Structura cristalină a gheții. Proprietățile apei

Starea tridimensională a apei lichide este dificil de studiat, dar s-au învățat multe analizând structura cristalelor de gheață. Patru atomi de oxigen legați de hidrogen învecinați ocupă vârfurile unui tetraedru (tetra = patru, edrul = plan). Energia medie necesară pentru a rupe o astfel de legătură în gheață este estimată la 23 kJ/mol -1.

Capacitatea moleculelor de apă de a forma un anumit număr de lanțuri de hidrogen, precum și rezistența specificată, creează un punct de topire neobișnuit de ridicat. Când se topește, este ținut de apă lichidă, a cărei structură este neregulată. Majoritatea legăturilor de hidrogen sunt distorsionate. Pentru a distruge rețeaua cristalină de gheață legată de hidrogen necesită o cantitate mare de energie sub formă de căldură.

Caracteristicile aspectului de gheață (Ih)

Mulți oameni obișnuiți se întreabă ce fel de rețea cristalină are gheața. Trebuie remarcat faptul că densitatea majorității substanțelor crește la îngheț, când mișcările moleculare încetinesc și se formează cristale dens împachetate. De asemenea, densitatea apei crește pe măsură ce se răcește la maxim la 4°C (277K). Apoi, când temperatura scade sub această valoare, se extinde.

Această creștere se datorează formării unui cristal de gheață deschis legat de hidrogen, cu rețeaua sa și densitatea mai mică, în care fiecare moleculă de apă este strâns legată de elementul de mai sus și de alte patru valori și se mișcă în continuare suficient de repede pentru a avea mai multă masă. Pe măsură ce are loc această acțiune, lichidul îngheață de sus în jos. Acest lucru are efecte biologice importante, prin care un strat de gheață pe un iaz izolează ființele vii de frigul extrem. În plus, două proprietăți suplimentare ale apei sunt legate de caracteristicile sale de hidrogen: capacitatea termică specifică și evaporarea.

Descrierea detaliată a structurilor

Primul criteriu este cantitatea necesară pentru a crește temperatura a 1 gram dintr-o substanță cu 1°C. Creșterea gradelor de apă necesită o parte relativ mare de căldură deoarece fiecare moleculă este implicată în numeroase legături de hidrogen care trebuie rupte pentru ca energia cinetică să crească. Apropo, abundența de H 2 O în celulele și țesuturile tuturor organismelor multicelulare mari înseamnă că fluctuațiile de temperatură din interiorul celulelor sunt minime. Această caracteristică este critică deoarece majoritatea reacțiilor biochimice sunt sensibile la viteză.

De asemenea, semnificativ mai mare decât multe alte lichide. Pentru a transforma acest solid într-un gaz necesită o cantitate mare de căldură, deoarece legăturile de hidrogen trebuie rupte, astfel încât moleculele de apă să se poată disloca unele de altele și să intre în faza menționată. Corpurile variabile sunt dipoli permanenți și pot interacționa cu alți compuși similari și cu cei care sunt ionizați și dizolvați.

Alte substanțe enumerate mai sus pot intra în contact numai dacă polaritatea este prezentă. Acest compus este implicat în structura acestor elemente. În plus, se poate alinia în jurul acestor particule formate din electroliți, astfel încât atomii negativi de oxigen ai moleculelor de apă să fie orientați spre cationi, iar ionii pozitivi și atomii de hidrogen să fie orientați către anioni.

De regulă, se formează rețele de cristal moleculare și cele atomice. Adică, dacă iodul este structurat în așa fel încât I 2 să fie prezent în el, atunci în dioxid de carbon solid, adică în gheață carbonică, există molecule de CO 2 la nodurile rețelei cristaline. Atunci când interacționează cu astfel de substanțe, gheața are o rețea cristalină ionică. Grafitul, de exemplu, având o structură atomică bazată pe carbon, nu este capabil să-l schimbe, la fel ca diamantul.

Ce se întâmplă atunci când un cristal de sare de masă se dizolvă în apă: moleculele polare sunt atrase de elementele încărcate din cristal, ceea ce duce la formarea de particule similare de sodiu și clorură pe suprafața sa, ca urmare, aceste corpuri se dislocă unele de altele, și începe să se dizolve. Din aceasta putem observa că gheața are o rețea cristalină cu legături ionice. Fiecare Na+ dizolvat atrage capetele negative ale mai multor molecule de apă, în timp ce fiecare Cl dizolvat - atrage capetele pozitive. Învelișul care înconjoară fiecare ion se numește sferă de evacuare și conține de obicei mai multe straturi de particule de solvent.

Se spune că variabilele sau ionul înconjurat de elemente sunt sulfatate. Când apa este solventul, astfel de particule devin hidratate. Astfel, orice moleculă polară tinde să fie solvatată de elemente ale corpului lichid. În gheața carbonică, tipul de rețea cristalină formează legături atomice în stare agregată care sunt neschimbate. Gheața cristalină (apa înghețată) este o altă problemă. Compușii organici ionici precum carboxilazele și aminele protonate trebuie să aibă solubilitate în grupări hidroxil și carbonil. Particulele conținute în astfel de structuri se deplasează între molecule, iar sistemele lor polare formează legături de hidrogen cu acest corp.

Desigur, numărul acestor din urmă grupări dintr-o moleculă afectează solubilitatea acesteia, care depinde și de reacția diferitelor structuri din element: de exemplu, alcoolii cu unul, doi și trei atomi de carbon sunt miscibili în apă, dar hidrocarburile mai mari cu compuși hidroxil unici sunt mult mai puțin diluate în lichide.

Hexagonalul Ih are formă similară cu rețeaua cristalină atomică. Pentru gheață și toată zăpada naturală de pe Pământ, arată exact așa. Acest lucru este evidențiat de simetria rețelei de cristale de gheață crescute din vapori de apă (adică fulgi de zăpadă). Situat în grupa spațială P 63/mm cu 194; D 6h, clasa Laue 6/mm; similar cu β-, care are un multiplu de 6 axe elicoidale (rotație în jurul ei în plus față de forfecare de-a lungul ei). Are o structură destul de deschisă cu densitate scăzută, unde eficiența este scăzută (~1/3) în comparație cu structurile cubice simple (~1/2) sau cubice centrate pe fețe (~3/4).

În comparație cu gheața obișnuită, rețeaua cristalină a gheții carbonizate, legată de molecule de CO 2 , este statică și se modifică numai atunci când atomii se descompun.

Descrierea rețelelor și a elementelor lor constitutive

Cristalele pot fi considerate ca modele cristaline constând din foi stivuite una peste alta. Legătura de hidrogen este ordonată atunci când, în realitate, este aleatorie, deoarece protonii se pot mișca între moleculele de apă (gheață) la temperaturi peste aproximativ 5 K. Într-adevăr, este probabil ca protonii să se comporte ca un fluid cuantic într-un flux constant de tunel. Acest lucru este îmbunătățit de împrăștierea neutronilor care arată densitatea lor de împrăștiere la jumătatea distanței dintre atomii de oxigen, indicând localizarea și mișcarea coordonată. Aici se observă asemănarea gheții cu o rețea cristalină atomică, moleculară.

Moleculele au un aranjament în trepte a lanțului de hidrogen în raport cu cei trei vecini ai lor din plan. Al patrulea element are un aranjament de legături de hidrogen eclipsat. Există o ușoară abatere de la simetria hexagonală perfectă, cu până la 0,3% mai scurtă în direcția acestui lanț. Toate moleculele experimentează același mediu molecular. Există suficient spațiu în interiorul fiecărei „cutii” pentru a reține particulele de apă interstițiale. Deși nu sunt considerate în general, acestea au fost recent detectate eficient prin difracția neutronilor din rețeaua de cristal de gheață sub formă de pulbere.

Schimbarea substanțelor

Corpul hexagonal are puncte triple cu apă lichidă și gazoasă 0,01 °C, 612 Pa, elemente solide trei -21,985 °C, 209,9 MPa, unsprezece și două -199,8 °C, 70 MPa și -34,7 °C, 212,9 MPa . Constanta dielectrică a gheții hexagonale este 97,5.

Curba de topire a acestui element este dată de MPa. Sunt disponibile ecuații de stare, pe lângă ele și câteva inegalități simple care leagă modificarea proprietăților fizice cu temperatura gheții hexagonale și suspensiile sale apoase. Duritatea variază în funcție de grade, crescând de la aproximativ sau sub gips (≤2) la 0°C, până la niveluri de feldspat (6 la -80°C, o schimbare anormal de mare a durității absolute (>24 de ori).

Rețeaua cristalină hexagonală de gheață formează plăci și coloane hexagonale, unde fețele de sus și de jos sunt planele bazale (0 0 0 1) cu o entalpie de 5,57 μJ cm -2, iar celelalte planuri laterale echivalente sunt numite părți prisme (1). 0 -1 0) cu 5,94 uJ cm -2. Suprafețele secundare (1 1 -2 0) cu 6,90 μJ ˣ cm -2 se pot forma de-a lungul planurilor formate de laturile structurilor.

Această structură prezintă o scădere anormală a conductibilității termice odată cu creșterea presiunii (cum ar fi gheața amorfă cubică și cu densitate scăzută), dar diferă de majoritatea cristalelor. Acest lucru se datorează unei modificări a legăturilor de hidrogen, care reduce viteza transversală a sunetului în rețeaua cristalină de gheață și apă.

Există metode care descriu cum se prepară mostre mari de cristale și orice suprafață de gheață dorită. Se presupune că legătura de hidrogen de pe suprafața corpului hexagonal studiat va fi mai ordonată decât în ​​interiorul sistemului de masă. Spectroscopia variațională cu oscilație în frecvență a rețelei de fază a arătat că există o asimetrie structurală între cele două straturi superioare (L1 și L2) în lanțul HO sub suprafață al suprafeței bazale a gheții hexagonale. Legăturile de hidrogen adoptate în straturile superioare ale hexagoanelor (L1 O ··· HO L2) sunt mai puternice decât cele adoptate în al doilea strat la acumularea superioară (L1 OH ··· O L2). Structuri interactive de gheață hexagonale disponibile.

Caracteristicile dezvoltării

Numărul minim de molecule de apă necesare pentru nuclearea gheții este de aproximativ 275 ± 25, la fel ca pentru un grup icosaedric complet de 280. Formarea are loc cu un factor de 10 10 la interfața aer-apă, mai degrabă decât în ​​apă în vrac. Creșterea cristalelor de gheață depinde de ratele de creștere diferite ale diferitelor energii. Apa trebuie protejată de îngheț în timpul crioconservarii probelor biologice, alimentelor și organelor.

Acest lucru se realizează de obicei prin viteze rapide de răcire, utilizarea de mostre mici și a unui crioconservator și creșterea presiunii pentru a nuclea gheața și a preveni deteriorarea celulelor. Energia liberă a gheții/lichidului crește de la ~30 mJ/m2 la presiunea atmosferică la 40 mJ/m2 la 200 MPa, indicând motivul pentru care apare acest efect.

Alternativ, ele pot crește mai rapid de pe suprafețele prismelor (S2), pe suprafețele perturbate aleatoriu ale lacurilor înghețate sau perturbate. Creșterea de la fețele (1 1 -2 0) este cel puțin aceeași, dar le transformă în bazele unei prisme. Datele despre dezvoltarea cristalelor de gheață au fost pe deplin explorate. Ratele relative de creștere ale elementelor diferitelor fețe depind de capacitatea de a forma un grad mai mare de hidratare a articulațiilor. Temperatura (scăzută) a apei din jur determină gradul de ramificare a cristalului de gheață. Creșterea particulelor este limitată de viteza de difuzie la grade scăzute de suprarăcire, adică<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Dar este limitată de cinetica dezvoltării la niveluri mai ridicate de grade de scădere > 4°C, ceea ce duce la o creștere asemănătoare unui ac. Această formă este similară cu structura gheții carbonizate (are o rețea cristalină cu o structură hexagonală), diferite caracteristici de dezvoltare a suprafeței și temperatura apei din jur (suprarăcită) care se află în spatele formelor plate de fulgi de zăpadă.

Formarea gheții în atmosferă influențează profund formarea și proprietățile norilor. Feldspații, găsiți în praful deșertului care intră în atmosferă cu milioane de tone pe an, sunt formatori importanți. Simulările pe computer au arătat că acest lucru se datorează nucleării planelor de cristale prismatice de gheață pe planuri de suprafață de înaltă energie.

Alte elemente și zăbrele

Solutele (cu excepția unei cantități foarte mici de heliu și hidrogen, care pot intra în interstiții) nu pot fi încorporate în structura Ih la presiunea atmosferică, ci sunt forțate la suprafață sau la un strat amorf între particulele corpului microcristalin. În locurile rețelei cristaline de gheață carbonică există și alte elemente: ionii haotropi, cum ar fi NH 4 + și Cl -, care sunt incluși în înghețarea lichidului mai ușor decât alți kosmotropi, precum Na + și SO 4 2-, deci îndepărtarea lor este imposibilă, datorită faptului că formează o peliculă subțire din lichidul rămas între cristale. Acest lucru poate duce la încărcarea electrică a suprafeței din cauza disocierii apei de suprafață echilibrând sarcinile rămase (care poate duce și la radiații magnetice) și la o modificare a pH-ului peliculelor lichide reziduale, de exemplu NH 4 2 SO 4 care devine mai mult acid și NaCl devenind mai alcalin.

Ele sunt perpendiculare pe fețele rețelei de cristal de gheață, arătând următorul strat atașat (cu atomi O-negri). Ele sunt caracterizate printr-o suprafață bazală cu creștere lentă (0 0 0 1), unde sunt atașate doar molecule izolate de apă. O suprafață cu creștere rapidă (1 0 -1 0) a unei prisme, unde perechile de particule nou atașate se pot lega între ele cu hidrogen (o legătură/două molecule ale elementului). Fața cu cea mai rapidă creștere este (1 1 -2 0) (prismatică secundară), unde lanțurile de particule nou atașate pot interacționa între ele prin legături de hidrogen. Una dintre moleculele sale de lanț/element este o formă care formează creste care împart și încurajează transformarea în două părți ale prismei.

Entropia punctului zero

k Bˣ Ln ( N

Oamenii de știință și lucrările lor în acest domeniu

Poate fi definit ca S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), unde k B este constanta lui Boltzmann, N E este numărul de configurații la energia E și E0 este cea mai mică energie. Această valoare pentru entropia gheții hexagonale la zero kelvin nu încalcă a treia lege a termodinamicii, „Entropia unui cristal ideal la zero absolut este exact zero”, deoarece aceste elemente și particule nu sunt ideale și au legături de hidrogen dezordonate.

În acest corp, legăturile de hidrogen sunt aleatorii și se schimbă rapid. Aceste structuri nu sunt exact egale ca energie, dar se extind la un număr foarte mare de stări apropiate energetic și se supun „regulilor gheții”. Entropia punctului zero este dezordinea care ar rămâne chiar dacă materialul ar putea fi răcit la zero absolut (0 K = -273,15 °C). Dă naștere unei confuzii experimentale pentru gheața hexagonală 3,41 (±0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoretic, ar fi posibil să se calculeze entropia zero a cristalelor de gheață cunoscute cu o precizie mult mai mare (neglijând defectele și împrăștierea nivelului de energie) decât determinarea experimentală.

Deși ordinea protonilor în gheața în vrac nu este ordonată, suprafața preferă probabil ordinea particulelor menționate sub formă de benzi de atomi de H atârnați și perechi de O singure (entropie zero cu legături de hidrogen ordonate). S-a găsit tulburarea punctului zero ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 și altele. Din toate cele de mai sus, este clar și de înțeles ce tipuri de rețele cristaline sunt caracteristice gheții.

