Akú mriežku má ľad? Kryštálová mriežka ľadu a vody. Fyzika povrchu a kryštalizácia ľadu

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

anotácia Význam ľadu pri podpore života na našej planéte nemožno podceňovať. Ľad má veľký vplyv na životné podmienky a život rastlín a živočíchov a na odlišné typyľudská ekonomická činnosť. Pokrývajúca voda, ľad, vďaka svojej nízkej hustote, zohráva v prírode úlohu plávajúcej clony, ktorá chráni rieky a nádrže pred ďalším zamrznutím a chráni život obyvateľov pod vodou. Využitie ľadu na rôzne účely (zadržiavanie snehu, výstavba ľadových prechodov a izotermických skladov, ľadové plnenie skladovacích objektov a baní) je predmetom viacerých odborov hydrometeorologických a inžinierskych vied, ako je ľadové inžinierstvo, snehové inžinierstvo, permafrost. strojárstvo, ako aj činnosť špeciálnych služieb prieskumu ľadu a dopravy ľadoborcov a zariadení na odpratávanie snehu. Prírodný ľad sa používa na skladovanie a chladenie potravinárskych výrobkov, biologických a medicínskych prípravkov, pre ktoré sa špeciálne vyrába a upravuje, a roztopená voda pripravená roztápaním ľadu sa používa v ľudová medicína- na zvýšenie metabolizmu a odstránenie toxínov z tela. Článok zoznamuje čitateľa s novými málo známymi vlastnosťami a úpravami ľadu.

Ľad je kryštalická forma vody, ktorá má podľa najnovších údajov štrnásť štruktúrnych modifikácií. Medzi nimi sú kryštalické (prírodný ľad) a amorfné (kubický ľad) a metastabilné modifikácie, líšiace sa od seba vzájomným usporiadaním a fyzikálnymi vlastnosťami molekúl vody spojených vodíkovými väzbami, ktoré tvoria kryštálovú mriežku ľadu. Všetky okrem toho, na čo sme zvyknutí prírodný ľad I h, kryštalizujúce v hexagonálnej mriežke, vznikajú za exotických podmienok – pri veľmi nízkych teplotách suchého ľadu a tekutého dusíka a vysokých tlakoch tisícok atmosfér, kedy sa menia uhly vodíkových väzieb v molekule vody a kryštalické systémy iné ako hexagonálne sa tvoria. Takéto podmienky sa podobajú tým vo vesmíre a na Zemi sa nevyskytujú.

V prírode je ľad reprezentovaný hlavne jednou kryštalickou odrodou, ktorá kryštalizuje v šesťuholníkovej mriežke, pripomínajúcej štruktúru diamantu, kde každá molekula vody je obklopená štyrmi najbližšími molekulami, ktoré sa nachádzajú v rovnakej vzdialenosti od nej, rovnajúcej sa 2,76 angstromov a sú umiestnené vo vrcholoch pravidelného štvorstenu. Vzhľadom na nízke koordinačné číslo je štruktúra ľadu retikulárna, čo ovplyvňuje jeho nízku hustotu, dosahujúcu 0,931 g/cm 3 .

Najneobvyklejšou vlastnosťou ľadu je jeho úžasná rozmanitosť vonkajších prejavov. S rovnakou kryštalickou štruktúrou môže vyzerať úplne inak, môže mať podobu priehľadných krúp a cencúľov, vločiek nadýchaného snehu, hustej lesklej kôry ľadu alebo obrovských ľadovcových más. Ľad sa v prírode vyskytuje vo forme kontinentálnych, plávajúcich a podzemný ľad, ako aj v podobe snehu a mrazu. Je rozšírený vo všetkých oblastiach ľudského obydlia. Keď sa sneh a ľad zbierajú vo veľkých množstvách, vytvárajú špeciálne štruktúry s vlastnosťami, ktoré sa zásadne líšia od vlastností jednotlivých kryštálov alebo snehových vločiek. Prírodný ľad je tvorený prevažne ľadom sedimentárno-metamorfného pôvodu, ktorý vzniká z pevných atmosférických zrážok v dôsledku následného zhutnenia a rekryštalizácie. Charakteristickým znakom prírodného ľadu je zrnitosť a páskovanie. Zrnitosť je spôsobená procesmi rekryštalizácie; každé zrnko ľadovcový ľad je nepravidelne tvarovaný kryštál tesne priliehajúci k iným kryštálom v ľadovej mase takým spôsobom, že výčnelky jedného kryštálu tesne zapadajú do vybrania druhého. Tento typ ľadu sa nazýva polykryštalický. V ňom je každý kryštál ľadu vrstvou najtenších listov, ktoré sa navzájom prekrývajú v bazálnej rovine kolmej na smer optickej osi kryštálu.

Celkové zásoby ľadu na Zemi sa odhadujú na približne 30 miliónov. 3 km(Stôl 1). Väčšina ľadu je sústredená v Antarktíde, kde hrúbka jeho vrstvy dosahuje 4 km. Existujú aj dôkazy o prítomnosti ľadu na planétach slnečnej sústavy a v kométach. Ľad je taký dôležitý pre klímu našej planéty a biotopy živých tvorov na nej, že vedci určili ľadu špeciálne prostredie – kryosféru, ktorej hranice siahajú vysoko do atmosféry a hlboko do zemskej kôry.

Tabuľka 1. Množstvo, rozloženie a životnosť ľadu.

Ľadové kryštály sú jedinečné svojim tvarom a rozmermi. Každý rastúci prírodný kryštál, vrátane ľadového kryštálu, sa vždy snaží vytvoriť ideálnu pravidelnú kryštálovú mriežku, pretože je to výhodné z hľadiska minimalizácie jej vnútornej energie. Akékoľvek nečistoty, ako je známe, deformujú tvar kryštálu, preto keď voda kryštalizuje, molekuly vody sa najskôr zabudujú do mriežky a cudzie atómy a molekuly nečistôt sa vytlačia von do kvapaliny. A až keď nečistoty nemajú kam ísť, ľadový kryštál ich začne integrovať do svojej štruktúry alebo ich opustí vo forme dutých kapsúl s koncentrovanou nemrznúcou kvapalinou – soľankou. Preto je morský ľad čerstvý a aj tie najšpinavšie vodné plochy sú pokryté priehľadným a čistým ľadom. Keď sa ľad topí, vytláča nečistoty do soľanky. V planetárnom meradle zohráva fenomén mrznutia a rozmrazovania vody spolu s vyparovaním a kondenzáciou vody úlohu gigantického procesu čistenia, pri ktorom sa voda na Zemi neustále prečisťuje.

Tabuľka 2. Niektoré fyzikálne vlastnosti ľadu I.

Nehnuteľnosť	Význam	Poznámka
Tepelná kapacita, cal/(g °C) Teplo topenia, cal/g Výparné teplo, cal/g		S klesajúcou teplotou výrazne klesá
Koeficient tepelnej rozťažnosti, 1/°C	9,1·10 -5 (0 °C)	Polykryštalický ľad
Tepelná vodivosť, cal/(cm sec °C)		Polykryštalický ľad
Index lomu:		Polykryštalický ľad
Merná elektrická vodivosť, ohm -1 cm -1		Zdanlivá aktivačná energia 11 kcal/mol
Povrchová elektrická vodivosť, ohm -1		Zdanlivá aktivačná energia 32 kcal/mol
Youngov modul pružnosti, dyn/cm2	9 10 10 (-5 °C)	Polykryštalický ľad
Odolnosť, MN/m 2: drvenie		Polykryštalický ľad Polykryštalický ľad Polykryštalický ľad
Dynamická viskozita, vyrovnanosť		Polykryštalický ľad
Aktivačná energia pri deformácii a mechanickej relaxácii, kcal/mol		Zvyšuje sa lineárne o 0,0361 kcal/(mol °C) z 0 na 273,16 K

1 cal/(g °C) = 4,186 kJ/(kg K); 1 ohm -1 cm -1 = 100 sim/m; 1 dyn = 10-5 N ; 1N = 1 kg m/s2; 1 dyn/cm = 10-7 N/m; 1 cal/(cm.s°C) = 418,68 W/(m.K); 1 poise = g/cm s = 10-1 N s/m2.

V dôsledku širokého rozšírenia ľadu na Zemi zohráva odlišnosť fyzikálnych vlastností ľadu (tab. 2) od vlastností iných látok dôležitú úlohu v mnohých prírodných procesoch. Ľad má mnoho ďalších životne dôležitých vlastností a anomálií – anomálie v hustote, tlaku, objeme, tepelnej vodivosti. Ak by neexistovali vodíkové väzby, ktoré by držali molekuly vody pohromade do kryštálu, ľad by sa roztopil pri –90 °C. Ale to sa nestane kvôli prítomnosti vodíkových väzieb medzi molekulami vody. Ľad vďaka svojej nižšej hustote ako voda tvorí na hladine vody plávajúci obal, ktorý chráni rieky a nádrže pred zamrznutím dna, pretože jeho tepelná vodivosť je oveľa nižšia ako tepelná vodivosť vody. V tomto prípade najnižšiu hustotu a objem pozorujeme pri +3,98 °C (obr. 1). Ďalšie ochladzovanie vody na 0 0 C vedie postupne nie k zmenšovaniu, ale k zväčšeniu jej objemu takmer o 10 %, kedy sa voda mení na ľad. Toto správanie vody naznačuje súčasnú existenciu dvoch rovnovážnych fáz vo vode - kvapalnej a kvázikryštalickej, analogicky s kvázikryštálmi, ktorých kryštálová mriežka má nielen periodickú štruktúru, ale má aj osi symetrie rôznych rádov, ktorých existencia predtým odporovalo predstavám kryštalografov. Táto teória, ktorú ako prvý predložil známy ruský teoretický fyzik Ya I. Frenkel, je založená na predpoklade, že niektoré z molekúl kvapaliny tvoria kvázikryštalickú štruktúru, zatiaľ čo zvyšné molekuly sú podobné plynu a voľne sa pohybujú v celom objeme. Distribúcia molekúl v malom okolí akejkoľvek fixnej ​​molekuly vody má určité usporiadanie, trochu pripomínajúce kryštalické, aj keď voľnejšie. Z tohto dôvodu sa štruktúra vody niekedy nazýva kvázikryštalická alebo podobná kryštálom, t. j. má symetriu a usporiadanie v relatívnom usporiadaní atómov alebo molekúl.

Ryža. 1. Závislosť špecifického objemu ľadu a vody od teploty

Ďalšou vlastnosťou je, že rýchlosť prúdenia ľadu je priamo úmerná aktivačnej energii a nepriamo úmerná absolútnej teplote, takže s klesajúcou teplotou sa ľad svojimi vlastnosťami približuje k absolútne pevnému telesu. V priemere pri teplotách blízkych topeniu je tekutosť ľadu 10 6-krát vyššia ako tekutosť hornín. Ľad sa vďaka svojej tekutosti nehromadí na jednom mieste, ale neustále sa pohybuje vo forme ľadovcov. Vzťah medzi rýchlosťou prúdenia a napätím pre polykryštalický ľad je hyperbolický; keď je približne opísaný výkonovou rovnicou, exponent sa zvyšuje so zvyšujúcim sa napätím.

Viditeľné svetlo ľad prakticky neabsorbuje, pretože svetelné lúče prechádzajú cez ľadový kryštál, ale blokuje ultrafialové žiarenie a väčšinu infračerveného žiarenia zo Slnka. V týchto oblastiach spektra sa ľad javí úplne čierny, pretože koeficient absorpcie svetla v týchto oblastiach spektra je veľmi vysoký. Na rozdiel od ľadových kryštálov sa biele svetlo dopadajúce na sneh neabsorbuje, ale mnohokrát sa láme v ľadových kryštáloch a odráža sa od ich tvárí. Preto sneh vyzerá ako biely.

Vďaka veľmi vysokej odrazivosti ľadu (0,45) a snehu (až 0,95) je nimi pokrytá plocha v priemere asi 72 miliónov km ročne. km 2 vo vysokých a stredných zemepisných šírkach oboch pologúľ – prijíma slnečné teplo o 65 % menej ako normálne a je silným zdrojom chladenia zemského povrchu, čo do značnej miery určuje modernú zemepisnú klimatickú zonáciu. V lete je v polárnych oblastiach slnečné žiarenie väčšie ako v rovníkovej zóne, teplota však zostáva nízka, pretože značná časť absorbovaného tepla sa spotrebuje na topenie ľadu, ktorý má veľmi vysoké teplo topenia.

Medzi ďalšie nezvyčajné vlastnosti ľadu patrí vytváranie elektromagnetického žiarenia jeho rastúcimi kryštálmi. Je známe, že väčšina rozpustených nečistôt vo vode sa neprenesie do ľadu, keď začne rásť; sú vymrznuté. Preto je ľadový film aj na tej najšpinavšej kaluži čistý a priehľadný. Nečistoty sa v tomto prípade hromadia na rozhraní pevných a kvapalných médií vo forme dvoch vrstiev elektrických nábojov rôznych znakov, ktoré spôsobujú výrazný rozdiel v potenciáloch. Nabitá vrstva nečistôt sa pohybuje spolu so spodnou hranicou mladý ľad a vyžaruje elektromagnetické vlny. Vďaka tomu je možné detailne sledovať proces kryštalizácie. Kryštál rastúci do dĺžky vo forme ihly teda vyžaruje inak ako ten, ktorý je pokrytý laterálnymi procesmi, a žiarenie rastúcich zŕn sa líši od toho, čo vzniká pri praskaní kryštálov. Podľa tvaru, sekvencie, frekvencie a amplitúdy impulzov žiarenia je možné určiť, akou rýchlosťou ľad mrzne a aká štruktúra ľadu sa tvorí.

Ale najúžasnejšie na štruktúre ľadu je, že molekuly vody pri nízkych teplotách a vysokom tlaku vo vnútri uhlíkových nanorúriek môžu kryštalizovať do tvaru dvojitej špirály, pripomínajúcej molekuly DNA. Dokázali to nedávne počítačové experimenty amerických vedcov pod vedením Xiao Cheng Zenga z University of Nebraska (USA). Aby voda v simulovanom experimente vytvorila špirálu, bola umiestnená do nanorúrok s priemerom 1,35 až 1,90 nm pod vysokým tlakom, ktorý sa pohyboval od 10 do 40 000 atmosfér a teplote –23 °C. Očakávalo sa, že voda vo všetkých prípadoch tvorí tenkú rúrkovitú štruktúru. Model však ukázal, že pri priemere nanorúrky 1,35 nm a vonkajšom tlaku 40 000 atmosfér boli vodíkové väzby v štruktúre ľadu ohnuté, čo viedlo k vytvoreniu špirály s dvojitou stenou – vnútornou a vonkajšou. Za týchto podmienok sa ukázalo, že vnútorná stena je stočená do štvorzávitnice a vonkajšia stena pozostávala zo štyroch dvojitých závitníc, podobných molekule DNA (obr. 2). Táto skutočnosť môže slúžiť ako potvrdenie spojenia medzi štruktúrou vitálnej molekuly DNA a štruktúrou samotnej vody a že voda slúžila ako matrica pre syntézu molekúl DNA.

