Когда вершина мощных кучевых облаков оказывается в области низких отрицательных температур, происходит замерзание капелек, что приводит к изменению условий роста частиц и электризации. Поэтому до рассмотрения особенностей роста ледяных частиц в облаках представляется целесообразным ознакомиться с процессами кристаллизации переохлажденных капелек и влиянием на них электрических сил.

Для лучшего понимания процессов кристаллизации рассмотрим сперва некоторые вопросы строения воды и льда.

1.6.1. Строение воды и льда

Строение молекул воды, так же как структура жидкой воды и льда, исследовалось с помощью различных методов - оптической спектроскопии, комбинационного рассеяния световых лучей,

дифракции рентгеновских лучей, электронов и нейтронов. Однако еще и сейчас нет полной ясности относительно структуры воды, особенно в жидкой фазе. Причиной этого являются необыкновенные свойства воды, являющейся аномальным веществом во многих отношениях.

В твердой фазе вода также обладает аномальными свойствами. Поражает огромное разнообразие форм ледяных кристаллов (снежинок) в атмосфере. В атмосферных условиях существует только одна из возможных кристаллических структур льда - гексагональная, тогда как при температурах ниже -70° С кристаллы льда приобретают кубическую структуру, при еще более низких температурах лед вообще теряет свою кристаллическую структуру - он становится аморфным.

Молекулярный вес обычной воды 18 молей. Однако из-за существования трех изотопов водорода и шести изотопов кислорода может образоваться большое число разновидностей воды, из которых в природных условиях встречается в очень небольших количествах практически только тяжелая вода с дейтерием или и . В природной воде (дождевой, речной и т. п.) содержится около 0,02% тяжелой воды. Поэтому на строение атмосферной воды присутствие тяжелой воды не оказывает какого-либо заметного влияния.

При объединении атомов в молекулы могут возникнуть ионные или полярные связи, а чаще всего те и другие одновременно ( Соколов ). В случае ионной связи атом, у которого на внешней орбите имеется избыток электронов, соединяется с атомом, на внешней орбите которого имеется недостаток электронов. Типичной является реакция соединения атомов с образованием ионов . В случае полярной связи происходит объединение орбит электронов вокруг протонов атомов, входящих в состав молекулы; к такому типу принадлежат и молекулы воды.

Вода является полярным веществом, т. е. ее молекулы представляют собой электрические диполи с моментом Вследствие этого расположение атомов водорода в молекуле воды не может быть линейным и симметричным относительно атома кислорода. Асимметричное линейное расположение атомов водорода также невозможно, ибо такая молекула воды оказывается неустойчивой. Поэтому необходимо предположить, что атомы расположены в вершинах равнобедренного треугольника с одинаковыми сторонами На основании экспериментальных исследований было установлено, что длина сторон в треугольнике равна а угол между этими сторонами составляет Длина стороны равна 1,52 А.

В газообразном состоянии вода содержит в основном отдельные молекулы, но какая-то часть их соединяется в комплексы по две молекулы или более. Так как электронное облачко атома водорода только частично захватывается своим атомом кислорода, то атом водорода со стороны открытого конца проявляется как слабый положительный заряд, который и притягивается к атому

кислорода другой молекулы (рис. 17). Эту связь называют протонной или водородной. Протонная связь много слабее полярной. Вследствие этого образование ассоциированных молекул воды носит статистический характер и длительность существования комплекса весьма мала - порядка Закономерности образования таких комплексов в атмосфере были исследованы В. Я. Никандровым .

В жидком состоянии плотность упаковки молекул воды весьма велика. Поэтому вероятность ассоциации молекул возрастает. Так как плотность жидкой воды мало зависит от давления, вероятность ассоциации молекул зависит только от температуры.

Рис. 17. Строение

Полярная связь - сплошная линня, водородная (протонная) связь - штриховая линня.

Рис. 18. Тетраэдрическая структура кристаллической решетки льда.

При температурах воды, близких к 0° С, образуются комплексы из пяти-шести молекул.

Исследования кристаллов льда рентгеновскими лучами показали, что в кристаллической решетке каждый атом кислорода окружен четырьмя другими атомами кислорода. При равном расстоянии «периферийных» атомов кислорода от «центрального» образуется тетраэдр (рис. 18); внутренние углы тетраэдра должны быть равны 109° 28. Каждый «периферийный» атом может играть роль «центрального», в результате чего образуется кристаллическая решетка льда. Надо полагать, что в жидкой фазе при температурах, близких к упомянутые комплексы из пяти молекул также образуют тетраэдры, своего рода жидкие кристаллы.

Из исследований дифракции нейтронов в кристаллах льда было получено, что атомы водорода располагаются на расстоянии 1 А от атомов кислорода. Энергия связи каждого атома водорода с ближайшим атомом кислорода совершенно одинакова, поэтому при переходе одного из атомов водорода на место, ранее занятое другим, их энергия не изменяется. Такой переход возможен только

в том случае, если появляется внешнее воздействие в виде электрического поля, нагревания и т. п. и атом получает необходимую энергию для перехода. Но возможны также спонтанные переходы вследствие так называемого «туннельного» эффекта, при которых дополнительная энергия может быть меньше энергии перехода атома водорода из одного положения в другое.

