Struktura krystaliczna lodu. Właściwości wody

Badanie trójwymiarowego stanu ciekłej wody jest trudne, ale wiele się nauczyliśmy, analizując strukturę kryształków lodu. Cztery sąsiednie atomy tlenu związane wiązaniami wodorowymi zajmują wierzchołki czworościanu (tetra = cztery, hedron = płaszczyzna). Średnią energię potrzebną do rozerwania takiego wiązania w lodzie szacuje się na 23 kJ/mol -1.

Zdolność cząsteczek wody do tworzenia określonej liczby łańcuchów wodorowych, a także określona wytrzymałość, powodują niezwykle wysoką temperaturę topnienia. Kiedy się topi, jest zatrzymywany przez ciekłą wodę, której struktura jest nieregularna. Większość wiązań wodorowych jest zniekształcona. Zniszczenie sieci krystalicznej lodu związanej z wodorem wymaga dużej ilości energii w postaci ciepła.

Cechy wyglądu lodu (Ih)

Wiele zwykłych ludzi zastanawia się, jaki rodzaj lodu ma sieć krystaliczną. Należy zauważyć, że gęstość większości substancji wzrasta po zamrożeniu, kiedy ruchy molekularne zwalniają i tworzą się gęsto upakowane kryształy. Gęstość wody również wzrasta, gdy ochładza się ona do maksimum w temperaturze 4°C (277 K). Następnie, gdy temperatura spadnie poniżej tej wartości, rozszerza się.

Wzrost ten wynika z tworzenia się otwartego kryształu lodu z wiązaniami wodorowymi, o siatce i mniejszej gęstości, w którym każda cząsteczka wody jest ściśle związana z powyższym pierwiastkiem i czterema innymi wartościami, a mimo to porusza się wystarczająco szybko, aby mieć większą masę. Gdy to nastąpi, ciecz zamarza od góry do dołu. Ma to ważne skutki biologiczne, ponieważ warstwa lodu na stawie izoluje żywe istoty od ekstremalnego zimna. Ponadto z właściwościami wodoru związane są dwie dodatkowe właściwości wody: ciepło właściwe i parowanie.

Szczegółowy opis konstrukcji

Pierwszym kryterium jest ilość potrzebna do podniesienia temperatury 1 grama substancji o 1°C. Podnoszenie poziomu wody wymaga stosunkowo dużej części ciepła, ponieważ każda cząsteczka jest zaangażowana w liczne wiązania wodorowe, które muszą zostać przerwane, aby energia kinetyczna wzrosła. Nawiasem mówiąc, obfitość H 2 O w komórkach i tkankach wszystkich dużych organizmów wielokomórkowych powoduje, że wahania temperatury wewnątrz komórek są zminimalizowane. Ta cecha jest krytyczna, ponieważ większość reakcji biochemicznych jest wrażliwa na szybkość reakcji.

Również znacznie wyższa niż w przypadku wielu innych płynów. Przekształcenie tego ciała stałego w gaz wymaga dużej ilości ciepła, ponieważ wiązania wodorowe muszą zostać rozerwane, aby cząsteczki wody mogły oddzielić się od siebie i wejść do wspomnianej fazy. Ciała zmienne są trwałymi dipolami i mogą oddziaływać z innymi podobnymi związkami oraz tymi, które są zjonizowane i rozpuszczone.

Inne wymienione powyżej substancje mogą mieć kontakt wyłącznie w przypadku wystąpienia polaryzacji. To właśnie ten związek bierze udział w budowie tych pierwiastków. Ponadto może ustawić się wokół tych cząstek utworzonych z elektrolitów, tak że ujemne atomy tlenu w cząsteczkach wody są zorientowane w stronę kationów, a jony dodatnie i atomy wodoru są zorientowane w stronę anionów.

Z reguły powstają molekularne sieci krystaliczne i atomowe. Oznacza to, że jeśli jod jest skonstruowany w taki sposób, że jest w nim obecny I 2, to w stałym dwutlenku węgla, czyli w suchym lodzie, w węzłach sieci krystalicznej znajdują się cząsteczki CO 2. Podczas interakcji z takimi substancjami lód ma jonową sieć krystaliczną. Na przykład grafit, posiadający budowę atomową opartą na węglu, nie jest w stanie go zmienić, podobnie jak diament.

Co się dzieje, gdy kryształ soli kuchennej rozpuszcza się w wodzie: cząsteczki polarne przyciągają się do naładowanych pierwiastków w krysztale, co prowadzi do powstania na jego powierzchni podobnych cząstek sodu i chlorku, w efekcie ciała te przemieszczają się od siebie, i zaczyna się rozpuszczać. Na tej podstawie możemy zaobserwować, że lód ma sieć krystaliczną z wiązaniami jonowymi. Każdy rozpuszczony Na+ przyciąga ujemne końce kilku cząsteczek wody, podczas gdy każdy rozpuszczony Cl - przyciąga dodatnie końce. Powłoka otaczająca każdy jon nazywana jest kulą ucieczki i zwykle zawiera kilka warstw cząstek rozpuszczalnika.

Mówi się, że zmienne lub jony otoczone pierwiastkami są siarczanowane. Kiedy woda jest rozpuszczalnikiem, takie cząstki ulegają uwodnieniu. Zatem każda cząsteczka polarna ma tendencję do solwatacji przez elementy ciała ciekłego. W suchym lodzie rodzaj sieci krystalicznej tworzy wiązania atomowe w stanie skupienia, które pozostają niezmienione. Krystaliczny lód (zamarznięta woda) to inna sprawa. Jonowe związki organiczne, takie jak karboksylazy i protonowane aminy, muszą mieć rozpuszczalność w grupach hydroksylowych i karbonylowych. Cząsteczki zawarte w takich strukturach przemieszczają się pomiędzy cząsteczkami, a ich układy polarne tworzą z tym ciałem wiązania wodorowe.

Oczywiście liczba tych ostatnich grup w cząsteczce wpływa na jej rozpuszczalność, która zależy również od reakcji różnych struktur w elemencie: na przykład alkohole jedno-, dwu- i trójwęglowe mieszają się z wodą, ale większe węglowodory zawierające pojedyncze związki hydroksylowe są znacznie mniej rozcieńczone w cieczach.

Sześciokątny Ih ma kształt podobny do atomowej sieci krystalicznej. W przypadku lodu i całego naturalnego śniegu na Ziemi wygląda to dokładnie tak. Świadczy o tym symetria sieci kryształów lodu wyhodowanych z pary wodnej (czyli płatków śniegu). Znajduje się w grupie przestrzennej P 63/mm z 194; D 6h, klasa Laue 6/mm; podobny do β-, który ma wielokrotność 6 osi śrubowej (obrót wokół niej i ścinanie wzdłuż niej). Ma dość otwartą strukturę o niskiej gęstości, gdzie wydajność jest niska (~1/3) w porównaniu do prostych struktur sześciennych (~1/2) lub sześciennych skupionych na ścianie (~3/4).

W porównaniu ze zwykłym lodem sieć krystaliczna suchego lodu, związana cząsteczkami CO 2, jest statyczna i zmienia się tylko podczas rozpadu atomów.

Opis krat i ich elementów składowych

Kryształy można traktować jako krystaliczne wzory składające się z arkuszy ułożonych jeden na drugim. Wiązania wodorowe są uporządkowane, podczas gdy w rzeczywistości są przypadkowe, ponieważ protony mogą przemieszczać się pomiędzy cząsteczkami wody (lodu) w temperaturach powyżej około 5 K. Rzeczywiście jest prawdopodobne, że protony zachowują się jak płyn kwantowy w ciągłym przepływie tunelowym. Jest to wzmocnione przez rozpraszanie neutronów, pokazujące ich gęstość rozpraszania w połowie odległości między atomami tlenu, wskazując lokalizację i skoordynowany ruch. Obserwuje się tutaj podobieństwo lodu do atomowej, molekularnej sieci krystalicznej.

Cząsteczki mają schodkowy układ łańcucha wodoru w stosunku do trzech sąsiadów w płaszczyźnie. Czwarty element ma zaćmiony układ wiązań wodorowych. Występuje niewielkie odchylenie od doskonałej symetrii sześciokątnej, aż o 0,3% krótsze w kierunku tego łańcucha. Wszystkie cząsteczki doświadczają tego samego środowiska molekularnego. Wewnątrz każdego „pudełka” jest wystarczająco dużo miejsca, aby zatrzymać cząstki wody śródmiąższowej. Chociaż nie jest to powszechnie brane pod uwagę, ostatnio udało się je skutecznie wykryć metodą dyfrakcji neutronów na sproszkowanej siatce krystalicznej lodu.

Zmiana substancji

Sześciokątny korpus ma punkty potrójne z wodą ciekłą i gazową 0,01 °C, 612 Pa, elementami stałymi trzy -21,985 °C, 209,9 MPa, jedenaście i dwa -199,8 °C, 70 MPa i -34,7 °C, 212,9 MPa . Stała dielektryczna sześciokątnego lodu wynosi 97,5.

Krzywą topnienia tego pierwiastka wyraża się w MPa. Dostępne są równania stanu, a także kilka prostych nierówności związanych ze zmianą właściwości fizycznych lodu sześciokątnego i jego wodnych zawiesin. Twardość zmienia się w zależności od stopnia, wzrastając od mniej więcej lub poniżej poziomu gipsu (≤2) w temperaturze 0°C, do poziomu skalenia (6 w -80°C, nienormalnie duża zmiana twardości bezwzględnej (>24 razy).

Sześciokątna sieć krystaliczna lodu tworzy sześciokątne płyty i kolumny, których górna i dolna powierzchnia są płaszczyznami podstawowymi (0 0 0 1) o entalpii 5,57 μJ cm -2, a pozostałe równoważne płaszczyzny boczne nazywane są częściami pryzmatycznymi (1 0 -1 0) przy 5,94 µJ cm -2. Powierzchnie wtórne (1 1 -2 0) o 6,90 μJ ˣ cm -2 można formować wzdłuż płaszczyzn utworzonych przez boki konstrukcji.

Struktura ta wykazuje anomalny spadek przewodności cieplnej wraz ze wzrostem ciśnienia (jak lód sześcienny lub amorficzny o małej gęstości), ale różni się od większości kryształów. Dzieje się tak na skutek zmiany wiązań wodorowych, która zmniejsza prędkość poprzeczną dźwięku w sieci krystalicznej lodu i wody.

Istnieją metody opisujące sposób przygotowania dużych próbek kryształów i dowolnej pożądanej powierzchni lodu. Zakłada się, że wiązanie wodorowe na powierzchni badanego sześciokąta będzie bardziej uporządkowane niż wewnątrz układu masowego. Spektroskopia wariacyjna z oscylacją częstotliwości fazowo-sieciowych wykazała, że ​​istnieje asymetria strukturalna pomiędzy dwiema górnymi warstwami (L1 i L2) w podpowierzchniowym łańcuchu H O podstawowej powierzchni sześciokątnego lodu. Wiązania wodorowe przyjęte w górnych warstwach sześciokątów (L1 O ··· HO L2) są silniejsze niż te przyjęte w drugiej warstwie do górnej akumulacji (L1 OH ··· O L2). Dostępne interaktywne sześciokątne struktury lodowe.

Cechy rozwoju

Minimalna liczba cząsteczek wody wymagana do zarodkowania lodu wynosi w przybliżeniu 275 ± 25, tyle samo, co w przypadku pełnego klastra dwudziestościennego wynoszącego 280. Tworzenie następuje 10-10 razy na granicy faz powietrze-woda, a nie w wodzie masowej. Wzrost kryształków lodu zależy od różnych szybkości wzrostu różnych energii. Podczas kriokonserwacji próbek biologicznych, żywności i narządów należy chronić wodę przed zamarzaniem.

Zwykle osiąga się to poprzez szybkie chłodzenie, zastosowanie małych próbek i kriokonserwatora oraz zwiększenie ciśnienia w celu zarodkowania lodu i zapobiegania uszkodzeniom komórek. Energia swobodna lodu/cieczy wzrasta od ~30 mJ/m2 pod ciśnieniem atmosferycznym do 40 mJ/m2 przy 200 MPa, co wskazuje na przyczynę wystąpienia tego efektu.

Alternatywnie, mogą rosnąć szybciej z powierzchni pryzmatycznych (S2), na przypadkowo naruszonych powierzchniach gwałtownie zamarzniętych lub naruszonych jezior. Wzrost z twarzy (1 1 -2 0) jest co najmniej taki sam, ale zamienia je w podstawy pryzmatu. Dane dotyczące rozwoju kryształków lodu zostały w pełni zbadane. Względne tempo wzrostu elementów o różnych powierzchniach zależy od zdolności do wytworzenia większego stopnia nawodnienia stawów. O stopniu rozgałęzienia kryształu lodu decyduje (niska) temperatura otaczającej wody. Wzrost cząstek jest ograniczony szybkością dyfuzji przy niskim stopniu przechłodzenia, tj.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Jest to jednak ograniczone kinetyką rozwoju przy wyższych poziomach obniżenia stopni > 4°C, co prowadzi do wzrostu przypominającego igłę. Forma ta jest podobna do budowy suchego lodu (posiada sieć krystaliczną o strukturze heksagonalnej), ma inną charakterystykę rozwoju powierzchni i temperaturę otaczającej (przechłodzonej) wody, która kryje się za płaskimi formami płatków śniegu.

Tworzenie się lodu w atmosferze ma ogromny wpływ na powstawanie i właściwości chmur. Skalenie występujące w pyle pustynnym przedostającym się do atmosfery w ilościach milionów ton rocznie są ważnymi formacjami. Symulacje komputerowe wykazały, że jest to spowodowane zarodkowaniem płaszczyzn pryzmatycznych kryształków lodu na płaszczyznach powierzchni o wysokiej energii.

Niektóre inne elementy i kraty

Substancje rozpuszczone (z wyjątkiem bardzo małej ilości helu i wodoru, które mogą przedostać się do szczelin) nie mogą zostać włączone do struktury Ih pod ciśnieniem atmosferycznym, ale są wypychane na powierzchnię lub do warstwy amorficznej pomiędzy cząstkami ciała mikrokrystalicznego. W miejscach sieci krystalicznej suchego lodu znajdują się inne pierwiastki: jony chaotropowe, takie jak NH 4 + i Cl -, które łatwiej ulegają zamrożeniu cieczy niż inne kosmotropowe, takie jak Na + i SO 4 2-, więc ich usunięcie jest niemożliwe, gdyż tworzą cienką warstwę pozostałej cieczy pomiędzy kryształami. Może to prowadzić do naładowania elektrycznego powierzchni w wyniku dysocjacji wód powierzchniowych, równoważąc pozostałe ładunki (co może również skutkować promieniowaniem magnetycznym) i zmiany pH pozostałych warstw cieczy, np. NH 4 2 SO 4 wzrastając kwaśny, a NaCl staje się bardziej zasadowy.

Są prostopadłe do ścian sieci kryształów lodu, pokazując dołączoną kolejną warstwę (z atomami O-czarnymi). Charakteryzują się wolno rosnącą powierzchnią podstawową (0 0 0 1), do której przyłączają się jedynie izolowane cząsteczki wody. Szybko rosnąca (1 0 -1 0) powierzchnia pryzmatu, na której pary nowo przyłączanych cząstek mogą wiązać się ze sobą wodorem (jedno wiązanie/dwie cząsteczki pierwiastka). Najszybciej rosnąca ściana to (1 1 -2 0) (wtórny pryzmat), na której łańcuchy nowo przyłączonych cząstek mogą oddziaływać ze sobą poprzez wiązania wodorowe. Jedna z cząsteczek łańcucha/elementu jest formą tworzącą grzbiety, które dzielą i zachęcają do transformacji w dwie strony pryzmatu.

Entropia punktu zerowego

k Bˣ Ln ( N

Naukowcy i ich prace w tej dziedzinie

Można zdefiniować jako S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), gdzie k B jest stałą Boltzmanna, NE jest liczbą konfiguracji przy energii E, a E0 jest najniższą energią. Ta wartość entropii sześciokątnego lodu w temperaturze zera kelwinów nie narusza trzeciej zasady termodynamiki: „Entropia idealnego kryształu w temperaturze zera absolutnego wynosi dokładnie zero”, ponieważ te pierwiastki i cząstki nie są idealne i mają nieuporządkowane wiązania wodorowe.

W tym ciele wiązania wodorowe są przypadkowe i szybko się zmieniają. Struktury te nie mają dokładnie równej energii, ale rozciągają się na bardzo dużą liczbę energetycznie bliskich stanów i podlegają „prawom lodu”. Entropia punktu zerowego to zaburzenie, które utrzymywałoby się nawet, gdyby materiał można było schłodzić do zera absolutnego (0 K = -273,15 ° C). Powoduje zamieszanie eksperymentalne dla lodu sześciokątnego 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoretycznie możliwe byłoby obliczenie zerowej entropii znanych kryształków lodu ze znacznie większą dokładnością (pomijając defekty i rozrzut poziomów energii) niż wyznaczanie jej eksperymentalnie.

Chociaż kolejność protonów w lodzie nie jest uporządkowana, powierzchnia prawdopodobnie preferuje porządek wspomnianych cząstek w postaci pasm wiszących atomów H i samotnych par O (zerowa entropia z uporządkowanymi wiązaniami wodorowymi). Stwierdzono zaburzenie punktu zerowego ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 i inne. Z powyższego jasno i zrozumiałe jest, jakie rodzaje sieci krystalicznych są charakterystyczne dla lodu.

