Struttura cristallina del ghiaccio. Proprietà dell'acqua

Lo stato tridimensionale dell’acqua liquida è difficile da studiare, ma si è imparato molto analizzando la struttura dei cristalli di ghiaccio. Quattro atomi di ossigeno vicini legati da legami idrogeno occupano i vertici di un tetraedro (tetra = quattro, edro = piano). L'energia media richiesta per rompere tale legame nel ghiaccio è stimata in 23 kJ/mol -1.

La capacità delle molecole d'acqua di formare un determinato numero di catene di idrogeno, nonché la forza specificata, creano un punto di fusione insolitamente alto. Quando si scioglie, viene trattenuto dall'acqua liquida, la cui struttura è irregolare. La maggior parte dei legami idrogeno sono distorti. Per distruggere il reticolo cristallino del ghiaccio legato all'idrogeno è necessaria una grande quantità di energia sotto forma di calore.

Caratteristiche dell'aspetto del ghiaccio (Ih)

Molte persone comuni si chiedono che tipo di reticolo cristallino abbia il ghiaccio. Va notato che la densità della maggior parte delle sostanze aumenta durante il congelamento, quando i movimenti molecolari rallentano e si formano cristalli densamente imballati. Anche la densità dell'acqua aumenta quando si raffredda fino al suo massimo a 4°C (277K). Poi, quando la temperatura scende al di sotto di questo valore, si espande.

Questo aumento è dovuto alla formazione di un cristallo di ghiaccio aperto legato a idrogeno con il suo reticolo e una densità inferiore, in cui ciascuna molecola d'acqua è strettamente legata all'elemento di cui sopra e ad altri quattro valori, e si muove ancora abbastanza velocemente da avere più massa. Quando si verifica questa azione, il liquido si congela dall'alto verso il basso. Ciò ha importanti effetti biologici, per cui uno strato di ghiaccio su uno stagno isola gli esseri viventi dal freddo estremo. Inoltre, due ulteriori proprietà dell'acqua sono legate alle sue caratteristiche dell'idrogeno: capacità termica specifica ed evaporazione.

Descrizione dettagliata delle strutture

Il primo criterio è la quantità necessaria per aumentare di 1°C la temperatura di 1 grammo di sostanza. L'aumento dei gradi dell'acqua richiede una porzione relativamente grande di calore perché ogni molecola è coinvolta in numerosi legami idrogeno che devono essere spezzati affinché l'energia cinetica aumenti. A proposito, l'abbondanza di H 2 O nelle cellule e nei tessuti di tutti i grandi organismi multicellulari significa che le fluttuazioni di temperatura all'interno delle cellule sono ridotte al minimo. Questa caratteristica è fondamentale perché la maggior parte delle reazioni biochimiche sono sensibili alla velocità.

Anche significativamente superiore a molti altri liquidi. Per convertire questo solido in gas è necessaria una grande quantità di calore perché i legami idrogeno devono essere rotti affinché le molecole d'acqua possano dislocarsi l'una dall'altra ed entrare in detta fase. I corpi variabili sono dipoli permanenti e possono interagire con altri composti simili e con quelli ionizzati e disciolti.

Altre sostanze sopra elencate possono entrare in contatto solo se è presente la polarità. È questo composto che è coinvolto nella struttura di questi elementi. Inoltre, può allinearsi attorno a queste particelle formate da elettroliti, in modo che gli atomi negativi di ossigeno delle molecole d'acqua siano orientati verso i cationi e gli ioni positivi e gli atomi di idrogeno siano orientati verso gli anioni.

Di norma si formano reticoli cristallini molecolari e atomici. Cioè, se lo iodio è strutturato in modo tale che in esso sia presente I 2, allora nell'anidride carbonica solida, cioè nel ghiaccio secco, ci sono molecole di CO 2 ai nodi del reticolo cristallino. Quando interagisce con tali sostanze, il ghiaccio ha un reticolo cristallino ionico. La grafite, ad esempio, avendo una struttura atomica basata sul carbonio, non è in grado di modificarla, proprio come il diamante.

Cosa succede quando un cristallo di sale da cucina si dissolve in acqua: le molecole polari sono attratte dagli elementi carichi nel cristallo, il che porta alla formazione di particelle simili di sodio e cloruro sulla sua superficie, di conseguenza questi corpi si dislocano l'uno dall'altro, e comincia a dissolversi. Da ciò possiamo osservare che il ghiaccio ha un reticolo cristallino con legami ionici. Ciascun Na+ disciolto attrae le estremità negative di diverse molecole d'acqua, mentre ogni Cl disciolto attrae le estremità positive. Il guscio che circonda ciascuno ione è chiamato sfera di fuga e solitamente contiene diversi strati di particelle di solvente.

Si dice che le variabili o gli ioni circondati da elementi siano solfatati. Quando l'acqua è il solvente, tali particelle si idratano. Pertanto, qualsiasi molecola polare tende ad essere solvatata da elementi del corpo liquido. Nel ghiaccio secco, il tipo di reticolo cristallino forma legami atomici nello stato aggregato che rimangono invariati. Il ghiaccio cristallino (acqua ghiacciata) è un'altra questione. I composti organici ionici come le carbossilasi e le ammine protonate devono avere solubilità nei gruppi ossidrile e carbonile. Le particelle contenute in tali strutture si muovono tra le molecole e i loro sistemi polari formano legami idrogeno con questo corpo.

Naturalmente il numero di questi ultimi gruppi presenti in una molecola influisce sulla sua solubilità, che dipende anche dalla reazione delle diverse strutture dell'elemento: ad esempio, gli alcoli a uno, due e tre atomi di carbonio sono miscibili in acqua, ma gli idrocarburi più grandi con singoli composti idrossilici sono molto meno diluiti nei liquidi.

L'Ih esagonale ha una forma simile al reticolo cristallino atomico. Per il ghiaccio e tutta la neve naturale sulla Terra, la situazione è esattamente così. Ciò è evidenziato dalla simmetria del reticolo cristallino del ghiaccio cresciuto dal vapore acqueo (cioè dai fiocchi di neve). Situato nel gruppo spaziale P 63/mm con 194; D 6h, classe Laue 6/mm; simile a β-, che ha un asse elicoidale multiplo di 6 (rotazione attorno oltre al taglio lungo di esso). Ha una struttura abbastanza aperta con bassa densità, dove l'efficienza è bassa (~1/3) rispetto alle strutture cubiche semplici (~1/2) o cubiche a facce centrate (~3/4).

Rispetto al ghiaccio normale, il reticolo cristallino del ghiaccio secco, legato dalle molecole di CO 2, è statico e cambia solo quando gli atomi decadono.

Descrizione dei reticoli e dei loro elementi costitutivi

I cristalli possono essere pensati come modelli cristallini costituiti da fogli impilati uno sopra l'altro. Il legame idrogeno è ordinato quando in realtà è casuale, poiché i protoni possono muoversi tra molecole di acqua (ghiaccio) a temperature superiori a circa 5 K. In effetti, è probabile che i protoni si comportino come un fluido quantistico in un flusso tunnel costante. Ciò è rafforzato dalla diffusione dei neutroni che mostra la loro densità di diffusione a metà strada tra gli atomi di ossigeno, indicando localizzazione e movimento coordinato. Qui si osserva la somiglianza del ghiaccio con un reticolo cristallino atomico e molecolare.

Le molecole hanno una disposizione a gradini della catena dell'idrogeno rispetto ai loro tre vicini nel piano. Il quarto elemento ha una disposizione dei legami idrogeno eclissata. C'è una leggera deviazione dalla perfetta simmetria esagonale, fino allo 0,3% più corta nella direzione di questa catena. Tutte le molecole sperimentano lo stesso ambiente molecolare. All'interno di ciascuna "scatola" c'è abbastanza spazio per trattenere le particelle d'acqua interstiziali. Sebbene non siano generalmente considerati, recentemente sono stati effettivamente rilevati mediante diffrazione di neutroni dal reticolo cristallino di ghiaccio in polvere.

Cambio di sostanze

Il corpo esagonale ha punti tripli con acqua liquida e gassosa 0,01 °C, 612 Pa, elementi solidi tre -21,985 °C, 209,9 MPa, undici e due -199,8 °C, 70 MPa e -34,7 °C, 212,9 MPa . La costante dielettrica del ghiaccio esagonale è 97,5.

La curva di fusione di questo elemento è data da MPa. Sono disponibili equazioni di stato, oltre ad alcune semplici disuguaglianze che mettono in relazione il cambiamento delle proprietà fisiche con la temperatura del ghiaccio esagonale e delle sue sospensioni acquose. La durezza varia con i gradi, aumentando da circa o meno del gesso (≤2) a 0°C, ai livelli di feldspato (6 a -80°C, una variazione anormalmente ampia nella durezza assoluta (>24 volte).

Il reticolo cristallino esagonale del ghiaccio forma piastre e colonne esagonali, dove le facce superiore e inferiore sono i piani basali (0 0 0 1) con un'entalpia di 5,57 μJ cm -2, e gli altri piani laterali equivalenti sono chiamati parti prismatiche (1 0 -1 0) con 5,94 µJ cm -2. Lungo i piani formati dai lati delle strutture si possono formare superfici secondarie (1 1 -2 0) con 6,90 μJ ˣ cm -2.

Questa struttura mostra una diminuzione anomala della conduttività termica con l'aumentare della pressione (come il ghiaccio amorfo cubico e a bassa densità), ma differisce dalla maggior parte dei cristalli. Ciò è dovuto a un cambiamento nei legami idrogeno, che riduce la velocità trasversale del suono nel reticolo cristallino del ghiaccio e dell’acqua.

Esistono metodi che descrivono come preparare campioni di cristalli di grandi dimensioni e qualsiasi superficie di ghiaccio desiderata. Si presume che il legame idrogeno sulla superficie del corpo esagonale in studio sarà più ordinato che all'interno del sistema sfuso. La spettroscopia variazionale oscillante in frequenza del reticolo di fase ha dimostrato che esiste un'asimmetria strutturale tra i due strati superiori (L1 e L2) nella catena HO sotterranea della superficie basale del ghiaccio esagonale. I legami idrogeno adottati negli strati superiori degli esagoni (L1 O ··· HO L2) sono più forti di quelli adottati nel secondo strato di accumulo superiore (L1 OH ··· O L2). Disponibili strutture di ghiaccio esagonali interattive.

Caratteristiche dello sviluppo

Il numero minimo di molecole d'acqua richieste per la nucleazione del ghiaccio è circa 275 ± 25, lo stesso di un ammasso icosaedrico completo di 280. La formazione avviene con un fattore di 10 10 all'interfaccia aria-acqua piuttosto che nella massa d'acqua. La crescita dei cristalli di ghiaccio dipende da diversi tassi di crescita di diverse energie. L'acqua deve essere protetta dal congelamento durante la crioconservazione di campioni biologici, alimenti e organi.

Ciò viene generalmente ottenuto mediante velocità di raffreddamento rapide, l’uso di piccoli campioni e un crioconservatore e l’aumento della pressione per nucleare il ghiaccio e prevenire danni alle cellule. L'energia libera del ghiaccio/liquido aumenta da ~30 mJ/m2 a pressione atmosferica a 40 mJ/m2 a 200 MPa, indicando il motivo per cui si verifica questo effetto.

In alternativa, possono crescere più rapidamente dalle superfici prismatiche (S2), su superfici disturbate casualmente di laghi ghiacciati o disturbati. La crescita dalle facce (1 1 -2 0) è almeno la stessa, ma le trasforma nelle basi di un prisma. I dati sullo sviluppo dei cristalli di ghiaccio sono stati completamente esplorati. I tassi di crescita relativi di elementi di facce diverse dipendono dalla capacità di formare un maggior grado di idratazione articolare. La (bassa) temperatura dell'acqua circostante determina il grado di ramificazione del cristallo di ghiaccio. La crescita delle particelle è limitata dalla velocità di diffusione a bassi gradi di sottoraffreddamento, vale a dire<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Ma è limitato dalla cinetica di sviluppo a livelli più alti di gradi inferiori >4°C, che porta ad una crescita aghiforme. Questa forma è simile alla struttura del ghiaccio secco (ha un reticolo cristallino con struttura esagonale), diverse caratteristiche di sviluppo superficiale e la temperatura dell'acqua circostante (superraffreddata) che si trova dietro le forme piatte dei fiocchi di neve.

La formazione del ghiaccio nell'atmosfera influenza profondamente la formazione e le proprietà delle nuvole. I feldspati, che si trovano nella polvere del deserto che entra nell'atmosfera a milioni di tonnellate all'anno, sono importanti formativi. Simulazioni al computer hanno dimostrato che ciò è dovuto alla nucleazione di piani di cristalli di ghiaccio prismatici su piani superficiali ad alta energia.

Alcuni altri elementi e reticoli

I soluti (ad eccezione di una piccolissima quantità di elio e idrogeno, che possono entrare negli interstizi) non possono essere incorporati nella struttura Ih a pressione atmosferica, ma vengono spinti in superficie o in uno strato amorfo tra le particelle del corpo microcristallino. Nei siti del reticolo cristallino del ghiaccio secco ci sono altri elementi: ioni caotropici, come NH 4 + e Cl -, che vengono inclusi nel congelamento del liquido più facilmente di altri kosmotropici, come Na + e SO 4 2-, per cui la loro rimozione è impossibile, poiché formano una sottile pellicola del liquido rimasto tra i cristalli. Ciò può portare a una carica elettrica della superficie dovuta alla dissociazione dell'acqua superficiale che bilancia le cariche rimanenti (che può anche provocare radiazioni magnetiche) e un cambiamento nel pH delle pellicole liquide residue, ad esempio NH 4 2 SO 4 che diventa più acido e NaCl diventa più alcalino.

Sono perpendicolari alle facce del reticolo dei cristalli di ghiaccio, mostrando lo strato successivo attaccato (con atomi O-neri). Sono caratterizzati da una superficie basale a crescita lenta (0 0 0 1), alla quale sono attaccate solo molecole d'acqua isolate. Una superficie di un prisma in rapida crescita (1 0 -1 0), dove coppie di particelle appena attaccate possono legarsi tra loro con idrogeno (un legame/due molecole dell'elemento). La faccia a crescita più rapida è (1 1 -2 0) (prismatica secondaria), dove catene di particelle appena attaccate possono interagire tra loro mediante legami idrogeno. Una delle sue catene/elementi molecolari è una forma che forma creste che dividono e favoriscono la trasformazione in due facce del prisma.

Entropia di punto zero

kBˣ Ln ( N

Gli scienziati e il loro lavoro in questo campo

Può essere definito come S 0 = kBˣ Ln ( N E0), dove k B è la costante di Boltzmann, N E è il numero di configurazioni all'energia E ed E0 è l'energia più bassa. Questo valore per l'entropia del ghiaccio esagonale a zero Kelvin non viola la terza legge della termodinamica, "L'entropia di un cristallo ideale allo zero assoluto è esattamente zero", poiché questi elementi e particelle non sono ideali e hanno legami idrogeno disordinati.

In questo corpo, il legame idrogeno è casuale e cambia rapidamente. Queste strutture non sono esattamente uguali in termini di energia, ma si estendono a un numero molto elevato di stati energeticamente vicini e obbediscono alle “regole del ghiaccio”. L'entropia del punto zero è il disordine che rimarrebbe anche se il materiale potesse essere raffreddato fino allo zero assoluto (0 K = -273,15 °C). Dà luogo a confusione sperimentale per il ghiaccio esagonale 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . In teoria, sarebbe possibile calcolare l'entropia zero dei cristalli di ghiaccio conosciuti con una precisione molto maggiore (trascurando i difetti e la dispersione dei livelli di energia) rispetto a determinarla sperimentalmente.

Sebbene l'ordine dei protoni nel ghiaccio sfuso non sia ordinato, la superficie probabilmente preferisce l'ordine di dette particelle sotto forma di bande di atomi di H pendenti e coppie solitarie di O (entropia zero con legami idrogeno ordinati). È stato trovato il disordine del punto zero ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 e altri. Da tutto quanto sopra risulta chiaro e comprensibile quali tipi di reticoli cristallini sono caratteristici del ghiaccio.

