zarodkowanie

zarodkowanie, nukleacja,

fiz. wstępny etap procesu tworzenia się nowej fazy (faza, przemiana fazowa).

Wiele układów obserwowanych w przyrodzie i w laboratorium występuje w stanie równowagi pozornej, w którym są przekroczone niektóre parametry rzeczywistej równowagi termodynamicznej. Na przykład w pewnych warunkach może istnieć w powietrzu wyższe ciśnienie pary wodnej, niż odpowiadające prężności pary wodnej nasyconej, charakterystycznej dla danej temperatury (para przesycona), można też otrzymać roztwór o stężeniu wyższym niż stężenie roztworu nasyconego (roztwór przesycony) lub oziębić ciecz poniżej temperatury krzepnięcia (np. wodę poniżej temp. 0°C) bez zmiany jej stanu skupienia (ciecz przechłodzona). Tego rodzaju stany substancji są termodynamicznie nietrwałe, ale dopiero pod wpływem odpowiednich bodźców substancja przechodzi w stan trwały, czemu towarzyszy wydzielenie nowej fazy; przesycona para wodna w powietrzu atmosferycznym ulega skropleniu (powstają chmury, mgła czy rosa; kondensacja w atmosferze ziemskiej), z przesyconego roztworu wydziela się nadmiar rozpuszczonej soli w postaci kryształów i roztwór uzyskuje stężenie roztworu nasyconego, przechłodzona woda zamienia się w lód. Przyczyną pozornej trwałości wymienionych faz jest fakt, że nowa faza, odpowiadająca równowadze termodynamicznej, tworzy się najpierw w formie bardzo małego zespołu atomów lub cząsteczek, zw. zarodkiem. Z praw termodynamiki wynika, że entalpia swobodna tych zespołów, odniesiona do jednostki masy, jest większa niż entalpia swobodna fazy w równowadze i maleje ze wzrostem wielkości zarodka. Oznacza to, że np. prężność pary nad bardzo małą kroplą wody jest większa niż jej prężność nad powierzchnią płaską i kropla ta (zarodek) ulega wyparowaniu zanim zdąży zwiększyć swoją masę. Zarodek uzyskuje zdolność do dalszego wzrostu, gdy jego masa przekroczy pewną wartość kryt., a prężność pary nad nim spadnie poniżej prężności panującej w układzie. Podobnie w roztworze przesyconym soli zarodek o bardzo małych rozmiarach wykazuje rozpuszczalność znacznie większą niż stężenie roztworu nasyconego i dopiero po przekroczeniu pewnej granicznej wielkości może rosnąć dalej. Prawdopodobieństwo pojawienia się zarodków nowej fazy, zdolnych do dalszego wzrostu, w wyniku lokalnych fluktuacji np. prężności pary czy stężenia roztworu jest bardzo małe, co zapewnia pozorną trwałość pary przesyconej czy roztworu przesyconego. Bodźcem zewn., rozpoczynającym proces z., może być w przypadku pary przesyconej obecność mikroskopijnych cząstek pyłów adsorbujących cząsteczki wody (tzw. jądra kondensacji) lub elektronów przyciągających dipole wody, w przypadku roztworu przesyconego — obecność kryształów soli. Może nim być też bodziec mech. (np. pocieranie szklanym pręcikiem ściany naczynia, w którym znajduje się roztwór przesycony) lub naświetlanie promieniowaniem jonizującym.

W przypadku przemiany cieczy w parę zarodkami fazy gazowej są bardzo małe bańki pary tworzące się w cieczy. Mogą one rosnąć pod warunkiem, że ciśnienie wewnątrz nich przekroczy wartość ciśnienia atmosferycznego powiększoną o wartość ciśnienia hydrostatycznego. Z. może ułatwiać w tym przypadku obecność silnie chropowatej powierzchni, w zagłębieniach której tworzą się zarodki. Podobnie mogą działać bodźce mech. oraz naświetlanie promieniowaniem jonizującym.

Adam Bielański