O. V. Mosin, I. Ignatov (Bułgaria)

adnotacja Nie można niedoceniać znaczenia lodu dla podtrzymywania życia na naszej planecie. Lód ma ogromny wpływ na warunki życia roślin i zwierząt oraz na różne rodzaje działalności gospodarczej człowieka. Okrywający wodę lód, ze względu na swoją małą gęstość, pełni w przyrodzie rolę pływającego ekranu, chroniącego rzeki i zbiorniki wodne przed dalszym zamarzaniem oraz chroniąc życie podwodnych mieszkańców. Wykorzystanie lodu do różnych celów (zatrzymywanie śniegu, budowa przepraw lodowych i magazynów izotermicznych, zasypywanie lodem magazynów i kopalń) jest przedmiotem szeregu działów nauk hydrometeorologicznych i inżynierskich, takich jak inżynieria lodowa, inżynieria śniegu, wieczna zmarzlina inżynieryjnej, a także działalności specjalnych służb rozpoznania lodu oraz sprzętu do transportu lodołamaczy i odśnieżania. Lód naturalny służy do przechowywania i chłodzenia produktów spożywczych, preparatów biologicznych i medycznych, dla których jest specjalnie produkowany i przygotowywany, a woda roztopiona przygotowana w wyniku stopienia lodu stosowana jest w medycynie ludowej w celu zwiększenia metabolizmu i usunięcia toksyn z organizmu. Artykuł wprowadza czytelnika w nowe, mało znane właściwości i modyfikacje lodu.

Lód jest krystaliczną formą wody, która według najnowszych danych posiada czternaście modyfikacji strukturalnych. Wśród nich wyróżnia się modyfikacje krystaliczne (lód naturalny), amorficzne (lód sześcienny) i metastabilne, różniące się między sobą wzajemnym układem i właściwościami fizycznymi cząsteczek wody, połączonych wiązaniami wodorowymi, tworzących sieć krystaliczną lodu. Wszystkie, z wyjątkiem znanego naturalnego lodu I h, który krystalizuje w sześciokątnej siatce, powstają w egzotycznych warunkach - w bardzo niskich temperaturach suchego lodu i ciekłego azotu oraz wysokich ciśnieniach tysięcy atmosfer, gdy kąty wiązań wodorowych w cząsteczce wody zmieniają się i powstają układy krystaliczne, które różnią się od sześciokątnych. Takie warunki przypominają te w kosmosie i nie występują na Ziemi.

W przyrodzie lód reprezentowany jest przede wszystkim przez jedną odmianę krystaliczną, krystalizującą w sześciokątnej siatce przypominającej strukturę diamentu, gdzie każdą cząsteczkę wody otaczają cztery najbliższe cząsteczki, znajdujące się w równych odległościach od niej, równych 2,76 angstremów i umieszczonych w wierzchołki czworościanu foremnego. Ze względu na niską liczbę koordynacyjną, struktura lodu jest siatkowa, co wpływa na jego niską gęstość, wynoszącą 0,931 g/cm 3 .

Najbardziej niezwykłą właściwością lodu jest jego niesamowita różnorodność zewnętrznych przejawów. Przy tej samej krystalicznej strukturze może wyglądać zupełnie inaczej, przybierając postać przezroczystych gradów i sopli, płatków puszystego śniegu, gęstej błyszczącej skorupy lodowej lub gigantycznych mas lodowcowych. Lód występuje w przyrodzie w postaci lodu kontynentalnego, pływającego i podziemnego, a także śniegu i mrozu. Jest szeroko rozpowszechniony we wszystkich obszarach zamieszkania człowieka. Zgromadzony w dużych ilościach śnieg i lód tworzą specjalne struktury o właściwościach zasadniczo różniących się od właściwości pojedynczych kryształów czy płatków śniegu. Lód naturalny powstaje głównie z lodu pochodzenia osadowo-metamorficznego, powstałego w wyniku stałych opadów atmosferycznych w wyniku późniejszego zagęszczenia i rekrystalizacji. Cechą charakterystyczną lodu naturalnego jest ziarnistość i prążkowanie. Ziarnistość wynika z procesów rekrystalizacji; Każde ziarno lodu lodowcowego jest kryształem o nieregularnym kształcie, ściśle przylegającym do innych kryształów masy lodowej w taki sposób, że występy jednego kryształu ściśle przylegają do wgłębień drugiego. Ten rodzaj lodu nazywany jest polikrystalicznym. W nim każdy kryształ lodu jest warstwą najcieńszych liści zachodzących na siebie w płaszczyźnie podstawowej prostopadłej do kierunku osi optycznej kryształu.

Całkowite zasoby lodu na Ziemi szacuje się na około 30 milionów. km 3(Tabela 1). Większość lodu koncentruje się na Antarktydzie, gdzie grubość jego warstwy sięga 4 km. Istnieją również dowody na obecność lodu na planetach Układu Słonecznego i kometach. Lód jest tak ważny dla klimatu naszej planety i siedlisk życia na niej, że naukowcy wyznaczyli dla lodu specjalne środowisko - kriosferę, której granice sięgają wysoko do atmosfery i głęboko w skorupę ziemską.

Tabela 1. Ilość, rozmieszczenie i żywotność lodu.

Kryształki lodu są wyjątkowe pod względem kształtu i proporcji. Każdy rosnący kryształ naturalny, w tym kryształ lodowy, zawsze dąży do stworzenia idealnej regularnej sieci krystalicznej, ponieważ jest to korzystne z punktu widzenia minimum jego energii wewnętrznej. Jak wiadomo, wszelkie zanieczyszczenia zniekształcają kształt kryształu, dlatego podczas krystalizacji wody cząsteczki wody najpierw wbudowują się w siatkę, a obce atomy i cząsteczki zanieczyszczeń są wypychane do cieczy. I dopiero wtedy, gdy zanieczyszczenia nie mają dokąd uciec, kryształ lodu zaczyna je integrować w swoją strukturę lub pozostawia w postaci pustych kapsułek ze stężoną niezamarzającą cieczą - solanką. Dzięki temu lód morski jest świeży i nawet najbrudniejsze zbiorniki wodne pokryte są przezroczystym i czystym lodem. Kiedy lód się topi, wypiera zanieczyszczenia do solanki. W skali planety zjawisko zamarzania i rozmrażania wody wraz z parowaniem i kondensacją wody pełni rolę gigantycznego procesu oczyszczania, w którym woda na Ziemi nieustannie się oczyszcza.

Tabela 2. Niektóre właściwości fizyczne lodu I.

Nieruchomość	Oznaczający	Notatka
Pojemność cieplna, cal/(g °C) Ciepło topnienia, cal/g Ciepło parowania, cal/g		Zmniejsza się znacznie wraz ze spadkiem temperatury
Współczynnik rozszerzalności cieplnej, 1/°C	9,1 10 -5 (0°C)	Lód polikrystaliczny
Przewodność cieplna, cal/(cm sec °C)		Lód polikrystaliczny
Współczynnik załamania światła:		Lód polikrystaliczny
Specyficzna przewodność elektryczna, om -1 cm -1		Pozorna energia aktywacji 11 kcal/mol
Powierzchniowa przewodność elektryczna, om -1		Pozorna energia aktywacji 32 kcal/mol
Moduł sprężystości Younga, dyn/cm2	9 10 10 (-5°C)	Lód polikrystaliczny
Opór, MN/m2: miażdżący		Lód polikrystaliczny Lód polikrystaliczny Lód polikrystaliczny
Lepkość dynamiczna, równowaga		Lód polikrystaliczny
Energia aktywacji podczas odkształcania i relaksacji mechanicznej, kcal/mol		Zwiększa się liniowo o 0,0361 kcal/(mol °C) od 0 do 273,16 K

1 kal/(g°C)=4,186 kJ/(kg·K); 1 om -1 cm -1 =100 sim/m; 1 dyna = 10 -5 N ; 1 N = 1 kg m/s²; 1 dyn/cm=10 -7 N/m; 1 cal/(cm·s°C)=418,68 W/(m·K); 1 puaz = g/cm s = 10 -1 N s/m 2 .

Ze względu na szerokie rozmieszczenie lodu na Ziemi, różnica we właściwościach fizycznych lodu (tab. 2) od właściwości innych substancji odgrywa ważną rolę w wielu procesach naturalnych. Lód ma wiele innych właściwości i anomalii podtrzymujących życie - anomalie w gęstości, ciśnieniu, objętości, przewodności cieplnej. Gdyby nie było wiązań wodorowych łączących cząsteczki wody w kryształ, lód topiłby się w temperaturze –90°C. Ale tak się nie dzieje ze względu na obecność wiązań wodorowych między cząsteczkami wody. Ze względu na mniejszą gęstość niż woda, lód tworzy pływającą pokrywę na powierzchni wody, chroniąc rzeki i zbiorniki przed zamarzaniem na dnie, ponieważ jego przewodność cieplna jest znacznie niższa niż woda. W tym przypadku najniższą gęstość i objętość obserwuje się w temperaturze +3,98°C (ryc. 1). Dalsze schładzanie wody do 0 0 C stopniowo prowadzi nie do zmniejszenia, ale do zwiększenia jej objętości o prawie 10%, gdy woda zamienia się w lód. Takie zachowanie wody wskazuje na jednoczesne istnienie w wodzie dwóch faz równowagowych - ciekłej i kwazikrystalicznej, analogicznie do kwazikryształów, których sieć krystaliczna ma nie tylko strukturę okresową, ale także osie symetrii różnych rzędów, których istnienie wcześniej zaprzeczało poglądom krystalografów. Teoria ta, wysunięta po raz pierwszy przez słynnego rosyjskiego fizyka teoretycznego Ya.I. Frenkla, opiera się na założeniu, że część cząsteczek cieczy tworzy strukturę kwazikrystaliczną, podczas gdy pozostałe cząsteczki mają charakter gazowy i swobodnie poruszają się w całej objętości. Rozmieszczenie cząsteczek w niewielkim sąsiedztwie dowolnej nieruchomej cząsteczki wody ma pewien porządek, przypominający nieco krystaliczny, choć bardziej luźny. Z tego powodu strukturę wody nazywa się czasem kwazikrystaliczną lub krystaliczną, czyli posiadającą symetrię i porządek we względnym ułożeniu atomów lub cząsteczek.

Ryż. 1. Zależność objętości właściwej lodu i wody od temperatury

Inną właściwością jest to, że prędkość przepływu lodu jest wprost proporcjonalna do energii aktywacji i odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej, tak że wraz ze spadkiem temperatury lód swoimi właściwościami zbliża się do ciała absolutnie stałego. Średnio w temperaturach bliskich topnienia płynność lodu jest 10 6 razy większa niż skał. Ze względu na swoją płynność lód nie gromadzi się w jednym miejscu, ale stale się porusza w postaci lodowców. Zależność między prędkością przepływu a naprężeniem dla lodu polikrystalicznego jest hiperboliczna; gdy jest w przybliżeniu opisany równaniem mocy, wykładnik rośnie wraz ze wzrostem napięcia.

Światło widzialne praktycznie nie jest pochłaniane przez lód, ponieważ promienie świetlne przechodzą przez kryształ lodu, ale blokują promieniowanie ultrafioletowe i większość promieniowania podczerwonego Słońca. W tych obszarach widma lód wydaje się całkowicie czarny, ponieważ współczynnik absorpcji światła w tych obszarach widma jest bardzo wysoki. W przeciwieństwie do kryształków lodu, białe światło padające na śnieg nie jest pochłaniane, lecz wielokrotnie załamywane w kryształkach lodu i odbijane od ich twarzy. Dlatego śnieg wygląda na biały.

Ze względu na bardzo wysoki współczynnik odbicia lodu (0,45) i śniegu (do 0,95), powierzchnia nimi zajmowana wynosi średnio około 72 mln km rocznie. km 2 na wysokich i średnich szerokościach geograficznych obu półkul - odbiera ciepło słoneczne o 65% mniej niż normalnie i jest potężnym źródłem chłodzenia powierzchni ziemi, co w dużej mierze determinuje współczesną równoleżnikową strefę klimatyczną. Latem w obszarach polarnych promieniowanie słoneczne jest większe niż w strefie równikowej, jednak temperatura pozostaje niska, ponieważ znaczna część pochłoniętego ciepła jest wydawana na topniejący lód, który ma bardzo wysokie ciepło topnienia.

Inne niezwykłe właściwości lodu obejmują wytwarzanie promieniowania elektromagnetycznego przez rosnące kryształy. Wiadomo, że większość zanieczyszczeń rozpuszczonych w wodzie nie przedostaje się do lodu, gdy zaczyna on rosnąć; są zamrożone. Dlatego nawet na najbrudniejszej kałuży warstwa lodu jest czysta i przezroczysta. W tym przypadku na granicy ośrodka stałego i ciekłego gromadzą się zanieczyszczenia w postaci dwóch warstw ładunków elektrycznych o różnych znakach, które powodują znaczną różnicę potencjałów. Naładowana warstwa zanieczyszczeń przemieszcza się wraz z dolną granicą młodego lodu i emituje fale elektromagnetyczne. Dzięki temu można szczegółowo obserwować proces krystalizacji. Zatem kryształ rosnący na długość w postaci igły emituje inaczej niż ten pokryty wyrostkami bocznymi, a promieniowanie rosnących ziaren różni się od tego, które występuje przy pękaniu kryształów. Na podstawie kształtu, sekwencji, częstotliwości i amplitudy impulsów promieniowania można określić, z jaką prędkością lód zamarza i jaki rodzaj struktury lodu się tworzy.

Ale najbardziej niesamowitą rzeczą w strukturze lodu jest to, że cząsteczki wody w niskich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem wewnątrz nanorurek węglowych mogą krystalizować w kształcie podwójnej helisy, przypominającej cząsteczki DNA. Udowodniły to niedawne eksperymenty komputerowe przeprowadzone przez amerykańskich naukowców pod kierunkiem Xiao Cheng Zenga z Uniwersytetu w Nebrasce (USA). Aby w symulowanym eksperymencie woda utworzyła spiralę, umieszczono ją w nanorurkach o średnicy od 1,35 do 1,90 nm pod wysokim ciśnieniem, wahającym się od 10 do 40 000 atmosfer i w temperaturze –23°C. Oczekiwano, że woda we wszystkich przypadkach tworzy cienką rurową strukturę. Model pokazał jednak, że przy średnicy nanorurki 1,35 nm i ciśnieniu zewnętrznym 40 000 atmosfer doszło do wygięcia wiązań wodorowych w strukturze lodu, co doprowadziło do powstania spirali o podwójnej ściance – wewnętrznej i zewnętrznej. W tych warunkach ściana wewnętrzna okazała się skręcona w poczwórną helisę, a ściana zewnętrzna składała się z czterech podwójnych helis, przypominających cząsteczkę DNA (ryc. 2). Fakt ten może służyć jako potwierdzenie związku pomiędzy strukturą niezbędnej cząsteczki DNA a strukturą samej wody oraz tego, że woda służyła jako matryca do syntezy cząsteczek DNA.

Ryż. 2. Komputerowy model struktury zamarzniętej wody w nanorurkach, przypominający cząsteczkę DNA (fot. z magazynu New Scientist, 2006)

Kolejną z najważniejszych właściwości wody odkrytą niedawno jest zdolność wody do zapamiętywania informacji o wpływach z przeszłości. Po raz pierwszy udowodnili to japoński badacz Masaru Emoto i nasz rodak Stanislav Zenin, który jako jeden z pierwszych zaproponował teorię skupień struktury wody, składającą się z cyklicznych współpracowników o wolumetrycznej strukturze wielościennej - skupień o wzorze ogólnym (H 2 O) n, gdzie n, według najnowszych danych, może sięgać setek, a nawet tysięcy jednostek. To właśnie dzięki obecności klastrów w wodzie woda ma właściwości informacyjne. Naukowcy fotografowali procesy zamarzania wody w mikrokryształy lodu, wpływając na nią różnymi polami elektromagnetycznymi i akustycznymi, melodiami, modlitwą, słowami czy myślami. Okazało się, że pod wpływem pozytywnych informacji w postaci pięknych melodii i słów lód zamarzł w symetryczne sześciokątne kryształy. Tam, gdzie rozbrzmiewała nieregularna muzyka oraz gniewne i obraźliwe słowa, woda przeciwnie, zamarzała w chaotyczne i bezkształtne kryształy. Jest to dowód na to, że woda ma specjalną strukturę, która jest wrażliwa na wpływy informacji zewnętrznych. Przypuszczalnie ludzki mózg, składający się w 85-90% z wody, ma silny wpływ strukturujący na wodę.

