От 14-те известни форми на твърда вода в природата откриваме само една - лед. Останалите се образуват при екстремни условия и са недостъпни за наблюдения извън специални лаборатории. Най-интригуващото свойство на леда е неговото невероятно разнообразие от външни прояви. С една и съща кристална структура може да изглежда напълно различно, приемайки формата на прозрачни градушки и ледени висулки, люспи от пухкав сняг, плътна лъскава кора от фирн върху снежно поле или гигантски ледникови маси.
В малкия японски град Кага, разположен на Западна банкаНа остров Хоншу има необичаен музей. Сняг и лед. Основан е от Укихиро Накая, първият човек, който се е научил да отглежда изкуствени снежинки в лабораторията, красиви като падащите от небето. В този музей посетителите са заобиколени от всички страни с правилни шестоъгълници, защото точно това е „шестоъгълната“ симетрия, която е характерна за кристалите обикновен лед(между другото гръцката дума кристалос всъщност означава „лед“). Той определя много от неговите уникални свойства и кара снежинките, с цялото им безкрайно разнообразие, да растат във формата на звезди с шест, по-рядко с три или дванадесет лъча, но никога с четири или пет.
Молекули в ажур
Ключът към структурата на твърдата вода се крие в структурата на нейната молекула. H2O може да се представи опростено като тетраедър (пирамида с триъгълна основа). В центъра има кислород, в два върха има водород, по-точно протон, чиито електрони участват в образуването на ковалентна връзка с кислорода. Останалите два върха са заети от двойки кислородни валентни електрони, които не участват в образуването на вътрешномолекулни връзки, поради което се наричат самотни.
Когато протон на една молекула взаимодейства с двойка самотни кислородни електрони на друга молекула, се образува водородна връзка, по-малко силна от вътрешномолекулната връзка, но достатъчно мощна, за да задържи съседните молекули заедно. Всяка молекула може едновременно да образува четири водородни връзки с други молекули под строго определени ъгли, които не позволяват създаването на плътна структура при замразяване. Тази невидима рамка от водородни връзки подрежда молекулите в дантелена мрежа с кухи канали. Веднага щом ледът се нагрее, дантелата се срутва: водните молекули започват да падат в кухините на мрежата, което води до по-плътна структура на течността, поради което водата е по-тежка от леда.Лед, който се образува при атмосферно наляганеи се топи при 0°C, най-познатото, но все още не напълно разбрано вещество. Много в неговата структура и свойства изглежда необичайно. В местата на кристалната решетка на леда кислородните атоми са подредени по подреден начин, образувайки правилни шестоъгълници, но водородните атоми заемат различни позиции по дължината на връзките. Това поведение на атомите като цяло е нетипично - като правило, в твърдо вещество всички се подчиняват на един и същ закон: или всички атоми са подредени по подреден начин и тогава това е кристал, или произволно, и тогава това е аморфно вещество.
Ледът се топи трудно, колкото и странно да звучи. Ако нямаше водородни връзки, държащи водните молекули заедно, тя щеше да се стопи при 90°C. В същото време, когато водата замръзне, тя не намалява обема си, както се случва с повечето известни вещества, а се увеличава поради образуването на ажурна структура от лед.„Странностите“ на леда също включват генерирането на електромагнитно излъчване от растящите му кристали. Отдавна е известно, че повечето от примесите, разтворени във вода, не се прехвърлят в леда, когато той започне да расте; с други думи, той замръзва. Следователно, дори и върху най-мръсната локва, леденият филм е чист и прозрачен. Примесите се натрупват на границата между твърдо вещество и течна среда, под формата на два слоя електрически заряди различен знак, които причиняват значителна потенциална разлика. Зареденият слой от примеси се движи заедно с долната граница млад леди излъчва електромагнитни вълни. Благодарение на това процесът на кристализация може да се наблюдава в детайли. По този начин кристалът, който расте по дължина под формата на игла, излъчва различно от този, покрит със странични израстъци, а излъчването на растящите зърна се различава от това, което се получава, когато кристалите се напукат. По формата, последователността, честотата и амплитудата на радиационните импулси може да се определи с каква скорост замръзва ледът и каква структура на леда се получава.
Грешен лед
В твърдо състояние водата има според последните данни 14 структурни модификации. Някои от тях са кристални (по-голямата част от тях), други са аморфни, но всички те се различават един от друг по относителното разположение на водните молекули и свойства. Вярно, всичко освен леда, с който сме свикнали, се образува при екзотични условия, с много ниски температурии високо налягане, когато ъглите на водородните връзки във водната молекула се променят и се образуват системи, различни от шестоъгълни. Например при температури под 110°C водните пари се утаяват върху метална плоча под формата на октаедри и кубчета с размери няколко нанометра – това е така нареченият кубичен лед. Ако температурата е малко над 110° и концентрацията на пари е много ниска, върху плочата се образува слой от изключително плътен аморфен лед.
Последните две модификации на лед XIII и XIV бяха открити от учени от Оксфорд съвсем наскоро, през 2006 г. 40-годишното предсказание, че трябва да съществуват ледени кристали с моноклинни и ромбични решетки, беше трудно да се потвърди: вискозитетът на водата при температура от 160 ° C е много висок и молекулите на свръхчистата преохладена вода се събират в такива количества да се образува кристално ядро, трудно. Катализаторът помогна: солна киселина, която увеличи мобилността на водните молекули при ниски температури. Такива модификации на лед не могат да се образуват в земната природа, но могат да се търсят в замръзналите спътници на други планети.
Така реши комисиятаСнежинката е единичен кристал от лед, вариация на темата за шестоъгълен кристал, но нараства бързо, при неравновесни условия. Най-любознателните умове от векове се борят с тайната на тяхната красота и безкрайно разнообразие. Астрономът Йоханес Кеплер е написал цял трактат „За шестоъгълните снежинки“ през 1611 г. През 1665 г. Робърт Хук, в огромен том от скици на всичко, което е видял с микроскоп, публикува много рисунки на снежинки. различни форми. Първата успешна снимка на снежинка под микроскоп е направена през 1885 г. от американския фермер Уилсън Бентли. Оттогава не можеше да спре. До края на живота си, повече от четиридесет години, Бентли ги снима. Повече от пет хиляди кристала и нито един не е същият.
Най-известните последователи на каузата на Бентли са вече споменатият Укихиро Накая и американският физик Кенет Либрехт. Накая беше първият, който предположи, че размерът и формата на снежинките зависят от температурата на въздуха и съдържанието на влага, и блестящо потвърди тази хипотеза експериментално чрез отглеждане на ледени кристали с различни форми в лабораторията. И Либрехт дори започна да отглежда направени по поръчка снежинки с предварително определена форма.
Животът на снежинката започва с образуването на кристални ледени ядра в облак от водна пара, докато температурата пада. Центърът на кристализация може да бъде прахови частици, всякакви твърди частици или дори йони, но във всеки случай тези парчета лед с размер по-малък от една десета от милиметъра вече имат шестоъгълна кристална решетка.
Водните пари, кондензиращи върху повърхността на тези ядра, първо образуват малка шестоъгълна призма, от шестте ъгъла на която започват да растат напълно еднакви ледени игли и странични израстъци. Те са еднакви просто защото температурата и влажността около ембриона също са еднакви. На тях от своя страна растат странични издънки и клони, като на дърво. Такива кристали се наричат дендрити, тоест подобни на дърво.
Движейки се нагоре и надолу в облак, снежинката се натъква на условия с различни температури и концентрации на водна пара. Формата му се променя, подчинявайки се до последно на законите на шестоъгълната симетрия. Ето как снежинките стават различни. Въпреки че теоретично, в един и същ облак на една и съща надморска височина, те могат да „изплуват“ идентични. Но всеки има свой собствен път до земята, който е доста дълъг; средно една снежинка пада със скорост 0,9 км в час. Това означава, че всеки има своя собствена история и своя окончателна форма. Ледът, който образува снежинка, е прозрачен, но когато е много, слънчева светлина, отразявайки се и разпръсквайки се върху многобройни лица, ни създава впечатление за бяла непрозрачна маса - наричаме я сняг.
За да избегне объркване с разнообразието от снежинки, Международната комисия по сняг и лед прие през 1951 г. доста проста класификация на ледените кристали: плочи, звездни кристали, колони или колони, игли, пространствени дендрити, колони с връх и неправилни форми. И още три вида ледени валежи: фин сняг, лед и градушка.Растежът на скреж, скреж и шарки върху стъклото се подчинява на същите закони. Тези явления, като снежинките, се образуват от кондензация, молекула по молекула, върху земята, тревата, дърветата. Шарките на прозореца се появяват в мразовито време, когато влагата от топъл стаен въздух кондензира върху повърхността на стъклото. Но градушката се образува, когато капки вода замръзнат или когато лед в облаци, наситени с водна пара, замръзне на плътни слоеве върху зародишите на снежинките. Други, вече образувани снежинки могат да замръзнат върху градушката, сливайки се с нея, поради което градушката придобива най-странни форми.
