Jää kristallstruktuur. Vee omadused

Vedela vee kolmemõõtmelist olekut on raske uurida, kuid jääkristallide struktuuri analüüsides on palju teada saadud. Neli külgnevat vesiniksidemega hapnikuaatomit hõivavad tetraeedri tipud (tetra = neli, eeder = tasapind). Sellise jääs oleva sideme purustamiseks kuluv keskmine energia on hinnanguliselt 23 kJ/mol -1.

Veemolekulide võime moodustada etteantud arvu vesinikahelaid ja ka kindlaksmääratud tugevus loob ebatavaliselt kõrge sulamistemperatuuri. Kui see sulab, hoiab seda kinni vedel vesi, mille struktuur on ebakorrapärane. Enamik vesiniksidemeid on moonutatud. Jää vesiniksidemega kristallvõre hävitamiseks on vaja palju energiat soojuse kujul.

Jää välimuse omadused (Ih)

Paljud tavalised inimesed mõtlevad, milline kristallvõre jääl on. Tuleb märkida, et enamiku ainete tihedus suureneb külmumisel, kui molekulaarsed liikumised aeglustuvad ja tekivad tihedalt pakitud kristallid. Samuti suureneb vee tihedus, kui see jahtub maksimumini temperatuuril 4 °C (277 K). Seejärel, kui temperatuur langeb alla selle väärtuse, laieneb see.

See suurenemine on tingitud avatud vesiniksidemega jääkristalli moodustumisest selle võre ja väiksema tihedusega, milles iga veemolekul on tihedalt seotud ülaltoodud elemendi ja nelja muu väärtusega ning liigub siiski piisavalt kiiresti, et omada rohkem massi. Selle toimingu ajal vedelik külmub ülalt alla. Sellel on oluline bioloogiline mõju, mille tõttu tiigil olev jääkiht isoleerib elusolendeid äärmise külma eest. Lisaks on selle vesiniku omadustega seotud veel kaks vee omadust: erisoojusmaht ja aurustumine.

Konstruktsioonide üksikasjalik kirjeldus

Esimene kriteerium on kogus, mis on vajalik 1 grammi aine temperatuuri tõstmiseks 1 °C võrra. Veetaseme tõstmine nõuab suhteliselt suurt osa soojust, sest iga molekul on seotud arvukate vesiniksidemetega, mis tuleb kineetilise energia suurenemiseks katkestada. Muide, H 2 O rohkus kõigi suurte hulkraksete organismide rakkudes ja kudedes tähendab, et temperatuurikõikumised rakkude sees on viidud miinimumini. See omadus on kriitiline, kuna enamik biokeemilisi reaktsioone on kiirustundlikud.

Samuti oluliselt kõrgem kui paljudel teistel vedelikel. Selle tahke aine gaasiks muutmiseks on vaja palju soojust, kuna vesiniksidemed tuleb katkestada, et veemolekulid saaksid üksteisest eemalduda ja nimetatud faasi siseneda. Muutuvad kehad on püsivad dipoolid ja võivad suhelda teiste sarnaste ühenditega ning nendega, mis on ioniseeritud ja lahustunud.

Muud ülaltoodud ained võivad kokku puutuda ainult polaarsuse olemasolul. Just see ühend osaleb nende elementide struktuuris. Lisaks võib see joonduda nende elektrolüütidest moodustunud osakeste ümber, nii et veemolekulide negatiivsed hapnikuaatomid on orienteeritud katioonide poole ning positiivsed ioonid ja vesinikuaatomid anioonide poole.

Reeglina moodustuvad molekulaarsed kristallvõred ja aatomid. See tähendab, et kui jood on struktureeritud nii, et selles on I 2, siis tahkes süsinikdioksiidis, st kuivjääs, on kristallvõre sõlmedes CO 2 molekulid. Selliste ainetega suhtlemisel on jääl ioonne kristallvõre. Näiteks grafiit, millel on süsinikul põhinev aatomstruktuur, ei suuda seda muuta, nagu ka teemant.

Mis juhtub, kui lauasoola kristall lahustub vees: polaarsed molekulid tõmbavad kristallis olevate laetud elementide poole, mis viib selle pinnale sarnaste naatriumi- ja kloriidiosakeste moodustumiseni, mille tulemusena need kehad eralduvad üksteisest, ja see hakkab lahustuma. Sellest saame näha, et jääl on ioonse sidemega kristallvõre. Iga lahustunud Na+ tõmbab ligi mitme veemolekuli negatiivsed otsad, samas kui iga lahustunud Cl – tõmbab ligi positiivseid otsi. Iga iooni ümbritsevat kesta nimetatakse põgenemissfääriks ja see sisaldab tavaliselt mitut lahustiosakeste kihti.

Elementidega ümbritsetud muutujad või ioonid on väidetavalt sulfaaditud. Kui lahustiks on vesi, muutuvad sellised osakesed hüdraatunud. Seega kipub iga polaarne molekul olema vedela keha elementide solvatatsioon. Kuivas jääs moodustab kristallvõre tüüp agregeeritud olekus aatomsidemeid, mis on muutumatud. Kristalliline jää (külmunud vesi) on teine ​​asi. Ioonsed orgaanilised ühendid, nagu karboksülaasid ja protoneeritud amiinid, peavad olema lahustuvad hüdroksüül- ja karbonüülrühmades. Sellistes struktuurides sisalduvad osakesed liiguvad molekulide vahel ja nende polaarsed süsteemid moodustavad selle kehaga vesiniksidemeid.

Muidugi mõjutab viimaste rühmade arv molekulis selle lahustuvust, mis sõltub ka elemendi erinevate struktuuride reaktsioonist: näiteks ühe-, kahe- ja kolmesüsinikuga alkoholid segunevad veega, kuid üksikute hüdroksüülühenditega suuremad süsivesinikud on vedelikes palju vähem lahjendatud.

Kuusnurkne Ih on kujult sarnane aatomikristallvõrega. Jää ja kogu loodusliku lume puhul Maal näeb see välja täpselt selline. Sellest annab tunnistust veeaurust (st lumehelvestest) kasvanud jääkristallvõre sümmeetria. Asub ruumirühmas P 63/mm koos 194-ga; D 6h, Laue klass 6/mm; sarnane β-ga, millel on 6 spiraaltelje kordne (pöörlemine lisaks nihkele mööda seda). Sellel on üsna avatud struktuur ja madal tihedus, kus kasutegur on madal (~1/3) võrreldes lihtsate kuupkujuliste (~1/2) või näokesksete kuupstruktuuridega (~3/4).

Võrreldes tavalise jääga on kuivjää kristallvõre, mis on seotud CO 2 molekulidega, staatiline ja muutub ainult aatomite lagunemisel.

Võrede ja nende koostiselementide kirjeldus

Kristalle võib pidada kristalseteks mustriteks, mis koosnevad üksteise peale laotud lehtedest. Vesinikside on järjestatud, kui see on tegelikkuses juhuslik, kuna prootonid võivad liikuda vee (jää) molekulide vahel temperatuuril üle 5 K. Tõepoolest, on tõenäoline, et prootonid käituvad pidevas tunnelivoolus nagu kvantvedelik. Seda suurendab neutronite hajumine, mis näitab nende hajumise tihedust poolel teel hapnikuaatomite vahel, mis näitab lokaliseerimist ja koordineeritud liikumist. Siin täheldatakse jää sarnasust aatomi molekulaarse kristallvõrega.

Molekulidel on vesinikuahela astmeline paigutus nende kolme tasandi naabri suhtes. Neljandal elemendil on varjutatud vesiniksideme paigutus. Täiuslikust kuusnurksest sümmeetriast on väike kõrvalekalle, koguni 0,3% lühem selle ahela suunas. Kõik molekulid kogevad sama molekulaarset keskkonda. Igas "kastis" on piisavalt ruumi, et hoida interstitsiaalseid veeosakesi. Kuigi neid üldiselt ei peeta, on neid hiljuti tõhusalt tuvastatud pulbrilise jääkristallvõre neutronite difraktsiooni abil.

Ainete vahetus

Kuusnurksel kehal on kolmikpunktid vedela ja gaasilise veega 0,01 °C, 612 Pa, tahked elemendid kolm -21,985 °C, 209,9 MPa, üksteist ja kaks -199,8 °C, 70 MPa ja -34,7 °C, 212,9 MPa . Kuusnurkse jää dielektriline konstant on 97,5.

Selle elemendi sulamiskõver on antud MPa. Saadaval on olekuvõrrandid, lisaks neile mõned lihtsad võrratused, mis seovad füüsikaliste omaduste muutumist kuusnurkse jää ja selle vesisuspensioonide temperatuuriga. Kõvadus varieerub kraadide kaupa, tõustes umbes või alla kipsi (≤2) temperatuuril 0 °C kuni päevakivi tasemeni (6 temperatuuril -80 °C, ebaharilikult suur muutus absoluutses kõvaduses (>24 korda).

Jää kuusnurkne kristallvõre moodustab kuusnurkseid plaate ja sambaid, mille ülemine ja alumine tahk on põhitasapinnad (0 0 0 1) entalpiaga 5,57 μJ cm -2 ja teisi samaväärseid külgtasapindu nimetatakse prismaosadeks (1). 0-1 0) 5,94 uJ cm-2. Piki konstruktsioonide külgede poolt moodustatud tasapindu saab moodustada sekundaarseid pindu (1 1 -2 0) 6,90 μJ ˣ cm -2.

See struktuur näitab anomaalset soojusjuhtivuse vähenemist rõhu suurenemisega (nagu kuup- ja madala tihedusega amorfne jää), kuid erineb enamikust kristallidest. Selle põhjuseks on vesiniksideme muutumine, mis vähendab jää ja vee kristallvõres heli põiksuunalist kiirust.

On meetodeid, mis kirjeldavad, kuidas valmistada suuri kristalliproove ja mis tahes soovitud jääpinda. Eeldatakse, et uuritava kuusnurkse keha pinnal olev vesinikside on järjestatum kui puistesüsteemi sees. Faasivõre sagedusega võnkuv variatsioonispektroskoopia on näidanud, et kuusnurkse jää põhipinna maa-aluses H O ahelas on kahe ülemise kihi (L1 ja L2) vahel struktuurne asümmeetria. Kuusnurkade ülemistes kihtides (L1 O ··· HO L2) kasutatavad vesiniksidemed on tugevamad kui need, mis on võetud ülemise akumulatsiooni teise kihi (L1 OH ··· O L2). Saadaval on interaktiivsed kuusnurksed jäästruktuurid.

Arengu tunnused

Jäätuuma moodustamiseks vajalik minimaalne veemolekulide arv on ligikaudu 275 ± 25, mis on sama palju kui täieliku ikosaeedrilise klastri puhul, mille suurus on 280. Moodustumine toimub 10 10 korda pigem õhu-vee piirpinnal, mitte vees. Jääkristallide kasv sõltub erinevate energiate erinevast kasvukiirusest. Bioloogiliste proovide, toidu ja elundite külmsäilitamise ajal tuleb vett kaitsta külmumise eest.

Tavaliselt saavutatakse see kiire jahutuskiiruse, väikeste proovide ja krüokonservaatori kasutamisega ning suurendades survet jää tuuma moodustamiseks ja rakukahjustuste vältimiseks. Jää/vedeliku vaba energia tõuseb ~30 mJ/m2 atmosfäärirõhul 40 mJ/m2-ni 200 MPa juures, mis näitab põhjuse, miks see efekt tekib.

Teise võimalusena võivad nad kiiremini kasvada prismapindadelt (S2), kiirkülmunud või häiritud järvede juhuslikult häiritud pindadel. Kasv tahkudest (1 1 -2 0) on vähemalt sama, kuid muudab need prisma alusteks. Jääkristallide arendamise andmed on täielikult läbi uuritud. Erinevate nägude elementide suhtelised kasvukiirused sõltuvad võimest moodustada suuremat liigesehüdratsiooni. Ümbritseva vee (madal) temperatuur määrab jääkristalli hargnemisastme. Osakeste kasvu piirab difusioonikiirus madalal ülejahutusastmel, st.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Kuid seda piirab arengukineetika kõrgematel madalamatel kraadidel> 4 ° C, mis põhjustab nõelakujulist kasvu. See vorm sarnaneb kuiva jää struktuuriga (on kuusnurkse struktuuriga kristallvõre), pinna arengu erinevad omadused ja ümbritseva (ülejahutatud) vee temperatuur, mis asub lumehelveste lamedate vormide taga.

Jää tekkimine atmosfääris mõjutab põhjalikult pilvede teket ja omadusi. Päevakivid, mida leidub kõrbetolmust, mis satub atmosfääri miljoneid tonne aastas, on olulised moodustajad. Arvutisimulatsioonid on näidanud, et selle põhjuseks on prismaatiliste jääkristallide tasandite tuumastumine suure energiaga pinnatasanditel.

Mõned muud elemendid ja võred

Lahustuvad ained (v.a. väga väike kogus heeliumi ja vesinikku, mis võivad sattuda vahedesse) ei saa atmosfäärirõhul Ih struktuuri kaasata, vaid surutakse pinnale või amorfsesse kihti mikrokristalse keha osakeste vahele. Kuivjää kristallvõre kohtades on veel mõned elemendid: kaotroopsed ioonid, nagu NH 4 + ja Cl -, mis osalevad vedeliku külmumisel kergemini kui teised kosmotroopsed, nagu Na + ja SO. 4 2-, seega on nende eemaldamine võimatu, kuna need moodustavad ülejäänud vedelikust kristallide vahele õhukese kile. See võib viia pinna elektrilise laenguni pinnavee dissotsieerumise tõttu, mis tasakaalustab ülejäänud laenguid (mis võib põhjustada ka magnetkiirgust) ja jääkvedelike kilede pH muutumise, näiteks NH 4 2 SO 4 suurenemise. happeline ja NaCl muutub aluselisemaks.

Need on risti jääkristallvõre külgedega, näidates kinnitatud järgmist kihti (koos O-mustade aatomitega). Neid iseloomustab aeglaselt kasvav basaalpind (0 0 0 1), kus kinnituvad ainult isoleeritud veemolekulid. Kiiresti kasvav (1 0 -1 0) prisma pind, kus äsja kinnitunud osakeste paarid saavad omavahel vesinikuga sidet luua (üks side/kaks elemendi molekuli). Kõige kiiremini kasvav tahk on (1 1 -2 0) (sekundaarne prismaatiline), kus äsja kinnitunud osakeste ahelad saavad üksteisega suhelda vesiniksideme kaudu. Üks selle ahela/elemendi molekulidest on vorm, mis moodustab servi, mis jagavad ja soodustavad muundumist prisma kaheks küljeks.

Nullpunkti entroopia

k Bˣ Ln ( N

Teadlased ja nende tööd selles valdkonnas

Võib defineerida kui S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), kus k B on Boltzmanni konstant, N E on konfiguratsioonide arv energial E ja E0 on madalaim energia. See kuusnurkse jää entroopia väärtus nullkelvini juures ei riku termodünaamika kolmandat seadust "Ideaalse kristalli entroopia absoluutse nulli juures on täpselt null", kuna need elemendid ja osakesed ei ole ideaalsed ja neil on korrastamata vesinikside.

Selles kehas on vesiniksidemed juhuslikud ja muutuvad kiiresti. Need struktuurid ei ole energia poolest täpselt võrdsed, kuid ulatuvad väga paljudele energeetiliselt lähedastele olekutele ja järgivad "jääreegleid". Nullpunkti entroopia on häire, mis säiliks ka siis, kui materjali saaks jahutada absoluutse nullini (0 K = -273,15 °C). Põhjustab eksperimentaalset segadust kuusnurkse jää puhul 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoreetiliselt oleks võimalik teadaolevate jääkristallide nullentroopia arvutada palju suurema täpsusega (defektid ja energiataseme hajumine tähelepanuta jättes), kui seda eksperimentaalselt määrata.

Kuigi puistejää prootonite järjestus ei ole järjestatud, eelistab pind tõenäoliselt nimetatud osakeste järjekorda rippuvate H-aatomite ribade ja O üksikute paaride kujul (null-entroopia järjestatud vesiniksidemetega). Leiti nullpunkti ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 jt häire. Kõigest eelnevast on selge ja arusaadav, mis tüüpi kristallvõred on jääle iseloomulikud.

