Видове кристални решетки. Кристални решетки В възлите на кристалната решетка на сух лед са

Химията е невероятна наука. Толкова много невероятно може да се намери в привидно обикновените неща.

Всичко материално, което ни заобикаля навсякъде, съществува в няколко агрегатни състояния: газове, течности и твърди вещества. Учените са изолирали и 4-та - плазма. При определена температура веществото може да премине от едно състояние в друго. Например вода: при нагряване над 100, от течна форма, тя се превръща в пара. При температури под 0 преминава в следващата агрегатна структура – лед.

Във връзка с

Целият материален свят има в състава си маса от еднакви частици, които са взаимосвързани. Тези най-малки елементи са строго подредени в пространството и образуват така наречената пространствена рамка.

Определение

Кристалната решетка е специална структура на твърдо вещество, в която частиците са в геометрично строг ред в пространството. В него е възможно да се открият възли - места, където се намират елементи: атоми, йони и молекули и междувъзли.

Твърди вещества, в зависимост от диапазона на високи и ниски температури, биват кристални или аморфни - характеризират се с липсата на специфична точка на топене. Когато са изложени на повишени температури, те омекват и постепенно преминават в течна форма. Такива вещества включват: смола, пластилин.

В тази връзка той може да бъде разделен на няколко вида:

атомен;
йонен;
молекулярно;
метални.

Но при различни температури едно вещество може да има различни форми и да проявява различни свойства. Това явление се нарича алотропна модификация.

Атомен тип

При този тип атомите на едно или друго вещество са разположени във възлите, които са свързани чрез ковалентни връзки. Този тип връзка се образува от двойка електрони от два съседни атома. Поради това те са свързани равномерно и в строг ред.

Веществата с атомна кристална решетка се характеризират със следните свойства: якост и висока точка на топене. Този тип връзка присъства в диамант, силиций и бор..

Йонен тип

Противоположно заредените йони са разположени във възлите, които създават електромагнитно поле, което характеризира физичните свойства на веществото. Те ще включват: електрическа проводимост, огнеупорност, плътност и твърдост. Трапезна сол и калиев нитрат се характеризират с наличието на йонна кристална решетка.

Не пропускайте: Механизъм на образованието, казуси.

Молекулярен тип

В места от този тип има йони, свързани помежду си от ван дер Ваалсови сили. Поради слабите междумолекулни връзки такива вещества, например лед, въглероден диоксид и парафин, се характеризират с пластичност, електрическа и топлопроводимост.

метален тип

По своята структура той прилича на молекулярна, но все пак има по-силни връзки. Разликата на този тип е, че в неговите възли са разположени положително заредени катиони. Електроните, които са в интерстициалното пространствопространство, участват в образуването на електрическо поле. Наричат се още електрически газ.

Простите метали и сплави се характеризират с тип метална решетка. Характеризират се с наличието на метален блясък, пластичност, топло- и електропроводимост. Те могат да се топят при различни температури.

О. В. Мосин, И. Игнатов (България)

анотация Значението на леда за поддържането на живота на нашата планета не може да бъде подценено. Ледът оказва голямо влияние върху условията на живот и живота на растенията и животните и върху различните видове стопанска дейност на човека. Покривайки водата, ледът, поради ниската си плътност, играе ролята на плаващ екран в природата, предпазвайки реките и водоемите от по-нататъшно замръзване и запазвайки живота на подводните обитатели. Използването на лед за различни цели (задържане на сняг, подреждане на ледени преходи и изотермични складове, полагане на лед на складови съоръжения и мини) е предмет на редица раздели на хидрометеорологичните и инженерните науки, като ледова технология, снежна технология, инженерство вечна замръзване, както и дейността на специалните служби за ледоразузнаване, ледоразбиващ транспорт и снегорини. Естественият лед се използва за съхранение и охлаждане на хранителни продукти, биологични и медицински препарати, за които е специално произведен и добит, а стопената вода, приготвена чрез топене на лед, се използва в народната медицина за повишаване на метаболизма и извеждане на токсините от организма. Статията запознава читателя с нови малко известни свойства и модификации на леда.