Ryža. 2. Počítačový model štruktúry zamrznutej vody v nanorúrkach, ktorý pripomína molekulu DNA (Foto z časopisu New Scientist, 2006)

Ďalšou z najdôležitejších vlastností vody objavených nedávno je, že voda má schopnosť zapamätať si informácie o minulých vplyvoch. Prvýkrát to dokázali japonský výskumník Masaru Emoto a náš krajan Stanislav Zenin, ktorý ako jeden z prvých navrhol zhlukovú teóriu štruktúry vody, pozostávajúcu z cyklických asociátov objemovej polyedrickej štruktúry – zhlukov všeobecného vzorca (H 2 O) n, kde n môže podľa najnovších údajov dosahovať stovky až tisícky jednotiek. Práve vďaka prítomnosti zhlukov vo vode má voda informačné vlastnosti. Výskumníci fotografovali procesy zmrazovania vody na mikrokryštály ľadu, ovplyvňovali to rôznymi elektromagnetickými a akustickými poľami, melódiami, modlitbou, slovami či myšlienkami. Ukázalo sa, že pod vplyvom pozitívnych informácií v podobe krásnych melódií a slov ľad zamrzol do symetrických šesťuholníkových kryštálov. Tam, kde znela nepravidelná hudba a nahnevané a urážlivé slová, voda naopak zamrzla do chaotických a beztvarých kryštálov. Je to dôkaz, že voda má špeciálnu štruktúru, ktorá je citlivá na vonkajšie informačné vplyvy. Predpokladá sa, že ľudský mozog, ktorý pozostáva z 85-90% vody, má silný štruktúrny účinok na vodu.

Emoto kryštály vzbudzujú záujem aj nedostatočne podloženú kritiku. Ak sa na ne pozriete pozorne, môžete vidieť, že ich štruktúra pozostáva zo šiestich vrcholov. Ale ešte starostlivejšia analýza ukazuje, že snehové vločky v zime majú rovnakú štruktúru, vždy symetrickú a so šiestimi vrcholmi. Do akej miery obsahujú kryštalizované štruktúry informácie o prostredí, v ktorom boli vytvorené? Štruktúra snehových vločiek môže byť krásna alebo beztvará. To naznačuje, že kontrolná vzorka (oblak v atmosfére), kde vznikajú, má na ne rovnaký vplyv ako pôvodné podmienky. Počiatočné podmienky sú slnečná aktivita, teplota, geofyzikálne polia, vlhkosť atď To všetko znamená, že z tzv. priemerný súbor, môžeme konštatovať, že štruktúra vodných kvapiek a potom snehových vločiek je približne rovnaká. Ich hmotnosť je takmer rovnaká a v atmosfére sa pohybujú podobnou rýchlosťou. V atmosfére naďalej vytvárajú svoje štruktúry a zväčšujú svoj objem. Aj keď vznikli v rôznych častiach oblaku, v jednej skupine je vždy určitý počet snehových vločiek, ktoré vznikli za takmer rovnakých podmienok. A odpoveď na otázku, čo tvoria pozitívne a negatívne informácie o snehových vločkách, nájdete v Emoto. V laboratórnych podmienkach z negatívnych informácií (zemetrasenie, pre človeka nepriaznivé otrasy zvuku a pod.) nevznikajú kryštály, ale pozitívne informácie, práve naopak. Je veľmi zaujímavé, do akej miery môže jeden faktor formovať rovnaké alebo podobné štruktúry snehových vločiek. Najvyššiu hustotu vody pozorujeme pri teplote 4 °C. Je vedecky dokázané, že hustota vody klesá, keď sa pri poklese teploty pod nulu začnú vytvárať šesťuholníkové ľadové kryštály. Je to výsledok vodíkových väzieb medzi molekulami vody.

Aký je dôvod tohto štrukturovania? Kryštály sú pevné látky a ich základné atómy, molekuly alebo ióny sú usporiadané v pravidelnom, opakujúcom sa vzore v troch priestorových rozmeroch. Štruktúra vodných kryštálov je mierne odlišná. Podľa Isaaca je len 10 % vodíkových väzieb v ľade kovalentných, t.j. s pomerne stabilnými informáciami. Vodíkové väzby medzi kyslíkom jednej molekuly vody a vodíkom druhej sú najcitlivejšie na vonkajšie vplyvy. Spektrum vody pri stavbe kryštálov je v čase pomerne odlišné. Podľa účinku diskrétneho vyparovania kvapky vody dokázaného Antonovom a Yuskeselievom a jeho závislosti od energetických stavov vodíkových väzieb môžeme hľadať odpoveď na štruktúrovanie kryštálov. Každá časť spektra závisí od povrchového napätia kvapiek vody. V spektre je šesť vrcholov, ktoré označujú vetvy snehovej vločky.

Je zrejmé, že pri Emotových experimentoch počiatočná „kontrolná“ vzorka ovplyvňuje vzhľad kryštálov. To znamená, že po vystavení určitému faktoru možno očakávať tvorbu podobných kryštálov. Je takmer nemožné získať identické kryštály. Pri testovaní účinku slova „láska“ na vodu Emoto jasne neuvádza, či bol experiment vykonaný s rôznymi vzorkami.

Na testovanie, či je technika Emoto dostatočne diferencovaná, sú potrebné dvojito zaslepené experimenty. Isaacov dôkaz, že 10% molekúl vody tvorí po zmrazení kovalentné väzby nám ukazuje, že voda túto informáciu využíva, keď zamrzne. Emotov úspech, aj bez dvojnásobne slepých experimentov, zostáva dosť dôležitý, pokiaľ ide o informačné vlastnosti vody.

Prírodná snehová vločka, Wilson Bentley, 1925

Emoto snehová vločka získaná z prírodnej vody

Jedna snehová vločka je prirodzená a druhá je vytvorená Emotom, čo naznačuje, že rozmanitosť vodného spektra nie je neobmedzená.

Zemetrasenie, Sofia, 4,0 Richterovej stupnice, 15. novembra 2008,
DR. Ignatov, 2008©, Prof. Antonovov prístroj©

Tento údaj ukazuje rozdiel medzi kontrolnou vzorkou a vzorkami odobratými v iné dni. Molekuly vody prerušujú vo vode najenergetickejšie vodíkové väzby, ako aj dva vrcholy v spektre počas prírodného javu. Štúdia sa uskutočnila pomocou zariadenia Antonov. Biofyzikálny výsledok ukazuje zníženie vitálneho tonusu tela počas zemetrasenia. Počas zemetrasenia nemôže voda v Emotovom laboratóriu zmeniť svoju štruktúru na snehové vločky. Existujú dôkazy o zmenách elektrickej vodivosti vody počas zemetrasenia.

V roku 1963 si to všimol tanzánsky školák Erasto Mpemba horúca voda zamrzne rýchlejšie ako zima. Tento jav sa nazýva Mpemba efekt. Jedinečnú vlastnosť vody si síce všimli oveľa skôr Aristoteles, Francis Bacon a René Descartes. Tento jav bol mnohokrát dokázaný množstvom nezávislých experimentov. Voda má ešte jednu zvláštnu vlastnosť. Vysvetlenie je podľa mňa nasledovné: diferenciálne nerovnovážne energetické spektrum (DNES) prevarenej vody má nižšiu priemernú energiu vodíkových väzieb medzi molekulami vody ako má vzorka odobratá pri izbovej teplote menej energie na začatie štruktúrovania kryštálov a zmrazenie.

Kľúč k štruktúre ľadu a jeho vlastnostiam spočíva v štruktúre jeho kryštálu. Kryštály všetkých modifikácií ľadu sú postavené z molekúl vody H 2 O spojených vodíkovými väzbami do trojrozmerných sieťových štruktúr so špecifickým usporiadaním vodíkových väzieb. Molekula vody si môžeme zjednodušene predstaviť ako štvorsten (pyramídu s trojuholníkovou základňou). V jeho strede sa nachádza atóm kyslíka, ktorý je v stave hybridizácie sp 3 a v dvoch vrcholoch je atóm vodíka, ktorého jeden z elektrónov 1s sa podieľa na tvorbe kovalentnej väzby H-O s kyslíkom. Dva zostávajúce vrcholy sú obsadené pármi nepárových kyslíkových elektrónov, ktoré sa nezúčastňujú na tvorbe vnútromolekulových väzieb, preto sa nazývajú osamelé. Priestorový tvar molekuly H 2 O sa vysvetľuje vzájomným odpudzovaním atómov vodíka a osamelých elektrónových párov centrálneho atómu kyslíka.

Vodíková väzba je dôležitá v chémii medzimolekulových interakcií a je spôsobená slabými elektrostatickými silami a interakciami donor-akceptor. Vyskytuje sa vtedy, keď elektrónovo deficitný atóm vodíka jednej molekuly vody interaguje s osamelým elektrónovým párom atómu kyslíka susednej molekuly vody (O-H...O). Charakteristickým znakom vodíkovej väzby je jej relatívne nízka pevnosť; je 5-10 krát slabšia ako chemická kovalentná väzba. Pokiaľ ide o energiu, vodíková väzba zaujíma medziľahlú polohu medzi chemickou väzbou a van der Waalsovými interakciami, ktoré držia molekuly v tuhej alebo kvapalnej fáze. Každá molekula vody v ľadovom kryštáli môže súčasne tvoriť štyri vodíkové väzby s inými susednými molekulami pod presne definovanými uhlami rovnajúcimi sa 109°47“, nasmerovaných k vrcholom štvorstenu, ktoré neumožňujú vytvorenie hustej štruktúry pri zamrznutí vody ( Obr. 3) V ľadových štruktúrach I, Ic, VII a VIII je tento štvorsten pravidelný V štruktúrach ľadu II, III, V a VI sú štvorsteny nápadne zdeformované , možno rozlíšiť dva pretínajúce sa systémy vodíkových väzieb tento neviditeľný rámec vodíkových väzieb obsahuje molekuly vody vo forme sieťky, ktorej štruktúra pripomína šesťuholníkový plást s dutými vnútornými kanálmi je zničená: molekuly vody začnú padať do dutín siete, čo vedie k hustejšej tekutej štruktúre - to vysvetľuje, prečo je voda ťažšia ako ľad.

Ryža. 3. Vytvorenie vodíkovej väzby medzi štyrmi molekulami H2O (červené guľôčky predstavujú centrálne atómy kyslíka, biele guľôčky predstavujú atómy vodíka)

Špecifickosť vodíkových väzieb a medzimolekulových interakcií charakteristických pre štruktúru ľadu je zachovaná v roztopenej vode, pretože keď sa roztopí ľadový kryštál, zničí sa iba 15% všetkých vodíkových väzieb. Preto nie je narušené spojenie medzi každou molekulou vody a štyrmi susednými molekulami obsiahnutými v ľade ("short-range order"), hoci je pozorované väčšie rozmazanie mriežky štruktúry kyslíka. Vodíkové väzby sa môžu udržiavať aj vtedy, keď voda vrie. Iba vo vodnej pare nie sú žiadne vodíkové väzby.

Ľad, ktorý sa tvorí pri atmosférickom tlaku a topí sa pri 0 °C, je najbežnejšou, no stále nie celkom objasnenou látkou. Veľa vo svojej štruktúre a vlastnostiach vyzerá nezvyčajne. V miestach kryštálovej mriežky ľadu sú atómy kyslíka v štvorstenoch molekúl vody usporiadané usporiadaným spôsobom a tvoria pravidelné šesťuholníky, ako šesťuholníkový plást, a atómy vodíka zaberajú rôzne polohy na vodíkových väzbách spájajúcich atómy kyslíka (obr. 4). Preto je možných šesť ekvivalentných orientácií molekúl vody vzhľadom na ich susedov. Niektoré z nich sú vylúčené, pretože prítomnosť dvoch protónov súčasne na tej istej vodíkovej väzbe je nepravdepodobná, ale zostáva dostatočná neistota v orientácii molekúl vody. Toto správanie atómov je atypické, pretože v pevnej látke sa všetky atómy riadia rovnakým zákonom: buď sú atómy usporiadané, a potom je to kryštál, alebo náhodne, a potom je to amorfná látka. Takáto neobvyklá štruktúra môže byť realizovaná vo väčšine modifikácií ľadu - Ih, III, V, VI a VII (a zrejme v Ic) (tabuľka 3), a v štruktúre ľadu II, VIII a IX sú molekuly vody orientačne usporiadané . Podľa J. Bernala je ľad vo vzťahu k atómom kyslíka kryštalický a vo vzťahu k atómom vodíka sklovitý.

Ryža. 4. Štruktúra ľadu prirodzenej šesťuholníkovej konfigurácie I h

V iných podmienkach, napríklad vo vesmíre pri vysokých tlakoch a nízkych teplotách, ľad kryštalizuje inak a vytvára ďalšie kryštálové mriežky a modifikácie (kubické, trigonálne, tetragonálne, monoklinické atď.), z ktorých každá má svoju vlastnú štruktúru a kryštálovú mriežku (tab. 3). Štruktúry ľadu rôznych modifikácií vypočítali ruskí výskumníci Dr. G.G. Malenkov a doktorát z fyziky a matematiky. E.A. Zheligovskaya z Ústavu fyzikálnej chémie a elektrochémie pomenovaná po. A.N. Frumkin z Ruskej akadémie vied. Ľad II, III a V modifikácia sa skladujú dlhodobo pri atmosférickom tlaku, ak teplota nepresiahne -170 °C (obr. 5). Po ochladení na približne -150 °C sa prírodný ľad zmení na kubický ľad Ic, pozostávajúci z kociek a oktaedrov s veľkosťou niekoľkých nanometrov. Ľad Ic sa niekedy objaví, keď voda zamrzne v kapilárach, čo je zrejme uľahčené interakciou vody s materiálom steny a opakovaním jej štruktúry. Ak je teplota mierne vyššia ako -110 0 C, na kovovom substráte sa tvoria kryštály hustejšieho a ťažšieho sklovitého amorfného ľadu s hustotou 0,93 g/cm 3 . Obe tieto formy ľadu sa môžu spontánne premeniť na šesťuholníkový ľad a čím rýchlejšie, tým vyššia je teplota.

Tabuľka 3. Niektoré modifikácie ľadu a ich fyzikálne parametre.

Poznámka. 1 Á = 10 -10 m

Ryža. 5. Schéma stavu kryštalického ľadu rôznych modifikácií.

Existujú aj vysokotlakové ľady - II a III trigonálne a tetragonálne modifikácie, tvorené z dutých plástov tvorených šesťhrannými vlnitými prvkami, posunutými voči sebe o jednu tretinu (obr. 6 a obr. 7). Tieto ľady sú stabilizované v prítomnosti vzácnych plynov hélia a argónu. V štruktúre monoklinickej modifikácie ľadu V sa uhly medzi susednými atómami kyslíka pohybujú od 86° do 132°, čo je veľmi odlišné od väzbového uhla v molekule vody, ktorý je 105° 47'. Ľad VI tetragonálnej modifikácie pozostáva z dvoch do seba vložených rámov, medzi ktorými nie sú vodíkové väzby, výsledkom čoho je vytvorenie kryštálovej mriežky centrovanej na telo (obr. 8). Štruktúra ľadu VI je založená na hexaméroch - blokoch šiestich molekúl vody. Ich konfigurácia presne opakuje štruktúru stabilného zhluku vody, ktorá je daná výpočtami. Ľad VII a VIII kubickej modifikácie, čo sú nízkoteplotné usporiadané formy ľadu VII, majú podobnú štruktúru s rámami ľadu I vloženými do seba. S následným zvýšením tlaku sa vzdialenosť medzi atómami kyslíka v kryštálovej mriežke ľadov VII a VIII zmenší, v dôsledku čoho sa vytvorí štruktúra ľadu X, v ktorej sú atómy kyslíka usporiadané do pravidelnej mriežky a protóny sú usporiadané.