Kryształy Emoto budzą zarówno zainteresowanie, jak i niedostatecznie uzasadnioną krytykę. Jeśli przyjrzysz się im uważnie, zobaczysz, że ich konstrukcja składa się z sześciu szczytów. Ale jeszcze dokładniejsza analiza pokazuje, że płatki śniegu zimą mają tę samą strukturę, zawsze symetryczną i z sześcioma wierzchołkami. W jakim stopniu struktury skrystalizowane zawierają informację o środowisku, w którym powstały? Struktura płatków śniegu może być piękna lub bezkształtna. Oznacza to, że próbka kontrolna (chmura w atmosferze), z której pochodzą, ma na nie taki sam wpływ, jak warunki pierwotne. Warunki początkowe to aktywność słoneczna, temperatura, pola geofizyczne, wilgotność itp. Wszystko to oznacza, że ​​z tzw. przeciętnego zestawu, możemy stwierdzić, że struktura kropelek wody, a następnie płatków śniegu jest w przybliżeniu taka sama. Ich masa jest prawie taka sama i poruszają się w atmosferze z podobnymi prędkościami. W atmosferze nadal tworzą swoje struktury i zwiększają swoją objętość. Nawet jeśli uformowały się w różnych częściach chmury, w jednej grupie zawsze znajduje się pewna liczba płatków śniegu, które powstały w niemal takich samych warunkach. A odpowiedź na pytanie, co jest pozytywną, a co negatywną informacją o płatkach śniegu, można znaleźć w Emoto. W warunkach laboratoryjnych informacja negatywna (trzęsienie ziemi, niekorzystne dla człowieka wibracje dźwiękowe itp.) nie tworzy kryształów, lecz informacja pozytywna, wręcz przeciwnie. Bardzo ciekawe jest, w jakim stopniu jeden czynnik może kształtować takie same lub podobne struktury płatków śniegu. Największą gęstość wody obserwuje się w temperaturze 4°C. Udowodniono naukowo, że gęstość wody zmniejsza się, gdy zaczynają tworzyć się sześciokątne kryształki lodu, gdy temperatura spada poniżej zera. Jest to wynik wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami wody.

Jaki jest powód takiej struktury? Kryształy są ciałami stałymi, a tworzące je atomy, cząsteczki lub jony są ułożone w regularny, powtarzający się wzór w trzech wymiarach przestrzennych. Struktura kryształów wody jest nieco inna. Według Izaaka tylko 10% wiązań wodorowych w lodzie ma charakter kowalencyjny, tj. z dość stabilnymi informacjami. Wiązania wodorowe pomiędzy tlenem jednej cząsteczki wody a wodorem drugiej są najbardziej wrażliwe na wpływy zewnętrzne. Widmo wody podczas budowy kryształów jest stosunkowo różne w czasie. Znając efekt dyskretnego parowania kropli wody udowodniony przez Antonowa i Yuskeselieva i jego zależność od stanów energetycznych wiązań wodorowych, możemy szukać odpowiedzi na temat budowy kryształów. Każda część widma zależy od napięcia powierzchniowego kropelek wody. W widmie znajduje się sześć pików, które wskazują gałęzie płatka śniegu.

Oczywiste jest, że w eksperymentach Emoto początkowa próbka „kontrolna” wpływa na wygląd kryształów. Oznacza to, że po ekspozycji na określony czynnik można spodziewać się powstania podobnych kryształów. Uzyskanie identycznych kryształów jest prawie niemożliwe. Badając wpływ słowa „miłość” na wodę, Emoto nie wskazuje jednoznacznie, czy eksperyment przeprowadzono na różnych próbkach.

Aby sprawdzić, czy technika Emoto jest wystarczająco zróżnicowana, potrzebne są eksperymenty z podwójnie ślepą próbą. Dowód Izaaka, że ​​10% cząsteczek wody tworzy wiązania kowalencyjne po zamrożeniu, pokazuje nam, że woda wykorzystuje tę informację, gdy zamarza. Osiągnięcie Emoto, nawet bez podwójnie ślepych eksperymentów, pozostaje dość ważne w odniesieniu do właściwości informacyjnych wody.

Naturalny płatek śniegu, Wilson Bentley, 1925

Płatek śniegu Emoto uzyskany z naturalnej wody

Jeden płatek śniegu jest naturalny, a drugi stworzony przez Emoto, co wskazuje, że różnorodność spektrum wody nie jest nieograniczona.

Trzęsienie ziemi, Sofia, 4,0 skala Richtera, 15 listopada 2008 r.,
Dr. Ignatow, 2008©, prof. Urządzenie Antonowa©

Liczba ta wskazuje różnicę między próbką kontrolną a próbką pobraną w inne dni. Cząsteczki wody rozrywają najbardziej energetyczne wiązania wodorowe w wodzie, a także dwa szczyty widma podczas zjawiska naturalnego. Badania przeprowadzono przy użyciu urządzenia Antonowa. Wynik biofizyczny pokazuje spadek napięcia życiowego organizmu podczas trzęsienia ziemi. Podczas trzęsienia ziemi woda nie może zmienić swojej struktury w płatkach śniegu w laboratorium Emoto. Istnieją dowody na zmiany przewodności elektrycznej wody podczas trzęsienia ziemi.

W 1963 roku uczeń z Tanzanii Erasto Mpemba zauważył, że gorąca woda zamarza szybciej niż zimna. Zjawisko to nazywane jest efektem Mpemby. Choć wyjątkowe właściwości wody dostrzegli już znacznie wcześniej Arystoteles, Francis Bacon i Rene Descartes. Zjawisko to zostało wielokrotnie udowodnione w szeregu niezależnych eksperymentów. Woda ma jeszcze jedną dziwną właściwość. Moim zdaniem wyjaśnienie tego jest następujące: różnicowe widmo energii nierównowagowej (DNES) przegotowanej wody ma niższą średnią energię wiązań wodorowych między cząsteczkami wody niż próbka pobrana w temperaturze pokojowej, co oznacza, że ​​przegotowana woda potrzebuje mniej energii, aby rozpocząć strukturyzowanie kryształów i zamrożenie.

Klucz do budowy lodu i jego właściwości leży w strukturze jego kryształu. Kryształy wszystkich modyfikacji lodu zbudowane są z cząsteczek wody H 2 O połączonych wiązaniami wodorowymi w trójwymiarowe struktury siatkowe o specyficznym układzie wiązań wodorowych. Cząsteczkę wody można po prostu wyobrazić sobie jako czworościan (piramidę o trójkątnej podstawie). W jego centrum znajduje się atom tlenu, będący w stanie hybrydyzacji sp 3, a w dwóch wierzchołkach atom wodoru, którego jeden z elektronów 1s bierze udział w tworzeniu kowalencyjnego wiązania H-O z tlenem. Dwa pozostałe wierzchołki zajmują pary niesparowanych elektronów tlenu, które nie biorą udziału w tworzeniu wiązań wewnątrzcząsteczkowych, dlatego nazywane są samotnymi. Przestrzenny kształt cząsteczki H 2 O tłumaczy się wzajemnym odpychaniem atomów wodoru i samotnych par elektronów centralnego atomu tlenu.

Wiązania wodorowe są ważne w chemii oddziaływań międzycząsteczkowych i są spowodowane słabymi siłami elektrostatycznymi oraz oddziaływaniami donor-akceptor. Występuje, gdy pozbawiony elektronów atom wodoru jednej cząsteczki wody oddziałuje z wolną parą elektronów atomu tlenu sąsiedniej cząsteczki wody (O-H...O). Charakterystyczną cechą wiązania wodorowego jest jego stosunkowo niska wytrzymałość; jest 5-10 razy słabsze niż chemiczne wiązanie kowalencyjne. Pod względem energii wiązanie wodorowe zajmuje pozycję pośrednią pomiędzy wiązaniem chemicznym a oddziaływaniami van der Waalsa, które utrzymują cząsteczki w fazie stałej lub ciekłej. Każda cząsteczka wody w krysztale lodu może jednocześnie tworzyć cztery wiązania wodorowe z innymi sąsiednimi cząsteczkami pod ściśle określonymi kątami równymi 109°47”, skierowanymi w stronę wierzchołków czworościanu, które nie pozwalają na utworzenie gęstej struktury podczas zamarzania wody ( Rys. 3. W strukturach lodowych I, Ic, VII i VIII czworościan ten jest regularny. W strukturach lodowych II, III, V i VI czworościany są zauważalnie zniekształcone. W strukturach lodowych VI, VII i VIII dwa przecinające się układy można wyróżnić wiązania wodorowe.Ta niewidzialna struktura wiązań wodorowych układa cząsteczki wody w postaci siatkowej siatki, której struktura przypomina sześciokątny plaster miodu z wydrążonymi kanałami wewnętrznymi.Pod wpływem ogrzewania lodu struktura siatki ulega zniszczeniu: cząsteczki wody zaczynają wpadać w puste przestrzenie siatki, prowadząc do gęstszej struktury cieczy - to wyjaśnia, dlaczego woda jest cięższa od lodu.

Ryż. 3. Tworzenie wiązania wodorowego pomiędzy czterema cząsteczkami H2O (czerwone kulki reprezentują centralne atomy tlenu, białe kulki przedstawiają atomy wodoru)

Specyfika wiązań wodorowych i oddziaływań międzycząsteczkowych charakterystycznych dla struktury lodu zostaje zachowana w stopionej wodzie, ponieważ podczas topienia się kryształu lodu ulega zniszczeniu tylko 15% wszystkich wiązań wodorowych. Dlatego połączenie między każdą cząsteczką wody i czterema sąsiednimi cząsteczkami właściwymi dla lodu („porządek krótkiego zasięgu”) nie zostaje naruszone, chociaż obserwuje się większe rozmycie sieci szkieletowej tlenu. Wiązania wodorowe można również utrzymać podczas wrzenia wody. Tylko w parze wodnej nie ma wiązań wodorowych.

Lód, który tworzy się pod ciśnieniem atmosferycznym i topi się w temperaturze 0°C, jest najpowszechniejszą, choć wciąż nie w pełni poznaną substancją. Wiele w jego strukturze i właściwościach wygląda nietypowo. W miejscach sieci krystalicznej lodu atomy tlenu czworościanów cząsteczek wody są ułożone w sposób uporządkowany, tworząc regularne sześciokąty przypominające sześciokątny plaster miodu, a atomy wodoru zajmują różne pozycje na wiązaniach wodorowych łączących atomy tlenu (ryc. 4). Dlatego możliwych jest sześć równoważnych orientacji cząsteczek wody względem sąsiadów. Niektóre z nich są wykluczone, ponieważ obecność dwóch protonów jednocześnie na tym samym wiązaniu wodorowym jest mało prawdopodobna, ale pozostaje wystarczająca niepewność co do orientacji cząsteczek wody. Takie zachowanie atomów jest nietypowe, ponieważ w substancji stałej wszystkie atomy podlegają temu samemu prawu: albo atomy są ułożone w sposób uporządkowany i wtedy jest to kryształ, albo losowo i wtedy jest to substancja amorficzna. Tak niezwykłą strukturę można zrealizować w większości modyfikacji lodu - Ih, III, V, VI i VII (oraz najwyraźniej w Ic) (tab. 3), a w strukturze lodu II, VIII i IX cząsteczki wody są uporządkowane orientacyjnie . Według J. Bernala lód jest krystaliczny w stosunku do atomów tlenu i szklisty w stosunku do atomów wodoru.

Ryż. 4. Struktura lodu o naturalnej konfiguracji sześciokątnej I h

W innych warunkach, na przykład w kosmosie, przy wysokich ciśnieniach i niskich temperaturach, lód krystalizuje inaczej, tworząc inne sieci krystaliczne i modyfikacje (sześcienne, trygonalne, tetragonalne, jednoskośne itp.), z których każda ma swoją własną strukturę i sieć krystaliczną (tabela 3 ). Struktury lodu o różnych modyfikacjach obliczyli rosyjscy badacze dr. G.G. Malenkova oraz doktorat z fizyki i matematyki. EA Żeligowska z Instytutu Chemii Fizycznej i Elektrochemii im. JAKIŚ. Frumkin z Rosyjskiej Akademii Nauk. Lody modyfikacji II, III i V długo przechowują się pod ciśnieniem atmosferycznym, jeżeli temperatura nie przekracza -170°C (rys. 5). Po ochłodzeniu do około -150°C naturalny lód zamienia się w lód sześcienny Ic, składający się z sześcianów i ośmiościanów o wielkości kilku nanometrów. Lód I c czasami pojawia się, gdy woda zamarza w kapilarach, czemu najwyraźniej sprzyja oddziaływanie wody z materiałem ściany i powtarzalność jej struktury. Jeśli temperatura jest nieco wyższa niż -110 0 C, na metalowym podłożu tworzą się kryształy gęstszego i cięższego szklistego amorficznego lodu o gęstości 0,93 g/cm 3 . Obie te formy lodu mogą samoistnie przekształcić się w lód sześciokątny, a im szybciej, tym wyższa temperatura.

Tabela 3. Niektóre modyfikacje lodu i ich parametry fizyczne.

Notatka. 1 Å = 10 -10 m

Ryż. 5. Schemat stanu lodów krystalicznych o różnych modyfikacjach.

Występują także lody wysokociśnieniowe – II i III odmiany trygonalne i tetragonalne, utworzone z wydrążonych plastrów miodu utworzonych z sześciokątnych elementów falistych, przesuniętych względem siebie o jedną trzecią (ryc. 6 i ryc. 7). Lody te są stabilizowane w obecności gazów szlachetnych helu i argonu. W strukturze lodu V o modyfikacji jednoskośnej kąty pomiędzy sąsiednimi atomami tlenu mieszczą się w zakresie od 86 0 do 132°, co znacznie różni się od kąta wiązania w cząsteczce wody, który wynosi 105° 47'. Lód VI w modyfikacji tetragonalnej składa się z dwóch ramek włożonych w siebie, pomiędzy którymi nie występują wiązania wodorowe, w wyniku czego powstaje sieć krystaliczna skupiona na ciele (rys. 8). Struktura lodu VI opiera się na heksamerach – blokach sześciu cząsteczek wody. Ich konfiguracja dokładnie powtarza strukturę stabilnego skupiska wody, która wynika z obliczeń. Lód VII i VIII odmiany sześciennej, które są niskotemperaturowymi uporządkowanymi formami lodu VII, mają podobną strukturę z włożonymi w siebie ramkami lodu I. Wraz z późniejszym wzrostem ciśnienia odległość między atomami tlenu w sieci krystalicznej lodów VII i VIII będzie się zmniejszać, w wyniku czego powstanie struktura lodu X, w którym atomy tlenu ułożą się w regularną sieć, a protony są uporządkowane.

Ryż. 7. Konfiguracja Ice III.

Lód XI powstaje w wyniku głębokiego chłodzenia lodu I h dodatkiem zasady poniżej 72 K pod normalnym ciśnieniem. W tych warunkach tworzą się defekty kryształów hydroksylowych, co pozwala rosnącym kryształkom lodu na zmianę swojej struktury. Lód XI ma rombową sieć krystaliczną o uporządkowanym układzie protonów i powstaje jednocześnie w wielu centrach krystalizacji w pobliżu defektów hydroksylowych kryształu.

Ryż. 8. Konfiguracja Ice VI.

Wśród lodów występują także formy metastabilne IV i XII, których czas życia wynosi sekundy i mają najpiękniejszą strukturę (ryc. 9 i ryc. 10). Aby uzyskać lód metastabilny, należy go sprasować I h do ciśnienia 1,8 GPa w temperaturze ciekłego azotu. Te lody tworzą się znacznie łatwiej i są szczególnie stabilne, jeśli przechłodzona ciężka woda jest poddawana ciśnieniu. Inna metastabilna modyfikacja, lód IX, powstaje, gdy lód III jest przechłodzony i zasadniczo reprezentuje jego postać niskotemperaturową.

Ryż. 9. Konfiguracja Ice IV.

Ryż. 10. Konfiguracja Ice XII.

Dwie ostatnie modyfikacje lodu – o jednoskośnej XIII i rombowej konfiguracji XIV – odkryli naukowcy z Oksfordu (Wielka Brytania) całkiem niedawno – w 2006 roku. Założenie, że powinny istnieć kryształki lodu o siatkach jednoskośnych i rombowych, było trudne do potwierdzenia: lepkość wody w temperaturze -160 ° C jest bardzo wysoka i trudno jest połączyć cząsteczki czystej przechłodzonej wody w takich ilościach tworząc jądro krystaliczne. Osiągnięto to za pomocą katalizatora – kwasu solnego, który zwiększał ruchliwość cząsteczek wody w niskich temperaturach. Takie modyfikacje lodu nie mogą powstać na Ziemi, ale mogą istnieć w kosmosie na schłodzonych planetach oraz zamarzniętych satelitach i kometach. Zatem obliczenia gęstości i przepływów ciepła z powierzchni satelitów Jowisza i Saturna pozwalają nam stwierdzić, że Ganimedes i Kallisto muszą mieć lodową skorupę, w której naprzemiennie znajdują się lody I, III, V i VI. Na Tytanie lody nie tworzą skorupy, ale płaszcz, którego wewnętrzna warstwa składa się z lodu VI, innych lodów wysokociśnieniowych i hydratów klatratów, a lód I h znajduje się na górze.

Ryż. jedenaście. Różnorodność i kształt płatków śniegu w przyrodzie

Wysoko w atmosferze ziemskiej, w niskich temperaturach, woda krystalizuje z czworościanów, tworząc sześciokątny lód Ih. Centrum tworzenia się kryształków lodu stanowią stałe cząstki pyłu, które wiatr unosi do górnych warstw atmosfery. Wokół tego embrionalnego mikrokryształu lodu igły utworzone przez poszczególne cząsteczki wody rosną w sześciu symetrycznych kierunkach, na których rosną wyrostki boczne - dendryty. Temperatura i wilgotność powietrza wokół płatka śniegu są takie same, dlatego początkowo ma on symetryczny kształt. W miarę tworzenia się płatków śniegu stopniowo opadają one do niższych warstw atmosfery, gdzie temperatura jest wyższa. Tutaj następuje topienie, a ich idealny kształt geometryczny zostaje zniekształcony, tworząc różnorodne płatki śniegu (ryc. 11).

Wraz z dalszym topnieniem heksagonalna struktura lodu ulega zniszczeniu i powstaje mieszanina cyklicznych towarzyszeń klastrów, a także tri-, tetra-, penta-, heksamerów wody (ryc. 12) i wolnych cząsteczek wody. Badanie struktury powstałych klastrów jest często znacznie trudne, ponieważ woda, według współczesnych danych, jest mieszaniną różnych neutralnych klastrów (H 2 O) n i ich naładowanych jonów klastrowych [H 2 O] + n i [H 2 O ] - n, które znajdują się między sobą w dynamicznej równowadze z czasem życia 10 -11 -10 -12 sekund.

Ryż. 12. Możliwe skupiska wody (a-h) o składzie (H 2 O) n, gdzie n = 5-20.

Klastry mogą oddziaływać ze sobą poprzez wystające na zewnątrz powierzchnie wiązań wodorowych, tworząc bardziej złożone struktury wielościenne, takie jak sześcian, oktaedr, dwudziestościan i dwunastościan. Tym samym budowę wody kojarzą się z tzw. bryłami platońskimi (czworościanem, sześcianem, oktaedrem, dwudziestościanem i dwunastościanem), nazwanymi na cześć starożytnego greckiego filozofa i geometrii Platona, który je odkrył, a których kształt wyznacza złoty podział. (ryc. 13).

Ryż. 13. Bryły platońskie, których kształt geometryczny wyznacza złoty podział.

Liczbę wierzchołków (B), ścian (G) i krawędzi (P) w dowolnym wielościanie przestrzennym opisuje zależność:

B + G = P + 2

Stosunek liczby wierzchołków (B) wielościanu foremnego do liczby krawędzi (P) jednej z jego ścian jest równy stosunkowi liczby ścian (G) tego samego wielościanu do liczby krawędzi ( P) wychodzący z jednego z jego wierzchołków. Dla czworościanu stosunek ten wynosi 4:3, dla sześcianu (6 ścian) i oktaedru (8 ścian) wynosi 2:1, a dla dwunastościanu (12 ścian) i dwudziestościanu (20 ścian) wynosi 4:1.

Struktury wielościennych skupisk wody, obliczone przez rosyjskich naukowców, potwierdzono nowoczesnymi metodami analitycznymi: spektroskopią protonowego rezonansu magnetycznego, spektroskopią lasera femtosekundowego, dyfrakcją promieni rentgenowskich i neutronów na kryształach wody. Odkrycie skupisk wody i zdolność wody do przechowywania informacji to dwa z najważniejszych odkryć XXI tysiąclecia. To dobitnie dowodzi, że przyrodę charakteryzuje symetria w postaci precyzyjnych geometrycznych kształtów i proporcji, charakterystycznych dla kryształków lodu.

LITERATURA.

1. Belyanin V., Romanova E. Życie, cząsteczka wody i złota proporcja // Nauka i Życie, 2004, t. 10, nr 3, s. 2004-2004. 23-34.

2. Shumsky P.A., Podstawy nauki o lodzie strukturalnym. - Moskwa, 1955b s. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Świadomość wody jako substancji życia. // Świadomość i rzeczywistość fizyczna. 2011, T 16, nr 12, s. 2011. 9-22.

4. Petryanov I.V. Najbardziej niezwykła substancja na świecie, Moskwa, Pedagogika, 1981, s. 13-13. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Struktura i właściwości wody. - Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, s. 25. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Znana i tajemnicza woda. – Kijów, Szkoła Rodyanbska, 1982, s. 25. 62-64.

7. Zatsepina G. N. Struktura i właściwości wody. – Moskwa, wyd. Moskiewski Uniwersytet Państwowy, 1974, s. 15. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Podstawy fizyki wody – Kijów, Naukova Dumka, 1991, s. 10-10. 167.

9. Simonite T. Lód przypominający DNA „widziany” wewnątrz nanorurek węglowych // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Przesłanie wody. Tajne kody kryształków lodu. - Sofia, 2006. s. 96.

11. Zenin S.V., Tyaglov B.V. Natura oddziaływań hydrofobowych. Pojawienie się pól orientacji w roztworach wodnych // Journal of Physical Chemistry, 1994, T. 68, nr 3, s. 10-10. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Wiązanie wodorowe – Moskwa, Nauka, 1964, s. 12. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Struktura wody i roztworów jonowych // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1934, T. 14, nr 5, s. 13. 587-644.

14. Khobza P., Zahradnik R. Kompleksy międzycząsteczkowe: Rola układów van der Waalsa w chemii fizycznej i biodyscyplinach. – Moskwa, Mir, 1989, s. 25. 34-36.

15. Pounder E. R. Fizyka lodu, przeł. z angielskiego - Moskwa, 1967, s. 25. 89.

16. Komarov S. M. Wzory lodowe wysokiego ciśnienia. // Chemia i życie, 2007, nr 2, s. 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya, G. G. Malenkow. Lody krystaliczne // Uspekhi khimii, 2006, nr 75, s. 200-200. 64.

18. Fletcher N. H. Fizyka chemiczna lodu, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A.V. Różnorodność klastrów // Russian Chemical Journal, 1996, T. 40, nr 2, s. 10. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. Struktura wody a rzeczywistość fizyczna. // Świadomość a rzeczywistość fizyczna, 2011, T. 16, nr 9, s. 2011. 16-32.

21. Ignatov I. Medycyna bioenergetyczna. Pochodzenie materii żywej, pamięć wody, biorezonans, pola biofizyczne. – GayaLibris, Sofia, 2006, s. 25. 93.

Nietypowe wyszukiwanie

Struktura wody

Doktorat O.V. Mosin

Cząsteczka wody to mały dipol zawierający ładunki dodatnie i ujemne na biegunach. Ponieważ masa i ładunek jądra tlenu jest większa niż jądra wodoru, chmura elektronów jest przyciągana w kierunku jądra tlenu. W tym przypadku jądra wodoru są odsłonięte. Zatem chmura elektronów ma niejednorodną gęstość. W pobliżu jąder wodoru brakuje gęstości elektronowej, a po przeciwnej stronie cząsteczki, w pobliżu jądra tlenu, występuje nadmiar gęstości elektronowej. To właśnie ta struktura określa polarność cząsteczki wody. Jeśli połączysz epicentra ładunków dodatnich i ujemnych liniami prostymi, otrzymasz trójwymiarową figurę geometryczną - czworościan foremny.

Struktura cząsteczki wody (zdjęcie po prawej)

Dzięki obecności wiązań wodorowych każda cząsteczka wody tworzy wiązanie wodorowe z 4 sąsiednimi cząsteczkami, tworząc w cząsteczce lodu ażurową ramę siatkową. Jednakże w stanie ciekłym woda jest cieczą nieuporządkowaną; Te wiązania wodorowe są spontaniczne, krótkotrwałe, szybko pękają i tworzą się ponownie. Wszystko to prowadzi do niejednorodności struktury wody.

Wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody (zdjęcie poniżej, po lewej)

Już dawno ustalono, że woda ma niejednorodny skład. Od dawna wiadomo, że lód unosi się na powierzchni wody, czyli gęstość lodu krystalicznego jest mniejsza niż gęstość cieczy.

W przypadku prawie wszystkich innych substancji kryształ jest gęstszy niż faza ciekła. Ponadto nawet po stopieniu, wraz ze wzrostem temperatury, gęstość wody nadal rośnie i osiąga maksimum w temperaturze 4°C. Mniej znana jest anomalia ściśliwości wody: po podgrzaniu od temperatury topnienia do 40°C zmniejsza się, a następnie wzrasta. Pojemność cieplna wody zależy również niemonotonicznie od temperatury.

Dodatkowo w temperaturach poniżej 30°C, wraz ze wzrostem ciśnienia z atmosferycznego do 0,2 GPa, lepkość wody maleje, a wzrasta współczynnik samodyfuzji, parametr określający prędkość ruchu cząsteczek wody względem siebie.

W przypadku innych cieczy zależność jest odwrotna i niemal nigdzie nie zdarza się, aby jakiś ważny parametr zachowywał się niemonotonicznie, tj. najpierw wzrosła, a po przekroczeniu wartości krytycznej temperatura lub ciśnienie spadło. Powstało założenie, że tak naprawdę woda nie jest pojedynczą cieczą, ale mieszaniną dwóch składników, które różnią się właściwościami, na przykład gęstością i lepkością, a co za tym idzie strukturą. Takie pomysły zaczęły pojawiać się pod koniec XIX wieku, kiedy zgromadzono wiele danych na temat anomalii wodnych.

Whiting jako pierwszy zaproponował w 1884 roku pogląd, że woda składa się z dwóch składników. Jego autorstwo przytacza E.F. Fritsman w monografii „The Nature of Water. Heavy Water” opublikowanej w 1935 roku. W 1891 r. V. Rengten wprowadził koncepcję dwóch stanów wody, które różnią się gęstością. Następnie pojawiło się wiele prac, w których wodę uznawano za mieszaninę związków o różnym składzie (hydroli).

Kiedy w latach dwudziestych XX wieku określano strukturę lodu, okazało się, że cząsteczki wody w stanie krystalicznym tworzą trójwymiarową ciągłą sieć, w której każda cząsteczka ma czterech najbliższych sąsiadów znajdujących się na wierzchołkach czworościanu foremnego. W 1933 roku J. Bernal i P. Fowler zasugerowali, że podobna sieć istnieje w wodzie w stanie ciekłym. Ponieważ woda jest gęstsza od lodu, wierzyli, że zawarte w niej cząsteczki są ułożone nie jak w lodzie, to znaczy jak atomy krzemu w mineralnym trydymicie, ale jak atomy krzemu w gęstszej modyfikacji krzemionki, kwarcu. Wzrost gęstości wody po podgrzaniu od 0 do 4°C wyjaśniono obecnością składnika trydymitowego w niskich temperaturach. Zatem model Bernala Fowlera zachował element dwustruktury, ale ich głównym osiągnięciem była idea ciągłej sieci czworościennej. Potem pojawił się słynny aforyzm I. Langmuira: „Ocean to jedna wielka cząsteczka”. Nadmierna specyfikacja modelu nie zwiększyła liczby zwolenników teorii zunifikowanej siatki.

Dopiero w 1951 roku J. Pople stworzył model siatki ciągłej, który nie był tak szczegółowy jak model Bernala Fowlera. Pople wyobrażał sobie wodę jako przypadkową sieć czworościenną, w której wiązania między cząsteczkami są zakrzywione i mają różną długość. Model Pople'a wyjaśnia zagęszczanie wody podczas topienia poprzez zginanie wiązań. Kiedy w latach 60-70 XX wieku pojawiły się pierwsze definicje budowy lodów II i IX, stało się jasne, w jaki sposób zaginanie wiązań może prowadzić do zagęszczenia konstrukcji. Model Pople'a nie potrafił wyjaśnić niemonotonicznej zależności właściwości wody od temperatury i ciśnienia, a także modele dwustanowe. Dlatego ideę dwóch państw podzielało wielu naukowców przez długi czas.

Jednak w drugiej połowie XX wieku nie można było już fantazjować na temat składu i struktury hydroli, tak jak miało to miejsce na początku stulecia. Wiadomo było już, jak działają lód i hydraty krystaliczne, a o wiązaniach wodorowych wiedzieli dużo. Oprócz modeli kontinuum (model Pople'a) wyłoniły się dwie grupy modeli mieszanych: klasterowe i klatratowe. W pierwszej grupie woda występowała w postaci skupisk cząsteczek połączonych wiązaniami wodorowymi, które unosiły się w morzu cząsteczek nie biorących udziału w takich wiązaniach. Druga grupa modeli traktowała wodę jako ciągłą sieć (w tym kontekście zwykle nazywaną szkieletem) wiązań wodorowych zawierającą puste przestrzenie; zawierają cząsteczki, które nie tworzą wiązań z cząsteczkami szkieletu. Nie było trudno dobrać właściwości i stężenia dwóch mikrofaz modeli klastrów czy właściwości szkieletu i stopień wypełnienia jego pustych przestrzeni modeli klatratów, aby wyjaśnić wszystkie właściwości wody, w tym słynne anomalie.

Wśród modeli klastrów najbardziej uderzający był model G. Nemetiego i H. Sheragiego: Zaproponowane przez nich zdjęcia, przedstawiające skupiska związanych cząsteczek unoszących się w morzu niezwiązanych cząsteczek, znalazły się w wielu monografiach.

Pierwszy model typu klatratowego zaproponował w 1946 roku O. Ya Samoilov: w wodzie zachowuje się sieć wiązań wodorowych podobnych do sześciokątnego lodu, których wnęki są częściowo wypełnione cząsteczkami monomeru. L. Pauling w 1959 stworzył inną opcję, sugerując, że podstawą struktury może być sieć wiązań właściwych niektórym krystalicznym hydratom.

W drugiej połowie lat 60. i na początku lat 70. zaobserwowano zbieżność wszystkich tych poglądów. Pojawiły się warianty modeli klasterowych, w których cząsteczki obu mikrofaz są połączone wiązaniami wodorowymi. Zwolennicy modeli klatratowych zaczęli akceptować powstawanie wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami pustymi i szkieletowymi. Oznacza to, że autorzy tych modeli uważają wodę za ciągłą sieć wiązań wodorowych. Mówimy o tym, jak niejednorodna jest ta siatka (na przykład pod względem gęstości). Idea wody jako skupisk wiązań wodorowych unoszących się w morzu niezwiązanych cząsteczek wody została porzucona na początku lat osiemdziesiątych, kiedy G. Stanley zastosował teorię perkolacji, która opisuje przejścia fazowe wody, do model wody.

W 1999 roku słynny rosyjski badacz wody S.V. Zenin obronił rozprawę doktorską w Instytucie Problemów Medycznych i Biologicznych Rosyjskiej Akademii Nauk na temat teorii klastrów, co było znaczącym krokiem w rozwoju tej dziedziny badań, której złożoność potęguje fakt, że leżą na styku trzech nauk: fizyki, chemii i biologii. Na podstawie danych uzyskanych trzema metodami fizykochemicznymi: refraktometrią (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), wysokosprawną chromatografią cieczową (S.V. Zenin i in., 1998) oraz protonowym rezonansem magnetycznym (C S.V. Zenin, 1993) skonstruował i udowodnił geometryczny model głównego stabilnego powstawania strukturalnego cząsteczek wody (woda strukturowana), a następnie (S.V. Zenin, 2004) uzyskano obraz tych struktur za pomocą mikroskopu z kontrastową fazą.

Nauka udowodniła obecnie, że szczególne właściwości fizyczne wody oraz liczne krótkotrwałe wiązania wodorowe pomiędzy sąsiadującymi atomami wodoru i tlenu w cząsteczce wody stwarzają korzystne możliwości tworzenia specjalnych powiązanych struktur (klasterów), które postrzegają, przechowują i przekazują szeroką gamę informacji.

Jednostką strukturalną takiej wody jest klaster składający się z klatratów, którego charakter wyznaczają dalekosiężne siły Coulomba. Struktura klastrów koduje informacje o interakcjach, jakie miały miejsce z tymi cząsteczkami wody. W klastrach wodnych, w wyniku interakcji pomiędzy wiązaniami kowalencyjnymi i wodorowymi pomiędzy atomami tlenu i atomami wodoru, migracja protonu (H+) może zachodzić poprzez mechanizm przekaźnikowy, prowadząc do delokalizacji protonu w obrębie klastra.

Woda, składająca się z wielu różnego typu skupisk, tworzy hierarchiczną przestrzenną strukturę ciekłokrystaliczną, która może odbierać i przechowywać ogromne ilości informacji.

Rysunek (V.L. Voeikov) przedstawia jako przykład diagramy kilku prostych struktur klastrowych.

Niektóre możliwe struktury klastrów wodnych

Nośnikami informacji mogą być pola fizyczne o bardzo różnym charakterze. W ten sposób ustalono możliwość zdalnej interakcji informacyjnej ciekłokrystalicznej struktury wody z obiektami o różnym charakterze za pomocą pól elektromagnetycznych, akustycznych i innych. Obiektem wpływającym może być także osoba.

Woda jest źródłem ultrasłabego i słabego zmiennego promieniowania elektromagnetycznego. Najmniej chaotyczne promieniowanie elektromagnetyczne wytwarza woda strukturowana. W takim przypadku może wystąpić indukcja odpowiedniego pola elektromagnetycznego, zmieniając cechy strukturalne i informacyjne obiektów biologicznych.

W ostatnich latach uzyskano ważne dane na temat właściwości wody przechłodzonej. Badanie wody w niskich temperaturach jest bardzo interesujące, ponieważ można ją przechłodzić bardziej niż inne ciecze. Krystalizacja wody z reguły rozpoczyna się od pewnych niejednorodności na ściankach naczynia lub na pływających cząstkach stałych zanieczyszczeń. Dlatego nie jest łatwo znaleźć temperaturę, w której przechłodzona woda ulegnie samoistnej krystalizacji. Ale naukowcom udało się tego dokonać i obecnie temperatura tzw. jednorodnego zarodkowania, kiedy tworzenie się kryształków lodu następuje jednocześnie w całej objętości, znana jest dla ciśnień do 0,3 GPa, czyli obejmujących obszary występowania lód II.

