В настоящее время можно считать твердо установленным, что жидкость может затвердевать после ее охлаждения до температуры плавления только при наличии в ней «центров кристаллизации». В случае их отсутствия жидкость «переохлаждается», т. е. температура понижается ниже точки плавления данного вещества, но вещество остается в жидком состоянии. Возможность такого переохлаждения для воды была замечена уже более двухсот лет назад, в 1724 г., Фаренгейтом. Выгодная покупка недвижимости в Одессе в то время, как не сложно догадаться, доступна еще не была.

Позднее были установлены и изучены разнообразнейшие обстоятельства, способствующие как затвердеванию переохлажденной жидкости, так и ее сохранению в жидком виде. Выяснилось, что громадное значение для начала кристаллизации имеет «заражение» какими-либо твердыми частицами. Так^ если вода имеет поверхность, доступную действию атмосферного воздуха со взвешенными в нем пылинками различных твердых веществ, то ее трудно переохладить. Напротив, в запаянной пробирке, особенно при откачке оттуда воздуха, вода очень легко переохлаждается.

Кристаллизацию переохлажденной жидкости обыкновенно можно вызвать, потирая какой-нибудь твердой палочкой внутреннюю стенку стеклянного сосуда, в котором находится жидкость. При этом, по всей вероятности, от стенки отрываются микроскопические частички стекла, и они-то играют роли затравки.

К таким же заключениям приводят и факты, взятые из практических наблюдений. Капитан корабля «Днсковери» Р. Ф. Скотт записал 12 сентября 1902 г. в корабельном журнале, что сети и веревки, спущенные под воду (очевидно, переохлажденную), оказывались после их поднятия покрытыми кристаллами льда, причем в одном случае вокруг линя толщиной в 1 дюйм (2,54 см) образовался цилиндро-хлопьевидного льда диаметром около 25 см. Кристаллы льда в виде листочкоз были перпендикулярны к канату, и их плоскости взаимно пересекались под углом 60°. «Все это,- по словам Скотта,- похоже на красивое кружево; выставляя его на свет, мы видим сквозь него роскошные краски спектра, как от призмы. От прикосновения лед распадается на куски, и каждый листочек можно расщепить на тончайшие слои».

При этом нельзя упускать из вида, что кристаллизация жидкости сопровождается выделением теплоты, и если эту теплоту не удалять, то температура жидкости поднимется до такого предела, когда кристаллизация уже будет невозможна. Поэтому за ростом кристаллов из их зародышей удобно следить в переохлажденной жидкости. Так и поступал.виднейший современный исследователь этих вопросов Тамман, основоположник учения о центрах кристаллизации и признанный авторитет в этой области. Он и его сотрудники исследовали многочисленные жидкости, определяя для них две величины: скорость образования зародышей в зависимости от степени переохлаждения и затем, с полученными зародышами, скорость их роста.

Однако среди исследованных Тамманом жидкостей отсутствовала вода. По признанию Таммана первые же центры кристаллизации у воды растут с такой быстротой, что через незначительное время весь сосуд заполняется тонкими ледяными иглами, и поэтому невозможно проследить за скоростью возникновения кристаллических зародышей.

Технические трудности, помешавшие Тамману наблюдать начальную стадию кристалтизации воды, удалось преодолеть мне, причем оказалось, что для преодоления этих трудностей потребовались вовсе уж не чрезмерно сложные приемы.

В. своих работах по изучению кристаллизационных свойств воды вообще и ядер кристаллизации ее в частности я исходил из вывода теоретиков физико-химиков о том, что при малых переохлаждениях скорость развития ядер очень мала, а также из данных опыта, подтверждавших означенный вывод.

Поэтому я считал мнение Таммана, что при незначительном переохлаждении воды ядра кристаллизации будто бы развиваются настолько быстро, что технически нет возможности их изучать, неправильным, и это доказал на опыте, работая в области действительно малых переохлаждений (десятые и сотые доли градуса ниже 0°), при которых скорости развития ядер можно снизить до таких пределов, которые допускают возможность изучать ядра легко и свободно.

Таким образом преграда, мешавшая ранее Тамману и другим исследователям изучать ядра кристаллизации воды, оказалась снятой.

Для осуществления такой установки сосуд с переохлажденной водой окружался охладительной смесью из раствора соли ‘в воде со снегом; температура замерзания раствора зависит от концентрации в нем соли.

Исследование показало, что для наблюдения образования ледяных кристаллов наиболее удобны температуры между 0 и -1°. В случае более низких температур отмеченная Тамманом трудность уже сильно дает себя знать. Приходится считаться еще и с другими трудностями: с выделением теплоты при образовании кристаллов и с тем, что они стремятся всплывать вверх и уходят таким образом из-под наблюдения.

На рисунке показан один из вариантов примененной мной установки, где эти помехи уже не имеют места. Здесь буквой Я обозначен кристаллик льда, всплывающий наверх. Навстречу ему идет поток, воды, приводимой в движение вращающимся винтом. Скорость движения воды вниз поддерживается как раз такой, чтобы кристаллик оставался практически на неизменном уровне. Наружная трубка с протекающим по ней соляным раствором имеет назначением поддерживать постоянную температуру.

Применяя тонкое регулирование переохлаждения воды, можно было по желанию ускорять или замедлять, останавливать или. даже вести в обратном направлении процесс роста наблюдаемого кристалла, так что удалось уже выращенный кристалл вновь уменьшить и даже доводить до полного уничтожения.

Из этих опытов выяснилось, что форма кристаллического зародыша льда есть правильный диск, который при дальнейшем росте превращается в правильную шестиугольную пластинку прозрачного льда, а это последняя уже разрастается в шестилучевую звездочку. Дальнейший рост звездочки, которую удалось доводить до диаметра.2-3 см, дает ажурное строение, напоминающее по виду снежинку.

Громадные трудности связаны с фотографированием кристалликов. Ввиду их прозрачности их можно видеть только под таким углом зрения, при котором падающий на них свет испытывает полное внутреннее отражение. Кристаллики, вынутые из воды, обволакиваются жидкостью, а при ее удалении нарушается их нежная и тонкая структура.

1

Егорова Т.Ю. (Выборг, учитель химии, МБОУ СОШ № 8)

1. Большая серия знаний. Бионика-М.:ООО»ТД Издательство Мир книги», 2005-128с.

2. Габриелян О.С. Химия. 8 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений – М.: Дрофа, 2013 – 267с.

3. Электронный ресурс: Толковый словарь Ефремовой

4. Журин А.А., Начала химического эксперимента: Практические занятия по химии. 8-й класс сред.общеобразоват. школы. – М.: Школьная Пресса, 2001 – 128 с.

