Estructura cristalina del hielo. Propiedades del agua

El estado tridimensional del agua líquida es difícil de estudiar, pero se ha aprendido mucho analizando la estructura de los cristales de hielo. Cuatro átomos de oxígeno vecinos unidos por enlaces de hidrógeno ocupan los vértices de un tetraedro (tetra = cuatro, edro = plano). La energía media necesaria para romper dicho enlace en el hielo se estima en 23 kJ/mol -1.

La capacidad de las moléculas de agua para formar un número determinado de cadenas de hidrógeno, así como la fuerza especificada, crean un punto de fusión inusualmente alto. Cuando se derrite, queda retenido por agua líquida, cuya estructura es irregular. La mayoría de los enlaces de hidrógeno están distorsionados. Para destruir la red cristalina del hielo unida por enlaces de hidrógeno se requiere una gran cantidad de energía en forma de calor.

Características de la apariencia del hielo (Ih)

Mucha gente corriente se pregunta qué tipo de red cristalina tiene el hielo. Cabe señalar que la densidad de la mayoría de las sustancias aumenta al congelarse, cuando los movimientos moleculares se ralentizan y se forman cristales densos. La densidad del agua también aumenta a medida que se enfría hasta su máximo a 4°C (277K). Luego, cuando la temperatura desciende por debajo de este valor, se expande.

Este aumento se debe a la formación de un cristal de hielo abierto con enlaces de hidrógeno con su red y menor densidad, en el que cada molécula de agua está estrechamente unida por el elemento anterior y otros cuatro valores, y aún se mueve lo suficientemente rápido como para tener más masa. Mientras ocurre esta acción, el líquido se congela de arriba a abajo. Esto tiene importantes consecuencias biológicas: una capa de hielo en un estanque aísla a los seres vivos del frío extremo. Además, dos propiedades adicionales del agua están relacionadas con sus características de hidrógeno: capacidad calorífica específica y evaporación.

Descripción detallada de las estructuras.

El primer criterio es la cantidad necesaria para elevar la temperatura de 1 gramo de una sustancia en 1°C. Aumentar los grados de agua requiere una porción relativamente grande de calor porque cada molécula está involucrada en numerosos enlaces de hidrógeno que deben romperse para que aumente la energía cinética. Por cierto, la abundancia de H 2 O en las células y tejidos de todos los grandes organismos multicelulares significa que se minimizan las fluctuaciones de temperatura dentro de las células. Esta característica es crítica porque la mayoría de las reacciones bioquímicas son sensibles a la velocidad.

También significativamente más alto que muchos otros líquidos. Para convertir este sólido en gas se requiere una gran cantidad de calor porque los enlaces de hidrógeno deben romperse para que las moléculas de agua puedan dislocarse entre sí y entrar en dicha fase. Los cuerpos variables son dipolos permanentes y pueden interactuar con otros compuestos similares y con aquellos que están ionizados y disueltos.

Otras sustancias enumeradas anteriormente sólo pueden entrar en contacto si existe polaridad. Es este compuesto el que participa en la estructura de estos elementos. Además, puede alinearse alrededor de estas partículas formadas a partir de electrolitos, de modo que los átomos de oxígeno negativos de las moléculas de agua estén orientados hacia los cationes, y los iones positivos y los átomos de hidrógeno estén orientados hacia los aniones.

Como regla general, se forman redes cristalinas moleculares y atómicas. Es decir, si el yodo está estructurado de tal manera que contiene I 2, entonces en el dióxido de carbono sólido, es decir, en el hielo seco, hay moléculas de CO 2 en los nodos de la red cristalina. Al interactuar con tales sustancias, el hielo tiene una red cristalina iónica. El grafito, por ejemplo, al tener una estructura atómica basada en el carbono, no es capaz de cambiarla, al igual que el diamante.

¿Qué sucede cuando un cristal de sal de mesa se disuelve en agua? Las moléculas polares son atraídas por los elementos cargados del cristal, lo que conduce a la formación de partículas similares de sodio y cloruro en su superficie, como resultado, estos cuerpos se dislocan entre sí. y comienza a disolverse. De esto podemos observar que el hielo tiene una red cristalina con enlaces iónicos. Cada Na+ disuelto atrae los extremos negativos de varias moléculas de agua, mientras que cada Cl- disuelto atrae los extremos positivos. La capa que rodea a cada ion se llama esfera de escape y normalmente contiene varias capas de partículas de disolvente.

Las variables o iones rodeados de elementos se llaman sulfatados. Cuando el agua es el disolvente, dichas partículas se hidratan. Por tanto, cualquier molécula polar tiende a ser solvatada por elementos del cuerpo líquido. En el hielo seco, el tipo de red cristalina forma enlaces atómicos en estado agregado que no cambian. El hielo cristalino (agua congelada) es otro asunto. Los compuestos orgánicos iónicos como las carboxilasas y las aminas protonadas deben tener solubilidad en grupos hidroxilo y carbonilo. Las partículas contenidas en tales estructuras se mueven entre moléculas y sus sistemas polares forman enlaces de hidrógeno con este cuerpo.

Por supuesto, el número de estos últimos grupos en una molécula afecta su solubilidad, que también depende de la reacción de las distintas estructuras del elemento: por ejemplo, los alcoholes de uno, dos y tres carbonos son miscibles en agua, pero Los hidrocarburos más grandes con compuestos de hidroxilo simples están mucho menos diluidos en líquidos.

El Ih hexagonal tiene una forma similar a la red cristalina atómica. Para el hielo y toda la nieve natural de la Tierra, se ve exactamente así. Esto se evidencia en la simetría de la red cristalina de hielo formada a partir de vapor de agua (es decir, copos de nieve). Ubicado en el grupo espacial P 63/mm con 194; D 6h, clase Laue 6/mm; similar a β-, que tiene un eje helicoidal múltiplo de 6 (rotación además de corte a lo largo de él). Tiene una estructura bastante abierta con baja densidad, donde la eficiencia es baja (~1/3) en comparación con estructuras cúbicas simples (~1/2) o cúbicas centradas en las caras (~3/4).

En comparación con el hielo ordinario, la red cristalina del hielo seco, unida por moléculas de CO 2, es estática y cambia sólo cuando los átomos se desintegran.

Descripción de celosías y sus elementos constitutivos.

Se puede pensar en los cristales como patrones cristalinos que consisten en láminas apiladas una encima de otra. Los enlaces de hidrógeno son ordenados cuando en realidad son aleatorios, ya que los protones pueden moverse entre moléculas de agua (hielo) a temperaturas superiores a aproximadamente 5 K. De hecho, es probable que los protones se comporten como un fluido cuántico en un flujo de túnel constante. Esto se ve reforzado por la dispersión de neutrones que muestra su densidad de dispersión a medio camino entre los átomos de oxígeno, lo que indica localización y movimiento coordinado. Aquí se observa la similitud del hielo con una red cristalina molecular atómica.

Las moléculas tienen una disposición escalonada de la cadena de hidrógeno en relación con sus tres vecinas en el plano. El cuarto elemento tiene una disposición de enlaces de hidrógeno eclipsados. Hay una ligera desviación de la simetría hexagonal perfecta, hasta un 0,3% más corta en la dirección de esta cadena. Todas las moléculas experimentan el mismo entorno molecular. Hay suficiente espacio dentro de cada “caja” para retener partículas de agua intersticiales. Aunque generalmente no se consideran, recientemente se han detectado eficazmente mediante difracción de neutrones de la red de cristales de hielo en polvo.

Cambio de sustancias

El cuerpo hexagonal tiene puntos triples con agua líquida y gaseosa 0,01 °C, 612 Pa, elementos sólidos tres -21,985 °C, 209,9 MPa, once y dos -199,8 °C, 70 MPa y -34,7 °C, 212,9 MPa . La constante dieléctrica del hielo hexagonal es 97,5.

La curva de fusión de este elemento está dada por MPa. Se dispone de ecuaciones de estado, además de algunas desigualdades simples que relacionan el cambio de propiedades físicas con la temperatura del hielo hexagonal y sus suspensiones acuosas. La dureza varía con los grados, aumentando desde aproximadamente o por debajo del yeso (≤2) a 0°C, hasta niveles de feldespato (6 a -80°C, un cambio anormalmente grande en la dureza absoluta (>24 veces).

La red cristalina hexagonal del hielo forma placas y columnas hexagonales, donde las caras superior e inferior son los planos basales (0 0 0 1) con una entalpía de 5,57 μJ cm -2, y los otros planos laterales equivalentes se denominan partes de prisma (1 0 -1 0) con 5,94 µJ cm -2. Se pueden formar superficies secundarias (1 1 -2 0) con 6,90 μJ ˣ cm -2 a lo largo de los planos formados por los lados de las estructuras.

Esta estructura muestra una disminución anómala en la conductividad térmica al aumentar la presión (como el hielo cúbico y amorfo de baja densidad), pero difiere de la mayoría de los cristales. Esto se debe a un cambio en los enlaces de hidrógeno, que reduce la velocidad transversal del sonido en la red cristalina del hielo y el agua.

Existen métodos que describen cómo preparar muestras de cristales grandes y cualquier superficie de hielo deseada. Se supone que el enlace de hidrógeno en la superficie del cuerpo hexagonal en estudio estará más ordenado que dentro del sistema volumétrico. La espectroscopia variacional de oscilación de frecuencia de red de fases ha demostrado que existe una asimetría estructural entre las dos capas superiores (L1 y L2) en la cadena HO subterránea de la superficie basal del hielo hexagonal. Los enlaces de hidrógeno adoptados en las capas superiores de los hexágonos (L1 O ··· HO L2) son más fuertes que los adoptados en la segunda capa de la acumulación superior (L1 OH ··· O L2). Estructuras de hielo hexagonales interactivas disponibles.

Características del desarrollo.

El número mínimo de moléculas de agua necesarias para la nucleación del hielo es aproximadamente 275 ± 25, el mismo que para un cúmulo icosaédrico completo de 280. La formación se produce por un factor de 10 · 10 en la interfaz aire-agua en lugar de en agua a granel. El crecimiento de los cristales de hielo depende de diferentes tasas de crecimiento de diferentes energías. Es necesario proteger el agua de la congelación durante la criopreservación de muestras biológicas, alimentos y órganos.

Esto generalmente se logra mediante velocidades de enfriamiento rápidas, el uso de muestras pequeñas y un crioconservador, y el aumento de la presión para nuclear el hielo y prevenir el daño celular. La energía libre del hielo/líquido aumenta de ~30 mJ/m2 a presión atmosférica a 40 mJ/m2 a 200 MPa, lo que indica la razón por la que se produce este efecto.

Alternativamente, pueden crecer más rápidamente desde superficies de prismas (S2), en superficies perturbadas aleatoriamente de lagos perturbados o congelados instantáneamente. El crecimiento de las caras (1 1 -2 0) es al menos el mismo, pero las convierte en las bases de un prisma. Se han explorado en profundidad los datos sobre la formación de cristales de hielo. Las tasas de crecimiento relativas de elementos de diferentes caras dependen de la capacidad de formar un mayor grado de hidratación conjunta. La (baja) temperatura del agua circundante determina el grado de ramificación del cristal de hielo. El crecimiento de partículas está limitado por la tasa de difusión a bajos grados de sobreenfriamiento, es decir,<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Pero está limitado por la cinética de desarrollo a niveles más altos de grados inferiores >4°C, lo que conduce a un crecimiento en forma de aguja. Esta forma es similar en estructura al hielo seco (tiene una red cristalina con estructura hexagonal), diferentes características de desarrollo de la superficie y temperatura del agua circundante (sobreenfriada) que se encuentra detrás de las formas planas de los copos de nieve.

La formación de hielo en la atmósfera influye profundamente en la formación y propiedades de las nubes. Los feldespatos, que se encuentran en el polvo del desierto que ingresa a la atmósfera en millones de toneladas por año, son formativos importantes. Las simulaciones por computadora han demostrado que esto se debe a la nucleación de planos de cristales de hielo prismáticos en planos superficiales de alta energía.

Algunos otros elementos y celosías.

Los solutos (a excepción de una cantidad muy pequeña de helio e hidrógeno, que pueden entrar en los intersticios) no pueden incorporarse a la estructura Ih a presión atmosférica, sino que son empujados a la superficie o a una capa amorfa entre las partículas del cuerpo microcristalino. En las zonas de la red cristalina del hielo seco se encuentran algunos otros elementos: iones caotrópicos, como NH 4 + y Cl -, que participan en la congelación del líquido más fácilmente que otros cosmotrópicos, como Na + y SO. 4 2-, por lo que su eliminación es imposible, debido a que forman una fina película del líquido restante entre los cristales. Esto puede provocar una carga eléctrica de la superficie debido a la disociación del agua superficial que equilibra las cargas restantes (lo que también puede dar como resultado radiación magnética) y un cambio en el pH de las películas líquidas residuales, por ejemplo NH 4 2 SO 4 volviéndose más ácido y el NaCl se vuelve más alcalino.

Son perpendiculares a las caras de la red cristalina de hielo y muestran la siguiente capa adjunta (con átomos de O-negro). Se caracterizan por una superficie basal de crecimiento lento (0 0 0 1), donde sólo se unen moléculas de agua aisladas. Una superficie de un prisma que crece rápidamente (1 0 -1 0), donde los pares de partículas recién adheridas pueden unirse entre sí con hidrógeno (un enlace/dos moléculas del elemento). La cara de más rápido crecimiento es (1 1 -2 0) (prismática secundaria), donde las cadenas de partículas recién unidas pueden interactuar entre sí mediante enlaces de hidrógeno. Una de sus moléculas de cadena/elemento es una forma que forma crestas que dividen y favorecen la transformación en dos lados de un prisma.

Entropía de punto cero

kBˣ Ln ( norte

Los científicos y sus trabajos en este campo.

Se puede definir como S 0 = kBˣ Ln ( norte E0), donde k B es la constante de Boltzmann, N E es el número de configuraciones con energía E y E0 es la energía más baja. Este valor de entropía del hielo hexagonal en cero kelvin no viola la tercera ley de la termodinámica: "La entropía de un cristal ideal en el cero absoluto es exactamente cero", ya que estos elementos y partículas no son ideales y tienen enlaces de hidrógeno desordenados.

En este cuerpo, los enlaces de hidrógeno son aleatorios y cambian rápidamente. Estas estructuras no son exactamente iguales en energía, pero se extienden a una gran cantidad de estados energéticamente cercanos y obedecen las "reglas del hielo". La entropía del punto cero es el desorden que permanecería incluso si el material pudiera enfriarse al cero absoluto (0 K = -273,15 °C). Da lugar a confusión experimental para el hielo hexagonal 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teóricamente, sería posible calcular la entropía cero de los cristales de hielo conocidos con mucha mayor precisión (despreciando los defectos y la dispersión del nivel de energía) que determinarla experimentalmente.

Aunque el orden de los protones en el hielo a granel no está ordenado, la superficie probablemente prefiere el orden de dichas partículas en forma de bandas de átomos de H colgantes y pares libres de O (entropía cero con enlaces de hidrógeno ordenados). Se encontró el desorden del punto cero ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 y otros. De todo lo anterior, queda claro y comprensible qué tipos de redes cristalinas son características del hielo.