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

annotazione L’importanza del ghiaccio nel sostenere la vita sul nostro pianeta non può essere sottovalutata. Il ghiaccio ha una grande influenza sulle condizioni di vita di piante e animali e su vari tipi di attività economica umana. Coprendo l'acqua, il ghiaccio, a causa della sua bassa densità, svolge in natura il ruolo di uno schermo galleggiante, proteggendo fiumi e bacini artificiali da ulteriore congelamento e preservando la vita degli abitanti sottomarini. L'uso del ghiaccio per vari scopi (ritenzione della neve, costruzione di attraversamenti di ghiaccio e magazzini isotermici, riempimento di ghiaccio di impianti di stoccaggio e miniere) è oggetto di numerose sezioni di scienze idrometeorologiche e ingegneristiche, come ingegneria del ghiaccio, ingegneria della neve, permafrost ingegneria, nonché le attività dei servizi speciali di ricognizione dei ghiacci e dei mezzi di trasporto rompighiaccio e sgombero neve. Il ghiaccio naturale viene utilizzato per conservare e raffreddare prodotti alimentari, preparati biologici e medici, per i quali è prodotto e preparato appositamente, e l'acqua di fusione preparata dallo scioglimento del ghiaccio viene utilizzata nella medicina popolare per aumentare il metabolismo ed eliminare le tossine dal corpo. L'articolo introduce il lettore alle nuove proprietà poco conosciute e alle modifiche del ghiaccio.

Il ghiaccio è una forma cristallina dell'acqua che, secondo i dati più recenti, presenta quattordici modifiche strutturali. Tra questi ci sono modifiche cristalline (ghiaccio naturale) e amorfe (ghiaccio cubico) e metastabili, che differiscono tra loro nella disposizione reciproca e nelle proprietà fisiche delle molecole d'acqua collegate da legami idrogeno che formano il reticolo cristallino del ghiaccio. Tutti, ad eccezione del familiare ghiaccio naturale I h, che cristallizza in un reticolo esagonale, si formano in condizioni esotiche - a temperature molto basse di ghiaccio secco e azoto liquido e alte pressioni di migliaia di atmosfere, quando gli angoli dei legami idrogeno nella molecola dell'acqua cambiano e si formano sistemi cristallini diversi da quelli esagonali. Tali condizioni assomigliano a quelle dello spazio e non si verificano sulla Terra.

In natura il ghiaccio è rappresentato principalmente da una varietà cristallina, che cristallizza in un reticolo esagonale, che ricorda la struttura del diamante, dove ciascuna molecola d'acqua è circondata dalle quattro molecole più vicine, poste a uguale distanza da essa, pari a 2,76 Angstrom e poste ai vertici di un tetraedro regolare. A causa del basso numero di coordinazione, la struttura del ghiaccio è reticolare, il che ne influenza la bassa densità, pari a 0,931 g/cm 3 .

La proprietà più insolita del ghiaccio è la sua sorprendente varietà di manifestazioni esterne. Con la stessa struttura cristallina, può apparire completamente diverso, assumendo la forma di chicchi di grandine e ghiaccioli trasparenti, fiocchi di soffice neve, una densa crosta di ghiaccio lucida o gigantesche masse glaciali. Il ghiaccio si presenta in natura sotto forma di ghiaccio continentale, galleggiante e sotterraneo, nonché di neve e gelo. È diffuso in tutte le aree dell'abitazione umana. Quando raccolti in grandi quantità, neve e ghiaccio formano strutture speciali con proprietà fondamentalmente diverse da quelle dei singoli cristalli o fiocchi di neve. Il ghiaccio naturale è formato principalmente da ghiaccio di origine sedimentario-metamorfica, formatosi da precipitazioni atmosferiche solide a seguito di successiva compattazione e ricristallizzazione. Una caratteristica del ghiaccio naturale è la granulosità e la formazione di bande. La granulosità è dovuta a processi di ricristallizzazione; Ogni granello di ghiaccio glaciale è un cristallo di forma irregolare, strettamente adiacente agli altri cristalli nella colonna di ghiaccio in modo tale che le sporgenze di un cristallo si incastrano perfettamente nei recessi di un altro. Questo tipo di ghiaccio è chiamato policristallino. In esso, ogni cristallo di ghiaccio è uno strato di foglie più sottili sovrapposte l'una all'altra nel piano basale perpendicolare alla direzione dell'asse ottico del cristallo.

Si stima che le riserve totali di ghiaccio sulla Terra siano circa 30 milioni. km3(Tabella 1). La maggior parte del ghiaccio è concentrata in Antartide, dove lo spessore del suo strato raggiunge 4 km. Esistono prove della presenza di ghiaccio anche sui pianeti del sistema solare e nelle comete. Il ghiaccio è così importante per il clima del nostro pianeta e l'habitat delle creature viventi su di esso che gli scienziati hanno designato un ambiente speciale per il ghiaccio: la criosfera, i cui confini si estendono in alto nell'atmosfera e in profondità nella crosta terrestre.

Tavolo 1. Quantità, distribuzione e durata del ghiaccio.

I cristalli di ghiaccio sono unici nella loro forma e proporzioni. Qualsiasi cristallo naturale in crescita, compreso il cristallo di ghiaccio, si sforza sempre di creare un reticolo cristallino regolare ideale, poiché ciò è vantaggioso dal punto di vista del minimo della sua energia interna. Eventuali impurità, come è noto, distorcono la forma del cristallo, quindi, quando l'acqua cristallizza, le molecole d'acqua vengono prima incorporate nel reticolo e gli atomi estranei e le molecole di impurità vengono espulsi nel liquido. E solo quando le impurità non hanno nessun posto dove andare, il cristallo di ghiaccio inizia a integrarle nella sua struttura o le lascia sotto forma di capsule cave con un liquido concentrato non congelante: la salamoia. Pertanto, il ghiaccio marino è fresco e anche gli specchi d'acqua più sporchi sono ricoperti di ghiaccio trasparente e pulito. Quando il ghiaccio si scioglie, sposta le impurità nella salamoia. Su scala planetaria, il fenomeno del congelamento e dello scongelamento dell'acqua, insieme all'evaporazione e alla condensazione dell'acqua, svolge il ruolo di un gigantesco processo di purificazione in cui l'acqua sulla Terra si purifica costantemente.

Tavolo 2. Alcune proprietà fisiche del ghiaccio I.

Proprietà	Senso	Nota
Capacità termica, cal/(g °C) Calore di fusione, cal/g Calore di vaporizzazione, cal/g		Diminuisce notevolmente con il diminuire della temperatura
Coefficiente di dilatazione termica, 1/°C	9,1 10 -5 (0 °C)	Ghiaccio policristallino
Conducibilità termica, cal/(cm sec °C)		Ghiaccio policristallino
Indice di rifrazione:		Ghiaccio policristallino
Conduttività elettrica specifica, ohm -1 cm -1		Energia apparente di attivazione 11 kcal/mol
Conduttività elettrica superficiale, ohm -1		Energia apparente di attivazione 32 kcal/mol
Modulo di elasticità di Young, din/cm2	9 10 10 (-5 °C)	Ghiaccio policristallino
Resistenza, MN/m2: schiacciamento		Ghiaccio policristallino Ghiaccio policristallino Ghiaccio policristallino
Viscosità dinamica, equilibrio		Ghiaccio policristallino
Energia di attivazione durante la deformazione e il rilassamento meccanico, kcal/mol		Aumenta linearmente di 0,0361 kcal/(mol °C) da 0 a 273,16 K

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

A causa dell'ampia distribuzione del ghiaccio sulla Terra, la differenza tra le proprietà fisiche del ghiaccio (Tabella 2) e le proprietà di altre sostanze gioca un ruolo importante in molti processi naturali. Il ghiaccio ha molte altre proprietà e anomalie di sostegno alla vita: anomalie di densità, pressione, volume, conduttività termica. Se non ci fossero legami idrogeno che tengono insieme le molecole d’acqua in un cristallo, il ghiaccio si scioglierebbe a –90°C. Ma ciò non accade a causa della presenza di legami idrogeno tra le molecole d'acqua. A causa della sua densità inferiore a quella dell'acqua, il ghiaccio forma una copertura galleggiante sulla superficie dell'acqua, proteggendo i fiumi e i bacini artificiali dal congelamento del fondale, poiché la sua conduttività termica è molto inferiore a quella dell'acqua. In questo caso, la densità e il volume più bassi si osservano a +3,98 °C (Fig. 1). Un ulteriore raffreddamento dell'acqua a 0 0 C porta gradualmente non a una diminuzione, ma ad un aumento del suo volume di quasi il 10%, quando l'acqua si trasforma in ghiaccio. Questo comportamento dell'acqua indica l'esistenza simultanea di due fasi di equilibrio nell'acqua: liquida e quasicristallina, per analogia con i quasicristalli, il cui reticolo cristallino non solo ha una struttura periodica, ma ha anche assi di simmetria di diversi ordini, la cui esistenza in precedenza contraddiceva le idee dei cristallografi. Questa teoria, avanzata per la prima volta dal famoso fisico teorico russo Ya. I. Frenkel, si basa sul presupposto che alcune molecole liquide formino una struttura quasi cristallina, mentre le restanti molecole sono simili al gas e si muovono liberamente attraverso il volume. La distribuzione delle molecole in piccole vicinanze di qualsiasi molecola d'acqua fissa ha un certo ordine, che ricorda in qualche modo quello cristallino, anche se più sciolto. Per questo motivo, la struttura dell'acqua è talvolta chiamata quasicristallina o cristallina, cioè dotata di simmetria e ordine nella disposizione relativa di atomi o molecole.

Riso. 1. Dipendenza del volume specifico di ghiaccio e acqua dalla temperatura

Un'altra proprietà è che la velocità del flusso del ghiaccio è direttamente proporzionale all'energia di attivazione e inversamente proporzionale alla temperatura assoluta, per cui al diminuire della temperatura il ghiaccio si avvicina ad un corpo assolutamente solido nelle sue proprietà. In media, a temperature prossime allo scioglimento, la fluidità del ghiaccio è 10 6 volte superiore a quella delle rocce. A causa della sua fluidità, il ghiaccio non si accumula in un unico luogo, ma si muove costantemente sotto forma di ghiacciai. La relazione tra velocità del flusso e stress per il ghiaccio policristallino è iperbolica; quando descritto approssimativamente da un'equazione di potenza, l'esponente aumenta all'aumentare della tensione.

La luce visibile non viene praticamente assorbita dal ghiaccio, poiché i raggi luminosi passano attraverso il cristallo di ghiaccio, ma blocca la radiazione ultravioletta e la maggior parte della radiazione infrarossa proveniente dal Sole. In queste regioni dello spettro il ghiaccio appare completamente nero, poiché il coefficiente di assorbimento della luce in queste regioni dello spettro è molto elevato. A differenza dei cristalli di ghiaccio, la luce bianca che cade sulla neve non viene assorbita, ma viene rifratta molte volte nei cristalli di ghiaccio e riflessa dalle loro facce. Ecco perché la neve sembra bianca.

A causa dell'elevata riflettività del ghiaccio (0,45) e della neve (fino a 0,95), l'area da essi coperta è in media di circa 72 milioni di km all'anno. km2 alle alte e medie latitudini di entrambi gli emisferi, riceve il calore solare il 65% in meno del normale ed è una potente fonte di raffreddamento della superficie terrestre, che determina in gran parte la moderna zona climatica latitudinale. In estate, nelle regioni polari, la radiazione solare è maggiore che nella zona equatoriale, tuttavia la temperatura rimane bassa, poiché una parte significativa del calore assorbito viene speso per sciogliere il ghiaccio, che ha un calore di fusione molto elevato.

Altre proprietà insolite del ghiaccio includono la generazione di radiazioni elettromagnetiche da parte dei suoi cristalli in crescita. È noto che la maggior parte delle impurità disciolte nell'acqua non vengono trasferite al ghiaccio quando inizia a crescere; sono congelati. Pertanto, anche nella pozzanghera più sporca, la pellicola di ghiaccio è pulita e trasparente. In questo caso, le impurità si accumulano al confine tra il mezzo solido e quello liquido, sotto forma di due strati di cariche elettriche di segno diverso, che causano una significativa differenza di potenziale. Lo strato carico di impurità si muove insieme al limite inferiore del ghiaccio giovane ed emette onde elettromagnetiche. Grazie a ciò è possibile osservare in dettaglio il processo di cristallizzazione. Pertanto, un cristallo che cresce in lunghezza sotto forma di un ago emette in modo diverso rispetto a uno ricoperto da processi laterali, e la radiazione dei grani in crescita è diversa da quella che si verifica quando i cristalli si rompono. Dalla forma, sequenza, frequenza e ampiezza degli impulsi di radiazione è possibile determinare con quale velocità il ghiaccio si congela e che tipo di struttura del ghiaccio si forma.

Ma la cosa più sorprendente della struttura del ghiaccio è che le molecole d’acqua a basse temperature e alte pressioni all’interno di nanotubi di carbonio possono cristallizzarsi in una forma a doppia elica, che ricorda le molecole di DNA. Ciò è stato dimostrato da recenti esperimenti al computer condotti da scienziati americani guidati da Xiao Cheng Zeng dell'Università del Nebraska (USA). Affinché l'acqua formasse una spirale in un esperimento simulato, è stata posta in nanotubi con un diametro compreso tra 1,35 e 1,90 nm ad alta pressione, variabile da 10 a 40.000 atmosfere e ad una temperatura di –23 °C. Ci si aspettava di vedere che l'acqua in tutti i casi forma una sottile struttura tubolare. Tuttavia, il modello ha mostrato che con un diametro del nanotubo di 1,35 nm e una pressione esterna di 40.000 atmosfere, i legami idrogeno nella struttura del ghiaccio si sono piegati, il che ha portato alla formazione di una spirale con una doppia parete: interna ed esterna. In queste condizioni, la parete interna si è rivelata attorcigliata in una quadrupla elica e la parete esterna era costituita da quattro doppie eliche, simili a una molecola di DNA (Fig. 2). Questo fatto può servire come conferma della connessione tra la struttura della molecola vitale del DNA e la struttura dell'acqua stessa e che l'acqua fungeva da matrice per la sintesi delle molecole di DNA.

Riso. 2. Un modello computerizzato della struttura dell'acqua congelata nei nanotubi, che ricorda una molecola di DNA (foto dalla rivista New Scientist, 2006)

Un'altra delle proprietà più importanti dell'acqua scoperte di recente è che l'acqua ha la capacità di ricordare informazioni sulle influenze passate. Ciò è stato dimostrato per la prima volta dal ricercatore giapponese Masaru Emoto e dal nostro connazionale Stanislav Zenin, che è stato uno dei primi a proporre una teoria dei cluster della struttura dell'acqua, costituita da associati ciclici di una struttura poliedrica volumetrica - cluster della formula generale (H 2 O) n, dove n, secondo i dati più recenti, può raggiungere centinaia e anche migliaia di unità. È grazie alla presenza di cluster nell'acqua che l'acqua ha proprietà informative. I ricercatori hanno fotografato i processi di congelamento dell'acqua in microcristalli di ghiaccio, influenzandoli con vari campi elettromagnetici e acustici, melodie, preghiere, parole o pensieri. Si è scoperto che sotto l'influenza di informazioni positive sotto forma di bellissime melodie e parole, il ghiaccio si è congelato in cristalli esagonali simmetrici. Dove risuonavano musiche irregolari e parole rabbiose e offensive, l'acqua, al contrario, si ghiacciava in cristalli caotici e informi. Questa è la prova che l'acqua ha una struttura speciale sensibile agli influssi delle informazioni esterne. Presumibilmente il cervello umano, costituito per l'85-90% da acqua, ha un forte effetto strutturante sull'acqua.