5. Зазнобина Л.С. Начала химического эксперимента: Практические занятия по химии. 8-й класс сред.общеобразоват. школы. – М.: Школьная Пресса, 2001 – 128 с.

6. Крицман В.А. Книга для чтения по неорганической химии. Пособие для учащихся. – М.: Просвещение, 1975 – 303с.

7. Мосин O.В. Физико-химические основы опреснения морской воды // Сознание и физическая реальность, 2012, № 1, с. 19-30.

8. Электронный ресурс: статья Кристаллизация на www.xumuk.ru

9. Электронный ресурс: статья Кристаллизация на dic.academic.ru

10. Электронный ресурс: tolkslovar.ru/k11437.html.

Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте III Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://www.school-science.ru/0317/13/29052

Глобальной проблемой человечества в новом тысячелетии становится проблема получения пригодной для питья пресной воды. Дефицит пресной воды остро ощущается на территории более 40 стран, расположенных в засушливых областях земного шара и составляющих около 60% всей поверхности суши. Растущий мировой дефицит пресной воды может быть скомпенсирован опреснением океанических, морских и подземных вод, запасы которых составляют 98% всей воды на земном шаре. Пресная вода составляет около 2% всех водных ресурсов планеты. Существует проблема мирового масштаба - истощение пресных водных ресурсов. Кристаллизация применяется при получении пресной воды из соленой воды морей. При этом кристаллизуются не растворенные в ней соли, а сама вода.

Проблема: дефицит пресной воды мирового масштаба.

Гипотеза: из морской воды можно получить пригодную для питья пресную воду.

Мы решили приготовить соленый раствор, используя поваренную соль, и получить из него пресную воду методом кристаллизации.

Актуальность работы: роль кристаллизации для восполнения запасов пресной воды.

Цель работы: получение пресной воды методом кристаллизации.

Задачи:

1. Изучить общие сведения о пресной воде и способах ее получения из морской воды, используя литературные источники.

2. Приготовить водный раствор с заданной массовой долей соли и получить из него пресную воду методом кристаллизации.

3. Провести наблюдение за процессом опреснения.

4. Проанализировать результаты исследований.

Методы исследования : теоретические исследования, экспериментальные методы, наблюдение и фотографирование, анализ полученных результатов.

1. Теоретическая часть. Основные сведения о пресной воде

1.1. Пресная вода как часть морской воды

Около 99% мировой воды приходятся на воды океанов и морей. Морская вода содержит в себе множество химических элементов, а также пресную воду. Пресная вода является ценной составной частью морской воды. Многие регионы и уголки Земли нуждаются в пресной воде, там просто катастрофическая нехватка живительной влаги. По утверждению ученых, все человечество вынуждено будет обратить взор на мировой океан, как источник воды.

Россия по ресурсам поверхностных пресных вод занимает первое место в мире. Однако до 80% этих ресурсов приходится на районы Сибири, Севера и Дальнего Востока. Всего около 20% пресноводных источников расположено в центральных и южных областях с самой высокой плотностью населения и высокоразвитыми промышленностью и сельским хозяйством. Некоторые районы Средней Азии (Туркмения, Казахстан), Кавказа, Донбасса, юго-восточной части РФ, обладая крупнейшими минерально-сырьевыми ресурсами, не имеют источников пресной воды. Вместе с тем ряд районов нашей страны располагает большими запасами подземных вод с общей минерализацией от 1 до 35 г/л, не используемых для нужд водоснабжения из-за высокого содержания растворенных в воде солей. Эти воды могут стать источниками водоснабжения только при условии их дальнейшего опреснения .

Важным параметром морской воды при опреснении является соленость, под которой подразумевается масса (в граммах) сухих солей (преимущественно NaCl) в 1 кг морской воды. Средняя соленость вод мирового океана постоянна и составляет 35 г/кг морской воды .

Чтобы избежать «водяного голода», ученые предлагают опреснять воды Мирового океана. И сейчас по всей Земле строят дистилляционные установки для получения пресной воды. Есть и другие способы опреснения воды.

1.2. Обзор способов опреснения

В состав морской воды, входит большая концентрация солей, поэтому она непригодна для питья, и мы попробуем рассмотреть: каким же именно образом можно получить из огромной массы вод мирового океана пресную воду, которая так нужна для человечества.

Самым популярным способом является отделение солей от воды дистилляцией. Принцип несложен - вода нагревается до температуры кипения, собираются пары, которые потом конденсируются, а соли остаются.

Еще существует другой метод - способ обратного осмоса. Суть в том, что морская вода пропускается через специальную мембрану, которая имеет свойство пропускать воду и не пропускать солевые соединения .

Следующий способ на практике применяется редко, так как требует сложного оборудования - это метод кристаллизации. Кристаллизация - от греческого - лед - процесс образования кристаллов из растворов .

1.3. Опреснение воды методом кристаллизации

Данный метод заключается в следующем: в естественных природных условиях лед, образующийся из морской воды, является пресным, поскольку образование кристаллов льда при температуре ниже температуры замерзания происходит только из молекул воды. При искусственном медленном замораживании соленой морской воды вокруг центров кристаллизации образуется пресный лед. При последующей сепарации, промывке и таянии кристаллического льда образуется пресная вода с содержанием солей 500-1000 мг/л NaСl. Замораживание морской воды проводят в кристаллизаторах (контактные, вакуумные, с теплообменом через стенку) в условиях непосредственного контакта охлаждаемого раствора с хладагентом - газообразным или жидким. Для лучшего опреснения морского льда применяется фракционное плавление при температуре 20 °С с промывкой и сепарацией кристаллов льда от маточного раствора методами фильтрования, гидравлического прессования и центрифугирования .

Данный метод применяется для концентрирования непищевых продуктов, для опреснения морской воды, концентрирования и разделения химических растворов и др. Он достаточно прост и экономичен, но требует сложного оборудования и энергоемок. Поэтому на практике он используется чрезвычайно редко.

Наш эксперимент - получить пресную воду из раствора с заданной массовой долей растворенного вещества поваренной соли, используя метод кристаллизации.

2. Практическая часть. Опреснение воды

2.1. Экскурсия на Экотерминал

Цель: ознакомление с технологическим оборудованием, применяемым для получения чистой воды методом обратного осмоса, дистилляции и фильтрации.