O. V. Mosin, I. Ignatov (Bulgaria)

anotación No se puede subestimar la importancia del hielo para sustentar la vida en nuestro planeta. El hielo tiene una gran influencia en las condiciones de vida de plantas y animales y en diversos tipos de actividad económica humana. Cubriendo el agua, el hielo, debido a su baja densidad, desempeña en la naturaleza el papel de una pantalla flotante, protegiendo ríos y embalses de una mayor congelación y preservando la vida de los habitantes submarinos. El uso del hielo para diversos fines (retención de nieve, construcción de cruces de hielo y almacenes isotérmicos, llenado de hielo de instalaciones de almacenamiento y minas) es el tema de varias secciones de las ciencias hidrometeorológicas y de la ingeniería, como la ingeniería del hielo, la ingeniería de la nieve y el permafrost. ingeniería, así como las actividades de servicios especiales de reconocimiento del hielo y equipos de transporte rompehielos y remoción de nieve. El hielo natural se utiliza para almacenar y enfriar productos alimenticios, preparaciones biológicas y médicas, para las cuales se produce y prepara especialmente, y el agua derretida preparada derritiendo hielo se utiliza en la medicina popular para aumentar el metabolismo y eliminar toxinas del cuerpo. El artículo presenta al lector nuevas propiedades y modificaciones del hielo poco conocidas.

El hielo es una forma cristalina de agua que, según los últimos datos, presenta catorce modificaciones estructurales. Entre ellos se encuentran modificaciones cristalinas (hielo natural) y amorfas (hielo cúbico) y metaestables, que se diferencian entre sí en la disposición mutua y las propiedades físicas de las moléculas de agua conectadas por enlaces de hidrógeno que forman la red cristalina del hielo. Todos ellos, excepto el conocido hielo natural I h, que cristaliza en una red hexagonal, se forman en condiciones exóticas: a temperaturas muy bajas del hielo seco y el nitrógeno líquido y a altas presiones de miles de atmósferas, cuando los ángulos de los enlaces de hidrógeno en el agua cambian las moléculas y se forman sistemas cristalinos diferentes a los hexagonales. Estas condiciones se parecen a las del espacio y no ocurren en la Tierra.

En la naturaleza, el hielo está representado principalmente por una variedad cristalina, que cristaliza en una red hexagonal que recuerda a la estructura de un diamante, donde cada molécula de agua está rodeada por las cuatro moléculas más cercanas, ubicadas a distancias iguales de ella, iguales a 2,76 angstroms y colocadas en los vértices de un tetraedro regular. Debido al bajo número de coordinación, la estructura del hielo es reticular, lo que incide en su baja densidad, que asciende a 0,931 g/cm 3 .

La propiedad más inusual del hielo es su asombrosa variedad de manifestaciones externas. Con la misma estructura cristalina, puede verse completamente diferente, tomando la forma de granizo transparente y carámbanos, copos de nieve esponjosa, una densa y brillante corteza de hielo o masas glaciales gigantes. El hielo se presenta en la naturaleza en forma de hielo continental, flotante y subterráneo, así como nieve y escarcha. Está muy extendido en todas las áreas de la habitación humana. Cuando se acumulan en grandes cantidades, la nieve y el hielo forman estructuras especiales con propiedades fundamentalmente diferentes de las de los cristales o copos de nieve individuales. El hielo natural está formado principalmente por hielo de origen sedimentario-metamórfico, formado a partir de precipitación atmosférica sólida como resultado de su posterior compactación y recristalización. Un rasgo característico del hielo natural es la granulosidad y las bandas. La granulosidad se debe a procesos de recristalización; Cada grano de hielo glacial es un cristal de forma irregular, muy adyacente a otros cristales en la masa de hielo de tal manera que las protuberancias de un cristal encajan firmemente en los huecos de otro. Este tipo de hielo se llama policristalino. En él, cada cristal de hielo es una capa de hojas muy delgadas que se superponen entre sí en el plano basal perpendicular a la dirección del eje óptico del cristal.

Se estima que las reservas totales de hielo de la Tierra son de unos 30 millones. kilómetros 3(Tabla 1). La mayor parte del hielo se concentra en la Antártida, donde el espesor de su capa alcanza los 4 km. También hay evidencias de la presencia de hielo en los planetas del Sistema Solar y en los cometas. El hielo es tan importante para el clima de nuestro planeta y el hábitat de los seres vivos en él que los científicos han designado un entorno especial para el hielo: la criosfera, cuyos límites se extienden hacia lo alto de la atmósfera y hacia lo profundo de la corteza terrestre.

Mesa 1. Cantidad, distribución y vida útil del hielo.

Los cristales de hielo son únicos en su forma y proporciones. Cualquier cristal natural en crecimiento, incluido el cristal de hielo, siempre se esfuerza por crear una red cristalina regular ideal, ya que esto es beneficioso desde el punto de vista del mínimo de su energía interna. Como se sabe, cualquier impureza distorsiona la forma del cristal, por lo que cuando el agua cristaliza, las moléculas de agua primero se incorporan a la red y los átomos extraños y las moléculas de impurezas son expulsados ​​al líquido. Y solo cuando las impurezas no tienen adónde ir, el cristal de hielo comienza a integrarlas en su estructura o las deja en forma de cápsulas huecas con un líquido concentrado que no se congela: la salmuera. Por tanto, el hielo marino es fresco e incluso las masas de agua más sucias están cubiertas de hielo transparente y limpio. Cuando el hielo se derrite, desplaza las impurezas a la salmuera. A escala planetaria, el fenómeno de congelación y descongelación del agua, junto con la evaporación y condensación del agua, desempeña el papel de un gigantesco proceso de depuración en el que el agua de la Tierra se purifica constantemente.

Mesa 2. Algunas propiedades físicas del hielo I.

Propiedad	Significado	Nota
Capacidad calorífica, cal/(g °C) Calor de fusión, cal/g Calor de vaporización, cal/g		Disminuye mucho al disminuir la temperatura.
Coeficiente de expansión térmica, 1/°C	9,1 10-5 (0 °C)	Hielo policristalino
Conductividad térmica, cal/(cm seg °C)		Hielo policristalino
Índice de refracción:		Hielo policristalino
Conductividad eléctrica específica, ohmios -1 cm -1		Energía de activación aparente 11 kcal/mol
Conductividad eléctrica superficial, ohm -1		Energía de activación aparente 32 kcal/mol
Módulo de elasticidad de Young, dyn/cm2	9 10 10 (-5ºC)	Hielo policristalino
Resistencia, MN/m 2: aplastante		Hielo policristalino Hielo policristalino Hielo policristalino
Viscosidad dinámica, aplomo.		Hielo policristalino
Energía de activación durante la deformación y relajación mecánica, kcal/mol		Aumenta linealmente en 0,0361 kcal/(mol °C) de 0 a 273,16 K

1 cal/(g°C)=4,186 kJ/(kg·K); 1 ohmio -1 cm -1 =100 sim/m; 1 dina = 10 -5 N ; 1 N = 1 kg m/s²; 1 dina/cm = 10 -7 N/m; 1 cal/(cm·seg°C)=418,68 W/(m·K); 1 poise = g/cm s = 10 -1 N seg/m 2 .

Debido a la amplia distribución del hielo en la Tierra, la diferencia entre las propiedades físicas del hielo (Tabla 2) y las propiedades de otras sustancias juega un papel importante en muchos procesos naturales. El hielo tiene muchas otras propiedades y anomalías que sustentan la vida: anomalías en la densidad, la presión, el volumen y la conductividad térmica. Si no hubiera enlaces de hidrógeno que mantuvieran unidas las moléculas de agua formando un cristal, el hielo se derretiría a –90 °C. Pero esto no sucede debido a la presencia de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. Debido a su menor densidad que el agua, el hielo forma una capa flotante en la superficie del agua, protegiendo ríos y embalses de la congelación del fondo, ya que su conductividad térmica es mucho menor que la del agua. En este caso, la densidad y el volumen más bajos se observan a +3,98 °C (Fig. 1). Un mayor enfriamiento del agua a 0 0 C conduce gradualmente no a una disminución, sino a un aumento de su volumen en casi un 10%, cuando el agua se convierte en hielo. Este comportamiento del agua indica la existencia simultánea de dos fases de equilibrio en el agua: líquida y cuasicristalina, por analogía con los cuasicristales, cuya red cristalina no solo tiene una estructura periódica, sino que también tiene ejes de simetría de diferentes órdenes, cuya existencia anteriormente contradecía las ideas de los cristalógrafos. Esta teoría, propuesta por primera vez por el famoso físico teórico ruso Ya. I. Frenkel, se basa en el supuesto de que algunas de las moléculas del líquido forman una estructura cuasicristalina, mientras que las moléculas restantes son similares a los gases y se mueven libremente por todo el volumen. La distribución de las moléculas en una pequeña vecindad de cualquier molécula de agua fija tiene un cierto ordenamiento, que recuerda algo al cristalino, aunque más laxo. Por esta razón, la estructura del agua a veces se denomina cuasicristalina o cristalina, es decir, que tiene simetría y orden en la disposición relativa de los átomos o moléculas.

Arroz. 1. Dependencia del volumen específico de hielo y agua de la temperatura.

Otra propiedad es que la velocidad del flujo de hielo es directamente proporcional a la energía de activación e inversamente proporcional a la temperatura absoluta, de modo que al disminuir la temperatura, el hielo se aproxima en sus propiedades a un cuerpo absolutamente sólido. En promedio, a temperaturas cercanas al derretimiento, la fluidez del hielo es 10 6 veces mayor que la de las rocas. Debido a su fluidez, el hielo no se acumula en un solo lugar, sino que se mueve constantemente en forma de glaciares. La relación entre la velocidad del flujo y la tensión del hielo policristalino es hiperbólica; cuando se describe aproximadamente mediante una ecuación de potencia, el exponente aumenta a medida que aumenta el voltaje.

La luz visible prácticamente no es absorbida por el hielo, ya que los rayos de luz atraviesan el cristal de hielo, pero bloquea la radiación ultravioleta y la mayor parte de la radiación infrarroja del sol. En estas regiones del espectro, el hielo aparece completamente negro, ya que el coeficiente de absorción de la luz en estas regiones del espectro es muy alto. A diferencia de los cristales de hielo, la luz blanca que cae sobre la nieve no se absorbe, sino que se refracta muchas veces en los cristales de hielo y se refleja en sus caras. Por eso la nieve parece blanca.

Debido a la altísima reflectividad del hielo (0,45) y la nieve (hasta 0,95), su superficie cubierta es de una media de unos 72 millones de kilómetros al año. kilómetros 2 En las latitudes altas y medias de ambos hemisferios, recibe calor solar un 65% menos de lo normal y es una poderosa fuente de enfriamiento de la superficie terrestre, lo que determina en gran medida la zonificación climática latitudinal moderna. En verano, en las regiones polares, la radiación solar es mayor que en la zona ecuatorial, sin embargo, la temperatura sigue siendo baja, ya que una parte importante del calor absorbido se gasta en derretir el hielo, que tiene un calor de fusión muy alto.

Otras propiedades inusuales del hielo incluyen la generación de radiación electromagnética por sus cristales en crecimiento. Se sabe que la mayoría de las impurezas disueltas en el agua no se transfieren al hielo cuando éste comienza a crecer; están congelados. Por lo tanto, incluso en el charco más sucio, la película de hielo queda limpia y transparente. En este caso, las impurezas se acumulan en la frontera de los medios sólidos y líquidos, en forma de dos capas de cargas eléctricas de diferentes signos, lo que provoca una diferencia significativa de potenciales. La capa cargada de impurezas se mueve junto con el límite inferior del hielo joven y emite ondas electromagnéticas. Gracias a esto se puede observar en detalle el proceso de cristalización. Por lo tanto, un cristal que crece en longitud en forma de aguja emite de manera diferente que uno cubierto con procesos laterales, y la radiación de los granos en crecimiento difiere de la que ocurre cuando los cristales se agrietan. Por la forma, secuencia, frecuencia y amplitud de los pulsos de radiación se puede determinar a qué velocidad se congela el hielo y qué tipo de estructura se forma.

Pero lo más sorprendente de la estructura del hielo es que las moléculas de agua a bajas temperaturas y altas presiones dentro de los nanotubos de carbono pueden cristalizar en forma de doble hélice, que recuerda a las moléculas de ADN. Así lo han demostrado recientes experimentos informáticos realizados por científicos estadounidenses dirigidos por Xiao Cheng Zeng de la Universidad de Nebraska (EE. UU.). Para que el agua formara una espiral en un experimento simulado, se colocó en nanotubos con un diámetro de 1,35 a 1,90 nm bajo alta presión, que varía de 10 a 40.000 atmósferas y una temperatura de –23 °C. Se esperaba ver que el agua en todos los casos forma una estructura tubular delgada. Sin embargo, el modelo mostró que con un diámetro de nanotubo de 1,35 nm y una presión externa de 40.000 atmósferas, los enlaces de hidrógeno en la estructura del hielo se doblaban, lo que conducía a la formación de una espiral con una doble pared, interna y externa. En estas condiciones, la pared interior resultó estar torcida en una hélice cuádruple y la pared exterior constaba de cuatro hélices dobles, similares a una molécula de ADN (Fig. 2). Este hecho puede servir como confirmación de la conexión entre la estructura de la vital molécula de ADN y la estructura del agua misma y que el agua sirvió como matriz para la síntesis de las moléculas de ADN.

Arroz. 2. Un modelo informático de la estructura del agua congelada en nanotubos, que recuerda a una molécula de ADN (Foto de la revista New Scientist, 2006)

Otra de las propiedades más importantes del agua descubierta recientemente es que el agua tiene la capacidad de recordar información sobre influencias pasadas. Esto fue demostrado por primera vez por el investigador japonés Masaru Emoto y nuestro compatriota Stanislav Zenin, quien fue uno de los primeros en proponer una teoría de grupos de la estructura del agua, que consiste en asociados cíclicos de una estructura poliédrica volumétrica: grupos de fórmula general (H 2 O) n, donde n, según los últimos datos, puede alcanzar cientos e incluso miles de unidades. Es gracias a la presencia de grupos en el agua que el agua tiene propiedades de información. Los investigadores fotografiaron los procesos de congelación del agua en microcristales de hielo, influyéndolos con diversos campos electromagnéticos y acústicos, melodías, oraciones, palabras o pensamientos. Resultó que bajo la influencia de información positiva en forma de hermosas melodías y palabras, el hielo se congeló en cristales hexagonales simétricos. Donde sonaba música irregular y palabras enojadas y ofensivas, el agua, por el contrario, se congelaba en cristales caóticos y informes. Esta es una prueba de que el agua tiene una estructura especial que es sensible a las influencias de la información externa. Probablemente el cerebro humano, compuesto en un 85-90% de agua, tiene un fuerte efecto estructurante sobre el agua.