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

adnotare Importanța gheții în susținerea vieții pe planeta noastră nu poate fi subestimată. Gheața are o mare influență asupra condițiilor de viață ale plantelor și animalelor și asupra diferitelor tipuri de activitate economică umană. Acoperirea apei, gheața, datorită densității sale scăzute, joacă în natură rolul unui paravan plutitor, protejând râurile și rezervoarele de înghețul ulterioar și păstrând viața locuitorilor subacvatici. Utilizarea gheții în diverse scopuri (reținerea zăpezii, construcția de treceri de gheață și depozite izoterme, umplerea cu gheață a instalațiilor de depozitare și a minelor) face obiectul unui număr de secțiuni de științe hidrometeorologice și inginerie, cum ar fi ingineria gheții, ingineria zăpezii, permafrost. inginerie, precum și activitățile de servicii speciale de recunoaștere a gheții și echipamente de transport și deszăpezire pentru spargerea gheții. Gheata naturala este folosita pentru depozitarea si racirea produselor alimentare, preparatelor biologice si medicale, pentru care este special produsa si preparata, iar apa de topire preparata prin topirea ghetii este folosita in medicina populara pentru cresterea metabolismului si eliminarea toxinelor din organism. Articolul prezintă cititorului noi proprietăți puțin cunoscute și modificări ale gheții.

Gheața este o formă cristalină de apă, care, conform ultimelor date, are paisprezece modificări structurale. Printre acestea se numără modificări cristaline (gheață naturală) și amorfe (gheață cubică) și metastabile, care diferă unele de altele prin aranjarea reciprocă și proprietățile fizice ale moleculelor de apă legate prin legături de hidrogen care formează rețeaua cristalină a gheții. Toate acestea, cu excepția familiarei gheață naturală I h, care cristalizează într-o rețea hexagonală, se formează în condiții exotice - la temperaturi foarte scăzute de gheață carbonică și azot lichid și presiuni mari de mii de atmosfere, când unghiurile de hidrogen se leagă. în molecula de apă se schimbă și se formează sisteme cristaline care sunt diferite de hexagonale. Astfel de condiții seamănă cu cele din spațiu și nu apar pe Pământ.

În natură, gheața este reprezentată în principal de o varietate cristalină, care se cristalizează într-o rețea hexagonală, care amintește de structura diamantului, unde fiecare moleculă de apă este înconjurată de cele mai apropiate patru molecule, situate la distanțe egale de ea, egale cu 2,76 angstromi și plasate. la vârfurile unui tetraedru regulat. Datorită numărului scăzut de coordonare, structura gheții este reticulară, ceea ce îi afectează densitatea scăzută, în valoare de 0,931 g/cm 3 .

Cea mai neobișnuită proprietate a gheții este varietatea sa uimitoare de manifestări externe. Cu aceeași structură cristalină, poate arăta complet diferit, luând forma unor grindină și țurțuri transparente, fulgi de zăpadă pufoasă, o crustă densă și strălucitoare de gheață sau mase glaciare gigantice. Gheața apare în natură sub formă de gheață continentală, plutitoare și subterană, precum și zăpadă și îngheț. Este răspândită în toate zonele locuirii umane. Când sunt colectate în cantități mari, zăpada și gheața formează structuri speciale cu proprietăți care sunt fundamental diferite de cele ale cristalelor individuale sau ale fulgilor de zăpadă. Gheața naturală este formată în principal din gheață de origine sedimentar-metamorfică, formată din precipitații atmosferice solide ca urmare a compactării și recristalizării ulterioare. O trăsătură caracteristică a gheții naturale este granularea și benzile. Granularea se datorează proceselor de recristalizare; Fiecare grăunte de gheață glaciară este un cristal de formă neregulată, strâns adiacent altor cristale din coloana de gheață, astfel încât proeminențele unui cristal se potrivesc strâns în adânciturile altuia. Acest tip de gheață se numește policristalină. În el, fiecare cristal de gheață este un strat al celor mai subțiri frunze care se suprapun între ele în planul bazal perpendicular pe direcția axei optice a cristalului.

Rezervele totale de gheață de pe Pământ sunt estimate la aproximativ 30 de milioane. km 3(Tabelul 1). Cea mai mare parte a gheții este concentrată în Antarctica, unde grosimea stratului său ajunge la 4 km. Există, de asemenea, dovezi ale prezenței gheții pe planetele sistemului solar și în comete. Gheața este atât de importantă pentru clima planetei noastre și habitatul creaturilor vii de pe ea, încât oamenii de știință au desemnat un mediu special pentru gheață - criosfera, ale cărei limite se extind sus în atmosferă și adânc în scoarța terestră.

Masa 1. Cantitatea, distribuția și durata de viață a gheții.

Cristalele de gheață sunt unice prin formă și proporții. Orice cristal natural în creștere, inclusiv un cristal de gheață, se străduiește întotdeauna să creeze o rețea cristalină regulată ideală, deoarece aceasta este benefică din punctul de vedere al minimului energiei sale interne. Orice impurități, așa cum se știe, distorsionează forma cristalului, prin urmare, atunci când apa cristalizează, moleculele de apă sunt mai întâi încorporate în rețea, iar atomii străini și moleculele de impurități sunt forțate să iasă în lichid. Și numai atunci când impuritățile nu au încotro, cristalul de gheață începe să le integreze în structura sa sau le lasă sub formă de capsule goale cu un lichid concentrat neîngheț - saramură. Prin urmare, gheața de mare este proaspătă și chiar și cele mai murdare corpuri de apă sunt acoperite cu gheață transparentă și curată. Când gheața se topește, ea înlocuiește impuritățile în saramură. La scară planetară, fenomenul de îngheț și dezgheț al apei, împreună cu evaporarea și condensarea apei, joacă rolul unui proces de purificare gigantic în care apa de pe Pământ se purifică constant.

Masa 2. Unele proprietăți fizice ale gheții I.

Proprietate	Sens	Notă
Capacitate termică, cal/(g °C) Căldura de topire, cal/g Căldura de vaporizare, cal/g		Scade foarte mult odată cu scăderea temperaturii
Coeficient de dilatare termică, 1/°C	9,1 10 -5 (0 °C)	Gheață policristalină
Conductivitate termică, cal/(cm sec °C)		Gheață policristalină
Indicele de refracție:		Gheață policristalină
Conductivitate electrică specifică, ohm -1 cm -1		Energia aparentă de activare 11 kcal/mol
Conductivitate electrică de suprafață, ohm -1		Energia aparentă de activare 32 kcal/mol
Modulul de elasticitate al lui Young, dyn/cm2	9 10 10 (-5 °C)	Gheață policristalină
Rezistență, MN/m2: strivire		Gheață policristalină Gheață policristalină Gheață policristalină
Vâscozitate dinamică, echilibru		Gheață policristalină
Energia de activare în timpul deformării și relaxării mecanice, kcal/mol		Crește liniar cu 0,0361 kcal/(mol °C) de la 0 la 273,16 K

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

Datorită distribuției largi a gheții pe Pământ, diferența dintre proprietățile fizice ale gheții (Tabelul 2) față de proprietățile altor substanțe joacă un rol important în multe procese naturale. Gheața are multe alte proprietăți și anomalii de susținere a vieții - anomalii de densitate, presiune, volum, conductivitate termică. Dacă nu ar exista legături de hidrogen care să țină moleculele de apă împreună într-un cristal, gheața s-ar topi la –90 °C. Dar acest lucru nu se întâmplă din cauza prezenței legăturilor de hidrogen între moleculele de apă. Datorită densității sale mai mici decât apa, gheața formează o acoperire plutitoare la suprafața apei, protejând râurile și rezervoarele de înghețul fundului, deoarece conductivitatea sa termică este mult mai mică decât cea a apei. În acest caz, cea mai scăzută densitate și volum se observă la +3,98 °C (Fig. 1). Răcirea în continuare a apei la 0 0 C duce treptat nu la o scădere, ci la o creștere a volumului acesteia cu aproape 10%, atunci când apa se transformă în gheață. Acest comportament al apei indică existența simultană a două faze de echilibru în apă - lichid și cvasicristalin, prin analogie cu cvasicristalele, a căror rețea cristalină nu numai că are o structură periodică, dar are și axe de simetrie de diferite ordine, a căror existență anterior a contrazis ideile cristalografilor. Această teorie, prezentată pentru prima dată de celebrul fizician teoretician rus Ya. I. Frenkel, se bazează pe presupunerea că unele dintre moleculele lichide formează o structură cvasicristalină, în timp ce moleculele rămase sunt asemănătoare gazelor, mișcându-se liber în volum. Distribuția moleculelor într-o mică vecinătate a oricărei molecule fixe de apă are o anumită ordonare, care amintește oarecum de cristalină, deși mai liberă. Din acest motiv, structura apei este uneori numită cvasicristalină sau asemănătoare cristalului, adică având simetrie și ordine în aranjarea relativă a atomilor sau moleculelor.

Orez. 1. Dependența volumului specific de gheață și apă de temperatură

O altă proprietate este că viteza curgerii gheții este direct proporțională cu energia de activare și invers proporțională cu temperatura absolută, astfel încât odată cu scăderea temperaturii, gheața se apropie de un corp absolut solid în proprietățile sale. În medie, la temperaturi apropiate de topire, fluiditatea gheții este de 10 6 ori mai mare decât cea a rocilor. Datorită fluidității sale, gheața nu se acumulează într-un singur loc, ci se mișcă constant sub formă de ghețari. Relația dintre viteza curgerii și stres pentru gheața policristalină este hiperbolică; când este descris aproximativ de o ecuație de putere, exponentul crește pe măsură ce crește tensiunea.

Lumina vizibilă practic nu este absorbită de gheață, deoarece razele de lumină trec prin cristalul de gheață, dar blochează radiația ultravioletă și cea mai mare parte a radiației infraroșii de la Soare. În aceste regiuni ale spectrului, gheața pare complet neagră, deoarece coeficientul de absorbție a luminii în aceste regiuni ale spectrului este foarte mare. Spre deosebire de cristalele de gheață, lumina albă care cade pe zăpadă nu este absorbită, ci este refractată de multe ori în cristalele de gheață și reflectată de pe fețele lor. De aceea zăpada pare albă.

Datorită reflectivității foarte mari a gheții (0,45) și a zăpezii (până la 0,95), aria acoperită de acestea este în medie de aproximativ 72 milioane km pe an. km 2în latitudinile înalte și medii ale ambelor emisfere - primește căldură solară cu 65% mai puțin decât în ​​mod normal și este o sursă puternică de răcire a suprafeței pământului, ceea ce determină în mare măsură zonarea climatică latitudinală modernă. Vara, în regiunile polare, radiația solară este mai mare decât în ​​zona ecuatorială, cu toate acestea, temperatura rămâne scăzută, deoarece o parte semnificativă din căldura absorbită este cheltuită pentru topirea gheții, care are o căldură de topire foarte mare.

Alte proprietăți neobișnuite ale gheții includ generarea de radiații electromagnetice prin creșterea cristalelor sale. Se știe că majoritatea impurităților dizolvate în apă nu sunt transferate în gheață atunci când aceasta începe să crească; sunt înghețați. Prin urmare, chiar și pe cea mai murdară băltoacă, pelicula de gheață este curată și transparentă. În acest caz, impuritățile se acumulează la limita mediilor solide și lichide, sub forma a două straturi de sarcini electrice de semne diferite, care provoacă o diferență semnificativă de potențial. Stratul încărcat de impurități se mișcă împreună cu limita inferioară a gheții tinere și emite unde electromagnetice. Datorită acestui fapt, procesul de cristalizare poate fi observat în detaliu. Astfel, un cristal care crește în lungime sub formă de ac emite diferit față de cel acoperit cu procese laterale, iar radiația boabelor în creștere diferă de ceea ce se întâmplă atunci când cristalele se sparg. Prin forma, secvența, frecvența și amplitudinea impulsurilor de radiație, se poate determina cu ce viteză gheața îngheață și ce fel de structură de gheață se formează.

Dar cel mai uimitor lucru despre structura gheții este că moleculele de apă la temperaturi scăzute și presiuni ridicate în interiorul nanotuburilor de carbon se pot cristaliza într-o formă de dublă helix, care amintește de moleculele de ADN. Acest lucru a fost dovedit de recentele experimente pe computer ale oamenilor de știință americani conduși de Xiao Cheng Zeng de la Universitatea din Nebraska (SUA). Pentru ca apa să formeze o spirală într-un experiment simulat, aceasta a fost plasată în nanotuburi cu un diametru de 1,35 până la 1,90 nm la presiune mare, variind de la 10 la 40.000 de atmosfere și o temperatură de –23 °C. Era de așteptat să se vadă că apa în toate cazurile formează o structură tubulară subțire. Cu toate acestea, modelul a arătat că, cu un diametru al nanotubului de 1,35 nm și o presiune externă de 40.000 de atmosfere, legăturile de hidrogen din structura gheții au fost îndoite, ceea ce a dus la formarea unei spirale cu perete dublu - intern și extern. În aceste condiții, peretele interior s-a dovedit a fi răsucit într-un helix cvadruplu, iar peretele exterior era format din patru elice duble, similare cu o moleculă de ADN (Fig. 2). Acest fapt poate servi ca confirmare a legăturii dintre structura moleculei vitale de ADN și structura apei în sine și că apa a servit ca matrice pentru sinteza moleculelor de ADN.

Orez. 2. Un model computerizat al structurii apei înghețate în nanotuburi, care amintește de o moleculă de ADN (Fotografie din revista New Scientist, 2006)

O altă dintre cele mai importante proprietăți ale apei descoperite recent este că apa are capacitatea de a-și aminti informații despre influențele trecute. Acest lucru a fost dovedit pentru prima dată de cercetătorul japonez Masaru Emoto și de compatriotul nostru Stanislav Zenin, care a fost unul dintre primii care au propus o teorie a clusterelor a structurii apei, constând din asociații ciclici ai unei structuri poliedrice volumetrice - clustere cu formula generală (H). 2 O) n, unde n, conform ultimelor date, poate ajunge la sute și chiar mii de unități. Datorită prezenței clusterelor în apă, apa are proprietăți de informare. Cercetătorii au fotografiat procesele de înghețare a apei în microcristale de gheață, influențând-o cu diverse câmpuri electromagnetice și acustice, melodii, rugăciune, cuvinte sau gânduri. S-a dovedit că, sub influența informațiilor pozitive sub formă de melodii și cuvinte frumoase, gheața a înghețat în cristale hexagonale simetrice. Acolo unde răsuna muzică neregulată și cuvinte supărate și jignitoare, apa, dimpotrivă, a înghețat în cristale haotice și fără formă. Aceasta este dovada că apa are o structură specială care este sensibilă la influențele informaționale externe. Se presupune că creierul uman, format din 85-90% apă, are un puternic efect de structurare asupra apei.

Cristalele emoto trezesc atât interes, cât și critici insuficient fundamentate. Dacă te uiți la ele cu atenție, poți vedea că structura lor este formată din șase vârfuri. Dar o analiză și mai atentă arată că iarna fulgii de zăpadă au aceeași structură, întotdeauna simetrică și cu șase vârfuri. În ce măsură structurile cristalizate conțin informații despre mediul în care au fost create? Structura fulgilor de zăpadă poate fi frumoasă sau fără formă. Acest lucru indică faptul că proba de control (nor în atmosferă) de unde provin au aceeași influență asupra lor ca și condițiile inițiale. Condițiile inițiale sunt activitatea solară, temperatura, câmpurile geofizice, umiditatea etc. Toate acestea înseamnă că din așa-numitele. ansamblu mediu, putem concluziona că structura picăturilor de apă și apoi a fulgilor de zăpadă este aproximativ aceeași. Masa lor este aproape aceeași și se deplasează prin atmosferă cu viteze similare. În atmosferă ele continuă să-și formeze structurile și să crească în volum. Chiar dacă s-au format în diferite părți ale norului, într-un grup există întotdeauna un anumit număr de fulgi de zăpadă care au apărut în aproape aceleași condiții. Și răspunsul la întrebarea ce reprezintă informații pozitive și negative despre fulgii de zăpadă poate fi găsit în Emoto. În condiții de laborator, informațiile negative (cutremur, vibrații sonore nefavorabile omului etc.) nu formează cristale, ci informații pozitive, tocmai dimpotrivă. Este foarte interesant în ce măsură un factor poate modela structuri identice sau similare ale fulgilor de zăpadă. Cea mai mare densitate a apei se observă la o temperatură de 4 °C. S-a dovedit științific că densitatea apei scade atunci când cristalele hexagonale de gheață încep să se formeze când temperatura scade sub zero. Acesta este rezultatul legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă.