Мы с руководителем побывали с экскурсией на Экотерминале. Терминал занимается приемкой, хранением, технологической обработкой и отгрузкой наливных грузов. В хранилище Экотерминала мы ознакомились с технологическим процессом и оборудованием, предназначенным для очистки воды. Обычная вода, поступающая из городского водопровода, и используемая в производстве пищевой продукции, подлежит специальной подготовке путем пропуска ее через установку обратного осмоса. Суть водоподготовки заключается в том, что обычная вода подается на установку и проходит через специальную мембрану. Мембрана пропускает чистую воду, а примеси в виде солей задерживаются. Очищенная таким способом вода используется далее в пищевом производстве.

В химической лаборатории Экотерминала мы ознакомились с другим способом водоподготовки - методом дистилляции. Дистиллятор - это специальная установка, в которой обычная вода нагревается до температуры кипения, образующиеся пары охлаждаются и собираются в виде конденсата в специальный приемник, а соли остаются. Вода, полученная методом дистилляции, называется дистиллированной и используется для приготовления химических реактивов, проведения специальных лабораторных анализов и ополаскивания лабораторной посуды. Этим способом получают воду, очищенную от растворенных в ней веществ.

2.2. Получение пресной воды из соленой воды методом кристаллизации

2.2.1. Подготовка оборудования и химической посуды для работы

Оборудование: весы, набор разновесов, лабораторный штатив, химические стаканы, химическая воронка, бумажные фильтры, стеклянная палочка с резиновым наконечником, предметное стекло, чашка Петри, шпатель, стеклянные банки объемом 0,5 литра. (см. полный текст работы. Приложение 1, фото 1).

2.2.2. Ознакомление с образцом поваренной соли

План работы: ознакомление с образцом поваренной соли.

Цель - изучить внешний вид вещества.

Результат ознакомления с солью изложен в виде таблицы

Таблица 1

Свойства соли

Поваренная соль - химическая формула NaCl (хлорид натрия)

Внимательно рассмотрев соль, я записала свои наблюдения в таблицу.

Таблица 2

Исследование физических свойств соли

Хлорид натрия содержится в морской воде, придавая ей соленый вкус, встречается в природе в виде минерала галита (каменной соли). В пищевой промышленности и кулинарии используют как вкусовую добавку и для консервирования пищевых продуктов. В медицине применяется как дезинтоксикационное средство, для коррекции состояния систем организма в случае обезвоживания, как растворитель других лекарственных препаратов. Применяется как антифриз против гололеда. В химической промышленности используется для получения хлора, соды, соляной кислоты, гидроксида натрия, натрия .

2.2.3. Приготовление соленого раствора

Цель опыта: приготовить водный раствор с заданной массовой долей растворенного вещества соли.

Для того чтобы приготовить раствор, необходимо навеску соли растворить в воде. В морской воде содержится около 3,5% растворенных веществ . Отношение массы растворенного вещества к общей массе раствора называют массовой долей растворенного вещества.

Для приготовления 100 г раствора с массовой долей растворенной соли 3,5% нам понадобится: вода дистиллированная - 96,5 мл, соль поваренная - 3,5 г.

Ход работы: Отмерим мерным цилиндром 96,5 мл воды и выльем ее в химический стакан. На лабораторных весах взвесим 3,5 г соли. Затем поместим соль в стакан с водой и перемешаем стеклянной палочкой до полного растворения. (Приложение 1, фото 2-3, приложение 2, фото 4).

Результат: получен бесцветный раствор поваренной соли. (Приложение 2, фото 5).

Что такое раствор? Раствор - это однородная система, состоящая из частиц растворенного вещества (поваренная соль), растворителя (это вода) и продуктов их взаимодействия.

Для чистоты эксперимента раствор нужно фильтровать. Приготовленный раствор осторожно наливаю на фильтр по стеклянной палочке тонкой струей, направляя ее на стенку воронки. Через фильтр проходит прозрачный чистый раствор (фильтрат), а на бумажном фильтре задерживается осадок из механических примесей и примесей нерастворимых веществ, присутствующих в рабочем образце (их оказалось очень мало). Фильтрование необходимо для того, чтобы избавиться от примесей, присутствующих в рабочем образце соли.

Результат фильтрования: получен чистый фильтрат. (Приложение 2, фото 6).

2.2.4. Получение пресной воды

Подготовленный фильтрат пробуем на вкус. Раствор имеет солоноватый вкус, похожий на вкус морской воды. Фильтрат разливаем в две стеклянные банки объемом по 0,5 литра, накрываем банки пластмассовыми крышками и ставим в морозильную камеру холодильника на прокладку из картона (для теплоизоляции дна). В морозильной камере фильтрат будет кристаллизоваться, превращаясь в лед. Через 30 минут раствор сильно охладился, но не закристаллизовался. Через 60 минут появилась наледь. Первые образовавшиеся на поверхности воды кристаллы льда в виде ледяной корки надо удалить, так как в нем могут содержаться быстро замерзающие примеси. Затем повторно замораживаем воду примерно до половины оставшегося объема. Экспериментальным путем найдено время, требуемое для замерзания половины объема. Через 5 часов верхняя часть раствора закристаллизовалась, образовался лед. В результате получили двухкомпонентную систему, состоящую изо льда (фактически замерзшая вода без примесей) и водного незамерзающего рассола подо льдом, содержащего соль. Незамерзшие остатки воды сливаем. Полученный образец льда промываем холодной водой, выкладываем на чашку Петри и оставляем таять при комнатной температуре.(Приложение 4,фото10). При таянии кристаллического льда образуется вода. Пробуем ее на вкус. Полученная вода обладает менее солоноватым вкусом, чем свежеприготовленный фильтрат. Эту воду можно использовать для питья, приготовления чая, кофе и других блюд пищевого рациона, как обычную пресную воду. Из полученной воды мы приготовили чай (Приложение 4, фото 11).

Результат: при искусственном замораживании соленой воды образовалась двухкомпонентная система, состоящая из пресного льда и водного рассола подо льдом.

Вывод: из соленой воды образуется пресный лед, который после таяния превращается в пресную воду.

Заключение

В ходе работы я узнала много новой, интересной и полезной информации.

Гипотеза подтвердилась - из морской воды можно получить пригодную для питья пресную воду. На практике осуществила процессы растворения, фильтрования и кристаллизации. Кристаллизация применяется при получении пресной воды из соленой воды морей. При этом кристаллизуются не растворенные в ней соли, а сама вода.

Теоретически и практически из морской воды сделать пресную можно, но пока технологии массового производства этого продукта предполагают высокие затраты. Человечество все усовершенствует инженерные решения в этом направлении и в ближайшее время, надеемся, дешевая опресненная морская вода станет реальностью.