Ryža. 7. Konfigurácia Ice III.

Ľad XI vzniká hlbokým ochladzovaním ľadu I h s prídavkom alkálie pod 72 K za normálneho tlaku. Za týchto podmienok sa vytvárajú defekty hydroxylových kryštálov, čo umožňuje rastúcemu ľadovému kryštálu zmeniť svoju štruktúru. Ľad XI má ortorombickú kryštálovú mriežku s usporiadaným usporiadaním protónov a vytvára sa súčasne v mnohých kryštalizačných centrách v blízkosti hydroxylových defektov kryštálu.

Ryža. 8. Konfigurácia Ice VI.

Medzi ľadmi sú aj metastabilné formy IV a XII, ktorých životnosť je sekundová a majú najkrajšiu štruktúru (obr. 9 a obr. 10). Na získanie metastabilného ľadu je potrebné stlačiť ľad I h na tlak 1,8 GPa pri teplote kvapalného dusíka. Tieto ľady sa tvoria oveľa ľahšie a sú obzvlášť stabilné, ak je podchladená ťažká voda vystavená tlaku. Ďalšia metastabilná modifikácia, ľad IX, sa tvorí, keď je ľad III podchladený a v podstate predstavuje jeho nízkoteplotnú formu.

Ryža. 9. Konfigurácia Ice IV.

Ryža. 10. Konfigurácia Ice XII.

Posledné dve modifikácie ľadu - s monoklinickou XIII a ortorombickou konfiguráciou XIV - objavili vedci z Oxfordu (UK) pomerne nedávno - v roku 2006. Predpoklad, že by mali existovať ľadové kryštály s monoklinickými a kosoštvorcovými mriežkami, bolo ťažké potvrdiť: viskozita vody pri teplote -160 ° C je veľmi vysoká a molekuly čistej podchladenej vody sa v takom množstve len ťažko spájajú. aby sa vytvorilo kryštálové jadro. To sa podarilo pomocou katalyzátora – kyseliny chlorovodíkovej, ktorá zvýšila pohyblivosť molekúl vody pri nízkych teplotách. Takéto modifikácie ľadu sa nemôžu tvoriť na Zemi, ale môžu existovať vo vesmíre na ochladených planétach a zamrznutých satelitoch a kométach. Výpočet hustoty a tepelných tokov z povrchu satelitov Jupitera a Saturnu nám teda umožňuje konštatovať, že Ganymede a Callisto musia mať ľadovú škrupinu, v ktorej sa striedajú ľady I, III, V a VI. Na Titane ľady netvoria kôru, ale plášť, ktorého vnútornú vrstvu tvorí ľad VI, ďalšie vysokotlakové ľady a hydráty klatrátov a ľad I h sa nachádza na vrchu.

Ryža. jedenásť. Rozmanitosť a tvar snehových vločiek v prírode

Vysoko v zemskej atmosfére pri nízkych teplotách voda kryštalizuje z tetraédra a vytvára šesťuholníkový ľad Ih. Centrom tvorby ľadových kryštálikov sú pevné prachové častice, ktoré vietor vynáša do horných vrstiev atmosféry. Okolo tohto zárodočného mikrokryštálu ľadu rastú v šiestich symetrických smeroch ihličky tvorené jednotlivými molekulami vody, na ktorých vyrastajú bočné výbežky – dendrity. Teplota a vlhkosť vzduchu v okolí snehovej vločky je rovnaká, preto je spočiatku tvarovo symetrická. Ako snehové vločky vznikajú, postupne padajú do nižších vrstiev atmosféry, kde je vyššia teplota. Tu dochádza k topeniu a ich ideálny geometrický tvar je zdeformovaný, čím vznikajú rôzne snehové vločky (obr. 11).

Ďalším topením sa šesťuholníková štruktúra ľadu ničí a vzniká zmes cyklických asociátov zhlukov, ako aj tri-, tetra-, penta-, hexaméry vody (obr. 12) a voľné molekuly vody. Štúdium štruktúry výsledných zhlukov je často značne náročné, pretože voda je podľa moderných údajov zmesou rôznych neutrálnych zhlukov (H 2 O) n a ich nabitých iónov zhlukov [H 2 O] + n a [H 2 O ] - n, ktoré sú medzi sebou v dynamickej rovnováhe so životnosťou 10 -11 -10 -12 sekúnd.

Ryža. 12. Možné vodné zhluky (a-h) zloženia (H 2 O) n, kde n = 5-20.

Klastre sú schopné navzájom interagovať prostredníctvom von vyčnievajúcich plôch vodíkových väzieb, čím vytvárajú zložitejšie polyedrické štruktúry, ako je šesťsten, osemsten, dvadsaťsten a dvanásťsten. Štruktúra vody je teda spojená s takzvanými platónskymi telesami (štvorsten, šesťsten, osemsten, dvadsaťsten a dvanásťsten), pomenované podľa starovekého gréckeho filozofa a geometra Platóna, ktorý ich objavil a ktorých tvar je určený zlatým rezom. (obr. 13).

Ryža. 13. Platónske telesá, ktorých geometrický tvar je určený zlatým rezom.

Počet vrcholov (B), plôch (G) a hrán (P) v akomkoľvek priestorovom mnohostene je opísaný vzťahom:

B + G = P + 2

Pomer počtu vrcholov (B) pravidelného mnohostenu k počtu hrán (P) jednej z jeho plôch sa rovná pomeru počtu plôch (G) toho istého mnohostenu k počtu hrán ( P) vychádzajúci z jedného z jeho vrcholov. Pre štvorsten je tento pomer 4:3, pre šesťsten (6 plôch) a osemsten (8 plôch) je to 2:1 a pre dvanásťsten (12 plôch) a dvadsaťsten (20 plôch) je to 4:1.

Štruktúry polyedrických zhlukov vody vypočítané ruskými vedcami boli potvrdené pomocou moderné metódy analýza: protónová magnetická rezonančná spektroskopia, femtosekundová laserová spektroskopia, difrakcia röntgenových lúčov a neutrónov na vodných kryštáloch. Objav vodných zhlukov a schopnosti vody uchovávať informácie sú dva z najdôležitejších objavov 21. tisícročia. To jasne dokazuje, že príroda sa vyznačuje symetriou v podobe presných geometrických tvarov a proporcií, charakteristických pre ľadové kryštály.

LITERATÚRA.

1. Belyanin V., Romanova E. Život, molekula vody a zlatý podiel // Science and Life, 2004, roč. 10, č. 3, s. 23-34.

2. Shumsky P.A., Základy štrukturálnej vedy o ľade. - Moskva, 1955b s. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Uvedomenie si vody ako látky života. // Vedomie a fyzická realita. 2011, T 16, č. 12, s. 9-22.

4. Petrjanov I.V. Najmimoriadnejšia látka na svete, Pedagogika, 1981, s. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Štruktúra a vlastnosti vody. – Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, s. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Známa a tajomná voda. – Kyjev, Rodyanbská škola, 1982, s. 62-64.

7. Zatsepina G. N. Štruktúra a vlastnosti vody. – Moskva, vyd. Moskovská štátna univerzita, 1974, s. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Základy fyziky vody - Kyjev, Naukova Dumka, 1991, s. 167.

9. Simonite T. „videný“ ľad podobný DNA vo vnútri uhlíkových nanorúrok // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Posolstvá vody. Tajné kódy ľadových kryštálov. - Sofia, 2006. s. 96.

11. Zenin S. V., Tyaglov B. V. Povaha hydrofóbnej interakcie. Vznik orientačných polí vo vodných roztokoch // Journal of Physical Chemistry, 1994, T. 68, č. 3, s. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Vodíková väzba - Moskva, Nauka, 1964, s. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Štruktúra vody a iónových roztokov // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1934, T. 14, č. 5, s. 587-644.

14. Khobza P., Záhradník R. Intermolekulové komplexy: Úloha van der Waalsových systémov vo fyzikálnej chémii a biodisciplínach. – Moskva, Mir, 1989, s. 34-36.

15. Pounder E. R. Physics of Ice, prekl. z angličtiny - Moskva, 1967, s. 89.

16. Komarov S. M. Vysokotlakové vzory ľadu. // Chémia a život, 2007, č. 2, s. 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya, G. G. Malenkov. Kryštalické ľady // Uspekhi khimii, 2006, č. 75, s. 64.

18. Fletcher N. H. Chemická fyzika ľadu, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A.V. Diverzita klastrov // Russian Chemical Journal, 1996, T. 40, č. 2, s. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. Štruktúra vody a fyzikálna realita. // Vedomie a fyzická realita, 2011, T. 16, č. 9, s. 16-32.

21. Ignatov I. Bioenergetická medicína. Vznik živej hmoty, pamäť vody, biorezonancia, biofyzikálne polia. - GayaLibris, Sofia, 2006, s. 93.

Vlastnosti vody

Prečo je voda voda?

Voda so svojimi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami zaujíma medzi obrovskou rozmanitosťou látok veľmi zvláštne, výnimočné miesto. A to treba brať doslova.

Takmer všetky fyzikálne a chemické vlastnosti vody sú v prírode výnimkou. Je to skutočne najúžasnejšia látka na svete. Voda je úžasná nielen pre rozmanitosť izotopových foriem molekuly a nielen pre nádeje, ktoré sa s ňou spájajú ako nevyčerpateľný zdroj energie do budúcnosti. Navyše je úžasný pre svoje úplne obyčajné vlastnosti.

Ako vzniká molekula vody?

Ako je postavená jedna molekula vody, je dnes veľmi presne známe. Je to postavené takto.

Relatívne polohy jadier atómov vodíka a kyslíka a vzdialenosť medzi nimi boli dobre študované a zmerané. Ukázalo sa, že molekula vody je nelineárna. Spolu s elektrónovými obalmi atómov môže byť molekula vody, ak sa na ňu pozriete zboku, znázornená takto:

to znamená, že geometricky možno vzájomné usporiadanie nábojov v molekule znázorniť ako jednoduchý štvorsten. Všetky molekuly vody s akýmkoľvek izotopovým zložením sú postavené úplne rovnako.

Koľko molekúl vody je v oceáne?

Jeden. A táto odpoveď nie je práve vtip. Samozrejme, každý si môže na základe referenčnej knihy a zistení, koľko vody je vo svetovom oceáne, ľahko vypočítať, koľko molekúl H2O obsahuje. Takáto odpoveď však nebude úplne správna. Voda je špeciálna látka. Jednotlivé molekuly sa vďaka svojej jedinečnej štruktúre vzájomne ovplyvňujú. Špeciálna chemická väzba vzniká v dôsledku skutočnosti, že každý z atómov vodíka jednej molekuly priťahuje elektróny atómov kyslíka v susedných molekulách. Vďaka tejto vodíkovej väzbe sa každá molekula vody celkom pevne viaže so štyrmi ďalšími susednými molekulami, ako je znázornené na obrázku. Je pravda, že tento diagram je príliš zjednodušený - je plochý, inak ho nemožno na obrázku znázorniť. Predstavme si trochu presnejší obraz. Aby ste to dosiahli, musíte vziať do úvahy, že rovina, v ktorej sa nachádzajú vodíkové väzby (sú označené bodkovanou čiarou) v molekule vody, je nasmerovaná kolmo na rovinu umiestnenia atómov vodíka.

Všetky jednotlivé molekuly H2O vo vode sú spojené do jednej súvislej priestorovej siete – do jednej obrovskej molekuly. Preto je tvrdenie niektorých fyzikálnych chemikov, že celý oceán je jedna molekula, celkom opodstatnené. Toto tvrdenie však netreba brať príliš doslovne. Všetky molekuly vody vo vode sú síce navzájom pospájané vodíkovými väzbami, no zároveň sú vo veľmi zložitej mobilnej rovnováhe, zachovávajú si individuálne vlastnosti jednotlivých molekúl a tvoria zložité agregáty. Táto myšlienka platí nielen pre vodu: kúsok diamantu je tiež jedna molekula.

Ako vzniká molekula ľadu?

Neexistujú žiadne špeciálne molekuly ľadu. Molekuly vody sú vďaka svojej pozoruhodnej štruktúre navzájom spojené v kuse ľadu tak, že každá z nich je spojená a obklopená ďalšími štyrmi molekulami. To vedie k vzhľadu veľmi voľnej ľadovej štruktúry, v ktorej zostáva veľa voľného objemu. Správna kryštalická štruktúra ľadu je vyjadrená v úžasnej pôvabe snehových vločiek a kráse mrazivých vzorov na zamrznutých okenných tabuliach.

Ako sa tvoria molekuly vody vo vode?

Žiaľ, táto veľmi dôležitá otázka ešte nie je dostatočne preskúmaná. Štruktúra molekúl v kvapalnej vode je veľmi zložitá. Keď sa ľad roztopí, jeho sieťová štruktúra sa čiastočne zachová vo výslednej vode. Molekuly v roztopenej vode pozostávajú z mnohých jednoduchých molekúl - agregátov, ktoré si zachovávajú vlastnosti ľadu. Keď teplota stúpa, niektoré z nich sa rozpadajú a ich veľkosť sa zmenšuje.

Vzájomná príťažlivosť vedie k tomu, že priemerná veľkosť komplexnej molekuly vody v kvapalnej vode výrazne presahuje veľkosť jedinej molekuly vody. Táto mimoriadna molekulárna štruktúra vody určuje jej mimoriadne fyzikálno-chemické vlastnosti.

Aká by mala byť hustota vody?

Nie je to veľmi zvláštna otázka? Pamätajte si, ako bola stanovená jednotka hmotnosti - jeden gram. Toto je hmotnosť jedného kubického centimetra vody. To znamená, že nemožno pochybovať o tom, že hustota vody by mala byť len taká, aká je. Dá sa o tom pochybovať? Môcť. Teoretici vypočítali, že ak by si voda v tekutom stave nezachovala sypkú štruktúru podobnú ľadu a jej molekuly by boli tesne zbalené, potom by hustota vody bola oveľa vyššia. Pri 25 °C by sa to rovnalo nie 1,0, ale 1,8 g/cm3.

Pri akej teplote by mala voda vrieť?

Táto otázka je, samozrejme, tiež zvláštna. Voda predsa vrie pri sto stupňoch. Každý to vie. Ďalej, každý vie, že práve bod varu vody pri normálnom atmosférickom tlaku bol zvolený ako jeden z referenčných bodov teplotnej stupnice, bežne označovanej ako 100°C.

Otázka je však položená inak: pri akej teplote by mala voda vrieť? Koniec koncov, teploty varu rôznych látok nie sú náhodné. Závisia od polohy prvkov, ktoré tvoria ich molekuly v Mendelejevovej periodickej tabuľke.

Ak porovnáme chemické zlúčeniny rôznych prvkov s rovnakým zložením, ktoré patria do rovnakej skupiny periodickej tabuľky, je ľahké si všimnúť, že čím nižšie je atómové číslo prvku, tým nižšia je jeho atómová hmotnosť, tým nižší je bod varu prvku. jeho zlúčeniny. Na základe chemického zloženia možno vodu nazvať hydridom kyslíka. H2Te, H2Se a H2S sú chemické analógy vody. Ak sledujete ich body varu a porovnávate, ako sa menia teploty varu hydridov v iných skupinách periodickej tabuľky, potom môžete pomerne presne určiť teplotu varu akéhokoľvek hydridu, rovnako ako akejkoľvek inej zlúčeniny. Sám Mendelejev dokázal predpovedať vlastnosti chemických zlúčenín takto neobjavených prvkov.