Od ciśnienia atmosferycznego do granicy oddzielającej lody I i II temperatura ta spada z 231 do 180 K, a następnie nieznacznie wzrasta do 190 K. Poniżej tej temperatury krytycznej woda w stanie ciekłym jest w zasadzie niemożliwa.

Struktura lodu (zdjęcie po prawej)

Z tą temperaturą wiąże się jednak tajemnica. W połowie lat osiemdziesiątych odkryto nową modyfikację lodu amorficznego - lód o dużej gęstości, co pomogło ożywić ideę wody jako mieszaniny dwóch stanów. Za prototypy uznano nie struktury krystaliczne, ale struktury lodu amorficznego o różnej gęstości. Koncepcja ta została sformułowana w najbardziej przejrzystej formie przez E.G. Ponyatovsky'ego i V.V. Sinitsina, którzy napisali w 1999 r.: „Woda jest uważana za regularne rozwiązanie dwóch składników, których lokalne konfiguracje odpowiadają porządkowi krótkiego zasięgu modyfikacji lodu amorficznego .” Co więcej, badając porządek krótkiego zasięgu w przechłodzonej wodzie pod wysokim ciśnieniem za pomocą metod dyfrakcji neutronów, naukowcom udało się znaleźć składniki odpowiadające tym strukturom.

Konsekwencja polimorfizmu lodu amorficznego doprowadziła również do założeń o rozdzieleniu wody na dwa niemieszające się składniki w temperaturach poniżej hipotetycznego niskotemperaturowego punktu krytycznego. Niestety, zdaniem badaczy, temperatura ta przy ciśnieniu 0,017 GPa jest o 230 K niższa od temperatury zarodkowania, dlatego nikomu nie udało się jeszcze zaobserwować stratyfikacji ciekłej wody. Tym samym odrodzenie modelu dwustanowego postawiło pytanie o niejednorodność sieci wiązań wodorowych w wodzie w stanie ciekłym. Tę heterogeniczność można zrozumieć jedynie za pomocą modelowania komputerowego.

Mówiąc o strukturze krystalicznej wody, należy zauważyć, że znanych jest 14 modyfikacji lodu, większość z nich nie występuje w naturze, w których cząsteczki wody zachowują swoją indywidualność i są połączone wiązaniami wodorowymi. Z drugiej strony istnieje wiele wariantów sieci wiązań wodorowych w hydratach klatratów. Energie tych sieci (lodów wysokociśnieniowych i hydratów klatratów) są niewiele wyższe niż energie lodów sześciennych i sześciokątnych. Dlatego fragmenty takich struktur mogą pojawić się także w wodzie w stanie ciekłym. Można skonstruować niezliczoną ilość różnych fragmentów nieokresowych, których cząsteczki mają czterech najbliższych sąsiadów znajdujących się w przybliżeniu na wierzchołkach czworościanu, ale ich budowa nie odpowiada strukturom znanych modyfikacji lodu. Jak wykazały liczne obliczenia, energie interakcji cząsteczek w takich fragmentach będą blisko siebie i nie ma powodu twierdzić, że w ciekłej wodzie jakakolwiek struktura powinna dominować.

Badania strukturalne wody można badać różnymi metodami; spektroskopia protonowego rezonansu magnetycznego, spektroskopia w podczerwieni, dyfrakcja promieni rentgenowskich itp. Na przykład wielokrotnie badano dyfrakcję promieni rentgenowskich i neutronów. Jednakże eksperymenty te nie mogą dostarczyć szczegółowych informacji na temat struktury. Niejednorodności różniące się gęstością można zaobserwować poprzez rozpraszanie promieni rentgenowskich i neutronów pod małymi kątami, ale takie niejednorodności muszą być duże i składać się z setek cząsteczek wody. Można by je zobaczyć, badając rozpraszanie światła. Jednak woda jest wyjątkowo przejrzystą cieczą. Jedynym wynikiem eksperymentów dyfrakcyjnych jest funkcja rozkładu radialnego, czyli odległość pomiędzy atomami tlenu, wodoru i tlenu-wodoru. Jasne jest z nich, że w rozmieszczeniu cząsteczek wody nie ma porządku dalekiego zasięgu. Funkcje te zanikają znacznie szybciej w wodzie niż w przypadku większości innych cieczy. Na przykład rozkład odległości między atomami tlenu w temperaturach zbliżonych do temperatury pokojowej daje tylko trzy maksima, przy 2,8, 4,5 i 6,7. Pierwsze maksimum odpowiada odległości do najbliższych sąsiadów, a jego wartość jest w przybliżeniu równa długości wiązania wodorowego. Drugie maksimum jest zbliżone do średniej długości krawędzi czworościanu: pamiętajmy, że cząsteczki wody w sześciokątnym lodzie znajdują się wzdłuż wierzchołków czworościanu opisanego wokół cząsteczki centralnej. Natomiast trzecie maksimum, bardzo słabo wyrażone, odpowiada odległości do trzecich, bardziej odległych sąsiadów w sieci wodorowej. To maksimum samo w sobie nie jest zbyt jasne i o dalszych szczytach nie ma co mówić. Podejmowano próby uzyskania bardziej szczegółowych informacji z tych dystrybucji. I tak w 1969 roku I.S. Andrianow i I.Z. Fisher obliczyli odległości do ósmego sąsiada, podczas gdy do piątego sąsiada okazało się, że wynosi ono 3, a do szóstego – 3,1. Umożliwia to uzyskanie danych o odległym otoczeniu cząsteczek wody.

Inną metodę badania struktury - dyfrakcję neutronów na kryształach wody - przeprowadza się dokładnie w taki sam sposób, jak dyfrakcję promieni rentgenowskich. Jednakże ze względu na to, że długości rozpraszania neutronów nie różnią się tak bardzo pomiędzy różnymi atomami, metoda podstawienia izomorficznego staje się nieakceptowalna. W praktyce zwykle pracuje się z kryształem, którego struktura molekularna została już w przybliżeniu określona innymi metodami. Następnie mierzy się intensywność dyfrakcji neutronów dla tego kryształu. Na podstawie tych wyników przeprowadzana jest transformacja Fouriera, podczas której wykorzystuje się zmierzone natężenia i fazy neutronów, obliczone z uwzględnieniem atomów innych niż wodór, tj. atomy tlenu, których położenie w modelu konstrukcji jest znane. Wówczas na otrzymanej w ten sposób mapie Fouriera atomy wodoru i deuteru mają znacznie większe wagi niż na mapie gęstości elektronowej, gdyż udział tych atomów w rozpraszaniu neutronów jest bardzo duży. Za pomocą tej mapy gęstości można na przykład określić położenie atomów wodoru (gęstość ujemna) i deuteru (gęstość dodatnia).

Możliwa jest odmiana tej metody polegająca na tym, że powstały w wodzie kryształ przed pomiarami przetrzymywany jest w ciężkiej wodzie. W tym przypadku dyfrakcja neutronów pozwala nie tylko określić, gdzie znajdują się atomy wodoru, ale także identyfikuje te z nich, które można wymienić na deuter, co jest szczególnie ważne przy badaniu wymiany izotopów (H-D). Informacje te pozwalają potwierdzić prawidłowość wykonania konstrukcji.

Inne metody umożliwiają także badanie dynamiki cząsteczek wody. Są to eksperymenty z quasi-elastycznym rozpraszaniem neutronów, ultraszybką spektroskopią w podczerwieni oraz badanie dyfuzji wody za pomocą NMR lub znakowanych atomów deuteru. Metoda spektroskopii NMR opiera się na fakcie, że jądro atomu wodoru posiada moment magnetyczny – spin – który oddziałuje z polami magnetycznymi, stałymi i zmiennymi. Na podstawie widma NMR można ocenić, w jakim środowisku znajdują się te atomy i jądra, uzyskując w ten sposób informację o strukturze cząsteczki.

W wyniku eksperymentów nad quasi-sprężystym rozpraszaniem neutronów w kryształach wody zmierzono najważniejszy parametr - współczynnik samodyfuzji przy różnych ciśnieniach i temperaturach. Aby ocenić współczynnik samodyfuzji na podstawie kwazelastycznego rozpraszania neutronów, należy przyjąć założenie dotyczące natury ruchu molekularnego. Jeśli poruszają się zgodnie z modelem Ya.I.Frenkla (słynnego rosyjskiego fizyka teoretycznego, autora „Kinetycznej teorii cieczy” – klasycznej książki przetłumaczonej na wiele języków), zwanym także modelem „skoku oczekującego”, wówczas czas ustalonego życia (czas pomiędzy skokami) cząsteczki wynosi 3,2 pikosekundy. Najnowsze metody spektroskopii laserowej femtosekundowej umożliwiły oszacowanie czasu życia zerwanego wiązania wodorowego: znalezienie partnera zajmuje protonowi 200 fs. Są to jednak wszystko wartości średnie. Szczegóły budowy i charakteru ruchu cząsteczek wody można poznać jedynie za pomocą symulacji komputerowej, zwanej czasem eksperymentem numerycznym.

Tak wygląda struktura wody według wyników modelowania komputerowego (wg doktora nauk chemicznych G.G. Malenkova). Ogólną nieuporządkowaną strukturę można podzielić na dwa typy obszarów (pokazane jako ciemne i jasne kule), które różnią się strukturą, na przykład objętością wielościanu Woronoja (a), stopniem tetraedrywności najbliższego otoczenia ( b), wartość energii potencjalnej (c), a także w obecności czterech wiązań wodorowych w każdej cząsteczce (d). Jednak obszary te dosłownie za chwilę, po kilku pikosekundach, zmienią swoje położenie.

Symulację przeprowadza się w ten sposób. Struktura lodu jest pobierana i podgrzewana aż do stopienia. Następnie, po pewnym czasie, zanim woda zapomni o swoim krystalicznym pochodzeniu, wykonywane są natychmiastowe mikrofotografie.

Do analizy struktury wody wybiera się trzy parametry:
- stopień odchylenia lokalnego środowiska cząsteczki od wierzchołków foremnego czworościanu;
-energia potencjalna cząsteczek;
-objętość tzw. wielościanu Woronoja.

Aby skonstruować ten wielościan, należy przejść krawędź danej cząsteczki do najbliższej, podzielić ją na pół i narysować przez ten punkt płaszczyznę prostopadłą do krawędzi. Daje to objętość na cząsteczkę. Objętość wielościanu to gęstość, czworościan to stopień zniekształcenia wiązań wodorowych, energia to stopień stabilności konfiguracji molekularnej. Cząsteczki o podobnych wartościach każdego z tych parametrów mają tendencję do grupowania się w osobne klastry. Zarówno regiony o niskiej, jak i wysokiej gęstości mają różne wartości energii, ale mogą również mieć te same wartości energii. Eksperymenty wykazały, że obszary o różnej strukturze, skupiska powstają samoistnie i samoistnie się rozpadają. Cała struktura wody jest żywa i ulega ciągłym zmianom, a czas, w którym te zmiany zachodzą, jest bardzo krótki. Naukowcy monitorowali ruchy cząsteczek i odkryli, że wykonują one nieregularne wibracje o częstotliwości około 0,5 ps i amplitudzie 1 angstrem. Zaobserwowano także rzadkie, powolne skoki angstremów trwające pikosekundy. Ogólnie rzecz biorąc, w ciągu 30 ps cząsteczka może poruszyć się o 8-10 angstremów. Czas życia środowiska lokalnego jest również krótki. Regiony złożone z cząsteczek o podobnych wartościach objętości wielościanu Woronoja mogą rozpadać się w ciągu 0,5 ps lub mogą żyć przez kilka pikosekund. Ale rozkład czasów życia wiązań wodorowych jest bardzo duży. Ale ten czas nie przekracza 40 ps, ​​a średnia wartość to kilka ps.

Podsumowując, należy to podkreślić Teoria struktury klastrowej wody ma wiele pułapek. Na przykład Zenin sugeruje, że głównym elementem strukturalnym wody jest skupisko 57 cząsteczek utworzone przez połączenie czterech dwunastościanów. Mają wspólne twarze, a ich środki tworzą regularny czworościan. Od dawna wiadomo, że cząsteczki wody mogą znajdować się w wierzchołkach pięciokątnego dwunastościanu; Taki dwunastościan jest podstawą hydratów gazu. Nie ma więc nic dziwnego w założeniu istnienia takich struktur w wodzie, choć już powiedziano, że żadna konkretna struktura nie może dominować i istnieć przez długi czas. Dziwne jest zatem, że przyjmuje się, że ten pierwiastek jest głównym i zawiera dokładnie 57 cząsteczek. Z kulek można na przykład złożyć te same struktury, które składają się z dwunastościanów sąsiadujących ze sobą i zawierają 200 cząsteczek. Zenin twierdzi, że proces trójwymiarowej polimeryzacji wody zatrzymuje się na 57 cząsteczkach. Jego zdaniem nie powinno być większych współpracowników. Gdyby jednak tak było, sześciokątne kryształki lodu, które zawierają ogromną liczbę cząsteczek połączonych ze sobą wiązaniami wodorowymi, nie mogłyby wytrącać się z pary wodnej. Nie jest wcale jasne, dlaczego wzrost gromady Zenina zatrzymał się na 57 cząsteczkach. Aby uniknąć sprzeczności, Zenin pakuje klastry w bardziej złożone formacje – romboedry – składające się z prawie tysiąca cząsteczek, a pierwotne klastry nie tworzą między sobą wiązań wodorowych. Dlaczego? Czym różnią się cząsteczki na ich powierzchni od cząsteczek znajdujących się w środku? Według Zenina układ grup hydroksylowych na powierzchni romboedrów zapewnia pamięć wody. W rezultacie cząsteczki wody w tych dużych kompleksach są sztywno unieruchomione, a same kompleksy są ciałami stałymi. Taka woda nie będzie płynęła, a jej temperatura topnienia, która jest związana z masą cząsteczkową, powinna być bardzo wysoka.

Jakie właściwości wody wyjaśnia model Zenina? Ponieważ model opiera się na strukturach czworościennych, może być mniej więcej zgodny z danymi dyfrakcji promieni rentgenowskich i neutronów. Jest jednak mało prawdopodobne, aby model mógł wyjaśnić spadek gęstości podczas topnienia; upakowanie dwunastościanów jest mniej gęste niż lód. Najtrudniej jednak zgodzić się z modelem charakteryzującym się właściwościami dynamicznymi – płynnością, dużą wartością współczynnika samodyfuzji, krótką korelacją i czasami relaksacji dielektrycznej mierzonymi w pikosekundach.

Doktorat O.V. Mosin

Bibliografia:
G.G. Malenkow. Postępy w chemii fizycznej, 2001
S.V. Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyagłow. Eksperymentalny dowód obecności frakcji wodnych. G. Medycyna homeopatyczna i akupunktura. 1997.Nr 2.P.42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyagłow. Hydrofobowy model struktury asocjatów cząsteczek wody. J. Chemia fizyczna 1994. T. 68. nr 4. s. 636-641.
S.V. Zenin Badanie struktury wody metodą protonowego rezonansu magnetycznego. Dokl.RAN.1993.T.332.No.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Charakter oddziaływań hydrofobowych. Pojawienie się pól orientacyjnych w roztworach wodnych. J. Chemia fizyczna 1994. T. 68. nr 3. s. 500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyagłow, G.B. Siergiejew, Z.A. Szabarowa. Badanie oddziaływań wewnątrzcząsteczkowych w nukleotydamidach za pomocą NMR. Materiały II Konferencji Ogólnounijnej. Dynamicznie Stereochemia. Odessa.1975.s.53.
S.V. Zenina. Ustrukturyzowany stan wody jako podstawa kontroli zachowania i bezpieczeństwa systemów żywych. Praca dyplomowa. Doktor nauk biologicznych. Państwowe Centrum Naukowe „Instytut Problemów Medycznych i Biologicznych” (SSC „IMBP”). Chroniony 1999. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 s.
W I. Ślesariew. Raport z postępu badań

Właściwości wody

Dlaczego woda jest wodą?

Wśród ogromnej różnorodności substancji woda ze swoimi właściwościami fizycznymi i chemicznymi zajmuje szczególne, wyjątkowe miejsce. I należy to rozumieć dosłownie.

Prawie wszystkie właściwości fizyczne i chemiczne wody są w przyrodzie wyjątkami. To naprawdę najcudowniejsza substancja na świecie. Woda zadziwia nie tylko różnorodnością form izotopowych cząsteczki i nie tylko nadziejami, jakie wiążą się z nią jako niewyczerpanym źródłem energii na przyszłość. Ponadto jest niesamowity ze względu na swoje bardzo zwyczajne właściwości.

Jak zbudowana jest cząsteczka wody?

Obecnie bardzo dokładnie wiadomo, jak zbudowana jest jedna cząsteczka wody. Jest zbudowany tak.

Dobrze zbadano i zmierzono względne położenie jąder atomów wodoru i tlenu oraz odległość między nimi. Okazało się, że cząsteczka wody jest nieliniowa. Razem z powłokami elektronowymi atomów cząsteczkę wody, jeśli spojrzymy na nią „z boku”, można przedstawić w następujący sposób:

to znaczy geometrycznie wzajemny układ ładunków w cząsteczce można przedstawić jako prosty czworościan. Wszystkie cząsteczki wody o dowolnym składzie izotopowym zbudowane są dokładnie tak samo.

Ile cząsteczek wody jest w oceanie?