Около 60% поверхности Земли составляют зоны, где отсутствует пресная вода или ощущается ее острый недостаток. Почти 500 млн. человек страдают от болезней, вызванных недостатком или качественной неполноценностью питьевой воды . Пресная вода составляет около 2% всех водных ресурсов планеты. В дальнейшем человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как альтернативный источник воды. Ведь на поверхности соленого моря образуется морской лед, состоящий из почти пресной воды. Решить данную проблему поможет метод кристаллизации соленой воды океана. Идея заключается в том, что сначала замерзает и кристаллизуется в лед чистая вода, а примеси, содержащие соли, остаются в растворе. О своей работе рассказала одноклассникам. (Приложение 3, фото 7).

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1 . Пресная вода является ценной составной частью морской воды. В естественных природных условиях лед, образующийся из морской воды, является пресным.

2. Практическая часть работы содержит отчет о посещении с экскурсией Экотерминал. Увидели процесс подготовки чистой воды для нужд пищевого производства, ознакомились с методами получения чистой воды: фильтрованием, методом обратного осмоса и методом дистилляции. Установка обратного осмоса пропускает через мембрану чистую воду, задерживая растворенные в воде примеси. В дистилляторе исходная вода нагревается до кипения, образовавшиеся пары охлаждаются и превращаются в конденсат. Полученный конденсат называется дистиллированной водой.

3. В ходе работы проведен опыт по приготовлению соленой воды (получение аналога морской воды), дальнейшей кристаллизации путем искусственного замораживания и получения пресной воды из образца льда при его таянии. В процессе работы велись наблюдения с фиксацией полученных сведений в рабочую тетрадь.

4. Проведенный практикум показал, что пресную воду можно получить из соленых вод морей и океанов, используя вышеописанные способы опреснения. Результат проведенной работы представлен в виде фотографий.

Библиографическая ссылка

Береснева А.С. ОПРЕСНЕНИЕ ВОДЫ МЕТОДОМ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ // Старт в науке. – 2017. – № 4-3. – С. 543-546;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=818 (дата обращения: 27.03.2019).

, растворов , расплавов , из вещества в другом кристаллическом или аморфном состоянии.
Кристаллизация начинается при достижении некоторого предельного условия, например, переохлаждения жидкости или пересыщения пара, когда практически одновременно возникают во множестве мелкие кристаллики- "зародыши", центры кристаллизации. Микрористаллики растут за счёт присоединения к своей поверхности новых атомов или молекул из окружающего расплава, жидкости или пара. Рост граней кристалла происходит послойно, края незавершенных атомных слоев (ступени роста) при кристаллизации продвигаются вдоль грани последовательными фронтами один за другим. В зависимости от скорости роста и условий процесс кристаллизации приводит к формированию разнообразных форм роста (многогранные, уплощённые, игольчатые, нитевидные , скелетные , дендритные и другие формы) и внутренних структур кристаллов (зональные, секториальные, блочные и др. структуры). При быстрой кристаллизации неизбежно возникают различные внутренние дефекты кристаллической решетки .

Если кристалл не плавится, не растворяется, не испаряется и не растет, то он находится в термодинамическом равновесии с маточной средой (расплавом, раствором или паром). Равновесие кристалла с расплавом того же вещества возможно лишь при температуре плавления, а равновесие с раствором и паром - если последние насыщены. Пересыщение или переохлаждение среды - необходимое условие для роста находящегося в ней кристалла, причём скорость роста кристалла тем больше, чем больше отклонение от РТ-условий равновесия.

Кристаллизация - фазовый переход вещества из состояния переохлажденной (пересыщенной) маточной среды в кристаллическое химическое соединение с меньшей свободной энергией. Избыточная энергия, образующаяся при кристаллизации, выделяется в виде скрытой теплоты. Часть этой теплоты может превращаться в механическую работу. Например, растущий кристалл может поднимать положенный на него груз, развивая Кристаллизационное давление (будучи разным для разных минералов, оно в отдельных случаях может оцениваться в десятки кг/см 2). В частности, антолиты такого мягкого минерала, как гипс , могут поднимать куски породы массой в несколько кг. Широко известен также пример с антолитами льда , способными раздвигать мёрзлый грунт или поднимать тяжёлые предметы. А кристаллы солей, образующиеся в трещинах бетонных плотин в морской воде, иногда вызывают разрушение бетона.

Переохлажденная среда может долго сохранять, не кристаллизуясь, неустойчивое метастабильное состояние. Однако при достижении некоторого предельного для данных условий критического переохлаждения среды в ней мгновенно возникает множество мелких кристалликов-зародышей. Возникшие кристаллики растут и, если переохлаждение уменьшается, новые зародыши, как правило, больше не возникают. Многое зависит также от присутствия энергетически активных фаз или частиц, могущих играть роль "затравок", провоцирующих начало кристаллизации.

Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.

• Участник:Ковалёв Павел Алексеевич
• Руководитель:Шик Галина Яковлевна

Цель работы: провести опыты по кристаллизации воды и подготовить предложения по их проведению.

Вступление

Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете. Исключительно важна роль воды в возникновении и поддержании жизни на Земле, в химическом строении живых организмов, в формировании климата и погоды. Вода является важнейшим веществом для всех живых существ на Земле.

Введение

Большая часть поверхности Земли покрыта водой (океаны, моря, озёра, реки, льды). На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % – ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть находится в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках, которые образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды.

Вода при нормальных условиях находится в жидком состоянии, однако при температуре в 0 °C она переходит в твердое состояние – лед и кипит (превращается в водяной пар) при температуре 100 °C.

Значения 0 °C и 100 °C были выбраны как соответствующие температурам таяния льда и кипения воды при создании температурной шкалы «по Цельсию».

Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея, изморози. Под действием собственного веса лёд приобретает пластические свойства и текучесть.

Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встают молекулы воды.

Общие запасы льда на Земле около 30 млн. км³. Основные запасы льда сосредоточены в полярных шапках (главным образом, в Антарктиде, где толщина слоя льда достигает 4 км).

В мировом океане вода солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная. Замерзают некоторые неглубокие моря, расположенные в умеренном поясе.

Кроме того, имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы (например, на Марсе), их спутниках, на карликовых планетах и в ядрах комет.

Исследование свойств воды необходимо для человечества.

При этом процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней школе.

Актуальность работы использование на уроках физики, для знакомства учащихся со свойствами воды при кристаллизации.

Объектом исследования является кристаллизация воды.

Предмет исследования – изучения свойств воды при кристаллизации.

Цель работы провести опыты по кристаллизации воды и подготовить предложения по их проведению.

