Как образуются расплавы

Застывание магмы – это процесс роста кристаллов из расплавов. При нагревании твёрдые вещества расплавляются (если, конечно, они не сгорают или не разлагаются на составные части). Но оказывается, что кристаллы и аморфные вещества (стёкла) плавятся совсем по-разному.

Каждое кристаллическое вещество начинает плавиться при совершенно определённой температуре. Нагреем, например, кристалл олова и будем при этом измерять температуру: 100, 200, 220, 225° С – кристалл не меняется. Вдруг при 231,9° С кристалл начинает плавиться. Сколько бы раз мы ни повторяли этот опыт, нам не удастся расплавить кристалл олова при 231° С или ниже, и, наоборот, нам не удастся сохранить его при 232° С или выше – он обязательно начнёт плавиться при 231,9° С, если только опыт производится при атмосферном давлении и в олове нет примесей.

И если нет явления переохлаждения, о котором речь пойдет ниже.

Будем продолжать нагревать плавящийся кристалл олова. Несмотря на нагревание, температура олова больше не повышается: во всё время плавления она остаётся равной 231,9° С. И только когда плавление закончится, температура олова – теперь уже не кристалла, а жидкого расплава – начнёт повышаться, если, конечно, продолжать нагревание.

Кристалл каменной соли начинает плавиться точно при 804° С, кристалл кварца—при 1470° С. Все кристаллы плавятся при определённой температуре, называемой температурой плавления. При этой температуре разрушается кристаллическая структура, распадается правильный строй частиц, как рассыпается строй физкультурников по команде «Разойтись!». Для всех кристаллов одного и того же вещества при постоянных условиях температура плавления одинакова, но для разных веществ она различна. Все кристаллы во время плавления сохраняют постоянную температуру. Именно на этом свойстве кристаллов основано устройство термометра. Нуль градусов по стоградусной шкале термометра – это температура, при которой в обычных условиях тают, то есть плавятся, кристаллы льда.

А как же плавятся некристаллические твёрдые тела? Нагревая какое-либо аморфное вещество, например простое стекло, мы уже не сумеем определить температуру, при которой оно начинает плавиться, потому что аморфное вещество расплавляется постепенно: оно размягчается, становится всё менее и менее вязким и в конце концов совсем жидким. Это и понятно: ведь тут не нужно никакой команды, чтобы нарушить строй, так как в стекле все частицы уже и до нагревания расположены беспорядочно.

Если бы стекло плавилось сразу, как кристалл, невозможно было бы выдувать и формовать из него посуду. Лишь благодаря тому, что стекло размягчается или застывает постепенно, стеклодув может выдувать и лепить его, придавая ему любую форму.

Наличие постоянной температуры плавления отличает кристаллические тела от некристаллических. Кристаллы начинают плавиться сразу при определённой температуре, а некристаллы (и смеси многих кристаллических веществ) размягчаются постепенно – у них нет определённой температуры» плавления. По этому признаку можно отличать кристаллическое вещество от некристаллического. Например, лёд начинает таять при нуле градусов, значит, лёд – это вещество кристаллическое, а смола, асфальт, пластмассы, желатин, вар, столярный клей размягчаются постепенно, – значит, эти вещества не кристаллические, а аморфные.

Но всегда ли одинакова температура плавления кристаллов одного и того» же вещества? Нельзя ли изменить её? Оказывается, можно. Дело в том, что температура плавления кристалла зависит от давления, под которым этот кристалл находится. Например, лёд тает, то есть плавится, при 0° С лишь под нормальным давлением (в одну атмосферу). Если же увеличивать давление, то лёд может растаять и при меньшей температуре, уже при нескольких градусах мороза. Под давлением, превышающим нормальное атмосферное давление в 100 раз, лёд тает при – 0,9° С, а если давление в полторы тысячи раз больше атмосферного, лёд растает уже при –14,1° С.

В физических лабораториях научились теперь создавать очень большие давления, вплоть до десятков тысяч атмосфер. В опытах с такими колоссальными давлениями удалось менять температуры плавления кристаллов даже на сотни градусов. Например, если повысить давление до 12000 атмосферг то температура плавления кристаллов калия увеличится с 62 до 179° С, а температура плавления кристаллов анилина возрастёт ещё сильнее: чтобы расплавить под таким давлением кристалл анилина, его придётся нагревать» до 199° С, тогда как обычно он плавится уже при -6° С. У кристаллов висмута» при таком же повышении давления температура плавления не увеличится, а уменьшится: для плавления достаточно будет нагреть кристалл висмута до 218° С, между тем как в нормальных условиях он плавится при 271° С.

Давление влияет на температуры плавления у всех кристаллов, причём влияние это для разных веществ различно: у одних оно сильнее, у других слабее; у некоторых веществ при повышении давления температура плавления возрастает, а у иных, наоборот, понижается. Это особенно сказывается в глубине Земли, где действуют давления, в миллионы раз большие, чем на её поверхности. Поэтому в недрах Земли кристаллы плавятся при иных температурах, чем в лабораториях. Но и там кристаллы начинают плавиться обязательно при определённой температуре, только температура эта – особая для каждой области давления.

На температуру плавления влияют, кроме давления, ещё и другие причины, например примеси иных веществ в расплаве. Так, например, температуры плавления чистого железа и чистого кремния очень высоки, а смесь окислов этих элементов с известью плавится при гораздо более низкой температуре. На этом основан способ выплавки железа из руд, содержащих кремнезём. В рудную смесь добавляют известняк; кремнезём, известь и небольшая доля железа образуют легкоплавкий шлак, который всплывает и отделяется от более тугоплавкого чистого железа.

Как зависит температура плавления олова, фосфора и воды от давления.
Зависимость температуры плавления некоторых веществ от давления.

Если добавить ко льду обыкновенную столовую соль, температура таяния льда сильно понизится. Известно, что солёная морская вода замерзает при более низкой температуре, чем пресная. Смесь из одной части соли и трёх частей воды тает не при 0°, а только при -23° С. Смешивая лёд с хлористым кальцием, можно добиться понижения температуры до -55° С. Этим свойством кристаллов льда пользуются для приготовления охлаждающих смесей: если посыпать солью лёд, например, в мороженице, температура тающего льда резко понижается.

Свойства холодильных смесей глубоко и всесторонне изучал двести лет назад русский академик И. А. Браун. Температура приготовленной им смеси снега и азотной кислоты оказалась такой низкой, что в термометре замёрзла ртуть. Так, 25 декабря 1759 года И. А. Браун впервые наблюдал затвердевание ртути; до тех пор была известна только жидкая ртуть. 6 сентября 1760 года Браун рассказал об этом открытии в публичной речи «О удивительной стуже, искусством произведённой, от которой ртуть замёрзла». Дальнейшие опыты по исследованию холодильных смесей Браун проводил вместе с М. В. Ломоносовым, который изложил свои теоретические соображения о температуре плавления в книге «Рассуждение о твёрдости и жидкости тел».

Далее: Как кристаллы растут из расплавов