Jeden. I ta odpowiedź nie jest wcale żartem. Oczywiście każdy może, zaglądając do podręcznika i sprawdzając, ile wody jest w Oceanie Światowym, łatwo obliczyć, ile cząsteczek H2O zawiera. Ale taka odpowiedź nie będzie całkowicie poprawna. Woda jest substancją szczególną. Dzięki swojej unikalnej strukturze poszczególne cząsteczki oddziałują ze sobą. Specjalne wiązanie chemiczne powstaje w wyniku faktu, że każdy z atomów wodoru jednej cząsteczki przyciąga elektrony atomów tlenu w sąsiednich cząsteczkach. Dzięki temu wiązaniu wodorowemu każda cząsteczka wody zostaje dość ściśle związana z czterema innymi sąsiednimi cząsteczkami, tak jak pokazano na schemacie. To prawda, że ​​\u200b\u200bten schemat jest zbyt uproszczony - jest płaski, w przeciwnym razie nie można go przedstawić na rysunku. Wyobraźmy sobie nieco dokładniejszy obraz. Aby to zrobić, należy wziąć pod uwagę, że płaszczyzna, w której znajdują się wiązania wodorowe (oznaczone linią przerywaną) w cząsteczce wody, jest skierowana prostopadle do płaszczyzny położenia atomów wodoru.

Okazuje się, że wszystkie pojedyncze cząsteczki H2O w wodzie są połączone w jedną ciągłą sieć przestrzenną - w jedną gigantyczną cząsteczkę. Dlatego twierdzenie niektórych fizykochemików, że cały ocean to jedna cząsteczka, jest całkiem uzasadnione. Ale tego stwierdzenia nie należy rozumieć zbyt dosłownie. Chociaż wszystkie cząsteczki wody w wodzie są połączone ze sobą wiązaniami wodorowymi, to jednocześnie znajdują się w bardzo złożonej równowadze mobilnej, zachowując indywidualne właściwości poszczególnych cząsteczek i tworząc złożone agregaty. Ta idea dotyczy nie tylko wody: kawałek diamentu to także jedna cząsteczka.

Jak zbudowana jest cząsteczka lodu?

Nie ma specjalnych cząsteczek lodu. Cząsteczki wody, ze względu na swoją niezwykłą budowę, są połączone ze sobą w kawałku lodu, dzięki czemu każda z nich jest połączona i otoczona czterema innymi cząsteczkami. Prowadzi to do powstania bardzo luźnej struktury lodu, w której pozostaje dużo wolnej objętości. Prawidłowa krystaliczna struktura lodu wyraża się w niesamowitym wdzięku płatków śniegu i pięknie mroźnych wzorów na zamarzniętych szybach okiennych.

Jak zbudowane są cząsteczki wody w wodzie?

Niestety, to bardzo ważne zagadnienie nie zostało jeszcze dostatecznie zbadane. Struktura cząsteczek w wodzie w stanie ciekłym jest bardzo złożona. Kiedy lód się topi, jego struktura sieciowa jest częściowo zachowana w powstałej wodzie. Cząsteczki stopionej wody składają się z wielu prostych cząsteczek – agregatów, które zachowują właściwości lodu. Wraz ze wzrostem temperatury niektóre z nich rozpadają się, a ich rozmiary stają się mniejsze.

Wzajemne przyciąganie prowadzi do tego, że średnia wielkość złożonej cząsteczki wody w wodzie ciekłej znacznie przekracza wielkość pojedynczej cząsteczki wody. Ta niezwykła struktura molekularna wody decyduje o jej niezwykłych właściwościach fizykochemicznych.

Jaka powinna być gęstość wody?

Czy to nie jest bardzo dziwne pytanie? Przypomnij sobie, jak ustalono jednostkę masy - jeden gram. Jest to masa jednego centymetra sześciennego wody. Oznacza to, że nie może być wątpliwości, że gęstość wody powinna być taka, jaka jest. Czy można mieć co do tego jakiekolwiek wątpliwości? Móc. Teoretycy obliczyli, że gdyby woda w stanie ciekłym nie zachowała luźnej, lodowej struktury, a jej cząsteczki byłyby ściśle upakowane, wówczas gęstość wody byłaby znacznie większa. W temperaturze 25°C będzie ona wynosić nie 1,0, ale 1,8 g/cm3.

W jakiej temperaturze powinna się gotować woda?

To pytanie jest oczywiście również dziwne. W końcu woda wrze w temperaturze stu stopni. Każdy to wie. Co więcej, każdy wie, że to właśnie temperatura wrzenia wody pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym została wybrana jako jeden z punktów odniesienia na skali temperatur, umownie oznaczanej jako 100°C.

Pytanie jednak postawiono inaczej: w jakiej temperaturze powinna wrzeć woda? W końcu temperatury wrzenia różnych substancji nie są przypadkowe. Zależą one od położenia pierwiastków tworzących ich cząsteczki w układzie okresowym Mendelejewa.

Jeśli porównamy związki chemiczne różnych pierwiastków o tym samym składzie i należących do tej samej grupy układu okresowego, łatwo zauważyć, że im niższa liczba atomowa pierwiastka, im mniejsza jest jego masa atomowa, tym niższa jest temperatura wrzenia pierwiastka. jego związki. Ze względu na skład chemiczny wodę można nazwać wodorkiem tlenu. H2Te, H2Se i H2S są chemicznymi analogami wody. Jeśli monitorujesz ich temperatury wrzenia i porównujesz, jak zmieniają się temperatury wrzenia wodorków w innych grupach układu okresowego, możesz dość dokładnie określić temperaturę wrzenia dowolnego wodorku, tak jak każdego innego związku. Sam Mendelejew potrafił przewidzieć właściwości związków chemicznych pierwiastków, które nie zostały jeszcze w ten sposób odkryte.

Jeśli określimy temperaturę wrzenia wodorku tlenu na podstawie jego położenia w układzie okresowym, okaże się, że woda powinna wrzeć w temperaturze -80 ° C. W rezultacie woda wrze około sto osiemdziesiąt stopni wyżej , niż powinno się zagotować. Temperatura wrzenia wody – to jej najczęstsza właściwość – okazuje się niezwykła i zaskakująca.

Właściwości każdego związku chemicznego zależą od charakteru tworzących go pierwiastków, a zatem od ich pozycji w układzie okresowym pierwiastków chemicznych Mendelejewa. Wykresy te przedstawiają zależności temperatur wrzenia i topnienia związków wodoru z grup IV i VI układu okresowego. Woda jest uderzającym wyjątkiem. Ze względu na bardzo mały promień protonu siły oddziaływania pomiędzy jego cząsteczkami są tak duże, że bardzo trudno je rozdzielić, dlatego woda wrze i topi się w nienormalnie wysokich temperaturach.

Wykres A. Zależność normalna temperatury wrzenia wodorków pierwiastków grupy IV od ich położenia w układzie okresowym.

Wykres B. Wśród wodorków pierwiastków grupy VI woda ma anomalne właściwości: woda powinna wrzeć w temperaturze minus 80 - minus 90 ° C, ale wrze w temperaturze plus 100 ° C.

Wykres B. Zależność normalna temperatury topnienia wodorków pierwiastków grupy IV od ich położenia w układzie okresowym.

Wykres D. Wśród wodorków pierwiastków grupy VI woda narusza porządek: powinna topić się w temperaturze minus 100 ° C, a sople lodu topić się w temperaturze 0 ° C.

W jakiej temperaturze zamarza woda?

Czy nie jest prawdą, że pytanie jest nie mniej dziwne niż poprzednie? No cóż, kto nie wie, że woda zamarza w temperaturze zera stopni? Jest to drugi punkt odniesienia termometru. Jest to najczęstsza właściwość wody. Ale nawet w tym przypadku można zadać pytanie: w jakiej temperaturze powinna zamarznąć woda, zgodnie ze swoją naturą chemiczną? Okazuje się, że wodorek tlenu, biorąc pod uwagę jego położenie w układzie okresowym, powinien zestalić się w temperaturze stu stopni poniżej zera.

Ile jest stanów ciekłych wody?

Odpowiedź na to pytanie nie jest taka łatwa. Oczywiście jest też jedno – woda w stanie ciekłym, którą wszyscy znamy. Ale woda w stanie ciekłym ma tak niezwykłe właściwości, że trzeba się zastanawiać, czy to takie proste, pozornie nie prowokujące

bez wątpienia odpowiedź? Woda jest jedyną substancją na świecie, która po stopieniu najpierw kurczy się, a następnie zaczyna rozszerzać wraz ze wzrostem temperatury. W temperaturze około 4°C woda ma największą gęstość. Tę rzadką anomalię we właściwościach wody tłumaczy się faktem, że w rzeczywistości woda w stanie ciekłym jest złożonym roztworem o zupełnie nietypowym składzie: jest to roztwór wody w wodzie.

Kiedy lód się topi, najpierw powstają duże, złożone cząsteczki wody. Zatrzymują pozostałości luźnej krystalicznej struktury lodu i rozpuszczają się w zwykłej wodzie o niskiej masie cząsteczkowej. Dlatego na początku gęstość wody jest niska, ale wraz ze wzrostem temperatury te duże cząsteczki rozpadają się, w związku z czym gęstość wody wzrasta, aż do uzyskania normalnej rozszerzalności cieplnej, w którym to momencie gęstość wody ponownie spada. Jeśli to prawda, możliwych jest kilka stanów wody, ale nikt nie wie, jak je rozdzielić. I wciąż nie wiadomo, czy kiedykolwiek będzie to możliwe. Ta niezwykła właściwość wody ma ogromne znaczenie dla życia. W zbiornikach przed nadejściem zimy woda chłodząca stopniowo opada, aż temperatura całego zbiornika osiągnie 4°C. Przy dalszym chłodzeniu zimniejsza woda pozostaje na wierzchu i mieszanie zostaje zatrzymane. W rezultacie powstaje niezwykła sytuacja: cienka warstwa zimnej wody staje się niczym „ciepły koc” dla wszystkich mieszkańców podwodnego świata. W temperaturze 4°C czują się wyraźnie całkiem dobrze.

Co powinno być łatwiejsze – woda czy lód?

Kto tego nie zna... W końcu lód pływa po wodzie. W oceanie unoszą się gigantyczne góry lodowe. Jeziora zimą pokryte są pływającą, ciągłą warstwą lodu. Oczywiście lód jest lżejszy od wody.

Ale dlaczego „oczywiście”? Czy to takie jasne? Wręcz przeciwnie, podczas topienia zwiększa się objętość wszystkich ciał stałych i toną one we własnym stopieniu. Ale lód pływa w wodzie. Ta właściwość wody jest anomalią w naturze, wyjątkiem, a ponadto absolutnie niezwykłym wyjątkiem.

Ładunki dodatnie w cząsteczce wody są powiązane z atomami wodoru. Ładunki ujemne to elektrony walencyjne tlenu. Ich względne rozmieszczenie w cząsteczce wody można przedstawić jako prosty czworościan.

Spróbujmy sobie wyobrazić, jak wyglądałby świat, gdyby woda miała normalne właściwości, a lód był, jak każda normalna substancja, gęstszy od wody w stanie ciekłym. Zimą gęstszy lód zamarzający z góry opadał do wody i stale opadał na dno zbiornika. Latem lód chroniony warstwą zimnej wody nie mógł się stopić. Stopniowo wszystkie jeziora, stawy, rzeki i strumienie zamarzną całkowicie, zamieniając się w gigantyczne bloki lodu. W końcu zamarzną morza, a po nich oceany. Nasz piękny, kwitnący zielony świat stałby się ciągłą lodową pustynią, pokrytą gdzieniegdzie cienką warstwą stopionej wody.

Ile jest lodów?

W przyrodzie na naszej Ziemi jest tylko jeden: zwykły lód. Lód to skała o niezwykłych właściwościach. Jest stały, ale płynie jak ciecz, a z wysokich gór powoli spływają ogromne rzeki lodu. Lód jest zmienny – nieustannie znika i tworzy się na nowo. Lód jest niezwykle mocny i trwały – przez dziesiątki tysięcy lat zachowuje bez zmian ciała mamutów, które przypadkowo zginęły w pęknięciach lodowcowych. W swoich laboratoriach człowiekowi udało się odkryć co najmniej sześć kolejnych, nie mniej niesamowitych lodów. Nie można ich spotkać w naturze. Mogą istnieć tylko przy bardzo wysokich ciśnieniach. Zwykły lód konserwuje się do ciśnienia 208 MPa (megapaskali), ale pod tym ciśnieniem topi się w temperaturze -22°C. Jeżeli ciśnienie jest wyższe niż 208 MPa, pojawia się gęsty lód – lód III. Jest cięższy od wody i w niej tonie. W niższej temperaturze i wyższym ciśnieniu - do 300 MPa - tworzy się jeszcze gęstszy lód-P. Ciśnienie powyżej 500 MPa zamienia lód w lód-V. Lód ten można podgrzać do niemal 0°C i nie stopi się, mimo że znajduje się pod ogromnym ciśnieniem. Przy ciśnieniu około 2 GPa (gigapaskali) pojawia się lód-VI. Jest to dosłownie gorący lód - wytrzymuje bez topnienia temperaturę do 80° C. Lód VII, występujący pod ciśnieniem 3GP, można chyba nazwać gorącym lodem. Jest to najgęstszy i najbardziej ogniotrwały znany lód. Topi się tylko w temperaturze 190° powyżej zera.

Ice-VII ma niezwykle wysoką twardość. Ten lód może nawet spowodować nagłe katastrofy. Łożyska, w których obracają się wały potężnych turbin elektrowni, wytwarzają ogromne ciśnienie. Jeśli nawet niewielka ilość wody dostanie się do smaru, zamarznie on, mimo że temperatura łożyska jest bardzo wysoka. Powstałe cząstki lodu VII, które mają ogromną twardość, zaczną niszczyć wał i łożysko, szybko powodując ich awarię.

Może w kosmosie też jest lód?

Jakby tak było, a jednocześnie bardzo dziwnie. Ale odkryli to naukowcy na Ziemi, chociaż taki lód nie może istnieć na naszej planecie. Gęstość całego obecnie znanego lodu, nawet przy bardzo wysokich ciśnieniach, tylko nieznacznie przekracza 1 g/cm3. Gęstość sześciokątnych i sześciennych modyfikacji lodu przy bardzo niskich ciśnieniach i temperaturach, nawet bliskich zera absolutnego, jest nieco mniejsza od jedności. Ich gęstość wynosi 0,94 g/cm3.

Okazało się jednak, że w próżni, przy znikomych ciśnieniach i temperaturach poniżej -170 ° C, w warunkach, w których powstaje lód, gdy kondensuje on z pary na schłodzonej stałej powierzchni, pojawia się absolutnie niesamowity lód. Jego gęstość wynosi... 2,3 g/cm3. Cały znany do tej pory lód jest krystaliczny, ale ten nowy lód jest najwyraźniej amorficzny i charakteryzuje się losowym względnym rozmieszczeniem poszczególnych cząsteczek wody; Nie ma określonej struktury krystalicznej. Z tego powodu czasami nazywany jest lodem szklanym. Naukowcy są przekonani, że ten niesamowity lód musi powstać w warunkach kosmicznych i odegrać dużą rolę w fizyce planet i komet. Odkrycie tak super gęstego lodu było dla fizyków nieoczekiwane.

Co jest potrzebne, aby lód się stopił?

Dużo ciepła. Znacznie więcej, niż potrzeba do stopienia tej samej ilości jakiejkolwiek innej substancji. Wyjątkowo wysokie ciepło właściwe topnienia -80 cal (335 J) na gram lodu jest również anomalną właściwością wody. Kiedy woda zamarza, ta sama ilość ciepła jest uwalniana ponownie.

Kiedy nadchodzi zima, tworzą się lody, pada śnieg, a woda oddaje ciepło, ogrzewając ziemię i powietrze. Są odporne na zimno i łagodzą przejście w srogą zimę. Dzięki tej cudownej właściwości wody na naszej planecie istnieje jesień i wiosna.

Ile ciepła potrzeba do ogrzania wody?

Tak wiele. Więcej niż potrzeba do ogrzania takiej samej ilości jakiejkolwiek innej substancji. Aby ogrzać gram wody o jeden stopień, potrzeba jednej kalorii (4,2 J). To ponad dwukrotnie więcej niż pojemność cieplna dowolnego związku chemicznego.

Woda jest dla nas substancją niezwykłą w swoich najzwyklejszych właściwościach. Oczywiście ta zdolność wody jest bardzo ważna nie tylko podczas gotowania obiadu w kuchni. Woda jest doskonałym dystrybutorem ciepła na całej Ziemi. Ogrzewana przez Słońce pod równikiem, przekazuje ciepło w Oceanie Światowym za pomocą gigantycznych strumieni prądów morskich do odległych rejonów polarnych, gdzie życie możliwe jest tylko dzięki tej niesamowitej właściwości wody.

Dlaczego woda w morzu jest słona?