Ak určíme bod varu hydridu kyslíka podľa jeho polohy v periodickej tabuľke, ukáže sa, že voda by mala vrieť pri -80 °C. Voda vrie teda približne o stoosemdesiat stupňov vyššie. , než by mala vrieť. Bod varu vody – to je jej najbežnejšia vlastnosť – sa ukazuje ako mimoriadny a prekvapivý.

Vlastnosti akejkoľvek chemickej zlúčeniny závisia od povahy prvkov, ktoré ju tvoria, a teda od ich polohy v Mendelejevovej periodickej tabuľke chemických prvkov. Tieto grafy ukazujú závislosti teplôt varu a topenia zlúčenín vodíka IV a VI skupiny periodického systému. Voda je výraznou výnimkou. Vzhľadom na veľmi malý polomer protónu sú interakčné sily medzi jeho molekulami také veľké, že je veľmi ťažké ich oddeliť, a preto voda vrie a topí sa pri abnormálne vysokých teplotách.

Graf A. Normálna závislosť teploty varu hydridov prvkov IV. skupiny od ich polohy v periodickej tabuľke.

Graf B. Medzi hydridmi prvkov skupiny VI má voda anomálne vlastnosti: voda by mala vrieť pri mínus 80 - mínus 90 ° C, ale vrie pri plus 100 ° C.

Graf B. Normálna závislosť teploty topenia hydridov prvkov IV. skupiny od ich polohy v periodickej tabuľke.

Graf D. Medzi hydridmi prvkov skupiny VI voda porušuje poradie: mala by sa topiť pri mínus 100 ° C a ľadové cencúle sa topia pri 0 ° C.

Pri akej teplote voda zamrzne?

Nie je pravda, že otázka nie je o nič menej zvláštna ako tie predchádzajúce? Kto by nevedel, že voda zamŕza pri nule? Toto je druhý referenčný bod teplomera. Toto je najbežnejšia vlastnosť vody. Ale aj v tomto prípade sa možno pýtať: pri akej teplote by mala voda zamrznúť v súlade s jej chemickou podstatou? Ukazuje sa, že hydrid kyslíka mal podľa polohy v periodickej tabuľke stuhnúť pri sto stupňoch pod nulou.

Koľko kvapalných stavov vody existuje?

Na túto otázku nie je také ľahké odpovedať. Samozrejme, je tu aj jedna vec – tekutá voda, ktorú všetci poznáme. Ale tekutá voda má také mimoriadne vlastnosti, že sa človek musí pýtať, či je taká jednoduchá, zdanlivo neprovokujúca

niet pochýb o odpovedi? Voda je jediná látka na svete, ktorá sa po roztopení najprv zmršťuje a potom začína expandovať, keď teplota stúpa. Pri približne 4 °C má voda najvyššiu hustotu. Táto zriedkavá anomália vo vlastnostiach vody sa vysvetľuje skutočnosťou, že v skutočnosti je kvapalná voda komplexným roztokom úplne nezvyčajného zloženia: je to roztok vody vo vode.

Keď sa ľad topí, najskôr sa vytvoria veľké, zložité molekuly vody. Zachovávajú si zvyšky voľnej kryštalickej štruktúry ľadu a rozpúšťajú sa v obyčajnej nízkomolekulovej vode. Preto je najprv hustota vody nízka, ale so zvyšujúcou sa teplotou sa tieto veľké molekuly rozpadajú a tak sa hustota vody zvyšuje, až kým neprevezme normálna tepelná rozťažnosť, kedy hustota vody opäť klesne. Ak je to pravda, potom je možných niekoľko stavov vody, ale nikto nevie, ako ich oddeliť. A stále nie je známe, či to niekedy bude možné. Táto mimoriadna vlastnosť vody má veľký význam pre život. V nádržiach pred príchodom zimy chladiaca voda postupne klesá, až kým teplota celej nádrže nedosiahne 4°C. Pri ďalšom ochladzovaní zostáva chladnejšia voda na vrchu a všetko miešanie sa zastaví. Výsledkom je mimoriadna situácia: tenká vrstva studená voda sa stáva ako „teplá prikrývka“ pre všetkých obyvateľov podmorského sveta. Pri 4°C sa cítia celkom dobre.

Čo by malo byť jednoduchšie – voda alebo ľad?

Kto by to nevedel... Ľad predsa pláva na vode. Obrovské ľadovce plávajú v oceáne. Jazerá sú v zime pokryté plávajúcou súvislou vrstvou ľadu. Ľad je samozrejme ľahší ako voda.

Ale prečo "samozrejme"? Je to tak jasné? Naopak, pri tavení sa zväčšuje objem všetkých pevných látok a tie sa utopia vo vlastnej tavenine. Ale ľad pláva vo vode. Táto vlastnosť vody je v prírode anomáliou, výnimkou a navyše úplne pozoruhodnou výnimkou.

Kladné náboje v molekule vody sú spojené s atómami vodíka. Záporné náboje sú valenčné elektróny kyslíka. Ich relatívne usporiadanie v molekule vody možno znázorniť ako jednoduchý štvorsten.

Skúsme si predstaviť, ako by vyzeral svet, keby voda mala normálne vlastnosti a ľad by bol, ako by každá normálna látka mala byť, hustejší ako tekutá voda. V zime by hustejší ľad zamrznutý zhora klesal do vody a neustále klesal na dno nádrže. V lete sa ľad chránený vrstvou studenej vody nemohol roztopiť. Postupne by všetky jazerá, rybníky, rieky, potoky úplne zamrzli a zmenili by sa na obrovské ľadové bloky. Nakoniec by zamrzli moria a po nich oceány. Náš krásny, kvitnúci zelený svet by sa stal súvislou ľadovou púšťou, pokrytou na niektorých miestach tenkou vrstvou roztopenej vody.

Koľko ľadu je tam?

V prírode na našej Zemi je len jeden: obyčajný ľad. Ľad je hornina s mimoriadnymi vlastnosťami. Je pevná, ale tečie ako kvapalina a z vysokých hôr pomaly tečú obrovské rieky ľadu. Ľad je premenlivý – neustále mizne a znova sa tvorí. Ľad je nezvyčajne pevný a odolný – desiatky tisíc rokov uchováva bez zmien telá mamutov, ktoré náhodne uhynuli v ľadovcových trhlinách. Vo svojich laboratóriách sa človeku podarilo objaviť ešte najmenej šesť rôznych, nemenej úžasných ľadov. V prírode sa nenachádzajú. Môžu existovať len pri veľmi vysokom tlaku. Obyčajný ľad je konzervovaný do tlaku 208 MPa (megapascalov), no pri tomto tlaku sa topí pri - 22 °C. Ak je tlak vyšší ako 208 MPa, objaví sa hustý ľad - ľad-III. Je ťažší ako voda a potápa sa v nej. Pri nižšej teplote a vyššom tlaku – do 300 MPa – vzniká ešte hustejší ľad-P. Tlak nad 500 MPa mení ľad na ľad-V. Tento ľad sa dá zohriať takmer na 0 °C a neroztopí sa, hoci je pod obrovským tlakom. Pri tlaku asi 2 GPa (gigapascals) sa objaví ľad-VI. Toto je doslova horúci ľad - dokáže odolávať teplotám 80° C bez roztopenia Ice-VII, ktorý sa nachádza pri tlaku 3GP, možno nazvať horúcim ľadom. Toto je najhustejší a najodolnejší známy ľad. Topí sa len pri 190° nad nulou.

Ice-VII má nezvyčajne vysokú tvrdosť. Tento ľad môže dokonca spôsobiť náhle katastrofy. Ložiská, v ktorých sa otáčajú hriadele výkonných elektrárenských turbín, vyvíjajú obrovský tlak. Ak sa do maziva dostane čo i len trochu vody, zamrzne, aj keď je teplota ložiska veľmi vysoká. Výsledné častice ľadu VII, ktoré majú obrovskú tvrdosť, začnú ničiť hriadeľ a ložisko a rýchlo spôsobia ich zlyhanie.

Možno je vo vesmíre aj ľad?

Akoby existuje a zároveň veľmi zvláštne. Vedci na Zemi ho však objavili, hoci takýto ľad na našej planéte nemôže existovať. Hustota všetkého v súčasnosti známeho ľadu aj pri veľmi vysokých tlakoch len veľmi mierne presahuje 1 g/cm3. Hustota šesťuholníkových a kubických modifikácií ľadu pri veľmi nízkych tlakoch a teplotách, dokonca blízko absolútnej nuly, je o niečo menšia ako jedna. Ich hustota je 0,94 g/cm3.

Ale ukázalo sa, že vo vákuu, pri zanedbateľných tlakoch a pri teplotách pod -170 °C, za podmienok, kedy dochádza k tvorbe ľadu pri jeho kondenzácii z pary na ochladenom pevnom povrchu, vzniká úplne úžasný ľad. Jeho hustota je... 2,3 g/cm3. Všetok doteraz známy ľad je kryštalický, ale tento nový ľad je zjavne amorfný, charakterizovaný náhodným relatívnym usporiadaním jednotlivých molekúl vody; Nemá špecifickú kryštálovú štruktúru. Z tohto dôvodu sa niekedy nazýva sklenený ľad. Vedci sú presvedčení, že tento úžasný ľad musí vzniknúť vo vesmírnych podmienkach a zohrávať veľkú úlohu vo fyzike planét a komét. Objav takého superhustého ľadu bol pre fyzikov nečakaný.

Čo je potrebné na to, aby sa ľad roztopil?

Veľa tepla. Oveľa viac, ako by bolo potrebné na roztavenie rovnakého množstva akejkoľvek inej látky. Mimoriadne vysoké špecifické teplo topenia -80 cal (335 J) na gram ľadu je tiež anomálnou vlastnosťou vody. Keď voda zamrzne, opäť sa uvoľní rovnaké množstvo tepla.

Keď príde zima, tvorí sa ľad, padá sneh a voda vracia teplo, ohrieva zem a vzduch. Odolávajú chladu a zmierňujú prechod do tuhej zimy. Vďaka tejto úžasnej vlastnosti vody existuje na našej planéte jeseň a jar.

Koľko tepla je potrebné na ohrev vody?

Toľko. Viac, ako je potrebné na zahriatie rovnakého množstva akejkoľvek inej látky. Na zohriatie gramu vody o jeden stupeň je potrebná jedna kalória (4,2 J). To je viac ako dvojnásobok tepelnej kapacity akejkoľvek chemickej zlúčeniny.

Voda je látka, ktorá je pre nás výnimočná svojimi najobyčajnejšími vlastnosťami. Samozrejme, táto schopnosť vody je veľmi dôležitá nielen pri varení večere v kuchyni. Voda je veľkým distribútorom tepla po celej Zemi. Zohrievaná Slnkom pod rovníkom prenáša teplo vo Svetovom oceáne obrovskými prúdmi morských prúdov do vzdialených polárnych oblastí, kde je život možný len vďaka tejto úžasnej vlastnosti vody.

Prečo je voda v mori slaná?

To je možno jeden z najdôležitejších dôsledkov jednej z najúžasnejších vlastností vody. V jeho molekule sú centrá kladných a záporných nábojov navzájom silne posunuté. Voda má preto mimoriadne vysokú, anomálnu hodnotu dielektrickej konštanty. Pre vodu je e = 80 a pre vzduch a vákuum e = 1. To znamená, že akékoľvek dva opačné náboje vo vode sa navzájom priťahujú silou 80-krát menšou ako vo vzduchu. Koniec koncov, podľa Coulombovho zákona:

Medzimolekulové väzby vo všetkých telách, ktoré určujú silu tela, sú však spôsobené interakciou medzi kladnými nábojmi atómových jadier a zápornými elektrónmi. Na povrchu telesa ponoreného do vody sa sily pôsobiace medzi molekulami či atómami vplyvom vody oslabia takmer stonásobne. Ak je zostávajúca sila väzby medzi molekulami nedostatočná na to, aby odolala pôsobeniu tepelný pohyb, molekuly alebo atómy tela sa začnú oddeľovať od jeho povrchu a prechádzajú do vody. Telo sa začne rozpúšťať, rozpadať sa buď na jednotlivé molekuly, ako cukor v pohári čaju, alebo na nabité častice – ióny, ako kuchynská soľ.

Voda je vďaka svojej abnormálne vysokej dielektrickej konštante jedným z najsilnejších rozpúšťadiel. Je dokonca schopný rozpustiť akúkoľvek horninu na zemskom povrchu. Pomaly a nevyhnutne ničí aj žuly, pričom z nich vylúhuje ľahko rozpustné zložky.

Potoky, rieky a rieky odnášajú nečistoty rozpustené vo vode do oceánu. Voda z oceánu sa vyparuje a opäť sa vracia na zem, aby znovu a znovu pokračovala vo svojej večnej práci. A rozpustené soli zostávajú v moriach a oceánoch.

Nemyslite si, že voda rozpúšťa a nesie do mora len to, čo je ľahko rozpustné, a že morská voda obsahuje len obyčajnú soľ, ktorá stojí na jedálenskom stole. Nie, morská voda obsahuje takmer všetky prvky, ktoré existujú v prírode. Obsahuje horčík, vápnik, síru, bróm, jód a fluór. V menšom množstve sa v nej nachádzalo železo, meď, nikel, cín, urán, kobalt, dokonca aj striebro a zlato. Chemici našli v morskej vode vyše šesťdesiat prvkov. Pravdepodobne sa nájdu aj všetky ostatné. Väčšina soli v morskej vode je kuchynská soľ. Preto je voda v mori slaná.

Dá sa behať po vodnej hladine?

Môcť. Aby ste to videli, pozrite sa v lete na hladinu akéhokoľvek rybníka alebo jazera. Množstvo živých a rýchlych ľudí po vode nielen chodí, ale aj behá. Ak vezmeme do úvahy, že podporná plocha nôh tohto hmyzu je veľmi malá, potom nie je ťažké pochopiť, že napriek ich nízkej hmotnosti môže povrch vody odolať značnému tlaku bez toho, aby prerazil.

Môže voda prúdiť hore?

Áno možno. Toto sa deje stále a všade. Voda sama stúpa v pôde a zmáča celú hrúbku zeme od hladiny podzemnej vody. Voda samotná stúpa cez kapilárne cievy stromu a pomáha rastline dodávať rozpustené živiny do veľkých výšok – od koreňov hlboko ukrytých v zemi až po listy a plody. Samotná voda sa pohybuje nahor v póroch pijavého papiera, keď musíte vysušiť škvrnu, alebo v tkanine uteráka, keď si utierate tvár. Vo veľmi tenkých rúrkach – v kapilárach – môže voda stúpať až do výšky niekoľkých metrov.

čo to vysvetľuje?

Ďalšou pozoruhodnou vlastnosťou vody je jej mimoriadne vysoké povrchové napätie. Molekuly vody na jej povrchu pociťujú sily medzimolekulovej príťažlivosti iba na jednej strane a vo vode je táto interakcia anomálne silná. Preto je každá molekula na jeho povrchu vtiahnutá do kvapaliny. V dôsledku toho vzniká sila, ktorá napína povrch kvapaliny Vo vode je obzvlášť silná: jej povrchové napätie je 72 mN/m (milinewtonov na meter).

