Structure cristalline de la glace. Propriétés de l'eau

L’état tridimensionnel de l’eau liquide est difficile à étudier, mais l’analyse de la structure des cristaux de glace a beaucoup appris. Quatre atomes d'oxygène voisins liés par une liaison hydrogène occupent les sommets d'un tétraèdre (tétra = quatre, hèdre = plan). L'énergie moyenne nécessaire pour rompre une telle liaison dans la glace est estimée à 23 kJ/mol -1.

La capacité des molécules d'eau à former un nombre donné de chaînes d'hydrogène, ainsi que la résistance spécifiée, créent un point de fusion inhabituellement élevé. Lorsqu'il fond, il est retenu par de l'eau liquide dont la structure est irrégulière. La plupart des liaisons hydrogène sont déformées. La destruction du réseau cristallin de glace lié à l’hydrogène nécessite une grande quantité d’énergie sous forme de chaleur.

Caractéristiques de l'apparence de la glace (Ih)

Beaucoup de gens ordinaires se demandent quel type de glace cristalline possède. Il convient de noter que la densité de la plupart des substances augmente lors de la congélation, lorsque les mouvements moléculaires ralentissent et que des cristaux densément compactés se forment. La densité de l'eau augmente également à mesure qu'elle refroidit jusqu'à son maximum à 4°C (277K). Puis, lorsque la température descend en dessous de cette valeur, elle se dilate.

Cette augmentation est due à la formation d'un cristal de glace ouvert lié à l'hydrogène avec son réseau et sa densité plus faible, dans lequel chaque molécule d'eau est étroitement liée par l'élément ci-dessus et quatre autres valeurs, et se déplace néanmoins suffisamment rapidement pour avoir plus de masse. Lorsque cette action se produit, le liquide gèle de haut en bas. Cela a des effets biologiques importants : une couche de glace sur un étang isole les êtres vivants du froid extrême. De plus, deux propriétés supplémentaires de l’eau sont liées à ses caractéristiques d’hydrogène : la capacité thermique spécifique et l’évaporation.

Description détaillée des structures

Le premier critère est la quantité nécessaire pour élever la température d’un gramme d’une substance de 1°C. Augmenter les degrés de l'eau nécessite une part de chaleur relativement importante car chaque molécule est impliquée dans de nombreuses liaisons hydrogène qui doivent être rompues pour que l'énergie cinétique augmente. À propos, l'abondance de H 2 O dans les cellules et les tissus de tous les grands organismes multicellulaires signifie que les fluctuations de température à l'intérieur des cellules sont minimisées. Cette fonctionnalité est essentielle car la plupart des réactions biochimiques sont sensibles au taux.

Également nettement supérieur à de nombreux autres liquides. Convertir ce solide en gaz nécessite une grande quantité de chaleur car les liaisons hydrogène doivent être rompues pour que les molécules d'eau puissent se disloquer les unes des autres et entrer dans ladite phase. Les corps variables sont des dipôles permanents et peuvent interagir avec d'autres composés similaires et avec ceux ionisés et dissous.

Les autres substances énumérées ci-dessus ne peuvent entrer en contact qu'en présence de polarité. C'est ce composé qui intervient dans la structure de ces éléments. De plus, il peut s'aligner autour de ces particules formées d'électrolytes, de sorte que les atomes d'oxygène négatifs des molécules d'eau soient orientés vers les cations, et les ions positifs et les atomes d'hydrogène soient orientés vers les anions.

En règle générale, des réseaux cristallins moléculaires et atomiques se forment. Autrement dit, si l'iode est structuré de telle manière que I 2 y soit présent, alors dans le dioxyde de carbone solide, c'est-à-dire dans la neige carbonique, il y a des molécules de CO 2 aux nœuds du réseau cristallin. Lorsqu'elle interagit avec de telles substances, la glace possède un réseau cristallin ionique. Le graphite, par exemple, ayant une structure atomique à base de carbone, n'est pas capable de la modifier, tout comme le diamant.

Que se passe-t-il lorsqu'un cristal de sel de table se dissout dans l'eau : les molécules polaires sont attirées par les éléments chargés du cristal, ce qui conduit à la formation de particules similaires de sodium et de chlorure à sa surface, en conséquence, ces corps se disloquent les uns des autres, et il commence à se dissoudre. De là, nous pouvons observer que la glace possède un réseau cristallin avec des liaisons ioniques. Chaque Na+ dissous attire les extrémités négatives de plusieurs molécules d'eau, tandis que chaque Cl - dissous attire les extrémités positives. La coquille entourant chaque ion est appelée sphère d’échappement et contient généralement plusieurs couches de particules de solvant.

Les variables ou ions entourés d’éléments sont dits sulfatés. Lorsque l’eau est le solvant, ces particules s’hydratent. Ainsi, toute molécule polaire a tendance à être solvatée par des éléments du corps liquide. Dans la neige carbonique, le type de réseau cristallin forme des liaisons atomiques à l’état global qui restent inchangées. La glace cristalline (eau gelée) est une autre affaire. Les composés organiques ioniques tels que les carboxylases et les amines protonées doivent être solubles dans les groupes hydroxyle et carbonyle. Les particules contenues dans de telles structures se déplacent entre les molécules et leurs systèmes polaires forment des liaisons hydrogène avec ce corps.

Bien entendu, le nombre de ces derniers groupes dans une molécule affecte sa solubilité, qui dépend également de la réaction des différentes structures de l'élément : par exemple, les alcools à un, deux et trois carbones sont miscibles dans l'eau, mais les hydrocarbures plus gros contenant des composés hydroxyles uniques sont beaucoup moins dilués dans les liquides.

La forme hexagonale Ih est similaire à celle du réseau cristallin atomique. Pour la glace et toute la neige naturelle sur Terre, cela ressemble exactement à ceci. Ceci est démontré par la symétrie du réseau cristallin de glace issu de la vapeur d'eau (c'est-à-dire des flocons de neige). Situé dans le groupe spatial P 63/mm avec 194 ; D 6h, classe Laue 6/mm ; similaire à β-, qui a un multiple de 6 axes hélicoïdaux (rotation autour en plus du cisaillement le long de celui-ci). Il a une structure assez ouverte avec une faible densité, où l'efficacité est faible (~1/3) par rapport aux structures cubiques simples (~1/2) ou cubiques à faces centrées (~3/4).

Comparé à la glace ordinaire, le réseau cristallin de la neige carbonique, lié par les molécules de CO 2, est statique et ne change que lorsque les atomes se désintègrent.

Description des treillis et de leurs éléments constitutifs

Les cristaux peuvent être considérés comme des motifs cristallins constitués de feuilles empilées les unes sur les autres. La liaison hydrogène est ordonnée alors qu'en réalité elle est aléatoire, puisque les protons peuvent se déplacer entre les molécules d'eau (glace) à des températures supérieures à environ 5 K. En effet, il est probable que les protons se comportent comme un fluide quantique dans un écoulement tunnel constant. Ceci est renforcé par la diffusion des neutrons montrant leur densité de diffusion à mi-chemin entre les atomes d'oxygène, indiquant la localisation et le mouvement coordonné. Ici, la similitude de la glace avec un réseau cristallin atomique et moléculaire est observée.

Les molécules ont une disposition étagée de la chaîne d'hydrogène par rapport à leurs trois voisines dans le plan. Le quatrième élément a un arrangement de liaisons hydrogène éclipsées. Il y a un léger écart par rapport à la symétrie hexagonale parfaite, jusqu'à 0,3 % plus court dans la direction de cette chaîne. Toutes les molécules vivent dans le même environnement moléculaire. Il y a suffisamment d’espace à l’intérieur de chaque « boîte » pour retenir les particules d’eau interstitielles. Bien qu’ils ne soient généralement pas pris en compte, ils ont récemment été détectés efficacement par diffraction de neutrons à partir d’un réseau cristallin de glace en poudre.

Changement de substances

Le corps hexagonal a des points triples avec de l'eau liquide et gazeuse 0,01 °C, 612 Pa, des éléments solides trois -21,985 °C, 209,9 MPa, onze et deux -199,8 °C, 70 MPa et -34,7 °C, 212,9 MPa. . La constante diélectrique de la glace hexagonale est de 97,5.

La courbe de fusion de cet élément est donnée par MPa. Des équations d'état sont disponibles, en plus d'elles quelques inégalités simples reliant l'évolution des propriétés physiques avec la température de la glace hexagonale et de ses suspensions aqueuses. La dureté varie selon les degrés, augmentant d'environ ou en dessous du gypse (≤2) à 0°C, jusqu'aux niveaux de feldspath (6 à -80°C, un changement anormalement important de la dureté absolue (>24 fois).

Le réseau cristallin hexagonal de la glace forme des plaques et des colonnes hexagonales, dont les faces supérieure et inférieure sont les plans basaux (0 0 0 1) avec une enthalpie de 5,57 μJ cm -2, et les autres plans latéraux équivalents sont appelés parties de prisme (1 0 -1 0) avec 5,94 µJ cm -2. Des surfaces secondaires (1 1 -2 0) avec 6,90 μJ ˣ cm -2 peuvent être formées le long des plans formés par les côtés des structures.

Cette structure présente une diminution anormale de la conductivité thermique avec l'augmentation de la pression (comme la glace cubique et amorphe de faible densité), mais diffère de la plupart des cristaux. Cela est dû à une modification des liaisons hydrogène, qui réduit la vitesse transversale du son dans le réseau cristallin de la glace et de l’eau.

Il existe des méthodes qui décrivent comment préparer de gros échantillons de cristaux et toute surface de glace souhaitée. On suppose que la liaison hydrogène à la surface du corps hexagonal étudié sera plus ordonnée qu’à l’intérieur du système en vrac. La spectroscopie variationnelle à oscillation de fréquence et à réseau de phases a montré qu'il existe une asymétrie structurelle entre les deux couches supérieures (L1 et L2) de la chaîne souterraine HO de la surface basale de la glace hexagonale. Les liaisons hydrogène adoptées dans les couches supérieures des hexagones (L1 O ··· HO L2) sont plus fortes que celles adoptées dans la deuxième couche vers l'accumulation supérieure (L1 OH ··· O L2). Structures de glace hexagonales interactives disponibles.

Caractéristiques du développement

Le nombre minimum de molécules d'eau requises pour la nucléation de la glace est d'environ 275 ± 25, soit le même que pour un amas icosaédrique complet de 280. La formation se produit selon un facteur 10 10 à l'interface air-eau plutôt que dans l'eau en vrac. La croissance des cristaux de glace dépend de différents taux de croissance de différentes énergies. L'eau doit être protégée du gel lors de la cryoconservation d'échantillons biologiques, d'aliments et d'organes.

Ceci est généralement réalisé grâce à des vitesses de refroidissement rapides, à l'utilisation de petits échantillons et d'un cryoconservateur, ainsi qu'à une pression accrue pour nucléer la glace et prévenir les dommages cellulaires. L'énergie libre de la glace/du liquide augmente de ~30 mJ/m2 à pression atmosphérique à 40 mJ/m2 à 200 MPa, indiquant la raison pour laquelle cet effet se produit.

Alternativement, ils peuvent se développer plus rapidement à partir de surfaces prismatiques (S2), sur des surfaces perturbées de manière aléatoire de lacs gelés ou perturbés. La croissance à partir des faces (1 1 -2 0) est au moins la même, mais les transforme en bases d'un prisme. Les données sur le développement des cristaux de glace ont été entièrement explorées. Les taux de croissance relatifs des éléments de différentes faces dépendent de la capacité à former un plus grand degré d'hydratation des articulations. La (basse) température de l’eau environnante détermine le degré de ramification des cristaux de glace. La croissance des particules est limitée par le taux de diffusion à de faibles degrés de surfusion, c'est-à-dire<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Mais elle est limitée par la cinétique de développement à des niveaux plus élevés (> 4°C), ce qui conduit à une croissance en forme d'aiguille. Cette forme est similaire à la structure de la neige carbonique (elle possède un réseau cristallin avec une structure hexagonale), des caractéristiques différentes de développement de la surface et la température de l'eau environnante (surfondue) qui se trouve derrière les formes plates des flocons de neige.

La formation de glace dans l’atmosphère influence profondément la formation et les propriétés des nuages. Les feldspaths, présents dans la poussière du désert qui pénètre dans l'atmosphère par millions de tonnes par an, sont d'importants formateurs. Des simulations informatiques ont montré que cela est dû à la nucléation de plans de cristaux de glace prismatiques sur des plans de surface à haute énergie.

Quelques autres éléments et treillis

Les solutés (à l'exception d'une très petite quantité d'hélium et d'hydrogène, qui peuvent pénétrer dans les interstices) ne peuvent pas être incorporés dans la structure Ih à pression atmosphérique, mais sont forcés à la surface ou à une couche amorphe entre les particules du corps microcristallin. Sur les sites du réseau cristallin de la neige carbonique se trouvent d'autres éléments : des ions chaotropes, tels que NH 4 + et Cl -, qui sont plus facilement inclus dans la congélation du liquide que d'autres kosmotropes, tels que Na + et SO 4 2-, leur élimination est donc impossible, du fait qu'ils forment une fine pellicule du liquide restant entre les cristaux. Cela peut conduire à une charge électrique de la surface en raison de la dissociation des eaux de surface équilibrant les charges restantes (ce qui peut également entraîner un rayonnement magnétique) et à une modification du pH des films liquides résiduels, par exemple NH 4 2 SO 4 devenant plus élevé. acide et NaCl devenant plus alcalin.

Ils sont perpendiculaires aux faces du réseau cristallin de glace, montrant la couche suivante attachée (avec des atomes O-noirs). Ils se caractérisent par une surface basale à croissance lente (0 0 0 1), où seules des molécules d'eau isolées sont fixées. Surface à croissance rapide (1 0 -1 0) d'un prisme, où des paires de particules nouvellement attachées peuvent se lier les unes aux autres avec de l'hydrogène (une liaison/deux molécules de l'élément). La face à croissance la plus rapide est (1 1 -2 0) (prismatique secondaire), où des chaînes de particules nouvellement attachées peuvent interagir les unes avec les autres par liaison hydrogène. L'une de ses molécules de chaîne/élément est une forme qui forme des crêtes qui se divisent et favorisent la transformation en deux côtés d'un prisme.

Entropie du point zéro

kBˣLn( N

Les scientifiques et leurs travaux dans ce domaine

Peut être défini comme S 0 = kBˣLn( N E0), où k B est la constante de Boltzmann, N E est le nombre de configurations à l'énergie E et E0 est l'énergie la plus basse. Cette valeur de l'entropie de la glace hexagonale à zéro kelvin ne viole pas la troisième loi de la thermodynamique, « L'entropie d'un cristal idéal au zéro absolu est exactement nulle », puisque ces éléments et particules ne sont pas idéaux et ont des liaisons hydrogène désordonnées.

Dans ce corps, les liaisons hydrogène sont aléatoires et évoluent rapidement. Ces structures ne sont pas exactement égales en énergie, mais s’étendent à un très grand nombre d’états énergétiquement proches et obéissent aux « règles de la glace ». L'entropie du point zéro est le désordre qui persisterait même si le matériau pouvait être refroidi jusqu'au zéro absolu (0 K = -273,15 °C). Donne lieu à une confusion expérimentale pour la glace hexagonale 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Théoriquement, il serait possible de calculer l'entropie nulle des cristaux de glace connus avec une bien plus grande précision (en négligeant les défauts et la dispersion des niveaux d'énergie) que de la déterminer expérimentalement.

Bien que l'ordre des protons dans la glace en vrac ne soit pas ordonné, la surface préfère probablement l'ordre desdites particules sous la forme de bandes d'atomes H et de paires isolées O pendantes (entropie nulle avec liaisons hydrogène ordonnées). Le désordre du point zéro ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 et autres a été trouvé. De tout ce qui précède, il est clair et compréhensible quels types de réseaux cristallins sont caractéristiques de la glace.