Los cristales de Emoto despiertan tanto interés como críticas insuficientemente fundamentadas. Si los miras con atención, podrás ver que su estructura consta de seis tapas. Pero un análisis aún más detenido muestra que los copos de nieve en invierno tienen la misma estructura, siempre simétrica y con seis puntas. ¿Hasta qué punto las estructuras cristalizadas contienen información sobre el entorno en el que fueron creadas? La estructura de los copos de nieve puede ser hermosa o informe. Esto indica que la muestra de control (nube en la atmósfera) donde se originan tiene sobre ellos la misma influencia que las condiciones originales. Las condiciones iniciales son actividad solar, temperatura, campos geofísicos, humedad, etc. Todo esto significa que de los llamados. conjunto promedio, podemos concluir que la estructura de las gotas de agua y luego de los copos de nieve es aproximadamente la misma. Su masa es casi la misma y se mueven por la atmósfera a velocidades similares. En la atmósfera siguen formando sus estructuras y aumentando de volumen. Incluso si se formaron en diferentes partes de la nube, en un grupo siempre hay una cierta cantidad de copos de nieve que surgieron casi en las mismas condiciones. Y la respuesta a la pregunta de qué constituye información positiva y negativa sobre los copos de nieve se puede encontrar en Emoto. En condiciones de laboratorio, la información negativa (terremoto, vibraciones sonoras desfavorables para el ser humano, etc.) no forma cristales, sino información positiva, todo lo contrario. Es muy interesante hasta qué punto un factor puede dar forma a estructuras iguales o similares de los copos de nieve. La mayor densidad del agua se observa a una temperatura de 4 °C. Se ha demostrado científicamente que la densidad del agua disminuye cuando comienzan a formarse cristales de hielo hexagonales cuando la temperatura desciende por debajo de cero. Este es el resultado de los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua.

¿A qué se debe esta estructuración? Los cristales son sólidos y los átomos, moléculas o iones que los constituyen están dispuestos en un patrón regular y repetitivo en tres dimensiones espaciales. La estructura de los cristales de agua es ligeramente diferente. Según Isaac, sólo el 10% de los enlaces de hidrógeno del hielo son covalentes, es decir, con información bastante estable. Los enlaces de hidrógeno entre el oxígeno de una molécula de agua y el hidrógeno de otra son los más sensibles a las influencias externas. El espectro del agua cuando se forman cristales es relativamente diferente con el tiempo. Según el efecto de la evaporación discreta de una gota de agua demostrado por Antonov y Yuskeseliev y su dependencia de los estados energéticos de los enlaces de hidrógeno, podemos buscar una respuesta sobre la estructuración de los cristales. Cada parte del espectro depende de la tensión superficial de las gotas de agua. Hay seis picos en el espectro, que indican las ramas del copo de nieve.

Está claro que en los experimentos de Emoto, la muestra de "control" inicial afecta la apariencia de los cristales. Esto significa que después de la exposición a un determinado factor, se puede esperar la formación de cristales similares. Es casi imposible obtener cristales idénticos. Al probar el efecto de la palabra "amor" en el agua, Emoto no indica claramente si el experimento se llevó a cabo con diferentes muestras.

Se necesitan experimentos doble ciego para comprobar si la técnica de Emoto está suficientemente diferenciada. La prueba de Isaac de que el 10% de las moléculas de agua forman enlaces covalentes después de la congelación nos muestra que el agua utiliza esta información cuando se congela. El logro de Emoto, incluso sin experimentos doblemente ciegos, sigue siendo bastante importante en lo que respecta a las propiedades informativas del agua.

Copo de nieve natural, Wilson Bentley, 1925

Copo de nieve Emoto obtenido de agua natural.

Un copo de nieve es natural y el otro es creado por Emoto, lo que indica que la diversidad en el espectro del agua no es ilimitada.

Terremoto, Sofía, escala Richter 4,0, 15 de noviembre de 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. El dispositivo de Antonov©

Esta cifra indica la diferencia entre la muestra de control y las tomadas en otros días. Las moléculas de agua rompen los enlaces de hidrógeno más energéticos del agua, así como dos picos del espectro durante un fenómeno natural. El estudio se llevó a cabo utilizando un dispositivo Antonov. El resultado biofísico muestra una disminución del tono vital del cuerpo durante un terremoto. Durante un terremoto, el agua no puede cambiar su estructura en los copos de nieve en el laboratorio de Emoto. Existe evidencia de cambios en la conductividad eléctrica del agua durante un terremoto.

En 1963, el escolar tanzano Erasto Mpemba observó que el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Este fenómeno se llama efecto Mpemba. Aunque la propiedad única del agua fue notada mucho antes por Aristóteles, Francis Bacon y René Descartes. El fenómeno ha sido demostrado muchas veces mediante una serie de experimentos independientes. El agua tiene otra propiedad extraña. En mi opinión, la explicación es la siguiente: el espectro de energía diferencial de desequilibrio (DNES) del agua hervida tiene una energía promedio de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua menor que la de una muestra tomada a temperatura ambiente, lo que significa que el agua hervida necesita menos energía para comenzar a estructurar los cristales y congelarlos.

La clave de la estructura del hielo y sus propiedades reside en la estructura de su cristal. Los cristales de todas las modificaciones del hielo se construyen a partir de moléculas de agua H 2 O conectadas por enlaces de hidrógeno en estructuras de malla tridimensionales con una disposición específica de enlaces de hidrógeno. Una molécula de agua se puede imaginar simplemente como un tetraedro (una pirámide con base triangular). En su centro hay un átomo de oxígeno, que se encuentra en estado de hibridación sp 3, y en dos vértices hay un átomo de hidrógeno, uno de cuyos electrones 1s participa en la formación de un enlace covalente H-O con el oxígeno. Los dos vértices restantes están ocupados por pares de electrones de oxígeno desapareados que no participan en la formación de enlaces intramoleculares, por lo que se denominan solitarios. La forma espacial de la molécula de H 2 O se explica por la repulsión mutua de los átomos de hidrógeno y los pares de electrones solitarios del átomo de oxígeno central.

Los enlaces de hidrógeno son importantes en la química de las interacciones intermoleculares y son causados ​​por fuerzas electrostáticas débiles y por interacciones donante-aceptor. Ocurre cuando el átomo de hidrógeno deficiente en electrones de una molécula de agua interactúa con el par de electrones solitario del átomo de oxígeno de una molécula de agua vecina (O-H...O). Una característica distintiva del enlace de hidrógeno es su fuerza relativamente baja; es de 5 a 10 veces más débil que un enlace covalente químico. En términos de energía, un enlace de hidrógeno ocupa una posición intermedia entre un enlace químico y las interacciones de van der Waals que mantienen las moléculas en una fase sólida o líquida. Cada molécula de agua en un cristal de hielo puede formar simultáneamente cuatro enlaces de hidrógeno con otras moléculas vecinas en ángulos estrictamente definidos iguales a 109°47", dirigidos hacia los vértices del tetraedro, que no permiten la creación de una estructura densa cuando el agua se congela ( Fig. 3). En las estructuras de hielo I, Ic, VII y VIII, este tetraedro es regular. En las estructuras de hielo II, III, V y VI, los tetraedros están notablemente distorsionados. En las estructuras de hielo VI, VII y VIII, dos intersecciones Se pueden distinguir sistemas de enlaces de hidrógeno. Esta estructura invisible de enlaces de hidrógeno organiza las moléculas de agua en forma de una red, cuya estructura se asemeja a un panal hexagonal con canales internos huecos. Si se calienta el hielo, la estructura de la red se destruye: agua Las moléculas comienzan a caer en los huecos de la malla, lo que da lugar a una estructura líquida más densa; esto explica por qué el agua es más pesada que el hielo.

Arroz. 3. Formación de un enlace de hidrógeno entre cuatro moléculas de H2O (las bolas rojas representan átomos de oxígeno centrales, las bolas blancas representan átomos de hidrógeno)

La especificidad de los enlaces de hidrógeno y las interacciones intermoleculares características de la estructura del hielo se conserva en el agua derretida, ya que cuando un cristal de hielo se derrite, solo se destruye el 15% de todos los enlaces de hidrógeno. Por lo tanto, no se viola la conexión entre cada molécula de agua y cuatro moléculas vecinas inherentes al hielo ("orden de corto alcance"), aunque se observa una mayor difuminación de la red estructural de oxígeno. Los enlaces de hidrógeno también se pueden mantener cuando el agua hierve. Sólo en el vapor de agua no existen enlaces de hidrógeno.

El hielo, que se forma a presión atmosférica y se funde a 0 °C, es la sustancia más común, aunque aún no se comprende del todo. Gran parte de su estructura y propiedades parece inusual. En los sitios de la red cristalina del hielo, los átomos de oxígeno de los tetraedros de las moléculas de agua están dispuestos de manera ordenada, formando hexágonos regulares, como un panal hexagonal, y los átomos de hidrógeno ocupan una variedad de posiciones en los enlaces de hidrógeno que conectan los átomos de oxígeno (Fig. 4). Por tanto, son posibles seis orientaciones equivalentes de las moléculas de agua con respecto a sus vecinas. Algunos de ellos están excluidos, ya que la presencia de dos protones simultáneamente en el mismo enlace de hidrógeno es poco probable, pero sigue habiendo suficiente incertidumbre en la orientación de las moléculas de agua. Este comportamiento de los átomos es atípico, ya que en una sustancia sólida todos los átomos obedecen a la misma ley: o los átomos están dispuestos de manera ordenada, y luego es un cristal, o de manera aleatoria, y luego es una sustancia amorfa. Una estructura tan inusual se puede realizar en la mayoría de las modificaciones del hielo: Ih, III, V, VI y VII (y aparentemente en Ic) (Tabla 3), y en la estructura del hielo II, VIII y IX las moléculas de agua están ordenadas orientativamente. . Según J. Bernal, el hielo es cristalino en relación con los átomos de oxígeno y vítreo en relación con los átomos de hidrógeno.

Arroz. 4. Estructura de hielo de configuración hexagonal natural I h

En otras condiciones, por ejemplo en el espacio a altas presiones y bajas temperaturas, el hielo cristaliza de diferentes formas, formando otras redes cristalinas y modificaciones (cúbica, trigonal, tetragonal, monoclínica, etc.), cada una de las cuales tiene su propia estructura y red cristalina (Tabla 3). Las estructuras del hielo con diversas modificaciones fueron calculadas por los investigadores rusos Dr. G.G. Malenkov y Doctor en Física y Matemáticas. E.A. Zheligovskaya del Instituto de Química Física y Electroquímica que lleva su nombre. UN. Frumkin de la Academia Rusa de Ciencias. Los hielos de las modificaciones II, III y V se conservan durante mucho tiempo a presión atmosférica, si la temperatura no supera los -170 °C (Fig. 5). Cuando se enfría a aproximadamente -150 °C, el hielo natural se convierte en hielo cúbico Ic, formado por cubos y octaedros de varios nanómetros de tamaño. El hielo I c a veces aparece cuando el agua se congela en los capilares, lo que aparentemente se ve facilitado por la interacción del agua con el material de la pared y la repetición de su estructura. Si la temperatura es ligeramente superior a -110 0 C, se forman cristales de hielo amorfo vítreo, más densos y pesados, con una densidad de 0,93 g/cm 3 sobre el sustrato metálico. Ambas formas de hielo pueden transformarse espontáneamente en hielo hexagonal, y cuanto más rápido, mayor es la temperatura.

Mesa 3. Algunas modificaciones del hielo y sus parámetros físicos.

Nota. 1 Å = 10 -10 m

Arroz. 5. Diagrama del estado de hielos cristalinos de diversas modificaciones.

También hay hielos de alta presión: modificaciones trigonales y tetragonales II y III, formadas a partir de panales huecos formados por elementos corrugados hexagonales, desplazados entre sí en un tercio (Fig. 6 y Fig. 7). Estos hielos se estabilizan en presencia de los gases nobles helio y argón. En la estructura de la modificación monoclínica del hielo V, los ángulos entre los átomos de oxígeno vecinos oscilan entre 86 0 y 132 °, lo que es muy diferente del ángulo de enlace en una molécula de agua, que es 105 ° 47 '. El hielo VI de la modificación tetragonal consta de dos marcos insertados entre sí, entre los cuales no hay enlaces de hidrógeno, lo que da como resultado la formación de una red cristalina centrada en el cuerpo (Fig. 8). La estructura del hielo VI se basa en hexámeros, bloques de seis moléculas de agua. Su configuración repite exactamente la estructura de una acumulación estable de agua, que viene dada por los cálculos. Los hielos VII y VIII de la modificación cúbica, que son formas ordenadas de baja temperatura del hielo VII, tienen una estructura similar con estructuras de hielo I insertadas entre sí. Con un aumento posterior de la presión, la distancia entre los átomos de oxígeno en la red cristalina de los hielos VII y VIII disminuirá, como resultado se forma la estructura del hielo X, cuyos átomos de oxígeno están dispuestos en una red regular, y la Los protones están ordenados.

Arroz. 7. Configuración Hielo III.

El hielo XI se forma enfriando profundamente el hielo I h ​​con la adición de álcali por debajo de 72 K a presión normal. En estas condiciones, se forman defectos en los cristales de hidroxilo, lo que permite que el cristal de hielo en crecimiento cambie su estructura. Ice XI tiene una red cristalina ortorrómbica con una disposición ordenada de protones y se forma simultáneamente en muchos centros de cristalización cerca de los defectos de hidroxilo del cristal.

Arroz. 8. Configuración de hielo VI.

Entre los hielos también se encuentran las formas metaestables IV y XII, cuya vida útil es de segundos y tienen la estructura más hermosa (Fig. 9 y Fig. 10). Para obtener hielo metaestable, es necesario comprimir el hielo durante 1 hora a una presión de 1,8 GPa a la temperatura del nitrógeno líquido. Estos hielos se forman mucho más fácilmente y son especialmente estables si se somete a presión agua pesada sobreenfriada. Otra modificación metaestable, el hielo IX, se forma cuando el hielo III se sobreenfría y esencialmente representa su forma de baja temperatura.

Arroz. 9. Configuración de hielo IV.

Arroz. 10. Configuración Hielo XII.

Las dos últimas modificaciones del hielo, con una configuración monoclínica XIII y una configuración ortorrómbica XIV, fueron descubiertas por científicos de Oxford (Reino Unido) bastante recientemente, en 2006. La suposición de que debería haber cristales de hielo con redes monoclínicas y ortorrómbicas fue difícil de confirmar: la viscosidad del agua a una temperatura de -160 ° C es muy alta y es difícil que las moléculas de agua pura sobreenfriada se unan en tales cantidades. para formar un núcleo cristalino. Esto se logró utilizando un catalizador: el ácido clorhídrico, que aumentó la movilidad de las moléculas de agua a bajas temperaturas. Estas modificaciones del hielo no pueden formarse en la Tierra, pero pueden existir en el espacio, en planetas enfriados y en satélites y cometas congelados. Así, los cálculos de la densidad y los flujos de calor desde la superficie de los satélites de Júpiter y Saturno permiten afirmar que Ganímedes y Calisto deben tener una capa helada en la que se alternan los hielos I, III, V y VI. En Titán, los hielos no forman una corteza, sino un manto, cuya capa interna está formada por hielo VI, otros hielos de alta presión e hidratos de clatrato, y en la parte superior se encuentra hielo I h.

