Кристалічна структура льоду. Властивості води

Тривимірний стан рідкої води важко дослідити, але багато чого було вивчено шляхом аналізу структури кристалів льоду. Чотири сусідні атоми кисню з водневою взаємодією займають вершини тетраедра (тетра = чотири, гедрон = площина). Середня енергія, необхідна для руйнування такого зв'язку в льоду, оцінюється в 23 кДж/моль-1.

Здатність молекул води утворювати цю кількість водневих ланцюгів, а також зазначена міцність створює надзвичайно високу температуру плавлення. Коли він тане, то утримується рідкою водою, структура якої нерегулярна. Більшість водневих зв'язків спотворюється. Для руйнування кристалічних ґрат льоду з водневим зв'язком потрібна велика маса енергії у вигляді тепла.

Особливості появи льоду (Ih)

Багато хто з обивателів задають питання про те, які кристалічні грати біля льоду. Слід зазначити, що щільність більшості речовин зростає при заморожуванні, коли молекулярні рухи уповільнюються і утворюються щільно упаковані кристали. Щільність води також збільшується, коли вона остигає до досягнення максимуму при 4°C (277K). Потім, коли температура опускається нижче за це значення, вона розширюється.

Це збільшення обумовлено утворенням відкритого воднево-зв'язаного кристала льоду з його гратами і меншою щільністю, в якому кожна молекула води жорстко пов'язана зазначеним вище елементом і чотирма іншими значеннями, і при цьому рухається досить швидко, щоб мати більшу масу. Оскільки відбувається подібна дія, рідина замерзає зверху донизу. Це має важливі біологічні результати, внаслідок яких шар льоду на ставку ізолює живих істот подалі від сильного холоду. Крім того, дві додаткові властивості води пов'язані з його водневими характеристиками: питомою теплоємністю та випаром.

Детальний опис структур

Перший критерій є кількість, необхідне підвищення температури 1 грама речовини на 1°С. Для підвищення градусів води потрібно відносно більша частина тепла, тому що кожна молекула бере участь у численних водневих зв'язках, які повинні бути зруйновані, щоб кінетична енергія збільшувалася. До речі, велика кількість H 2 O у клітинах і тканинах всіх великих багатоклітинних організмів означає, що флуктуація температури всередині клітин зведена до мінімуму. Ця особливість має вирішальне значення, оскільки швидкість більшості біохімічних реакцій є чутливою.

Також значно вища, ніж у багатьох інших рідин. Для перетворення цього тіла на газ потрібна велика кількість тепла, тому що водневі зв'язки повинні бути зруйновані, щоб молекули води могли дислокуватися одна від одної та увійти у вказану фазу. Змінювані тіла є постійні диполі і можуть взаємодіяти з іншими подібними сполуками і тими, що іонізуються і розчиняються.

Інші речовини, зазначені вище, можуть вступати в контакт лише за наявності полярності. Саме така сполука бере участь у будові цих елементів. Крім того, воно може вирівнюватись навколо цих частинок, утворених з електролітів, так що негативні атоми кисню молекул води орієнтовані на катіони, а позитивні іони та атоми водню, орієнтовані на аніони.

Утворюються, як правило, молекулярні кристалічні решітки та атомні. Тобто, якщо йод побудований таким чином, що в ньому присутній I 2 , то в твердому діоксиді вуглецю, тобто в сухому льоді, у вузлах кристалічної решітки знаходяться молекули CO 2 . При взаємодії з подібними речовинами, іонні кристалічні грати має лід. Графіт, наприклад, що володіє атомною структурою, в основі якої вуглець, не здатний її змінювати, так само як і алмаз.

Що відбувається, коли кристал столової солі розчиняється у воді: полярні молекули притягуються до заряджених елементів у кристалі, що призводить до утворення подібних частинок натрію та хлориду на його поверхні, в результаті ці тіла дислокуються один від одного, і він починає розчинятися. Звідси можна спостерігати, що крига має кристалічну решітку з іонним зв'язком. Кожен розчинений Na + притягує негативні кінці кількох молекул води, тоді як кожен розчинений Cl притягує позитивні кінці. Оболонка, що оточує кожен іон, називається сферою порятунку і зазвичай містить кілька шарів частинок розчинника.

Кажуть, що змінні чи іон, оточені елементами, є сульфатованими. Коли розчинником є ​​вода, такі частинки гідратуються. Таким чином, будь-яка полярна молекула має тенденцію до сольватації елементами рідкого тіла. У сухого льоду тип кристалічних ґрат утворює в агрегатному стані атомні зв'язки, які незмінні. Інша річ кристалічний лід (заморожена вода). Іонні органічні сполуки, такі як карбоксилази та протоновані аміни, повинні мати розчинність у гідроксильній та карбонільній групах. Частинки, які у таких структурах, рухаються між молекулами, причому їх полярні системи утворюють водневі зв'язку з цим тілом.

Звичайно, кількість останніх зазначених груп у молекулі впливає на її розчинність, яка також залежить від реакції різних структур в елементі: наприклад, одно-, дво- і трьох вуглецеві спирти змішуються з водою, але більші вуглеводні з одиночними гідроксильними сполуками набагато менш розбавляються в рідини.

Шестикутний Ih схожий формою з атомною кристалічною решіткою. Біля льоду та всього природного снігу на Землі вона виглядає саме так. Про це свідчить симетрія кристалічних ґрат льоду, вирощена з водяної пари (тобто сніжинок). Знаходиться в космічній групі P 63/мм із 194; D 6h, класу Лауе 6/мм; аналогічний β-, що має кратну 6-ти гвинтову вісь (обертання навколо на додаток до зсуву вздовж неї). Він має досить відкриту структуру з низькою щільністю, де ефективність низька (~ 1/3) порівняно з простими кубічними (~ 1/2) або гранецентрованими кубічними (~ 3/4) структурами.

Порівняно зі звичайним льодом, кристалічні грати сухого льоду, пов'язані молекулами CO 2 , статичні і змінюються лише за розпаду атомів.

Опис решіток та елементів, що входять до них

Кристали можна розглядати як кристалічні моделі, що складаються з листів, розташованих один над одним. Водневий зв'язок упорядкований, тоді як насправді він випадковий, оскільки протони можуть переміщатися між молекулами води (льоду) при температурах вище приблизно 5 К. Дійсно, цілком ймовірно, що протони поводяться як квантова рідина в постійному тунельованому потоці. Це посилюється розсіюванням нейтронів, що показують щільність їхнього розсіювання на півдорозі між атомами кисню, що вказує на локалізацію та узгоджений рух. Тут спостерігається схожість льоду з атомними, молекулярними кристалічними ґратами.

Молекули мають ступінчасте розташування водневого ланцюга по відношенню до трьох своїх сусідів у площині. Четвертий елемент має затьмарене розташування водневого зв'язку. Існує невелике відхилення від ідеальної шестикутної симетрії як на 0,3% коротше в напрямку цього ланцюга. Усі молекули відчувають однакові молекулярні середовища. Усередині кожної "коробки" достатньо місця для утримання частинок інтерстиціальної води. Хоча це, як правило, не вважається, нещодавно вони були ефективно виявлені нейтронною дифракцією порошкоподібними кристалічними гратами льоду.

Зміна речовин

Шестикутне тіло має потрійні точки з рідкою та газоподібною водою 0,01°C, 612 Па, твердими елементами - три -21,985°C, 209,9 МПа, одинадцять та два -199,8°C, 70 МПа, а також -34 ,7 ° C, 212,9 МПа. Діелектрична проникність гексагонального льоду становить 97,5.

Крива плавлення цього елемента надається МПа. Рівняння стану доступні, крім них, деякі прості нерівності, що пов'язують зміну фізичних властивостей з температурою гексагонального льоду та його водних суспензій. Твердість коливається в залежності від градусів, що зростають приблизно від або нижче гіпсу (≤2) при 0°С, до рівня польового шпату (6 за -80°С, аномально велика зміна абсолютної твердості (> 24 рази)).

Шестикутна кристалічна решітка льоду утворює гексагональні пластини і стовпці, де верхня і нижня грані є базальними площинами (0 0 0 1) з ентальпією 5,57 мкДж · см -2 а інші еквівалентні бічні називаються частинами призми (1 0 -1 0 5,94 мкДж · см -2. Вторинні поверхні (1 1 -2 0) з 6.90 μJ - см -2 можуть бути сформовані по площинах, утвореними сторонами структур.

Подібна будова показує аномальне зменшення теплопровідності зі збільшенням тиску (як кубічний, і аморфний лід низької щільності), але відрізняється від більшості кристалів. Це пов'язано із зміною водневого зв'язку, що зменшує поперечну швидкість звуку в кристалічній решітці льоду та води.

Існують методи, що описують, як підготувати великі зразки кристала та будь-яку бажану поверхню льоду. Передбачається, що водневий зв'язок на поверхні гексагонального досліджуваного тіла буде більш упорядкованим, ніж усередині об'ємної системи. Варіаційна спектроскопія з генерацією по частоті коливань з фазовими гратами показала, що існує структурна асиметрія між двома верхніми шарами (L1 і L2) в підповерхневому ланцюгу HO базальної поверхні гексагонального льоду. Прийняті водневі зв'язки у верхніх шарах шестикутниках (L1O···HO L2) сильніше, ніж прийняті у другому шарі до верхнього накопичення (L1OH···OL2). Доступні інтерактивні структури гексагонального льоду.

Особливості розвитку

Мінімальна кількість молекул води, необхідних для зародження льоду, приблизно 275 ± 25, як і для повного ікосаедричного кластера 280. Освіта відбувається з коефіцієнтом 1010 на поверхні розділу повітря-вода, а не в об'ємній воді. Зростання кристалів льоду залежить від різних темпів зростання різних енергій. Вода повинна бути захищена від замерзання при кріоконсервуванні біологічних зразків, їжі та органів.

Зазвичай це досягається швидкими швидкостями охолодження, використанням невеликих зразків та кріо консерватора, а також збільшенням тиску для утворення зародків льоду та запобігання пошкодженню клітин. Вільна енергія льоду/рідини збільшується від ~ 30 мДж/м 2 при атмосферному тиску до 40 мДж/м -2 при 200 МПа, що вказує на причину, через яку відбувається подібний ефект.

Як альтернатива, вони можуть рости швидше з поверхонь призми (S2), на випадково порушеній поверхні швидкозаморожених або схвильованих озер. Зростання від граней (1 1 -2 0), по крайнього заходу, той самий, але перетворює в підстави призми. Дані розвитку кристала льоду були повністю досліджені. Відносні швидкості зростання елементів різних граней залежать від здатності утворювати велику міру спільної гідратації. Температура (низька) навколишньої води визначає ступінь розгалуження кристалі льоду. Зростання часток обмежується швидкістю дифузії за низького ступеня переохолодження, тобто<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Але обмежено кінетикою розвитку за більш високих рівнях зниження градусів >4°C, що зумовлює голчастому зростанню. Ця форма схожа з будовою сухого льоду (має кристалічну решітку із шестикутною структурою), різними характеристиками розвитку поверхні та температурою навколишньої (переохолодженої) води, яка знаходиться за плоскими формами сніжинок.

Зародження льоду в атмосфері глибоко впливає на утворення та властивості хмар. Польові шпати, виявлені в пустельному пилу, який потрапляє в атмосферу мільйонами тонн на рік, є важливими утворювачами. Комп'ютерне моделювання показало, що це зародження площин призматичних кристалів льоду на площинах поверхні високих енергій.

Деякі інші елементи та решітки

Розчинені речовини (за винятком дуже невеликого гелію та водню, які можуть входити до міжвузля) не можуть бути включені до структури Ih при атмосферному тиску, але витісняються на поверхню або аморфний шар між частинками мікрокристалічного тіла. У вузлах кристалічних ґрат сухого льоду знаходяться деякі інші елементи: хаотропні іони, такі як NH 4 + і Cl - , які включені в легше заморожування рідини, ніж інші коробопні, такі як Na + і SO 4 2- , тому видалення їх неможливе, через те, що вони утворюють тонку плівку з рідини, що залишилася між кристалами. Це може призвести до електричної зарядки поверхні через дисоціацію поверхневої води, що врівноважує заряди, що залишилися (що також може призвести до магнітного випромінювання) і зміни рН залишкових рідких плівок, наприклад, NH 4 2 SO 4 стає більш кислим і NaCl стає більш лужним.

Вони перпендикулярні граням кристалічних ґрат льоду, що показує приєднаний наступний шар (з атомами О-чорний). Їм характерна базальна поверхня, що повільно зростає (0 0 0 1), де прикріплюються тільки ізольовані молекули води. Поверхня призми, що швидко зростає (1 0 -1 0), де пари новоприєднаних частинок можуть зв'язуватися один з одним воднем (одна його зв'язок/дві молекули елемента). Грань, що найбільш швидко зростає (1 1 -2 0) (вторинна призматика), де ланцюжки знову приєднаних частинок можуть взаємодіяти один з одним водневим зв'язком. Один її ланцюжок/молекула елемента - це форма, що утворює хребти, які ділять і заохочують перетворення на дві сторони призми.

Ентропія нульової точки

k Bˣ Ln ( N

Вчені та їх праці у цій сфері

Може бути визначена як S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), де k B - це стала Больцмана, N E - це число змін при енергії E, а E0 - найменша енергія. Це значення для ентропії гексагонального льоду при нульовому кельвіні не порушує третій закон термодинаміки «Ентропія ідеального кристала при абсолютному нулі рівно дорівнює нулю», оскільки ці елементи і частинки не ідеальні, мають неупорядковане водневе зв'язування.

У цьому тілі водневий зв'язок є випадковим і швидко змінюється. Ці структури не точно рівні за енергією, а поширюються на дуже багато енергетично близьких станів, підпорядковуються «правилам льоду». Ентропія нульової точки - це безлад, який залишався б, навіть якщо матеріал міг би бути охолоджений до абсолютного нуля (0 K = -273,15°C). Породжує експериментальну плутанину для гексагонального льоду 3,41 (± 0,2) моль -1 K -1 . Теоретично, можна було б обчислити нульову ентропію відомих крижаних кристалів зі значно більшою точністю (нехтуючи дефектами та розкидом енергетичних рівнів), ніж визначити її експериментально.

Хоча порядок протонів в об'ємному льоду не впорядкований, поверхня, ймовірно, віддає перевагу порядку зазначених частинок у вигляді смуг Н-атомів, що звисають, і О-одинакових пар (нульова ентропія з упорядкованими водневими зв'язками). Знайдено безлад нульової точки ZPE, J mol -1 K -1 та інших. З усього вищевикладеного видно і зрозуміло, які типи кристалічних ґрат характерні для льоду.