Ледът е кристална форма на вода, която според последните данни има четиринадесет структурни модификации. Сред тях има както кристални (естествен лед), така и аморфни (кубичен лед), и метастабилни модификации, които се различават една от друга по взаимното подреждане 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 при промяна на водната молекула и се образуват кристални системи, които са различни от хексагоналните. Такива условия напомнят на космическите условия и не се срещат на Земята.

В природата ледът е представен главно от една кристална разновидност, кристализираща в шестоъгълна решетка, наподобяваща диамантена структура, където всяка водна молекула е заобиколена от четири най-близки до нея молекули, разположени на същото разстояние от нея, равно на 2,76 ангстрьома и разположени на върховете на правилния тетраедър. Поради ниското координационно число, структурата на леда е мрежа, което се отразява на ниската му плътност, която е 0,931 g/cm 3 .

Най-необичайното свойство на леда е невероятното разнообразие от външни прояви. Със същата кристална структура той може да изглежда съвсем различно, като е под формата на прозрачни градушки и ледени висулки, пухкави снежни люспи, 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 слана. Той е широко разпространен във всички области на човешкото обитаване. Събирайки се в големи количества, сняг и лед образуват специални структури с фундаментално различни свойства от отделните кристали или снежинки. Естественият лед се образува предимно от лед от седиментно-метаморфен произход, образуван от твърди атмосферни валежи в резултат на последващо уплътняване и прекристализация. Характерна особеност на естествения лед е зърнестостта и ивици. Гранулярността се дължи на процеси на прекристализация; всяко зърно от ледников лед е кристал с неправилна форма, който тясно приляга към други кристали в ледената маса по такъв начин, че издатините на един кристал се вписват плътно във вдлъбнатините на друг. Такъв лед се нарича поликристален. В него всеки леден кристал представлява слой от най-тънките листа, припокриващи се един друг в базалната равнина, перпендикулярно на посоката на оптичната ос на кристала.

Общите запаси от лед на Земята се оценяват на около 30 милиона тона. км 3(Маса 1). По-голямата част от леда е съсредоточена в Антарктида, 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 за обитаването на живи същества върху нея, че учените са определили специална среда за леда - криосферата, чиито граници се простират високо в атмосферата и дълбоко в земната кора.

Раздел. един. Количество, разпределение и живот на леда.

Вид лед; Тегло; Зона на разпространение; Средна концентрация, g/cm2; Скорост на наддаване на тегло, g/година; Средно време на живот, 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 минимума на вътрешната му енергия. Всички примеси, както е известно, изкривяват формата на кристала, следователно, по време на кристализацията на водата, водните молекули се вграждат преди всичко в решетката, а чужди атоми и молекули на примеси се изместват в течността. И едва когато примесите няма къде да отидат, леденият кристал започва да ги вгражда в структурата си или ги оставя под формата на кухи капсули с концентрирана незамръзваща течност – саламура. Следователно морският лед е пресен и дори най-мръсните водни тела са покрити с прозрачен и чист лед. Когато ледът се разтопи, той измества примесите в саламурата. В планетарен мащаб явлението замръзване и размразяване на водата, заедно с изпаряването и кондензацията на водата, играе ролята на гигантски процес на пречистване, при който водата на Земята непрекъснато се пречиства.

Раздел. 2. Някои физически свойства на леда I.

Имот

смисъл

Забележка

Топлинен капацитет, cal/(g °C) Топлина на топене, cal/g Топлина на изпаряване, cal/g

0,51 (0°С) 79,69 677

Намалява силно с понижаване на температурата

Коефициент на топлинно разширение, 1/°C

9,1 10-5 (0°C)

Поликристален лед

Топлопроводимост, кал/(см сек °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 електропроводимост, ом-1

10-10 (-11°C)

Привидна енергия на активиране 32 kcal/mol

Модул на еластичност на Янг, дин/см2

9 1010 (-5 °C)

Поликристален лед

Съпротивление, MN/m2: срязване на разкъсване

2,5 1,11 0,57

поликристален лед поликристален лед поликристален лед

Динамичен вискозитет, уравновесеност

Поликристален лед

Енергия на активиране при 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 ohm -1 cm -1 = 100 sim / m; 1 дин = 10 -5 N ; 1 N = 1 kg m/s²; 1 дин/см=10 -7 N/m; 1 cal / (cm sec ° C) = 418,68 W / (m K); 1 поаз = g / cm s = 10 -1 N сек / m 2.

