Кристаллизация вокруг частиц

[SomePupil]

Заинтересовал такой вопрос: во многих авторитетных учебниках пишут, что кристаллизация вещества происходит только при наличии внутри него "центров кристаллизации", т. е. частиц чужеродного вещества. Вокруг них начинают образовываться сгустки - будущие кристаллы.

Как объяснить такой феномен?

У меня есть одни только смутные догадки: с понижением температуры начинает возрастать роль потенциальной энергии, так как кинетическая энергия уменьшается. Значит, многое становится зависимым от взаимного расположения атомов. Возможно, минимум потенциальной энергии достигается при перекрывании электронных слоев исходного вещества именно с другим веществом, атомы которого имеют другое строение, другую электронную конфигурацию.

Появляется ряд вопросов: почему это так? Подходит ли любое вещество в качестве чужеродного? Возможна ли кристаллизация вокруг собственных атомов вещества? (В запредельно чистых условиях). Связано ли со всем этим явление переохлаждения веществ?

[SomePupil]

Немного разобрался, хотя все еще жду высказываний специалистов.
Кристаллизация происходит около поверхностей твердых тел. Первоначально я думал, что она происходит вокруг отдельных атомов, а оказывается, она происходит близко от тысяч, если не миллионов атомов чужеродного вещества. Это круто меняет суть дела.

Видимо, в указанных поверхностях есть много-много энергетически выгодных впячиваний, которые заполняются молекулами будущего кристалла, точно так же, как форма для литья заполняется жидким металлом. Заполняя эти впячивания, близкие молекулы образуют новые впячивания, и процесс продолжается.

При такой трактовке появляются два вопроса: почему кристаллизация не происходит постоянно? И почему кристаллизация происходит только при внезапном охлаждении?

Мне кажется, что кристаллизация все же происходит постоянно, просто она не видна при определённой температуре - движение молекул противодействует.

Что же касается переохлаждения, то я объясняю это так: в таких особых условиях есть как очень быстрые молекулы, так и очень медленные. Быстрые врезаются в толщу медленных молекул, преодолевая потенциальный барьер и достигая минимума энергии (впячивания), заодно и замедляясь. При медленном охлаждении такое маловероятно, так как замедление происходит равномерно.

Отсюда следуют странные выводы: внутри жидкой воды есть микрокусочки льда
Газы кристаллизуются быстрее жидкостей при наличии поблизости холодного твердого тела

Что-то смутно подсказывает мне, что этот вопрос тесно связан с химкатализом.

P. S. Вообще-то, я задал этот вопрос, потому что в задачнике моего учителя была задача о воде, тепло из которой выкачивают неким насосом. В решении было сказано, что образуется лед. Ну вот, я и подумал, а вдруг подобная задача встретится в регионалке или, что еще страшнее, во Всеросе, или, вообще ужас, - в Международной? А я вдруг ни бум-бум. Обидно будет.

[Alex-Yu]

SomePupil в сообщении #1077639 писал(а):

Как объяснить такой феномен?

Почитайте главу XII в десятом томе Ландау-Лифшица. Здессь довольно редкий случай в теорфизике, когда основные идеи можно понять не углубляясь в математику.

В двух словах дело в конкуренции поверхностной энергии и объемной. При уменьшении размера кристаллика поверхность уменьшается медленней чем объем. Поэтому образование очень маленького кристаллика энергетически не выгодно. А большой кристаллик "разом" образоваться не может (точнее вероятность такого экспоненциально мала).

Инородная поверхность уменьшает поверхностную энергию образующегося кристаллика, поэтому кристаллизация облегчается.

-- Вс ноя 29, 2015 14:55:17 --

SomePupil в сообщении #1077639 писал(а):

Связано ли со всем этим явление переохлаждения веществ?

Естественно связано.