Пусть при наложении внешнего электрического поля произойдет перемещение одного из атомов водорода по линии связи из одного положения в другое. Тогда первый атом кислорода потеряет ион водорода, а второй приобретет. Вследствие этого появится диполь Восстановление равновесия произойдет в том случае, если в эту пару перескочит ион водорода из другой пары, и т. д. В результате появится электрический ток. Таким образом, электропроводность чистого льда можно объяснить переходом ионов водорода под действием внешнего электрического поля, т. е. лед имеет протонную проводимость.

На поверхности ледяных кристаллов молекулы находятся в несколько особом состоянии, чем во внутренних частях. У этих молекул некоторые связи отсутствуют, и у них дополнительно к колебательным появляется возможность совершать вращательные движения. Вследствие этого на поверхности ледяных кристаллов должен существовать молекулярный квазижидкий слой, проводимость которого должна быть выше проводимости собственно ледяного кристалла.

Переход вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое называется плавлением . Чтобы расплавить твердое кристаллическое тело, его нужно нагреть до определенной температуры, т. е. подвести тепло. Температура, при которой вещество плавится, называется температурой плавления вещества.

Обратный процесс — переход из жидкого состояния в твердое — происходит при понижении температуры, т. е. тепло отводится. Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием, или кристал лизацией. Температура, при которой вещество кристаллизуется, называется температурой кристалли зации.

Опыт показывает, что любое вещество кристаллизуется и плавится при одной и той же температуре.

На рисунке представлен график зависимости температуры кристаллического тела (льда) от времени нагревания (от точки А до точки D) и времени охлаждения (от точки D до точки K ). На нем по горизонтальной оси отложено время, а по вертикальной — температура.

Из графика видно, что наблюдение за процессом началось с момента, когда температура льда была -40 °С, или, как принято говорить, температура в начальный момент времени t нач = -40 °С (точка А на графике). При дальнейшем нагревании температура льда растет (на графике это участок АВ ). Увеличение температуры происходит до 0 °С — температуры плавления льда. При 0°С лед начинает плавиться, а его температура перестает расти. В течение всего времени плавления (т.е. пока весь лед не расплавится) температура льда не меняется, хотя горелка продолжает го-реть и тепло, следовательно, подводится. Процессу плавления соответствует горизонтальный учас-ток графика ВС. Только после того как весь лед расплавится и превратится в воду , температура снова начинает подниматься (участок CD ). После того, как температура воды достигнет +40 °С, горелку гасят и воду начинают охлаждать, т. е. тепло отводят (для этого можно сосуд с водой по-местить в другой, больший сосуд со льдом). Температура воды начинает снижаться (участок DE ). При достижении температуры 0 °С температура воды перестает снижаться, несмотря на то, что тепло по-прежнему отводится. Это идет процесс кристаллизации воды — образования льда (гори-зонтальный участок EF ). Пока вся вода не превратится в лед, температура не изменится. Лишь после этого начинает уменьшаться температура льда (участок FK ).

Вид рассмотренного графика объясняется следующим образом. На участке АВ благодаря подводимому теплу средняя кинетическая энергия молекул льда увеличивается, и температура его повышается. На участке ВС вся энергия, получаемая содержимым колбы, тратится на разрушение кристаллической решетки льда: упорядоченное пространственное расположение его молекул сменяется неупорядоченным, меняется расстояние между молекулами, т.е. происходит перестройка молекул таким образом, что вещество становится жидким. Средняя кинетическая энергия моле-кул при этом не меняется, поэтому неизменной остается и температура. Дальнейшее увеличение температуры расплавленного льда-воды (на участке CD ) означает увеличение кинетической энер-гии молекул воды вследствие подводимого горелкой тепла.

При охлаждении воды (участок DE ) часть энергии у нее отбирается, молекулы воды движутся с меньшими скоростями, их средняя кинетическая энергия падает — температура уменьшается, вода охлаждается. При 0°С (горизонтальный участок EF ) молекулы начинают выстраиваться в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Пока этот процесс не завершится, температура вещества не изменится, несмотря на отводимое тепло, а это означает, что при отвер-девании жидкость (вода) выделяет энергию. Это как раз та энергия, которую поглотил лед, пре-вращаясь в жидкость (участок ВС ). Внутренняя энергия у жидкости больше, чем у твердого тела. При плавлении (и кристаллизации) внутренняя энергия тела меняется скачком.

Металлы, плавящиеся при температуре выше 1650 ºС, называют тугоплавкими (титан, хром , молибден и др.). Самая высокая температура плавления среди них у вольфрама — около 3400 °С . Тугоплавкие металлы и их соединения используют в качестве жаропрочных материалов в самолетостроении, ракетостроении и космической технике, атомной энергетике.

Подчеркнем еще раз, что при плавлении вещество поглощает энергию. При кристаллизации оно, наоборот, отдает ее в окружающую среду. Получая определенное количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации, среда нагревается. Это хорошо известно многим птицам. Неда-ром их можно заметить зимой в морозную погоду сидящими на льду, который покрывает реки и озера. Из-за выделения энергии при образовании льда воздух над ним оказывается на несколько градусов теплее, чем в лесу на деревьях, и птицы этим пользуются.

Плавление аморфных веществ.