I cristalli Emoto suscitano sia interesse che critiche non sufficientemente comprovate. Se li guardi attentamente, puoi vedere che la loro struttura è composta da sei cime. Ma un'analisi ancora più attenta mostra che i fiocchi di neve in inverno hanno la stessa struttura, sempre simmetrica e con sei vertici. In che misura le strutture cristallizzate contengono informazioni sull'ambiente in cui sono state create? La struttura dei fiocchi di neve può essere bella o informe. Ciò indica che il campione di controllo (nuvola nell'atmosfera) da cui hanno origine ha su di essi la stessa influenza delle condizioni originali. Le condizioni iniziali sono l'attività solare, la temperatura, i campi geofisici, l'umidità, ecc. Tutto ciò significa che dal cosiddetto. insieme medio, possiamo concludere che la struttura delle gocce d'acqua e quindi dei fiocchi di neve è approssimativamente la stessa. La loro massa è quasi la stessa e si muovono nell'atmosfera a velocità simili. Nell'atmosfera continuano a formare le loro strutture e ad aumentare di volume. Anche se si sono formati in diverse parti della nuvola, in un gruppo c'è sempre un certo numero di fiocchi di neve che sono sorti quasi nelle stesse condizioni. E la risposta alla domanda su cosa costituisca un'informazione positiva e negativa sui fiocchi di neve può essere trovata in Emoto. In condizioni di laboratorio, le informazioni negative (terremoto, vibrazioni sonore sfavorevoli per l'uomo, ecc.) non formano cristalli, ma informazioni positive, esattamente il contrario. È molto interessante fino a che punto un fattore possa modellare strutture identiche o simili di fiocchi di neve. La densità più alta dell'acqua si osserva ad una temperatura di 4 °C. È stato scientificamente provato che la densità dell'acqua diminuisce quando iniziano a formarsi cristalli di ghiaccio esagonali quando la temperatura scende sotto lo zero. Questo è il risultato dei legami idrogeno tra le molecole d'acqua.

Qual è il motivo di questa strutturazione? I cristalli sono solidi e i loro atomi, molecole o ioni costituenti sono disposti secondo uno schema regolare e ripetuto in tre dimensioni spaziali. La struttura dei cristalli d'acqua è leggermente diversa. Secondo Isaac, solo il 10% dei legami idrogeno nel ghiaccio sono covalenti, cioè con informazioni abbastanza stabili. I legami idrogeno tra l'ossigeno di una molecola d'acqua e l'idrogeno di un'altra sono più sensibili alle influenze esterne. Lo spettro dell'acqua durante la costruzione dei cristalli è relativamente diverso nel tempo. Secondo l'effetto dell'evaporazione discreta di una goccia d'acqua dimostrato da Antonov e Yuskeseliev e la sua dipendenza dagli stati energetici dei legami idrogeno, possiamo cercare una risposta sulla struttura dei cristalli. Ogni parte dello spettro dipende dalla tensione superficiale delle gocce d'acqua. Ci sono sei picchi nello spettro, che indicano i rami del fiocco di neve.

È chiaro che negli esperimenti di Emoto il campione iniziale di "controllo" influenza l'aspetto dei cristalli. Ciò significa che dopo l'esposizione a un determinato fattore, ci si può aspettare la formazione di cristalli simili. È quasi impossibile ottenere cristalli identici. Nel testare l'effetto della parola "amore" sull'acqua, Emoto non indica chiaramente se l'esperimento è stato condotto con campioni diversi.

Sono necessari esperimenti in doppio cieco per verificare se la tecnica Emoto è sufficientemente differenziata. La prova di Isaac che il 10% delle molecole d'acqua forma legami covalenti dopo il congelamento ci mostra che l'acqua utilizza queste informazioni quando congela. Il risultato di Emoto, anche senza esperimenti in doppio cieco, rimane piuttosto importante per quanto riguarda le proprietà informative dell'acqua.

Fiocco di neve naturale, Wilson Bentley, 1925

Fiocco di neve Emoto ottenuto da acqua naturale

Un fiocco di neve è naturale e l'altro è stato creato da Emoto, il che indica che la diversità nello spettro dell'acqua non è illimitata.

Terremoto, Sofia, scala 4.0 Richter, 15 novembre 2008,
Dott. Ignatov, 2008©, prof. Il dispositivo di Antonov©

Questa cifra indica la differenza tra il campione di controllo e quelli prelevati negli altri giorni. Le molecole d'acqua rompono i legami idrogeno più energetici nell'acqua, nonché due picchi nello spettro durante un fenomeno naturale. Lo studio è stato effettuato utilizzando un dispositivo Antonov. Il risultato biofisico mostra una diminuzione del tono vitale del corpo durante un terremoto. Durante un terremoto, l'acqua non può cambiare la sua struttura nei fiocchi di neve nel laboratorio di Emoto. Esistono prove di cambiamenti nella conduttività elettrica dell'acqua durante un terremoto.

Nel 1963, lo scolaro tanzaniano Erasto Mpemba notò che l’acqua calda congela più velocemente dell’acqua fredda. Questo fenomeno è chiamato effetto Mpemba. Sebbene la proprietà unica dell'acqua sia stata notata molto prima da Aristotele, Francis Bacon e René Descartes. Il fenomeno è stato dimostrato più volte da una serie di esperimenti indipendenti. L'acqua ha un'altra strana proprietà. A mio avviso, la spiegazione di ciò è la seguente: lo spettro energetico differenziale di non equilibrio (DNES) dell'acqua bollita ha un'energia media dei legami idrogeno tra le molecole d'acqua inferiore rispetto a quella di un campione prelevato a temperatura ambiente. Ciò significa che l'acqua bollita ha bisogno meno energia per iniziare a strutturare i cristalli e congelarli.

La chiave per la struttura del ghiaccio e le sue proprietà risiede nella struttura del suo cristallo. I cristalli di tutte le modificazioni del ghiaccio sono costituiti da molecole d'acqua H 2 O collegate da legami idrogeno in strutture reticolari tridimensionali con una disposizione specifica di legami idrogeno. Una molecola d'acqua può essere semplicemente immaginata come un tetraedro (una piramide a base triangolare). Al suo centro c'è un atomo di ossigeno, che è in uno stato di ibridazione sp 3, e in due vertici c'è un atomo di idrogeno, uno dei cui elettroni 1s è coinvolto nella formazione di un legame covalente H-O con l'ossigeno. I due vertici rimanenti sono occupati da coppie di elettroni di ossigeno spaiati, che non partecipano alla formazione di legami intramolecolari, quindi sono chiamati solitari. La forma spaziale della molecola di H 2 O è spiegata dalla mutua repulsione degli atomi di idrogeno e delle coppie elettroniche solitarie dell'atomo centrale di ossigeno.

Il legame idrogeno è importante nella chimica delle interazioni intermolecolari ed è causato da deboli forze elettrostatiche e interazioni donatore-accettore. Si verifica quando l'atomo di idrogeno carente di elettroni di una molecola d'acqua interagisce con la coppia di elettroni solitari dell'atomo di ossigeno di una molecola d'acqua vicina (O-H...O). Una caratteristica distintiva del legame idrogeno è la sua forza relativamente bassa; è 5-10 volte più debole di un legame covalente chimico. In termini di energia, un legame idrogeno occupa una posizione intermedia tra un legame chimico e le interazioni di van der Waals che tengono le molecole in una fase solida o liquida. Ciascuna molecola d'acqua in un cristallo di ghiaccio può formare contemporaneamente quattro legami idrogeno con altre molecole vicine ad angoli strettamente definiti pari a 109°47", diretti verso i vertici del tetraedro, che non consentono la creazione di una struttura densa quando l'acqua congela ( Fig. 3). Nelle strutture di ghiaccio I, Ic, VII e VIII, questo tetraedro è regolare. Nelle strutture di ghiaccio II, III, V e VI, i tetraedri sono notevolmente distorti. Nelle strutture di ghiaccio VI, VII e VIII, due si intersecano reciprocamente Si possono distinguere sistemi di legami idrogeno.Questa struttura invisibile di legami idrogeno dispone le molecole d'acqua sotto forma di una rete a maglie, la cui struttura ricorda un nido d'ape esagonale con canali interni cavi.Se il ghiaccio viene riscaldato, la struttura della rete viene distrutta: l'acqua le molecole iniziano a cadere nei vuoti della rete, portando ad una struttura liquida più densa: questo spiega perché l'acqua è più pesante del ghiaccio.

Riso. 3. Formazione di un legame idrogeno tra quattro molecole di H2O (le palline rosse rappresentano gli atomi di ossigeno centrali, le palline bianche rappresentano gli atomi di idrogeno)

La specificità dei legami idrogeno e delle interazioni intermolecolari caratteristiche della struttura del ghiaccio viene preservata nell'acqua di fusione, poiché quando un cristallo di ghiaccio si scioglie, solo il 15% di tutti i legami idrogeno viene distrutto. Pertanto, la connessione tra ciascuna molecola d'acqua e le quattro molecole vicine inerenti al ghiaccio ("ordine a corto raggio") non viene violata, sebbene si osservi una maggiore sfocatura del reticolo della struttura dell'ossigeno. I legami idrogeno possono essere mantenuti anche quando l’acqua bolle. Solo nel vapore acqueo non ci sono legami idrogeno.

Il ghiaccio, che si forma a pressione atmosferica e si scioglie a 0°C, è la sostanza più comune, ma ancora non del tutto compresa. Gran parte della sua struttura e proprietà sembra insolita. Nei siti del reticolo cristallino del ghiaccio, gli atomi di ossigeno dei tetraedri delle molecole d'acqua sono disposti in modo ordinato, formando esagoni regolari, come un nido d'ape esagonale, e gli atomi di idrogeno occupano una varietà di posizioni sui legami idrogeno che collegano i atomi di ossigeno (Fig. 4). Pertanto, sono possibili sei orientamenti equivalenti delle molecole d'acqua rispetto ai loro vicini. Alcuni di essi vengono esclusi, poiché è improbabile la presenza di due protoni contemporaneamente sullo stesso legame idrogeno, ma rimane sufficiente incertezza nell'orientamento delle molecole d'acqua. Questo comportamento degli atomi è atipico, poiché in una sostanza solida tutti gli atomi obbediscono alla stessa legge: o gli atomi sono disposti in modo ordinato, e quindi è un cristallo, o in modo casuale, e quindi è una sostanza amorfa. Una struttura così insolita può essere realizzata nella maggior parte delle modifiche del ghiaccio - Ih, III, V, VI e VII (e apparentemente in Ic) (Tabella 3), e nella struttura del ghiaccio II, VIII e IX le molecole d'acqua sono ordinate orientativamente . Secondo J. Bernal, il ghiaccio è cristallino rispetto agli atomi di ossigeno e vetroso rispetto agli atomi di idrogeno.

Riso. 4. Struttura di ghiaccio di configurazione esagonale naturale I h

In altre condizioni, ad esempio nello Spazio ad alte pressioni e basse temperature, il ghiaccio cristallizza diversamente, formando altri reticoli cristallini e modificazioni (cubico, trigonale, tetragonale, monoclino, ecc.), ciascuno dei quali ha una propria struttura e reticolo cristallino (Tabella 3). Le strutture del ghiaccio di varie modifiche sono state calcolate dai ricercatori russi Dr. G.G. Malenkov e Ph.D. in Fisica e Matematica. E.A. Zheligovskaya dell'Istituto di Chimica Fisica ed Elettrochimica da cui prende il nome. UN. Frumkin dell'Accademia russa delle scienze. I ghiacci delle modifiche II, III e V si conservano a lungo a pressione atmosferica se la temperatura non supera i -170 °C (Fig. 5). Quando viene raffreddato a circa -150 °C, il ghiaccio naturale si trasforma in ghiaccio cubico Ic, costituito da cubi e ottaedri di dimensioni di diversi nanometri. Il ghiaccio I c a volte appare quando l'acqua si congela nei capillari, il che apparentemente è facilitato dall'interazione dell'acqua con il materiale della parete e dalla ripetizione della sua struttura. Se la temperatura è leggermente superiore a -110 0 C, sul substrato metallico si formano cristalli di ghiaccio amorfo vetroso più densi e pesanti con una densità di 0,93 g/cm 3 . Entrambe queste forme di ghiaccio possono trasformarsi spontaneamente in ghiaccio esagonale e quanto più velocemente aumenta la temperatura.

Tavolo 3. Alcune modificazioni dei ghiacci e dei loro parametri fisici.

Nota. 1 Å = 10 -10 m

Riso. 5. Diagramma dello stato dei ghiacci cristallini di varie modificazioni.

Esistono anche ghiacci ad alta pressione - II e III modifiche trigonali e tetragonali, formati da favi cavi formati da elementi ondulati esagonali, spostati l'uno rispetto all'altro di un terzo (Fig. 6 e Fig. 7). Questi ghiacci si stabilizzano in presenza dei gas nobili elio e argon. Nella struttura della modifica monoclina del ghiaccio V, gli angoli tra gli atomi di ossigeno vicini vanno da 86 0 a 132 °, che è molto diverso dall'angolo di legame in una molecola d'acqua, che è 105 ° 47 '. Il ghiaccio VI della modifica tetragonale è costituito da due fotogrammi inseriti l'uno nell'altro, tra i quali non ci sono legami idrogeno, con conseguente formazione di un reticolo cristallino a corpo centrato (Fig. 8). La struttura del ghiaccio VI si basa sugli esameri: blocchi di sei molecole d'acqua. La loro configurazione ripete esattamente la struttura di un ammasso stabile d'acqua, che è data dai calcoli. Il ghiaccio VII e VIII della modifica cubica, che sono forme ordinate di ghiaccio VII a bassa temperatura, hanno una struttura simile con telai di ghiaccio I inseriti l'uno nell'altro. Con il successivo aumento della pressione, la distanza tra gli atomi di ossigeno nel reticolo cristallino dei ghiacci VII e VIII diminuirà, di conseguenza si formerà la struttura del ghiaccio X, i cui atomi di ossigeno sono disposti in un reticolo regolare, e la i protoni sono ordinati.

Riso. 7. Configurazione ghiaccio III.

Il ghiaccio XI si forma mediante raffreddamento profondo del ghiaccio I h ​​con l'aggiunta di alcali al di sotto di 72 K a pressione normale. In queste condizioni si formano difetti nei cristalli di idrossile, che consentono al cristallo di ghiaccio in crescita di modificare la sua struttura. Il ghiaccio XI ha un reticolo cristallino ortorombico con una disposizione ordinata dei protoni e si forma contemporaneamente in molti centri di cristallizzazione vicino ai difetti idrossilici del cristallo.

Riso. 8. Configurazione Ice VI.

Tra i ghiacci si trovano anche le forme metastabili IV e XII, la cui vita media è secondi, e hanno la struttura più bella (Fig. 9 e Fig. 10). Per ottenere ghiaccio metastabile è necessario comprimere il ghiaccio I h ​​ad una pressione di 1,8 GPa alla temperatura dell'azoto liquido. Questi ghiacci si formano molto più facilmente e sono particolarmente stabili se l’acqua pesante superraffreddata viene sottoposta a pressione. Un'altra modificazione metastabile, il ghiaccio IX, si forma quando il ghiaccio III viene superraffreddato e rappresenta essenzialmente la sua forma a bassa temperatura.

Riso. 9. Configurazione Ice IV.

Riso. 10. Configurazione Ice XII.

Le ultime due modifiche del ghiaccio - con una configurazione monoclina XIII e una configurazione ortorombica XIV - sono state scoperte dagli scienziati di Oxford (Regno Unito) abbastanza recentemente - nel 2006. L'ipotesi che dovrebbero esserci cristalli di ghiaccio con reticoli monoclini e rombici era difficile da confermare: la viscosità dell'acqua a una temperatura di -160 ° C è molto elevata ed è difficile che le molecole di acqua pura sottoraffreddata si uniscano in tali quantità per formare un nucleo cristallino. Ciò è stato ottenuto utilizzando un catalizzatore: l'acido cloridrico, che ha aumentato la mobilità delle molecole d'acqua a basse temperature. Tali modifiche del ghiaccio non possono formarsi sulla Terra, ma possono esistere nello Spazio su pianeti raffreddati e satelliti e comete congelati. Pertanto, i calcoli della densità e dei flussi di calore dalla superficie dei satelliti di Giove e Saturno permettono di affermare che Ganimede e Callisto devono avere un guscio ghiacciato in cui si alternano i ghiacci I, III, V e VI. Su Titano, i ghiacci non formano una crosta, ma un mantello, il cui strato interno è costituito da ghiaccio VI, altri ghiacci ad alta pressione e idrati clatrati, e il ghiaccio I h ​​si trova in cima.