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

annotation L’importance de la glace pour la vie sur notre planète ne peut être sous-estimée. La glace a une grande influence sur les conditions de vie des plantes et des animaux ainsi que sur divers types d'activité économique humaine. Couvrant l'eau, la glace, en raison de sa faible densité, joue dans la nature le rôle d'écran flottant, protégeant les rivières et les réservoirs d'un gel supplémentaire et préservant la vie des habitants sous-marins. L'utilisation de la glace à diverses fins (rétention de la neige, construction de traversées de glace et d'entrepôts isothermes, remplissage de glace des installations de stockage et des mines) fait l'objet de plusieurs sections des sciences hydrométéorologiques et de l'ingénierie, telles que l'ingénierie des glaces, l'ingénierie de la neige, le pergélisol. l'ingénierie, ainsi que les activités des services spéciaux de reconnaissance des glaces et des équipements de transport et de déneigement des brise-glaces. La glace naturelle est utilisée pour stocker et refroidir les produits alimentaires, les préparations biologiques et médicales, pour lesquelles elle est spécialement produite et préparée, et l'eau de fonte préparée par la fonte de la glace est utilisée en médecine traditionnelle pour augmenter le métabolisme et éliminer les toxines du corps. L'article présente au lecteur de nouvelles propriétés et modifications peu connues de la glace.

La glace est une forme cristalline de l'eau qui, selon les dernières données, présente quatorze modifications structurelles. Parmi eux, il existe des modifications cristallines (glace naturelle) et amorphes (glace cubique) et métastables, différant les unes des autres par la disposition mutuelle et les propriétés physiques des molécules d'eau reliées par des liaisons hydrogène qui forment le réseau cristallin de la glace. Tous, à l'exception de la glace naturelle familière I h, qui cristallise dans un réseau hexagonal, se forment dans des conditions exotiques - à de très basses températures de neige carbonique et d'azote liquide et à des pressions élevées de milliers d'atmosphères, lorsque les angles des liaisons hydrogène dans la molécule d'eau, des changements se forment et des systèmes cristallins différents des hexagonaux se forment. De telles conditions ressemblent à celles de l’espace et n’existent pas sur Terre.

Dans la nature, la glace est représentée principalement par une variété cristalline, cristallisant dans un réseau hexagonal, rappelant la structure du diamant, où chaque molécule d'eau est entourée des quatre molécules les plus proches, situées à égale distance d'elle, égale à 2,76 angströms et placées aux sommets d'un tétraèdre régulier. En raison du faible indice de coordination, la structure de la glace est réticulaire, ce qui affecte sa faible densité, s'élevant à 0,931 g/cm 3 .

La propriété la plus inhabituelle de la glace est son étonnante variété de manifestations extérieures. Avec la même structure cristalline, il peut avoir un aspect complètement différent, prenant la forme de grêlons et de glaçons transparents, de flocons de neige duveteuse, d'une croûte de glace dense et brillante ou de masses glaciaires géantes. La glace se présente dans la nature sous forme de glace continentale, flottante et souterraine, ainsi que de neige et de givre. Il est répandu dans toutes les zones d'habitation humaine. Lorsqu'elles sont collectées en grande quantité, la neige et la glace forment des structures spéciales dont les propriétés sont fondamentalement différentes de celles des cristaux ou des flocons de neige individuels. La glace naturelle est formée principalement de glace d'origine sédimentaire-métamorphique, formée à partir de précipitations atmosphériques solides résultant d'un compactage et d'une recristallisation ultérieurs. Une caractéristique de la glace naturelle est la granulation et les bandes. Le grain est dû aux processus de recristallisation ; Chaque grain de glace glaciaire est un cristal de forme irrégulière, étroitement adjacent aux autres cristaux de la masse de glace, de telle sorte que les saillies d'un cristal s'emboîtent étroitement dans les creux d'un autre. Ce type de glace est appelé polycristallin. Dans celui-ci, chaque cristal de glace est une couche des feuilles les plus fines se chevauchant dans le plan basal perpendiculaire à la direction de l'axe optique du cristal.

Les réserves totales de glace sur Terre sont estimées à environ 30 millions. km3(Tableau 1). La majeure partie de la glace est concentrée en Antarctique, où son épaisseur de couche atteint 4 km. Il existe également des preuves de la présence de glace sur les planètes du système solaire et dans les comètes. La glace est si importante pour le climat de notre planète et pour l'habitat des êtres vivants que les scientifiques ont désigné un environnement spécial pour la glace - la cryosphère, dont les limites s'étendent haut dans l'atmosphère et profondément dans la croûte terrestre.

Tableau 1. Quantité, répartition et durée de vie de la glace.

Les cristaux de glace sont uniques par leur forme et leurs proportions. Tout cristal naturel en croissance, y compris un cristal de glace, s'efforce toujours de créer un réseau cristallin régulier idéal, car cela est bénéfique du point de vue du minimum de son énergie interne. Comme on le sait, toutes les impuretés déforment la forme du cristal. Par conséquent, lorsque l'eau cristallise, les molécules d'eau sont d'abord intégrées dans le réseau et les atomes étrangers et les molécules d'impuretés sont expulsés dans le liquide. Et seulement lorsque les impuretés n'ont nulle part où aller, le cristal de glace commence à les intégrer dans sa structure ou les laisse sous forme de capsules creuses avec un liquide concentré non gelant - la saumure. Par conséquent, la glace de mer est fraîche et même les plans d’eau les plus sales sont recouverts de glace transparente et propre. Lorsque la glace fond, elle déplace les impuretés dans la saumure. À l'échelle planétaire, le phénomène de gel et de dégel de l'eau, ainsi que l'évaporation et la condensation de l'eau, jouent le rôle d'un gigantesque processus d'épuration dans lequel l'eau sur Terre se purifie en permanence.

Tableau 2. Quelques propriétés physiques de la glace I.

Propriété	Signification	Note
Capacité thermique, cal/(g °C) Chaleur de fusion, cal/g Chaleur de vaporisation, cal/g		Diminue considérablement avec la diminution de la température
Coefficient de dilatation thermique, 1/°C	9,1 10 -5 (0 °C)	Glace polycristalline
Conductivité thermique, cal/(cm sec °C)		Glace polycristalline
Indice de réfraction :		Glace polycristalline
Conductivité électrique spécifique, ohm -1 cm -1		Énergie d'activation apparente 11 kcal/mol
Conductivité électrique de surface, ohm -1		Énergie d'activation apparente 32 kcal/mol
Module d'élasticité de Young, dyn/cm2	9 10 10 (-5 °C)	Glace polycristalline
Résistance, MN/m 2 : écrasement		Glace polycristalline Glace polycristalline Glace polycristalline
Viscosité dynamique, équilibre		Glace polycristalline
Énergie d'activation lors de la déformation et de la relaxation mécanique, kcal/mol		Augmente linéairement de 0,0361 kcal/(mol °C) de 0 à 273,16 K

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

En raison de la large répartition de la glace sur Terre, la différence entre les propriétés physiques de la glace (tableau 2) et celles d'autres substances joue un rôle important dans de nombreux processus naturels. La glace possède de nombreuses autres propriétés et anomalies essentielles au maintien de la vie : anomalies de densité, de pression, de volume et de conductivité thermique. S’il n’y avait pas de liaisons hydrogène retenant les molécules d’eau ensemble dans un cristal, la glace fondrait à –90 °C. Mais cela ne se produit pas en raison de la présence de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau. En raison de sa densité inférieure à celle de l'eau, la glace forme une couverture flottante à la surface de l'eau, protégeant les rivières et les réservoirs du gel du fond, car sa conductivité thermique est bien inférieure à celle de l'eau. Dans ce cas, la densité et le volume les plus faibles sont observés à +3,98 °C (Fig. 1). Un refroidissement supplémentaire de l'eau jusqu'à 0 0 C entraîne progressivement non pas une diminution, mais une augmentation de son volume de près de 10 %, lorsque l'eau se transforme en glace. Ce comportement de l'eau indique l'existence simultanée de deux phases d'équilibre dans l'eau - liquide et quasicristalline, par analogie avec les quasicristaux, dont le réseau cristallin a non seulement une structure périodique, mais a également des axes de symétrie d'ordres différents, dont l'existence auparavant contredit les idées des cristallographes. Cette théorie, avancée pour la première fois par le célèbre physicien théoricien russe Ya. I. Frenkel, repose sur l'hypothèse que certaines molécules liquides forment une structure quasi-cristalline, tandis que les molécules restantes ressemblent à des gaz et se déplacent librement dans le volume. La distribution des molécules dans un petit voisinage de toute molécule d'eau fixe présente un certain ordre, qui rappelle quelque peu le cristallin, bien que plus lâche. Pour cette raison, la structure de l’eau est parfois appelée quasi-cristalline ou cristalline, c’est-à-dire ayant une symétrie et un ordre dans la disposition relative des atomes ou des molécules.

Riz. 1. Dépendance du volume spécifique de glace et d'eau à la température

Une autre propriété est que la vitesse d'écoulement de la glace est directement proportionnelle à l'énergie d'activation et inversement proportionnelle à la température absolue, de sorte qu'à mesure que la température diminue, la glace se rapproche d'un corps absolument solide dans ses propriétés. En moyenne, à des températures proches de la fonte, la fluidité de la glace est 10,6 fois supérieure à celle des roches. En raison de sa fluidité, la glace ne s'accumule pas au même endroit, mais se déplace constamment sous forme de glaciers. La relation entre la vitesse d'écoulement et la contrainte pour la glace polycristalline est hyperbolique ; lorsqu'il est décrit approximativement par une équation de puissance, l'exposant augmente à mesure que la tension augmente.

La lumière visible n'est pratiquement pas absorbée par la glace, puisque les rayons lumineux traversent le cristal de glace, mais elle bloque le rayonnement ultraviolet et la majeure partie du rayonnement infrarouge du Soleil. Dans ces régions du spectre, la glace apparaît complètement noire, car le coefficient d'absorption de la lumière dans ces régions du spectre est très élevé. Contrairement aux cristaux de glace, la lumière blanche tombant sur la neige n'est pas absorbée, mais est réfractée plusieurs fois dans les cristaux de glace et réfléchie par leurs faces. C'est pourquoi la neige paraît blanche.

En raison de la très haute réflectivité de la glace (0,45) et de la neige (jusqu'à 0,95), la superficie couverte par celles-ci est en moyenne d'environ 72 millions de km par an. km2 dans les latitudes élevées et moyennes des deux hémisphères, il reçoit la chaleur solaire 65 % de moins que la normale et constitue une puissante source de refroidissement de la surface de la Terre, qui détermine en grande partie la zonation climatique latitudinale moderne. En été, dans les régions polaires, le rayonnement solaire est plus important que dans la zone équatoriale, cependant, la température reste basse, puisqu'une partie importante de la chaleur absorbée est dépensée pour faire fondre la glace, qui a une chaleur de fonte très élevée.

D'autres propriétés inhabituelles de la glace incluent la génération de rayonnement électromagnétique par ses cristaux en croissance. On sait que la plupart des impuretés dissoutes dans l’eau ne sont pas transférées à la glace lorsqu’elle commence à croître ; ils sont gelés. Ainsi, même sur les flaques d’eau les plus sales, le film de glace reste propre et transparent. Dans ce cas, les impuretés s'accumulent à la frontière des milieux solides et liquides, sous la forme de deux couches de charges électriques de signes différents, qui provoquent une différence de potentiels significative. La couche chargée d'impuretés se déplace le long de la limite inférieure de la jeune glace et émet des ondes électromagnétiques. Grâce à cela, le processus de cristallisation peut être observé en détail. Ainsi, un cristal qui s'allonge en forme d'aiguille émet différemment d'un cristal recouvert de processus latéraux, et le rayonnement des grains en croissance diffère de celui qui se produit lorsque les cristaux se fissurent. Par la forme, la séquence, la fréquence et l'amplitude des impulsions de rayonnement, on peut déterminer à quelle vitesse la glace gèle et quel type de structure de glace se forme.

Mais la chose la plus étonnante à propos de la structure de la glace est que les molécules d’eau à basse température et à haute pression à l’intérieur des nanotubes de carbone peuvent cristalliser en une forme de double hélice, rappelant les molécules d’ADN. Cela a été prouvé par de récentes expériences informatiques menées par des scientifiques américains dirigés par Xiao Cheng Zeng de l'Université du Nebraska (États-Unis). Afin que l'eau forme une spirale dans une expérience simulée, elle a été placée dans des nanotubes d'un diamètre de 1,35 à 1,90 nm sous haute pression, variant de 10 à 40 000 atmosphères et à une température de –23 °C. On s'attendait à ce que l'eau forme dans tous les cas une fine structure tubulaire. Cependant, le modèle a montré qu'avec un diamètre de nanotube de 1,35 nm et une pression externe de 40 000 atmosphères, les liaisons hydrogène dans la structure de la glace étaient pliées, ce qui conduisait à la formation d'une spirale à double paroi - interne et externe. Dans ces conditions, la paroi interne s'est avérée être tordue en une quadruple hélice et la paroi externe était constituée de quatre doubles hélices, semblables à une molécule d'ADN (Fig. 2). Ce fait peut servir de confirmation du lien entre la structure de la molécule d'ADN vitale et la structure de l'eau elle-même et du fait que l'eau a servi de matrice pour la synthèse des molécules d'ADN.

Riz. 2. Un modèle informatique de la structure de l'eau gelée dans des nanotubes, rappelant une molécule d'ADN (Photo du magazine New Scientist, 2006)

Une autre des propriétés les plus importantes de l’eau découverte récemment est que l’eau a la capacité de mémoriser des informations sur les influences passées. Cela a été prouvé pour la première fois par le chercheur japonais Masaru Emoto et notre compatriote Stanislav Zenin, qui ont été l'un des premiers à proposer une théorie des clusters de la structure de l'eau, constituée d'associés cycliques d'une structure polyédrique volumétrique - des clusters de formule générale (H 2 O) n, où n, selon les dernières données, peut atteindre des centaines, voire des milliers d'unités. C'est grâce à la présence d'amas dans l'eau que l'eau possède des propriétés informatives. Les chercheurs ont photographié les processus de congélation de l'eau en microcristaux de glace, l'influenceant avec divers champs électromagnétiques et acoustiques, mélodies, prières, mots ou pensées. Il s'est avéré que sous l'influence d'informations positives sous la forme de belles mélodies et de mots, la glace s'est figée en cristaux hexagonaux symétriques. Là où résonnaient une musique irrégulière et des paroles colériques et offensantes, l'eau, au contraire, se figeait en cristaux chaotiques et informes. C’est la preuve que l’eau possède une structure particulière, sensible aux influences extérieures. Vraisemblablement, le cerveau humain, composé de 85 à 90 % d’eau, a un fort effet structurant sur l’eau.

Les cristaux Emoto suscitent à la fois de l’intérêt et des critiques insuffisamment fondées. Si vous les regardez attentivement, vous remarquerez que leur structure se compose de six sommets. Mais une analyse encore plus minutieuse montre que les flocons de neige en hiver ont la même structure, toujours symétriques et à six sommets. Dans quelle mesure les structures cristallisées contiennent-elles des informations sur l’environnement dans lequel elles ont été créées ? La structure des flocons de neige peut être belle ou informe. Cela indique que l’échantillon témoin (nuage dans l’atmosphère) d’où ils proviennent a sur eux la même influence que les conditions d’origine. Les conditions initiales sont l'activité solaire, la température, les champs géophysiques, l'humidité, etc. Tout cela signifie ce qu'on appelle. ensemble moyen, nous pouvons conclure que la structure des gouttelettes d'eau puis des flocons de neige est à peu près la même. Leur masse est presque la même et ils se déplacent dans l’atmosphère à des vitesses similaires. Dans l'atmosphère, ils continuent à former leurs structures et à augmenter de volume. Même s'ils se sont formés dans différentes parties du nuage, dans un groupe, il y a toujours un certain nombre de flocons de neige apparus presque dans les mêmes conditions. Et la réponse à la question de savoir ce qui constitue une information positive et négative sur les flocons de neige se trouve dans Emoto. Dans des conditions de laboratoire, les informations négatives (séisme, vibrations sonores défavorables à l'homme, etc.) ne forment pas des cristaux, mais des informations positives, bien au contraire. Il est très intéressant de savoir dans quelle mesure un facteur peut façonner des structures de flocons de neige identiques ou similaires. La densité d'eau la plus élevée est observée à une température de 4 °C. Il a été scientifiquement prouvé que la densité de l’eau diminue lorsque des cristaux de glace hexagonaux commencent à se former lorsque la température descend en dessous de zéro. C'est le résultat des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau.

