Метастабильные состояния ⚗️
Все мы знаем, что вода встречается в трёх привычных нам агрегатных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Но сегодня я хочу поделиться чем-то более экзотичным — рассказать вам о метастабильных состояниях🌊
Химические и физические системы в природе встречаются в нескольких типах состояний: стабильное, нестабильное и метастабильное. Каждая система из нестабильного состояния непременно стремится перейти в стабильное. В стабильном состоянии она может находиться сколь угодно долго🕰
Метастабильное состояние — это «псевдоустойчивое» равновесие, устойчивость которого нарушается при появлении внешнего воздействия⏳
Представьте себе сани, которые катятся с горки🛷 На её вершине у самого спуска сани находятся в нестабильном состоянии — они непременно начинают съезжать вниз. Но если посреди горки есть небольшое плато, скорее всего, сани остановятся на нём. Эту точку можно ассоциировать с метастабильным состоянием. Если подтолкнуть сани, они поедут дальше вниз по склону, пока не спустятся до конца и не остановятся, достигнув стабильного состояния🗻
А теперь к химии. Будем проводить мысленные эксперименты. Возьмём сосуд с водой и будем его нагревать. Мы знаем, что при атмосферном давлении вода закипает при 100℃ и немедленно превращается в пар. Но далеко не всегда бывает так. Из-за трудности фазового перехода — превращения жидкости в пар — мы можем получить перегретую жидкость, то есть такую, которая нагрета выше температуры кипения. В лабораторных условиях можно получать жидкую воду, нагретую до 200℃. Как только вода в этом метастабильном состоянии сталкивается с внешним возмущением, она немедленно и взрывообразно закипает. Перегретую жидкость можно получить, нагревая воду в микроволновой печи. Это становится частой причиной ожогов: вода кажется некипящей, но после легкого толчка мгновенно вскипает💨
Теперь представим себе большой сосуд с поршнем, под которым находится водяной пар (вода в газообразном состоянии). Интуитивно понятно, что при высоком давлении, то есть при опускании поршня, газ будет сжиматься и превращаться в жидкость. Но если в сосуде отсутствуют посторонние частицы — центры конденсации — образование новой фазы будет затруднено, и мы не будем наблюдать капель воды💧 Полученный пар называется пересыщенным. Его еще называют переохлажденным, потому что в другом способе его получают путем охлаждения❄️
Пересыщенный пар применяют в камере Вильсона — устройстве для наблюдения траектории заряженных частиц. Когда в камеру, заполненную пересыщенным паром, влетает заряженная частица, она сталкивается с молекулами газа и вызывает их ионизацию. Полученные ионы становятся центрами конденсации — вдоль пути полёта частицы образуются мельчайшие капельки жидкости, которые фиксируются прибором. Мы наблюдаем траекторию её движения🌠
Если мы возьмём кристально-чистую воду, поместим её в не менее чистый сосуд и охладим до температуры ниже 0℃, то можем получить другое метастабильное состояние — переохлаждённую жидкость🌡. Казалось бы, при отрицательной температуре вода превращается в лёд, но в нашем случае отсутствуют центры кристаллизации, и данный переход затруднен. Экспериментально установлено, что воду можно переохладить до −48℃. Очередные фокусы: как только мы потревожим нашу переохлаждённую жидкость, просто взболтнув её или бросив песчинку, она мгновенно начнёт замерзать и превращаться в лёд🥶
С переохлаждённой водой проводят эффектные эксперименты — струя жидкой воды превращается в лёд пока вытекает из бутылки💦