Riso. undici. Diversità e forma dei fiocchi di neve in natura

Nell'alta atmosfera terrestre, a basse temperature, l'acqua cristallizza dai tetraedri formando ghiaccio esagonale Ih. Il centro della formazione dei cristalli di ghiaccio sono le particelle di polvere solida, che vengono sollevate dal vento negli strati superiori dell'atmosfera. Intorno a questo microcristallo embrionale di ghiaccio crescono in sei direzioni simmetriche aghi formati da singole molecole d'acqua, su cui crescono processi laterali: i dendriti. La temperatura e l'umidità dell'aria attorno al fiocco di neve sono le stesse, quindi inizialmente ha una forma simmetrica. Man mano che si formano, i fiocchi di neve cadono gradualmente negli strati più bassi dell'atmosfera, dove la temperatura è più alta. Qui avviene lo scioglimento e la loro forma geometrica ideale viene distorta, formando una varietà di fiocchi di neve (Fig. 11).

Con l'ulteriore scioglimento, la struttura esagonale del ghiaccio viene distrutta e si forma una miscela di associati ciclici di cluster, nonché tri-, tetra-, penta-, esameri di acqua (Fig. 12) e molecole di acqua libera. Studiare la struttura dei cluster risultanti è spesso molto difficile, poiché l'acqua, secondo i dati moderni, è una miscela di vari cluster neutri (H 2 O) n e dei loro ioni cluster carichi [H 2 O] + n e [H 2 O ] - n, che sono in equilibrio dinamico tra loro con una durata di 10 -11 -10 -12 secondi.

Riso. 12. Possibili gruppi d'acqua (a-h) di composizione (H 2 O) n, dove n = 5-20.

I cluster sono in grado di interagire tra loro attraverso facce di legami idrogeno sporgenti verso l'esterno, formando strutture poliedriche più complesse come esaedro, ottaedro, icosaedro e dodecaedro. Pertanto, la struttura dell'acqua è associata ai cosiddetti solidi platonici (tetraedro, esaedro, ottaedro, icosaedro e dodecaedro), dal nome dell'antico filosofo e geometra greco Platone che li scoprì, la cui forma è determinata dalla sezione aurea (Fig. 13).

Riso. 13. Solidi platonici, la cui forma geometrica è determinata dalla sezione aurea.

Il numero di vertici (B), facce (G) e bordi (P) in qualsiasi poliedro spaziale è descritto dalla relazione:

B + G = P + 2

Il rapporto tra il numero di vertici (B) di un poliedro regolare e il numero di spigoli (P) di una delle sue facce è uguale al rapporto tra il numero di facce (G) dello stesso poliedro e il numero di spigoli ( P) emergente da uno dei suoi vertici. Per un tetraedro questo rapporto è 4:3, per un esaedro (6 facce) e un ottaedro (8 facce) è 2:1, e per un dodecaedro (12 facce) e un icosaedro (20 facce) è 4:1.

Le strutture degli ammassi poliedrici d'acqua, calcolate da scienziati russi, sono state confermate utilizzando moderni metodi analitici: spettroscopia di risonanza magnetica protonica, spettroscopia laser a femtosecondi, diffrazione di raggi X e neutroni sui cristalli d'acqua. La scoperta dei cluster d'acqua e la capacità dell'acqua di immagazzinare informazioni sono due delle scoperte più importanti del 21° millennio. Ciò dimostra chiaramente che la natura è caratterizzata dalla simmetria sotto forma di forme e proporzioni geometriche precise, caratteristiche dei cristalli di ghiaccio.

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Ricerca personalizzata

Struttura dell'acqua

Dottorato di ricerca O.V. Mosin

Una molecola d'acqua è un piccolo dipolo contenente ai suoi poli cariche positive e negative. Poiché la massa e la carica del nucleo di ossigeno sono maggiori di quelle dei nuclei di idrogeno, la nuvola di elettroni viene attratta verso il nucleo di ossigeno. In questo caso, i nuclei di idrogeno sono esposti. Pertanto, la nuvola di elettroni ha una densità non uniforme. C'è una mancanza di densità elettronica vicino ai nuclei di idrogeno e sul lato opposto della molecola, vicino al nucleo di ossigeno, c'è un eccesso di densità elettronica. È questa struttura che determina la polarità della molecola d'acqua. Se colleghi gli epicentri delle cariche positive e negative con linee rette, otterrai una figura geometrica tridimensionale: un tetraedro regolare.

La struttura di una molecola d'acqua (immagine a destra)

A causa della presenza di legami idrogeno, ciascuna molecola d'acqua forma un legame idrogeno con 4 molecole vicine, formando una struttura a rete traforata nella molecola di ghiaccio. Tuttavia, allo stato liquido, l'acqua è un liquido disordinato; Questi legami idrogeno sono spontanei, di breve durata, si rompono e si riformano rapidamente. Tutto ciò porta all'eterogeneità nella struttura dell'acqua.

Legami idrogeno tra le molecole d'acqua (immagine in basso a sinistra)

Il fatto che l'acqua abbia una composizione eterogenea è stato stabilito molto tempo fa. È noto da tempo che il ghiaccio galleggia sulla superficie dell'acqua, cioè la densità del ghiaccio cristallino è inferiore alla densità del liquido.

Per quasi tutte le altre sostanze, il cristallo è più denso della fase liquida. Inoltre, anche dopo lo scioglimento, con l'aumentare della temperatura, la densità dell'acqua continua ad aumentare e raggiunge il massimo a 4°C. Meno nota è l'anomalia della comprimibilità dell'acqua: se riscaldata dal punto di fusione fino a 40°C, diminuisce per poi aumentare. La capacità termica dell'acqua dipende anche in modo non monotono dalla temperatura.

Inoltre, a temperature inferiori a 30 ° C, con un aumento della pressione dall'atmosfera a 0,2 GPa, la viscosità dell'acqua diminuisce e aumenta il coefficiente di autodiffusione, un parametro che determina la velocità di movimento delle molecole d'acqua l'una rispetto all'altra.

Per altri liquidi la relazione è opposta e quasi da nessuna parte accade che alcuni parametri importanti si comportino in modo non monotono, cioè prima è aumentato e dopo aver superato un valore critico di temperatura o pressione è diminuito. È nato il presupposto che in realtà l'acqua non è un singolo liquido, ma una miscela di due componenti che differiscono per proprietà, ad esempio densità e viscosità, e quindi struttura. Tali idee iniziarono ad emergere alla fine del XIX secolo, quando si accumularono molti dati sulle anomalie dell'acqua.

Whiting fu il primo a proporre l'idea che l'acqua sia composta da due componenti nel 1884. La sua paternità è citata da E.F. Fritsman nella monografia "The Nature of Water. Heavy Water", pubblicata nel 1935. Nel 1891 V. Rengten introdusse il concetto di due stati dell'acqua, che differiscono per densità. Successivamente apparvero molti lavori in cui l'acqua veniva considerata come una miscela di associati di diversa composizione (idroli).

Quando negli anni '20 fu determinata la struttura del ghiaccio, si scoprì che le molecole d'acqua nello stato cristallino formano una rete continua tridimensionale in cui ciascuna molecola ha quattro vicini più prossimi situati ai vertici di un tetraedro regolare. Nel 1933, J. Bernal e P. Fowler suggerirono che una rete simile esistesse nell'acqua liquida. Poiché l'acqua è più densa del ghiaccio, credevano che le molecole in essa contenute non fossero disposte come nel ghiaccio, cioè come gli atomi di silicio nel minerale tridimite, ma come gli atomi di silicio in una modifica più densa della silice, il quarzo. L'aumento della densità dell'acqua quando riscaldata da 0 a 4°C è stato spiegato dalla presenza del componente tridimite a basse temperature. Pertanto, il modello di Bernal Fowler mantenne l'elemento della doppia struttura, ma il loro risultato principale fu l'idea di una rete tetraedrica continua. Poi apparve il famoso aforisma di I. Langmuir: "L'oceano è una grande molecola". L'eccessiva specificazione del modello non ha aumentato il numero dei sostenitori della teoria della griglia unificata.

Fu solo nel 1951 che J. Pople creò un modello a griglia continua, che non era così specifico come il modello di Bernal Fowler. Pople immaginava l'acqua come una rete tetraedrica casuale, i cui legami tra le molecole sono curvi e hanno lunghezze diverse. Il modello di Pople spiega la compattazione dell'acqua durante la fusione mediante la flessione dei legami. Quando negli anni '60 e '70 apparvero le prime definizioni della struttura dei ghiacci II e IX, divenne chiaro come la flessione dei legami possa portare alla compattazione della struttura. Il modello di Pople non poteva spiegare la dipendenza non monotona delle proprietà dell'acqua dalla temperatura e dalla pressione, così come i modelli a due stati. Pertanto, l’idea dei due Stati è stata condivisa per molto tempo da molti scienziati.

Ma nella seconda metà del XX secolo era impossibile fantasticare sulla composizione e la struttura degli idroli come all’inizio del secolo. Si sapeva già come funzionano il ghiaccio e gli idrati cristallini, e si sapeva molto sui legami idrogeno. Oltre ai modelli continui (modello di Pople), sono emersi due gruppi di modelli misti: cluster e clatrato. Nel primo gruppo, l'acqua appariva sotto forma di grappoli di molecole collegate da legami idrogeno, che galleggiavano in un mare di molecole non coinvolte in tali legami. Il secondo gruppo di modelli trattava l’acqua come una rete continua (di solito chiamata struttura in questo contesto) di legami idrogeno che contenevano vuoti; contengono molecole che non formano legami con le molecole della struttura. Non è stato difficile selezionare le proprietà e le concentrazioni di due microfasi di modelli di cluster o le proprietà della struttura e il grado di riempimento dei suoi vuoti di modelli di clatrato per spiegare tutte le proprietà dell'acqua, comprese le famose anomalie.

Tra i modelli di cluster, il più sorprendente è stato il modello di G. Nemeti e H. Sheragi: Le immagini da loro proposte, raffiguranti grappoli di molecole legate che galleggiano in un mare di molecole non legate, sono state incluse in molte monografie.

Il primo modello del tipo clatrato fu proposto nel 1946 da O.Ya Samoilov: nell'acqua è conservata una rete di legami idrogeno simile al ghiaccio esagonale, le cui cavità sono parzialmente riempite con molecole di monomeri. L. Pauling nel 1959 creò un'altra opzione, suggerendo che la base della struttura potrebbe essere una rete di legami inerenti ad alcuni idrati cristallini.

Durante la seconda metà degli anni '60 e l'inizio degli anni '70 si osservò una convergenza di tutte queste visioni. Sono apparse varianti dei modelli a grappolo in cui le molecole in entrambe le microfasi sono collegate da legami idrogeno. I sostenitori dei modelli clatrati iniziarono ad ammettere la formazione di legami idrogeno tra le molecole vuote e quelle della struttura. Cioè, infatti, gli autori di questi modelli considerano l'acqua come una rete continua di legami idrogeno. E stiamo parlando di quanto sia eterogenea questa griglia (ad esempio, in densità). L’idea dell’acqua come ammassi legati da idrogeno galleggianti in un mare di molecole d’acqua non legate fu messa fine all’inizio degli anni ottanta, quando G. Stanley applicò la teoria della percolazione, che descrive le transizioni di fase dell’acqua, all’acqua. modello ad acqua.

Nel 1999, il famoso ricercatore russo sull'acqua S.V. Zenin ha difeso la sua tesi di dottorato presso l'Istituto di problemi medici e biologici dell'Accademia russa delle scienze sulla teoria dei cluster, che ha rappresentato un passo significativo nel progresso di quest'area di ricerca, la cui complessità è accresciuta dal fatto che essi sono all'intersezione di tre scienze: fisica, chimica e biologia. Sulla base dei dati ottenuti con tre metodi fisico-chimici: rifrattometria (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), cromatografia liquida ad alta prestazione (S.V. Zenin et al., 1998) e risonanza magnetica protonica (C S.V. Zenin, 1993) ha costruito e dimostrato una struttura geometrica modello della principale formazione strutturale stabile delle molecole d'acqua (acqua strutturata), e poi (S.V. Zenin, 2004) un'immagine di queste strutture è stata ottenuta utilizzando un microscopio a fase di contrasto.

La scienza ha ora dimostrato che le peculiarità delle proprietà fisiche dell'acqua e i numerosi legami idrogeno di breve durata tra gli atomi vicini di idrogeno e ossigeno in una molecola d'acqua creano opportunità favorevoli per la formazione di speciali strutture associate (cluster) che percepiscono, immagazzinano e trasmettono un ampia varietà di informazioni.

L'unità strutturale di tale acqua è un ammasso costituito da clatrati, la cui natura è determinata dalle forze di Coulomb a lungo raggio. La struttura dei cluster codifica le informazioni sulle interazioni avvenute con queste molecole d'acqua. Negli ammassi d'acqua, a causa dell'interazione tra legami covalenti e idrogeno tra atomi di ossigeno e atomi di idrogeno, la migrazione di un protone (H+) può avvenire tramite un meccanismo di relè, portando alla delocalizzazione del protone all'interno dell'ammasso.

L'acqua, costituita da molti cluster di vario tipo, forma una struttura gerarchica spaziale a cristalli liquidi in grado di percepire e immagazzinare enormi quantità di informazioni.

La figura (V.L. Voeikov) mostra come esempio i diagrammi di diverse semplici strutture di cluster.

Alcune possibili strutture degli ammassi d'acqua

Campi fisici di natura molto diversa possono essere portatori di informazioni. Pertanto, è stata stabilita la possibilità di interazione informatica remota della struttura cristallina liquida dell'acqua con oggetti di varia natura utilizzando campi elettromagnetici, acustici e di altro tipo. L'oggetto che influenza può anche essere una persona.

L'acqua è una fonte di radiazione elettromagnetica alternata ultradebole e debole. La radiazione elettromagnetica meno caotica è creata dall'acqua strutturata. In questo caso può verificarsi l'induzione di un corrispondente campo elettromagnetico, modificando le caratteristiche strutturali e informative degli oggetti biologici.

Negli ultimi anni sono stati ottenuti dati importanti sulle proprietà dell'acqua sottoraffreddata. Lo studio dell'acqua a basse temperature è molto interessante, poiché può essere sottoraffreddata più di altri liquidi. La cristallizzazione dell'acqua, di regola, inizia su alcune disomogeneità sulle pareti della nave o su particelle galleggianti di impurità solide. Pertanto, non è facile trovare la temperatura alla quale l’acqua sottoraffreddata cristallizzerebbe spontaneamente. Ma gli scienziati sono riusciti a farlo, e ora la temperatura della cosiddetta nucleazione omogenea, quando la formazione di cristalli di ghiaccio avviene simultaneamente in tutto il volume, è nota per pressioni fino a 0,3 GPa, cioè copre le regioni di esistenza di ghiaccioII.

Dalla pressione atmosferica al confine che separa i ghiacci I e II, questa temperatura scende da 231 a 180 K, per poi aumentare leggermente fino a 190 K. Al di sotto di questa temperatura critica, in linea di principio, l’acqua liquida è impossibile.

Struttura del ghiaccio (immagine a destra)

Tuttavia, c’è un mistero associato a questa temperatura. A metà degli anni Ottanta fu scoperta una nuova modifica del ghiaccio amorfo: il ghiaccio ad alta densità, e questo contribuì a far rivivere l'idea dell'acqua come una miscela di due stati. Come prototipi sono state considerate non strutture cristalline, ma strutture di ghiaccio amorfo di diverse densità. Questo concetto è stato formulato nella forma più chiara da E.G. Ponyatovsky e V.V. Sinitsin, che scrissero nel 1999: “L'acqua è considerata come una soluzione regolare di due componenti, le cui configurazioni locali corrispondono all'ordine di modificazioni a breve termine del ghiaccio amorfo .” Inoltre, studiando l'ordine a corto raggio nell'acqua superraffreddata ad alta pressione utilizzando metodi di diffrazione di neutroni, gli scienziati sono riusciti a trovare componenti corrispondenti a queste strutture.