О. В. Мосін, І. Ігнатов (Болгарія)

Анотація Значення льоду у підтримці життя на планеті важко недооцінити. Лід дуже впливає на умови проживання та життєдіяльності рослин і тварин і на різні види господарської діяльності людини. Покриваючи воду, лід через свою низьку щільність грає в природі роль плавучого екрану, що захищає річки та водоймища від подальшого замерзання і зберігає життя підводним мешканцям. Використання льоду в різних цілях (снігозатримання, влаштування крижаних переправ та ізотермічних складів, льодозакладка сховищ та шахт) є предметом ряду розділів гідрометеорологічних та інженерно-технічних наук, таких як льодотехніка, сніготехніка, інженерне мерзлотознавство, а також діяльності спеціальних служб льодової розвідки, льодоко та снігоприбиральної техніки. Природний лід використовується для зберігання та охолодження харчових продуктів, біологічних та медичних препаратів, для чого він спеціально виробляється та заготовляється, а талу воду, приготовану при плавленні льоду використовують у народній медицині – для підвищення обміну речовин та виведення шлаків з організму. Стаття знайомить читача з новими маловідомими властивостями та модифікаціями льоду.

Льод – кристалічна форма води, що має за останніми даними чотирнадцятьма структурними модифікаціями. Серед них є і кристалічні (природний лід) і аморфні (кубічний лід) та метастабільні модифікації, що відрізняються один від одного взаємним розташуванням та фізичними властивостями молекул води, пов'язаними водневими зв'язками, що формують кристалічні ґрати льоду. Всі вони окрім звичного нам природного льоду I h , що кристалізує в гексагональній решітці, утворюються в умовах екзотичних - при дуже низьких температурах сухого льоду та рідкого азоту та високих тисках у тисячі атмосфер, коли кути водневих зв'язків у молекулі води змінюються та утворюються кристалічні системи, відмінні від гексагональної. Такі умови нагадують космічні та не зустрічаються на Землі.

У природі лід представлений головним чином, одним кристалічним різновидом, що кристалізується в гексагональній решітці, що нагадує структуру алмазу, де кожна молекула води оточена чотирма найближчими до неї молекулами, що знаходяться на однакових відстанях від неї, рівних 2,76 анг. У зв'язку з низьким координаційним числом структура льоду є сітчастою, що впливає його невисоку щільність, що становить 0,931 г/см 3 .

Найдивовижніша властивість льоду - це дивовижне різноманіття зовнішніх проявів. При одній і тій же кристалічній структурі він може виглядати зовсім по-різному, набуваючи форми прозорих градин і бурульок, пластівців пухнастого снігу, блискучої щільної кірки льоду або гігантських льодовикових мас. Лід зустрічається в природі у вигляді материкового, плаваючого та підземного льоду, а також у вигляді снігу та інею. Він поширений у всіх галузях проживання людини. Збираючись у великих кількостях, сніг і лід формують особливі структури з принципово іншими, ніж у окремих кристалів чи сніжинок, властивостями. Природний лід сформований в основному льодом осадово-метаморфічного походження, що утворився з твердих атмосферних опадів внаслідок подальшого ущільнення та перекристалізації. Характерна особливість природного льоду – зернистість та полосчастість. Зернистість обумовлена ​​процесами рекристалізації; кожне зерно льодовикового льоду є кристалом неправильної форми, що тісно примикає до інших кристалів у крижаній товщі таким чином, що виступи одного кристала щільно входять у поглиблення іншого. Такий лід отримав назву полікристалічного. У ньому кожен кристал льоду є шар найтонших листочків, що налягають один на одного в базовій площині, перпендикулярній до напрямку оптичної осі кристала.

Загальні запаси льоду Землі становлять згідно з розрахунками близько 30 млн. км 3(Табл. 1). Найбільше льоду зосереджено в Антарктиді, де товщина його шару досягає 4 км.Також є дані про наявність льоду на планетах Сонячної системи та в кометах. Лід має настільки велике значення для клімату нашої планети і проживання на ній живих істот, що вчені позначили для льоду особливе середовище - кріосферу, межі якої простягаються високо в атмосферу і глибоко в земну кору.

Табл. 1. Кількість, поширення та час життя льоду.

Кристали льоду неповторні за своєю формою та пропорціями. Будь-який природний кристал, включаючи кристал льоду льоду завжди прагне створити ідеальну правильну кристалічну решітку, оскільки це вигідно з точки зору мінімуму його внутрішньої енергії. Будь-які домішки, як відомо, спотворюють форму кристала, тому при кристалізації води в першу чергу в решітку вбудовуються молекули води, а сторонні атоми та молекули домішок витісняються у рідину. І тільки коли домішкам подітися вже нікуди, кристал льоду починає вбудовувати їх у свою структуру або залишає у вигляді порожнистих капсул з концентрованою рідиною, що незамерзає, - розсолом. Тому морський лід прісний і навіть найбрудніші водоймища покриваються прозорим і чистим льодом. При плавленні льоду він витісняє домішки у розсіл. У планетарному масштабі феномен замерзання та танення води, поруч із випаром і конденсацією води, грає роль гігантського очисного процесу, у якому вода Землі постійно очищає себе.

Табл. 2. Деякі фізичні властивості льоду I.

Властивість	Значення	Примітка
Теплоємність, кал/(г·°C) Теплота танення, кал/г Теплота пароутворення, кал/г		Сильно зменшується зі зниженням температури
Коефіцієнт термічного розширення, 1/°C	9,1·10 -5 (0 °C)	Полікристалічний лід
Теплопровідність, кал/(см·сек·°C)		Полікристалічний лід
Показник заломлення:		Полікристалічний лід
Питома електрична провідність, ом -1 · см -1		Енергія активації, що здається, 11 ккал/моль
Поверхнева електропровідність, ом -1		Енергія активації, що здається, 32 ккал/моль
Модуль пружності Юнга, дин/см 2	9·10 10 (-5 °C)	Полікристалічний лід
Опір, МН/м2: роздавлюванню		Полікристалічний лід Полікристалічний лід Полікристалічний лід
Динамічна в'язкість, пуаз		Полікристалічний лід
Енергія активації при деформуванні та механічній релаксації, ккал/моль		Лінійно росте на 0,0361 ккал/(моль·°C) від 0 до 273,16 К

1 кал/(г·°С)=4,186 кДж/(кг·К); 1 ом -1 · см -1 = 100 сім/м; 1 дин = 10 -5 Н ; 1 Н = 1 кг · м / с?; 1 дін/см=10 -7 Н/м; 1 кал/(см·сек°С)=418,68 вт/(м·К); 1 пуаз = г / см · с = 10 -1 Н сек / м 2 .

У зв'язку з широким поширенням льоду Землі, відмінність фізичних властивостей льоду (табл. 2) від властивостей інших речовин відіграє у багатьох природних процесах . Лід має багато інших корисних для підтримки життя властивостей і аномалій – аномалій щільності, тиску, об'єму, теплопровідності. Якби не було водневих зв'язків, які зчеплюють молекули води в кристал, крига плавилася б при –90 °С. Але це не відбувається через наявність водневих зв'язків між молекулами води. Внаслідок меншої, ніж у води, щільності лід утворює на поверхні води плавучий покрив, що оберігає річки та водоймища від донного замерзання, оскільки його теплопровідність набагато менша, ніж води. При цьому найменша щільність та обсяг спостерігається при +3,98 °С (рис. 1). Подальше охолодження води до 0 0 С поступово призводить не до зменшення, а збільшення її обсягу майже на 10%, коли вода перетворюється на лід. Така поведінка води свідчить про одночасне існування у воді двох рівноважних фаз – рідкої та квазікристалічної за аналогією з квазікристалами, кристалічна решітка яких має не тільки періодичну будову, але й має осі симетрії різних порядків, існування яких раніше суперечило уявленням кристалографів. Ця теорія, вперше висунута відомим вітчизняним фізиком-теоретиком Я. І. Френкелем, заснована на припущенні, що частина молекул рідини утворює квазікристалічну структуру, тоді як інші молекули є газоподібними, що вільно рухаються за обсягом. Розподіл молекул у малій околиці будь-якої фіксованої молекули води має певну впорядкованість, дещо нагадує кристалічну, хоча і більш пухку. З цієї причини структуру води іноді називають квазікристалічною або кристалоподібною, тобто симетрією, що володіє, і наявністю впорядкованість у взаємному розташуванні атомів або молекул.

Мал. 1. Залежність питомого обсягу льоду та води від температури

Інша властивість полягає в тому, що швидкість течії льоду прямо пропорційна енергії активації і обернено пропорційна абсолютній температурі, так що зі зниженням температури лід наближається за своїми властивостями до абсолютно твердого тіла. У середньому при близькій до танення температурі плинність льоду в 10 6 разів вище, ніж у гірських порід. Завдяки своїй плинності крига не накопичується в одному місці, а у вигляді льодовиків постійно переміщається. Залежність між швидкістю перебігу та напругою у полікристалічного льоду гіперболічна; при наближеному описі її статечним рівнянням показник ступеня збільшується зі зростанням напруги.

Видимий світло льодом практично не поглинається, оскільки світлові промені проходять кристал льоду наскрізь, але затримує ультрафіолетове випромінювання і більшу частину інфрачервоного випромінювання Сонця. У цих областях спектру лід виглядає абсолютно чорним, оскільки коефіцієнт поглинання світла у цих областях спектру дуже великий. На відміну від кристалів льоду, біле світло, що падає на сніг, не поглинається, а багато разів переломлюється в крижаних кристалах і відбивається від їхньої грані. Тож сніг виглядає білим.

Внаслідок дуже високої відбивної спроможності льоду (0,45) та снігу (до 0,95) вкрита ними площа – в середньому за рік близько 72 млн. дол. км 2у високих і середніх широтах обох півкуль - отримує сонячного тепла на 65% менше норми і є потужним джерелом охолодження земної поверхні, чим значною мірою обумовлена ​​сучасна кліматична широтна зональність. Влітку в полярних областях сонячна радіація більше, ніж в екваторіальному поясі, проте температура залишається низькою, тому що значна частина тепла, що поглинається, витрачається на танення льоду, що має дуже високу теплоту танення.

До інших незвичайних властивостей льоду відносять і генерацію електромагнітного випромінювання його кристалами, що ростуть. Відомо, що більшість розчинених у воді домішок не передаються льоду, коли він починає рости; вони виморожуються. Тому навіть на найбруднішій калюжі плівка льоду чиста та прозора. При цьому домішки накопичуються на межі твердого та рідкого середовищ, у вигляді двох шарів електричних зарядів різного знака, які викликають значну різницю потенціалів. Заряджений шар домішок переміщається разом із нижньою межею молодого льоду та випромінює електромагнітні хвилі. Завдяки цьому процес кристалізації можна спостерігати у деталях. Так, кристал, що росте у довжину у вигляді голки, випромінює інакше, ніж покривається бічними відростками, а випромінювання зерен, що ростуть, відрізняється від того, що виникає, коли кристали тріскаються. За формою, послідовністю, частотою та амплітудою імпульсів випромінювання можна визначити, з якою швидкістю замерзає лід і яка при цьому формується льодова структура.

Але найдивовижніше у структурі льоду полягає в тому, що молекули води при низьких температурах і високих тисках усередині вуглецевих нанотрубок можуть кристалізуватися у формі подвійної спіралі, що нагадує молекули ДНК. Це було доведено нещодавніми комп'ютерними експериментами американських вчених під керівництвом Сяо Чен Цзена з Університету штату Небраска (США). Щоб вода сформувала спіраль в експерименті, що моделюється, вона поміщалася в нанотрубки діаметром від 1,35 до 1,90 нм під високим тиском, що варіюються від 10 до 40000 атмосфер і задавалася температура –23 °C . Очікувалося побачити, що вода завжди утворює тонку трубчасту структуру. Однак модель показала, що при діаметрі нанотрубки в 1,35 нм і зовнішньому тиску 40000 атмосфер водневі зв'язки в структурі льоду скривилися, що призвело до утворення спіралі з подвійною стінкою - внутрішньою і зовнішньою. Внутрішня стінка в цих умовах виявилася скрученою у четверо спіраллю, а зовнішня стінка складалася з чотирьох подвійних спіралей, схожих на молекулу ДНК (рис. 2). Цей факт може бути підтвердженням зв'язку структури життєво важливої ​​молекули ДНК зі структурою самої води і що вода служила матрицею для синтезу молекул ДНК.

Мал. 2. Комп'ютерна модель структури замерзлої води в нанотрубках, що нагадує молекулу ДНК.

Інша з найважливіших властивостей води, відкритих досліджених останнім часом, полягає в тому, що вода має здатність запам'ятовувати інформацію про минулі дії. Це вперше довели японський дослідник Масару Емото і наш співвітчизник Станіслав Зенін, який одним із перших запропонував кластерну теорію будови води, що складається з циклічних асоціатів об'ємної поліедричної структури – кластерів загальної формули (Н 2 О) n , де n за останніми даними може досягати сотень і навіть тисяч одиниць. Саме завдяки наявності у воді кластерів вода має інформаційні властивості. Дослідники фотографували процеси заморожування води у мікрокристали льоду, діючи на неї різними електромагнітними та акустичними полями, мелодіями, молитвою, словами чи думками. Виявилося, що під дією позитивної інформації у вигляді гарних мелодій і слів лід заморожувався симетричними шестигранними кристалами. Там, де звучала неритмічна музика, злі та образливі слова, вода, навпаки, замерзала у хаотичні та безформні кристали. Це є доказом того, що вода має особливу, чутливу до зовнішніх інформаційних впливів структуру. Імовірно мозок людини, що складається на 85-90% з води, має сильну структурну дію на воду.

Кристали Емото викликають одночасно інтерес та недостатньо обґрунтовану критику. Якщо розглянути їх уважно, можна побачити, що їхня структура складається із шести верхів. Але ще більш уважний аналіз показує, що у сніжинок узимку така сама структура, завжди симетрична і з шістьма верхами. Якою мірою кристалізовані структури містять інформацію про оточення, де були створені? Структура сніжинок може бути красивою чи безформною. Це свідчить про те, що контрольна проба (хмара в атмосфері), де вони виникають, надає на них такий самий вплив, як і початкові умови. Початковими умовами є сонячна активність, температура, геофізичні поля, вологість та інших. Усе це, що з т.зв. середнього ансамблю можна зробити висновок про приблизно однакову структуру водних крапель, а потім і сніжинок. Їхня маса майже однакова, і вони рухаються в атмосфері зі схожою швидкістю. В атмосфері вони продовжують оформляти свої структури та збільшуватись в обсязі. Навіть якщо вони сформувалися в різних частинах хмари, в одній групі завжди є певна кількість сніжинок, що виникли за майже однакових умов. А відповідь на питання, що є позитивною і негативною інформацією про сніжинки, можна шукати у Емото. У лабораторних умовах негативна інформація (землетрус, несприятливі для людини звукові вібрації тощо) не утворює кристали, а позитивна інформація якраз навпаки. Дуже цікаво, якою мірою один фактор може оформити однакові або подібні структури сніжинок. Найбільша густина води спостерігається при температурі 4 °C. Науково доведено, що густина води зменшується, коли починають утворюватися шестикутні крижані кристали при зниженні температури нижче нуля. Це результат дії водневих зв'язків між молекулами води.

Яка причина такого структурування? Кристали являють собою тверді тіла, а складові їх атоми, молекули або йони розташовані в правильній структурі, що повторюється, в трьох просторових вимірах. Структура водяних кристалів трохи відрізняється. На думку Айзека, лише 10% водневих зв'язків у льоді є ковалентними, тобто. із досить стабільною інформацією. Водневі зв'язки між киснем однієї молекули води та воднем іншої виявляють найбільшу чутливість до зовнішніх впливів. Спектр води при побудові кристалів відносно різний у часі. Згідно з доведеним Антоновим та Юскеселієвим ефектом дискретного випаровування водної краплі та його залежності від енергетичних станів водневих зв'язків, ми можемо шукати відповідь щодо структурування кристалів. Кожна частина спектру залежить від поверхневого напруження водяних крапель. У спектрі шість піків, які вказують на розгалуження сніжинки.

Очевидно те, що в експериментах Емото початкова «контрольна» проба впливає на вигляд кристалів. Це означає те, що після впливу певного фактора можна очікувати формування подібних кристалів. Майже неможливо отримати однакові кристали. При перевірці впливу слова "кохання" на воду, Емото не вказує ясно, чи був даний експеримент здійснений з різними пробами.

Необхідні подвійно сліпі експерименти для того, щоб перевірити, чи достатньо диференційовано методику Емото. Доказ Айзека у тому, що 10% водяних молекул після замерзання утворюють ковалентні зв'язку, показує, що вода використовує при замерзанні цю інформацію. Досягнення Емото навіть без подвійно сліпих експериментів залишається досить важливим щодо інформаційних властивостей води.

Природна сніжинка, Вілсон Бентлі, 1925

Сніжинка Емото, отримана із природної води

Одна сніжинка – природна, а інша – створена Емото, вказує на те, що різноманіття у водяному спектрі не безмежне.

Earthquake, Sofia, 4.0 Richter scale, 15 Листопада 2008,
Dr. Ignatov, 2008 ©, Prof. Antonov's device©

Ця фігура вказує на різницю між контрольною пробою та зробленими в інші дні. Молекули води розривають найбільш енергетичні водневі зв'язки у воді, а також два піки у спектрі під час природного явища. Дослідження було проведено з допомогою приладу Антонова. Біофізичний ефект показує зниження життєвого тонусу організму при землетрусі. Під час землетрусу вода не може змінювати свою структуру у сніжинках у лабораторії Емото. Існують докази про зміну електропровідності води під час землетрусу.

У 1963 р. танзанійський школяр Ерасто Мпемба зауважив, що гаряча вода замерзає швидше за холодну. Цей феномен отримав назву ефект Мпемба. Хоча унікальна властивість води була помічена набагато раніше Аристотелем, Френсісом Беконом та Рене Декартом. Явище було доведено багаторазово цілим рядом незалежних один одного експериментів. Вода має і ще одну дивну властивість. На мою думку, пояснення цьому таке: у диференціально нерівноважного енергетичного спектру (ДНЕС) кип'яченої води менша середня енергія водневих зв'язок між водяними молекулами, ніж у проби, взятої за кімнатної температури Це означає, що кип'яченій воді необхідно менше енергії для того, щоб почати структурувати кристали і замерзнути.

Розгадка структури льоду та його властивостей полягає у будові його кристала. Кристали всіх модифікацій льоду побудовані з молекул води H 2 O, з'єднаних водневими зв'язками тривимірні сітчасті каркаси з певним розташуванням водневих зв'язків. Молекулу води можна спрощено уявити у вигляді тетраедра (піраміди з трикутною основою). У її центрі знаходиться атом кисню, що у стані sp 3 -гібридизації, а двох вершинах - по атому водню, по одному з 1s-електронів яких задіяні у освіті ковалентної Н-О зв'язку з киснем. Дві вершини, що залишилися, займають пари неспарених електронів кисню, які не беруть участь в утворенні внутрішньомолекулярних зв'язків, тому їх називають неподіленими. Просторова форма молекули Н 2 Про пояснюється взаємним відштовхуванням атомів водню та неподілених електронних пар центрального атома кисню.

Водневий зв'язок має важливе значення в хімії міжмолекулярних взаємодій та обумовлений слабкими електростатичними силами та донорно-акцепторними взаємодіями. Вона виникає при взаємодії електронодефіцитного електронами атома водню однієї молекули води з неподіленою електронною парою атома кисню сусідньої молекули води (О-Н…О). Відмінною рисою водневого зв'язку є порівняно низька міцність; вона в 5-10 разів слабша за хімічний ковалентний зв'язок. За енергією водневий зв'язок займає проміжне положення між хімічним зв'язком і ван-дер-ваальсовими взаємодіями, що утримують молекули в твердій або рідкій фазі. Кожна молекула води в кристалі льоду може одночасно утворювати чотири водневі зв'язки з іншими сусідніми молекулами під строго певними кутами, рівними 109°47", спрямованих до вершин тетраедра, які не дозволяють при замерзанні води створювати щільну структуру (рис. 3). У структурах льоду. I, Ic, VII і VIII цей тетраедр правильний.У структурах льоду II, III, V і VI тетраедри помітно спотворені.У структурах льоду VI, VII і VIII можна виділити дві системи водневих зв'язків, що взаємоперехрещуються. у вигляді сітчастої сітки, за структурою нагадує шестигранні стільники з порожніми внутрішніми каналами.Якщо лід нагріти, сітчаста структура руйнується: молекули води починають провалюватися в порожнечі сітки, призводячи до щільнішої структури рідини, - цим пояснюється, чому вода важча льоду.

Мал. 3. Утворення водневого зв'язку між чотирма молекулами Н2О (червоні кульки позначають центральні атоми кисню, білі кульки – атоми водню)

Специфіка водневих зв'язків та міжмолекулярних взаємодій, характерна для структури льоду, зберігається у талій воді, оскільки при плавленні кристала льоду руйнується лише 15% всіх водневих зв'язків. Тому властивий льоду зв'язок кожної молекули води з чотирма сусідніми ("ближній порядок") не порушується, хоча й спостерігається більша розмитість кисневої каркасної решітки. Водневі зв'язки можуть зберігатись і при кипінні води. Лише у водяній парі водневі зв'язки відсутні.

Лід, який утворюється при атмосферному тиску і плавиться при 0 ° С, - найзвичніша, але все ж таки до кінця не вивчена речовина. Багато чого в його структурі та властивостях виглядає незвичайно. У вузлах кристалічної решітки льоду атоми кисню тетраедрів молекул води вибудовані впорядковано, утворюючи правильні шестикутники, на зразок шестигранних бджолиних сот, а атоми водню займають різні положення на водних зв'язках, що з'єднують атоми кисню (рис. 4). Тому можливі шість еквівалентних орієнтацій молекул води щодо їхніх сусідів. Частина їх виключається, оскільки перебування одночасно двох протонів однією водневого зв'язку малоймовірно, але залишається достатня невизначеність у орієнтації молекул води. Така поведінка атомів нетипова, оскільки в твердій речовині всі атоми підпорядковуються одному закону: або вони атоми розташовані впорядковано, і тоді це кристал, або випадково, і тоді це аморфна речовина. Така незвичайна структура може реалізуватися в більшості модифікацій льоду - I h , III, V, VI і VII (і, очевидно, в Ic) (табл. 3), а в структурі льоду II, VIII і IX молекули води орієнтаційно впорядковані. За висловом Дж. Бернала лід кристалічний щодо атомів кисню і склоподібний щодо атомів водню.

Мал. 4. Структура льоду природної гексагональної конфігурації I h

В інших умовах, наприклад у Космосі при великих тисках і низьких температурах, лід кристалізується інакше, утворюючи інші кристалічні решітки та модифікації (кубічна, тригональна, тетрагональна, моноклінна та ін.), кожна з яких має власну структуру та кристалічні грати (табл. 3 ). Структури льодів різних модифікацій було розраховано російськими дослідниками д.х.н. Г.Г. Маленковим та к.фіз.-мат.н. Є.А. Желігівській з Інституту фізичної хімії та електрохімії ім. О.М. Фрумкіна Російської академії наук. Льоди II, III і V модифікації тривалий час зберігаються при атмосферному тиску, якщо температура не перевищує -170 ° С (рис. 5). При охолодженні приблизно до -150 °С природний лід перетворюються на кубічний лід Ic, що складається з кубів і октаедрів розміром кілька нанометрів. Лід I c іноді з'являється і при заморожуванні води в капілярах, чому, мабуть, сприяє взаємодія води з матеріалом стінки та повторення його структури. Якщо температура трохи вище -110 0 C, на металевій підкладці формуються кристали більш щільного і важкого аморфного склоподібного льоду з щільністю 0,93 г/см 3 . Обидві ці форми льоду можуть спонтанно переходити в гексагональний лід, причому тим швидше, чим вища температура.

Табл. 3. Деякі модифікації льоду та їх фізичні параметри.

Примітка. 1 Å = 10 -10 м

Мал. 5. Діаграма стану кристалічних льодів різних модифікацій.

Існують і льоди високого тиску - II і III тригональної та тетрагональної модифікацій, утворені з порожнистих соток, сформованих шестикутними гофрованими елементами, зрушеними один щодо одного на одну третину (рис. 6 та рис. 7). Ці льоди стабілізуються у присутності благородних газів гелію та аргону. У структурі льоду V моноклинної модифікації кути між сусідніми атомами кисню становлять від 86 0 до 132°, що відрізняється від валентного кута в молекулі води, що становить 105°47'. Лід VI тетрагональної модифікації складається з двох вставлених одна в одну каркасів, між якими немає водневих зв'язків, у результаті формується об'ємоцентровані кристалічні грати (рис. 8). Основу структури льоду VI складають гексамери – блоки із шести молекул води. Їх конфігурація точно повторює будову стійкого кластера води, яку дають розрахунки. Аналогічну структуру з каркасами льоду I, вставлених один в одного, мають льоди VII та VIII кубічної модифікації, які є низькотемпературними впорядкованими формами льоду VII. При подальшому збільшенні тиску відстань між атомами кисню в кристалічній решітці льодів VII і VIII зменшуватиметься, в результаті формується структура льоду X, атоми кисню в якому вибудовані в правильну решітку, а протони впорядковані.

Мал. 7. Лід ІІІ-ї конфігурації.

Лід XI утворюється при глибокому охолодженні льоду I h c добавкою лугу нижче 72 К при нормальному тиску. У цих умовах утворюються гідроксильні дефекти кристала, що дозволяють кристалу льоду, що росте, змінювати свою структуру. Лід XI має ромбічні кристалічні грати з упорядкованим розташуванням протонів і формується відразу в багатьох центрах кристалізації біля гідроксильних дефектів кристала.

Мал. 8. Лід VI конфігурації.

Серед льодів є і метастабільні форми IV і XII, часи життя яких становлять секунди, що мають найкрасивішу структуру (рис. 9 і рис. 10). Для отримання метастабільних льодів слід стискати лід I h до тиску 1,8 ГПа за нормальної температури рідкого азоту. Ці криги утворюються набагато легше і особливо стабільні, якщо тиску піддається переохолоджена важка вода. Інша метастабільна модифікація - лід IX утворюється при переохолодженні льоду III і по суті є його низькотемпературною формою.

Мал. 9. Лід IV-конфігурації.

Мал. 10. Лід XII конфігурації.

Дві останні модифікації льоду – з моноклінною XIII та ромбічною конфігурацією XIV були відкриті вченими з Оксфорда (Великобританія) зовсім недавно – у 2006 році. Припущення про те, що повинні існувати кристали льоду з моноклинними і ромбічними гратами, було важко підтвердити: в'язкість води при температурі -160 °С дуже висока, і зібратися разом молекул чистої переохолодженої води в такій кількості, щоб утворився зародок кристала, важко. Цього вдалося досягти за допомогою каталізатора – соляної кислоти, яка підвищила рухливість молекул води за низьких температур. На Землі подібні модифікації льоду утворюватися не можуть, але вони можуть існувати в Космосі на застиглих планетах і замерзлих супутниках і кометах. Так, розрахунок щільності та теплових потоків з поверхні супутників Юпітера та Сатурна дозволяє стверджувати, що у Ганімеда та Каллісто має бути крижана оболонка, в якій чергуються льоди I, III, V та VI. У Титана льоди утворюють не кору, а мантію, внутрішній шар якої складається з льоду VI, інших льодів високого тиску та клатратних гідратів, а зверху розташований лід I h .

Мал. 11. Різноманітність та форма сніжинок у природі

Високо в атмосфері Землі за низької температури вода кристалізується з тетраедрів, що формують гексагональний лід I h . Центром утворення кристалів льоду є тверді частинки пилу, що піднімає у верхні шари атмосфери вітер. Навколо цього зародкового мікрокристалу льоду в шести симетричних напрямках наростають голочки, утворені окремими молекулами води, на яких виростають бічні відростки – дендрити. Температура та вологість повітря навколо сніжинки однакові, тому спочатку вона симетрична за своєю формою. У міру формування сніжинки поступово опускаються у нижчі шари атмосфери, де температура вища. Тут відбувається плавлення та його ідеальна геометрична форма спотворюється, формуючи різноманіття сніжинок (рис. 11).

При подальшому плавленні гексагональна структура льоду руйнується і утворюється суміш циклічних асоціатів кластерів, а також три-, тетра-, пента-, гекса-мерів води (рис. 12) і вільних молекул води. Вивчення будови кластерів часто значно утруднено, оскільки вода за сучасними даними - суміш різних нейтральних кластерів (Н 2 О) n та їх заряджених кластерних іонів [Н 2 О] + n і [Н 2 О] - n , що знаходяться в динамічній рівновазі між собою з часом життя 10 -11 -10 -12 секунд.