Поради широкото разпространение на леда на Земята, разликата във физическите свойства на леда (Таблица 2) от свойствата на други вещества играе важна роля в много природни процеси. Ледът има много други животоподдържащи свойства и аномалии – аномалии в плътността, налягането, обема и топлопроводимостта. Ако нямаше водородни връзки, свързващи водните молекули в кристал, ледът би се стопил при -90 °C. Но това не се случва поради наличието на водородни връзки между водните молекули. Поради по-ниската си плътност от тази на водата, ледът образува плаваща покривка на повърхността на водата, която предпазва реките и водоемите от замръзване на дъното, тъй като топлопроводимостта му е много по-малка от тази на водата. В същото време най-ниска плътност и обем се наблюдават при +3,98 °C (фиг. 1). По-нататъшното охлаждане на водата до 0 0 С постепенно води не до намаляване, а до увеличаване на обема й 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 има и оси на симетрия от различен порядък, съществуването на които преди това противоречи на идеите на кристалографите. Тази теория, изложена за първи път от известния местен физик-теоретик Я. И. Френкел, се основава на предположението, че някои от течните молекули образуват квазикристална структура, докато останалите молекули са газоподобни, свободно движейки се през обема. Разпределението на молекулите в малък квартал на 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 кристална, тоест имаща симетрия и наличие на ред във взаимното подреждане на атомите или молекулите.

Ориз. един. Зависимостта на специфичния обем лед и вода от температурата

Друго свойство е, че скоростта на потока на леда е право пропорционална на енергията на активиране и обратно пропорционална на абсолютната температура, така че с понижаването на температурата ледът се доближава по своите свойства до абсолютно твърдо тяло. Средно при температура, близка до топене, течливостта на леда е 10 6 пъти по-висока от тази на скалите. Поради своята течливост ледът не се натрупва на едно място, а непрекъснато се движи под формата на ледници. Връзката между скоростта на потока и напрежението в поликристален лед е хиперболична; с приблизителното му описание чрез уравнение на мощността, степента се увеличава 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 абсолютно черен, тъй като коефициентът на поглъщане на светлината в тези области на спектъра е много висок. За разлика от ледените кристали, бялата светлина, падаща 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 отражателна способност на леда (0,45) и снега (до 0,95), покритата от тях площ е средно около 72 милиона хектара годишно. км 2във високите и средните ширини на двете полукълба получава слънчева топлина с 65% по-малко от нормата и е мощен източник на охлаждане на земната повърхност, което до голяма степен определя съвременната географска ширина на климатичната зоналност. През лятото в полярните райони слънчевата радиация е по-голяма, отколкото в екваториалния пояс, въпреки това температурата остава ниска, тъй като значителна част от погълнатата 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 му кристали. Известно е, че повечето от примесите, разтворени във вода, не се пренасят в леда, когато той започне да расте; те замръзват. Следователно, дори и на най-мръсната локва, леденият филм е чист и прозрачен. В този случай примесите се натрупват на границата на твърда и течна среда, под формата на два слоя електрически заряди с различни знаци, които причиняват значителна потенциална разлика. 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, растящият по дължина кристал под формата на игла излъчва различно от този, покрит със странични израстъци, а излъчването на растящите зърна се различава от това, което се получава при напукване на кристалите. От формата, последователността, честотата и амплитудата на радиационните импулси може да се определи колко бързо замръзва ледът и каква ледена структура се образува.

Но най-изненадващото нещо в структурата на леда е, че водните молекули при ниски температури и високо налягане във въглеродните нанотръби могат да кристализират във форма на двойна спирала, напомняща молекули на ДНК. Това е доказано от скорошни компютърни експерименти на американски учени, ръководени от Сяо Ченг Дзенг от Университета на Небраска (САЩ). За да може водата да образува спирала в симулиран експеримент, тя е поставена в нанотръби с диаметър от 1,35 до 1,90 nm под високо налягане, вариращо от 10 до 40 000 атмосфери, и е зададена 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 се огъват, което води 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 жизнено важната 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 замразена вода в нанотръби, наподобяваща ДНК молекула (Снимка от New Scientist, 2006 г.)

Друго от най-важните свойства на водата, открити наскоро, е, че водата има способността да запомня информация за минали експозиции. Това беше доказано за първи път от японския изследовател Масару Емото и нашия сънародник Станислав Зенин, който беше един от първите, които предложиха клъстерна теория за структурата на водата, състояща се от циклични асоциати на обемна полиедрална структура - клъстери с общата формула (H 2 O) n, където n, според последните данни, може да достигне стотици и дори хиляди единици. Поради наличието на клъстери във водата водата има информационни свойства. Изследователите заснеха процесите на замръзване на водата в ледени микрокристали, въздействайки върху нея с различни електромагнитни и акустични полета, мелодии, молитва, думи или мисли. Оказа се, че под въздействието на положителна информация под формата на красиви мелодии и думи, ледът замръзва в симетрични шестоъгълни кристали. Там, където звучеше неритмична музика, гневни и обидни думи, водата, напротив, замръзваше в хаотични и безформени кристали. Това е доказателство, че водата има специална структура, която е чувствителна към външни информационни влияния. Предполага се, че човешкият мозък, който се състои 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-внимателният анализ показва, че снежинките през зимата имат една и съща 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 се срещат, има същия ефект върху тях като първоначалните условия. Изходните 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, а след това и на снежинките, е приблизително еднаква. Масата им е почти еднаква и те се движат в атмосферата с подобна скорост. В атмосферата те продължават да оформят своите структури и да увеличават обема си. Дори и да са се образували в различни части на облака, винаги има определен брой снежинки в една и съща група, възникнали при почти едни и същи условия. А отговорът на въпроса какво представлява положителната и негативната информация за снежинките може да намерите в Емото. В лабораторни условия негативната информация (земетресение, неблагоприятни за човека звукови вибрации и др.) не образува кристали, а положителна информация, точно обратното. Много е интересно до каква степен един фактор може да образува еднакви или подобни структури на снежинките. Най-висока плътност на водата се наблюдава при температура от 4 °C. Научно е доказано, че плътността на водата намалява, когато започват да се образуват шестоъгълни ледени кристали, когато температурата падне под нулата. Това е резултат от действието на водородните връзки между водните молекули.

Каква е причината за това структуриране? Кристалите са твърди тела и съставните им атоми, молекули или йони са подредени в правилна, повтаряща се структура, в три пространствени измерения. Структурата на водните кристали е малко по-различна. Според Исак 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 по време на образуването на кристали е относително различен във времето. Според доказания от Антонов и Юскеселиев ефект на дискретно изпаряване на водна капка и зависимостта му от енергийните състояния на водородните връзки, можем да търсим отговор за структурирането на кристалите. Всяка част от спектъра зависи от повърхностното напрежение на водните капчици. В спектъра има шест пика, които показват разклоненията на снежинката.

Очевидно в експериментите на Емото първоначалната "контролна" проба оказва влияние върху външния вид на кристалите. Това означава, че след излагане на определен фактор може да се очаква образуването на такива кристали. Почти невъзможно е да се получат идентични кристали. Когато тества ефекта на думата "любов" върху водата, Емото не посочва ясно дали този експеримент е проведен с различни проби.

Необходими са двойно слепи експерименти, за да се провери дали техниката на Емото се диференцира достатъчно. Доказателството на Исак, че 10% от водните молекули образуват ковалентни връзки след замръзване ни показва, че водата използва тази информация, когато замръзва. 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 Emoto, 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. Устройството на Антонов ©

Тази цифра показва разликата между контролната проба и взетата през другите дни. Водните молекули разрушават най-енергичните водородни връзки във водата, както и два пика в спектъра по време на природен феномен. Изследването е проведено с помощта на апарата Антонов. Биофизичният резултат показва намаляване на жизнеността на организма по време на земетресение. По време на земетресение водата не може да промени структурата си в снежинките в лабораторията на Емото. Има доказателства за промяна в електрическата проводимост на водата по време на земетресение.