Наличие определенной точки плавления — это важный признак кристаллических веществ. Именно по этому признаку их можно легко отличить от аморфных тел, которые также относят к твердым телам. К ним, в частности, относятся стекла, очень вязкие смолы, пластмассы.

Аморфные вещества (в отличие от кристаллических) не имеют определенной температуры плавления — они не плавятся, а размягчаются. При нагревании кусок стекла, например, снача-ла становится из твердого мягким, его легко можно гнуть или растягивать; при более высокой температуре кусок начинает менять свою форму под действием собственной тяжести. По мере нагревания густая вязкая масса принимает форму того сосуда, в котором лежит. Эта масса сначала густая, как мед, затем — как сметана и, наконец, становится почти такой же маловязкой жидкостью, как вода. Однако указать определенную температуру перехода твердого тела в жидкое здесь невозможно, поскольку ее нет.

Причины этого лежат в коренном отличии строения аморфных тел от строения кристаллических. Атомы в аморфных телах расположены беспорядочно. Аморфные тела по своему строению напоминают жидкости. Уже в твердом стекле атомы расположены беспорядочно. Значит, повы-шение температуры стекла лишь увеличивает размах колебаний его молекул, дает им постепенно все большую и большую свободу перемещения. Поэтому стекло размягчается постепенно и не обнаруживает резкого перехода «твердое—жидкое», характерного для перехода от расположения молекул в строгом порядке к беспорядочному.

Теплота плавления.

Теплота плавления — это количество теплоты, которое необходимо сообщить веществу при постоянном давлении и постоянной температуре, равной температуре плавления, чтобы полностью перевести его из твердого кристаллического состояния в жидкое. Теплота плавления равна тому количеству теплоты , которое выделяется при кристалли-зации вещества из жидкого состояния. При плавлении вся подводимая к веществу теплота идет на увеличение потенциальной энер-гии его молекул. Кинетическая энергия не меняется, поскольку плавление идет при постоянной температуре.

Изучая на опыте плавление различных веществ одной и той же массы, можно заметить, что для превращения их в жидкость требуется разное количество теплоты. Например, для того чтобы расплавить один килограмм льда, нужно затратить 332 Дж энергии, а для того чтобы расплавить 1 кг свинца — 25 кДж .

Количество теплоты, выделяемое телом, считается отрицательным. Поэтому при расчете количества теплоты, выделяющегося при кристаллизации вещества массой m , следует пользоваться той же формулой, но со знаком «минус»:

Теплота сгорания.

Теплота сгорания (или теплотворная способность , калорийность ) — это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся при сгорании топлива. Обыч-ное топливо (уголь, нефть, бензин) содержит углерод . При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода , содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы углекислого газа . Кинетическая энергия этих молекул оказывается большей, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии молекул в процессе горения называют выделением энергии. Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, и есть теплота сгорания этого топлива.

Теплота сгорания топлива зависит от вида топлива и его массы. Чем больше масса топлива, тем больше количество теплоты, выделяющейся при его полном сгорании.

Физическая величина , показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг, называется удельной теплотой сгорания топлива. Удельную теплоту сгорания обозначают буквой q и измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг).

Количество теплоты Q , выделяющееся при сгорании m кг топлива, определяют по формуле:

Чтобы найти количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива произвольной массы, нужно удельную теплоту сгорания этого топлива умножить на его массу.

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией . Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени, поэтому кривые охлаждения строятся в координатах температура-время (рис. 3). Теоретический, т. е. идеальный процесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при температуре Т s (рис. 3). При достижении идеальной температуры затвердевания T s падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что перегруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации). Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается.

Рис. 3. Кривые кристаллизации металла при охлаждении с разной скоростью

Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т. е. при переохлаждении металла до температур Т n , T n1 , Т n2 , (например, кривые 1, 2). Степень переохлаждения (∆T=T s -Т n) зависит от природы и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30°С. При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.
Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже Т n на многих участках жидкого металла (рис. 4, а, б) образуются способные к росту кристаллические зародыши. Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму (рис. 4, в, г, д). Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается. Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами (рис. 4, е).
Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла.

Рис. 4. Последовательные этапы процесса кристаллизации металла

Величина зерен, образующихся при кристаллизации, зависит не только от количества самопроизвольно зарождающихся центров кристаллизации, но также и от количества нерастворимых примесей, всегда имеющихся в жидком металле. Такие нерастворимые примеси являются готовыми центрами кристаллизации. Ими являются окислы (например, Al 2 O 3), нитриды, сульфиды и другие соединения. Центрами кристаллизации в данном металле или сплаве могут быть только такие твердые частицы, которые соизмеримы с размерами атомов основного металла. Кристаллическая решетка таких твердых частиц должна быть близка по своему строению и параметрам решетке кристаллизующегося металла. Чем больше таких частичек, тем мельче будут зерна закристаллизовавшегося металла.
На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла.
Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специальные вещества, называемые модификаторами. Так, при модифицировании магниевых сплавов зерно уменьшается от 0,2-0,3 до 0,01-0,02 мм, т. е. в 15-20 раз. Модифицирование отливок проводят введением в расплав добавок, которые образуют тугоплавкие соединения (карбиды, окислы). При модифицировании, например, стали применяют алюминий, титан, ванадий; алюминиевых сплавов - марганец, титан, ванадий.
Иногда в качестве модификаторов применяют поверхностно-активные вещества, Они растворяются в жидком металле. Эти модификаторы осаждаются на поверхности растущих кристаллов, образуя очень тонкий слой. Этот слой препятствует дальнейшему росту кристаллов, придавая металлу мелкозернистое строение.
Строение металлического слитка. Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их касания друг с другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлаждения. Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер (рис. 5). Дендритная кристаллизация характеризуется тем, что рост зародышей происходит с неравномерной скоростью. После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла - так называемые оси (1) первого порядка (рис. 5). В дальнейшем от осей первого порядка начинают расти новые оси (2) - оси второго порядка, от осей второго порядка - оси (3) - третьего порядка и т. д. По мере кристаллизации образуются оси более высокого порядка, которые постепенно заполняют все промежутки, ранее занятые жидким металлом.