Quelle est la raison de cette structuration ? Les cristaux sont des solides et leurs atomes, molécules ou ions qui les constituent sont disposés selon un motif régulier et répétitif dans trois dimensions spatiales. La structure des cristaux d’eau est légèrement différente. Selon Isaac, seulement 10 % des liaisons hydrogène dans la glace sont covalentes, c'est-à-dire avec des informations assez stables. Les liaisons hydrogène entre l’oxygène d’une molécule d’eau et l’hydrogène d’une autre sont les plus sensibles aux influences extérieures. Le spectre de l’eau lors de la formation des cristaux est relativement différent au fil du temps. Selon l'effet de l'évaporation discrète d'une goutte d'eau prouvé par Antonov et Yuskeseliev et sa dépendance aux états énergétiques des liaisons hydrogène, nous pouvons chercher une réponse sur la structuration des cristaux. Chaque partie du spectre dépend de la tension superficielle des gouttelettes d'eau. Il y a six pics dans le spectre, qui indiquent les branches du flocon de neige.

Il est clair que dans les expériences d’Emoto, l’échantillon « témoin » initial affecte l’apparence des cristaux. Cela signifie qu'après exposition à un certain facteur, on peut s'attendre à la formation de cristaux similaires. Il est quasiment impossible d'obtenir des cristaux identiques. Lors du test de l'effet du mot « amour » sur l'eau, Emoto n'indique pas clairement si l'expérience a été réalisée avec différents échantillons.

Des expériences en double aveugle sont nécessaires pour vérifier si la technique Emoto est suffisamment différenciée. La preuve d'Isaac selon laquelle 10 % des molécules d'eau forment des liaisons covalentes après congélation nous montre que l'eau utilise cette information lorsqu'elle gèle. La réussite d'Emoto, même sans expériences en double aveugle, reste assez importante en ce qui concerne les propriétés informationnelles de l'eau.

Flocon de neige naturel, Wilson Bentley, 1925

Flocon de neige Emoto obtenu à partir d'eau naturelle

Un flocon de neige est naturel et l'autre est créé par Emoto, ce qui indique que la diversité du spectre de l'eau n'est pas illimitée.

Tremblement de terre, Sofia, échelle de Richter 4,0, 15 novembre 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. L'appareil d'Antonov©

Ce chiffre indique la différence entre l'échantillon témoin et ceux prélevés les autres jours. Les molécules d'eau brisent les liaisons hydrogène les plus énergétiques de l'eau, ainsi que deux pics du spectre lors d'un phénomène naturel. L'étude a été réalisée à l'aide d'un appareil Antonov. Le résultat biophysique montre une diminution du tonus vital du corps lors d'un séisme. Lors d'un tremblement de terre, l'eau ne peut pas modifier sa structure dans les flocons de neige du laboratoire d'Emoto. Il existe des preuves de changements dans la conductivité électrique de l'eau lors d'un tremblement de terre.

En 1963, l’écolier tanzanien Erasto Mpemba a remarqué que l’eau chaude gèle plus vite que l’eau froide. Ce phénomène est appelé effet Mpemba. Bien que la propriété unique de l'eau ait été remarquée bien plus tôt par Aristote, Francis Bacon et René Descartes. Le phénomène a été maintes fois prouvé par de nombreuses expériences indépendantes. L’eau a une autre propriété étrange. À mon avis, l'explication est la suivante : le spectre énergétique différentiel hors équilibre (DNES) de l'eau bouillie présente une énergie moyenne des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau inférieure à celle d'un échantillon prélevé à température ambiante. Cela signifie que l'eau bouillie a besoin moins d'énergie pour commencer à structurer les cristaux et à les geler.

La clé de la structure de la glace et de ses propriétés réside dans la structure de son cristal. Les cristaux de toutes les modifications de la glace sont construits à partir de molécules d'eau H 2 O reliées par des liaisons hydrogène dans des structures maillées tridimensionnelles avec un arrangement spécifique de liaisons hydrogène. Une molécule d’eau peut être simplement imaginée comme un tétraèdre (une pyramide à base triangulaire). En son centre se trouve un atome d'oxygène, qui est dans un état d'hybridation sp 3, et à deux sommets se trouve un atome d'hydrogène dont l'un des électrons 1s est impliqué dans la formation d'une liaison covalente H-O avec l'oxygène. Les deux sommets restants sont occupés par des paires d'électrons d'oxygène non appariés qui ne participent pas à la formation de liaisons intramoléculaires, c'est pourquoi ils sont appelés solitaires. La forme spatiale de la molécule H 2 O s'explique par la répulsion mutuelle des atomes d'hydrogène et des paires d'électrons solitaires de l'atome d'oxygène central.

La liaison hydrogène est importante dans la chimie des interactions intermoléculaires et est provoquée par de faibles forces électrostatiques et des interactions donneur-accepteur. Cela se produit lorsque l’atome d’hydrogène déficient en électrons d’une molécule d’eau interagit avec la seule paire électronique de l’atome d’oxygène d’une molécule d’eau voisine (O-H...O). Une caractéristique distinctive de la liaison hydrogène est sa résistance relativement faible ; elle est 5 à 10 fois plus faible qu’une liaison covalente chimique. En termes d'énergie, une liaison hydrogène occupe une position intermédiaire entre une liaison chimique et les interactions de Van der Waals qui maintiennent les molécules en phase solide ou liquide. Chaque molécule d'eau dans un cristal de glace peut former simultanément quatre liaisons hydrogène avec d'autres molécules voisines selon des angles strictement définis égaux à 109°47", dirigés vers les sommets du tétraèdre, qui ne permettent pas la création d'une structure dense lorsque l'eau gèle ( Fig. 3). Dans les structures de glace I, Ic, VII et VIII, ce tétraèdre est régulier. Dans les structures de glace II, III, V et VI, les tétraèdres sont sensiblement déformés. Dans les structures de glace VI, VII et VIII, deux se croisent mutuellement. On distingue des systèmes de liaisons hydrogène. Ce cadre invisible de liaisons hydrogène dispose les molécules d'eau sous la forme d'un réseau maillé dont la structure ressemble à un nid d'abeille hexagonal avec des canaux internes creux. Si la glace est chauffée, la structure du réseau est détruite : l'eau les molécules commencent à tomber dans les vides du maillage, conduisant à une structure liquide plus dense - cela explique pourquoi l'eau est plus lourde que la glace.

Riz. 3. Formation d'une liaison hydrogène entre quatre molécules H2O (les boules rouges représentent les atomes d'oxygène centraux, les boules blanches représentent les atomes d'hydrogène)

La spécificité des liaisons hydrogène et des interactions intermoléculaires caractéristiques de la structure de la glace est préservée dans l'eau de fonte, puisque lorsqu'un cristal de glace fond, seulement 15 % de toutes les liaisons hydrogène sont détruites. Par conséquent, la connexion entre chaque molécule d'eau et quatre molécules voisines inhérentes à la glace (« ordre à courte portée ») n'est pas violée, bien qu'un plus grand flou du réseau de charpente de l'oxygène soit observé. Les liaisons hydrogène peuvent également être maintenues lorsque l’eau bout. Ce n'est que dans la vapeur d'eau qu'il n'y a pas de liaisons hydrogène.

La glace, qui se forme à la pression atmosphérique et fond à 0 °C, est la substance la plus courante, mais encore mal comprise. Une grande partie de sa structure et de ses propriétés semble inhabituelle. Sur les sites du réseau cristallin de glace, les atomes d'oxygène des tétraèdres des molécules d'eau sont disposés de manière ordonnée, formant des hexagones réguliers, comme un nid d'abeille hexagonal, et les atomes d'hydrogène occupent diverses positions sur les liaisons hydrogène reliant les atomes d'oxygène (Fig. 4). Par conséquent, six orientations équivalentes des molécules d’eau par rapport à leurs voisines sont possibles. Certains d'entre eux sont exclus, car la présence de deux protons simultanément sur la même liaison hydrogène est peu probable, mais il reste suffisamment d'incertitude sur l'orientation des molécules d'eau. Ce comportement des atomes est atypique, puisque dans une substance solide tous les atomes obéissent à la même loi : soit les atomes sont disposés de manière ordonnée, et alors c'est un cristal, soit de manière aléatoire, et alors c'est une substance amorphe. Une structure aussi inhabituelle peut être réalisée dans la plupart des modifications de la glace - Ih, III, V, VI et VII (et apparemment dans Ic) (tableau 3), et dans la structure de la glace II, VIII et IX, les molécules d'eau sont ordonnées par orientation. . Selon J. Bernal, la glace est cristalline par rapport aux atomes d'oxygène et vitreuse par rapport aux atomes d'hydrogène.

Riz. 4. Structure de glace de configuration hexagonale naturelle I h

Dans d'autres conditions, par exemple dans l'Espace à hautes pressions et basses températures, la glace cristallise différemment, formant d'autres réseaux cristallins et modifications (cubiques, trigonaux, tétragonaux, monocliniques, etc.), chacun ayant sa propre structure et son propre réseau cristallin (Tableau 3 ). Les structures de glace de diverses modifications ont été calculées par les chercheurs russes Dr. G.G. Malenkov et docteur en physique et mathématiques. E.A. Zheligovskaya de l'Institut de chimie physique et d'électrochimie du nom. UN. Frumkin de l'Académie russe des sciences. Les glaces des modifications II, III et V se conservent longtemps à la pression atmosphérique si la température ne dépasse pas -170 °C (Fig. 5). Lorsqu'elle est refroidie à environ -150 °C, la glace naturelle se transforme en glace cubique Ic, composée de cubes et d'octaèdres de plusieurs nanomètres. La glace I c apparaît parfois lorsque l'eau gèle dans les capillaires, ce qui est apparemment facilité par l'interaction de l'eau avec le matériau du mur et la répétition de sa structure. Si la température est légèrement supérieure à -110 0 C, des cristaux de glace amorphe vitreux plus denses et plus lourds d'une densité de 0,93 g/cm 3 se forment sur le substrat métallique. Ces deux formes de glace peuvent se transformer spontanément en glace hexagonale, et plus vite, plus la température est élevée.

Tableau 3. Quelques modifications des glaces et de leurs paramètres physiques.

Note. 1 Å = 10 -10 m

Riz. 5. Schéma de l'état des glaces cristallines de diverses modifications.

Il existe également des glaces à haute pression - modifications trigonales et tétragonales II et III, formées de nids d'abeilles creux formés d'éléments ondulés hexagonaux, décalés les uns par rapport aux autres d'un tiers (Fig. 6 et Fig. 7). Ces glaces sont stabilisées en présence des gaz rares hélium et argon. Dans la structure de la modification monoclinique Ice V, les angles entre les atomes d'oxygène voisins vont de 86 0 à 132 °, ce qui est très différent de l'angle de liaison dans une molécule d'eau, qui est de 105 ° 47 '. La glace VI de la modification tétragonale se compose de deux cadres insérés l'un dans l'autre, entre lesquels il n'y a pas de liaisons hydrogène, ce qui entraîne la formation d'un réseau cristallin centré sur le corps (Fig. 8). La structure de la glace VI est basée sur des hexamères - des blocs de six molécules d'eau. Leur configuration reprend exactement la structure d'un amas d'eau stable, donnée par les calculs. Les glaces VII et VIII de la modification cubique, qui sont des formes ordonnées de glace VII à basse température, ont une structure similaire avec des cadres de glace I insérés les uns dans les autres. Avec une augmentation ultérieure de la pression, la distance entre les atomes d'oxygène dans le réseau cristallin des glaces VII et VIII diminuera, ce qui entraînera la formation de la structure de la glace X, dans laquelle les atomes d'oxygène sont disposés dans un réseau régulier et le les protons sont ordonnés.

Riz. 7. Configuration Glace III.

La glace XI est formée par refroidissement profond de la glace I h avec ajout d'alcali en dessous de 72 K à pression normale. Dans ces conditions, des défauts de cristaux d’hydroxyle se forment, permettant aux cristaux de glace en croissance de modifier leur structure. Ice XI possède un réseau cristallin orthorhombique avec un arrangement ordonné de protons et se forme simultanément dans de nombreux centres de cristallisation à proximité des défauts hydroxyles du cristal.

Riz. 8. Configuration Glace VI.

Parmi les glaces, il existe également les formes métastables IV et XII, dont la durée de vie est de quelques secondes et qui possèdent la plus belle structure (Fig. 9 et Fig. 10). Pour obtenir de la glace métastable, il faut comprimer la glace I h à une pression de 1,8 GPa à la température de l'azote liquide. Ces glaces se forment beaucoup plus facilement et sont particulièrement stables si de l’eau lourde surfondue est soumise à une pression. Une autre modification métastable, la glace IX, se forme lorsque la glace III est en surfusion et représente essentiellement sa forme à basse température.

Riz. 9. Configuration Glace IV.

Riz. dix. Configuration Glace XII.

Les deux dernières modifications de la glace - avec une configuration monoclinique XIII et une configuration orthorhombique XIV - ont été découvertes par des scientifiques d'Oxford (Royaume-Uni) assez récemment - en 2006. L'hypothèse selon laquelle il devrait y avoir des cristaux de glace avec des réseaux monocliniques et orthorhombiques était difficile à confirmer : la viscosité de l'eau à une température de -160°C est très élevée, et il est difficile pour les molécules d'eau pure surfondue de se rassembler en de telles quantités pour former un noyau cristallin. Ceci a été réalisé à l'aide d'un catalyseur - l'acide chlorhydrique, qui a augmenté la mobilité des molécules d'eau à basse température. De telles modifications de la glace ne peuvent pas se former sur Terre, mais elles peuvent exister dans l’espace sur des planètes refroidies et sur des satellites et des comètes gelés. Ainsi, les calculs de densité et de flux de chaleur provenant de la surface des satellites de Jupiter et de Saturne permettent d'affirmer que Ganymède et Callisto doivent avoir une coquille glacée dans laquelle alternent les glaces I, III, V et VI. Sur Titan, les glaces ne forment pas une croûte, mais un manteau dont la couche interne est constituée de glace VI, d'autres glaces à haute pression et d'hydrates de clathrate, et la glace I h est située au sommet.

Riz. onze. Diversité et forme des flocons de neige dans la nature

Dans l'atmosphère terrestre, à basse température, l'eau cristallise à partir de tétraèdres formant de la glace hexagonale Ih. Le centre de formation des cristaux de glace est constitué de particules de poussière solides, qui sont soulevées dans les couches supérieures de l'atmosphère par le vent. Autour de ce microcristal embryonnaire de glace, des aiguilles formées par des molécules d'eau individuelles se développent dans six directions symétriques, sur lesquelles se développent des processus latéraux - les dendrites. La température et l'humidité de l'air autour du flocon de neige sont les mêmes, sa forme est donc initialement symétrique. À mesure que les flocons de neige se forment, ils tombent progressivement dans les couches inférieures de l’atmosphère, où la température est plus élevée. Ici, la fonte se produit et leur forme géométrique idéale est déformée, formant une variété de flocons de neige (Fig. 11).

Avec une fonte plus poussée, la structure hexagonale de la glace est détruite et un mélange d'associations cycliques d'amas, ainsi que de tri-, tétra-, penta-, hexamères d'eau (Fig. 12) et de molécules d'eau libres se forme. L'étude de la structure des amas résultants est souvent très difficile, car l'eau, selon les données modernes, est un mélange de divers amas neutres (H 2 O) n et de leurs ions d'amas chargés [H 2 O] + n et [H 2 O ] - n, qui sont en équilibre dynamique entre eux avec une durée de vie de 10 -11 -10 -12 secondes.

Riz. 12. Amas d'eau possibles (a-h) de composition (H 2 O) n, où n = 5-20.

Les clusters sont capables d'interagir les uns avec les autres à travers des faces de liaison hydrogène saillantes vers l'extérieur, formant des structures polyédriques plus complexes telles que l'hexaèdre, l'octaèdre, l'icosaèdre et le dodécaèdre. Ainsi, la structure de l'eau est associée aux solides dits platoniciens (tétraèdre, hexaèdre, octaèdre, icosaèdre et dodécaèdre), du nom de l'ancien philosophe et géomètre grec Platon qui les a découverts, dont la forme est déterminée par le nombre d'or. (Fig. 13).

Riz. 13. Solides platoniciens dont la forme géométrique est déterminée par le nombre d'or.

Le nombre de sommets (B), de faces (G) et d'arêtes (P) dans tout polyèdre spatial est décrit par la relation :

B + G = P + 2

Le rapport du nombre de sommets (B) d'un polyèdre régulier au nombre d'arêtes (P) d'une de ses faces est égal au rapport du nombre de faces (G) de ce même polyèdre au nombre d'arêtes ( P) émergeant d'un de ses sommets. Pour un tétraèdre, ce rapport est de 4:3, pour un hexaèdre (6 faces) et un octaèdre (8 faces), il est de 2:1, et pour un dodécaèdre (12 faces) et un icosaèdre (20 faces), il est de 4:1.

Les structures des amas d'eau polyédriques, calculées par des scientifiques russes, ont été confirmées à l'aide de méthodes analytiques modernes : spectroscopie de résonance magnétique du proton, spectroscopie laser femtoseconde, diffraction des rayons X et des neutrons sur les cristaux d'eau. La découverte des amas d'eau et la capacité de l'eau à stocker des informations sont deux des découvertes les plus importantes du 21e millénaire. Cela prouve clairement que la nature se caractérise par une symétrie sous la forme de formes et de proportions géométriques précises, caractéristiques des cristaux de glace.

LITTÉRATURE.

1. Belyanin V., Romanova E. La vie, la molécule d'eau et la proportion d'or // Science et Vie, 2004, Vol. 10, n° 3, p. 23-34.

2. Shumsky P.A., Fondements de la science structurelle des glaces. - Moscou, 1955b p. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Conscience de l'eau en tant que substance vitale. // Conscience et réalité physique. 2011, T 16, n° 12, p. 9-22.

4. Petryanov I.V. La substance la plus extraordinaire du monde. Moscou, Pédagogie, 1981, p. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Structure et propriétés de l'eau. - Léningrad, Gidrometeoizdat, 1975, p. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Eau familière et mystérieuse. – Kiev, école Rodyanbsk, 1982, p. 62-64.

7. Zatsepina G.N. Structure et propriétés de l'eau. – Moscou, éd. Université d'État de Moscou, 1974, p. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Fondements de la physique de l'eau - Kiev, Naukova Dumka, 1991, p. 167.

9. Simonite T. Glace semblable à l'ADN "vue" à l'intérieur de nanotubes de carbone // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Messages de l'eau. Codes secrets des cristaux de glace. - Sofia, 2006. p. 96.

11. Zenin S.V., Tyaglov B.V. La nature de l'interaction hydrophobe. L'émergence de champs d'orientation dans les solutions aqueuses // Journal of Physical Chemistry, 1994, T. 68, n° 3, p. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Liaison hydrogène - Moscou, Nauka, 1964, p. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Structure de l'eau et des solutions ioniques // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1934, T. 14, n° 5, p. 587-644.

14. Khobza P., Zahradnik R. Complexes intermoléculaires : Le rôle des systèmes de van der Waals en chimie physique et biodisciplines. – Moscou, Mir, 1989, p. 34-36.

15. Pounder E. R. Physique de la glace, trans. de l'anglais - Moscou, 1967, p. 89.

16. Komarov S. M. Modèles de glace à haute pression. // Chimie et Vie, 2007, n°2, pp. 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya, G. G. Malenkov. Glaces cristallines // Uspekhi khimii, 2006, n°75, p. 64.

18. Fletcher N. H. La physique chimique de la glace, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A.V. Diversité des clusters // Russian Chemical Journal, 1996, T. 40, n° 2, p. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. La structure de l'eau et la réalité physique. // Conscience et réalité physique, 2011, T. 16, n°9, p. 16-32.

21. Ignatov I. Médecine bioénergétique. Origine de la matière vivante, mémoire de l'eau, biorésonance, champs biophysiques. - GayaLibris, Sofia, 2006, p. 93.

Recherche personnalisée

Structure de l'eau

doctorat O.V. Mosine

Une molécule d'eau est un petit dipôle contenant des charges positives et négatives à ses pôles. Puisque la masse et la charge du noyau d’oxygène sont supérieures à celles des noyaux d’hydrogène, le nuage électronique est attiré vers le noyau d’oxygène. Dans ce cas, les noyaux d’hydrogène sont exposés. Ainsi, le nuage électronique a une densité non uniforme. Il y a un manque de densité électronique près des noyaux d'hydrogène, et du côté opposé de la molécule, près du noyau d'oxygène, il y a un excès de densité électronique. C'est cette structure qui détermine la polarité de la molécule d'eau. Si vous reliez les épicentres des charges positives et négatives avec des lignes droites, vous obtenez une figure géométrique tridimensionnelle - un tétraèdre régulier.

La structure d'une molécule d'eau (photo de droite)

Du fait de la présence de liaisons hydrogène, chaque molécule d'eau forme une liaison hydrogène avec 4 molécules voisines, formant un cadre maillé ajouré dans la molécule de glace. Cependant, à l’état liquide, l’eau est un liquide désordonné ; Ces liaisons hydrogène sont spontanées, de courte durée, se brisent et se reforment rapidement. Tout cela conduit à une hétérogénéité dans la structure de l’eau.

Liaisons hydrogène entre les molécules d'eau (image en bas à gauche)

Le fait que l’eau soit de composition hétérogène est établi depuis longtemps. On sait depuis longtemps que la glace flotte à la surface de l'eau, c'est-à-dire que la densité de la glace cristalline est inférieure à la densité du liquide.

Pour presque toutes les autres substances, le cristal est plus dense que la phase liquide. De plus, même après la fonte, avec l’augmentation de la température, la densité de l’eau continue d’augmenter et atteint un maximum à 4°C. Moins connue est l’anomalie de compressibilité de l’eau : lorsqu’elle est chauffée depuis le point de fusion jusqu’à 40°C, elle diminue puis augmente. La capacité calorifique de l’eau dépend également de manière non monotone de la température.

De plus, à des températures inférieures à 30 °C, avec une augmentation de la pression atmosphérique à 0,2 GPa, la viscosité de l'eau diminue et le coefficient d'autodiffusion, paramètre qui détermine la vitesse de déplacement des molécules d'eau les unes par rapport aux autres, augmente.

Pour d'autres liquides, la relation est inverse, et il n'arrive presque nulle part qu'un paramètre important se comporte de manière non monotone, c'est-à-dire a d'abord augmenté, et après avoir dépassé une valeur critique de température ou de pression, a diminué. On a supposé qu'en fait l'eau n'est pas un liquide unique, mais un mélange de deux composants qui diffèrent par leurs propriétés, par exemple la densité et la viscosité, et donc la structure. De telles idées ont commencé à surgir à la fin du XIXe siècle, lorsque de nombreuses données sur les anomalies de l'eau se sont accumulées.

Whiting a été le premier à proposer l'idée que l'eau est composée de deux composants en 1884. Sa paternité est citée par E.F. Fritsman dans la monographie « The Nature of Water. Heavy Water », publiée en 1935. En 1891, V. Rengten a introduit le concept de deux états de l'eau, qui diffèrent par leur densité. Par la suite, de nombreux ouvrages parurent dans lesquels l'eau était considérée comme un mélange d'associés de compositions différentes (hydrols).

Lorsque la structure de la glace a été déterminée dans les années 1920, il s'est avéré que les molécules d'eau à l'état cristallin forment un réseau continu tridimensionnel dans lequel chaque molécule a quatre voisins les plus proches situés aux sommets d'un tétraèdre régulier. En 1933, J. Bernal et P. Fowler ont suggéré qu'un réseau similaire existe dans l'eau liquide. Puisque l'eau est plus dense que la glace, ils pensaient que les molécules qu'elle contient ne sont pas disposées comme dans la glace, c'est-à-dire comme les atomes de silicium dans la tridymite minérale, mais comme les atomes de silicium dans une modification plus dense de la silice, le quartz. L'augmentation de la densité de l'eau lorsqu'elle est chauffée de 0 à 4°C s'explique par la présence du composant tridymite à basse température. Ainsi, le modèle de Bernal Fowler a conservé l'élément de double structure, mais leur principale réalisation a été l'idée d'un réseau tétraédrique continu. Puis est apparu le célèbre aphorisme de I. Langmuir : « L'océan est une grosse molécule ». Une spécification excessive du modèle n’a pas augmenté le nombre de partisans de la théorie du maillage unifié.

Ce n'est qu'en 1951 que J. Pople a créé un modèle de grille continue, moins spécifique que le modèle de Bernal Fowler. Pople a imaginé l'eau comme un réseau tétraédrique aléatoire, dont les liaisons entre les molécules sont courbées et ont des longueurs différentes. Le modèle de Pople explique le compactage de l'eau lors de la fusion par la flexion des liaisons. Lorsque les premières définitions de la structure des glaces II et IX sont apparues dans les années 60-70, il est devenu clair comment la flexion des liaisons peut conduire au compactage de la structure. Le modèle de Pople n'a pas pu expliquer la dépendance non monotone des propriétés de l'eau à la température et à la pression, ainsi que les modèles à deux états. Par conséquent, l’idée de deux États a longtemps été partagée par de nombreux scientifiques.

Mais dans la seconde moitié du XXe siècle, il était impossible de fantasmer sur la composition et la structure des hydrols comme c'était le cas au début du siècle. On savait déjà comment fonctionnent la glace et les hydrates cristallins, et ils en savaient beaucoup sur les liaisons hydrogène. Outre les modèles de continuum (modèle de Pople), deux groupes de modèles mixtes ont émergé : le cluster et le clathrate. Dans le premier groupe, l'eau apparaissait sous la forme d'amas de molécules reliées par des liaisons hydrogène, qui flottaient dans une mer de molécules non impliquées dans de telles liaisons. Le deuxième groupe de modèles traitait l’eau comme un réseau continu (généralement appelé cadre dans ce contexte) de liaisons hydrogène contenant des vides ; ils contiennent des molécules qui ne forment pas de liaisons avec les molécules de la charpente. Il n'a pas été difficile de sélectionner les propriétés et les concentrations de deux microphases des modèles d'amas ou les propriétés de la charpente et le degré de remplissage de ses vides des modèles de clathrates afin d'expliquer toutes les propriétés de l'eau, y compris les fameuses anomalies.

Parmi les modèles de clusters, le plus frappant était le modèle de G. Nemeti et H. Sheragi.: Les images qu'ils ont proposées, représentant des amas de molécules liées flottant dans une mer de molécules non liées, ont été incluses dans de nombreuses monographies.

Le premier modèle de type clathrate a été proposé en 1946 par O. Ya. Samoilov : dans l'eau, un réseau de liaisons hydrogène semblable à de la glace hexagonale est conservé, dont les cavités sont partiellement remplies de molécules monomères. L. Pauling en 1959 a créé une autre option, suggérant que la base de la structure pourrait être un réseau de liaisons inhérent à certains hydrates cristallins.

Durant la seconde moitié des années 60 et le début des années 70, une convergence de tous ces points de vue a été observée. Des variantes de modèles de cluster sont apparues dans lesquelles les molécules des deux microphases sont reliées par des liaisons hydrogène. Les partisans des modèles clathrates ont commencé à admettre la formation de liaisons hydrogène entre les molécules vides et les molécules de charpente. Autrement dit, les auteurs de ces modèles considèrent l'eau comme un réseau continu de liaisons hydrogène. Et nous parlons de l'hétérogénéité de cette grille (par exemple, en densité). L'idée de l'eau sous forme d'amas liés à l'hydrogène flottant dans une mer de molécules d'eau non liées a pris fin au début des années 80, lorsque G. Stanley a appliqué la théorie de la percolation, qui décrit les transitions de phase de l'eau, à la modèle d'eau.

En 1999, le célèbre chercheur russe en eau S.V. Zenin a soutenu sa thèse de doctorat à l'Institut des problèmes médicaux et biologiques de l'Académie des sciences de Russie sur la théorie des clusters, ce qui a constitué une étape importante dans l'avancement de ce domaine de recherche, dont la complexité est renforcée par le fait qu'ils sont à l'intersection de trois sciences : la physique, la chimie et la biologie. Sur la base des données obtenues par trois méthodes physicochimiques : la réfractométrie (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), la chromatographie liquide à haute performance (S.V. Zenin et al., 1998) et la résonance magnétique protonique (C S.V. Zenin, 1993) ont construit et prouvé une géométrie géométrique. modèle de la principale formation structurelle stable des molécules d'eau (eau structurée), puis (S.V. Zenin, 2004) une image de ces structures a été obtenue à l'aide d'un microscope à phase contrastée.

La science a maintenant prouvé que les particularités des propriétés physiques de l'eau et les nombreuses liaisons hydrogène de courte durée entre les atomes d'hydrogène et d'oxygène voisins dans une molécule d'eau créent des opportunités favorables pour la formation de structures associées spéciales (clusters) qui perçoivent, stockent et transmettent un une grande variété d'informations.

L'unité structurelle de cette eau est un amas constitué de clathrates dont la nature est déterminée par les forces coulombiennes à longue portée. La structure des clusters code des informations sur les interactions qui ont eu lieu avec ces molécules d'eau. Dans les amas d'eau, en raison de l'interaction entre les liaisons covalentes et hydrogène entre les atomes d'oxygène et les atomes d'hydrogène, la migration d'un proton (H+) peut se produire via un mécanisme de relais, conduisant à une délocalisation du proton au sein de l'amas.

L'eau, composée de nombreux amas de différents types, forme une structure spatiale hiérarchique de cristaux liquides capable de percevoir et de stocker d'énormes quantités d'informations.

La figure (V.L. Voeikov) montre à titre d'exemple des diagrammes de plusieurs structures de cluster simples.

Quelques structures possibles de clusters d'eau

Des champs physiques de nature très différente peuvent être porteurs d'informations. Ainsi, la possibilité d'une interaction informationnelle à distance de la structure cristalline liquide de l'eau avec des objets de diverses natures en utilisant des champs électromagnétiques, acoustiques et autres a été établie. L'objet d'influence peut aussi être une personne.

L'eau est une source de rayonnement électromagnétique alternatif ultra-faible et faible. Le rayonnement électromagnétique le moins chaotique est créé par l’eau structurée. Dans ce cas, l'induction d'un champ électromagnétique correspondant peut se produire, modifiant les caractéristiques structurelles et informationnelles des objets biologiques.

Ces dernières années, des données importantes ont été obtenues sur les propriétés de l’eau surfondue. L’étude de l’eau à basse température est très intéressante, car elle peut être plus refroidie que d’autres liquides. En règle générale, la cristallisation de l'eau commence sur certaines inhomogénéités soit sur les parois du récipient, soit sur des particules flottantes d'impuretés solides. Par conséquent, il n’est pas facile de trouver la température à laquelle l’eau surfondue cristalliserait spontanément. Mais les scientifiques ont réussi à le faire, et maintenant la température de la nucléation dite homogène, lorsque la formation de cristaux de glace se produit simultanément dans tout le volume, est connue pour des pressions allant jusqu'à 0,3 GPa, c'est-à-dire couvrant les régions d'existence de glace II.

De la pression atmosphérique jusqu'à la frontière séparant les glaces I et II, cette température descend de 231 à 180 K, puis augmente légèrement jusqu'à 190 K. En dessous de cette température critique, l’eau liquide est en principe impossible.

Structure de glace (photo de droite)

Cependant, il existe un mystère associé à cette température. Au milieu des années 80, une nouvelle modification de la glace amorphe a été découverte : la glace à haute densité, ce qui a contribué à faire revivre l'idée de l'eau comme un mélange de deux états. Ce ne sont pas des structures cristallines, mais des structures de glace amorphe de différentes densités qui ont été considérées comme prototypes. Ce concept a été formulé sous la forme la plus claire par E.G. Ponyatovsky et V.V. Sinitsin, qui écrivaient en 1999 : « L'eau est considérée comme une solution régulière de deux composants, dont les configurations locales correspondent à l'ordre à courte portée des modifications de la glace amorphe. .» De plus, en étudiant l’ordre à courte distance dans l’eau surfondue à haute pression à l’aide de méthodes de diffraction de neutrons, les scientifiques ont pu trouver des composants correspondant à ces structures.

Une conséquence du polymorphisme de la glace amorphe a également conduit à des hypothèses sur la séparation de l'eau en deux composants non miscibles à des températures inférieures au point critique hypothétique de basse température. Malheureusement, selon les chercheurs, cette température à une pression de 0,017 GPa est 230 K inférieure à la température de nucléation, donc personne n'a encore pu observer la stratification de l'eau liquide. Ainsi, la renaissance du modèle à deux états pose la question de l’hétérogénéité du réseau de liaisons hydrogène dans l’eau liquide. Cette hétérogénéité ne peut être comprise qu’à l’aide de modélisation informatique.

Parlant de la structure cristalline de l'eau, il convient de noter que 14 modifications de la glace sont connues, dont la plupart ne se trouvent pas dans la nature, dans laquelle les molécules d'eau conservent leur individualité et sont reliées par des liaisons hydrogène. D’autre part, il existe de nombreuses variantes du réseau de liaisons hydrogène dans les clathrates hydratés. Les énergies de ces réseaux (glaces à haute pression et clathrates hydratés) ne sont pas très supérieures aux énergies des glaces cubiques et hexagonales. Par conséquent, des fragments de telles structures peuvent également apparaître dans l’eau liquide. Il est possible de construire d'innombrables fragments non périodiques différents, dont les molécules ont quatre voisins les plus proches situés approximativement aux sommets du tétraèdre, mais leur structure ne correspond pas aux structures des modifications connues de la glace. Comme de nombreux calculs l'ont montré, les énergies d'interaction des molécules dans de tels fragments seront proches les unes des autres, et il n'y a aucune raison de dire qu'une structure quelconque devrait prévaloir dans l'eau liquide.

Les études structurelles de l'eau peuvent être étudiées en utilisant différentes méthodes ; spectroscopie de résonance magnétique du proton, spectroscopie infrarouge, diffraction des rayons X, etc. Par exemple, la diffraction des rayons X et des neutrons a été étudiée à de nombreuses reprises. Cependant, ces expériences ne peuvent pas fournir d’informations détaillées sur la structure. Des inhomogénéités de densité différente pourraient être observées par la diffusion de rayons X et de neutrons sous de petits angles, mais ces inhomogénéités doivent être importantes, constituées de centaines de molécules d'eau. Il serait possible de les observer en étudiant la diffusion de la lumière. Cependant, l’eau est un liquide exceptionnellement clair. Le seul résultat des expériences de diffraction est la fonction de distribution radiale, c'est-à-dire la distance entre les atomes d'oxygène, d'hydrogène et d'oxygène-hydrogène. Il ressort clairement d’eux qu’il n’y a pas d’ordre à long terme dans la disposition des molécules d’eau. Ces fonctions se dégradent beaucoup plus rapidement pour l’eau que pour la plupart des autres liquides. Par exemple, la répartition des distances entre les atomes d'oxygène à des températures proches de la température ambiante ne donne que trois maxima, à 2,8, 4,5 et 6,7. Le premier maximum correspond à la distance aux voisins les plus proches, et sa valeur est approximativement égale à la longueur de la liaison hydrogène. Le deuxième maximum est proche de la longueur moyenne d'une arête d'un tétraèdre : rappelons que les molécules d'eau dans la glace hexagonale sont situées le long des sommets d'un tétraèdre décrit autour de la molécule centrale. Et le troisième maximum, très faiblement exprimé, correspond à la distance aux troisièmes voisins et plus éloignés du réseau hydrogène. Ce maximum en lui-même n'est pas très brillant et il n'est pas nécessaire de parler d'autres pics. Des tentatives ont été faites pour obtenir des informations plus détaillées à partir de ces distributions. Ainsi, en 1969, I.S. Andrianov et I.Z. Fisher ont trouvé les distances jusqu'au huitième voisin, tandis qu'au cinquième voisin, elles étaient de 3 et au sixième de 3,1. Cela permet d'obtenir des données sur l'environnement lointain des molécules d'eau.

Une autre méthode d'étude de la structure - la diffraction des neutrons sur les cristaux d'eau - s'effectue exactement de la même manière que la diffraction des rayons X. Cependant, étant donné que les longueurs de diffusion des neutrons ne diffèrent pas tellement entre les différents atomes, la méthode de substitution isomorphe devient inacceptable. En pratique, on travaille généralement avec un cristal dont la structure moléculaire a déjà été déterminée approximativement par d'autres méthodes. Les intensités de diffraction des neutrons sont ensuite mesurées pour ce cristal. Sur la base de ces résultats, une transformée de Fourier est réalisée, au cours de laquelle sont utilisées les intensités et phases neutroniques mesurées, calculées en tenant compte des atomes non hydrogène, c'est-à-dire atomes d'oxygène dont la position dans le modèle de structure est connue. Ensuite, sur la carte de Fourier ainsi obtenue, les atomes d'hydrogène et de deutérium sont représentés avec des poids beaucoup plus importants que sur la carte de densité électronique, car la contribution de ces atomes à la diffusion des neutrons est très importante. Grâce à cette carte de densité, vous pouvez par exemple déterminer la position des atomes d'hydrogène (densité négative) et de deutérium (densité positive).

Une variante de cette méthode est possible, qui consiste dans le fait que le cristal formé dans l'eau est conservé dans de l'eau lourde avant les mesures. Dans ce cas, la diffraction des neutrons permet non seulement de déterminer où se trouvent les atomes d’hydrogène, mais également d’identifier ceux qui peuvent être échangés contre du deutérium, ce qui est particulièrement important lors de l’étude des échanges isotopiques (H-D). Ces informations permettent de confirmer que la structure a été correctement établie.

D'autres méthodes permettent également d'étudier la dynamique des molécules d'eau. Il s'agit d'expériences sur la diffusion quasi-élastique des neutrons, la spectroscopie IR ultrarapide et l'étude de la diffusion de l'eau par RMN ou des atomes de deutérium marqués. La méthode de spectroscopie RMN repose sur le fait que le noyau d’un atome d’hydrogène possède un moment magnétique – le spin – qui interagit avec des champs magnétiques constants et variables. À partir du spectre RMN, on peut juger dans quel environnement se trouvent ces atomes et noyaux, obtenant ainsi des informations sur la structure de la molécule.

À la suite d'expériences sur la diffusion quasi-élastique des neutrons dans les cristaux d'eau, le paramètre le plus important a été mesuré : le coefficient d'autodiffusion à différentes pressions et températures. Pour juger du coefficient d'autodiffusion à partir de la diffusion quasiélastique des neutrons, il est nécessaire de faire une hypothèse sur la nature du mouvement moléculaire. S'ils se déplacent selon le modèle de Ya.I. Frenkel (célèbre physicien théoricien russe, auteur de la « Théorie cinétique des liquides » - un livre classique traduit dans de nombreuses langues), également appelé modèle « d'attente de saut », alors le temps de vie stable (le temps entre les sauts) d'une molécule est de 3,2 picosecondes. Les dernières méthodes de spectroscopie laser femtoseconde ont permis d'estimer la durée de vie d'une liaison hydrogène rompue : il faut à un proton 200 fs pour trouver un partenaire. Cependant, ce sont toutes des valeurs moyennes. Il est possible d'étudier les détails de la structure et de la nature du mouvement des molécules d'eau uniquement à l'aide d'une simulation informatique, parfois appelée expérience numérique.

Voici à quoi ressemble la structure de l'eau selon les résultats de la modélisation informatique (selon le docteur en sciences chimiques G.G. Malenkov). La structure générale désordonnée peut être divisée en deux types de régions (représentées par des boules sombres et claires), qui diffèrent par leur structure, par exemple par le volume du polyèdre de Voronoï (a), le degré de tétraédralité de l'environnement immédiat ( b), la valeur de l'énergie potentielle (c), et également en présence de quatre liaisons hydrogène dans chaque molécule (d). Cependant, ces zones changeront littéralement d'emplacement en un instant, après quelques picosecondes.

La simulation s'effectue ainsi. La structure de glace est prélevée et chauffée jusqu'à ce qu'elle fonde. Puis, après un certain temps pour que l'eau oublie son origine cristalline, des microphotographies instantanées sont prises.

Pour analyser la structure de l'eau, trois paramètres sont sélectionnés :
- degré de déviation de l'environnement local de la molécule par rapport aux sommets d'un tétraèdre régulier ;
-énergie potentielle des molécules ;
-le volume du polyèdre dit de Voronoi.

Pour construire ce polyèdre, prenez une arête d'une molécule donnée à la plus proche, divisez-la en deux et tracez un plan passant par ce point perpendiculaire à l'arête. Cela donne le volume par molécule. Le volume d'un polyèdre est la densité, la tétraédralité est le degré de distorsion des liaisons hydrogène, l'énergie est le degré de stabilité de la configuration moléculaire. Les molécules ayant des valeurs similaires pour chacun de ces paramètres ont tendance à se regrouper en groupes distincts. Les régions à faible et à haute densité ont des valeurs énergétiques différentes, mais elles peuvent également avoir les mêmes valeurs énergétiques. Des expériences ont montré que des zones avec des structures différentes, des clusters apparaissent spontanément et se désintègrent spontanément. La structure entière de l’eau est vivante et en constante évolution, et la durée pendant laquelle ces changements se produisent est très courte. Les chercheurs ont surveillé les mouvements des molécules et ont constaté qu'elles effectuaient des vibrations irrégulières avec une fréquence d'environ 0,5 ps et une amplitude de 1 angström. De rares sauts lents d’angströms qui durent des picosecondes ont également été observés. En général, en 30 ps, ​​une molécule peut se déplacer de 8 à 10 angströms. La durée de vie de l'environnement local est également courte. Les régions composées de molécules avec des valeurs de volume similaires au polyèdre de Voronoi peuvent se désintégrer en 0,5 ps, ou elles peuvent vivre plusieurs picosecondes. Mais la répartition des durées de vie des liaisons hydrogène est très large. Mais ce temps ne dépasse pas 40 ps, ​​et la valeur moyenne est de plusieurs ps.

En conclusion, il convient de souligner que La théorie de la structure amas de l’eau comporte de nombreux pièges. Par exemple, Zenin suggère que le principal élément structurel de l'eau est un amas de 57 molécules formées par la fusion de quatre dodécaèdres. Ils ont des faces communes et leurs centres forment un tétraèdre régulier. On sait depuis longtemps que les molécules d’eau peuvent être localisées aux sommets d’un dodécaèdre pentagonal ; Un tel dodécaèdre constitue la base des hydrates de gaz. Il n’y a donc rien d’étonnant à supposer l’existence de telles structures dans l’eau, même s’il a déjà été dit qu’aucune structure spécifique ne peut être prédominante et exister pendant longtemps. Il est donc étrange que cet élément soit supposé être le principal et qu'il contienne exactement 57 molécules. À partir de boules, par exemple, vous pouvez assembler les mêmes structures, constituées de dodécaèdres adjacents les uns aux autres et contenant 200 molécules. Zenin affirme que le processus de polymérisation tridimensionnelle de l'eau s'arrête à 57 molécules. Selon lui, il ne devrait pas y avoir de plus grands associés. Cependant, si tel était le cas, les cristaux de glace hexagonaux, qui contiennent un grand nombre de molécules liées entre elles par des liaisons hydrogène, ne pourraient pas précipiter à partir de la vapeur d'eau. On ne sait pas du tout pourquoi la croissance du cluster Zenin s'est arrêtée à 57 molécules. Pour éviter les contradictions, Zenin regroupe les amas en formations plus complexes – des rhomboèdres – de près d'un millier de molécules, et les amas d'origine ne forment pas de liaisons hydrogène les uns avec les autres. Pourquoi? En quoi les molécules à leur surface sont-elles différentes de celles à l’intérieur ? Selon Zenin, la configuration des groupes hydroxyles à la surface des rhomboèdres assure la mémoire de l'eau. Par conséquent, les molécules d’eau dans ces grands complexes sont fixées de manière rigide et les complexes eux-mêmes sont des solides. Cette eau ne coulera pas et son point de fusion, qui est lié au poids moléculaire, devrait être très élevé.

Quelles propriétés de l'eau le modèle de Zenin explique-t-il ? Puisque le modèle est basé sur des structures tétraédriques, il peut être plus ou moins cohérent avec les données de diffraction des rayons X et des neutrons. Cependant, il est peu probable que le modèle puisse expliquer la diminution de densité lors de la fonte ; l'emballage des dodécaèdres est moins dense que la glace. Mais il est très difficile d'être d'accord avec un modèle aux propriétés dynamiques - fluidité, valeur élevée du coefficient d'auto-diffusion, temps de corrélation et de relaxation diélectrique courts, qui se mesurent en picosecondes.

doctorat O.V. Mosine

Les références:
G.G. Malenkov. Progrès en chimie physique, 2001
S.V. Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Preuve expérimentale de la présence de fractions d'eau. G. Médecine homéopathique et acupuncture. 1997.N°2.P.42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. Modèle hydrophobe de la structure des associés des molécules d'eau. J. Chimie Physique. 1994. T. 68. N° 4. P. 636-641.
S.V. Zenin Etude de la structure de l'eau par la méthode de résonance magnétique du proton. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. La nature de l'interaction hydrophobe. L'émergence de champs d'orientation dans les solutions aqueuses. J. Chimie Physique, 1994. T. 68. N° 3. P. 500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, G.B. Sergeev, Z.A. Shabarova. Etude des interactions intramoléculaires dans les nucléotidamides par RMN. Documents de la 2e Conf. Par dynamique Stéréochimie. Odessa.1975.p.53.
S.V. Zénine. L'état structuré de l'eau comme base pour contrôler le comportement et la sécurité des systèmes vivants. Thèse. Docteur en Sciences Biologiques. Centre scientifique d'État « Institut des problèmes médicaux et biologiques » (SSC « IMBP »). Protégé 1999. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 p.
DANS ET. Slesarev. Rapport d'avancement de la recherche

Propriétés de l'eau

Pourquoi l'eau est-elle de l'eau ?

Parmi la grande variété de substances, l’eau, avec ses propriétés physiques et chimiques, occupe une place très particulière et exceptionnelle. Et cela doit être pris au pied de la lettre.

Presque toutes les propriétés physiques et chimiques de l'eau sont des exceptions dans la nature. C’est vraiment la substance la plus étonnante au monde. L'eau est étonnante non seulement par la variété des formes isotopiques de la molécule et pas seulement par les espoirs qui y sont associés en tant que source inépuisable d'énergie pour l'avenir. De plus, il étonne par ses propriétés très ordinaires.

Comment se construit une molécule d’eau ?

La manière dont est construite une molécule d’eau est désormais connue très précisément. C'est construit comme ça.

Les positions relatives des noyaux des atomes d'hydrogène et d'oxygène ainsi que la distance qui les sépare ont été bien étudiées et mesurées. Il s’est avéré que la molécule d’eau n’est pas linéaire. Avec les couches électroniques des atomes, une molécule d'eau, si vous la regardez « de côté », pourrait être représentée comme ceci :

c'est-à-dire que géométriquement, l'arrangement mutuel des charges dans une molécule peut être représenté comme un simple tétraèdre. Toutes les molécules d’eau, quelle que soit leur composition isotopique, sont construites exactement de la même manière.

Combien de molécules d’eau y a-t-il dans l’océan ?

Un. Et cette réponse n’est pas vraiment une blague. Bien sûr, n'importe qui peut, en consultant un ouvrage de référence et en découvrant la quantité d'eau qu'il y a dans l'océan mondial, calculer facilement le nombre de molécules H2O qu'il contient. Mais une telle réponse ne sera pas tout à fait correcte. L'eau est une substance spéciale. En raison de leur structure unique, les molécules individuelles interagissent les unes avec les autres. Une liaison chimique particulière apparaît du fait que chacun des atomes d'hydrogène d'une molécule attire les électrons des atomes d'oxygène des molécules voisines. En raison de cette liaison hydrogène, chaque molécule d’eau devient très étroitement liée à quatre autres molécules voisines, comme le montre le diagramme. Certes, ce diagramme est trop simplifié - il est plat, sinon il ne peut pas être représenté sur la figure. Imaginons une image légèrement plus précise. Pour ce faire, vous devez tenir compte du fait que le plan dans lequel se trouvent les liaisons hydrogène (elles sont indiquées par une ligne pointillée) dans une molécule d'eau est dirigé perpendiculairement au plan de localisation des atomes d'hydrogène.