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

annotatsioon Jää tähtsust elu toetamisel meie planeedil ei saa alahinnata. Jääl on suur mõju taimede ja loomade elutingimustele ning inimese erinevatele majandustegevustele. Vee katmine, jää oma väikese tiheduse tõttu mängib looduses ujuva ekraani rolli, kaitstes jõgesid ja veehoidlaid edasise külmumise eest ning säilitades veealuste elanike elu. Jää kasutamine erinevatel eesmärkidel (lumepidamine, jääristmete ja isotermiliste ladude ehitamine, hoidlate ja kaevanduste jääga täitmine) on mitmete hüdrometeoroloogia- ja tehnikateaduste osade teemaks, nagu jäätehnika, lumetehnika, igikelts. inseneritöö, samuti jääluure eriteenistuse ning jäämurde transpordi- ja lumetõrjetehnika tegevus. Looduslikku jääd kasutatakse toidukaupade, bioloogiliste ja meditsiiniliste preparaatide säilitamiseks ja jahutamiseks, mille jaoks see on spetsiaalselt toodetud ja valmistatud, ning jää sulamisel valmistatud sulavett kasutatakse rahvameditsiinis ainevahetuse kiirendamiseks ja toksiinide eemaldamiseks organismist. Artikkel tutvustab lugejale jää uusi vähetuntud omadusi ja modifikatsioone.

Jää on vee kristalne vorm, millel on viimastel andmetel neliteist struktuurimuutust. Nende hulgas on kristallilisi (looduslik jää) ja amorfseid (kuubikujää) ja metastabiilseid modifikatsioone, mis erinevad üksteisest jää kristallvõre moodustavate vesiniksidemetega ühendatud veemolekulide omavahelise paigutuse ja füüsikaliste omaduste poolest. Kõik need, välja arvatud tuttav looduslik jää I h, mis kristalliseerub kuusnurkses võres, tekivad eksootilistes tingimustes - väga madalatel kuiva jää ja vedela lämmastiku temperatuuridel ning tuhandete atmosfääride kõrgel rõhul, kui vesiniksidemete nurgad vees molekul muutub ja tekivad kristalsed süsteemid, mis erinevad kuusnurksetest. Sellised tingimused sarnanevad kosmosetingimustega ja neid Maal ei esine.

Looduses on jää esindatud peamiselt ühe kristallilise variatsiooniga, mis kristalliseerub kuusnurkses võres, mis meenutab teemandi struktuuri, kus iga veemolekuli ümbritseb neli lähimat molekuli, mis asuvad sellest võrdsel kaugusel, võrdne 2,76 angströmiga ja asetatakse korrapärase tetraeedri tippudes. Madala koordinatsiooninumbri tõttu on jää struktuur retikulaarne, mis mõjutab selle madalat tihedust, mis ulatub 0,931 g/cm 3 .

Jää kõige ebatavalisem omadus on selle hämmastav väliste ilmingute mitmekesisus. Sama kristalse struktuuriga võib see välja näha täiesti erinev, võttes läbipaistvate rahekivide ja jääpurikate, koheva lumehelveste, tiheda läikiva jääkooriku või hiiglaslike liustikumasside kujul. Jää esineb looduses mandri-, ujuv- ja maa-aluse jää, aga ka lume ja härmatise kujul. See on laialt levinud kõigis inimasustuse piirkondades. Suures koguses kogumisel moodustavad lumi ja jää erilised struktuurid, mille omadused erinevad põhimõtteliselt üksikute kristallide või lumehelveste omadustest. Looduslik jää moodustub peamiselt sette-metamorfse päritoluga jääst, mis on tekkinud atmosfääri tahketest sademetest järgneva tihenemise ja ümberkristalliseerumise tulemusena. Loodusliku jää iseloomulik tunnus on teralisus ja ribalisus. Teralisus on tingitud ümberkristallimisprotsessidest; Iga liustikujää tera on ebakorrapärase kujuga kristall, mis külgneb tihedalt teiste jääsamba kristallidega nii, et ühe kristalli eendid sobivad tihedalt teise kristalli süvenditesse. Seda tüüpi jääd nimetatakse polükristalliliseks. Selles on iga jääkristall kiht kõige õhemaid lehti, mis kattuvad üksteisega põhitasandil risti kristalli optilise telje suunaga.

Kogu jäävaru Maal on hinnanguliselt umbes 30 miljonit. km 3(Tabel 1). Suurem osa jääst on koondunud Antarktikasse, kus selle kihi paksus ulatub 4-ni km. Samuti on tõendeid jää olemasolu kohta Päikesesüsteemi planeetidel ja komeetides. Jää on meie planeedi kliima ja sellel elavate olendite elupaiga jaoks nii oluline, et teadlased on määranud jää jaoks spetsiaalse keskkonna - krüosfääri, mille piirid ulatuvad kõrgele atmosfääri ja sügavale maapõue.

Tabel 1. Jää kogus, jaotus ja eluiga.

Jääkristallid on ainulaadsed oma kuju ja proportsioonide poolest. Iga kasvav looduslik kristall, sealhulgas jääkristall, püüab alati luua ideaalse korrapärase kristallvõre, kuna see on kasulik tema sisemise energia miinimumi seisukohalt. Teatavasti moonutavad igasugused lisandid kristalli kuju, seetõttu ehitatakse vee kristalliseerumisel kõigepealt võre sisse veemolekulid ning võõraatomid ja lisandimolekulid surutakse vedelikku välja. Ja alles siis, kui lisanditel pole kuhugi minna, hakkab jääkristall neid oma struktuuri integreerima või jätab need õõnsate kapslite kujul koos kontsentreeritud mittekülmuva vedeliku - soolveega. Seetõttu on merejää värske ja ka kõige mustemad veekogud on kaetud läbipaistva ja puhta jääga. Kui jää sulab, tõrjub see lisandid soolveesse. Planeedi mastaabis mängib vee külmumise ja sulamise nähtus koos vee aurustumise ja kondenseerumisega hiiglasliku puhastusprotsessi rolli, mille käigus vesi Maal end pidevalt puhastab.

Tabel 2. Mõned jää füüsikalised omadused I.

Kinnisvara	Tähendus	Märge
Soojusmaht, cal/(g °C) Sulamissoojus, cal/g Aurustumissoojus, cal/g		Temperatuuri langedes väheneb oluliselt
Soojuspaisumistegur, 1/°C	9,1 10 -5 (0 °C)	Polükristalliline jää
Soojusjuhtivus, cal/(cm sek °C)		Polükristalliline jää
Murdumisnäitaja:		Polükristalliline jää
Elektrierijuhtivus, oomi -1 cm -1		Näiv aktiveerimisenergia 11 kcal/mol
Pinnapealne elektrijuhtivus, oomi -1		Näiv aktiveerimisenergia 32 kcal/mol
Youngi elastsusmoodul, dyn/cm2	9 10 10 (-5 °C)	Polükristalliline jää
Vastupidavus, MN/m 2: purustamine		Polükristalliline jää Polükristalliline jää Polükristalliline jää
Dünaamiline viskoossus, tasakaalukus		Polükristalliline jää
Aktiveerimisenergia deformatsiooni ja mehaanilise lõdvestuse ajal, kcal/mol		Suureneb lineaarselt 0,0361 kcal/(mol °C) 0 kuni 273,16 K

1 cal/(g °C)=4,186 kJ/(kg K); 1 ohm -1 cm -1 =100 sim/m; 1 düün = 10–5 N ; 1 N = 1 kg m/s²; 1 dyne/cm = 10-7 N/m; 1 cal/(cm·s°C)=418,68 W/(m·K); 1 puis = g/cm s = 10 -1 N sek/m 2 .

Jää laialdase leviku tõttu Maal mängib paljudes looduslikes protsessides olulist rolli jää füüsikaliste omaduste erinevus (tabel 2) teiste ainete omadustest. Jääl on palju muid eluks vajalikke omadusi ja kõrvalekaldeid – anomaaliaid tiheduses, rõhus, mahus, soojusjuhtivuses. Kui veemolekule kristalliks koos hoidvaid vesiniksidemeid poleks, sulaks jää –90 °C juures. Kuid seda ei juhtu veemolekulide vaheliste vesiniksidemete olemasolu tõttu. Veest väiksema tiheduse tõttu moodustab jää veepinnal ujuva katte, mis kaitseb jõgesid ja veehoidlaid põhja külmumise eest, kuna selle soojusjuhtivus on palju madalam kui vee oma. Sel juhul täheldatakse madalaimat tihedust ja mahtu +3,98 °C juures (joonis 1). Vee edasine jahutamine 0 0 C-ni viib järk-järgult mitte selle mahu vähenemiseni, vaid suurenemiseni peaaegu 10%, kui vesi muutub jääks. Selline vee käitumine viitab kahe tasakaalufaasi - vedela ja kvaasikristallilise - samaaegsele olemasolule vees, analoogselt kvaasikristallidega, mille kristallvõre ei ole mitte ainult perioodilise struktuuriga, vaid sellel on ka erinevat järku sümmeetriateljed, mille olemasolu varem vastuolus kristallograafide ideedega. See teooria, mille esitas esmakordselt kuulus vene teoreetiline füüsik Ya. I. Frenkel, põhineb eeldusel, et osa vedelatest molekulidest moodustavad kvaasikristallilise struktuuri, ülejäänud molekulid aga on gaasitaolised, liikudes kogu ruumala ulatuses vabalt. Molekulide jaotus mis tahes fikseeritud veemolekuli väikeses läheduses on teatud järjestusega, mis meenutab mõnevõrra kristalset, kuigi lõdvam. Sel põhjusel nimetatakse vee struktuuri mõnikord kvaasikristalliliseks või kristallilaadseks, st sellel on aatomite või molekulide suhtelises paigutuses sümmeetria ja järjekord.

Riis. 1. Jää ja vee erimahu sõltuvus temperatuurist

Teine omadus on see, et jää voolu kiirus on otseselt võrdeline aktivatsioonienergiaga ja pöördvõrdeline absoluutse temperatuuriga, nii et temperatuuri langedes läheneb jää oma omadustelt absoluutselt tahkele kehale. Keskmiselt on jää voolavus sulamislähedasel temperatuuril 10 6 korda suurem kui kivimitel. Oma voolavuse tõttu ei kogune jää ühte kohta, vaid liigub pidevalt liustike kujul. Voolukiiruse ja pinge vaheline seos polükristallilise jää puhul on hüperboolne; kui seda ligikaudu kirjeldatakse võimsusvõrrandiga, suureneb eksponent pinge kasvades.

Nähtavat valgust jää praktiliselt ei neela, kuna valguskiired läbivad jääkristalli, kuid see blokeerib ultraviolettkiirguse ja suurema osa Päikeselt tulevast infrapunakiirgusest. Nendes spektripiirkondades näib jää täiesti must, kuna valguse neeldumistegur nendes spektripiirkondades on väga kõrge. Erinevalt jääkristallidest ei neeldu lumele langev valge valgus, vaid murdub jääkristallides mitu korda ja peegeldub nende nägudelt. Seetõttu paistab lumi valge.

Jää (0,45) ja lume (kuni 0,95) väga suure peegelduvuse tõttu on nendega kaetud pindala keskmiselt umbes 72 miljonit km aastas. km 2 mõlema poolkera kõrgel ja keskmisel laiuskraadil - saab päikesesoojust 65% vähem kui tavaliselt ja on võimas maapinna jahutamise allikas, mis määrab suuresti tänapäevase laiuskraadilise kliimavööndi. Suvel on polaaraladel päikesekiirgus suurem kui ekvatoriaalvööndis, kuid temperatuur jääb siiski madalaks, kuna märkimisväärne osa neeldunud soojusest kulub jää sulamisele, millel on väga kõrge sulamissoojus.

Jää muud ebatavalised omadused hõlmavad elektromagnetilise kiirguse tekitamist selle kasvavate kristallide poolt. On teada, et enamik vees lahustunud lisandeid ei kandu jääle, kui see hakkab kasvama; need on välja külmunud. Seetõttu on jääkile ka kõige määrdunud lompil puhas ja läbipaistev. Sel juhul kogunevad lisandid tahke ja vedela keskkonna piirile kahe erineva märgiga elektrilaengute kihina, mis põhjustavad märkimisväärse potentsiaalide erinevuse. Laetud lisandite kiht liigub koos noore jää alumise piiriga ja kiirgab elektromagnetlaineid. Tänu sellele saab kristalliseerumisprotsessi üksikasjalikult jälgida. Seega kiirgab nõela kujul pikkuseks kasvav kristall teistmoodi kui külgprotsessidega kaetud kristall ning kasvavate terade kiirgus erineb kristallide pragunemisel tekkivast. Kiirgusimpulsside kuju, järjestuse, sageduse ja amplituudi järgi saab määrata, millise kiirusega jää külmub ja milline jäästruktuur tekib.

Jää struktuuri juures on aga kõige hämmastavam see, et süsiniknanotorudes võivad madalal temperatuuril ja kõrgel rõhul olevad veemolekulid kristalliseeruda kaksikheeliksi kujuliseks, mis meenutab DNA molekule. Seda tõestasid hiljutised arvutikatsed Ameerika teadlaste poolt eesotsas Xiao Cheng Zengiga Nebraska ülikoolist (USA). Selleks, et vesi moodustaks simuleeritud katses spiraali, asetati see nanotorudesse läbimõõduga 1,35–1,90 nm kõrge rõhu all, mis varieerus 10–40 000 atmosfääri ja temperatuuriga –23 °C. Loodeti näha, et vesi moodustab igal juhul õhukese torukujulise struktuuri. Mudel näitas aga, et nanotoru läbimõõduga 1,35 nm ja välisrõhul 40 000 atmosfääri olid jäästruktuuris olevad vesiniksidemed painutatud, mis viis kahekordse – sise- ja välisseinaga – spiraali tekkeni. Nendes tingimustes osutus sisesein keerdunud neljakordseks spiraaliks ja välissein koosnes neljast kaksikheeliksist, mis sarnanes DNA molekuliga (joonis 2). See asjaolu võib kinnitada seost olulise DNA molekuli struktuuri ja vee enda struktuuri vahel ning et vesi toimis DNA molekulide sünteesi maatriksina.

Riis. 2. Arvutimudel külmunud vee struktuurist nanotorudes, mis meenutab DNA molekuli (foto ajakirjast New Scientist, 2006)

Veel üks olulisemaid hiljuti avastatud vee omadusi on see, et veel on võime meeles pidada teavet mineviku mõjude kohta. Seda tõestasid esmakordselt Jaapani teadlane Masaru Emoto ja meie kaasmaalane Stanislav Zenin, kes oli üks esimesi, kes pakkus välja vee struktuuri klastriteooria, mis koosneb mahulise hulktahulise struktuuri tsüklilistest assotsiatsioonidest - üldvalemi (H) klastritest. 2 O) n, kus n võib viimastel andmetel ulatuda sadade ja isegi tuhandete ühikuteni. Tänu klastrite olemasolule vees on veel infoomadused. Teadlased pildistasid vee jäämikrokristallideks külmumise protsesse, mõjutades seda erinevate elektromagnetiliste ja akustiliste väljade, meloodiate, palve, sõnade või mõtetega. Selgus, et kaunite meloodiate ja sõnade näol positiivse info mõjul jää jäätus sümmeetrilisteks kuusnurkseteks kristallideks. Seal, kus kõlas ebaregulaarne muusika ning vihased ja solvavad sõnad, külmus vesi, vastupidi, kaootilisteks ja vormituteks kristallideks. See on tõestus, et veel on eriline struktuur, mis on tundlik väliste infomõjude suhtes. Arvatavasti on inimese ajul, mis koosneb 85-90% veest, tugev vett struktureeriv toime.

Emoto kristallid äratavad nii huvi kui ka ebapiisavalt põhjendatud kriitikat. Kui neid hoolikalt vaadata, on näha, et nende struktuur koosneb kuuest tipust. Kuid veelgi hoolikam analüüs näitab, et talvel on lumehelbed ühesuguse struktuuriga, alati sümmeetrilised ja kuue tipuga. Mil määral sisaldavad kristalliseerunud struktuurid teavet keskkonna kohta, milles need loodi? Lumehelveste struktuur võib olla ilus või vormitu. See näitab, et kontrollproovil (atmosfääri pilv), kust need pärinevad, on neile sama mõju kui esialgsetel tingimustel. Algtingimusteks on päikese aktiivsus, temperatuur, geofüüsikalised väljad, niiskus jne Kõik see tähendab, et alates nn. keskmine ansambel, võime järeldada, et veepiiskade ja seejärel lumehelveste struktuur on ligikaudu sama. Nende mass on peaaegu sama ja nad liiguvad atmosfääris sarnase kiirusega. Atmosfääris jätkavad nad oma struktuuride moodustamist ja mahu suurenemist. Isegi kui need tekkisid pilve erinevates osades, on ühes rühmas alati teatud arv lumehelbeid, mis tekkisid peaaegu samadel tingimustel. Ja vastuse küsimusele, mis on positiivne ja negatiivne teave lumehelveste kohta, leiate Emotost. Laboritingimustes ei moodusta negatiivne informatsioon (maavärin, inimesele ebasoodsad helivibratsioonid jne) kristalle, vaid positiivset infot, just vastupidi. On väga huvitav, kuivõrd võib üks tegur kujundada lumehelveste samu või sarnaseid struktuure. Suurimat vee tihedust täheldatakse temperatuuril 4 °C. Teaduslikult on tõestatud, et vee tihedus väheneb, kui temperatuuri langedes alla nulli hakkavad moodustuma kuusnurksed jääkristallid. See on veemolekulide vaheliste vesiniksidemete tulemus.