За нас на Земята е достатъчна една твърда модификация на водата - обикновен лед. Той буквално прониква във всички области на човешкото обитаване или престой. Събирайки се в огромни количества, снегът и ледът образуват специални структури със свойства, коренно различни от тези на отделните кристали или снежинки. Планинските ледници, ледените покрития на водните площи, вечната замръзналост и просто сезонната снежна покривка значително влияят върху климата на големи региони и планетата като цяло: дори тези, които никога не са виждали сняг, усещат дъха на неговите маси, натрупани на полюсите на Земята, за например под формата на дългосрочни колебания в нивото на Световния океан. А ледът е толкова важен за външния вид на нашата планета и комфортното местообитание на живите същества на нея, че учените са отделили специална среда за него - криосферата, която се простира високо в атмосферата и дълбоко в нея. земната кора.
Олга Максименко, кандидат на химическите науки
И тук можем да преминем към втората категория. Под думата "лед"ние сме свикнали да разбираме твърдото фазово състояниевода. Но освен него, други вещества също подлежат на замразяване. Така ледът може да се разграничи по химичен съставизходен материал, например въглероден диоксид, амоняк, метанов лед и други.
На трето място, има кристални решетки (модификации) на водния лед, чието образуване се определя от термодинамичен фактор. Това е, за което ще поговорим малко в тази публикация.
В статията Лед разгледахме как структурата на водата претърпява преструктуриране с промяна в нейното агрегатно състояние и засегнахме кристалната структура обикновен лед. Благодарение на вътрешната структура на самата водна молекула и водородните връзки, свързващи всички молекули в подредена система, се образува шестоъгълна (шестоъгълна) кристална решетка от лед. Най-близките една до друга молекули (един централен и четири ъгъла) са подредени във формата на тристенна пирамида или тетраедър, който е в основата на шестоъгълната кристална модификация ( Фиг. 1).
Между другото, разстоянието между най-малките частици материя се измерва в нанометри (nm) или ангстрьоми (наречено на шведския физик от 19 век Андерс Йонас Ангстрьом; обозначено със символа Å). 1 Å = 0,1 nm = 10−10 m.
Тази шестоъгълна структура от обикновен лед се простира до целия му обем. Можете ясно да видите това с невъоръжено око: по време на снеговалеж през зимата хванете снежинка на ръкава или ръкавицата си и разгледайте по-отблизо формата й - тя е шестлъчева или шестоъгълна. Това е характерно за всяка снежинка, но нито една снежинка никога не повтаря друга (повече за това в нашата статия). И дори големите ледени кристали с външната си форма съответстват на вътрешната молекулна структура ( Фиг.2).
Вече казахме, че преходът на вещество, по-специално вода, от едно състояние в друго се извършва при определени условия. Нормалният лед се образува при температури от 0°C и по-ниски и при налягане от 1 атмосфера (нормална стойност). Следователно, за появата на други модификации на леда е необходима промяна в тези стойности и в повечето случаи наличието на ниски температури и високо налягане, при които ъгълът на водородните връзки се променя и цялата кристална решетка се реконструира.
Всяка модификация на лед принадлежи към определена система - група от кристали, в които единичните клетки имат еднаква симетрия и координатна система (XYZ оси). Разграничават се общо седем сингонии. Характеристиките на всеки от тях са представени на илюстрации 3-4. И точно по-долу има изображение на основните форми на кристали ( Фиг.5)
Всички модификации на лед, които се различават от обикновения лед, са получени в лабораторни условия. Първите полиморфни структури на леда стават известни в началото на 20 век благодарение на усилията на учените Густав Хайнрих ТаманИ Пърси Уилямс Бриджман. Диаграмата на модификациите на Бриджман периодично се допълваше. Бяха идентифицирани нови модификации от получените по-рано. Последните промени в диаграмата бяха направени в наше време. На този моментБяха получени шестнадесет кристални вида лед. Всеки тип има собствено име и се обозначава с римска цифра.
Няма да навлизаме дълбоко физически характеристикивсеки молекулярен вид воден лед, за да не ви отегчаваме, скъпи читатели, с научни подробности, ще отбележим само основните параметри.
Обикновеният лед се нарича лед Ih (префиксът „h“ означава шестоъгълна система). На илюстрации 7е представена нейната кристална структура, състояща се от хексагонални връзки (хексамери), които се различават по форма – една във формата шезлонг(Английски) стол-форма), друг във формата топове (форма на лодка). Тези хексамери образуват триизмерно сечение - два "шезлонга" са хоризонтални отгоре и отдолу, а три "лодки" заемат вертикално положение.
Пространствената диаграма показва реда в подреждането на водородните връзки на леда Их, но в действителност връзките се изграждат произволно. Учените обаче не изключват, че водородните връзки на повърхността на хексагоналния лед са по-подредени, отколкото вътре в структурата.
Единичната клетка на шестоъгълния лед (т.е. минималният обем на кристал, чието многократно възпроизвеждане в три измерения образува цялата кристална решетка като цяло) включва 4 водни молекули. Размерите на клетката са 4,51 Åот двете страни а,бИ 7,35 Åот страната c (страната или оста c в диаграмите има вертикална посока). Ъглите между страните, гледани от илюстрация 4: α=β = 90°, γ = 120°. Разстоянието между съседните молекули е 2,76 Å.
Шестоъгълните ледени кристали образуват шестоъгълни плочи и колони; горната и долната повърхност в тях са базовите равнини, а шестте еднакви странични повърхности се наричат призматични ( Фиг.10).
Минималният брой водни молекули, необходими за започване на нейната кристализация, е около 275 (±25). До голяма степен образуването на лед става на повърхността на водната маса, граничеща с въздуха, а не вътре в нея. Груби ледени кристали Ихобразуват се бавно по посока на оста c, например в застояла вода те растат вертикално надолу от кристалните пластини или при условия, при които растежът настрани е труден. Финозърнестият лед, образуван в бурна вода или при бързо замръзване, има ускорен растеж, насочен от призматичните повърхности. Температурата на околната вода определя степента на разклонение на решетката на ледените кристали.
Частици от вещества, разтворени във вода, с изключение на хелиеви и водородни атоми, чиито размери им позволяват да се поберат в кухините на структурата, се изключват от кристалната решетка при нормално атмосферно налягане, като се изтласкват на повърхността на кристала или , както в случая с аморфната разновидност (повече за това по-късно в статията), образуваща слоеве между микрокристалите. Последователни цикли на замразяване и размразяване на вода могат да се използват за пречистване от примеси, например газове (дегазация).
Заедно с лед Ихима и лед Интегрална схема (кубична система), но в природата образуването на този тип лед понякога е възможно само в горните слоеве на атмосферата. Изкуствен лед Интегрална схемаполучен чрез моментално замразяване на вода, за което парата се кондензира върху охладена 80 към минус 110°Сметална повърхност при нормално атмосферно налягане. В резултат на експеримента кристали с кубична форма или под формата на октаедри изпадат на повърхността. Няма да е възможно да се създаде кубичен лед от първата модификация от обикновен шестоъгълен лед чрез понижаване на температурата му, но преходът от кубичен към шестоъгълен е възможен чрез нагряване на леда Интегрална схемапо-висок минус 80°С.
В молекулярната структура на леда Интегрална схемаъгълът на водородната връзка е същият като този на обикновения лед Ih – 109,5°. И тук има шестоъгълен пръстен, образуван от молекули в ледена решетка Интегрална схемаприсъства само под формата на шезлонг.
Плътността на леда Ic е 0,92 g/cm³ при налягане 1 atm. Единичната клетка в кубичен кристал има 8 молекули и размери: a=b=c = 6,35 Å, и нейните ъгли α=β=γ = 90°.
На бележка.Уважаеми читатели, в тази статия многократно ще срещаме индикатори за температура и налягане за един или друг вид лед. И ако температурните стойности, изразени в градуси по Целзий, са ясни за всички, тогава възприемането на стойностите на налягането може да е трудно за някои. Във физиката се използват различни единици за измерването му, но в нашата статия ще го обозначим в атмосфери (atm), като закръгляме стойностите. Нормалното атмосферно налягане е 1 atm, което е равно на 760 mmHg, или малко над 1 bar, или 0,1 MPa (мегапаскал).