Главной задачей является изучение свойств воды при кристаллизации.

Для решения главной задачи необходимо:

Теоретическая значимость работы заключается в систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.

Практическая значимость работы – изучение процесса кристаллизации воды во время проведение опытов, а также подготовка предложений по проведению опытов на уроках в средней школе.

1. Подготовка к исследованию

1.1 Анализ основных свойств воды

Вода является одним из самых удивительных веществ на планете Земля. Встретить воду можно практически везде в естественных условиях как на поверхности планеты, так и в ее недрах в трех возможных физических состояниях для веществ: жидкое, твердое, газообразное (то есть вода, лед, водяной пар).

Конечно, существуют вещества, которые можно получить в виде жидкости, твердого тела или газа. Однако, не существует подобного химического вещества, которое именно в естественных условиях встречается в указанных выше трех физических состояниях.

Свойства воды:

1. Вода является веществом, которое не имеет ни цвета, ни запаха, ни вкуса.
2. Вода является единственным на планете Земля известным науке веществом, встречающимся в природных условиях в трех физических состояниях: твердое тело, жидкость, газ.
3. Вода является универсальным растворителем, имея возможность растворять большее количество солей, а также других веществ, чем какие-либо другие вещества.
4. Вода с большим трудом поддается окислению. Вода - достаточно химически устойчива, то есть разложить ее на составные части или сжечь достаточно проблематично.
5. Окислению водой поддаются практически все естественные металлы, так же под ее воздействием разрушаются особо твердые горные породы.
6. Вода, как физическое вещество, характеризуется большим сродством сама с собой. Такое сродство у воды является самым большим среди всех жидкостей. Вследствие этого вода на поверхности размещается в виде капель сферической формы, поскольку сфера обладает наименьшей при заданном объеме поверхностью.
7. Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды. Однако, замерзание морской воды происходит при более низких температурах: минус 1,9 градусов Цельсия, при солености 35%.
8. Вода обладает очень высокой теплоемкостью, относительно мало нагреваясь при этом. Также вода обладает достаточно высокой скрытой теплотой плавления (порядка 80 кал/г), а также испарения (порядка 540 кал/г). Вода способна поглощать значительные объемы дополнительного тепла. Температура же в процессе замерзания или при кипении остается неизменной.
9. Дистиллированная вода практически не проводит электрический ток, однако наличие в воде даже небольшого количества солей значительно увеличивает ее токопроводящие свойства.

Свойства снега:

1. При смешивании соли со снегом наблюдается два процесса: разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла, и гидрация ионов. Последний процесс происходит с выделением тепла в окружающую среду. Для поваренной соли и хлористого кальция первый процесс превалирует над вторым. Поэтому при смешивании снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды. Ещё одна особенность соляных растворов состоит в том, что их точка замерзания ниже 0 градусов. Чтобы снег на тротуарах таял при температуре ниже 0 градусов, его посыпают этими солями.
2. Снег обладает удивительным свойством – памятью. Он сохраняет следы. По следам можно, например, изучать физику. Чем крупнее животное, тем глубже от него след, следовательно, тем большее давление оно оказывает на снег. Следы собаки более глубокие, чем следы её щенков. Мыши, ласки оставляет неглубокие чёрточки. Природа снабдила копытных животных способностью раздвигать копыта и увеличивать площадь опоры. Это помогает им зимой при передвижение по заснеженному лесу и полям не так глубоко погружаться в снег.

1.2 Значение кристаллизации воды для флоры и фауны

Мы любим снег не только за то, что он дарит нам великолепные зимние пейзажи. У нашей любви к снегу немало рациональных причин. «Снег на полях - хлеб в закромах», «Зима без снега – лето без хлеба», – справедливо утверждают старинные русские пословицы. Снежный покров - это огромный запас влаги, столь необходимый полям, в то же время это своеобразное гигантское одеяло, защищающее поверхность земли от холодных ветров. Академик Б. И. Вернадский подчеркивал, что снежный покров - «не просто теплая покрышка озимых, это живительная покрышка», весной он дает талые воды, насыщенные кислородом. Известно, что количество азотистых соединений летом в почве пропорционально высоте сошедшего снежного покрова. Недаром снежная мелиорация рассматривается сегодня как одно из важнейших условий получения высоких и устойчивых урожаев.

Запасы снега существенно влияют на уровень воды в реках, определяют изменения климата на больших территориях.

Кроме того, снег является хорошим строительным материалом для различных построек на севере - от иглу (жилищ эскимосов) до больших складских помещений. Существует самая большая в мире гостиница, полностью сделанная изо льда и снега, находится она в шведской Лапландии в 200 километрах от Северного полярного круга.

Он служит основой зимних дорог и даже аэродромов.

Благодаря снегу мы каждый год любуемся сказочными зимними пейзажами, играем в снежки, строим снежные городки, крепости, катаемся на лыжах, санках, в снежном уборе приходит к нам прекрасный новогодний праздник.

Значение льда трудно недооценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Лёд может вызывать ряд стихийных бедствий с вредными и разрушительными последствиями – обледенение летательных аппаратов, судов, сооружений, дорожного полотна и почвы, град, метели и снежные заносы, речные заторы с наводнениями, ледяные обвалы и др. Природный лёд используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается.

1.3 Выбор и обоснование опытов для проведения исследования

Для проведения опытов с водой необходимо выбрать те, которые наиболее полно характеризуют и подтверждают свойства воды.

Проведенный анализ показал, что лучше всего это будет реализовано при выполнении следующих опытов:

1. Замерзание соленой воды.
2. Расширение воды при замерзании.
3. Замерзание жидкости при внешнем воздействии снега.
4. Замерзание мыльных пузырей.
5. Срастание сосульки.
6. Скрип сухого снега.
7. Примерзание к поверхности.

2. Проведение исследования

2.1 Подготовка материальной части

Для проведения опытов были взяты:

• предметы – кастрюля, стеклянная бутылка, пластиковая бутылка, одноразовые стаканы, тонкая медная проволока, трубочка;
• вещества – снег, сосулька, соль, вода, мыльный раствор, сок.

2.2 Проведение опытов с описанием основных результатов

1. Замерзание соленой воды.

Налейте в две формочки воду – чистую и очень солёную. Вынесите формочки на мороз или поставьте в морозильную камеру. Вы заметите, что чистая пресная вода превратилась в лёд, а солёная замёрзнет при очень сильном морозе.

Замерзание воды происходит не при температурных условиях ее наибольшей плотности (при 4 градусах Цельсия), а при нуле градусов Цельсия. Это свойства пресной воды.