Мал. 12.Можливі кластери води (а-h) складу (Н 2 Про) n де n = 5-20.

Кластери здатні взаємодіяти один з одним за рахунок граней водневих зв'язків, що виступають назовні, утворюючи більш складні поліедричні структури, такі як гексаедр, октаедр, ікосаедр і додекаедр. Таким чином, структура води пов'язана з так званими Платоновими тілами (тетраедр, гексаедр, октаедр, ікосаедр і додекаедр), названими на честь давньогрецького філософа і геометра Платона, які відкрили їх, форма яких визначається золотою пропорцією (рис. 13).

Мал. 13. Платонові тіла, геометрична форма яких визначається золотою пропорцією.

Число вершин (В), граней (Г) і ребер (Р) у будь-якому просторовому багатограннику описується співвідношенням:

В + Г = Р + 2

Відношення кількості вершин (В) правильного багатогранника до кількості ребер (Р) однієї його грані дорівнює відношенню кількості граней (Г) цього багатогранника до кількості ребер (Р), що виходять з однієї його вершини. У тетраедра це відношення дорівнює 4:3, у гексаедра (6 граней) та октаедра (8 граней) - 2:1, а у додекаедра (12 граней) та ікосаедра (20 граней) - 4:1.

p align="justify"> Стуктури поліедричних кластерів води, розраховані російськими вченими, були підтверджені за допомогою сучасних методів аналізу: спектроскопією протонного магнітного резонансу, фемтосекундною лазерною спектроскопією, дифракцією рентгенівських променів і нейтронів на кристалах води. Відкриття кластерів води та здатність води зберігати інформацію – два найважливіші відкриття XXI тисячоліття. Це наочно доводить, що природі характерна симетрія як точних геометричних форм і пропорцій, характерним кристалам льоду.

ЛІТЕРАТУРА.

1. Бєлянін В., Романова Є. Життя, молекула води та золота пропорція // Наука і життя, 2004, Т. 10, № 3, с. 23-34.

2. Шумський П. А., Основи структурного льодознавства. - Москва, 1955б с. 113.

3. Мосін О.В., Ігнатов І. Усвідомлення води як субстанції життя. // Свідомість та фізична реальність. 2011, Т 16, № 12, с. 9-22.

4. Петрянов І. В. Найнезвичайніша речовина у світі. Москва, Педагогіка, 1981, с. 51-53.

5 Ейзенберг Д, Кауцман В. Будова та властивості води. - Ленінград, Гідрометеоздат, 1975, с. 431.

6. Кульський Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Г. Вода знайома та загадкова. - Київ, Родянбська школа, 1982, с. 62-64.

7. Зацепіна Г. Н. Структура та властивості води. - Москва, вид. МДУ, 1974, с. 125.

8. Антонченко В. Я., Давидов Н. С., Ільїн В. В. Основи фізики води – Київ, Наукова думка, 1991, с. 167.

9. Simonite T. DNA-like ice "seen" всередині carbon nanotubes // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Емото М. Послання води. Таємні коди кристалів льоду. – Софія, 2006. с. 96.

11. Зенін С. В., Тяглов Б. В. Природа гідрофобної взаємодії. Виникнення орієнтаційних полів у водних розчинах// Журнал фізичної хімії, 1994, Т. 68, № 3, с. 500–503.

12. Піментел Дж., Мак-Клеллан О. Водневим зв'язком - Москва, Наука, 1964, с. 84-85.

13. Бернал Дж., Фаулер Р. Структура води та іонних розчинів // Успіхи фізичних наук, 1934, Т. 14 № 5, с. 587-644.

14. Хобза П., Заградник Р. Міжмолекулярні комплекси: Роль Ван-дер-ваальсових систем у фізичній хімії та біодисциплінах. - Москва, Світ, 1989, с. 34-36.

15. Паундер Е. Р. Фізика льоду, пров. з англ. - Москва, 1967, с. 89.

16. Комаров С. М. Крижані візерунки високого тиску. // Хімія життя й, 2007, №2, З. 48-51.

17. Є. А. Желіговська, Г. Г. Маленков. Кристалічні льоди // Успіхи хімії, 2006 № 75, с. 64.

18. Fletcher N.H.

19. Немухін А. В. Різноманітність кластерів// Російський хімічний журнал, 1996, Т. 40, № 2, с. 48-56.

20. Мосін О.В., Ігнатов І. Структура води та фізична реальність. // Свідомість та фізична реальність, 2011, Т. 16, № 9, с. 16-32.

21. Ігнатов І. Біоенергетична медицина. Зародження живої матерії, пам'ять води, біорезонанс, біофізичні поля. - ГеяЛібріс, Софія, 2006, с. 93.

Користувальницького пошуку

Структура води

К.х.н. О.В. Мосін

Молекула води є маленьким дипольом, що містить позитивний і негативний заряди на полюсах. Так як маса і заряд ядра кисню більше ніж у ядер водню, то електронна хмара стягується у бік ядра. При цьому ядра водню оголюються. Таким чином, електронна хмара має неоднорідну густину. У ядер водню є дефіцит електронної щільності, але в протилежному боці молекули, біля ядра кисню, спостерігається надлишок електронної щільності. Саме така структура визначає полярність молекули води. Якщо з'єднати прямими лініями епіцентри позитивних та негативних зарядів вийде об'ємна геометрична фігура – ​​правильний тетраедр.

Будова молекули води (малюнок праворуч)

Завдяки наявності водневих зв'язків кожна молекула води утворює водневий зв'язок із чотирма сусідніми молекулами, утворюючи ажурний сітчастий каркас у молекулі льоду. Однак у рідкому стані вода - невпорядкована рідина; ці водневі зв'язки - спонтанні, короткоживучі, швидко рвуться і знову утворюються. Все це призводить до неоднорідності у структурі води.

Водневі зв'язки між молекулами води (рисунок нижче зліва)

Те, що вода неоднорідна за складом, було встановлено давно. З давніх-давен відомо, що лід плаває на поверхні води, тобто щільність кристалічного льоду менше, ніж щільність рідини.

Майже у решти речовин кристал щільніше рідкої фази. До того ж після плавлення при підвищенні температури щільність води продовжує збільшуватися і досягає максимуму при 4C. Менш відома аномалія стисливості води: при нагріванні від точки плавлення до 40°С вона зменшується, а потім збільшується. Теплоємність води також залежить від температури немонотонно.

Крім того, при температурі нижче 30 °C зі збільшенням тиску від атмосферного до 0,2 ГПа в'язкість води зменшується, а коефіцієнт самодифузії - параметр, який визначає швидкість переміщення молекул води відносно один одного зростає.

Для інших рідин залежність зворотна, і майже ніде немає, щоб якийсь важливий параметр поводився немонотонно, тобто. спочатку зростав, а після проходження критичного значення температури чи тиску зменшувався. Виникло припущення, що насправді вода це не єдина рідина, а суміш двох компонентів, які відрізняються властивостями, наприклад, щільністю і в'язкістю, а отже, і структурою. Такі ідеї стали виникати наприкінці XIX століття, коли накопичилося багато даних про аномалії води.

Першим ідею у тому, що вода і двох компонентів, висловив Уайтинг в1884 року. Його авторство цитує Е.Ф.Фріцман у монографії "Природа води. Важка вода", виданої 1935 року. У 1891 році В.Ренгтен ввів уявлення про два стани води, які відрізняються щільністю. Після неї з'явилося багато робіт, у яких воду розглядали як суміш асоціатів різного складу (гідролей).

Коли у 20-ті роки визначили структуру льоду, виявилося, що молекули води в кристалічному стані утворюють тривимірну безперервну сітку, в якій кожна молекула має чотирьох найближчих сусідів, які розташовані у вершинах правильного тетраедра. В1933 Дж.Бернал і П.Фаулер припустили, що подібна сітка існує і в рідкій воді. Оскільки вода щільніша за льоду, вони вважали, що молекули в ній розташовані не так, як у льоду, тобто подібно до атомів кремнію в мінералі тридиміті, а так, як атоми кремнію в більш щільній модифікації кремнезему кварці. Збільшення густини води при нагріванні від 0 до 4C пояснювалося присутністю при низькій температурі тридимітової компоненти. Таким чином, модель Бернала Фаулера зберегла елемент двоструктурності, але головне їх досягнення - ідея безперервної тетраедричної сітки. Тоді з'явився знаменитий афоризм І.Ленгмюра: "Океан-одна велика молекула". Зайва конкретизація моделі не додала прихильників теорії єдиної сітки.

Тільки в 1951 році Дж. Попл створив модель безперервної сітки, яка була не така конкретна, як модель Бернала Фаулера. Попл представляв воду, як випадкову тетраедричну сітку, зв'язки між молекулами в якій викривлені та мають різну довжину. Модель Попла пояснює ущільнення води під час плавлення викривленням зв'язків. Коли 60-70-ті роки з'явилися перші визначення структури льодів II і IX, зрозуміли, як викривлення зв'язків може призводити до ущільнення структури. Модель Попла не могла пояснити немонотонність залежності властивостей води від температури та тиску так добре, як моделі двох станів. Тому ідею двох станів ще довго розділяли багато вчених.

Але в другій половині XX століття не можна було так фантазувати про склад та будову гідролей, як це робили на початку століття. Вже було відомо, як влаштований лід та кристалогідрати, і багато що знали про водневий зв'язок. Крім континуальних моделей (модель Попла), виникли дві групи змішаних моделей: кластерні та клатратні. У першій групі вода поставала у вигляді кластерів із молекул, пов'язаних водневими зв'язками, які плавали в морі молекул, які в таких зв'язках не беруть участь. Моделі другої групи розглядали воду як безперервну сітку (зазвичай у цьому контексті звану каркасом) водневих зв'язків, що містить порожнечі; у яких розміщуються молекули, які утворюють зв'язків із молекулами каркаса. Неважко було підібрати такі властивості та концентрації двох мікрофаз кластерних моделей або властивості каркасу та ступінь заповнення його порожнеч клатратних моделей, щоб пояснити всі властивості води, у тому числі й знамениті аномалії.

Серед кластерних моделей найбільш яскравою виявилася модель Г.Неметі та Х.Шераги.: Запропоновані ними картинки, що зображують кластери пов'язаних молекул, які плавають у морі незв'язаних молекул, увійшли до безлічі монографій.

Першу модель клатратного типу у 1946 році запропонував О.Я.Самойлов: у воді зберігається подібна до гексагонального льоду сітка водневих зв'язків, порожнини якої частково заповнені мономерними молекулами. Л.Полінг у 1959 році створив інший варіант, припустивши, що основою структури може служити сітка зв'язків, властива деяким кристалогідратам.

Протягом другої половини 60-х і початку 70-х спостерігається зближення всіх цих поглядів. З'являлися варіанти кластерних моделей, у яких обох мікрофазах молекули з'єднані водневими зв'язками. Прихильники клатратних моделей стали допускати утворення водневих зв'язків між пустотними та каркасними молекулами. Тобто, фактично автори цих моделей розглядають воду як безперервну сітку водневих зв'язків. І йдеться про те, наскільки неоднорідна ця сітка (наприклад, за щільністю). Уявленням про воду як про воднево-пов'язані кластери, які плавають у морі позбавлених зв'язків молекул води, було покладено край на початку вісімдесятих років, коли Г.Стенлі застосував до моделі води теорію перколяції, що описує фазові переходи води.

У 1999 р. відомий російський дослідник води С.В. Зенін захистив в Інституті медико-біологічних проблем РАН докторську дисертацію, присвячену кластерній теорії, яка стала суттєвим етапом у просуванні цього напряму досліджень, складність яких посилюється тим, що вони перебувають на стику трьох наук: фізики, хімії та біології. Їм на підставі даних, отриманих трьома фізико-хімічними методами: рефрактометрії (С.В. Зенін, Б.В. Тяглов, 1994), високоефективної рідинної хроматографії (С.В. Зенін з співавт., 1998) та протонного магнітного резонансу (С .В.Зенін, 1993) побудовано та доведено геометричну модель основного стабільного структурного утворення з молекул води (структурована вода), а потім (С.В. Зенін, 2004) отримано зображення за допомогою контрастно-фазового мікроскопа цих структур.

Зараз наукою доведено, що особливості фізичних властивостей води та численні короткоживучі водневі зв'язки між сусідніми атомами водню і кисню в молекулі води створюють сприятливі можливості для утворення особливих структур-асоціатів (кластерів), які сприймають, зберігають і передають різноманітну інформацію.

Структурною одиницею такої води є кластер, що складається з клатратів, природа яких зумовлена ​​далекими кулонівськими силами. У структурі кластрів закодована інформація про взаємодії, що мали місце із даними молекулами води. У водних кластерах рахунок взаємодії між ковалентними і водневими зв'язками між атомами кисню і атомами водню може відбуватися міграція протона (Н+) по естафетному механізму, що призводять до делолизации протона межах кластера.

Вода, що складається з багатьох кластерів різних типів, утворює ієрархічну просторову рідкокристалічну структуру, яка може сприймати і зберігати величезні обсяги інформації.

На малюнку (В.Л. Воєйков) як приклад наведено схеми кількох найпростіших кластерних структур.

Деякі можливі структури кластерів води

Переносниками інформації можуть бути фізичні поля різної природи. Так встановлено можливість дистанційної інформаційної взаємодії рідкокристалічної структури води з об'єктами різної природи за допомогою електромагнітних, акустичних та інших полів. Об'єктом, що впливає, може бути і людина.

Вода є джерелом надслабкого та слабкого змінного електромагнітного випромінювання. Найменш хаотичне електромагнітне випромінювання створює структурована вода. У такому разі може статися індукція відповідного електромагнітного поля, що змінює структурно-інформаційні характеристики біологічних об'єктів.

Протягом останніх років отримано важливі дані щодо властивостей переохолодженої води. Вивчати воду за низької температури дуже цікаво, оскільки її вдається сильніше переохолодити, ніж інші рідини. Кристалізація води, як правило, починається на якихось неоднорідностях або на стінках судини, або на частинках плаваючих твердих домішок. Тому знайти температуру, коли б переохолоджена вода мимоволі закристалізувалася нелегко. Але вченим вдалося це зробити, і зараз температура так званої гомогенної нуклеації, коли утворення кристалів льодів йде одночасно по всьому об'єму, відома для тисків до 0,3 ГПа, тобто захоплюючи області існування льоду II.

