البنية البلورية للجليد. خصائص الماء

من الصعب دراسة الحالة ثلاثية الأبعاد للمياه السائلة، ولكن تم تعلم الكثير من خلال تحليل بنية بلورات الجليد. أربع ذرات أكسجين مرتبطة بالهيدروجين متجاورة تحتل رؤوس رباعي الأسطح (رباعي = أربعة، وجهرون = مستوى). ويقدر متوسط ​​الطاقة اللازمة لكسر مثل هذه الرابطة في الجليد بـ 23 كيلوجول/مول -1.

إن قدرة جزيئات الماء على تكوين عدد معين من سلاسل الهيدروجين، بالإضافة إلى القوة المحددة، تخلق نقطة انصهار عالية بشكل غير عادي. وعندما يذوب، يحتفظ به ماء سائل، يكون تركيبه غير منتظم. معظم الروابط الهيدروجينية مشوهة. يتطلب تدمير الشبكة البلورية للجليد المرتبطة بالهيدروجين كمية كبيرة من الطاقة على شكل حرارة.

ملامح مظهر الجليد (Ih)

يتساءل الكثير من الناس العاديين عن نوع الجليد الشبكي البلوري. وتجدر الإشارة إلى أن كثافة معظم المواد تزداد عند التجميد، عندما تتباطأ الحركات الجزيئية وتتشكل البلورات المكتظة بكثافة. تزداد كثافة الماء أيضًا عندما يبرد إلى الحد الأقصى عند 4 درجات مئوية (277 كلفن). ثم، عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون هذه القيمة، فإنها تتوسع.

ترجع هذه الزيادة إلى تكوين بلورة ثلجية مفتوحة مرتبطة بالهيدروجين مع شبكتها وكثافتها المنخفضة، حيث يرتبط كل جزيء ماء بإحكام بالعنصر المذكور أعلاه وأربع قيم أخرى، ولا يزال يتحرك بسرعة كافية للحصول على كتلة أكبر. ومع حدوث هذا الإجراء، يتجمد السائل من الأعلى إلى الأسفل. وهذا له عواقب بيولوجية مهمة، حيث تعمل طبقة من الجليد على البركة على عزل الكائنات الحية عن البرد القارس. بالإضافة إلى ذلك، هناك خاصيتان إضافيتان للمياه ترتبطان بخصائصه الهيدروجينية: السعة الحرارية النوعية والتبخر.

وصف تفصيلي للهياكل

المعيار الأول هو الكمية اللازمة لرفع درجة حرارة 1 جرام من المادة بمقدار 1 درجة مئوية. ويتطلب رفع درجات الماء نسبة كبيرة نسبيا من الحرارة، لأن كل جزيء يرتبط بالعديد من الروابط الهيدروجينية التي يجب كسرها لتزداد الطاقة الحركية. بالمناسبة، فإن وفرة H 2 O في الخلايا والأنسجة لجميع الكائنات الكبيرة متعددة الخلايا تعني تقليل تقلبات درجات الحرارة داخل الخلايا. تعتبر هذه الميزة بالغة الأهمية لأن معظم التفاعلات الكيميائية الحيوية حساسة للمعدل.

كما أنها أعلى بكثير من العديد من السوائل الأخرى. ولتحويل هذه المادة الصلبة إلى غاز يتطلب كمية كبيرة من الحرارة لأنه يجب كسر الروابط الهيدروجينية حتى تتمكن جزيئات الماء من التفكك من بعضها البعض ودخول الطور المذكور. الأجسام المتغيرة هي ثنائيات أقطاب دائمة ويمكن أن تتفاعل مع مركبات أخرى مماثلة وتلك المتأينة والمذابة.

المواد الأخرى المذكورة أعلاه لا يمكن أن تتلامس إلا في حالة وجود قطبية. وهذا المركب هو الذي يشارك في بنية هذه العناصر. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تصطف حول هذه الجزيئات المتكونة من الإلكتروليتات، بحيث تتجه ذرات الأكسجين السالبة لجزيئات الماء نحو الكاتيونات، وتتجه الأيونات الموجبة وذرات الهيدروجين نحو الأنيونات.

وكقاعدة عامة، يتم تشكيل الشبكات البلورية الجزيئية والشبكات الذرية. وهذا هو، إذا تم بناء اليود بحيث يكون I 2 موجودا فيه، ففي ثاني أكسيد الكربون الصلب، أي في الثلج الجاف، توجد جزيئات ثاني أكسيد الكربون في عقد الشبكة البلورية. عند التفاعل مع مثل هذه المواد، يحتوي الجليد على شبكة بلورية أيونية. فالجرافيت، على سبيل المثال، له تركيب ذري يعتمد على الكربون، ولا يمكنه تغييره، تمامًا مثل الماس.

ماذا يحدث عند ذوبان بلورة ملح الطعام في الماء: تنجذب الجزيئات القطبية إلى العناصر المشحونة الموجودة في البلورة، مما يؤدي إلى تكوين جزيئات متشابهة من الصوديوم والكلوريد على سطحها، ونتيجة لذلك تنفصل هذه الأجسام عن بعضها البعض، ويبدأ في الذوبان. من هذا يمكننا أن نلاحظ أن الجليد يحتوي على شبكة بلورية ذات رابطة أيونية. يجذب كل Na+ مذاب الأطراف السالبة للعديد من جزيئات الماء، بينما يجذب كل Cl مذاب الأطراف الموجبة. تسمى القشرة المحيطة بكل أيون بمجال الهروب وعادةً ما تحتوي على عدة طبقات من جزيئات المذيبات.

ويقال إن المتغيرات أو الأيونات المحاطة بالعناصر تكون كبريتية. عندما يكون الماء هو المذيب، تصبح هذه الجزيئات رطبة. وهكذا فإن أي جزيء قطبي يميل إلى الذوبان بواسطة عناصر الجسم السائل. في الثلج الجاف، يشكل نوع الشبكة البلورية روابط ذرية في الحالة الكلية التي لا تتغير. أما الجليد البلوري (الماء المتجمد) فهو أمر آخر. يجب أن تكون المركبات العضوية الأيونية مثل الكربوكسيلات والأمينات البروتونية قابلة للذوبان في مجموعات الهيدروكسيل والكربونيل. وتتحرك الجسيمات الموجودة في هذه الهياكل بين الجزيئات، وتشكل أنظمتها القطبية روابط هيدروجينية مع هذا الجسم.

بالطبع، يؤثر عدد المجموعات الأخيرة في الجزيء على قابليته للذوبان، والتي تعتمد أيضًا على تفاعل الهياكل المختلفة في العنصر: على سبيل المثال، الكحولات أحادية وثنائية وثلاثية الكربون قابلة للامتزاج في الماء، ولكن الهيدروكربونات الأكبر حجمًا التي تحتوي على مركبات هيدروكسيل واحدة تكون أقل تمييعًا في السوائل.

الشكل السداسي Ih يشبه في الشكل الشبكة البلورية الذرية. بالنسبة للجليد وكل الثلوج الطبيعية الموجودة على الأرض، يبدو الأمر هكذا تمامًا. ويتجلى ذلك من خلال تماثل الشبكة البلورية الجليدية التي تنمو من بخار الماء (أي رقاقات الثلج). تقع في المجموعة الفضائية ص 63/ملم مع 194؛ D 6h، فئة لاو 6/مم؛ يشبه β-، الذي يحتوي على مضاعف 6 محاور حلزونية (الدوران حوله بالإضافة إلى القص على طوله). لديها بنية مفتوحة إلى حد ما ذات كثافة منخفضة، حيث تكون الكفاءة منخفضة (~ 1/3) مقارنة بالهياكل المكعبة البسيطة (~ 1/2) أو الهياكل المكعبة ذات الوجه (~ 3/4).

بالمقارنة مع الجليد العادي، فإن الشبكة البلورية للثلج الجاف، المرتبطة بجزيئات ثاني أكسيد الكربون، تكون ثابتة ولا تتغير إلا عندما تتحلل الذرات.

وصف الشبكات والعناصر المكونة لها

يمكن اعتبار البلورات بمثابة أنماط بلورية تتكون من صفائح مكدسة فوق بعضها البعض. يتم ترتيب الروابط الهيدروجينية في حين أنها في الواقع عشوائية، حيث يمكن للبروتونات أن تتحرك بين جزيئات الماء (الجليد) عند درجات حرارة أعلى من حوالي 5 كلفن. في الواقع، من المحتمل أن تتصرف البروتونات مثل السائل الكمي في تدفق نفقي مستمر. ويتم تعزيز ذلك من خلال تشتت النيوترونات الذي يُظهر كثافة تشتتها في منتصف المسافة بين ذرات الأكسجين، مما يشير إلى التوطين والحركة المنسقة. هنا يلاحظ تشابه الجليد مع الشبكة البلورية الذرية والجزيئية.

تمتلك الجزيئات ترتيبًا متدرجًا لسلسلة الهيدروجين بالنسبة لجيرانها الثلاثة في المستوى. العنصر الرابع لديه ترتيب رابطة هيدروجينية مكسوفة. هناك انحراف طفيف عن التماثل السداسي المثالي، بمقدار 0.3% أقصر في اتجاه هذه السلسلة. تواجه جميع الجزيئات نفس البيئة الجزيئية. توجد مساحة كافية داخل كل "صندوق" للاحتفاظ بجزيئات الماء الخلالية. على الرغم من عدم أخذها في الاعتبار بشكل عام، فقد تم اكتشافها مؤخرًا بشكل فعال عن طريق حيود النيوترونات من الشبكة البلورية الجليدية المسحوقة.

تغيير المواد

يحتوي الجسم السداسي على نقاط ثلاثية مع الماء السائل والغازي 0.01 درجة مئوية، 612 باسكال، والعناصر الصلبة ثلاثة -21.985 درجة مئوية، 209.9 ميجا باسكال، أحد عشر واثنين -199.8 درجة مئوية، 70 ميجا باسكال، و -34.7 درجة مئوية، 212.9 ميجا باسكال . ثابت العزل الكهربائي للجليد السداسي هو 97.5.

يتم إعطاء منحنى ذوبان هذا العنصر بواسطة MPa. تتوفر معادلات الحالة، بالإضافة إلى بعض المتباينات البسيطة المتعلقة بالتغير في الخواص الفيزيائية مع درجة حرارة الجليد السداسي ومعلقاته المائية. تختلف الصلابة باختلاف الدرجات، حيث تزيد من حوالي أو أقل من الجبس (≥2) عند 0 درجة مئوية، إلى مستويات الفلسبار (6 عند -80 درجة مئوية، وهو تغير كبير بشكل غير طبيعي في الصلابة المطلقة (> 24 مرة).

تشكل الشبكة البلورية السداسية للجليد صفائح وأعمدة سداسية، حيث تكون الوجوه العلوية والسفلية هي المستويات القاعدية (0 0 0 1) ذات المحتوى الحراري 5.57 ميكروجول سم -2، وتسمى المستويات الجانبية الأخرى المكافئة أجزاء المنشور (1) 0 -1 0) مع 5.94 ميكروجول سم -2. يمكن تشكيل الأسطح الثانوية (1 1 -2 0) مع 6.90 μJ ˣ cm -2 على طول المستويات التي تشكلها جوانب الهياكل.

يُظهر هذا الهيكل انخفاضًا غير طبيعي في التوصيل الحراري مع زيادة الضغط (مثل الجليد المكعب وغير المتبلور منخفض الكثافة)، ولكنه يختلف عن معظم البلورات. ويرجع ذلك إلى التغير في الروابط الهيدروجينية، مما يقلل من السرعة العرضية للصوت في الشبكة البلورية للجليد والماء.

هناك طرق تصف كيفية تحضير عينات بلورية كبيرة وأي سطح جليدي مرغوب فيه. من المفترض أن تكون الرابطة الهيدروجينية على سطح الجسم السداسي قيد الدراسة أكثر ترتيبًا منها داخل النظام السائب. أظهر التحليل الطيفي المتغير لتذبذب تردد الطور الشبكي أن هناك عدم تناسق هيكلي بين الطبقتين العلويتين (L1 وL2) في سلسلة H2O تحت السطح من السطح القاعدي للجليد السداسي. الروابط الهيدروجينية المعتمدة في الطبقات العليا من الأشكال السداسية (L1 O ··· HO L2) أقوى من تلك المعتمدة في الطبقة الثانية للتراكم العلوي (L1 OH ···O L2). تتوفر هياكل جليدية سداسية تفاعلية.

ميزات التطوير

الحد الأدنى لعدد جزيئات الماء المطلوبة لتنوي الجليد هو حوالي 275 ± 25، وهو نفس العدد بالنسبة للكتلة العشرينية الوجوه الكاملة المكونة من 280. ويحدث التكوين عند عامل 10 10 عند السطح البيني بين الهواء والماء وليس في الماء السائب. ويعتمد نمو بلورات الجليد على معدلات نمو مختلفة للطاقات المختلفة. يجب حماية المياه من التجمد أثناء الحفظ بالتبريد للعينات البيولوجية والأغذية والأعضاء.

ويتم تحقيق ذلك عادة من خلال معدلات التبريد السريعة، واستخدام عينات صغيرة وحافظة التبريد، وزيادة الضغط لنواة الجليد ومنع تلف الخلايا. تزداد الطاقة الحرة للثلج/السائل من ~30 مللي جول/م2 عند الضغط الجوي إلى 40 مللي جول/م2 عند 200 ميجا باسكال، مما يشير إلى سبب حدوث هذا التأثير.

وبدلاً من ذلك، قد تنمو بسرعة أكبر من الأسطح المنشورية (S2)، على الأسطح المضطربة عشوائيًا في البحيرات المتجمدة أو المضطربة. النمو من الوجوه (1 1 -2 0) هو نفسه على الأقل، لكنه يحولها إلى قواعد منشور. لقد تم استكشاف بيانات تطوير بلورات الجليد بشكل كامل. وتعتمد معدلات النمو النسبي للعناصر ذات الوجوه المختلفة على قدرتها على تكوين درجة أكبر من ترطيب المفاصل. تحدد درجة الحرارة (المنخفضة) للمياه المحيطة درجة التفرع في بلورة الجليد. نمو الجسيمات محدود بمعدل الانتشار عند درجات منخفضة من التبريد الفائق، أي.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

ولكنها محدودة بحركية النمو عند المستويات الأعلى من الدرجات المنخفضة > 4 درجات مئوية، مما يؤدي إلى نمو يشبه الإبرة. يشبه هذا الشكل بنية الجليد الجاف (يحتوي على شبكة بلورية ذات بنية سداسية)، وخصائص مختلفة لتطور السطح ودرجة حرارة المياه المحيطة (المبردة للغاية) التي تقع خلف الأشكال المسطحة من رقاقات الثلج.

يؤثر تكوين الجليد في الغلاف الجوي تأثيرًا عميقًا على تكوين السحب وخصائصها. يعد الفلسبار، الموجود في غبار الصحراء الذي يدخل الغلاف الجوي بملايين الأطنان سنويًا، من العناصر التكوينية المهمة. أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية أن هذا يرجع إلى نواة مستويات بلورات الجليد المنشورية على الأسطح السطحية عالية الطاقة.

بعض العناصر والشبكات الأخرى

لا يمكن دمج المواد المذابة (باستثناء كمية صغيرة جدًا من الهيليوم والهيدروجين، والتي قد تدخل الفجوات) في بنية Ih عند الضغط الجوي، ولكنها تُجبر على السطح أو طبقة غير متبلورة بين جزيئات الجسم البلوري الدقيق. توجد في مواقع الشبكة البلورية للثلج الجاف بعض العناصر الأخرى: الأيونات الفوضوية، مثل NH 4 + وCl -، والتي يتم تضمينها في تجميد السائل بسهولة أكبر من العناصر الكونية الأخرى، مثل Na + وSO 4 2- لذا فإن إزالتها مستحيلة لأنها تشكل طبقة رقيقة من السائل المتبقي بين البلورات. يمكن أن يؤدي ذلك إلى شحن كهربائي للسطح بسبب تفكك المياه السطحية وموازنة الشحنات المتبقية (مما قد يؤدي أيضًا إلى إشعاع مغناطيسي) وتغير في الرقم الهيدروجيني للأغشية السائلة المتبقية، على سبيل المثال NH 4 2 SO 4 يصبح أكثر الحمضية وNaCl تصبح أكثر قلوية.

وهي متعامدة مع وجوه الشبكة البلورية الجليدية، وتظهر الطبقة التالية المرفقة (مع ذرات O-أسود). وتتميز بسطح قاعدي ينمو ببطء (0 0 0 1)، حيث ترتبط فقط جزيئات الماء المعزولة. سطح منشور سريع النمو (1 0 -1 0)، حيث يمكن لأزواج من الجسيمات المرتبطة حديثًا أن ترتبط مع بعضها البعض بالهيدروجين (رابطة واحدة/جزيئين من العنصر). الوجه الأسرع نموًا هو (1 1 -2 0) (المنشوري الثانوي)، حيث يمكن لسلاسل الجسيمات المرتبطة حديثًا أن تتفاعل مع بعضها البعض عن طريق الروابط الهيدروجينية. أحد جزيئات السلسلة/العنصر هو شكل يشكل نتوءات تقسم وتشجع التحول إلى جانبين للمنشور.

الانتروبيا نقطة الصفر

كيلو بايتˣ لين ( ن

العلماء وأعمالهم في هذا المجال

يمكن تعريفها على أنها S 0 = كيلو بايتˣ لين ( ن E0)، حيث k B هو ثابت بولتزمان، N E هو عدد التكوينات عند الطاقة E، و E0 هي أدنى طاقة. هذه القيمة للإنتروبيا للجليد السداسي عند صفر كلفن لا تنتهك القانون الثالث للديناميكا الحرارية، "إن إنتروبيا البلورة المثالية عند الصفر المطلق هي بالضبط صفر"، لأن هذه العناصر والجسيمات ليست مثالية ولها روابط هيدروجينية مضطربة.

في هذا الجسم، تكون الروابط الهيدروجينية عشوائية وسريعة التغير. هذه الهياكل ليست متساوية تمامًا في الطاقة، ولكنها تمتد إلى عدد كبير جدًا من الحالات المتقاربة طاقيًا وتخضع لـ "قواعد الجليد". إنتروبيا نقطة الصفر هي الاضطراب الذي سيبقى حتى لو أمكن تبريد المادة إلى الصفر المطلق (0 كلفن = -273.15 درجة مئوية). يؤدي إلى ارتباك تجريبي للجليد السداسي 3.41 (±0.2)ˣmol -1ˣK -1 . من الناحية النظرية، سيكون من الممكن حساب الإنتروبيا الصفرية لبلورات الجليد المعروفة بدقة أكبر بكثير (إهمال العيوب وتشتت مستوى الطاقة) من تحديدها تجريبيًا.

على الرغم من أن ترتيب البروتونات في الجليد غير مرتب، إلا أن السطح ربما يفضل ترتيب الجسيمات المذكورة على شكل مجموعات من ذرات H المتدلية وأزواج O الوحيدة (صفر إنتروبيا مع روابط هيدروجينية مرتبة). تم العثور على اضطراب نقطة الصفر ZPE وJˣmol -1ˣK-1 وغيرها. من كل ما سبق، من الواضح والمفهوم ما هي أنواع الشبكات البلورية المميزة للجليد.