Както разбирате по-специално от примера с леда Интегрална схема, съществуването на кристални модификации на лед е възможно при условия термодинамично равновесие, т.е. когато балансът на температурата и налягането, който определя наличието на всеки кристален вид лед, се наруши, този тип изчезва, трансформирайки се в друга модификация. Диапазонът на тези термодинамични стойности варира; той е различен за всеки вид. Нека разгледаме други видове лед, не строго в номенклатурния ред, а във връзка с тези структурни преходи.
Лед IIпринадлежи към тригоналната система. Може да се образува от шестоъгълен тип при налягане около 3000 atm и температура около минус 75 ° C или от друга модификация ( лед V), чрез рязко намаляване на налягането при температура минус 35°C. Съществуване IIтип лед е възможно при условия на минус 170°C и налягане от 1 до 50 000 atm (или 5 гигапаскала (GPa)). Според учените ледът от тази модификация вероятно може да бъде част от ледените спътници на далечни планети слънчева система. Нормалното атмосферно налягане и температури над минус 113°C създават условия този вид лед да се трансформира в обикновен шестоъгълен лед.
На илюстрации 13показана ледена кристална решетка II. Вижда се характерна черта на структурата - един вид кухи шестоъгълни канали, образувани от молекулни връзки. Единичната клетка (областта, подчертана на илюстрацията с диамант) се състои от две връзки, които са изместени една спрямо друга, така да се каже, „на височина“. В резултат на това се образува ромбоедрична решетъчна система. Размери на клетката a=b=c = 7.78 Å; α=β=γ = 113.1°. В една клетка има 12 молекули. Ъгълът на връзката между молекулите (O–O–O) варира от 80 до 120°.
При нагряване на модификация II можете да получите лед III, и обратно, охлаждане с лед IIIго превръща в лед II. Също и лед IIIсе образува, когато температурата на водата постепенно се понижава до минус 23°C, повишавайки налягането до 3000 atm.
Както може да се види на фазовата диаграма ( аз ще. 6), термодинамични условияза стабилно състояние на леда III, както и друга модификация - лед V, са малки.
Лед IIIИ Vимат четири тройни точки със заобикалящи ги модификации (термодинамични стойности, при които е възможно съществуването на различни състояния на материята). Въпреки това, ледът II, IIIИ Vмодификации могат да съществуват при условия на нормално атмосферно налягане и температура от минус 170°C, а нагряването им до минус 150°C води до образуване на лед Интегрална схема.
В сравнение с други известни понастоящем модификации с високо налягане, лед IIIима най-ниска плътност - при налягане 3500 атм. то е равно на 1,16 g/cm³.
Лед IIIе тетрагонална разновидност на кристализирала вода, но самата структура на ледената решетка IIIима нарушения. Ако всяка молекула обикновено е заобиколена от 4 съседни, тогава в този случай този индикатор ще има стойност 3,2, а освен това може да има още 2 или 3 молекули наблизо, които нямат водородни връзки.
При пространствено разположение молекулите образуват десни спирали.
Размери на единична клетка с 12 молекули при минус 23°C и около 2800 atm: a=b = 6.66, c = 6.93 Å; α=β=γ = 90°. Ъгълът на водородната връзка варира от 87 до 141°.
На илюстрации 15пространствената диаграма е условно представена молекулярна структуралед III. Молекулите (сини точки), разположени по-близо до зрителя, са показани по-големи, а водородните връзки (червени линии) са съответно по-дебели.
И сега, както се казва, по петите, веднага да „прескочим“ идващите след леда IIIв номенклатурен ред, кристални модификации и нека кажем няколко думи за леда IX.
Този тип лед е по същество модифициран лед III, подложен на бързо дълбоко охлаждане от минус 65 до минус 108 ° C, за да се избегне превръщането му в лед II. Лед IXостава стабилен при температури под 133°C и налягания от 2000 до 4000 atm. Плътността и структурата му са идентични IIIум, но за разлика от леда IIIв структурата на леда IXима ред в подреждането на протоните.
Нагряване на лед IXне го връща към оригинала IIIмодификации, но се превръща в лед II. Размери на клетката: a=b = 6.69, c = 6.71 Å при температура минус 108°C и 2800 atm.
Между другото, романът на писателя на научна фантастика Кърт Вонегът от 1963 г. „Котешка люлка“ е съсредоточен около вещество, наречено лед-девет, което се описва като изкуствен материал, който представлява голяма опасност за живота, тъй като водата кристализира при контакт с него, превръщайки се в лед-девет. Навлизането дори на малко количество от това вещество в естествени води, обърнати към световния океан, заплашва да замрази цялата вода на планетата, което от своя страна означава смъртта на всички живи същества. В крайна сметка така и става.
Лед IVе метастабилна (слабо стабилна) тригонална формация на кристална решетка. Неговото съществуване е възможно във фазовото пространство на леда III, VИ VIмодификации. Вземете малко лед IVможе да се направи от аморфен лед с висока плътност чрез бавното му нагряване, започвайки от минус 130°C при постоянно налягане от 8000 atm.
Размерът на ромбоедричната единична клетка е 7,60 Å, ъглите α=β=γ = 70,1°. Клетката включва 16 молекули; водородните връзки между молекулите са асиметрични. При налягане от 1 atm и температура от минус 163 ° C, плътността на лед IV е 1,27 g / cm³. Ъгъл на свързване O–O–O: 88–128°.
По същия начин IVвидът лед, който образува лед XII– чрез нагряване на аморфна модификация с висока плътност (повече за това по-долу) от минус 196 до минус 90°C при същото налягане от 8000 atm, но при по-висока скорост.
Лед XIIсъщо метастабилни във фазовата област VИ VIкристални видове. Това е вид тетрагонална система.
Единичната клетка съдържа 12 молекули, които поради водородни връзки с ъгли 84–135° са разположени в кристалната решетка, образувайки двойна дясна спирала. Клетката има размери: a=b = 8.27, c = 4.02 Å; ъгли α=β=γ = 90º. Плътност Лед XIIе 1,30 g/cm³ при нормално атмосферно налягане и температура минус 146°C. Ъгли на водородната връзка: 67–132°.
От откритите в момента модификации на водния лед, ледът има най-сложната кристална структура V. 28 молекули съставляват неговата единична клетка; водородните връзки обхващат празнини в други молекулни съединения и някои молекули образуват връзки само с определени съединения. Ъгълът на водородните връзки между съседните молекули варира значително - от 86 до 132°, следователно в кристалната решетка на леда Vима силно напрежение и огромно количество енергия.
Параметри на клетката при условия на нормално атмосферно налягане и температура минус 175°C: a= 9.22, b= 7.54, c= 10.35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Лед Vе моноклинна разновидност, образувана при охлаждане на вода до минус 20°C при налягане от около 5000 atm. Плътността на кристалната решетка, като се вземе предвид налягане от 3500 atm, е 1,24 g/cm³.
Пространствена диаграма на ледената кристална решетка Vтип, показан в илюстрации 18. Областта на единичната клетка на кристала е подчертана със сив контур.
Подредено подреждане на протоните в структурата на леда Vго прави друга разновидност, наречена лед XIII. Тази моноклинна модификация може да се получи чрез охлаждане на вода под минус 143°C с добавяне на на солна киселина(HCl), за да улесни фазовия преход, създавайки налягане от 5000 atm. Обратим преход от XIIIтип k Vтип е възможен в температурния диапазон от минус 193°C до минус 153°C.
Размери на единичната клетка на леда XIIIмалко по-различен от Vмодификации: a= 9.24, b= 7.47, c= 10.30 Å; α=β = 90°, γ= 109.7° (при 1 atm, минус 193°С). Броят на молекулите в клетката е същият - 28. Ъгълът на водородните връзки: 82–135°.
В следващата част на нашата статия ще продължим прегледа на модификациите на водния лед.
Ще се видим на страниците на нашия блог!
Кристална структура на леда: водните молекули са свързани в правилни шестоъгълници Кристална решетка на леда: Водните молекули H 2 O (черни топки) в нейните възли са подредени така, че всеки има четири съседа. Водната молекула (център) е свързана с четирите си най-близки съседни молекули чрез водородни връзки. Ледът е кристална модификация на водата. Според последните данни ледът има 14 структурни модификации. Сред тях има както кристални (повечето от тях), така и аморфни модификации, но всички те се различават една от друга по относителното разположение на водните молекули и свойства. Вярно, всичко освен познатия лед, който кристализира в хексагоналната система, се образува при екзотични условия при много ниски температури и високо налягане, когато ъглите на водородните връзки във водната молекула се променят и се образуват системи, различни от хексагоналните. Такива условия наподобяват тези в космоса и не се срещат на Земята. Например при температури под –110 °C водната пара се утаява върху метална плоча под формата на октаедри и кубчета с размери няколко нанометра – така нареченият кубичен лед. Ако температурата е малко над –110 °C и концентрацията на пари е много ниска, върху плочата се образува слой от изключително плътен аморфен лед. Най-необичайното свойство на леда е неговото невероятно разнообразие от външни прояви. С една и съща кристална структура може да изглежда напълно различно, приемайки формата на прозрачни градушки и ледени висулки, люспи от пухкав сняг, плътна лъскава кора от лед или гигантски ледникови маси.