Arroz. once. Diversidad y forma de los copos de nieve en la naturaleza.

En lo alto de la atmósfera terrestre, a bajas temperaturas, el agua cristaliza en tetraedros formando hielo hexagonal Ih. El centro de formación de los cristales de hielo son las partículas sólidas de polvo, que el viento eleva hacia las capas superiores de la atmósfera. Alrededor de este microcristal embrionario de hielo crecen en seis direcciones simétricas agujas formadas por moléculas de agua individuales, en las que crecen procesos laterales, las dendritas. La temperatura y la humedad del aire alrededor del copo de nieve son las mismas, por lo que inicialmente tiene una forma simétrica. A medida que se forman los copos de nieve, caen gradualmente hacia las capas inferiores de la atmósfera, donde la temperatura es más alta. Aquí se produce el derretimiento y su forma geométrica ideal se distorsiona, formando una variedad de copos de nieve (Fig. 11).

Con un mayor derretimiento, la estructura hexagonal del hielo se destruye y se forma una mezcla de asociados cíclicos de grupos, así como tri, tetra, penta, hexámeros de agua (Fig. 12) y moléculas de agua libres. Estudiar la estructura de los grupos resultantes a menudo es significativamente difícil, ya que el agua, según los datos modernos, es una mezcla de varios grupos neutros (H 2 O) n y sus iones de grupo cargados [H 2 O] + n y [H 2 O ] - n, que se encuentran en equilibrio dinámico entre sí con una vida útil de 10 -11 -10 -12 segundos.

Arroz. 12. Posibles acumulaciones de agua (a-h) de composición (H 2 O) n, donde n = 5-20.

Los cúmulos pueden interactuar entre sí a través de caras de enlaces de hidrógeno que sobresalen hacia afuera, formando estructuras poliédricas más complejas como hexaedro, octaedro, icosaedro y dodecaedro. Así, la estructura del agua está asociada a los llamados sólidos platónicos (tetraedro, hexaedro, octaedro, icosaedro y dodecaedro), que llevan el nombre del antiguo filósofo y geómetra griego Platón que los descubrió, cuya forma está determinada por la proporción áurea. (Figura 13).

Arroz. 13. Sólidos platónicos, cuya forma geométrica está determinada por la proporción áurea.

El número de vértices (B), caras (G) y aristas (P) en cualquier poliedro espacial se describe mediante la relación:

B + G = P + 2

La relación entre el número de vértices (B) de un poliedro regular y el número de aristas (P) de una de sus caras es igual a la relación entre el número de caras (G) del mismo poliedro y el número de aristas ( P) emergiendo de uno de sus vértices. Para un tetraedro esta relación es 4:3, para un hexaedro (6 caras) y un octaedro (8 caras) es 2:1, y para un dodecaedro (12 caras) y un icosaedro (20 caras) es 4:1.

Las estructuras de las acumulaciones de agua poliédricas, calculadas por científicos rusos, se confirmaron mediante métodos analíticos modernos: espectroscopia de resonancia magnética de protones, espectroscopia de láser de femtosegundo, difracción de rayos X y neutrones en cristales de agua. El descubrimiento de acumulaciones de agua y la capacidad del agua para almacenar información son dos de los descubrimientos más importantes del siglo XXI. Esto demuestra claramente que la naturaleza se caracteriza por la simetría en forma de formas y proporciones geométricas precisas, características de los cristales de hielo.

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Estructura del agua

Doctor. V.O. Mosín

Una molécula de agua es un pequeño dipolo que contiene cargas positivas y negativas en sus polos. Dado que la masa y la carga del núcleo de oxígeno es mayor que la de los núcleos de hidrógeno, la nube de electrones es atraída hacia el núcleo de oxígeno. En este caso, los núcleos de hidrógeno quedan expuestos. Por tanto, la nube de electrones tiene una densidad no uniforme. Hay una falta de densidad electrónica cerca de los núcleos de hidrógeno, y en el lado opuesto de la molécula, cerca del núcleo de oxígeno, hay un exceso de densidad electrónica. Es esta estructura la que determina la polaridad de la molécula de agua. Si conectas los epicentros de cargas positivas y negativas con líneas rectas, obtendrás una figura geométrica tridimensional: un tetraedro regular.

La estructura de una molécula de agua (imagen de la derecha)

Debido a la presencia de enlaces de hidrógeno, cada molécula de agua forma un enlace de hidrógeno con 4 moléculas vecinas, formando un marco de malla calado en la molécula de hielo. Sin embargo, en estado líquido, el agua es un líquido desordenado; Estos enlaces de hidrógeno son espontáneos, de corta duración, se rompen rápidamente y se vuelven a formar. Todo esto conduce a la heterogeneidad en la estructura del agua.

Enlaces de hidrógeno entre moléculas de agua (imagen abajo a la izquierda)

El hecho de que el agua tiene una composición heterogénea se estableció hace mucho tiempo. Se sabe desde hace mucho tiempo que el hielo flota en la superficie del agua, es decir, la densidad del hielo cristalino es menor que la densidad del líquido.

En casi todas las demás sustancias, el cristal es más denso que la fase líquida. Además, incluso después de derretirse, al aumentar la temperatura, la densidad del agua continúa aumentando y alcanza un máximo de 4°C. Menos conocida es la anomalía de la compresibilidad del agua: cuando se calienta desde el punto de fusión hasta 40°C, disminuye y luego aumenta. La capacidad calorífica del agua también depende de forma no monótona de la temperatura.

Además, a temperaturas inferiores a 30 ° C, con un aumento de la presión de la atmosférica a 0,2 GPa, la viscosidad del agua disminuye y aumenta el coeficiente de autodifusión, un parámetro que determina la velocidad de movimiento de las moléculas de agua entre sí.

Para otros líquidos, la relación es la contraria, y casi en ningún lugar sucede que algún parámetro importante se comporte de manera no monótona, es decir primero aumentó, y después de pasar un valor crítico de temperatura o presión disminuyó. Surgió la suposición de que, de hecho, el agua no es un solo líquido, sino una mezcla de dos componentes que difieren en propiedades, por ejemplo, densidad y viscosidad y, por lo tanto, en estructura. Estas ideas comenzaron a surgir a finales del siglo XIX, cuando se acumuló una gran cantidad de datos sobre las anomalías del agua.

Whiting fue el primero en proponer la idea de que el agua consta de dos componentes en 1884. Su autoría es citada por E.F. Fritsman en la monografía "La naturaleza del agua. Agua pesada", publicada en 1935. En 1891, V. Rengten introdujo el concepto de dos estados del agua, que difieren en densidad. Después aparecieron muchas obras en las que se consideraba el agua como una mezcla de asociados de diferentes composiciones (hidroles).

Cuando se determinó la estructura del hielo en la década de 1920, resultó que las moléculas de agua en estado cristalino forman una red tridimensional continua en la que cada molécula tiene cuatro vecinos más cercanos ubicados en los vértices de un tetraedro regular. En 1933, J. Bernal y P. Fowler sugirieron que existe una red similar en agua líquida. Como el agua es más densa que el hielo, creían que las moléculas que contiene no están dispuestas como en el hielo, es decir, como los átomos de silicio en el mineral tridimita, sino como los átomos de silicio en una modificación más densa de la sílice, el cuarzo. El aumento de la densidad del agua cuando se calienta de 0 a 4 °C se explica por la presencia del componente tridimita a bajas temperaturas. Así, el modelo de Bernal Fowler conservó el elemento de dos estructuras, pero su principal logro fue la idea de una red tetraédrica continua. Entonces apareció el famoso aforismo de I. Langmuir: "El océano es una gran molécula". La especificación excesiva del modelo no aumentó el número de partidarios de la teoría de la red unificada.

No fue hasta 1951 que J. Pople creó un modelo de cuadrícula continua, que no era tan específico como el modelo de Bernal Fowler. Pople imaginó el agua como una red tetraédrica aleatoria, cuyos enlaces entre las moléculas están curvados y tienen diferentes longitudes. El modelo de Pople explica la compactación del agua durante la fusión mediante la flexión de enlaces. Cuando en los años 60 y 70 aparecieron las primeras definiciones de la estructura de los hielos II y IX, quedó claro cómo la flexión de los enlaces puede conducir a la compactación de la estructura. El modelo de Pople no podía explicar la dependencia no monótona de las propiedades del agua con la temperatura y la presión, tan bien como los modelos de dos estados. Por lo tanto, la idea de dos estados fue compartida por muchos científicos durante mucho tiempo.

Pero en la segunda mitad del siglo XX era imposible fantasear con la composición y estructura de los hidroles como se hacía a principios de siglo. Ya se sabía cómo funcionan el hielo y los hidratos cristalinos y sabían mucho sobre los enlaces de hidrógeno. Además de los modelos continuos (modelo de Pople), han surgido dos grupos de modelos mixtos: cluster y clatrato. En el primer grupo, el agua aparecía en forma de grupos de moléculas conectadas por enlaces de hidrógeno, que flotaban en un mar de moléculas que no estaban involucradas en dichos enlaces. El segundo grupo de modelos trataba el agua como una red continua (generalmente llamada estructura en este contexto) de enlaces de hidrógeno que contenían vacíos; contienen moléculas que no forman enlaces con las moléculas de la estructura. No fue difícil seleccionar las propiedades y concentraciones de dos microfases de los modelos de conglomerados o las propiedades de la estructura y el grado de llenado de sus vacíos de los modelos de clatrato para explicar todas las propiedades del agua, incluidas las famosas anomalías.

Entre los modelos de cluster, el más llamativo fue el modelo de G. Nemeti y H. Sheragi.: Las imágenes que propusieron, que representan grupos de moléculas unidas flotando en un mar de moléculas libres, se incluyeron en muchas monografías.

El primer modelo del tipo clatrato fue propuesto en 1946 por O. Ya. Samoilov: en el agua se conserva una red de enlaces de hidrógeno similar al hielo hexagonal, cuyas cavidades están parcialmente llenas de moléculas de monómero. L. Pauling en 1959 creó otra opción, sugiriendo que la base de la estructura podría ser una red de enlaces inherentes a algunos hidratos cristalinos.

Durante la segunda mitad de los años 60 y principios de los 70 se observó una convergencia de todas estas opiniones. Aparecieron variantes de modelos de conglomerados en los que las moléculas de ambas microfases están conectadas por enlaces de hidrógeno. Los defensores de los modelos de clatrato comenzaron a admitir la formación de enlaces de hidrógeno entre moléculas vacías y estructurales. Es decir, de hecho, los autores de estos modelos consideran el agua como una red continua de enlaces de hidrógeno. Y estamos hablando de cuán heterogénea es esta cuadrícula (por ejemplo, en densidad). La idea del agua como cúmulos unidos por enlaces de hidrógeno que flotan en un mar de moléculas de agua no unidas llegó a su fin a principios de los años ochenta, cuando G. Stanley aplicó la teoría de la percolación, que describe las transiciones de fase del agua, a la modelo de agua.

En 1999, el famoso investigador ruso del agua S.V. Zenin defendió su tesis doctoral en el Instituto de Problemas Médicos y Biológicos de la Academia de Ciencias de Rusia sobre la teoría de grupos, lo que supuso un paso importante en el avance de esta área de investigación, cuya complejidad se ve reforzada por el hecho de que Se encuentran en la intersección de tres ciencias: física, química y biología. A partir de los datos obtenidos mediante tres métodos fisicoquímicos: refractometría (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), cromatografía líquida de alta resolución (S.V. Zenin et al., 1998) y resonancia magnética de protones (C S.V. Zenin, 1993) se construyó y demostró un modelo geométrico. modelo de la principal formación estructural estable de las moléculas de agua (agua estructurada), y luego (S.V. Zenin, 2004) se obtuvo una imagen de estas estructuras utilizando un microscopio de fase de contraste.

La ciencia ha demostrado ahora que las peculiaridades de las propiedades físicas del agua y los numerosos enlaces de hidrógeno de corta duración entre los átomos vecinos de hidrógeno y oxígeno en una molécula de agua crean oportunidades favorables para la formación de estructuras asociadas especiales (cúmulos) que perciben, almacenan y transmiten una amplia variedad de información.

La unidad estructural de dicha agua es un grupo formado por clatratos, cuya naturaleza está determinada por fuerzas de Coulomb de largo alcance. La estructura de los grupos codifica información sobre las interacciones que tuvieron lugar con estas moléculas de agua. En los grupos de agua, debido a la interacción entre los enlaces covalentes y de hidrógeno entre los átomos de oxígeno y los átomos de hidrógeno, la migración de un protón (H+) puede ocurrir a través de un mecanismo de retransmisión, lo que lleva a la deslocalización del protón dentro del grupo.

El agua, que consta de muchos grupos de varios tipos, forma una estructura espacial jerárquica de cristal líquido que puede percibir y almacenar grandes cantidades de información.

La figura (V.L. Voeikov) muestra diagramas de varias estructuras de conglomerados simples a modo de ejemplo.

Algunas posibles estructuras de clusters de agua.

Campos físicos de muy diferente naturaleza pueden ser portadores de información. Así, se ha establecido la posibilidad de interacción de información remota de la estructura cristalina líquida del agua con objetos de diversa naturaleza utilizando campos electromagnéticos, acústicos y otros. El objeto influyente también puede ser una persona.

El agua es una fuente de radiación electromagnética alterna ultradébil y débil. La radiación electromagnética menos caótica la crea el agua estructurada. En este caso, puede producirse la inducción del correspondiente campo electromagnético, cambiando las características estructurales y de información de los objetos biológicos.

En los últimos años se han obtenido datos importantes sobre las propiedades del agua sobreenfriada. Estudiar el agua a bajas temperaturas es muy interesante, ya que puede sobreenfriarse más que otros líquidos. La cristalización del agua, por regla general, comienza con algunas faltas de homogeneidad, ya sea en las paredes del recipiente o en partículas flotantes de impurezas sólidas. Por lo tanto, no es fácil encontrar la temperatura a la que el agua sobreenfriada cristalizaría espontáneamente. Pero los científicos lograron hacer esto, y ahora la temperatura de la llamada nucleación homogénea, cuando la formación de cristales de hielo ocurre simultáneamente en todo el volumen, se conoce con presiones de hasta 0,3 GPa, es decir, que cubren las regiones de existencia de hielo II.

Desde la presión atmosférica hasta la frontera que separa los hielos I y II, esta temperatura desciende de 231 a 180 K y luego aumenta ligeramente hasta 190 K. Por debajo de esta temperatura crítica, en principio es imposible que haya agua líquida.