Mis on selle struktureerimise põhjus? Kristallid on tahked ained ja nende koostises olevad aatomid, molekulid või ioonid on paigutatud korrapärase korduva mustriga kolmes ruumimõõtmes. Veekristallide struktuur on veidi erinev. Isaaci järgi on vaid 10% jääs leiduvatest vesiniksidemetest kovalentsed, s.t. üsna stabiilse teabega. Ühe veemolekuli hapniku ja teise vesiniku vahelised vesiniksidemed on välismõjude suhtes kõige tundlikumad. Vee spekter kristallide ehitamisel on aja jooksul suhteliselt erinev. Antonovi ja Juskeselievi tõestatud veepiisa diskreetse aurustumise mõju ja selle sõltuvuse järgi vesiniksidemete energiaolekutest saame otsida vastust kristallide struktureerimise kohta. Iga spektri osa sõltub veepiiskade pindpinevusest. Spektris on kuus tippu, mis näitavad lumehelbe oksi.

On selge, et Emoto katsetes mõjutab esialgne "kontroll" proov kristallide välimust. See tähendab, et pärast kokkupuudet teatud teguriga võib eeldada sarnaste kristallide teket. Ühesuguseid kristalle on peaaegu võimatu saada. Testides sõna "armastus" mõju veele, ei näita Emoto selgelt, kas katse viidi läbi erinevate proovidega.

Selleks, et kontrollida, kas Emoto tehnika on piisavalt diferentseeritud, on vaja topeltpimedaid katseid. Isaaci tõestus, et 10% veemolekulidest moodustavad pärast külmumist kovalentseid sidemeid, näitab meile, et vesi kasutab seda teavet külmumisel. Emoto saavutus, isegi ilma topeltpimedate katseteta, jääb vee infoomaduste osas üsna oluliseks.

Looduslik lumehelves, Wilson Bentley, 1925

Looduslikust veest saadud Emoto lumehelves

Üks lumehelves on looduslik ja teine ​​on Emoto loodud, mis näitab, et vee spektri mitmekesisus pole piiramatu.

Maavärin, Sofia, 4,0 Richteri skaala, 15. november 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. Antonovi seade©

See arv näitab erinevust kontrollproovi ja teistel päevadel võetud proovide vahel. Veemolekulid lõhuvad vees kõige energilisemad vesiniksidemed ning loodusnähtuse käigus ka kaks spektri tippu. Uuring viidi läbi Antonovi seadme abil. Biofüüsikaline tulemus näitab keha elutähtsa toonuse langust maavärina ajal. Maavärina ajal ei saa vesi Emoto laboris lumehelvestes oma struktuuri muuta. On tõendeid vee elektrijuhtivuse muutumisest maavärina ajal.

1963. aastal märkas Tansaania koolipoiss Erasto Mpemba, et kuum vesi külmub kiiremini kui külm vesi. Seda nähtust nimetatakse Mpemba efektiks. Kuigi vee ainulaadset omadust märkasid palju varem Aristoteles, Francis Bacon ja Rene Descartes. Nähtust on korduvalt tõestatud mitmete sõltumatute katsetega. Veel on veel üks kummaline omadus. Minu arvates on selle seletus järgmine: keedetud vee diferentsiaalses mittetasakaaluenergia spektris (DNES) on veemolekulide vaheliste vesiniksidemete keskmine energia väiksem kui toatemperatuuril võetud proovil.See tähendab, et keedetud vett vajab vähem energiat, et hakata kristalle struktureerima ja külmuma.

Jää struktuuri ja selle omaduste võti peitub selle kristalli struktuuris. Kõikide jää modifikatsioonide kristallid on ehitatud H 2 O vee molekulidest, mis on ühendatud vesiniksidemetega kolmemõõtmelisteks võrgusilmadeks, millel on spetsiifiline vesiniksidemete paigutus. Veemolekuli võib lihtsalt ette kujutada tetraeedrina (kolmnurkse alusega püramiidina). Selle keskel on hapnikuaatom, mis on sp 3 hübridisatsiooni olekus, ja kahes tipus vesinikuaatom, mille üks 1s elektronidest osaleb kovalentse H-O sideme moodustamises hapnikuga. Ülejäänud kaks tippu on hõivatud paaritute hapnikuelektronide paaridega, mis ei osale molekulisiseste sidemete moodustamises, mistõttu neid nimetatakse üksikuteks. H 2 O molekuli ruumiline kuju on seletatav vesinikuaatomite ja tsentraalse hapnikuaatomi üksikute elektronpaaride vastastikuse tõrjumisega.

Vesinikside on oluline molekulidevaheliste interaktsioonide keemias ja seda põhjustavad nõrgad elektrostaatilised jõud ja doonori-aktseptori interaktsioonid. See tekib siis, kui ühe veemolekuli elektronidefitsiitne vesinikuaatom interakteerub naaberveemolekuli hapnikuaatomi üksiku elektronpaariga (O-H...O). Vesiniksideme eripäraks on selle suhteliselt madal tugevus; see on 5-10 korda nõrgem kui keemiline kovalentne side. Energia osas on vesinikside vahepealsel positsioonil keemilise sideme ja van der Waalsi interaktsioonide vahel, mis hoiavad molekule tahkes või vedelas faasis. Iga jääkristalli veemolekul võib samaaegselt moodustada neli vesiniksidet teiste naabermolekulidega rangelt määratletud nurkade all 109°47", mis on suunatud tetraeedri tippude poole, mis ei võimalda vee külmumisel luua tihedat struktuuri ( Joonis 3). Jäästruktuurides I, Ic, VII ja VIII on see tetraeeder korrapärane. Jäästruktuurides II, III, V ja VI on tetraeedrid märgatavalt moonutatud. Jäästruktuurides VI, VII ja VIII on kaks teineteisega lõikuvat eristada saab vesiniksidemete süsteeme.See nähtamatu vesiniksidemete raamistik korraldab veemolekulid võrkvõrgu kujul, mille struktuur meenutab õõnsate sisekanalitega kuusnurkset kärje.Jää kuumutamisel hävib võrgustruktuur: vesi molekulid hakkavad langema võrgusilma tühimikesse, mille tulemuseks on tihedam vedel struktuur – see seletab, miks vesi on jääst raskem.

Riis. 3. Vesiniksideme moodustumine nelja H2O molekuli vahel (punased pallid tähistavad tsentraalseid hapnikuaatomeid, valged vesinikuaatomeid)

Sulavees säilib jää struktuurile omane vesiniksidemete ja molekulidevaheliste interaktsioonide spetsiifilisus, kuna jääkristalli sulamisel hävib vaid 15% kõigist vesiniksidemetest. Seetõttu ei rikuta seost iga veemolekuli ja nelja jääle omase naabermolekuli vahel ("lühiajaline järjestus"), kuigi täheldatakse hapniku raamistiku võre suuremat hägustumist. Vesiniksidemed võivad säilida ka siis, kui vesi keeb. Ainult veeaurus pole vesiniksidemeid.

Jää, mis tekib atmosfäärirõhul ja sulab temperatuuril 0 °C, on kõige levinum, kuid siiski mitte täielikult mõistetav aine. Suur osa selle struktuurist ja omadustest näeb välja ebatavaline. Jää kristallvõre kohtades paiknevad veemolekulide tetraeedrite hapnikuaatomid korrapäraselt, moodustades korrapäraseid kuusnurki, nagu kuusnurkne kärgstruktuuri, ja vesinikuaatomid hõivavad vesiniksidemetel, mis ühendavad molekule, erinevaid positsioone. hapnikuaatomid (joon. 4). Seetõttu on võimalik kuus samaväärset veemolekulide orientatsiooni nende naabrite suhtes. Mõned neist on välistatud, kuna kahe prootoni samaaegne esinemine samal vesiniksidemel on ebatõenäoline, kuid veemolekulide orientatsiooni osas on endiselt piisavalt ebakindlust. Selline aatomite käitumine on ebatüüpiline, kuna tahkes aines järgivad kõik aatomid sama seadust: kas aatomid on paigutatud korrapäraselt ja siis on see kristall või juhuslikult ja siis on see amorfne aine. Sellist ebatavalist struktuuri saab realiseerida enamikes jää modifikatsioonides - Ih, III, V, VI ja VII (ja ilmselt ka Ic) (tabel 3) ning jää II, VIII ja IX struktuuris on veemolekulid orientatsiooniliselt järjestatud. . J. Bernali järgi on jää hapnikuaatomite suhtes kristalne ja vesinikuaatomite suhtes klaasjas.

Riis. 4. Loodusliku kuusnurkse konfiguratsiooniga jäästruktuur I h

Teistes tingimustes, näiteks Kosmoses kõrgel rõhul ja madalal temperatuuril, kristalliseerub jää erinevalt, moodustades muid kristallvõresid ja modifikatsioone (kubikujulised, trigonaalsed, tetragonaalsed, monokliinsed jne), millest igaühel on oma struktuur ja kristallvõre (tabel). 3). Erinevate modifikatsioonidega jää struktuurid arvutasid välja Venemaa teadlased Dr. G.G. Malenkov ja Ph.D füüsikas ja matemaatikas. E.A. Želigovskaja Füüsikalise Keemia ja Elektrokeemia Instituudist. A.N. Frumkin Venemaa Teaduste Akadeemiast. II, III ja V modifikatsiooni jääd säilivad pikka aega atmosfäärirõhul, kui temperatuur ei ületa -170 °C (joonis 5). Jahutatuna umbes -150 °C-ni muutub looduslik jää kuupjääks Ic, mis koosneb kuubikutest ja mitme nanomeetri suurustest oktaeedritest. Jää I c tekib mõnikord vee kapillaarides külmumisel, mida ilmselt soodustab vee koostoime seinamaterjaliga ja selle struktuuri kordumine. Kui temperatuur on veidi kõrgem kui -110 0 C, tekivad metallsubstraadile tihedama ja raskema klaasja amorfse jää kristallid tihedusega 0,93 g/cm 3. Mõlemad jäävormid võivad spontaanselt muutuda kuusnurkseks jääks ja mida kiiremini, seda kõrgem on temperatuur.

Tabel 3. Mõned jää modifikatsioonid ja nende füüsikalised parameetrid.

Märge. 1 Å = 10 -10 m

Riis. 5. Erinevate modifikatsioonidega kristalse jää oleku skeem.

Esineb ka kõrgsurvejääd - II ja III trigonaal- ja tetragonaalseid modifikatsioone, mis on moodustatud kuusnurksetest gofreeritud elementidest moodustatud õõnsatest kärgedest, mis on üksteise suhtes kolmandiku võrra nihkunud (joon. 6 ja joon. 7). Need jääd stabiliseeritakse väärisgaaside heeliumi ja argooni juuresolekul. Jää V monokliinse modifikatsiooni struktuuris on naaberhapniku aatomite vahelised nurgad vahemikus 86 0 kuni 132 °, mis erineb väga veemolekuli sideme nurgast, mis on 105 ° 47 '. Tetragonaalse modifikatsiooni jää VI koosneb kahest üksteisesse sisestatud raamist, mille vahel puuduvad vesiniksidemed, mille tulemusena moodustub kehakeskne kristallvõre (joonis 8). Jää VI struktuur põhineb heksameeridel – kuuest veemolekulist koosnevatel plokkidel. Nende konfiguratsioon kordab täpselt stabiilse veekogumi struktuuri, mis on antud arvutustega. Kuubikujulise modifikatsiooni jää VII ja VIII, mis on jää VII madala temperatuuriga järjestatud vormid, on sarnase struktuuriga, kusjuures jää I raamid on üksteisesse sisestatud. Järgneva rõhu tõusuga väheneb jää VII ja VIII kristallvõres hapnikuaatomite vaheline kaugus, mille tulemusena moodustub jää X struktuur, milles hapnikuaatomid paiknevad korrapärases võres ja prootonid on tellitud.

Riis. 7. Ice III konfiguratsioon.

Jää XI moodustub jää sügaval jahutamisel I h leelise lisamisega alla 72 K normaalrõhul. Nendes tingimustes tekivad hüdroksüülkristallide defektid, mis võimaldavad kasvaval jääkristallil oma struktuuri muuta. Jääl XI on ortorombiline kristallvõre koos prootonite järjestatud paigutusega ja see moodustub samaaegselt paljudes kristallisatsioonikeskustes kristalli hüdroksüüldefektide läheduses.

Riis. 8. Ice VI konfiguratsioon.

Jääde hulgas on ka metastabiilseid vorme IV ja XII, mille eluiga on sekundeid ja millel on kõige ilusam struktuur (joon. 9 ja joon. 10). Metastabiilse jää saamiseks on vaja vedela lämmastiku temperatuuril suruda jääd I h rõhuni 1,8 GPa. Need jääd tekivad palju kergemini ja on eriti stabiilsed, kui ülejahutatud raske vesi on surve all. Teine metastabiilne modifikatsioon, jää IX, moodustub jää III ülejahutamisel ja esindab sisuliselt selle madala temperatuuriga vormi.

Riis. 9. Ice IV konfiguratsioon.

Riis. 10. Ice XII konfiguratsioon.

Kaks viimast jää modifikatsiooni - monokliinilise XIII ja ortorombilise konfiguratsiooniga XIV - avastasid Oxfordi (Ühendkuningriik) teadlased üsna hiljuti - 2006. aastal. Eeldust, et seal peaksid olema monokliiniliste ja rombiliste võretega jääkristallid, oli raske kinnitada: vee viskoossus temperatuuril -160 ° C on väga kõrge ja puhta ülejahutatud vee molekulidel on raske sellistes kogustes kokku tulla. kristallituuma moodustamiseks. See saavutati katalüsaatori - vesinikkloriidhappe abil, mis suurendas veemolekulide liikuvust madalatel temperatuuridel. Sellised jää modifikatsioonid ei saa tekkida Maal, kuid need võivad eksisteerida kosmoses jahtunud planeetidel ning külmunud satelliitidel ja komeetidel. Seega võimaldavad Jupiteri ja Saturni satelliitide pinnalt tuleva tiheduse ja soojusvoogude arvutused väita, et Ganymedesel ja Callistol peab olema jäine kest, milles vahelduvad jääd I, III, V ja VI. Titaanil moodustavad jääd mitte kooriku, vaid vahevöö, mille sisemine kiht koosneb jääst VI, teistest kõrgsurvejäädest ja klatraathüdraatidest ning peal asub jää I h.

Riis. üksteist. Lumehelveste mitmekesisus ja kuju looduses

Kõrgel Maa atmosfääris madalatel temperatuuridel kristalliseerub vesi tetraeedritest, moodustades kuusnurkse jää Ih. Jääkristallide moodustumise keskmeks on tahked tolmuosakesed, mille tuul tõstab atmosfääri ülemistesse kihtidesse. Selle embrüonaalse jää mikrokristalli ümber kasvavad kuues sümmeetrilises suunas üksikutest veemolekulidest moodustunud nõelad, millel kasvavad külgmised protsessid – dendriidid. Lumehelbe ümber oleva õhu temperatuur ja niiskus on samad, seega on see esialgu sümmeetrilise kujuga. Lumehelveste moodustumisel langevad need järk-järgult atmosfääri madalamatesse kihtidesse, kus temperatuur on kõrgem. Siin toimub sulamine ja nende ideaalne geomeetriline kuju moondub, moodustades mitmesuguseid lumehelbeid (joonis 11).

Edasisel sulamisel hävib jää kuusnurkne struktuur ja moodustub klastrite tsükliliste assotsiatsioonide, samuti vee tri-, tetra-, penta-, heksameeride (joon. 12) ja vabade veemolekulide segu. Saadud klastrite struktuuri uurimine on sageli märkimisväärselt keeruline, kuna vesi on tänapäevaste andmete kohaselt segu erinevatest neutraalsetest klastrite (H 2 O) n ja nende laetud klastrite ioonidest [H 2 O] + n ja [H 2 O ] - n, mis on omavahel dünaamilises tasakaalus elueaga 10 -11 -10 -12 sekundit.