При этом, морской лед отличается от пресноводного в ряде отношений. У соленой воды температура замерзания понижается по мере увеличения солености. В диапазоне солености от 30 до 35 промилле точка замерзания меняется от -1.6 до -1.9 град. Образование морского льда можно рассматривать как замерзание пресной воды с вытеснением солей в ячейки морской воды внутри толщи льда. Когда температура достигает точки замерзания, образуются ледяные кристаллы, которые «окружают» не замерзшую воду.

2. Расширение воды при замерзании.

Наполните водой пластиковый стакан, пластиковую бутылку и стеклянную бутылку. Выставьте их на мороз. Замерзая, вода увеличивается в объёме, «вылезает» из стакана, стеклянную бутылку разрывает даже в том случае, когда она заполнена наполовину. Пластиковая бутылка остаётся без видимых изменений.

При замерзании вода обладает уникальными свойствами расширения. Благодаря таким свойствам лед на воде, которая находится в виде жидкости, плавает.

Зимой из-за этого свойства воды происходят аварии на водопроводах. В сильные морозы основная причина таких аварий – замерзание текучей воды. Происходит ее расширение, так что образующийся лед легко разрывает трубы, так как плотность льда – 917 кг/м3, а плотность воды – 1000 кг/м3, то есть объем увеличивается в 1,1 раза, что довольно существенно.

3. Замерзание жидкости при внешнем воздействии снега.

Налейте в пластиковый стакан (пробирку) сок и поставьте его в кастрюлю с солёным снегом. Сок замёрзнет, и очень скоро вы будете лакомиться фруктовым льдом.

При смешивании соли со снегом наблюдается разрушение кристаллической структуры соли, которое происходит с поглощением тепла. Поэтому при смешивании снега с солью происходит активный отбор тепла из сока и сок превращается в лед.

4. Замерзание мыльных пузырей.

Приготовьте мыльный раствор. Раствор на морозе держите в рукавице, чтобы он не замёрз. Выдувайте пузыри трубочкой для сока. Из-за разности температур изнутри пузыря и снаружи возникает большая подъёмная сила, мгновенно уносящая пузыри вверх. Тонкая мыльная плёнка на морозе быстро замерзает, превращая пузыри в ледяные шарики.

Таким образом, тончайшая пленка мыльного пузыря замерзает за считанные секунды.

5. Срастание сосульки.

Возьмите сосульку. Перекиньте через неё тонкую проволоку, концы которой утяжелите грузиками. Наблюдайте, как проволока растапливает лёд, проникает всё глубже в сосульку. Вода над сосулькой вновь замерзает.

Это подтверждает свойство поглощения тепла большей массой льда.

Лед нарастает снизу, сразу над проволокой, так как стекающая вниз талая вода замерзает при соприкосновении с холодными стенками сосульки.

6. Скрип сухого снега.

Насыпьте в тарелку сахарный песок горкой и начните давить его ложкой. Вы услышите характерный скрип. Намочите песок и вновь разотрите. Скрип исчез. В морозные дни звук распространяется на большие расстояния.

Снег скрипит только в мороз (ниже -5°C), и звук скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха – чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. При достаточном опыте можно оценивать температуру воздуха по звуку, который издает скрипящий снег. Скрип образуется из-за того, что при давлении разрушаются мельчайшие кристаллики снега. Причем каждый из них по отдельности очень мал, чтобы издавать звук, доступный уху человека, но вместе они ломаются довольно громко. Усиление морозов делает ледяные кристаллики более твердыми и хрупкими. При каждом шаге ледяные иглы ломаются. При температуре воздуха ниже -50°C скрип снега становится таким сильным, что его можно слышать через тройные стекла (этому способствует также большая плотность морозного воздуха).

7. Примерзание к поверхности.

Добавьте в кастрюлю со снегом поваренную соль в соотношении примерно 1 к 6. Тщательно размешайте смесь. Если теперь вы захотите переставить кастрюлю, то её придётся поднять вместе с табуретом.

Это также подтверждает поглощение тепла из окружающей среды.

При смешивании соли со снегом происходит образование раствора, сопровождающееся сильным охлаждением вследствие большого поглощения теплоты льдом при его плавлении и солью при ее растворении. Так, например, температура смеси из 29 грамм соли и 100 грамм льда понижается до – 21°С. А если взять 143 грамма соли и 100 грамм льда, то температура может быть понижена до – 55°С.

2.3 Предложения по проведению опытов

Опыты по изучению свойств воды целесообразно проводить на уроках в средней и начальной школе.

Для учеников средней школы возможно проведение опытов № 3, 6 и 7 на уроках под руководством учителя, а опыты № 4 и 5 – факультативно или самостоятельно в домашних условиях.

Заключение

Таким образом, исследование свойств воды необходимо для человечества.

Процесс кристаллизации воды можно изучать в домашних условиях, а также на уроках в средней и начальной школе.

В работе удалось решить следующие задачи:

1. Повести анализ основных свойств воды.
2. Изучить значение кристаллизации воды для флоры и фауны Земли.
3. Определить основные опыты для проведения исследования.
4. Провести опыты и описать основные результаты.
5. Подготовить предложения по проведению опытов на уроках в средней школе.

Значимость работы по систематизации основных свойств воды и значения кристаллизации воды для флоры и фауны Земли подтвердилась.

Плазмы, а также из аморфных веществ или кристаллов другой структуры. В процессе кристаллизации атомы, молекулы или ионы вещества выстраиваются в кристаллическую решётку. Кристаллизация является неравновесным фазовым переходом 1-го рода. Условия равновесия кристалла со средой (расплавом, паром, раствором и др.) определяются как фазовое равновесие агрегатных состояний вещества при фазовых переходах 1-го рода: равенство температуры, давления и химического потенциала. Необходимое условие роста кристалла - отклонение от равновесия, определяемое переохлаждением (отличием температуры от равновесной) и пересыщением (отличием давления или концентрации от равновесных значений). Термодинамическая движущая сила фазового перехода тем выше, чем больше отклонение от равновесия. Переход вещества в кристаллическую фазу сопровождается выделением скрытой теплоты кристаллизации, и при неполном отводе этой теплоты возможно уменьшение отклонения от равновесия и замедление процесса. Как фазовый переход 1-го рода кристаллизации сопровождается скачком удельного объёма по отношению к исходной фазе, и это может приводить к изменению давления в кристаллизующейся системе. Таким образом, кристаллизация - это сложный процесс тепломассопереноса, который управляется термодинамическими и кинетическими факторами. Многие из них трудно контролировать. Уровень чистоты, температура и концентрация компонентов в непосредственной близости к фазовой границе, перемешивание, теплообмен могут быть главными факторами, определяющими размер, число и форму возникающих кристаллов.