Care este motivul acestei structuri? Cristalele sunt solide, iar atomii, moleculele sau ionii lor constituenți sunt aranjați într-un model regulat, care se repetă în trei dimensiuni spațiale. Structura cristalelor de apă este ușor diferită. Potrivit lui Isaac, doar 10% din legăturile de hidrogen din gheață sunt covalente, adică. cu informații destul de stabile. Legăturile de hidrogen dintre oxigenul unei molecule de apă și hidrogenul alteia sunt cele mai sensibile la influențele externe. Spectrul de apă la construirea cristalelor este relativ diferit în timp. În funcție de efectul evaporării discrete a unei picături de apă demonstrat de Antonov și Yuskeseliev și dependența acestuia de stările energetice ale legăturilor de hidrogen, putem căuta un răspuns despre structurarea cristalelor. Fiecare parte a spectrului depinde de tensiunea superficială a picăturilor de apă. Există șase vârfuri în spectru, care indică ramurile fulgului de nea.

Este clar că în experimentele lui Emoto, proba inițială „de control” afectează aspectul cristalelor. Aceasta înseamnă că după expunerea la un anumit factor, se poate aștepta formarea de cristale similare. Este aproape imposibil să obțineți cristale identice. Când testează efectul cuvântului „dragoste” asupra apei, Emoto nu indică clar dacă experimentul a fost efectuat cu mostre diferite.

Sunt necesare experimente dublu-orb pentru a testa dacă tehnica Emoto este suficient de diferențiată. Dovada lui Isaac că 10% din moleculele de apă formează legături covalente după îngheț ne arată că apa folosește această informație atunci când îngheață. Realizarea lui Emoto, chiar și fără experimente dublu orb, rămâne destul de importantă în ceea ce privește proprietățile informaționale ale apei.

Fulg de zăpadă natural, Wilson Bentley, 1925

Fulg de nea emoto obtinut din apa naturala

Un fulg de zăpadă este natural, iar celălalt este creat de Emoto, ceea ce indică faptul că diversitatea în spectrul apei nu este nelimitată.

Cutremur, Sofia, scara Richter 4,0, 15 noiembrie 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. Dispozitivul lui Antonov©

Această cifră indică diferența dintre proba martor și cele prelevate în alte zile. Moleculele de apă rup cele mai energice legături de hidrogen din apă, precum și două vârfuri din spectru în timpul unui fenomen natural. Studiul a fost realizat folosind un dispozitiv Antonov. Rezultatul biofizic arată o scădere a tonusului vital al organismului în timpul unui cutremur. În timpul unui cutremur, apa nu își poate schimba structura în fulgii de zăpadă din laboratorul lui Emoto. Există dovezi ale modificărilor conductivității electrice a apei în timpul unui cutremur.

În 1963, școlarul tanzanian Erasto Mpemba a observat că apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Acest fenomen se numește efectul Mpemba. Deși proprietatea unică a apei a fost observată mult mai devreme de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes. Fenomenul a fost dovedit de mai multe ori printr-o serie de experimente independente. Apa are o altă proprietate ciudată. În opinia mea, explicația pentru aceasta este următoarea: spectrul de energie diferenţială de neechilibru (DNES) al apei fiarte are o energie medie mai mică a legăturilor de hidrogen între moleculele de apă decât cea a unei probe prelevate la temperatura camerei. Aceasta înseamnă că apa fiartă are nevoie de apă fiartă. mai puțină energie pentru a începe să structurați cristalele și să înghețe.

Cheia structurii gheții și proprietăților sale constă în structura cristalului său. Cristalele tuturor modificărilor de gheață sunt construite din molecule de apă H2O conectate prin legături de hidrogen în cadre tridimensionale de plasă cu un aranjament specific de legături de hidrogen. O moleculă de apă poate fi pur și simplu imaginată ca un tetraedru (o piramidă cu o bază triunghiulară). În centrul său se află un atom de oxigen, care se află în stare de hibridizare sp 3, iar în două vârfuri se află un atom de hidrogen, unul dintre electronii 1s al căruia este implicat în formarea unei legături covalente H-O cu oxigenul. Cele două vârfuri rămase sunt ocupate de perechi de electroni de oxigen nepereche, care nu participă la formarea legăturilor intramoleculare, deci sunt numiți singuri. Forma spațială a moleculei de H 2 O se explică prin respingerea reciprocă a atomilor de hidrogen și a perechilor de electroni singuri ale atomului central de oxigen.

Legăturile de hidrogen sunt importante în chimia interacțiunilor intermoleculare și sunt cauzate de forțe electrostatice slabe și interacțiuni donor-acceptor. Apare atunci când atomul de hidrogen cu deficit de electroni al unei molecule de apă interacționează cu perechea de electroni singură a atomului de oxigen al unei molecule de apă vecine (O-H...O). O caracteristică distinctivă a legăturii de hidrogen este rezistența sa relativ scăzută; este de 5-10 ori mai slabă decât o legătură covalentă chimică. În ceea ce privește energia, o legătură de hidrogen ocupă o poziție intermediară între o legătură chimică și interacțiunile van der Waals care țin moleculele într-o fază solidă sau lichidă. Fiecare moleculă de apă dintr-un cristal de gheață poate forma simultan patru legături de hidrogen cu alte molecule vecine la unghiuri strict definite egale cu 109°47”, îndreptate spre vârfurile tetraedrului, care nu permit crearea unei structuri dense atunci când apa îngheață ( Fig. 3). În structurile de gheață I, Ic, VII și VIII, acest tetraedru este regulat. În structurile de gheață II, III, V și VI, tetraedrele sunt vizibil distorsionate. În structurile de gheață VI, VII și VIII, două care se intersectează reciproc pot fi distinse sisteme de legături de hidrogen.Acest cadru invizibil de legături de hidrogen aranjează moleculele de apă sub forma unei rețele de plasă, a cărei structură seamănă cu un fagure hexagonal cu canale interne goale.Dacă gheața este încălzită, structura rețelei este distrusă: apă moleculele încep să cadă în golurile rețelei, ceea ce duce la o structură lichidă mai densă - asta explică de ce apa este mai grea decât gheața.

Orez. 3. Formarea unei legături de hidrogen între patru molecule de H2O (bilele roșii reprezintă atomii centrali de oxigen, bilele albe reprezintă atomii de hidrogen)

Specificitatea legăturilor de hidrogen și a interacțiunilor intermoleculare caracteristice structurii gheții se păstrează în apa de topire, deoarece atunci când un cristal de gheață se topește, doar 15% din toate legăturile de hidrogen sunt distruse. Prin urmare, conexiunea dintre fiecare moleculă de apă și patru molecule învecinate inerente gheții („ordine pe distanță scurtă”) nu este încălcată, deși se observă o neclaritate mai mare a rețelei cadru de oxigen. Legăturile de hidrogen pot fi menținute și atunci când apa fierbe. Numai în vaporii de apă nu există legături de hidrogen.

Gheața, care se formează la presiunea atmosferică și se topește la 0 °C, este cea mai comună substanță, dar încă nu este pe deplin înțeleasă. O mare parte din structura și proprietățile sale arată neobișnuit. În locurile rețelei cristaline de gheață, atomii de oxigen ai tetraedrelor moleculelor de apă sunt aranjați în mod ordonat, formând hexagoane regulate, ca un fagure hexagonal, iar atomii de hidrogen ocupă o varietate de poziții pe legăturile de hidrogen care leagă atomi de oxigen (fig. 4). Prin urmare, sunt posibile șase orientări echivalente ale moleculelor de apă în raport cu vecinii lor. Unele dintre ele sunt excluse, deoarece prezența a doi protoni simultan pe aceeași legătură de hidrogen este puțin probabilă, dar rămâne suficientă incertitudine în orientarea moleculelor de apă. Acest comportament al atomilor este atipic, deoarece într-o substanță solidă toți atomii respectă aceeași lege: fie atomii sunt aranjați în mod ordonat, și atunci este un cristal, fie aleatoriu, și atunci este o substanță amorfă. O astfel de structură neobișnuită poate fi realizată în majoritatea modificărilor de gheață - Ih, III, V, VI și VII (și aparent în Ic) (Tabelul 3), iar în structura gheții II, VIII și IX moleculele de apă sunt ordonate orientativ. . Potrivit lui J. Bernal, gheața este cristalină în raport cu atomii de oxigen și sticloasă în raport cu atomii de hidrogen.

Orez. 4. Structura gheții de configurație hexagonală naturală I h

În alte condiții, de exemplu în Spațiu la presiuni mari și temperaturi scăzute, gheața se cristalizează diferit, formând alte rețele cristaline și modificări (cubice, trigonale, tetragonale, monoclinice etc.), fiecare având propria sa structură și rețea cristalină (Tabelul). 3). Structurile de gheață cu diferite modificări au fost calculate de cercetătorii ruși Dr. G.G. Malenkov și doctor în Fizică și Matematică. E.A. Zheligovskaya de la Institutul de Chimie Fizică și Electrochimie numită după. UN. Frumkin de la Academia Rusă de Științe. Gheața modificărilor II, III și V se păstrează mult timp la presiunea atmosferică dacă temperatura nu depășește -170 °C (Fig. 5). Când este răcită la aproximativ -150 °C, gheața naturală se transformă în gheață cubică Ic, constând din cuburi și octaedre de câțiva nanometri. Gheața I c apare uneori când apa îngheață în capilare, ceea ce aparent este facilitat de interacțiunea apei cu materialul peretelui și de repetarea structurii sale. Dacă temperatura este puțin mai mare de -110 0 C, pe substratul metalic se formează cristale de gheață amorfă sticloasă mai densă și mai grea, cu o densitate de 0,93 g/cm3. Ambele forme de gheață se pot transforma spontan în gheață hexagonală și, cu cât mai repede, cu atât temperatura este mai mare.

Masa 3. Unele modificări ale gheții și ale parametrilor fizici ai acestora.

Notă. 1 Å = 10 -10 m

Orez. 5. Diagrama stării gheții cristaline cu diverse modificări.

Există și gheață de înaltă presiune - II și III modificări trigonale și tetragonale, formate din faguri goli formați din elemente ondulate hexagonale, deplasate unul față de celălalt cu o treime (Fig. 6 și Fig. 7). Aceste gheață sunt stabilizate în prezența gazelor nobile heliu și argon. În structura modificării monoclinice de gheață V, unghiurile dintre atomii de oxigen vecini variază de la 86 0 la 132 °, ceea ce este foarte diferit de unghiul de legătură într-o moleculă de apă, care este 105 ° 47 '. Gheața VI a modificării tetragonale constă din două cadre introduse unul în celălalt, între care nu există legături de hidrogen, rezultând formarea unei rețele cristaline centrate pe corp (Fig. 8). Structura gheții VI se bazează pe hexameri - blocuri de șase molecule de apă. Configurația lor repetă exact structura unui grup stabil de apă, care este dată de calcule. Gheața VII și VIII ale modificării cubice, care sunt forme ordonate la temperatură joasă de gheață VII, au o structură similară cu rame de gheață I introduse unul în celălalt. Odată cu o creștere ulterioară a presiunii, distanța dintre atomii de oxigen din rețeaua cristalină a gheții VII și VIII va scădea, ca urmare se formează structura gheții X, atomii de oxigen în care sunt dispuși într-o rețea regulată și protonii sunt ordonați.

Orez. 7. Configurație Ice III.

Gheața XI se formează prin răcirea profundă a gheții I h cu adăugarea de alcali sub 72 K la presiune normală. În aceste condiții, se formează defecte de cristal de hidroxil, permițând cristalului de gheață în creștere să-și schimbe structura. Gheața XI are o rețea cristalină ortorombică cu un aranjament ordonat de protoni și se formează simultan în multe centre de cristalizare în apropierea defectelor hidroxil ale cristalului.

Orez. 8. Configurație Ice VI.

Printre gheață există și formele metastabile IV și XII, a căror durată de viață este de secunde și au cea mai frumoasă structură (Fig. 9 și Fig. 10). Pentru a obține gheață metastabilă, este necesară comprimarea gheții I h la o presiune de 1,8 GPa la temperatura azotului lichid. Aceste gheață se formează mult mai ușor și sunt mai ales stabile dacă apa grea suprarăcită este supusă presiunii. O altă modificare metastabilă, gheața IX, se formează atunci când gheața III este suprarăcită și reprezintă în esență forma sa la temperatură scăzută.

Orez. 9. Configurație Ice IV.

Orez. 10. Configurația Ice XII.

Ultimele două modificări ale gheții - cu o monoclinic XIII și o configurație ortorrombică XIV - au fost descoperite de oamenii de știință de la Oxford (Marea Britanie) destul de recent - în 2006. Presupunerea că ar trebui să existe cristale de gheață cu rețele monoclinice și rombice a fost dificil de confirmat: vâscozitatea apei la o temperatură de -160 ° C este foarte mare și este dificil ca moleculele de apă pură suprarăcită să se reunească în astfel de cantități. pentru a forma un nucleu de cristal. Acest lucru a fost realizat folosind un catalizator - acid clorhidric, care a crescut mobilitatea moleculelor de apă la temperaturi scăzute. Astfel de modificări ale gheții nu se pot forma pe Pământ, dar pot exista în spațiu pe planete răcite și pe sateliți și comete înghețate. Astfel, calculele densității și fluxurilor de căldură de la suprafața sateliților lui Jupiter și Saturn ne permit să afirmăm că Ganymede și Callisto trebuie să aibă o înveliș de gheață în care alternează gheața I, III, V și VI. Pe Titan, gheața nu formează o crustă, ci o manta, al cărei strat interior este format din gheață VI, alte gheață de înaltă presiune și hidrați de clatrat, iar gheața I h este situată deasupra.

Orez. unsprezece. Diversitatea și forma fulgilor de zăpadă în natură

În atmosfera Pământului, la temperaturi scăzute, apa se cristalizează din tetraedre formând gheață hexagonală Ih. Centrul formării cristalelor de gheață sunt particulele solide de praf, care sunt ridicate în straturile superioare ale atmosferei de vânt. În jurul acestui microcristal embrionar de gheață, ace formate din molecule individuale de apă cresc în șase direcții simetrice, pe care se dezvoltă procesele laterale - dendrite. Temperatura și umiditatea aerului din jurul fulgului de zăpadă sunt aceleași, deci inițial are o formă simetrică. Pe măsură ce se formează fulgii de zăpadă, ei cad treptat în straturile inferioare ale atmosferei, unde temperatura este mai ridicată. Aici are loc topirea și forma lor geometrică ideală este distorsionată, formând o varietate de fulgi de zăpadă (Fig. 11).

Odată cu topirea ulterioară, structura hexagonală a gheții este distrusă și se formează un amestec de asociați ciclici de clustere, precum și tri-, tetra-, penta-, hexameri de apă (Fig. 12) și molecule de apă libere. Studierea structurii clusterelor rezultate este adesea semnificativ dificilă, deoarece apa, conform datelor moderne, este un amestec de diverse clustere neutre (H 2 O) n și ionii lor de cluster încărcați [H 2 O] + n și [H 2 O ] - n, care sunt în echilibru dinamic între ele cu o durată de viață de 10 -11 -10 -12 secunde.

Orez. 12. Posibile clustere de apă (a-h) de compoziție (H 2 O) n, unde n = 5-20.

Clusterele sunt capabile să interacționeze între ele prin fețele de legături de hidrogen proeminente în exterior, formând structuri poliedrice mai complexe, cum ar fi hexaedrul, octaedrul, icosaedrul și dodecaedrul. Astfel, structura apei este asociată cu așa-numitele solide platonice (tetraedru, hexaedru, octaedru, icosaedru și dodecaedru), numite după filozoful și geometrul grec antic Platon care le-a descoperit, a căror formă este determinată de raportul de aur. (Fig. 13).