أو في موسين، آي إجناتوف (بلغاريا)

حاشية. ملاحظة لا يمكن التقليل من أهمية الجليد في دعم الحياة على كوكبنا. للجليد تأثير كبير على الظروف المعيشية للنباتات والحيوانات وعلى مختلف أنواع النشاط الاقتصادي البشري. إن تغطية الماء والجليد بسبب كثافته المنخفضة يلعب في الطبيعة دور شاشة عائمة تحمي الأنهار والخزانات من المزيد من التجمد وتحافظ على حياة السكان تحت الماء. يعد استخدام الجليد لأغراض مختلفة (احتباس الثلج، وبناء المعابر الجليدية والمستودعات متساوية الحرارة، وملء مرافق التخزين والمناجم بالثلج) موضوعًا لعدد من أقسام علوم الأرصاد الجوية الهيدرولوجية والهندسية، مثل هندسة الجليد، وهندسة الثلج، والتربة الصقيعية الهندسية، بالإضافة إلى أنشطة خدمات استطلاع الجليد الخاصة ومعدات نقل كاسحات الجليد وإزالة الثلوج. يستخدم الثلج الطبيعي لتخزين وتبريد المنتجات الغذائية والمستحضرات البيولوجية والطبية، حيث يتم إنتاجه وإعداده خصيصاً، كما يستخدم الماء الذائب المحضر عن طريق ذوبان الجليد في الطب الشعبي لزيادة التمثيل الغذائي وإخراج السموم من الجسم. يقدم المقال للقارئ خصائص وتعديلات جديدة غير معروفة للجليد.

الجليد هو شكل بلوري من الماء، والذي، وفقًا لأحدث البيانات، يحتوي على أربعة عشر تعديلًا هيكليًا. من بينها هناك تعديلات بلوري (جليد طبيعي) وغير متبلور (ثلج مكعب) وتعديلات شبه مستقرة، تختلف عن بعضها البعض في الترتيب المتبادل والخصائص الفيزيائية لجزيئات الماء المرتبطة بروابط هيدروجينية تشكل الشبكة البلورية للجليد. جميعها، باستثناء الجليد الطبيعي المألوف I h، الذي يتبلور في شبكة سداسية، تتشكل في ظل ظروف غريبة - عند درجات حرارة منخفضة جدًا من الجليد الجاف والنيتروجين السائل وضغوط عالية تصل إلى آلاف الأجواء، عندما تكون زوايا الروابط الهيدروجينية في تغير جزيء الماء وتتشكل أنظمة بلورية تختلف عن السداسية. مثل هذه الظروف تشبه تلك الموجودة في الفضاء ولا تحدث على الأرض.

في الطبيعة، يتم تمثيل الجليد بشكل أساسي بصنف بلوري واحد، يتبلور في شبكة سداسية الشكل، تذكرنا ببنية الماس، حيث يحيط بكل جزيء ماء أربعة جزيئات أقرب إليه، وتقع على مسافات متساوية منه، تساوي 2.76 أنجستروم وتوضع عند رؤوس رباعي الاسطح المنتظم. وبسبب انخفاض رقم التنسيق فإن تركيب الجليد شبكي مما يؤثر على كثافته المنخفضة البالغة 0.931 جم/سم3.

الخاصية الأكثر غرابة للجليد هي تنوعه المذهل في المظاهر الخارجية. مع نفس البنية البلورية، يمكن أن تبدو مختلفة تمامًا، حيث تأخذ شكل حبات برد شفافة ورقاقات ثلجية، أو رقائق من الثلج الرقيق، أو قشرة كثيفة لامعة من الجليد أو كتل جليدية عملاقة. ويتواجد الجليد في الطبيعة على شكل جليد قاري، وعائم، وتحت الأرض، بالإضافة إلى الثلج والصقيع. وهو منتشر في جميع مناطق السكن البشري. عندما يتم تجميع الثلج والجليد بكميات كبيرة، فإنه يشكل هياكل خاصة ذات خصائص تختلف جوهريًا عن تلك الخاصة بالبلورات أو رقاقات الثلج الفردية. يتكون الجليد الطبيعي بشكل رئيسي من الجليد ذو الأصل الرسوبي المتحول، والذي يتكون من هطول الأمطار الصلبة في الغلاف الجوي نتيجة للضغط اللاحق وإعادة البلورة. السمة المميزة للجليد الطبيعي هي التحبب والنطاقات. التحبب يرجع إلى عمليات إعادة البلورة. كل حبة من الجليد الجليدي عبارة عن بلورة غير منتظمة الشكل، متاخمة بشكل وثيق للبلورات الأخرى في كتلة الجليد بطريقة تجعل نتوءات إحدى البلورات تتناسب بإحكام مع تجاويف بلورة أخرى. ويسمى هذا النوع من الجليد متعدد البلورات. وفيها تكون كل بلورة ثلجية عبارة عن طبقة من الأوراق الرقيقة المتداخلة مع بعضها البعض في المستوى القاعدي المتعامدة مع اتجاه المحور البصري للبلورة.

ويقدر إجمالي احتياطيات الجليد على الأرض بحوالي 30 مليونًا. كم 3(الجدول 1). ويتركز معظم الجليد في القارة القطبية الجنوبية، حيث يصل سمك طبقته إلى 4 كم.هناك أيضًا أدلة على وجود الجليد على كواكب النظام الشمسي والمذنبات. يعد الجليد مهمًا جدًا لمناخ كوكبنا وموئل الكائنات الحية عليه، حيث خصص العلماء بيئة خاصة للجليد - الغلاف الجليدي، الذي تمتد حدوده عاليًا إلى الغلاف الجوي وعميقًا في قشرة الأرض.

طاولة 1. كمية وتوزيع وعمر الجليد.

بلورات الجليد فريدة من نوعها في شكلها ونسبها. تسعى أي بلورة طبيعية متنامية، بما في ذلك بلورة الجليد، دائمًا إلى إنشاء شبكة بلورية عادية مثالية، لأن هذا مفيد من حيث الحد الأدنى من طاقتها الداخلية. أي شوائب، كما هو معروف، تشوه شكل البلورة، لذلك، عندما يتبلور الماء، يتم بناء جزيئات الماء أولاً في الشبكة، ويتم دفع الذرات الغريبة وجزيئات الشوائب إلى السائل. وفقط عندما لا يكون هناك مكان تذهب إليه الشوائب، تبدأ بلورة الجليد في دمجها في بنيتها أو تتركها على شكل كبسولات مجوفة تحتوي على سائل مركز غير متجمد - محلول ملحي. ولذلك فإن الجليد البحري يكون طازجًا، وحتى المسطحات المائية الأكثر قذارة تكون مغطاة بالجليد الشفاف والنظيف. عندما يذوب الجليد، فإنه يزيح الشوائب إلى المحلول الملحي. على المستوى الكوكبي، تلعب ظاهرة تجميد وذوبان الماء، إلى جانب تبخر الماء وتكثيفه، دور عملية تنقية هائلة تقوم فيها المياه على الأرض بتنقية نفسها باستمرار.

طاولة 2. بعض الخصائص الفيزيائية للجليد I.

ملكية	معنى	ملحوظة
السعة الحرارية، كال/(جم درجة مئوية) حرارة الانصهار كالوري/جم حرارة التبخر كالوري/جم		تنخفض بشكل كبير مع انخفاض درجة الحرارة
معامل التمدد الحراري، 1/ درجة مئوية	9.1 10 -5 (0 درجة مئوية)	الجليد متعدد البلورات
الموصلية الحرارية، كال / (سم ثانية درجة مئوية)		الجليد متعدد البلورات
معامل الانكسار:		الجليد متعدد البلورات
الموصلية الكهربائية المحددة، أوم -1 سم -1		طاقة التنشيط الظاهرة 11 كيلو كالوري / مول
الموصلية الكهربائية السطحية، أوم -1		طاقة التنشيط الظاهرة 32 كيلو كالوري/مول
معامل يونغ للمرونة داين/سم2	9 10 10 (-5 درجة مئوية)	الجليد متعدد البلورات
المقاومة، MN/m2: سحق		الجليد متعدد البلورات الجليد متعدد البلورات الجليد متعدد البلورات
اللزوجة الديناميكية، الاتزان		الجليد متعدد البلورات
طاقة التنشيط أثناء التشوه والاسترخاء الميكانيكي، كيلو كالوري/مول		يزيد خطيًا بمقدار 0.0361 سعرة حرارية/(مول درجة مئوية) من 0 إلى 273.16 كلفن

1 كال / (ز درجة مئوية) = 4.186 كيلوجول / (كجم ك)؛ 1 أوم -1 سم -1 = 100 شريحة/م؛ 1 داين = 10 -5 ن ; 1 ن = 1 كجم م/ث²؛ 1 داين/سم=10 -7 نيوتن/م؛ 1 كالوري/(سم·ثانية°C)=418.68 واط/(م·ك)؛ 1 اتزان = جم/سم ث = 10 -1 ن ثانية/م 2 .

ونظرًا للتوزيع الواسع للجليد على الأرض، فإن الاختلاف في الخصائص الفيزيائية للجليد (الجدول 2) عن خصائص المواد الأخرى يلعب دورًا مهمًا في العديد من العمليات الطبيعية. يمتلك الجليد العديد من الخصائص والشذوذات الأخرى التي تحافظ على الحياة - الشذوذات في الكثافة والضغط والحجم والتوصيل الحراري. إذا لم تكن هناك روابط هيدروجينية تربط جزيئات الماء معًا لتشكل بلورة، فإن الجليد سيذوب عند -90 درجة مئوية. لكن هذا لا يحدث بسبب وجود روابط هيدروجينية بين جزيئات الماء. ونظرًا لكثافته الأقل من الماء، يشكل الجليد غطاءً عائمًا على سطح الماء، مما يحمي الأنهار والخزانات من تجمد القاع، نظرًا لأن موصليته الحرارية أقل بكثير من موصلية الماء. في هذه الحالة، لوحظ أدنى كثافة وحجم عند +3.98 درجة مئوية (الشكل 1). يؤدي المزيد من تبريد الماء إلى 0 درجة مئوية تدريجيًا إلى عدم الانخفاض، بل إلى زيادة حجمه بنسبة 10٪ تقريبًا، عندما يتحول الماء إلى جليد. يشير سلوك الماء هذا إلى وجود مرحلتين من التوازن في الماء في وقت واحد - السائل وشبه البلوري، قياسًا على أشباه البلورات، التي لا تحتوي شبكتها البلورية على بنية دورية فحسب، بل تحتوي أيضًا على محاور تناظر ذات أوامر مختلفة، والتي كان وجودها سابقًا تناقض مع أفكار علماء البلورات. هذه النظرية، التي طرحها لأول مرة عالم الفيزياء النظرية الروسي الشهير Ya.I.Frenkel، تعتمد على افتراض أن بعض الجزيئات السائلة تشكل بنية شبه بلورية، في حين أن الجزيئات المتبقية تشبه الغاز، وتتحرك بحرية في جميع أنحاء الحجم. إن توزيع الجزيئات في محيط صغير من أي جزيء ماء ثابت له ترتيب معين، يذكرنا إلى حد ما بالبلورية، على الرغم من أنه أكثر فضفاضة. ولهذا السبب، يُطلق على بنية الماء أحيانًا اسم شبه البلوري أو شبه البلوري، أي أن لها تماثلًا وانتظامًا في الترتيب النسبي للذرات أو الجزيئات.

أرز. 1. اعتماد الحجم المحدد للثلج والماء على درجة الحرارة

خاصية أخرى هي أن سرعة تدفق الجليد تتناسب طرديا مع طاقة التنشيط وتتناسب عكسيا مع درجة الحرارة المطلقة، بحيث مع انخفاض درجة الحرارة، يقترب الجليد من جسم صلب تماما في خصائصه. في المتوسط، عند درجات حرارة قريبة من الذوبان، تكون سيولة الجليد أعلى بمقدار 10 6 مرات من سيولة الصخور. وبسبب سيولته، لا يتراكم الجليد في مكان واحد، بل يتحرك باستمرار على شكل أنهار جليدية. العلاقة بين سرعة التدفق والإجهاد في الجليد متعدد البلورات هي علاقة زائدية؛ عندما يتم وصفه تقريبًا بمعادلة القدرة، يزداد الأس مع زيادة الجهد.

لا يمتص الجليد الضوء المرئي عمليا، لأن أشعة الضوء تمر عبر بلورة الجليد، لكنها تحجب الأشعة فوق البنفسجية ومعظم الأشعة تحت الحمراء القادمة من الشمس. وفي هذه المناطق من الطيف يظهر الجليد باللون الأسود تماما، حيث أن معامل امتصاص الضوء في هذه المناطق من الطيف مرتفع جدا. وعلى عكس بلورات الجليد، فإن الضوء الأبيض المتساقط على الثلج لا يمتص، بل ينكسر عدة مرات في بلورات الثلج وينعكس عن وجوهها. ولهذا السبب يبدو الثلج أبيض اللون.

نظرًا للانعكاس العالي جدًا للجليد (0.45) والثلج (حتى 0.95)، تبلغ المساحة المغطاة بهما في المتوسط ​​حوالي 72 مليون كيلومتر سنويًا. كم 2في خطوط العرض العليا والمتوسطة لكلا نصفي الكرة الأرضية - فهي تتلقى حرارة شمسية أقل بنسبة 65٪ من المعتاد وهي مصدر قوي لتبريد سطح الأرض، وهو ما يحدد إلى حد كبير تقسيم المناطق المناخية العرضية الحديثة. في الصيف، في المناطق القطبية، يكون الإشعاع الشمسي أكبر مما هو عليه في المنطقة الاستوائية، ومع ذلك، تظل درجة الحرارة منخفضة، حيث يتم إنفاق جزء كبير من الحرارة الممتصة على ذوبان الجليد، الذي يحتوي على حرارة ذوبان عالية جدًا.

وتشمل الخصائص الأخرى غير العادية للجليد توليد الإشعاع الكهرومغناطيسي من خلال بلوراته المتنامية. ومن المعروف أن معظم الشوائب الذائبة في الماء لا تنتقل إلى الجليد عندما يبدأ في النمو؛ لقد تم تجميدهم. لذلك، حتى في البركة القذرة، يكون فيلم الجليد نظيفًا وشفافًا. وفي هذه الحالة تتراكم الشوائب عند حدود الوسط الصلب والسائل، على شكل طبقتين من الشحنات الكهربائية ذات الإشارات المختلفة، مما يسبب اختلافاً كبيراً في الجهود. تتحرك طبقة الشوائب المشحونة مع الحدود السفلية للجليد الصغير وتنبعث منها موجات كهرومغناطيسية. وبفضل هذا، يمكن ملاحظة عملية التبلور بالتفصيل. وهكذا فإن البلورة التي تنمو في الطول على شكل إبرة تنبعث بشكل مختلف عن البلورة المغطاة بالعمليات الجانبية، ويختلف إشعاع الحبوب النامية عما يحدث عندما تتشقق البلورات. من خلال شكل وتسلسل وتكرار وسعة نبضات الإشعاع، يمكن تحديد السرعة التي يتجمد بها الجليد ونوع البنية الجليدية التي يتم تشكيلها.

لكن الشيء الأكثر إثارة للدهشة في بنية الجليد هو أن جزيئات الماء عند درجات حرارة منخفضة وضغوط عالية داخل أنابيب الكربون النانوية يمكن أن تتبلور إلى شكل حلزوني مزدوج، يذكرنا بجزيئات الحمض النووي. وقد ثبت ذلك من خلال تجارب الكمبيوتر الأخيرة التي أجراها علماء أمريكيون بقيادة شياو تشينغ تسنغ من جامعة نبراسكا (الولايات المتحدة الأمريكية). لكي يتمكن الماء من تشكيل حلزوني في تجربة محاكاة، تم وضعه في أنابيب نانوية يبلغ قطرها من 1.35 إلى 1.90 نانومتر تحت ضغط عالٍ يتراوح من 10 إلى 40.000 ضغط جوي ودرجة حرارة -23 درجة مئوية. وكان من المتوقع أن نرى أن الماء في جميع الأحوال يشكل بنية أنبوبية رقيقة. ومع ذلك، أظهر النموذج أنه بقطر أنبوب نانوي يبلغ 1.35 نانومتر وضغط خارجي يبلغ 40 ألف ضغط جوي، انثنت الروابط الهيدروجينية في البنية الجليدية، مما أدى إلى تكوين حلزوني بجدار مزدوج - داخلي وخارجي. في ظل هذه الظروف، تحول الجدار الداخلي إلى حلزون رباعي، ويتكون الجدار الخارجي من أربعة حلزونات مزدوجة، على غرار جزيء الحمض النووي (الشكل 2). يمكن أن تكون هذه الحقيقة بمثابة تأكيد على العلاقة بين بنية جزيء الحمض النووي الحيوي وبنية الماء نفسه وأن الماء بمثابة مصفوفة لتخليق جزيئات الحمض النووي.

أرز. 2. نموذج حاسوبي لبنية الماء المتجمد في الأنابيب النانوية، يشبه جزيء الحمض النووي (صورة من مجلة نيوساينتست، 2006)

ومن أهم خصائص الماء التي تم اكتشافها مؤخرًا أن الماء لديه القدرة على تذكر المعلومات حول التأثيرات الماضية. تم إثبات ذلك لأول مرة من قبل الباحث الياباني ماسارو إيموتو ومواطننا ستانيسلاف زينين، الذي كان من أوائل الذين اقترحوا نظرية عنقودية لبنية الماء، تتكون من شركاء حلقيين لهيكل متعدد السطوح الحجمي - مجموعات من الصيغة العامة (H) 2 O) n، حيث n، وفقًا لأحدث البيانات، يمكن أن تصل إلى مئات وحتى آلاف الوحدات. بفضل وجود مجموعات في الماء، يحتوي الماء على خصائص معلوماتية. قام الباحثون بتصوير عمليات تجميد الماء إلى بلورات جليدية دقيقة، والتأثير عليها بمختلف المجالات الكهرومغناطيسية والصوتية، والألحان، والصلاة، والكلمات أو الأفكار. اتضح أنه تحت تأثير المعلومات الإيجابية على شكل ألحان وكلمات جميلة، تجمد الجليد إلى بلورات سداسية متناظرة. حيث بدت الموسيقى غير المنتظمة والكلمات الغاضبة والمهينة، على العكس من ذلك، تجمد الماء إلى بلورات فوضوية وعديمة الشكل. وهذا دليل على أن الماء له بنية خاصة حساسة لتأثيرات المعلومات الخارجية. من المفترض أن الدماغ البشري، الذي يتكون من 85-90٪ من الماء، له تأثير هيكلي قوي على الماء.

تثير بلورات إيموتو الاهتمام والنقد غير المدعم بما فيه الكفاية. إذا نظرت إليها بعناية، يمكنك أن ترى أن هيكلها يتكون من ستة قمم. لكن التحليل الأكثر دقة يظهر أن رقاقات الثلج في الشتاء لها نفس البنية، ودائمًا ما تكون متناظرة ولها ستة قمم. إلى أي مدى تحتوي الهياكل المتبلورة على معلومات عن البيئة التي نشأت فيها؟ يمكن أن يكون هيكل رقاقات الثلج جميلًا أو عديم الشكل. وهذا يشير إلى أن عينة التحكم (السحابة في الغلاف الجوي) التي تنشأ فيها لها نفس التأثير عليها مثل الظروف الأصلية. الظروف الأولية هي النشاط الشمسي ودرجة الحرارة والمجالات الجيوفيزيائية والرطوبة وما إلى ذلك. كل هذا يعني ذلك مما يسمى. مجموعة متوسطة، يمكننا أن نستنتج أن بنية قطرات الماء ثم رقاقات الثلج هي نفسها تقريبًا. كتلتها هي نفسها تقريبا، وتتحرك عبر الغلاف الجوي بسرعات مماثلة. في الغلاف الجوي يستمرون في تشكيل هياكلهم وزيادة حجمهم. حتى لو تشكلت في أجزاء مختلفة من السحابة، ففي مجموعة واحدة يوجد دائمًا عدد معين من رقاقات الثلج التي نشأت في ظل نفس الظروف تقريبًا. والإجابة على سؤال ما الذي يشكل معلومات إيجابية وسلبية حول رقاقات الثلج يمكن العثور عليها في إيموتو. في ظروف المختبر، لا تشكل المعلومات السلبية (الزلزال، الاهتزازات الصوتية غير المواتية للإنسان، وما إلى ذلك) بلورات، بل معلومات إيجابية، بل على العكس تماما. ومن المثير للاهتمام إلى أي مدى يمكن لعامل واحد أن يشكل نفس الهياكل أو هياكل مماثلة لرقاقات الثلج. لوحظت أعلى كثافة للمياه عند درجة حرارة 4 درجات مئوية. وقد ثبت علميا أن كثافة الماء تنخفض عندما تبدأ بلورات الجليد السداسية في التشكل عندما تنخفض درجة الحرارة إلى ما دون الصفر. وهذا نتيجة الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء.