Estructura de hielo (imagen de la derecha)

Sin embargo, existe un misterio asociado con esta temperatura. A mediados de los años ochenta, se descubrió una nueva modificación del hielo amorfo: el hielo de alta densidad, lo que ayudó a revivir la idea del agua como una mezcla de dos estados. Como prototipos no se consideraron estructuras cristalinas, sino estructuras de hielo amorfo de diferentes densidades. Este concepto fue formulado de la forma más clara por E.G. Ponyatovsky y V.V. Sinitsin, quienes escribieron en 1999: “El agua se considera como una solución regular de dos componentes, cuyas configuraciones locales corresponden al orden de modificaciones de corto alcance del hielo amorfo .” Además, al estudiar el orden de corto alcance en agua sobreenfriada a alta presión mediante métodos de difracción de neutrones, los científicos pudieron encontrar componentes correspondientes a estas estructuras.

Una consecuencia del polimorfismo del hielo amorfo también ha llevado a suposiciones sobre la separación del agua en dos componentes inmiscibles a temperaturas por debajo del hipotético punto crítico de baja temperatura. Lamentablemente, según los investigadores, esta temperatura a una presión de 0,017 GPa es 230 K inferior a la temperatura de nucleación, por lo que hasta ahora nadie ha podido observar la estratificación del agua líquida. Así, el resurgimiento del modelo de dos estados planteó la cuestión de la heterogeneidad de la red de enlaces de hidrógeno en el agua líquida. Esta heterogeneidad sólo puede entenderse mediante modelos informáticos.

Hablando de la estructura cristalina del agua, cabe señalar que se conocen 14 modificaciones del hielo, la mayoría de los cuales no se encuentran en la naturaleza, en la que las moléculas de agua conservan su individualidad y están conectadas por enlaces de hidrógeno. Por otro lado, existen muchas variantes de la red de enlaces de hidrógeno en los hidratos de clatrato. Las energías de estas redes (hielos de alta presión e hidratos de clatrato) no son mucho más altas que las energías de los hielos cúbicos y hexagonales. Por lo tanto, también pueden aparecer fragmentos de tales estructuras en agua líquida. Es posible construir innumerables fragmentos no periódicos diferentes, cuyas moléculas tienen cuatro vecinos más cercanos ubicados aproximadamente en los vértices del tetraedro, pero su estructura no se corresponde con las estructuras de las modificaciones conocidas del hielo. Como han demostrado numerosos cálculos, las energías de interacción de las moléculas en tales fragmentos serán cercanas entre sí y no hay razón para decir que alguna estructura deba prevalecer en el agua líquida.

Los estudios estructurales del agua se pueden estudiar utilizando diferentes métodos; espectroscopia de resonancia magnética de protones, espectroscopia infrarroja, difracción de rayos X, etc. Por ejemplo, la difracción de rayos X y neutrones se ha estudiado muchas veces. Sin embargo, estos experimentos no pueden proporcionar información detallada sobre la estructura. Las faltas de homogeneidad que difieren en densidad se pueden observar mediante la dispersión de rayos X y neutrones en ángulos pequeños, pero dichas faltas de homogeneidad deben ser grandes y consistir en cientos de moléculas de agua. Sería posible verlos estudiando la dispersión de la luz. Sin embargo, el agua es un líquido excepcionalmente claro. El único resultado de los experimentos de difracción es la función de distribución radial, es decir, la distancia entre los átomos de oxígeno, hidrógeno y oxígeno-hidrógeno. De ellos se desprende claramente que no existe un orden de largo alcance en la disposición de las moléculas de agua. Estas funciones decaen mucho más rápido en el agua que en la mayoría de los demás líquidos. Por ejemplo, la distribución de distancias entre los átomos de oxígeno a temperaturas cercanas a la temperatura ambiente da sólo tres máximos, 2,8, 4,5 y 6,7. El primer máximo corresponde a la distancia a los vecinos más cercanos y su valor es aproximadamente igual a la longitud del enlace de hidrógeno. El segundo máximo está cerca de la longitud promedio de un borde de tetraedro: recuerde que las moléculas de agua en el hielo hexagonal están ubicadas a lo largo de los vértices de un tetraedro descrito alrededor de la molécula central. Y el tercer máximo, expresado muy débilmente, corresponde a la distancia a terceros vecinos y más lejanos en la red de hidrógeno. Este máximo en sí no es muy brillante y no es necesario hablar de picos adicionales. Ha habido intentos de obtener información más detallada de estas distribuciones. Así, en 1969, I.S. Andrianov e I.Z. Fisher calcularon las distancias hasta el octavo vecino, mientras que para el quinto vecino resultó ser 3, y para el sexto, 3,1. Esto permite obtener datos sobre el entorno distante de las moléculas de agua.

Otro método de estudio de la estructura, la difracción de neutrones en cristales de agua, se lleva a cabo exactamente de la misma forma que la difracción de rayos X. Sin embargo, debido al hecho de que las longitudes de dispersión de neutrones no difieren tanto entre diferentes átomos, el método de sustitución isomórfica se vuelve inaceptable. En la práctica se trabaja normalmente con un cristal cuya estructura molecular ya ha sido determinada aproximadamente mediante otros métodos. Luego se miden las intensidades de difracción de neutrones para este cristal. Con base en estos resultados, se realiza una transformada de Fourier, durante la cual se utilizan las intensidades y fases de los neutrones medidas, calculadas teniendo en cuenta los átomos que no son de hidrógeno, es decir, átomos de oxígeno, cuya posición en el modelo de estructura se conoce. Entonces, en el mapa de Fourier así obtenido, los átomos de hidrógeno y deuterio se representan con pesos mucho mayores que en el mapa de densidad electrónica, porque la contribución de estos átomos a la dispersión de neutrones es muy grande. Con este mapa de densidad se pueden determinar, por ejemplo, las posiciones de los átomos de hidrógeno (densidad negativa) y del deuterio (densidad positiva).

Es posible una variación de este método, que consiste en que el cristal formado en agua se mantiene en agua pesada antes de realizar las mediciones. En este caso, la difracción de neutrones no sólo permite determinar dónde se encuentran los átomos de hidrógeno, sino que también identifica aquellos que pueden intercambiarse por deuterio, lo que es especialmente importante a la hora de estudiar el intercambio de isótopos (H-D). Esta información ayuda a confirmar que la estructura se ha establecido correctamente.

Otros métodos también permiten estudiar la dinámica de las moléculas de agua. Se trata de experimentos sobre dispersión de neutrones cuasi elástica, espectroscopia IR ultrarrápida y el estudio de la difusión de agua mediante RMN o átomos de deuterio marcados. El método de espectroscopía de RMN se basa en que el núcleo de un átomo de hidrógeno tiene un momento magnético (espín) que interactúa con campos magnéticos, constantes y variables. A partir del espectro de RMN se puede juzgar en qué entorno se encuentran estos átomos y núcleos, obteniendo así información sobre la estructura de la molécula.

Como resultado de experimentos sobre la dispersión cuasi elástica de neutrones en cristales de agua, se midió el parámetro más importante: el coeficiente de autodifusión a diversas presiones y temperaturas. Para juzgar el coeficiente de autodifusión a partir de la dispersión cuasielástica de neutrones, es necesario hacer una suposición sobre la naturaleza del movimiento molecular. Si se mueven según el modelo de Ya.I. Frenkel (un famoso físico teórico ruso, autor de la "Teoría cinética de los líquidos", un libro clásico traducido a muchos idiomas), también llamado modelo de "salto de espera", entonces el tiempo de vida estable (el tiempo entre saltos) de una molécula es de 3,2 picosegundos. Los últimos métodos de espectroscopia láser de femtosegundo han permitido estimar la vida útil de un enlace de hidrógeno roto: un protón tarda 200 fs en encontrar una pareja. Sin embargo, todos estos son valores medios. Es posible estudiar los detalles de la estructura y la naturaleza del movimiento de las moléculas de agua sólo con la ayuda de una simulación por computadora, a veces llamada experimento numérico.

Así es como se ve la estructura del agua según los resultados del modelado por computadora (según el Doctor en Ciencias Químicas G.G. Malenkov). La estructura desordenada general se puede dividir en dos tipos de regiones (mostradas como bolas oscuras y claras), que difieren en su estructura, por ejemplo, en el volumen del poliedro de Voronoi (a), el grado de tetraedralidad del entorno inmediato ( b), el valor de la energía potencial (c), y también en presencia de cuatro enlaces de hidrógeno en cada molécula (d). Sin embargo, estas áreas, literalmente, en un momento, después de unos picosegundos, cambiarán de ubicación.

La simulación se realiza así. La estructura de hielo se toma y se calienta hasta que se derrita. Luego, pasado un tiempo para que el agua se olvide de su origen cristalino, se toman microfotografías instantáneas.

Para analizar la estructura del agua se seleccionan tres parámetros:
- grado de desviación del entorno local de la molécula de los vértices de un tetraedro regular;
-energía potencial de las moléculas;
-el volumen del llamado poliedro de Voronoi.

Para construir este poliedro, tome una arista de una molécula dada a la más cercana, divídala por la mitad y dibuje un plano que pase por este punto perpendicular a la arista. Esto da el volumen por molécula. El volumen de un poliedro es la densidad, la tetraedralidad es el grado de distorsión de los enlaces de hidrógeno, la energía es el grado de estabilidad de la configuración molecular. Las moléculas con valores similares de cada uno de estos parámetros tienden a agruparse en grupos separados. Tanto las regiones de baja como las de alta densidad tienen diferentes valores energéticos, pero también pueden tener los mismos valores energéticos. Los experimentos han demostrado que en áreas con diferentes estructuras, los grupos surgen espontáneamente y se desintegran espontáneamente. Toda la estructura del agua está viva y en constante cambio, y el tiempo durante el cual se producen estos cambios es muy corto. Los investigadores monitorearon los movimientos de las moléculas y descubrieron que realizaban vibraciones irregulares con una frecuencia de aproximadamente 0,5 ps y una amplitud de 1 angstrom. También se observaron raros saltos lentos de angstroms que duran picosegundos. En general, en 30 ps una molécula puede moverse entre 8 y 10 angstroms. La vida útil del medio ambiente local también es corta. Las regiones compuestas por moléculas con valores de volumen similares al poliedro de Voronoi pueden desintegrarse en 0,5 ps o pueden vivir durante varios picosegundos. Pero la distribución de la vida útil de los enlaces de hidrógeno es muy grande. Pero este tiempo no supera los 40 ps y el valor medio es de varios ps.

En conclusión, cabe destacar que La teoría de la estructura de conglomerados del agua tiene muchos inconvenientes. Por ejemplo, Zenin sugiere que el principal elemento estructural del agua es un grupo de 57 moléculas formado por la fusión de cuatro dodecaedros. Tienen caras comunes y sus centros forman un tetraedro regular. Se sabe desde hace mucho tiempo que las moléculas de agua pueden ubicarse en los vértices de un dodecaedro pentagonal; Este dodecaedro es la base de los hidratos de gas. Por lo tanto, no hay nada sorprendente en suponer la existencia de tales estructuras en el agua, aunque ya se ha dicho que ninguna estructura específica puede ser predominante y existir durante mucho tiempo. Por tanto, resulta extraño que se suponga que este elemento es el principal y que contenga exactamente 57 moléculas. A partir de bolas, por ejemplo, se pueden montar las mismas estructuras, que constan de dodecaedros adyacentes entre sí y que contienen 200 moléculas. Zenin afirma que el proceso de polimerización tridimensional del agua se detiene en 57 moléculas. En su opinión, no debería haber socios más grandes. Sin embargo, si esto fuera así, los cristales de hielo hexagonales, que contienen una gran cantidad de moléculas unidas entre sí por enlaces de hidrógeno, no podrían precipitarse a partir del vapor de agua. No está del todo claro por qué el crecimiento del grupo Zenin se detuvo en 57 moléculas. Para evitar contradicciones, Zenin agrupa grupos en formaciones más complejas (romboedros) de casi mil moléculas, y los grupos originales no forman enlaces de hidrógeno entre sí. ¿Por qué? ¿En qué se diferencian las moléculas de su superficie de las del interior? Según Zenin, el patrón de grupos hidroxilo en la superficie de los romboedros proporciona la memoria del agua. En consecuencia, las moléculas de agua en estos grandes complejos están rígidamente fijadas y los propios complejos son sólidos. Esta agua no fluirá y su punto de fusión, que está relacionado con el peso molecular, debería ser muy alto.

¿Qué propiedades del agua explica el modelo de Zenin? Dado que el modelo se basa en estructuras tetraédricas, puede ser más o menos consistente con los datos de difracción de neutrones y rayos X. Sin embargo, es poco probable que el modelo pueda explicar la disminución de la densidad durante el derretimiento; el empaquetamiento de los dodecaedros es menos denso que el hielo. Pero lo más difícil es estar de acuerdo con un modelo con propiedades dinámicas: fluidez, un valor alto del coeficiente de autodifusión, correlación corta y tiempos de relajación dieléctrica, que se miden en picosegundos.

Doctor. V.O. Mosín

Referencias:
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Y EN. Slesarev. Informe de avance de la investigación

Propiedades del agua

¿Por qué el agua es agua?

Entre la gran variedad de sustancias, el agua con sus propiedades físicas y químicas ocupa un lugar muy especial y excepcional. Y esto hay que tomarlo literalmente.

Casi todas las propiedades físicas y químicas del agua son excepciones en la naturaleza. Realmente es la sustancia más asombrosa del mundo. El agua sorprende no sólo por la variedad de formas isotópicas de la molécula y no sólo por las esperanzas que conlleva como fuente inagotable de energía para el futuro. Además, sorprende por sus propiedades muy comunes.

¿Cómo se construye una molécula de agua?

Ahora se sabe con mucha precisión cómo se forma una molécula de agua. Está construido así.

Las posiciones relativas de los núcleos de los átomos de hidrógeno y oxígeno y la distancia entre ellos han sido bien estudiadas y medidas. Resultó que la molécula de agua no es lineal. Junto con las capas electrónicas de los átomos, una molécula de agua, si se mira "de lado", podría representarse así:

es decir, geométricamente, la disposición mutua de las cargas en una molécula se puede representar como un tetraedro simple. Todas las moléculas de agua con cualquier composición isotópica están construidas exactamente igual.

¿Cuántas moléculas de agua hay en el océano?

Uno. Y esta respuesta no es exactamente una broma. Por supuesto, cualquiera puede, consultando un libro de referencia y descubriendo cuánta agua hay en el Océano Mundial, calcular fácilmente cuántas moléculas de H2O contiene. Pero tal respuesta no será del todo correcta. El agua es una sustancia especial. Debido a su estructura única, las moléculas individuales interactúan entre sí. Un enlace químico especial surge debido al hecho de que cada uno de los átomos de hidrógeno de una molécula atrae los electrones de los átomos de oxígeno de las moléculas vecinas. Debido a este enlace de hidrógeno, cada molécula de agua queda bastante unida a otras cuatro moléculas vecinas, tal como se muestra en el diagrama. Es cierto que este diagrama está demasiado simplificado: es plano; de lo contrario, no se puede representar en la figura. Imaginemos una imagen un poco más precisa. Para hacer esto, es necesario tener en cuenta que el plano en el que se encuentran los enlaces de hidrógeno (indicados por una línea de puntos) en una molécula de agua está dirigido perpendicular al plano de ubicación de los átomos de hidrógeno.