Orez. 13. Solide platonice, a căror formă geometrică este determinată de raportul de aur.

Numărul de vârfuri (B), fețe (G) și muchii (P) în orice poliedru spațial este descris prin relația:

B + G = P + 2

Raportul dintre numărul de vârfuri (B) ale unui poliedru regulat și numărul de muchii (P) ale uneia dintre fețele sale este egal cu raportul dintre numărul de fețe (G) ale aceluiași poliedru și numărul de muchii ( P) care iese dintr-unul dintre vârfurile sale. Pentru un tetraedru acest raport este 4:3, pentru un hexaedru (6 fețe) și octaedru (8 fețe) este 2:1, iar pentru un dodecaedru (12 fețe) și icosaedru (20 fețe) este 4:1.

Structurile clusterelor poliedrice de apă, calculate de oamenii de știință ruși, au fost confirmate prin metode analitice moderne: spectroscopie de rezonanță magnetică de protoni, spectroscopie laser femtosecundă, difracție cu raze X și neutroni pe cristale de apă. Descoperirea clusterelor de apă și capacitatea apei de a stoca informații sunt două dintre cele mai importante descoperiri ale mileniului 21. Acest lucru demonstrează clar că natura se caracterizează prin simetrie sub formă de forme geometrice și proporții precise, caracteristice cristalelor de gheață.

LITERATURĂ.

1. Belyanin V., Romanova E. Viața, molecula de apă și proporția de aur // Știință și viață, 2004, Vol. 10, Nr. 3, p. 23-34.

2. Shumsky P.A., Fundamentele științei structurale ale gheții. - Moscova, 1955b p. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Conștientizarea apei ca substanță a vieții. // Conștiința și realitatea fizică. 2011, T 16, nr. 12, p. 9-22.

4. Petryanov I.V. Cea mai extraordinară substanță din lume.Moscova, Pedagogie, 1981, p. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Structura și proprietățile apei. - Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, p. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Apă familiară și misterioasă. – Kiev, școala Rodyanbsk, 1982, p. 62-64.

7. Zatsepina G. N. Structura și proprietățile apei. – Moscova, ed. Universitatea de Stat din Moscova, 1974, p. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Fundamentele fizicii apei - Kiev, Naukova Dumka, 1991, p. 167.

9. Simonite T. Gheață asemănătoare ADN-ului „văzută” în interiorul nanotuburilor de carbon // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Mesaje ale apei. Codurile secrete ale cristalelor de gheață. - Sofia, 2006. p. 96.

11. Zenin S.V., Tyaglov B.V. Natura interacțiunii hidrofobe. Apariția câmpurilor de orientare în soluții apoase // Journal of Physical Chemistry, 1994, T. 68, Nr. 3, p. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Hydrogen Bonding - Moscova, Nauka, 1964, p. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Structure of water and ionic solutions // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1934, T. 14, No. 5, p. 587-644.

14. Khobza P., Zahradnik R. Complexe intermoleculare: Rolul sistemelor van der Waals în chimia fizică și biodiscipline. – Moscova, Mir, 1989, p. 34-36.

15. Pounder E. R. Fizica gheții, trad. din engleza - Moscova, 1967, p. 89.

16. Komarov S. M. Modele de gheață de înaltă presiune. // Chimie și viață, 2007, nr. 2, p. 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya, G. G. Malenkov. Gheață cristalină // Uspekhi khimii, 2006, nr. 75, p. 64.

18. Fletcher N. H. Fizica chimică a gheții, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A.V. Diversitatea clusterelor // Russian Chemical Journal, 1996, T. 40, nr. 2, p. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. Structura apei și realitatea fizică. // Conștiința și realitatea fizică, 2011, T. 16, Nr. 9, p. 16-32.

21. Ignatov I. Medicină bioenergetică. Originea materiei vii, memoria apei, biorezonanța, câmpurile biofizice. - GayaLibris, Sofia, 2006, p. 93.

Căutare personalizată

Structura apei

Ph.D. O.V. Mosin

O moleculă de apă este un mic dipol care conține sarcini pozitive și negative la poli. Deoarece masa și sarcina nucleului de oxigen este mai mare decât cea a nucleelor ​​de hidrogen, norul de electroni este tras spre nucleul de oxigen. În acest caz, nucleele de hidrogen sunt expuse. Astfel, norul de electroni are o densitate neuniformă. Există o lipsă de densitate electronică în apropierea nucleelor ​​de hidrogen, iar pe partea opusă a moleculei, lângă nucleul de oxigen, există un exces de densitate electronică. Această structură determină polaritatea moleculei de apă. Dacă conectați epicentrii sarcinilor pozitive și negative cu linii drepte, obțineți o figură geometrică tridimensională - un tetraedru obișnuit.

Structura unei molecule de apă (imaginea din dreapta)

Datorită prezenței legăturilor de hidrogen, fiecare moleculă de apă formează o legătură de hidrogen cu 4 molecule învecinate, formând un cadru de plasă ajurat în molecula de gheață. Cu toate acestea, în stare lichidă, apa este un lichid dezordonat; Aceste legături de hidrogen sunt spontane, de scurtă durată, se rup rapid și se formează din nou. Toate acestea duc la eterogenitate în structura apei.

Legături de hidrogen între moleculele de apă (imaginea de jos din stânga)

Faptul că apa este eterogenă ca compoziție a fost stabilit cu mult timp în urmă. Se știe de mult că gheața plutește pe suprafața apei, adică densitatea gheții cristaline este mai mică decât densitatea lichidului.

Pentru aproape toate celelalte substanțe, cristalul este mai dens decât faza lichidă. In plus, chiar si dupa topire, odata cu cresterea temperaturii, densitatea apei continua sa creasca si atinge un maxim la 4C. Mai puțin cunoscută este anomalia compresibilității apei: când este încălzită de la punctul de topire până la 40C, aceasta scade și apoi crește. Capacitatea termică a apei depinde, de asemenea, nemonoton de temperatură.

În plus, la temperaturi sub 30C, cu o creștere a presiunii de la atmosferică la 0,2 GPa, vâscozitatea apei scade, iar coeficientul de autodifuzie, parametru care determină viteza de mișcare a moleculelor de apă unele față de altele, crește.

Pentru alte lichide, relația este inversă și aproape nicăieri nu se întâmplă ca vreun parametru important să se comporte nemonoton, adică. mai întâi a crescut, iar după trecerea unei valori critice de temperatură sau presiune a scăzut. A apărut o presupunere că, de fapt, apa nu este un singur lichid, ci un amestec de două componente care diferă în proprietăți, de exemplu, densitate și vâscozitate și, prin urmare, structura. Asemenea idei au început să apară la sfârșitul secolului al XIX-lea, când s-au acumulat o mulțime de date despre anomaliile apei.

Whiting a fost primul care a propus ideea că apa este formată din două componente în 1884. Paternitatea sa este citată de E.F. Fritsman în monografia „The Nature of Water. Heavy Water”, publicată în 1935. În 1891, V. Rengten a introdus conceptul a două stări ale apei, care diferă ca densitate. După aceasta, au apărut multe lucrări în care apa era considerată un amestec de asociați de diferite compoziții (hidroli).

Când structura gheții a fost determinată în anii 1920, s-a dovedit că moleculele de apă în stare cristalină formează o rețea continuă tridimensională în care fiecare moleculă are patru vecini cei mai apropiați, localizați la vârfurile unui tetraedru obișnuit. În 1933, J. Bernal și P. Fowler au sugerat că o rețea similară există în apa lichidă. Deoarece apa este mai densă decât gheața, ei credeau că moleculele din ea sunt aranjate nu ca în gheață, adică ca atomii de siliciu din tridimita minerală, ci ca atomii de siliciu dintr-o modificare mai densă a siliciului, cuarțul. Creșterea densității apei la încălzire de la 0 la 4C a fost explicată prin prezența componentei tridimite la temperaturi scăzute. Astfel, modelul lui Bernal Fowler a păstrat elementul de două structuri, dar principala lor realizare a fost ideea unei rețele tetraedrice continue. Apoi a apărut faimosul aforism al lui I. Langmuir: „Oceanul este o moleculă mare”. Specificarea excesivă a modelului nu a crescut numărul de susținători ai teoriei grilei unificate.

Abia în 1951 J. Pople a creat un model de grilă continuă, care nu era la fel de specific ca modelul lui Bernal Fowler. Pople și-a imaginat apa ca pe o rețea tetraedrică aleatorie, legăturile dintre moleculele în care sunt curbate și au lungimi diferite. Modelul lui Pople explică compactarea apei în timpul topirii prin îndoirea legăturilor. Când primele definiții ale structurii gheții II și IX au apărut în anii 60-70, a devenit clar cum îndoirea legăturilor poate duce la compactarea structurii. Modelul lui Pople nu a putut explica dependența nemonotonă a proprietăților apei de temperatură și presiune, precum și modelele cu două stări. Prin urmare, ideea a două state a fost împărtășită de mulți oameni de știință pentru o lungă perioadă de timp.

Dar în a doua jumătate a secolului al XX-lea a fost imposibil să fantezi cu privire la compoziția și structura hidrolilor așa cum făceau la începutul secolului. Se știa deja cum funcționează gheața și hidrații cristalini și știau multe despre legăturile de hidrogen. Pe lângă modelele continuum (modelul lui Pople), au apărut două grupuri de modele mixte: cluster și clatrat. În primul grup, apa a apărut sub formă de grupuri de molecule legate prin legături de hidrogen, care pluteau într-o mare de molecule care nu sunt implicate în astfel de legături. Al doilea grup de modele a tratat apa ca o rețea continuă (denumită de obicei cadru în acest context) de legături de hidrogen care conțineau goluri; ele conțin molecule care nu formează legături cu moleculele cadrului. Nu a fost dificil să selectăm proprietățile și concentrațiile a două microfaze ale modelelor cluster sau proprietățile cadrului și gradul de umplere a golurilor sale de modele de clatrat pentru a explica toate proprietățile apei, inclusiv celebrele anomalii.

Dintre modelele de cluster, cel mai izbitor a fost modelul lui G. Nemeti și H. Sheragi: Imaginile pe care le-au propus, ilustrând grupuri de molecule legate plutind într-o mare de molecule nelegate, au fost incluse în multe monografii.

Primul model de tip clatrat a fost propus în 1946 de O.Ya.Samoilov: în apă se păstrează o rețea de legături de hidrogen similară cu gheața hexagonală, ale cărei cavități sunt parțial umplute cu molecule de monomeri. L. Pauling în 1959 a creat o altă opțiune, sugerând că baza structurii ar putea fi o rețea de legături inerente unor hidrați cristalini.

În a doua jumătate a anilor ’60 și începutul anilor ’70 s-a observat o convergență a tuturor acestor opinii. Au apărut variante de modele de cluster în care moleculele din ambele microfaze sunt conectate prin legături de hidrogen. Susținătorii modelelor de clatrat au început să admită formarea de legături de hidrogen între moleculele goale și cadru. Adică, de fapt, autorii acestor modele consideră apa ca o rețea continuă de legături de hidrogen. Și vorbim despre cât de eterogenă este această grilă (de exemplu, ca densitate). Ideea apei ca clustere legate de hidrogen care plutesc într-o mare de molecule de apă nelegate a fost pusă capăt la începutul anilor optzeci, când G. Stanley a aplicat teoria percolației, care descrie tranzițiile de fază ale apei, la model de apă.

În 1999, celebrul cercetător rus al apei S.V. Zenin și-a susținut teza de doctorat la Institutul de Probleme Medicale și Biologice al Academiei Ruse de Științe privind teoria clusterelor, care a reprezentat un pas semnificativ în avansarea acestui domeniu de cercetare, a cărui complexitate este sporită de faptul că acestea se află la intersecția a trei științe: fizică, chimie și biologie. Pe baza datelor obținute prin trei metode fizico-chimice: refractometrie (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), cromatografia lichidă de înaltă performanță (S.V. Zenin și colab., 1998) și rezonanța magnetică a protonilor (C S.V. Zenin, 1993) construită și dovedită geometrică. modelul principal al formării structurale stabile a moleculelor de apă (apa structurată), iar apoi (S.V. Zenin, 2004) a fost obținută o imagine a acestor structuri folosind un microscop cu fază de contrast.

Știința a dovedit acum că particularitățile proprietăților fizice ale apei și numeroasele legături de hidrogen de scurtă durată între atomii de hidrogen și oxigen vecini dintr-o moleculă de apă creează oportunități favorabile pentru formarea de structuri asociate speciale (clustere) care percep, stochează și transmit un mare varietate de informații.

Unitatea structurală a unei astfel de ape este un grup format din clatrați, a cărui natură este determinată de forțele Coulomb cu rază lungă. Structura clusterelor codifică informații despre interacțiunile care au avut loc cu aceste molecule de apă. În clusterele de apă, datorită interacțiunii dintre legăturile covalente și de hidrogen dintre atomii de oxigen și atomii de hidrogen, migrarea unui proton (H+) poate avea loc printr-un mecanism de releu, ceea ce duce la delocalizarea protonului în cluster.

Apa, constând din multe grupuri de diferite tipuri, formează o structură spațială ierarhică de cristale lichide care poate percepe și stoca cantități uriașe de informații.

Figura (V.L. Voeikov) prezintă diagrame ale mai multor structuri simple de cluster ca exemplu.

Câteva structuri posibile ale clusterelor de apă

Câmpurile fizice de natură foarte diferită pot fi purtătoare de informații. Astfel, a fost stabilită posibilitatea interacțiunii informaționale de la distanță a structurii cristaline lichide a apei cu obiecte de diferite naturi folosind câmpuri electromagnetice, acustice și altele. Obiectul care influențează poate fi și o persoană.

Apa este o sursă de radiație electromagnetică alternativă ultra-slăbită și slabă. Radiația electromagnetică cea mai puțin haotică este creată de apa structurată. În acest caz, poate apărea inducția unui câmp electromagnetic corespunzător, modificând caracteristicile structurale și informaționale ale obiectelor biologice.

În ultimii ani, s-au obținut date importante despre proprietățile apei suprarăcite. Studierea apei la temperaturi scăzute este foarte interesantă, deoarece poate fi suprarăcită mai mult decât alte lichide. Cristalizarea apei, de regulă, începe pe unele neomogenități fie pe pereții vasului, fie pe particulele plutitoare de impurități solide. Prin urmare, nu este ușor de găsit temperatura la care apa suprarăcită s-ar cristaliza spontan. Dar oamenii de știință au reușit să facă acest lucru, iar acum temperatura așa-numitei nucleări omogene, când formarea cristalelor de gheață are loc simultan pe întregul volum, este cunoscută pentru presiuni de până la 0,3 GPa, adică acoperind regiunile de existență ale gheata II.

De la presiunea atmosferică până la limita care separă gheața I și II, această temperatură scade de la 231 la 180 K și apoi crește ușor până la 190 K. Sub această temperatură critică, apa lichidă este imposibilă în principiu.

Structura de gheață (poza din dreapta)

Cu toate acestea, există un mister asociat cu această temperatură. La mijlocul anilor optzeci, a fost descoperită o nouă modificare a gheții amorfe - gheața de înaltă densitate, iar acest lucru a ajutat la reînviarea ideii de apă ca un amestec de două stări. Nu structurile cristaline, ci structurile de gheață amorfă de diferite densități au fost considerate ca prototipuri. Acest concept a fost formulat în cea mai clară formă de către E.G. Ponyatovsky și V.V. Sinitsin, care au scris în 1999: „Apa este considerată o soluție obișnuită a două componente, configurațiile locale în care corespund ordinului scurt al modificărilor gheții amorfe. .” Mai mult, studiind ordinea pe distanță scurtă în apă suprarăcită la presiune ridicată folosind metode de difracție cu neutroni, oamenii de știință au reușit să găsească componente corespunzătoare acestor structuri.

