток превышает 70 %.
При быстром замораживании образуются мелкие кристаллы льда, которые равномерно распределены по всей толще замораживаемого продукта. Вода почти без перемещения переходит в лед по месту ее нахождения до замораживания. При этом травмирующее действие кристаллов на клетки и ткани минимально.
При ультрабыстром замораживании 90 % всех кристаллов льда формируется внутри клеток при минимальном повреждении ткани.
Существует несколько теорий, объясняющих механизм повреждения клеток и тканей при замораживании различными факторами:
- механическим - давление образующихся кристаллов льда на строение тканей;
- осмотическим - чрезмерная дегидратация клеток;
- химическим - гиперконцентрация солей как вне, так и внутри клеток.
Все эти факторы – результат кристаллизации воды и перехода ее в лед.
Появление кристаллов льда приводит к увеличению концентрации веществ в слое раствора, прилегающем к поверхности кристаллов. Вследствие разности концентраций раствора внутри и вне клеток возникают отток влаги из волокон и клеток и намораживание ее на поверхности кристаллов.
Расширение воды при превращении ее в лед приводит к сдавливанию волокон и клеток, что вызывает дополнительный отток воды из них. Этот процесс продолжается до тех пор, пока температура не станет достаочно низкой, чтобы началось кристаллообразование внутри волокон и клеток, где остается уже небольшое количество влаги в концентрированном растворе.
При быстром замораживании теплота отводится более интенсивно. Прежде чем успеет активно развиться миграционный процесс, температура внутри волокон и клеток становится достаточно низкой, чтобы в соответствии с концентрацией раствора началось кристаллообразование. Таким образом, быстрое замораживание приводит к затвердеванию влаги без значительного ее перераспределения.
Повышение скорости замораживания сокращает миграцию влаги, вызывает образование большого количества мельчайших кристаллов, равномерно размещенных как в межклеточном пространстве, так и в клетках.
Если температуру понижать очень быстро (V = 100°С/мин) до -120. -160°С и ниже, кристаллизация почти не происходит. Вода переходит в стекловидное состояние. Температура, при которой скорость роста кристаллов уменьшается, равна приблизительно -90°С.
Стекловидное состояние отличается от кристаллического тем, что молекулы вещества распределяются хаотически, а не по определенному стереометрическому плану, как это происходит при кристаллизации.
- Для учеников 1-11 классов и дошкольников
- Бесплатные сертификаты учителям и участникам
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа с.Тастуба
Дуванского района Республики Башкортостан
Образование и рост кристаллов
Волкова Юлия Викторовна
11 класс, МБОУ СОШ с. Тастуба
МР Дуванский район
Руководитель: Волкова Людмила Павловна
1. Введение стр. 3-4
2. Основная часть
2.1. Кристаллические тела 5-6
2.2. Кристаллизация 6-7
2.3. Образование и рост кристаллов 7-10
в лабораторных условиях
3. Заключение 11
4. Список использованной литературы 12
Глянем поглубже в расселины скал
Тихо в кристаллах растет минерал.
Однажды, еще в младшем школьном возрасте, я рассматривала через линзу мелкие различные предметы, в том числе крупинки соли и сахара. Я увидела, что некоторые из них представляют собой тела, ограниченные плоскими, как бы шлифованными гранями. Наличие таких граней является признаком того, что вещество находится в кристаллическом состоянии (об этом мне тогда сказали взрослые).
Что такое жидкие кристаллы?
Можно ли самим вырастить кристаллы, из чего и как быстро?
Кристаллы льда и их образование.
И более всего меня заинтересовало образование и рост кристаллов в природе, в лабораторных условиях.
Тема: Исследование условий образования и роста кристаллов.
Объект исследования: Кристаллические тела.
Предмет исследования: Образование и рост кристаллов.
Цель исследования: Провести опыты по кристаллизации; получить дополнительные сведения по данной теме.
Задачи исследования:
Изучить виды кристаллов и их свойства.
Изучить различные способы макро- и микрокристаллизации.
Иметь представление об образовании природных кристаллов.
Провести эксперименты по выращиванию кристаллов из различных солей и разными способами.
Оценить скорость роста кристаллов, их массу и форму в зависимости от условий кристаллизации.
Гипотеза: Если иметь необходимые условия, то в лаборатории можно создать коллекцию монокристаллов из различных солей, отличающихся друг от друга цветом, формой и размерами.
Изучение необходимой литературы.
Осмотр с помощью линзы природных кристаллов.
Изготовление насыщенного раствора медного купороса, поваренной соли, красной кровяной соли, марганцовки.
Проведение наблюдения за образованием и ростом кристаллов в течение десяти дней.
Оценка размеров, формы и качества полученных кристаллов.
Этапы исследования:
Основная часть
2.1.Кристаллические тела.
Подавляющее большинство окружающих нас тел – все металлы, все минералы, растительные волокна, белковые вещества, сажа – состоят из кристаллов, иногда настолько мелких, что их нельзя рассмотреть даже в микроскоп. Иногда тело представляет собой один кристалл, его называют монокристаллом. Существуют монокристаллы, выросшие в самой природе. Таковы широко распространенные кристаллы кварца (горный хрусталь). Менее часто встречаются кристаллы алмаза, турмалина и др.