Центры кристаллизации . Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождение центров кристаллизации и рост кристаллов. Начальная стадия - зарождение центров кристаллизации - представляет собой образование кластеров с характерной для кристалла упорядоченностью. Но иногда их структура может отличаться от структуры устойчивого макроскопического кристалла. Образование таких кластеров в чистых жидкостях или газах происходит ниже температуры плавления массивного кристалла в результате случайных столкновений при тепловом движении атомов или молекул. При температурах ниже равновесной объединение частиц в кристаллический кластер термодинамически выгодно, но появление его новой поверхности требует затраты энергии, что является препятствующим фактором при зарождении центров кристаллизации. Чем меньше кластер, тем большая доля частиц составляет его поверхность. Поэтому при малых размерах большинство кластеров распадается вследствие флуктуаций колебательной энергии частиц. С ростом кластера доля поверхностной энергии уменьшается по отношению к объёмной энергии объединения частиц, что повышает устойчивость кластера. При заданном пересыщении существует критический размер, при превышении которого кластеры способны к дальнейшему росту и становятся центрами кристаллизации.

Численной характеристикой интенсивности зарождения центров кристаллизации является частота зародышеобразования (нуклеации) - число центров, возникающих в единицу времени в единице объёма среды. Существующая теория объясняет температурную зависимость частоты нуклеации и связывает её с параметрами среды, в которой идёт образование центров кристаллизации. Для жидкостей с малой вязкостью, например для большинства расплавленных металлов, теория предсказывает большие переохлаждения, при которых должно наблюдаться спонтанное зарождение центров кристаллизации. При дальнейшем увеличении переохлаждения частота нуклеации быстро возрастает, достигая максимума при температуре, приблизительно равной одной трети температуры равновесия кристалла с расплавом. Быстрый спад частоты зарождения центров кристаллизации при ещё более низких температурах обусловлен замедлением теплового движения и сильным возрастанием вязкости. Для более вязких жидкостей максимум частоты сдвинут в сторону более низких переохлаждений и сами значения частоты значительно ниже.

Поскольку многие параметры теории известны с недостаточной для расчётов точностью, важную роль играют экспериментальные данные. Приближение к идеальным условиям достигается использованием в опытах малых капель жидкостей диаметром от нескольких микрометров до нанометров. При спонтанном зарождении требуются большие отклонения от равновесия, а центры кристаллизации характеризуются критическим размером порядка одного нанометра. Например, для расплавов чистых металлов наблюдаемая в опытах температура спонтанного зарождения центров кристаллизации составляет 30-50% от температуры плавления. Многие силикатные расплавы при охлаждении вообще затвердевают без кристаллизации, образуя стёкла. Экспериментально показано, что в вязких жидкостях процесс зарождения центров кристаллизации нестационарен. Это означает, что характерная для заданного отклонения от равновесия частота зарождения центров кристаллизации появляется только по истечении времени запаздывания, которое может быть достаточно большим, сравнимым или даже превышающим время охлаждения образца. Металлические расплавы характеризуются значительно меньшей вязкостью, и подавление спонтанного зарождения центров кристаллизации для некоторых сплавов возможно лишь при очень быстром охлаждении (со скоростью свыше 10 6 К/с). Это лежит в основе технологии получения аморфных металлов. Стабильность аморфного состояния обеспечивается сильным замедлением обмена атомами между кристаллом и средой при низких температурах. Наблюдать кристаллизацию полученного таким образом аморфного состояния можно при нагревании, увеличивая интенсивность теплового движения, а выделяющаяся при этом скрытая теплота фазового перехода может существенно интенсифицировать процесс, дополнительно повышая температуру. Для некоторых веществ (германий, кремний, аморфный лёд) наблюдается взрывная кристаллизация аморфного состояния.

В загрязнённых средах центры кристаллизации возникают на посторонних кристаллических частицах при гораздо меньших отклонениях от равновесия. Частота зарождения центров кристаллизации в таких случаях зависит также от материала стенок сосуда, действия излучений. Зародышевые кристаллы на хорошо смачивающейся ориентирующей поверхности имеют приблизительно куполообразную форму, затратная доля поверхностной энергии у них меньше по сравнению с объёмным выигрышем при агрегировании частиц в такой кристаллик. Поэтому такое гетерогенное зарождение центров кристаллизации происходит при меньших переохлаждениях. Контролируемое гетерогенное зарождение центров кристаллизации используется, например, при эпитаксиальном получении монокристаллических плёнок. При выращивании на затравочном центре кристаллизации крупных совершенных монокристаллов, содержащих минимально возможное число дефектов, необходимо избегать появления спонтанных зародышей. Для этого используют небольшое отклонение от условий равновесия. В металлургии при получении кристаллических материалов стремятся получить максимальное число центров кристаллизации, для чего создают глубокое переохлаждение расплавов.

Механизмы роста кристаллов. В зависимости от того, какой является поверхность кристалла в атомном масштабе - гладкой или шероховатой, различают два механизма роста кристаллов: послойный и нормальный. Атомно-гладким поверхностям обычно отвечают наиболее развитые грани с простыми кристаллографическими индексами. Они содержат сравнительно небольшое число дефектов: вакансий и адсорбированных атомов. Края незавершённых атомных плоскостей образуют ступени (рис. 1), которые, в свою очередь, имеют небольшое число изломов. Элементарный акт роста кристалла состоит в присоединении новой частицы к излому и не меняет поверхностную энергию. Последовательное присоединение частиц к излому приводит к его движению вдоль ступени, а ступени по поверхности - такой рост называется послойным. Плотность ступеней при послойном росте зависит от механизма их генерации. Ступени могут возникать в результате образования и роста двумерных зародышей. Процесс образования двумерных зародышей, способных к дальнейшему росту на атомно-гладкой поверхности, имеет некоторую аналогию с образованием центров кристаллизации в жидкости. Двумерный зародыш также имеет критический размер, начиная с которого он способен к дальнейшему росту. При агрегировании двумерного зародыша препятствующим фактором его развития при малых размерах является затрата работы на линейную энергию его периметра. Но с ростом размера доля линейной энергии периметра становится всё меньше, и, начиная с некоторого критического размера, двумерный зародыш становится центром роста новой ступени. Частота образования двумерных зародышей очень мала при малых отклонениях от равновесия, соответственно мала и скорость роста, определяемая двумерным зародышеобразованием. Заметные скорости роста при таком механизме образования ступеней начинаются при ощутимом переохлаждении и очень сильно (экспоненциально) возрастают при его увеличении. Другой механизм генерации ступеней связан с винтовыми дислокациями. Если кристалл содержит винтовую дислокацию, то его рост происходит путём присоединения атомов к торцу ступени, оканчивающейся на дислокации (рис. 2, а). При росте на винтовой дислокации ступень приобретает спиральную форму (рис. 2, б), а заметная скорость роста увеличивается с переохлаждением по квадратичному закону и наблюдается уже при малых отклонениях от равновесия.