Una conseguenza del polimorfismo del ghiaccio amorfo ha portato anche a ipotesi sulla separazione dell'acqua in due componenti immiscibili a temperature inferiori all'ipotetico punto critico di bassa temperatura. Sfortunatamente, secondo i ricercatori, questa temperatura ad una pressione di 0,017 GPa è 230 K inferiore alla temperatura di nucleazione, quindi nessuno è ancora riuscito a osservare la stratificazione dell'acqua liquida. Pertanto, la rinascita del modello a due stati ha sollevato la questione dell’eterogeneità della rete di legami idrogeno nell’acqua liquida. Questa eterogeneità può essere compresa solo utilizzando la modellazione computerizzata.

Parlando della struttura cristallina dell'acqua, va notato che sono note 14 modifiche del ghiaccio, la maggior parte dei quali non si trovano in natura, in cui le molecole d'acqua mantengono la loro individualità e sono collegate da legami idrogeno. D'altra parte, ci sono molte varianti della rete di legami idrogeno negli idrati clatrati. Le energie di queste reti (ghiacci ad alta pressione e idrati clatrati) non sono molto più elevate delle energie dei ghiacci cubici ed esagonali. Pertanto, frammenti di tali strutture possono comparire anche nell'acqua liquida. È possibile costruire innumerevoli frammenti non periodici diversi, le cui molecole hanno quattro vicini più vicini situati approssimativamente ai vertici del tetraedro, ma la loro struttura non corrisponde alle strutture delle note modifiche del ghiaccio. Come hanno dimostrato numerosi calcoli, le energie di interazione delle molecole in tali frammenti saranno vicine l'una all'altra e non c'è motivo di affermare che nell'acqua liquida qualsiasi struttura debba prevalere.

Gli studi strutturali dell'acqua possono essere studiati utilizzando diversi metodi; spettroscopia di risonanza magnetica protonica, spettroscopia infrarossa, diffrazione di raggi X, ecc. Ad esempio, la diffrazione di raggi X e neutroni è stata studiata molte volte. Tuttavia, questi esperimenti non possono fornire informazioni dettagliate sulla struttura. Disomogeneità che differiscono in densità potrebbero essere viste dalla diffusione di raggi X e neutroni ad angoli piccoli, ma tali disomogeneità devono essere grandi, costituite da centinaia di molecole d'acqua. Sarebbe possibile vederli studiando la diffusione della luce. Tuttavia, l’acqua è un liquido eccezionalmente limpido. L'unico risultato degli esperimenti di diffrazione è la funzione di distribuzione radiale, cioè la distanza tra gli atomi di ossigeno, idrogeno e ossigeno-idrogeno. Da loro risulta chiaro che non esiste un ordine a lungo termine nella disposizione delle molecole d'acqua. Queste funzioni decadono molto più velocemente per l'acqua che per la maggior parte degli altri liquidi. Ad esempio, la distribuzione delle distanze tra gli atomi di ossigeno a temperature vicine alla temperatura ambiente fornisce solo tre massimi, a 2,8, 4,5 e 6,7. Il primo massimo corrisponde alla distanza dai vicini più vicini e il suo valore è approssimativamente uguale alla lunghezza del legame idrogeno. Il secondo massimo è vicino alla lunghezza media del bordo di un tetraedro: ricordiamo che le molecole d'acqua nel ghiaccio esagonale si trovano lungo i vertici di un tetraedro descritto attorno alla molecola centrale. E il terzo massimo, espresso in modo molto debole, corrisponde alla distanza dai terzi vicini più distanti nella rete dell’idrogeno. Questo massimo in sé non è molto luminoso e non è necessario parlare di ulteriori picchi. Sono stati fatti tentativi per ottenere informazioni più dettagliate da queste distribuzioni. Così nel 1969 I.S. Andrianov e I.Z. Fisher trovarono le distanze fino all'ottavo vicino, mentre fino al quinto vicino risultò essere 3 e fino al sesto 3,1. Ciò consente di ottenere dati sull'ambiente distante delle molecole d'acqua.

Un altro metodo per studiare la struttura - la diffrazione dei neutroni sui cristalli d'acqua - viene eseguito esattamente allo stesso modo della diffrazione dei raggi X. Tuttavia, a causa del fatto che le lunghezze di diffusione dei neutroni non differiscono molto tra i diversi atomi, il metodo di sostituzione isomorfa diventa inaccettabile. In pratica si lavora solitamente con un cristallo la cui struttura molecolare è già stata determinata approssimativamente con altri metodi. Per questo cristallo vengono quindi misurate le intensità di diffrazione dei neutroni. Sulla base di questi risultati, viene eseguita una trasformata di Fourier, durante la quale vengono utilizzate le intensità e le fasi dei neutroni misurate, calcolate tenendo conto degli atomi non di idrogeno, ad es. atomi di ossigeno, la cui posizione nel modello strutturale è nota. Quindi, sulla mappa di Fourier così ottenuta, gli atomi di idrogeno e deuterio sono rappresentati con pesi molto maggiori che sulla mappa di densità elettronica, perché il contributo di questi atomi alla diffusione dei neutroni è molto ampio. Utilizzando questa mappa di densità è possibile, ad esempio, determinare la posizione degli atomi di idrogeno (densità negativa) e di deuterio (densità positiva).

È possibile una variante di questo metodo, che consiste nel fatto che il cristallo formato nell'acqua viene mantenuto in acqua pesante prima delle misurazioni. In questo caso, la diffrazione di neutroni non solo consente di determinare dove si trovano gli atomi di idrogeno, ma identifica anche quelli che possono essere scambiati con deuterio, il che è particolarmente importante quando si studia lo scambio isotopico (H-D). Tali informazioni aiutano a confermare che la struttura è stata stabilita correttamente.

Anche altri metodi consentono di studiare la dinamica delle molecole d'acqua. Si tratta di esperimenti sullo scattering quasi elastico di neutroni, sulla spettroscopia IR ultraveloce e sullo studio della diffusione dell'acqua utilizzando NMR o atomi di deuterio marcati. Il metodo della spettroscopia NMR si basa sul fatto che il nucleo di un atomo di idrogeno ha un momento magnetico – spin – che interagisce con campi magnetici, costanti e variabili. Dallo spettro NMR si può giudicare in quale ambiente si trovano questi atomi e nuclei, ottenendo così informazioni sulla struttura della molecola.

Come risultato di esperimenti sulla diffusione quasi elastica dei neutroni nei cristalli d'acqua, è stato misurato il parametro più importante: il coefficiente di autodiffusione a varie pressioni e temperature. Per giudicare il coefficiente di autodiffusione dallo scattering quasielastico dei neutroni, è necessario fare un'ipotesi sulla natura del movimento molecolare. Se si muovono secondo il modello di Ya.I. Frenkel (un famoso fisico teorico russo, autore della “Teoria cinetica dei liquidi” - un libro classico tradotto in molte lingue), chiamato anche modello “jump-waiting”, quindi il tempo di vita stabile (il tempo tra i salti) di una molecola è di 3,2 picosecondi. Gli ultimi metodi di spettroscopia laser a femtosecondi hanno permesso di stimare la durata di un legame idrogeno rotto: ci vuole un protone 200 fs per trovare un partner. Si tratta comunque di valori medi. È possibile studiare i dettagli della struttura e della natura del movimento delle molecole d'acqua solo con l'aiuto della simulazione al computer, a volte chiamata esperimento numerico.

Ecco come appare la struttura dell'acqua secondo i risultati della modellazione computerizzata (secondo il dottore in scienze chimiche G.G. Malenkov). La struttura generale disordinata può essere divisa in due tipi di regioni (rappresentate come sfere scure e chiare), che differiscono nella loro struttura, ad esempio, nel volume del poliedro di Voronoi (a), nel grado di tetraedralità dell'ambiente immediato ( b), il valore dell'energia potenziale (c), e anche la presenza di quattro legami idrogeno in ciascuna molecola (d). Tuttavia, queste aree letteralmente in un attimo, dopo pochi picosecondi, cambieranno posizione.

La simulazione viene effettuata in questo modo. La struttura del ghiaccio viene presa e riscaldata fino a quando non si scioglie. Poi, dopo un po' di tempo affinché l'acqua dimentichi la sua origine cristallina, vengono scattate microfotografie istantanee.

Per analizzare la struttura dell'acqua, vengono selezionati tre parametri:
- grado di deviazione dell'ambiente locale della molecola dai vertici di un tetraedro regolare;
-energia potenziale delle molecole;
-il volume del cosiddetto poliedro di Voronoi.

Per costruire questo poliedro, prendi il bordo di una data molecola fino a quella più vicina, dividilo a metà e disegna un piano che passa per questo punto perpendicolare al bordo. Questo dà il volume per molecola. Il volume di un poliedro è la densità, la tetraedralità è il grado di distorsione dei legami idrogeno, l'energia è il grado di stabilità della configurazione molecolare. Le molecole con valori simili di ciascuno di questi parametri tendono a raggrupparsi in cluster separati. Sia le regioni a bassa densità che quelle ad alta densità hanno valori energetici diversi, ma possono anche avere gli stessi valori energetici. Gli esperimenti hanno dimostrato che aree con strutture diverse, i cluster nascono spontaneamente e si disintegrano spontaneamente. L'intera struttura dell'acqua è viva e in costante cambiamento, e il tempo durante il quale avvengono questi cambiamenti è molto breve. I ricercatori hanno monitorato i movimenti delle molecole e hanno scoperto che eseguivano vibrazioni irregolari con una frequenza di circa 0,5 ps e un'ampiezza di 1 angstrom. Sono stati osservati anche rari salti lenti di angstrom che durano picosecondi. In generale in 30 ps una molecola può muoversi di 8-10 angstrom. Anche la vita dell’ambiente locale è breve. Regioni composte da molecole con valori di volume simili al poliedro di Voronoi possono decadere in 0,5 ps, oppure possono vivere per diversi picosecondi. Ma la distribuzione della durata dei legami idrogeno è molto ampia. Ma questa volta non supera i 40 ps e il valore medio è di diversi ps.

In conclusione è bene sottolinearlo La teoria della struttura a grappolo dell'acqua presenta molte insidie. Zenin, ad esempio, suggerisce che il principale elemento strutturale dell'acqua sia un ammasso di 57 molecole formato dalla fusione di quattro dodecaedri. Hanno facce comuni e i loro centri formano un tetraedro regolare. È noto da tempo che le molecole d'acqua possono trovarsi ai vertici di un dodecaedro pentagonale; Un tale dodecaedro è la base dei gas idrati. Pertanto, non c'è nulla di sorprendente nell'ipotesi dell'esistenza di tali strutture nell'acqua, sebbene sia già stato detto che nessuna struttura specifica può essere predominante ed esistere per molto tempo. È quindi strano che si presuma che questo elemento sia il principale e che contenga esattamente 57 molecole. Dalle palle, ad esempio, puoi assemblare le stesse strutture, che consistono in dodecaedri adiacenti tra loro e contengono 200 molecole. Zenin sostiene che il processo di polimerizzazione tridimensionale dell'acqua si ferma a 57 molecole. Secondo lui non dovrebbero esserci associati più grandi. Tuttavia, se così fosse, i cristalli di ghiaccio esagonali, che contengono un numero enorme di molecole legate tra loro da legami idrogeno, non potrebbero precipitare dal vapore acqueo. Non è del tutto chiaro il motivo per cui la crescita del cluster Zenin si è fermata a 57 molecole. Per evitare contraddizioni, Zenin raggruppa gli ammassi in formazioni più complesse – romboedri – di quasi mille molecole, e gli ammassi originali non formano legami idrogeno tra loro. Perché? In che modo le molecole sulla loro superficie sono diverse da quelle all'interno? Secondo Zenin, la disposizione dei gruppi idrossilici sulla superficie dei romboedri fornisce la memoria dell'acqua. Di conseguenza, le molecole d'acqua in questi grandi complessi sono fissate rigidamente e i complessi stessi sono solidi. Tale acqua non scorrerà e il suo punto di fusione, correlato al peso molecolare, dovrebbe essere molto alto.

Quali proprietà dell'acqua spiega il modello di Zenin? Poiché il modello è basato su strutture tetraedriche, può essere più o meno coerente con i dati di diffrazione dei raggi X e dei neutroni. Tuttavia, è improbabile che il modello possa spiegare la diminuzione della densità durante la fusione; l’impacchettamento dei dodecaedri è meno denso del ghiaccio. Ma è molto difficile concordare con un modello con proprietà dinamiche: fluidità, un grande valore del coefficiente di autodiffusione, correlazione breve e tempi di rilassamento dielettrico, misurati in picosecondi.

Dottorato di ricerca O.V. Mosin

Riferimenti:
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IN E. Slesarev. Rapporto sullo stato di avanzamento della ricerca

Proprietà dell'acqua

Perchè l'acqua è acqua?

Tra la grande varietà di sostanze, l'acqua con le sue proprietà fisiche e chimiche occupa un posto molto speciale ed eccezionale. E questo va preso alla lettera.

Quasi tutte le proprietà fisiche e chimiche dell'acqua sono eccezioni in natura. È davvero la sostanza più sorprendente del mondo. L'acqua è sorprendente non solo per la varietà delle forme isotopiche della molecola e non solo per le speranze ad essa associate come fonte inesauribile di energia per il futuro. Inoltre, è sorprendente per le sue proprietà molto ordinarie.

Come è costruita una molecola d'acqua?

Il modo in cui viene costruita una molecola d'acqua è ormai noto in modo molto preciso. E' costruito così.

Le posizioni relative dei nuclei degli atomi di idrogeno e ossigeno e la distanza tra loro sono state ben studiate e misurate. Si è scoperto che la molecola d'acqua non è lineare. Insieme ai gusci elettronici degli atomi, una molecola d'acqua, se la guardi “di lato”, potrebbe essere raffigurata in questo modo:

cioè, geometricamente, la disposizione reciproca delle cariche in una molecola può essere rappresentata come un semplice tetraedro. Tutte le molecole d'acqua con qualsiasi composizione isotopica sono costruite esattamente allo stesso modo.

Quante molecole d'acqua ci sono nell'oceano?

Uno. E questa risposta non è esattamente uno scherzo. Naturalmente chiunque può, guardando un libro di consultazione e scoprendo quanta acqua c'è nell'oceano mondiale, calcolare facilmente quante molecole di H2O contiene. Ma una risposta del genere non sarà del tutto corretta. L'acqua è una sostanza speciale. A causa della loro struttura unica, le singole molecole interagiscono tra loro. Un legame chimico speciale nasce dal fatto che ciascuno degli atomi di idrogeno di una molecola attrae gli elettroni degli atomi di ossigeno nelle molecole vicine. A causa di questo legame idrogeno, ciascuna molecola d'acqua si lega strettamente ad altre quattro molecole vicine, proprio come mostrato nel diagramma. È vero, questo diagramma è troppo semplificato: è piatto, altrimenti non può essere rappresentato nella figura. Immaginiamo un'immagine leggermente più accurata. Per fare ciò, è necessario tenere conto del fatto che il piano in cui si trovano i legami idrogeno (sono indicati da una linea tratteggiata) in una molecola d'acqua è diretto perpendicolare al piano di posizione degli atomi di idrogeno.

Tutte le singole molecole di H2O nell'acqua risultano essere collegate in un'unica rete spaziale continua, in un'unica molecola gigante. Pertanto, l'affermazione di alcuni chimici fisici secondo cui l'intero oceano è una molecola è abbastanza giustificata. Ma questa affermazione non va presa troppo alla lettera. Sebbene tutte le molecole d'acqua nell'acqua siano collegate tra loro da legami idrogeno, si trovano allo stesso tempo in un equilibrio mobile molto complesso, preservando le proprietà individuali delle singole molecole e formando aggregati complessi. Questa idea non vale solo per l'acqua: anche un pezzo di diamante è una molecola.