Все они имеют характерную форму многогранников. Эта правильная огранка монокристаллов – характерная их особенность. Часто встречаются крупные, тоже сами собой родившиеся в природных условиях кристаллы каменной соли. Но и крупицы соли, сахара, соды – это тоже маленькие монокристаллы. Монокристаллы больших размеров получают искусственным путем в лабораторных условиях.
Обычные твердые тела не монокристаллы. Дело в том, что если не созданы специальные условия, то в жидкости при охлаждении возникает не один зародыш, а тысячи и миллионы. Поэтому вырастает множество очень мелких кристалликов, и они срастаются между собой. Такие тела называются поликристаллами.
Естественное образование граней на кристалле – только один из признаков кристаллического состояния вещества. Наиболее общим признаком является различие физических свойств тела по разным направлениям. И знать эти свойства очень важно, потому что в качестве материалов в технике в основном используются кристаллические вещества. Они должны обладать требуемыми свойствами. Нужны материалы с высокой прочностью, твердостью, с высокой температурой плавления, материалы с определенными электрическими, магнитными, оптическими свойствами. Непосредственно в природе таких материалов нельзя найти. Их нужно создавать.
В технике, преимущественно используются поликристаллы (металлы, металлические сплавы и др.). Монокристаллы в технике используются редко. Однако вся полупроводниковая электроника основана на использовании именно самых совершенных монокристаллов. Кроме того, монокристаллы используются в ювелирной промышленности.
Как объяснить свойства кристаллов с точки зрения МКТ? Правильная форма кристаллов обусловлена правильным расположением атомов, из которых состоят кристаллы. Частицы расположены друг относительно друга в определенном порядке в форме кристаллической решетки.
Различают следующие четыре типа кристаллических решеток:
Ионные кристаллы – большинство неорганических соединений. Простой пример – поваренная соль ( NaCl ). Подобные решетки имеют многие соли, состоящие из двух атомов.
Атомные кристаллы – кристаллическая решетка полупроводников, многие органические твердые тела. Типичные представители – алмаз и графит.
Молекулярные кристаллы. Представители: вода (), нафталин () и др.
Металлические кристаллы (металлы). [4, стр.496, 497]
2.2. Кристаллизация
Если в морозный день смочить стекло окна горячей водой (лучше кипятком), то можно наблюдать, как растут иглы ледяных кристаллов. Их образование начинается от какой-либо неровности на стекле или от кристаллика льда получившегося раньше других; при росте ледяных игл образуются ответвления в стороны и при этом всегда под одним и тем же углом. Когда ледяные иглы соприкасаются между собой, они образуют узор, состоящий из многих кристалликов (приложение).
Подобно росту кристалликов льда происходит рост многих других из расплавленного состояния (из расплава).
Кроме образования кристаллов из расплава, можно наблюдать образование кристаллов из растворов. Иногда кристаллы образуются из паров, а не из жидкости. В этом случае они бывают особенно правильны. Примером этому является образование инея и снежинок из водяных паров воздуха (происходит сублимация).
Кристаллизация это одно из фундаментальных физико-химических явлений. Все шире используются искусственные кристаллы в технике (сверхпроводники, активные элементы лазеров и др.). или в качестве ювелирного сырья.
В настоящее время в число прогрессивных научно-технических областей входит разработка и усовершенствование методов получения искусственных алмазов, поскольку они претендуют стать основой многих передовых технологий и их требуется все большее количество. Происходит это потому, что алмаз – уникальное вещество, обладающее чрезвычайно ценными свойствами для многих отраслей техники и производства. Ученые разрабатывали следующую технологию выращивания алмазов. Они создали установку, состоящую из четырех массивных устройств, напоминающих глобус, составленный из полусфер, толстые стальные стенки которых отделяют центральную часть сферы, где поддерживается температура 1500˚C и давление 60 тыс. атм. от окружающего пространства. Туда, в углесодержащую среду, помещают в каждой сфере затравочный кубик. Из него через двое суток вырастает алмаз в 0,3 – 0,4 карата. За неделю увеличивается до 2 карат. Можно получить и алмазы в 4 карата.
Механизм природного роста алмазов окончательно не выяснен, поэтому результаты технологического процесса могут отличаться от ожидаемых. Существуют и другие технологии получения искусственных алмазов [1 стр. 9]
Законы кристаллизации помогают понять процессы, связанные с образованием биоминеральных агрегатов как полезных для организма (кости,
зубы), так и патогенных (камни в почках, печени). Известно, что законы роста кристаллов едины для всего диапазона условий, будь то образование кристаллов в недрах земли, в живых организмах или в лаборатории.
Таким образом, эксперименты, идущие при комнатной температуре можно рассматривать как модели природных кристаллообразующих процессов.
2.3.Образование и рост кристаллов
Существуют различные способы макро- и микрокристаллизации. В своей работе я использовала некоторые из них.
1) Выращивание кристаллов методом перепада температур.
Образование кристаллов в природе происходит за счет снижения температуры кристаллообразующей среды. На перепаде температуры основан также один из наиболее распространенных методов выращивания кристаллов для технических и ювелирных целей.
Рост кристаллов происходит из пересыщенных растворов. Пересыщение задается естественным охлаждением раствора, исходно насыщенного на температуру , до комнатной температуры .
Возможны два варианта постановки опыта: выращивание кристаллов на дне стеклянного сосуда при самопроизвольном их зарождении и выращивание кристаллов на затравке (заранее выращенном кристаллике того же вещества).
Читайте также: