Как процесс замораживания воды удаляет соль?

@MartinBeckett уже дал отличный ответ: соль исключена из льда, потому что «... нет возможности включить ионы ... в растущий узор [льда]».

Этот необычно длинный ответ - на самом деле мини-учебник - является расширением его ответа. Я добавил длинный справочный раздел, в котором используются неформальные, легко визуализируемые аналогии для определения ряда связанных понятий, но эта часть по-прежнему предназначена как прямой ответ на заданный вопрос. Дополнительный справочный материал, надеюсь, сделает ответ более запоминающимся, а также позволит мне рассмотреть некоторые более тонкие аспекты различий между периодичностью и случайностью.

Танец молекул

Случайный танец текстовых сообщений

Представьте, если бы вы могли увидеть толпу людей на какой-нибудь городской площади, которые быстро ходят и постоянно пишут сообщения или чирикают. (Любое сходство этого с реальной жизнью чисто случайно.) Все они настолько увлечены тем, что печатают, что по большей части находятся в блаженном неведении о существовании друг друга, за исключением тех случаев, когда они иногда безобидно натыкаются друг на друга.

Давайте назовем эту ситуацию случайным танцем текстовых сообщений , поскольку все эти движения делают ее немного похожей на танец, но без определенного шаблона.

Далее, давайте предположим, что сейчас Китайский Новый год, и что для празднования этого события город предоставил несколько Танцоров драконов — около дюжины человек в длинном костюме китайского дракона — а также несколько очень хорошо обученных Китайские слоны, обученные уступать даже сильно отвлеченным текстовым людям. (В этом городе отмечают китайский Новый год!)

Теперь вот простой вопрос: что произойдет, когда эти большие и странной формы участники войдут прямо в середину танца случайных текстовых сообщений?

Что ж, поскольку все находятся в движении и имеют место для навигации, простой ответ заключается в том, что и Драконы, и Слоны разместятся без особых проблем. Текстовые сообщения уходят со своего пути и позволяют им стать частью общего танца случайных текстовых сообщений.

Только что описанную ситуацию в простейшей возможной форме можно представить и в молекулярном плане. Случайный танец текстовиков играет роль растворителя, в то время как два крупных участника являются примерами более крупных молекул, которые могут проскользнуть в толпу и стать частью общего танца, пусть и в несколько более медленном темпе.

Случайный кадриль

Теперь давайте посмотрим на вторую версию той же толпы, которую я назову случайной кадрилью. В этой старомодной толпе никто не пишет. На самом деле, по правилам этой толпы никому не позволено даже двигаться вперед, если они не могут найти и схватить руку другого танцора, хотя бы на несколько мгновений. Найдя такую ​​руку помощи, оба танцора могут двигаться и менять положение в толпе. Эта часть похожа на настоящую кадриль, но, в отличие от настоящей кадриль, в общем движении толпы нет закономерности.

В некотором смысле, случайный танец текстовых сообщений и случайный кадриль не так уж сильно отличаются. В обоих случаях отдельные танцоры могут перемещаться в толпе довольно случайным образом. Видео их движений, вероятно, покажет довольно похожие результаты, возможно, с большим количеством поворотов и поворотов в случайном кадриль.

Некоторые танцы - настоящий газ

Однако, если вы внимательно посмотрите на эти два случая, вы обнаружите кое-что немного удивительное: случайный танец текстовых сообщений ведет себя во многом как газ , в то время как случайный кадриль намного больше похож на жидкость . Чтобы увидеть эту разницу, вам нужно только посмотреть, что происходит, когда два танца сталкиваются с большим пустым пространством.

В танце случайных текстовых сообщений никто не связан ни с кем другим. Это означает, что каждый раз, когда один из танцоров сталкивается с краем пустого пространства, он или она просто беспорядочно уплывает в него. Это довольно близко эквивалентно газу, расширяющемуся в открытый контейнер.

В случайных кадрилах происходит что-то совершенно другое. Эти танцоры могут двигаться только тогда, когда есть руки, за которые они могут схватиться, а в большом пустом пространстве рук нет!

Результатом этого отсутствия пути вперед является четко определенная граница, за которой танцоры не могут двигаться дальше. Танцоры на этой границе даже несколько сильнее притянуты к толпе, так как у них есть руки, тянущие их внутрь , но не вытягивающие наружу . Это отличается от интерьера, где руки одинаково тянут во всех направлениях. Притяжение на границе также имеет тенденцию сглаживать любые неровности, поскольку любой человек, торчащий далеко, будет притянут только назад к толпе, без каких-либо отменяющих притяжений с любого другого направления.

Сложите все это вместе, и вы получите в точности то, что происходит на поверхности настоящей жидкости: молекулы должны «взяться за руки» с другими молекулами, чтобы двигаться вперед, поэтому в конечном итоге они образуют плоскую, плотную и эластичную (выпуклости). и ямочки сглаживаются) граница. Если вы осознаете, что связи остаются связями независимо от масштаба, физика случайной кадрильной толпы на самом деле ничем не отличается от физики молекул в жидкости. Наличие такой границы является буквальным определением разницы между газом и жидкостью, и именно поэтому случайная толпа текстовых сообщений квалифицируется не как жидкость, а как газ.

Вероятность осадков

Теперь важно отметить, что вы можете растворять вещества в газах так же, как и в жидкостях, и ситуации во многом схожи. Однако при этом терминология немного меняется. Например, вода, растворенная в воздухе, называется «водяной пар», а не «воздушный раствор воды». Количество воды, растворенной в воздухе, называется «влажностью» воздуха, а высокая влажность просто означает, что в нем растворено больше воды. И точно так же, как жидкая вода может удерживать столько соли только до того, как соль начнет выпадать в осадок в виде кристаллов, воздух может удерживать столько воды только до того, как вода начнет выпадать из него в осадок, ну... осадки. (Есть много, многодетали, которые я упускаю в последнем. На самом деле осадки — это очень сложное явление, многие компоненты которого до сих пор недостаточно изучены.)

Время для мэшапа

Проблема с простыми моделями в том, что они обычно оказываются слишком... ну... простыми .

Например, я говорил о случайных текстовых сообщениях и случайных кадрилах, если бы каждый из них был отдельным и уникальным случаем. Как и в случае с реальными людьми, настоящими текстовыми сообщениями и настоящими танцорами, физический мир редко бывает таким простым. Итак, что, если для улыбки мы немного отступим от этого строгого правила «только руки» в случайных кадрильях и вместо этого позволим вашим танцорам смешивать немного случайных танцев с текстовыми сообщениями? Например, им может быть разрешено отправлять очень быстрые твиты, пока они путешествуют между руками других танцоров.

Что это делает, так это создает своего рода спектр поведения, который может варьироваться между двумя крайностями случайного текстового сообщения и случайного кадриль. Если когда-либо разрешены только очень короткие эпизоды твитов, модель очень похожа на случайные кадрили, так что у вас есть жидкость. Если необходимость хвататься за руки перед движением в основном устранена, танцоры в конечном итоге будут иногда пожимать друг другу руки, когда проходят мимо, но по большей части они будут демонстрировать поведение, заполняющее объем, наблюдаемое в танце случайных текстовых сообщений. Между этими двумя крайностями находятся гораздо более интересные и любопытные ситуации, которые приближаются к тому, что мы наблюдаем в реальных жидкостях и реальных газах.

Большой побег

Например, если в какой-то степени текстовые сообщения разрешены, что происходит на границе между случайной кадрилью и какой-то большой открытой площадкой?

Ну, по большей части вы все равно получите образование границы или поверхности, где всех отталкивает необходимость держаться за руки во время движения. Тем не менее, иногда один из самых быстро движущихся участников танца решает твитнуть, находясь прямо на краю поверхности, и, поскольку они движутся быстро, они будут на открытом воздухе, прежде чем они смогут найти новую руку, чтобы держаться. .

