দৈনন্দিন জীবনে, আমরা সকলেই এখন এবং তারপরে এমন ঘটনার সম্মুখীন হই যা পদার্থের একত্রীকরণের একটি অবস্থা থেকে অন্য অবস্থায় স্থানান্তরের প্রক্রিয়ার সাথে থাকে। এবং প্রায়শই আমাদের সবচেয়ে সাধারণ রাসায়নিক যৌগগুলির একটির উদাহরণে এই জাতীয় ঘটনা পর্যবেক্ষণ করতে হবে - সুপরিচিত এবং পরিচিত জল। প্রবন্ধ থেকে আপনি শিখবেন কীভাবে তরল জলের কঠিন বরফে রূপান্তর ঘটে - একটি প্রক্রিয়া যাকে বলা হয় জলের ক্রিস্টালাইজেশন - এবং এই পরিবর্তনের বৈশিষ্ট্যগুলি কী কী বৈশিষ্ট্য রয়েছে৷
ফেজ ট্রানজিশন কি?
সবাই জানে যে প্রকৃতিতে পদার্থের তিনটি প্রধান সামগ্রিক অবস্থা (পর্যায়) রয়েছে: কঠিন, তরল এবং বায়বীয়। প্রায়শই তাদের সাথে একটি চতুর্থ অবস্থা যুক্ত করা হয় - প্লাজমা (গ্যাস থেকে আলাদা করে এমন বৈশিষ্ট্যগুলির কারণে)। যাইহোক, গ্যাস থেকে প্লাজমায় যাওয়ার সময়, কোনও বৈশিষ্ট্যযুক্ত তীক্ষ্ণ সীমানা নেই এবং এর বৈশিষ্ট্যগুলি এতটা নির্ধারিত হয় না।পদার্থের কণার মধ্যে সম্পর্ক (অণু এবং পরমাণু), পরমাণুর নিজের অবস্থা কত।
সমস্ত পদার্থ, এক অবস্থা থেকে অন্য অবস্থায় যাওয়ার সময়, স্বাভাবিক অবস্থায় হঠাৎ করে তাদের বৈশিষ্ট্য পরিবর্তন করে (কিছু সুপারক্রিটিকাল অবস্থা বাদে, তবে আমরা এখানে তাদের স্পর্শ করব না)। এই ধরনের একটি রূপান্তর একটি ফেজ ট্রানজিশন, বা বরং, এর জাতগুলির মধ্যে একটি। এটি শারীরিক পরামিতিগুলির (তাপমাত্রা এবং চাপ) একটি নির্দিষ্ট সংমিশ্রণে ঘটে, যাকে ফেজ ট্রানজিশন পয়েন্ট বলা হয়।
তরলের গ্যাসে রূপান্তর হল বাষ্পীভবন, বিপরীত ঘটনা হল ঘনীভবন। কঠিন থেকে তরল অবস্থায় পদার্থের রূপান্তর গলিত হয়, কিন্তু প্রক্রিয়াটি যদি বিপরীত দিকে যায় তবে তাকে স্ফটিককরণ বলে। একটি কঠিন শরীর অবিলম্বে একটি গ্যাসে পরিণত হতে পারে এবং এর বিপরীতে - এই ক্ষেত্রে তারা পরমানন্দ এবং অসামান্যকরণের কথা বলে৷
স্ফটিককরণের সময়, জল বরফে পরিণত হয় এবং স্পষ্টভাবে দেখায় যে এর শারীরিক বৈশিষ্ট্য কতটা পরিবর্তিত হয়। আসুন এই ঘটনার কিছু গুরুত্বপূর্ণ বিশদে আলোচনা করা যাক।
স্ফটিককরণের ধারণা
