Sulamine ja tahkumine

Sulamisel muutub tahke aine vedelaks. Tahkes aines on aine­osakesed kindlas kohas ja tugevalt seotud. Sulamisel aine­osakeste sidemed nõrgenevad ja kaob ka aine­osakeste kindel asukoht. Aine muutub voolavaks.

Sulamise pöördprotsess on tahkumine. Tahkumisel muutub vedel aine tahkeks. Aine­osakesed võtavad jälle kindla koha ja nende oma­vahe­lised sidemed tugevnevad.

Tahke aine sulatamiseks tuleb seda soojendada. Soojus kulub aine­osakeste sidemete nõrgestamiseks.

Et vedelik tahkuks, tuleb seda jahutada. Vedeliku jahtudes muutub aine­osakeste liikumine lõpuks piisavalt aeglaseks, et aine­osakesed saaksid võtta kindla koha ja moodustada tugevaid sidemeid.

Nõusse pandi sügavkülmikust võetud jääkuubikuid, mida hakati pliidil sulatama. Katse käigus mõõdeti jää ja vee temperatuuri. Sulamis­vett segati, et hoida seda ühtlasel temperatuuril. Katse­andmete põhjal visandati jää ja vee temperatuuri graafik.

Graafikut vaadeldes näed, et soojendamisel algul jää temperatuur tõuseb. Null kraadi juures temperatuuri tõus peatub. Sellel temperatuuril hakkab jää sulama. Jää ja vee segu jääb sellele tempera­tuurile, kuni kogu jää on sulanud. Kogu kesk­konnast (pliidilt) saadav soojus kulub jää osakeste sidemete nõrgesta­miseks. Alles pärast kogu jää sulamist hakkab vee temperatuur uuesti tõusma.

Ainete segude sulamis­temperatuur erineb puhaste ainete sulamis­temperatuurist. Segades kolm massiosa lund või peenestatud jääd ja ühe massiosa keedu­soola, saadakse segu, mille sulamis­temperatuur on –22 °C.

Ameerika füüsik Robert Wood valmistas vismutist (50%), pliist (25%), tinast (12,5%) ja kaadmiumist (12,5%) segu, mida hakati nimetama Woodi sulamiks. Selle sulami sulamis­temperatuur on ainult 70 °C, samal ajal kui ta komponentide sulamis­temperatuurid on vismutil 272 °C, pliil 327 °C, tinal 232 °C ja kaadmiumil 321 °C. Woodi sulamit kasutatakse kuumust kartvate elektroonika­detailide kokku­ühendamiseks (kokku­jootmiseks) ja tule­kaitse­süsteemides sulav­andurina.

Sulamisel ja tahkumisel muutub aine ruumala. Enamiku ainete sulamisel aine­osakesed eemalduvad üksteisest, tahkumisel aga lähenevad. Selle tõttu muutub sulamisel ja tahkumisel aine ruumala. Parafiini sulatamisel on näha, et tahke parafiin paikneb sulaparafiini põhjas, sest tahke parafiin on suurema tihedusega.

Parafiini tahkumisel tekib aga parafiini pinnale lohk. Lohu tekkimine näitab, et tahkudes parafiini ruumala väheneb.

Vaata jooniseid. Kummal juhul paiknevad molekulid tihedamalt?

Joonisel on molekulide asetus vees ja jääs. Vee molekulid moodustavad jääs kuuesed ahelad, mille keskel on tühi ruum.

Seetõttu suurenebki külmumisel vee ruumala, nii et 1 liitrist veest saadud jää ruumala on 1,1 liitrit.

Lumehelbe eriline kuju. Lumehelves on kuue­haruline. See on tingitud molekulide erilisest asetusest jääs.

Lumehelves koosneb jääkristallidest. Jääkristallis on vee molekulidel kindel asukoht. Vee külmumisel liituvad molekulid kristalliga ja iga uus liitunud molekul leiab oma asukoha.

Külmuv vesi lõhub kivimeid. Külmuv vesi lõhub suuri kivi­mürakaid. Kivimi prakku sattunud vesi jäätub. Jäätumisel vesi paisub ning rõhub kivile nii suure jõuga, et kivi puruneb. Vee paisumine külmumisel on üks põhjustest, miks kividest saab ajapikku liiv.

Jää ujub vees. Jää ujub, sest jää on veest väiksema tihedusega.

Järvel on jääpanga veepealne osa 1/11 jääpanga kogu ruumalast. Kuna merevee tihedus on magevee tihedusest suurem, ulatub jäämägi meres veest rohkem välja kui järvel. Meres on veest väljas 1/8 jäämäe ruumalast.

1. Kirjelda, kuidas muutuvad aineosakeste sidemed ja liikumine tahke aine sulamisel, vedeliku tahkumisel.
2. Miks on vaja tahket ainet soojendada, et see sulaks?
3. Miks on vaja vedelikku jahutada, et see tahkuks?
4. Selgita jää sulatamise katset. Miks ei hakka vee temperatuur kuumutamisele vaatamata tõusma? Milleks soojus kulub? Kuidas teha termomeetrit kasutamata kindlaks, et aine on sulamis­temperatuuril?
5. Parafiini sulatatakse kuumas vees. Kust saab parafiin sulamiseks vajaliku soojuse?
6. Mis juhtub Woodi sulamist teelusikaga kuumas tees?
7. Miks vesi külmumisel paisub?
8. Too näiteid nähtustest, mille põhjuseks on vee ruumala suurenemine jäätumisel.
9. Vaata õppetüki alguses pilti tina sulatamisest. Miks saab niimoodi tina sulatada? (Võrdle tina sulamis­temperatuuri süte temperatuuriga.) Miks ei sula rooste­vabast terasest pann?
10. Kati sünnipäevajäätis. 7. klass käis talvisel matkal. Öösel peatuti metsas. Katil oli sünnipäev ja ta tahtis klassi­kaaslasi üllatada omatehtud jäätisega. Ta oli võtnud matkale kaasa toidu­aineid ja nõud jäätise tegemiseks. Aga oh häda! Tüdruk oli arvestanud, et ilm on külm, temperatuur alla null kraadi. Ilm aga oli hoopiski sula. Lund oli piisavalt. Õpetaja abiga saadi asjast üle. Kuidas sai Kati jäätise külmutatud?

Praktiline töö: aine ruumala muutumine vee jäätumisel.