Они сбежали! Несмотря на то, что толпа остается текучей, короткие твиты позволяют некоторым членам толпы освободиться и вести себя как газ.

Это более известно как испарение . Для молекул, как и для людей, это событие с большей вероятностью произойдет с теми, кто движется быстрее и поэтому способен лучше осознавать, прежде чем связи смогут потянуть их назад. Заметьте также, что средняя скорость толпы снизится, если вы таким образом потеряете много более быстрых участников. Это называется испарительным охлаждением, и вам нужно только встать перед вентилятором после того, как неожиданный ливень застанет вас на улице, чтобы почувствовать воздействие молекулярной версии этого великого побега.

Правша Тайти, Левша Луси

Теперь пришло время ввести еще одно усложнение: что, если вы добавите правило, согласно которому танцоры могут брать только левую руку за правую? Назовем левую руку «+», а правую руку «-» для краткости. (А почему не наоборот? Ну, будучи правшой, я заметил, что с годами я заметил, что левши, кажется, получают ужасное пренебрежение в языке, литературе, производстве и различных других тонких и не очень -тонкие способы. Так что, я просто думаю, что они заслуживают "+" для "левого" для разнообразия.)

В электрических устройствах назначение$+$и$-$называется полярностью устройства, поэтому не так уж сложно назвать танцоров с конкретными ролями для их$+$слева и$-$правые руки полярных танцоров ... по крайней мере, до тех пор, пока вы понимаете, что это не имеет ничего общего с тем, как холодно на улице!

Заранее должен отметить, что эти случайные полярные танцоры имеют много общего с водой, самым распространенным из всех растворителей. Вот почему я беспокоюсь об этих странных осложнениях. Молекулы воды на самом деле близки к идеальным молекулярным полярным танцорам, поскольку их трудно сломать и они имеют довольно сильную разницу в реальном электрическом заряде между двумя атомами водорода ($+$) и атом кислорода ($-$). Тот факт, что у них есть два атома водорода — примерно эквивалентно дополнительной левой руке — также позволяет молекулам воды лучше «взаимодействовать» друг с другом во время танца. Вы можете немного смотреть на партнера по танцу с тремя руками, но эти дополнительные руки делают танец более плотным!

Красные штаты и синие штаты?

С этой новой и более подробной моделью растворителя пришло время вернуться к моему первоначальному примеру «растворения» Слонов и Драконов в случайно движущейся толпе людей.

Первоначально я растворил Слонов и Драконов в том, что представляло собой простой неполярный газ, представленный случайной толпой текстовых сообщений. Так что же произойдет, если вы попытаетесь растворить тех же Слонов и Драконов в толпе случайных полярных танцоров с их более сложными правилами смешения?

Сначала важно прояснить два момента. Во-первых, у слонов нет рук. Во-вторых, поскольку драконы на самом деле представляют собой группу людей, держащих костюм, у них много-много рук. Мы собираемся предположить, что их особые костюмы драконов позволяют им в полной мере использовать эти руки, и что их руки следуют тому же принципу.$+$слева и$-$правила как полярные танцоры. Так что же происходит в обоих случаях?

Первое резкое отличие в том, что слоны теперь активно отталкиваются от толпы! Поскольку у слонов нет рук, которыми они могли бы привязаться к участникам случайного полярного танца, танцующая толпа реагирует на них так же, как на открытое пространство: они образуют поверхность, на которой они держатся за руки друг с другом, но не со слоном. .. которого нет. В результате полярные танцоры в конечном итоге отталкиваются от слонов и пытаются удержать их от танца. (Некоторые советы, если вы когда-нибудь окажетесь в такой ситуации в реальной жизни: не толкайте слона.)