Від атмосферного тиску до межі, що розділяє льоди I і II, ця температура падає від 231 до 180 К, а потім трохи збільшується до 190К. Нижче за цю критичну температуру рідка вода неможлива в принципі.

Структура льоду (рисунок праворуч)

Однак із цією температурою пов'язана одна загадка. В середині вісімдесятих років була відкрита нова модифікація аморфного льоду-лід високої щільності, і це допомогло відродженню уявлень про воду як про суміш двох станів. Як прототипи розглядалися не кристалічні структури, а структури аморфних льодів різної щільності. У найвиразнішому вигляді цю концепцію сформулювали Е.Г.Понятовський і В.В.Сініцин, які у 1999 року написали: " Вода сприймається як регулярний розчин двох компонентів, локальні зміни у яких відповідають ближньому порядку модифікацій аморфного льоду " . Більше того, вивчаючи ближній порядок у переохолодженій воді при високому тиску методами дифракції нейтронів, вченим вдалося знайти компоненти, що відповідають цим структурам.

Наслідком поліморфізму аморфних льодів стали також припущення про розшарування води на два компоненти, що не змішуються, при температурі нижче гіпотетичної низькотемпературної критичної точки. На жаль, за оцінкою дослідників, ця температура при тиску 0,017 ГПа дорівнює 230К нижче за температуру нуклеації, тому спостерігати розшарування рідкої води нікому ще не вдалося. Так відродження моделі двох станів порушило питання про неоднорідність сітки водневих зв'язків у рідкій воді. Розібратися в цій неоднорідності можна лише за допомогою комп'ютерного моделювання.

Говорячи про кристалічну структуру води, слід зазначити, що відомо 14 модифікацій льоду,більшість з яких не зустрічаються в природі, в яких молекули води зберігають свою індивідуальність, і з'єднані водневими зв'язками. З іншого боку, існує безліч варіантів сітки водневих зв'язків у клатратних гідратах. Енергії цих сіток (льодів високого тиску та клатратних гідратів) ненабагато вищі за енергії кубічного та гексагонального льодів. Тому фрагменти таких структур можуть з'являтися в рідкій воді. Можна сконструювати безліч різних неперіодичних фрагментів, молекули в яких мають по чотири найближчих сусіди, розташованих приблизно по вершинах тетраедра, але при цьому їх структура не відповідає структурам відомих модифікацій льоду. Як показали численні розрахунки, енергії взаємодії молекул у таких фрагментах будуть близькими один до одного, і немає підстав говорити, що якась структура має переважати в рідкій воді.

Структурні дослідження води можна вивчати різними методами;спектроскопією протонного магнітного резонансу, інфрачервоної спекроскопії, дифракцією рентгенівських променів та ін. Наприклад, дифракцію рентгенівських променів та нейтронів уводі вивчали багато разів. Однак докладних відомостей про структуру ці експерименти не можуть дати. Неоднорідності, які різняться по щільності, можна було побачити по розсіянню рентгенівських променів і нейтронів під малими кутами, проте такі неоднорідності мають бути великими, які з сотень молекул води. Можна було їх побачити, і досліджуючи розсіяння світла. Однак вода є виключно прозорою рідиною. Єдиний результат дифракційних експериментів функції радіального розподілу, тобто відстані між атомами кисню, водню і кисню-водню. З них видно, що ніякого далекого порядку розташування молекул води немає. Ці функції води загасають набагато швидше, ніж більшість інших рідин. Наприклад, розподіл відстаней між атомами кисню при температурі, близької до кімнатної, дає лише три максимуми, на 2,8, 4,5 та 6,7. Перший максимум відповідає відстані до найближчих сусідів, та його значення приблизно дорівнює довжині водневого зв'язку. Другий максимум близький до середньої довжини ребра тетраедра: пригадаємо, що молекули води в гексагональному льоду розташовуються по вершинах тетраедра, описаного навколо центральної молекули. А третій максимум, виражений дуже слабко, відповідає відстані до третіх і більш далеких сусідів водневою сіткою. Цей максимум і сам не дуже яскравий, а про подальші піки й казати не доводиться. Були спроби отримати більш детальну інформацію з цих розподілів. Так у 1969 році І.С.Андріанов та І.З.Фішер знайшли відстані аж до восьмого сусіда, при цьому до п'ятого сусіда воно виявилося рівним 3, а до шостого 3,1. Це дозволяє робити дані про дальнє оточення молекул води.

Інший метод дослідження структури - нейтронна дифракція на кристалах води здійснюється так само, як і рентгенівська дифракція. Однак через те, що довжини нейтронного розсіювання різняться у різних атомів менш сильно, метод ізоморфного заміщення стає неприйнятним. Насправді зазвичай працюють із кристалом, у якого молекулярна структура вже приблизно встановлена ​​іншими методами. Потім для цього кристала вимірюють інтенсивність нейтронної дифракції. За цими результатами проводять перетворення Фур'є, у ході використовують виміряні нейтронні інтенсивності і фази, обчислювані з урахуванням неводневих атомів, тобто. атомів кисню, становище яких у моделі структури відоме. Потім отриманої в такий спосіб фурье-карте атоми водню і дейтерію представлені з набагато більшими вагами, ніж карті електронної щільності, т.к. Внесок цих атомів у нейтронне розсіювання дуже великий. За цією картою щільності можна, наприклад, визначити положення атомів водню (негативна щільність) та дейтерію (позитивна щільність).

Можливий різновид цього методу, який полягає в тому, що кристал, що утворився у воді, перед вимірами витримують у важкій воді. У цьому випадку нейтронна дифракція не тільки дозволяє встановити, де розташовані атоми водню, але й виявляє ті з них, здатні обмінюватися на дейтерій, що особливо важливо для вивчення ізотопного (H-D)-обміну. Така інформація допомагає підтвердити правильність встановлення структури.

Інші методи дозволяють вивчати динаміку молекул води. Це експерименти з квазіпружного розсіювання нейтронів, надшвидкої ІЧ-спектроскопії та вивчення дифузії води за допомогою ЯМР або мічених атомів дейтерію. Метод ЯМР-спектроскопії заснований на тому, що ядро ​​атома водню має магнітний момент-спін, що взаємодіє з магнітними полями, постійними та змінними. По спектру ЯМР можна будувати висновки, у якому оточенні ці атоми і ядра перебувають, отримуючи, в такий спосіб, інформацію про структуру молекули.

В результаті експериментів з квазіпружного розсіювання нейтронів у кристалах води було виміряно найважливіший параметр-коефіцієнт самодифузії при різних тисках і температурах. Щоб судити про коефіцієнт самодифузії за квазіпружним розсіюванням нейтронів, необхідно зробити припущення про характер руху молекул. Якщо вони рухаються відповідно до моделі Я.І.Френкеля (відомого вітчизняного фізика-теоретика, автора "Кінетичної теорії рідин" - класичної книги, перекладеної багатьма мовами), званої також моделлю "стрибок-очікування", тоді час оседлого життя (час між стрибками) молекули становить 3,2 пікосекунди. Нові методи фемтосекундної лазерної спектроскопії дозволили оцінити час життя розірваного водневого зв'язку: протону потрібно 200 фс для того, щоб знайти партнера. Однак усе це середні величини. Вивчити деталі будови та характеру руху молекул води можна лише за допомогою комп'ютерного моделювання, що називається іноді чисельним експериментом.

Так виглядає структура води за наслідками комп'ютерного моделювання (за даними д.х.н. Г.Г.Маленкова). Загальну безладну структуру можна розбити на два типи областей (показані темними та світлими кульками), які різняться за своєю будовою, наприклад за обсягом багатогранника Вороного (а), ступенем тетраедричності найближчого оточення (б), значенням потенційної енергії (в), а також за наявності чотирьох водневих зв'язків у кожної молекули (г). Втім, ці області буквально за мить, через кілька пікосекунд, змінять своє розташування.

Моделювання проводиться так. Береться структура льоду і нагрівається до розплавлення. Потім після деякого часу, щоб вода забула про кристалічне походження, знімаються миттєві мікрофотографії.

Для аналізу структури води вибираються три параметри:
- ступінь відхилення локального оточення молекули від вершин правильного тетраедра;
-Потенційна енергія молекул;
-Обсяг так званого багатогранника Вороного.

Щоб побудувати цей багатогранник, беруть ребро від даної молекули до найближчої, ділять його навпіл і через цю точку проводять площину перпендикулярну ребру. Виходить обсяг, що припадає на одну молекулу. Обсяг поліедра це щільність, тетраедричність, ступінь спотворення водневих зв'язків, енергія, ступінь стійкості конфігурації молекул. Молекули з близькими значеннями кожного з цих параметрів прагнуть згрупуватися разом окремі кластери. Області як з низькою, так і з високою щільністю мають різні значення енергії, але можуть мати і однакові значення. Експерименти показали, що з різною будовою кластери виникають спонтанно і спонтанно розпадаються. Вся структура води живе і постійно змінюється, причому час, за який відбуваються ці зміни, дуже короткий. Дослідники стежили за переміщеннями молекул і з'ясували, що вони здійснюють нерегулярні коливання із частотою близько 0,5 пс та амплітудою 1 ангстрем. Спостерігалися також рідкісні повільні стрибки на ангстреми, які тривають пікосекунди. Загалом за 30 пс молекула може зміститися на 8-10 ангстрем. Час життя локального оточення теж невеликий. Області, складені з молекул з близькими значеннями обсягу багатогранника Вороного, можуть розпастись за 0,5 пс, а можуть жити й кілька пікосекунд. А ось розподіл часів життя водневих зв'язків дуже великий. Але цей час вбирається у 40 пс, а середнє значення кілька пс.

На закінчення слід наголосити, що теорія кластерної будови води має багато підводних каменів.Наприклад, Зенін припускає, що основний структурний елемент води-кластер з 57 молекул, утворений злиттям чотирьох додекаедрів. Вони мають спільні грані, які центри утворюють правильний тетраедр. Те, що молекули води можуть розташовуватися на вершинах пентагонального додекаедра, відомо давно; такий додекаедр-основа газових гідратів. Тому нічого дивного у припущенні про існування таких структур у воді немає, хоча вже говорилося, що жодна конкретна структура не може бути переважаючою та існувати довго. Тому дивно, що цей елемент передбачається головним і що до нього входить рівно 57 молекул. З кульок, наприклад, можна збирати такі ж структури, які складаються з додекаедрів, що примикають один до одного, і містять 200 молекул. Зенін стверджує, що тривимірної полімеризації води зупиняється на 57 молекулах. Більших асоціатів, на його думку, не повинно бути. Однак якби це було так, з водяної пари не могли б осаджуватися кристали гексагонального льоду, які містять величезну кількість молекул, пов'язаних водневими зв'язками. Зрозуміло, чому зростання кластера Зеніна зупинився на 57 молекулах. Щоб уникнути протиріч, Зенін і упаковує кластери у складніші освіти-ромбоедри- з майже тисячі молекул, причому вихідні кластери друг з одним водневих зв'язків не утворюють. Чому? Чим молекули на поверхні відрізняються від тих, що всередині? На думку Зеніна, візерунок гідроксильних груп лежить на поверхні ромбоедрів і забезпечує пам'ять води. Отже, молекули води у цих великих комплексах жорстко фіксовані, і самі комплекси є твердими тілами. Така вода не тектиме, а температура її плавлення, яка пов'язана з молекулярною масою, повинна бути дуже високою.

Які властивості води пояснює модель Зеніна? Оскільки в основі моделі лежать тетраедричні споруди, її можна у тій чи іншій мірі узгодити з даними щодо дифракції рентгенівських променів та нейтронів. Однак навряд чи модель може пояснити зменшення щільності при плавленні-упаковка додекаедрів менш щільна, ніж лід. Але найважче узгоджується модель з динамічними властивостями-текучістю, великим значенням коефіцієнта самодифузії, малими часом кореляції та діелектричної релаксації, які вимірюються пікосекундами.

К.х.н. О.В. Мосін

Список літератури:
Г.Г. Маленків. Успіхи фізичної хімії, 2001
С.В.Зенін, Б.М. Полануєр, Б.В. Тяглів. Експериментальний доказ наявності фракцій води. Ж. Гомеопатична медицина та акупунктура. 1997. №2.С.42-46.
С.В. Зенін, Б.В. Тяглів. Гідрофобна модель структури асоціатів молекул води. Ж.Фіз.хіміі.1994.Т.68.№4.С.636-641.
С.В. Зенін Дослідження структури води шляхом протонного магнітного резонансу. Докл.РАН.1993.Т.332.№3.С.328-329.
С.В.Зенін, Б.В.Тяглов. Природа гідрофобної взаємодії. Виникнення орієнтаційних полів у водних розчинах. Ж.Фіз.хіміі.1994.Т.68.№3.С.500-503.
С.В. Зенін, Б.В. Тяглов, Г.Б.Сергєєв, З.А. Шабарова. Дослідження внутрішньомолекулярних взаємодій у нуклеотидамідах методом ЯМР. Матеріали 2-ї Всесоюзної конф. За динаміч. Стереохімії. Одеса.1975.с.53.
С.В. Зенін. Структурований стан води як основа управління поведінкою та безпекою живих систем. Дисертація. Доктор біологічних наук. Державний науковий центр "Інститут медико-біологічних проблем" (ДНЦ "ІМБП"). Захищена 1999. 05. 27. УДК 577.32: 57.089.001.66.207 с.
В.І. Слєсарєв. Звіт про виконання НДР

Властивості води

Чому вода – вода?

Серед неоглядної множини речовин вода з її фізико-хімічними властивостями займає особливе, виняткове місце. І це треба розуміти буквально.

Майже всі фізико-хімічні властивості води – виняток у природі. Вона справді найдивовижніша речовина на світі. Вода дивовижна не тільки різноманіттям ізотопних форм молекули і не тільки надіями, які пов'язані з нею як з джерелом енергії майбутнього, що не вичерпується. Крім того, вона дивовижна і своїми - звичайними властивостями.

Як побудовано молекулу води?

Як побудовано одну молекулу води, тепер відомо дуже точно. Вона побудована так.

Добре вивчено та виміряно взаємне розташування ядер атомів водню та кисню та відстань між ними. Виявилось, що молекула води нелінійна. Разом з електронними оболонками атомів молекулу води, якщо на неї поглянути «збоку», можна було б зобразити так:

т. е. геометрично взаємне розташування зарядів у молекулі можна зобразити як простий тетраедр. Усі молекули води з будь-яким ізотопним складом побудовані абсолютно однаково.

Скільки молекул води в океані?

