Table Of ContentКнига 7.
Замораживание жидкостей.
Снежинки.
Краевой Сергей Александрович
Колтовой Николай Алексеевич
Москва
2014
1
Сведения об авторах:
Краевой Сергей Александрович, д.м.н. заместитель министра здравоохранения РФ.
Окончил Военно-медицинскую Ордена Ленина Краснознаменную Академию им. С.М. Кирова.
Дополнительное образование:
повышение квалификации – МВА. «Каскадное обучение системе менеджмента качества и
лидерства. Уровень «Руководитель качества».
Российская Академия Государственной службы при Президенте Российской Федерации
«Социально-экономическая политика государства и пути ее реализации в здравоохранении».
Российская Академия путей сообщения ФГБ ОУ ВПО МИИТ «Охрана труда на предприятиях
железнодорожного транспорта»
Дипломатическая академия Министерства Иностранных Дел Российской Федерации «Деловой
протокол и этикет».
Институт усовершенствования врачей ФГУ «Национальный медико-хирургический центр им.
Н.И. Пирогова Минздравсоцразвития России «Организация здравоохранения и общественное
здоровье».
«НМХЦ им. Н.И. Пирогова» Минздрава России программа «Организация здравоохранения и
общественное здоровье»
Колтовой Николай Алексеевич (Москва) – окончил МФТИ с отличием, кандидат физико-
математических наук. Много лет проработал в представительстве фирмы Zeiss в Москве,
председатель “Image Processing Club”. Специализация – оптика, микроскопия, системы анализа
изображений, исследование биожидкостей, спектральные методы исследования в медицине,
спектральные методы ранней диагностики рака, кристаллизация биожидкостей.
[email protected]
2
С.Краевой, Н.Колтовой
Книга 7. Замораживание жидкостей.
Аннотация.
Описываются процессы, происходящие при кристаллизации жидкостей путем
замораживания. Отдельная глава посвящена кристаллизации воды и снежинкам.
Серия книг по кристаллизации биожидкостей и спектральным методам.
Книга 1. Кристаллизация сыворотки крови методом открытой капли (угловая дегидратация).
Книга 2. Кристаллизация сыворотки крови методом закрытой капли (краевая дегидратация).
Книга 3. Тезиография. Кристаллизация тестовых растворов.
Книга 4. Кристаллизация различных биожидкостей.
Книга 5. Обзор литературы по кристаллизации биожидкостей.
Книга 6. Структура и свойства воды.
Книга 7. Замораживание жидкостей.
Книга 8. Методы контрастирования в микроскопии.
Книга 9. Спектральные методы в микроскопии.
Книга 10. Флуоресцентные методы. Хемилюминесценция.
Книга 11. Флуоресцентные методы в медицине.
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
S. Kraevoy, N. Koltovoy
Dried blood drops diagnostics. Bioliquids crystallization.
Book 7. Freezing liquids.
Abstract.
Describes the processes occurring during crystallization of fluids by freezing. A separate
chapter is devoted to the crystallization of water and snowflakes.
Books about the problems of crystallization bioliquids and spectroscopy.
Book 1. Crystallization of blood serum by means open drops evaporation.
Book 2. Crystallization of blood serum by means closed drops evaporation.
Book 3. Sensitive Cristallization. Crystallization test solutions.
Book 4. Crystallization of different bioliquids.
Book 5. Review of the literature on the crystallization bioliquids.
Book 6. The structure and properties of water.
Book 7. Freezing liquids.
Book 8. Contrast Methods in microscopy.
Book 9. Spectral Methods in microscopy.
Book 10. Fluorescence. Chemiluminescence.
Book 11. Biomedical applications of fluorescence.