Môže si voda pamätať?

Táto otázka znie, pravdaže, veľmi nezvyčajne, ale je dosť vážna a veľmi dôležitá. Ide o rozsiahly fyzikálno-chemický problém, ktorý vo svojej najdôležitejšej časti ešte nie je preskúmaný. Táto otázka bola práve položená vo vede, ale zatiaľ na ňu nenašla odpoveď.

Otázka znie: ovplyvňuje predchádzajúca história vody jej fyzikálne a chemické vlastnosti a či je možné štúdiom vlastností vody zistiť, čo sa s ňou stalo skôr - prinútiť vodu samotnú si „zapamätať“ a povedať nám o tom . Áno, možno, akokoľvek prekvapivo sa to môže zdať. Najjednoduchšie to pochopíte na jednoduchom, no veľmi zaujímavom a mimoriadnom príklade – spomienka na ľad.

Ľad je predsa voda. Pri odparovaní vody sa mení izotopové zloženie vody a pary. Ľahká voda sa vyparuje, aj keď v nepatrnej miere, rýchlejšie ako ťažká voda.

Pri odparovaní prírodnej vody sa zloženie mení v izotopovom obsahu nielen deutéria, ale aj ťažkého kyslíka. Tieto zmeny v izotopovom zložení pary boli veľmi dobre preštudované a dobre preštudovaná je aj ich závislosť od teploty.

Nedávno vedci vykonali pozoruhodný experiment. V Arktíde, v hrúbke obrovského ľadovca na severe Grónska, bol vyhĺbený vrt a bolo navŕtané a vyťažené obrovské ľadové jadro dlhé takmer jeden a pol kilometra. Bolo na ňom jasne vidieť každoročné vrstvy pribúdajúceho ľadu. Po celej dĺžke jadra boli tieto vrstvy podrobené izotopovej analýze a na základe relatívneho obsahu ťažkých izotopov vodíka a kyslíka - deutéria a 18O - boli stanovené teploty tvorby ročných vrstiev ľadu v jednotlivých sekciách jadra. Dátum vzniku ročnej vrstvy bol určený priamym počítaním. Týmto spôsobom sa obnovila klimatická situácia na Zemi na celé tisícročie. To všetko si voda dokázala zapamätať a zaznamenať v hlbokých vrstvách grónskeho ľadovca.

V dôsledku izotopových analýz vrstiev ľadu vedci zostrojili krivku zmeny klímy na Zemi. Ukázalo sa, že naša priemerná teplota podlieha sekulárnym výkyvom. V 15. storočí, koncom 17. storočia, bolo veľmi chladno. a na začiatku 19. stor. Najhorúcejšie roky boli 1550 a 1930.

Čo je potom tajomstvom „pamäte“ vody?

Ide o to posledné roky Veda postupne nahromadila mnoho úžasných a úplne nepochopiteľných faktov. Niektoré z nich sú pevne stanovené, iné vyžadujú kvantitatívne spoľahlivé potvrdenie a všetky stále čakajú na vysvetlenie.

Nikto zatiaľ napríklad nevie, čo sa stane s vodou pretekajúcou cez silné magnetické pole. Teoretickí fyzici sú si absolútne istí, že sa jej nič nemôže a ani nestane, pričom svoje presvedčenie utvrdili úplne spoľahlivými teoretickými výpočtami, z ktorých vyplýva, že po zastavení magnetického poľa by sa voda mala okamžite vrátiť do predchádzajúceho stavu a zostať taká, aká bola. bol . A skúsenosť ukazuje, že sa mení a stáva sa iným.

Je v tom veľký rozdiel? Veď posúďte sami. Z obyčajnej vody v parnom kotli sa uvoľnené soli ukladajú v hustej a tvrdej vrstve na stenách kotlových rúrok a z magnetizovanej vody (ako sa dnes v technológii nazýva) vypadávajú vo forme voľného sedimentu suspendovaného vo vode. Zdá sa, že rozdiel je malý. Ale záleží na uhle pohľadu. Podľa pracovníkov tepelných elektrární je tento rozdiel mimoriadne významný, pretože magnetizovaná voda zabezpečuje normálnu a neprerušovanú prevádzku obrovských elektrární: steny rúr parných kotlov nezarastajú, prenos tepla je vyšší a výroba elektriny je vyššia. Magnetická úprava vody je už dávno nainštalovaná na mnohých termálnych staniciach, no ani inžinieri, ani vedci nevedia, ako a prečo to funguje. Okrem toho bolo experimentálne pozorované, že po magnetickej úprave vody sa v nej urýchľujú procesy kryštalizácie, rozpúšťania, adsorpcie, zmeny zmáčania... vo všetkých prípadoch sú však účinky malé a ťažko reprodukovateľné.

Vplyv magnetického poľa na vodu (nevyhnutne rýchlo tečúcu) trvá malé zlomky sekundy, no voda si to „pamätá“ desiatky hodín. Prečo nie je známe. V tejto veci je prax ďaleko pred vedou. Koniec koncov, ďalej nie je známe, čo presne magnetická úprava ovplyvňuje - voda alebo nečistoty v nej obsiahnuté. Nič také ako čistá voda neexistuje.

„Pamäť“ vody nie je obmedzená na zachovanie účinkov magnetického vplyvu. Vo vede existuje a postupne sa hromadí veľa faktov a pozorovaní, ktoré ukazujú, že voda si akoby „pamätala“, že bola predtým zamrznutá.

Voda z taveniny, ktorá sa nedávno vytvorila roztopením kusu ľadu, sa tiež zdá byť odlišná od vody, z ktorej vznikol tento kus ľadu. V roztopenej vode semená klíčia rýchlejšie a lepšie, klíčky sa vyvíjajú rýchlejšie; ďalej sa zdá, že kurčatá, ktoré dostávajú roztopenú vodu, rastú a vyvíjajú sa rýchlejšie. Okrem úžasných vlastností tavenej vody, ktoré stanovili biológovia, sú známe aj čisto fyzikálne a chemické rozdiely, napríklad tavená voda sa líši viskozitou a dielektrickou konštantou. Viskozita roztopenej vody nadobudne svoju obvyklú hodnotu pre vodu až 3-6 dní po roztavení. Prečo to tak je (ak je to tak), nikto iný nevie.

Väčšina výskumníkov nazýva túto oblasť javov „štrukturálnou pamäťou“ vody a verí, že všetky tieto podivné prejavy vplyvu predchádzajúcej histórie vody na jej vlastnosti sú vysvetlené zmenami v jemnej štruktúre jej molekulárneho stavu. Možno je to tak, ale... pomenovať to neznamená vysvetliť to. Vo vede stále existuje dôležitý problém: prečo a ako si voda „pamätá“, čo sa s ňou stalo.

Odkiaľ sa na Zemi vzala voda?

Prúdy kozmického žiarenia - prúdy častíc s obrovskou energiou - navždy prenikajú vesmírom vo všetkých smeroch. Väčšina z nich obsahuje protóny – jadrá atómov vodíka. Pri pohybe vo vesmíre je naša planéta neustále vystavená „protónovému bombardovaniu“. Protóny, ktoré prenikajú do horných vrstiev zemskej atmosféry, zachytávajú elektróny, menia sa na atómy vodíka a okamžite reagujú s kyslíkom za vzniku vody. Výpočty ukazujú, že každý rok sa v stratosfére zrodí takmer jeden a pol tony takejto „kozmickej“ vody. Vo vysokých nadmorských výškach pri nízkych teplotách je elasticita vodnej pary veľmi malá a molekuly vody, ktoré sa postupne hromadia, kondenzujú na časticiach kozmického prachu a vytvárajú záhadné noctilucentné oblaky. Vedci naznačujú, že pozostávajú z malých ľadových kryštálikov, ktoré vznikli z takejto „kozmickej“ vody. Výpočty ukázali, že voda, ktorá sa takto objavila na Zemi počas celej jej histórie, by stačila na zrodenie všetkých oceánov našej planéty. Takže voda prišla na Zem z vesmíru? Ale...

Geochemici nepovažujú vodu za nebeského hosťa. Sú presvedčení, že je pozemského pôvodu. Horniny tvoriace zemský plášť, ktorý leží medzi centrálnym jadrom Zeme a zemskou kôrou, sa pod vplyvom nahromadeného tepla rádioaktívneho rozpadu izotopov miestami roztavili. Z nich sa uvoľnili prchavé zložky: dusík, chlór, zlúčeniny uhlíka a síry a najviac sa uvoľnila vodná para.

Koľko by mohli vypustiť všetky sopky pri erupciách počas celej existencie našej planéty?

Vedci to vypočítali tiež. Ukázalo sa, že takto vybuchnutá „geologická“ voda by stačila na naplnenie všetkých oceánov.

V centrálnych častiach našej planéty, tvoriacich jej jadro, sa voda pravdepodobne nenachádza. Je nepravdepodobné, že by tam mohol existovať. Niektorí vedci sa domnievajú, že aj keď je tam prítomný kyslík a vodík, musia spolu s ďalšími prvkami tvoriť pre vedu nové, neznáme kovové formy zlúčenín, ktoré majú vysokú hustotu a sú stabilné pri obrovských tlakoch a teplotách. ktoré vládnu v strede zemegule.

Iní vedci sú presvedčení, že jadro zemegule pozostáva zo železa. Čo vlastne nie je tak ďaleko od nás, pod nohami, v hĺbkach presahujúcich 3 000 km, zatiaľ nikto nevie, ale voda tam asi nie je.

Väčšina vody vo vnútri Zeme sa nachádza v jej plášti – vrstvách umiestnených pod zemskou kôrou a siahajúcich do hĺbky približne 3 000 km. Geológovia sa domnievajú, že v plášti je sústredených najmenej 13 miliárd kubických metrov. km vody.

Najvyššia vrstva zemského obalu – zemská kôra – obsahuje približne 1,5 miliardy metrov kubických. km vody. Takmer všetka voda v týchto vrstvách je vo viazanom stave – je súčasťou hornín a minerálov, tvoriacich hydráty. V tejto vode sa nemôžete kúpať a nemôžete ju piť.

Hydrosféra - vodná škrupina Zemeguľa tvorí približne ďalších 1,5 miliardy metrov kubických. km vody. Takmer celé toto množstvo je obsiahnuté vo svetovom oceáne. Zaberá asi 70 % celého zemského povrchu, jeho rozloha je vyše 360 ​​miliónov metrov štvorcových. km. Z vesmíru naša planéta vôbec nevyzerá ako glóbus, ale skôr ako vodný balón.

Priemerná hĺbka oceánu je asi 4 km. Ak túto „bezodnú hĺbku“ porovnáme s veľkosťou samotnej zemegule, ktorej priemerný priemer sa rovná km, tak naopak budeme musieť priznať, že žijeme na mokrej planéte, ktorá je len mierne navlhčená. vodou, a aj to nie po celej ploche. Voda v oceánoch a moriach je slaná - nemôžete ju piť.

Na súši je veľmi málo vody: len asi 90 miliónov metrov kubických. km. Z toho viac ako 60 miliónov metrov kubických. km je pod zemou, takmer všetko je slaná voda. Asi 25 miliónov metrov kubických. km pevnej vody leží v horských a ľadovcových oblastiach, v Arktíde, Grónsku a Antarktíde. Tieto zásoby vody na zemeguli sú chránené.

Všetky jazerá, močiare, umelé nádrže a pôda obsahujú ďalších 500 tisíc metrov kubických. km vody.

Voda je prítomná aj v atmosfére. Vo vzduchu je vždy veľa vodnej pary, dokonca aj v tých najsuchších púšťach, kde nie je ani kvapka vody a nikdy neprší. Okrem toho sa po oblohe neustále vznášajú mraky, mraky sa zhromažďujú, sneží, prší a nad zemou sa šíri hmla. Všetky tieto zásoby vody v atmosfére boli presne vypočítané: všetky spolu predstavujú iba 14 tisíc metrov kubických. km.

Zo 14 v súčasnosti známych foriem pevnej vody v prírode nájdeme len jednu – ľadovú. Zvyšok vzniká v extrémnych podmienkach a je neprístupný pre pozorovania mimo špeciálnych laboratórií. Najzaujímavejšou vlastnosťou ľadu je jeho úžasná rozmanitosť vonkajších prejavov. S rovnakou kryštalickou štruktúrou môže vyzerať úplne inak, môže mať podobu priehľadných krúp a cencúľov, vločiek nadýchaného snehu, hustej lesklej kôry firnu na snehovom poli alebo obrovských ľadovcových más.

V malom japonskom meste Kaga, ktoré sa nachádza na západnom pobreží ostrova Honšú, sa nachádza nezvyčajné múzeum. Sneh a ľad. Založil ju Ukihiro Nakaya, prvý človek, ktorý sa naučil v laboratóriu pestovať umelé snehové vločky, krásne ako tie, ktoré padajú z neba. V tomto múzeu sú návštevníci zo všetkých strán obklopení pravidelnými šesťuholníkmi, pretože práve táto „šesťuholníková“ symetria je charakteristická pre obyčajné ľadové kryštály (mimochodom, grécke slovo kristallos v skutočnosti znamená „ľad“). Určuje mnohé z jeho jedinečných vlastností a spôsobuje, že snehové vločky so všetkou ich nekonečnou rozmanitosťou rastú v tvare hviezd so šiestimi, menej často tromi alebo dvanástimi lúčmi, ale nikdy nie so štyrmi alebo piatimi.

Molekuly v prelamovaní

Kľúč k štruktúre pevnej vody spočíva v štruktúre jej molekuly. H2O sa dá zjednodušene znázorniť ako štvorsten (pyramída s trojuholníkovou základňou). V strede je kyslík, v dvoch vrcholoch vodík, presnejšie protón, ktorého elektróny sa podieľajú na tvorbe kovalentnej väzby s kyslíkom. Dva zostávajúce vrcholy sú obsadené pármi kyslíkových valenčných elektrónov, ktoré sa nezúčastňujú na tvorbe vnútromolekulových väzieb, preto sa nazývajú osamelé.

Keď protón jednej molekuly interaguje s párom osamelých kyslíkových elektrónov inej molekuly, vytvorí sa vodíková väzba, menej silná ako vnútromolekulová väzba, ale dostatočne silná na to, aby udržala susedné molekuly pohromade. Každá molekula môže súčasne vytvárať štyri vodíkové väzby s inými molekulami v presne definovaných uhloch, ktoré pri zmrazení neumožňujú vytvorenie hustej štruktúry. Tento neviditeľný rámec vodíkových väzieb usporiada molekuly do čipkovanej siete s dutými kanálikmi. Hneď ako sa ľad zahreje, čipka sa zrúti: molekuly vody začnú padať do dutín sieťky, čo vedie k hustejšej štruktúre kvapaliny, a preto je voda ťažšia ako ľad.

Ľad, ktorý sa tvorí pri atmosférickom tlaku a topí sa pri 0 °C, je najbežnejšou, no stále nie celkom objasnenou látkou. Veľa vo svojej štruktúre a vlastnostiach vyzerá nezvyčajne. V miestach kryštálovej mriežky ľadu sú atómy kyslíka usporiadané usporiadaným spôsobom a tvoria pravidelné šesťuholníky, ale atómy vodíka zaberajú rôzne polohy pozdĺž väzieb. Toto správanie atómov je vo všeobecnosti atypické - v pevnej látke spravidla každý dodržiava rovnaký zákon: buď sú všetky atómy usporiadané, a potom je to kryštál, alebo náhodne, a potom je to amorfná látka.