যখন একটি তরল শীতল হওয়ার সময় শক্ত হয়ে যায়, তখন পদার্থের কণার মিথস্ক্রিয়া এবং বিন্যাসের প্রকৃতি পরিবর্তিত হয়। এর উপাদান কণাগুলির এলোমেলো তাপ গতির গতিশক্তি হ্রাস পায় এবং তারা একে অপরের সাথে স্থিতিশীল বন্ধন তৈরি করতে শুরু করে। যখন অণু (বা পরমাণু) এই বন্ধনগুলির মাধ্যমে একটি নিয়মিত, সুশৃঙ্খল ফ্যাশনে সারিবদ্ধ হয়, তখন একটি কঠিনের স্ফটিক কাঠামো গঠিত হয়।
স্ফটিককরণ একই সাথে শীতল তরলের পুরো আয়তনকে আবৃত করে না, তবে ছোট স্ফটিক গঠনের সাথে শুরু হয়। এগুলি হল ক্রিস্টালাইজেশনের তথাকথিত কেন্দ্র। তারা ক্রমবর্ধমান স্তরের সাথে আরও বেশি সংখ্যক অণু বা পদার্থের পরমাণু যোগ করে ধাপে ধাপে স্তরে বৃদ্ধি পায়।
ক্রিস্টালাইজেশন শর্ত
ক্রিস্টালাইজেশনের জন্য তরলকে একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রায় ঠান্ডা করা প্রয়োজন (এটি গলনাঙ্কও)। এইভাবে, স্বাভাবিক অবস্থায় পানির স্ফটিকের তাপমাত্রা 0 °C।
প্রতিটি পদার্থের জন্য, স্ফটিককরণ সুপ্ত তাপের পরিমাণ দ্বারা চিহ্নিত করা হয়। এটি এই প্রক্রিয়া চলাকালীন নির্গত শক্তির পরিমাণ (এবং বিপরীত ক্ষেত্রে, যথাক্রমে, শক্তি শোষিত)। পানির স্ফটিকীকরণের নির্দিষ্ট তাপ হল এক কিলোগ্রাম পানি 0 ডিগ্রি সেলসিয়াসে নির্গত সুপ্ত তাপ। জলের কাছাকাছি সমস্ত পদার্থের মধ্যে, এটি সর্বোচ্চ এক এবং প্রায় 330 kJ/kg। জল স্ফটিককরণের পরামিতি নির্ধারণ করে এমন কাঠামোগত বৈশিষ্ট্যগুলির কারণে এত বড় মান। এই বৈশিষ্ট্যগুলি বিবেচনা করার পরে আমরা নীচে সুপ্ত তাপ গণনা করার জন্য সূত্রটি ব্যবহার করব৷
সুপ্ত তাপের ক্ষতিপূরণের জন্য, স্ফটিক বৃদ্ধি শুরু করার জন্য তরলটিকে সুপার কুল করা প্রয়োজন। সুপারকুলিংয়ের ডিগ্রি স্ফটিককরণ কেন্দ্রের সংখ্যা এবং তাদের বৃদ্ধির হারের উপর একটি উল্লেখযোগ্য প্রভাব ফেলে। প্রক্রিয়া চলাকালীন, পদার্থের তাপমাত্রার আরও শীতলতা পরিবর্তন হয় না।
জলের অণু
জল কীভাবে স্ফটিক হয় তা আরও ভালভাবে বোঝার জন্য, আপনাকে জানতে হবে এই রাসায়নিক যৌগের অণু কীভাবে সাজানো হয়েছে, কারণএকটি অণুর গঠন এটি যে বন্ড গঠন করে তার বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ করে।