През 1963 г. танзанийският ученик Ерасто Мпемба забелязал, че горещата вода замръзва по-бързо от студената. Това явление се нарича ефект на Mpemba. Въпреки че уникалното свойство на водата е забелязано много по-рано от Аристотел, Франсис Бейкън и Рене Декарт. Феноменът е многократно доказан от редица независими експерименти. Водата има още едно странно свойство. Според мен обяснението за това е следното: диференциалният неравновесен енергиен спектър (DNES) на преварена вода има по-ниска средна енергия на водородните връзки между водните молекули, отколкото проба, взета при стайна температура Това означава, че преварената вода се нуждае от по-малко енергия в за да започнете да структурирате кристали и да замразите.

Ключът към структурата на леда и неговите свойства се крие в структурата на неговия кристал. Кристалите на всички модификации на леда са изградени от водни молекули H 2 O, свързани чрез водородни връзки в триизмерни мрежести рамки с определено подреждане на водородни връзки. Водната молекула може просто да се представи 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 1s електроните на който участва в образуването на ковалентна Н-О връзка с кислорода. Двата оставащи върха са заети от двойки несдвоени кислородни електрони, които не участват в образуването на вътрешномолекулни връзки, поради което се наричат самотни. Пространствената форма на молекулата H 2 O се обяснява с взаимното отблъскване на водородните атоми и самотните електронни двойки на централния кислороден атом.

Водородната връзка е важна в химията на междумолекулните взаимодействия и се задвижва от слаби електростатични сили и взаимодействия донор-акцептор. Това се случва, когато водородният атом с дефицит на електрони на една водна молекула взаимодейства с самотната електронна двойка на кислородния атом на съседната водна молекула (О-Н…О). Отличителна черта на водородната връзка е относително ниската якост; тя е 5-10 пъти по-слаба от химичната ковалентна връзка. По отношение на енергията, водородната връзка заема междинно положение между химическата връзка и взаимодействията на Ван дер Ваалс, които държат молекулите в твърда или течна фаза. Всяка водна молекула в леден кристал може едновременно да образува четири водородни връзки с други съседни молекули при строго определени ъгли, равни на 109 ° 47 ", насочени към върховете на тетраедъра, които не позволяват образуването на плътна структура, когато водата замръзне (фиг. . 3). В ледените структури I, Ic, VII и VIII този тетраедър е правилен. В структурите на лед II, III, V и VI тетраедрите са забележимо изкривени. В структурите на лед VI, VII и VIII два могат да се разграничат взаимно пресичащи се системи от водородни връзки.Тази невидима рамка от водородни връзки подрежда водните молекули под формата на решетка, структурата наподобяваща шестоъгълна пчелна пита с кухи вътрешни канали.Ако ледът се нагрее, структурата на мрежата се разрушава: вода молекулите започват да падат в кухините на решетката, което води до по-плътна структура на течността – това обяснява защо водата е по-тежка от леда.

Ориз. 3. Образуването на водородна връзка между четири молекули H 2 O (червените топки показват централни кислородни атоми, белите топки показват водородни атоми)

Спецификата на водородните връзки и междумолекулните взаимодействия, характерни за структурата на леда, се запазва в стопената вода, тъй като само 15% от всички водородни връзки се разрушават по време на топенето на леден кристал. Следователно връзката, присъща на леда между всяка водна молекула и четирите й съседи („порядък на къси разстояния“) не се нарушава, въпреки че решетката на кислородната рамка е по-дифузна. Водородните връзки могат да се задържат и при кипене на водата. Водородните връзки липсват само във водната пара.