ما هو سبب هذه الهيكلة؟ البلورات هي مواد صلبة، والذرات أو الجزيئات أو الأيونات المكونة لها مرتبة في نمط منتظم ومتكرر في ثلاثة أبعاد مكانية. هيكل بلورات الماء مختلف قليلا. وفقا لإسحاق، فإن 10٪ فقط من الروابط الهيدروجينية في الجليد تكون تساهمية، أي. بمعلومات مستقرة إلى حد ما. تعتبر الروابط الهيدروجينية بين الأكسجين الموجود في جزيء ماء وهيدروجين جزيء آخر أكثر حساسية للتأثيرات الخارجية. يختلف طيف الماء عند بناء البلورات نسبيًا بمرور الوقت. وفقا لتأثير التبخر المنفصل لقطرة الماء الذي أثبته أنتونوف ويوسكيسيليف واعتماده على حالات الطاقة للروابط الهيدروجينية، يمكننا البحث عن إجابة حول بنية البلورات. ويعتمد كل جزء من الطيف على التوتر السطحي لقطرات الماء. هناك ستة قمم في الطيف، والتي تشير إلى فروع ندفة الثلج.

من الواضح أنه في تجارب إيموتو، تؤثر عينة "التحكم" الأولية على مظهر البلورات. وهذا يعني أنه بعد التعرض لعامل معين، يمكن توقع تكوين بلورات مماثلة. يكاد يكون من المستحيل الحصول على بلورات متطابقة. وعند اختبار تأثير كلمة "حب" على الماء، لا يشير إيموتو بوضوح إلى ما إذا كانت التجربة قد أجريت على عينات مختلفة.

هناك حاجة لتجارب مزدوجة التعمية لاختبار ما إذا كانت تقنية إيموتو متمايزة بما فيه الكفاية. إن برهان إسحاق على أن 10% من جزيئات الماء تشكل روابط تساهمية بعد التجميد يبين لنا أن الماء يستخدم هذه المعلومات عندما يتجمد. يظل إنجاز إيموتو، حتى بدون تجارب مزدوجة التعمية، مهمًا جدًا فيما يتعلق بمعلومات خصائص الماء.

ندفة الثلج الطبيعية، ويلسون بنتلي، 1925

ندفة الثلج إيموتو تم الحصول عليها من المياه الطبيعية

إحدى رقاقات الثلج طبيعية، والأخرى من صنع إيموتو، مما يشير إلى أن التنوع في طيف الماء ليس بلا حدود.

زلزال صوفيا بقوة 4.0 درجة على مقياس ريختر، 15 نوفمبر 2008،
دكتور. إجناتوف، 2008©، البروفيسور. جهاز أنتونوف©

يشير هذا الشكل إلى الفرق بين عينة المراقبة وتلك المأخوذة في أيام أخرى. تكسر جزيئات الماء الروابط الهيدروجينية الأكثر نشاطًا في الماء، بالإضافة إلى ذروتين في الطيف خلال ظاهرة طبيعية. تم إجراء الدراسة باستخدام جهاز أنتونوف. تظهر النتيجة البيوفيزيائية انخفاضًا في النغمة الحيوية للجسم أثناء الزلزال. أثناء حدوث زلزال، لا يستطيع الماء تغيير بنيته في رقاقات الثلج في مختبر إيموتو. هناك أدلة على حدوث تغيرات في التوصيل الكهربائي للمياه أثناء الزلزال.

في عام 1963، لاحظ التلميذ التنزاني إيراستو مبيمبا أن الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع من الماء البارد. وتسمى هذه الظاهرة تأثير مبيمبا. على الرغم من أن الخاصية الفريدة للمياه قد لاحظها أرسطو وفرانسيس بيكون ورينيه ديكارت قبل ذلك بكثير. وقد تم إثبات هذه الظاهرة عدة مرات من خلال عدد من التجارب المستقلة. وللماء خاصية غريبة أخرى. في رأيي، تفسير ذلك هو ما يلي: إن طيف الطاقة التفاضلية غير المتوازنة (DNES) للماء المغلي يحتوي على متوسط ​​طاقة الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء أقل من تلك الموجودة في العينة المأخوذة في درجة حرارة الغرفة. وهذا يعني أن الماء المغلي يحتاج إلى طاقة أقل للبدء في تكوين البلورات والتجميد.

إن مفتاح بنية الجليد وخصائصه يكمن في بنية بلورته. يتم بناء بلورات الجليد بجميع أشكالها من جزيئات الماء H2O المرتبطة بروابط هيدروجينية في هياكل شبكية ثلاثية الأبعاد مع ترتيب محدد للروابط الهيدروجينية. يمكن ببساطة تخيل جزيء الماء على أنه رباعي السطوح (هرم ذو قاعدة مثلثة). يوجد في مركزها ذرة أكسجين وهي في حالة تهجين sp 3، وفي رأسين توجد ذرة هيدروجين، يشارك أحد إلكتروناتها 1s في تكوين رابطة تساهمية H-O مع الأكسجين. تشغل القمتان المتبقيتان أزواج من إلكترونات الأكسجين غير المتزاوجة، والتي لا تشارك في تكوين الروابط داخل الجزيئات، لذلك يطلق عليها اسم وحيدة. يتم تفسير الشكل المكاني لجزيء H 2 O من خلال التنافر المتبادل بين ذرات الهيدروجين وأزواج الإلكترون الوحيدة لذرة الأكسجين المركزية.

يعد الترابط الهيدروجيني مهمًا في كيمياء التفاعلات بين الجزيئات وينتج عن ضعف القوى الكهروستاتيكية والتفاعلات بين المانحين والمتقبلين. ويحدث ذلك عندما تتفاعل ذرة الهيدروجين التي تعاني من نقص الإلكترون في جزيء ماء واحد مع زوج الإلكترون الوحيد لذرة الأكسجين في جزيء الماء المجاور (O-H...O). السمة المميزة لرابطة الهيدروجين هي قوتها المنخفضة نسبيًا؛ وهي أضعف بمقدار 5-10 مرات من الرابطة التساهمية الكيميائية. من حيث الطاقة، تحتل الرابطة الهيدروجينية موقعًا متوسطًا بين الرابطة الكيميائية وتفاعلات فان دير فال التي تحمل الجزيئات في الطور الصلب أو السائل. يمكن لكل جزيء ماء في بلورة ثلجية أن يشكل في الوقت نفسه أربع روابط هيدروجينية مع جزيئات مجاورة أخرى بزوايا محددة بدقة تساوي 109°47"، موجهة نحو رؤوس رباعي السطوح، والتي لا تسمح بإنشاء بنية كثيفة عندما يتجمد الماء ( الشكل 3). في الهياكل الجليدية I وIc وVII وVIII، يكون رباعي الأسطح منتظمًا. في الهياكل الجليدية II وIII وV وVI، تكون رباعيات الأسطح مشوهة بشكل ملحوظ. في الهياكل الجليدية VI وVII وVIII، يوجد نظامان متقاطعان يمكن تمييز الروابط الهيدروجينية، هذا الإطار غير المرئي من الروابط الهيدروجينية يرتب جزيئات الماء على شكل شبكة شبكية، يشبه هيكلها قرص العسل السداسي مع قنوات داخلية مجوفة.إذا تم تسخين الجليد، يتم تدمير بنية الشبكة: جزيئات الماء تبدأ في السقوط في فراغات الشبكة، مما يؤدي إلى بنية سائلة أكثر كثافة - وهذا ما يفسر سبب كون الماء أثقل من الجليد.

أرز. 3. تكوين رابطة هيدروجينية بين أربعة جزيئات H2O (الكرات الحمراء تمثل ذرات الأكسجين المركزية، والكرات البيضاء تمثل ذرات الهيدروجين)

يتم الحفاظ على خصوصية الروابط الهيدروجينية والتفاعلات بين الجزيئات المميزة لبنية الجليد في الماء الذائب، لأنه عندما تذوب بلورة الجليد، يتم تدمير 15٪ فقط من جميع روابط الهيدروجين. لذلك، لم يتم انتهاك العلاقة بين كل جزيء ماء وأربعة جزيئات مجاورة متأصلة في الجليد ("ترتيب قصير المدى")، على الرغم من ملاحظة تشويش أكبر في شبكة إطار الأكسجين. يمكن أيضًا الحفاظ على الروابط الهيدروجينية عند غليان الماء. فقط في بخار الماء لا توجد روابط هيدروجينية.

يعد الجليد، الذي يتشكل عند الضغط الجوي ويذوب عند درجة حرارة 0 درجة مئوية، المادة الأكثر شيوعًا، لكنه لا يزال غير مفهوم تمامًا. يبدو الكثير في هيكله وخصائصه غير عادي. في مواقع الشبكة البلورية للجليد، تترتب ذرات الأكسجين في رباعيات جزيئات الماء بشكل منظم، لتشكل أشكالًا سداسية منتظمة، مثل قرص العسل السداسي، وتحتل ذرات الهيدروجين مواقع متنوعة على الروابط الهيدروجينية التي تربط بين الجليد. ذرات الأكسجين (الشكل 4). لذلك، من الممكن وجود ستة اتجاهات مكافئة لجزيئات الماء بالنسبة لجيرانها. تم استبعاد بعضها، نظرًا لأن وجود بروتونين في نفس الوقت على نفس الرابطة الهيدروجينية أمر غير محتمل، ولكن لا يزال هناك قدر كافٍ من عدم اليقين في اتجاه جزيئات الماء. هذا السلوك للذرات غير نمطي، إذ في المادة الصلبة جميع الذرات تخضع لنفس القانون: إما أن يتم ترتيب الذرات بطريقة منظمة، فتكون بلورة، أو عشوائيًا، فتكون مادة غير متبلورة. يمكن تحقيق مثل هذا الهيكل غير المعتاد في معظم تعديلات الجليد - Ih وIII وV وVI وVII (وعلى ما يبدو في Ic) (الجدول 3)، وفي بنية الجليد II وVIII وIX، تكون جزيئات الماء مرتبة اتجاهيًا . وفقًا لـ J. Bernal، فإن الجليد يكون بلوريًا بالنسبة لذرات الأكسجين وزجاجيًا بالنسبة لذرات الهيدروجين.

أرز. 4. التركيب الجليدي ذو التكوين السداسي الطبيعي I h

في ظروف أخرى، على سبيل المثال في الفضاء عند ضغوط عالية ودرجات حرارة منخفضة، يتبلور الجليد بشكل مختلف، ويشكل شبكات بلورية أخرى وتعديلات (مكعب، مثلثي، رباعي الزوايا، أحادي الميل، وما إلى ذلك)، ولكل منها هيكلها الخاص وشبكتها البلورية (الجدول 3). تم حساب هياكل الجليد بمختلف التعديلات من قبل الباحثين الروس د. جي جي. مالينكوف ودكتوراه في الفيزياء والرياضيات. إ.أ. Zheligovskaya من معهد الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الكهربائية الذي سمي على اسم. أ.ن. فرومكين من الأكاديمية الروسية للعلوم. يتم الحفاظ على الجليد من التعديلات II وIII وV لفترة طويلة عند الضغط الجوي إذا كانت درجة الحرارة لا تتجاوز -170 درجة مئوية (الشكل 5). عند تبريده إلى -150 درجة مئوية تقريبًا، يتحول الجليد الطبيعي إلى ثلج مكعب Ic، يتكون من مكعبات وأوكتاهدرا يبلغ حجمها عدة نانومترات. يظهر الجليد I c أحيانًا عندما يتجمد الماء في الشعيرات الدموية، وهو ما يسهله على ما يبدو تفاعل الماء مع مادة الجدار وتكرار تركيبه. إذا كانت درجة الحرارة أعلى قليلاً من -110 درجة مئوية، تتشكل بلورات من الجليد الزجاجي غير المتبلور الأكثر كثافة والأثقل بكثافة 0.93 جم/سم 3 على الركيزة المعدنية. كلا هذين الشكلين من الجليد يمكن أن يتحولا تلقائيًا إلى جليد سداسي، وكلما زادت سرعة ذلك ارتفعت درجة الحرارة.

طاولة 3. بعض التعديلات على الجليد ومعاييرها الفيزيائية.

ملحوظة. 1 Å = 10 -10 م

أرز. 5. رسم تخطيطي لحالة الجليد البلورية بمختلف التعديلات.

هناك أيضًا جليد عالي الضغط - تعديلات ثلاثية ورباعية الزوايا II و III ، مكونة من أقراص عسل مجوفة مكونة من عناصر مموجة سداسية ، مزاح بالنسبة لبعضها البعض بمقدار الثلث (الشكل 6 والشكل 7). وتستقر هذه الثلوج في وجود الغازات النبيلة الهيليوم والأرجون. في بنية التعديل أحادي الميل للجليد V، تتراوح الزوايا بين ذرات الأكسجين المجاورة من 86 درجة إلى 132 درجة، وهي مختلفة تمامًا عن زاوية الرابطة في جزيء الماء، والتي تبلغ 105 درجة 47 بوصة. يتكون الجليد السادس من التعديل الرباعي من إطارين يتم إدخالهما في بعضهما البعض، ولا توجد بينهما روابط هيدروجينية، مما يؤدي إلى تكوين شبكة بلورية مركزية حول الجسم (الشكل 8). يعتمد هيكل الجليد السادس على السداسيات - كتل من ستة جزيئات ماء. يكرر تكوينها تمامًا بنية مجموعة مستقرة من الماء، والتي يتم الحصول عليها من خلال الحسابات. الجليد السابع والثامن من التعديل المكعب، وهما شكلان مرتبان بدرجة حرارة منخفضة من الجليد السابع، لهما بنية مماثلة مع إطارات من الجليد أدخلتها في بعضها البعض. مع زيادة لاحقة في الضغط، فإن المسافة بين ذرات الأكسجين في الشبكة البلورية للجليدين السابع والثامن ستنخفض، ونتيجة لذلك يتم تشكيل بنية الجليد X، حيث يتم ترتيب ذرات الأكسجين في شبكة منتظمة، و يتم ترتيب البروتونات.

أرز. 7. تكوين الجليد الثالث.

يتشكل الجليد XI عن طريق التبريد العميق للجليد I h مع إضافة قلويات أقل من 72 كلفن عند الضغط العادي. في ظل هذه الظروف، تتشكل عيوب بلورات الهيدروكسيل، مما يسمح لبلورة الجليد المتنامية بتغيير بنيتها. يحتوي Ice XI على شبكة بلورية متعامدة الشكل مع ترتيب مرتب للبروتونات وتتشكل في وقت واحد في العديد من مراكز التبلور بالقرب من عيوب الهيدروكسيل في البلورة.

أرز. 8. تكوين الجليد السادس.

ومن بين الجليد، هناك أيضًا شكلان متبدلان الاستقرار IV وXII، يبلغ عمرهما ثوانٍ، ويتمتعان بأجمل بنية (الشكل 9 والشكل 10). للحصول على جليد شبه مستقر، من الضروري ضغط الجليد I h إلى ضغط قدره 1.8 جيجا باسكال عند درجة حرارة النيتروجين السائل. تتشكل هذه الثلوج بسهولة أكبر وتكون مستقرة بشكل خاص إذا تعرض الماء الثقيل شديد البرودة للضغط. تعديل آخر شبه مستقر، الجليد IX، يتشكل عندما يكون الجليد III شديد البرودة ويمثل بشكل أساسي شكله المنخفض الحرارة.

أرز. 9. تكوين الجليد الرابع.

أرز. 10. تكوين الجليد الثاني عشر.

تم اكتشاف التعديلين الأخيرين للجليد - مع التكوين أحادي الميل الثالث عشر والتكوين المعيني الرابع عشر - من قبل علماء من أكسفورد (المملكة المتحدة) مؤخرًا - في عام 2006. كان من الصعب تأكيد الافتراض القائل بضرورة وجود بلورات ثلجية ذات شبكات أحادية الميل ومتعامدة: لزوجة الماء عند درجة حرارة -160 درجة مئوية عالية جدًا، ومن الصعب أن تتجمع جزيئات الماء النقي فائق التبريد معًا بهذه الكميات. لتكوين نواة بلورية. تم تحقيق ذلك باستخدام محفز - حمض الهيدروكلوريك، مما زاد من حركة جزيئات الماء في درجات حرارة منخفضة. مثل هذه التعديلات للجليد لا يمكن أن تتشكل على الأرض، لكنها يمكن أن توجد في الفضاء على الكواكب المبردة والأقمار الصناعية والمذنبات المتجمدة. وهكذا، فإن حسابات الكثافة والحرارة المتدفقة من سطح الأقمار الصناعية لكوكب المشتري وزحل تسمح لنا بالقول إن جانيميد وكاليستو يجب أن يكون لهما غلاف جليدي يتناوب فيه الجليد الأول والثالث والخامس والسادس. على تيتان، لا تشكل الثلوج قشرة، بل عباءة، تتكون الطبقة الداخلية منها من الجليد السادس، والجليد الآخر عالي الضغط وهيدرات الكالثرات، ويوجد الجليد I h في الأعلى.

أرز. أحد عشر. تنوع وشكل رقاقات الثلج في الطبيعة

في أعالي الغلاف الجوي للأرض عند درجات حرارة منخفضة، يتبلور الماء من رباعيات الأسطح مكونًا جليدًا سداسيًا Ih. مركز تكوين بلورات الجليد هو جزيئات الغبار الصلبة، التي ترفعها الرياح إلى الطبقات العليا من الغلاف الجوي. حول هذه البلورة الجليدية الدقيقة الجنينية، تنمو الإبر التي تتكون من جزيئات الماء الفردية في ستة اتجاهات متماثلة، حيث تنمو العمليات الجانبية - التشعبات. درجة حرارة ورطوبة الهواء حول ندفة الثلج هي نفسها، لذلك فهي متماثلة في الشكل في البداية. ومع تشكل رقاقات الثلج، فإنها تتساقط تدريجياً في الطبقات السفلية من الغلاف الجوي، حيث تكون درجة الحرارة أعلى. هنا يحدث الذوبان ويتشوه شكلها الهندسي المثالي، مما يشكل مجموعة متنوعة من رقاقات الثلج (الشكل 11).

مع مزيد من الذوبان، يتم تدمير البنية السداسية للجليد ويتم تشكيل خليط من الزميلة الدورية للمجموعات، بالإضافة إلى سداسيات الماء ثلاثية ورباعية وخماسية (الشكل 12) وجزيئات الماء المجانية. غالبًا ما تكون دراسة بنية المجموعات الناتجة أمرًا صعبًا إلى حد كبير، نظرًا لأن الماء، وفقًا للبيانات الحديثة، عبارة عن خليط من مجموعات محايدة مختلفة (H 2 O) n وأيوناتها العنقودية المشحونة [H 2 O] + n و [H 2 O ] - n، والتي تكون في حالة توازن ديناميكي فيما بينها بعمر 10 -11 -10 -12 ثانية.

أرز. 12.التجمعات المائية المحتملة (أ-ح) ذات التركيب (H2O)n، حيث n = 5-20.