Одна. І ця відповідь не зовсім жарт. Звичайно, кожен може, подивившись у довідник і дізнавшись, скільки в Світовому океані води, легко порахувати, скільки всього містить молекул Н2О. Але така відповідь буде не зовсім вірною. Вода – речовина особлива. Завдяки своєрідній будові окремі молекули взаємодіють між собою. Виникає особливий хімічний зв'язок внаслідок того, що кожен з атомів водню однієї молекули відтягує електрони атомів кисню в сусідніх молекулах. За рахунок такого водневого зв'язку кожна молекула води виявляється досить міцно пов'язаною з чотирма іншими сусідніми молекулами, як це зображено на схемі. Щоправда, цю схему надто спрощено - вона плоска, інакше не зобразиш на малюнку. Уявімо трохи більш вірну картину. Для цього потрібно врахувати, що площина, в якій розташовані водневі зв'язки (вони позначені пунктиром), молекула води спрямована перпендикулярно до площини розташування водневих атомів.

Усі окремі молекули Н2О у воді виявляються пов'язаними в єдину суцільну просторову сітку - одну гігантську молекулу. Тому цілком виправдане твердження деяких вчених фізико-хіміків, що весь океан – це одна молекула. Але не слід розуміти це твердження надто буквально. Хоча всі молекули води у воді і зв'язуються між собою водневими зв'язками, вони в той же тягар знаходяться в дуже складній рухомій рівновазі, зберігаючи індивідуальні властивості і одиничних молекул і утворюючи складні агрегати. Подібне уявлення застосовується не тільки до води: шматок алмазу теж одна молекула.

Як побудовано молекулу льоду?

Жодних особливих молекул льоду немає. Молекули води завдяки своїй чудовій будові з'єднані в шматку льоду один з одним так, що кожна з них пов'язана та оточена чотирма іншими молекулами. Це призводить до виникнення дуже пухкої структури льоду, де залишається дуже багато вільного обсягу. Правильна кристалічна будова льоду виражається в дивовижній витонченості сніжинок і в красі морозних візерунків на замерзлих шибках.

Як же побудовані молекули води у воді?

На жаль, це дуже важливе питання досліджено ще недостатньо. Будова молекул у рідкій воді дуже складна. Коли лід плавиться, його сітчаста структура частково зберігається у воді, що утворюється. Молекули в талій воді складаються з багатьох простих молекул - агрегатів, що зберігають властивості льоду. При підвищенні температури частина їх розпадається, їх розміри стають меншими.

Взаємне тяжіння веде до того що, що середній розмір складної молекули води у рідкій воді значно перевищує розміри однієї молекули води. Така надзвичайна молекулярна будова води зумовлює її надзвичайні фізико-хімічні властивості.

Якою має бути щільність води?

Щоправда, дуже дивне питання? Згадайте, як було встановлено одиниця маси - один грам. Це маса одного кубічного сантиметра води. Значить, не може бути жодного сумніву в тому, що щільність води має бути тільки такою, якою вона є. Чи можна у цьому сумніватися? Можна, можливо. Теоретики підрахували, що якби вода не зберігала пухку, льодоподібну структуру в рідкому стані та її молекули були б упаковані щільно, то й щільність води була б набагато вищою. При 25°С вона дорівнювала не 1,0, а 1,8 г/см3.

За якої температури вода повинна кипіти?

Це питання теж, звичайно, дивне. Адже вода кипить за ста градусів. Це знає кожен. Більш того, всім відомо, що саме температура кипіння води при нормальному атмосферному тиску і обрана як одна з опорних точок температурної шкали, умовно позначеної 100°С.

Однак питання поставлене інакше: за якої температури вода повинна кипіти? Адже температури кипіння різних речовин не є випадковими. Вони залежать від положення елементів, що входять до складу їх молекул, у періодичній системі Менделєєва.

Якщо порівнювати між собою однакові за складом хімічні сполуки різних елементів, що належать до однієї і тієї ж групи таблиці Менделєєва, то легко помітити, що менше атомний номер елемента, чим менше його атомна вага, тим нижче температура кипіння його сполук. Вода за хімічним складом може бути названа гідридом кисню. Н2Те, H2Se та H2S - хімічні аналоги води. Якщо простежити за температурами їхнього кипіння і зіставити, як змінюються температури кипіння гідридів в інших групах періодичної системи, то можна досить точно визначити температуру кипіння будь-якого гідриду, так як і будь-якого іншого з'єднання. Сам Менделєєв у такий спосіб зміг передбачити властивості хімічних сполук ще відкритих елементів.

Якщо ж визначити температуру кипіння гідриду кисню за становищем його в періодичній таблиці, то виявиться, що вода повинна кипіти при -80 ° С. Отже, вода кипить приблизно на сто вісімдесят градусів вище , чим має кипіти. Температура кипіння води - це найпростіша її властивість - виявляється надзвичайною і дивовижною.

Властивості будь-якої хімічної сполуки залежать від природи елементів, що її утворюють, і, отже, від їх положення в періодичній системі хімічних елементів Менделєєва. На цих графіках наведено залежності температур кипіння та плавлення водневих сполук IV та VI групи періодичної системи. Вода є вражаючим винятком. Завдяки дуже малому радіусу протона сили взаємодії між її молекулами настільки великі, що розділити їх дуже важко, тому вода кипить і плавиться за аномально високих температур.

Графік А. Нормальна залежність температури кипіння гідридів елементів IV групи від їхнього положення в таблиці Менделєєва.

Графік Б. Серед гідридів елементів VI групи вода має аномальні властивості: вода повинна була б кипіти при мінус 80 - мінус 90 ° С, а кипить при плюс 100 ° С.

Графік В. Нормальна залежність температури плавлення гідридів елементів IV групи від їхнього положення в таблиці Менделєєва.

Графік Г. Серед гідридів елементів VI групи вода порушує порядок: мала б плавитися при мінус 100 °С, а крижані бурульки тануть при 0 °С.

За якої температури вода замерзає?

Чи не правда, питання не менш дивне, ніж попередні? Ну хто ж не знає, що вода замерзає за нуля градусів? Це друга опорна точка термометра. Це звичайнісінька властивість води. Але ж і в цьому випадку можна запитати: за якої температури вода повинна замерзати відповідно до своєї хімічної природи? Виявляється, гідрид кисню на підставі егс положення в таблиці Менделєєва повинен був тверднути при ста градусах нижче нуля.

Скільки є рідких станів води?

На таке запитання не так просто відповісти. Звичайно, теж одне – звична нам усім рідка вода. Але вода в рідкому стані має такі незвичайні властивості, що доводиться задуматися: чи правильний такий простий, здавалося б, не викликає

жодних сумнівів відповідь? Вода - єдина у світі речовина, яка після плавлення спочатку стискається, а потім у міру підвищення температури починає розширюватися. Приблизно при 4°С води найбільша щільність. Цю рідкісну аномалію у властивостях води пояснюють тим, що насправді рідка вода є складним розчином надзвичайного складу: це розчин води у воді.

При плавленні льоду спочатку утворюються великі складні молекули води. Вони зберігають залишки пухкої кристалічної структури льоду та розчинені у звичайній низькомолекулярній воді. Тому спочатку густина води низька, але з підвищенням температури ці великі молекули руйнуються, і тому густина води зростає, поки не почне переважати звичайне теплове розширення, при якому щільність води знову падає. Якщо це правильно, то можливі кілька станів води, тільки їх ніхто не вміє поділити. І поки невідомо, чи вдасться колись це зробити. Така надзвичайна властивість води має велике значення для життя. У водоймах перед настанням зими вода, що поступово охолоджується, опускається вниз, поки температура всього водоймища не досягне 4°С. При подальшому охолодженні холодніша вода залишається зверху і всяке перемішування припиняється. У результаті створюється надзвичайне становище: тонкий шар холодної води стає хіба що «теплою ковдрою» всім жителів підводного світу. При 4°С вони почуваються непогано.

Що має бути легшим – вода чи лід?

Хто ж цього не знає... Адже крига плаває на воді. В океані плавають гігантські айсберги. Озера взимку вкриті плаваючим суцільним шаром льоду. Звичайно, крига легша за воду.

Але чому «звичайно»? Хіба так ясно? Навпаки, обсяг всіх твердих тіл при плавленні збільшується, і вони тонуть у своєму розплаві. А ось крига плаває у воді. Це властивість води - аномалія в природі, виняток, і до того ж чудовий виняток.

Позитивні заряди у молекулі води пов'язані з атомами водню. Негативні заряди – це валентні електрони кисню. Їхнє взаємне розташування в молекулі води можна зобразити у вигляді простого тетраедра.

Спробуємо уявити, як виглядав би світ, якби вода мала нормальні властивості і лід був би, як і належить будь-якій нормальній речовині, щільнішою за рідку воду. Взимку більш щільний лід, що намерзає зверху, тонув би у воді, безупинно опускаючись на дно водойми. Влітку лід, захищений товщею холодної води, не міг би розтанути. Поступово всі озера, ставки, річки, струмки промерзли б націло, перетворившись на гігантські крижані брили. Зрештою, промерзли б моря, а за ними й океани. Наш прекрасний квітучий зелений світ став би суцільною крижаною пустелею, подекуди вкритою тонким шаром талої води.

Скільки існує льодів?

У природі нашій Землі - один: звичайний лід. Лід – гірська порода з надзвичайними властивостями. Він твердий, але тече, як рідина, і існують величезні крижані річки, які повільно стікають з високих гір. Крига мінлива - вона безперервно зникає і утворюється знову. Лід надзвичайно міцний і довговічний - десятки тисячоліть зберігає він у собі без змін тіла мамонтів, які випадково загинули в льодовикових тріщинах. У своїх лабораторіях людина змогла відкрити ще, принаймні, шість різних, не менш дивовижних льодів. У природі їх знайти не можна. Вони можуть існувати лише при дуже високих тисках. Звичайний лід зберігається до тиску 208 МПа (мегапаскалів), але при цьому тиск він плавиться при - 22 °С. Якщо тиск вищий, ніж 208 МПа, виникає щільний лід – лід-Ш. Він важчий за воду і тоне в ній. При нижчій температурі і більшому тиску - до 300 МПа - утворюється ще щільніший лід-П. Тиск понад 500 МПа перетворює лід на лід-V. Цей лід можна нагріти майже до 0°С, і він не розтане, хоч і перебуває під величезним тиском. При тиску близько 2ГПа (гігапаскалів) виникає лід VI. Це буквально гарячий лід - він витримує, не плавлячись, температуру 80 ° С. Лід-VII, знайдений при тиску ЗГП, мабуть, можна назвати розпеченим льодом. Це найщільніший і тугоплавкіший з відомих льодів. Він плавиться лише за 190° вище нуля.

Лід-VII має надзвичайно високу твердість. Ця крига може стати навіть причиною раптових катастроф. У підшипниках, у яких обертаються вали потужних турбін електростанцій, розвивається величезний тиск. Якщо в мастило потрапить хоча б трохи води, воно замерзне, незважаючи на те, що температура підшипників дуже висока. Частки льоду-VII, що утворилися, що володіють величезною твердістю, почнуть руйнувати вал і підшипник і швидко виведуть їх з ладу.

Можливо, лід і в космосі є?

Начебто є, і при цьому дуже дивний. Але відкрили його вчені на Землі, хоча такий крига на нашій планеті існувати не може. Щільність всіх відомих нині льодів навіть за дуже високих тисках, лише трохи перевищує 1 г/см3. Щільність гексагональної та кубічної модифікації льоду за дуже низьких тисків і температур, навіть близьких до абсолютного нуля, трохи менше одиниці. Їхня щільність дорівнює 0,94 г/см3.

Але виявилося, що у вакуумі, при нікчемних тисках і при температурах нижче -170 ° С, за умов, коли утворення льоду відбувається при його конденсації з пари на твердій поверхні, що охолоджується, виникає зовсім дивний лід. Його густина... 2,3 г/см3. Всі відомі досі кристали льоду, а цей новий лід, мабуть, аморфний, він характеризується безладним відносним розташуванням окремих молекул води; певна кристалічна структура відсутня. З цієї причини його іноді називають скляним льодом. Вчені впевнені, що цей дивовижний лід має виникати в космічних умовах і відігравати велику роль у фізиці планет та комет. Відкриття такого надщільного льоду було для фізиків несподіваним.

Що потрібно, щоб крига розтанула?

Дуже багато тепла. Набагато більше, ніж для плавлення такої кількості будь-якої іншої речовини. Винятково велика питома теплота плавлення -80 кал (335 Дж) на грам льоду - така аномальна властивість води. При замерзанні води така її кількість тепла знову виділяється.

Коли настає зима, утворюється крига, випадає сніг і вода віддає назад тепло, підігріває землю та повітря. Вони протистоять холоду та пом'якшують перехід до суворої зими. Завдяки цій чудовій властивості води на нашій планеті існує осінь та весна.

Скільки тепла потрібно нагріти воду?

Дуже багато. Більше, ніж для нагрівання рівної кількості будь-якої іншої речовини. Щоб нагріти грам води на один градус, потрібна одна калорія (4,2 Дж). Це більше ніж удвічі перевищує теплоємність будь-якої хімічної сполуки.

Вода - речовина, надзвичайне далі в звичайнісіньких нам властивостях. Звичайно, ця здатність води має дуже велике значення не лише при варінні обіду на кухні. Вода – це великий розподільник тепла на Землі. Нагріта Сонцем під екватором, вона переносить тепло у Світовому океані гігантськими потоками морських течій у далекі полярні області, де життя можливе лише завдяки цій дивовижній особливості води.

Чому в морі вода солона?

Це, мабуть, одне з найважливіших наслідків однієї з найдивовижніших властивостей води. У її молекулі центри позитивних та негативних зарядів сильно зміщені щодо один одного. Тому вода має виключно високе, аномальне значення діелектричної проникності. Для води е = 80, а повітря і вакууму е = 1. Це означає, що два будь-яких різноіменних заряду у воді взаємно притягуються один до одного з силою, у 80 разів меншою, ніж у повітрі. Адже за законом Кулона:

Але все ж таки міжмолекулярні зв'язки у всіх тілах, що визначають міцність тіла, зумовлені взаємодією між позитивними зарядами атомних ядер та негативними електронами. На поверхні тіла, зануреного у воду, сили, що діють між молекулами чи атомами, слабшають під впливом води майже сотню разів. Якщо міцність зв'язку між молекулами, що залишилася, стає недостатньою, щоб протистояти дії теплового руху, молекули або атоми тіла починають відриватися від його поверхні і переходять у воду. Тіло починає розчинятися, розпадаючись або на окремі молекули, як цукор у склянці чаю, або на заряджені частки - іони, як кухонна сіль.