Ледът, който се образува при атмосферно налягане и се топи при 0 ° C, е най-познатото, но все още не напълно разбрано вещество. Много в своята структура и свойства изглежда необичайно. В възлите 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 върху водородните връзки, свързващи кислородните атоми ( Фиг. 4). Следователно има шест еквивалентни ориентации на водните молекули спрямо техните съседи. Някои от тях са изключени, тъй като присъствието на два протона върху една и съща водородна връзка по едно и също време е малко вероятно, но остава достатъчна несигурност в ориентацията на водните молекули. Това поведение на атомите е нетипично, тъй като в твърда материя всички атоми се подчиняват на един и същ закон: или са атоми, подредени по подреден начин, и тогава това е кристал, или произволно, а след това е аморфно вещество. Такава необичайна структура може да се реализира в повечето модификации на леда - Ih, III, V, VI и VII (и, очевидно, в Ic) (Таблица 3), а в структурата на лед II, VIII и IX, водата молекулите са ориентационно подредени. Според Дж. Бернал ледът е кристален по отношение на кислородните атоми и стъкловиден по отношение на водородните атоми.

Ориз. 4. Структура на лед с естествена шестоъгълна конфигурация I h

При други условия, например в космоса при високо налягане 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 собствена структура и кристална решетка ( Таблица 3). ). Структурите на леда с различни модификации са изчислени от руски изследователи, доктор на химическите науки. G.G. Маленков и д.м.н. Е.А. Желиговская от Института по физикохимия и електрохимия. A.N. Фрумкин от Руската академия на науките. Ледните модификации II, III и V остават 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. Ice Ic понякога се появява и при замръзване на водата в капилярите, което очевидно се улеснява от взаимодействието на водата с материала на стената и повторението на неговата структура. Ако температурата е малко по-висока от -110 0 C, върху металния субстрат се образуват кристали от по-плътен и по-тежък стъклен 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.

Раздел. 3. Някои модификации на леда и техните физически параметри.

Модификация

Кристална структура

Дължини на водородната връзка, Å

H-O-H ъгли в тетраедри, 0

Шестоъгълна

кубичен

Тригонална

тетрагонална

Моноклиника

тетрагонална

кубичен

тетрагонална

Забележка. 1 Å = 10 -10 m

Ориз. 5. Диаграма на състоянието на кристалния лед с различни модификации.

Има и ледове с високо налягане - II и III на тригонални и тетрагонални модификации, образувани от кухи декари, 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 леда V на моноклинната модификация ъглите между съседните кислородни атоми варират от 860 до 132°, което е много различно от ъгъла на свързване във водната молекула, който е 105°47'. Лед VI на тетрагоналната модификация се състои от две вмъкнати една в друга рамки, между които няма водородни връзки, в резултат на което се образува телесноцентрирана 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, която е дадена от изчисленията. Ледовете VII и VIII от кубичната модификация, които са нискотемпературни подредени форми на лед VII, имат подобна структура с вмъкнати една в друга рамки от лед I. 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 леда X, в която кислородните атоми са подредени в правилна решетка и протоните са подредени.

Ориз. 7. Лед от III конфигурация.

Лед XI се образува чрез дълбоко охлаждане на лед I h с добавяне на алкали под 72 K при нормално налягане. При тези условия се образуват дефекти на хидроксилни кристали, което позволява на нарастващия леден кристал да промени структурата си. Ледът XI има ромбична кристална решетка с подредено подреждане на протони и се образува наведнъж в много кристализационни центрове близо до хидроксилните дефекти на кристала.

Ориз. осем. Ice VI конфигурация.

Сред ледовете има и метастабилни форми IV и XII, чиито времена на живот са секунди, които имат най-красива 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, когато преохладената тежка вода е подложена на натиск. Друга метастабилна модификация, лед IX, се образува при преохлаждане на лед III и по същество е неговата нискотемпературна форма.

Ориз. девет. Ice IV-конфигурация.

Ориз. десет. Конфигурация на лед XII.