المجموعات قادرة على التفاعل مع بعضها البعض من خلال وجوه رابطة الهيدروجين البارزة إلى الخارج، وتشكيل هياكل متعددة السطوح أكثر تعقيدًا مثل السداسي، والمجسم الثماني، والإيكوساهدرون، والإثني عشري الوجوه. وهكذا فإن بنية الماء ترتبط بما يسمى بالمواد الصلبة الأفلاطونية (رباعية السطوح، السداسية، المثمنة، العشرونية الوجوه، والاثني عشرية)، والتي سميت على اسم الفيلسوف اليوناني القديم وعالم الهندسة أفلاطون الذي اكتشفها، والتي يتم تحديد شكلها من خلال النسبة الذهبية (الشكل 13).

أرز. 13. المواد الصلبة الأفلاطونية، والتي يتم تحديد شكلها الهندسي بواسطة النسبة الذهبية.

يتم وصف عدد القمم (B) والأوجه (G) والحواف (P) في أي متعدد السطوح المكاني بالعلاقة:

ب + ز = ف + 2

نسبة عدد الرؤوس (B) لمتعدد السطوح العادي إلى عدد الحواف (P) لأحد وجوهه تساوي نسبة عدد الأوجه (G) لنفس متعدد السطوح إلى عدد الحواف ( P) الخارجة من أحد قممها. بالنسبة لرباعي الوجوه، تكون هذه النسبة 4:3، وللسداسي (6 وجوه) والمثمن (8 وجوه) تكون 2:1، وللاثني عشر وجهًا (12 وجهًا) والمجسم العشري (20 وجهًا) تكون 4:1.

تم التأكد من هياكل العناقيد المائية متعددة السطوح، التي حسبها العلماء الروس، باستخدام الطرق التحليلية الحديثة: التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي البروتوني، التحليل الطيفي بالليزر الفيمتو ثانية، الأشعة السينية وحيود النيوترونات على بلورات الماء. يعد اكتشاف العناقيد المائية وقدرة المياه على تخزين المعلومات من أهم اكتشافات الألفية الحادية والعشرين. وهذا يثبت بوضوح أن الطبيعة تتميز بالتناظر على شكل أشكال ونسب هندسية دقيقة، وهي خاصية بلورات الجليد.

الأدب.

1. Belyanin V.، Romanova E. Life، جزيء الماء والنسبة الذهبية // العلم والحياة، 2004، المجلد 10، العدد 3، ص. 23-34.

2. شومسكي بي إيه، أساسيات علم الجليد الهيكلي. - موسكو، 1955ب، ص. 113.

3. Mosin O.V.، Ignatov I. الوعي بالمياه باعتبارها مادة للحياة. // الوعي والواقع المادي. 2011، ط 16، رقم 12، ص. 9-22.

4. بيتريانوف آي في المادة الأكثر استثنائية في العالم موسكو، علم أصول التدريس، 1981، ص. 51-53.

5 أيزنبرغ د، كاوتسمان ف. هيكل وخصائص الماء. - لينينغراد، جيدروميتويزدات، 1975، ص. 431.

6. Kulsky L. A.، Dal V. V.، Lenchina L. G. مياه مألوفة وغامضة. – كييف، مدرسة روديانبسك، 1982، ص. 62-64.

7. Zatsepina G. N. هيكل وخصائص الماء. – موسكو، أد. جامعة موسكو الحكومية، 1974، ص. 125.

8. Antonchenko V. Ya.، Davydov N. S.، Ilyin V. V. أساسيات فيزياء المياه - كييف، ناوكوفا دومكا، 1991، ص. 167.

9. سيمونيت تي. الجليد الشبيه بالحمض النووي "شوهد" داخل أنابيب الكربون النانوية // نيو ساينتست، المجلد 12، 2006.

10. ايموتو م. رسائل الماء. رموز سرية لبلورات الجليد. - صوفيا، 2006. ص. 96.

11. Zenin S.V.، Tyaglov B.V. طبيعة التفاعل الكاره للماء. ظهور مجالات التوجه في المحاليل المائية // مجلة الكيمياء الفيزيائية، 1994، ت68، العدد 3، ص. 500-503.

12. بيمنتل جيه، ماكليلان أو. الرابطة الهيدروجينية - موسكو، ناوكا، 1964، ص. 84-85.

13. Bernal J.، Fowler R. هيكل الماء والمحاليل الأيونية // Uspekhi Fizicheskikh Nauk، 1934، T. 14، No. 5، p. 587-644.

14. خوبزا ب.، زهرادنيك ر. المجمعات الجزيئية: دور أنظمة فان دير فال في الكيمياء الفيزيائية والتخصصات الحيوية. – موسكو، مير، 1989، ص. 34-36.

15. باوندر إي آر فيزياء الجليد، ترجمة. من الانجليزية - موسكو، 1967، ص. 89.

16. كوماروف إس إم أنماط الجليد ذات الضغط العالي. // الكيمياء والحياة، 2007، العدد 2، ص 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya، G. G. Malenkov. الجليد البلورية // Uspekhi khimii، 2006، رقم 75، ص. 64.

18. فليتشر إن. إتش. الفيزياء الكيميائية للجليد، كامبريج، 1970.

19. Nemukhin A. V. تنوع المجموعات // المجلة الكيميائية الروسية، 1996، T.40، رقم 2، ص. 48-56.

20. Mosin O.V.، Ignatov I. بنية الماء والواقع المادي. // الوعي والواقع الجسدي، 2011، ط16، عدد9، ص. 16-32.

21. إجناتوف آي. طب الطاقة الحيوية. أصل المادة الحية، ذاكرة الماء، الرنين الحيوي، المجالات الفيزيائية الحيوية. - جايا ليبريس، صوفيا، 2006، ص. 93.

بحث مخصص

هيكل الماء

دكتوراه. أو.ف. موسين

جزيء الماء عبارة عن ثنائي قطب صغير يحتوي على شحنات موجبة وسالبة عند قطبيه. وبما أن كتلة وشحنة نواة الأكسجين أكبر من كتلة وشحنة نواة الهيدروجين، يتم سحب السحابة الإلكترونية نحو نواة الأكسجين. في هذه الحالة، تتعرض نواة الهيدروجين. وبالتالي فإن كثافة السحابة الإلكترونية غير منتظمة. هناك نقص في كثافة الإلكترون بالقرب من نواة الهيدروجين، وعلى الجانب الآخر من الجزيء، بالقرب من نواة الأكسجين، هناك فائض في كثافة الإلكترون. هذا الهيكل هو الذي يحدد قطبية جزيء الماء. إذا قمت بتوصيل بؤر الشحنات الإيجابية والسلبية بخطوط مستقيمة، فستحصل على شكل هندسي ثلاثي الأبعاد - رباعي السطوح العادي.

تركيب جزيء الماء (الصورة على اليمين)

ونظرًا لوجود الروابط الهيدروجينية، يشكل كل جزيء ماء رابطة هيدروجينية مع 4 جزيئات مجاورة، مما يشكل إطارًا شبكيًا مخرمًا في جزيء الجليد. ومع ذلك، في الحالة السائلة، يكون الماء سائلًا مضطربًا؛ هذه الروابط الهيدروجينية عفوية وقصيرة العمر وتنكسر بسرعة وتتشكل مرة أخرى. كل هذا يؤدي إلى عدم التجانس في بنية الماء.

الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء (الصورة أدناه على اليسار)

حقيقة أن الماء غير متجانس في تكوينه قد تم إثباتها منذ زمن طويل. ومن المعروف منذ زمن طويل أن الجليد يطفو على سطح الماء، أي أن كثافة الجليد البلوري أقل من كثافة السائل.

بالنسبة لجميع المواد الأخرى تقريبًا، تكون البلورة أكثر كثافة من الطور السائل. بالإضافة إلى ذلك، حتى بعد الذوبان، مع زيادة درجة الحرارة، تستمر كثافة الماء في الزيادة وتصل إلى الحد الأقصى عند 4 درجات مئوية. والأقل شهرة هو شذوذ انضغاط الماء: فعندما يتم تسخينه من نقطة الانصهار حتى 40 درجة مئوية، فإنه يتناقص ثم يزيد. تعتمد السعة الحرارية للماء أيضًا بشكل غير رتيب على درجة الحرارة.

بالإضافة إلى ذلك، عند درجات حرارة أقل من 30 درجة مئوية، مع زيادة الضغط من الغلاف الجوي إلى 0.2 جيجا باسكال، تنخفض لزوجة الماء، ويزداد معامل الانتشار الذاتي، وهي المعلمة التي تحدد سرعة حركة جزيئات الماء بالنسبة لبعضها البعض.

بالنسبة للسوائل الأخرى، العلاقة هي العكس، ولا يحدث في أي مكان تقريبًا أن تتصرف بعض المعلمات المهمة بشكل غير رتيب، أي. زادت أولاً، وبعد تجاوز القيمة الحرجة لدرجة الحرارة أو الضغط انخفض. نشأ افتراض أن الماء في الواقع ليس سائلاً واحدًا، ولكنه خليط من مكونين يختلفان في الخصائص، على سبيل المثال، الكثافة واللزوجة، وبالتالي البنية. بدأت مثل هذه الأفكار في الظهور في نهاية القرن التاسع عشر، عندما تراكمت الكثير من البيانات حول شذوذات المياه.

كان وايتنج أول من اقترح فكرة أن الماء يتكون من مكونين في عام 1884. وقد استشهد إي إف فريتسمان بتأليفه في دراسة "طبيعة الماء. الماء الثقيل"، التي نُشرت عام 1935. في عام 1891، قدم V. Rengten مفهوم حالتين من الماء تختلفان في الكثافة. وبعدها ظهرت العديد من الأعمال التي اعتبرت فيها الماء خليطا من مواد مركبة ذات تركيبات مختلفة (هيدرات).

عندما تم تحديد بنية الجليد في عشرينيات القرن العشرين، اتضح أن جزيئات الماء في الحالة البلورية تشكل شبكة مستمرة ثلاثية الأبعاد، حيث يكون لكل جزيء أربعة جيران أقرب يقعون في رؤوس رباعي السطوح العادي. في عام 1933، اقترح ج. بيرنال و ب. فاولر وجود شبكة مماثلة في الماء السائل. نظرًا لأن الماء أكثر كثافة من الجليد، فقد اعتقدوا أن الجزيئات الموجودة فيه لا يتم ترتيبها كما هو الحال في الجليد، أي مثل ذرات السيليكون في معدن التريديميت، ولكن مثل ذرات السيليكون في تعديل أكثر كثافة للسيليكا، الكوارتز. تم تفسير الزيادة في كثافة الماء عند تسخينه من 0 إلى 4 درجات مئوية بوجود مكون التريديميت في درجات حرارة منخفضة. وهكذا، احتفظ نموذج برنال فاولر بعنصر البنية الثنائية، لكن إنجازهم الرئيسي كان فكرة الشبكة المستمرة رباعية السطوح. ثم ظهر القول المأثور الشهير لـ I. Langmuir: "المحيط عبارة عن جزيء واحد كبير". لم تؤدي المواصفات المفرطة للنموذج إلى زيادة عدد مؤيدي نظرية الشبكة الموحدة.

لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1951 عندما أنشأ جيه بوبل نموذجًا شبكيًا مستمرًا، والذي لم يكن محددًا مثل نموذج برنال فاولر. تخيل بوبل الماء كشبكة عشوائية رباعية السطوح، حيث تكون الروابط بين جزيئاتها منحنية ولها أطوال مختلفة. يشرح نموذج بوبل ضغط الماء أثناء الذوبان عن طريق ثني الروابط. عندما ظهرت التعريفات الأولى لبنية الجليد II وIX في الستينيات والسبعينيات، أصبح من الواضح كيف يمكن أن يؤدي ثني الروابط إلى ضغط البنية. لم يتمكن نموذج بوبل من تفسير الاعتماد غير الرتيب لخصائص الماء على درجة الحرارة والضغط بالإضافة إلى نماذج الدولتين. ولذلك فإن فكرة الدولتين شارك فيها العديد من العلماء لفترة طويلة.

لكن في النصف الثاني من القرن العشرين، كان من المستحيل تخيل تكوين وبنية الهيدرولات كما حدث في بداية القرن. كان من المعروف بالفعل كيف يعمل الجليد والهيدرات البلورية، وكانوا يعرفون الكثير عن الروابط الهيدروجينية. بالإضافة إلى نماذج الاستمرارية (نموذج بوبل)، ظهرت مجموعتان من النماذج المختلطة: الكتلة والكلاثرات. في المجموعة الأولى، ظهر الماء على شكل مجموعات من الجزيئات المرتبطة بروابط هيدروجينية، والتي طفت في بحر من الجزيئات غير المرتبطة بهذه الروابط. تعاملت المجموعة الثانية من النماذج مع الماء كشبكة متصلة (تسمى عادة إطارًا في هذا السياق) من الروابط الهيدروجينية التي تحتوي على فراغات؛ أنها تحتوي على جزيئات لا تشكل روابط مع جزيئات الإطار. ولم يكن من الصعب اختيار خصائص وتراكيز الطورين الميكرويين للنماذج العنقودية أو خصائص الإطار ودرجة امتلاء فراغاته بنماذج الكالثرات من أجل شرح جميع خواص الماء بما في ذلك الشذوذات الشهيرة.

ومن بين النماذج العنقودية، كان النموذج الأكثر لفتًا للانتباه هو نموذج G. Nemeti وH. Sheragi: الصور التي اقترحوها، والتي تصور مجموعات من الجزيئات المرتبطة تطفو في بحر من الجزيئات غير المرتبطة، تم تضمينها في العديد من الدراسات.

تم اقتراح النموذج الأول لنوع الكالثرات في عام 1946 من قبل O.Ya Samoilov: في الماء، يتم الحفاظ على شبكة من الروابط الهيدروجينية المشابهة للجليد السداسي، والتي تمتلئ تجاويفها جزئيًا بجزيئات المونومر. أنشأ L. Pauling في عام 1959 خيارًا آخر، مشيرًا إلى أن أساس الهيكل يمكن أن يكون عبارة عن شبكة من الروابط المتأصلة في بعض الهيدرات البلورية.

خلال النصف الثاني من الستينيات وبداية السبعينيات، لوحظ تقارب جميع هذه الآراء. ظهرت أنواع مختلفة من النماذج العنقودية التي ترتبط فيها الجزيئات في كلا الطورين الميكرويين بروابط هيدروجينية. بدأ أنصار نماذج الكالثرات في الاعتراف بتكوين روابط هيدروجينية بين الجزيئات الفارغة والإطارية. وهذا هو، في الواقع، يعتبر مؤلفو هذه النماذج أن الماء عبارة عن شبكة مستمرة من الروابط الهيدروجينية. ونحن نتحدث عن مدى عدم تجانس هذه الشبكة (على سبيل المثال، في الكثافة). تم وضع حد لفكرة الماء كمجموعات مرتبطة بالهيدروجين تطفو في بحر من جزيئات الماء غير المرتبطة في أوائل الثمانينيات، عندما طبق جي. ستانلي نظرية الترشيح، التي تصف التحولات الطورية للماء، إلى نموذج الماء.

في عام 1999، باحث المياه الروسي الشهير S.V. دافع زينين عن أطروحته للدكتوراه في معهد المشاكل الطبية والبيولوجية التابع لأكاديمية العلوم الروسية حول نظرية العنقود، والتي كانت خطوة مهمة في تقدم هذا المجال من البحث، والذي يعزز تعقيده حقيقة أنهم تقع عند تقاطع ثلاثة علوم: الفيزياء والكيمياء والأحياء. استنادًا إلى البيانات التي تم الحصول عليها من خلال ثلاث طرق فيزيائية وكيميائية: قياس الانكسار (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994)، والكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (S.V. Zenin et al., 1998) والرنين المغناطيسي البروتوني (C.S.V. Zenin, 1993) تم إنشاء وإثبات وجود هندسي نموذج للتكوين الهيكلي الرئيسي المستقر لجزيئات الماء (الماء المنظم)، ثم (S.V. Zenin، 2004) تم الحصول على صورة لهذه الهياكل باستخدام مجهر الطور المتباين.

لقد أثبت العلم الآن أن خصوصيات الخواص الفيزيائية للمياه والعديد من الروابط الهيدروجينية قصيرة العمر بين ذرات الهيدروجين والأكسجين المجاورة في جزيء الماء تخلق فرصًا مواتية لتكوين هياكل مرتبطة خاصة (مجموعات) تستقبل وتخزن وتنقل مجموعة واسعة من المعلومات.

الوحدة الهيكلية لهذه المياه عبارة عن كتلة تتكون من الكالثرات، والتي يتم تحديد طبيعتها بواسطة قوى كولوم بعيدة المدى. يقوم هيكل المجموعات بتشفير المعلومات حول التفاعلات التي حدثت مع جزيئات الماء هذه. في التجمعات المائية، بسبب التفاعل بين الروابط التساهمية والهيدروجينية بين ذرات الأكسجين وذرات الهيدروجين، يمكن أن تحدث هجرة البروتون (H+) عبر آلية الترحيل، مما يؤدي إلى عدم تمركز البروتون داخل الكتلة.

يشكل الماء، الذي يتكون من مجموعات كثيرة من أنواع مختلفة، بنية بلورية سائلة مكانية هرمية يمكنها إدراك وتخزين كميات هائلة من المعلومات.

يوضح الشكل (V.L. Voeikov) مخططات للعديد من الهياكل العنقودية البسيطة كمثال.

بعض الهياكل المحتملة لمجموعات المياه

يمكن أن تكون المجالات المادية ذات الطبيعة المختلفة جدًا حاملة للمعلومات. وبالتالي، تم إنشاء إمكانية تفاعل المعلومات عن بعد للهيكل البلوري السائل للمياه مع كائنات ذات طبيعة مختلفة باستخدام المجالات الكهرومغناطيسية والصوتية وغيرها. يمكن أن يكون الكائن المؤثر شخصًا أيضًا.

الماء هو مصدر للإشعاع الكهرومغناطيسي المتناوب الضعيف والضعيف للغاية. يتم إنشاء الإشعاع الكهرومغناطيسي الأقل فوضوية بواسطة المياه المنظمة. في هذه الحالة، قد يحدث تحريض للمجال الكهرومغناطيسي المقابل، مما يؤدي إلى تغيير الخصائص الهيكلية والمعلوماتية للأجسام البيولوجية.

في السنوات الأخيرة، تم الحصول على بيانات مهمة حول خصائص الماء فائق التبريد. تعد دراسة الماء عند درجات حرارة منخفضة أمرًا مثيرًا للاهتمام، لأنه يمكن تبريده بشكل فائق أكثر من السوائل الأخرى. يبدأ تبلور الماء، كقاعدة عامة، عند بعض عدم التجانس إما على جدران الوعاء أو على جزيئات عائمة من الشوائب الصلبة. لذلك، ليس من السهل العثور على درجة الحرارة التي يتبلور عندها الماء فائق التبريد تلقائيًا. لكن العلماء تمكنوا من القيام بذلك، والآن أصبحت درجة حرارة ما يسمى بالنواة المتجانسة، عندما يحدث تكوين بلورات الجليد في وقت واحد في جميع أنحاء الحجم، معروفة بضغوط تصل إلى 0.3 جيجا باسكال، أي تغطي مناطق الوجود الجليد الثاني.

ومن الضغط الجوي إلى الحد الفاصل بين الجليدين الأول والثاني، تنخفض درجة الحرارة هذه من 231 إلى 180 كلفن، ثم ترتفع قليلاً إلى 190 كلفن. تحت درجة الحرارة الحرجة هذه، يكون الماء السائل مستحيلا من حيث المبدأ.