Ľad je ťažké roztopiť, bez ohľadu na to, aké zvláštne to môže znieť. Ak by neexistovali vodíkové väzby, ktoré by držali molekuly vody pohromade, roztopila by sa pri 90 °C. Zároveň voda pri zamrznutí nezmenšuje svoj objem, ako sa to stáva u väčšiny známych látok, ale zväčšuje sa v dôsledku vytvárania prelamovanej ľadovej štruktúry.

K „zvláštnostiam“ ľadu patrí aj vytváranie elektromagnetického žiarenia jeho rastúcimi kryštálmi. Už dávno je známe, že väčšina nečistôt rozpustených vo vode sa neprenesie na ľad, keď začne rásť, inými slovami, zamrzne. Preto je ľadový film aj na tej najšpinavšej kaluži čistý a priehľadný. Na rozhraní medzi pevným a kvapalným prostredím sa hromadia nečistoty vo forme dvoch vrstiev elektrických nábojov rôznych znakov, ktoré spôsobujú značný potenciálny rozdiel. Nabitá vrstva nečistôt sa pohybuje spolu so spodnou hranicou mladého ľadu a vyžaruje elektromagnetické vlny. Vďaka tomu je možné detailne sledovať proces kryštalizácie. Kryštál rastúci do dĺžky vo forme ihly teda vyžaruje inak ako ten, ktorý je pokrytý laterálnymi procesmi, a žiarenie rastúcich zŕn sa líši od toho, čo vzniká pri praskaní kryštálov. Podľa tvaru, sekvencie, frekvencie a amplitúdy impulzov žiarenia je možné určiť, akou rýchlosťou ľad mrzne a akú štruktúru ľadu získa.

Nesprávny ľad

V tuhom skupenstve má voda podľa posledných údajov 14 stavebných úprav. Niektoré z nich sú kryštalické (väčšina z nich), niektoré sú amorfné, ale všetky sa navzájom líšia v relatívnom usporiadaní molekúl vody a vlastnostiach. Pravda, všetko okrem ľadu, ktorý poznáme, vzniká za exotických podmienok – pri veľmi nízkych teplotách a vysokých tlakoch, keď sa menia uhly vodíkových väzieb v molekule vody a vznikajú iné ako šesťuholníkové systémy. Napríklad pri teplotách pod 110 °C sa vodná para zráža na kovovej platni vo forme oktaédra a kociek s veľkosťou niekoľkých nanometrov – ide o takzvaný kubický ľad. Ak je teplota mierne nad 110° a koncentrácia pár je veľmi nízka, na platni sa vytvorí vrstva extrémne hustého amorfného ľadu.

Posledné dve modifikácie ľadu XIII a XIV objavili vedci z Oxfordu pomerne nedávno, v roku 2006. 40-ročnú predpoveď, že by mali existovať ľadové kryštály s monoklinickými a ortorombickými mriežkami, bolo ťažké potvrdiť: viskozita vody pri teplote 160 °C je veľmi vysoká a molekuly ultračistej podchladenej vody sa spájajú v takom množstve, aby vytvorili kryštálové jadro, ťažké. Pomohol katalyzátor: kyselina chlorovodíková, ktorá zvýšila pohyblivosť molekúl vody pri nízkych teplotách. Takéto úpravy ľadu nemôžu vzniknúť v pozemskej prírode, možno ich však hľadať na zamrznutých satelitoch iných planét.

Komisia tak rozhodla

Snehová vločka je jediný kryštál ľadu, variácia na tému šesťuholníkového kryštálu, ktorý však rýchlo rástol v nerovnovážnych podmienkach. Tie najzvedavejšie mysle po stáročia zápasia s tajomstvom svojej krásy a nekonečnej rozmanitosti. Astronóm Johannes Kepler napísal v roku 1611 celé pojednanie „O šesťhranných snehových vločkách“. V roku 1665 Robert Hooke v obrovskom objeme náčrtov všetkého, čo videl mikroskopom, sám publikoval mnohé kresby snehových vločiek. rôzne tvary. Prvú úspešnú fotografiu snehovej vločky pod mikroskopom urobil v roku 1885 americký farmár Wilson Bentley. Odvtedy nemohol prestať. Až do konca svojho života, viac ako štyridsať rokov, ich Bentley fotografoval. Viac ako päťtisíc kryštálov a ani jeden nie je rovnaký.

Najznámejšími nasledovníkmi Bentleyho kauzy sú už spomínaný Ukihiro Nakaya a americký fyzik Kenneth Libbrecht. Nakaya ako prvý naznačil, že veľkosť a tvar snehových vločiek závisí od teploty vzduchu a obsahu vlhkosti, a túto hypotézu brilantne potvrdil experimentálne pestovaním ľadových kryštálov rôznych tvarov v laboratóriu. A Libbrecht dokonca začal pestovať snehové vločky vopred určeného tvaru na mieru.

Život snehovej vločky začína tvorbou jadier kryštalického ľadu v oblaku vodnej pary, keď teplota klesá. Stredom kryštalizácie môžu byť prachové častice, akékoľvek pevné častice alebo aj ióny, no v každom prípade tieto kúsky ľadu s veľkosťou menšou ako desatina milimetra už majú šesťhrannú kryštálovú mriežku.

Vodná para, kondenzujúca na povrchu týchto jadier, vytvorí najskôr maličký šesťuholníkový hranol, z ktorého šiestich rohov začnú vyrastať úplne identické ľadové ihličky a bočné výbežky. Sú rovnaké jednoducho preto, že teplota a vlhkosť okolo embrya sú tiež rovnaké. Na nich zase rastú bočné výhonky a konáre, ako na strome. Takéto kryštály sa nazývajú dendrity, teda podobne ako drevo.

Pohybujúc sa hore a dole v oblaku sa snehová vločka ocitne v podmienkach s rozdielne teploty a koncentrácie vodnej pary. Jeho tvar sa mení a do posledného sa riadi zákonmi šesťuholníkovej symetrie. Takto sa snehové vločky stávajú odlišnými. Hoci teoreticky v rovnakom oblaku v rovnakej nadmorskej výške môžu „vynoriť“ identické. Ale každý má svoju cestu k zemi, ktorá je v priemere dosť dlhá, snehová vločka padá rýchlosťou 0,9 km za hodinu. To znamená, že každý má svoju históriu a svoju konečnú podobu. Ľad, ktorý tvorí snehovú vločku, je priehľadný, ale keď je ho veľa, slnečné svetlo, odrazené a rozptýlené na mnohých tvárach, v nás vyvoláva dojem bielej nepriehľadnej hmoty – hovoríme tomu sneh.

Aby sa predišlo zámene s rôznymi snehovými vločkami, Medzinárodná komisia pre sneh a ľad prijala v roku 1951 pomerne jednoduchú klasifikáciu ľadových kryštálov: dosky, hviezdne kryštály, stĺpce alebo stĺpce, ihly, priestorové dendrity, hrotité stĺpy a nepravidelné tvary. A ďalšie tri druhy ľadových zrážok: jemné snehové guličky, ľadové guličky a krúpy.

Rast námrazy, námrazy a vzorov na skle podlieha rovnakým zákonom. Tieto javy, ako snehové vločky, vznikajú kondenzáciou, molekula po molekule, na zemi, tráve, stromoch. Vzory na okne sa objavujú v mrazivom počasí, keď vlhkosť z teplého vzduchu v miestnosti kondenzuje na povrchu skla. Krúpy sa však tvoria, keď zamrznú kvapky vody alebo keď ľad v oblakoch nasýtených vodnou parou primrzne v hustých vrstvách na zárodky snehových vločiek. Iné, už vytvorené snehové vločky môžu namrznúť na krúpy a spojiť sa s nimi, vďaka čomu krúpy nadobúdajú tie najbizarnejšie tvary.

Na Zemi nám stačí jedna pevná modifikácia vody – obyčajný ľad. Doslova preniká do všetkých oblastí ľudského bývania či pobytu. Sneh a ľad, ktoré sa zhromažďujú v obrovských množstvách, vytvárajú špeciálne štruktúry s vlastnosťami, ktoré sa zásadne líšia od vlastností jednotlivých kryštálov alebo snehových vločiek. Horské ľadovce, ľadové pokrývky vodných plôch, permafrost a jednoducho sezónna snehová pokrývka výrazne ovplyvňujú klímu veľkých regiónov a planéty ako celku: aj tí, ktorí sneh nikdy nevideli, cítia dych jeho más nahromadených na zemských póloch, napr. napríklad v podobe dlhodobého kolísania hladiny svetového oceánu. A ľad je pre vzhľad našej planéty a pohodlný biotop živých tvorov na nej taký dôležitý, že mu vedci vyčlenili špeciálne prostredie – kryosféru, ktorá zasahuje vysoko do atmosféry a hlboko do zemskej kôry.

Olga Maksimenko, kandidátka chemických vied

Pojem molekula (a jej odvodené predstavy o molekulárnej štruktúre hmoty, o štruktúre samotnej molekuly) nám umožňuje pochopiť vlastnosti látok, ktoré vytvárajú svet. Moderný, podobne ako raný, fyzikálny a chemický výskum sa opiera a je založený na grandióznom objave o atómovej a molekulárnej štruktúre hmoty. Molekula je jeden „detail“ všetkých látok, ktorých existenciu navrhol Democritus. Preto je to práve jeho štruktúra a vzťah s inými molekulami (tvoriacimi určitú štruktúru a zloženie), čo určuje/vysvetľuje všetky rozdiely medzi látkami, ich typom a vlastnosťami.

Samotná molekula, ktorá nie je najmenšou zložkou látky (čo je atóm), má určitú štruktúru a vlastnosti. Štruktúra molekuly je určená počtom určitých atómov v nej zahrnutých a povahou väzby (kovalentnej) medzi nimi. Toto zloženie zostáva nezmenené, aj keď sa látka premení do iného stavu (ako sa to napríklad deje s vodou - o tom bude reč neskôr).

Molekulárna štruktúra látky je stanovená vzorcom, ktorý poskytuje informácie o atómoch a ich počte. Okrem toho molekuly, ktoré tvoria látku/telo, nie sú statické: samy sú mobilné – atómy rotujú, vzájomne sa ovplyvňujú (priťahujú/odpudzujú).

Charakteristika vody, jej stav

Zloženie látky, akou je voda (ako aj jej chemický vzorec), je známe každému. Každá z jeho molekúl sa skladá z troch atómov: atóm kyslíka, označený písmenom „O“, a atómy vodíka – latinsky „H“, v množstve 2. Tvar molekuly vody nie je symetrický (podobný ako pri rovnoramennom trojuholníku).

Voda ako látka, jej základné molekuly, reaguje na vonkajšiu „situáciu“, environmentálne ukazovatele - teplotu, tlak. V závislosti od toho môže voda zmeniť svoj stav, z ktorých sú tri:

1. Najbežnejším, prirodzeným stavom vody je kvapalina. Molekulárna štruktúra (dihydrol) zvláštneho poriadku, v ktorom jednotlivé molekuly vypĺňajú (vodíkovými väzbami) dutiny.
2. Stav pary, v ktorom je molekulárna štruktúra (hydrol) reprezentovaná jednotlivými molekulami, medzi ktorými nie sú vytvorené vodíkové väzby.
3. Pevné skupenstvo (samotný ľad) má molekulárnu štruktúru (trihydrol) so silnými a stabilnými vodíkovými väzbami.

Okrem týchto rozdielov sa prirodzene líšia aj metódy „prechodu“ látky z jedného skupenstva (kvapaliny) do iných. Tieto prechody jednak transformujú látku a jednak vyvolávajú prenos energie (uvoľňovanie/absorpcia). Medzi nimi sú priame procesy - premena kvapalnej vody na paru (odparovanie), na ľad (zmrazovanie) a spätné procesy - na kvapalinu z pary (kondenzácia), z ľadu (topenie). Tiež stavy vody - para a ľad - sa môžu navzájom premieňať: sublimácia - ľad na paru, sublimácia - opačný proces.

Špecifickosť ľadu ako skupenstva vody

Je všeobecne známe, že ľad zamŕza (transformuje sa z vody), keď teplota prekročí klesajúcu hranicu nula stupňov. Aj keď tento pochopiteľný jav má svoje vlastné nuansy. Napríklad stav ľadu je nejednoznačný, jeho typy a modifikácie sú rôzne. Líšia sa predovšetkým v podmienkach, za ktorých vznikajú – teplota, tlak. Takýchto úprav je až pätnásť.

Ľad vo svojich rôznych typoch má odlišnú molekulárnu štruktúru (molekuly sú na nerozoznanie od molekúl vody). Prírodný a prírodný ľad, vo vedeckej terminológii označovaný ako ľad Ih, je látka s kryštalickou štruktúrou. To znamená, že každá molekula so štyrmi okolitými „susedmi“ (vzdialenosť medzi všetkými je rovnaká). geometrický obrazecštvorsten. Ostatné fázy ľadu majú zložitejšiu štruktúru, napríklad vysoko usporiadaná štruktúra trigonálneho, kubického alebo monoklinického ľadu.

Hlavné rozdiely medzi ľadom a vodou na molekulárnej úrovni

Prvým rozdielom, ktorý priamo nesúvisí s molekulárnou štruktúrou vody a ľadu, je indikátor hustoty látky. Kryštalická štruktúra ľadu, keď sa vytvorí, prispieva k súčasnému zníženiu hustoty (z takmer 1000 kg/m³ na 916,7 kg/m³). A to stimuluje zvýšenie objemu o 10%.


Hlavný rozdiel v molekulárnej štruktúre týchto agregovaných stavov vody (kvapalnej a pevnej látky) je počet, typ a sila vodíkových väzieb medzi molekulami. V ľade (pevnom skupenstve) spájajú päť molekúl a samotné vodíkové väzby sú pevnejšie.

Samotné molekuly vody a ľadu, ako už bolo spomenuté, sú rovnaké. V molekulách ľadu však atóm kyslíka (na vytvorenie kryštalickej „mriežky“ látky) vytvára vodíkové väzby (dve) so „susednými“ molekulami.

To, čo odlišuje látku vody v jej rôznych skupenstvách (agregát), nie je len štruktúra usporiadania molekúl (molekulárna štruktúra), ale aj ich pohyb, sila vzájomného prepojenia/príťažlivosti medzi nimi. Molekuly vody v kvapalnom stave sú priťahované pomerne slabo, čím sa zabezpečuje tekutosť vody. V pevnom ľade je príťažlivosť molekúl najsilnejšia, a preto je ich motorická aktivita nízka (zabezpečuje stálosť tvaru ľadu).

Yu I. GOLOVIN
Tambovská štátna univerzita pomenovaná po. G.R. Derzhavina
Soros Educational Journal, ročník 6, č. 9, 2000

Voda a ľad: vieme o nich dosť?

Yu. I. GOLOVIN

Opísané sú fyzikálne vlastnosti vody a ľadu. Diskutuje sa o mechanizmoch rôznych javov v týchto látkach. Napriek dlhému obdobiu štúdia a jednoduchému chemickému zloženiu skrývajú voda a ľad – látky veľmi cenné pre život na Zemi – mnohé záhady pre ich komplikovanú dynamickú protónovú a molekulárnu štruktúru.