Come è costruita una molecola di ghiaccio?

Non ci sono molecole di ghiaccio speciali. Le molecole d'acqua, a causa della loro notevole struttura, sono collegate tra loro in un pezzo di ghiaccio in modo che ciascuna di esse sia collegata e circondata da altre quattro molecole. Ciò porta alla comparsa di una struttura di ghiaccio molto sciolta, nella quale rimane molto volume libero. La corretta struttura cristallina del ghiaccio si esprime nella straordinaria grazia dei fiocchi di neve e nella bellezza dei motivi gelidi sui vetri delle finestre ghiacciati.

Come si formano le molecole d'acqua nell'acqua?

Sfortunatamente, questa questione molto importante non è stata ancora sufficientemente studiata. La struttura delle molecole nell'acqua liquida è molto complessa. Quando il ghiaccio si scioglie, la sua struttura reticolare viene parzialmente preservata nell'acqua risultante. Le molecole dell'acqua di fusione sono costituite da molte molecole semplici: aggregati che conservano le proprietà del ghiaccio. Quando la temperatura aumenta, alcuni di essi si disintegrano e le loro dimensioni si riducono.

L'attrazione reciproca porta al fatto che la dimensione media di una molecola d'acqua complessa nell'acqua liquida supera significativamente la dimensione di una singola molecola d'acqua. Questa straordinaria struttura molecolare dell'acqua determina le sue straordinarie proprietà fisico-chimiche.

Quale dovrebbe essere la densità dell'acqua?

Non è una domanda molto strana? Ricorda come è stata stabilita l'unità di massa: un grammo. Questa è la massa di un centimetro cubo d'acqua. Ciò significa che non ci possono essere dubbi sul fatto che la densità dell'acqua dovrebbe essere solo quella che è. Ci possono essere dubbi su questo? Potere. I teorici hanno calcolato che se l'acqua non conservasse una struttura sciolta, simile al ghiaccio allo stato liquido e le sue molecole fossero strettamente imballate, la densità dell'acqua sarebbe molto più elevata. A 25°C sarebbe pari non a 1,0 ma a 1,8 g/cm3.

A quale temperatura dovrebbe bollire l'acqua?

Anche questa domanda è, ovviamente, strana. Dopotutto l'acqua bolle a cento gradi. Tutti lo sanno. Del resto è noto a tutti che proprio il punto di ebollizione dell'acqua a pressione atmosferica è stato scelto come uno dei punti di riferimento della scala di temperatura, convenzionalmente indicata a 100°C.

Tuttavia, la domanda è posta diversamente: a quale temperatura dovrebbe bollire l'acqua? Dopotutto, le temperature di ebollizione di varie sostanze non sono casuali. Dipendono dalla posizione degli elementi che compongono le loro molecole nella tavola periodica di Mendeleev.

Se confrontiamo composti chimici di elementi diversi con la stessa composizione appartenenti allo stesso gruppo della tavola periodica, è facile notare che quanto più basso è il numero atomico di un elemento, tanto minore è il suo peso atomico, tanto più basso è il punto di ebollizione dell'elemento. i suoi composti. In base alla sua composizione chimica, l'acqua può essere definita un idruro di ossigeno. H2Te, H2Se e H2S sono analoghi chimici dell'acqua. Se monitori i loro punti di ebollizione e confronti come cambiano i punti di ebollizione degli idruri in altri gruppi della tavola periodica, puoi determinare in modo abbastanza accurato il punto di ebollizione di qualsiasi idruro, proprio come qualsiasi altro composto. Lo stesso Mendeleev riuscì a prevedere in questo modo le proprietà dei composti chimici di elementi non ancora scoperti.

Se determiniamo il punto di ebollizione dell'idruro di ossigeno in base alla sua posizione nella tavola periodica, si scopre che l'acqua dovrebbe bollire a -80 ° C. Di conseguenza, l'acqua bolle circa centottanta gradi più in alto , di quanto dovrebbe bollire. Il punto di ebollizione dell'acqua - questa è la sua proprietà più comune - risulta essere straordinario e sorprendente.

Le proprietà di qualsiasi composto chimico dipendono dalla natura degli elementi che lo compongono e, quindi, dalla loro posizione nella tavola periodica degli elementi chimici di Mendeleev. Questi grafici mostrano le dipendenze delle temperature di ebollizione e di fusione dei composti dell'idrogeno dei gruppi IV e VI del sistema periodico. L’acqua è una sorprendente eccezione. A causa del raggio molto piccolo del protone, le forze di interazione tra le sue molecole sono così grandi che è molto difficile separarle, motivo per cui l'acqua bolle e si scioglie a temperature anormalmente elevate.

Grafico A. Dipendenza normale del punto di ebollizione degli idruri degli elementi del gruppo IV dalla loro posizione nella tavola periodica.

Grafico B. Tra gli idruri degli elementi del gruppo VI, l'acqua ha proprietà anomale: dovrebbe bollire a meno 80 - meno 90°C, ma bolle a più 100°C.

Grafico B. Dipendenza normale della temperatura di fusione degli idruri degli elementi del gruppo IV dalla loro posizione nella tavola periodica.

Grafico D. Tra gli idruri degli elementi del gruppo VI, l'acqua viola l'ordine: dovrebbe sciogliersi a meno 100 ° C e i ghiaccioli si sciolgono a 0 ° C.

A che temperatura congela l'acqua?

Non è forse vero che la domanda non è meno strana delle precedenti? Ebbene, chi non sa che l'acqua ghiaccia a zero gradi? Questo è il secondo punto di riferimento del termometro. Questa è la proprietà più comune dell'acqua. Ma anche in questo caso ci si può chiedere: a quale temperatura dovrebbe congelare l'acqua secondo la sua natura chimica? Si scopre che l'idruro di ossigeno, in base alla sua posizione nella tavola periodica, avrebbe dovuto solidificarsi a cento gradi sotto zero.

Quanti stati liquidi esistono dell'acqua?

Non è così facile rispondere a questa domanda. Naturalmente c'è anche una cosa: l'acqua liquida che tutti conosciamo. Ma l'acqua liquida ha proprietà così straordinarie che ci si deve chiedere se sia così semplice, apparentemente non provocatorio

senza dubbio la risposta? L'acqua è l'unica sostanza al mondo che, dopo essersi sciolta, prima si contrae e poi inizia ad espandersi all'aumentare della temperatura. A circa 4°C l’acqua raggiunge la sua massima densità. Questa rara anomalia nelle proprietà dell'acqua è spiegata dal fatto che in realtà l'acqua liquida è una soluzione complessa di composizione del tutto insolita: è una soluzione di acqua in acqua.

Quando il ghiaccio si scioglie, si formano prima molecole d’acqua grandi e complesse. Conservano i resti della struttura cristallina sciolta del ghiaccio e si dissolvono in normale acqua a basso peso molecolare. Pertanto all'inizio la densità dell'acqua è bassa, ma man mano che la temperatura aumenta, queste grandi molecole si disgregano e così la densità dell'acqua aumenta finché non subentra la normale dilatazione termica, a quel punto la densità dell'acqua diminuisce nuovamente. Se questo è vero, allora sono possibili diversi stati dell’acqua, ma nessuno sa come separarli. E non è ancora noto se ciò sarà mai possibile. Questa straordinaria proprietà dell'acqua è di grande importanza per la vita. Nei serbatoi, prima dell'inizio dell'inverno, l'acqua di raffreddamento diminuisce gradualmente fino a portare la temperatura dell'intero serbatoio a 4°C. Con un ulteriore raffreddamento, l'acqua più fredda rimane in superficie e tutta la miscelazione si interrompe. Di conseguenza, si crea una situazione straordinaria: un sottile strato di acqua fredda diventa come una “coperta calda” per tutti gli abitanti del mondo sottomarino. A 4°C si sentono chiaramente abbastanza bene.

Cosa dovrebbe essere più semplice: acqua o ghiaccio?

Chi non lo sa... Dopotutto, il ghiaccio galleggia sull'acqua. Iceberg giganti galleggiano nell’oceano. I laghi in inverno sono ricoperti da uno strato continuo di ghiaccio galleggiante. Naturalmente il ghiaccio è più leggero dell'acqua.

Ma perché "ovviamente"? È così chiaro? Al contrario, il volume di tutti i solidi aumenta durante la fusione ed essi affogano nella propria fusione. Ma il ghiaccio galleggia nell'acqua. Questa proprietà dell'acqua è un'anomalia della natura, un'eccezione e, inoltre, un'eccezione assolutamente notevole.

Le cariche positive in una molecola d'acqua sono associate agli atomi di idrogeno. Le cariche negative sono gli elettroni di valenza dell'ossigeno. La loro disposizione relativa in una molecola d'acqua può essere rappresentata come un semplice tetraedro.

Proviamo a immaginare come sarebbe il mondo se l'acqua avesse proprietà normali e il ghiaccio fosse, come dovrebbe essere qualsiasi sostanza normale, più denso dell'acqua liquida. In inverno, il ghiaccio più denso che si congela dall'alto affonda nell'acqua, affondando continuamente sul fondo del serbatoio. In estate il ghiaccio, protetto da uno strato di acqua fredda, non riusciva a sciogliersi. A poco a poco, tutti i laghi, gli stagni, i fiumi e i ruscelli si congeleranno completamente, trasformandosi in giganteschi blocchi di ghiaccio. Alla fine, i mari si congelerebbero, seguiti dagli oceani. Il nostro bellissimo e rigoglioso mondo verde diventerebbe un continuo deserto ghiacciato, coperto qua e là da un sottile strato di acqua di fusione.

Quanti ghiacci ci sono?

In natura sulla nostra Terra ce n'è solo uno: il ghiaccio ordinario. Il ghiaccio è una roccia dalle proprietà straordinarie. È solido, ma scorre come un liquido, e ci sono enormi fiumi di ghiaccio che scendono lentamente dalle alte montagne. Il ghiaccio è mutevole: scompare continuamente e si forma di nuovo. Il ghiaccio è insolitamente forte e durevole: per decine di migliaia di anni conserva inalterati i corpi dei mammut morti accidentalmente nelle fessure glaciali. Nei suoi laboratori, l'uomo è riuscito a scoprire almeno altri sei ghiacci diversi, non per questo meno sorprendenti. Non si trovano in natura. Possono esistere solo a pressioni molto elevate. Il ghiaccio normale si conserva fino ad una pressione di 208 MPa (megapascal), ma a questa pressione fonde a -22 °C. Se la pressione è superiore a 208 MPa, appare il ghiaccio denso: ghiaccio-III. È più pesante dell'acqua e affonda in essa. A temperature più basse e pressioni più elevate, fino a 300 MPa, si forma ghiaccio P ancora più denso. Una pressione superiore a 500 MPa trasforma il ghiaccio in ghiaccio-V. Questo ghiaccio può essere riscaldato fino a quasi 0 ° C e non si scioglierà, sebbene sia sottoposto a un'enorme pressione. Ad una pressione di circa 2 GPa (gigapascal), appare il ghiaccio VI. Questo è letteralmente ghiaccio caldo: può resistere a temperature di 80° C senza sciogliersi.Il ghiaccio VII, che si trova a una pressione di 3 GP, può forse essere chiamato ghiaccio caldo. Questo è il ghiaccio più denso e refrattario conosciuto. Si scioglie solo a 190° sopra lo zero.

Ice-VII ha una durezza insolitamente elevata. Questo ghiaccio può anche causare disastri improvvisi. I cuscinetti in cui ruotano gli alberi delle turbine delle potenti centrali elettriche sviluppano un'enorme pressione. Se anche un po' d'acqua penetra nel grasso, questo si congela, anche se la temperatura del cuscinetto è molto elevata. Le particelle di ghiaccio VII risultanti, che hanno un'enorme durezza, inizieranno a distruggere l'albero e il cuscinetto e ne causeranno rapidamente il cedimento.

Forse c'è ghiaccio anche nello spazio?

Come se esistesse, e allo stesso tempo molto strano. Ma gli scienziati sulla Terra lo hanno scoperto, sebbene tale ghiaccio non possa esistere sul nostro pianeta. La densità di tutto il ghiaccio attualmente conosciuto, anche a pressioni molto elevate, supera solo di poco 1 g/cm3. La densità delle modificazioni esagonali e cubiche del ghiaccio a pressioni e temperature molto basse, anche prossime allo zero assoluto, è leggermente inferiore all'unità. La loro densità è di 0,94 g/cm3.

Ma si è scoperto che nel vuoto, a pressioni trascurabili e a temperature inferiori a -170 ° C, in condizioni in cui si forma ghiaccio quando si condensa dal vapore su una superficie solida raffreddata, appare un ghiaccio assolutamente sorprendente. La sua densità è... 2,3 g/cm3. Tutto il ghiaccio finora conosciuto è cristallino, ma questo nuovo ghiaccio è apparentemente amorfo, caratterizzato da una disposizione relativa casuale delle singole molecole d'acqua; Non ha una struttura cristallina specifica. Per questo motivo viene talvolta chiamato ghiaccio di vetro. Gli scienziati sono fiduciosi che questo straordinario ghiaccio debba formarsi in condizioni spaziali e svolgere un ruolo importante nella fisica dei pianeti e delle comete. La scoperta di un ghiaccio così super denso è stata inaspettata per i fisici.

Cosa serve perché il ghiaccio si sciolga?

Molto calore. Molto più di quanto ne occorrerebbe per sciogliere la stessa quantità di qualsiasi altra sostanza. Anche il calore specifico di fusione eccezionalmente elevato -80 cal (335 J) per grammo di ghiaccio è una proprietà anomala dell'acqua. Quando l'acqua congela, viene rilasciata nuovamente la stessa quantità di calore.

Quando arriva l'inverno si forma il ghiaccio, cade la neve e l'acqua restituisce calore, riscaldando il suolo e l'aria. Resistono al freddo e ammorbidiscono la transizione al rigido inverno. Grazie a questa meravigliosa proprietà dell'acqua, sul nostro pianeta esistono l'autunno e la primavera.

Quanto calore è necessario per riscaldare l'acqua?

Così tanti. Più di quanto necessario per riscaldare una quantità uguale di qualsiasi altra sostanza. È necessaria una caloria (4,2 J) per riscaldare di un grado un grammo di acqua. Questo è più del doppio della capacità termica di qualsiasi composto chimico.

L'acqua è una sostanza per noi straordinaria nelle sue proprietà più ordinarie. Naturalmente, questa capacità dell'acqua è molto importante non solo quando si prepara la cena in cucina. L’acqua è il grande distributore di calore su tutta la Terra. Riscaldato dal Sole sotto l'equatore, trasferisce il calore nell'Oceano Mondiale con giganteschi flussi di correnti marine verso le lontane regioni polari, dove la vita è possibile solo grazie a questa straordinaria caratteristica dell'acqua.

Perché l'acqua del mare è salata?

Questa è forse una delle conseguenze più importanti di una delle proprietà più sorprendenti dell'acqua. Nella sua molecola, i centri delle cariche positive e negative sono fortemente spostati l'uno rispetto all'altro. Pertanto, l'acqua ha un valore eccezionalmente alto e anomalo della costante dielettrica. Per l'acqua, e = 80, e per l'aria e il vuoto, e = 1. Ciò significa che due cariche opposte qualsiasi nell'acqua si attraggono reciprocamente con una forza 80 volte inferiore rispetto all'aria. Dopotutto, secondo la legge di Coulomb:

Tuttavia, i legami intermolecolari in tutti i corpi, che determinano la forza del corpo, sono causati dall'interazione tra le cariche positive dei nuclei atomici e gli elettroni negativi. Sulla superficie di un corpo immerso nell'acqua, le forze che agiscono tra molecole o atomi si indeboliscono quasi cento volte sotto l'influenza dell'acqua. Se la forza di legame rimanente tra le molecole diventa insufficiente per resistere agli effetti del movimento termico, le molecole o gli atomi del corpo iniziano a staccarsi dalla sua superficie e passano nell'acqua. Il corpo inizia a dissolversi, scomponendosi in singole molecole, come lo zucchero in un bicchiere di tè, o in particelle cariche: gli ioni, come il sale da cucina.