Снежинката е единичен кристал от лед - вид шестоъгълен кристал, който обаче расте бързо при неравновесни условия. Учените от векове се борят с тайната на тяхната красота и безкрайно разнообразие. Животът на снежинката започва с образуването на кристални ледени ядра в облак от водна пара, докато температурата пада. Центърът на кристализация може да бъде прахови частици, всякакви твърди частици или дори йони, но във всеки случай тези парчета лед с размер по-малък от една десета от милиметъра вече имат шестоъгълна кристална решетка.Водната пара, кондензираща на повърхността на тези ядра, първо образува малка шестоъгълна призма, от шестте ъгъла на която започва да израства еднакви ледени иглички, странични издънки, т.к. температурата и влажността около ембриона също са същите. На тях от своя страна растат странични издънки на клони, като на дърво. Такива кристали се наричат дендрити, тоест подобни на дърво. Движейки се нагоре и надолу в облак, снежинката се натъква на условия с различни температури и концентрации на водна пара. Формата му се променя, подчинявайки се до последно на законите на шестоъгълната симетрия. Ето как снежинките стават различни. Досега не е било възможно да се намерят две еднакви снежинки.
Цветът на леда зависи от неговата възраст и може да се използва за оценка на неговата здравина. Океанският лед е бял през първата година от живота си, защото е наситен с въздушни мехурчета, от стените на които светлината се отразява веднага, без да има време да се абсорбира. През лятото повърхността на леда се топи, губи силата си и под тежестта на новите слоеве, лежащи отгоре, въздушните мехурчета се свиват и изчезват напълно. Светлината вътре в леда изминава по-дълъг път от преди и се появява като синкаво-зелен оттенък. Синият лед е по-стар, по-плътен и по-силен от белия „пенест“ лед, наситен с въздух. Полярните изследователи знаят това и избират надеждни сини и зелени ледени късове за своите плаващи бази, изследователски станции и ледени летища. Има черни айсберги. Първото съобщение за тях в пресата се появява през 1773 г. Черният цвят на айсбергите се дължи на дейността на вулканите - ледът е покрит с дебел слой вулканичен прах, който не се отмива дори морска вода. Ледът не е еднакво студен. Има много студен лед, с температура около минус 60 градуса, това е ледът на някои антарктически ледници. Ледът на гренландските ледници е много по-топъл. Температурата му е около минус 28 градуса. Изобщо " топъл лед„(с температура около 0 градуса) лежат по върховете на Алпите и Скандинавските планини.
Плътността на водата е максимална при +4 С и е равна на 1 g/ml, намалява с понижаване на температурата. Когато водата кристализира, плътността рязко намалява, за лед тя е равна на 0,91 g / cm3 Поради това ледът е по-лек от водата и когато резервоарите замръзнат, ледът се натрупва отгоре, а на дъното на резервоарите има по-плътна вода с температура 4 ̊ C. Лоша топлопроводимост на леда и снежната покривка, която го покрива, предпазва водоемите от замръзване до дъното и по този начин създава условия за живот на обитателите на водоемите през зимата.
Ледниците, ледените покривки, вечната замръзналост и сезонната снежна покривка значително влияят върху климата на големи региони и планетата като цяло: дори тези, които никога не са виждали сняг, усещат дъха на неговите маси, натрупани на полюсите на Земята, например под формата на дългосрочни колебания в нивото на Световния океан. Ледът е толкова важен за външния вид на нашата планета и комфортното местообитание на живите същества на нея, че учените са отделили специална среда за него - криосферата, която се простира високо в атмосферата и дълбоко в земната кора. Естественият лед обикновено е много по-чист от водата, защото... разтворимостта на вещества (с изключение на NH4F) в лед е изключително ниска. Общите запаси от лед на Земята са около 30 милиона км 3. По-голямата част от леда е концентрирана в Антарктика, където дебелината на слоя му достига 4 км.
Както вече знаем, едно вещество може да съществува в три агрегатни състояния: газообразен, твърдИ течност. Кислородът, който при нормални условия е в газообразно състояние, при температура от -194 ° C се трансформира в синкава течност, а при температура от -218,8 ° C се превръща в снежна маса със сини кристали.
Температурният диапазон за съществуване на веществото в твърдо състояние се определя от точките на кипене и топене. Твърдите вещества са кристаленИ аморфен.
U аморфни веществаняма фиксирана точка на топене - при нагряване те постепенно омекват и преминават в течно състояние. В това състояние например се намират различни смоли и пластелин.
Кристални веществасе различават по правилното подреждане на частиците, от които се състоят: атоми, молекули и йони - в строго определени точкипространство. Когато тези точки са свързани с прави линии, се създава пространствена рамка, тя се нарича кристална решетка. Точките, в които се намират кристалните частици, се наричат възли на решетката.
Възлите на решетката, които си представяме, могат да съдържат йони, атоми и молекули. Тези частици правят осцилаторни движения. Когато температурата се повиши, обхватът на тези колебания също се увеличава, което води до топлинно разширениетел.
В зависимост от вида на частиците, разположени във възлите на кристалната решетка и характера на връзката между тях, се разграничават четири вида кристални решетки: йонни, атомен, молекулярноИ метал.
ЙонниТе се наричат кристални решетки, в които йоните са разположени във възлите. Те се образуват от вещества с йонни връзки, които могат да свързват както прости йони Na+, Cl-, така и сложни SO24-, OH-. По този начин йонните кристални решетки имат соли, някои оксиди и хидроксили на метали, т.е. тези вещества, в които съществува йонна химична връзка. Помислете за кристал на натриев хлорид; той се състои от положително редуващи се Na+ и отрицателни CL- йони, заедно те образуват решетка с форма на куб. Връзките между йони в такъв кристал са изключително стабилни. Поради това веществата с йонна решетка имат относително висока якост и твърдост, те са огнеупорни и нелетливи.
АтоменКристалните решетки са тези кристални решетки, чиито възли съдържат отделни атоми. В такива решетки атомите са свързани един с друг чрез много силни ковалентни връзки. Например диамантът е една от алотропните модификации на въглерода.
Веществата с атомна кристална решетка не са много разпространени в природата. Те включват кристален бор, силиций и германий, както и сложни вещества, например тези, които съдържат силициев оксид (IV) - SiO 2: силициев диоксид, кварц, пясък, планински кристал.
По-голямата част от веществата с атомна кристална решетка имат много високи температуритопене (за диаманта надвишава 3500 ° C), такива вещества са силни и твърди, практически неразтворими.
МолекулярнаТе се наричат кристални решетки, в които молекулите са разположени във възлите. Химичните връзки в тези молекули също могат да бъдат полярни (HCl, H 2 O) или неполярни (N 2, O 3). И въпреки че атомите вътре в молекулите са свързани с много силни ковалентни връзки, между самите молекули действат слаби сили на междумолекулно привличане. Ето защо веществата с молекулярни кристални решетки се характеризират с ниска твърдост, ниска точка на топене и летливост.
Примери за такива вещества включват твърда вода - лед, твърд въглероден оксид (IV) - "сух лед", твърд водороден хлорид и сероводород, твърд прости вещества, образуван от един - (благородни газове), два - (H 2, O 2, CL 2, N 2, I 2), три - (O 3), четири - (P 4), осем атомни (S 8) молекули. По-голямата част от твърдите органични съединения имат молекулни кристални решетки (нафталин, глюкоза, захар).
blog.site, при пълно или частично копиране на материал е необходима връзка към първоизточника.