Jest to być może jedna z najważniejszych konsekwencji jednej z najbardziej niesamowitych właściwości wody. W jego cząsteczce środki ładunków dodatnich i ujemnych są silnie przesunięte względem siebie. Dlatego woda ma wyjątkowo wysoką, anomalną wartość stałej dielektrycznej. Dla wody e = 80, a dla powietrza i próżni e = 1. Oznacza to, że dowolne dwa przeciwne ładunki w wodzie przyciągają się wzajemnie z siłą 80 razy mniejszą niż w powietrzu. Przecież zgodnie z prawem Coulomba:

Jednak wiązania międzycząsteczkowe we wszystkich ciałach, które decydują o wytrzymałości ciała, powstają w wyniku interakcji między dodatnimi ładunkami jąder atomowych i ujemnymi elektronami. Na powierzchni ciała zanurzonego w wodzie siły działające pomiędzy cząsteczkami czy atomami słabną pod wpływem wody niemal stukrotnie. Jeśli pozostała siła wiązania między cząsteczkami staje się niewystarczająca, aby wytrzymać skutki ruchu termicznego, cząsteczki lub atomy ciała zaczynają oddzielać się od jego powierzchni i przedostawać się do wody. Ciało zaczyna się rozpuszczać, rozpadając się albo na pojedyncze cząsteczki, jak cukier w szklance herbaty, albo na naładowane cząstki – jony, jak sól kuchenna.

To właśnie dzięki wyjątkowo wysokiej stałej dielektrycznej woda jest jednym z najsilniejszych rozpuszczalników. Jest nawet w stanie rozpuścić każdą skałę na powierzchni ziemi. Powoli i nieuchronnie niszczy nawet granity, wymywając z nich łatwo rozpuszczalne składniki.

Strumienie, rzeki i rzeki niosą do oceanu zanieczyszczenia rozpuszczone w wodzie. Woda z oceanu wyparowuje i powraca ponownie na ziemię, aby wciąż na nowo kontynuować swoje wieczne dzieło. A rozpuszczone sole pozostają w morzach i oceanach.

Nie myślcie, że woda rozpuszcza i wnosi do morza tylko to, co jest łatwo rozpuszczalne, i że woda morska zawiera tylko zwykłą sól, która stoi na stole. Nie, woda morska zawiera prawie wszystkie pierwiastki występujące w przyrodzie. Zawiera magnez, wapń, siarkę, brom, jod i fluor. W mniejszych ilościach znajdowano w nim żelazo, miedź, nikiel, cynę, uran, kobalt, a nawet srebro i złoto. Chemicy odkryli w wodzie morskiej ponad sześćdziesiąt pierwiastków. Prawdopodobnie wszystkie pozostałe również się odnajdą. Większość soli w wodzie morskiej to sól kuchenna. Dlatego woda w morzu jest słona.

Czy można biegać po powierzchni wody?

Móc. Aby to zobaczyć, spójrz latem na powierzchnię dowolnego stawu lub jeziora. Wielu żywych i szybkich ludzi nie tylko chodzi po wodzie, ale także biega. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że powierzchnia podparcia nóg tych owadów jest bardzo mała, nietrudno zrozumieć, że pomimo ich niewielkiej wagi powierzchnia wody może wytrzymać znaczny nacisk bez przebijania.

Czy woda może płynąć w górę?

Tak, może. To dzieje się zawsze i wszędzie. Sama woda unosi się w glebie, zwilżając całą grubość ziemi z poziomu wód gruntowych. Sama woda unosi się przez naczynia włosowate drzewa i pomaga roślinie dostarczać rozpuszczone składniki odżywcze na duże wysokości - od korzeni głęboko ukrytych w ziemi po liście i owoce. Sama woda przemieszcza się w górę w porach bibuły, gdy trzeba wysuszyć plamę, lub w tkaninie ręcznika, gdy wycierasz twarz. W bardzo cienkich rurkach - w kapilarach - woda może wzrosnąć do wysokości kilku metrów.

Co to wyjaśnia?

Kolejną niezwykłą cechą wody jest jej wyjątkowo wysokie napięcie powierzchniowe. Cząsteczki wody na swojej powierzchni doświadczają sił przyciągania międzycząsteczkowego tylko z jednej strony, a w wodzie to oddziaływanie jest niezwykle silne. Dlatego każda cząsteczka na jej powierzchni zostaje wciągnięta do cieczy. W efekcie powstaje siła zaciskająca powierzchnię cieczy, która jest szczególnie silna w wodzie: jej napięcie powierzchniowe wynosi 72 mN/m (miliniutonów na metr).

Czy woda może pamiętać?

To pytanie brzmi wprawdzie bardzo nietypowo, ale jest dość poważne i bardzo ważne. Dotyczy to dużego problemu fizykochemicznego, który w swojej najważniejszej części nie został jeszcze zbadany. To pytanie dopiero co zostało postawione w nauce, ale nie znalazła jeszcze na nie odpowiedzi.

Pytanie brzmi: czy poprzednia historia wody ma wpływ na jej właściwości fizykochemiczne i czy można badając właściwości wody dowiedzieć się, co działo się z nią wcześniej – sprawić, że sama woda „zapamięta” i nam o tym opowie? . Tak, być może, choć może się to wydawać zaskakujące. Najłatwiej to zrozumieć na prostym, ale bardzo interesującym i niezwykłym przykładzie - pamięci lodu.

W końcu lód to woda. Kiedy woda paruje, zmienia się skład izotopowy wody i pary. Woda lekka paruje, choć w niewielkim stopniu, szybciej niż woda ciężka.

Kiedy naturalna woda wyparowuje, skład zmienia się pod względem zawartości izotopowej nie tylko deuteru, ale także ciężkiego tlenu. Te zmiany w składzie izotopowym pary zostały bardzo dobrze zbadane, a ich zależność od temperatury również została dobrze zbadana.

Niedawno naukowcy przeprowadzili niezwykły eksperyment. W Arktyce, w grubości ogromnego lodowca w północnej Grenlandii, wykonano odwiert, w wyniku którego wywiercono i wydobyto gigantyczny rdzeń lodowy o długości prawie półtora kilometra. Wyraźnie były na nim widoczne coroczne warstwy rosnącego lodu. Warstwy te na całej długości rdzenia poddano analizie izotopowej i na podstawie względnej zawartości ciężkich izotopów wodoru i tlenu – deuteru i 18O – określono temperatury powstawania rocznych warstw lodu w każdym przekroju rdzenia. Datę powstania warstwy rocznej określono metodą bezpośredniego liczenia. W ten sposób sytuacja klimatyczna na Ziemi została przywrócona na tysiąclecie. Wodzie udało się to wszystko zapamiętać i zarejestrować w głębokich warstwach lodowca Grenlandii.

W wyniku analiz izotopowych warstw lodu naukowcy skonstruowali krzywą zmian klimatycznych na Ziemi. Okazało się, że nasza średnia temperatura podlega wahaniom cyklicznym. W XV wieku, pod koniec XVII wieku, było bardzo zimno. i na początku XIX w. Najgorętszymi latami były lata 1550 i 1930.

Na czym zatem polega tajemnica „pamięci” wody?

Faktem jest, że w ostatnich latach nauka stopniowo gromadziła wiele niesamowitych i całkowicie niezrozumiałych faktów. Niektóre z nich są już ugruntowane, inne wymagają rzetelnego potwierdzenia ilościowego, a wszystkie wciąż czekają na wyjaśnienie.

Na przykład nikt jeszcze nie wie, co dzieje się z wodą przepływającą przez silne pole magnetyczne. Fizycy-teoretycy są absolutnie pewni, że nic nie może i nie stanie się z nią, potwierdzając swoje przekonanie całkowicie rzetelnymi obliczeniami teoretycznymi, z których wynika, że ​​po ustaniu pola magnetycznego woda powinna natychmiast powrócić do poprzedniego stanu i pozostać taka, jaką jest był . A doświadczenie pokazuje, że to się zmienia i staje się inne.

Czy jest duża różnica? Oceńcie sami. Ze zwykłej wody w kotle parowym uwolnione rozpuszczone sole osadzają się w gęstej i twardej jak kamień warstwie na ściankach rur kotła, a z namagnesowanej wody (jak to się obecnie nazywa w technologii) wypadają w postaci luźnego osadu zawieszonego w wodzie. Wydaje się, że różnica jest niewielka. Ale to zależy od punktu widzenia. Według pracowników elektrowni cieplnych różnica ta jest niezwykle znacząca, ponieważ namagnesowana woda zapewnia normalną i nieprzerwaną pracę gigantycznych elektrowni: ścianki rur kotłów parowych nie zarastają, przenikanie ciepła jest większe, a wytwarzanie energii elektrycznej jest wyższe. Magnetyczne uzdatnianie wody od dawna jest instalowane w wielu stacjach termalnych, ale ani inżynierowie, ani naukowcy nie wiedzą, jak i dlaczego to działa. Ponadto zaobserwowano doświadczalnie, że po magnetycznym uzdatnieniu wody następuje w niej przyspieszenie procesów krystalizacji, rozpuszczania, adsorpcji i zmian zwilżających... jednak we wszystkich przypadkach efekty są niewielkie i trudne do odtworzenia.

Działanie pola magnetycznego na wodę (koniecznie szybko płynącą) trwa przez małe ułamki sekundy, ale woda „pamięta” to przez dziesiątki godzin. Dlaczego nie wiadomo. W tej kwestii praktyka znacznie wyprzedza naukę. Przecież nie wiadomo dalej, na co dokładnie wpływa obróbka magnetyczna - woda czy zawarte w niej zanieczyszczenia. Nie ma czegoś takiego jak czysta woda.

„Pamięć” wody nie ogranicza się do utrwalania skutków oddziaływania magnetycznego. W nauce istnieje wiele faktów i obserwacji, które stopniowo się kumulują, pokazując, że woda zdaje się „pamiętać”, że była wcześniej zamrożona.

Roztopiona woda, powstała niedawno w wyniku stopienia kawałka lodu, również wydaje się różnić od wody, z której powstał ten kawałek lodu. W stopionej wodzie nasiona kiełkują szybciej i lepiej, kiełki rozwijają się szybciej; ponadto wydaje się, że kurczęta otrzymujące stopioną wodę rosną i rozwijają się szybciej. Oprócz niesamowitych właściwości stopionej wody, ustalonych przez biologów, znane są również różnice czysto fizyczne i chemiczne, na przykład stopiona woda różni się lepkością i stałą dielektryczną. Lepkość roztopionej wody nabiera zwykłej wartości dla wody dopiero 3-6 dni po stopieniu. Dlaczego tak jest (jeśli tak jest), nikt inny nie wie.

Większość badaczy nazywa ten obszar zjawisk „pamięcią strukturalną” wody, wierząc, że wszystkie te dziwne przejawy wpływu poprzedniej historii wody na jej właściwości można wytłumaczyć zmianami w drobnej strukturze jej stanu molekularnego. Być może tak jest, ale… nazwać nie znaczy tłumaczyć. W nauce nadal istnieje ważny problem: dlaczego i w jaki sposób woda „pamięta” to, co się z nią stało.

Skąd wzięła się woda na Ziemi?

Strumienie promieni kosmicznych – strumienie cząstek o ogromnej energii – nieustannie przenikają Wszechświat we wszystkich kierunkach. Większość z nich zawiera protony – jądra atomów wodoru. Podczas swojego ruchu w przestrzeni nasza planeta jest nieustannie poddawana „bombardowaniu protonami”. Wnikając w górne warstwy atmosfery ziemskiej, protony wychwytują elektrony, zamieniają się w atomy wodoru i natychmiast reagują z tlenem, tworząc wodę. Obliczenia pokazują, że co roku w stratosferze rodzi się prawie półtora tony takiej „kosmicznej” wody. Na dużych wysokościach w niskich temperaturach elastyczność pary wodnej jest bardzo mała, a cząsteczki wody, stopniowo gromadząc się, kondensują na cząsteczkach kosmicznego pyłu, tworząc tajemnicze noctilucent obłoki. Naukowcy sugerują, że składają się one z maleńkich kryształków lodu, które powstały z takiej „kosmicznej” wody. Obliczenia wykazały, że woda, która pojawiała się w ten sposób na Ziemi przez całą jej historię, wystarczyłaby w zupełności, aby urodzić wszystkie oceany naszej planety. Więc woda przybyła na Ziemię z kosmosu? Ale...

Geochemicy nie uważają wody za niebiańskiego gościa. Są przekonani, że jest ona ziemskiego pochodzenia. Skały tworzące płaszcz Ziemi, leżący pomiędzy centralnym jądrem Ziemi a skorupą ziemską, miejscami stopiły się pod wpływem kumulującego się ciepła rozpadu radioaktywnego izotopów. Spośród nich uwolniły się składniki lotne: azot, chlor, związki węgla i siarki, a przede wszystkim para wodna.

Ile mogły wyemitować wszystkie wulkany podczas erupcji w ciągu całego istnienia naszej planety?

Naukowcy również to obliczyli. Okazało się, że taka wyrzucona woda „geologiczna” wystarczyłaby również do napełnienia wszystkich oceanów.

W centralnych częściach naszej planety, tworzących jej jądro, prawdopodobnie nie ma wody. Jest mało prawdopodobne, że mógłby tam istnieć. Niektórzy naukowcy uważają, że ponadto, nawet jeśli są tam obecne tlen i wodór, to muszą one wraz z innymi pierwiastkami tworzyć nowe dla nauki, nieznane metalopodobne formy związków, które mają dużą gęstość i są stabilne w ogromnych ciśnieniach i temperaturach które królują w centrum globu.

Inni badacze są przekonani, że rdzeń globu składa się z żelaza. Co tak naprawdę nie jest tak daleko od nas, pod naszymi stopami, na głębokościach przekraczających 3 tys. km, tego jeszcze nikt nie wie, ale prawdopodobnie nie ma tam wody.

Większość wody we wnętrzu Ziemi znajduje się w jej płaszczu – warstwach znajdujących się pod skorupą ziemską i sięgających do głębokości około 3 tys. km. Geolodzy uważają, że w płaszczu koncentruje się co najmniej 13 miliardów metrów sześciennych. km wody.

Najwyższa warstwa skorupy ziemskiej – skorupa ziemska – zawiera około 1,5 miliarda metrów sześciennych. km wody. Prawie cała woda w tych warstwach jest w stanie związanym - jest częścią skał i minerałów, tworząc hydraty. W tej wodzie nie można się kąpać i nie można jej pić.

Hydrosfera, wodna powłoka globu, składa się z około kolejnych 1,5 miliarda metrów sześciennych. km wody. Prawie cała ta ilość zawarta jest w Oceanie Światowym. Zajmuje około 70% powierzchni całej Ziemi, jego powierzchnia wynosi ponad 360 milionów metrów kwadratowych. km. Z kosmosu nasza planeta wcale nie wygląda jak kula ziemska, ale raczej jak balon z wodą.

Średnia głębokość Oceanu wynosi około 4 km. Jeśli porównamy tę „bezdenną głębokość” z rozmiarem samej kuli ziemskiej, której średnia średnica wynosi km, to wręcz przeciwnie, będziemy musieli przyznać, że żyjemy na mokrej planecie, jest ona tylko lekko wilgotna wodą i nawet wtedy nie na całej powierzchni. Woda w oceanach i morzach jest słona - nie można jej pić.

Wody na lądzie jest bardzo mało: tylko około 90 milionów metrów sześciennych. km. Spośród nich ponad 60 milionów metrów sześciennych. km znajduje się pod ziemią, prawie w całości to słona woda. Około 25 milionów metrów sześciennych. km stałej wody znajduje się w regionach górskich i lodowcowych, w Arktyce, Grenlandii i Antarktydzie. Te rezerwy wody na świecie są chronione.

Wszystkie jeziora, bagna, sztuczne zbiorniki i gleba zawierają kolejne 500 tysięcy metrów sześciennych. km wody.

Woda występuje także w atmosferze. W powietrzu zawsze jest dużo pary wodnej, nawet na najbardziej suchych pustyniach, gdzie nie ma ani kropli wody i nigdy nie pada deszcz. Ponadto chmury zawsze unoszą się po niebie, gromadzą się chmury, pada śnieg, pada deszcz, a nad ziemią unosi się mgła. Wszystkie te zasoby wody w atmosferze zostały dokładnie obliczone: wszystkie razem wzięte wynoszą zaledwie 14 tysięcy metrów sześciennych. km.

I tu możemy przejść do drugiej kategorii. Pod słowem "lód" Jesteśmy przyzwyczajeni do rozumienia stanu fazy stałej wody. Ale poza tym zamarzaniu ulegają również inne substancje. Zatem lód można rozróżnić na podstawie składu chemicznego pierwotnej substancji, na przykład dwutlenku węgla, amoniaku, lodu metanowego i innych.

Po trzecie, istnieją sieci krystaliczne (modyfikacje) lodu wodnego, których powstawanie zależy od czynnika termodynamicznego. Właśnie o tym porozmawiamy trochę w tym poście.

W artykule Lód przyjrzeliśmy się, jak struktura wody ulega restrukturyzacji wraz ze zmianą stanu jej skupienia i poruszyliśmy kwestię krystalicznej struktury zwykłego lodu. Dzięki wewnętrznej strukturze samej cząsteczki wody i wiązaniom wodorowym łączącym wszystkie cząsteczki w uporządkowany układ, powstaje sześciokątna (sześciokątna) sieć krystaliczna lodu. Cząsteczki znajdujące się najbliżej siebie (jeden centralny i cztery narożniki) ułożone są w kształt piramidy trójściennej, czyli czworościanu, co leży u podstaw sześciokątnej modyfikacji kryształu ( Ryc.1).

Przy okazji, odległość między najmniejszymi cząsteczkami materii mierzona jest w nanometrach (nm) lub angstremach (nazwana na cześć XIX-wiecznego szwedzkiego fizyka Andersa Jonasa Ångströma; oznaczona symbolem Å). 1 Å = 0,1 nm = 10-10 m.