Todas las moléculas individuales de H2O en el agua resultan estar conectadas en una única red espacial continua: en una molécula gigante. Por tanto, la afirmación de algunos físicos químicos de que todo el océano es una sola molécula está bastante justificada. Pero esta afirmación no debe tomarse demasiado literalmente. Aunque todas las moléculas de agua en el agua están conectadas entre sí mediante enlaces de hidrógeno, al mismo tiempo se encuentran en un equilibrio móvil muy complejo, preservando las propiedades individuales de las moléculas individuales y formando agregados complejos. Esta idea no sólo se aplica al agua: un trozo de diamante es también una molécula.

¿Cómo se construye una molécula de hielo?

No hay moléculas de hielo especiales. Las moléculas de agua, debido a su notable estructura, están conectadas entre sí en un trozo de hielo de modo que cada una de ellas queda conectada y rodeada por otras cuatro moléculas. Esto provoca la aparición de una estructura de hielo muy suelta, en la que queda mucho volumen libre. La estructura cristalina correcta del hielo se expresa en la asombrosa gracia de los copos de nieve y la belleza de los patrones escarchados en los cristales helados de las ventanas.

¿Cómo se forman las moléculas de agua en el agua?

Lamentablemente, esta cuestión tan importante aún no ha sido suficientemente estudiada. La estructura de las moléculas del agua líquida es muy compleja. Cuando el hielo se derrite, su estructura de red se conserva parcialmente en el agua resultante. Las moléculas del agua derretida están formadas por muchas moléculas simples: agregados que conservan las propiedades del hielo. A medida que aumenta la temperatura, algunos de ellos se desintegran y su tamaño se reduce.

La atracción mutua conduce al hecho de que el tamaño promedio de una molécula de agua compleja en agua líquida excede significativamente el tamaño de una sola molécula de agua. Esta extraordinaria estructura molecular del agua determina sus extraordinarias propiedades fisicoquímicas.

¿Cuál debería ser la densidad del agua?

¿No es una pregunta muy extraña? Recuerde cómo se estableció la unidad de masa: un gramo. Esta es la masa de un centímetro cúbico de agua. Esto significa que no puede haber duda de que la densidad del agua debe ser sólo la que es. ¿Puede haber alguna duda al respecto? Poder. Los teóricos han calculado que si el agua no retuviera una estructura suelta similar al hielo en estado líquido y sus moléculas estuvieran apretadas, entonces la densidad del agua sería mucho mayor. A 25°C equivaldría no a 1,0, sino a 1,8 g/cm3.

¿A qué temperatura debe hervir el agua?

Esta pregunta también es, por supuesto, extraña. Después de todo, el agua hierve a cien grados. Todo el mundo lo sabe. Además, todo el mundo sabe que el punto de ebullición del agua a presión atmosférica normal fue elegido como uno de los puntos de referencia de la escala de temperatura, convencionalmente denominada 100°C.

Sin embargo, la pregunta se plantea de otra manera: ¿a qué temperatura debe hervir el agua? Después de todo, las temperaturas de ebullición de diversas sustancias no son aleatorias. Dependen de la posición de los elementos que forman sus moléculas en la tabla periódica de Mendeleev.

Si comparamos compuestos químicos de diferentes elementos con la misma composición que pertenecen al mismo grupo de la tabla periódica, es fácil notar que cuanto menor es el número atómico de un elemento, menor es su peso atómico, menor es el punto de ebullición de sus compuestos. Según su composición química, el agua puede denominarse hidruro de oxígeno. H2Te, H2Se y H2S son análogos químicos del agua. Si controla sus puntos de ebullición y compara cómo cambian los puntos de ebullición de los hidruros en otros grupos de la tabla periódica, podrá determinar con bastante precisión el punto de ebullición de cualquier hidruro, como cualquier otro compuesto. El propio Mendeleev pudo predecir las propiedades de los compuestos químicos de elementos aún no descubiertos de esta manera.

Si determinamos el punto de ebullición del hidruro de oxígeno por su posición en la tabla periódica, resulta que el agua debe hervir a -80 ° C. En consecuencia, el agua hierve aproximadamente ciento ochenta grados más. , de lo que debería hervir. El punto de ebullición del agua, que es su propiedad más común, resulta extraordinario y sorprendente.

Las propiedades de cualquier compuesto químico dependen de la naturaleza de los elementos que lo forman y, por tanto, de su posición en la tabla periódica de elementos químicos de Mendeleev. Estos gráficos muestran las dependencias de las temperaturas de ebullición y fusión de los compuestos de hidrógeno de los grupos IV y VI del sistema periódico. El agua es una sorprendente excepción. Debido al radio muy pequeño del protón, las fuerzas de interacción entre sus moléculas son tan grandes que es muy difícil separarlas, razón por la cual el agua hierve y se derrite a temperaturas anormalmente altas.

Gráfico A. Dependencia normal del punto de ebullición de los hidruros de elementos del grupo IV de su posición en la tabla periódica.

Gráfico B. Entre los hidruros de elementos del grupo VI, el agua tiene propiedades anómalas: el agua debe hervir a menos 80 - menos 90 ° C, pero hierve a más 100 ° C.

Gráfico B. Dependencia normal de la temperatura de fusión de los hidruros de elementos del grupo IV de su posición en la tabla periódica.

Gráfico D. Entre los hidruros de elementos del grupo VI, el agua viola el orden: debe derretirse a menos 100 ° C y los carámbanos de hielo deben derretirse a 0 ° C.

¿A qué temperatura se congela el agua?

¿No es cierto que la pregunta no es menos extraña que las anteriores? Bueno, ¿quién no sabe que el agua se congela a cero grados? Este es el segundo punto de referencia del termómetro. Ésta es la propiedad más común del agua. Pero incluso en este caso cabe preguntarse: ¿a qué temperatura debe congelarse el agua de acuerdo con su naturaleza química? Resulta que el hidruro de oxígeno, según su posición en la tabla periódica, debería haberse solidificado a cien grados bajo cero.

¿Cuántos estados líquidos del agua hay?

Esta pregunta no es tan fácil de responder. Por supuesto, también hay una cosa: el agua líquida que todos conocemos. Pero el agua líquida tiene propiedades tan extraordinarias que uno se pregunta si un sistema tan simple y aparentemente no provocador

sin duda la respuesta? El agua es la única sustancia en el mundo que, después de derretirse, primero se contrae y luego comienza a expandirse a medida que aumenta la temperatura. Aproximadamente a 4°C, el agua alcanza su máxima densidad. Esta rara anomalía en las propiedades del agua se explica por el hecho de que, en realidad, el agua líquida es una solución compleja de una composición completamente inusual: es una solución de agua en agua.

Cuando el hielo se derrite, primero se forman moléculas de agua grandes y complejas. Retienen restos de la estructura cristalina suelta del hielo y se disuelven en agua corriente de bajo peso molecular. Por lo tanto, al principio la densidad del agua es baja, pero a medida que aumenta la temperatura, estas grandes moléculas se descomponen y, por lo tanto, la densidad del agua aumenta hasta que la expansión térmica normal toma el control, momento en el cual la densidad del agua vuelve a caer. Si esto es cierto, entonces son posibles varios estados del agua, pero nadie sabe cómo separarlos. Y aún se desconoce si esto será posible algún día. Esta extraordinaria propiedad del agua es de gran importancia para la vida. En los embalses, antes de la llegada del invierno, el agua de refrigeración desciende gradualmente hasta que la temperatura de todo el embalse alcanza los 4°C. Con un enfriamiento adicional, el agua más fría permanece encima y se detiene toda mezcla. Como resultado, se crea una situación extraordinaria: una fina capa de agua fría se convierte en una especie de "manta cálida" para todos los habitantes del mundo submarino. A 4°C claramente se sienten bastante bien.

¿Qué debería ser más fácil: agua o hielo?

¿Quién no lo sabe? Al fin y al cabo, el hielo flota sobre el agua. Icebergs gigantes flotan en el océano. Los lagos en invierno están cubiertos por una capa continua de hielo flotante. Por supuesto, el hielo es más ligero que el agua.

¿Pero por qué "por supuesto"? ¿Está tan claro? Por el contrario, el volumen de todos los sólidos aumenta durante la fusión y se ahogan en su propia masa fundida. Pero el hielo flota en el agua. Esta propiedad del agua es una anomalía en la naturaleza, una excepción y, además, una excepción absolutamente notable.

Las cargas positivas de una molécula de agua están asociadas con átomos de hidrógeno. Las cargas negativas son los electrones de valencia del oxígeno. Su disposición relativa en una molécula de agua se puede representar como un tetraedro simple.

Intentemos imaginar cómo sería el mundo si el agua tuviera propiedades normales y el hielo fuera, como debería ser cualquier sustancia normal, más denso que el agua líquida. En invierno, el hielo más denso que se congela desde arriba se hundiría en el agua y se hundiría continuamente hasta el fondo del depósito. En verano, el hielo, protegido por una capa de agua fría, no podía derretirse. Poco a poco, todos los lagos, estanques, ríos y arroyos se congelarían por completo, convirtiéndose en gigantescos bloques de hielo. Finalmente, los mares se congelarían, seguidos por los océanos. Nuestro hermoso y floreciente mundo verde se convertiría en un desierto helado continuo, cubierto aquí y allá por una fina capa de agua derretida.

¿Cuantos hielos hay?

En la naturaleza de nuestra Tierra sólo hay uno: el hielo ordinario. El hielo es una roca con propiedades extraordinarias. Es sólido, pero fluye como un líquido, y hay enormes ríos de hielo que fluyen lentamente desde las altas montañas. El hielo es cambiante: desaparece continuamente y se vuelve a formar. El hielo es inusualmente fuerte y duradero: durante decenas de miles de años conserva sin cambios los cuerpos de mamuts que murieron accidentalmente en las grietas de los glaciares. En sus laboratorios, el hombre logró descubrir al menos seis hielos más diferentes, no menos sorprendentes. No se pueden encontrar en la naturaleza. Sólo pueden existir a presiones muy altas. El hielo normal se conserva hasta una presión de 208 MPa (megapascales), pero a esta presión se funde a -22 °C. Si la presión es superior a 208 MPa, aparece hielo denso: hielo-III. Es más pesado que el agua y se hunde en ella. A temperaturas más bajas y presiones más altas, hasta 300 MPa, se forma hielo-P aún más denso. Una presión superior a 500 MPa convierte el hielo en hielo-V. Este hielo se puede calentar hasta casi 0 °C y no se derretirá, aunque esté bajo una enorme presión. A una presión de aproximadamente 2 GPa (gigapascales), aparece hielo-VI. Esto es literalmente hielo caliente: puede soportar temperaturas de 80° C sin derretirse. El hielo VII, que se encuentra a una presión de 3GP, quizás pueda llamarse hielo caliente. Este es el hielo más denso y refractario que se conoce. Sólo se funde a 190° sobre cero.

Ice-VII tiene una dureza inusualmente alta. Este hielo puede incluso provocar desastres repentinos. Los cojinetes sobre los que giran los ejes de las potentes turbinas de las centrales eléctricas generan una presión enorme. Si entra incluso un poco de agua en la grasa, se congelará, aunque la temperatura del rodamiento sea muy alta. Las partículas de hielo VII resultantes, que tienen una dureza enorme, comenzarán a destruir el eje y el cojinete y rápidamente provocarán que fallen.

¿Quizás también haya hielo en el espacio?

Como si lo hubiera, y al mismo tiempo muy extraño. Pero los científicos de la Tierra lo descubrieron, aunque ese hielo no puede existir en nuestro planeta. La densidad de todos los hielos conocidos actualmente, incluso a presiones muy altas, sólo supera muy ligeramente 1 g/cm3. La densidad de las modificaciones hexagonales y cúbicas del hielo a presiones y temperaturas muy bajas, incluso cercanas al cero absoluto, es ligeramente inferior a la unidad. Su densidad es de 0,94 g/cm3.

Pero resultó que en el vacío, a presiones insignificantes y a temperaturas inferiores a -170 ° C, en condiciones en las que se produce la formación de hielo cuando se condensa a partir del vapor sobre una superficie sólida enfriada, aparece un hielo absolutamente asombroso. Su densidad es... 2,3 g/cm3. Todo el hielo conocido hasta ahora es cristalino, pero este nuevo hielo es aparentemente amorfo, caracterizado por una disposición relativa aleatoria de moléculas de agua individuales; No tiene una estructura cristalina específica. Por esta razón, a veces se le llama hielo de cristal. Los científicos confían en que este sorprendente hielo debe surgir en condiciones espaciales y desempeñar un papel importante en la física de planetas y cometas. El descubrimiento de un hielo tan denso fue inesperado para los físicos.

¿Qué se necesita para que el hielo se derrita?

Mucho calor. Mucho más de lo que se necesitaría para derretir la misma cantidad de cualquier otra sustancia. El calor específico de fusión excepcionalmente alto -80 cal (335 J) por gramo de hielo también es una propiedad anómala del agua. Cuando el agua se congela, se libera nuevamente la misma cantidad de calor.

Cuando llega el invierno, se forma hielo, cae nieve y el agua devuelve calor, calentando el suelo y el aire. Resisten el frío y suavizan la transición al duro invierno. Gracias a esta maravillosa propiedad del agua, el otoño y la primavera existen en nuestro planeta.

¿Cuánto calor se necesita para calentar agua?

Tantos. Más de lo que se necesita para calentar una cantidad igual de cualquier otra sustancia. Se necesita una caloría (4,2 J) para calentar un gramo de agua un grado. Esto es más del doble de la capacidad calorífica de cualquier compuesto químico.

El agua es una sustancia extraordinaria en sus propiedades más comunes para nosotros. Por supuesto, esta capacidad del agua es muy importante no sólo a la hora de preparar la cena en la cocina. El agua es el gran distribuidor de calor por toda la Tierra. Calentado por el Sol bajo el ecuador, transfiere calor en el Océano Mundial con gigantescas corrientes marinas a las lejanas regiones polares, donde la vida es posible sólo gracias a esta sorprendente característica del agua.

¿Por qué el agua del mar es salada?

Esta es quizás una de las consecuencias más importantes de una de las propiedades más sorprendentes del agua. En su molécula, los centros de cargas positivas y negativas están fuertemente desplazados entre sí. Por lo tanto, el agua tiene un valor anómalo y excepcionalmente alto de constante dieléctrica. Para el agua, e = 80, y para el aire y el vacío, e = 1. Esto significa que dos cargas opuestas cualesquiera en el agua se atraen mutuamente con una fuerza 80 veces menor que en el aire. Después de todo, según la ley de Coulomb:

Pero aún así, los enlaces intermoleculares en todos los cuerpos, que determinan la fuerza del cuerpo, son causados ​​por la interacción entre las cargas positivas de los núcleos atómicos y los electrones negativos. En la superficie de un cuerpo sumergido en agua, las fuerzas que actúan entre moléculas o átomos se debilitan bajo la influencia del agua casi cien veces. Si la fuerza de unión restante entre las moléculas se vuelve insuficiente para resistir los efectos del movimiento térmico, las moléculas o átomos del cuerpo comienzan a desprenderse de su superficie y pasar al agua. El cuerpo comienza a disolverse, descomponiéndose en moléculas individuales, como el azúcar en un vaso de té, o en partículas cargadas: iones, como la sal de mesa.