О. В. Мосин, И. Игнатов (България)
анотация Значението на леда за поддържане на живота на нашата планета не може да се подценява. Ледът има голямо влияние върху условията на живот и живота на растенията и животните и на различни видовеикономическа дейност на човека. Покривайки водата, ледът, поради ниската си плътност, играе в природата ролята на плаващ екран, предпазвайки реките и резервоарите от по-нататъшно замръзване и запазвайки живота на подводните обитатели. Използването на лед за различни цели (задържане на сняг, изграждане на ледени преходи и изотермични складове, запълване с лед на складове и мини) е предмет на редица раздели на хидрометеорологичните и инженерните науки, като инженерство на лед, инженерство на сняг, вечна замръзналост инженеринг, както и дейността на специални служби за ледово разузнаване и ледоразбивач, транспорт и снегопочистваща техника. Натуралният лед се използва за съхранение и охлаждане на хранителни продукти, биологични и медицински препарати, за което е специално произведен и приготвен, а стопената вода, приготвена чрез топене на лед, се използва в народната медицина за засилване на метаболизма и извеждане на токсините от тялото. Статията запознава читателя с нови малко известни свойства и модификации на леда.
Ледът е кристална форма на водата, която според последните данни има четиринадесет структурни модификации. Сред тях има кристални (естествен лед) и аморфни (кубичен лед) и метастабилни модификации, които се различават една от друга по взаимното разположение и физичните свойства на водните молекули, свързани с водородни връзки, които образуват кристалната решетка на леда. Всички те, с изключение на познатия естествен лед I h, който кристализира в шестоъгълна решетка, се образуват при екзотични условия - при много ниски температури на сух лед и течен азот и високо налягане от хиляди атмосфери, когато ъглите на водородните връзки във водната молекула се променят и се образуват кристални системи, които са различни от хексагоналните. Такива условия наподобяват тези в космоса и не се срещат на Земята.
В природата ледът е представен главно от една кристална разновидност, кристализираща в шестоъгълна решетка, напомняща структурата на диаманта, където всяка водна молекула е заобиколена от четирите най-близки молекули, разположени на еднакво разстояние от нея, равно на 2,76 ангстрьома и разположени във върховете на правилен тетраедър. Поради ниското координационно число структурата на леда е мрежеста, което се отразява на ниската му плътност, възлизаща на 0,931 g/cm 3 .
Най-необичайното свойство на леда е неговото невероятно разнообразие от външни прояви. С една и съща кристална структура може да изглежда напълно различно, приемайки формата на прозрачни градушки и ледени висулки, люспи от пухкав сняг, плътна лъскава кора от лед или гигантски ледникови маси. Ледът се среща в природата под формата на континентален, плаващ и подземен лед, както и под формата на сняг и скреж. Разпространен е във всички области на човешкото обитаване. Отивам до големи количества, снегът и ледът образуват специални структури със свойства, фундаментално различни от тези на отделните кристали или снежинки. Естественият лед се образува главно от лед от седиментно-метаморфен произход, образуван от твърди атмосферни валежи в резултат на последващо уплътняване и рекристализация. Характерна особеност на естествения лед е зърнистостта и ивиците. Зърнистостта се дължи на процеси на рекристализация; всяко зърно ледников леде кристал неправилна форма, плътно долепени до други кристали в ледената маса по такъв начин, че издатините на един кристал да пасват плътно във вдлъбнатините на друг. Този вид лед се нарича поликристален. В него всеки леден кристал е слой от най-тънките листа, припокриващи се едно върху друго в базалната равнина, перпендикулярна на посоката на оптичната ос на кристала.
Общите запаси от лед на Земята се оценяват на около 30 милиона. км 3(Маса 1). Най-много лед е концентриран в Антарктика, където дебелината на слоя му достига 4 км.Има и доказателства за наличието на лед на планетите от Слънчевата система и в кометите. Ледът е толкова важен за климата на нашата планета и местообитанието на живите същества на нея, че учените са определили специална среда за леда - криосферата, чиито граници се простират високо в атмосферата и дълбоко в земната кора.
Таблица 1. Количество, разпространение и живот на леда.
- Вид лед; тегло; Разпределителна зона; Средна концентрация, g/cm2; Скорост на наддаване на тегло, g/година; Средна продължителност на живота, година
- G; %; милиона km2; %
- ледници; 2,4·1022; 98,95; 16.1; 10,9 суши; 1,48·105; 2,5·1018; 9580
- Подземен лед; 2·1020; 0,83; 21; 14.1 суши; 9,52·103; 6·1018; 30-75
- Морски лед; 3,5·1019; 0,14; 26; 7.2 океани; 1,34·102; 3,3·1019; 1.05
- Снежна покривка; 1,0·1019; 0,04; 72,4; 14.2 Земя; 14,5; 2·1019; 0,3-0,5
- айсберги; 7,6·1018; 0,03; 63,5; 18.7 океан; 14.3; 1,9·1018; 4.07
- Атмосферен лед; 1,7·1018; 0,01; 510.1; 100 Земя; 3,3·10-1; 3,9·1020; 4·10-3
Ледените кристали са уникални по своята форма и пропорции. Всеки растящ естествен кристал, включително леден кристал, винаги се стреми да създаде идеална правилна кристална решетка, тъй като това е полезно от гледна точка на минималната вътрешна енергия. Всички примеси, както е известно, изкривяват формата на кристала, следователно, когато водата кристализира, водните молекули първо се вграждат в решетката и чуждите атоми и молекулите на примесите се изтласкват в течността. И едва когато примесите няма къде да отидат, леденият кристал започва да ги интегрира в структурата си или ги оставя под формата на кухи капсули с концентрирана незамръзваща течност - саламура. Следователно морският лед е свеж и дори най-мръсните водни тела са покрити с прозрачни и чист лед. Когато ледът се топи, той измества примесите в саламура. В планетарен мащаб явлението замръзване и размразяване на водата, заедно с изпарението и кондензацията на водата, играе ролята на гигантски пречистващ процес, при който водата на Земята постоянно се пречиства.
Таблица 2. Някои физични свойства на леда I.
Имот
Значение
Забележка
Топлинна мощност, cal/(g °C) Топлина на топене, cal/g Топлина на изпаряване, cal/g
0,51 (0 °C) 79,69 677
Намалява значително с понижаване на температурата
Коефициент на термично разширение, 1/°C
9,1 10-5 (0 °C)
Поликристален лед
Топлопроводимост, cal/(cm sec °C)
4,99 10 –3
Поликристален лед
Индекс на пречупване:
1,309 (-3 °C)
Поликристален лед
Специфична електрическа проводимост, ohm-1 cm-1
10-9 (0 °C)
Привидна енергия на активиране 11 kcal/mol
Повърхностна електрическа проводимост, ohm-1
10-10 (-11°C)
Привидна енергия на активиране 32 kcal/mol
Модул на еластичност на Юнг, dyn/cm2
9 1010 (-5 °C)
Поликристален лед
Съпротивление, MN/m2: смачкване, разкъсване, срязване
2,5 1,11 0,57
Поликристален лед Поликристален лед Поликристален лед
Динамичен вискозитет, баланс
Поликристален лед
Енергия на активиране по време на деформация и механична релаксация, kcal/mol
Увеличава се линейно с 0,0361 kcal/(mol °C) от 0 до 273,16 K
Забележка: 1 кал/(g °C)=4,186 kJ/(kg K); 1 ом -1 cm -1 =100 sim/m; 1 дин = 10 -5 N ; 1 N = 1 kg m/s²; 1 дин/cm=10 -7 N/m; 1 cal/(cm·sec°C)=418,68 W/(m·K); 1 поаз = g/cm s = 10 -1 N sec/m 2 .
Поради широкото разпространение на леда на Земята, разликата физични свойствалед (Таблица 2) от свойствата на други вещества играе важна роля в много природни процеси. Ледът има много други животоподдържащи свойства и аномалии – аномалии в плътност, налягане, обем, топлопроводимост. Ако нямаше водородни връзки, държащи водните молекули заедно в кристал, ледът щеше да се стопи при –90 °C. Но това не се случва поради наличието на водородни връзки между водните молекули. Поради по-ниската си плътност от водата, ледът образува плаващо покритие на повърхността на водата, което предпазва реките и резервоарите от замръзване на дъното, тъй като неговата топлопроводимост е много по-ниска от тази на водата. В този случай най-ниската плътност и обем се наблюдават при +3,98 °C (фиг. 1). По-нататъшното охлаждане на водата до 0 0 C постепенно води не до намаляване, а до увеличаване на нейния обем с почти 10%, когато водата се превръща в лед. Това поведение на водата показва едновременното съществуване на две равновесни фази във водата - течна и квазикристална, по аналогия с квазикристалите, чиято кристална решетка не само има периодична структура, но и има оси на симетрия от различен порядък, съществуването на които преди това противоречи на представите на кристалографите. Тази теория, представена за първи път от известния руски физик теоретик Я. И. Френкел, се основава на предположението, че някои от течните молекули образуват квазикристална структура, докато останалите молекули са газообразни, свободно движещи се в целия обем. Разпределението на молекулите в малка близост до всяка фиксирана водна молекула има определен ред, донякъде напомнящ кристален, макар и по-свободен. Поради тази причина структурата на водата понякога се нарича квазикристална или кристалоподобна, т.е. притежаваща симетрия и подреденост в относителна позицияатоми или молекули.