È grazie alla sua costante dielettrica anormalmente elevata che l'acqua è uno dei solventi più potenti. È persino in grado di dissolvere qualsiasi roccia sulla superficie terrestre. Lentamente e inevitabilmente distrugge anche i graniti, lisciviando da essi componenti facilmente solubili.

Ruscelli, fiumi e fiumi trasportano le impurità disciolte nell'acqua nell'oceano. L'acqua dell'oceano evapora e ritorna nuovamente sulla terra per continuare ancora e ancora il suo lavoro eterno. E i sali disciolti rimangono nei mari e negli oceani.

Non pensate che l'acqua si dissolva e porti nel mare solo ciò che è facilmente solubile, e che l'acqua di mare contenga solo il sale comune che sta sulla tavola. No, l'acqua del mare contiene quasi tutti gli elementi esistenti in natura. Contiene magnesio, calcio, zolfo, bromo, iodio e fluoro. In esso sono stati trovati in quantità minori ferro, rame, nichel, stagno, uranio, cobalto e persino argento e oro. I chimici hanno trovato oltre sessanta elementi nell'acqua di mare. Probabilmente verranno ritrovati anche tutti gli altri. La maggior parte del sale presente nell’acqua di mare è sale da cucina. Ecco perché l'acqua del mare è salata.

È possibile correre sulla superficie dell'acqua?

Potere. Per vederlo, guarda la superficie di qualsiasi stagno o lago in estate. Molte persone vive e veloci non solo camminano sull'acqua, ma corrono anche. Se consideriamo che l'area di appoggio delle zampe di questi insetti è molto piccola, non è difficile capire che, nonostante il loro peso ridotto, la superficie dell'acqua può sopportare una pressione significativa senza sfondare.

L'acqua può scorrere verso l'alto?

Sì forse. Questo accade sempre e ovunque. L'acqua stessa risale nel terreno, bagnando l'intero spessore della terra dal livello della falda freatica. L'acqua stessa sale attraverso i vasi capillari dell'albero e aiuta la pianta a fornire i nutrienti disciolti a grandi altezze, dalle radici profondamente nascoste nel terreno fino alle foglie e ai frutti. L'acqua stessa si muove verso l'alto nei pori della carta assorbente quando devi asciugare una macchia, o nel tessuto di un asciugamano quando ti asciughi il viso. In tubi molto sottili - nei capillari - l'acqua può raggiungere un'altezza di diversi metri.

Cosa spiega questo?

Un'altra caratteristica notevole dell'acqua è la sua tensione superficiale eccezionalmente elevata. Le molecole d'acqua sulla sua superficie sperimentano le forze di attrazione intermolecolare solo su un lato, e nell'acqua questa interazione è insolitamente forte. Pertanto, ogni molecola sulla sua superficie viene attirata nel liquido. Di conseguenza si crea una forza che restringe la superficie del liquido, nell'acqua è particolarmente forte: la sua tensione superficiale è di 72 mN/m (millinewton per metro).

L'acqua può ricordare?

Questa domanda sembra, è vero, molto insolita, ma è piuttosto seria e molto importante. Si tratta di un vasto problema fisico-chimico, che nella sua parte più importante non è stato ancora studiato. Questa domanda è stata appena posta alla scienza, ma non ha ancora trovato una risposta.

La domanda è: la storia precedente dell'acqua influenza le sue proprietà fisiche e chimiche ed è possibile, studiando le proprietà dell'acqua, scoprire cosa le è successo prima - per far “ricordare” l'acqua stessa e raccontarcelo . Sì, forse, per quanto sorprendente possa sembrare. Il modo più semplice per capirlo è con un esempio semplice, ma molto interessante e straordinario: la memoria del ghiaccio.

Dopotutto il ghiaccio è acqua. Quando l'acqua evapora, la composizione isotopica dell'acqua e del vapore cambia. L'acqua leggera evapora, anche se in misura insignificante, più velocemente dell'acqua pesante.

Quando l'acqua naturale evapora, la composizione cambia nel contenuto isotopico non solo del deuterio, ma anche dell'ossigeno pesante. Questi cambiamenti nella composizione isotopica del vapore sono stati studiati molto bene, così come è stata ben studiata la loro dipendenza dalla temperatura.

Recentemente, gli scienziati hanno eseguito un esperimento straordinario. Nell'Artico, nello spessore di un enorme ghiacciaio nel nord della Groenlandia, è stato scavato un pozzo da cui è stata perforata ed estratta una gigantesca carota di ghiaccio lunga quasi un chilometro e mezzo. Su di esso erano chiaramente visibili gli strati annuali di ghiaccio in crescita. Lungo l'intera lunghezza del nucleo, questi strati sono stati sottoposti ad analisi isotopica e, in base al contenuto relativo di isotopi pesanti di idrogeno e ossigeno - deuterio e 18O, sono state determinate le temperature di formazione degli strati di ghiaccio annuali in ciascuna sezione del nucleo. La data di formazione dello strato annuale è stata determinata mediante conteggio diretto. In questo modo, la situazione climatica sulla Terra è stata ripristinata per un millennio. L'acqua è riuscita a ricordare e registrare tutto questo negli strati profondi del ghiacciaio della Groenlandia.

Come risultato delle analisi isotopiche degli strati di ghiaccio, gli scienziati hanno costruito una curva del cambiamento climatico sulla Terra. Si è scoperto che la nostra temperatura media è soggetta a fluttuazioni secolari. Faceva molto freddo nel XV secolo, alla fine del XVII secolo. e all'inizio del XIX secolo. Gli anni più caldi furono il 1550 e il 1930.

Qual è allora il mistero della “memoria” dell'acqua?

Il fatto è che negli ultimi anni la scienza ha gradualmente accumulato molti fatti sorprendenti e del tutto incomprensibili. Alcuni di essi sono fermamente stabiliti, altri richiedono una conferma quantitativa attendibile e tutti attendono ancora di essere spiegati.

Ad esempio, nessuno sa ancora cosa succede all’acqua che scorre attraverso un forte campo magnetico. I fisici teorici sono assolutamente sicuri che nulla può e non gli accadrà, rafforzando la loro convinzione con calcoli teorici completamente affidabili, dai quali ne consegue che dopo la cessazione del campo magnetico, l'acqua dovrebbe immediatamente ritornare al suo stato precedente e rimanere tale era . E l'esperienza dimostra che cambia e diventa diverso.

C'è una grande differenza? Giudica tu stesso. Dall'acqua normale in una caldaia a vapore, i sali disciolti, rilasciati, si depositano in uno strato denso e duro, come una pietra, sulle pareti dei tubi della caldaia, e dall'acqua magnetizzata (come viene ora chiamata nella tecnologia) cadono sotto forma di sedimento sciolto sospeso nell'acqua. Sembra che la differenza sia piccola. Ma dipende dal punto di vista. Secondo i lavoratori delle centrali termoelettriche, questa differenza è estremamente significativa, poiché l'acqua magnetizzata garantisce il funzionamento normale e ininterrotto delle centrali elettriche giganti: le pareti dei tubi delle caldaie a vapore non vengono ricoperte di vegetazione, il trasferimento di calore è maggiore e la produzione di elettricità è maggiore. Il trattamento magnetico dell'acqua è stato installato da tempo in molte centrali termali, ma né gli ingegneri né gli scienziati sanno come e perché funzioni. Inoltre, è stato osservato sperimentalmente che dopo il trattamento magnetico dell'acqua, i processi di cristallizzazione, dissoluzione, adsorbimento vengono accelerati in essa e i cambiamenti di bagnatura... tuttavia, in tutti i casi gli effetti sono piccoli e difficili da riprodurre.

L'effetto di un campo magnetico sull'acqua (necessariamente che scorre velocemente) dura per piccole frazioni di secondo, ma l'acqua lo “ricorda” per decine di ore. Perché è sconosciuto. In questa materia, la pratica è molto più avanti della scienza. Dopotutto, non si sa ancora cosa influenzi esattamente il trattamento magnetico: l'acqua o le impurità in essa contenute. Non esiste l’acqua pura.

La “memoria” dell'acqua non si limita alla conservazione degli effetti dell'influenza magnetica. Nella scienza esistono molti fatti e osservazioni che si stanno gradualmente accumulando, dimostrando che l’acqua sembra “ricordare” di essere stata precedentemente congelata.

Anche l'acqua di fusione, formatasi recentemente sciogliendo un pezzo di ghiaccio, sembra essere diversa dall'acqua da cui si è formato questo pezzo di ghiaccio. Nell'acqua di fusione, i semi germinano più velocemente e meglio, i germogli si sviluppano più velocemente; inoltre, i polli che ricevono l'acqua di fusione sembrano crescere e svilupparsi più velocemente. Oltre alle straordinarie proprietà dell'acqua di fusione, stabilite dai biologi, sono note anche differenze puramente fisiche e chimiche, ad esempio l'acqua di fusione differisce in viscosità e costante dielettrica. La viscosità dell'acqua di fusione assume il valore abituale dell'acqua solo 3-6 giorni dopo lo scioglimento. Perché è così (se è così), nessun altro lo sa.

La maggior parte dei ricercatori chiama quest'area di fenomeni la "memoria strutturale" dell'acqua, ritenendo che tutte queste strane manifestazioni dell'influenza della storia precedente dell'acqua sulle sue proprietà siano spiegate dai cambiamenti nella struttura fine del suo stato molecolare. Forse è così, ma… nominarlo non significa spiegarlo. C'è ancora un problema importante nella scienza: perché e come l'acqua “ricorda” cosa le è successo.

Da dove viene l'acqua sulla Terra?

Flussi di raggi cosmici - flussi di particelle con un'enorme energia - permeano continuamente l'Universo in tutte le direzioni. La maggior parte di essi contiene protoni, i nuclei degli atomi di idrogeno. Nel suo movimento nello spazio, il nostro pianeta è continuamente sottoposto al “bombardamento protonico”. Penetrando negli strati superiori dell'atmosfera terrestre, i protoni catturano gli elettroni, si trasformano in atomi di idrogeno e reagiscono immediatamente con l'ossigeno per formare acqua. I calcoli mostrano che ogni anno quasi una tonnellata e mezza di tale acqua “cosmica” nasce nella stratosfera. Ad alta quota e a basse temperature, l'elasticità del vapore acqueo è molto piccola e le molecole d'acqua, accumulandosi gradualmente, si condensano su particelle di polvere cosmica, formando misteriose nuvole nottilucenti. Gli scienziati suggeriscono che siano costituiti da minuscoli cristalli di ghiaccio che si sono formati da tale acqua “cosmica”. I calcoli hanno mostrato che l'acqua apparsa sulla Terra in questo modo nel corso della sua storia sarebbe appena sufficiente per dare alla luce tutti gli oceani del nostro pianeta. Quindi l'acqua è arrivata sulla Terra dallo spazio? Ma...

I geochimici non considerano l'acqua un ospite celeste. Sono convinti che sia di origine terrena. Le rocce che compongono il mantello terrestre, che si trova tra il nucleo centrale della Terra e la crosta terrestre, si sono sciolte in alcuni punti sotto l'influenza del calore accumulato dal decadimento radioattivo degli isotopi. Di questi, sono stati rilasciati componenti volatili: composti di azoto, cloro, carbonio e zolfo e soprattutto vapore acqueo.

Quanto potrebbero emettere tutti i vulcani durante le eruzioni durante l'intera esistenza del nostro pianeta?

Anche gli scienziati hanno calcolato questo. Si è scoperto che l’acqua “geologica” eruttata sarebbe stata appena sufficiente a riempire tutti gli oceani.

Nelle parti centrali del nostro pianeta, che ne costituiscono il nucleo, probabilmente non c'è acqua. È improbabile che possa esistere lì. Alcuni scienziati ritengono che inoltre, anche se lì sono presenti ossigeno e idrogeno, allora devono, insieme ad altri elementi, formare nuove forme di composti simili ai metalli sconosciuti alla scienza, che hanno un'alta densità e sono stabili alle enormi pressioni e temperature. che regnano al centro del globo.

Altri ricercatori sono convinti che il nucleo del globo sia costituito da ferro. Cosa in realtà non sia così lontano da noi, sotto i nostri piedi, a profondità superiori a 3mila km, nessuno lo sa ancora, ma probabilmente lì non c'è acqua.

La maggior parte dell'acqua all'interno della Terra si trova nel mantello, strati situati sotto la crosta terrestre e che si estendono fino a una profondità di circa 3mila km. I geologi ritengono che nel mantello siano concentrati almeno 13 miliardi di metri cubi. km d'acqua.

Lo strato più superficiale del guscio terrestre, la crosta terrestre, contiene circa 1,5 miliardi di metri cubi. km d'acqua. Quasi tutta l'acqua in questi strati è in uno stato legato: fa parte di rocce e minerali, formando idrati. Non puoi fare il bagno in quest'acqua e non puoi berla.

L'idrosfera, il guscio d'acqua del globo, è formata da circa altri 1,5 miliardi di metri cubi. km d'acqua. Quasi tutta questa quantità è contenuta negli oceani mondiali. Occupa circa il 70% dell'intera superficie terrestre, la sua superficie è di oltre 360 ​​milioni di metri quadrati. km. Dallo spazio, il nostro pianeta non sembra affatto un globo, ma piuttosto un pallone pieno d'acqua.

La profondità media dell'Oceano è di circa 4 km. Se confrontiamo questa "profondità senza fondo" con le dimensioni del globo stesso, il cui diametro medio è pari a km, allora, al contrario, dovremo ammettere che viviamo su un pianeta umido, è solo leggermente inumidito con acqua e anche in questo caso non su tutta la superficie. L'acqua negli oceani e nei mari è salata: non puoi berla.

Sulla terra c'è pochissima acqua: solo circa 90 milioni di metri cubi. km. Di questi, più di 60 milioni di metri cubi. km è sotterraneo, quasi tutto è acqua salata. Circa 25 milioni di metri cubi. km di acqua solida si trovano nelle regioni montuose e glaciali, nell'Artico, in Groenlandia e in Antartide. Queste riserve d'acqua sul globo sono protette.

Tutti i laghi, le paludi, i bacini artificiali e il suolo contengono altri 500mila metri cubi. km d'acqua.

L'acqua è presente anche nell'atmosfera. C'è sempre molto vapore acqueo nell'aria, anche nei deserti più aridi, dove non c'è una goccia d'acqua e non piove mai. Inoltre, le nuvole fluttuano sempre nel cielo, le nuvole si accumulano, nevica, piove e la nebbia si diffonde sul terreno. Tutte queste riserve d'acqua nell'atmosfera sono state calcolate con precisione: tutte insieme ammontano a soli 14mila metri cubi. km.

E qui possiamo passare alla seconda categoria. Sotto la parola "ghiaccio" Siamo abituati a comprendere lo stato di fase solida dell'acqua. Ma oltre a questo, anche altre sostanze sono soggette a congelamento. Pertanto, il ghiaccio può essere distinto dalla composizione chimica della sostanza originale, ad esempio anidride carbonica, ammoniaca, ghiaccio di metano e altri.

In terzo luogo, ci sono reticoli cristallini (modifiche) del ghiaccio d'acqua, la cui formazione è determinata da un fattore termodinamico. È di questo che parleremo un po' in questo post.

Nell'articolo Ghiaccio abbiamo visto come la struttura dell'acqua subisce una ristrutturazione con un cambiamento nel suo stato di aggregazione e abbiamo toccato la struttura cristallina del ghiaccio ordinario. Grazie alla struttura interna della molecola d'acqua stessa e ai legami idrogeno che collegano tutte le molecole in un sistema ordinato, si forma un reticolo cristallino di ghiaccio esagonale (esagonale). Le molecole più vicine l'una all'altra (una centrale e quattro angolari) sono disposte a forma di piramide tripledrica, o tetraedro, che è alla base della modificazione cristallina esagonale ( Fig. 1).

A proposito, la distanza tra le più piccole particelle di materia è misurata in nanometri (nm) o angstrom (dal nome del fisico svedese del XIX secolo Anders Jonas Ångström; indicato con il simbolo Å). 1 Å = 0,1 nm = 10-10 m.