Ситуация, которую я только что описал, удивительно похожа на то, что произойдет, если вы капнете масло в воду. Молекула нефти не имеет «полярных рук», что для ареальной молекулы означает отсутствие излишков молекулярного масштаба.$+$и$-$электрический заряд на разных участках его поверхности. Это, в свою очередь, означает, что у него нет простых ручек, за которые могли бы ухватиться танцующие молекулы воды. Таким образом, высокополярные молекулы воды соединяются друг с другом и противостоят проникновению «слоновьих» молекул масла. Дело не в том, что вы не можете загнать слона в толпу или молекулу масла в воду. Просто молекула масла никогда не будет принята очень хорошо, и поэтому всегда будет подвергаться силам поверхностного натяжения молекулярного масштаба, которые будут постоянно пытаться вытолкнуть ее обратно к другим молекулам масла или любой близлежащей поверхности.

Горох и морковь

Итак, что насчет другого случая с Драконом? Что происходит с Драконами в случайных полярных танцах?

Прям противоположность Слона! Дракона легко приглашают в танец, так как многочисленные человеческие руки под костюмом делают его похожим на расширенную цепочечную версию молекулы воды.

Вы можете увидеть этот эффект всякий раз, когда растворяете сахар в воде. По иронии судьбы, сахар внутренне похож на масло, поскольку оба они обычно имеют большие цепочки атомов углерода в качестве скелетов. Однако в случае сахара каждый углерод «украшен» двумя частями молекулы воды. Одна часть представляет собой атом водорода, а другая — кислородно-водородный фрагмент (называемый гидроксильным радикалом). Это сходство с водой объясняет, почему сахар называют «углеводным» (углеродным остовом) «гидратом» (украшенным водой, например, «полностью гидратированный»).

Энни, возьми свою кошку

Все это хорошо, но как насчет соли? Разве первоначальный вопрос не был о соли, а не о масле или сахаре? Да, и для этого требуется пара новых персонажей, чтобы передать случайный полярный танец. Нужно вот что: Однорукие роботы!

Каждый из этих одноруких роботов имеет только $+$левая рука или$-$правая рука. Поскольку они производятся небольшой компанией Ion Technologies, мы для краткости будем называть этих роботов просто «ионами». Кстати, у компании есть чувство юмора, поэтому она размещает на своих страницах фотографии корпоративного кота (по кличке Кот).$+$роботы-левши и фотографии их основательницы Энни на$-$праворукие роботы. Это привело к тому, что левшей стали называть «кошачьими ионами» (или сокращенно «катионами»), а правшей — «энни-ионами» (или сокращенно «анионами»). Итак, если я говорю катион , я просто имею в виду$+$или робот-левша, и если я говорю анион , я просто имею в виду$-$или робот-правша.

Расставаться тяжело... иногда

Итак, если случайная толпа полярного танца натолкнется на эскадрилью из равного количества катионов и анионов, что произойдет? Разрешат ли им присоединиться к танцу, как это было с Драконом?

Конечно! По крайней мере, в большинстве случаев, т.е.

Первая проблема заключается в том, что если у вас есть много катионов и анионов вместе, они неизбежно сцепятся друг с другом, и, вероятно, крепко. Однако, поскольку полярные танцоры сами обладают сильной полярностью и двигаются довольно быстро, у них может быть достаточно силы притяжения и энергии, чтобы разорвать даже довольно тесные связи между катионами и анионами. Как только это произойдет, катионы и анионы могут быть втянуты в тот же дикий танец, что и полярные танцоры, и в целом все прекрасно проведут время.

Эта ситуация, конечно, аналогична растворению соли в воде. И не просто та соль, которую мы кладем на стол, а «соль» в более широком смысле — любое соединение, состоящее из небольших положительно заряженных (обычно металлических) и отрицательно заряженных компонентов, или ионов. Одна из причин, по которой вода является таким отличным растворителем, заключается в том, что ее высокополярные молекулы могут расщепить почти любую соль или ионное твердое вещество на отдельные ионы, которые затем могут объединиться в своем танце.