Riis. 12. Võimalikud veekogumid (a-h) koostisega (H 2 O) n, kus n = 5-20.

Klastrid suudavad üksteisega suhelda väljapoole väljaulatuvate vesiniksideme pindade kaudu, moodustades keerukamaid hulktahulisi struktuure, nagu heksaeedr, oktaeedr, ikosaeedr ja dodekaeedr. Seega seostatakse vee ehitust nn platooniliste tahkete ainetega (tetraeedr, heksaeedr, oktaeedr, ikosaeedr ja dodekaeedr), mis on saanud nime need avastanud Vana-Kreeka filosoofi ja geomeetria Platoni järgi, mille kuju määrab kuldlõike. (joonis 13).

Riis. 13. Platoonilised tahked ained, mille geomeetrilise kuju määrab kuldne suhe.

Mis tahes ruumilise hulktahuka tippude (B), tahkude (G) ja servade (P) arvu kirjeldab seos:

B + G = P + 2

Korrapärase hulktahuka tippude arvu (B) suhe selle ühe tahu servade arvu (P) on võrdne sama hulktahuka tahkude arvu (G) ja servade arvu suhtega ( P), mis väljub ühest selle tipust. Tetraeedri puhul on see suhe 4:3, heksaeedri (6 tahku) ja oktaeedri (8 tahku) puhul on see 2:1 ning dodekaeedri (12 tahku) ja ikosaeedri (20 tahku) puhul 4:1.

Vene teadlaste arvutatud mitmetahuliste veeparvete struktuurid kinnitati kaasaegsete analüütiliste meetoditega: prootoni magnetresonantsspektroskoopia, femtosekundiline laserspektroskoopia, röntgen- ja neutronide difraktsioon veekristallidel. Veekogude avastamine ja vee võime teavet salvestada on 21. aastatuhande kaks kõige olulisemat avastust. See tõestab selgelt, et loodust iseloomustab jääkristallidele omane sümmeetria täpsete geomeetriliste kujundite ja proportsioonide näol.

KIRJANDUS.

1. Beljanin V., Romanova E. Elu, veemolekul ja kuldne proportsioon // Teadus ja elu, 2004, 10. kd, nr 3, lk. 23-34.

2. Shumsky P.A., Struktuurse jääteaduse alused. - Moskva, 1955b lk. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Teadlikkus veest kui eluainest. // Teadvus ja füüsiline reaalsus. 2011, T 16, nr 12, lk. 9-22.

4. Petrjanov I.V. Kõige erakordsem aine maailmas. Moskva, Pedagoogika, 1981, lk. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Vee struktuur ja omadused. - Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, lk. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Tuttav ja salapärane vesi. – Kiiev, Rodjanbski koolkond, 1982, lk. 62-64.

7. Zatsepina G. N. Vee ehitus ja omadused. – Moskva, toim. Moskva Riiklik Ülikool, 1974, lk. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Veefüüsika alused - Kiiev, Naukova Dumka, 1991, lk. 167.

9. Simoniit T. Süsinik-nanotorude sees "nähtud" DNA-laadset jääd // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Sõnumid veest. Jääkristallide salakoodid. - Sofia, 2006. Lk. 96.

11. Zenin S.V., Tyaglov B.V. Hüdrofoobse interaktsiooni olemus. Orientatsiooniväljade tekkimine vesilahustes // Journal of Physical Chemistry, 1994, T. 68, nr 3, lk. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Vesinikside - Moskva, Nauka, 1964, lk. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Vee ja ioonlahuste struktuur // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1934, T. 14, nr 5, lk. 587-644.

14. Khobza P., Zahradnik R. Intermolekulaarsed kompleksid: Van der Waalsi süsteemide roll füüsikalises keemias ja biodistsipliinides. – Moskva, Mir, 1989, lk. 34-36.

15. Pounder E. R. Jää füüsika, tlk. inglise keelest - Moskva, 1967, lk. 89.

16. Komarov S. M. Kõrgsurve jäämustrid. // Keemia ja Elu, 2007, nr 2, lk 48-51.

17. E. A. Želigovskaja, G. G. Malenkov. Kristallilised jääd // Uspekhi khimii, 2006, nr 75, lk. 64.

18. Fletcher N. H. Jää keemiline füüsika, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A.V. Klastrite mitmekesisus // Russian Chemical Journal, 1996, T. 40, nr 2, lk. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. Vee struktuur ja füüsiline reaalsus. // Teadvus ja füüsiline reaalsus, 2011, T. 16, nr 9, lk. 16-32.

21. Ignatov I. Bioenergeetiline meditsiin. Elusaine päritolu, vee mälu, bioresonants, biofüüsikalised väljad. - GayaLibris, Sofia, 2006, lk. 93.

Kohandatud otsing

Vee struktuur

Ph.D. O.V. Mosin

Veemolekul on väike dipool, mille poolustel on positiivsed ja negatiivsed laengud. Kuna hapnikutuuma mass ja laeng on suuremad kui vesiniku tuumadel, siis tõmbub elektronpilv hapnikutuuma poole. Sel juhul paljastatakse vesiniku tuumad. Seega on elektronpilvel ebaühtlane tihedus. Vesiniku tuumade läheduses on puudu elektrontihedusest ja molekuli vastasküljel, hapnikutuuma lähedal, on elektrontiheduse liig. Just see struktuur määrab veemolekuli polaarsuse. Kui ühendate positiivsete ja negatiivsete laengute epitsentrid sirgjoontega, saate kolmemõõtmelise geomeetrilise kujundi - tavalise tetraeedri.

Veemolekuli struktuur (parempoolne pilt)

Vesiniksidemete olemasolu tõttu moodustab iga veemolekul vesiniksideme 4 naabermolekuliga, moodustades jäämolekulis ažuurse võrkraami. Vedelas olekus on vesi aga korrastamata vedelik; Need vesiniksidemed on spontaansed, lühiealised, katkevad kiiresti ja tekivad uuesti. Kõik see põhjustab vee struktuuri heterogeensust.

Vesiniksidemed veemolekulide vahel (pilt all vasakul)

Asjaolu, et vesi on koostiselt heterogeenne, tehti kindlaks juba ammu. Juba ammu on teada, et jää hõljub veepinnal, see tähendab, et kristalse jää tihedus on väiksem kui vedeliku tihedus.

Peaaegu kõigi teiste ainete puhul on kristall tihedam kui vedel faas. Lisaks kasvab vee tihedus ka pärast sulamist temperatuuri tõustes jätkuvalt ja saavutab maksimumi 4C juures. Vähem tuntud on vee kokkusurutavuse anomaalia: sulamistemperatuurist kuni 40C kuumutamisel see väheneb ja seejärel suureneb. Vee soojusmahtuvus sõltub mittemonotoonselt ka temperatuurist.

Lisaks väheneb temperatuuril alla 30C, kui rõhk tõuseb atmosfäärirõhult 0,2 GPa-ni, vee viskoossus ja suureneb isedifusioonikoefitsient, parameeter, mis määrab veemolekulide liikumiskiiruse üksteise suhtes.

Teiste vedelike puhul on seos vastupidine ja peaaegu mitte kuskil ei juhtu, et mõni oluline parameeter käituks mittemonotoonselt, s.t. esmalt tõusis ja pärast temperatuuri või rõhu kriitilise väärtuse möödumist langes. Tekkis oletus, et tegelikult pole vesi üks vedelik, vaid segu kahest komponendist, mis erinevad omaduste, näiteks tiheduse ja viskoossuse ning seega ka struktuuri poolest. Sellised ideed hakkasid tekkima 19. sajandi lõpus, mil kogunes palju andmeid veeanomaaliate kohta.

Whiting pakkus 1884. aastal esimesena välja idee, et vesi koosneb kahest komponendist. Tema autorsust tsiteerib E.F. Fritsman 1935. aastal ilmunud monograafias "The Nature of Water. Heavy Water". 1891. aastal võttis V. Rengten kasutusele mõiste kahest vee olekust, mis erinevad tiheduse poolest. Pärast seda ilmus palju töid, milles vett käsitleti erineva koostisega kaaslaste (hüdroolide) seguna.

Kui 1920. aastatel määrati jää struktuur, selgus, et kristallilises olekus veemolekulid moodustavad kolmemõõtmelise pideva võrgu, milles igal molekulil on neli lähimat naabrit, mis paiknevad korrapärase tetraeedri tippudes. 1933. aastal pakkusid J. Bernal ja P. Fowler, et sarnane võrgustik eksisteerib ka vedelas vees. Kuna vesi on jääst tihedam, uskusid nad, et selles olevad molekulid paiknevad mitte nagu jääs, st nagu räni aatomid mineraalses tridümiidis, vaid nagu räni aatomid ränidioksiidi tihedamas modifikatsioonis, kvartsis. Vee tiheduse suurenemist 0 kuni 4 °C kuumutamisel seletati tridümiidi komponendi olemasoluga madalatel temperatuuridel. Seega säilitas Bernal Fowleri mudel kahe struktuuri elemendi, kuid nende peamine saavutus oli pideva tetraeedrilise võrgu idee. Siis ilmus I. Langmuiri kuulus aforism: "Ookean on üks suur molekul." Mudeli liigne täpsustamine ei suurendanud ühtse võrguteooria pooldajate hulka.

Alles 1951. aastal lõi J. Pople pideva ruudustiku mudeli, mis ei olnud nii spetsiifiline kui Bernal Fowleri mudel. Pople kujutas vett ette juhusliku tetraeedrilise võrgustikuna, mille molekulide vahelised sidemed on kõverad ja erineva pikkusega. Pople'i mudel selgitab vee tihenemist sulamise ajal sidemete painutamisega. Kui 60-70ndatel ilmusid esimesed jääde II ja IX struktuuri määratlused, sai selgeks, kuidas sidemete painutamine võib viia struktuuri tihenemiseni. Pople'i mudel ei suutnud seletada vee omaduste mittemonotoonset sõltuvust temperatuurist ja rõhust, samuti kahe oleku mudelitega. Seetõttu jagasid paljud teadlased pikka aega kahe osariigi ideed.

Kuid 20. sajandi teisel poolel oli võimatu fantaseerida hüdrolide koostisest ja struktuurist nagu sajandi alguses. Juba oli teada, kuidas jää ja kristalsed hüdraadid töötavad, ja nad teadsid palju vesiniksidemetest. Lisaks kontiinuummudelitele (Pople'i mudel) on tekkinud kaks segamudelite rühma: klaster ja klatraat. Esimeses rühmas ilmus vesi vesiniksidemetega ühendatud molekulide klastritena, mis hõljusid sellistes sidemetes mitteseotud molekulide meres. Teises mudelirühmas käsitleti vett vesiniksidemete pideva võrguna (mida selles kontekstis nimetatakse tavaliselt raamistikuks), mis sisaldas tühimikke; need sisaldavad molekule, mis ei moodusta sidemeid karkassi molekulidega. Klastraadimudelite puhul ei olnud keeruline valida klastrite mudelite kahe mikrofaasi omadusi ja kontsentratsioone või karkassi omadusi ja selle tühimike täitumise astet, et selgitada kõiki vee omadusi, sealhulgas kuulsaid kõrvalekaldeid.

Klastrimudelitest torkas silma enim G. Nemeti ja H. Sheragi mudel: Nende pakutud pildid, mis kujutavad seotud molekulide klastreid, mis ujuvad sidumata molekulide meres, sisaldusid paljudes monograafiates.

Esimese klatraaditüübi mudeli pakkus välja 1946. aastal O.Ya Samoilov: vees säilib kuusnurkse jääga sarnane vesiniksidemete võrgustik, mille õõnsused on osaliselt täidetud monomeerimolekulidega. L. Pauling lõi 1959. aastal veel ühe võimaluse, viidates sellele, et struktuuri aluseks võib olla mõnele kristallilisele hüdraadile omane sidemete võrgustik.

60ndate teisel poolel ja 70ndate alguses täheldati kõigi nende vaadete lähenemist. Ilmusid klastrimudelite variandid, kus mõlemas mikrofaasis olevad molekulid on ühendatud vesiniksidemetega. Klatraadimudelite pooldajad hakkasid tunnistama vesiniksidemete moodustumist tühimike ja raamistiku molekulide vahel. See tähendab, et nende mudelite autorid peavad vett pidevaks vesiniksidemete võrgustikuks. Ja me räägime sellest, kui heterogeenne see võrk on (näiteks tiheduse poolest). Idee veest kui sidumata veemolekulide meres hõljuvatest vesiniksidemetega klastritest sai lõpu kaheksakümnendate alguses, kui G. Stanley rakendas vee faasisiirdeid kirjeldavat perkolatsiooniteooriat. veemudel.

1999. aastal tegi kuulus vene vee-uurija S.V. Zenin kaitses Venemaa Teaduste Akadeemia Meditsiini- ja Bioloogiaprobleemide Instituudis doktoritöö klastriteooria teemal, mis oli märkimisväärne samm selle uurimisvaldkonna edendamisel, mille keerukust suurendab asjaolu, et nad on kolme teaduse ristumiskohas: füüsika, keemia ja bioloogia. Põhineb kolmel füüsikalis-keemilisel meetodil saadud andmetel: refraktomeetria (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), kõrgjõudlusega vedelikkromatograafia (S.V. Zenin et al., 1998) ja prootoni magnetresonants (C S.V. Zenin, 1993), mis konstrueeriti ja tõestas geomeetrilist. veemolekulide peamise stabiilse struktuurse moodustumise mudel (struktureeritud vesi) ja seejärel (S.V. Zenin, 2004) saadi kontrastfaasilise mikroskoobi abil nende struktuuride kujutis.

Teadus on nüüdseks tõestanud, et vee füüsikaliste omaduste iseärasused ja arvukad lühiajalised vesiniksidemed naabruses asuvate vesiniku- ja hapnikuaatomite vahel veemolekulis loovad soodsad võimalused eriliste seotud struktuuride (klastrite) tekkeks, mis tajuvad, salvestavad ja edastavad lai valik teavet.

Sellise vee struktuuriüksuseks on klatraatidest koosnev klaster, mille olemuse määravad Coulombi kaugjõud. Klastrite struktuur kodeerib teavet nende veemolekulidega toimunud interaktsioonide kohta. Veeklastrites võib hapnikuaatomite ja vesinikuaatomite vaheliste kovalentsete ja vesiniksidemete vastastikmõju tõttu toimuda prootonite (H+) migratsioon releemehhanismi kaudu, mis viib prootoni ümberpaigutamiseni klastris.

Paljudest erinevat tüüpi klastritest koosnev vesi moodustab hierarhilise ruumilise vedelkristallstruktuuri, mis suudab tajuda ja salvestada tohutul hulgal informatsiooni.

Joonisel (V.L. Voeikov) on näitena toodud mitme lihtsa klastri struktuuri skeemid.

Mõned võimalikud veekogude struktuurid

Infokandjateks võivad olla väga erineva iseloomuga füüsilised väljad. Seega on loodud võimalus vee vedelkristallstruktuuri kauginfo interaktsiooniks erinevat laadi objektidega elektromagnetiliste, akustiliste ja muude väljade abil. Mõjuobjektiks võib olla ka inimene.

Vesi on ülinõrga ja nõrga vahelduva elektromagnetkiirguse allikas. Kõige vähem kaootilist elektromagnetkiirgust tekitab struktureeritud vesi. Sel juhul võib tekkida vastav elektromagnetvälja induktsioon, mis muudab bioloogiliste objektide struktuurseid ja informatsioonilisi omadusi.

Viimastel aastatel on saadud olulisi andmeid ülejahutatud vee omaduste kohta. Madalatel temperatuuridel vee uurimine on väga huvitav, kuna seda saab ülejahutada rohkem kui teisi vedelikke. Vee kristalliseerumine algab reeglina mõnest ebahomogeensusest kas anuma seintel või tahkete lisandite hõljuvatel osakestel. Seetõttu ei ole lihtne leida temperatuuri, mille juures ülejahutatud vesi spontaanselt kristalliseeruks. Kuid teadlastel õnnestus see teha ja nüüd on niinimetatud homogeense tuuma tekke temperatuur, kui jääkristallide moodustumine toimub samaaegselt kogu ruumala ulatuses, rõhkude puhul kuni 0,3 GPa, see tähendab, et see hõlmab eksistentsi piirkondi. jää II.

Atmosfäärirõhust kuni I ja II jääd eraldava piirini langeb see temperatuur 231 K-lt 180 K-le ja tõuseb seejärel veidi 190 K-ni. Sellest kriitilisest temperatuurist madalamal on vedel vesi põhimõtteliselt võimatu.