Ориз. 1. Зависимост на специфичния обем лед и вода от температурата
Друго свойство е, че скоростта на ледения поток е право пропорционална на енергията на активиране и обратно пропорционална на абсолютната температура, така че с намаляване на температурата ледът се доближава до абсолютно твърдо тяло по своите свойства. Средно при температури, близки до топенето, течливостта на леда е 10 6 пъти по-висока от тази на скалите. Поради своята течливост ледът не се натрупва на едно място, а постоянно се движи под формата на ледници. Връзката между скоростта на потока и напрежението за поликристален лед е хиперболична; когато се описва приблизително с уравнение на мощността, експонентата нараства с увеличаване на напрежението.
Видимата светлина практически не се абсорбира от леда, тъй като светлинните лъчи преминават през ледения кристал, но блокира ултравиолетовото лъчение и по-голямата част от инфрачервеното лъчение от Слънцето. В тези области на спектъра ледът изглежда напълно черен, тъй като коефициентът на поглъщане на светлината в тези области на спектъра е много висок. За разлика от ледените кристали, Бяла светлинападането върху сняг не се абсорбира, а се пречупва многократно в ледените кристали и се отразява от лицата им. Ето защо снегът изглежда бял.
Поради много високата отразяваща способност на леда (0,45) и снега (до 0,95), покритата от тях площ е средно около 72 милиона км годишно. км 2във високи и средни географски ширини на двете полукълба - получава слънчева топлина с 65% по-малко от нормалното и е мощен източник на охлаждане земната повърхност, което до голяма степен определя съвременната географска ширина на климатичната зоналност. През лятото в полярните региони слънчевата радиация е по-голяма, отколкото в екваториалната зона, но температурата остава ниска, тъй като значителна част от абсорбираната топлина се изразходва за топене на лед, който има много висока топлина на топене.
Други необичайни свойства на леда включват генерирането на електромагнитно излъчване от нарастващите кристали. Известно е, че повечето разтворени примеси във водата не се прехвърлят в леда, когато той започне да расте; те са замразени. Следователно, дори и върху най-мръсната локва, леденият филм е чист и прозрачен. В този случай примесите се натрупват на границата на твърди и течни среди под формата на два слоя електрически заряди с различни знаци, които причиняват значителна разлика в потенциалите. Зареденият слой от примеси се движи заедно с долната граница на младия лед и излъчва електромагнитни вълни. Благодарение на това процесът на кристализация може да се наблюдава в детайли. По този начин кристалът, който расте по дължина под формата на игла, излъчва различно от този, покрит със странични израстъци, а излъчването на растящите зърна се различава от това, което се получава, когато кристалите се напукат. По формата, последователността, честотата и амплитудата на радиационните импулси може да се определи с каква скорост замръзва ледът и каква ледена структура се образува.
Но най-удивителното в структурата на леда е, че водните молекули при ниски температури и високо налягане вътре въглеродни нанотръбимогат да кристализират под формата на двойна спирала, напомняща ДНК молекули. Това доказаха скорошни компютърни експерименти на американски учени, ръководени от Xiao Cheng Zeng от Университета на Небраска (САЩ). За да може водата да образува спирала в симулиран експеримент, тя беше поставена в нанотръби с диаметър от 1,35 до 1,90 nm под високо налягане, вариращо от 10 до 40 000 атмосфери и температура от –23 °C. Очакваше се да се види, че водата във всички случаи образува тънка тръбна структура. Моделът обаче показа, че при диаметър на нанотръбата от 1,35 nm и външно налягане от 40 000 атмосфери, водородните връзки в структурата на леда са огънати, което е довело до образуването на спирала с двойна стена – вътрешна и външна. При тези условия вътрешната стена се оказва усукана в четворна спирала, а външната се състои от четири двойни спирали, подобни на ДНК молекула (фиг. 2). Този факт може да послужи като потвърждение за връзката между структурата на жизненоважната ДНК молекула и структурата на самата вода и че водата е служила като матрица за синтеза на ДНК молекули.
Ориз. 2. Компютърен модел на структурата на замръзнала вода в нанотръби, напомнящ на ДНК молекула (Снимка от списание New Scientist, 2006 г.)
Друго от най-важните свойства на водата, открито и изследвано в напоследък, е, че водата има способността да запомня информация за минали въздействия. Това е доказано за първи път от японския изследовател Масару Емото и нашия сънародник Станислав Зенин, който е един от първите, които предлагат клъстерна теория за структурата на водата, състояща се от циклични асоциати на обемна полиедрична структура - клъстери обща формула(H 2 O) n, където n, според последните данни, може да достигне стотици и дори хиляди единици. Благодарение на наличието на клъстери във водата водата има информационни свойства. Изследователите заснеха процесите на замразяване на водата в ледени микрокристали, въздействайки й с различни електромагнитни и акустични полета, мелодии, молитви, думи или мисли. Оказало се, че под въздействието на положителна информация под формата на красиви мелодии и думи, ледът се втвърдил в симетрични шестоъгълни кристали. Там, където звучеше необичайна музика и гневни и обидни думи, водата, напротив, замръзна в хаотични и безформени кристали. Това е доказателство, че водата има специална структура, чувствителна към външни информационни влияния. Предполага се, че човешкият мозък, състоящ се от 85-90% вода, има силен структуриращ ефект върху водата.
Кристалите Емото предизвикват както интерес, така и недостатъчно обоснована критика. Ако ги разгледате внимателно, можете да видите, че структурата им се състои от шест върха. Но още по-внимателен анализ показва, че снежинките през зимата имат същата структура, винаги симетрична и с шест върха. До каква степен кристализираните структури съдържат информация за средата, в която са създадени? Структурата на снежинките може да бъде красива или безформена. Това показва, че контролната проба (облак в атмосферата), където произхождат, има същото влияние върху тях като първоначалните условия. Първоначалните условия са слънчева активност, температура, геофизични полета, влажност и пр. Всичко това означава, че от т.нар. среден ансамбъл, можем да заключим, че структурата на водните капки и след това на снежинките е приблизително еднаква. Масата им е почти еднаква и те се движат през атмосферата с еднаква скорост. В атмосферата те продължават да формират своите структури и да увеличават обема си. Дори да са формирани в различни частиоблаци, в една група винаги има определен брой снежинки, възникнали при почти еднакви условия. А отговорът на въпроса какво е положителна и отрицателна информация за снежинките ще намерите в Емото. В лабораторни условия негативната информация (земетресение, неблагоприятни за човека звукови вибрации и др.) не образува кристали, а позитивната информация, точно обратното. Много е интересно до каква степен един фактор може да формира еднакви или подобни структури на снежинките. Най-високата плътност на водата се наблюдава при температура 4 °C. Научно доказано е, че плътността на водата намалява, когато започнат да се образуват шестоъгълни ледени кристали, когато температурата падне под нулата. Това е резултат от водородни връзки между водните молекули.
Каква е причината за това структуриране? Кристалите представляват твърди вещества, и техните съставни атоми, молекули или йони са подредени в правилна, повтаряща се структура в три пространствени измерения. Структурата на водните кристали е малко по-различна. Според Айзък само 10% от водородните връзки в леда са ковалентни, т.е. с доста стабилна информация. Водородните връзки между кислорода на една водна молекула и водорода на друга са най-чувствителни към външни влияния. Спектърът на водата при изграждането на кристали е относително различен във времето. Според ефекта на дискретно изпарение на водна капка, доказан от Антонов и Юскеселиев и неговата зависимост от енергийни състоянияводородни връзки, можем да потърсим отговор за кристалното структуриране. Всяка част от спектъра зависи от повърхностното напрежение на водните капки. В спектъра има шест пика, които показват разклоненията на снежинката.
Ясно е, че в експериментите на Емото първоначалната "контролна" проба влияе върху външния вид на кристалите. Това означава, че след излагане на определен фактор може да се очаква образуването на подобни кристали. Почти невъзможно е да се получат идентични кристали. Когато тества ефекта на думата "любов" върху водата, Емото не посочва ясно дали експериментът е извършен с различни проби.
Необходими са двойно-слепи експерименти, за да се провери дали техниката Emoto е достатъчно диференцирана. Доказателството на Айзък, че 10% от водните молекули образуват ковалентни връзки след замръзване, ни показва, че водата използва тази информация, когато замръзне. Постижението на Емото, дори и без двойно слепи експерименти, остава доста важно по отношение на информационните свойства на водата.