Саме завдяки аномально високій діелектричній проникності вода - один із найсильніших розчинників. Вона навіть здатна розчинити будь-яку гірську породу на земній поверхні. Повільно і невідворотно вона руйнує навіть граніти, вилуговуючи їх легкорозчинні складові.

Струмки, річки та річки зносять розчинені водою домішки в океан. Вода з океану випаровується і знову повертається на землю, щоб знову продовжувати свою вічну роботу. А розчинені солі залишаються у морях та океанах.

Не думайте, що вода розчиняє і зносить у морі тільки те, що легко розчиняється, і що в морській воді міститься тільки звичайна сіль, яка стоїть на столі. Ні, морська вода містить у собі майже всі елементи, що існують у природі. У ній є і магній, і кальцій, і сірка, і бром, і йод, фтор. У меншій кількості в ній знайдено залізо, мідь, нікель, олово, уран, кобальт, навіть срібло та золото. Понад шістдесят елементів знайшли хіміки в морській воді. Напевно, будуть знайдені і всі інші. Найбільше у морській воді кухонної солі. Тому вода в морі солона.

Чи можна бігати поверхнею води?

Можна, можливо. Щоб переконатися в цьому, подивіться влітку на поверхню будь-якого ставка або озера. По воді не тільки ходить, а й бігає чимало живого та швидкого народу. Якщо врахувати, що площа опори лапок у цих комах дуже мала, то неважко зрозуміти, що, незважаючи на їх невелику вагу, поверхня води витримує, не прориваючись, значний тиск.

Чи може вода текти нагору?

Да може. Це відбувається завжди та повсюдно. Сама піднімається вода вгору у ґрунті, змочуючи всю товщу землі від рівня ґрунтових вод. Сама піднімається вода вгору по капілярних судинах дерева і допомагає рослині доставляти розчинені поживні речовини на велику висоту - від глибоко прихованих у землі коріння до листя і плодів. Сама рухається вода вгору в порах промокального паперу, коли вам доводиться висушувати ляпку, або в тканині рушника, коли витираєте обличчя. У дуже тонких трубочках – у капілярах – вода може піднятися на висоту до кількох метрів.

Чим це пояснюється?

Ще однією чудовою особливістю води – її винятково великим поверхневим натягом. Молекули води на її поверхні зазнають дії сил міжмолекулярного тяжіння тільки з одного боку, а у води ця взаємодія аномально велика. Тому кожна молекула її поверхні втягується всередину рідини. В результаті виникає сила, що стягує поверхню рідини, У води вона особливо велика: її поверхневий натяг становить 72 мН/м (мілліньютон на метр).

Чи може вода пам'ятати?

Таке питання звучить, треба визнати, дуже незвичайно, але воно цілком серйозне і дуже важливе. Він стосується великої фізико-хімічної проблеми, яка у своїй найважливішій частині ще не досліджена. Це питання тільки поставлене в науці, але відповіді на неї вона ще не знайшла.

Питання в тому: чи впливає ні попередня історія води на її фізико-хімічні властивості і чи можливо, досліджуючи властивості води, дізнатися, що відбувалося з нею раніше, - змусити саму воду «згадати» і розповісти нам про це. Так, можливо, як це не здається дивовижним. Найпростіше це можна зрозуміти на простому, але дуже цікавому та надзвичайному прикладі – на пам'яті льоду.

Лід - це ж вода. Коли вода випаровується – змінюється ізотопний склад води та пари. Легка вода випаровується хоч і в нікчемній мірі, але швидше за важку.

При випаровуванні природної води склад змінюється за ізотопним вмістом як дейтерію, а й важкого кисню. Ці зміни ізотопного складу пари дуже добре вивчені, і так само добре досліджено їхню залежність від температури.

Нещодавно вчені поставили чудовий досвід. В Арктиці, в товщі величезного льодовика на півночі Гренландії, було закладено свердловину і висвердлено і витягнуто гігантський крижаний керн завдовжки майже півтора кілометри. На ньому були чітко помітні річні шари льоду, що наростав. По всій довжині керна ці шари були піддані ізотопному аналізу, і щодо відносного вмісту важких ізотопів водню і кисню - дейтерію і 18О були визначені температури утворення річних шарів льоду на кожній ділянці керна. Дата утворення річного шару визначалася прямим відліком. Таким чином було відновлено кліматичну обстановку Землі протягом тисячоліття. Вода все це зуміла запам'ятати та записати у глибинних шарах гренландського льодовика.

Внаслідок ізотопних аналізів шарів льоду було побудовано вченими крива зміни клімату Землі. Виявилося, середня температура у нас схильна до вікових коливань. Було дуже холодно у XV ст., наприкінці XVII ст. та на початку XIX. Найспекотніші роки були 1550 та 1930.

Тоді в чому полягає загадка «пам'яті» води?

Справа в тому, що за останні роки в науці поступово накопичилося багато разючих і зовсім незрозумілих фактів. Одні з них встановлені твердо, інші вимагають кількісного надійного підтвердження, і всі вони ще чекають на своє пояснення.

Наприклад, ще ніхто не знає, що відбувається з водою, що протікає крізь сильне магнітне поле. Фізики-теоретики цілком упевнені, що нічого з нею при цьому відбуватися не може і не відбувається, підкріплюючи свою переконаність цілком достовірними теоретичними розрахунками, з яких випливає, що після припинення дії магнітного поля вода має миттєво повернутися в колишній стан і залишитися такою, якою була . А досвід показує, що вона змінюється та стає іншою.

Чи велика різниця? Судіть самі. Зі звичайної води в паровому казані розчинені солі, виділяючись, відкладаються щільним і твердим, як камінь, шаром на стінках котелень, а з омагніченої води (так її тепер стали називати в техніці) випадають у вигляді пухкого осаду, зваженого у воді. Начебто різниця невелика. Але це залежить від погляду. На думку працівників теплових електростанцій, ця різниця винятково валена, оскільки омагнічена вода забезпечує нормальну та безперебійну роботу гігантських електростанцій: не заростають стіни труб парових котлів, вища теплопередача, більше вироблення електроенергії. На багатьох теплових станціях давно встановлено магнітну підготовку води, а як і чому вона працює, не знають ні інженери, ні вчені. Крім того, на досвіді відмічено, що після магнітної обробки води в ній прискорюються процеси кристалізації, розчинення, адсорбції, змінюється змочування... правда, у всіх випадках ефекти невеликі і важко відтворюватися.

Дія магнітного поля на воду (обов'язково швидкоплинну) триває малі частки секунди, а «пам'ятає» вода про це десятки годин. Чому – невідомо. У цьому питанні практика далеко випередила науку. Адже далі невідомо, на що саме діє магнітна обробка - на воду або на домішки, що містяться в ній. Адже чистої води не буває.

"Пам'ять" води не обмежується тільки збереженням наслідків магнітного впливу. У науці існують і поступово накопичуються багато фактів і спостережень, що показують, що вода ніби «пам'ятає» і про те, що вона раніше була заморожена.

Тала вода, що нещодавно вийшла при таненні шматка льоду, ніби теж відрізняється від тієї води, з якої цей шматок льоду утворився. У талій воді швидше і краще проростає насіння, швидше розвиваються паростки; далі начебто швидше ростуть і розвиваються курчата, які одержують талу воду. Крім дивовижних властивостей талої води, встановлених біологами, відомі і суто фізико-хімічні відмінності, наприклад, тала вода відрізняється за в'язкістю, за значенням діелектричної проникності. В'язкість талої води приймає своє звичайне для води значення лише через 3-6 діб після плавлення. Чому це так (якщо це так), то ніхто не знає.

Більшість дослідників називають цю галузь явищ «структурної пам'яттю» води, вважаючи, що це дивні прояви впливу попередньої історії води на її властивості пояснюються зміною тонкої структури її молекулярного стану. Можливо, це й так, але... назвати - це ще не означає пояснити. Як і раніше, в науці існує важлива проблема: чому і як вода «пам'ятає», що з нею було.

Звідки взялася на Землі вода?

Вічно по всіх напрямках Всесвіт пронизують потоки космічних променів - потоки частинок з величезною енергією. Найбільше в них протонів – ядер атомів водню. У своєму русі в космосі наша планета безперервно зазнає «протонного обстрілу». Пронизуючи верхні шари земної атмосфери, протони захоплюють електрони, перетворюються на атоми водню і негайно входять у реакцію з киснем, утворюючи воду. Розрахунок показує, що щорічно майже півтори тонни такої «космічної» води народжується у стратосфері. На великій висоті за низької температури пружність водяної пари дуже мала і молекули води, поступово накопичуючись, конденсуються на частинках космічного пилу, утворюючи таємничі сріблясті хмари. Вчені припускають, що вони складаються з найдрібніших крижаних кристаликів, що виникли з такої «космічної» води. Підрахунок показав, що води, що з'явилася таким чином на Землі за її історію, якраз вистачило б, щоб народилися всі океани нашої планети. Виходить, вода прийшла на Землю з космосу? Але...

Геохіміки не вважають воду небесною гостею. Вони переконані, що має земне походження. Породи, що складають земну мантію, що лежить між центральним ядром Землі і земною корою, під впливом тепла, що накопичується, радіоактивного розпаду ізотопів місцями розплавлялися. З них виділялися леткі складові: азот, хлор, сполуки вуглецю, сірки, найбільше виділялося водяної пари.

Яку кількість могли викинути при виверженнях всі вулкани за весь час існування нашої планети?

Вчені підрахували це. Виявилося, що такої виверженої «геологічної» води теж вистачило б, щоб заповнити всі океани.

У центральних частинах нашої планети, що утворюють її ядро, води, мабуть, немає. Навряд чи вона може існувати. Одні вчені вважають, що якщо й присутні там і кисень і водень, то вони повинні разом з іншими елементами утворювати нові для науки, невідомі металоподібні форми сполук, що володіють високою щільністю, стійких при тих величезних тисках і температурах, що панують у центрі земної кулі. .

Інші дослідники впевнені, що ядро ​​земної кулі складається із заліза. Що насправді знаходиться не так далеко від нас, у нас під ногами, на глибинах, що перевищують 3 тис. км, поки що нікому не відомо, але води там, напевно, немає.

Найбільше води в надрах Землі знаходиться в її мантії - шарах, розташованих під земною корою і тягнуться приблизно на глибину до 3 тис. км. Геологи вважають, що в мантії зосереджено щонайменше 13 млрд. куб. км води.

Найвищий шар земної оболонки – земна кора містить ще приблизно 1,5 млрд. куб. км води. Майже вся вода у цих шарах перебуває у зв'язаному стані – вона входить до складу гірських порід та мінералів, утворюючи гідрати. У цій воді не викупаєшся і її не вип'єш.

Гідросферу – водну оболонку земної кулі утворюють ще приблизно 1,5 млрд. куб. км води. Майже вся ця кількість міститься у Світовому океані. Він займає близько 70% усієї земної поверхні, його площа – понад 360 млн. кв. км. З космосу наша планета виглядає зовсім не як земна куля, а, швидше, як водяна куля.

Середня глибина Океану – близько 4 км. Якщо порівняти цю «бездонну глибину» з розмірами найземнішої кулі, середній діаметр якої дорівнює, то тоді, навпаки, доведеться визнати, що ми живемо на мокрій планеті, вона лише злегка змочена водою, та й то не по всій поверхні. Вода в океанах та морях солона – пити її не можна.

На суші води зовсім небагато: лише близько 90 млн. куб. км. Із них понад 60 млн. куб. км. знаходиться під землею, майже все це солоні води. Близько 25 млн. куб. км твердої води лежить у гірських та льодовикових районах, в Арктиці, у Гренландії, в Антарктиді. Ці запаси води на земній кулі заповідні.

У всіх озерах, болотах, створених людиною водосховищах та у ґрунті міститься ще 500 тис. куб. км води.

Вода є і в атмосфері. У повітрі завжди, навіть у найбезводніших пустелях, де немає жодної краплі води і ніколи не йде дощ, і то знаходиться чимало водяної пари. Крім того, по небу завжди пливуть хмари, збираються хмари, сніг, ллють дощі, над землею стелиться тумани. Всі ці запаси води в атмосфері підраховані точно: всі вони, разом узяті, становлять лише 14 тис. куб. км.

І тут уже можна перейти до другої категорії. Під словом «лід»ми звикли розуміти твердий фазовий стан води. Але, крім неї, заморожуванню піддаються й інші речовини. Таким чином, лід можна розрізняти за хімічним складом вихідної речовини, наприклад, вуглекислий, аміачний, метановий лід та інші.

По-третє, розрізняють кристалічні ґрати (модифікації) водяного льоду, утворення яких зумовлено термодинамічний чинник. Ось про них ми й поговоримо трохи в цій нотатці.

У статті Лід ми з вами зупинилися на тому, як відбувається перебудова структури води зі зміною її агрегатних станів, і торкнулися кристалічної будови звичайного льоду. Завдяки внутрішньому устрою самої молекули води та водневим зв'язкам, що з'єднує всі молекули в упорядковану систему, утворюється гексагональна (шестикутна) кристалічна решітка льоду. Найближчі одна до одної молекули (одна центральна і чотири кутові) розташовані у формі тригранної піраміди, або тетраедра, який лежить в основі гексагональної кристалічної модифікації ( ілл.1).

До речі, Відстань між найдрібнішими частинками речовини вимірюються в нанометрах (нм) або ангстремах (на ім'я шведського фізика XIX століття Андерса Йонаса Ангстрема; позначається символом Å). 1 Å = 0,1 нм = 10-10 м.

Така шестикутна будова звичайного льоду поширюється весь його обсяг. Наочно в цьому можна переконатися неозброєним оком: взимку під час снігопаду спіймайте сніжинку на рукав одягу або рукавичку і придивіться до її форми - вона шестипроменева або шестикутна. Це характерно для кожної сніжинки, але при цьому жодна сніжинка ніколи не повторює іншу (докладніше про це у нашій статті). І навіть великі кристали льоду своєю зовнішньою формою відповідають внутрішній молекулярній будові ( ілл.2).

Ми вже говорили, що перехід речовини, зокрема води, з одного стану до іншого здійснюється за певних умов. Звичний лід утворюється при температурі від 0°C і нижче при тиску в 1 атмосферу (нормальне значення). Отже, для появи інших модифікацій льоду потрібна зміна цих значень, і в більшості випадків наявність низьких температур та високого тиску, при яких відбувається зміна кута водневих зв'язків та реконструкція всіх кристалічних ґрат.