3
Часть 1. Замораживание жидкостей. 7
Глава 1 Замораживание различных жидкостей. 7
1.1 замораживание чистых веществ. 7
1.2 замораживание растворов. 7
1.3 замораживание многокомпонентных растворов. 8
1.4 замораживание чистой воды. 8
1.5 замораживание раствора NaCl (морской воды). 9
1.6 замораживание спиртосодержащих напитков. 16
1.7 замораживание воды с антифризом. 20
1.8 замораживание нефтепродуктов. 21
1.9 замораживание пищевых продуктов. 23
1.10 замораживание биообъектов. 25
1.11 замораживание молока. 27
1.12 очистка воды путем перекристаллизации. 37
Глава 2. Кристаллизация капли сыворотки крови путем
замораживания. 38
Часть 2. Кристаллизация воды – снежинки. 42
Глава 1. Кристаллическая структура льда. 42
1.1 Строение льда. 42
1.2 Правильные кристаллы льда. 44
1.3 Выращивание монокристаллов льда. 48
1.4 Центры по изучению кристаллов льда. 56
-Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова – Россия 57
-Hokkaido University – Япония 59
Глава 2. История изучения снежинок. 62
2.1 Снежинки. 62
2.2 История изучения снежинок. 64
2.3 Современные зарубежные фотохудожники, фотографирующие снежинки. 94
2.4 Современные Российские фотохудожники, фотографирующие снежинки. 98
4
Глава 3. Образование снежинок. 101
3.1 Влияние температуры и влажности на форму снежинок. 101
3.2 Процесс образования снежинок. 105
3.3 Причины образования скелетных кристаллов - снежинок. 110
3.4 Почему снежинка плоская и симметричная. 111
3.5 Перекристаллизация снежинок. 113
3.6 Структура границы раздела фаз воды (твердой и газообразной). 114
3.7 Моделирование роста снежинок. 115
3.8 Анализ различных фаз роста снежинки, решение обратной задачи. 116
3.9 Классификация снежинок. 119
3.9.1 История создания классификации снежинок. 119
3.9.2 Классификация снежинок на основе последовательности фаз роста. 123
3.9.3 Классификация снежинок по степени сложности. 125
3.9.4 Классификация снежинок по способу образования. 125
3.10 Антиснежинки. 126
3.11 Оптические явления, связанные со снежинками. 129
Глава 4. Различные условия кристаллизации воды. 132
4.1 Узоры на окнах - двумерная кристаллизация воды на плоскости. 132
4.2 Иней – трехмерная кристаллизация воды на плоскости. 136
Глава 5. Различные исследователи кристаллизации воды.
139
1976 - Lee Lorenzen – USA. 139
1994 – Масару Эмото – Япония. 139
Ссылки на сайты, посвященные снежинкам. 152
5
Part 1. Freezing liquids. - 6
Chapter 1 - Freezing various liquids. - 6
1.1 freezing of pure substances.
1.2 freezing solutions.
1.2 freezing solutions dielectrics.
1.3 freezing multicomponent solutions.
1.4 freezing of pure water.
1.5 freezing solution NaCl ( seawater).
1.6 freezing alcohol beverages.
1.7 freezing water with antifreeze.
1.8 freezing oil.
1.9 freezing foodstuffs.
1.10 freezing of biological objects.
1.11 freezing milk.