Естествена снежинка, Уилсън Бентли, 1925 г
Емото снежинка, получена от естествена вода
Едната снежинка е естествена, а другата е създадена от Емото, което показва, че разнообразието във водния спектър не е безгранично.
Земетресение, София, 4,0 по скалата на Рихтер, 15 ноември 2008 г.
д-р Игнатов, 2008©, Проф. Устройство на Антонов©
Тази цифра показва разликата между контролната проба и тези, взети в други дни. Водните молекули разрушават най-енергичните водородни връзки във водата, както и два пика в спектъра по време на природен феномен. Изследването е извършено с апарат Антонов. Биофизичният резултат показва понижение на жизнения тонус на организма при земетресение. По време на земетресение водата не може да промени структурата си в снежинките в лабораторията на Емото. Има доказателства за промени в електрическата проводимост на водата по време на земетресение.
През 1963 г. танзанийският ученик Ерасто Мпемба отбелязва това топла водазамръзва по-бързо от студа. Това явление се нарича ефект на Мпемба. Въпреки че уникалното свойство на водата е забелязано много по-рано от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт. Феноменът е многократно доказван от редица независими експерименти. Водата има още едно странно свойство. Според мен обяснението за това е следното: диференциалният неравновесен енергиен спектър (DNES) на преварената вода има по-ниска средна енергия на водородните връзки между водните молекули, отколкото тази на проба, взета при стайна температура.Това означава, че преварената вода се нуждае по-малко енергия, за да започнат да структурират кристалите и да замръзнат.
Ключът към структурата на леда и неговите свойства се крие в структурата на неговия кристал. Кристалите на всички модификации на лед са изградени от водни молекули H 2 O, свързани чрез водородни връзки в триизмерни мрежести рамки със специфично разположение на водородни връзки. Една водна молекула може просто да си представим като тетраедър (пирамида с триъгълна основа). В центъра му има кислороден атом, който е в състояние на sp 3 хибридизация, а в два върха има водороден атом, един от чийто 1s електрони участва в образуването на ковалентен H-O връзкас кислород. Двата останали върха са заети от двойки несдвоени кислородни електрони, които не участват в образуването на вътрешномолекулни връзки, така че се наричат самотни. Пространствената форма на молекулата на H 2 O се обяснява с взаимното отблъскване на водородните атоми и несподелените електронни двойки на централния кислороден атом.
Водородното свързване е важно в химията на междумолекулните взаимодействия и се причинява от слаби електростатични сили и донорно-акцепторни взаимодействия. Това се случва, когато водородният атом с електрон-дефицит на една водна молекула взаимодейства с несподелената електронна двойка на кислородния атом на съседна водна молекула (O-H...O). Отличителна черта на водородната връзка е нейната относително ниска якост; тя е 5-10 пъти по-слаба от химичната ковалентна връзка. По отношение на енергията водородната връзка заема междинна позиция между химическа връзкаи взаимодействия на Ван дер Ваалс, които задържат молекули в твърда или течна фаза. Всяка водна молекула в леден кристал може едновременно да образува четири водородни връзки с други съседни молекули под строго определени ъгли, равни на 109°47", насочени към върховете на тетраедъра, които не позволяват създаването на плътна структура при замръзване на водата ( Фигура 3) В ледените структури I, Ic, VII и VIII този тетраедър е правилен В ледените структури II, III, V и VI тетраедрите са забележимо изкривени В ледените структури VI, VII и VIII две пресичащи се системи на водородни връзки могат да бъдат разграничени.Тази невидима рамка от водородни връзки подрежда водните молекули под формата на мрежеста мрежа, чиято структура прилича на шестоъгълна пчелна пита с кухи вътрешни канали.Ако ледът се нагрее, структурата на мрежата се разрушава: водните молекули започват да падат в кухините на мрежата, което води до по-плътна течна структура - това обяснява защо водата е по-тежка от леда.
Ориз. 3. Образуване на водородна връзка между четири молекули H2O (червените топки представляват централни кислородни атоми, белите топки представляват водородни атоми)
Специфичността на водородните връзки и междумолекулните взаимодействия, характерни за структурата на леда, се запазва в стопената вода, тъй като когато леден кристал се топи, само 15% от всички водородни връзки се унищожават. Следователно връзката между всяка водна молекула и четири съседни молекули, присъщи на леда („късообхватен ред“) не се нарушава, въпреки че се наблюдава по-голямо размиване на решетката на кислородната рамка. Водородните връзки могат да се поддържат и когато водата кипи. Само във водната пара няма водородни връзки.
Ледът, който се образува при атмосферно налягане и се топи при 0 °C, е най-често срещаното, но все още не напълно разбрано вещество. Много в неговата структура и свойства изглежда необичайно. В местата на кристалната решетка на леда кислородните атоми на тетраедрите на водните молекули са подредени по подреден начин, образувайки правилни шестоъгълници, като шестоъгълна пчелна пита, а водородните атоми заемат различни позиции във водородните връзки, свързващи кислородни атоми (фиг. 4). Следователно са възможни шест еквивалентни ориентации на водните молекули спрямо техните съседи. Някои от тях са изключени, тъй като присъствието на два протона едновременно на една и съща водородна връзка е малко вероятно, но остава достатъчна несигурност в ориентацията на водните молекули. Това поведение на атомите е нетипично, тъй като в твърдо вещество всички атоми се подчиняват на един и същ закон: или атомите са подредени по подреден начин и тогава това е кристал, или произволно, и тогава това е аморфно вещество. Такава необичайна структура може да се реализира в повечето модификации на лед - Ih, III, V, VI и VII (и очевидно в Ic) (Таблица 3), а в структурата на лед II, VIII и IX водните молекули са ориентационно подредени . Според J. Bernal ледът е кристален по отношение на кислородните атоми и стъкловиден по отношение на водородните атоми.
Ориз. 4. Ледена структура с естествена шестоъгълна конфигурация I h
При други условия, например в Космоса при високи налягания и ниски температури, ледът кристализира по различен начин, образувайки други кристални решетки и модификации (кубични, тригонални, тетрагонални, моноклинни и др.), всяка от които има своя структура и кристална решетка (табл. 3 ). Структурите на лед от различни модификации са изчислени от руски изследователи Dr. Г.Г. Маленков и д-р по физика и математика. Е.А. Желиговская от Института по физикохимия и електрохимия на името на. А.Н. Фрумкина Руска академиянауки. Ледовете от модификации II, III и V се запазват дълго време при атмосферно налягане, ако температурата не надвишава -170 ° C (фиг. 5). Когато се охлади до приблизително -150 °C, естественият лед се превръща в кубичен лед Ic, състоящ се от кубчета и октаедри с размери няколко нанометра. Лед I c понякога се появява, когато водата замръзва в капилярите, което очевидно се улеснява от взаимодействието на водата с материала на стената и повторението на нейната структура. Ако температурата е малко по-висока от -110 0 C, върху металната подложка се образуват кристали от по-плътен и по-тежък стъкловиден аморфен лед с плътност 0,93 g/cm 3 . И двете форми на лед могат спонтанно да се трансформират в шестоъгълен лед и колкото по-бързо, толкова по-висока е температурата.
Таблица 3. Някои модификации на лед и техните физически параметри.
Модификация
Кристална структура
Дължини на водородните връзки, Å
Ъгли H-O-Nв тетраедри, 0
Шестоъгълна
Кубичен
Тригонална
Тетрагонален
Моноклинна
Тетрагонален
Кубичен
Кубичен
Тетрагонален
Забележка. 1 Å = 10 -10 m
Ориз. 5. Диаграма на състоянието на кристален лед с различни модификации.
Има и ледове с високо налягане - II и III тригонални и тетрагонални модификации, образувани от кухи пчелни пити, образувани от шестоъгълни гофрирани елементи, изместени един спрямо друг с една трета (фиг. 6 и фиг. 7). Тези ледове се стабилизират в присъствието на благородните газове хелий и аргон. В структурата на лед V моноклинна модификация, ъглите между съседните кислородни атоми варират от 86 0 до 132 °, което е много различно от ъгъла на връзката във водна молекула, който е 105 ° 47 '. Ледът VI на тетрагоналната модификация се състои от две рамки, вмъкнати една в друга, между които няма водородни връзки, което води до образуването на плътно центрирана кристална решетка (фиг. 8). Структурата на лед VI се основава на хексамери - блокове от шест водни молекули. Тяхната конфигурация точно повтаря структурата на стабилен воден клъстер, който е даден чрез изчисления. Лед VII и VIII от кубичната модификация, които са нискотемпературни подредени форми на лед VII, имат подобна структура с рамки от лед I, вмъкнати една в друга. При последващо повишаване на налягането разстоянието между кислородните атоми в кристалната решетка на ледовете VII и VIII ще намалее, в резултат на което се образува структурата на лед X, кислородните атоми в която са подредени в правилна решетка, а протоните са подредени.