هيكل الجليد (الصورة على اليمين)

ومع ذلك، هناك لغز يرتبط بدرجة الحرارة هذه. وفي منتصف الثمانينات، تم اكتشاف تعديل جديد للجليد غير المتبلور - الجليد عالي الكثافة، وساعد ذلك في إحياء فكرة الماء كخليط من حالتين. لم يتم اعتبار الهياكل البلورية، ولكن هياكل الجليد غير المتبلور ذات الكثافات المختلفة، نماذج أولية. تمت صياغة هذا المفهوم في أوضح صوره من قبل E. G. Ponyatovsky و V. V. Sinitsin، الذي كتب في عام 1999: "يُعتبر الماء بمثابة حل منتظم لمكونين، التكوينات المحلية التي تتوافق فيها الترتيب قصير المدى لتعديلات الجليد غير المتبلور ". علاوة على ذلك، من خلال دراسة الترتيب قصير المدى في الماء فائق التبريد عند الضغط العالي باستخدام طرق حيود النيوترونات، تمكن العلماء من العثور على مكونات تتوافق مع هذه الهياكل.

أدت نتيجة تعدد أشكال الجليد غير المتبلور أيضًا إلى افتراضات حول فصل الماء إلى مكونين غير قابلين للامتزاج عند درجات حرارة أقل من النقطة الحرجة الافتراضية لدرجة الحرارة المنخفضة. لسوء الحظ، وفقًا للباحثين، فإن درجة الحرارة هذه عند ضغط قدره 0.017 جيجا باسكال تكون أقل بـ 230 كلفن من درجة حرارة النواة، لذلك لم يتمكن أحد حتى الآن من ملاحظة التقسيم الطبقي للمياه السائلة. وهكذا، فإن إحياء نموذج الدولتين أثار مسألة عدم تجانس شبكة الروابط الهيدروجينية في الماء السائل. لا يمكن فهم هذا التجانس إلا باستخدام النمذجة الحاسوبية.

وبالحديث عن التركيب البلوري للمياه، تجدر الإشارة إلى أنه تم التعرف على 14 تعديلًا للجليد،معظمها غير موجود في الطبيعة، حيث تحتفظ جزيئات الماء بفرديتها وترتبط بروابط هيدروجينية. من ناحية أخرى، هناك العديد من المتغيرات لشبكة الروابط الهيدروجينية في هيدرات الكالثرات. ولا تزيد طاقات هذه الشبكات (الثلوج ذات الضغط العالي وهيدرات الكالثرات) كثيراً عن طاقات الجليد المكعب والسداسي. لذلك، يمكن أن تظهر شظايا هذه الهياكل أيضًا في الماء السائل. من الممكن بناء عدد لا يحصى من الأجزاء غير الدورية المختلفة، التي تمتلك جزيئاتها أربعة جيران أقرب تقع تقريبًا عند رؤوس رباعي السطوح، لكن بنيتها لا تتوافق مع هياكل التعديلات المعروفة للجليد. كما أظهرت العديد من الحسابات، فإن طاقات تفاعل الجزيئات في مثل هذه الشظايا ستكون قريبة من بعضها البعض، وليس هناك سبب للقول بأن أي هيكل يجب أن يسود في الماء السائل.

يمكن دراسة الدراسات الهيكلية للمياه باستخدام طرق مختلفة؛مطيافية الرنين المغناطيسي البروتوني، مطيافية الأشعة تحت الحمراء، حيود الأشعة السينية، وما إلى ذلك. على سبيل المثال، تمت دراسة حيود الأشعة السينية والنيوترونات عدة مرات. ومع ذلك، لا يمكن لهذه التجارب تقديم معلومات مفصلة حول الهيكل. يمكن رؤية عدم التجانس الذي يختلف في الكثافة من خلال تشتت الأشعة السينية والنيوترونات بزوايا صغيرة، لكن عدم التجانس هذا يجب أن يكون كبيرًا، ويتكون من مئات جزيئات الماء. وسيكون من الممكن رؤيتها من خلال دراسة تشتت الضوء. ومع ذلك، الماء سائل واضح بشكل استثنائي. والنتيجة الوحيدة لتجارب الحيود هي دالة التوزيع الشعاعي، أي المسافة بين ذرات الأكسجين والهيدروجين والأكسجين-الهيدروجين. ويتضح منهم أنه لا يوجد ترتيب بعيد المدى في ترتيب جزيئات الماء. تتحلل هذه الوظائف بشكل أسرع بكثير في الماء مقارنة بمعظم السوائل الأخرى. على سبيل المثال، فإن توزيع المسافات بين ذرات الأكسجين عند درجات حرارة قريبة من درجة حرارة الغرفة يعطي ثلاثة حدود قصوى فقط، وهي 2.8 و4.5 و6.7. الحد الأقصى الأول يتوافق مع المسافة إلى أقرب الجيران، وقيمته تساوي تقريبا طول رابطة الهيدروجين. الحد الأقصى الثاني قريب من متوسط ​​طول حافة رباعي السطوح: تذكر أن جزيئات الماء في الجليد السداسي تقع على طول رؤوس رباعي السطوح الموصوفة حول الجزيء المركزي. والحد الأقصى الثالث، الذي تم التعبير عنه بشكل ضعيف جدًا، يتوافق مع المسافة إلى الجيران الثالث والأبعد في شبكة الهيدروجين. هذا الحد الأقصى في حد ذاته ليس مشرقًا جدًا، وليس هناك حاجة للحديث عن المزيد من القمم. وكانت هناك محاولات للحصول على معلومات أكثر تفصيلاً من هذه التوزيعات. لذلك في عام 1969، اكتشف I. S. Andrianov و I. Z. فيشر المسافات حتى الجار الثامن، بينما تبين أن الجار الخامس هو 3، والسادس 3.1. وهذا يجعل من الممكن الحصول على بيانات عن البيئة البعيدة لجزيئات الماء.

طريقة أخرى لدراسة البنية - حيود النيوترونات على بلورات الماء - يتم تنفيذها بنفس طريقة حيود الأشعة السينية. ومع ذلك، نظرًا لحقيقة أن أطوال تشتت النيوترونات لا تختلف كثيرًا بين الذرات المختلفة، فإن طريقة الاستبدال المتماثل تصبح غير مقبولة. ومن الناحية العملية، عادة ما يتم التعامل مع بلورة تم بالفعل تحديد تركيبها الجزيئي تقريبًا بطرق أخرى. ثم يتم قياس شدة حيود النيوترونات لهذه البلورة. وبناء على هذه النتائج، يتم إجراء تحويل فورييه، والذي يتم خلاله استخدام شدة النيوترونات المقاسة والمراحل المحسوبة مع الأخذ في الاعتبار الذرات غير الهيدروجينية، أي. ذرات الأكسجين، وموقعها في النموذج الهيكلي معروف. ثم، في خريطة فورييه التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة، يتم تمثيل ذرات الهيدروجين والديوتريوم بأوزان أكبر بكثير من تلك الموجودة في خريطة كثافة الإلكترون، لأن مساهمة هذه الذرات في تشتت النيوترونات كبيرة جدًا. باستخدام خريطة الكثافة هذه، يمكنك، على سبيل المثال، تحديد مواقع ذرات الهيدروجين (الكثافة السالبة) والديوتيريوم (الكثافة الإيجابية).

من الممكن وجود اختلاف في هذه الطريقة، وهو أن البلورة المتكونة في الماء تُحفظ في ماء ثقيل قبل القياسات. في هذه الحالة، لا يتيح حيود النيوترونات تحديد مكان ذرات الهيدروجين فحسب، بل يحدد أيضًا تلك التي يمكن استبدالها بالديوتيريوم، وهو أمر مهم بشكل خاص عند دراسة تبادل النظائر (H-D). تساعد هذه المعلومات في التأكد من إنشاء الهيكل بشكل صحيح.

تتيح الطرق الأخرى أيضًا دراسة ديناميكيات جزيئات الماء. هذه تجارب على تشتت النيوترونات شبه المرنة، والتحليل الطيفي فائق السرعة للأشعة تحت الحمراء ودراسة انتشار الماء باستخدام الرنين المغناطيسي النووي أو ذرات الديوتيريوم المسمى. تعتمد طريقة التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) على حقيقة أن نواة ذرة الهيدروجين لها عزم مغناطيسي - دوران - يتفاعل مع المجالات المغناطيسية، الثابتة والمتغيرة. من خلال طيف الرنين المغناطيسي النووي، يمكن الحكم على البيئة التي توجد بها هذه الذرات والنوى، وبالتالي الحصول على معلومات حول بنية الجزيء.

ونتيجة للتجارب على تشتت النيوترونات شبه المرنة في بلورات الماء، تم قياس المعلمة الأكثر أهمية - معامل الانتشار الذاتي عند ضغوط ودرجات حرارة مختلفة. للحكم على معامل الانتشار الذاتي من خلال تشتت النيوترونات شبه المرنة، من الضروري وضع افتراض حول طبيعة الحركة الجزيئية. إذا تحركوا وفقًا لنموذج Ya.I. Frenkel (عالم الفيزياء النظرية الروسي الشهير، مؤلف كتاب "النظرية الحركية للسوائل" - وهو كتاب كلاسيكي مترجم إلى العديد من اللغات)، والذي يُطلق عليه أيضًا نموذج "قفزة الانتظار"، فإن زمن الحياة المستقرة (الوقت بين القفزات) للجزيء هو 3.2 بيكو ثانية. أتاحت أحدث طرق التحليل الطيفي بالليزر بالفيمتو ثانية إمكانية تقدير عمر رابطة الهيدروجين المكسورة: يستغرق البروتون 200 fs للعثور على شريك. ومع ذلك، هذه كلها قيم متوسطة. ولا يمكن دراسة تفاصيل بنية وطبيعة حركة جزيئات الماء إلا بمساعدة المحاكاة الحاسوبية، والتي تسمى أحيانا بالتجربة العددية.

هذا ما يبدو عليه هيكل الماء وفقًا لنتائج النمذجة الحاسوبية (وفقًا لدكتور العلوم الكيميائية جي جي مالينكوف). يمكن تقسيم البنية المضطربة العامة إلى نوعين من المناطق (تظهر على شكل كرات داكنة وخفيفة)، والتي تختلف في بنيتها، على سبيل المثال، في حجم متعدد وجوه فورونوي (أ)، ودرجة رباعية السطوح في البيئة المباشرة ( ب) قيمة طاقة الوضع (ج)، وكذلك في وجود أربع روابط هيدروجينية في كل جزيء (د). ومع ذلك، فإن هذه المناطق حرفيًا في لحظة، بعد بضع بيكو ثانية، ستغير موقعها.

يتم تنفيذ المحاكاة على هذا النحو. يتم أخذ الهيكل الجليدي وتسخينه حتى يذوب. ثم، بعد مرور بعض الوقت حتى ينسى الماء أصله البلوري، يتم التقاط صور مجهرية فورية.

لتحليل بنية الماء، تم اختيار ثلاثة عوامل:
- درجة انحراف البيئة المحلية للجزيء عن رؤوس رباعي السطوح المنتظم؛
- الطاقة الكامنة للجزيئات.
-حجم ما يسمى بمتعدد السطوح فورونوي.

لبناء هذا متعدد السطوح، خذ حافة من جزيء معين إلى أقرب جزيء، وقسمه إلى نصفين، وارسم مستوى عبر هذه النقطة عموديًا على الحافة. هذا يعطي الحجم لكل جزيء. حجم متعدد السطوح هو الكثافة، ورباعي السطوح هو درجة تشويه روابط الهيدروجين، والطاقة هي درجة استقرار التكوين الجزيئي. تميل الجزيئات ذات القيم المتشابهة لكل من هذه المعلمات إلى التجمع معًا في مجموعات منفصلة. تتمتع كل من المناطق منخفضة الكثافة وعالية الكثافة بقيم طاقة مختلفة، لكن يمكن أن يكون لها أيضًا نفس قيم الطاقة. أظهرت التجارب أن المناطق ذات الهياكل المختلفة تنشأ بشكل عفوي وتتفكك تلقائيًا. إن بنية الماء بأكملها حية ومتغيرة باستمرار، والوقت الذي تحدث فيه هذه التغييرات قصير جدًا. راقب الباحثون حركات الجزيئات ووجدوا أنها تؤدي اهتزازات غير منتظمة بتردد حوالي 0.5 ps وسعة 1 أنجستروم. ولوحظت أيضًا قفزات بطيئة نادرة في الأنجستروم، والتي تستمر لمدة بيكو ثانية. بشكل عام، في 30 ps، يمكن للجزيء أن يتحرك 8-10 أنجستروم. عمر البيئة المحلية قصير أيضًا. يمكن للمناطق المكونة من جزيئات ذات قيم حجمية مماثلة لمتعدد السطوح فورونوي أن تتحلل خلال 0.5 ps، أو يمكن أن تعيش لعدة بيكو ثانية. لكن توزيع عمر الرابطة الهيدروجينية كبير جدًا. ولكن هذه المرة لا تتجاوز 40 بنس، ومتوسط ​​القيمة عدة بنس.

وفي الختام ينبغي التأكيد على ذلك نظرية البنية العنقودية للمياه لها العديد من المزالق.على سبيل المثال، يقترح زينين أن العنصر الهيكلي الرئيسي للمياه هو مجموعة من 57 جزيئًا تشكلت من اندماج أربعة اثنا عشر وجهًا. لديهم وجوه مشتركة، وتشكل مراكزهم رباعي السطوح منتظم. من المعروف منذ زمن طويل أن جزيئات الماء يمكن أن تتواجد في رؤوس المجسم الخماسي. مثل هذا الاثني عشر وجهًا هو أساس هيدرات الغاز. لذلك، ليس هناك ما يثير الدهشة في افتراض وجود مثل هذه الهياكل في الماء، على الرغم من أنه سبق أن قيل أنه لا يمكن لأي بنية محددة أن تكون سائدة وموجودة لفترة طويلة. ولذلك فمن الغريب أن يفترض أن هذا العنصر هو العنصر الرئيسي وأنه يحتوي على 57 جزيء بالضبط. من الكرات، على سبيل المثال، يمكنك تجميع نفس الهياكل، والتي تتكون من اثنا عشري الوجوه متجاورة وتحتوي على 200 جزيء. يدعي زينين أن عملية بلمرة الماء ثلاثية الأبعاد تتوقف عند 57 جزيء. في رأيه، لا ينبغي أن يكون هناك شركاء أكبر. ومع ذلك، إذا كان الأمر كذلك، فإن بلورات الجليد السداسية، التي تحتوي على عدد كبير من الجزيئات المرتبطة ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية، لا يمكن أن تترسب من بخار الماء. ليس من الواضح على الإطلاق سبب توقف نمو مجموعة الزينين عند 57 جزيئًا. ولتجنب التناقضات، قام زينين بتعبئة العناقيد في تشكيلات أكثر تعقيدًا - معينية الشكل - تتكون من ما يقرب من ألف جزيء، ولا تشكل العناقيد الأصلية روابط هيدروجينية مع بعضها البعض. لماذا؟ كيف تختلف الجزيئات الموجودة على سطحها عن تلك الموجودة بداخلها؟ وفقًا لزينين، فإن نمط مجموعات الهيدروكسيل الموجودة على سطح الأشكال المعينية يوفر ذاكرة الماء. وبالتالي، فإن جزيئات الماء الموجودة في هذه المجمعات الكبيرة تكون ثابتة بشكل صارم، والمجمعات نفسها عبارة عن مواد صلبة. لن يتدفق مثل هذا الماء، ويجب أن تكون نقطة انصهاره المرتبطة بالوزن الجزيئي عالية جدًا.

ما هي خصائص الماء التي يشرحها نموذج زينين؟ نظرًا لأن النموذج يعتمد على هياكل رباعية السطوح، فقد يكون أكثر أو أقل اتساقًا مع بيانات الأشعة السينية وحيود النيوترونات. ومع ذلك، فمن غير المرجح أن النموذج يمكن أن يفسر الانخفاض في الكثافة أثناء الذوبان؛ حيث أن تعبئة الاثني عشر وجهًا أقل كثافة من الجليد. ولكن من الصعب للغاية الاتفاق مع نموذج ذي خصائص ديناميكية - السيولة، والقيمة الكبيرة لمعامل الانتشار الذاتي، والارتباط القصير، وأوقات استرخاء العزل الكهربائي، والتي يتم قياسها بالبيكو ثانية.

دكتوراه. أو.ف. موسين

مراجع:
جي جي. مالينكوف. التقدم في الكيمياء الفيزيائية، 2001
إس في زينين، ب.م. بولانوير، بي.في. تياجلوف. دليل تجريبي على وجود أجزاء الماء. ز- الطب المثلي والوخز بالإبر. 1997.رقم 2.ص.42-46.
إس في. زينين، ب.ف. تياجلوف. نموذج مسعور لهيكل شركاء جزيئات الماء. ي الكيمياء الفيزيائية 1994 ت 68 رقم 4 ص 636-641.
إس في. زينين دراسة بنية الماء باستخدام طريقة الرنين المغناطيسي البروتوني. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
إس في زينين، بي في تياجلوف. طبيعة التفاعل الكاره للماء. ظهور مجالات التوجه في المحاليل المائية. ي الكيمياء الفيزيائية 1994 ت 68 رقم 3 ص 500-503.
إس في. زينين، ب.ف. تياجلوف، ج.ب.سيرجيف، Z.A. شباروفا. دراسة التفاعلات داخل الجزيئات في النيوكليوتيداميدات باستخدام الرنين المغناطيسي النووي. مواد المؤتمر الثاني لعموم الاتحاد. بواسطة ديناميكية الكيمياء المجسمة. أوديسا.1975.ص.53.
إس في. زينين. الحالة الهيكلية للمياه كأساس للتحكم في سلوك وسلامة الأنظمة الحية. أُطرُوحَة. دكتوراه في العلوم البيولوجية. المركز العلمي الحكومي "معهد المشاكل الطبية والبيولوجية" (SSC "IMBP"). محمي 1999. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 ص.
في و. سليساريف. تقرير التقدم البحثي

خصائص الماء

لماذا الماء ماء؟

من بين مجموعة واسعة من المواد، يحتل الماء بخصائصه الفيزيائية والكيميائية مكانة خاصة واستثنائية للغاية. ويجب أن يؤخذ هذا حرفيا.

تعتبر جميع الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمياه تقريبًا استثناءات في الطبيعة. إنها حقًا المادة الأكثر روعة في العالم. الماء مدهش ليس فقط لتنوع الأشكال النظائرية للجزيء وليس فقط للآمال المرتبطة به كمصدر لا ينضب للطاقة في المستقبل. بالإضافة إلى ذلك، فهو مدهش لخصائصه العادية جدًا.

كيف يتم بناء جزيء الماء؟

إن كيفية بناء جزيء واحد من الماء أصبح معروفًا الآن بدقة شديدة. انها بنيت مثل هذا.

تمت دراسة وقياس المواقع النسبية لنواة ذرات الهيدروجين والأكسجين والمسافة بينهما بشكل جيد. اتضح أن جزيء الماء غير خطي. جنبًا إلى جنب مع الأغلفة الإلكترونية للذرات، يمكن تصوير جزيء الماء، إذا نظرت إليه "من الجانب"، على النحو التالي:

وهذا يعني، هندسيًا، أن الترتيب المتبادل للشحنات في الجزيء يمكن تصويره على أنه رباعي وجوه بسيط. جميع جزيئات الماء التي لها أي تركيبة نظائرية مبنية بنفس الطريقة تمامًا.

كم عدد جزيئات الماء الموجودة في المحيط؟

واحد. وهذه الإجابة ليست مجرد مزحة. بالطبع، يمكن لأي شخص، من خلال النظر في كتاب مرجعي ومعرفة كمية المياه الموجودة في المحيط العالمي، بسهولة حساب عدد جزيئات H2O التي يحتوي عليها. لكن مثل هذه الإجابة لن تكون صحيحة تمامًا. الماء مادة خاصة. ونظرًا لبنيتها الفريدة، تتفاعل الجزيئات الفردية مع بعضها البعض. تنشأ رابطة كيميائية خاصة بسبب حقيقة أن كل ذرة هيدروجين في جزيء واحد تجذب إلكترونات ذرات الأكسجين في الجزيئات المجاورة. وبسبب هذه الرابطة الهيدروجينية، يصبح كل جزيء ماء مرتبطًا بشكل وثيق بأربعة جزيئات أخرى مجاورة، تمامًا كما هو موضح في الشكل. صحيح أن هذا المخطط مبسط للغاية - فهو مسطح، وإلا فلن يكون من الممكن تصويره في الشكل. دعونا نتخيل صورة أكثر دقة قليلا. للقيام بذلك، عليك أن تأخذ في الاعتبار أن المستوى الذي توجد فيه روابط الهيدروجين (يشار إليها بخط منقط) في جزيء الماء يتم توجيهه بشكل عمودي على مستوى موقع ذرات الهيدروجين.