Jää struktuur (pilt paremal)

Siiski on selle temperatuuriga seotud mõistatus. Kaheksakümnendate keskel avastati uus amorfse jää modifikatsioon - suure tihedusega jää ja see aitas taaselustada idee veest kui kahe oleku segust. Prototüüpideks loeti mitte kristallstruktuure, vaid erineva tihedusega amorfse jää struktuure. Selle kontseptsiooni sõnastasid kõige selgemal kujul E. G. Ponyatovsky ja V. V. Sinitsin, kes kirjutasid 1999. aastal: „Vett käsitletakse kahe komponendi regulaarse lahendusena, mille lokaalsed konfiguratsioonid vastavad amorfse jää modifikatsioonide lühiajalisele järjekorrale. .” Veelgi enam, uurides neutronite difraktsioonimeetodite abil kõrge rõhu all ülejahutatud vees lühiajalist järjestust, suutsid teadlased leida nendele struktuuridele vastavad komponendid.

Amorfse jää polümorfismi tagajärg on viinud ka oletusteni vee eraldumise kohta kaheks segunematuks komponendiks temperatuuridel, mis on madalamad hüpoteetilisest madala temperatuuri kriitilisest punktist. Kahjuks on see temperatuur 0,017 GPa rõhul teadlaste sõnul 230 K võrra madalam kui tuumastumise temperatuur, mistõttu pole veel keegi suutnud jälgida vedela vee kihistumist. Seega tõstatas kahe oleku mudeli taaselustamine küsimuse vedela vee vesiniksidemete võrgustiku heterogeensusest. Seda heterogeensust saab mõista ainult arvutimodelleerimise abil.

Rääkides vee kristalsest struktuurist, tuleb märkida, et teada on 14 jää modifikatsiooni, millest enamikku looduses ei leidu, milles veemolekulid säilitavad nii oma individuaalsuse kui on ühendatud vesiniksidemetega. Teisest küljest on klatraathüdraatides palju vesiniksidemete võrgu variante. Nende võrkude (kõrgsurvejääd ja klatraathüdraadid) energiad ei ole palju suuremad kui kuup- ja kuusnurksete jääde energiad. Seetõttu võivad selliste struktuuride killud tekkida ka vedelas vees. Võimalik on konstrueerida lugematul hulgal erinevaid mitteperioodilisi fragmente, mille molekulidel on neli lähimat naabrit, mis paiknevad ligikaudu tetraeedri tippudes, kuid nende struktuur ei vasta teadaolevate jää modifikatsioonide struktuuridele. Nagu arvukad arvutused on näidanud, on sellistes fragmentides olevate molekulide interaktsioonienergiad üksteisele lähedased ja pole põhjust väita, et vedelas vees peaks valitsema mingi struktuur.

Vee struktuuriuuringuid saab uurida erinevate meetoditega; prootoni magnetresonantsspektroskoopia, infrapunaspektroskoopia, röntgendifraktsioon jne Näiteks röntgenkiirte ja neutronite difraktsiooni on palju kordi uuritud. Kuid need katsed ei saa anda üksikasjalikku teavet struktuuri kohta. Tiheduses erinevat ebahomogeensust võis näha röntgenkiirte ja neutronite hajumisel väikeste nurkade all, kuid sellised ebahomogeensused peavad olema suured, koosnema sadadest veemolekulidest. Neid oleks võimalik näha valguse hajumist uurides. Vesi on aga erakordselt selge vedelik. Difraktsioonikatsete ainsaks tulemuseks on radiaaljaotusfunktsioon, see tähendab hapniku, vesiniku ja hapniku-vesiniku aatomite vaheline kaugus. Nendest on selgelt näha, et veemolekulide paigutuses puudub kaugjärjestus. Need funktsioonid lagunevad vee puhul palju kiiremini kui enamiku teiste vedelike puhul. Näiteks hapnikuaatomite vahekauguste jaotus toatemperatuurile lähedasel temperatuuril annab ainult kolm maksimumi, 2,8, 4,5 ja 6,7. Esimene maksimum vastab kaugusele lähimate naabriteni ja selle väärtus on ligikaudu võrdne vesiniksideme pikkusega. Teine maksimum on lähedane tetraeedri serva keskmisele pikkusele: pidage meeles, et veemolekulid kuusnurkses jääs asuvad piki keskmolekuli ümber kirjeldatud tetraeedri tippe. Ja kolmas maksimum, väga nõrgalt väljendatud, vastab kaugusele kolmandate ja kaugemate naabritega vesinikuvõrgus. See maksimum ise ei ole kuigi ere ja edasistest tippudest pole vaja rääkidagi. Nendest distributsioonidest on püütud saada üksikasjalikumat teavet. Nii leidsid I. S. Andrianov ja I. Z. Fisher 1969. aastal vahemaad kuni kaheksanda naabrini, viienda naabrini aga 3 ja kuuendani 3,1. See võimaldab saada andmeid veemolekulide kaugema keskkonna kohta.

Teine meetod struktuuri uurimiseks - neutronite difraktsioon veekristallidel - viiakse läbi täpselt samamoodi nagu röntgendifraktsioon. Kuid kuna neutronite hajumise pikkused ei erine erinevate aatomite vahel nii palju, muutub isomorfse asendusmeetod vastuvõetamatuks. Praktikas töötatakse tavaliselt kristallidega, mille molekulaarstruktuur on muude meetoditega juba ligikaudu kindlaks määratud. Seejärel mõõdetakse selle kristalli neutronite difraktsiooni intensiivsust. Nende tulemuste põhjal teostatakse Fourier' teisendus, mille käigus kasutatakse mõõdetud neutronite intensiivsusi ja faase, mis on arvutatud mittevesiniku aatomeid arvestades, s.o. hapnikuaatomid, mille asukoht struktuurimudelis on teada. Siis on sel viisil saadud Fourier kaardil vesiniku ja deuteeriumi aatomid esindatud palju suurema kaaluga kui elektrontiheduse kaardil, sest nende aatomite panus neutronite hajumisse on väga suur. Selle tiheduskaardi abil saate näiteks määrata vesinikuaatomite (negatiivne tihedus) ja deuteeriumi (positiivne tihedus) asukohti.

Võimalik on selle meetodi variatsioon, mis seisneb selles, et vees tekkinud kristalli hoitakse enne mõõtmist raskes vees. Sel juhul ei võimalda neutronite difraktsioon mitte ainult kindlaks teha, kus vesinikuaatomid asuvad, vaid tuvastab ka need, mida saab deuteeriumi vastu vahetada, mis on eriti oluline isotoopide (H-D) vahetuse uurimisel. Selline teave aitab kinnitada, et struktuur on õigesti loodud.

Ka teised meetodid võimaldavad uurida veemolekulide dünaamikat. Need on katsed kvaasielastsete neutronite hajutamise, ülikiire IR-spektroskoopia ja vee difusiooni uurimisega NMR või märgistatud deuteeriumi aatomite abil. NMR-spektroskoopia meetod põhineb asjaolul, et vesinikuaatomi tuumal on magnetmoment – ​​spin –, mis interakteerub konstantse ja muutuva magnetväljaga. NMR spektri järgi saab otsustada, millises keskkonnas need aatomid ja tuumad paiknevad, saades seeläbi informatsiooni molekuli ehituse kohta.

Veekristallides kvaasielastsete neutronite hajumise katsete tulemusena mõõdeti kõige olulisem parameeter - isedifusioonikoefitsient erinevatel rõhkudel ja temperatuuridel. Et hinnata isedifusioonikoefitsienti kvaasielastse neutronite hajumise põhjal, on vaja teha eeldus molekulaarse liikumise olemuse kohta. Kui nad liiguvad Ya.I. Frenkeli (kuulus vene teoreetiline füüsik, "Vedelike kineetilise teooria" autor - klassikaline raamat, mis on tõlgitud paljudesse keeltesse) mudeli järgi, mida nimetatakse ka "hüppe ootamise" mudeliks, siis on molekuli settinud eluaeg (aeg hüppamise vahel) 3,2 pikosekundit. Viimased femtosekundilise laserspektroskoopia meetodid on võimaldanud hinnata katkenud vesiniksideme eluiga: partneri leidmiseks kulub prootonil 200 fs. Need on aga kõik keskmised väärtused. Veemolekulide liikumise struktuuri ja olemuse üksikasju on võimalik uurida ainult arvutisimulatsiooni abil, mida mõnikord nimetatakse ka numbriliseks eksperimendiks.

Selline näeb välja vee struktuur arvutimodelleerimise tulemuste järgi (keemiateaduste doktori G.G. Malenkovi järgi). Üldise korratu struktuuri võib jagada kahte tüüpi piirkondadeks (näidatud tumedate ja heledate pallidena), mis erinevad oma struktuuri poolest, näiteks Voronoi hulktahuka mahu (a), lähikeskkonna tetraeedrilisuse astme poolest ( b), potentsiaalse energia väärtus (c) ja ka nelja vesiniksideme juuresolekul igas molekulis (d). Kuid need alad muudavad sõna otseses mõttes hetkega, mõne pikosekundi pärast oma asukohta.

Simulatsioon viiakse läbi nii. Jäästruktuur võetakse ja kuumutatakse, kuni see sulab. Seejärel, kui vesi on mõne aja pärast oma kristalse päritolu unustanud, tehakse hetkelised mikrofotod.

Vee struktuuri analüüsimiseks valitakse kolm parameetrit:
- molekuli lokaalse keskkonna kõrvalekalde määr korrapärase tetraeedri tippudest;
-molekulide potentsiaalne energia;
-nn Voronoi hulktahuka ruumala.

Selle hulktahuka konstrueerimiseks võtke antud molekulist lähima serv, jagage see pooleks ja tõmmake seda punkti läbiv tasapind, mis on servaga risti. See annab ruumala molekuli kohta. Polüeedri ruumala on tihedus, tetraeedrilisus on vesiniksidemete moonutuse aste, energia on molekulaarse konfiguratsiooni stabiilsuse aste. Kõigi nende parameetrite sarnaste väärtustega molekulid kipuvad rühmituma eraldi klastriteks. Nii madala kui ka suure tihedusega piirkondadel on erinevad energiaväärtused, kuid neil võib olla ka sama energiaväärtus. Katsed on näidanud, et erineva struktuuriga alad, klastrid tekivad spontaanselt ja lagunevad iseeneslikult. Kogu vee struktuur on elav ja pidevas muutumises ning aeg, mille jooksul need muutused toimuvad, on väga lühike. Teadlased jälgisid molekulide liikumist ja leidsid, et need sooritasid ebaregulaarseid vibratsioone sagedusega umbes 0,5 ps ja amplituudiga 1 angströmi. Täheldati ka harvaesinevaid aeglasi angströmi hüppeid, mis kestavad pikosekundeid. Üldiselt suudab molekul 30 ps juures liikuda 8-10 angströmi. Ka kohaliku keskkonna eluiga on lühike. Voronoi polüeedri sarnaste mahuväärtustega molekulidest koosnevad piirkonnad võivad laguneda 0,5 ps või nad võivad elada mitu pikosekundit. Kuid vesiniksidemete eluea jaotus on väga suur. Kuid see aeg ei ületa 40 ps ja keskmine väärtus on mitu ps.

Kokkuvõttes tuleb rõhutada, et Vee klastri struktuuri teoorial on palju lõkse. Näiteks pakub Zenin, et vee peamiseks struktuurielemendiks on 57 molekulist koosnev klaster, mis moodustub nelja dodekaeedri ühinemisel. Neil on ühised näod ja nende keskpunktid moodustavad korrapärase tetraeedri. Ammu on teada, et veemolekulid võivad paikneda viisnurkse dodekaeedri tippudes; Selline dodekaeeder on gaasihüdraatide aluseks. Seetõttu pole selliste struktuuride vees olemasolu oletamises midagi üllatavat, kuigi juba on öeldud, et ükski konkreetne struktuur ei saa olla ülekaalus ega eksisteerida pikka aega. Seetõttu on kummaline, et seda elementi peetakse peamiseks ja see sisaldab täpselt 57 molekuli. Näiteks pallidest saab kokku panna samu struktuure, mis koosnevad kõrvuti asetsevatest dodekaeedritest ja sisaldavad 200 molekuli. Zenin väidab, et vee kolmemõõtmelise polümerisatsiooni protsess peatub 57 molekuli juures. Tema arvates ei tohiks suuremaid kaastöötajaid olla. Kui see aga nii oleks, ei saaks veeaurust sadestuda kuusnurksed jääkristallid, mis sisaldavad tohutul hulgal vesiniksidemetega omavahel seotud molekule. Pole üldse selge, miks Zenini klastri kasv peatus 57 molekuli juures. Vastuolude vältimiseks pakendab Zenin klastrid keerukamateks moodustisteks – romboeedriteks –, mis koosnevad peaaegu tuhandest molekulist ning algsed klastrid ei moodusta omavahel vesiniksidemeid. Miks? Mille poolest erinevad nende pinnal olevad molekulid sees olevatest? Zenini järgi annab veemälu hüdroksüülrühmade muster romboeedrite pinnal. Järelikult on veemolekulid nendes suurtes kompleksides jäigalt fikseeritud ja kompleksid ise on tahked ained. Selline vesi ei voola ja selle sulamistemperatuur, mis on seotud molekulmassiga, peaks olema väga kõrge.

Milliseid vee omadusi Zenini mudel selgitab? Kuna mudel põhineb tetraeedrilistel struktuuridel, võib see olla enam-vähem kooskõlas röntgen- ja neutronite difraktsiooniandmetega. Siiski on ebatõenäoline, et mudel suudab seletada tiheduse vähenemist sulamise ajal; dodekaeedrite pakkimine on vähem tihe kui jää. Kuid kõige raskem on leppida mudeliga, millel on dünaamilised omadused - voolavus, suur isedifusioonikoefitsiendi väärtus, lühike korrelatsioon ja dielektrilised relaksatsiooniajad, mida mõõdetakse pikosekundites.

Ph.D. O.V. Mosin

Viited:
G.G. Malenkov. Füüsikalise keemia edusammud, 2001
S.V.Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tjaglov. Eksperimentaalne tõestus veefraktsioonide olemasolu kohta. G. Homöopaatiline meditsiin ja nõelravi. 1997.Nr.2.P.42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tjaglov. Veemolekulide assotsieerunud struktuuri hüdrofoobne mudel. J. Physical Chemistry, 1994. T. 68. Nr 4. Lk 636-641.
S.V. Zenin Vee struktuuri uurimine prootoni magnetresonantsmeetodil. Dokl.RAN.1993.T.332.Nr.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tjaglov. Hüdrofoobse interaktsiooni olemus. Orientatsiooniväljade tekkimine vesilahustes. J. Physical Chemistry, 1994. T. 68. Nr 3. Lk 500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tjaglov, G.B. Sergejev, Z.A. Šabarova. Nukleotidamiidide molekulisiseste interaktsioonide uurimine NMR abil. 2. üleliidulise konf. materjalid. Dünaamiliselt Stereokeemia. Odessa.1975.lk.53.
S.V. Zenin. Vee struktureeritud olek kui elusüsteemide käitumise ja ohutuse kontrollimise alus. Lõputöö. Bioloogiateaduste doktor. Riiklik teaduskeskus "Meditsiini ja Bioloogiliste Probleemide Instituut" (SSC "IMBP"). Kaitstud 1999. 05. 27. UDK 577.32:57.089.001.66.207 lk.
IN JA. Slesarev. Uurimise eduaruanne

Vee omadused

Miks vesi on vesi?

Paljude ainete hulgas on vesi oma füüsikaliste ja keemiliste omadustega väga erilisel ja erakordsel kohal. Ja seda tuleb võtta sõna-sõnalt.

Peaaegu kõik vee füüsikalised ja keemilised omadused on looduses erandid. See on tõesti maailma kõige hämmastavam aine. Vesi on hämmastav mitte ainult molekuli isotoopsete vormide mitmekesisuse ja mitte ainult lootuste poolest, mis on sellega seotud kui ammendamatu tuleviku energiaallikas. Lisaks on see hämmastav oma väga tavaliste omaduste poolest.

Kuidas veemolekul ehitatakse?

Kuidas üks veemolekul on ehitatud, on nüüd väga täpselt teada. See on ehitatud nii.

Vesiniku ja hapniku aatomite tuumade suhtelised asukohad ja nendevaheline kaugus on hästi uuritud ja mõõdetud. Selgus, et veemolekul on mittelineaarne. Koos aatomite elektronkestadega võib veemolekuli, kui seda "küljelt" vaadata, kujutada järgmiselt:

ehk geomeetriliselt saab molekulis laengute vastastikust paigutust kujutada lihtsa tetraeedrina. Kõik mis tahes isotoopkoostisega veemolekulid on ehitatud täpselt samamoodi.