Gracias a su constante dieléctrica anormalmente alta, el agua es uno de los disolventes más potentes. Incluso es capaz de disolver cualquier roca de la superficie terrestre. Lenta e inevitablemente destruye incluso los granitos, lixiviando de ellos componentes fácilmente solubles.

Los arroyos, ríos y ríos transportan impurezas disueltas en el agua al océano. El agua del océano se evapora y regresa nuevamente a la tierra para continuar una y otra vez su trabajo eterno. Y las sales disueltas quedan en los mares y océanos.

No pienses que el agua disuelve y lleva al mar sólo lo que es fácilmente soluble, y que el agua de mar contiene sólo la sal común que se encuentra en la mesa. No, el agua de mar contiene casi todos los elementos que existen en la naturaleza. Contiene magnesio, calcio, azufre, bromo, yodo y flúor. En él se encontraron en menores cantidades hierro, cobre, níquel, estaño, uranio, cobalto e incluso plata y oro. Los químicos encontraron más de sesenta elementos en el agua de mar. Probablemente también se encontrarán todos los demás. La mayor parte de la sal del agua de mar es sal de mesa. Por eso el agua del mar es salada.

¿Es posible correr sobre la superficie del agua?

Poder. Para ver esto, mire la superficie de cualquier estanque o lago en verano. Mucha gente viva y veloz no sólo camina sobre el agua, sino que también corre. Si tenemos en cuenta que la zona de apoyo de las patas de estos insectos es muy pequeña, entonces no es difícil entender que, a pesar de su reducido peso, la superficie del agua puede soportar una presión importante sin romperse.

¿Puede el agua fluir hacia arriba?

Si quizas. Esto sucede todo el tiempo y en todas partes. El agua misma asciende en el suelo, mojando todo el espesor de la tierra desde el nivel freático. El agua misma asciende a través de los vasos capilares del árbol y ayuda a la planta a transportar los nutrientes disueltos a grandes alturas, desde las raíces profundamente escondidas en el suelo hasta las hojas y los frutos. El agua misma se mueve hacia arriba en los poros del papel secante cuando tienes que secar una toalla, o en la tela de una toalla cuando te limpias la cara. En tubos muy finos, en capilares, el agua puede alcanzar una altura de varios metros.

¿Qué explica esto?

Otra característica destacable del agua es su tensión superficial excepcionalmente alta. Las moléculas de agua en su superficie experimentan fuerzas de atracción intermolecular sólo en un lado, y en el agua esta interacción es anormalmente fuerte. Por lo tanto, cada molécula de su superficie es atraída hacia el líquido. Como resultado, surge una fuerza que tensa la superficie del líquido, especialmente en el agua: su tensión superficial es de 72 mN/m (millinewtons por metro).

¿Puede el agua recordar?

Es cierto que esta pregunta parece muy inusual, pero es bastante seria y muy importante. Se trata de un gran problema físico-químico, que en su parte más importante aún no ha sido investigado. Esta pregunta acaba de plantearse en la ciencia, pero aún no se ha encontrado una respuesta.

La pregunta es: ¿la historia anterior del agua influye en sus propiedades físicas y químicas? ¿Es posible, estudiando las propiedades del agua, descubrir qué le sucedió antes, hacer que el agua misma "recuerde" y nos cuente sobre ello? . Sí, tal vez, por sorprendente que parezca. La forma más sencilla de entender esto es con un ejemplo sencillo, pero muy interesante y extraordinario: la memoria del hielo.

Después de todo, el hielo es agua. Cuando el agua se evapora, la composición isotópica del agua y el vapor cambia. El agua ligera se evapora, aunque en menor medida, más rápido que el agua pesada.

Cuando el agua natural se evapora, la composición cambia en el contenido isotópico no solo del deuterio, sino también del oxígeno pesado. Estos cambios en la composición isotópica del vapor se han estudiado muy bien y también se ha estudiado bien su dependencia de la temperatura.

Recientemente, los científicos realizaron un experimento notable. En el Ártico, en el espesor de un enorme glaciar del norte de Groenlandia, se hizo un pozo y se perforó y extrajo un núcleo de hielo gigante de casi un kilómetro y medio de largo. En él se veían claramente las capas anuales de hielo en crecimiento. A lo largo de toda la longitud del núcleo, estas capas se sometieron a análisis isotópicos y, basándose en el contenido relativo de isótopos pesados ​​de hidrógeno y oxígeno (deuterio y 18O), se determinaron las temperaturas de formación de las capas de hielo anuales en cada sección del núcleo. La fecha de formación de la capa anual se determinó mediante conteo directo. De esta manera se restableció la situación climática en la Tierra durante un milenio. El agua logró recordar y registrar todo esto en las capas profundas del glaciar de Groenlandia.

Como resultado de los análisis isotópicos de las capas de hielo, los científicos construyeron una curva de cambio climático en la Tierra. Resultó que nuestra temperatura promedio está sujeta a fluctuaciones seculares. Hacía mucho frío en el siglo XV, a finales del siglo XVII. y a principios del siglo XIX. Los años más calurosos fueron 1550 y 1930.

¿Cuál es entonces el misterio de la “memoria” del agua?

El caso es que en los últimos años la ciencia ha ido acumulando muchos hechos sorprendentes y completamente incomprensibles. Algunas de ellas están firmemente establecidas, otras requieren una confirmación cuantitativa fiable y todas ellas aún esperan ser explicadas.

Por ejemplo, nadie sabe todavía qué le sucede al agua que fluye a través de un fuerte campo magnético. Los físicos teóricos están absolutamente seguros de que nada puede sucederle ni sucederá, reforzando su convicción con cálculos teóricos completamente confiables, de los cuales se deduce que después del cese del campo magnético, el agua debería volver instantáneamente a su estado anterior y permanecer como estaba. era . Y la experiencia demuestra que cambia y se vuelve diferente.

¿Hay una gran diferencia? Juzga por ti mismo. Del agua corriente en una caldera de vapor, las sales disueltas, liberadas, se depositan en una capa densa y dura, como una piedra, en las paredes de las tuberías de la caldera, y del agua magnetizada (como se la llama ahora en tecnología) se caen. en forma de sedimento suelto suspendido en el agua. Parece que la diferencia es pequeña. Pero depende del punto de vista. Según los trabajadores de las centrales térmicas, esta diferencia es extremadamente significativa, ya que el agua magnetizada garantiza el funcionamiento normal e ininterrumpido de las centrales eléctricas gigantes: las paredes de las tuberías de las calderas de vapor no crecen demasiado, la transferencia de calor es mayor y la generación de electricidad es mayor. El tratamiento magnético del agua lleva ya mucho tiempo instalado en muchas centrales térmicas, pero ni los ingenieros ni los científicos saben cómo ni por qué funciona. Además, se ha observado experimentalmente que tras el tratamiento magnético del agua se aceleran en ella los procesos de cristalización, disolución, adsorción, cambios de humectación... sin embargo, en todos los casos los efectos son pequeños y difíciles de reproducir.

El efecto de un campo magnético sobre el agua (necesariamente de flujo rápido) dura pequeñas fracciones de segundo, pero el agua lo “recuerda” durante decenas de horas. Se desconoce por qué. En este asunto, la práctica está muy por delante de la ciencia. Después de todo, aún se desconoce a qué afecta exactamente el tratamiento magnético: al agua o a las impurezas que contiene. No existe el agua pura.

La “memoria” del agua no se limita a la conservación de los efectos de la influencia magnética. En la ciencia existen muchos hechos y observaciones que poco a poco se van acumulando y que demuestran que el agua parece “recordar” que antes estaba congelada.

El agua derretida, formada recientemente al derretir un trozo de hielo, también parece ser diferente del agua a partir de la cual se formó este trozo de hielo. En agua derretida, las semillas germinan más rápido y mejor, los brotes se desarrollan más rápido; Además, los pollos que reciben agua derretida parecen crecer y desarrollarse más rápido. Además de las sorprendentes propiedades del agua derretida, establecidas por los biólogos, también se conocen diferencias puramente físicas y químicas, por ejemplo, el agua derretida difiere en viscosidad y constante dieléctrica. La viscosidad del agua derretida adquiere su valor habitual para el agua solo entre 3 y 6 días después de derretirse. Por qué esto es así (si es así), nadie más lo sabe.

La mayoría de los investigadores llaman a esta área de fenómenos la "memoria estructural" del agua, creyendo que todas estas extrañas manifestaciones de la influencia de la historia anterior del agua en sus propiedades se explican por cambios en la estructura fina de su estado molecular. Quizás esto sea así, pero… nombrarlo no significa explicarlo. Todavía existe un problema importante en la ciencia: por qué y cómo el agua “recuerda” lo que le sucedió.

¿De dónde vino el agua en la Tierra?

Corrientes de rayos cósmicos, corrientes de partículas con enorme energía, siempre impregnan el Universo en todas direcciones. La mayoría de ellos contienen protones, los núcleos de los átomos de hidrógeno. En su movimiento en el espacio, nuestro planeta está continuamente sometido a un “bombardeo de protones”. Al penetrar en las capas superiores de la atmósfera terrestre, los protones capturan electrones, se convierten en átomos de hidrógeno y reaccionan inmediatamente con el oxígeno para formar agua. Los cálculos muestran que cada año nace en la estratosfera casi una tonelada y media de este tipo de agua "cósmica". A grandes altitudes y a bajas temperaturas, la elasticidad del vapor de agua es muy baja y las moléculas de agua, que se acumulan gradualmente, se condensan en partículas de polvo cósmico, formando misteriosas nubes noctilucentes. Los científicos sugieren que están formados por pequeños cristales de hielo que surgieron de esa agua "cósmica". Los cálculos demostraron que el agua que apareció así en la Tierra a lo largo de su historia sería suficiente para dar origen a todos los océanos de nuestro planeta. Entonces, ¿el agua llegó a la Tierra desde el espacio? Pero...

Los geoquímicos no consideran que el agua sea un huésped celestial. Están convencidos de que ella es de origen terrenal. Las rocas que forman el manto terrestre, que se encuentra entre el núcleo central de la Tierra y la corteza terrestre, se derritieron en algunos lugares bajo la influencia del calor acumulado de la desintegración radiactiva de los isótopos. De estos, se liberaron componentes volátiles: compuestos de nitrógeno, cloro, carbono y azufre, y sobre todo vapor de agua.

¿Cuánto podrían emitir todos los volcanes durante las erupciones durante toda la existencia de nuestro planeta?

Los científicos también lo han calculado. Resultó que esa agua “geológica” en erupción también sería suficiente para llenar todos los océanos.

En las partes centrales de nuestro planeta, que forman su núcleo, probablemente no haya agua. Es poco probable que exista allí. Algunos científicos creen que, además, incluso si el oxígeno y el hidrógeno están presentes allí, deben formar, junto con otros elementos, formas de compuestos metálicos nuevos y desconocidos para la ciencia, que tienen una alta densidad y son estables a enormes presiones y temperaturas. que reinan en el centro del globo.

Otros investigadores confían en que el núcleo del globo está compuesto de hierro. Lo que en realidad no está tan lejos de nosotros, bajo nuestros pies, a profundidades superiores a 3 mil kilómetros, nadie lo sabe todavía, pero probablemente no haya agua allí.

La mayor parte del agua en el interior de la Tierra se encuentra en su manto, capas ubicadas debajo de la corteza terrestre y que se extienden hasta una profundidad de aproximadamente 3 mil km. Los geólogos creen que en el manto se concentran al menos 13 mil millones de metros cúbicos. kilómetros de agua.

La capa superior de la capa terrestre, la corteza terrestre, contiene aproximadamente 1,5 mil millones de metros cúbicos. kilómetros de agua. Casi toda el agua de estas capas está ligada: forma parte de rocas y minerales, formando hidratos. No puedes bañarte en esta agua y no puedes beberla.

La hidrosfera, la capa de agua del globo, está formada por aproximadamente otros 1.500 millones de metros cúbicos. kilómetros de agua. Casi toda esta cantidad está contenida en el Océano Mundial. Ocupa aproximadamente el 70% de toda la superficie terrestre y su superficie supera los 360 millones de metros cuadrados. km. Desde el espacio, nuestro planeta no parece un globo terráqueo, sino más bien un globo de agua.

La profundidad media del océano es de unos 4 km. Si comparamos esta "profundidad sin fondo" con el tamaño del propio globo, cuyo diámetro promedio es igual a km, entonces, por el contrario, tendremos que admitir que vivimos en un planeta húmedo, solo está ligeramente humedecido. con agua, y aun así no en toda la superficie. El agua de los océanos y mares es salada y no se puede beber.

Hay muy poca agua en la tierra: sólo unos 90 millones de metros cúbicos. km. De ellos, más de 60 millones de metros cúbicos. km es subterráneo, casi todo es agua salada. Unos 25 millones de metros cúbicos. kilómetros de agua sólida se encuentran en regiones montañosas y glaciares, en el Ártico, Groenlandia y la Antártida. Estas reservas de agua en el mundo están protegidas.

Todos los lagos, pantanos, embalses artificiales y suelos contienen otros 500 mil metros cúbicos. kilómetros de agua.

El agua también está presente en la atmósfera. Siempre hay mucho vapor de agua en el aire, incluso en los desiertos más áridos, donde no hay una gota de agua y nunca llueve. Además, las nubes siempre flotan en el cielo, las nubes se acumulan, nieva, llueve y la niebla se extiende por el suelo. Todas estas reservas de agua en la atmósfera han sido calculadas con precisión: en conjunto suman sólo 14 mil metros cúbicos. km.

Y aquí podemos pasar a la segunda categoría. bajo la palabra "hielo" Estamos acostumbrados a comprender el estado de fase sólida del agua. Pero además de esto, otras sustancias también están sujetas a congelación. Así, el hielo se puede distinguir por la composición química de la sustancia original, por ejemplo, dióxido de carbono, amoníaco, hielo de metano y otros.

En tercer lugar, están las redes cristalinas (modificaciones) del hielo de agua, cuya formación está determinada por un factor termodinámico. De eso hablaremos un poco en este post.

En el artículo Hielo, analizamos cómo la estructura del agua se reestructura con un cambio en su estado de agregación y abordamos la estructura cristalina del hielo ordinario. Gracias a la estructura interna de la propia molécula de agua y a los enlaces de hidrógeno que conectan todas las moléculas en un sistema ordenado, se forma una red cristalina de hielo hexagonal (hexagonal). Las moléculas más cercanas entre sí (una central y cuatro esquinas) están dispuestas en forma de pirámide triédrica, o tetraedro, que subyace a la modificación cristalina hexagonal ( Figura 1).