Toutes les molécules individuelles de H2O dans l'eau s'avèrent être connectées en un seul réseau spatial continu - en une seule molécule géante. Par conséquent, l’affirmation de certains physico-chimistes selon laquelle l’océan tout entier est une seule molécule est tout à fait justifiée. Mais cette affirmation ne doit pas être prise au pied de la lettre. Bien que toutes les molécules d'eau dans l'eau soient reliées les unes aux autres par des liaisons hydrogène, elles se trouvent en même temps dans un équilibre mobile très complexe, préservant les propriétés individuelles des molécules individuelles et formant des agrégats complexes. Cette idée ne s’applique pas seulement à l’eau : un morceau de diamant est aussi une molécule.

Comment se construit une molécule de glace ?

Il n'y a pas de molécules de glace spéciales. Les molécules d'eau, de par leur structure remarquable, sont reliées entre elles dans un morceau de glace de sorte que chacune d'elles est reliée et entourée de quatre autres molécules. Cela conduit à l'apparition d'une structure de glace très lâche, dans laquelle reste beaucoup de volume libre. La structure cristalline correcte de la glace s'exprime dans la grâce étonnante des flocons de neige et la beauté des motifs givrés sur les vitres gelées.

Comment les molécules d’eau sont-elles construites dans l’eau ?

Malheureusement, cette question très importante n’a pas encore été suffisamment étudiée. La structure des molécules de l’eau liquide est très complexe. Lorsque la glace fond, sa structure en réseau est partiellement préservée dans l’eau résultante. Les molécules présentes dans l'eau de fonte sont constituées de nombreuses molécules simples, des agrégats qui conservent les propriétés de la glace. À mesure que la température augmente, certains d’entre eux se désintègrent et leur taille diminue.

L'attraction mutuelle conduit au fait que la taille moyenne d'une molécule d'eau complexe dans l'eau liquide dépasse largement la taille d'une seule molécule d'eau. Cette extraordinaire structure moléculaire de l’eau détermine ses extraordinaires propriétés physico-chimiques.

Quelle doit être la densité de l’eau ?

N'est-ce pas une question très étrange ? Rappelez-vous comment l'unité de masse a été établie - un gramme. C'est la masse d'un centimètre cube d'eau. Cela signifie qu’il ne fait aucun doute que la densité de l’eau ne doit être que ce qu’elle est. Peut-il y avoir un doute à ce sujet ? Peut. Les théoriciens ont calculé que si l’eau ne conservait pas une structure lâche, semblable à de la glace, à l’état liquide et que ses molécules étaient étroitement tassées, alors la densité de l’eau serait beaucoup plus élevée. À 25°C, elle serait égale non pas à 1,0, mais à 1,8 g/cm3.

A quelle température l’eau doit-elle bouillir ?

Cette question est aussi, bien entendu, étrange. Après tout, l’eau bout à cent degrés. Tout le monde le sait. D’ailleurs, chacun sait que c’est le point d’ébullition de l’eau à pression atmosphérique normale qui a été choisi comme l’un des points de référence de l’échelle de température, classiquement désignée 100°C.

Cependant, la question se pose différemment : à quelle température l’eau doit-elle bouillir ? Après tout, les températures d’ébullition de diverses substances ne sont pas aléatoires. Ils dépendent de la position des éléments qui composent leurs molécules dans le tableau périodique de Mendeleïev.

Si l'on compare des composés chimiques de différents éléments de même composition qui appartiennent au même groupe du tableau périodique, il est facile de remarquer que plus le numéro atomique d'un élément est bas, plus son poids atomique est bas, plus le point d'ébullition de ses composés. En fonction de sa composition chimique, l’eau peut être appelée hydrure d’oxygène. H2Te, H2Se et H2S sont des analogues chimiques de l'eau. Si vous surveillez leurs points d'ébullition et comparez l'évolution des points d'ébullition des hydrures dans d'autres groupes du tableau périodique, vous pouvez alors déterminer avec précision le point d'ébullition de n'importe quel hydrure, comme de tout autre composé. Mendeleïev lui-même était capable de prédire les propriétés des composés chimiques d'éléments qui n'avaient pas encore été découverts de cette manière.

Si nous déterminons le point d'ébullition de l'hydrure d'oxygène par sa position dans le tableau périodique, il s'avère que l'eau doit bouillir à -80°C. Par conséquent, l'eau bout environ cent quatre-vingts degrés plus haut , qu'il ne devrait bouillir. Le point d’ébullition de l’eau – c’est sa propriété la plus courante – s’avère extraordinaire et surprenant.

Les propriétés de tout composé chimique dépendent de la nature des éléments qui le composent et donc de leur position dans le tableau périodique des éléments chimiques de Mendeleïev. Ces graphiques montrent les dépendances des températures d'ébullition et de fusion des composés hydrogènes des groupes IV et VI du tableau périodique. L’eau constitue une exception frappante. En raison du très petit rayon du proton, les forces d'interaction entre ses molécules sont si grandes qu'il est très difficile de les séparer, c'est pourquoi l'eau bout et fond à des températures anormalement élevées.

Graphique A. Dépendance normale du point d'ébullition des hydrures des éléments du groupe IV sur leur position dans le tableau périodique.

Graphique B. Parmi les hydrures des éléments du groupe VI, l'eau a des propriétés anormales : l'eau doit bouillir à moins 80 - moins 90°C, mais elle bout à plus 100°C.

Graphique B. Dépendance normale de la température de fusion des hydrures des éléments du groupe IV sur leur position dans le tableau périodique.

Graphique D. Parmi les hydrures des éléments du groupe VI, l'eau viole l'ordre : elle devrait fondre à moins 100°C, et les glaçons fondent à 0°C.

A quelle température l'eau gèle-t-elle ?

N'est-il pas vrai que la question n'est pas moins étrange que les précédentes ? Eh bien, qui ne sait pas que l’eau gèle à zéro degré ? C'est le deuxième point de référence du thermomètre. C'est la propriété la plus courante de l'eau. Mais même dans ce cas, on peut se demander : à quelle température l'eau doit-elle geler selon sa nature chimique ? Il s’avère que l’hydrure d’oxygène, d’après sa position dans le tableau périodique, aurait dû se solidifier à cent degrés en dessous de zéro.

Combien y a-t-il d’états liquides dans l’eau ?

Il n’est pas si facile de répondre à cette question. Bien sûr, il y a aussi une chose : l’eau liquide que nous connaissons tous. Mais l'eau liquide a des propriétés tellement extraordinaires qu'on peut se demander si une solution aussi simple et apparemment peu provocante

sans aucun doute la réponse ? L'eau est la seule substance au monde qui, après avoir fondu, se contracte d'abord puis commence à se dilater à mesure que la température augmente. À environ 4°C, l’eau atteint sa densité la plus élevée. Cette anomalie rare dans les propriétés de l'eau s'explique par le fait qu'en réalité l'eau liquide est une solution complexe d'une composition tout à fait inhabituelle : c'est une solution d'eau dans l'eau.

Lorsque la glace fond, de grosses molécules d’eau complexes se forment. Ils conservent les restes de la structure cristalline lâche de la glace et sont dissous dans l'eau ordinaire de faible poids moléculaire. Par conséquent, au début, la densité de l’eau est faible, mais à mesure que la température augmente, ces grosses molécules se décomposent et la densité de l’eau augmente jusqu’à ce que la dilatation thermique normale prenne le dessus, auquel cas la densité de l’eau diminue à nouveau. Si cela est vrai, alors plusieurs états de l’eau sont possibles, mais personne ne sait comment les séparer. Et on ne sait toujours pas si cela sera un jour possible. Cette propriété extraordinaire de l’eau est d’une grande importance pour la vie. Dans les réservoirs, avant le début de l'hiver, l'eau de refroidissement descend progressivement jusqu'à ce que la température de l'ensemble du réservoir atteigne 4°C. Avec un refroidissement plus poussé, l'eau plus froide reste au dessus et tout mélange s'arrête. En conséquence, une situation extraordinaire se crée : une fine couche d'eau froide devient comme une « couverture chaude » pour tous les habitants du monde sous-marin. A 4°C, ils se sentent visiblement plutôt bien.

Qu'est-ce qui devrait être plus simple : de l'eau ou de la glace ?

Qui ne le sait pas... Après tout, la glace flotte sur l'eau. Des icebergs géants flottent dans l'océan. En hiver, les lacs sont recouverts d’une couche continue de glace flottante. Bien entendu, la glace est plus légère que l’eau.

Mais pourquoi « bien sûr » ? Est-ce si clair ? Au contraire, le volume de tous les solides augmente lors de la fusion et ils se noient dans leur propre fonte. Mais la glace flotte dans l'eau. Cette propriété de l’eau est une anomalie dans la nature, une exception, et d’ailleurs une exception absolument remarquable.

Les charges positives d'une molécule d'eau sont associées aux atomes d'hydrogène. Les charges négatives sont les électrons de valence de l'oxygène. Leur disposition relative dans une molécule d’eau peut être représentée comme un simple tétraèdre.

Essayons d'imaginer à quoi ressemblerait le monde si l'eau avait des propriétés normales et si la glace était, comme toute substance normale devrait l'être, plus dense que l'eau liquide. En hiver, la glace plus dense venant d’en haut s’enfoncerait dans l’eau, s’enfonçant continuellement jusqu’au fond du réservoir. En été, la glace, protégée par une couche d'eau froide, ne pouvait pas fondre. Peu à peu, tous les lacs, étangs, rivières et ruisseaux gelaient complètement, se transformant en blocs de glace géants. Finalement, les mers gèleraient, suivies par les océans. Notre magnifique monde vert et fleuri deviendrait un désert glacé continu, recouvert ici et là d’une fine couche d’eau de fonte.

Combien y a-t-il de glaces ?

Dans la nature sur notre Terre, il n’y en a qu’une : la glace ordinaire. La glace est une roche aux propriétés extraordinaires. Il est solide, mais coule comme un liquide, et d'immenses rivières de glace coulent lentement des hautes montagnes. La glace est changeante : elle disparaît et se reforme continuellement. La glace est exceptionnellement solide et durable - pendant des dizaines de milliers d'années, elle préserve sans changement les corps des mammouths morts accidentellement dans les fissures glaciaires. Dans ses laboratoires, l'homme a réussi à découvrir au moins six autres glaces différentes, non moins étonnantes. On ne les trouve pas dans la nature. Ils ne peuvent exister qu’à des pressions très élevées. La glace ordinaire se conserve jusqu'à une pression de 208 MPa (mégapascals), mais à cette pression elle fond à - 22 °C. Si la pression est supérieure à 208 MPa, de la glace dense apparaît - glace-III. Il est plus lourd que l'eau et s'y enfonce. À une température plus basse et une pression plus élevée - jusqu'à 300 MPa - de la glace-P encore plus dense se forme. Une pression supérieure à 500 MPa transforme la glace en glace-V. Cette glace peut être chauffée jusqu'à près de 0°C, et elle ne fondra pas, même si elle est soumise à une pression énorme. À une pression d'environ 2 GPa (gigapascals), de la glace-VI apparaît. Il s'agit littéralement de glace chaude - elle peut résister à des températures de 80° C sans fondre. La glace VII, trouvée à une pression de 3GP, peut peut-être être appelée glace chaude. C'est la glace la plus dense et la plus réfractaire connue. Il ne fond qu'à 190° au-dessus de zéro.

Ice-VII a une dureté inhabituellement élevée. Cette glace peut même provoquer des catastrophes soudaines. Les roulements dans lesquels tournent les arbres des turbines des centrales électriques puissantes développent une pression énorme. Si même un peu d’eau pénètre dans la graisse, celle-ci gèlera, même si la température des roulements est très élevée. Les particules de glace VII qui en résultent, qui ont une dureté énorme, commenceront à détruire l'arbre et le roulement et provoqueront rapidement leur défaillance.

Peut-être qu'il y a aussi de la glace dans l'espace ?

Comme si c'était le cas, et en même temps très étrange. Mais les scientifiques sur Terre l'ont découvert, même si une telle glace ne peut pas exister sur notre planète. La densité de toutes les glaces actuellement connues, même à très haute pression, ne dépasse que très légèrement 1 g/cm3. La densité des modifications hexagonales et cubiques de la glace à des pressions et des températures très basses, même proches du zéro absolu, est légèrement inférieure à l'unité. Leur densité est de 0,94 g/cm3.

Mais il s'est avéré que sous vide, à des pressions négligeables et à des températures inférieures à -170°C, dans des conditions où la formation de glace se produit lorsqu'elle se condense à partir de la vapeur sur une surface solide refroidie, une glace absolument étonnante apparaît. Sa densité est de... 2,3 g/cm3. Toute la glace connue jusqu'à présent est cristalline, mais cette nouvelle glace est apparemment amorphe, caractérisée par un arrangement relatif aléatoire de molécules d'eau individuelles ; Il n’a pas de structure cristalline spécifique. Pour cette raison, on l’appelle parfois glace de verre. Les scientifiques sont convaincus que cette glace étonnante devrait apparaître dans des conditions spatiales et jouer un rôle important dans la physique des planètes et des comètes. La découverte d’une glace aussi dense était inattendue pour les physiciens.

Que faut-il pour que la glace fonde ?

Beaucoup de chaleur. Bien plus qu’il n’en faudrait pour faire fondre la même quantité de n’importe quelle autre substance. La chaleur spécifique de fusion exceptionnellement élevée -80 cal (335 J) par gramme de glace est également une propriété anormale de l'eau. Lorsque l’eau gèle, la même quantité de chaleur est à nouveau libérée.

Quand l’hiver arrive, la glace se forme, la neige tombe et l’eau restitue de la chaleur, réchauffant le sol et l’air. Ils résistent au froid et adoucissent la transition vers un hiver rigoureux. Grâce à cette merveilleuse propriété de l'eau, l'automne et le printemps existent sur notre planète.

Quelle quantité de chaleur faut-il pour chauffer l’eau ?

Tant. Plus qu’il n’en faut pour chauffer une quantité égale de toute autre substance. Il faut une calorie (4,2 J) pour chauffer un gramme d’eau d’un degré. C’est plus du double de la capacité thermique de n’importe quel composé chimique.

L’eau est une substance qui est pour nous extraordinaire dans ses propriétés les plus ordinaires. Bien entendu, cette capacité de l’eau est très importante non seulement lors de la préparation du dîner dans la cuisine. L'eau est le grand distributeur de chaleur sur toute la Terre. Réchauffé par le Soleil sous l'équateur, il transfère la chaleur de l'océan mondial avec des courants géants de courants marins vers les régions polaires lointaines, où la vie n'est possible que grâce à cette étonnante caractéristique de l'eau.

Pourquoi l'eau de la mer est-elle salée ?

C’est peut-être l’une des conséquences les plus importantes de l’une des propriétés les plus étonnantes de l’eau. Dans sa molécule, les centres de charges positives et négatives sont fortement déplacés les uns par rapport aux autres. Par conséquent, l’eau a une valeur anormalement élevée de constante diélectrique. Pour l'eau, e = 80, et pour l'air et le vide, e = 1. Cela signifie que deux charges opposées dans l'eau sont mutuellement attirées l'une vers l'autre avec une force 80 fois inférieure à celle de l'air. Après tout, selon la loi de Coulomb :

Néanmoins, les liaisons intermoléculaires dans tous les corps, qui déterminent la force du corps, sont causées par l'interaction entre les charges positives des noyaux atomiques et les électrons négatifs. À la surface d'un corps immergé dans l'eau, les forces agissant entre molécules ou atomes sont affaiblies près de cent fois sous l'influence de l'eau. Si la force de liaison restante entre les molécules devient insuffisante pour résister aux effets du mouvement thermique, les molécules ou les atomes du corps commencent à se détacher de sa surface et à passer dans l'eau. Le corps commence à se dissoudre, se décomposant soit en molécules individuelles, comme le sucre dans un verre de thé, soit en particules chargées – des ions, comme le sel de table.