يتم توصيل جميع جزيئات H2O الفردية في الماء بشبكة مكانية واحدة مستمرة - في جزيء عملاق واحد. لذلك، فإن ادعاء بعض الكيميائيين الفيزيائيين بأن المحيط بأكمله عبارة عن جزيء واحد له ما يبرره تمامًا. ولكن لا ينبغي أن يؤخذ هذا البيان بشكل حرفي للغاية. على الرغم من أن جميع جزيئات الماء في الماء ترتبط ببعضها البعض بواسطة روابط هيدروجينية، إلا أنها في نفس الوقت في حالة توازن متحرك معقد للغاية، مما يحافظ على الخصائص الفردية للجزيئات الفردية ويشكل مجاميع معقدة. لا تنطبق هذه الفكرة على الماء فقط: فقطعة الماس هي أيضًا جزيء واحد.

كيف يتم بناء جزيء الجليد؟

لا توجد جزيئات ثلج خاصة. إن جزيئات الماء، بسبب بنيتها الرائعة، متصلة ببعضها البعض في قطعة من الجليد بحيث تكون كل واحدة منها متصلة ومحاطة بأربعة جزيئات أخرى. وهذا يؤدي إلى ظهور هيكل جليدي فضفاض للغاية، حيث يبقى الكثير من الحجم الحر. يتم التعبير عن البنية البلورية الصحيحة للجليد في النعمة المذهلة لرقاقات الثلج وجمال الأنماط الفاترة على ألواح النوافذ المجمدة.

كيف يتم بناء جزيئات الماء في الماء؟

ولسوء الحظ، فإن هذه القضية المهمة للغاية لم تتم دراستها بعد بما فيه الكفاية. بنية الجزيئات في الماء السائل معقدة للغاية. عندما يذوب الجليد، يتم الحفاظ على بنية شبكته جزئيًا في الماء الناتج. تتكون الجزيئات الموجودة في الماء الذائب من العديد من الجزيئات البسيطة - وهي مجاميع تحتفظ بخصائص الجليد. ومع ارتفاع درجة الحرارة يتفكك بعضها وتصغر أحجامها.

يؤدي الجذب المتبادل إلى حقيقة أن متوسط ​​حجم جزيء الماء المعقد في الماء السائل يتجاوز بشكل كبير حجم جزيء الماء الواحد. يحدد هذا التركيب الجزيئي الاستثنائي للمياه خصائصه الفيزيائية والكيميائية غير العادية.

ماذا يجب أن تكون كثافة الماء؟

أليس هذا سؤال غريب جدا؟ تذكر كيف تم إنشاء وحدة الكتلة - جرام واحد. هذه هي كتلة سنتيمتر مكعب واحد من الماء. وهذا يعني أنه لا يمكن أن يكون هناك شك في أن كثافة الماء يجب أن تكون كما هي فقط. هل يمكن أن يكون هناك أي شك في هذا؟ يستطيع. وقد حسب المنظرون أنه إذا لم يحتفظ الماء ببنية فضفاضة تشبه الجليد في الحالة السائلة وكانت جزيئاته معبأة بإحكام، فإن كثافة الماء ستكون أعلى بكثير. عند 25 درجة مئوية لن يساوي 1.0، بل 1.8 جم/سم3.

في أي درجة حرارة يجب أن يغلي الماء؟

وهذا السؤال غريب بالطبع. بعد كل شيء، الماء يغلي عند مائة درجة. الجميع يعرف هذا. علاوة على ذلك، يعلم الجميع أن نقطة غليان الماء عند الضغط الجوي العادي هي التي تم اختيارها كواحدة من النقاط المرجعية لمقياس درجة الحرارة، والتي تم تحديدها تقليديًا بـ 100 درجة مئوية.

ومع ذلك، يتم طرح السؤال بشكل مختلف: في أي درجة حرارة يجب أن يغلي الماء؟ بعد كل شيء، درجات حرارة غليان المواد المختلفة ليست عشوائية. وهي تعتمد على موقع العناصر التي تشكل جزيئاتها في الجدول الدوري لمندليف.

إذا قارنا المركبات الكيميائية لعناصر مختلفة لها نفس التركيب وتنتمي لنفس المجموعة في الجدول الدوري، فمن السهل أن نلاحظ أنه كلما انخفض العدد الذري لعنصر ما، انخفض وزنه الذري، انخفضت درجة غليانه. مركباته. بناءً على تركيبه الكيميائي، يمكن تسمية الماء بهيدريد الأكسجين. H2Te وH2Se وH2S هي نظائر كيميائية للماء. إذا قمت بمراقبة نقاط غليانها وقارنت كيف تتغير نقاط غليان الهيدريدات في مجموعات أخرى من الجدول الدوري، فيمكنك تحديد درجة غليان أي هيدريد بدقة، تمامًا مثل أي مركب آخر. كان مندليف نفسه قادرًا على التنبؤ بخصائص المركبات الكيميائية للعناصر التي لم يتم اكتشافها بعد بهذه الطريقة.

إذا حددنا درجة غليان هيدريد الأكسجين من خلال موقعه في الجدول الدوري، يتبين أن الماء يجب أن يغلي عند -80 درجة مئوية. وبالتالي، يغلي الماء أعلى بحوالي مائة وثمانين درجة , مما ينبغي أن يغلي. تبين أن درجة غليان الماء - وهذه هي الخاصية الأكثر شيوعًا - غير عادية ومدهشة.

تعتمد خصائص أي مركب كيميائي على طبيعة العناصر التي يتكون منها، وبالتالي على موقعها في الجدول الدوري للعناصر الكيميائية لمندليف. توضح هذه الرسوم البيانية اعتماد درجات حرارة الغليان والانصهار لمركبات الهيدروجين في المجموعتين الرابعة والسادسة من النظام الدوري. الماء هو استثناء صارخ. ونظرًا لصغر نصف قطر البروتون، فإن قوى التفاعل بين جزيئاته كبيرة جدًا بحيث يصعب جدًا فصلها، ولهذا السبب يغلي الماء وينصهر عند درجات حرارة عالية بشكل غير طبيعي.

الرسم البياني أ. الاعتماد الطبيعي لدرجة غليان هيدريدات عناصر المجموعة الرابعة على موقعها في الجدول الدوري.

الرسم البياني ب. من بين هيدريدات عناصر المجموعة السادسة، يتمتع الماء بخصائص شاذة: يجب أن يغلي الماء عند درجة حرارة -80 - -90 درجة مئوية، لكنه يغلي عند درجة حرارة تزيد عن 100 درجة مئوية.

الرسم البياني ب. الاعتماد الطبيعي لدرجة حرارة انصهار هيدريدات عناصر المجموعة الرابعة على موقعها في الجدول الدوري.

الرسم البياني د. من بين هيدريدات عناصر المجموعة السادسة، ينتهك الماء الترتيب: يجب أن يذوب عند درجة حرارة سالب 100 درجة مئوية، وتذوب رقاقات الثلج عند درجة حرارة 0 درجة مئوية.

في أي درجة حرارة يتجمد الماء؟

أليس صحيحا أن السؤال لا يقل غرابة عن الأسئلة السابقة؟ حسنًا، من منا لا يعلم أن الماء يتجمد عند درجة الصفر؟ هذه هي النقطة المرجعية الثانية لمقياس الحرارة. هذه هي الخاصية الأكثر شيوعًا للمياه. ولكن حتى في هذه الحالة يمكن للمرء أن يتساءل: في أي درجة حرارة يجب أن يتجمد الماء وفقًا لطبيعته الكيميائية؟ اتضح أن هيدريد الأكسجين، بناءً على موقعه في الجدول الدوري، يجب أن يكون متصلبًا عند درجة حرارة مائة درجة تحت الصفر.

كم عدد حالات الماء السائلة الموجودة؟

هذا السؤال ليس من السهل الإجابة عليه. بالطبع، هناك أيضًا شيء واحد، وهو الماء السائل الذي نعرفه جميعًا. لكن الماء السائل له خصائص غير عادية لدرجة أنه يتعين على المرء أن يتساءل عما إذا كانت هذه الخصائص البسيطة تبدو غير مثيرة

لا شك في الجواب؟ الماء هو المادة الوحيدة في العالم التي تنكمش أولاً بعد ذوبانها ثم تبدأ في التمدد مع ارتفاع درجة الحرارة. عند درجة حرارة 4 درجات مئوية تقريبًا، يكون الماء في أعلى كثافة له. يتم تفسير هذا الشذوذ النادر في خصائص الماء من خلال حقيقة أن الماء السائل في الواقع هو محلول معقد بتركيبة غير عادية تمامًا: إنه محلول ماء في الماء.

عندما يذوب الجليد، تتشكل لأول مرة جزيئات الماء الكبيرة والمعقدة. وهي تحتفظ ببقايا البنية البلورية السائبة للجليد، وتذوب في الماء العادي ذي الوزن الجزيئي المنخفض. ولذلك، تكون كثافة الماء منخفضة في البداية، ولكن مع ارتفاع درجة الحرارة، تتحلل هذه الجزيئات الكبيرة وبالتالي تزداد كثافة الماء حتى يبدأ التمدد الحراري الطبيعي، وعندها تنخفض كثافة الماء مرة أخرى. إذا كان هذا صحيحا، فمن الممكن وجود عدة حالات للمياه، لكن لا أحد يعرف كيفية فصلها. ولا يزال من غير المعروف ما إذا كان هذا ممكنًا أم لا. هذه الخاصية الاستثنائية للمياه لها أهمية كبيرة للحياة. وفي الخزانات، وقبل حلول فصل الشتاء، تنخفض مياه التبريد تدريجياً حتى تصل درجة حرارة الخزان بأكمله إلى 4 درجات مئوية. مع مزيد من التبريد، يبقى الماء البارد في الأعلى ويتوقف كل الخلط. ونتيجة لذلك، يتم إنشاء وضع غير عادي: تصبح طبقة رقيقة من الماء البارد بمثابة "بطانية دافئة" لجميع سكان العالم تحت الماء. من الواضح أنهم يشعرون بصحة جيدة عند درجة حرارة 4 درجات مئوية.

ما الذي يجب أن يكون أسهل - الماء أم الثلج؟

من منا لا يعرف هذا... ففي نهاية المطاف، يطفو الجليد على الماء. الجبال الجليدية العملاقة تطفو في المحيط. تُغطى البحيرات في الشتاء بطبقة مستمرة من الجليد. وبطبيعة الحال، الجليد أخف من الماء.

ولكن لماذا "بالطبع"؟ هل الأمر واضح إلى هذا الحد؟ على العكس من ذلك، فإن حجم جميع المواد الصلبة يزداد أثناء الذوبان، وتغرق في ذوبانها. لكن الجليد يطفو في الماء. هذه الخاصية للمياه هي شذوذ في الطبيعة، واستثناء، وعلاوة على ذلك، استثناء رائع للغاية.

ترتبط الشحنات الموجبة في جزيء الماء بذرات الهيدروجين. الشحنات السالبة هي إلكترونات التكافؤ للأكسجين. يمكن تصوير ترتيبها النسبي في جزيء الماء على أنه رباعي وجوه بسيط.

دعونا نحاول أن نتخيل كيف سيبدو العالم لو كان للمياه خصائص طبيعية وكان الجليد، كما ينبغي أن تكون أي مادة طبيعية، أكثر كثافة من الماء السائل. وفي الشتاء، يغرق الجليد المتجمد من الأعلى في الماء، ويغوص باستمرار إلى قاع الخزان. في الصيف، لا يمكن أن يذوب الجليد المحمي بطبقة من الماء البارد. تدريجيًا، ستتجمد جميع البحيرات والبرك والأنهار والجداول تمامًا، وتتحول إلى كتل عملاقة من الجليد. وأخيرا، سوف تتجمد البحار، تليها المحيطات. سيصبح عالمنا الأخضر الجميل المزهر صحراء جليدية متواصلة، مغطاة هنا وهناك بطبقة رقيقة من الماء الذائب.

كم عدد الجليد هناك؟

في الطبيعة على أرضنا يوجد شيء واحد فقط: الجليد العادي. الجليد صخرة ذات خصائص غير عادية. وهو صلب ولكنه يتدفق كالسائل، وهناك أنهار ضخمة من الجليد تتدفق ببطء من الجبال العالية. الجليد قابل للتغيير، فهو يختفي باستمرار ويتشكل مرة أخرى. الجليد قوي ومتين بشكل غير عادي - فهو يحافظ على مدى عشرات الآلاف من السنين دون تغيير على أجساد الماموث التي ماتت عن طريق الخطأ في الشقوق الجليدية. تمكن الإنسان في مختبراته من اكتشاف ستة أنواع جليدية أخرى على الأقل لا تقل روعة. لا يمكن العثور عليها في الطبيعة. لا يمكن أن توجد إلا عند ضغوط عالية جدًا. يتم الحفاظ على الجليد العادي عند ضغط يصل إلى 208 ميجاباسكال، ولكنه عند هذا الضغط ينصهر عند -22 درجة مئوية. إذا كان الضغط أعلى من 208 ميجا باسكال، يظهر الجليد الكثيف - الجليد الثالث. وهو أثقل من الماء ويغوص فيه. عند درجة حرارة منخفضة وضغط أعلى - يصل إلى 300 ميجا باسكال - يتشكل جليد أكثر كثافة. الضغط فوق 500 ميجاباسكال يحول الجليد إلى جليد على شكل حرف V. يمكن تسخين هذا الجليد إلى ما يقرب من 0 درجة مئوية، ولن يذوب، على الرغم من أنه تحت ضغط هائل. عند ضغط يبلغ حوالي 2 GPa (جيجا باسكال)، يظهر الجليد السادس. هذا هو الجليد الساخن حرفيًا، حيث يمكنه تحمل درجات حرارة تصل إلى 80 درجة مئوية دون أن يذوب، وربما يمكن تسمية الجليد السابع، الموجود عند ضغط 3GP، بالجليد الساخن. هذا هو الجليد الأكثر كثافة والأكثر مقاومة للحرارة المعروفة. يذوب فقط عند درجة حرارة 190 درجة فوق الصفر.

يتمتع Ice-VII بصلابة عالية بشكل غير عادي. يمكن لهذا الجليد أن يسبب كوارث مفاجئة. إن المحامل التي تدور فيها أعمدة توربينات محطات الطاقة القوية تنتج ضغطًا هائلاً. إذا دخل القليل من الماء إلى الشحم، فسوف يتجمد، على الرغم من أن درجة حرارة المحمل مرتفعة جدًا. ستبدأ جزيئات الجليد السابع الناتجة، والتي تتمتع بصلابة هائلة، في تدمير العمود والمحمل وتسبب فشلهما بسرعة.

ربما يوجد جليد في الفضاء أيضًا؟

كما لو كان هناك، وفي نفس الوقت غريب جدا. لكن العلماء على الأرض اكتشفوه، مع أن مثل هذا الجليد لا يمكن أن يتواجد على كوكبنا. كثافة جميع أنواع الجليد المعروفة حاليًا، حتى عند الضغوط العالية جدًا، لا تزيد إلا قليلاً عن 1 جم/سم3. إن كثافة التعديلات السداسية والمكعبة للجليد عند ضغوط ودرجات حرارة منخفضة للغاية، حتى قريبة من الصفر المطلق، تكون أقل بقليل من الوحدة. كثافتها 0.94 جم/سم3.

لكن اتضح أنه في الفراغ، عند ضغوط ضئيلة وفي درجات حرارة أقل من -170 درجة مئوية، في ظل ظروف يحدث فيها تكوين الجليد عندما يتكثف من البخار على سطح صلب مبرد، يظهر جليد مذهل تمامًا. كثافته 2.3 جرام/سم3. كل الجليد المعروف حتى الآن متبلور، لكن هذا الجليد الجديد يبدو غير متبلور، ويتميز بترتيب نسبي عشوائي لجزيئات الماء الفردية؛ ليس لديها بنية بلورية محددة. ولهذا السبب، يطلق عليه أحيانًا اسم الجليد الزجاجي. والعلماء واثقون من أن هذا الجليد المذهل يجب أن ينشأ في الظروف الفضائية ويلعب دورًا كبيرًا في فيزياء الكواكب والمذنبات. كان اكتشاف مثل هذا الجليد فائق الكثافة غير متوقع بالنسبة للفيزيائيين.

ما الذي يتطلبه ذوبان الجليد؟

الكثير من الحرارة. أكثر بكثير مما يتطلبه الأمر لإذابة نفس الكمية من أي مادة أخرى. إن الحرارة النوعية العالية للانصهار -80 سعرة حرارية (335 جول) لكل جرام من الجليد هي أيضًا خاصية شاذة للمياه. عندما يتجمد الماء، يتم إطلاق نفس الكمية من الحرارة مرة أخرى.

وعندما يأتي الشتاء، يتشكل الجليد، ويتساقط الثلج، ويعيد الماء الحرارة، مما يؤدي إلى تدفئة الأرض والهواء. إنهم يقاومون البرد ويخففون من الانتقال إلى الشتاء القاسي. بفضل هذه الخاصية الرائعة للمياه، يوجد الخريف والربيع على كوكبنا.

ما مقدار الحرارة اللازمة لتسخين الماء؟

كثير جدا. أكثر مما يلزم لتسخين كمية مساوية من أي مادة أخرى. يستغرق سعر حراري واحد (4.2 جول) لتسخين جرام من الماء درجة واحدة. وهذا أكثر من ضعف السعة الحرارية لأي مركب كيميائي.

الماء مادة غير عادية في معظم خصائصها العادية بالنسبة لنا. بالطبع، هذه القدرة على الماء مهمة جدًا ليس فقط عند طهي العشاء في المطبخ. الماء هو الموزع الكبير للحرارة في جميع أنحاء الأرض. يتم تسخينه بواسطة الشمس تحت خط الاستواء، وينقل الحرارة في المحيط العالمي مع تيارات عملاقة من التيارات البحرية إلى المناطق القطبية البعيدة، حيث لا تكون الحياة ممكنة إلا بفضل هذه الميزة المذهلة للمياه.

لماذا الماء في البحر مالح؟

ولعل هذا هو أحد أهم النتائج المترتبة على واحدة من أروع خصائص الماء. في جزيئه، يتم إزاحة مراكز الشحنات الإيجابية والسلبية بقوة بالنسبة لبعضها البعض. ولذلك، فإن الماء له قيمة عالية جدًا وشاذة لثابت العزل الكهربائي. بالنسبة للماء، e = 80، وبالنسبة للهواء والفراغ، e = 1. وهذا يعني أن أي شحنتين متعاكستين في الماء تنجذبان لبعضهما البعض بقوة أقل 80 مرة من الهواء. بعد كل شيء، وفقا لقانون كولومب:

ولكن لا تزال الروابط بين الجزيئات في جميع الأجسام، والتي تحدد قوة الجسم، ناتجة عن التفاعل بين الشحنات الإيجابية للنواة الذرية والإلكترونات السالبة. على سطح الجسم المغمور في الماء، تضعف القوى المؤثرة بين الجزيئات أو الذرات تحت تأثير الماء بما يقارب مائة مرة. إذا أصبحت قوة الرابطة المتبقية بين الجزيئات غير كافية لتحمل تأثيرات الحركة الحرارية، تبدأ جزيئات أو ذرات الجسم في الانفصال عن سطحها والانتقال إلى الماء. يبدأ الجسم في الذوبان، وينقسم إما إلى جزيئات فردية، مثل السكر في كوب من الشاي، أو إلى جزيئات مشحونة - أيونات، مثل ملح الطعام.