это холодно

И, наконец, пора вернуться к исходному вопросу: почему при достаточном охлаждении раствора соли (или других веществ) в воде (или других растворителях) соль начинает выделяться? И почему вода образует кристаллы, которые при достаточно медленном охлаждении содержат мало или совсем не содержат соли? Или, выражаясь более неформально, почему бывшая тесная дружба между водой и солью также резко остывает при понижении температуры?

Ответ сводится к следующему: случайные танцоры не всегда случайны. То есть, если они начнут двигаться все медленнее и все осторожнее — массовый эквивалент сбивания температуры, — вы рано или поздно дойдете до того, что хорошее рукопожатие будет доминировать над хорошим танцем, и танцорам уже будет мало. энергии, чтобы разорвать это рукопожатие.

Причина этого заключается в том, что когда случайное движение уходит, геометрия берет верх. В этом случае геометрия диктует, что при достаточно низких температурах повторение и монотонность всегда побеждают случайность и разнообразие. Холод любит упрощать.

Чтобы объяснить, почему это так, необходимо объяснить, почему в первую очередь образуются кристаллы. В случае двуруких полярных танцоров проще всего изготовить кристалл в виде длинной цепочки. Однако, поскольку цепи не очень хороши в толкании, а цель здесь — показать, как кристаллы могут толкать предметы, я сделаю еще одно дополнение к правилам полярных танцоров.

Правило таково: у всех танцоров на спине большие листы липучек. Итак, когда все становится медленным и холодным, первое, что происходит с танцорами, это то, что они начинают прилипать друг к другу парами спина к спине. Результатом являются пары танцоров с чередованием$+$и$-$руки торчат, как четыре направления на карте. Я должен подчеркнуть, что это не то, что происходит с водой, хотя вы можете построить соединения, которые ведут себя подобным образом. Моя цель здесь — просто представить версию полярных танцоров, которым нравится занимать много места на танцполе, когда они собираются вместе.

Итак, первый шаг — это формирование танцевальных пар в четыре руки. Затем, по мере того, как температура падает еще больше и танцоры, слипшиеся вместе, становятся еще более вялыми, пары начинают держаться за руки с соседними парами на все более и более продолжительные периоды времени. Ситуация, наконец, достигает точки, когда, если одна пара схватит руку другой пары, связь, вероятно, действительно продлится очень долго. Это именно то, что происходит с молекулами во многих более отдаленных частях нашего мира (или Вселенной), где господствует холод и вряд ли изменится в ближайшее время.

Королевская геометрия

Теперь, если вы представите эти четырехрукие пары, соединяющиеся друг с другом, важно заметить, что, поскольку они состоят из танцоров одинакового размера, расстояния между их оставшимися руками становятся одновременно точными и повторяющимися. Например, если у вас есть две длинные цепочки восток-запад этих пар танцоров, то все их руки, обращенные к северу и югу, будут точно выровнены и расположены на идеальном расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить сильный захват. Это сильно отличается от того, что происходит, если интервалы являются переменными или случайными, поскольку в этом случае становится понятно, совпадут ли пары рук в двух параллельных цепочках или нет.

Это означает, что повторение из-за идентичной геометрии имеет значительно большую мощность при низких температурах, чем можно было бы ожидать. Случайные пространственные цепи, например, будут очень слабо связаны, если вообще будут связаны. Напротив, повторение идентичных единиц увеличивает общую силу связи между двумя цепями, так что каждая единица добавляет еще одну «причину» для соединения цепей вместе. Это умножение означает, что подобная геометрия, таким образом, начинает проявлять доминирующий эффект, когда температура уже не достаточно высока, чтобы части двигались случайным образом.

Теперь, имея в виду силу повторения, что произойдет, если такие объекты, как Драконы или Ионы, имеют правильные связи, но не правильные формы или расстояния между своими связями?