একটি অক্সিজেন পরমাণু এবং দুটি হাইড্রোজেন পরমাণু একটি জলের অণুতে একত্রিত হয়। তারা একটি স্থূল সমদ্বিবাহু ত্রিভুজ গঠন করে যেখানে অক্সিজেন পরমাণু 104.45° একটি স্থূলকোণের শীর্ষে অবস্থিত। এই ক্ষেত্রে, অক্সিজেন জোরালোভাবে ইলেক্ট্রন মেঘগুলিকে তার দিকে টানে, যাতে অণুটি একটি বৈদ্যুতিক ডাইপোল হয়। এটির চার্জগুলি একটি কাল্পনিক টেট্রাহেড্রাল পিরামিডের শীর্ষবিন্দুতে বিতরণ করা হয় - একটি টেট্রাহেড্রন যার অভ্যন্তরীণ কোণ প্রায় 109 °। ফলস্বরূপ, অণুটি চারটি হাইড্রোজেন (প্রোটন) বন্ধন গঠন করতে পারে, যা অবশ্যই জলের বৈশিষ্ট্যকে প্রভাবিত করে৷
তরল জল এবং বরফের গঠনের বৈশিষ্ট্য
প্রোটন বন্ড গঠনের জন্য জলের অণুর ক্ষমতা তরল এবং কঠিন উভয় অবস্থায়ই প্রকাশ পায়। যখন জল একটি তরল হয়, তখন এই বন্ধনগুলি বেশ অস্থির, সহজেই ধ্বংস হয়ে যায়, কিন্তু ক্রমাগত আবার গঠিত হয়। তাদের উপস্থিতির কারণে, জলের অণুগুলি অন্যান্য তরলের কণাগুলির তুলনায় একে অপরের সাথে আরও দৃঢ়ভাবে আবদ্ধ। অ্যাসোসিয়েটিং, তারা বিশেষ কাঠামো গঠন করে - ক্লাস্টার। এই কারণে, জলের ফেজ পয়েন্টগুলি উচ্চ তাপমাত্রার দিকে স্থানান্তরিত হয়, কারণ এই ধরনের অতিরিক্ত সহযোগীদের ধ্বংসের জন্যও শক্তির প্রয়োজন হয়। তদুপরি, শক্তিটি বেশ তাৎপর্যপূর্ণ: যদি হাইড্রোজেন বন্ধন এবং ক্লাস্টার না থাকত, তবে জলের স্ফটিককরণের তাপমাত্রা (পাশাপাশি এর গলে যাওয়া) হবে -100 °C, এবং ফুটন্ত +80 °C।
গুচ্ছের গঠন স্ফটিক বরফের গঠনের অনুরূপ।প্রতিটি চারটি প্রতিবেশীর সাথে সংযোগ করে, জলের অণুগুলি একটি ষড়ভুজের আকারে একটি ভিত্তি সহ একটি ওপেনওয়ার্ক স্ফটিক কাঠামো তৈরি করে। তরল জলের বিপরীতে, যেখানে মাইক্রোক্রিস্টাল - ক্লাস্টারগুলি - অণুর তাপীয় চলাচলের কারণে অস্থির এবং চলমান, যখন বরফ তৈরি হয়, তারা একটি স্থিতিশীল এবং নিয়মিত পদ্ধতিতে নিজেদেরকে পুনর্বিন্যাস করে। হাইড্রোজেন বন্ড স্ফটিক জালি সাইটগুলির পারস্পরিক বিন্যাস ঠিক করে, এবং ফলস্বরূপ, অণুর মধ্যে দূরত্ব তরল পর্যায়ের তুলনায় কিছুটা বড় হয়ে যায়। এই পরিস্থিতিটি স্ফটিককরণের সময় জলের ঘনত্বের লাফের ব্যাখ্যা করে - ঘনত্ব প্রায় 1 g/cm3 থেকে প্রায় 0.92 g/cm3.