Ta sześciokątna struktura zwykłego lodu rozciąga się na całą jego objętość. Widać to wyraźnie gołym okiem: zimą podczas opadów śniegu złap płatek śniegu za rękaw lub rękawiczkę i przyjrzyj się bliżej jego kształtowi - jest sześcioramienny lub sześciokątny. Jest to typowe dla każdego płatka śniegu, ale żaden płatek śniegu nigdy się nie powtarza (więcej na ten temat w naszym artykule). I nawet duże kryształki lodu swoim zewnętrznym kształtem odpowiadają wewnętrznej strukturze molekularnej ( Ryc.2).

Powiedzieliśmy już, że przejście substancji, w szczególności wody, z jednego stanu do drugiego następuje pod pewnymi warunkami. Normalny lód tworzy się w temperaturze 0°C i niższej oraz przy ciśnieniu 1 atmosfery (wartość normalna). W związku z tym do pojawienia się innych modyfikacji lodu wymagana jest zmiana tych wartości, a w większości przypadków obecność niskich temperatur i wysokiego ciśnienia, przy których zmienia się kąt wiązań wodorowych i rekonstruowana jest cała sieć krystaliczna.

Każda modyfikacja lodu należy do określonego układu – grupy kryształów, w których komórki elementarne mają tę samą symetrię i układ współrzędnych (osie XYZ). W sumie wyróżnia się siedem syngonii. Charakterystyka każdego z nich została przedstawiona na ilustracje 3-4. Tuż poniżej znajduje się obraz głównych form kryształów ( Ryc.5)

Wszystkie modyfikacje lodu różniące się od zwykłego lodu uzyskano w warunkach laboratoryjnych. Pierwsze polimorficzne struktury lodu stały się znane na początku XX wieku dzięki wysiłkom naukowców Gustava Heinricha Tammanna I Percy’ego Williamsa Bridgmana. Schemat modyfikacji Bridgmana był okresowo uzupełniany. Zidentyfikowano nowe modyfikacje w stosunku do uzyskanych wcześniej. Najnowsze zmiany w schemacie zostały wprowadzone w naszych czasach. Do tej pory uzyskano szesnaście rodzajów krystalicznych lodu. Każdy typ ma swoją nazwę i jest oznaczony cyfrą rzymską.

Nie będziemy zagłębiać się w właściwości fizyczne każdego rodzaju molekularnego lodu wodnego, aby nie zanudzać Was, drodzy czytelnicy, szczegółami naukowymi, zwrócimy uwagę tylko na główne parametry.

Zwykły lód nazywany jest lodem Ih (przedrostek „h” oznacza układ sześciokątny). NA ilustracje 7 przedstawiono jego strukturę krystaliczną, składającą się z wiązań heksagonalnych (heksamerów), które różnią się kształtem - jednym w postaci leżak(Język angielski) w kształcie krzesła), inny w formie gawrony (w formie łodzi). Te heksamery tworzą trójwymiarową sekcję - dwa „szezlongi” są poziome na górze i na dole, a trzy „łódki” zajmują pozycję pionową.

Diagram przestrzenny przedstawia kolejność ułożenia wiązań wodorowych w lodzie Ih, ale w rzeczywistości połączenia są budowane losowo. Naukowcy nie wykluczają jednak, że wiązania wodorowe na powierzchni sześciokątnego lodu są bardziej uporządkowane niż wewnątrz struktury.

Komórka elementarna sześciokątnego lodu (tj. minimalna objętość kryształu, którego wielokrotne odtwarzanie w trzech wymiarach tworzy całą sieć krystaliczną jako całość) zawiera 4 cząsteczki wody. Wymiary komórek to 4,51 Å po obu stronach a, b I 7,35 Å po stronie c (strona c lub oś na diagramach ma kierunek pionowy). Kąty między bokami, jak widać z ilustracja 4: α=β = 90°, γ = 120°. Odległość między sąsiednimi cząsteczkami wynosi 2,76 Å.

Sześciokątne kryształki lodu tworzą sześciokątne płyty i kolumny; górna i dolna ściana w nich są płaszczyznami bazowymi, a sześć identycznych ścian bocznych nazywa się pryzmatycznymi ( Ryc.10).

Minimalna liczba cząsteczek wody wymagana do rozpoczęcia jej krystalizacji wynosi ok 275 (±25). W dużej mierze lód tworzy się na powierzchni masy wody otaczającej powietrze, a nie w jego wnętrzu. Grube kryształki lodu Ih tworzą się powoli w kierunku osi c, np. w wodzie stojącej wyrastają pionowo w dół od płytek krystalicznych lub w warunkach, w których wzrost w bok jest utrudniony. Drobnoziarnisty lód, powstający w wzburzonej wodzie lub gdy szybko zamarza, ma przyspieszony wzrost skierowany od pryzmatycznych ścian. Temperatura otaczającej wody określa stopień rozgałęzienia sieci krystalicznej lodu.

Cząsteczki substancji rozpuszczonych w wodzie, z wyjątkiem atomów helu i wodoru, których wymiary pozwalają im zmieścić się we wnękach struktury, są usuwane z sieci krystalicznej pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym, wypychane na powierzchnię kryształu lub , podobnie jak w przypadku odmiany amorficznej (więcej o tym w dalszej części artykułu) tworzącej warstwy pomiędzy mikrokryształami. Kolejne cykle zamrażania i rozmrażania wody można wykorzystać do oczyszczenia jej z zanieczyszczeń, np. gazów (odgazowanie).

Razem z lodem Ih jest też lód Ic (układ sześcienny), jednak w naturze powstawanie tego rodzaju lodu jest czasami możliwe tylko w górnych warstwach atmosfery. Sztuczny lód Ic otrzymywany przez natychmiastowe zamrożenie wody, dla której para jest skraplana na schłodzonej 80 do minusa 110°C powierzchni metalu przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym. W wyniku eksperymentu na powierzchnię wypadają kryształy o kształcie sześciennym lub ośmiościanowym. Nie będzie możliwe wytworzenie lodu sześciennego pierwszej modyfikacji ze zwykłego lodu sześciokątnego poprzez obniżenie jego temperatury, ale przejście z lodu sześciennego do sześciokątnego jest możliwe poprzez podgrzanie lodu Ic wyższy minus 80°C.

W strukturze molekularnej lodu Ic kąt wiązania wodorowego jest taki sam jak w zwykłym lodzie Ih – 109,5°. A oto sześciokątny pierścień utworzony przez cząsteczki w siatce lodowej Ic obecny tylko w formie szezlonga.

Gęstość lodu Ic wynosi 0,92 g/cm3 przy ciśnieniu 1 atm. Komórka elementarna w krysztale sześciennym ma 8 cząsteczek i wymiary: a=b=c = 6,35 Å, a jej kąty α=β=γ = 90°.

Na notatce. Drodzy czytelnicy, w tym artykule wielokrotnie spotkamy się ze wskaźnikami temperatury i ciśnienia dla tego czy innego rodzaju lodu. A jeśli wartości temperatury wyrażone w stopniach Celsjusza są dla wszystkich jasne, to dla niektórych postrzeganie wartości ciśnienia może być trudne. W fizyce do jego pomiaru używa się różnych jednostek, ale w naszym artykule będziemy go oznaczać w atmosferach (atm), zaokrąglając wartości. Normalne ciśnienie atmosferyczne wynosi 1 atm, co równa się 760 mmHg, czyli nieco ponad 1 bar, czyli 0,1 MPa (megapaskal).

Jak rozumiesz w szczególności z przykładu z lodem Ic, istnienie krystalicznych modyfikacji lodu jest możliwe w warunkach równowagi termodynamicznej, tj. gdy równowaga temperatury i ciśnienia determinująca obecność dowolnego rodzaju lodu krystalicznego zostaje zakłócona, typ ten zanika, przekształcając się w kolejną modyfikację. Zakres tych wartości termodynamicznych jest różny, jest inny dla każdego gatunku. Rozważmy inne rodzaje lodu, nie ściśle według nomenklatury, ale w związku z tymi przejściami strukturalnymi.

lód II należy do układu trygonalnego. Można go uformować z typu sześciokątnego pod ciśnieniem około 3000 atm i temperaturze około minus 75 ° C lub z innej modyfikacji ( lód V), poprzez gwałtowne zmniejszenie ciśnienia w temperaturze minus 35°C. Istnienie II rodzaj lodu możliwy jest w temperaturze minus 170°C i ciśnieniu od 1 do 50 000 atm (czyli 5 gigapaskali (GPa)). Według naukowców lód tej modyfikacji może prawdopodobnie stanowić część lodowych satelitów odległych planet Układu Słonecznego. Normalne ciśnienie atmosferyczne i temperatury powyżej minus 113°C stwarzają warunki do przekształcenia się tego typu lodu w zwykły lód sześciokątny.

NA ilustracje 13 pokazano sieć kryształków lodu II. Widoczna jest charakterystyczna cecha struktury - rodzaj pustych w środku sześciokątnych kanałów utworzonych przez wiązania molekularne. Komórka elementarna (obszar zaznaczony na ilustracji rombem) składa się z dwóch więzadeł, które są przesunięte względem siebie, że tak powiem, „na wysokość”. W rezultacie powstaje romboedryczny układ kratowy. Wymiary komórki a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. W komórce znajduje się 12 cząsteczek. Kąt wiązania między cząsteczkami (O–O–O) waha się od 80 do 120°.

Podczas ogrzewania modyfikacji II można uzyskać lód III i odwrotnie, chłodzenie lodem III zamienia go w lód II. Również lód III powstaje, gdy temperatura wody jest stopniowo obniżana do minus 23°C, zwiększając ciśnienie do 3000 atm.
Jak widać na diagramie fazowym ( chory. 6), warunki termodynamiczne dla stabilnego stanu lodu III, a także kolejna modyfikacja - lód V, są mali.

lód III I V mają cztery punkty potrójne z otaczającymi je modyfikacjami (wartości termodynamiczne, przy których możliwe jest istnienie różnych stanów skupienia). Jednak lód II, III I V modyfikacje mogą zachodzić w warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego i temperatury minus 170°C, a podgrzanie ich do minus 150°C prowadzi do powstania lodu Ic.

W porównaniu do innych znanych obecnie modyfikacji wysokociśnieniowych, lód III ma najniższą gęstość - przy ciśnieniu 3500 atm. wynosi ona 1,16 g/cm3.
lód III jest tetragonalną odmianą skrystalizowanej wody, ale samą strukturą sieci lodowej III ma naruszenia. Jeśli każda cząsteczka jest zwykle otoczona przez 4 sąsiednie cząsteczki, wówczas w tym przypadku wskaźnik ten będzie miał wartość 3,2, a dodatkowo w pobliżu mogą znajdować się 2 lub 3 kolejne cząsteczki, które nie mają wiązań wodorowych.
W układzie przestrzennym cząsteczki tworzą prawoskrętne helisy.
Wymiary komórki elementarnej zawierającej 12 cząsteczek w temperaturze minus 23°C i około 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. Kąt wiązania wodorowego mieści się w zakresie od 87 do 141°.

NA ilustracje 15 tradycyjnie przedstawiono przestrzenny diagram struktury molekularnej lodu III. Cząsteczki (niebieskie kropki) znajdujące się bliżej widza są pokazane jako większe, a wiązania wodorowe (czerwone linie) odpowiednio grubsze.

A teraz, jak to mówią, depcząc nam po piętach, od razu „przeskoczmy” tych, którzy idą po lodzie III w kolejności nomenklatury, modyfikacje krystaliczne i powiedzmy kilka słów o lodzie IX.
Ten rodzaj lodu jest zasadniczo lodem modyfikowanym III, poddawany szybkiemu głębokiemu chłodzeniu od minus 65 do minus 108 ° C, aby uniknąć przekształcenia go w lód II. lód IX pozostaje stabilny w temperaturach poniżej 133°C i ciśnieniu od 2000 do 4000 atm. Jego gęstość i struktura są identyczne III umysł, ale w przeciwieństwie do lodu III w strukturze lodu IX w rozmieszczeniu protonów panuje porządek.
Ogrzewanie lodu IX nie przywraca oryginału III modyfikacje, ale zamienia się w lód II. Wymiary ogniwa: a=b = 6,69, c = 6,71 Å w temperaturze minus 108°C i pod ciśnieniem 2800 atm.

Przy okazji, powieść pisarza science fiction Kurta Vonneguta z 1963 roku Kocia kołyska koncentruje się wokół substancji zwanej lodem dziewiątka, którą opisuje się jako materiał sztuczny, który stwarza wielkie zagrożenie dla życia, ponieważ w kontakcie z nią woda krystalizuje, zamieniając się w lód dziewiątkę. Przedostanie się nawet niewielkiej ilości tej substancji do wód naturalnych zwróconych w stronę oceanów świata grozi zamarznięciem całej wody na planecie, co w konsekwencji oznacza śmierć wszystkich żywych istot. W końcu tak się dzieje.

Lód IV jest metastabilną (słabo stabilną) trygonalną formacją sieci krystalicznej. Jego istnienie jest możliwe w przestrzeni fazowej lodu III, V I VI modyfikacje. Zdobądź trochę lodu IV można wytworzyć z lodu amorficznego o dużej gęstości, powoli go podgrzewając, zaczynając od minus 130°C pod stałym ciśnieniem 8000 atm.
Rozmiar romboedrycznej komórki elementarnej wynosi 7,60 Å, kąty α=β=γ = 70,1°. Komórka zawiera 16 cząsteczek; wiązania wodorowe pomiędzy cząsteczkami są asymetryczne. Przy ciśnieniu 1 atm i temperaturze minus 163°C gęstość lodu IV wynosi 1,27 g/cm3. Kąt wiązania O–O–O: 88–128°.

Podobnie IV rodzaj lodu, który tworzy lód XII– poprzez ogrzewanie amorficznej modyfikacji o dużej gęstości (więcej na ten temat poniżej) od minus 196 do minus 90°C pod tym samym ciśnieniem 8000 atm, ale przy większej prędkości.
lód XII również metastabilny w obszarze fazowym V I VI typy krystaliczne. Jest to rodzaj układu tetragonalnego.
Komórka elementarna zawiera 12 cząsteczek, które dzięki wiązaniom wodorowym pod kątem 84–135° rozmieszczone są w sieci krystalicznej, tworząc podwójną prawoskrętną helisę. Komórka ma wymiary: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; kąty α=β=γ = 90°. Gęstość lodu XII wynosi 1,30 g/cm3 przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze minus 146°C. Kąty wiązań wodorowych: 67–132°.

Spośród obecnie odkrytych modyfikacji lodu wodnego, lód ma najbardziej złożoną strukturę krystaliczną V. Komórkę elementarną tworzy 28 cząsteczek; wiązania wodorowe obejmują luki w innych związkach molekularnych, a niektóre cząsteczki tworzą wiązania tylko z określonymi związkami. Kąt wiązań wodorowych między sąsiednimi cząsteczkami jest bardzo zróżnicowany - od 86 do 132°, a zatem w sieci krystalicznej lodu V panuje silne napięcie i ogromny zapas energii.
Parametry ogniwa w warunkach normalnego ciśnienia atmosferycznego i temperatury minus 175°C: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
lód V jest odmianą jednoskośną, powstałą w wyniku schładzania wody do temperatury minus 20°C pod ciśnieniem około 5000 atm. Gęstość sieci krystalicznej, biorąc pod uwagę ciśnienie 3500 atm, wynosi 1,24 g/cm3.
Schemat przestrzenny sieci kryształów lodu V typ pokazany w ilustracje 18. Obszar komórki elementarnej kryształu jest zaznaczony szarym konturem.

Uporządkowany układ protonów w strukturze lodu V sprawia, że ​​​​jest to inna odmiana zwana lodem XIII. Tę jednoskośną modyfikację można uzyskać przez ochłodzenie wody do temperatury poniżej minus 143°C z dodatkiem kwasu solnego (HCl), aby ułatwić przejście fazowe, tworząc ciśnienie 5000 atm. Odwracalne przejście z XIII wpisz k V typ możliwy jest w zakresie temperatur od minus 193°C do minus 153°C.
Wymiary komórki elementarnej lodu XIII nieco inny od V modyfikacje: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (przy 1 atmosferze, minus 193°С). Liczba cząsteczek w komórce jest taka sama – 28. Kąt wiązań wodorowych: 82–135°.

W dalszej części artykułu będziemy kontynuować przegląd modyfikacji lodu wodnego.

Do zobaczenia na łamach naszego bloga!

Możesz także przeczytać inne artykuły:

Kompozycje lodowe w formie choinek

Dekoracja lodowa do kąpieli w Święto Trzech Króli

Noworoczne kompozycje lodowe

Joystick lodowy SonyPlaystation

Praca z ludźmi na lodzie

Bar lodowy Chivas Regal

Dekoracja lodowa na bankiety

Ściana lodowa w Manchesterze

Lodowe meble Hongtao Zhou

Dania lodowe

Lodowy Zamek w Minnesocie

Lodowy Dom Microsoftu

mrożone bąbelki

Lodowy Kieł w Dolinie Vail

Niedźwiedzie polarne ślizgają się po lodzie

Szczeniak i kostka lodu

Lodowe miasteczko w Krasnogorsku

Rzeźba lodowa - Anioł

Łyżwiarstwo figurowe na cienkim lodzie

Lodowe cienie

Talerze lodowe

Mewa uwięziona w lodzie

Modne rzeczy na lodzie

Kosmiczny lód. Część druga: komety.