بفضل ثابت العزل الكهربائي العالي بشكل غير طبيعي، يعد الماء أحد أقوى المذيبات. بل إنه قادر على إذابة أي صخرة على سطح الأرض. ببطء وبشكل لا مفر منه، فإنه يدمر حتى الجرانيت، ويغسل منها المكونات القابلة للذوبان بسهولة.

تحمل الجداول والأنهار والأنهار الشوائب الذائبة في الماء إلى المحيط. يتبخر الماء من المحيط ويعود إلى الأرض مرة أخرى ليواصل عمله الأبدي مراراً وتكراراً. وتبقى الأملاح الذائبة في البحار والمحيطات.

لا تظن أن الماء يذوب ولا يحمل إلى البحر إلا ما هو سهل الذوبان، وأن ماء البحر لا يحتوي إلا على الملح العادي الذي يقف على مائدة العشاء. لا، تحتوي مياه البحر تقريبًا على جميع العناصر الموجودة في الطبيعة. أنه يحتوي على المغنيسيوم والكالسيوم والكبريت والبروم واليود والفلور. تم العثور عليها بكميات أقل من الحديد والنحاس والنيكل والقصدير واليورانيوم والكوبالت وحتى الفضة والذهب. وجد الكيميائيون أكثر من ستين عنصرًا في مياه البحر. من المحتمل أن يتم العثور على جميع الآخرين أيضًا. معظم الملح الموجود في مياه البحر هو ملح الطعام. ولهذا السبب فإن الماء في البحر مالح.

هل من الممكن الركض على سطح الماء؟

يستطيع. ولرؤية ذلك، انظر إلى سطح أي بركة أو بحيرة في الصيف. الكثير من الأشخاص الأحياء والسريعين لا يمشون على الماء فحسب، بل يركضون أيضًا. إذا اعتبرنا أن منطقة دعم أرجل هذه الحشرات صغيرة جدًا، فليس من الصعب أن نفهم أنه على الرغم من وزنها الخفيف، فإن سطح الماء يمكن أن يتحمل ضغطًا كبيرًا دون اختراق.

هل يمكن أن يتدفق الماء إلى أعلى؟

نعم ممكن. وهذا يحدث في كل وقت وفي كل مكان. ويرتفع الماء نفسه إلى أعلى في التربة، ويبلل سمك الأرض بالكامل من مستوى المياه الجوفية. ويرتفع الماء نفسه من خلال الأوعية الشعرية للشجرة ويساعد النبات على توصيل العناصر الغذائية الذائبة إلى ارتفاعات كبيرة - من الجذور المخبأة بعمق في الأرض إلى الأوراق والفواكه. يتحرك الماء نفسه للأعلى في مسام الورق النشاف عندما تضطر إلى تجفيف قطعة قماش، أو في نسيج المنشفة عندما تمسح وجهك. في الأنابيب الرفيعة جدًا - في الشعيرات الدموية - يمكن أن يرتفع الماء إلى ارتفاع عدة أمتار.

ما الذي يفسر هذا؟

ميزة أخرى ملحوظة للمياه هي التوتر السطحي العالي بشكل استثنائي. تواجه جزيئات الماء الموجودة على سطحها قوى الجذب بين الجزيئات من جانب واحد فقط، وفي الماء يكون هذا التفاعل قويًا بشكل غير عادي. ولذلك، يتم سحب كل جزيء على سطحه إلى السائل. ونتيجة لذلك، تنشأ قوة تؤدي إلى شد سطح السائل، وهي قوية بشكل خاص في الماء: يبلغ التوتر السطحي 72 ملي نيوتن/م (ملي نيوتن لكل متر).

هل يستطيع الماء أن يتذكر؟

من المسلم به أن هذا السؤال يبدو غير عادي للغاية، ولكنه خطير للغاية ومهم للغاية. يتعلق الأمر بمشكلة فيزيائية كيميائية كبيرة، والتي لم يتم التحقيق فيها بعد في الجزء الأكثر أهمية منها. لقد طرح هذا السؤال للتو في العلم، لكنه لم يجد إجابة له بعد.

والسؤال هو: هل يؤثر التاريخ السابق للماء على خواصه الفيزيائية والكيميائية وهل من الممكن من خلال دراسة خواص الماء معرفة ما حدث له سابقًا - لجعل الماء نفسه "يتذكر" ويخبرنا عنه . نعم، ربما، مفاجئًا كما قد يبدو. أسهل طريقة لفهم ذلك هي باستخدام مثال بسيط ولكنه مثير للاهتمام وغير عادي - ذاكرة الجليد.

الجليد هو الماء بعد كل شيء. عندما يتبخر الماء، يتغير التركيب النظائري للماء والبخار. يتبخر الماء الخفيف، وإن كان بدرجة ضئيلة، بشكل أسرع من الماء الثقيل.

عندما يتبخر الماء الطبيعي، يتغير التركيب في المحتوى النظائري ليس فقط للديوتيريوم، ولكن أيضًا للأكسجين الثقيل. تمت دراسة هذه التغييرات في التركيب النظائري للبخار جيدًا، كما تمت دراسة اعتمادها على درجة الحرارة جيدًا.

في الآونة الأخيرة، أجرى العلماء تجربة رائعة. في القطب الشمالي، في سمك نهر جليدي ضخم في شمال جرينلاند، تم حفر بئر واستخراج نواة جليدية عملاقة يبلغ طولها حوالي كيلومتر ونصف. وكانت الطبقات السنوية من الجليد المتنامي مرئية بوضوح عليها. على طول النواة بالكامل، خضعت هذه الطبقات للتحليل النظائري، واستنادًا إلى المحتوى النسبي للنظائر الثقيلة للهيدروجين والأكسجين - الديوتيريوم و18O - تم تحديد درجات حرارة تكوين طبقات الجليد السنوية في كل قسم أساسي. تم تحديد تاريخ تكوين الطبقة السنوية عن طريق العد المباشر. وبهذه الطريقة، تم استعادة الوضع المناخي على الأرض لألف عام. تمكنت المياه من تذكر وتسجيل كل هذا في الطبقات العميقة من نهر جرينلاند الجليدي.

ونتيجة للتحليلات النظائرية لطبقات الجليد، قام العلماء ببناء منحنى تغير المناخ على الأرض. اتضح أن متوسط ​​درجة الحرارة لدينا يخضع لتقلبات طويلة الأمد. كان الجو باردًا جدًا في القرن الخامس عشر وفي نهاية القرن السابع عشر. وفي بداية القرن التاسع عشر. وكانت الأعوام الأكثر سخونة هي 1550 و1930.

إذن ما هو سر «ذاكرة» الماء؟

والحقيقة هي أنه في السنوات الأخيرة تراكمت لدى العلم تدريجيًا العديد من الحقائق المذهلة وغير المفهومة تمامًا. بعضها ثابت، والبعض الآخر يحتاج إلى تأكيد كمي موثوق، وكلها لا تزال تنتظر تفسيرها.

على سبيل المثال، لا أحد يعرف حتى الآن ما يحدث للمياه المتدفقة عبر مجال مغناطيسي قوي. إن علماء الفيزياء النظرية متأكدون تمامًا من أنه لا يمكن أن يحدث شيء ولن يحدث له، مما يعزز اقتناعهم بحسابات نظرية موثوقة تمامًا، والتي يترتب عليها أنه بعد توقف المجال المغناطيسي، يجب أن يعود الماء على الفور إلى حالته السابقة ويبقى كما كان كان . وتظهر التجربة أنه يتغير ويصبح مختلفًا.

هناك فرق كبير؟ أحكم لنفسك. من الماء العادي في غلاية بخارية ، تترسب الأملاح الذائبة المنبعثة في طبقة كثيفة وصلبة مثل الحجر على جدران أنابيب الغلاية ، ومن الماء الممغنط (كما يطلق عليه الآن في التكنولوجيا) تتساقط على شكل رواسب سائبة معلقة في الماء. ويبدو أن الفرق صغير. لكن ذلك يعتمد على وجهة النظر. وفقا للعاملين في محطات الطاقة الحرارية، فإن هذا الاختلاف مهم للغاية، لأن المياه الممغنطة تضمن التشغيل الطبيعي وغير المنقطع لمحطات الطاقة العملاقة: لا تتضخم جدران أنابيب الغلايات البخارية، ويكون نقل الحرارة أعلى، وتوليد الكهرباء أعلى. لقد تم منذ فترة طويلة تركيب المعالجة المغناطيسية للمياه في العديد من المحطات الحرارية، لكن لا يعرف المهندسون ولا العلماء كيف ولماذا تعمل. بالإضافة إلى ذلك، فقد لوحظ تجريبياً أنه بعد المعالجة المغناطيسية للمياه، تتسارع عمليات التبلور والذوبان والامتزاز فيه، ويتغير الترطيب... إلا أن التأثيرات في جميع الحالات تكون صغيرة ويصعب تكرارها.

يستمر تأثير المجال المغناطيسي على الماء (الذي يتدفق بسرعة بالضرورة) لأجزاء صغيرة من الثانية، لكن الماء "يتذكر" ذلك لعشرات الساعات. لماذا غير معروف. في هذه المسألة، الممارسة متقدمة بكثير عن العلم. بعد كل شيء، من غير المعروف أيضًا ما الذي يؤثر على العلاج المغناطيسي بالضبط - الماء أو الشوائب الموجودة فيه. لا يوجد شيء اسمه الماء النقي.

ولا تقتصر "ذاكرة" الماء على الحفاظ على تأثيرات التأثير المغناطيسي. في العلم، توجد العديد من الحقائق والملاحظات، وهي تتراكم تدريجياً، مما يدل على أن الماء يبدو وكأنه "يتذكر" أنه كان متجمداً في السابق.

ويبدو أيضًا أن الماء الذائب، الذي تشكل مؤخرًا عن طريق ذوبان قطعة من الجليد، يختلف عن الماء الذي تشكلت منه قطعة الجليد هذه. في الماء الذائب، تنبت البذور بشكل أسرع وأفضل، وتتطور البراعم بشكل أسرع؛ علاوة على ذلك، يبدو أن الدجاج الذي يتلقى الماء الذائب ينمو ويتطور بشكل أسرع. بالإضافة إلى الخصائص المذهلة للمياه الذائبة التي أنشأها علماء الأحياء، فإن الاختلافات الفيزيائية والكيميائية البحتة معروفة أيضًا، على سبيل المثال، يختلف الماء الذائب في اللزوجة وثابت العزل الكهربائي. تأخذ لزوجة الماء الذائب قيمتها المعتادة بالنسبة للماء بعد 3-6 أيام فقط من الذوبان. لماذا هذا (إذا كان الأمر كذلك)، لا أحد يعرف.

يطلق معظم الباحثين على هذه المنطقة من الظواهر اسم "الذاكرة الهيكلية" للمياه، معتقدين أن كل هذه المظاهر الغريبة لتأثير التاريخ السابق للمياه على خصائصه تفسر بالتغيرات في البنية الدقيقة لحالته الجزيئية. ربما يكون الأمر كذلك، لكن... تسميته لا تعني تفسيره. لا تزال هناك مشكلة مهمة في العلم: لماذا وكيف يتذكر الماء ما حدث له؟

من أين أتت المياه على الأرض؟

تيارات الأشعة الكونية - تيارات من الجسيمات ذات طاقة هائلة - تتخلل الكون إلى الأبد في جميع الاتجاهات. يحتوي معظمها على بروتونات - نوى ذرات الهيدروجين. يتعرض كوكبنا، أثناء حركته في الفضاء، بشكل مستمر إلى "قصف البروتونات". تخترق البروتونات الطبقات العليا من الغلاف الجوي للأرض، وتلتقط الإلكترونات، وتتحول إلى ذرات هيدروجين وتتفاعل فورًا مع الأكسجين لتكوين الماء. تظهر الحسابات أنه كل عام يولد ما يقرب من طن ونصف من هذه المياه "الكونية" في طبقة الستراتوسفير. على ارتفاعات عالية عند درجات حرارة منخفضة، تكون مرونة بخار الماء صغيرة جدًا وتتراكم جزيئات الماء تدريجيًا وتتكثف على جزيئات الغبار الكوني، لتشكل سحبًا ليلية غامضة. يقترح العلماء أنها تتكون من بلورات ثلجية صغيرة نشأت من مثل هذه المياه "الكونية". وأظهرت الحسابات أن المياه التي ظهرت على الأرض بهذه الطريقة طوال تاريخها ستكون كافية لولادة جميع محيطات كوكبنا. إذن، الماء جاء إلى الأرض من الفضاء؟ لكن...

علماء الجيوكيمياء لا يعتبرون الماء ضيفًا سماويًا. إنهم مقتنعون بأنها من أصل أرضي. الصخور التي تشكل عباءة الأرض، والتي تقع بين النواة المركزية للأرض والقشرة الأرضية، ذابت في أماكن تحت تأثير الحرارة المتراكمة للتحلل الإشعاعي للنظائر. تم إطلاق سراح هذه المكونات المتطايرة: مركبات النيتروجين والكلور والكربون والكبريت، والأهم من ذلك كله، تم إطلاق بخار الماء.

ما المقدار الذي يمكن أن تنبعث منه جميع البراكين أثناء الانفجارات طوال فترة وجود كوكبنا؟

لقد حسب العلماء هذا أيضًا. وتبين أن مثل هذه المياه "الجيولوجية" المتفجرة ستكون كافية أيضًا لملء جميع المحيطات.

في الأجزاء الوسطى من كوكبنا، التي تشكل جوهره، ربما لا يوجد ماء. ومن غير المرجح أن تكون موجودة هناك. ويعتقد بعض العلماء أنه علاوة على ذلك، حتى لو كان الأكسجين والهيدروجين موجودين هناك، فيجب أن يشكلوا، مع عناصر أخرى، أشكالًا جديدة للعلم، أشكالًا معدنية غير معروفة من المركبات ذات كثافة عالية ومستقرة عند الضغوط ودرجات الحرارة الهائلة. التي تسود في وسط الكرة الأرضية.

ويعتقد باحثون آخرون أن قلب الكرة الأرضية يتكون من الحديد. ما هو في الواقع ليس بعيدًا عنا، تحت أقدامنا، على أعماق تتجاوز 3 آلاف كيلومتر، لا أحد يعرفه بعد، ولكن ربما لا يوجد ماء هناك.

معظم الماء الموجود في باطن الأرض موجود في وشاحها، وهي طبقات تقع تحت القشرة الأرضية وتمتد إلى عمق حوالي 3 آلاف كيلومتر. يعتقد الجيولوجيون أن ما لا يقل عن 13 مليار متر مكعب يتركز في الوشاح. كم من الماء.

الطبقة العليا من قشرة الأرض - القشرة الأرضية - تحتوي على ما يقرب من 1.5 مليار متر مكعب. كم من الماء. تكون كل المياه الموجودة في هذه الطبقات تقريبًا في حالة مقيدة - فهي جزء من الصخور والمعادن وتشكل الهيدرات. لا يمكنك الاستحمام في هذا الماء ولا يمكنك شربه.

ويتكون الغلاف المائي، وهو الغلاف المائي للكرة الأرضية، بحوالي 1.5 مليار متر مكعب أخرى. كم من الماء. تقريبا كل هذه الكمية موجودة في المحيط العالمي. تشغل حوالي 70% من إجمالي سطح الأرض، وتبلغ مساحتها أكثر من 360 مليون متر مربع. كم. من الفضاء، لا يبدو كوكبنا كالكرة الأرضية على الإطلاق، بل يشبه بالون الماء.

ويبلغ متوسط ​​عمق المحيط حوالي 4 كيلومترات. إذا قارنا هذا "العمق الذي لا نهاية له" بحجم الكرة الأرضية نفسها، التي يبلغ متوسط ​​قطرها كيلومترًا، فعلى العكس من ذلك، سيتعين علينا الاعتراف بأننا نعيش على كوكب رطب، فهو رطب قليلاً فقط بالماء، وحتى ذلك الحين ليس على السطح بأكمله. المياه في المحيطات والبحار مالحة ولا يمكنك شربها.

المياه قليلة جدًا على الأرض: حوالي 90 مليون متر مكعب فقط. كم. منها أكثر من 60 مليون متر مكعب. كم تحت الأرض، وكلها تقريبًا عبارة عن مياه مالحة. حوالي 25 مليون متر مكعب. كيلومتر من المياه الصلبة تقع في المناطق الجبلية والجليدية في القطب الشمالي وغرينلاند والقارة القطبية الجنوبية. احتياطيات المياه هذه في العالم محمية.

تحتوي جميع البحيرات والمستنقعات والخزانات الاصطناعية والتربة على 500 ألف متر مكعب أخرى. كم من الماء.

الماء موجود أيضًا في الغلاف الجوي. يوجد دائمًا الكثير من بخار الماء في الهواء، حتى في أكثر الصحاري جفافًا، حيث لا توجد قطرة ماء ولا تمطر أبدًا. بالإضافة إلى ذلك، تطفو الغيوم دائمًا عبر السماء، وتتجمع السحب، وتتساقط الثلوج، وتمطر، وينتشر الضباب على الأرض. وقد تم حساب كل هذه الاحتياطيات من الماء في الغلاف الجوي بدقة: فهي مجتمعة تبلغ 14 ألف متر مكعب فقط. كم.

وهنا يمكننا الانتقال إلى الفئة الثانية. تحت الكلمة "جليد"لقد اعتدنا على فهم حالة الطور الصلب للمياه. ولكن إلى جانب ذلك، تخضع المواد الأخرى للتجميد. وهكذا يمكن تمييز الجليد من خلال التركيب الكيميائي للمادة الأصلية، مثل ثاني أكسيد الكربون والأمونيا وجليد الميثان وغيرها.

ثالثًا، هناك شبكات بلورية (تعديلات) لجليد الماء، يتم تحديد تكوينها بواسطة عامل ديناميكي حراري. وهذا ما سنتحدث عنه قليلاً في هذه التدوينة.

في مقال الجليد، نظرنا إلى كيفية إعادة هيكلة بنية الماء مع تغيير في حالة التجميع، وتطرقنا إلى البنية البلورية للجليد العادي. بفضل البنية الداخلية لجزيء الماء نفسه والروابط الهيدروجينية التي تربط جميع الجزيئات بنظام مرتب، يتم تشكيل شبكة بلورية سداسية (سداسية) من الجليد. يتم ترتيب الجزيئات الأقرب إلى بعضها البعض (واحدة مركزية وأربعة زوايا) على شكل هرم ثلاثي السطوح، أو رباعي السطوح، الذي يكمن وراء تعديل البلورة السداسية ( رسم بياني 1).

بالمناسبة، يتم قياس المسافة بين أصغر جسيمات المادة بالنانومتر (نانومتر) أو الأنجستروم (سميت على اسم الفيزيائي السويدي أندرس جوناس أنجستروم في القرن التاسع عشر؛ ويشار إليه بالرمز Å). 1 Å = 0.1 نانومتر = 10−10 م.

يمتد هذا الهيكل السداسي للجليد العادي إلى حجمه بالكامل. يمكنك رؤية ذلك بوضوح بالعين المجردة: أثناء تساقط الثلوج في الشتاء، التقط ندفة ثلجية على كمك أو قفازك وألقِ نظرة فاحصة على شكلها - فهي ذات ستة أشعة أو سداسية. هذا هو الحال بالنسبة لكل ندفة ثلج، ولكن لا توجد ندفة ثلجية تكرر ندفة ثلج أخرى (المزيد حول هذا في مقالتنا). وحتى بلورات الثلج الكبيرة بشكلها الخارجي تتوافق مع البنية الجزيئية الداخلية ( الصورة 2).