Просто: нестандартные юниты начинают вытесняться. То есть, когда при понижении температуры начинает преобладать более прочная связь за счет повторения, разделение по типам начинает становиться универсальным правилом для достижения наилучшей возможной связи. Вот почему, если делать это достаточно осторожно и достаточно медленно, можно кристаллизовать почти любую существующую однородную молекулу, даже огромные, громоздкие белки. (Рентгеновские кристаллографы часто тратят гораздо больше времени на изготовление таких сложных кристаллов, чем на их рентгеновские снимки, когда они у них есть!)

Все падают

Теперь, если вы немного подумаете об этом, правило повторения поможет объяснить, почему молекулы воды склонны исключать другие молекулы, и почему кристаллы соли начинают формироваться еще до того, как формируются кристаллы льда.

В обоих случаях улучшение общей связи за счет длительного повторения одинаковых единиц начинает выглядеть более привлекательно, чем ослабляющая сила случайного танца. Катионам и анионам соли, например, начинает надоедать все более медленный темп полярного танца, и они больше не находят его нежные движения достаточно сильными, чтобы удерживать их от более сильного притяжения их собственных прямых рукопожатий. Когда они касаются существующего кристалла катионов и анионов, притяжение этого кристалла теперь преодолевает более слабые удары и движения полярного танца, и они решают выйти из игры. Кристалл растет еще до того, как начинается лед. Некоторые кристаллы могут добавить немного разнообразия, объединяя разные типы молекул в единый кристалл, но даже в этом случае будет повторяться то, как разные молекулы чередуются и повторяются внутри кристалла.

И вскоре, когда похолодание идет еще дальше, сами танцоры устают и готовы к отдыху. Повторение снова правит, и, подобно анионам и катионам, полярные танцоры начинают искать скучные, но мощные модели повторения, которые позволяют им прочно и сильно привязываться к окружающим. Формируются окончательные кристаллы, и начинается период покоя. Этот отдых может варьироваться от очень короткого до действительно очень длительного.

И в завершение, что-то действительно крутое

Но я не могу закончить произведение на такой ноте! В то время как Вселенная в целом стремится либо к очень горячей и случайной (например, центр звезды), либо к очень холодной и регулярной (например, к холодным облакам межзвездного пространства), существует очень небольшое количество мест, где молекула может быстро переключается между этими крайностями, снова и снова испытывает как случайные танцы, так и простоту холода. Одним из примеров такой очень особенной и замечательной области вселенных является то, что мы называем «поверхностью Земли». Там, в этой уникальной среде, молекула может в быстрой последовательности испытать замерзание воды или течение жидкости. Молекулы текущей воды могут сами вступить в возвышенный танец растворения в воздухе,

И очень немногие из этих молекул иногда обнаруживают, что входят в системы, в которых как случайность теплового танца, так и холодное господство регулярности, кажется, перевернуты с ног на голову. Для этих немногих молекул привычные правила простоты каким-то образом заменяются четко очерченной сложностью и созданием новых молекул, великолепных как по масштабу, так и по специфичности своих функций. Здесь тоже происходит случайный танец, но таким образом, который контролируется и настраивается для достижения поразительно конкретных и невероятно маловероятных результатов. Это отпуск мечты для любой молекулы, шанс стать частью мира, который, кажется, бросает вызов всему. Этот пункт назначения, конечно же, вы, я и любой другой живой организм вокруг нас. Жизнь — это высшая жемчужина в окружении всей вселенной.

Проще говоря, в кристаллической решетке льда нет места для дополнительных атомов, и нет возможности включить ни один из ионов (или всю молекулу соли) в растущую структуру.

Таким образом, все больше и больше воды присоединяется к замерзшей массе, оставляя все более и более концентрированный рассол, пока практически вся вода не замерзнет, ​​а соль не останется. Как отмечает Манишерт в комментариях, для этого требуется, чтобы вещи были более холодными, чем обычная «точка замерзания» воды.