Uvádza sa stručný prehľad fyzikálnych vlastností vody a ľadu. Uvažuje sa o mechanizmoch rôznych javov v nich. Ukazuje sa, že napriek stáročnej histórii štúdia, najjednoduchšiemu chemickému zloženiu a výnimočnému významu pre život na Zemi je povaha vody a ľadu plná mnohých záhad v dôsledku komplexnej dynamickej protónovej a molekulárnej štruktúry.

Hoci ľudia viac potrebujú jednoduchosť,
Napriek tomu je pre nich komplex prehľadnejší.

B.L. Paštrnák

Na Zemi azda neexistuje rozšírenejšia a zároveň záhadnejšia látka ako voda v kvapalnej a pevnej fáze. Stačí si uvedomiť, že všetko živé pochádza z vody a pozostáva z viac ako 50 % z nej, že 71 % zemského povrchu je pokrytých vodou a ľadom a značnú časť severných pevnín tvorí permafrost. Aby sme si predstavili celkové množstvo ľadu na našej planéte, poznamenávame, že ak sa roztopí, voda vo Svetovom oceáne stúpne o viac ako 50 m, čo povedie k zaplaveniu obrovských oblastí zeme na celom svete. Vo vesmíre, vrátane slnečná sústava, boli objavené obrovské masy ľadu. Neexistuje jediná viac či menej významná výroba alebo ľudská činnosť, pri ktorej by sa nevyužívala voda. V posledných desaťročiach boli objavené veľké rezervy palivo vo forme pevných ľadových hydrátov prírodných uhľovodíkov.

Zároveň po mnohých úspechoch vo fyzike a fyzikálnej chémii vody v posledných rokoch možno len ťažko tvrdiť, že vlastnosti tejto jednoduchej látky sú úplne pochopiteľné a predvídateľné. Tento článok poskytuje stručný prehľad najdôležitejších fyzikálnych vlastností vody a ľadu a nevyriešených problémov súvisiacich najmä s fyzikou ich nízkoteplotných stavov.

Toto je komplikovaná molekula

Základy moderného chápania fyzikálnej chémie vody položili asi pred 200 rokmi Henry Cavendish a Antoine Lavoisier, ktorí zistili, že voda nie je jednoduchý chemický prvok, ako verili stredovekí alchymisti, ale zlúčenina kyslíka a vodíka v určitý pomer. V skutočnosti vodík (vodík), z ktorého sa rodí voda, dostal svoje meno až po tomto objave a voda získala svoje moderné chemické označenie, ktoré dnes pozná každý školák – H 2 O.

Takže molekula H2O je postavená z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. Ako sa zistilo štúdiom optických spektier vody, v hypotetickom stave úplnej neprítomnosti pohybu (bez oscilácií a rotácií) by ióny vodíka a kyslíka mali zaberať pozície vo vrcholoch rovnoramenného trojuholníka s uhlom vo vrchole zaberanom kyslíkom. 104,5° (obr. 1, a). V neexcitovanom stave sú vzdialenosti medzi iónmi H + a O 2- 0,96 Á. Vďaka tejto štruktúre je molekula vody dipól, pretože hustota elektrónov v oblasti, kde sa nachádza ión O 2− je výrazne vyššia ako v oblasti iónov H +, a najjednoduchší model - model gúľ - je málo vhodný na popis vlastností vody. Môžete si predstaviť molekulu vody vo forme gule s dvoma malými opuchmi v oblasti, kde sa nachádzajú protóny (obr. 1, b). To však nepomáha pochopiť ďalšiu vlastnosť vody – schopnosť vytvárať medzi molekulami smerované vodíkové väzby, ktoré zohrávajú obrovskú úlohu pri tvorbe jej voľnej, no zároveň veľmi stabilnej priestorovej štruktúry, ktorá určuje väčšinu fyzikálne vlastnosti v kvapalnom aj tuhom stave.

Ryža. 1. Geometrický diagram (a), plochý model (b) a priestorová elektrónová štruktúra (c) monoméru H20 Dva zo štyroch elektrónov vo vonkajšom obale atómu kyslíka sa podieľajú na vytváraní kovalentných väzieb s atómami vodíka. ďalšie dva tvoria vysoko pretiahnuté elektrónové dráhy, rovinu, ktorá je kolmá na rovinu H–O–H

Pripomeňme si, že vodíková väzba je väzba medzi atómami v jednej molekule alebo susednými molekulami, ktorá vzniká cez atóm vodíka. Zaberá medzipolohu medzi kovalentnou a nevalentnou väzbou a vzniká, keď sa atóm vodíka nachádza medzi dvoma elektronegatívnymi atómami (O, N, F atď.). Elektrón v atóme H je relatívne slabo viazaný na protón, takže maximálna hustota elektrónov sa posunie k viac elektronegatívnemu atómu a protón sa obnaží a začne interagovať s iným elektronegatívnym atómom. V tomto prípade sa atómy O⋅⋅⋅O, N⋅⋅⋅O atď. priblížia k sebe. na vzdialenosť blízku tomu, čo by sa medzi nimi vytvorilo v neprítomnosti atómu H, vodíková väzba určuje nielen štruktúru vody, ale zohráva mimoriadne dôležitú úlohu aj v živote biomolekúl: bielkovín, uhľohydrátov, nukleových kyselín atď. .

Je zrejmé, že na vysvetlenie povahy vody je potrebné vziať do úvahy elektrónovú štruktúru jej molekúl. Ako viete, atóm kyslíka má vo svojom hornom obale štyri elektróny, zatiaľ čo vodík má iba jeden elektrón. Tvorba každej kovalentnej väzby O–H zahŕňa jeden elektrón z atómov kyslíka a vodíka. Dva elektróny zostávajúce v kyslíku sa nazývajú osamelé elektróny, pretože v izolovanej molekule vody zostávajú voľné a nezúčastňujú sa na vytváraní väzieb vo vnútri molekuly H20, ale keď sa blížia k iným molekulám, sú to tieto osamelé elektróny, ktoré hrajú a rozhodujúcu úlohu pri tvorbe molekulárnej štruktúry vody .

Osamelé elektróny sú odpudzované väzbami O–H, takže ich dráhy sú silne predĺžené v smere opačnom k ​​atómom vodíka a roviny obežných dráh sa otáčajú vzhľadom na rovinu tvorenú väzbami O–H–O. Preto by bolo správnejšie zobraziť molekulu vody v trojrozmernom súradnicovom priestore xyz vo forme štvorstenu, v strede ktorého je atóm kyslíka a v dvoch vrcholoch je atóm vodíka (obr. 1, c). Elektrónová štruktúra molekúl H 2 O určuje podmienky pre ich spojenie do komplexnej trojrozmernej siete vodíkových väzieb vo vode aj v ľade. Každý z protónov môže vytvoriť väzbu s osamelým elektrónom inej molekuly. Prvá molekula pôsobí ako akceptor a druhá ako donor tvoriaci vodíkovú väzbu. Pretože každá molekula H2O má dva protóny a dva osamelé elektróny, môže súčasne vytvárať štyri vodíkové väzby s inými molekulami. Voda je teda komplexná združená kvapalina s dynamickým charakterom spojení a popis jej vlastností na molekulárnej úrovni je možný len pomocou kvantovo-mechanických modelov rôzneho stupňa zložitosti a prísnosti.

Ľad a jeho vlastnosti

Z pohľadu priemerného človeka je ľad viac-menej rovnaký bez ohľadu na to, kde sa tvorí: v atmosfére ako krúpy, na okrajoch striech ako cencúle alebo vo vodných plochách ako platne. Z fyzikálneho hľadiska existuje veľa druhov ľadu, ktoré sa líšia svojou molekulárnou a mezoskopickou štruktúrou. V ľade existujúcom pri normálnom tlaku je každá molekula H 2 O obklopená štyrmi ďalšími, to znamená, že koordinačné číslo štruktúry je štyri (tzv. ľad I h). Zodpovedajúca kryštálová mriežka - šesťuholníková - nie je tesne zbalená, preto je hustota obyčajného ľadu (~0,9 g/cm 3) nižšia ako hustota vody (~ 1 g/cm 3), pre štruktúru ktorej je napr. Štúdie rôntgenovej difrakcie ukazujú, že priemerné koordinačné číslo je ~ 4,4 (oproti 4 pre ľad I h). V štruktúre ľadu zaberajú pevné pozície iba atómy kyslíka. Dva atómy vodíka môžu obsadiť rôzne polohy na štyroch väzbách molekuly H 2 O s inými susedmi. Kryštály rastúce vo voľnom stave (napríklad snehové vločky) majú vďaka hexagonálnosti mriežky šesťuholníkový tvar.

Šesťhranná fáza však zďaleka nie je jedinou formou existencie ľadu. Presný počet ďalších kryštalických fáz - polymorfných foriem ľadu - stále nie je známy. Vznikajú pri vysokých tlakoch a nízkych teplotách (obr. 2). Niektorí výskumníci považujú prítomnosť 12 takýchto fáz za presne stanovenú, iní ich počítajú až 14. Samozrejme, toto nie je jediná látka, ktorá má polymorfizmus (spomeňme si napríklad na grafit a diamant, pozostávajúce z chemicky identických atómov uhlíka ), ale množstvo rôznych fáz ľadu, ktoré sa dodnes objavujú, je úžasné. Všetko vyššie uvedené súvisí s usporiadaným usporiadaním kyslíkových iónov v kryštálovej mriežke ľadu. Čo sa týka protónov – vodíkových iónov – ako ukazuje neutrónová difrakcia, v ich usporiadaní je silná porucha. Kryštalický ľad je teda dobre usporiadané médium (vzhľadom na kyslík) a zároveň neusporiadané médium (vzhľadom na vodík).

Ryža. 2. Fázový diagram kryštalického ľadu.
Rímske číslice označujú oblasti existencie
tvorba stabilných fáz. Ice IV je metastabilný fa-
pre, nachádza sa na diagrame vo vnútri oblasti V

Často sa zdá, že ľad je tvárny a tekutý. To platí, ak je teplota blízka bodu topenia (t. j. t = 0 °C pri atmosférickom tlaku) a zaťaženie je aplikované po dlhú dobu. A podobne sa správa aj najtvrdší materiál (napríklad kov) pri teplotách blízkych bodu topenia. K plastickej deformácii ľadu, ako aj mnohých iných kryštalických pevných látok dochádza v dôsledku nukleácie a pohybu rôznych štruktúrnych nedokonalostí cez kryštál: vakancií, intersticiálnych atómov, hraníc zŕn a čo je najdôležitejšie, dislokácií. Ako sa zistilo už v 30-tych rokoch nášho storočia, práve jej prítomnosť predurčuje prudký pokles odolnosti kryštalických pevných látok voči plastickej deformácii (10 2 – 10 4-krát v porovnaní s odporom ideálnej mriežky). Doteraz boli v ľade Ih objavené všetky typy dislokácií charakteristické pre hexagonálnu štruktúru a boli študované ich mikromechanické a elektrické charakteristiky.

Vplyv rýchlosti deformácie na mechanické vlastnosti monokryštálového ľadu je dobre znázornený na obr. 3, prevzaté z knihy N. Maeno. Je vidieť, že so zvýšením rýchlosti deformácie rýchlo narastú mechanické napätia σ potrebné pre plastický tok a v závislosti relatívneho napätia E na σ sa objaví obrovský zub poddajnosti.

Ryža. 3.(Od ). Krivky deformácie závislé od napätia pre monokryštál ľadu I h pri t = −15°С (kĺzanie pozdĺž bazálnej roviny orientovanej pod uhlom 45° k osi kompresie). Čísla na krivkách označujú relatívnu mieru deformácie ( ∆l– zmena dĺžky vzorky l počas ∆τ ) v jednotkách 10 −7 s −1

Ryža. 4. Schéma vzniku defektov v protónovom podsystéme ľadu: a – dvojica iónových defektov H 3 O + a OH –; b – pár orientačných Bjerrumových defektov D a L

Nemenej pozoruhodné sú elektrické vlastnosti ľadu. Veľkosť vodivosti a jej exponenciálne rýchly nárast so zvyšujúcou sa teplotou ostro odlišuje ľad od kovových vodičov a stavia ho na roveň polovodičom. Ľad je zvyčajne veľmi chemicky čistý, aj keď vyrastá zo špinavej vody alebo roztoku (spomeňte si na čisté, priehľadné kúsky ľadu v špinavej mláke). Je to spôsobené nízkou rozpustnosťou nečistôt v štruktúre ľadu. Výsledkom je, že počas zmrazovania sú nečistoty na prednej strane kryštalizácie zatlačené späť do kvapaliny a nedostanú sa do štruktúry ľadu. Preto je čerstvo napadaný sneh vždy biely a voda z neho je mimoriadne čistá.

Príroda múdro poskytla gigantickú stanicu na čistenie vody v celej zemskej atmosfére. Preto nemožno počítať s vysokou vodivosťou nečistôt (ako je napríklad dopovaný kremík) v ľade. Ale nie sú v ňom žiadne voľné elektróny, ako v kovoch. Až v 50. rokoch 20. storočia sa zistilo, že nosičmi náboja v ľade sú neusporiadané protóny, teda ľad je protónový polovodič.

Vyššie uvedené preskakovanie protónov vytvára dva typy defektov v štruktúre ľadu: iónové a orientačné (obr. 4). V prvom prípade nastáva preskok protónov pozdĺž vodíkovej väzby z jednej molekuly H 2 O na druhú (obr. 4, a), čo vedie k vytvoreniu páru iónových defektov H 3 O + a OH - a v druhá - na susednú vodíkovú väzbu v jednej molekule H 2 O (obr. 4, b), v dôsledku čoho vzniká pár orientačných Bjerrumových defektov, nazývaných L a D-defekty (z nem. leer - prázdny a doppelt - dvojitý ). Formálne možno takýto skok považovať za rotáciu molekuly H 2 O o 120°.

Tok jednosmerného prúdu v dôsledku pohybu iba iónových alebo len orientačných defektov je nemožný. Ak napríklad ión H 3 O + prejde cez niektorú časť mriežky, potom ďalší podobný ión nebude môcť prejsť rovnakou cestou. Ak však touto cestou prejde D-defekt, usporiadanie protónov sa vráti k pôvodnému, a preto bude môcť prejsť nasledujúci ión H 3 O +. Poruchy OH − a L sa správajú podobne, preto je elektrická vodivosť chemicky čistý ľad obmedzené na tie defekty, ktorých je menej, a to iónové. Dielektrická polarizácia je naopak spôsobená početnejšími orientačnými Bjerrumovými defektmi. V skutočnosti, keď sa aplikuje vonkajšie elektrické pole, oba procesy prebiehajú paralelne, čo umožňuje ľadu viesť jednosmerný prúd a súčasne zažiť silnú dielektrickú polarizáciu, to znamená, že vykazuje vlastnosti polovodiča aj vlastnosti polovodiča. izolant. V posledných rokoch pokračovali pokusy objavovať feroelektrické a piezoelektrické vlastnosti čistého ľadu pri nízkych teplotách v objeme aj na medzifázových hraniciach. Zatiaľ neexistuje úplná dôvera v ich existenciu, hoci bolo objavených niekoľko pseudo-piezoelektrických efektov spojených s prítomnosťou dislokácií a iných štrukturálnych defektov.