لقد قلنا بالفعل أن انتقال المادة، وخاصة الماء، من حالة إلى أخرى يحدث في ظل ظروف معينة. يتشكل الجليد الطبيعي عند درجات حرارة 0 درجة مئوية أو أقل، وعند ضغط جوي واحد (القيمة الطبيعية). وبالتالي، لظهور تعديلات أخرى للجليد، يلزم تغيير هذه القيم، وفي معظم الحالات وجود درجات حرارة منخفضة وضغط مرتفع، حيث تتغير زاوية الروابط الهيدروجينية ويتم إعادة بناء الشبكة البلورية بأكملها.

ينتمي كل تعديل للجليد إلى نظام معين - مجموعة من البلورات التي تحتوي فيها خلايا الوحدة على نفس نظام التماثل والإحداثيات (محاور XYZ). في المجموع، هناك سبعة Syngonies. يتم عرض خصائص كل منهم على الرسوم التوضيحية 3-4. وفيما يلي صورة للأشكال الرئيسية للبلورات ( الشكل 5)

تم الحصول على جميع تعديلات الجليد التي تختلف عن الجليد العادي في ظروف المختبر. أصبحت الهياكل الجليدية متعددة الأشكال الأولى معروفة في بداية القرن العشرين من خلال جهود العلماء غوستاف هاينريش تامانو بيرسي ويليامز بريدجمان. تم استكمال مخطط بريدجمان للتعديلات بشكل دوري. تم تحديد تعديلات جديدة من تلك التي تم الحصول عليها في وقت سابق. تم إجراء أحدث التغييرات على الرسم البياني في عصرنا. وقد تم حتى الآن الحصول على ستة عشر نوعًا بلوريًا من الجليد. كل نوع له اسمه الخاص ويشار إليه برقم روماني.

لن نتعمق في الخصائص الفيزيائية لكل نوع جزيئي من الجليد المائي، حتى لا نملكم أيها القراء الأعزاء بالتفاصيل العلمية، وسنشير فقط إلى المعالم الرئيسية.

يسمى الجليد العادي بالجليد Ih (البادئة "h" تعني النظام السداسي). على الرسوم التوضيحية 7يتم عرض تركيبها البلوري المكون من روابط سداسية (سداسيات) تختلف في الشكل - واحدة في الشكل كراسي الشمس(إنجليزي) شكل كرسي)، آخر في النموذج الغراب (شكل قارب). تشكل هذه السداسيات قسمًا ثلاثي الأبعاد - "كراسي استرخاء" أفقية في الأعلى والأسفل، وثلاثة "قوارب" تحتل وضعًا رأسيًا.

يوضح الرسم البياني المكاني الترتيب في ترتيب الروابط الهيدروجينية للجليد اهولكن في الواقع يتم بناء الاتصالات بشكل عشوائي. ومع ذلك، لا يستبعد العلماء أن تكون الروابط الهيدروجينية على سطح الجليد السداسي أكثر ترتيبًا منها داخل الهيكل.

تشتمل وحدة خلية الجليد السداسي (أي الحد الأدنى لحجم البلورة، والتي يشكل التكاثر المتكرر لها في ثلاثة أبعاد الشبكة البلورية بأكملها ككل) على 4 جزيئات ماء. أبعاد الخلية هي 4.51 أنجسترومعلى كلا الجانبين أ، بو 7.35 أنجسترومعلى الجانب c (الجانب أو المحور c في المخططات له اتجاه عمودي). الزوايا التي بين الجانبين كما ترى من الرسم التوضيحي 4: α=β = 90°، γ = 120°. المسافة بين الجزيئات المجاورة هي 2.76 أنجستروم.

تشكل بلورات الثلج السداسية صفائح وأعمدة سداسية؛ الوجوه العلوية والسفلية فيها هي المستويات الأساسية، وتسمى الوجوه الجانبية الستة المتماثلة المنشورية ( الشكل 10).

الحد الأدنى لعدد جزيئات الماء اللازمة لبدء تبلوره هو حوالي 275 (±25). وإلى حد كبير، يحدث تكوين الجليد على سطح الكتلة المائية المحاذية للهواء، وليس داخله. بلورات ثلجية خشنة اهتتشكل ببطء في اتجاه المحور c، على سبيل المثال، في المياه الراكدة تنمو عموديًا إلى أسفل من الصفائح البلورية، أو في الظروف التي يكون فيها النمو الجانبي صعبًا. أدى الجليد ذو الحبيبات الدقيقة، الذي يتكون في الماء المضطرب أو عندما يتجمد بسرعة، إلى تسريع النمو الموجه من الوجوه المنشورية. تحدد درجة حرارة الماء المحيط درجة تفرع الشبكة البلورية الجليدية.

يتم استبعاد جزيئات المواد الذائبة في الماء، باستثناء ذرات الهيليوم والهيدروجين، التي تسمح لها أبعادها بالتناسب مع تجاويف الهيكل، من الشبكة البلورية عند الضغط الجوي العادي، ويتم إجبارها على الخروج إلى سطح البلورة أو ، كما في حالة الصنف غير المتبلور (المزيد حول هذا لاحقًا في المقالة) الذي يشكل طبقات بين البلورات الدقيقة. يمكن استخدام دورات متتالية من تجميد وتذويب المياه لتنقيتها من الشوائب، على سبيل المثال، الغازات (إزالة الغازات).

جنبا إلى جنب مع الجليد اهيوجد أيضًا جليد جيم (نظام مكعب)، ومع ذلك، في الطبيعة، يكون تكوين هذا النوع من الجليد ممكنًا في بعض الأحيان فقط في الطبقات العليا من الغلاف الجوي. الجليد الاصطناعي جيميتم الحصول عليها عن طريق تجميد الماء على الفور، حيث يتم تكثيف البخار على المبرد 80 إلى ناقص 110 درجة مئويةسطح المعدن عند الضغط الجوي العادي. نتيجة للتجربة، تسقط بلورات الشكل المكعب أو في شكل مثمنات على السطح. لن يكون من الممكن تكوين ثلج مكعب من التعديل الأول من الجليد السداسي العادي عن طريق خفض درجة حرارته، لكن التحول من المكعب إلى السداسي ممكن عن طريق تسخين الجليد جيمأعلى ناقص 80 درجة مئوية.

في التركيب الجزيئي للجليد جيمزاوية الرابطة الهيدروجينية هي نفس زاوية الجليد العادي اه - 109.5 درجة. وهنا حلقة سداسية مكونة من جزيئات في شبكة جليدية جيمموجودة فقط في شكل صالة تشيس.

تبلغ كثافة الجليد Ic 0.92 جم/سم3 عند ضغط 1 atm. تحتوي وحدة الخلية في البلورة المكعبة على 8 جزيئات وأبعادها: a=b=c = 6.35 Å، وزواياها α=β=γ = 90°.

في مذكرة.أعزائي القراء، في هذه المقالة سنواجه بشكل متكرر مؤشرات درجة الحرارة والضغط لنوع أو آخر من الجليد. وإذا كانت قيم درجة الحرارة المعبر عنها بالدرجات المئوية واضحة للجميع، فإن إدراك قيم الضغط قد يكون صعبا على البعض. في الفيزياء، يتم استخدام وحدات مختلفة لقياسه، ولكن في مقالتنا سوف نشير إليه في الأجواء (atm)، مع تقريب القيم. يبلغ الضغط الجوي الطبيعي 1 أتم، أي ما يعادل 760 ملم زئبق، أو ما يزيد قليلاً عن 1 بار، أو 0.1 ميجاباسكال.

كما تفهم، على وجه الخصوص، من المثال مع الجليد جيم، فإن وجود تعديلات بلورية للجليد ممكن في ظل ظروف التوازن الديناميكي الحراري، أي. فعندما يختل توازن درجة الحرارة والضغط الذي يحدد وجود أي نوع بلوري من الجليد، يختفي هذا النوع ويتحول إلى تعديل آخر. ويختلف نطاق هذه القيم الديناميكية الحرارية، فهو يختلف من نوع لآخر. دعونا ننظر في أنواع أخرى من الجليد، ليس فقط بترتيب التسميات، ولكن فيما يتعلق بهذه التحولات الهيكلية.

جليد ثانياينتمي إلى النظام الثلاثي. ويمكن تشكيله من النوع السداسي عند ضغط حوالي 3000 ضغط جوي ودرجة حرارة حوالي 75 درجة مئوية تحت الصفر، أو من تعديل آخر ( الجليد V) عن طريق خفض الضغط بشكل حاد عند درجة حرارة 35 درجة مئوية تحت الصفر. وجود ثانياهذا النوع من الجليد ممكن في ظروف تصل إلى 170 درجة مئوية تحت الصفر وضغط من 1 إلى 50000 ضغط جوي (أو 5 جيجاباسكال (GPa)). وفقا للعلماء، من المحتمل أن يكون الجليد من هذا التعديل جزءا من الأقمار الصناعية الجليدية للكواكب البعيدة للنظام الشمسي. ويخلق الضغط الجوي الطبيعي ودرجات الحرارة الأعلى من 113 درجة مئوية تحت الصفر الظروف الملائمة لهذا النوع من الجليد ليتحول إلى جليد سداسي عادي.

على الرسوم التوضيحية 13تظهر شبكة الكريستال الجليدي ثانيا. هناك سمة مميزة للهيكل مرئية - نوع من القنوات السداسية المجوفة التي تتكون من روابط جزيئية. تتكون خلية الوحدة (المنطقة الموضحة في الرسم التوضيحي بالماس) من رباطين يتم إزاحتهما بالنسبة لبعضهما البعض، إذا جاز التعبير، "في الارتفاع". ونتيجة لذلك، يتم تشكيل نظام شعرية معينية السطوح. أبعاد الخلية أ = ب = ج = 7.78 Å؛ α=β=γ = 113.1°. هناك 12 جزيء في الخلية. تتراوح زاوية الرابطة بين الجزيئات (O–O–O) من 80 إلى 120 درجة.

عند تعديل التسخين II، يمكنك الحصول على الجليد ثالثاوالعكس صحيح التبريد بالثلج ثالثايحولها إلى جليد ثانيا. الجليد أيضا ثالثايتشكل عندما تنخفض درجة حرارة الماء تدريجياً إلى 23 درجة مئوية تحت الصفر، مما يؤدي إلى زيادة الضغط إلى 3000 ضغط جوي.
كما هو واضح في مخطط المرحلة ( سوف. 6)، الظروف الديناميكية الحرارية لحالة الجليد المستقرة ثالثاوكذلك تعديل آخر - الجليد الخامس، صغيرون.

جليد ثالثاو الخامسلها أربع نقاط ثلاثية مع التعديلات المحيطة (القيم الديناميكية الحرارية التي يمكن عندها وجود حالات مختلفة للمادة). ومع ذلك، الجليد ثانيا, ثالثاو الخامسيمكن أن توجد تعديلات تحت ظروف الضغط الجوي الطبيعي ودرجة حرارة 170 درجة مئوية تحت الصفر، وتسخينها إلى 150 درجة مئوية تحت الصفر يؤدي إلى تكوين الجليد جيم.

بالمقارنة مع تعديلات الضغط العالي الأخرى المعروفة حاليًا، الجليد ثالثالديه أدنى كثافة - عند ضغط 3500 ضغط جوي. وهو يساوي 1.16 جم/سم3.
جليد ثالثاهو مجموعة رباعية الأضلاع من الماء المتبلور، ولكن هيكل شعرية الجليد نفسه ثالثالديه انتهاكات. إذا كان كل جزيء محاطًا عادةً بأربعة جزيئات مجاورة، ففي هذه الحالة سيكون لهذا المؤشر قيمة 3.2، بالإضافة إلى ذلك قد يكون هناك 2 أو 3 جزيئات أخرى لا تحتوي على روابط هيدروجينية قريبة.
في الترتيب المكاني، تشكل الجزيئات حلزونات يمينية.
أبعاد خلية الوحدة التي تحتوي على 12 جزيء عند درجة حرارة 23 درجة مئوية تحت الصفر وحوالي 2800 ضغط جوي: a=b = 6.66, c = 6.93 Å; α=β=γ = 90°. تتراوح زاوية الرابطة الهيدروجينية من 87 إلى 141 درجة.

على الرسوم التوضيحية 15يتم تقديم مخطط مكاني للتركيب الجزيئي للجليد بشكل تقليدي ثالثا. تظهر الجزيئات (النقاط الزرقاء) الموجودة بالقرب من العارض بشكل أكبر، وتكون الروابط الهيدروجينية (الخطوط الحمراء) أكثر سمكًا في المقابل.

والآن، كما يقولون، في أعقابنا، دعونا "نقفز" على الفور أولئك الذين يأتون بعد الجليد ثالثابترتيب التسميات، والتعديلات البلورية، ودعونا نقول بضع كلمات عن الجليد تاسعا.
هذا النوع من الجليد هو في الأساس ثلج معدل ثالثاتعرض للتبريد العميق السريع من -65 إلى -108 درجة مئوية لتجنب تحوله إلى ثلج ثانيا. جليد تاسعايظل مستقرًا عند درجات حرارة أقل من 133 درجة مئوية وضغوط تتراوح من 2000 إلى 4000 ضغط جوي. كثافته وبنيته متطابقة ثالثاالعقل، ولكن على عكس الجليد ثالثافي هيكل الجليد تاسعاهناك ترتيب في ترتيب البروتونات.
تسخين الجليد تاسعاولا يرجعه إلى أصله ثالثاتعديلات، ولكن يتحول إلى الجليد ثانيا. أبعاد الخلية: أ = ب = 6.69، ج = 6.71 Å عند درجة حرارة 108 درجة مئوية تحت الصفر و2800 ضغط جوي.

بالمناسبةتتمحور رواية كاتب الخيال العلمي كيرت فونيغوت عام 1963 بعنوان "مهد القطة" حول مادة تسمى الجليد التاسع، والتي توصف بأنها مادة من صنع الإنسان تشكل خطراً كبيراً على الحياة لأن الماء يتبلور عند ملامسته لها، ويتحول إلى الجليد التاسع. فدخول ولو كمية بسيطة من هذه المادة إلى المياه الطبيعية المواجهة لمحيطات العالم يهدد بتجميد كل المياه الموجودة على الكوكب، وهو ما يعني بدوره موت جميع الكائنات الحية. في النهاية، هذا ما يحدث.

الجليد الرابعهو تشكيل مثلثي شبه مستقر (ضعيف الاستقرار) لشبكة بلورية. وجودها ممكن في الفضاء المرحلة من الجليد ثالثا, الخامسو السادسالتعديلات. احصل على بعض الجليد رابعايمكن صنعه من الجليد غير المتبلور عالي الكثافة عن طريق تسخينه ببطء، بدءًا من درجة حرارة 130 درجة مئوية تحت الصفر عند ضغط ثابت يبلغ 8000 ضغط جوي.
حجم خلية الوحدة المعينية هو 7.60 Å، والزوايا α=β=γ = 70.1°. تحتوي الخلية على 16 جزيءًا؛ الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات غير متماثلة. عند ضغط 1 atm ودرجة حرارة -163 درجة مئوية، تكون كثافة الجليد IV 1.27 جم/سم3. زاوية الرابطة O-O-O: 88-128°.

على نفس المنوال رابعانوع الجليد الذي يشكل الجليد الثاني عشر– عن طريق تسخين تعديل غير متبلور عالي الكثافة (المزيد حول هذا أدناه) من ناقص 196 إلى ناقص 90 درجة مئوية عند نفس الضغط البالغ 8000 ضغط جوي، ولكن بسرعة أعلى.
جليد الثاني عشرأيضا متبدل الاستقرار في منطقة المرحلة الخامسو السادسأنواع بلورية. إنه نوع من النظام الرباعي.
تحتوي خلية الوحدة على 12 جزيء، والتي، بسبب الروابط الهيدروجينية بزوايا 84-135 درجة، تقع في الشبكة البلورية، وتشكل حلزونًا مزدوجًا أيمنًا. الخلية لها أبعاد: أ=ب = 8.27، ج = 4.02 Å؛ الزوايا α=β=γ = 90°. تبلغ كثافة الجليد XII 1.30 جم/سم3 عند الضغط الجوي العادي ودرجة حرارة تقل عن 146 درجة مئوية. زوايا الرابطة الهيدروجينية: 67-132 درجة.

من بين التعديلات المكتشفة حاليًا لجليد الماء، يمتلك الجليد البنية البلورية الأكثر تعقيدًا الخامس. 28 جزيءًا يشكلون خلية الوحدة الخاصة بها. الروابط الهيدروجينية تمتد عبر الفجوات في المركبات الجزيئية الأخرى، وبعض الجزيئات تشكل روابط مع مركبات معينة فقط. تختلف زاوية الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات المجاورة بشكل كبير - من 86 إلى 132 درجة، وبالتالي في الشبكة البلورية للجليد الخامسهناك توتر قوي وإمدادات هائلة من الطاقة.
معلمات الخلية في ظل ظروف الضغط الجوي الطبيعي ودرجة الحرارة ناقص 175 درجة مئوية: أ = 9.22، ب = 7.54، ج = 10.35 Å؛ α=β = 90°، γ = 109.2°.
جليد الخامسهو صنف أحادي الميل يتكون من تبريد الماء إلى درجة حرارة 20 درجة مئوية تحت الصفر عند ضغط يبلغ حوالي 5000 ضغط جوي. تبلغ كثافة الشبكة البلورية، مع الأخذ في الاعتبار ضغط 3500 ضغط جوي، 1.24 جم/سم3.
رسم تخطيطي مكاني للشبكة البلورية الجليدية الخامسالنوع الموضح في الرسوم التوضيحية 18. يتم تمييز منطقة خلية وحدة البلورة بمخطط رمادي.

ترتيب منظم للبروتونات في بنية الجليد الخامسيجعلها مجموعة أخرى تسمى الجليد الثالث عشر. يمكن الحصول على هذا التعديل أحادي الميل عن طريق تبريد الماء إلى درجة حرارة أقل من 143 درجة مئوية تحت الصفر مع إضافة حمض الهيدروكلوريك (HCl) لتسهيل انتقال الطور، مما يخلق ضغطًا يبلغ 5000 ضغط جوي. انتقال عكسي من الثالث عشراكتب ك الخامسالنوع ممكن في نطاق درجة الحرارة من -193 درجة مئوية إلى -153 درجة مئوية.
أبعاد وحدة خلية الجليد الثالث عشرمختلفة قليلاً عن الخامسالتعديلات: أ = 9.24، ب = 7.47، ج = 10.30 Å؛ α=β = 90°، γ= 109.7° (عند 1 ATM، -193°С). عدد الجزيئات في الخلية هو نفسه - 28. زاوية الروابط الهيدروجينية: 82-135 درجة.

في الجزء التالي من مقالتنا سنواصل استعراضنا لتعديلات جليد الماء.

نراكم على صفحات مدونتنا!

يمكنك أيضًا قراءة مقالات أخرى:

تركيبات الجليد على شكل أشجار عيد الميلاد

زخرفة الجليد للاستحمام في عيد الغطاس

التراكيب الجليدية للعام الجديد

عصا التحكم الجليدية سوني بلاي ستيشن

العمل مع الناس على الجليد

شيفاس ريجال آيس بار

زخرفة الجليد للمآدب

جدار الجليد في مانشستر

أثاث الجليد هونغتاو تشو

أطباق الجليد

قلعة الجليد في مينيسوتا

مايكروسوفت آيس هاوس

فقاعات مجمدة

(آيسفانج في وادي فيل).

الدببة القطبية تتزلج على الجليد

الجرو ومكعب الثلج

مدينة الجليد في كراسنوجورسك

نحت الجليد - ملاك

التزلج على الجليد على الجليد الرقيق

ظلال الجليد

ألواح الجليد

النورس اشتعلت في الجليد

أشياء عصرية على الجليد

الجليد الفضائي. الجزء الثاني: المذنبات.