Questa struttura esagonale del ghiaccio ordinario si estende per tutto il suo volume. Puoi vederlo chiaramente ad occhio nudo: durante le nevicate in inverno, prendi un fiocco di neve sulla manica o sul guanto e dai un'occhiata più da vicino alla sua forma: è a sei raggi o esagonale. Questo è tipico di ogni fiocco di neve, ma mai un singolo fiocco di neve ne ripete un altro (maggiori informazioni su questo nel nostro articolo). E anche i grandi cristalli di ghiaccio con la loro forma esterna corrispondono alla struttura molecolare interna ( Fig.2).

Abbiamo già detto che la transizione di una sostanza, in particolare dell'acqua, da uno stato all'altro avviene in determinate condizioni. Il ghiaccio normale si forma a temperature pari o inferiori a 0°C e ad una pressione di 1 atmosfera (valore normale). Di conseguenza, per la comparsa di altre modifiche del ghiaccio, è necessario un cambiamento di questi valori e, nella maggior parte dei casi, la presenza di basse temperature e alta pressione, alle quali cambia l'angolo dei legami idrogeno e viene ricostruito l'intero reticolo cristallino.

Ogni modifica del ghiaccio appartiene a un sistema specifico: un gruppo di cristalli in cui le cellule unitarie hanno la stessa simmetria e sistema di coordinate (assi XYZ). In totale si distinguono sette singoni. Le caratteristiche di ciascuno di essi sono presentate su illustrazioni 3-4. E appena sotto c'è un'immagine delle principali forme di cristalli ( Fig.5)

Tutte le modifiche del ghiaccio che differiscono dal ghiaccio normale sono state ottenute in condizioni di laboratorio. Le prime strutture polimorfiche del ghiaccio divennero note all'inizio del XX secolo grazie agli sforzi degli scienziati Gustav Heinrich Tammann E Percy Williams Bridgman. Il diagramma delle modifiche di Bridgman veniva periodicamente integrato. Sono state identificate nuove modifiche rispetto a quelle ottenute in precedenza. Le ultime modifiche al diagramma sono state apportate ai nostri tempi. Finora sono stati ottenuti sedici tipi di ghiaccio cristallino. Ogni tipo ha il proprio nome ed è indicato da un numero romano.

Non approfondiremo le caratteristiche fisiche di ogni tipo molecolare di acqua ghiacciata, per non annoiarvi, cari lettori, con dettagli scientifici; noteremo solo i parametri principali.

Il ghiaccio ordinario si chiama ghiaccio Ih (il prefisso “h” significa sistema esagonale). SU illustrazioni 7 viene presentata la sua struttura cristallina, costituita da legami esagonali (esameri), che differiscono nella forma, uno nella forma lettino(Inglese) forma di sedia), un altro nella forma torri (forma di barca). Questi esameri formano una sezione tridimensionale: due "chaise longue" sono orizzontali in alto e in basso e tre "barche" occupano una posizione verticale.

Il diagramma spaziale mostra l'ordine nella disposizione dei legami idrogeno del ghiaccio Io, ma in realtà le connessioni vengono costruite in modo casuale. Tuttavia, gli scienziati non escludono che i legami idrogeno sulla superficie del ghiaccio esagonale siano più ordinati che all’interno della struttura.

La cella unitaria del ghiaccio esagonale (cioè il volume minimo di un cristallo, la cui riproduzione ripetuta in tre dimensioni forma l'intero reticolo cristallino nel suo insieme) comprende 4 molecole d'acqua. Le dimensioni della cella sono 4,51Å su entrambi i lati un, b E 7,35 Å sul lato c (il lato c o asse nei diagrammi ha una direzione verticale). Gli angoli tra i lati, visti da illustrazione 4: α=β = 90°, γ = 120°. La distanza tra le molecole vicine è 2,76 Å.

I cristalli di ghiaccio esagonali formano piastre e colonne esagonali; le facce superiore e inferiore in essi sono i piani di base e le sei facce laterali identiche sono chiamate prismatiche ( Fig.10).

Il numero minimo di molecole d'acqua necessarie affinché la sua cristallizzazione abbia inizio è di circa 275 (±25). In larga misura, la formazione del ghiaccio avviene sulla superficie della massa d’acqua al confine con l’aria, piuttosto che al suo interno. Cristalli di ghiaccio grossolani Io si formano lentamente nella direzione dell'asse c, ad esempio, in acqua stagnante crescono verticalmente verso il basso dalle placche cristalline, o in condizioni in cui la crescita laterale è difficile. Il ghiaccio a grana fine, formato in acque turbolente o quando congela rapidamente, ha una crescita accelerata diretta dalle facce prismatiche. La temperatura dell'acqua circostante determina il grado di ramificazione del reticolo dei cristalli di ghiaccio.

Le particelle di sostanze disciolte in acqua, ad eccezione degli atomi di elio e idrogeno, le cui dimensioni consentono loro di adattarsi alle cavità della struttura, sono escluse dal reticolo cristallino alla normale pressione atmosferica, essendo espulse sulla superficie del cristallo o , come nel caso della varietà amorfa (ne parleremo più avanti nell'articolo) che forma strati tra i microcristalli. Cicli consecutivi di congelamento e scongelamento dell'acqua possono essere utilizzati per purificarla dalle impurità, ad esempio dai gas (degasaggio).

Insieme al ghiaccio Io c'è anche il ghiaccio Circuito integrato (sistema cubico), tuttavia in natura la formazione di questo tipo di ghiaccio è occasionalmente possibile solo negli strati superiori dell'atmosfera. Ghiaccio artificiale Circuito integrato ottenuto congelando istantaneamente l'acqua, per la quale il vapore viene condensato su un sistema raffreddato 80 a meno 110°C superficie metallica a pressione atmosferica normale. Come risultato dell'esperimento, cristalli di forma cubica o sotto forma di ottaedri cadono sulla superficie. Non sarà possibile creare ghiaccio cubico di prima modifica dal normale ghiaccio esagonale abbassandone la temperatura, ma la transizione da cubico a esagonale è possibile riscaldando il ghiaccio Circuito integrato meno più alto 80°C.

Nella struttura molecolare del ghiaccio Circuito integrato l'angolo del legame idrogeno è lo stesso del ghiaccio normale Ih – 109,5°. Ed ecco un anello esagonale formato da molecole in un reticolo di ghiaccio Circuito integrato presente solo sotto forma di chaise longue.

La densità del ghiaccio Ic è 0,92 g/cm³ alla pressione di 1 atm. La cella unitaria in un cristallo cubico ha 8 molecole e dimensioni: a=b=c = 6,35 Å, e i suoi angoli α=β=γ = 90°.

In una nota. Cari lettori, in questo articolo incontreremo ripetutamente indicatori di temperatura e pressione per l'uno o l'altro tipo di ghiaccio. E se i valori della temperatura espressi in gradi Celsius sono chiari a tutti, allora la percezione dei valori della pressione potrebbe risultare difficile per alcuni. In fisica per misurarlo si usano varie unità, ma nel nostro articolo lo denoteremo in atmosfere (atm), arrotondando i valori. La pressione atmosferica normale è 1 atm, che equivale a 760 mmHg, o poco più di 1 bar, o 0,1 MPa (megapascal).

Come hai capito, in particolare, dall'esempio del ghiaccio Circuito integrato, l'esistenza di modificazioni cristalline del ghiaccio è possibile in condizioni di equilibrio termodinamico, cioè quando l'equilibrio tra temperatura e pressione che determina la presenza di qualsiasi tipo di ghiaccio cristallino viene disturbato, questo tipo scompare, trasformandosi in un'altra modificazione. L'intervallo di questi valori termodinamici varia; è diverso per ciascuna specie. Consideriamo altri tipi di ghiaccio, non strettamente in ordine di nomenclatura, ma in connessione con queste transizioni strutturali.

Ghiaccio II appartiene al sistema trigonale. Può essere formato dal tipo esagonale ad una pressione di circa 3.000 atm e ad una temperatura di circa meno 75°C, oppure da un'altra modificazione ( ghiaccio V), riducendo drasticamente la pressione ad una temperatura di meno 35°C. Esistenza II tipo di ghiaccio è possibile in condizioni di meno 170°C e pressione da 1 a 50.000 atm (o 5 gigapascal (GPa)). Secondo gli scienziati, il ghiaccio di questa modifica potrebbe probabilmente far parte dei satelliti ghiacciati dei lontani pianeti del sistema solare. La normale pressione atmosferica e temperature superiori a meno 113°C creano le condizioni affinché questo tipo di ghiaccio si trasformi in un normale ghiaccio esagonale.

SU illustrazioni 13 reticolo di cristalli di ghiaccio mostrato II. È visibile una caratteristica della struttura: una sorta di canali esagonali cavi formati da legami molecolari. La cellula unitaria (l'area evidenziata nell'illustrazione con un diamante) è costituita da due legamenti che sono spostati l'uno rispetto all'altro, per così dire, "in altezza". Di conseguenza, si forma un sistema reticolare romboedrico. Dimensioni della cella a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Ci sono 12 molecole in una cellula. L'angolo di legame tra le molecole (O–O–O) varia da 80 a 120°.

Quando si riscalda la modifica II, è possibile ottenere del ghiaccio III e viceversa, il raffreddamento del ghiaccio III lo trasforma in ghiaccio II. Anche ghiaccio III si forma quando la temperatura dell'acqua viene gradualmente abbassata fino a meno 23°C, aumentando la pressione fino a 3.000 atm.
Come si può vedere nel diagramma di fase ( malato. 6), condizioni termodinamiche per uno stato stabile del ghiaccio III, così come un'altra modifica: il ghiaccio V, sono piccoli.

Ghiaccio III E V hanno quattro punti tripli con modifiche circostanti (valori termodinamici ai quali è possibile l'esistenza di diversi stati della materia). Tuttavia, il ghiaccio II, III E V possono verificarsi modifiche in condizioni di pressione atmosferica normale e temperatura di meno 170°C, e il riscaldamento a meno 150°C porta alla formazione di ghiaccio Circuito integrato.

Rispetto ad altre modifiche ad alta pressione attualmente conosciute, il ghiaccio III ha la densità più bassa - ad una pressione di 3.500 atm. è pari a 1,16 g/cm³.
Ghiaccio IIIè una varietà tetragonale di acqua cristallizzata, ma la stessa struttura reticolare del ghiaccio III presenta violazioni. Se ogni molecola è solitamente circondata da 4 vicine, in questo caso questo indicatore avrà un valore di 3,2 e inoltre potrebbero esserci altre 2 o 3 molecole vicine che non hanno legami idrogeno.
Nella disposizione spaziale, le molecole formano eliche destrorse.
Dimensioni di una cella elementare con 12 molecole a meno 23°C e circa 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. L'angolo del legame idrogeno varia da 87 a 141°.

SU illustrazioni 15 viene convenzionalmente presentato un diagramma spaziale della struttura molecolare del ghiaccio III. Le molecole (punti blu) situate più vicine allo spettatore vengono mostrate più grandi e i legami idrogeno (linee rosse) sono corrispondentemente più spessi.

E ora, come si suol dire, alle calcagna, “saltamo subito” chi viene dopo il ghiaccio III in ordine di nomenclatura, modifiche cristalline e diciamo qualche parola sul ghiaccio IX.
Questo tipo di ghiaccio è essenzialmente ghiaccio modificato III, sottoposto a un rapido raffreddamento profondo da meno 65 a meno 108°C per evitare di trasformarlo in ghiaccio II. Ghiaccio IX rimane stabile a temperature inferiori a 133°C e pressioni da 2.000 a 4.000 atm. La sua densità e struttura sono identiche III mente, ma a differenza del ghiaccio III nella struttura del ghiaccio IX c'è ordine nella disposizione dei protoni.
Riscaldamento del ghiaccio IX non lo riporta all'originale III modifiche, ma si trasforma in ghiaccio II. Dimensioni della cella: a=b = 6,69, c = 6,71 Å alla temperatura di meno 108°C e 2800 atm.

A proposito, il romanzo Cat's Cradle dello scrittore di fantascienza Kurt Vonnegut del 1963 è incentrato su una sostanza chiamata ghiaccio-nove, che viene descritta come un materiale artificiale che rappresenta un grande pericolo per la vita perché l'acqua si cristallizza al contatto con esso, trasformandosi in ghiaccio-nove. L'ingresso anche di una piccola quantità di questa sostanza nelle acque naturali che si affacciano sugli oceani del mondo minaccia di congelare tutta l'acqua del pianeta, il che a sua volta significa la morte di tutti gli esseri viventi. Alla fine, questo è quello che succede.

Ghiaccio IVè una formazione trigonale metastabile (debolmente stabile) di un reticolo cristallino. La sua esistenza è possibile nello spazio delle fasi del ghiaccio III, V E VI modifiche. Prendi del ghiaccio IV può essere ottenuto da ghiaccio amorfo ad alta densità riscaldandolo lentamente, partendo da meno 130°C ad una pressione costante di 8.000 atm.
La dimensione della cella unitaria romboedrica è 7,60 Å, angoli α=β=γ = 70,1°. La cellula comprende 16 molecole; i legami idrogeno tra le molecole sono asimmetrici. Ad una pressione di 1 atm e ad una temperatura di meno 163°C la densità del ghiaccio IV è di 1,27 g/cm³. Angolo di legame O–O–O: 88–128°.

Allo stesso modo IV il tipo di ghiaccio che forma il ghiaccio XII– riscaldando una modificazione amorfa ad alta densità (ne parleremo più avanti) da meno 196 a meno 90°C alla stessa pressione di 8.000 atm, ma a una velocità maggiore.
Ghiaccio XII anche metastabile nella regione di fase V E VI tipi cristallini. È un tipo di sistema tetragonale.
La cella unitaria contiene 12 molecole che, a causa dei legami idrogeno con angoli di 84–135°, si trovano nel reticolo cristallino, formando una doppia elica destrorsa. La cella ha dimensioni: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; angoli α=β=γ = 90º. La densità del ghiaccio XII è di 1,30 g/cm³ alla normale pressione atmosferica e ad una temperatura di meno 146°C. Angoli di legame idrogeno: 67–132°.

Tra le modifiche del ghiaccio d'acqua attualmente scoperte, il ghiaccio ha la struttura cristallina più complessa V. 28 molecole costituiscono la sua cellula unitaria; i legami idrogeno coprono spazi vuoti in altri composti molecolari e alcune molecole formano legami solo con determinati composti. L'angolo dei legami idrogeno tra le molecole vicine varia notevolmente: da 86 a 132°, quindi nel reticolo cristallino del ghiaccio V c'è una forte tensione e un'enorme riserva di energia.
Parametri della cella in condizioni di pressione atmosferica normale e temperatura meno 175°C: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Ghiaccio Vè una varietà monoclina che si forma raffreddando l'acqua a meno 20°C ad una pressione di circa 5.000 atm. La densità del reticolo cristallino, tenendo conto di una pressione di 3.500 atm, è di 1,24 g/cm³.
Diagramma spaziale del reticolo dei cristalli di ghiaccio V tipo mostrato in illustrazioni 18. La regione della cella unitaria del cristallo è evidenziata con un contorno grigio.

Disposizione ordinata dei protoni nella struttura del ghiaccio V ne fa un'altra varietà chiamata ghiaccio XIII. Questa modifica monoclina può essere ottenuta raffreddando l'acqua al di sotto di meno 143°C con l'aggiunta di acido cloridrico (HCl) per facilitare la transizione di fase, creando una pressione di 5.000 atm. Transizione reversibile da XIII digitare k V Il tipo è possibile nell'intervallo di temperature da meno 193°C a meno 153°C.
Dimensioni della cella unitaria del ghiaccio XIII leggermente diverso da V modifiche: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (a 1 atm, meno 193°С). Il numero di molecole nella cellula è lo stesso: 28. L'angolo dei legami idrogeno: 82–135°.

Nella prossima parte del nostro articolo continueremo la nostra revisione delle modifiche del ghiaccio d'acqua.

Ci vediamo sulle pagine del nostro blog!

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