Chapter 2. Crystallization drops of blood serum by freezing. - 34
Part 2. Crystallization water - snowflakes. - 38
Chapter 1. The crystal structure of ice. - 38
1.1 Structure of ice.
1.2 Correct ice crystals.
1.3 Vaschivanie single crystals of ice
1.4 Center for the Study of ice crystals.
- Main Geophysical Observatory. AI Voeikova - Russia
-Hokkaido University - Japan
Chapter 2. History of the study of snowflakes. - 58
Chapter 3. Crystallixation of snowflakes. - 96
3.1 Effect of temperature and humidity on the shape of snowflakes.
3.2 The process of formation of snowflakes.
3.3 Causes of skeletal crystals - snowflakes.
3.4 Why snowflake flat and symmetrical.
3.5 Recrystallization snowflakes.
3.6 Structure of the interface between the water phase ( solid- gas ).
3.7 Modelling of growth of snowflakes.
3.8 Analysis of the different phases of growth of snowflakes, the inverse problem.
3.9 Classification of snowflakes.
3.10 Antisnezhinki.
3.11 Optical phenomena connected with snowflakes.
Chapter 4. Different conditions of crystallization of water. - 127
4.1 Patterns on the windows - a two-dimensional crystallization of water on the plane.
4.2 Hoarfrost - three-dimensional crystallization of water on the plane.
Chapter 5. Various researchers crystallization water. - 135
Links to sites on the snowflakes. - 148
6
Часть 1. Замораживание жидкостей.
Глава 1. Замораживание различных жидкостей.
1.1 Замораживание чистых веществ.
Одним из методов изучение свойств жидкостей является изучение процесса
кристаллизации. С помощью калориметра определяют температуру фазовых переходов при
охлаждении жидкости.
Рис. 1-1-1. Диаграмма состояния однокомпонентного вещества. Зависимость температуры
раствора от времени при охлаждении вещества. Излом на кривой соответствует температуре
кристаллизации.
Процессы, происходящие при замораживании, исследуют с помощью
дифференциальной калориметрии (DSC – differential scanning calorimetry). При этом измеряется
разность тепловых потоков между исследуемым образцом и эталоном.
1.2 Замораживание растворов.
При охлаждении растворов различных веществ в воде происходит кристаллизация
чистой воды из раствора. Температура замерзания растворителя (воды) всегда ниже
температуры замерзания чистого растворителя (воды), так как парциальное давление пара
растворителя над раствором всегда меньше, чем давление пара над чистым растворителем при
той же температуре.
Криоскопия изучает температуру замерзания растворов.
Температура замерзания раствора в зависимости от концентрации растворенного вещества
определяется законом Рауля, понижение температуры замерзания раствора пропорционально
молярной концентрации растворенного вещества. Раствор кристаллизуется не при какой-то
фиксированной температуре, а в некотором интервале температур. Температура начала
кристаллизации – температура, при которой начинается образование кристаллов растворителя.
При выпадении растворителя в виде кристаллов повышается концентрация растворенного
вещества, и понижается температура кристаллизации.
7
1.3 Замораживание многокомпонентных растворов.
Раствор, содержащий несколько растворенных веществ, может иметь несколько
эвтектических точек. Каждая такая эвтектика имеет определенное количество воды и
растворенного вещества или нескольких растворенных веществ. Поскольку замерзание каждой
эвтектики сопровождается уменьшением количества воды в растворе, концентрация
остаточного раствора постоянно возрастает, пока не достигнет концентрации самой
низкотемпературной точки эвтектики. После этого остаточная вода вымерзает полностью.
При замерзании многокомпонентных растворов солей происходит поэтапное вымораживание
различных компонент в соответствии с растворимостью компонент. В первую очередь
выпадают в осадок слаборастворимые компоненты, потом более растворимые компоненты и
так далее. Соли CaSO4 осаждаются раньше, чем соль NaCl. Вымораживание аналогично
высаливанию.
Рис. 1-1-2. Диаграмма растворимости тройной системы NaCl - KCl – H2O.
I – 10 градусов, II – 70 градусов.
0 – чистая вода,
1 – чистый раствор NaCl,
3 – чистый раствор KCl,
Под кривой – ненасыщенный раствор NaCl и K Cl.
1.4 Замораживание чистой воды.
Чистая вода замерзает (кристаллизуется) при температуре 0 градусов. Процессы
замораживания воды и образования льда в природе изучает наука – гляциология.
При очень быстром замораживании (со скоростью порядка 1000000 К в сек) (за
несколько миллисекунд) чистая вода застекловывается и получается аморфный лед
(стеклообразная вода), который не имеет кристаллической структуры. Молекулы воды не
успевают сформировать кристаллическую решетку. Температура стеклования для воды -137
градусов.
8
1.5 Замораживание раствора NaCl (морской воды).