Рис. 5. Схема дендритного роста кристалла

Рассмотрим реальный процесс получения стального слитка. Стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновременно во всем объеме из-за невозможности создания равномерной скорости отвода тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого металла.
При соприкосновении жидкого металла со стенками изложницы 1 (рис. 6) в начальный момент образуется зона мелких равноосных кристаллов 2. Так как объем твердого металла меньше жидкого, между стенкой изложницы и застывшим металлом образуется воздушная прослойка и сама стенка нагревается от соприкосновения с металлом, поэтому скорость охлаждения металла снижается и кристаллы растут в направлении отвода теплоты. При этом образуется зона 3, состоящая из древовидных или столбчатых кристаллов. Во внутренней зоне слитка 4 образуются равноосные, неориентированные кристаллы больших размеров в результате замедленного охлаждения.
В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной металл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор. Для получения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.
Слиток имеет неоднородный химический состав, который тем больше, чем крупнее слиток. Например, в стальном слитке концентрация серы и фосфора увеличивается от поверхности к центру и снизу вверх. Химическую неоднородность по отдельным зонам слитка называют зональной ликвацией. Она отрицательно влияет на механические свойства металла.

Рис. 6. Схема строения стального слитка:
а - расположение дендритов в наружных частях слитка, б - строение слитка; 1- стенки изложницы. 2 – мелкие равноосные кристаллы, 3 - древовидные кристаллы, 4 - равноосные неориентированные кристаллы больших размеров, 5 - усадочная рыхлость, 6 - усадочная раковина

Аллотропия металлов. Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки. Аллотропические превращения имеют многие металлы: железо, олово, титан и др. Например, железо в интервале температур 911-1392°С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) γ-Fe (рис. 7). В интервалах до 911°С и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) - α-Fe. Аллотропические формы металла обозначаются буквами α, β, γ и т. д. Существующая при самой низкой температуре аллотропическая форма металла обозначается через букву α, которая в виде индекса добавляется к символу химического элемента металла и т. д.
При аллотропических превращениях происходит изменение свойств металлов - изменение объема металлов (особенно характерно для олова) и растворимости углерода (характерно для железа).

Рис. 7. Аллотропические превращения в железе

Методы изучения строения металлов. Изучение строения металлов и сплавов производится методами макро- и микроанализа, рентгеновского, а также дефектоскопии (рентгеновской, магнитной, ультразвуковой).
Методом макроанализа изучается макроструктура, т. е. структура, видимая невооруженным глазом или с помощью лупы, при этом выявляются крупные дефекты: трещины, усадочные раковины, газовые пузыри и т. д., а также неравномерность распределения примесей в металле. Макроструктуру определяют по изломам металла, по макрошлифам. Макрошлиф – это образец металла или сплава, одна из сторон которого отшлифована, тщательно обезжирена, протравлена и рассматривается с помощью лупы с увеличением в 5-10х.
Микроанализ выявляет структуру металла или сплава по микрошлифам, приготовленным так же, как и для макроанализа, но дополнительно отполированным до зеркального блеска. Шлифы рассматривают в отраженном свете под оптическим микроскопом при увеличении до 3000х. Из-за различной ориентировки зерен металла они травятся не в одинаковой степени и под микроскопом свет также отражается неодинаково. Границы зерен благодаря примесям травятся сильнее, чем основной металл, и выявляются более рельефно. В сплаве структурные составляющие травятся также различно. В электронном микроскопе рассматривают реплику - слепок с особо тонкой структуры блоков, фрагментов, дислокаций при увеличениях до 100 000х. Этот важнейший анализ определяет размеры и форму зерен, структурные составляющие, неметаллические включения и их характер (трещины, пористость и т. д.), качество термической обработки. Зная микроструктуру, можно объяснить причины изменения свойств металла.
С помощью рентгеновского анализа изучают атомную структуру металлов, типы и параметры кристаллических решеток, а также дефекты, лежащие в глубине. Этот анализ, основанный на дифракции (отражении) рентгеновских лучей рядами атомов кристаллической решетки, позволяет обнаружить дефекты (пористость, трещины, газовые пузыри, шлаковые включения и т. д.), не разрушая металла. В местах дефектов рентгеновские лучи поглощаются меньше, чем в сплошном металле, и поэтому на фотопленке такие лучи образуют темные пятна, соответствующие форме дефекта.
Для исследования структуры металла и дефектов изделий широко применяют гамма-лучи, которые проникают в изделие на большую глубину, чем рентгеновские.
Магнитным методом исследуют дефекты в магнитных металлах (сталь, никель и др.) на глубине до 2 мм (трещины различного происхождения, неметаллические включения и т. д.). Для этого испытуемое изделие намагничивают, покрывают его поверхность порошком железа, осматривают поверхность и размагничивают изделие. Вокруг дефекта образуется неоднородное поле, вследствие чего магнитный порошок повторяет очертания дефекта. Другой метод - магнитный индукционный - часто используют для оценки полноты структурных превращений в сплавах (изделиях) после их термической обработки.
Ультразвуковым методом осуществляется эффективный контроль качества металла изделий и заготовок практически любых размеров. В импульсных ультразвуковых дефектоскопах ультразвуковая волна от щупа – излучателя распространяется в контролируемом изделии и при встрече с каким-либо дефектом отражается от него. При этом отраженные волны принимаются, усиливаются и передаются на показывающий индикатор. Ультразвук используют для контроля качества роторов, рельсов, поковок, проката и других изделий при необходимости сохранения целостности изделий.