Fyzika povrchu a kryštalizácia ľadu

V súvislosti s rozvojom polovodičovej techniky, mikrominiaturizáciou prvkovej bázy a prechodom na planárne technológie v poslednom desaťročí veľmi vzrástol záujem o povrchovú fyziku. Na štúdium blízkopovrchových stavov v pevných látkach bolo vyvinutých mnoho sofistikovaných techník, ktoré sa ukázali ako užitočné pri štúdiu kovov, polovodičov a dielektrík. Štruktúra a vlastnosti ľadového povrchu susediaceho s parou alebo kvapalinou však zostávajú do značnej miery nejasné. Jednou z najzaujímavejších hypotéz, ktorú predložil M. Faraday, je existencia kvázi tekutej vrstvy na povrchu ľadu s hrúbkou desiatok až stoviek angstromov, dokonca aj pri teplote hlboko pod bodom topenia. Základom toho sú nielen špekulatívne konštrukcie a teórie štruktúry povrchových vrstiev vysoko polarizovaných molekúl H 2 O, ale aj jemné určovanie (pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie) fázového stavu ľadovej plochy, ako aj jej povrchová vodivosť a jej závislosť od teploty. Vo väčšine prakticky dôležitých prípadov sú však povrchové vlastnosti snehu a ľadu s najväčšou pravdepodobnosťou určené skôr prítomnosťou makroskopického filmu vody než kvázi tekutej vrstvy.

Topenie povrchových vrstiev ľadu pod vplyvom slnečného žiarenia, teplejšej atmosféry alebo kĺzania pevného telesa po ňom (korčule, lyže, sane) je rozhodujúce pre dosiahnutie nízkeho koeficientu trenia. Nízke klzné trenie nie je výsledkom zníženia teploty topenia vplyvom zvýšeného tlaku, ako sa často predpokladá, ale dôsledkom uvoľnenia trecieho tepla. Výpočty ukazujú, že vplyvom tlaku aj v prípade ostro nabrúsenej korčule kĺzajúcej po ľade, pod ktorou sa vyvinie tlak asi 1 MPa, dôjde k zníženiu teploty topenia len o ~0,1°C, čo nemôže mať významný vplyv na veľkosť trenia.

Zavedenou tradíciou pri opise vlastností vody a ľadu je vyhlásenie a diskusia o mnohých anomálnych vlastnostiach, ktoré odlišujú túto látku medzi jej homológmi (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te). Snáď najdôležitejšou vecou je veľmi vysoké (medzi jednoduchými látkami) špecifické teplo topenia (kryštalizácie) a tepelná kapacita, to znamená, že ľad sa ťažko topí a voda sa ťažko zmrazuje. Výsledkom je, že klíma na našej planéte je vo všeobecnosti dosť mierna, ale pri nedostatku vody (napríklad v púštiach horúcej Afriky) je kontrast medzi dennými a nočnými teplotami oveľa vyšší ako na pobreží oceánu. zemepisnej šírky. Pre biosféru je životne dôležitá vlastnosť zväčšovať objem počas kryštalizácie a nie zmenšovať sa, ako to robí veľká väčšina známych látok. V dôsledku toho ľad vo vode skôr pláva, než by sa potápal a výrazne spomaľuje zamŕzanie vodných plôch v chladnom počasí, čím chráni všetko živé, čo sa do nej na zimu uchýli. Tomu napomáha aj nemonotónna zmena hustoty vody pri poklese teploty na 0°C – jedna z najznámejších anomálnych vlastností vody, objavená pred viac ako 300 rokmi. Maximálna hustota je dosiahnutá pri t = 4 °C, čo zabraňuje klesaniu povrchových vrstiev vody, ktoré sa ochladili na teplotu pod 4 °C, ku dnu. Konvekčné miešanie kvapaliny je blokované, čo výrazne spomaľuje ďalšie chladenie. Ďalšie anomálie vody sú známe už pomerne dlho: šmyková viskozita pri 20°C, špecifické teplo pri 40°C, izotermická stlačiteľnosť pri 46°C, rýchlosť zvuku pri 60°C. Viskozita vody klesá so zvyšujúcim sa tlakom a nezvyšuje sa ako iné kvapaliny. Je zrejmé, že anomálne vlastnosti vody sú spôsobené štrukturálnymi vlastnosťami jej molekuly a špecifikami medzimolekulových interakcií. Úplná jasnosť týkajúca sa posledne menovaného ešte nebola dosiahnutá. Vyššie opísané vlastnosti platia pre vodu, ľad a rozhranie medzi nimi, ktoré existuje v podmienkach termodynamickej rovnováhy. Problémy úplne inej úrovne zložitosti vznikajú pri pokuse popísať dynamiku fázového prechodu voda-ľad, najmä v podmienkach vzdialených od termodynamickej rovnováhy.

Termodynamickou príčinou akéhokoľvek fázového prechodu je rozdiel v chemických potenciáloch častíc na jednej a druhej strane rozhrania ∆µ = µ 1 −µ 2. Chemický potenciál µ je stavová funkcia, ktorá určuje zmeny termodynamických potenciálov pri zmene počtu N častíc v systéme, teda µ = G/N, kde G = H − TS je Gibbsov termodynamický potenciál, H je entalpia, S je entropia, T je teplota. Rozdiel v termodynamických potenciáloch je hnacou silou makroskopického procesu (rovnako ako rozdiel v elektrických potenciáloch na koncoch vodiča je príčinou elektrického prúdu). Pri µ1 = µ2 môžu obe fázy koexistovať v rovnováhe tak dlho, ako je potrebné. Pri normálnom tlaku sa chemický potenciál vody rovná chemickému potenciálu ľadu pri t = 0°C. Na t< 0°С более низким химическим потенциалом обладает лед, но это еще не означает, что при любом, самом маленьком переохлаждении начнется кристаллизация. Опыт показывает, что тщательно очищенный от примесей, обезгаженный, деионизированный расплав может быть переохлажден относительно точки равновесия фаз на десятки кельвин (а для некоторых веществ и на сотни). Анализ показывает, что причина заключается в отсутствии зародышей новой фазы (центров кристаллизации, конденсации, парообразования и т.д.).

Embryá môžu vznikať aj homogénne, teda zo samotného prostredia, ktoré je v metastabilnom stave, ale na to musia byť splnené určité podmienky. Začnime uvažovať o situácii tak, že vezmeme do úvahy skutočnosť, že akékoľvek rozhranie medzi kryštálom a taveninou (alebo parou, roztokom) vnáša dodatočnú energiu Sα, kde S je hraničná oblasť, α je povrchová energia. Navyše, molekuly N, ktoré vytvorili zárodočný kryštál, majú energiu nižšiu ako v kvapaline o N∆µ. Výsledkom je, že celková zmena energie v systéme po objavení sa jadra ∆U = −N∆µ + Sα sa ukáže ako nemonotónne závislá od N. Skutočne, pre sférický tvar jadra

kde A = (36πV 2) 1/3 V – objem na jednu molekulu v kryštáli. Z predchádzajúceho vyplýva, že ∆U dosahuje maximum ∆Uc = - N c ∆µ + AN c 2/3 α, keď sú v jadre N c = (2Aα/3∆µ) 3 molekuly.

Pri postupnom pridávaní molekúl do jadra sa teda systém musí najskôr vyšplhať na vrchol potenciálneho kopca s výškou ∆U c v závislosti od podchladenia, po ktorom dôjde k ďalšiemu rastu N v kryštáli s poklesom energie, teda jednoduchšie. Zdalo by sa, že čím nižšia je teplota kvapaliny, teda čím silnejšie je podchladenie, tým rýchlejšie by malo dôjsť ku kryštalizácii. Takto to v skutočnosti je, za predpokladu, že podchladenie nie je príliš veľké. Keď sa však t znižuje, exponenciálne sa zvyšuje aj viskozita kvapaliny, čo sťažuje pohyb molekúl. Výsledkom je, že pri vysokých stupňoch podchladenia sa proces kryštalizácie môže ťahať mnoho rokov (ako je to v prípade okuliarov rôzneho pôvodu).

Numerické odhady ukazujú, že pre vodu pri normálnych stupňoch podchladenia v prirodzených podmienkach (∆t = 1–10 °C) by sa embryo malo skladať z niekoľkých desiatok molekúl, čo je výrazne väčšie ako koordinačné číslo v kvapalnej fáze (∼4,4 ). Systém teda vyžaduje veľké množstvo fluktuačných pokusov, aby sa vyšplhal na vrchol energetického kopca. V nie príliš dôkladne vyčistenej vode silnému prechladeniu bráni prítomnosť už existujúcich kryštalizačných centier, ktorými môžu byť častice nečistôt, prachové častice, nerovnosti stien nádoby a pod.. Následne kinetika rastu kryštálov závisí od podmienok. prenosu tepla v blízkosti medzifázovej hranice, ako aj na morfológii druhej na molekulárnej úrovni.

Silne podchladená voda má dve charakteristické teploty t h = −36°C a tg = −140°C. Dobre vyčistená a odplynená voda v rozsahu teplôt 0°С > t > t h môže zostať dlhodobo v stave podchladenej kvapaliny. Pri t g< t < t h происходит гомогенное зарождение кристалликов льда, и вода не может находиться в переохлажденном состоянии при любой степени очистки. В условиях достаточно быстрого охлаждения при t < tg подвижность молекул воды настолько падает (а вязкость растет), что она образует стеклообразное твердое тело с аморфной структурой, свойственной жидкостям. При этом в области невысоких давлений образуется аморфная фаза низкой плотности, а в области повышенных – аморфная фаза высокой плотности, то есть вода демонстрирует полиаморфизм. При изменениях давления или температуры одна аморфная фаза скачком переходит в другую с неожиданно большим изменением плотности (>20%).

Existuje niekoľko pohľadov na povahu polyamorfizmu vody. Teda podľa , možno toto správanie silne podchladenej vody vysvetliť, ak pripustíme, že v potenciálnom profile interakcie dvoch molekúl H2O je viac ako jedno minimum,

Ryža. 5(Od ). Hypotetické potenciálové profily: a – s jedným energetickým minimom (napríklad Lennard-Jonesov potenciál U(r) = A/r 6 − B/r 12) a b – s dvomi energetickými minimami, ktoré zodpovedajú dvom stabilným konfiguráciám a zhluk dvoch interagujúcich molekúl vody (1 a 2) s rôznymi vzdialenosťami medzi podmienenými centrami molekúl r H a r L; prvý z nich zodpovedá fáze s vyššou hustotou, druhý - s nižšou

a dva (obr. 5). Potom bude amorfná fáza s vysokou hustotou zodpovedať priemernej vzdialenosti rH a fáza s nízkou hustotou – rL. Počítačové modelovanie potvrdzuje tento názor, ale zatiaľ neexistujú spoľahlivé experimentálne dôkazy pre túto hypotézu, ani neexistuje rigorózna teória potvrdzujúca platnosť využitia potenciálu dvojitej studne na opis takýchto nezvyčajných vlastností podchladenej vody.

Správanie sa podchladenej vody je veľmi zaujímavé z rôznych dôvodov. Predovšetkým určuje klimatické podmienky, možnosť a spôsob plavby vo vysokých zemepisných šírkach, čo je pre našu krajinu relevantné. Pri procese dynamickej kryštalizácie na rozhraní dochádza k mnohým zaujímavým a dodnes málo pochopeným javom, napríklad redistribúcia nečistôt, separácia a následná relaxácia elektrických nábojov, sprevádzaná elektromagnetickým žiarením v širokom frekvenčnom pásme a pod.. Nakoniec kryštalizácia v vysoko podchladená kvapalina je výborná, mnohokrát ľahko reprodukovateľná modelová situácia správania sa systému, ktorý je ďaleko od termodynamickej rovnováhy a je schopný v dôsledku vývoja nestabilít vytvárať dendrity rôznych rádov a rozmerov ( typickými predstaviteľmi sú snehové vločky a ľadové vzory na oknách), vhodné na vytváranie a modelovanie správania fraktálov.

Na prvý pohľad sa zdá, že procesy topenia ľadu sa dajú ľahšie analyzovať ako procesy kryštalizácie. Zanechávajú však aj mnohé otázky. Napríklad sa všeobecne verí, že roztopená voda má po určitú dobu vlastnosti odlišné od vlastností bežnej vody, prinajmenšom vo vzťahu k biologickým objektom: rastlinám, zvieratám, ľuďom. Tieto vlastnosti môžu byť pravdepodobne spôsobené vysokou chemickou čistotou (v dôsledku zaznamenaného nízkeho koeficientu zachytávania nečistôt počas kryštalizácie ľadu), rozdielmi v obsahu rozpustených plynov a iónov, ako aj ukladaním štruktúry ľadu do multimolekulových zhlukov kvapaliny. fáza. O tom však autor nemá spoľahlivé informácie získané modernými fyzikálnymi metódami.

Nemenej náročná je analýza mechanizmov vplyvu vonkajších fyzikálnych polí, najmä magnetických polí, na procesy a vlastnosti vody, ľadu a fázových prechodov. Celý náš život prebieha v podmienkach neustáleho pôsobenia magnetického poľa Zeme a jeho slabých výkyvov. Magnetobiológia a magnetické liečebné metódy v medicíne sa vyvíjajú už mnoho storočí. Nakoniec sa jednotky vyrábajú vo veľkom a široko sa používajú na magnetizáciu vody používanej na zavlažovanie v poľnohospodárstve (s cieľom zvýšiť produktivitu), napájanie parných kotlov (na zníženie miery tvorby vodného kameňa v nich) atď. Doteraz však neexistuje uspokojivý fyzikálny popis mechanizmov pôsobenia magnetického poľa v týchto a ďalších podobných prípadoch.

Záver

Voda, ľad a ich vzájomné fázové premeny sú stále opradené mnohými záhadami. Ich riešenie je nielen veľmi zaujímavým fyzikálnym problémom, ale je mimoriadne dôležité aj pre život na Zemi, keďže priamo súvisí so zdravím a blahobytom človeka. Možno poskytujú jeden z najvýraznejších príkladov úlohy elektrónovej a molekulárnej štruktúry pri vytváraní fyzikálnych vlastností najjednoduchšieho a dobre známeho chemického zloženia látky.

Literatúra:

1. Bogorodskij V.V., Gavrilo V.P. Ľad. L.: Gidrometeoizdat, 1980. 384 s.

2. Maeno N. Veda o ľade. M.: Mir, 1988. 231 s.

3. Hobbs P.V. Fyzika ľadu. Oxford: Univ. Tlač, 1974. 864 s.

4. Zatsepina G.N. Fyzikálne vlastnosti a vodná štruktúra. M.: Vydavateľstvo Moskovskej štátnej univerzity, 1998. 184 s.

5. Mishima O., Stanley E. Vzťah medzi tekutou, podchladenou a sklovitou vodou // Príroda. 1998. Vol. 396. S. 329–335.

6. Zolotukhin I.V. Fraktály vo fyzike pevných látok // Soros Educational Journal. 1998. Číslo 7. S. 108–113. Recenzent článku B.A. Strukov

Jurij Ivanovič Golovin, doktor fyzikálnych a matematických vied, profesor, vedúci. Katedra teoretickej a experimentálnej fyziky Štátnej univerzity Tambov. G.R. Derzhavin, ctený vedec Ruskej federácie. Oblasťou vedeckého záujmu je elektronická štruktúra defektov v pevných látkach a nimi spôsobené makroskopické vlastnosti. Autor a spoluautor viac ako 200 vedeckých prác, vrátane monografií a 40 vynálezov.