সুপ্ত তাপ সম্পর্কে
জলের আণবিক কাঠামোর বৈশিষ্ট্যগুলি এর বৈশিষ্ট্যগুলিতে খুব গুরুত্ব সহকারে প্রতিফলিত হয়। এটি দেখা যায়, বিশেষত, জলের স্ফটিককরণের উচ্চ নির্দিষ্ট তাপ থেকে। এটি সঠিকভাবে প্রোটন বন্ডের উপস্থিতির কারণে, যা আণবিক স্ফটিক গঠনকারী অন্যান্য যৌগ থেকে জলকে আলাদা করে। এটি প্রতিষ্ঠিত হয়েছে যে জলে হাইড্রোজেন বন্ড শক্তি প্রতি মোলে প্রায় 20 kJ, অর্থাৎ 18 গ্রাম। এই বন্ধনের একটি উল্লেখযোগ্য অংশ "এন ভর" প্রতিষ্ঠিত হয় যখন জল জমে যায় - এখানেই শক্তির এত বড় প্রত্যাবর্তন। থেকে আসে।
আসুন একটা সহজ হিসাব দেওয়া যাক। জলের স্ফটিককরণের সময় 1650 kJ শক্তি নির্গত হতে দিন। এটি অনেক: সমতুল্য শক্তি পাওয়া যেতে পারে, উদাহরণস্বরূপ, ছয়টি F-1 লেমন গ্রেনেডের বিস্ফোরণ থেকে। স্ফটিককরণের মধ্য দিয়ে যাওয়া জলের ভর গণনা করা যাক। সুপ্ত তাপের পরিমাণ সম্পর্কিত সূত্র Q, ভর m এবং স্ফটিককরণের নির্দিষ্ট তাপλ খুবই সহজ: Q=– λm। বিয়োগ চিহ্নের সহজ অর্থ হল যে তাপ শারীরিক সিস্টেম দ্বারা বন্ধ করা হয়েছে। পরিচিত মানগুলিকে প্রতিস্থাপন করে, আমরা পাই: m=1650/330=5 (কেজি)। জলের স্ফটিককরণের সময় 1650 kJ শক্তি নির্গত হওয়ার জন্য মাত্র 5 লিটার প্রয়োজন! অবশ্যই, শক্তি তাত্ক্ষণিকভাবে দেওয়া হয় না - প্রক্রিয়াটি যথেষ্ট দীর্ঘ সময়ের জন্য স্থায়ী হয় এবং তাপ নষ্ট হয়ে যায়।
উদাহরণস্বরূপ, অনেক পাখিই জলের এই বৈশিষ্ট্য সম্পর্কে ভালভাবে জানে এবং এটি হ্রদ এবং নদীর জমা জলের কাছে স্নান করার জন্য ব্যবহার করে, এই ধরনের জায়গায় বাতাসের তাপমাত্রা কয়েক ডিগ্রি বেশি।
সলিউশনের স্ফটিককরণ
জল একটি চমৎকার দ্রাবক। এটিতে দ্রবীভূত পদার্থগুলি একটি নিয়ম হিসাবে, স্ফটিককরণ বিন্দুকে নীচের দিকে স্থানান্তরিত করে। দ্রবণের ঘনত্ব যত বেশি হবে, তাপমাত্রা তত কম হবে। একটি আকর্ষণীয় উদাহরণ হল সমুদ্রের জল, যেখানে বিভিন্ন লবণ দ্রবীভূত হয়। সমুদ্রের জলে তাদের ঘনত্ব 35 পিপিএম, এবং এই ধরনের জল -1.9 °সে স্ফটিক হয়ে যায়। বিভিন্ন সাগরে পানির লবণাক্ততা অনেক আলাদা, তাই হিমাঙ্ক আলাদা। এইভাবে, বাল্টিক জলের লবণাক্ততা 8 পিপিএম-এর বেশি নয় এবং এর স্ফটিককরণ তাপমাত্রা 0 °C এর কাছাকাছি। খনিজযুক্ত ভূগর্ভস্থ জলও শূন্যের নিচে তাপমাত্রায় বরফে পরিণত হয়। এটি মনে রাখা উচিত যে আমরা সর্বদা কেবল জলের স্ফটিককরণ সম্পর্কে কথা বলি: সমুদ্রের বরফ প্রায় সবসময়ই তাজা থাকে, চরম ক্ষেত্রে, সামান্য লবণাক্ত।
বিভিন্ন অ্যালকোহলের জলীয় দ্রবণও হ্রাসে ভিন্ন হয়হিমাঙ্ক বিন্দু, এবং তাদের স্ফটিককরণ আকস্মিকভাবে এগিয়ে যায় না, তবে একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রা পরিসীমা সহ। উদাহরণস্বরূপ, 40% অ্যালকোহল -22.5 ডিগ্রি সেলসিয়াসে জমাট বাঁধতে শুরু করে এবং অবশেষে -29.5 ডিগ্রি সেলসিয়াসে স্ফটিক হয়ে যায়।
কিন্তু কস্টিক সোডা NaOH বা কস্টিকের মতো ক্ষারটির একটি দ্রবণ একটি আকর্ষণীয় ব্যতিক্রম: এটি একটি বর্ধিত স্ফটিক তাপমাত্রা দ্বারা চিহ্নিত করা হয়।
কীভাবে বিশুদ্ধ পানি জমে যায়?