Кристаллизация

Кристаллизация - это образование новой твердой фазы, выделяющейся из раствора, расплава или пара. Кристаллизация из раствора служит средством выделения из них целевых продуктов или загрязняющих примесей, то есть является методом разделения и очистки веществ. В технологии неорганических веществ преимущественно используется кристаллизация из растворов. Образование твердой фазы может происходить только в растворах, в которых концентрация кристаллизующегося вещества превышает концентрацию насыщения, то есть из пересыщенных растворов. Насыщенный раствор, находящийся в контакте с выделившейся кристаллической массой или оставшийся после ее удаления, называется маточным раствором. Пересыщение раствора характеризуется его абсолютным значением, то есть разностью х / - х 0 между концентрацией пересыщенного х / и насыщенного х 0 растворов, или относительным пересыщением (х / - х 0) / х 0 .

Способы кристаллизации

Способы кристаллизации различаются прежде всего приемами, с помощью которых достигается пересыщение раствора.

1) Политермическая или изогидрическая кристаллизация идет при неизменном содержании воды в системе. Она характерна для веществ, растворимость которых при повышенных температурах заметно превышает их растворимость при более низких температурах, и происходит путем охлаждения пересыщенных растворов. Пересыщение зависит от переохлаждения раствора, то есть от разности температур насыщенного и пересыщенного растворов. Если растворимость уменьшается при повышении температуры, кристаллизация будет идти при нагревании системы.

2) Изотермическая кристаллизация происходит путем удаления растворителя из системы (испарении воды) при постоянной температуре, она характерна для веществ, мало изменяющих свою растворимость при изменении температуры. Испарение воды может производиться интенсивным способом при кипении раствора или при медленном поверхностном испарении.

3) Высаливание - кристаллизация соли может быть достигнута введением в раствор веществ, уменьшающих ее растворимость. Таковыми являются вещества, содержащие одинаковый с данной солью ион, ил связывающие воду. Например, кристаллизация хлорида натрия из концентрированного раствора при добавлении к нему хлорида магния; кристаллизация сульфата натрия при добавлении к его раствору спирта или аммиака. Механизм высаливания может быть различным. При добавлении к раствору электролита другого электролита с одноименным ионом произведение концентраций ионов растворенного вещества может превысить его произведение растворимости, то есть произведение концентраций этих ионов в насыщенном растворе, при этом избыток вещества выделяется в твердую фазу. В других случаях высаливание происходит вследствие изменения структуры раствора - образование гидратных оболочек вокруг частиц высаливающего вещества за счет разрушения таких оболочек у растворенного вещества. Соли, образующие кристаллогидраты, особенно с большим числом молекул воды, высаливаются сильнее, чем соли, кристаллизующиеся в безводной форме. Некоторые добавки могут приводить к всаливанию вещества, то есть увеличению его растворимости.

4) Осаждение веществ из растворов с помощью реагентов - наиболее распространенный метод кристаллизации в химической промышленности. Если при этом образуется практически нерастворимый продукт реакции, он сразу осаждается из быстро пересыщающегося раствора. Если продукт реакции растворим, его кристаллизация начинается после достижения необходимого пересыщения и продолжается по мере подачи реагента (осадителя). Примером может служить осаждение нерастворимого карбоната кальция при конверсии нитрата кальция в нитрат аммония:

Са(NO 3) 2 +(NH 4) 2 CO 3 =CaCO 3 +2NH 4 NO 3 .

Для получения катализаторов широко применяют осаждение металлов в виде нерастворимых соединений (гидроксидов, карбонатов, оксалатов и других солей) с последующим их разложением до оксидов.

5) Вымораживание применяется преимущественно для выделения отдельных компонентов из естественных рассолов, например соленых озер, при этом кристаллизацию проводят охлаждением растворов до температуры ниже 0С. Способ вымораживания используется для концентрирования растворов путем частичного удаления из них растворителя в виде льда. В этом случае кристаллизуется не соль, а растворитель - вода. Концентрируя морскую воду вымораживанием льда, получают 8% раствор соли, который используется для получения хлорида натрия.