O consecință a polimorfismului gheții amorfe a condus, de asemenea, la ipoteze despre separarea apei în două componente nemiscibile la temperaturi sub ipoteticul punct critic de temperatură scăzută. Din păcate, potrivit cercetătorilor, această temperatură la o presiune de 0,017 GPa este cu 230 K sub temperatura de nucleare, așa că nimeni nu a putut observa încă stratificarea apei lichide. Astfel, renașterea modelului cu două stări a ridicat problema eterogenității rețelei de legături de hidrogen din apa lichidă. Această eterogenitate poate fi înțeleasă doar folosind modelarea computerizată.

Vorbind despre structura cristalină a apei, trebuie remarcat faptul că sunt cunoscute 14 modificări ale gheții, dintre care majoritatea nu se găsesc în natură, în care moleculele de apă își păstrează ambele individualitate și sunt conectate prin legături de hidrogen. Pe de altă parte, există multe variante ale rețelei de legături de hidrogen în hidrați de clatrați. Energiile acestor rețele (gheață de înaltă presiune și hidrați de clatrați) nu sunt cu mult mai mari decât energiile gheților cubice și hexagonale. Prin urmare, fragmente din astfel de structuri pot apărea și în apa lichidă. Este posibil să se construiască nenumărate fragmente neperiodice diferite, ale căror molecule au patru vecini cei mai apropiați situate aproximativ la vârfurile tetraedrului, dar structura lor nu corespunde structurilor modificărilor cunoscute ale gheții. După cum au arătat numeroase calcule, energiile de interacțiune ale moleculelor din astfel de fragmente vor fi apropiate unele de altele și nu există niciun motiv să spunem că orice structură ar trebui să predomine în apa lichidă.

Studiile structurale ale apei pot fi studiate folosind diferite metode; spectroscopie de rezonanță magnetică de protoni, spectroscopie în infraroșu, difracție de raze X etc. De exemplu, difracția razelor X și a neutronilor a fost studiată de multe ori. Cu toate acestea, aceste experimente nu pot oferi informații detaliate despre structură. Neomogenitățile care diferă ca densitate ar putea fi observate prin împrăștierea razelor X și a neutronilor la unghiuri mici, dar astfel de neomogenități trebuie să fie mari, constând din sute de molecule de apă. Ar fi posibil să le vezi studiind împrăștierea luminii. Cu toate acestea, apa este un lichid excepțional de limpede. Singurul rezultat al experimentelor de difracție este funcția de distribuție radială, adică distanța dintre atomii de oxigen, hidrogen și oxigen-hidrogen. Din ele reiese clar că nu există o ordine pe termen lung în aranjarea moleculelor de apă. Aceste funcții se degradează mult mai repede pentru apă decât pentru majoritatea celorlalte lichide. De exemplu, distribuția distanțelor dintre atomii de oxigen la temperaturi apropiate de temperatura camerei dă doar trei maxime, la 2,8, 4,5 și 6,7. Primul maxim corespunde distanței până la cei mai apropiați vecini, iar valoarea lui este aproximativ egală cu lungimea legăturii de hidrogen. Al doilea maxim este aproape de lungimea medie a muchiei unui tetraedru: amintiți-vă că moleculele de apă din gheața hexagonală sunt situate de-a lungul vârfurilor unui tetraedru descris în jurul moleculei centrale. Iar cel de-al treilea maxim, foarte slab exprimat, corespunde distanței față de al treilea și mai îndepărtați vecini din rețeaua de hidrogen. Acest maxim în sine nu este foarte luminos și nu este nevoie să vorbim despre alte vârfuri. Au existat încercări de a obține informații mai detaliate din aceste distribuții. Deci, în 1969, I.S. Andrianov și I.Z. Fisher au găsit distanțele până la al optulea vecin, în timp ce la al cincilea vecin s-au dovedit a fi 3, iar la al șaselea 3,1. Acest lucru face posibilă obținerea de date despre mediul îndepărtat al moleculelor de apă.

O altă metodă de studiere a structurii - difracția cu neutroni pe cristale de apă - se realizează exact în același mod ca și difracția cu raze X. Cu toate acestea, datorită faptului că lungimile de împrăștiere a neutronilor nu diferă atât de mult între diferiți atomi, metoda de substituție izomorfă devine inacceptabilă. În practică, se lucrează de obicei cu un cristal a cărui structură moleculară a fost deja determinată aproximativ prin alte metode. Intensitățile de difracție a neutronilor sunt apoi măsurate pentru acest cristal. Pe baza acestor rezultate se realizează o transformată Fourier, în timpul căreia se folosesc intensitățile și fazele neutronilor măsurate, calculate ținând cont de atomii non-hidrogen, adică. atomi de oxigen, a căror poziție în modelul de structură este cunoscută. Apoi, pe harta Fourier astfel obținută, atomii de hidrogen și deuteriu sunt reprezentați cu greutăți mult mai mari decât pe harta densității electronice, deoarece contribuția acestor atomi la împrăștierea neutronilor este foarte mare. Folosind această hartă a densității, puteți determina, de exemplu, pozițiile atomilor de hidrogen (densitate negativă) și deuteriu (densitate pozitivă).

Este posibilă o variație a acestei metode, care constă în faptul că cristalul format în apă este păstrat în apă grea înainte de măsurători. În acest caz, difracția cu neutroni nu numai că face posibilă determinarea locului în care se află atomii de hidrogen, dar îi identifică și pe cei dintre ei care pot fi schimbați cu deuteriu, ceea ce este deosebit de important atunci când se studiază schimbul de izotopi (H-D). Astfel de informații ajută la confirmarea faptului că structura a fost stabilită corect.

Alte metode fac, de asemenea, posibilă studierea dinamicii moleculelor de apă. Acestea sunt experimente privind împrăștierea neutronilor cvasi-elastici, spectroscopie IR ultrarapidă și studiul difuziei apei folosind RMN sau atomi de deuteriu marcați. Metoda spectroscopiei RMN se bazează pe faptul că nucleul unui atom de hidrogen are un moment magnetic – spin – care interacționează cu câmpurile magnetice, constante și variabile. Din spectrul RMN se poate judeca in ce mediu se afla acesti atomi si nuclei, obtinandu-se astfel informatii despre structura moleculei.

Ca urmare a experimentelor privind împrăștierea cvasi-elastică a neutronilor în cristalele de apă, a fost măsurat cel mai important parametru - coeficientul de autodifuzie la diferite presiuni și temperaturi. Pentru a judeca coeficientul de autodifuzie din împrăștierea cvasielastică a neutronilor, este necesar să se facă o ipoteză despre natura mișcării moleculare. Dacă se mișcă în conformitate cu modelul lui Ya.I. Frenkel (un celebru fizician teoretic rus, autor al „Teoriei cinetice a lichidelor” - o carte clasică tradusă în mai multe limbi), numit și modelul „sărituri de așteptare”, atunci timpul de viață stabilit (timpul dintre sărituri) al unei molecule este de 3,2 picoseconde. Cele mai recente metode de spectroscopie laser femtosecundă au făcut posibilă estimarea duratei de viață a unei legături de hidrogen rupte: este nevoie de un proton 200 fs pentru a găsi un partener. Cu toate acestea, toate acestea sunt valori medii. Este posibil să se studieze detaliile structurii și naturii mișcării moleculelor de apă numai cu ajutorul simulării pe calculator, uneori numită experiment numeric.

Așa arată structura apei conform rezultatelor modelării computerizate (conform doctorului în științe chimice G.G. Malenkov). Structura generală dezordonată poate fi împărțită în două tipuri de regiuni (prezentate ca bile întunecate și luminoase), care diferă în structura lor, de exemplu, în volumul poliedrului Voronoi (a), gradul de tetraedritate al mediului imediat ( b), valoarea energiei potențiale (c), precum și în prezența a patru legături de hidrogen în fiecare moleculă (d). Cu toate acestea, aceste zone literalmente într-un moment, după câteva picosecunde, își vor schimba locația.

Simularea se realizează astfel. Structura de gheață este luată și încălzită până se topește. Apoi, după ceva timp pentru ca apa să uite de originea ei cristalină, se fac microfotografii instantanee.

Pentru a analiza structura apei, sunt selectați trei parametri:
- gradul de abatere a mediului local al moleculei de la vârfurile unui tetraedru regulat;
-energia potenţială a moleculelor;
-volumul așa-numitului poliedru Voronoi.

Pentru a construi acest poliedru, luați o muchie de la o moleculă dată la cea mai apropiată, împărțiți-o în jumătate și trageți un plan prin acest punct perpendicular pe margine. Aceasta dă volumul pe moleculă. Volumul unui poliedru este densitatea, tetraedritatea este gradul de distorsiune al legăturilor de hidrogen, energia este gradul de stabilitate al configurației moleculare. Moleculele cu valori similare ale fiecăruia dintre acești parametri tind să se grupeze în grupuri separate. Atât regiunile cu densitate mică, cât și cele cu densitate mare au valori energetice diferite, dar pot avea și aceleași valori energetice. Experimentele au arătat că zonele cu structuri diferite, clusterele apar spontan și se dezintegrează spontan. Întreaga structură a apei este vie și în continuă schimbare, iar timpul în care apar aceste schimbări este foarte scurt. Cercetătorii au monitorizat mișcările moleculelor și au descoperit că acestea efectuează vibrații neregulate cu o frecvență de aproximativ 0,5 ps și o amplitudine de 1 angstrom. Au fost de asemenea observate rare salturi lente de angstrom care durează picosecunde. În general, în 30 ps o moleculă se poate mișca cu 8-10 angstromi. Durata de viață a mediului local este, de asemenea, scurtă. Regiunile compuse din molecule cu valori similare ale volumului poliedrului Voronoi se pot descompune în 0,5 ps sau pot trăi câteva picoseconde. Dar distribuția duratelor de viață a legăturilor de hidrogen este foarte mare. Dar de această dată nu depășește 40 ps, ​​​​iar valoarea medie este de câțiva ps.

În concluzie, trebuie subliniat că Teoria structurii cluster a apei are multe capcane. De exemplu, Zenin sugerează că principalul element structural al apei este un grup de 57 de molecule format prin fuziunea a patru dodecaedre. Au fețe comune, iar centrele lor formează un tetraedru regulat. Se știe de mult că moleculele de apă pot fi localizate la vârfurile unui dodecaedru pentagonal; Un astfel de dodecaedru este baza hidraților de gaz. Prin urmare, nu este nimic surprinzător în presupunerea existenței unor astfel de structuri în apă, deși s-a spus deja că nicio structură specifică nu poate fi predominantă și există de mult timp. Prin urmare, este ciudat că se presupune că acest element este principalul și că conține exact 57 de molecule. Din bile, de exemplu, puteți asambla aceleași structuri, care constau din dodecaedre adiacente unul altuia și care conțin 200 de molecule. Zenin susține că procesul de polimerizare tridimensională a apei se oprește la 57 de molecule. În opinia sa, nu ar trebui să existe asociați mai mari. Cu toate acestea, dacă ar fi așa, cristalele hexagonale de gheață, care conțin un număr mare de molecule legate între ele prin legături de hidrogen, nu ar putea precipita din vaporii de apă. Nu este deloc clar de ce creșterea clusterului Zenin sa oprit la 57 de molecule. Pentru a evita contradicțiile, Zenin împachetează clustere în formațiuni mai complexe - romboedre - de aproape o mie de molecule, iar clusterele originale nu formează legături de hidrogen între ele. De ce? Cum diferă moleculele de pe suprafața lor de cele din interior? Potrivit lui Zenin, modelul grupărilor hidroxil de pe suprafața romboedrelor oferă memoria apei. În consecință, moleculele de apă din aceste complexe mari sunt fixate rigid, iar complexele în sine sunt solide. O astfel de apă nu va curge, iar punctul ei de topire, care este legat de greutatea moleculară, ar trebui să fie foarte mare.

Ce proprietăți ale apei explică modelul lui Zenin? Deoarece modelul se bazează pe structuri tetraedrice, poate fi mai mult sau mai puțin în concordanță cu datele de difracție de raze X și neutroni. Cu toate acestea, este puțin probabil ca modelul să explice scăderea densității în timpul topirii; împachetarea dodecaedrelor este mai puțin densă decât gheața. Dar cel mai greu este să fiți de acord cu un model cu proprietăți dinamice - fluiditate, o valoare mare a coeficientului de autodifuzie, corelație scurtă și timpi de relaxare dielectrică, care se măsoară în picosecunde.

Ph.D. O.V. Mosin

Referinte:
G.G. Malenkov. Progrese în chimia fizică, 2001
S.V.Zenin, B.M. Polanuer, B.V. Tyaglov. Dovada experimentală a prezenței fracțiilor de apă. G. Medicina homeopata si acupunctura. 1997.Nr.2.P.42-46.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov. Model hidrofob al structurii asociaților moleculelor de apă. J. Chimie fizică.. 1994. T. 68. Nr. 4. P. 636-641.
S.V. Zenin Studiul structurii apei folosind metoda rezonanței magnetice a protonilor. Dokl.RAN.1993.T.332.Nr.3.S.328-329.
S.V.Zenin, B.V.Tyaglov. Natura interacțiunii hidrofobe. Apariția câmpurilor de orientare în soluții apoase. J. Chimie fizică.. 1994. T. 68. Nr. 3. P. 500-503.
S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, G.B. Sergeev, Z.A. Şabarova. Studiul interacțiunilor intramoleculare în nucleotidamide folosind RMN. Materialele celei de-a 2-a Conf. Prin dinamică Stereochimie. Odesa.1975.p.53.
S.V. Zenin. Starea structurată a apei ca bază pentru controlul comportamentului și siguranței sistemelor vii. teză. Doctor în științe biologice. Centrul Științific de Stat „Institutul de Probleme Medicale și Biologice” (SSC „IMBP”). Protejat 1999. 05. 27. UDC 577.32:57.089.001.66.207 str.
IN SI. Slesarev. Raport privind progresul cercetării

Proprietățile apei

De ce este apa apa?

Printre marea varietate de substanțe, apa cu proprietățile sale fizice și chimice ocupă un loc cu totul aparte, excepțional. Și acest lucru trebuie luat la propriu.

Aproape toate proprietățile fizice și chimice ale apei sunt excepții în natură. Este cu adevărat cea mai uimitoare substanță din lume. Apa este uimitoare nu numai pentru varietatea formelor izotopice ale moleculei și nu numai pentru speranțele care îi sunt asociate ca sursă inepuizabilă de energie pentru viitor. În plus, este uimitor pentru proprietățile sale foarte obișnuite.

Cum se construiește o moleculă de apă?

Cum se formează o moleculă de apă este acum cunoscut foarte precis. Este construit așa.

Pozițiile relative ale nucleelor ​​atomilor de hidrogen și oxigen și distanța dintre ele au fost bine studiate și măsurate. S-a dovedit că molecula de apă este neliniară. Împreună cu învelișurile de electroni ale atomilor, o moleculă de apă, dacă o priviți „din lateral”, ar putea fi descrisă astfel:

adică geometric, aranjarea reciprocă a sarcinilor într-o moleculă poate fi descrisă ca un simplu tetraedru. Toate moleculele de apă cu orice compoziție izotopică sunt construite exact la fel.

Câte molecule de apă există în ocean?

Unu. Și acest răspuns nu este tocmai o glumă. Desigur, oricine poate, uitându-se la o carte de referință și aflând câtă apă este în Oceanul Mondial, să calculeze cu ușurință câte molecule de H2O conține. Dar un astfel de răspuns nu va fi în întregime corect. Apa este o substanță specială. Datorită structurii lor unice, moleculele individuale interacționează între ele. O legătură chimică specială apare datorită faptului că fiecare dintre atomii de hidrogen ai unei molecule atrage electronii atomilor de oxigen din moleculele vecine. Datorită acestei legături de hidrogen, fiecare moleculă de apă devine destul de strâns legată de alte patru molecule învecinate, așa cum se arată în diagramă. Adevărat, această diagramă este prea simplificată - este plată, altfel nu poate fi reprezentată în figură. Să ne imaginăm o imagine puțin mai precisă. Pentru a face acest lucru, trebuie să țineți cont de faptul că planul în care sunt situate legăturile de hidrogen (sunt indicate printr-o linie punctată) într-o moleculă de apă este îndreptat perpendicular pe planul de localizare al atomilor de hidrogen.