Последните две модификации на леда - с моноклинна XIII и ромбична конфигурация XIV бяха открити от учени от Оксфорд (Великобритания) съвсем наскоро - през 2006 г. Предположението, че трябва да съществуват ледени кристали с моноклинни и ромбични решетки, е трудно за потвърждаване: вискозитетът на водата при температура от -160 ° C е много висок и е трудно молекулите на чиста преохладена вода да се съберат в такова количество че се образува кристално ядро. Това е постигнато с помощта на катализатор - солна киселина, която повишава подвижността на водните молекули при ниски температури. На Земята такива модификации на леда не могат да се образуват, но те могат да съществуват в космоса върху охладени планети и замръзнали спътници и комети. По този начин изчисляването на плътността и топлинните потоци от повърхността на спътниците на Юпитер и Сатурн ни позволява да твърдим, че Ганимед и Калисто трябва да имат ледена обвивка, в която се редуват ледове I, III, V и VI. При Титан ледът образува не кора, а мантия, чийто вътрешен слой се състои от лед VI, други ледове с високо налягане и клатратни хидрати, а лед I h е разположен отгоре.

Ориз. единадесет. Разнообразие и форма на снежинки в природата

Високо в земната атмосфера при ниски температури водата кристализира от тетраедри, образувайки шестоъгълен лед I h . 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. С образуването на снежинките те постепенно потъват в по-ниските слоеве на атмосферата, където температурите са по-високи. Тук настъпва топене и идеалната им геометрична форма се изкривява, образувайки разнообразни снежинки (фиг. 11).

При по-нататъшно топене се разрушава хексагоналната структура на леда и се образува смес от циклични асоциати на клъстери, както и от три-, тетра-, пента-, хексамери на вода (фиг. 12) и свободни водни молекули. Изучаването на структурата на получените клъстери често е значително трудно, тъй като според съвременните данни водата 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 между с живот от 10 -11 -10 -12 секунди.

Ориз. 12.Възможни водни клъстери (a-h) със състав (H 2 O) n, където n = 5-20.

Клъстерите са в състояние да взаимодействат помежду си поради изпъкналите лица на водородните връзки, образувайки по-сложни полиедрални 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), наречени на името на древногръцкия философ и геометър Платон, който ги е открил, 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 чрез отношението:

C + D = P + 2

Съотношението на броя на върховете (B) на правилен полиедър към броя на ръбовете (P) на една от неговите лица е равно на съотношението на броя на лицата (G) на същия многоедър към броя на ръбовете ( P) излиза от един от неговите върхове. За тетраедър това съотношение е 4:3, за хексаедър (6 лица) и октаедър (8 лица) - 2:1, а за додекаедър (12 лица) и икосаедър (20 лица) - 4:1.

Структурите на полиедричните водни клъстери, изчислени от руски учени, бяха потвърдени с помощта на съвременни методи за анализ: протонна магнитна резонансна спектроскопия, фемтосекундна лазерна спектроскопия, рентгенова и неутронна дифракция върху водни кристали. Откриването на водни клъстери и способността на водата да съхранява информация са двете най-важни открития на 21-то 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, молекулата на водата и златното сечение // Наука и живот, 2004, т. 10, № 3, с. 23-34.

2. Шумски П. А., Основи на науката за структурния лед. - Москва, 1955б стр. 113

3. Мосин О.В., Игнатов И. Осъзнаване на водата като субстанция на живота. // Съзнание и физическа реалност. 2011, Т 16, бр. 12, с. 9-22.

4. Петрянов И. В. Най-необичайното вещество в света, Москва, Педагогика, 1981, с. 51-53.

5 Айзенберг Д, Кауцман В. Структура и свойства на водата. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1975, с. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Водата е позната и загадъчна. - Киев, Родянско училище, 1982, с. 62-64.

7. Г. Н. Зацепина, Структура и свойства на водата. - Москва, изд. Московски държавен университет, 1974, стр. 125.

8. Антонченко В. Я., Давидов Н. С., Илин В. В. Основи на физиката на водата - Киев, Наукова дума, 1991, с. 167

9. Simonite T. ДНК-подобен лед, "виждан" вътре в въглеродните нанотръби // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Емото М. Послания на водата. Тайни кодове на ледени кристали. - София, 2006. с. 96

11. С. В. Зенин и Б. В. Тяглов, Природа на хидрофобното взаимодействие. Появата на ориентационни полета във водни разтвори // Journal of Physical Chemistry, 1994, V. 68, No. 3, p. 500-503.