Kui palju veemolekule on ookeanis?

Üks. Ja see vastus pole just nali. Muidugi saab igaüks, vaadates teatmeteost ja uurides, kui palju vett maailma ookeanis on, hõlpsasti välja arvutada, kui palju H2O molekule see sisaldab. Kuid selline vastus ei ole täiesti õige. Vesi on eriline aine. Oma ainulaadse struktuuri tõttu interakteeruvad üksikud molekulid üksteisega. Spetsiaalne keemiline side tekib tänu sellele, et ühe molekuli iga vesinikuaatom tõmbab ligi naabermolekulide hapnikuaatomite elektrone. Tänu sellele vesiniksidemele seotakse iga veemolekul üsna tihedalt nelja teise naabermolekuliga, nagu on näidatud diagrammil. Tõsi, see diagramm on liiga lihtsustatud - see on tasane, vastasel juhul ei saa seda joonisel kujutada. Kujutagem ette veidi täpsemat pilti. Selleks peate arvestama, et veemolekulis vesiniksidemete paiknemise tasapind (need on tähistatud punktiirjoonega) on suunatud risti vesinikuaatomite paiknemise tasapinnaga.

Kõik vees olevad üksikud H2O molekulid osutuvad ühendatud ühtseks pidevaks ruumiliseks võrgustikuks – üheks hiiglaslikuks molekuliks. Seetõttu on mõne füüsikalise keemiku väide, et kogu ookean on üks molekul, üsna õigustatud. Kuid seda väidet ei tohiks võtta liiga sõna-sõnalt. Kuigi kõik vees olevad veemolekulid on omavahel seotud vesiniksidemetega, on nad samal ajal väga keerulises liikuvas tasakaalus, säilitades üksikute molekulide individuaalsed omadused ja moodustades kompleksseid agregaate. See idee ei kehti ainult vee kohta: ka teemanditükk on üks molekul.

Kuidas jäämolekul ehitatakse?

Erilisi jäämolekule pole. Vee molekulid on oma tähelepanuväärse struktuuri tõttu üksteisega ühendatud jäätükis nii, et igaüks neist on ühendatud ja ümbritsetud nelja teise molekuliga. See toob kaasa väga lahtise jäästruktuuri ilmnemise, millesse jääb palju vaba mahtu. Jää õige kristallstruktuur väljendub lumehelveste hämmastavas graatsilisuses ja jäätunud aknaklaaside härmatiste mustrite ilus.

Kuidas on vees ehitatud veemolekulid?

Kahjuks pole seda väga olulist küsimust veel piisavalt uuritud. Molekulide struktuur vedelas vees on väga keeruline. Jää sulamisel säilib tekkivas vees osaliselt selle võrgustruktuur. Sulavees olevad molekulid koosnevad paljudest lihtsatest molekulidest – agregaatidest, mis säilitavad jää omadused. Temperatuuri tõustes osa neist laguneb ja nende suurus väheneb.

Vastastikune külgetõmme toob kaasa asjaolu, et vedelas vees oleva kompleksse veemolekuli keskmine suurus ületab oluliselt ühe veemolekuli suuruse. See vee erakordne molekulaarstruktuur määrab selle erakordsed füüsikalis-keemilised omadused.

Milline peaks olema vee tihedus?

Kas see pole mitte väga kummaline küsimus? Pidage meeles, kuidas määrati massiühik - üks gramm. See on ühe kuupsentimeetri vee mass. See tähendab, et ei saa olla kahtlust, et vee tihedus peaks olema ainult see, mis ta on. Kas selles võib olla kahtlust? Saab. Teoreetikud on välja arvutanud, et kui vesi ei säilitaks vedelas olekus lahtist jäätaolist struktuuri ja selle molekulid oleksid tihedalt pakitud, oleks vee tihedus palju suurem. 25°C juures oleks see võrdne mitte 1,0, vaid 1,8 g/cm3.

Millisel temperatuuril peaks vesi keema?

See küsimus on ka muidugi kummaline. Vesi keeb ju saja kraadi juures. Kõik teavad seda. Veelgi enam, kõik teavad, et temperatuuriskaala üheks võrdluspunktiks valiti vee keemistemperatuur normaalsel atmosfäärirõhul, tavapäraselt 100 °C.

Küsimus esitatakse aga teisiti: millisel temperatuuril peaks vesi keema? Lõppude lõpuks ei ole erinevate ainete keemistemperatuurid juhuslikud. Need sõltuvad nende molekulide moodustavate elementide asukohast Mendelejevi perioodilisustabelis.

Kui võrrelda perioodilisustabeli samasse rühma kuuluvate erinevate sama koostisega elementide keemilisi ühendeid, on lihtne märgata, et mida väiksem on elemendi aatomnumber, seda väiksem on selle aatommass, seda madalam on elemendi keemistemperatuur. selle ühendid. Keemilise koostise põhjal võib vett nimetada hapnikhüdriidiks. H2Te, H2Se ja H2S on vee keemilised analoogid. Kui jälgida nende keemistemperatuure ja võrrelda, kuidas muutuvad hüdriidide keemistemperatuurid perioodilisuse tabeli teistes rühmades, siis saab üsna täpselt määrata iga hüdriidi keemistemperatuuri, nagu iga teise ühendigi. Mendelejev ise suutis sel viisil ennustada veel avastamata elementide keemiliste ühendite omadusi.

Kui määrata hapnikhüdriidi keemistemperatuur selle asukoha järgi perioodilisustabelis, selgub, et vesi peaks keema temperatuuril -80 °C. Järelikult keeb vesi ligikaudu sada kaheksakümmend kraadi kõrgemal , kui see peaks keema. Vee keemistemperatuur – see on selle kõige levinum omadus – osutub erakordseks ja üllatavaks.

Mis tahes keemilise ühendi omadused sõltuvad seda moodustavate elementide olemusest ja seega ka nende positsioonist Mendelejevi keemiliste elementide perioodilises tabelis. Need graafikud näitavad perioodilise süsteemi IV ja VI rühma vesinikuühendite keemis- ja sulamistemperatuuride sõltuvusi. Vesi on silmatorkav erand. Prootoni väga väikese raadiuse tõttu on selle molekulide vahelised vastasmõjujõud nii suured, et neid on väga raske eraldada, mistõttu vesi keeb ja sulab ebatavaliselt kõrgel temperatuuril.

Graafik A. IV rühma elementide hüdriidide keemistemperatuuri normaalne sõltuvus nende asukohast perioodilisustabelis.

Graafik B. VI rühma elementide hüdriidide hulgas on veele anomaalsed omadused: vesi peaks keema temperatuuril miinus 80 - miinus 90 ° C, kuid see keeb pluss 100 ° C juures.

Graafik B. IV rühma elementide hüdriidide sulamistemperatuuri normaalne sõltuvus nende positsioonist perioodilisustabelis.

Graafik D. VI rühma elementide hüdriidide hulgas rikub vesi järjekorda: see peaks sulama miinus 100 ° C juures ja jääpurikad sulama 0 ° C juures.

Mis temperatuuril vesi külmub?

Kas pole tõsi, et küsimus pole vähem kummaline kui eelmised? Noh, kes ei tea, et vesi külmub null kraadi juures? See on termomeetri teine ​​võrdluspunkt. See on vee kõige levinum omadus. Kuid isegi sel juhul võib küsida: millisel temperatuuril peaks vesi külmuma vastavalt selle keemilisele olemusele? Selgub, et hapnikhüdriid, lähtudes oma positsioonist perioodilisustabelis, oleks pidanud tahkuma saja miinuskraadi juures.

Mitu vedelat olekut on vees?

Sellele küsimusele pole nii lihtne vastata. Muidugi on ka üks asi – meile kõigile tuttav vedel vesi. Kuid vedel vesi on nii erakordsete omadustega, et tuleb mõelda, kas selline lihtne, pealtnäha mitteprovotseeriv

vastuses pole kahtlust? Vesi on ainuke aine maailmas, mis pärast sulamist esmalt kokku tõmbub ja siis hakkab temperatuuri tõustes paisuma. Umbes 4 °C juures on vee tihedus suurim. See haruldane anomaalia vee omadustes on seletatav asjaoluga, et tegelikkuses on vedel vesi täiesti ebatavalise koostisega komplekslahus: see on vee lahus vees.

Kui jää sulab, tekivad esmalt suured keerulised veemolekulid. Need säilitavad jää lahtise kristalse struktuuri jäänused ja lahustuvad tavalises madala molekulmassiga vees. Seetõttu on algul vee tihedus madal, kuid temperatuuri tõustes need suured molekulid lagunevad ja nii suureneb vee tihedus, kuni võtab võimust normaalne soojuspaisumine, misjärel vee tihedus taas langeb. Kui see on tõsi, siis on võimalik mitu vee olekut, kuid keegi ei tea, kuidas neid eraldada. Ja pole veel teada, kas see saab kunagi võimalikuks. Sellel vee erakordsel omadusel on elu jaoks suur tähtsus. Veehoidlates langeb enne talve tulekut jahutusvesi järk-järgult allapoole, kuni kogu veehoidla temperatuur jõuab 4°C-ni. Edasisel jahutamisel jääb külmem vesi peale ja kogu segamine peatub. Selle tulemusel luuakse erakordne olukord: õhuke külma vee kiht muutub kõigile veealuse maailma elanikele nagu "soojaks tekiks". 4°C juures tunnevad nad end selgelt üsna hästi.

Mis peaks olema lihtsam – vesi või jää?

Kes seda ei tea... Lõppude lõpuks hõljub jää vee peal. Ookeanis hõljuvad hiiglaslikud jäämäed. Järved on talvel kaetud ujuva pideva jääkihiga. Muidugi on jää kergem kui vesi.

Aga miks "loomulikult"? Kas see on nii selge? Vastupidi, kõigi tahkete ainete maht sulamise ajal suureneb ja nad upuvad oma sulamisse. Jää aga ujub vees. See vee omadus on looduses anomaalia, erand ja pealegi täiesti tähelepanuväärne erand.

Veemolekuli positiivsed laengud on seotud vesinikuaatomitega. Negatiivsed laengud on hapniku valentselektronid. Nende suhtelist paigutust veemolekulis võib kujutada lihtsa tetraeedrina.

Proovime ette kujutada, milline näeks maailm välja, kui vesi oleks normaalsete omadustega ja jää oleks, nagu iga tavaline aine olema peab, vedelast veest tihedam. Talvel vajuks ülevalt külmuv tihedam jää vette, vajudes pidevalt veehoidla põhja. Suvel ei saanud külma veekihiga kaitstud jää sulada. Järk-järgult külmusid kõik järved, tiigid, jõed, ojad täielikult, muutudes hiiglaslikeks jääplokkideks. Lõpuks jäätuvad mered ja seejärel ookeanid. Meie ilus õitsev roheline maailm muutuks pidevaks jäiseks kõrbeks, mis oleks siin-seal kaetud õhukese sulaveekihiga.

Kui palju jääd on?

Meie Maa looduses on ainult üks: tavaline jää. Jää on erakordsete omadustega kivi. See on tahke, kuid voolab nagu vedelik ja seal on tohutud jääjõed, mis voolavad aeglaselt kõrgetest mägedest alla. Jää on muutlik – see kaob pidevalt ja tekib uuesti. Jää on ebatavaliselt tugev ja vastupidav – kümneid tuhandeid aastaid säilitab see muutumatult liustikupragudes kogemata hukkunud mammutite kehasid. Inimesel õnnestus oma laborites avastada veel vähemalt kuus erinevat, mitte vähem hämmastavat jääd. Looduses neid ei leia. Need võivad eksisteerida ainult väga kõrge rõhu korral. Tavaline jää säilib kuni rõhuni 208 MPa (megapaskalit), kuid sellel rõhul sulab see -22 °C juures. Kui rõhk on kõrgem kui 208 MPa, tekib tihe jää - jää-III. See on veest raskem ja vajub sellesse. Madalamal temperatuuril ja kõrgemal rõhul - kuni 300 MPa - tekib veelgi tihedam jää-P. Rõhk üle 500 MPa muudab jää jää-V-ks. Seda jääd saab kuumutada peaaegu 0 ° C-ni ja see ei sula, kuigi see on tohutu rõhu all. Rõhul umbes 2 GPa (gigapaskalit) ilmub jää-VI. See on sõna otseses mõttes kuum jää – see talub sulamata 80° C. 3GP rõhul leitud jää-VII võib ehk nimetada kuumaks jääks. See on teadaolevalt kõige tihedam ja tulekindlaim jää. See sulab ainult 190° üle nulli.

Ice-VII on ebatavaliselt kõrge kõvadusega. See jää võib põhjustada isegi ootamatuid katastroofe. Laagrid, milles võimsate elektrijaamade turbiinide võllid pöörlevad, tekitavad tohutut survet. Kui määrde sisse satub kasvõi veidi vett, siis see külmub, kuigi laagri temperatuur on väga kõrge. Saadud jää-VII osakesed, millel on tohutu kõvadus, hakkavad hävitama võlli ja laagrit ning põhjustavad nende kiiresti rikke.

Võib-olla on kosmoses ka jääd?

Justkui on ja samas väga kummaline. Kuid Maa teadlased avastasid selle, kuigi sellist jääd meie planeedil eksisteerida ei saa. Kogu praegu teadaoleva jää tihedus ületab isegi väga kõrgel rõhul vaid väga vähesel määral 1 g/cm3. Jää kuusnurksete ja kuubikujuliste modifikatsioonide tihedus väga madalal rõhul ja temperatuuril, isegi absoluutse nulli lähedal, on pisut väiksem kui ühtsus. Nende tihedus on 0,94 g/cm3.

Kuid selgus, et vaakumis, tühisel rõhul ja temperatuuril alla -170 ° C, tingimustes, kui jahutatud tahkel pinnal aurust kondenseerumisel tekib jää, ilmub täiesti hämmastav jää. Selle tihedus on... 2,3 g/cm3. Kogu seni teadaolev jää on kristalne, kuid see uus jää on ilmselt amorfne, mida iseloomustab üksikute veemolekulide juhuslik suhteline paigutus; Sellel puudub spetsiifiline kristallstruktuur. Sel põhjusel nimetatakse seda mõnikord ka klaasjääks. Teadlased on kindlad, et see hämmastav jää peab tekkima kosmosetingimustes ja mängima suurt rolli planeetide ja komeetide füüsikas. Sellise ülitiheda jää avastamine oli füüsikutele ootamatu.

Mida on vaja, et jää sulaks?

Palju kuumust. Palju rohkem, kui kuluks sama koguse mis tahes muu aine sulatamiseks. Erakordselt kõrge sulamise erisoojus -80 cal (335 J) grammi jää kohta on samuti vee anomaalne omadus. Kui vesi külmub, eraldub uuesti sama palju soojust.

Talve saabudes tekib jää, sajab lund ja vesi annab tagasi soojust, soojendades maapinda ja õhku. Nad peavad külmale vastu ja pehmendavad üleminekut karmile talvele. Tänu sellele imelisele vee omadusele eksisteerivad meie planeedil sügis ja kevad.

Kui palju soojust on vaja vee soojendamiseks?

Nii palju. Rohkem, kui kulub võrdse koguse mis tahes muu aine kuumutamiseks. Grami vee ühe kraadi soojendamiseks kulub üks kalor (4,2 J). See on enam kui kaks korda suurem kui mis tahes keemilise ühendi soojusmaht.

Vesi on aine, mis on oma kõige tavalisemate omaduste poolest meie jaoks erakordne. Muidugi on see vee võime väga oluline mitte ainult köögis õhtusöögi valmistamisel. Vesi on suur soojuse jaotaja kogu Maa peal. Päikese poolt ekvaatori all soojendatuna kannab see maailmaookeanis soojust hiiglaslike merehoovuste voogudega kaugetesse polaaraladesse, kus elu on võimalik vaid tänu sellele vee hämmastavale omadusele.

Miks on merevesi soolane?