Что такое кристаллизация, изучают еще в школе. Но, как правило, рассматривают понятие лишь в отношении одной науки - химии. И наибольшее отношение данный процесс действительно имеет к ней, хотя это не повод не уделять внимание его рассмотрению в других отраслях. И сейчас стоит это исправить. Но обо всем по порядку.

Определение процесса

Итак, что такое кристаллизация? Это процесс, в ходе которого из газов, расплавов, стекол и растворов образуются кристаллы. Все знают, что они собой представляют. Если выражаться научным языком, то кристаллы - это твердые тела с закономерным расположением атомов (наименьших частиц химического элемента, носящих его свойства). Они имеют естественную форму правильных симметричных многогранников, которая обусловлена их внутренней структурой.

На вопрос о том, что такое кристаллизация, можно ответить и по-другому. Так еще называется образование этих твердых тел из кристаллов с другой структурой. Имеются в виду полиморфные превращения. Они объясняются тем, что одни и те же атомы способны образовывать разные кристаллические решетки.

Кроме того, кристаллизацией называют процесс перехода какого-либо вещества из жидкого состояния в твердый кристаллический.

Политермический процесс

Рассказывая о том, что такое кристаллизация, следует отметить, что способов, которыми она образуется, существует несколько. Отличаются они приемами, используемыми для достижения пресыщения раствора.

Первым делом стоит рассказать про политермическую кристаллизацию, также именуемую изогидрической. Она может происходить лишь при неизменном содержании воды в системе.

Принцип не так сложен, каким может казаться. Пересыщенный раствор образуется благодаря охлаждению системы. Протекает процесс только при переменной температуре.

Политермический процесс, ведомый посредством охлаждения насыщенных растворов, может быть применим лишь для некоторых веществ. Для тех, растворимость которых при увеличении температуры также улучшается.

Стоит отметить, что иногда применяют также метод политермической выпарки. В ходе данного процесса вещество нагревается и испаряется. После этого происходит многократный тепловой и массовый обмен между паровой фазой и жидкой.

Еще политермический метод применяется, когда в веществе присутствует несколько солей с разными способностями к растворимости. Яркий пример - выделение хлористого калия из сильвинита.

Изотермический способ и высаливание

Об этом тоже следует рассказать. Изотермический процесс кристаллизации характеризуется испарением воды из растворов при постоянной, не меняющейся температуре. Этот метод применим для веществ с содержанием солей, растворимость которых практически не зависит от нагревания.

Испарения удается добиться за счет доведения жидкости до интенсивного кипения и поддержания ее в таком состоянии. Это «традиционный» метод. Еще может использоваться медленное поверхностное испарение.

В некоторых случаях в жидкости вводят вещества, которые понижают их способность к растворению. Это называется высаливанием. Такими «помощниками» являются вещества, в которых содержится одинаковый с данной солью ион. Яркий пример: процесс кристаллизации хлорида натрия из раствора с высокой концентрацией, в который добавляют хлорид магния.

Следует оговориться, что механизм высаливания не всегда одинаков. Если в целях проведения данного процесса смешать два электролита, добавочный из которых будет с одноименным ионом, то в итоге получится добиться такой концентрации, что произведение растворимости вещества станет значительно выше. Что это значит? Говоря простыми словами - появится избыток вещества, и он выделится в твердую фазу.

Бывает и по-другому. Чтобы добиться высаливания, приходится и вовсе менять структуру раствора - способствовать образованию гидратных оболочек вокруг частиц вещества, которое необходимо кристаллизовать. Как это достигается? Посредством разрушения оболочек у уже растворенного вещества.

Важно усвоить: соли, которые образуют кристаллогидраты, высаливаются интенсивнее, чем те, которые образуются в безводной форме. Но некоторые «добавки» лишь усиливают растворимость. Это приводит к всаливанию.

Осаждение веществ реагентами

Это самый распространенный метод кристаллизации в химии. Он является наиболее быстрым и простым.

Если в процессе образуется продукт реакции, практически не растворяющийся в воде, то он тут же выпадает в осадок из раствора. Что в противном случае? Если продукту реакции свойственна растворимость, то начало кристаллизации приходится на тот момент, когда жидкость достигает необходимого уровня пресыщения. И продолжается процесс до тех пор, пока в нее поступает осадитель (реагент).

Яркий пример - получение карбоната кальция. Он нерастворим. Так что приходится использовать конверсию нитрата кальция в нитрат алюминия. Взглянув на формулу, можно понять, как примерно происходит данный процесс: Са (NO 3) 2 + (NH 4) 2 CO3 = CaCO 3 + 2NH 4 NO 3 .

Чтобы получить катализаторы, прибегают к осаждению металлов в виде нерастворимых веществ. К ним относятся оксалаты, гидроксиды, карбонаты и прочие соли. Их осаждают, потому что впоследствии они разлагаются до оксидов.

Вымораживание

Еще один процесс, который необходимо отметить вниманием, рассказывая о том, что такое кристаллизация. Вымораживанием называется выделение в твердом виде одного из компонентов газовой или жидкой смеси, которое достигается посредством охлаждения смеси. Причем достигается температура ниже той, при которой обычно начинается кристаллизация.