পাতিত জলে, পাতনের সময় বাষ্পীভবনের কারণে ক্লাস্টার কাঠামো ভেঙে যায় এবং এই জাতীয় জলের অণুগুলির মধ্যে হাইড্রোজেন বন্ধনের সংখ্যা খুব কম। উপরন্তু, এই ধরনের জলে স্থগিত মাইক্রোস্কোপিক ধূলিকণা, বুদবুদ ইত্যাদির মতো অমেধ্য থাকে না, যা স্ফটিক গঠনের অতিরিক্ত কেন্দ্র। এই কারণে, পাতিত জলের ক্রিস্টালাইজেশন বিন্দু -42 °C পর্যন্ত নামিয়ে দেওয়া হয়।
-70 ডিগ্রি সেলসিয়াস পর্যন্ত পাতিত জলকে সুপার কুল করা সম্ভব। এই অবস্থায়, অতি ঠাণ্ডা জল সামান্য ঝাঁকুনি বা একটি নগণ্য অপরিষ্কার প্রবেশের সাথে প্রায় তাত্ক্ষণিকভাবে সমগ্র আয়তনে স্ফটিক করতে সক্ষম হয়।
পরাডক্সিক্যাল গরম জল
একটি আশ্চর্যজনক সত্য - গরম জল ঠান্ডা জলের চেয়ে দ্রুত একটি স্ফটিক অবস্থায় পরিণত হয় - এই প্যারাডক্সটি আবিষ্কারকারী তানজানিয়ান স্কুলছাত্রের সম্মানে "এমপেম্বা প্রভাব" নামে পরিচিত। আরও সঠিকভাবে বলতে গেলে, তারা প্রাচীনকালে এটি সম্পর্কে জানত, তবে, একটি ব্যাখ্যা খুঁজে না পেয়ে, প্রাকৃতিক দার্শনিক এবং প্রাকৃতিক বিজ্ঞানীরা অবশেষে রহস্যময় ঘটনার দিকে মনোযোগ দেওয়া বন্ধ করে দেন৷
1963 সালে, ইরাস্তো এমপেম্বা অবাক হয়েছিলেনউষ্ণ আইসক্রিম মিশ্রণ ঠান্ডা আইসক্রিম মিশ্রণের চেয়ে দ্রুত সেট করে। এবং 1969 সালে, একটি কৌতূহলী ঘটনা ইতিমধ্যেই একটি শারীরিক পরীক্ষায় নিশ্চিত করা হয়েছিল (যাইহোক, নিজে এমপেম্বার অংশগ্রহণে)। প্রভাবটি বিভিন্ন কারণের দ্বারা ব্যাখ্যা করা হয়েছে:
- স্ফটিককরণের আরও কেন্দ্র যেমন বায়ু বুদবুদ;
- গরম জলের উচ্চ তাপ অপচয়;
- বাষ্পীভবনের উচ্চ হার, যার ফলে তরলের পরিমাণ কমে যায়।
ক্রিস্টালাইজেশন ফ্যাক্টর হিসেবে চাপ
> এটি থেকে দেখা যায় যে ক্রমবর্ধমান চাপের সাথে, তরল থেকে কঠিন অবস্থায় জলের ধাপে রূপান্তরের তাপমাত্রা অত্যন্ত ধীরে ধীরে হ্রাস পায়। স্বাভাবিকভাবেই, বিপরীতটিও সত্য: চাপ যত কম হবে, বরফ গঠনের জন্য প্রয়োজনীয় তাপমাত্রা তত বেশি হবে এবং এটি ধীরে ধীরে বৃদ্ধি পাবে। সর্বনিম্ন সম্ভাব্য তাপমাত্রা -22 ডিগ্রি সেলসিয়াসে জল (পাসিত নয়!) সাধারণ বরফে স্ফটিক করতে সক্ষম এমন অবস্থা অর্জন করতে, চাপটি 2085 বায়ুমণ্ডলে বাড়ানো উচিত।