Toate moleculele individuale de H2O din apă se dovedesc a fi conectate într-o singură rețea spațială continuă - într-o moleculă gigantică. Prin urmare, afirmația unor chimiști fizicieni că întregul ocean este o moleculă este destul de justificată. Dar această afirmație nu trebuie luată prea literal. Deși toate moleculele de apă din apă sunt conectate între ele prin legături de hidrogen, ele se află în același timp într-un echilibru mobil foarte complex, păstrând proprietățile individuale ale moleculelor individuale și formând agregate complexe. Această idee se aplică nu numai apei: o bucată de diamant este, de asemenea, o moleculă.

Cum se construiește o moleculă de gheață?

Nu există molecule speciale de gheață. Moleculele de apă, datorită structurii lor remarcabile, sunt legate între ele într-o bucată de gheață, astfel încât fiecare dintre ele este conectată și înconjurată de alte patru molecule. Acest lucru duce la apariția unei structuri de gheață foarte liberă, în care rămâne mult volum liber. Structura cristalină corectă a gheții este exprimată în grația uimitoare a fulgilor de zăpadă și frumusețea modelelor înghețate de pe geamurile înghețate.

Cum se formează moleculele de apă în apă?

Din păcate, această problemă foarte importantă nu a fost încă studiată suficient. Structura moleculelor din apa lichidă este foarte complexă. Când gheața se topește, structura sa de rețea este parțial conservată în apa rezultată. Moleculele din apa de topire constau din multe molecule simple - agregate care păstrează proprietățile gheții. Pe măsură ce temperatura crește, unele dintre ele se dezintegrează și dimensiunile lor devin mai mici.

Atracția reciprocă duce la faptul că dimensiunea medie a unei molecule complexe de apă din apa lichidă depășește semnificativ dimensiunea unei singure molecule de apă. Această structură moleculară extraordinară a apei determină proprietățile sale fizico-chimice extraordinare.

Care ar trebui să fie densitatea apei?

Nu este o întrebare foarte ciudată? Amintiți-vă cum a fost stabilită unitatea de masă - un gram. Aceasta este masa unui centimetru cub de apă. Aceasta înseamnă că nu poate exista nicio îndoială că densitatea apei ar trebui să fie doar ceea ce este. Poate exista vreo îndoială în legătură cu asta? Poate sa. Teoreticienii au calculat că, dacă apa nu ar păstra o structură liberă, asemănătoare gheții în stare lichidă, iar moleculele sale ar fi strâns împachetate, atunci densitatea apei ar fi mult mai mare. La 25°C ar fi egal nu cu 1,0, ci cu 1,8 g/cm3.

La ce temperatură ar trebui să fiarbă apa?

Această întrebare este, desigur, ciudată. La urma urmei, apa fierbe la o sută de grade. Toată lumea știe asta. Mai mult, toată lumea știe că este punctul de fierbere al apei la presiunea atmosferică normală care a fost ales ca unul dintre punctele de referință ale scalei de temperatură, desemnat convențional 100°C.

Cu toate acestea, întrebarea este pusă diferit: la ce temperatură ar trebui să fiarbă apa? La urma urmei, temperaturile de fierbere ale diferitelor substanțe nu sunt întâmplătoare. Ele depind de poziția elementelor care formează moleculele lor în tabelul periodic al lui Mendeleev.

Dacă comparăm compuși chimici ai diferitelor elemente cu aceeași compoziție care aparțin aceleiași grupe a tabelului periodic, este ușor de observat că cu cât numărul atomic al unui element este mai mic, cu atât greutatea atomică a acestuia este mai mică, cu atât este mai mic punctul de fierbere al unui element. compușii săi. Pe baza compoziției sale chimice, apa poate fi numită hidrură de oxigen. H2Te, H2Se și H2S sunt analogi chimici ai apei. Dacă le monitorizați punctele de fierbere și comparați modul în care punctele de fierbere ale hidrurilor se modifică în alte grupuri ale tabelului periodic, atunci puteți determina cu destulă precizie punctul de fierbere al oricărei hidruri, la fel ca orice alt compus. Mendeleev însuși a fost capabil să prezică proprietățile compușilor chimici ai elementelor încă nedescoperite în acest fel.

Dacă determinăm punctul de fierbere al hidrurii de oxigen prin poziția sa în tabelul periodic, se dovedește că apa ar trebui să fiarbă la -80 ° C. În consecință, apa fierbe cu aproximativ o sută optzeci de grade mai mult , decât ar trebui să fiarbă. Punctul de fierbere al apei - aceasta este proprietatea sa cea mai comună - se dovedește a fi extraordinar și surprinzător.

Proprietățile oricărui compus chimic depind de natura elementelor care îl formează și, prin urmare, de poziția lor în tabelul periodic al elementelor chimice al lui Mendeleev. Aceste grafice arată dependențele temperaturilor de fierbere și de topire ale compușilor cu hidrogen din grupele IV și VI ale sistemului periodic. Apa este o excepție izbitoare. Datorită razei foarte mici a protonului, forțele de interacțiune dintre moleculele sale sunt atât de mari încât este foarte dificil să le separi, motiv pentru care apa fierbe și se topește la temperaturi anormal de ridicate.

Graficul A. Dependența normală a punctului de fierbere al hidrurilor elementelor din grupa IV de poziția lor în tabelul periodic.

Graficul B. Dintre hidrurile elementelor din grupa VI, apa are proprietăți anormale: apa trebuie să fiarbă la minus 80 - minus 90 ° C, dar fierbe la plus 100 ° C.

Graficul B. Dependența normală a temperaturii de topire a hidrurilor elementelor din grupa IV de poziția lor în tabelul periodic.

Graficul D. Printre hidrurile elementelor din grupa VI, apa încalcă ordinea: ar trebui să se topească la minus 100 ° C, iar gheața gheață se topește la 0 ° C.

La ce temperatură îngheață apa?

Nu este adevărat că întrebarea nu este mai puțin ciudată decât cele anterioare? Ei bine, cine nu știe că apa îngheață la zero grade? Acesta este al doilea punct de referință al termometrului. Aceasta este cea mai comună proprietate a apei. Dar chiar și în acest caz, se poate întreba: la ce temperatură ar trebui să înghețe apa în conformitate cu natura sa chimică? Se pare că hidrura de oxigen, pe baza poziției sale în tabelul periodic, ar fi trebuit să se solidifice la o sută de grade sub zero.

Câte stări lichide de apă există?

La această întrebare nu este atât de ușor de răspuns. Desigur, există și un lucru - apa lichidă cu care suntem familiarizați cu toții. Dar apa lichidă are proprietăți atât de extraordinare încât trebuie să ne întrebăm dacă un astfel de simplu, aparent neprovocator

fara indoiala raspunsul? Apa este singura substanță din lume care, după ce se topește, mai întâi se contractă și apoi începe să se extindă pe măsură ce temperatura crește. La aproximativ 4°C, apa este la cea mai mare densitate. Această anomalie rară a proprietăților apei se explică prin faptul că, în realitate, apa lichidă este o soluție complexă cu o compoziție complet neobișnuită: este o soluție de apă în apă.

Când gheața se topește, se formează mai întâi molecule mari și complexe de apă. Ele rețin rămășițe din structura cristalină liberă a gheții și sunt dizolvate în apă obișnuită cu greutate moleculară mică. Prin urmare, la început densitatea apei este scăzută, dar pe măsură ce temperatura crește, aceste molecule mari se descompun și astfel densitatea apei crește până când preia dilatarea termică normală, moment în care densitatea apei scade din nou. Dacă acest lucru este adevărat, atunci sunt posibile mai multe stări ale apei, dar nimeni nu știe cum să le separe. Și încă nu se știe dacă acest lucru va fi vreodată posibil. Această proprietate extraordinară a apei este de mare importanță pentru viață. În rezervoare, înainte de debutul iernii, apa de răcire scade treptat până când temperatura întregului rezervor ajunge la 4°C. Odată cu răcirea ulterioară, apa mai rece rămâne deasupra și amestecarea se oprește. Ca urmare, se creează o situație extraordinară: un strat subțire de apă rece devine ca o „pătură caldă” pentru toți locuitorii lumii subacvatice. La 4°C se simt destul de bine.

Ce ar trebui să fie mai ușor - apă sau gheață?

Cine nu știe asta... La urma urmei, gheața plutește pe apă. Aisberguri gigantice plutesc în ocean. Iarna lacurile sunt acoperite cu un strat continuu plutitor de gheață. Desigur, gheața este mai ușoară decât apa.

Dar de ce „desigur”? Este atât de clar? Dimpotrivă, volumul tuturor solidelor crește în timpul topirii și se îneacă în propria topitură. Dar gheața plutește în apă. Această proprietate a apei este o anomalie în natură, o excepție și, în plus, o excepție absolut remarcabilă.

Sarcinile pozitive dintr-o moleculă de apă sunt asociate cu atomii de hidrogen. Sarcinile negative sunt electronii de valență ai oxigenului. Dispunerea lor relativă într-o moleculă de apă poate fi descrisă ca un simplu tetraedru.

Să încercăm să ne imaginăm cum ar arăta lumea dacă apa ar avea proprietăți normale și gheața ar fi, așa cum ar trebui să fie orice substanță normală, mai densă decât apa lichidă. Iarna, gheața mai densă înghețată de sus s-ar scufunda în apă, scufundându-se continuu în fundul rezervorului. Vara, gheața, protejată de un strat de apă rece, nu se putea topi. Treptat, toate lacurile, iazurile, râurile, pâraiele aveau să înghețe complet, transformându-se în blocuri uriașe de gheață. În cele din urmă, mările aveau să înghețe, urmate de oceane. Lumea noastră frumoasă și înfloritoare ar deveni un deșert înghețat continuu, acoperit ici și colo cu un strat subțire de apă topită.

Câte gheață sunt?

În natura, pe Pământul nostru, există doar una: gheața obișnuită. Gheața este o rocă cu proprietăți extraordinare. Este solid, dar curge ca un lichid și există râuri uriașe de gheață care curg încet din munții înalți. Gheața este schimbabilă - dispare continuu și se formează din nou. Gheața este neobișnuit de puternică și durabilă - timp de zeci de mii de ani păstrează fără modificări corpurile mamuților care au murit accidental în crăpăturile glaciare. În laboratoarele sale, omul a reușit să descopere cel puțin încă șase gheață diferite, nu mai puțin uimitoare. Ele nu pot fi găsite în natură. Ele pot exista doar la presiuni foarte mari. Gheața obișnuită se păstrează până la o presiune de 208 MPa (megapascali), dar la această presiune se topește la -22 °C. Dacă presiunea este mai mare de 208 MPa, apare gheață densă - gheață-III. Este mai greu decât apa și se scufundă în ea. La o temperatură mai scăzută și o presiune mai mare - până la 300 MPa - se formează gheață-P și mai densă. Presiunea peste 500 MPa transformă gheața în gheață-V. Această gheață poate fi încălzită la aproape 0 ° C și nu se va topi, deși este sub o presiune enormă. La o presiune de aproximativ 2 GPa (gigapascali), apare gheața-VI. Aceasta este literalmente gheață fierbinte - poate rezista la temperaturi de 80 ° C fără să se topească. Gheața-VII, găsită la presiunea 3GP, poate fi numită gheață fierbinte. Aceasta este cea mai densă și mai refractară gheață cunoscută. Se topește doar la 190° peste zero.

Ice-VII are o duritate neobișnuit de mare. Această gheață poate provoca chiar și dezastre bruște. Lagărele în care se rotesc arborii turbinelor puternice ale centralelor electrice dezvoltă o presiune enormă. Dacă chiar și puțină apă intră în grăsime, aceasta va îngheța, chiar dacă temperatura rulmentului este foarte ridicată. Particulele de gheață-VII rezultate, care au o duritate enormă, vor începe să distrugă arborele și rulmentul și vor duce rapid la defectarea acestora.

Poate că există și gheață în spațiu?

De parcă există și, în același timp, foarte ciudat. Dar oamenii de știință de pe Pământ l-au descoperit, deși o astfel de gheață nu poate exista pe planeta noastră. Densitatea tuturor gheții cunoscute în prezent, chiar și la presiuni foarte mari, depășește doar foarte puțin 1 g/cm3. Densitatea modificărilor hexagonale și cubice ale gheții la presiuni și temperaturi foarte scăzute, chiar și aproape de zero absolut, este puțin mai mică decât unitatea. Densitatea lor este de 0,94 g/cm3.

Dar s-a dovedit că în vid, la presiuni neglijabile și la temperaturi sub -170 ° C, în condițiile în care se formează gheață atunci când se condensează din abur pe o suprafață solidă răcită, apare gheața absolut uimitoare. Densitatea sa este... 2,3 g/cm3. Toată gheața cunoscută până acum este cristalină, dar această nouă gheață este aparent amorfa, caracterizată printr-o aranjare relativă aleatorie a moleculelor individuale de apă; Nu are o structură cristalină specifică. Din acest motiv, uneori se numește gheață de sticlă. Oamenii de știință sunt încrezători că această gheață uimitoare trebuie să apară în condiții de spațiu și să joace un rol important în fizica planetelor și cometelor. Descoperirea unei astfel de gheață super-densă a fost neașteptată pentru fizicieni.

Ce este nevoie pentru ca gheața să se topească?

Multă căldură. Mult mai mult decât ar fi nevoie pentru a topi aceeași cantitate de orice altă substanță. Căldura specifică excepțional de mare de fuziune -80 cal (335 J) per gram de gheață este, de asemenea, o proprietate anormală a apei. Când apa îngheață, aceeași cantitate de căldură este eliberată din nou.

Când vine iarna, se formează gheață, cade zăpadă și apa redă căldură, încălzind pământul și aerul. Ele rezistă frigului și înmoaie trecerea la iarna aspră. Datorită acestei minunate proprietăți a apei, toamna și primăvara există pe planeta noastră.

Câtă căldură este necesară pentru a încălzi apa?

Asa de mult. Mai mult decât este nevoie pentru a încălzi o cantitate egală de orice altă substanță. Este nevoie de o calorie (4,2 J) pentru a încălzi un gram de apă cu un grad. Aceasta este mai mult decât dublul capacității de căldură a oricărui compus chimic.

Apa este o substanță extraordinară în cele mai obișnuite proprietăți pentru noi. Desigur, această capacitate a apei este foarte importantă nu numai atunci când gătești cina în bucătărie. Apa este marele distribuitor de căldură pe Pământ. Încălzită de Soare sub ecuator, transferă căldură în Oceanul Mondial cu fluxuri gigantice de curenți marini către regiunile polare îndepărtate, unde viața este posibilă numai datorită acestei uimitoare caracteristici a apei.

De ce este apa din mare sărată?

Aceasta este poate una dintre cele mai importante consecințe ale uneia dintre cele mai uimitoare proprietăți ale apei. În molecula sa, centrele sarcinilor pozitive și negative sunt puternic deplasate unul față de celălalt. Prin urmare, apa are o valoare excepțional de mare, anormală a constantei dielectrice. Pentru apă, e = 80, iar pentru aer și vid, e = 1. Aceasta înseamnă că oricare două sarcini opuse din apă sunt atrase reciproc una de cealaltă cu o forță de 80 de ori mai mică decât în ​​aer. La urma urmei, conform legii lui Coulomb:

Dar totuși, legăturile intermoleculare din toate corpurile, care determină puterea corpului, sunt cauzate de interacțiunea dintre sarcinile pozitive ale nucleelor ​​atomice și electronii negativi. La suprafața unui corp scufundat în apă, forțele care acționează între molecule sau atomi sunt slăbite sub influența apei de aproape o sută de ori. Dacă puterea de legătură rămasă între molecule devine insuficientă pentru a rezista la efectele mișcării termice, moleculele sau atomii corpului încep să se desprindă de la suprafața sa și să treacă în apă. Corpul începe să se dizolve, despărțindu-se fie în molecule individuale, precum zahărul într-un pahar de ceai, fie în particule încărcate - ioni, cum ar fi sarea de masă.