На атомно-шероховатых поверхностях (рис. 3) плотность изломов велика и присоединение новых частиц к кристаллу происходит практически в любой точке его поверхности. Такой рост называется нормальным. Его скорость линейно увеличивается с переохлаждением. Теория роста кристалла связывает плотность упаковки поверхности кристалла с энергией связи между частицами поверхности кристалла и теплотой кристаллизации. Считается, что если энергия связи достаточно велика, все плотноупакованные грани - гладкие. Это характерно для кристаллов, растущих из пара. Теплота кристаллизации расплавов, как правило, значительно ниже, чем теплота кристаллизации из пара, поэтому и энергия связи частиц в кристалле по сравнению с расплавом меньше, чем по сравнению с паром. В связи с этим поверхность кристалла, растущего из расплава, обычно шероховатая, что определяет нормальный рост и формирование округлённых граней. Переход от шероховатости к огранению возможен при изменении концентрации в двухкомпонентных системах при росте кристалла из раствора. В кристаллах германия и кремния, растущих из расплава, можно наблюдать сосуществование плоских и округлённых граней.

Формы роста кристаллов определяются анизотропией их свойств и условиями тепломассопереноса в процессе кристаллизации. Кристаллы с шероховатыми поверхностями имеют обычно округлую форму. При выращивании таких кристаллов из-за большой скорости поверхностных процессов переохлаждение на границе с расплавом мало и растущая поверхность повторяет форму изотермы температурного поля в системе при температуре равновесия. Атомно-гладкие поверхности проявляются в виде граней. Равновесная форма кристаллического многогранника такова, что расстояние от центра до каждой грани пропорционально величине её поверхностной энергии. Равновесная форма является и стационарной формой роста, но в реальном процессе роста она может быть сильно искажена из-за неустойчивости поверхности роста при конечном (а не бесконечно малом) переохлаждении, влиянии примесей.

Если расплав сильно переохлаждён и температура в расплаве убывает по мере удаления от фронта роста, то рост неустойчив: случайно возникший на поверхности кристалла выступ попадает в область большего переохлаждения, и скорость его роста увеличивается. Такая неустойчивость для плоского фронта кристаллизации ведёт к образованию полосчатой или ячеистой структуры кристалла (рис. 4). При росте маленького кристалла эта неустойчивость проявляется, начиная с некоторого размера кристалла. На нём развиваются выступы, и он приобретает скелетную или дендритную форму, которая характеризуется появлением вторичных ветвей после достижения первичным выступом критической длины (рис. 5). Рост больших огранённых кристаллов из неподвижного раствора может быть также неустойчив. Пересыщение в этом случае выше у вершин и рёбер кристалла и меньше в центральных частях грани. Поэтому вершины становятся ведущими источниками роста слоёв. При большой разности пересыщений на вершинах и в центрах граней вершины обгоняют центры граней, и возникает скелетная форма кристалла (рис. 6). При заданной температуре в двухкомпонентной системе равновесие может существовать при разных составах кристалла и расплава. При росте кристалла один из компонентов скапливается перед фронтом, вызывая концентрационное переохлаждение, и это часто приводит к неустойчивости фронта роста.

Разные грани кристалла при росте захватывают разные количества примесей, содержащихся в среде. Так возникает его секториальное строение. Если кристалл плохо захватывает примесь, происходит её накопление перед фронтом роста. Периодический захват этого пограничного слоя растущим кристаллом приводит к формированию зонарной структуры (рис. 7). Захват примесей приводит к изменению параметров кристаллической решётки, и на границах областей разного состава возникают внутренние напряжения, что приводит к образованию дислокаций и трещин. Дислокации возникают в результате релаксации упругих напряжений в неравномерно нагретом кристалле или могут переходить из затравки в выращиваемый кристалл.

Массовая кристаллизация - одновременный рост множества кристаллов, широко используемый в промышленности. Свойства слитков и отливок при кристаллизации металлургических расплавов в сильной степени зависят от количества центров кристаллизации и условий их роста. При затвердевании отливок металлов центры кристаллизации появляются вначале на охлаждаемых стенках изложницы, куда заливают расплавленный металл. Из хаотически ориентированных кристаллов выживают те, которые растут перпендикулярно стенке. Они формируют столбчатую зону вблизи стенки. Конвекционные потоки в расплаве могут обламывать ветви дендритов, поставляя в расплав вторичные центры кристаллизации. Массовая кристаллизация в растворах начинается на гетерогенных центрах кристаллизации или на специально введённых затравочных кристаллах. Столкновения этих кристалликов между собой и со стенками сосуда в перемешиваемом растворе дают начало вторичным центрам кристаллизации. Для создания дополнительных центров кристаллизации используют УЗ-дробление растущих кристаллов или добавки поверхностно-активных веществ. Массовая кристаллизация используется также для очистки веществ от примесей.

Применение кристаллизации. В природе кристаллизация приводит к образованию минералов, льда, играет важную роль во многих биологических процессах. Кристаллизация происходит также при некоторых химических реакциях, в процессе электролиза. Она лежит в основе многих технологических процессов: в металлургии, при получении материалов для электроники, оптики. Путём кристаллизации получают массивные монокристаллы и тонкие плёнки. Кристаллизация широко используется в химической, пищевой, медицинской промышленности: в технологии очистки веществ, при производстве соли, сахара, лекарств.

Лит.: Шубников А. В. Образование кристаллов. М.; Л., 1947; Леммлейн Г. Г. Морфология и генезис кристаллов. М., 1973; Лодиз Р. А., Паркер Р. Л. Рост монокристаллов. М., 1974; Проблемы современной кристаллографии. М., 1975; Современная кристаллография. М., 1980. Т. 3; Чернов А. А. Физика кристаллизации. М., 1983; Гегузин Я. Е., Кагановский Ю. С. Диффузионные процессы на поверхности кристалла. М., 1984; Скрипов В. П., Коверда В. П. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей. М., 1984; Проблемы кристаллографии. М., 1987; Чупрунов Е. В., Хохлов А. Ф., Фаддеев М. А. Кристаллография. М., 2000.