সর্বোচ্চ স্ফটিককরণ তাপমাত্রা নিম্নলিখিত অবস্থার সংমিশ্রণের সাথে মিলে যায়, যাকে জলের ট্রিপল পয়েন্ট বলা হয়: 0.006 বায়ুমণ্ডল এবং 0.01 °C। এই ধরনের পরামিতিগুলির সাথে, স্ফটিক-গলানো এবং ঘনীভবন-ফুটানোর বিন্দুগুলি মিলে যায় এবং জলের একত্রিতকরণের তিনটি অবস্থাই ভারসাম্যের সাথে সহাবস্থান করে (অন্যান্য পদার্থের অনুপস্থিতিতে)।
অনেক ধরনের বরফ
বর্তমানে 20টি পরিবর্তন সম্পর্কে জানাজলের কঠিন অবস্থা - নিরাকার থেকে বরফ XVII। সাধারণ Ih বরফ ব্যতীত তাদের সকলেরই ক্রিস্টালাইজেশন অবস্থার প্রয়োজন যা পৃথিবীর জন্য বহিরাগত, এবং তাদের সকলেই স্থিতিশীল নয়। শুধুমাত্র বরফ Ic পৃথিবীর বায়ুমণ্ডলের উপরের স্তরগুলিতে খুব কমই পাওয়া যায়, তবে এর গঠন জলের জমাট বাঁধার সাথে সম্পর্কিত নয়, কারণ এটি অত্যন্ত নিম্ন তাপমাত্রায় জলীয় বাষ্প থেকে গঠিত হয়। আইস ইলেভেন অ্যান্টার্কটিকায় পাওয়া গিয়েছিল, কিন্তু এই পরিবর্তনটি সাধারণ বরফের একটি ডেরিভেটিভ।
অত্যন্ত উচ্চ চাপে জলের স্ফটিককরণের মাধ্যমে, III, V, VI, এবং একই সাথে তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে - বরফ VII-এর মতো বরফের পরিবর্তনগুলি পাওয়া সম্ভব। সম্ভবত তাদের মধ্যে কিছু সৌরজগতের অন্যান্য সংস্থাগুলিতে আমাদের গ্রহের জন্য অস্বাভাবিক পরিস্থিতিতে গঠিত হতে পারে: ইউরেনাস, নেপচুন বা দৈত্য গ্রহগুলির বড় উপগ্রহগুলিতে। একজনকে অবশ্যই ভাবতে হবে যে এই বরফগুলির এখনও সামান্য অধ্যয়ন করা বৈশিষ্ট্যগুলির ভবিষ্যত পরীক্ষা-নিরীক্ষা এবং তাত্ত্বিক অধ্যয়ন, সেইসাথে তাদের স্ফটিককরণ প্রক্রিয়াগুলির বৈশিষ্ট্যগুলি এই সমস্যাটিকে স্পষ্ট করবে এবং আরও অনেক নতুন জিনিস উন্মুক্ত করবে৷