Datorită constantei sale dielectrice anormal de ridicate, apa este unul dintre cei mai puternici solvenți. Este chiar capabil să dizolve orice rocă de pe suprafața pământului. Încet și inevitabil, distruge chiar și granitele, leșiând componente ușor solubile din ele.

Pârâurile, râurile și râurile transportă impurități dizolvate în apă în ocean. Apa din ocean se evaporă și se întoarce din nou pe pământ pentru a-și continua munca veșnică din nou și din nou. Și sărurile dizolvate rămân în mări și oceane.

Să nu credeți că apa se dizolvă și duce în mare doar ceea ce este ușor solubil și că apa de mare conține doar sare obișnuită care stă pe masă. Nu, apa de mare conține aproape toate elementele care există în natură. Conține magneziu, calciu, sulf, brom, iod și fluor. Fier, cupru, nichel, staniu, uraniu, cobalt, chiar argint și aur au fost găsite în cantități mai mici. Chimiștii au găsit peste șaizeci de elemente în apa de mare. Probabil că toate celelalte vor fi găsite. Cea mai mare parte a sării din apa de mare este sare de masă. De aceea apa din mare este sărată.

Este posibil să alergi pe suprafața apei?

Poate sa. Pentru a vedea acest lucru, priviți vara la suprafața oricărui iaz sau lac. O mulțime de oameni vii și rapizi nu numai că merg pe apă, ci și aleargă. Dacă luăm în considerare că aria de susținere a picioarelor acestor insecte este foarte mică, atunci nu este greu de înțeles că, în ciuda greutății lor reduse, suprafața apei poate rezista la o presiune semnificativă fără a pătrunde.

Poate curge apa în sus?

Da poate. Acest lucru se întâmplă tot timpul și peste tot. Apa însăși se ridică în sol, umezind întreaga grosime a pământului de la nivelul apei subterane. Apa însăși se ridică prin vasele capilare ale copacului și ajută planta să livreze nutrienții dizolvați la înălțimi mari - de la rădăcinile adânc ascunse în pământ până la frunze și fructe. Apa însăși se mișcă în sus în porii hârtiei absorbante atunci când trebuie să uscați o petă sau în țesătura unui prosop când vă ștergeți fața. În tuburi foarte subțiri - în capilare - apa se poate ridica la o înălțime de câțiva metri.

Ce explică asta?

O altă caracteristică remarcabilă a apei este tensiunea de suprafață excepțional de mare. Moleculele de apă de pe suprafața sa experimentează forțele de atracție intermoleculară doar pe o parte, iar în apă această interacțiune este anormal de puternică. Prin urmare, fiecare moleculă de pe suprafața sa este atrasă în lichid. Ca urmare, apare o forță care strânge suprafața lichidului.În apă este deosebit de puternic: tensiunea sa superficială este de 72 mN/m (milinewtoni pe metru).

Își poate aminti apa?

Această întrebare sună, desigur, foarte neobișnuit, dar este destul de serioasă și foarte importantă. Se referă la o mare problemă fizico-chimică, care în partea sa cea mai importantă nu a fost încă investigată. Această întrebare tocmai a fost pusă în știință, dar încă nu a găsit un răspuns la ea.

Întrebarea este: istoria anterioară a apei influențează proprietățile sale fizice și chimice și este posibil, studiind proprietățile apei, să aflăm ce s-a întâmplat cu ea mai devreme - să facem ca apa însăși să-și „amintească” și să ne povestească despre ea . Da, poate, oricât de surprinzător ar părea. Cel mai simplu mod de a înțelege acest lucru este cu un exemplu simplu, dar foarte interesant și extraordinar - memoria gheții.

Gheața este apă până la urmă. Când apa se evaporă, compoziția izotopică a apei și a aburului se modifică. Apa ușoară se evaporă, deși într-o măsură nesemnificativă, mai repede decât apa grea.

Când apa naturală se evaporă, compoziția se modifică în conținutul izotopic nu numai de deuteriu, ci și de oxigen greu. Aceste modificări ale compoziției izotopice a aburului au fost foarte bine studiate, iar dependența lor de temperatură a fost, de asemenea, bine studiată.

Recent, oamenii de știință au efectuat un experiment remarcabil. În Arctica, în grosimea unui ghețar uriaș din nordul Groenlandei, a fost scufundată o gaură de foraj și a fost forat și extras un miez uriaș de gheață lung de aproape un kilometru și jumătate. Straturile anuale de gheață în creștere erau clar vizibile pe ea. Pe toată lungimea miezului, aceste straturi au fost supuse analizei izotopice, iar pe baza conținutului relativ de izotopi grei de hidrogen și oxigen - deuteriu și 18O - au fost determinate temperaturile de formare a straturilor anuale de gheață în fiecare secțiune de miez. Data formării stratului anual a fost determinată prin numărare directă. În acest fel, situația climatică de pe Pământ a fost restabilită timp de un mileniu. Apa a reușit să-și amintească și să înregistreze toate acestea în straturile adânci ale ghețarului Groenlanda.

Ca rezultat al analizelor izotopice ale straturilor de gheață, oamenii de știință au construit o curbă a schimbărilor climatice pe Pământ. S-a dovedit că temperatura noastră medie este supusă fluctuațiilor seculare. Era foarte frig în secolul al XV-lea, la sfârșitul secolului al XVII-lea. iar la începutul secolului al XIX-lea. Cei mai tari ani au fost 1550 si 1930.

Atunci care este misterul „memoriei” apei?

Cert este că în ultimii ani, știința a acumulat treptat multe fapte uimitoare și complet de neînțeles. Unele dintre ele sunt bine stabilite, altele necesită o confirmare cantitativă de încredere și toate încă așteaptă să fie explicate.

De exemplu, nimeni nu știe încă ce se întâmplă cu apa care curge printr-un câmp magnetic puternic. Fizicienii teoreticieni sunt absolut siguri că nimic nu se poate întâmpla și nu se va întâmpla, întărindu-și convingerea cu calcule teoretice complet fiabile, din care rezultă că, după încetarea câmpului magnetic, apa ar trebui să revină instantaneu la starea anterioară și să rămână așa cum este. a fost . Și experiența arată că se schimbă și devine diferit.

Există o mare diferență? Judecă singur. Din apa obișnuită dintr-un cazan cu abur, sărurile dizolvate, eliberate, se depun într-un strat dens și dur, ca o piatră, pe pereții conductelor cazanului, iar din apa magnetizată (cum se numește acum în tehnologie) cad. sub forma unui sediment liber suspendat în apă. Se pare că diferența este mică. Dar depinde de punct de vedere. Potrivit lucrătorilor de la centralele termice, această diferență este extrem de semnificativă, deoarece apa magnetizată asigură funcționarea normală și neîntreruptă a centralelor electrice gigantice: pereții conductelor cazanelor cu abur nu devin supraîncărcate, transferul de căldură este mai mare, iar generarea de energie electrică este mai mare. Tratarea magnetică a apei a fost instalată de mult timp la multe stații termice, dar nici inginerii, nici oamenii de știință nu știu cum și de ce funcționează. În plus, s-a observat experimental că după tratarea magnetică a apei, procesele de cristalizare, dizolvare, adsorbție sunt accelerate în ea, iar umezirea se modifică... totuși, în toate cazurile efectele sunt mici și greu de reprodus.

Efectul unui câmp magnetic asupra apei (neapărat cu curgere rapidă) durează mici fracțiuni de secundă, dar apa „își amintește” acest lucru timp de zeci de ore. De ce este necunoscut. În această chestiune, practica este cu mult înaintea științei. La urma urmei, nu se știe ce anume afectează tratamentul magnetic - apa sau impuritățile conținute în ea. Nu există apă pură.

„Memoria” apei nu se limitează la păstrarea efectelor influenței magnetice. În știință, multe fapte și observații există și se acumulează treptat, arătând că apa pare să-și „amintească” că a fost înghețată anterior.

Apa topită, formată recent prin topirea unei bucăți de gheață, pare să fie și ea diferită de apa din care s-a format această bucată de gheață. În apa topită, semințele germinează mai repede și mai bine, mugurii se dezvoltă mai repede; în plus, puii care primesc apă de topire par să crească și să se dezvolte mai repede. Pe lângă proprietățile uimitoare ale apei de topire, stabilite de biologi, sunt cunoscute și diferențe pur fizice și chimice, de exemplu, apa de topire diferă ca vâscozitate și constantă dielectrică. Vâscozitatea apei de topire capătă valoarea ei obișnuită pentru apă doar la 3-6 zile după topire. De ce este așa (dacă este așa), nimeni altcineva nu știe.

Majoritatea cercetătorilor numesc această zonă de fenomene „memoria structurală” a apei, considerând că toate aceste manifestări ciudate ale influenței istoriei anterioare a apei asupra proprietăților sale sunt explicate prin modificări ale structurii fine a stării sale moleculare. Poate că așa este, dar... a numi nu înseamnă a explica. Există încă o problemă importantă în știință: de ce și cum apa „își amintește” ce sa întâmplat cu ea.

De unde a venit apa de pe Pământ?

Fluxuri de raze cosmice - fluxuri de particule cu energie enormă - pătrund pentru totdeauna în Univers în toate direcțiile. Cele mai multe dintre ele conțin protoni - nucleele atomilor de hidrogen. În mișcarea sa în spațiu, planeta noastră este supusă în mod continuu unui „bombardament cu protoni”. Pătrunzând în straturile superioare ale atmosferei terestre, protonii captează electroni, se transformă în atomi de hidrogen și reacţionează imediat cu oxigenul pentru a forma apă. Calculele arată că în fiecare an se naște în stratosferă aproape o tone și jumătate de astfel de apă „cosmică”. La altitudini mari la temperaturi scăzute, elasticitatea vaporilor de apă este foarte mică, iar moleculele de apă, acumulându-se treptat, se condensează pe particulele de praf cosmic, formând nori noctilucenți misterioși. Oamenii de știință sugerează că acestea constau din cristale de gheață minuscule care au apărut dintr-o astfel de apă „cosmică”. Calculele au arătat că apa care a apărut pe Pământ în acest fel de-a lungul istoriei sale ar fi doar suficientă pentru a da naștere tuturor oceanelor planetei noastre. Deci, apa a venit pe Pământ din spațiu? Dar...

Geochimiștii nu consideră apa un oaspete ceresc. Ei sunt convinși că ea este de origine pământească. Rocile care alcătuiesc mantaua pământului, care se află între miezul central al Pământului și scoarța terestră, s-au topit pe alocuri sub influența căldurii acumulate de dezintegrare radioactivă a izotopilor. Dintre aceștia, s-au eliberat componente volatile: compuși de azot, clor, carbon și sulf și, mai ales, au fost eliberați vapori de apă.

Cât de mult ar putea emite toți vulcanii în timpul erupțiilor pe toată durata existenței planetei noastre?

Oamenii de știință au calculat și acest lucru. S-a dovedit că o astfel de apă „geologică” eruptă ar fi, de asemenea, suficientă pentru a umple toate oceanele.

În părțile centrale ale planetei noastre, formându-și miezul, probabil că nu există apă. Este puțin probabil să existe acolo. Unii oameni de știință cred că în plus, chiar dacă oxigenul și hidrogenul sunt prezente acolo, atunci ei trebuie, împreună cu alte elemente, să formeze noi pentru știință, forme necunoscute de compuși asemănătoare metalelor, care au o densitate mare și sunt stabile la presiuni și temperaturi enorme. care domnesc în centrul globului .

Alți cercetători sunt încrezători că miezul globului este format din fier. Ceea ce de fapt nu este atât de departe de noi, sub picioarele noastre, la adâncimi care depășesc 3 mii de km, nimeni nu știe încă, dar probabil că nu există apă acolo.

Cea mai mare parte a apei din interiorul Pământului se găsește în mantaua acesteia - straturi situate sub scoarța terestră și care se extind până la o adâncime de aproximativ 3 mii de km. Geologii cred că cel puțin 13 miliarde de metri cubi sunt concentrați în manta. km de apă.

Stratul superior al învelișului pământului - scoarța terestră - conține aproximativ 1,5 miliarde de metri cubi. km de apă. Aproape toată apa din aceste straturi este în stare legată - face parte din roci și minerale, formând hidrați. Nu te poți scălda în această apă și nu o poți bea.

Hidrosfera, învelișul de apă al globului, este formată din aproximativ încă 1,5 miliarde de metri cubi. km de apă. Aproape toată această cantitate este conținută în Oceanul Mondial. Ocupă aproximativ 70% din întreaga suprafață a pământului, suprafața sa este de peste 360 ​​de milioane de metri pătrați. km. Din spațiu, planeta noastră nu arată deloc ca un glob, ci mai degrabă ca un balon cu apă.

Adâncimea medie a Oceanului este de aproximativ 4 km. Dacă comparăm această „adâncime fără fund” cu dimensiunea globului în sine, al cărui diametru mediu este egal cu km, atunci, dimpotrivă, va trebui să recunoaștem că trăim pe o planetă umedă, este doar ușor umezită. cu apă și chiar și atunci nu pe toată suprafața. Apa din oceane și mări este sărată - nu o puteți bea.

Pe uscat este foarte puțină apă: doar aproximativ 90 de milioane de metri cubi. km. Dintre acestea, peste 60 de milioane de metri cubi. km este subteran, aproape toata apa sarata. Aproximativ 25 de milioane de metri cubi. km de apă solidă se află în regiunile muntoase și glaciare, în Arctica, Groenlanda și Antarctica. Aceste rezerve de apă de pe glob sunt protejate.

Toate lacurile, mlaștinile, rezervoarele artificiale și solul conțin încă 500 de mii de metri cubi. km de apă.

Apa este prezentă și în atmosferă. Întotdeauna sunt mulți vapori de apă în aer, chiar și în cele mai aride deșerturi, unde nu este o picătură de apă și nu plouă niciodată. În plus, norii plutesc mereu pe cer, norii se adună, ninge, plouă și ceața se întinde pe pământ. Toate aceste rezerve de apă din atmosferă au fost calculate cu precizie: toate luate împreună se ridică la doar 14 mii de metri cubi. km.

Și aici putem trece la a doua categorie. Sub cuvânt "gheaţă" Suntem obișnuiți să înțelegem starea în fază solidă a apei. Dar, pe lângă aceasta, și alte substanțe sunt supuse înghețului. Astfel, gheața poate fi distinsă prin compoziția chimică a substanței originale, de exemplu, dioxid de carbon, amoniac, gheață metan și altele.

În al treilea rând, există rețele cristaline (modificări) de gheață de apă, a căror formare este determinată de un factor termodinamic. Despre asta vom vorbi puțin în această postare.

În articolul Gheață, ne-am uitat la modul în care structura apei suferă o restructurare cu o schimbare a stării sale de agregare și am atins structura cristalină a gheții obișnuite. Datorită structurii interne a moleculei de apă în sine și legăturilor de hidrogen care conectează toate moleculele într-un sistem ordonat, se formează o rețea cristalină hexagonală (hexagonală) de gheață. Moleculele cele mai apropiate unele de altele (unul central și patru colțuri) sunt dispuse sub forma unei piramide triedrice, sau tetraedru, care stă la baza modificării cristalului hexagonal ( Fig.1).

Apropo, distanța dintre cele mai mici particule de materie este măsurată în nanometri (nm) sau angstromi (numit după fizicianul suedez Anders Jonas Ångström din secolul al XIX-lea; notat cu simbolul Å). 1 Å = 0,1 nm = 10−10 m.

Această structură hexagonală a gheții obișnuite se extinde pe întregul său volum. Puteți vedea clar acest lucru cu ochiul liber: în timpul căderii de zăpadă, iarna, prindeți un fulg de zăpadă pe mânecă sau pe mănușă și aruncați o privire mai atentă la forma sa - este cu șase raze sau hexagonală. Acest lucru este tipic pentru fiecare fulg de nea, dar niciun fulg de nea nu repetă vreodată altul (mai multe despre asta în articolul nostru). Și chiar și cristalele mari de gheață cu forma lor externă corespund structurii moleculare interne ( Fig.2).