Основа данного процесса - низкая взаимная растворимость компонентов, которые нужно разделить. Пример: когда водные растворы вымораживают, то растворенные вещества в состав формирующихся в итоге кристаллов не входят.

Задействуется данный метод в особых случаях. Вымораживание эффективно, когда нужно разделить смеси, очистить вещества или концентрировать раствор.

Метод активно применяется в химической, микробиологической, фармакологической и пищевой промышленности. Но и в быту встречается масса примеров данного процесса. Речь идет про концентрирование вымораживанием с выделением льда. Оно направлено на сохранение аромата, цвета, а также лекарственных и вкусовых качеств термолабильных продуктов. К таковым относятся: травяные экстракты, соки, пиво, вино, ферментные растворы. А еще препараты, являющиеся биологически и лекарственно активными.

Нередко кристаллизация вещества посредством вымораживания сопровождается, впоследствии, сублимационной сушкой. Этот метод задействуется при производстве порошкообразных, предназначенных для растворения продуктов. Примеров полно - соки, чаи, кофе, супы, молоко, сливки, пюре, кисель, мороженое… всем знакомы эти порошки в пакетиках или банках, разведя которые в воде, удается получить готовый к употреблению продукт.

Кстати, еще вымораживание применяют для очистки сточных вод и обессоливания морских - чтобы получить чистую, без примесей. Даже воздух, иногда, разделяют. Криогенным способом, разумеется. Посредством вымораживания из него удается удалить пары диоксида углерода и воды.

Удельная теплота кристаллизации

Вкратце стоит отметить вниманием и это понятие. Оно также известно, как «удельная теплота плавления» и «энтальпия». Названия разные, а определение одно. Это - количество теплоты, которое нужно сообщить одной единице массы кристаллического вещества, чтобы оно из твердого состояния перешло в жидкое.

Обозначается греческой буквой λ. В химии формула температуры кристаллизации выглядит следующим образом: Q: m = λ. Здесь под Q понимается количество теплоты, которое получено веществом в процессе его плавления. А буквой m обозначается его масса.

Стоит отметить, что удельная теплота кристаллизации (плавления) всегда положительна. Исключением является только гелий под высоким давлением. Интересно, что этот простейший одноатомный газ имеет самую низкую температуру кипения среди всех известных на сегодняшний день веществ. Данный процесс с гелием начинает происходить при -268,93 °C.

Что касательно температуры плавления? Вот несколько примеров, указанных в кДж по отношению к одному килограмму вещества: лед - 330, ртуть -12, нафталин - 151, белый и серый свинец - 14 и 100.

Примеры

Кристаллизация - это в химии очень тщательно изучаемый процесс, который особенно интересен на практике.

В качестве примера можно рассмотреть процесс образования сахара. Суть процесса заключается в выделении сахарозы, содержащейся в сиропе. Последний, в свою очередь, содержит также другие вещества, которые не были удалены в процессе очистки сока, и вновь образовались по ходу сгущения.

Когда поднимается температура, кристаллизация начинается, и в ее процессе образуется межкристальный раствор, который называется утфель. Все лишние вещества будут скапливаться в нем. На самом деле, они серьезно затрудняют весь процесс, поскольку наличие различного рода примесей увеличивает вязкость раствора.

Еще один яркий пример кристаллизации в химии связан с образованием соли. Для того чтобы его увидеть воочию, даже не нужно проводить экспериментов - данный процесс существует в природе. В холодное время года прибой выбрасывает на берег тонны соли. Она не пропадает. Ее сгребают в огромные кучи, а потом, когда наступает жара и сухость, из нее испаряется кристаллизационная вода. Остается лишь мелкий порошок - соль, потребляемая промышленностью.

Пример с солью - самый простой. Даже в некоторых школах детям дают на дом задание в рамках урока химии: растворить в совсем небольшом количестве воды 1-2 ложки соли и оставить емкость где-нибудь. Для более интенсивной кристаллизации температуру можно увеличить - пододвинуть раствор к батарее, например. Через пару дней вода испарится. А вот солевые кристаллы останутся.

Металлы

Они тоже кристаллизуются. Более того, все твердые металлы, которые мы видим и можем потрогать, являются результатом данного процесса. Превращения, происходящие параллельно, имеют огромное значение, поскольку они в значительной степени определяют свойства металлов.

Кристаллизация, как процесс, весьма интересна в данном случае. Пока вещество находится в жидком состоянии - атомы в нем непрерывно движутся. Естественно, все это время поддерживается соответствующая высокая температура. По мере ее понижения атомы сближаются, вследствие чего происходит их группирование в кристаллы. Так образуются «центры». То есть, первичные группы кристаллов. К ним, по мере замедления движения остальных атомов, присоединяются уже вторичные.

Поначалу кристаллы нарастают беспрепятственно. А те, которые уже образовались, не теряют правильности строения. Но потом кристаллы сталкиваются при дальнейшем движении. Вследствие их контакта форма портится. Однако внутри каждого кристалла строение по-прежнему остается правильным. Эти группы, кстати, именуются зернами. И образуются они не всегда. Все зависит от условий кристаллизации, при какой температуре она происходила (стабильной или нет), а также от природы самого металла.