See on võib-olla üks vee ühe hämmastavama omaduse kõige olulisemaid tagajärgi. Selle molekulis on positiivsete ja negatiivsete laengute keskused üksteise suhtes tugevalt nihkunud. Seetõttu on vee dielektrilise konstandi väärtus erakordselt kõrge, ebanormaalne. Vee puhul e = 80 ning õhu ja vaakumi puhul e = 1. See tähendab, et mis tahes kaks vees olevat vastandlikku laengut tõmbuvad teineteise poole 80 korda väiksema jõuga kui õhus. Lõppude lõpuks, vastavalt Coulombi seadusele:

Kuid ikkagi on molekulidevahelised sidemed kõigis kehades, mis määravad keha tugevuse, põhjustatud aatomituumade positiivsete laengute ja negatiivsete elektronide vastasmõjust. Vette sukeldatud keha pinnal nõrgenevad molekulide või aatomite vahel mõjuvad jõud vee mõjul ligi sada korda. Kui järelejäänud sideme tugevus molekulide vahel muutub soojusliikumise mõjudele vastupidamiseks ebapiisavaks, hakkavad keha molekulid või aatomid selle pinnalt lahti murdma ja vette minema. Keha hakkab lahustuma, lagunedes kas üksikuteks molekulideks, nagu suhkur teeklaasis, või laetud osakesteks - ioonideks, nagu lauasool.

Tänu oma ebatavaliselt kõrgele dielektrilisele konstandile on vesi üks võimsamaid lahusteid. See on isegi võimeline lahustama mis tahes kivimit maapinnal. Aeglaselt ja paratamatult hävitab see isegi graniidid, leostub neist kergesti lahustuvad komponendid.

Ojad, jõed ja jõed kannavad vees lahustunud lisandeid ookeani. Vesi ookeanist aurustub ja naaseb uuesti maa peale, et ikka ja jälle oma igavest tööd jätkata. Ja lahustunud soolad jäävad meredesse ja ookeanidesse.

Ärge arvake, et vesi lahustub ja kannab merre ainult seda, mis on kergesti lahustuv, ja et merevesi sisaldab ainult tavalist soola, mis seisab toidulaual. Ei, merevesi sisaldab peaaegu kõiki looduses eksisteerivaid elemente. See sisaldab magneesiumi, kaltsiumi, väävlit, broomi, joodi ja fluori. Sellest leiti väiksemates kogustes rauda, ​​vaske, niklit, tina, uraani, koobaltit, isegi hõbedat ja kulda. Keemikud leidsid mereveest üle kuuekümne elemendi. Küllap leitakse ka kõik teised üles. Suurem osa merevees sisalduvast soolast on lauasool. Seetõttu on vesi meres soolane.

Kas veepinnal on võimalik joosta?

Saab. Selle nägemiseks vaadake suvel mis tahes tiigi või järve pinda. Paljud elavad ja kiired inimesed mitte ainult ei kõnni vee peal, vaid ka jooksevad. Kui arvestada, et nende putukate jalgade tugipind on väga väike, siis pole raske mõista, et hoolimata nende väikesest kaalust talub veepind läbimurdmata märkimisväärset survet.

Kas vesi võib üles voolata?

Jah võib-olla. Seda juhtub kogu aeg ja igal pool. Vesi ise tõuseb pinnasesse, niisutades kogu maa paksuse põhjavee tasemest. Vesi ise tõuseb puu kapillaarsoonte kaudu üles ja aitab taimel toimetada lahustunud toitaineid suurtesse kõrgustesse – sügavalt maasse peidetud juurtest kuni lehtede ja viljadeni. Vesi ise liigub kuivatuspaberi poorides ülespoole, kui peate bloti kuivatama, või rätiku kangas, kui te oma nägu pühite. Väga õhukestes torudes – kapillaarides – võib vesi tõusta mitme meetri kõrgusele.

Mis seda seletab?

Veel üks vee tähelepanuväärne omadus on selle erakordselt kõrge pindpinevus. Selle pinnal olevad veemolekulid kogevad molekulidevahelisi tõmbejõude ainult ühel küljel ja vees on see vastastikmõju anomaalselt tugev. Seetõttu tõmmatakse iga selle pinnal olev molekul vedelikku. Selle tulemusena tekib jõud, mis pingutab vedeliku pinda, vees on see eriti tugev: selle pindpinevus on 72 mN/m (millinewtonni meetri kohta).

Kas vesi mäletab?

See küsimus kõlab küll väga ebatavaliselt, kuid on üsna tõsine ja väga oluline. See puudutab suurt füüsikalis-keemilist probleemi, mille kõige olulisemat osa pole veel uuritud. See küsimus on teaduses äsja püstitatud, kuid pole sellele veel vastust leidnud.

Küsimus on selles, kas vee eelnev ajalugu mõjutab selle füüsikalisi ja keemilisi omadusi ning kas vee omadusi uurides on võimalik teada saada, mis sellega varem juhtus - panna vesi ise “mäletama” ja sellest meile rääkida. . Jah, võib-olla, nii üllatav kui see ka ei tundu. Kõige lihtsam on seda mõista lihtsa, kuid väga huvitava ja erakordse näite – jäämälu – abil.

Jää on ju vesi. Vee aurustumisel muutub vee ja auru isotoopkoostis. Kerge vesi aurustub, kuigi ebaolulisel määral, kiiremini kui raske vesi.

Loodusliku vee aurustumisel muutub koostis mitte ainult deuteeriumi, vaid ka raske hapniku isotoopsisalduses. Neid muutusi auru isotoopkoostises on väga hästi uuritud, samuti on hästi uuritud nende sõltuvust temperatuurist.

Hiljuti viisid teadlased läbi märkimisväärse eksperimendi. Arktikas, Gröönimaa põhjaosas asuva hiiglasliku liustiku paksuses, süvistati puurauk ning puuriti ja kaevandati ligi pooleteise kilomeetri pikkune hiiglaslik jääsüdamik. Sellel olid selgelt näha iga-aastased kasvava jääkihid. Kogu südamiku pikkuses viidi nendele kihtidele läbi isotoopanalüüs ning vesiniku ja hapniku raskete isotoopide – deuteeriumi ja 18O – suhtelise sisalduse alusel määrati igas tuumalõigus aastaste jääkihtide tekketemperatuurid. Aastakihi tekkimise kuupäev määrati otseloendusega. Nii taastati aastatuhandeks kliimaolukord Maal. Vesi suutis seda kõike Gröönimaa liustiku sügavates kihtides meelde jätta ja jäädvustada.

Jääkihtide isotoopanalüüside tulemusena konstrueerisid teadlased Maal kliimamuutuste kõvera. Selgus, et meie keskmine temperatuur on allutatud ilmalikele kõikumistele. 15. sajandil, 17. sajandi lõpus oli väga külm. ja 19. sajandi alguses. Kõige kuumemad aastad olid 1550 ja 1930.

Mis on siis vee "mälu" saladus?

Fakt on see, et viimastel aastatel on teaduses järk-järgult kogunenud palju hämmastavaid ja täiesti arusaamatuid fakte. Mõned neist on kindlalt välja kujunenud, teised nõuavad kvantitatiivset usaldusväärset kinnitust ja kõik need ootavad veel selgitamist.

Näiteks ei tea veel keegi, mis juhtub läbi tugeva magnetvälja voolava veega. Teoreetilised füüsikud on täiesti kindlad, et sellega ei saa midagi juhtuda ega juhtu, kinnitades oma veendumust täiesti usaldusväärsete teoreetiliste arvutustega, millest järeldub, et pärast magnetvälja lakkamist peaks vesi viivitamatult naasma oma eelmisesse olekusse ja jääma selliseks. oli . Ja kogemus näitab, et see muutub ja muutub teistsuguseks.

Kas on suur vahe? Otsustage ise. Aurukatlas tavalisest veest eralduvad lahustunud soolad sadestuvad katla torude seintele tiheda ja kõva kivina kihina ning magnetiseeritud veest (nagu seda tehnoloogias praegu nimetatakse) langevad need välja. vees hõljuva lahtise sette kujul. Tundub, et vahe on väike. Aga see oleneb vaatenurgast. Soojuselektrijaamade töötajate sõnul on see erinevus äärmiselt oluline, kuna magnetiseeritud vesi tagab hiiglaslike elektrijaamade normaalse ja katkematu töö: aurukatla torude seinad ei võsa, soojusülekanne on suurem ja elektrienergia tootmine suurem. Magnetveepuhastus on paljudes soojusjaamades juba ammu paigaldatud, kuid ei insenerid ega teadlased tea, kuidas ja miks see toimib. Lisaks on katseliselt vaadeldud, et peale vee magnettöötlust kiirenevad selles kristalliseerumise, lahustumise, adsorptsiooni protsessid ja märgumine muutub... aga kõigil juhtudel on mõjud väikesed ja raskesti taastoodavad.

Magnetvälja mõju veele (tingimata kiire vooluga) kestab sekundi murdosa, kuid vesi “mäletab” seda kümneid tunde. Miks on teadmata. Selles küsimuses on praktika teadusest kaugel ees. Edasi on ju teadmata, mida täpselt magnettöötlus mõjutab – vett või selles sisalduvaid lisandeid. Sellist asja nagu puhas vesi pole olemas.

Vee "mälu" ei piirdu ainult magnetilise mõju säilitamisega. Teaduses on palju fakte ja tähelepanekuid, mis järk-järgult kogunevad, mis näitab, et vesi näib "mäletavat", et see oli varem külmunud.

Sulavesi, mis tekkis hiljuti jäätüki sulamisel, näib samuti olevat erinev veest, millest see jäätükk tekkis. Sulavees idanevad seemned kiiremini ja paremini, idud arenevad kiiremini; veelgi enam, sulavett saavad kanad kasvavad ja arenevad kiiremini. Lisaks bioloogide poolt kindlaks tehtud sulavee hämmastavatele omadustele on teada ka puhtfüüsikalised ja keemilised erinevused, näiteks erineb sulavesi viskoossuse ja dielektrilise konstandi poolest. Sulavee viskoossus omandab oma tavapärase vee väärtuse alles 3-6 päeva pärast sulamist. Miks see nii on (kui see nii on), ei tea keegi teine.

Enamik teadlasi nimetab seda nähtuste piirkonda vee "struktuurimäluks", arvates, et kõik need kummalised ilmingud vee varasema ajaloo mõjust selle omadustele on seletatavad selle molekulaarse oleku peenstruktuuri muutustega. Võib-olla see nii on, aga... selle nimetamine ei tähenda seda seletamist. Teaduses on endiselt oluline probleem: miks ja kuidas vesi sellega juhtunut “mäletab”.

Kust vesi Maalt tuli?

Kosmiliste kiirte vood – tohutu energiaga osakeste vood – tungivad igavesti läbi universumi igas suunas. Enamik neist sisaldab prootoneid - vesinikuaatomite tuumasid. Kosmoses liikumisel allutatakse meie planeedile pidevalt "prootonipommitamine". Maa atmosfääri ülemistesse kihtidesse tungides püüavad prootonid elektrone, muutuvad vesinikuaatomiteks ja reageerivad kohe hapnikuga, moodustades vee. Arvutused näitavad, et igal aastal sünnib stratosfääris peaaegu poolteist tonni sellist "kosmilist" vett. Kõrgel ja madalal temperatuuril on veeauru elastsus väga väike ja järk-järgult akumuleeruvad veemolekulid kondenseeruvad kosmiliste tolmuosakeste peale, moodustades salapäraseid ööpilvi. Teadlased oletavad, et need koosnevad pisikestest jääkristallidest, mis tekkisid sellisest "kosmilisest" veest. Arvutused näitasid, et kogu ajaloo jooksul Maale sellisel viisil ilmunud veest piisaks täpselt, et sünnitada kõik meie planeedi ookeanid. Niisiis, vesi tuli Maale kosmosest? Aga...

Geokeemikud ei pea vett taevaseks külaliseks. Nad on veendunud, et ta on maist päritolu. Maa kesksüdamiku ja maakoore vahel asuva maa vahevöö moodustavad kivimid sulasid kohati isotoopide radioaktiivse lagunemise akumuleeruva soojuse mõjul. Neist eraldusid lenduvad komponendid: lämmastik, kloor, süsiniku- ja väävliühendid ning kõige enam eraldus veeauru.

Kui palju võiksid kõik vulkaanid kogu meie planeedi eksisteerimise ajal pursete ajal õhku paisata?

Ka teadlased on selle välja arvutanud. Selgus, et sellisest pursanud “geoloogilisest” veest piisaks ka kõigi ookeanide täitmiseks.

Meie planeedi keskosades, mis moodustavad selle tuuma, tõenäoliselt vett ei ole. On ebatõenäoline, et see võiks seal eksisteerida. Mõned teadlased usuvad, et isegi kui seal on hapnik ja vesinik, peavad need koos teiste elementidega moodustama teadusele uusi tundmatuid metallitaolisi ühendeid, millel on suur tihedus ja mis on stabiilsed tohutul rõhul ja temperatuuril. mis valitsevad maakera keskel.

Teised teadlased on kindlad, et maakera tuum koosneb rauast. See, mis meist tegelikult nii kaugel, meie jalge all, üle 3 tuhande km sügavusel ei asu, ei tea veel keegi, aga vett seal ilmselt ei ole.

Suurem osa Maa sisemuse veest leidub selle vahevöös – maakoore all paiknevates kihtides, mis ulatuvad ligikaudu 3 tuhande km sügavusele. Geoloogid usuvad, et vahevöösse on koondunud vähemalt 13 miljardit kuupmeetrit. km vett.

Maakoore kõige ülemine kiht – maakoor – sisaldab ligikaudu 1,5 miljardit kuupmeetrit. km vett. Peaaegu kogu vesi nendes kihtides on seotud olekus – see on osa kivimitest ja mineraalidest, moodustades hüdraate. Te ei saa selles vees supelda ega juua.

Hüdrosfäär, maakera veekiht, moodustab veel umbes 1,5 miljardit kuupmeetrit. km vett. Peaaegu kogu see kogus sisaldub maailma ookeanis. See hõivab umbes 70% kogu maakera pinnast, selle pindala on üle 360 ​​miljoni ruutmeetri. km. Kosmosest vaadatuna ei näe meie planeet üldsegi maakera moodi välja, vaid pigem nagu veepall.

Ookeani keskmine sügavus on umbes 4 km. Kui võrrelda seda "põhjata sügavust" maakera enda suurusega, mille keskmine läbimõõt on km, siis vastupidi, peame tunnistama, et elame märjal planeedil, see on vaid veidi niisutatud. veega ja isegi siis mitte üle kogu pinna. Ookeanide ja merede vesi on soolane – seda ei saa juua.

Vett on maal väga vähe: ainult umbes 90 miljonit kuupmeetrit. km. Neist üle 60 miljoni kuupmeetri. km on maa all, peaaegu kõik see on soolane vesi. Umbes 25 miljonit kuupmeetrit. km tahket vett asub mägistes ja liustikupiirkondades, Arktikas, Gröönimaal ja Antarktikas. Need maakera veevarud on kaitstud.

Kõik järved, sood, inimtekkelised veehoidlad ja pinnas sisaldavad veel 500 tuhat kuupmeetrit. km vett.

Vett leidub ka atmosfääris. Õhus on alati palju veeauru, isegi kõige kuivemates kõrbetes, kus pole tilkagi vett ja kunagi ei saja vihma. Lisaks hõljuvad alati üle taeva pilved, pilved kogunevad, sajab lund, sajab vihma ja maapinnale levib udu. Kõik need atmosfääri veevarud on täpselt välja arvutatud: kõik kokku moodustavad vaid 14 tuhat kuupmeetrit. km.

Ja siin saame liikuda teise kategooria juurde. Sõna all "jää" Oleme harjunud mõistma vee tahke faasi olekut. Kuid peale selle võivad külmuda ka muud ained. Seega saab jääd eristada algaine keemilise koostise järgi, näiteks süsihappegaas, ammoniaak, metaanjää jt.

Kolmandaks on vesijää kristallvõred (modifikatsioonid), mille tekke määrab termodünaamiline tegur. Sellest me selles postituses veidi räägimegi.

Artiklis Jää vaatlesime, kuidas toimub vee struktuur ümberstruktureerimisel koos selle agregatsiooniseisundi muutumisega, ja puudutasime tavalise jää kristallstruktuuri. Tänu veemolekuli enda sisemisele struktuurile ja vesiniksidemetele, mis ühendavad kõik molekulid korrastatud süsteemiks, tekib kuusnurkne (kuusnurkne) jääkristallvõre. Üksteisele kõige lähemal asuvad molekulid (üks keskne ja neli nurka) on paigutatud kolmnurkse püramiidi või tetraeedri kujul, mis on kuusnurkse kristalli modifikatsiooni aluseks ( Joonis 1).

Muideks, mõõdetakse aine väikseimate osakeste kaugust nanomeetrites (nm) või angströmides (nimetatud 19. sajandi rootsi füüsiku Anders Jonas Ångströmi järgi; tähistatud sümboliga Å). 1 Å = 0,1 nm = 10-10 m.