При повышении температуры растворимость увеличивается. Это можно объяснить тем,
что при повышении температуры кинетическая энергия молекул воды возрастает, и в гидратной
оболочке ионов содержится меньше молекул воды. Значит, больше ионов может раствориться.
Таблица 1-1. Зависимость растворимость соли в воде от температуры:
Температура, 0 10 20 25 30 40 60 80 100 140 180
градусы
Растворимость, 356 357 358 359 361 364 371 391
г/л
Концентр 26,28 26,39 26,68 27,07 27,55 28,15 29,63 30,99
насыщ раств %
Таблица 1-2. Зависимость температуры замерзания раствора соли от концентрации:
Концентрация Концентрация Температура Плотность
г/л % замерзания При 25 град
0 0 1,000
15 -0,9 1,010
20 2 -1,2 1,011
25 -1,35
30 -1,8 1,020
35 -1,9
40 4 -2,45 1,025
45 -2,6 1,030
50 -3,1
60 6 -3,75 1,039
8 -5,11 1,053
10 -6,62 1,068
12 -8,28 1,083
14 -10,00 1,099
16 -11,90 1,113
18 -14,00 1,129
250 20 -16,30 1,145
22 -19,00 1,160
23,3 -21,20
24 -21,20 1,176
26 -21,20 1,193
356 -21,20
Концентрация хлорида натрия NaCl в морской воде – 27,2 г/л, или 2,7%, или 0,5
моль/литр, так как молярная масса NaCl равна 58 г.
Концентрация соли в сыворотке крови равна 9г/л, или 0,9%, или 0,14 моль/л.
Концентрация соли 0,9% называется изотоническим раствором. При введении изотонического
раствора в организм осмотическое давление равно осмотическому давлению в клетках, и не
происходит нарушения функционирования клеток. При введении гипотонического раствора
(концентрация менее 0,9%) происходит проникновение воды в клетку, что приводит к
набуханию клеток. При введении гипертонического раствора (концентрация более 0,9%)
происходит движение воды из клетки.
При повышении концентрации соли температура замерзания раствора уменьшается. Это
можно объяснить тем, что при растворении соли образуются гидраты (ионы соли, окруженные
9
гидратными оболочками). Для замораживания воды необходимо затратить дополнительную
энергию для того, чтобы вырвать молекулы воды из гидратных оболочек.
Замерзание морской воды.
Морская (соленая) вода замерзает при более низкой температуре, чем чистая вода. При
солености 35 грамм/литр (соленость океана) температура замерзания составляет -1,9 градусов.
При замораживании морской воды в некотором объеме, образуется лед, состоящий из чистой
воды. В оставшемся растворе повышается концентрация соли. При понижении температуры в
начале кристаллизуется растворитель (вода). Образуются изолированные кристаллы льда в
окружении воды. При дальнейшей кристаллизации растет количество кристаллов льда и их
размер. Затем образуется сплошной массив кристаллов льда с прослойками
концентрированного раствора соли. При достижении критической точки (эвтектической точки)
происходит затвердевание всего раствора в сплошную массу, образуется твердый раствор, в
котором тонкие прослойки льда разделены твердым растворенным веществом. Прослойки
могут иметь размер от нескольких микрон до нескольких сантиметров.
Структура льда существенным образом зависит от условий образования.
1-Образование льда на поверхности пресной воды (реки, озера). Образование льда начинается с
образования тонкой корочки льда на поверхности воды. В дальнейшем лед нарастает с нижней
поверхности практически в равновесных условиях. В результате в структуре льда образуются
более правильные кристаллы (без прослойки соленой воды).
2-Образование льда на поверхности соленой воды (морской лед). В принципе образование льда
на поверхности соленой воды не отличается от образования льда на поверхности пресной воды.
При образовании льда соль вымораживается, и кристаллизуется чистая вода.
3-Образование льда из соленой воды при быстром замораживании в неглубоких водоемах.
10