О зернистости

Выше было многое сказано про удельную кристаллизацию, а также о различных методах, посредством которых осуществляется данный процесс. В продолжение темы металлов хотелось бы рассказать о пресловутой зернистости, причины возникновения которой описаны в предыдущем абзаце.

На самом деле, ее появление - признак плохой кристаллизации. Крупнозернистый металл является непрочным, практически не способен сопротивляться действительно высокому удару. В процессе ковке в нем появляются трещины. Также они образуются в зоне термического влияния. Чтобы уменьшить вероятность их образования, на производствах используют различные меры - модифицируют металл титановыми швами, например. Они способны предупредить рост зерна.

Для крупнозернистых металлов даже выдвигаются другие требования по предъявлению образцов. Их толщина должна быть как минимум 1,5 см. Только в таком случае удастся сравнить результаты механических и микромеханических испытаний.

Так что на производствах стремятся к получению металлов мелкозернистой структуры. Для этого создают особые условия - те, при которых возможна малая скорость роста кристаллов и максимальное число пресловутых центров, вокруг которых потом формируются их группы.

То, насколько крупными получатся зерна, зависит от количества частичек нерастворимых примесей. Обычно это сульфиды, нитриды и оксиды - они играют роль готовых центров кристаллизации.

Мелкозернистой структуры можно добиться посредством модифицирования - добавления в металлы посторонних веществ. Они делятся на два вида:

Вещества, которые не растворяются в жидком металле. Играют роль дополнительных центров кристаллизации.
Поверхностно-активные компоненты. В металлах растворяются. Впоследствии они оседают на поверхности растущих кристаллов и препятствуют их росту.

А качество полученного металла изучается посредством различных методов. Проводят термический, дилатометрический, магнитный анализ, структурные и физические исследования. Причем одним только способом выяснить информацию обо всех свойствах металла невозможно.

Вода

Уже было рассказано и об образовании солей, и о количестве теплоты при кристаллизации, и о том, как данный процесс протекает в случае с металлами. Что ж, можно напоследок поговорить и про воду - самое удивительное явление на планете.

В природе существует лишь три агрегатных состояния - газообразное, твердое и жидкое. Вода способна пребывать в любом из них, переходя из одного в другое в естественных условиях.

Когда она жидкая, ее молекулы слабо связаны между собой. Они пребывают в постоянном движении, предпринимая попытки по группированию в единую структуру, но этого не получается из-за тепла. И, когда на воду воздействуют низкие температуры, молекулы становятся прочнее. Им перестает мешать тепло, поэтому они приобретают кристаллическую структуру шестигранной формы. Наверняка каждый хоть раз в жизни видел яркий ее пример. Снежинка - самый настоящий шестигранник.

Что касательно «теплоты» кристаллизации? Вода, как всем известно с детства, начинает застывать при 0°C. Если по Фаренгейту, то данный показатель составит 32 градуса.

Но с этих отметок процесс лишь начинается. Вода не всегда кристаллизуется при указанных температурах. Чистую жидкость можно даже охладить до -40°C, и она все равно не заледенеет. Почему? Потому что в чистой воде отсутствуют примеси, являющиеся основанием для возникновения кристаллической структуры. Это, обычно, растворенные соли, частички пыли и т. д.

Еще одна особенность воды: она, замерзая, расширяется. В то время, как другие вещества при кристаллизации сжимаются. Почему так? Потому что при переходе воды из жидкого состояния в твердое, между ее молекулами увеличивается расстояние.

Парадокс Мпембы

Его нельзя не отметить вниманием, рассказывая о кристаллизации воды. Такое явление, как парадокс Мпембы, интересно как минимум своей формулировкой. Звучит фраза так: «Горячая вода замерзает быстрее холодной». Интригует и озадачивает. Как такое возможно? Ведь вода перед переходом в стадию кристаллизации должна пройти «холодный» этап - остыть!

Противоречие первому началу термодинамики налицо. Но на то он и парадокс - логического объяснения нет, но на практике существует. Хотя с первым можно поспорить. Объяснения все-таки есть, и вот некоторые из них:

Горячая вода начинает процесс испарения. Однако в холодном воздухе она превращается в лед и падает, образуя ледяную корку.
Когда горячая вода испаряется из сосуда, ее объем уменьшается. Чем меньше жидкости - тем быстрее она кристаллизуется. Рюмка кипятка быстрее кристаллизуется, чем бутылка воды комнатной температуре.
Снеговая подкладка в морозилке. Сосуд с кипятком ее плавит, устанавливая тепловой контакт со стенкой камеры. А вот под контейнером с холодной водой снег не тает.
Кипяток охлаждается снизу. А холодная вода - сверху, что ухудшает конвекцию и теплоизлучение. На убыли тепла это тоже отражается.
Расстояние между молекулами в горячей воде больше, чем в холодной. Это отражается на растягивании водородных связей. Следовательно, они запасают большую энергию. Она, в свою очередь, высвобождается в процессе охлаждения жидкости, и молекулы идут на сближение. Считается, что это меняет свойства кипятка, и потому замерзает он быстрее.

Есть еще несколько интересных попыток обосновать парадокс Мпембы, но однозначная причина по-прежнему неизвестна. Возможно, однажды ученые проведут основательное исследование, результат которого поможет окончательно разобраться в данном эффекте.