See tavalise jää kuusnurkne struktuur ulatub kogu selle mahuni. Seda on palja silmaga selgelt näha: talvel lumesaju ajal püüdke varrukast või kindast lumehelves ja vaadake lähemalt selle kuju - see on kuuekiireline või kuusnurkne. See on tüüpiline iga lumehelbe jaoks, kuid ükski lumehelves ei korda kunagi teist (selle kohta lähemalt meie artiklis). Ja isegi suured jääkristallid oma välise kujuga vastavad sisemisele molekulaarstruktuurile ( Joonis 2).

Oleme juba öelnud, et aine, eriti vee üleminek ühest olekust teise toimub teatud tingimustel. Tavaline jää tekib temperatuuril 0°C ja alla selle ning rõhul 1 atmosfäär (normaalväärtus). Järelikult on jää muude modifikatsioonide ilmnemiseks vajalik nende väärtuste muutmine ning enamasti madalate temperatuuride ja kõrge rõhu olemasolu, mille juures vesiniksidemete nurk muutub ja kogu kristallvõre rekonstrueeritakse.

Iga jää modifikatsioon kuulub kindlasse süsteemi – kristallide rühma, mille ühikrakkudel on sama sümmeetria ja koordinaatsüsteem (XYZ-teljed). Kokku eristatakse seitset süngooniat. Kõigi nende omadused on esitatud lehel illustratsioonid 3-4. Ja just allpool on pilt kristallide peamistest vormidest ( Joonis 5)

Kõik jää modifikatsioonid, mis erinevad tavalisest jääst, saadi laboritingimustes. Esimesed jää polümorfsed struktuurid said teadlaste jõupingutustel tuntuks 20. sajandi alguses. Gustav Heinrich Tammann Ja Percy Williams Bridgman. Bridgmani modifikatsioonide diagrammi täiendati perioodiliselt. Varem saadutest tehti kindlaks uued modifikatsioonid. Viimased muudatused diagrammis tehti meie ajal. Seni on saadud kuusteist kristallilist jäätüüpi. Igal tüübil on oma nimi ja see on tähistatud rooma numbriga.

Me ei süvene iga molekulaarse veejäätüübi füüsikalistesse omadustesse, et mitte tüüdata teid, kallid lugejad, teaduslike üksikasjadega; märgime ainult peamised parameetrid.

Tavalist jääd nimetatakse jääks Ih (eesliide “h” tähendab kuusnurkset süsteemi). Peal illustratsioonid 7 on esitatud selle kristallstruktuur, mis koosneb kuusnurksetest sidemetest (heksameeridest), mis erinevad kuju poolest - üks kujul lamamistool(Inglise) tool-vorm), teine ​​kujul vankrid (paadivorm). Need heksameerid moodustavad kolmemõõtmelise sektsiooni – kaks "lamamistooli" on üleval ja all horisontaalselt ning kolm "paati" asuvad vertikaalses asendis.

Ruumidiagramm näitab jää vesiniksidemete paigutuse järjekorda Ih, kuid tegelikult on ühendused ehitatud juhuslikult. Teadlased ei välista aga, et kuusnurkse jää pinnal on vesiniksidemed korrastatumad kui struktuuri sees.

Kuusnurkse jää ühikrakk (s.o kristalli minimaalne ruumala, mille korduv taasesitamine kolmes mõõtmes moodustab kogu kristallvõre tervikuna) sisaldab 4 veemolekuli. Lahtri mõõtmed on 4,51 Å mõlemal poolel a,b Ja 7,35 Å c-küljel (diagrammidel on c-küljel või teljel vertikaalne suund). Külgedevahelised nurgad, vaadatuna illustratsioon 4: α=β = 90°, γ = 120°. Naabermolekulide vaheline kaugus on 2,76 Å.

Kuusnurksed jääkristallid moodustavad kuusnurkseid plaate ja sambaid; nende ülemine ja alumine külg on alustasapinnad ja kuut identset külgpinda nimetatakse prismaatiliseks ( Joonis 10).

Selle kristalliseerumise alguseks vajalik minimaalne veemolekulide arv on umbes 275 (± 25). Suures osas toimub jää teke pigem õhuga piirneva veemassi pinnal, mitte selle sees. Jämedad jääkristallid Ih moodustuvad aeglaselt c-telje suunas, näiteks seisvas vees kasvavad nad kristallilistest plaatidest vertikaalselt allapoole või tingimustes, kus kasv küljele on raskendatud. Peeneteraline jää, mis tekib turbulentses vees või kiirel külmumisel, on kiirenenud prismapindadest lähtuvalt. Ümbritseva vee temperatuur määrab jääkristallvõre hargnemisastme.

Vees lahustunud ainete osakesed, välja arvatud heeliumi- ja vesinikuaatomid, mille mõõtmed võimaldavad mahtuda struktuuri õõnsustesse, jäetakse normaalsel atmosfäärirõhul kristallvõrest välja, surudes välja kristalli pinnale või , nagu ka amorfse sordi puhul (sellest pikemalt artiklis hiljem), moodustades mikrokristallide vahel kihte. Vee järjestikuseid külmutamise ja sulatamise tsükleid saab kasutada selle puhastamiseks lisanditest, näiteks gaasidest (degaseerimine).

Koos jääga Ih seal on ka jää Ic (kuupsüsteem), aga looduses on seda tüüpi jää tekkimine aeg-ajalt võimalik vaid atmosfääri ülemistes kihtides. Kunstlik jää Ic saadakse vee kohesel külmutamisel, mille jaoks aur kondenseeritakse jahutatud plaadil 80 miinusesse 110 °C metallpind normaalsel atmosfäärirõhul. Katse tulemusena kukuvad pinnale kuubikukujulised või oktaeedrite kujulised kristallid. Esimese modifikatsiooni kuupjääd ei ole võimalik luua tavalisest kuusnurksest jääst selle temperatuuri langetades, kuid üleminek kuubikujuliselt kuusnurkseks on võimalik jää kuumutamisega. Ic kõrgem miinus 80°C.

Jää molekulaarstruktuuris Ic vesiniksideme nurk on sama, mis tavalisel jääl Ih – 109,5°. Ja siin on kuusnurkne rõngas, mille moodustavad jäävõres olevad molekulid Ic olemas ainult lamamistoolina.

Jää tihedus Ic on 0,92 g/cm³ rõhul 1 atm. Kuupkristalli ühikrakkul on 8 molekuli ja mõõtmed: a=b=c = 6,35 Å ja selle nurgad α=β=γ = 90°.

Märkusel. Head lugejad, selles artiklis kohtame korduvalt ühe või teise jäätüübi temperatuuri- ja rõhunäitajaid. Ja kui Celsiuse kraadides väljendatud temperatuuriväärtused on kõigile selged, võib rõhu väärtuste tajumine mõne jaoks olla keeruline. Füüsikas kasutatakse selle mõõtmiseks erinevaid ühikuid, kuid meie artiklis tähistame seda atmosfäärides (atm), väärtusi ümardades. Normaalne atmosfäärirõhk on 1 atm, mis võrdub 760 mmHg ehk veidi üle 1 baari ehk 0,1 MPa (megapaskal).

Nagu saate aru, eriti jääga näitest Ic, on jää kristalsete modifikatsioonide olemasolu võimalik termodünaamilise tasakaalu tingimustes, st. kui temperatuuri ja rõhu tasakaal, mis määrab mis tahes kristallilise jää olemasolu, on häiritud, kaob see tüüp, muutudes teiseks modifikatsiooniks. Nende termodünaamiliste väärtuste vahemik on erinev; see on iga liigi puhul erinev. Vaatleme teisi jäätüüpe, mitte rangelt nomenklatuuri järjekorras, vaid seoses nende struktuuriliste üleminekutega.

Jää II kuulub trigonaalsüsteemi. Seda saab moodustada kuusnurksest tüübist rõhul umbes 3000 atm ja temperatuuril umbes miinus 75 ° C või muust modifikatsioonist ( jää V), vähendades järsult rõhku temperatuuril miinus 35 °C. Olemasolu II jäätüüp on võimalik miinus 170°C ja rõhuga 1 kuni 50 000 atm (või 5 gigapaskalit (GPa)). Teadlaste hinnangul võib selle modifikatsiooni jää tõenäoliselt kuuluda Päikesesüsteemi kaugete planeetide jäiste satelliitide hulka. Normaalne atmosfäärirõhk ja temperatuur üle miinus 113°C loovad tingimused seda tüüpi jää muutumiseks tavaliseks kuusnurkseks jääks.

Peal illustratsioonid 13 kujutatud jääkristallvõre II. Nähtav on struktuuri iseloomulik tunnus - omamoodi õõnsad kuusnurksed kanalid, mille moodustavad molekulaarsed sidemed. Ühikrakk (joonisel teemandiga esile tõstetud ala) koosneb kahest sidemest, mis on üksteise suhtes nii-öelda "kõrguses" nihutatud. Selle tulemusena moodustub romboeedriline võresüsteem. Lahtri mõõtmed a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Rakus on 12 molekuli. Molekulide vaheline sidenurk (O-O-O) varieerub 80-120°.

II modifikatsiooni kuumutamisel võite saada jääd III, ja vastupidi, jääjahutus III muudab selle jääks II. Samuti jää III tekib siis, kui veetemperatuuri alandatakse järk-järgult miinus 23°C-ni, tõstes rõhku 3000 atm-ni.
Nagu faasidiagrammil näha ( haige. 6), termodünaamilised tingimused jää stabiilseks olekuks III, samuti veel üks modifikatsioon - jää V, on väikesed.

Jää III Ja V neil on neli kolmikpunkti ümbritsevate modifikatsioonidega (termodünaamilised väärtused, mille juures on võimalik erinevate aine olekute olemasolu). Küll aga jää II, III Ja V modifikatsioonid võivad esineda normaalse atmosfäärirõhu ja temperatuuri miinus 170 °C tingimustes ning nende kuumutamine temperatuurini miinus 150 °C põhjustab jää teket Ic.

Võrreldes teiste praegu teadaolevate kõrgsurve modifikatsioonidega, jää III on väikseima tihedusega - rõhul 3500 atm. see võrdub 1,16 g/cm³.
Jää III on kristalliseerunud vee tetragonaalne variant, kuid jäävõre struktuur ise III on rikkumisi. Kui tavaliselt on iga molekuli ümber 4 naabermolekuli, siis sel juhul on selle indikaatori väärtus 3,2 ja lisaks võib läheduses olla veel 2 või 3 molekuli, millel pole vesiniksidemeid.
Ruumilises paigutuses moodustavad molekulid parempoolsed heliksid.
12 molekuliga ühikraku mõõtmed miinus 23 °C ja umbes 2800 atm juures: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. Vesiniksideme nurk on vahemikus 87 kuni 141°.

Peal illustratsioonid 15 tinglikult esitatakse jää molekulaarstruktuuri ruumidiagramm III. Vaatajale lähemal asuvad molekulid (sinised täpid) on näidatud suuremana ja vesiniksidemed (punased jooned) on vastavalt paksemad.

Ja nüüd, nagu öeldakse, kuumad kannul, hüppame kohe pärast jää tulijatest üle III nomenklatuuri järjekorras, kristallide modifikatsioonid ja ütleme paar sõna jää kohta IX.
Seda tüüpi jää on sisuliselt modifitseeritud jää III, mida jahutatakse kiiresti miinus 65 kuni miinus 108 ° C, et vältida jääks muutumist II. Jää IX püsib stabiilsena temperatuuril alla 133°C ja rõhul 2000 kuni 4000 atm. Selle tihedus ja struktuur on identsed III meel, kuid erinevalt jääst III jää struktuuris IX prootonite paigutuses on kord.
Jää soojendamine IX ei tagasta seda originaalile III modifikatsioonid, kuid muutub jääks II. Lahtri mõõtmed: a=b = 6,69, c = 6,71 Å temperatuuril miinus 108°C ja rõhul 2800 atm.

Muideks, ulmekirjaniku Kurt Vonneguti 1963. aastal ilmunud romaan Kassihäll keskendub ainele nimega jää-üheksa, mida kirjeldatakse kui inimtekkelist materjali, mis kujutab endast suurt ohtu elule, kuna sellega kokkupuutel kristalliseerub vesi, muutudes jää-üheksaks. Kasvõi väikese koguse selle aine sattumine maailmamere poole jäävatesse looduslikesse vetesse ähvardab külmutada kogu planeedi vee, mis omakorda tähendab kõigi elusolendite surma. Lõpuks nii juhtubki.

Jää IV on metastabiilne (nõrgalt stabiilne) trigonaalne kristallvõre moodustis. Selle olemasolu on võimalik jää faasiruumis III, V Ja VI modifikatsioonid. Võta jääd IV saab valmistada suure tihedusega amorfsest jääst, kuumutades seda aeglaselt, alustades temperatuurist miinus 130 °C konstantsel rõhul 8000 atm.
Romboeedri ühiklahtri suurus on 7,60 Å, nurgad α=β=γ = 70,1°. Rakk sisaldab 16 molekuli; vesiniksidemed molekulide vahel on asümmeetrilised. Rõhul 1 atm ja temperatuuril miinus 163 °C on jää IV tihedus 1,27 g/cm³. O–O–O sideme nurk: 88–128°.

Samamoodi IV jääd moodustava jää tüüp XII– kuumutades suure tihedusega amorfset modifikatsiooni (sellest lähemalt allpool) miinus 196-lt miinus 90 °C-le samal rõhul 8000 atm, kuid suuremal kiirusel.
Jää XII samuti metastabiilne faasipiirkonnas V Ja VI kristalsed tüübid. See on tetragonaalse süsteemi tüüp.
Ühikrakk sisaldab 12 molekuli, mis 84–135° nurkadega vesiniksidemete tõttu paiknevad kristallvõres, moodustades topelt parempoolse spiraali. Lahtri mõõtmed on: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; nurgad α=β=γ = 90º. Jää XII tihedus on normaalsel atmosfäärirõhul ja temperatuuril miinus 146 °C 1,30 g/cm³. Vesiniksideme nurgad: 67–132°.

Praegu avastatud vesijää modifikatsioonidest on jääl kõige keerulisem kristallstruktuur V. 28 molekuli moodustavad selle ühikraku; vesiniksidemed hõlmavad lünki teistes molekulaarsetes ühendites ja mõned molekulid moodustavad sidemeid ainult teatud ühenditega. Vesiniksidemete nurk naabermolekulide vahel on väga erinev - 86-132°, seega jää kristallvõres V on tugev pinge ja tohutu energiavaru.
Rakkude parameetrid normaalse atmosfäärirõhu ja temperatuuri miinus 175°C tingimustes: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Jää V on monokliiniline sort, mis tekib vee jahutamisel temperatuurini miinus 20 °C rõhul umbes 5000 atm. Kristallvõre tihedus, võttes arvesse rõhku 3500 atm, on 1,24 g/cm³.
Jääkristallvõre ruumidiagramm V tüüp näidatud illustratsioonid 18. Kristalli ühikuraku piirkond on esile tõstetud halli kontuuriga.

Prootonite järjestatud paigutus jää struktuuris V teeb sellest teise sordi nimega jää XIII. Seda monokliinilist modifikatsiooni saab saavutada, jahutades vett alla miinus 143 °C vesinikkloriidhappe (HCl) lisamisega faasisiirde hõlbustamiseks, luues rõhu 5000 atm. Pööratav üleminek alates XIII tüüp k V tüüp on võimalik temperatuurivahemikus miinus 193°C kuni miinus 153°C.
Jää ühikuraku mõõtmed XIII veidi erinev V modifikatsioonid: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (1 atm juures, miinus 193°С). Molekulide arv rakus on sama - 28. Vesiniksidemete nurk: 82–135°.

Artikli järgmises osas jätkame veejää modifikatsioonide ülevaadet.

Kohtumiseni meie ajaveebi lehtedel!

Saate lugeda ka teisi artikleid:

Jääkompositsioonid jõulupuude kujul

Kolmekuningapäeva suplemise jääkaunistus

Uusaasta jääkompositsioonid

Jääjoystick SonyPlaystation

Töötamine inimestega jääl

Chivas Regal Ice Bar

Jääkaunistused bankettidele

Jäämüür Manchesteris

Jäämööbel Hongtao Zhou

Jäänõud

Jääloss Minnesotas

Microsofti jäämaja

külmunud mullid

Jääfang Vaili orus

Jääkarud uisutavad jääl

Kutsikas ja jääkuubik

Jäälinn Krasnogorskis

Jääskulptuur – Ingel

Iluuisutamine õhukesel jääl

Jää varjud

Jääplaadid

Kajakas jäi jäässe

Moodsad asjad jääl

Kosmose jää. Teine osa: komeedid.