C’est grâce à sa constante diélectrique anormalement élevée que l’eau est l’un des solvants les plus puissants. Il est même capable de dissoudre n’importe quelle roche à la surface de la Terre. Lentement et inévitablement, il détruit même les granites, en éliminant des composants facilement solubles.

Les ruisseaux, les rivières et les rivières transportent les impuretés dissoutes dans l'eau vers l'océan. L'eau de l'océan s'évapore et retourne sur terre pour continuer encore et encore son travail éternel. Et les sels dissous restent dans les mers et les océans.

Ne pensez pas que l'eau dissout et emporte dans la mer seulement ce qui est facilement soluble, et que l'eau de mer ne contient que du sel ordinaire qui se trouve sur la table. Non, l’eau de mer contient presque tous les éléments présents dans la nature. Il contient du magnésium, du calcium, du soufre, du brome, de l'iode et du fluor. On y trouvait du fer, du cuivre, du nickel, de l'étain, de l'uranium, du cobalt et même de l'argent et de l'or en plus petites quantités. Les chimistes ont découvert plus de soixante éléments dans l'eau de mer. Il est probable que tous les autres seront également retrouvés. La majeure partie du sel présent dans l’eau de mer est du sel de table. C'est pourquoi l'eau de la mer est salée.

Est-il possible de courir à la surface de l’eau ?

Peut. Pour le constater, regardez la surface de n’importe quel étang ou lac en été. De nombreuses personnes vivantes et rapides non seulement marchent sur l'eau, mais courent également. Si l'on considère que la zone d'appui des pattes de ces insectes est très petite, alors il n'est pas difficile de comprendre que, malgré leur faible poids, la surface de l'eau peut résister à une pression importante sans se briser.

L’eau peut-elle couler vers le haut ?

Oui peut-être. Cela arrive tout le temps et partout. L’eau elle-même monte dans le sol, mouillant toute l’épaisseur de la terre depuis le niveau de la nappe phréatique. L'eau elle-même monte à travers les vaisseaux capillaires de l'arbre et aide la plante à fournir les nutriments dissous à de grandes hauteurs - depuis les racines profondément cachées dans le sol jusqu'aux feuilles et aux fruits. L'eau elle-même remonte dans les pores du papier buvard lorsque vous devez sécher une tache, ou dans le tissu d'une serviette lorsque vous vous essuyez le visage. Dans des tubes très fins – dans des capillaires – l’eau peut monter jusqu’à plusieurs mètres de hauteur.

Qu'est-ce qui explique cela ?

Une autre caractéristique remarquable de l’eau est sa tension superficielle exceptionnellement élevée. Les molécules d'eau à sa surface subissent les forces d'attraction intermoléculaire uniquement d'un côté, et dans l'eau, cette interaction est anormalement forte. Par conséquent, chaque molécule présente à sa surface est aspirée dans le liquide. Il en résulte une force qui resserre la surface du liquide. Dans l'eau, elle est particulièrement forte : sa tension superficielle est de 72 mN/m (millinewtons par mètre).

L'eau peut-elle se souvenir ?

Cette question semble certes très inhabituelle, mais elle est tout à fait sérieuse et très importante. Il s’agit d’un vaste problème physico-chimique qui, dans sa partie la plus importante, n’a pas encore été étudié. Cette question vient d’être posée dans la science, mais elle n’a pas encore trouvé de réponse.

La question est : l'histoire antérieure de l'eau influence-t-elle ses propriétés physiques et chimiques et est-il possible, en étudiant les propriétés de l'eau, de découvrir ce qui lui est arrivé plus tôt - de faire en sorte que l'eau elle-même « se souvienne » et nous en parle . Oui, peut-être, aussi surprenant que cela puisse paraître. La façon la plus simple de comprendre cela est de prendre un exemple simple, mais très intéressant et extraordinaire : la mémoire de la glace.

La glace, c'est de l'eau après tout. Lorsque l’eau s’évapore, la composition isotopique de l’eau et de la vapeur change. L'eau légère s'évapore, bien que dans une mesure insignifiante, plus rapidement que l'eau lourde.

Lorsque l’eau naturelle s’évapore, la composition change dans la teneur isotopique non seulement du deutérium, mais aussi de l’oxygène lourd. Ces changements dans la composition isotopique de la vapeur ont été très bien étudiés, ainsi que leur dépendance à la température.

Récemment, des scientifiques ont réalisé une expérience remarquable. Dans l'Arctique, dans l'épaisseur d'un immense glacier du nord du Groenland, un forage a été creusé et une carotte de glace géante de près d'un kilomètre et demi de long a été forée et extraite. Les couches annuelles de glace en croissance y étaient clairement visibles. Sur toute la longueur du noyau, ces couches ont été soumises à une analyse isotopique et, sur la base de la teneur relative en isotopes lourds de l'hydrogène et de l'oxygène - deutérium et 18O - les températures de formation des couches de glace annuelles dans chaque section du noyau ont été déterminées. La date de formation de la couche annuelle a été déterminée par comptage direct. La situation climatique sur Terre a ainsi été rétablie pendant un millénaire. L'eau a réussi à mémoriser et à enregistrer tout cela dans les couches profondes du glacier du Groenland.

Grâce à des analyses isotopiques des couches de glace, les scientifiques ont construit une courbe de changement climatique sur Terre. Il s’est avéré que notre température moyenne est soumise à des fluctuations séculaires. Il faisait très froid au XVe siècle, à la fin du XVIIe siècle. et au début du 19ème siècle. Les années les plus chaudes furent 1550 et 1930.

Alors quel est le mystère de la « mémoire » de l’eau ?

Le fait est que ces dernières années, la science a progressivement accumulé de nombreux faits étonnants et totalement incompréhensibles. Certaines d’entre elles sont solidement établies, d’autres nécessitent une confirmation quantitative fiable et toutes attendent encore d’être expliquées.

Par exemple, personne ne sait encore ce qui arrive à l’eau qui traverse un champ magnétique puissant. Les physiciens théoriciens sont absolument sûrs que rien ne peut et ne lui arrivera pas, renforçant leur conviction par des calculs théoriques tout à fait fiables, d'où il résulte qu'après la cessation du champ magnétique, l'eau devrait instantanément revenir à son état antérieur et rester telle quelle. était . Et l’expérience montre que cela change et devient différent.

Y a-t-il une grande différence ? Jugez par vous-même. De l'eau ordinaire dans une chaudière à vapeur, les sels dissous, libérés, se déposent en une couche dense et dure, comme une pierre, sur les parois des tuyaux de la chaudière, et de l'eau magnétisée (comme on l'appelle maintenant en technologie), ils tombent sous la forme d'un sédiment meuble en suspension dans l'eau. Il semble que la différence soit minime. Mais cela dépend du point de vue. Selon les travailleurs des centrales thermiques, cette différence est extrêmement significative, car l'eau magnétisée assure le fonctionnement normal et ininterrompu des centrales électriques géantes : les parois des tuyaux des chaudières à vapeur ne sont pas envahies par la végétation, le transfert de chaleur est plus élevé et la production d'électricité est plus élevée. Le traitement magnétique de l’eau est installé depuis longtemps dans de nombreuses centrales thermiques, mais ni les ingénieurs ni les scientifiques ne savent comment et pourquoi il fonctionne. De plus, il a été observé expérimentalement qu'après un traitement magnétique de l'eau, les processus de cristallisation, de dissolution, d'adsorption y sont accélérés et les changements de mouillage... cependant, dans tous les cas, les effets sont faibles et difficiles à reproduire.

L'effet d'un champ magnétique sur l'eau (nécessairement rapide) dure de petites fractions de seconde, mais l'eau « s'en souvient » pendant des dizaines d'heures. Pourquoi est inconnu. En la matière, la pratique est bien en avance sur la science. Après tout, on ne sait pas non plus ce qui affecte exactement le traitement magnétique : l'eau ou les impuretés qu'elle contient. L’eau pure n’existe pas.

La « mémoire » de l'eau ne se limite pas à la préservation des effets de l'influence magnétique. En science, de nombreux faits et observations existent et s’accumulent progressivement, montrant que l’eau semble « se souvenir » qu’elle était auparavant gelée.

L'eau de fonte, récemment formée par la fonte d'un morceau de glace, semble également différente de l'eau à partir de laquelle ce morceau de glace s'est formé. Dans l'eau de fonte, les graines germent plus vite et mieux, les pousses se développent plus rapidement ; De plus, les poulets qui reçoivent de l'eau de fonte semblent grandir et se développer plus rapidement. En plus des propriétés étonnantes de l'eau de fonte, établies par les biologistes, des différences purement physiques et chimiques sont également connues, par exemple, l'eau de fonte diffère par sa viscosité et sa constante diélectrique. La viscosité de l'eau de fonte ne prend sa valeur habituelle pour l'eau que 3 à 6 jours après la fonte. Pourquoi il en est ainsi (si c’est le cas), personne d’autre ne le sait.

La plupart des chercheurs appellent ce domaine de phénomènes la « mémoire structurelle » de l'eau, estimant que toutes ces étranges manifestations de l'influence de l'histoire antérieure de l'eau sur ses propriétés s'expliquent par des changements dans la structure fine de son état moléculaire. C'est peut-être vrai, mais... le nommer ne veut pas dire l'expliquer. Il existe encore un problème important en science : pourquoi et comment l’eau « se souvient » de ce qui lui est arrivé.

D’où vient l’eau sur Terre ?

Des flux de rayons cosmiques – des flux de particules dotés d’une énergie énorme – imprègnent à jamais l’Univers dans toutes les directions. La plupart d’entre eux contiennent des protons – les noyaux des atomes d’hydrogène. Dans son déplacement dans l’espace, notre planète est continuellement soumise à un « bombardement de protons ». En pénétrant dans les couches supérieures de l'atmosphère terrestre, les protons capturent des électrons, se transforment en atomes d'hydrogène et réagissent immédiatement avec l'oxygène pour former de l'eau. Les calculs montrent que chaque année, près d'une tonne et demie de cette eau « cosmique » naît dans la stratosphère. À haute altitude et à basse température, l'élasticité de la vapeur d'eau est très faible et les molécules d'eau, s'accumulant progressivement, se condensent sur les particules de poussière cosmique, formant de mystérieux nuages ​​​​noctilumineux. Les scientifiques suggèrent qu’ils sont constitués de minuscules cristaux de glace issus d’une telle eau « cosmique ». Les calculs ont montré que l’eau ainsi apparue sur Terre tout au long de son histoire serait juste suffisante pour donner naissance à tous les océans de notre planète. Alors, l’eau est arrivée sur Terre depuis l’espace ? Mais...

Les géochimistes ne considèrent pas l’eau comme un hôte céleste. Ils sont convaincus qu'elle est d'origine terrestre. Les roches qui composent le manteau terrestre, situé entre le noyau central de la Terre et la croûte terrestre, ont fondu par endroits sous l'influence de la chaleur accumulée par la désintégration radioactive des isotopes. Parmi ceux-ci, des composants volatils ont été libérés : des composés d'azote, de chlore, de carbone et de soufre, et surtout de la vapeur d'eau.

Quelle quantité tous les volcans pourraient-ils émettre lors d’éruptions au cours de toute l’existence de notre planète ?

Les scientifiques l’ont également calculé. Il s’est avéré que cette eau « géologique » en éruption serait également juste suffisante pour remplir tous les océans.

Dans les parties centrales de notre planète, qui constituent son noyau, il n’y a probablement pas d’eau. Il est peu probable qu'il puisse y exister. Certains scientifiques pensent que même si l'oxygène et l'hydrogène y sont présents, ils doivent alors, avec d'autres éléments, former des formes nouvelles pour la science, des composés inconnus de type métallique, qui ont une densité élevée et sont stables aux pressions et températures énormes. qui règnent au centre du globe.

D'autres chercheurs sont convaincus que le noyau du globe est constitué de fer. Ce qui n'est pas si loin de nous, sous nos pieds, à des profondeurs dépassant 3 000 km, personne ne le sait encore, mais il n'y a probablement pas d'eau là-bas.

La majeure partie de l'eau à l'intérieur de la Terre se trouve dans son manteau, des couches situées sous la croûte terrestre et s'étendant jusqu'à une profondeur d'environ 3 000 km. Les géologues estiment qu'au moins 13 milliards de mètres cubes sont concentrés dans le manteau. km d'eau.

La couche supérieure de la coquille terrestre – la croûte terrestre – contient environ 1,5 milliard de mètres cubes. km d'eau. Presque toute l'eau de ces couches est dans un état lié - elle fait partie des roches et des minéraux, formant des hydrates. Vous ne pouvez pas vous baigner dans cette eau et vous ne pouvez pas la boire.

L'hydrosphère, la coquille d'eau du globe, est formée d'environ 1,5 milliard de mètres cubes supplémentaires. km d'eau. La quasi-totalité de cette quantité est contenue dans l’océan mondial. Il occupe environ 70 % de la surface totale de la Terre et sa superficie dépasse 360 ​​millions de mètres carrés. km. Vue de l'espace, notre planète ne ressemble pas du tout à un globe, mais plutôt à un ballon d'eau.

La profondeur moyenne de l'océan est d'environ 4 km. Si l'on compare cette « profondeur sans fond » avec la taille du globe lui-même, dont le diamètre moyen est égal à km, alors, au contraire, il faudra admettre que nous vivons sur une planète humide, elle n'est que légèrement humidifiée. avec de l'eau, et encore pas sur toute la surface. L’eau des océans et des mers est salée – vous ne pouvez pas la boire.

Il y a très peu d’eau sur terre : seulement environ 90 millions de mètres cubes. km. Parmi eux, plus de 60 millions de mètres cubes. km est souterrain, presque entièrement constitué d’eau salée. Environ 25 millions de mètres cubes. km d'eau solide se trouvent dans les régions montagneuses et glaciaires, dans l'Arctique, au Groenland et en Antarctique. Ces réserves d'eau sur le globe sont protégées.

Tous les lacs, marécages, réservoirs artificiels et sols contiennent encore 500 000 mètres cubes. km d'eau.

L'eau est également présente dans l'atmosphère. Il y a toujours beaucoup de vapeur d’eau dans l’air, même dans les déserts les plus arides, où il n’y a pas une goutte d’eau et où il ne pleut jamais. De plus, les nuages ​​flottent toujours dans le ciel, les nuages ​​se rassemblent, il neige, il pleut et le brouillard se répand sur le sol. Toutes ces réserves d'eau dans l'atmosphère ont été calculées avec précision : elles totalisent seulement 14 000 mètres cubes. km.

Et là, nous pouvons passer à la deuxième catégorie. Sous le mot "glace" Nous sommes habitués à comprendre l’état solide de l’eau. Mais à côté de cela, d'autres substances sont également sujettes au gel. Ainsi, la glace peut être distinguée par la composition chimique de la substance d'origine, par exemple le dioxyde de carbone, l'ammoniac, la glace au méthane et autres.

Troisièmement, il existe des réseaux cristallins (modifications) de glace d'eau, dont la formation est déterminée par un facteur thermodynamique. Nous en parlerons un peu dans cet article.

Dans l'article Glace, nous avons examiné comment la structure de l'eau subit une restructuration avec un changement de son état d'agrégation et avons abordé la structure cristalline de la glace ordinaire. Grâce à la structure interne de la molécule d'eau elle-même et aux liaisons hydrogène reliant toutes les molécules dans un système ordonné, un réseau cristallin hexagonal (hexagonal) de glace se forme. Les molécules les plus proches les unes des autres (un central et quatre coins) sont disposées sous la forme d'une pyramide trièdre, ou tétraèdre, qui est à la base de la modification cristalline hexagonale ( Fig. 1).

D'ailleurs, la distance entre les plus petites particules de matière est mesurée en nanomètres (nm) ou angströms (du nom du physicien suédois du XIXe siècle Anders Jonas Ångström ; désigné par le symbole Å). 1 Å = 0,1 nm = 10−10 m.