Ориз. 7. Ice III конфигурация.
Лед XI се образува чрез дълбоко охлаждане на лед I h с добавяне на алкали под 72 К при нормално налягане. При тези условия се образуват хидроксилни кристални дефекти, което позволява на растящия леден кристал да промени структурата си. Ледът XI има орторомбична кристална решетка с подредено разположение на протоните и се образува едновременно в много кристализационни центрове близо до хидроксилните дефекти на кристала.
Ориз. 8. Ice VI конфигурация.
Сред ледовете има и метастабилни форми IV и XII, чийто живот е секунди и имат най-красивата структура (фиг. 9 и фиг. 10). За да се получи метастабилен лед, е необходимо да се компресира лед I h до налягане от 1,8 GPa при температура на течен азот. Тези ледове се образуват много по-лесно и са особено стабилни, ако преохладената тежка вода е подложена на налягане. Друга метастабилна модификация - лед IX се образува при преохлаждане лед IIIи по същество е неговата нискотемпературна форма.
Ориз. 9. Ice IV конфигурация.
Ориз. 10. Ice XII конфигурация.
Последните две модификации на лед - с моноклинна XIII и орторомбична конфигурация XIV - бяха открити от учени от Оксфорд (Великобритания) съвсем наскоро - през 2006 г. Предположението, че трябва да има ледени кристали с моноклинни и ромбични решетки, беше трудно да се потвърди: вискозитетът на водата при температура от -160 ° C е много висок и е трудно за молекулите на чиста преохладена вода да се съберат в такива количества. за образуване на кристално ядро. Това е постигнато с помощта на катализатор - солна киселина, която повишава подвижността на водните молекули при ниски температури. Такива модификации на лед не могат да се образуват на Земята, но могат да съществуват в Космоса върху охладени планети и замръзнали спътници и комети. Така изчисленията на плътността и топлинните потоци от повърхността на спътниците на Юпитер и Сатурн ни позволяват да твърдим, че Ганимед и Калисто трябва да имат ледена обвивка, в която се редуват ледове I, III, V и VI. На Титан ледовете образуват не кора, а мантия, чийто вътрешен слой се състои от лед VI, други ледове под високо налягане и клатратни хидрати, а отгоре е разположен лед I h.
Ориз. единадесет. Разнообразие и форма на снежинките в природата
Високо в земната атмосфера при ниски температури водата кристализира от тетраедри, образувайки шестоъгълен лед Ih. Центърът на образуване на ледени кристали са твърди прахови частици, които се издигат в горните слоеве на атмосферата от вятъра. Около този ембрионален микрокристал от лед в шест симетрични посоки растат игли, образувани от отделни водни молекули, върху които растат странични израстъци - дендрити. Температурата и влажността на въздуха около снежинката са еднакви, така че първоначално тя е със симетрична форма. Когато се образуват снежинките, те постепенно падат в ниските слоеве на атмосферата, където температурата е по-висока. Тук настъпва топене и идеалната им геометрична форма се изкривява, образувайки различни снежинки (фиг. 11).
При по-нататъшно топене хексагоналната структура на леда се разрушава и се образува смес от циклични асоциати на клъстери, както и три-, тетра-, пента-, хексамери на вода (фиг. 12) и свободни водни молекули. Изучаването на структурата на получените клъстери често е значително трудно, тъй като водата, според съвременните данни, е смес от различни неутрални клъстери (H 2 O) n и техните заредени клъстерни йони [H 2 O] + n и [H 2 O ] - n, които са в динамично равновесие помежду си с време на живот 10 -11 -10 -12 секунди.
Ориз. 12.Възможни водни клъстери (a-h) със състав (H 2 O) n, където n = 5-20.
Клъстерите могат да взаимодействат помежду си чрез изпъкнали навън повърхности на водородни връзки, образувайки по-сложни полиедрични структури като хексаедър, октаедър, икосаедър и додекаедър. По този начин структурата на водата се свързва с така наречените платонови тела (тетраедър, хексаедър, октаедър, икосаедър и додекаедър), кръстени на древногръцкия философ и геометър Платон, който ги открива, чиято форма се определя от златното сечение (фиг. 13).
Ориз. 13. Платонови тела, чиято геометрична форма се определя от златното сечение.
Броят на върховете (B), лицата (G) и ръбовете (P) във всеки пространствен полиедър се описва от връзката:
B + G = P + 2
Съотношението на броя на върховете (B) на правилния полиедър към броя на ръбовете (P) на едно от неговите лица е равно на съотношението на броя на лицата (G) на същия многостен към броя на ръбовете ( P), излизащ от един от върховете си. За тетраедър това съотношение е 4:3, за хексаедър (6 лица) и октаедър (8 лица) е 2:1, а за додекаедър (12 лица) и икосаедър (20 лица) е 4:1.
Структурите на полиедричните водни клъстери, изчислени от руски учени, бяха потвърдени с помощта на съвременни методианализ: спектроскопия с протонен магнитен резонанс, фемтосекундна лазерна спектроскопия, дифракция на рентгенови лъчи и неутрони върху водни кристали. Откриването на водните клъстери и способността на водата да съхранява информация са две от най-важните открития на 21-вото хилядолетие. Това ясно доказва, че природата се характеризира със симетрия под формата на точни геометрични форми и пропорции, характерни за ледените кристали.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Белянин В., Романова Е. Животът, водната молекула и златната пропорция // Наука и живот, 2004, том 10, № 3, с. 23-34.
2. Shumsky P.A., Основи на науката за структурния лед. - Москва, 1955b p. 113.
3. Мосин О.В., Игнатов И. Осъзнаване на водата като субстанция на живота. // Съзнание и физическа реалност. 2011, T 16, No. 12, p. 9-22.
4. Петрянов И. В. Най-необикновената субстанция в света, Москва, Педагогика, 1981, с. 51-53.
5 Eisenberg D, Kautsman V. Структура и свойства на водата. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1975, с. 431.
6. Кулски Л. А., Дал В. В., Ленчина Л. Г. Позната и загадъчна вода. – Киев, Родянбско училище, 1982, с. 62-64.
7. Зацепина Г. Н. Структура и свойства на водата. – Москва, изд. Московски държавен университет, 1974, с. 125.
8. Антонченко В. Я., Давидов Н. С., Илин В. В. Основи на физиката на водата - Киев, Наукова думка, 1991, с. 167.
9. Simonite T. ДНК-подобен лед, "видян" във въглеродните нанотръби // New Scientist, V. 12, 2006.
10. Емото М. Послания на водата. Тайни кодове на ледени кристали. – София, 2006. с. 96.
11. Зенин С.В., Тяглов Б.В. Природата на хидрофобното взаимодействие. Появата на ориентировъчни полета във водни разтвори // Journal of Physical Chemistry, 1994, T. 68, No. 3, p. 500-503.
12. Pimentel J., McClellan O. Водородна връзка - Москва, Наука, 1964, стр. 84-85.
13. Бернал Дж., Фаулър Р. Структура на вода и йонни разтвори // Успехи на физическите науки, 1934, Т. 14, № 5, с. 587-644.
14. Khobza P., Zahradnik R. Междумолекулни комплекси: Ролята на ван дер Ваалсовите системи във физическата химия и биодисциплините. – Москва, Мир, 1989, с. 34-36.
15. Pounder E. R. Физика на леда, прев. от английски - Москва, 1967, с. 89.
16. Комаров С. М. Ледени модели на високо налягане. // Химия и живот, 2007, № 2, стр. 48-51.
17. Е. А. Желиговская, Г. Г. Маленков. Кристални ледове // Успехи на химията, 2006, № 75, с. 64.
18. Fletcher N. H. Химическата физика на леда, Cambreage, 1970.
19. Немухин А. В. Разнообразие на клъстери // Руски химически журнал, 1996, Т. 40, № 2, стр. 48-56.
20. Мосин О.В., Игнатов И. Структурата на водата и физическата реалност. // Съзнание и физическа реалност, 2011, Т. 16, № 9, с. 16-32.
21. Игнатов И. Биоенергетична медицина. Произход на живата материя, памет на водата, биорезонанс, биофизични полета. - ГаяЛибрис, София, 2006, с. 93.