Por cierto, la distancia entre las partículas más pequeñas de materia se mide en nanómetros (nm) o angstroms (llamado así en honor al físico sueco del siglo XIX Anders Jonas Ångström; denotado por el símbolo Å). 1 Å = 0,1 nm = 10−10 m.

Esta estructura hexagonal del hielo ordinario se extiende en todo su volumen. Esto se puede ver claramente a simple vista: durante las nevadas en invierno, agarre un copo de nieve en su manga o guante y observe más de cerca su forma: tiene seis rayos o es hexagonal. Esto es típico de todos los copos de nieve, pero ningún copo de nieve repite a otro (más sobre esto en nuestro artículo). E incluso los grandes cristales de hielo con su forma externa corresponden a la estructura molecular interna ( Figura 2).

Ya hemos dicho que la transición de una sustancia, en particular el agua, de un estado a otro se produce bajo determinadas condiciones. El hielo normal se forma a temperaturas de 0°C o menos y a una presión de 1 atmósfera (valor normal). En consecuencia, para la aparición de otras modificaciones del hielo se requiere un cambio en estos valores y, en la mayoría de los casos, la presencia de bajas temperaturas y alta presión, en las que cambia el ángulo de los enlaces de hidrógeno y se reconstruye toda la red cristalina.

Cada modificación del hielo pertenece a un sistema específico: un grupo de cristales en el que las celdas unitarias tienen la misma simetría y sistema de coordenadas (ejes XYZ). En total se distinguen siete singonías. Las características de cada uno de ellos se presentan en ilustraciones 3-4. Y justo debajo hay una imagen de las principales formas de cristales ( Fig.5)

Todas las modificaciones del hielo que difieren del hielo ordinario se obtuvieron en condiciones de laboratorio. Las primeras estructuras polimórficas del hielo se conocieron a principios del siglo XX gracias al esfuerzo de los científicos. Gustav Heinrich Tammann Y Percy Williams Bridgman. El diagrama de modificaciones de Bridgman se complementó periódicamente. Se identificaron nuevas modificaciones a partir de las obtenidas anteriormente. Los últimos cambios en el diagrama se realizaron en nuestro tiempo. Hasta el momento se han obtenido dieciséis tipos de hielo cristalino. Cada tipo tiene su propio nombre y se designa con un número romano.

No profundizaremos en las características físicas de cada tipo molecular de hielo de agua, para no aburrirlos, queridos lectores, con detalles científicos; solo anotaremos los parámetros principales.

El hielo común se llama hielo Ih (el prefijo “h” significa sistema hexagonal). En ilustraciones 7 Se presenta su estructura cristalina, que consta de enlaces hexagonales (hexámeros), que difieren en la forma, uno en la forma. tumbona(Inglés) forma de silla), otro en la forma torres (forma de barco). Estos hexámeros forman una sección tridimensional: dos "chaise lounges" están horizontales en la parte superior e inferior, y tres "barcos" ocupan una posición vertical.

El diagrama espacial muestra el orden en la disposición de los enlaces de hidrógeno del hielo. yo, pero en realidad las conexiones se construyen al azar. Sin embargo, los científicos no descartan que los enlaces de hidrógeno en la superficie del hielo hexagonal estén más ordenados que en el interior de la estructura.

La celda unitaria del hielo hexagonal (es decir, el volumen mínimo de un cristal, cuya reproducción repetida en tres dimensiones forma toda la red cristalina en su conjunto) incluye 4 moléculas de agua. Las dimensiones de la celda son 4,51 Å a ambos lados a, b Y 7,35 Å en el lado c (el lado c o eje en los diagramas tiene una dirección vertical). Los ángulos entre los lados, vistos desde ilustración 4: α=β = 90°, γ = 120°. La distancia entre moléculas vecinas es 2,76 Å.

Los cristales de hielo hexagonales forman placas y columnas hexagonales; las caras superior e inferior en ellos son los planos base, y las seis caras laterales idénticas se llaman prismáticas ( Fig.10).

El número mínimo de moléculas de agua necesarias para que comience su cristalización es de aproximadamente 275 (±25). En gran medida, la formación de hielo se produce en la superficie de la masa de agua, bordeando el aire, y no en su interior. Cristales de hielo gruesos yo se forman lentamente en la dirección del eje c, por ejemplo, en agua estancada crecen verticalmente hacia abajo desde las placas cristalinas, o en condiciones donde el crecimiento hacia los lados es difícil. El hielo de grano fino, que se forma en aguas turbulentas o cuando se congela rápidamente, tiene un crecimiento acelerado dirigido desde las caras prismáticas. La temperatura del agua circundante determina el grado de ramificación de la red cristalina de hielo.

Las partículas de sustancias disueltas en agua, con excepción de los átomos de helio e hidrógeno, cuyas dimensiones les permiten encajar en las cavidades de la estructura, quedan excluidas de la red cristalina a presión atmosférica normal, siendo expulsadas a la superficie del cristal o , como en el caso de la variedad amorfa (más sobre esto más adelante en el artículo) que forma capas entre microcristales. Se pueden utilizar ciclos consecutivos de congelación y descongelación del agua para purificarla de impurezas, por ejemplo, gases (desgasificación).

junto con el hielo yo también hay hielo ic (sistema cúbico), sin embargo, en la naturaleza, la formación de este tipo de hielo sólo es posible en ocasiones en las capas superiores de la atmósfera. Hielo artificial ic Se obtiene congelando instantáneamente agua, para lo cual el vapor se condensa en un recipiente enfriado. 80 a menos 110°C superficie metálica a presión atmosférica normal. Como resultado del experimento, caen a la superficie cristales de forma cúbica o en forma de octaedro. No será posible crear hielo cúbico de la primera modificación a partir de hielo hexagonal ordinario reduciendo su temperatura, pero la transición de cúbico a hexagonal es posible calentando el hielo. ic mayor menos 80°C.

En la estructura molecular del hielo. ic El ángulo del enlace de hidrógeno es el mismo que el del hielo ordinario. Ih – 109,5°. Y aquí hay un anillo hexagonal formado por moléculas en una red de hielo. ic presente sólo en forma de chaise lounge.

La densidad del hielo Ic es de 0,92 g/cm³ a ​​una presión de 1 atm. La celda unitaria en un cristal cúbico tiene 8 moléculas y dimensiones: a=b=c = 6,35 Å, y sus ángulos α=β=γ = 90°.

En una nota. Estimados lectores, en este artículo nos encontraremos repetidamente con indicadores de temperatura y presión para uno u otro tipo de hielo. Y si los valores de temperatura expresados ​​en grados Celsius son claros para todos, entonces la percepción de los valores de presión puede resultar difícil para algunos. En física se utilizan varias unidades para medirlo, pero en nuestro artículo lo denotaremos en atmósferas (atm), redondeando los valores. La presión atmosférica normal es 1 atm, lo que equivale a 760 mmHg, o poco más de 1 bar, o 0,1 MPa (megapascales).

Como comprenderás, en particular, por el ejemplo con hielo. ic, la existencia de modificaciones cristalinas del hielo es posible en condiciones de equilibrio termodinámico, es decir. cuando se altera el equilibrio de temperatura y presión que determina la presencia de cualquier tipo de hielo cristalino, este tipo desaparece transformándose en otra modificación. El rango de estos valores termodinámicos varía, es diferente para cada especie. Consideremos otros tipos de hielo, no estrictamente en el orden de nomenclatura, sino en relación con estas transiciones estructurales.

Hielo II pertenece al sistema trigonal. Puede formarse a partir del tipo hexagonal a una presión de aproximadamente 3000 atm y una temperatura de aproximadamente menos 75 ° C, o a partir de otra modificación ( hielo V), reduciendo bruscamente la presión a una temperatura de -35°C. Existencia II Este tipo de hielo es posible en condiciones de -170°C y presión de 1 a 50.000 atm (o 5 gigapascales (GPa)). Según los científicos, el hielo con esta modificación probablemente pueda formar parte de los satélites helados de planetas distantes del sistema solar. La presión atmosférica normal y las temperaturas superiores a -113°C crean las condiciones para que este tipo de hielo se transforme en hielo hexagonal ordinario.

En ilustraciones 13 Se muestra una red de cristal de hielo. II. Se ve un rasgo característico de la estructura: una especie de canales hexagonales huecos formados por enlaces moleculares. La celda unitaria (el área resaltada en la ilustración con un diamante) consta de dos ligamentos que están desplazados entre sí, por así decirlo, "en altura". Como resultado, se forma un sistema reticular romboédrico. Dimensiones de la celda a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Hay 12 moléculas en una célula. El ángulo de enlace entre moléculas (O – O – O) varía de 80 a 120 °.

Al calentar la modificación II, puedes obtener hielo. III, y viceversa, enfriamiento con hielo. III lo convierte en hielo II. tambien hielo III Se forma cuando la temperatura del agua desciende gradualmente a -23°C, aumentando la presión a 3.000 atm.
Como se puede observar en el diagrama de fases ( enfermo. 6), condiciones termodinámicas para un estado estable del hielo III, así como otra modificación: hielo. V, son pequeños.

Hielo III Y V tener cuatro puntos triples con modificaciones circundantes (valores termodinámicos en los que es posible la existencia de diferentes estados de la materia). Sin embargo, el hielo II, III Y V Pueden existir modificaciones en condiciones de presión atmosférica normal y temperatura de menos 170°C, y calentarlas a menos 150°C conduce a la formación de hielo. ic.

En comparación con otras modificaciones de alta presión actualmente conocidas, el hielo III tiene la densidad más baja: a una presión de 3500 atm. es igual a 1,16 g/cm³.
Hielo III es una variedad tetragonal de agua cristalizada, pero la propia estructura de red de hielo III tiene violaciones. Si cada molécula suele estar rodeada por 4 vecinas, entonces en este caso este indicador tendrá un valor de 3,2, y además puede haber 2 o 3 moléculas más cercanas que no tengan enlaces de hidrógeno.
En la disposición espacial, las moléculas forman hélices dextrógiras.
Dimensiones de una celda unitaria con 12 moléculas a menos 23°C y alrededor de 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. El ángulo del enlace de hidrógeno varía de 87 a 141°.

En ilustraciones 15 Se presenta convencionalmente un diagrama espacial de la estructura molecular del hielo. III. Las moléculas (puntos azules) situadas más cerca del espectador se muestran más grandes y los enlaces de hidrógeno (líneas rojas) son correspondientemente más gruesos.

Y ahora, como dicen, pisándonos los talones, "saltemos" inmediatamente a los que vienen detrás del hielo. III en orden de nomenclatura, modificaciones cristalinas, y digamos unas palabras sobre el hielo IX.
Este tipo de hielo es esencialmente hielo modificado. III, sometido a un enfriamiento rápido y profundo de -65 a -108 ° C para evitar transformarlo en hielo II. Hielo IX permanece estable a temperaturas inferiores a 133°C y presiones de 2.000 a 4.000 atm. Su densidad y estructura son idénticas. III mente, pero a diferencia del hielo III en la estructura del hielo IX hay orden en la disposición de los protones.
Calentar hielo IX no lo devuelve al original III modificaciones, pero se convierte en hielo II. Dimensiones de la celda: a=b = 6,69, c = 6,71 Å a una temperatura de menos 108°C y 2800 atm.

Por cierto, La novela Cat's Cradle del escritor de ciencia ficción Kurt Vonnegut de 1963 se centra en una sustancia llamada hielo nueve, que se describe como un material creado por el hombre que representa un gran peligro para la vida porque el agua cristaliza al contacto con él, convirtiéndose en hielo nueve. La entrada de incluso una pequeña cantidad de esta sustancia en las aguas naturales frente a los océanos del mundo amenaza con congelar toda el agua del planeta, lo que a su vez significa la muerte de todos los seres vivos. Al final, eso es lo que sucede.

Hielo IV es una formación trigonal metaestable (débilmente estable) de una red cristalina. Su existencia es posible en el espacio fase del hielo. III, V Y VI modificaciones. consigue un poco de hielo IV Se puede fabricar a partir de hielo amorfo de alta densidad calentándolo lentamente, a partir de -130°C a una presión constante de 8.000 atm.
El tamaño de la celda unitaria romboédrica es 7,60 Å, ángulos α=β=γ = 70,1°. La célula incluye 16 moléculas; Los enlaces de hidrógeno entre moléculas son asimétricos. A una presión de 1 atm y una temperatura de -163°C, la densidad del hielo IV es de 1,27 g/cm³. Ángulo de enlace O–O–O: 88–128°.

Asimismo IV el tipo de hielo que forma hielo XII– calentando una modificación amorfa de alta densidad (más sobre esto más adelante) de -196 a -90°C a la misma presión de 8.000 atm, pero a mayor velocidad.
Hielo XII también metaestable en la región de fase V Y VI tipos cristalinos. Es un tipo de sistema tetragonal.
La celda unitaria contiene 12 moléculas que, debido a los enlaces de hidrógeno con ángulos de 84 a 135°, se ubican en la red cristalina formando una doble hélice derecha. La celda tiene dimensiones: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; ángulos α=β=γ = 90º. La densidad del hielo XII es de 1,30 g/cm³ a ​​presión atmosférica normal y a una temperatura de -146°C. Ángulos de los enlaces de hidrógeno: 67–132°.

De las modificaciones del hielo de agua descubiertas actualmente, el hielo tiene la estructura cristalina más compleja. V. 28 moléculas forman su celda unitaria; Los enlaces de hidrógeno abarcan espacios en otros compuestos moleculares y algunas moléculas forman enlaces sólo con ciertos compuestos. El ángulo de los enlaces de hidrógeno entre moléculas vecinas varía mucho: de 86 a 132°, por lo tanto en la red cristalina del hielo. V Hay una fuerte tensión y un enorme suministro de energía.
Parámetros de la celda en condiciones de presión atmosférica normal y temperatura menos 175°C: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Hielo V es una variedad monoclínica formada enfriando agua a -20°C a una presión de aproximadamente 5.000 atm. La densidad de la red cristalina, teniendo en cuenta una presión de 3.500 atm, es de 1,24 g/cm³.
Diagrama espacial de la red cristalina de hielo. V tipo mostrado en ilustraciones 18. La región de la celda unitaria del cristal está resaltada con un contorno gris.

Disposición ordenada de protones en la estructura del hielo. V lo convierte en otra variedad llamada hielo XIII. Esta modificación monoclínica se puede obtener enfriando agua por debajo de -143°C con la adición de ácido clorhídrico (HCl) para facilitar la transición de fase, creando una presión de 5.000 atm. transición reversible de XIII tipo k V El tipo es posible en el rango de temperatura de -193°C a -153°C.
Dimensiones de la celda unitaria de hielo. XIII ligeramente diferente de V modificaciones: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (a 1 atm, menos 193°С). El número de moléculas en la celda es el mismo: 28. El ángulo de los enlaces de hidrógeno: 82-135°.

En la siguiente parte de nuestro artículo continuaremos nuestra revisión de las modificaciones del hielo de agua.

¡Nos vemos en las páginas de nuestro blog!

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