Am spus deja că trecerea unei substanțe, în special a apei, de la o stare la alta are loc în anumite condiții. Gheața normală se formează la temperaturi de 0°C și mai mici și la o presiune de 1 atmosferă (valoare normală). În consecință, pentru apariția altor modificări ale gheții, este necesară o modificare a acestor valori și, în majoritatea cazurilor, prezența temperaturilor scăzute și a presiunii ridicate, la care se modifică unghiul legăturilor de hidrogen și se reconstruiește întreaga rețea cristalină.

Fiecare modificare a gheții aparține unui sistem specific - un grup de cristale în care celulele unitare au aceeași simetrie și sistem de coordonate (axe XYZ). În total, se disting șapte singonii. Caracteristicile fiecăruia dintre ele sunt prezentate pe ilustrațiile 3-4. Și chiar mai jos este o imagine a principalelor forme de cristale ( Fig.5)

Toate modificările gheții care diferă de gheața obișnuită au fost obținute în condiții de laborator. Primele structuri polimorfe de gheață au devenit cunoscute la începutul secolului al XX-lea prin eforturile oamenilor de știință Gustav Heinrich TammannȘi Percy Williams Bridgman. Diagrama modificărilor lui Bridgman a fost suplimentată periodic. Au fost identificate noi modificări din cele obținute anterior. Cele mai recente modificări ale diagramei au fost făcute în vremea noastră. Până în prezent, au fost obținute șaisprezece tipuri cristaline de gheață. Fiecare tip are propriul nume și este desemnat cu cifre romane.

Nu vom aprofunda caracteristicile fizice ale fiecărui tip molecular de gheață de apă, pentru a nu vă plictisi, dragi cititori, cu detalii științifice; vom nota doar parametrii principali.

Gheața obișnuită se numește gheață Ih (prefixul „h” înseamnă sistem hexagonal). Pe ilustrații 7 este prezentată structura sa cristalină, constând din legături hexagonale (hexameri), care diferă ca formă - una sub formă Scaun de plaja(Engleză) formă de scaun), altul în formă rooks (barcă-formă). Acești hexameri formează o secțiune tridimensională - două „șezlonguri” sunt orizontale în partea de sus și de jos, iar trei „bărci” ocupă o poziție verticală.

Diagrama spațială arată ordinea în aranjarea legăturilor de hidrogen ale gheții Ih, dar în realitate conexiunile sunt construite aleatoriu. Cu toate acestea, oamenii de știință nu exclud ca legăturile de hidrogen de pe suprafața gheții hexagonale să fie mai ordonate decât în ​​interiorul structurii.

Celula unitară a gheții hexagonale (adică volumul minim al unui cristal, a cărui reproducere repetată în trei dimensiuni formează întreaga rețea cristalină ca întreg) include 4 molecule de apă. Dimensiunile celulei sunt 4,51 Å de ambele părți a,bȘi 7,35 Å pe partea c (latura sau axa c din diagrame are o direcție verticală). Unghiurile dintre laturi, văzute din ilustrația 4: α=β = 90°, γ = 120°. Distanța dintre moleculele vecine este 2,76 Å.

Cristalele hexagonale de gheață formează plăci și coloane hexagonale; fețele de sus și de jos din ele sunt planurile de bază, iar cele șase fețe laterale identice sunt numite prismatice ( Fig.10).

Numărul minim de molecule de apă necesare pentru ca cristalizarea sa să înceapă este de aproximativ 275 (±25). În mare măsură, formarea gheții are loc pe suprafața masei de apă care mărginește aerul, mai degrabă decât în ​​interiorul acestuia. Cristale grosiere de gheață Ih se formează lent în direcția axei c, de exemplu, în apă stagnată, cresc vertical în jos de la plăcile cristaline sau în condițiile în care creșterea laterală este dificilă. Gheața cu granulație fină, formată în apă turbulentă sau când îngheață rapid, are o creștere accelerată direcționată de pe fețele prismatice. Temperatura apei din jur determină gradul de ramificare a rețelei de cristal de gheață.

Particulele de substanțe dizolvate în apă, cu excepția atomilor de heliu și hidrogen, ale căror dimensiuni le permit să se potrivească în cavitățile structurii, sunt excluse din rețeaua cristalină la presiunea atmosferică normală, fiind forțate să iasă pe suprafața cristalului sau , ca și în cazul varietății amorfe (mai multe despre aceasta mai târziu în articol) formând straturi între microcristale. Cicluri consecutive de îngheț și dezghețare a apei pot fi folosite pentru a o purifica de impurități, de exemplu, gaze (degazare).

Alături de gheață Ih există și gheață IC (sistem cubic), însă, în natură, formarea acestui tip de gheață este posibilă ocazional doar în straturile superioare ale atmosferei. Gheață artificială IC obtinut prin congelarea instantanee a apei, pentru care aburul este condensat pe un racit 80 la minus 110°C suprafata metalica la presiunea atmosferica normala. Ca rezultat al experimentului, cristale de formă cubică sau sub formă de octaedre cad pe suprafață. Nu va fi posibil să se creeze gheață cubică a primei modificări din gheața hexagonală obișnuită prin scăderea temperaturii acesteia, dar trecerea de la cubic la hexagonal este posibilă prin încălzirea gheții. IC mai mare minus 80°C.

În structura moleculară a gheții IC unghiul legăturii de hidrogen este același cu cel al gheții obișnuite Ih – 109,5°. Și iată un inel hexagonal format din molecule dintr-o rețea de gheață IC prezent doar sub forma unui șezlong.

Densitatea gheții Ic este de 0,92 g/cm³ la o presiune de 1 atm. Celula unitate dintr-un cristal cubic are 8 molecule și dimensiuni: a=b=c = 6,35 Å, iar unghiurile sale α=β=γ = 90°.

Pe o notă. Dragi cititori, în acest articol vom întâlni în mod repetat indicatori de temperatură și presiune pentru unul sau altul tip de gheață. Și dacă valorile temperaturii exprimate în grade Celsius sunt clare pentru toată lumea, atunci percepția valorilor presiunii poate fi dificilă pentru unii. În fizică, pentru măsurarea acestuia se folosesc diverse unități, dar în articolul nostru îl vom nota în atmosfere (atm), rotunjind valorile. Presiunea atmosferică normală este de 1 atm, ceea ce este egal cu 760 mmHg, sau puțin peste 1 bar, sau 0,1 MPa (megapascal).

După cum înțelegeți, în special, din exemplul cu gheață IC, existența modificărilor cristaline ale gheții este posibilă în condiții de echilibru termodinamic, adică. când echilibrul de temperatură și presiune care determină prezența oricărui tip de gheață cristalină este perturbat, acest tip dispare, transformându-se într-o altă modificare. Intervalul acestor valori termodinamice variază; este diferit pentru fiecare specie. Să luăm în considerare alte tipuri de gheață, nu strict în ordinea nomenclaturii, ci în legătură cu aceste tranziții structurale.

Gheaţă II aparține sistemului trigonal. Poate fi format din tipul hexagonal la o presiune de aproximativ 3.000 atm și o temperatură de aproximativ minus 75 ° C, sau dintr-o altă modificare ( gheata V), prin reducerea bruscă a presiunii la o temperatură de minus 35°C. Existenţă II tipul de gheață este posibil în condiții de minus 170°C și presiune de la 1 la 50.000 atm (sau 5 gigapascali (GPa)). Potrivit oamenilor de știință, gheața acestei modificări poate face parte probabil din sateliții de gheață ai planetelor îndepărtate ale sistemului solar. Presiunea atmosferică normală și temperaturile peste minus 113°C creează condiții pentru ca acest tip de gheață să se transforme în gheață hexagonală obișnuită.

Pe ilustrații 13 rețeaua de cristal de gheață prezentată II. O trăsătură caracteristică a structurii este vizibilă - un fel de canale hexagonale goale formate din legături moleculare. Celula unitară (zona evidențiată în ilustrație cu un romb) constă din două ligamente care sunt deplasate unul față de celălalt, ca să spunem așa, „în înălțime”. Ca rezultat, se formează un sistem de zăbrele romboedrice. Dimensiunile celulei a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Într-o celulă sunt 12 molecule. Unghiul de legătură dintre molecule (O–O–O) variază de la 80 la 120°.

Când încălziți modificarea II, puteți obține gheață IIIși invers, răcirea cu gheață IIIîl transformă în gheață II. De asemenea, gheață III se formează atunci când temperatura apei scade treptat la minus 23°C, crescând presiunea la 3.000 atm.
După cum se poate vedea în diagrama de fază ( bolnav. 6), condiții termodinamice pentru o stare stabilă a gheții III, precum și o altă modificare - gheață V, sunt mici.

Gheaţă IIIȘi V au patru puncte triple cu modificări înconjurătoare (valori termodinamice la care este posibilă existența unor stări diferite ale materiei). Cu toate acestea, gheața II, IIIȘi V modificări pot exista în condiții de presiune atmosferică normală și temperatură de minus 170°C, iar încălzirea lor la minus 150°C duce la formarea de gheață IC.

În comparație cu alte modificări de înaltă presiune cunoscute în prezent, gheață III are cea mai mică densitate - la o presiune de 3.500 atm. este egal cu 1,16 g/cm³.
Gheaţă III este o varietate tetragonală de apă cristalizată, dar structura rețelei de gheață în sine III are încălcări. Dacă fiecare moleculă este de obicei înconjurată de 4 molecule învecinate, atunci în acest caz acest indicator va avea o valoare de 3,2 și, în plus, pot exista încă 2 sau 3 molecule în apropiere care nu au legături de hidrogen.
În aranjarea spațială, moleculele formează elice drepte.
Dimensiunile unei celule unitare cu 12 molecule la minus 23°C și aproximativ 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. Unghiul legăturii de hidrogen variază de la 87 la 141°.

Pe ilustrații 15 o diagramă spațială a structurii moleculare a gheții este prezentată în mod convențional III. Moleculele (punctele albastre) situate mai aproape de vizualizator sunt afișate mai mari, iar legăturile de hidrogen (liniile roșii) sunt în mod corespunzător mai groase.

Și acum, după cum se spune, pe călcâie, să „sărim” imediat peste cei care vin după gheață IIIîn ordinea nomenclaturii, modificări cristaline și să spunem câteva cuvinte despre gheață IX.
Acest tip de gheață este în esență gheață modificată III, supus la o răcire profundă rapidă de la minus 65 la minus 108 ° C pentru a evita transformarea în gheață II. Gheaţă IX rămâne stabil la temperaturi sub 133°C și la presiuni de la 2.000 la 4.000 atm. Densitatea și structura sa sunt identice III minte, dar spre deosebire de gheață IIIîn structura gheții IX există ordine în aranjarea protonilor.
Încălzire gheață IX nu o întoarce la original III modificări, dar se transformă în gheață II. Dimensiunile celulei: a=b = 6,69, c = 6,71 Å la o temperatură de minus 108°C și 2800 atm.

Apropo, romanul din 1963 al scriitorului de science-fiction Kurt Vonnegut Leagănul pisicii este centrat în jurul unei substanțe numite gheață-nouă, care este descrisă ca un material artificial care prezintă un mare pericol pentru viață, deoarece apa se cristalizează la contactul cu ea, transformându-se în gheață-nouă. Intrarea chiar și a unei cantități mici din această substanță în apele naturale care se confruntă cu oceanele lumii amenință să înghețe toată apa de pe planetă, ceea ce înseamnă, la rândul său, moartea tuturor viețuitoarelor. Până la urmă, asta se întâmplă.

Gheață IV este o formațiune trigonală metastabilă (slab stabilă) a unei rețele cristaline. Existența sa este posibilă în spațiul de fază al gheții III, VȘi VI modificări. Ia niște gheață IV se poate face din gheață amorfă de mare densitate prin încălzirea lent, începând de la minus 130°C la o presiune constantă de 8.000 atm.
Dimensiunea celulei unitare romboedrice este de 7,60 Å, unghiurile α=β=γ = 70,1°. Celula include 16 molecule; legăturile de hidrogen dintre molecule sunt asimetrice. La o presiune de 1 atm și o temperatură de minus 163°C, densitatea gheții IV este de 1,27 g/cm³. Unghi de legătură O–O–O: 88–128°.

De asemenea IV tipul de gheață care formează gheață XII– prin încălzirea unei modificări amorfe de densitate mare (mai multe despre aceasta mai jos) de la minus 196 la minus 90°C la aceeași presiune de 8.000 atm, dar la o viteză mai mare.
Gheaţă XII de asemenea metastabil în regiunea de fază VȘi VI tipuri cristaline. Este un tip de sistem tetragonal.
Celula unitară conține 12 molecule, care, datorită legăturilor de hidrogen cu unghiuri de 84–135°, sunt situate în rețeaua cristalină, formând o dublă helix dreapta. Celula are dimensiuni: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; unghiuri α=β=γ = 90º. Densitatea gheții XII este de 1,30 g/cm³ la presiunea atmosferică normală și o temperatură de minus 146°C. Unghiuri de legătură de hidrogen: 67–132°.

Dintre modificările descoperite în prezent ale gheții de apă, gheața are cea mai complexă structură cristalină V. 28 de molecule alcătuiesc celula sa unitate; legăturile de hidrogen acoperă goluri în alți compuși moleculari, iar unele molecule formează legături numai cu anumiți compuși. Unghiul legăturilor de hidrogen dintre moleculele vecine variază foarte mult - de la 86 la 132°, prin urmare în rețeaua cristalină a gheții V există o tensiune puternică și o aprovizionare uriașă de energie.
Parametrii celulei în condiții de presiune și temperatură atmosferică normale minus 175°C: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, y = 109,2°.
Gheaţă V este un soi monoclinic format prin răcirea apei la minus 20°C la o presiune de aproximativ 5.000 atm. Densitatea rețelei cristaline, ținând cont de o presiune de 3.500 atm, este de 1,24 g/cm³.
Diagrama spațială a rețelei de cristal de gheață V tip afișat în ilustrații 18. Regiunea celulei unitare a cristalului este evidențiată cu un contur gri.

Dispunerea ordonată a protonilor în structura gheții V face din el o altă varietate numită gheață XIII. Această modificare monoclinică poate fi obținută prin răcirea apei sub minus 143°C cu adăugarea de acid clorhidric (HCl) pentru a facilita tranziția de fază, creând o presiune de 5.000 atm. Tranziție reversibilă de la XIII tip k V tipul este posibil în intervalul de temperatură de la minus 193°C până la minus 153°C.
Dimensiunile celulei unitare de gheață XIII usor diferit de V modificări: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (la 1 atm, minus 193°С). Numărul de molecule din celulă este același - 28. Unghiul legăturilor de hidrogen: 82–135°.

În următoarea parte a articolului nostru vom continua revizuirea modificărilor gheții de apă.

Ne vedem pe paginile blogului nostru!

Puteți citi și alte articole:

Compoziții de gheață sub formă de pomi de Crăciun

Decorat cu gheata pentru baie de Boboteaza

Compoziții de gheață de Anul Nou

Joystick de gheață Sony Playstation

Lucrul cu oameni pe gheață

Chivas Regal Ice Bar

Decorat cu gheata pentru banchete

Zidul de gheață din Manchester

Mobilier de gheață Hongtao Zhou

Mâncăruri de gheață

Castelul de gheață din Minnesota

Casa de gheață Microsoft

bule înghețate

Colți de gheață în Valea Vail

Urșii polari patinează pe gheață

Cățeluș și cub de gheață

Oraș de gheață din Krasnogorsk

Sculptură în gheață - Înger

Patinaj artistic pe gheață subțire

Umbre de gheață

Plăci de gheață

Pescăruș prins în gheață

Lucruri la modă pe gheață

Gheață spațială. Partea a doua: comete.