Кожна модифікація льоду відноситься до певної сингонії - групи кристалів, в яких елементарні осередки мають одну і ту ж симетрію і систему координат (осі XYZ). Усього ж розрізняють сім сингоній. Характеристики кожної з них представлені на ілюстрації 3-4. А трохи нижче дано зображення основних форм кристалів. ілл.5)

Усі модифікації льоду, від звичайного, були отримані в лабораторних умовах. Про перші поліморфні структури льоду стало відомо на початку XX століття стараннями вчених Густава Таммана (Gustav Heinrich Tammann)і Персі Бріджмена (Percy Williams Bridgman). Діаграма модифікацій, складена Бріджмен, періодично доповнювалася. Нові модифікації виявляли з раніше отриманих. Останні зміни до діаграми було внесено вже у наш час. На даний момент одержано шістнадцять кристалічних типів льоду. Кожен тип має своє найменування та позначається римською цифрою.

Ми не вникатимемо глибоко у фізичні характеристики кожного молекулярного типу водяного льоду, щоб не втомлювати вас, шановні читачі, науковими подробицями, відзначимо лише основні параметри.

Звичайний лід має назву лід Ih (приставка «h» означає гексагональну сингонію). на ілюстрації 7представлена ​​його кристалічна структура, що складається з шестикутних зв'язок (гексамерів), які відрізняються формою – одна у вигляді шезлонга(англ. chair-form), інша у вигляді човни (boat-form). Ці гексамери формують тривимірну секцію - два "шезлонги" знаходяться по горизонталі вгорі і внизу, а три "човни" займають вертикальне положення.

На просторовій схемі показаний порядок розташування водневих зв'язків льоду Ih, але насправді зв'язки вишиковуються випадковим чином. Втім, вчені не виключають, що водневі зв'язки на поверхні гексагонального льоду більш упорядковані, ніж усередині структури.

Елементарний осередок гексагонального льоду (тобто мінімальний обсяг кристала, повторне відтворення якого в трьох вимірах, утворює всю кристалічну решітку в цілому) включає 4 молекули води. Розміри осередку складають 4,51 ÅПо сторонах a,bі 7.35 Åпо стороні з (сторона, або вісь з схемами має вертикальний напрямок). Кути між сторонами, як видно з ілюстрації 4: α=β = 90°, γ = 120°. Відстань між сусідніми молекулами дорівнює 2.76 Å.

Гексагональні крижані кристали утворюють шестикутні пластини та стовпчики; верхня та нижня грані в них є базовими площинами, а шість однакових бічних граней називаються призматичними ( ілл.10).

Мінімальна кількість молекул води, необхідна для початку її кристалізації – близько 275 (±25). Значною мірою утворення льоду відбувається на поверхні водної маси, що межує з повітрям, ніж усередині неї. Кристали крупнозернистого льоду Ihповільно формуються в напрямку осі з, наприклад, у стоячій воді вони ростуть вертикально вниз від кристалічних пластинок, або в умовах, де зростання у бік утруднений. Дрібнозернистий лід, що утворюється в неспокійній воді або при її швидкому замерзанні, має прискорене зростання, спрямоване від призматичних граней. Температура навколишньої води визначає ступінь розгалуженості кристалічних ґрат льоду.

Частинки розчинених у воді речовин, за винятком атомів гелію і водню, чиї розміри дозволяють їм поміститися в порожнинах структури, при нормальному атмосферному тиску виключаються з кристалічних ґрат, витісняючись на поверхню кристала або, як у випадку з аморфним різновидом (про це далі у статті) утворюючи шари між мікрокристалами. Послідовні цикли заморожування-відтавання води можуть бути використані для очищення її від домішок, наприклад газів (дегазація).

Поряд з льодом Ihіснує також лід Ic (кубічна сингонія), щоправда, в природі утворення цього різновиду льоду зрідка можливе лише у верхніх шарах атмосфери. Штучно крига Icодержують шляхом моментального заморожування води, для чого конденсують пару на охолодженій від мінус 80 до мінус 110°Сметалевої поверхні за нормального атмосферного тиску. В результаті досвіду на поверхню випадають кристали кубічної форми або у вигляді октаедрів. Створити кубічний лід першої модифікації із звичайного гексагонального, знижуючи його температуру, не вийде, а ось перехід із кубічного в гексагональний можливий при нагріванні льоду. Icвище мінус 80°С.

У молекулярній структурі льоду Icкут водневих зв'язків такий самий, як і у звичайного льоду Ih – 109.5°. А ось шестигранне кільце, утворене молекулами, у ґратах льоду Icє тільки у формі шезлонгу.

Щільність льоду Ic дорівнює 0.92 г/см при тиску в 1 атм. Елементарний осередок у кубічному кристалі має 8 молекул і розміри: a=b=c = 6.35 Å, а її кути α=β=γ = 90°.

На замітку.Шановні читачі, у цій статті ми неодноразово зіштовхуватимемося з показниками температури та тиску для того чи іншого типу льоду. І якщо температурні значення, виражені в градусах за Цельсієм, всім зрозумілі, то сприйняття значень тиску, можливо, для когось утруднене. У фізиці використовуються різні одиниці для його вимірювання, але ми в нашій статті позначатимемо його в атмосферах (атм), округляючи значення. Нормальний атмосферний тиск становить 1 атм, що дорівнює 760 мм ртутного стовпа, або трохи більше ніж 1 бар, або 0.1 МПа (мегапаскаль).

Як ви зрозуміли, зокрема, із прикладу з льодом Ic, Існування кристалічних модифікацій льоду можливе в умовах термодинамічної рівноваги, тобто. при порушенні балансу температури та тиску, що визначає наявність якогось кристалічного виду льоду, цей вид зникає, переходячи в іншу модифікацію. Діапазон цих термодинамічних значень відрізняється, для кожного виду він свій. Розглянемо інші типи льоду, не суворо у номенклатурному порядку, а у зв'язку з цими структурними переходами.

Лід IIвідноситься до тригональної сингонії. Він може утворитися з гексагонального типу при тиску близько 3000 атм і температурі мінус 75°С, або з іншої модифікації ( лід V) шляхом різкого зниження тиску при температурі мінус 35°С. Існування IIтипу льоду можливо в умовах мінус 170°С та тиску від 1 до 50 000 атм (або 5 гігапаскалів (ГПа)). За оцінками вчених, крига такої модифікації, ймовірно, може входити до складу крижаних супутників далеких планет Сонячної системи. Нормальний атмосферний тиск і температура вище мінус 113 ° C створюють умови переходу цього типу льоду в звичайний гексагональний лід.

на ілюстрації 13показано кристалічні грати льоду II. Видно характерна особливість структури - свого роду, порожнисті шестикутні канали, що утворюються молекулярними зв'язками. Елементарний осередок (область, виділений на ілюстрації ромбом) складається з двох зв'язок, які зміщені відносно один одного, умовно кажучи, «по висоті». В результаті утворюється ромбоедричний система решітки. Розміри осередку a = b = c = 7.78 Å; α=β=γ = 113.1°. У комірці 12 молекул. Кут зв'язків між молекулами (О-О-О) варіюється від 80 до 120 °.

При нагріванні II модифікації можна отримати лід III, і навпаки, охолодження льоду IIIперетворює його на кригу II. Також лід IIIутворюється, коли температуру води поступово знижують до -23°С, збільшуючи тиск до 3 000 атм.
Як видно на фазовій діаграмі ( ілл. 6), термодинамічні умови для стабільного стану льоду III, а також іншої модифікації – льоду V, невеликі.

Льоди IIIі Vмають чотири потрійні точки з навколишніми модифікаціями (термодинамічні значення, за яких можливе існування різних станів речовини). Тим не менш, льоди II, IIIі Vмодифікацій можуть існувати в умовах нормального атмосферного тиску та температури мінус 170 ° С, а нагрівання їх до мінус 150 ° С призводить до утворення льоду Ic.

Порівняно з іншими модифікаціями високого тиску, відомими в даний час, лід IIIмає найменшу щільність - при тиску 3 500 атм. вона дорівнює 1.16 г/см³.
Лід IIIє тетрагональним різновидом кристалізованої води, але сама структура грати льоду IIIмає порушення. Якщо зазвичай кожну молекулу оточують 4 сусідні, то в даному випадку цей показник матиме значення 3.2, і крім того поблизу можуть бути ще 2 або 3 молекули, які не мають водневих зв'язків.
У просторовому побудові молекули утворюють правосторонні спіралі.
Габарити елементарного осередку з 12 молекулами при мінус 23°З близько 2800 атм: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. Кут водневих зв'язків у діапазоні від 87 до 141 °.

на ілюстрації 15умовно представлена ​​просторова схема молекулярної будови льоду III. Молекули (точки блакитного кольору), розташовані ближче до глядача, показані більші, а водневі зв'язки (лінії червоного кольору) відповідно товщі.

А тепер, як кажуть, гарячими слідами, давайте відразу «перескочимо» ті, що йдуть після льоду IIIу номенклатурному порядку кристалічні модифікації, і скажемо кілька слів про льод IX.
Цей вид льоду, по суті, змінений лід III, підданий швидкому глибокому охолодженню від мінус 65 до мінус 108 ° С, щоб уникнути трансформування його в лід II. Лід IXзберігає стійкість при температурі нижче 133°З тиску від 2 000 до 4 000 атм. Його щільність та структура ідентична IIIвиду, але на відміну від льоду IIIу структурі льоду IXє порядок розташування протонів.
Нагрівання льоду IXне повертає його до вихідної IIIмодифікації, а перетворює на кригу II. Розміри комірки: a = b = 6,69, c = 6,71 Å при температурі мінус 108 ° С та 2800 атм.

До речі, роман письменника-фантаста Курта Воннегута (Kurt Vonnegut) 1963 р. «Колиска для кішки» будується навколо речовини, що називається лід-дев'ять, який описується як штучно отриманий матеріал, що представляє велику небезпеку для життя, так як вода при контакті з ним кристалізується, перетворюючись на лід-дев'ять. Попадання навіть невеликої кількості цієї речовини в природну акваторію, що виходить до світового океану, загрожує замерзанням усієї води на планеті, що у свою чергу означає загибель всього живого. Зрештою, так і відбувається.

Лід IVявляє собою метастабільне (слабостійке) тригональне утворення кристалічних ґрат. Його існування можливе у фазовому просторі льодів. III, Vі VIмодифікацій. Отримати лід IVможна з аморфного льоду високої щільності, повільно нагріваючи його, починаючи від мінус 130°З постійному тиску 8 000 атм.
Розмір елементарного ромбоедричного осередку становить 7.60 Å, кути α=β=γ = 70.1°. Осередок включає 16 молекул; водневі зв'язки між молекулами асиметричні. При тиску 1 атм та температурі мінус 163°С щільність льоду IV дорівнює 1.27 г/см³. Кут зв'язків О-О-О: 88-128 °.

Аналогічно IVтипу льоду утворюється і лід XII- шляхом нагрівання високощільної аморфної модифікації (про це нижче) від мінус 196 до мінус 90°З при тому тиску 8 000 атм, але вже з більш високою швидкістю.
Лід XIIтакож метастабільний у фазовій області Vі VIкристалічних типів. Є різновидом тетрагональної сингонії.
Елементарний осередок містить 12 молекул, які завдяки водневим зв'язкам з кутами 84–135° розташовуються в кристалічній решітці, утворюючи подвійну правосторонню спіраль. Осередок має розміри: a = b = 8.27, c = 4.02 Å; кути α=β=γ = 90º. Щільність льоду XII становить 1.30 г/см при нормальному атмосферному тиску і температурі мінус 146°С. Кути водневих зв'язків: 67-132 °.

З відкритих на сьогоднішній день модифікацій водяного льоду найскладнішу кристалічну структуру має крига V. 28 молекул складають його елементарну комірку; водневі зв'язки пролягають через проміжки в інших молекулярних сполуках, а деякі молекули утворюють зв'язки тільки з певними сполуками. Кут водневих зв'язків між сусідніми молекулами сильно відрізняється - від 86 до 132 °, тому в кристалічній решітці льоду Vє сильна напруга та величезний запас енергії.
Параметри осередку за умов нормального атмосферного тиску та температури мінус 175°С: a= 9.22, b= 7.54, c= 10.35 Å; α = β = 90 °, γ = 109,2 °.
Лід V- це моноклінний різновид, що утворюється охолодженням води до мінус 20 ° С при тиску близько 5 000 атм. Щільність кристалічних ґрат з урахуванням тиску 3 500 атм становить 1.24 г/см³.
Просторова схема кристалічних ґрат льоду Vтипу показано на ілюстрації 18. Сірим контуром виділено область елементарного осередку кристала.

Упорядковане розташування протонів у структурі льоду Vробить його іншим різновидом, що називається льодом XIII. Дану моноклінну модифікацію можна отримати в результаті охолодження води нижче мінус 143°З додаванням соляної кислоти (HCl) для полегшення фазового переходу, створюючи тиск 5 000 атм. Зворотний перехід від XIIIтипу до Vтипу можливий в діапазоні температур від мінус 193 до мінус 153°С.
Розміри елементарного осередку льоду XIIIзлегка відрізняються від Vмодифікації: а = 9,24, b = 7,47, c = 10.30 Å; α = β = 90 °, γ = 109,7 ° (при 1 атм, мінус 193 ° С). Кількість молекул у комірці те саме – 28. Кут водневих зв'язків: 82–135°.

У наступній частині нашої статті продовжимо огляд модифікацій водяного льоду.

До зустрічі на сторінках нашого блогу!

Ви також можете ознайомитися з іншими статтями:

Крижані композиції у вигляді ялинок

Крижане оформлення Хрещенських купань

Новорічні крижані композиції

Крижаний джостик SonyPlaystation

Робота з людьми на льодах

Крижаний бар Chivas Regal

Крижане оформлення банкетів

Крижана стіна в Манчестері

Крижані меблі Хонгтао Жоу

Посуд із льоду

Крижаний замок у Міннесоті

Крижаний будинок Майкрософт

Змерзлі бульбашки

Крижаний ікол у долині Вейл

Білі ведмеді катаються по льоду

Цуценя та кубик льоду

Крижане містечко в Красногорську

Крижана скульптура - Ангел

Фігурне катання на тонкому льоду

Крижані тіні

Крижані платівки

Чайка, що потрапила в кригу

Модні речі у льоду

Космічний лід. Частина друга: комети.