Cette structure hexagonale de glace ordinaire s'étend sur tout son volume. Cela se voit clairement à l'œil nu : lors des chutes de neige en hiver, attrapez un flocon de neige sur votre manche ou votre gant et regardez de plus près sa forme : il est à six rayons ou hexagonal. Ceci est typique de chaque flocon de neige, mais aucun flocon de neige n'en répète jamais un autre (plus de détails à ce sujet dans notre article). Et même les gros cristaux de glace avec leur forme externe correspondent à la structure moléculaire interne ( Figure 2).

Nous avons déjà dit que le passage d'une substance, notamment l'eau, d'un état à un autre se produit sous certaines conditions. La glace normale se forme à des températures inférieures ou égales à 0°C et à une pression de 1 atmosphère (valeur normale). Par conséquent, pour l'apparition d'autres modifications de la glace, une modification de ces valeurs est nécessaire et, dans la plupart des cas, la présence de basses températures et de hautes pressions, auxquelles l'angle des liaisons hydrogène change et l'ensemble du réseau cristallin est reconstruit.

Chaque modification de la glace appartient à un système spécifique - un groupe de cristaux dans lequel les cellules unitaires ont la même symétrie et le même système de coordonnées (axes XYZ). Au total, sept syngonies sont distinguées. Les caractéristiques de chacun d'eux sont présentées sur illustration 3-4. Et juste en dessous se trouve une image des principales formes de cristaux ( Figure 5)

Toutes les modifications de la glace qui diffèrent de la glace ordinaire ont été obtenues en laboratoire. Les premières structures polymorphes de la glace ont été connues au début du XXe siècle grâce aux efforts des scientifiques. Gustav Heinrich Tammann Et Percy Williams Bridgman. Le diagramme des modifications de Bridgman était périodiquement complété. De nouvelles modifications ont été identifiées par rapport à celles obtenues précédemment. Les dernières modifications apportées au diagramme ont été apportées à notre époque. Jusqu'à présent, seize types de glace cristalline ont été obtenus. Chaque type a son propre nom et est désigné par un chiffre romain.

Nous n'entrerons pas en profondeur dans les caractéristiques physiques de chaque type moléculaire de glace d'eau, pour ne pas vous ennuyer, chers lecteurs, avec des détails scientifiques ; nous n'en noterons que les principaux paramètres.

La glace ordinaire est appelée glace Ih (le préfixe « h » signifie système hexagonal). Sur illustrations 7 sa structure cristalline est présentée, constituée de liaisons hexagonales (hexamères), qui diffèrent par la forme - une sous la forme balancelle(Anglais) forme de chaise), un autre sous la forme tours (forme de bateau). Ces hexamères forment une section tridimensionnelle : deux « chaises longues » sont horizontales en haut et en bas, et trois « bateaux » occupent une position verticale.

Le diagramme spatial montre l'ordre dans la disposition des liaisons hydrogène de la glace Ih, mais en réalité les connexions se construisent de manière aléatoire. Cependant, les scientifiques n’excluent pas que les liaisons hydrogène à la surface de la glace hexagonale soient plus ordonnées qu’à l’intérieur de la structure.

La cellule unitaire de glace hexagonale (c'est-à-dire le volume minimum d'un cristal dont la reproduction répétée en trois dimensions forme l'ensemble du réseau cristallin dans son ensemble) comprend 4 molécules d'eau. Les dimensions des cellules sont 4,51 Å sur les deux côtés un B Et 7,35 Å du côté c (le côté c ou l'axe dans les diagrammes a une direction verticale). Les angles entre les côtés, vus de illustration 4 : α=β = 90°, γ = 120°. La distance entre les molécules voisines est 2,76 Å.

Les cristaux de glace hexagonaux forment des plaques et des colonnes hexagonales ; leurs faces supérieure et inférieure sont les plans de base, et les six faces latérales identiques sont appelées prismatiques ( Figure 10).

Le nombre minimum de molécules d’eau nécessaires au début de la cristallisation est d’environ 275 (±25). Dans une large mesure, la formation de glace se produit à la surface de la masse d’eau bordant l’air plutôt qu’à l’intérieur de celle-ci. Gros cristaux de glace Ih se forment lentement dans la direction de l'axe c, par exemple dans l'eau stagnante, ils se développent verticalement vers le bas à partir des plaques cristallines, ou dans des conditions où la croissance latérale est difficile. La glace à grains fins, formée dans des eaux turbulentes ou lorsqu'elle gèle rapidement, a une croissance accélérée dirigée à partir des faces prismatiques. La température de l’eau environnante détermine le degré de ramification du réseau cristallin de glace.

Les particules de substances dissoutes dans l'eau, à l'exception des atomes d'hélium et d'hydrogène, dont les dimensions leur permettent de s'insérer dans les cavités de la structure, sont exclues du réseau cristallin à pression atmosphérique normale, étant expulsées à la surface du cristal ou , comme dans le cas de la variété amorphe (nous en parlerons plus loin dans l'article) formant des couches entre les microcristaux. Des cycles consécutifs de congélation et de décongélation de l'eau peuvent être utilisés pour la purifier des impuretés, par exemple des gaz (dégazage).

Avec de la glace Ih il y a aussi de la glace IC (système cubique), cependant, dans la nature, la formation de ce type de glace n'est parfois possible que dans les couches supérieures de l'atmosphère. Glace artificielle IC obtenu par congélation instantanée de l'eau, pour laquelle la vapeur est condensée sur un 80 à moins 110°С surface métallique à pression atmosphérique normale. À la suite de l'expérience, des cristaux de forme cubique ou en forme d'octaèdre tombent à la surface. Il ne sera pas possible de créer de la glace cubique de première modification à partir de la glace hexagonale ordinaire en abaissant sa température, mais le passage du cubique à l'hexagonal est possible en chauffant la glace IC plus élevé moins 80°C.

Dans la structure moléculaire de la glace IC l'angle de la liaison hydrogène est le même que celui de la glace ordinaire Ih – 109,5°. Et voici un anneau hexagonal formé de molécules dans un réseau de glace IC présent uniquement sous la forme d'une chaise longue.

La densité de la glace Ic est de 0,92 g/cm³ à une pression de 1 atm. La cellule unitaire d'un cristal cubique a 8 molécules et dimensions : a=b=c = 6,35 Å et ses angles α=β=γ = 90°.

Sur une note. Chers lecteurs, dans cet article, nous rencontrerons à plusieurs reprises des indicateurs de température et de pression pour l'un ou l'autre type de glace. Et si les valeurs de température exprimées en degrés Celsius sont claires pour tout le monde, alors la perception des valeurs de pression peut être difficile pour certains. En physique, différentes unités sont utilisées pour le mesurer, mais dans notre article nous le désignerons en atmosphères (atm), en arrondissant les valeurs. La pression atmosphérique normale est de 1 atm, ce qui équivaut à 760 mmHg, soit un peu plus de 1 bar, ou 0,1 MPa (mégapascal).

Comme vous le comprenez notamment à partir de l'exemple de la glace IC, l'existence de modifications cristallines de la glace est possible dans des conditions d'équilibre thermodynamique, c'est-à-dire lorsque l'équilibre de température et de pression qui détermine la présence de tout type cristallin de glace est perturbé, ce type disparaît et se transforme en une autre modification. La plage de ces valeurs thermodynamiques varie ; elle est différente pour chaque espèce. Considérons d'autres types de glace, non pas strictement par ordre de nomenclature, mais en lien avec ces transitions structurelles.

Glace II appartient au système trigonal. Il peut être formé à partir du type hexagonal à une pression d'environ 3 000 atm et à une température d'environ moins 75°C, ou à partir d'une autre modification ( glace V), en réduisant fortement la pression à une température de moins 35°C. Existence II Ce type de glace est possible dans des conditions de moins 170°C et une pression de 1 à 50 000 atm (ou 5 gigapascals (GPa)). Selon les scientifiques, la glace de cette modification peut probablement faire partie des satellites glacés des planètes lointaines du système solaire. La pression atmosphérique normale et les températures supérieures à moins 113°C créent les conditions permettant à ce type de glace de se transformer en glace hexagonale ordinaire.

Sur illustration 13 réseau de cristaux de glace illustré II. Un trait caractéristique de la structure est visible - une sorte de canaux hexagonaux creux formés par des liaisons moléculaires. La cellule unitaire (la zone mise en évidence dans l'illustration par un losange) est constituée de deux ligaments décalés l'un par rapport à l'autre, pour ainsi dire, « en hauteur ». En conséquence, un système de réseau rhomboédrique se forme. Dimensions des cellules a=b=c = 7,78 Å ; α=β=γ = 113,1°. Il y a 12 molécules dans une cellule. L'angle de liaison entre les molécules (O – O – O) varie de 80 à 120°.

Lorsque vous chauffez la modification II, vous pouvez obtenir de la glace III, et vice versa, refroidissement par glace III le transforme en glace II. aussi de la glace III se forme lorsque la température de l'eau diminue progressivement jusqu'à moins 23°C, augmentant la pression jusqu'à 3 000 atm.
Comme on peut le voir sur le diagramme de phases ( je vais. 6), conditions thermodynamiques pour un état stable de la glace III, ainsi qu'une autre modification - glace V, sont petit.

Glace III Et V avoir quatre points triples avec des modifications environnantes (valeurs thermodynamiques auxquelles l'existence de différents états de la matière est possible). Cependant, la glace II, III Et V des modifications peuvent exister dans des conditions de pression atmosphérique et de température normales de moins 170°C, et leur chauffage à moins 150°C conduit à la formation de glace IC.

Comparée à d'autres modifications à haute pression actuellement connues, la glace III a la densité la plus faible - à une pression de 3 500 atm. elle est égale à 1,16 g/cm³.
Glace III est une variété tétragonale d'eau cristallisée, mais la structure du réseau de glace elle-même III a des violations. Si chaque molécule est généralement entourée de 4 molécules voisines, alors dans ce cas, cet indicateur aura une valeur de 3,2, et en plus, il peut y avoir 2 ou 3 molécules supplémentaires à proximité qui n'ont pas de liaisons hydrogène.
Dans la disposition spatiale, les molécules forment des hélices droites.
Dimensions d'une cellule unitaire de 12 molécules à moins 23°C et environ 2800 atm : a=b = 6,66, c = 6,93 Å ; α=β=γ = 90°. L'angle de la liaison hydrogène varie de 87 à 141°.

Sur illustration 15 un diagramme spatial de la structure moléculaire de la glace est classiquement présenté III. Les molécules (points bleus) situées plus près du spectateur sont représentées plus grandes et les liaisons hydrogène (lignes rouges) sont en conséquence plus épaisses.

Et maintenant, comme on dit, sur nos talons, « sautons » immédiatement par-dessus ceux qui viennent après la glace III dans l'ordre de la nomenclature, les modifications cristallines, et disons quelques mots sur la glace IX.
Ce type de glace est essentiellement de la glace modifiée III, soumis à un refroidissement rapide et profond de moins 65 à moins 108 °C pour éviter de le transformer en glace II. Glace IX reste stable à des températures inférieures à 133°C et à des pressions de 2 000 à 4 000 atm. Sa densité et sa structure sont identiques III esprit, mais contrairement à la glace III dans la structure de la glace IX il y a de l'ordre dans la disposition des protons.
Chauffer la glace IX ne le rend pas à l'original III modifications, mais se transforme en glace II. Dimensions de la cellule : a=b = 6,69, c = 6,71 Å à une température de moins 108°C et 2800 atm.

D'ailleurs, le roman Cat's Cradle de l'écrivain de science-fiction Kurt Vonnegut de 1963 est centré sur une substance appelée glace-neuf, qui est décrite comme un matériau artificiel qui présente un grand danger pour la vie car l'eau cristallise au contact de celle-ci, se transformant en glace-neuf. L'entrée même d'une petite quantité de cette substance dans les eaux naturelles face aux océans du monde menace de geler toute l'eau de la planète, ce qui entraînerait la mort de tous les êtres vivants. En fin de compte, c'est ce qui se passe.

Glace IV est une formation trigonale métastable (faiblement stable) d'un réseau cristallin. Son existence est possible dans l'espace des phases de la glace III, V Et VI modifications. Prends de la glace IV peut être fabriqué à partir de glace amorphe de haute densité en la chauffant lentement, à partir de moins 130 °C, à une pression constante de 8 000 atm.
La taille de la cellule unitaire rhomboédrique est de 7,60 Å, les angles α=β=γ = 70,1°. La cellule comprend 16 molécules ; les liaisons hydrogène entre les molécules sont asymétriques. À une pression de 1 atm et une température de moins 163°C, la densité de la glace IV est de 1,27 g/cm³. Angle de liaison O–O–O : 88–128°.

De même IV le type de glace qui forme la glace XII– en chauffant une modification amorphe à haute densité (plus de détails ci-dessous) de moins 196 à moins 90°C à la même pression de 8 000 atm, mais à une vitesse plus élevée.
Glace XIIégalement métastable dans la région de phase V Et VI types cristallins. C'est un type de système tétragonal.
La cellule unitaire contient 12 molécules qui, en raison de liaisons hydrogène avec des angles de 84 à 135°, sont situées dans le réseau cristallin et forment une double hélice droite. La cellule a des dimensions : a=b = 8,27, c = 4,02 Å ; angles α=β=γ = 90º. La densité de la glace XII est de 1,30 g/cm³ à une pression atmosphérique normale et à une température de moins 146°C. Angles de liaison hydrogène : 67–132°.

Parmi les modifications de la glace d'eau actuellement découvertes, la glace possède la structure cristalline la plus complexe. V. 28 molécules composent sa cellule unitaire ; les liaisons hydrogène comblent les lacunes d'autres composés moléculaires, et certaines molécules ne forment des liaisons qu'avec certains composés. L'angle des liaisons hydrogène entre molécules voisines varie considérablement - de 86 à 132°, donc dans le réseau cristallin de la glace V il y a une forte tension et une énorme réserve d’énergie.
Paramètres de cellule dans des conditions de pression atmosphérique et de température normales moins 175°C : a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å ; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Glace V est une variété monoclinique formée en refroidissant de l'eau à moins 20°C à une pression d'environ 5 000 atm. La densité du réseau cristallin, compte tenu d'une pression de 3 500 atm, est de 1,24 g/cm³.
Diagramme spatial du réseau cristallin de glace V type indiqué dans illustrations 18. La région de la cellule unitaire du cristal est mise en évidence par un contour gris.

Disposition ordonnée des protons dans la structure de la glace V en fait une autre variété appelée glace XIII. Cette modification monoclinique peut être obtenue en refroidissant l'eau en dessous de moins 143°C avec l'ajout d'acide chlorhydrique (HCl) pour faciliter la transition de phase, créant une pression de 5 000 atm. Transition réversible de XIII tapez k V Le type est possible dans la plage de température de moins 193°C à moins 153°C.
Dimensions de la cellule unitaire de glace XIII légèrement différent de V modifications : a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å ; α=β = 90°, γ= 109,7° (à 1 atm, moins 193°С). Le nombre de molécules dans la cellule est le même - 28. L'angle des liaisons hydrogène : 82-135°.

Dans la prochaine partie de notre article, nous poursuivrons notre examen des modifications de la glace d'eau.

Rendez-vous sur les pages de notre blog !

Vous pouvez également lire d'autres articles :

Compositions de glace en forme d'arbres de Noël

Décoration de glace pour les bains de l'Epiphanie

Compositions de glace du Nouvel An

Manette de glace SonyPlaystation

Travailler avec des gens sur la glace

Barre de glace Chivas Regal

Décoration de glace pour banquets

Mur de glace à Manchester

Meubles de glace Hongtao Zhou

Plats de glace

Château de glace au Minnesota

Maison de glace Microsoft

bulles gelées

Croc de glace dans la vallée de Vail

Les ours polaires patinent sur la glace

Chiot et glaçon

Ville de glace à Krasnogorsk

Sculpture sur glace - Ange

Patinage artistique sur glace fine

Ombres de glace

Plaques de glace

Mouette prise dans la glace

Des choses à la mode sur la glace

Glace spatiale. Deuxième partie : les comètes.