12. Пиментел Дж., Макклелан О. Водородна връзка – Москва, Наука, 1964, с. 84-85.

13. Бернал Дж., Фаулър Р. Структура на водата и йонните разтвори // Успехи физически науки, 1934, т. 14, № 5, с. 587-644.

14. Хобза П., Заградник Р. Междумолекулни комплекси: Ролята на ван дер Ваалсовите системи във физикохимията и биодисциплините. - Москва, Мир, 1989, с. 34-36.

15. E. R. Pounder, Физика на леда, прев. от английски. - Москва, 1967, с. 89.

16. Комаров С. М. Ледени модели с високо налягане. // Химия и живот, 2007, бр.2, с. 48-51.

17. Е. А. Желиговская и Г. Г. Маленков. Кристален лед // Успехи химии, 2006, No 75, с. 64

18. Fletcher N. H. Химическата физика на леда, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A. V. Разнообразие от клъстери // Russian Chemical Journal, 1996, том 40, № 2, с. 48-56.

20. Мосин О.В., Игнатов И. Структура на водата и физическата реалност. // Съзнание и физическа реалност, 2011, т. 16, бр. 9, с. 16-32.

21. Игнатов И. Биоенергийна медицина. Произходът на живата материя, паметта на водата, биорезонанса, биофизичните полета. - ГаяЛибрис, София, 2006, с. 93

Триизмерното състояние на течната вода е трудно за изследване, но много се научи чрез анализиране на структурата на ледените кристали. Четири съседни взаимодействащи с водород кислородни атома заемат върховете на тетраедър (тетра = четири, хедър = равнина). Средната енергия, необходима за разрушаване на такава връзка в лед, се оценява на 23 kJ/mol -1.

Способността на водните молекули да образуват определен брой водородни вериги, както и определената якост, създава необичайно висока точка на топене. Когато се разтопи, се задържа от течна вода, чиято структура е неправилна. Повечето от водородните връзки са изкривени. За да се разруши кристалната решетка на леда с водородна връзка, е необходима голяма маса енергия под формата на топлина.

Характеристики на появата на лед (Ih)

Много от жителите се чудят каква кристална решетка има ледът. Трябва да се отбележи, че плътността на повечето вещества се увеличава по време на замразяване, когато молекулярните движения се забавят и се образуват плътно опаковани кристали. Плътността на водата също се увеличава, когато се охлажда до максимум при 4°C (277K). След това, когато температурата падне под тази стойност, тя се разширява.

Това увеличение се дължи на образуването на отворен, свързан с водород леден кристал с неговата решетка и по-ниска плътност, в който всяка водна молекула е твърдо свързана с горния елемент и четири други стойности, като същевременно се движи достатъчно бързо, за да има повече маса. Тъй като това действие се случва, течността замръзва отгоре надолу. Това има важни биологични резултати, в резултат на което слоят лед върху езерото изолира живите същества далеч от екстремни студове. В допълнение, две допълнителни свойства на водата са свързани с нейните водородни характеристики: специфичен топлинен капацитет и изпаряване.

Подробно описание на конструкциите

Първият критерий е количеството, необходимо за повишаване на температурата на 1 грам вещество с 1°C. Повишаването на градусите на водата изисква относително голямо количество топлина, тъй като всяка молекула участва в множество водородни връзки, които трябва да бъдат разкъсани, за да се увеличи кинетичната енергия. Между другото, изобилието от H 2 O в клетките и тъканите на всички големи многоклетъчни организми означава, че температурните колебания вътре в клетките са сведени до минимум. Тази характеристика е критична, тъй като скоростта на повечето биохимични реакции е чувствителна.

Също така значително по-висока от много други течности. За превръщането на това тяло в газ е необходимо голямо количество топлина, тъй като водородните връзки трябва да бъдат прекъснати, за да могат водните молекули да се разместят една от друга и да влязат в споменатата фаза. Променливите тела са постоянни диполи и могат да взаимодействат с други подобни съединения и такива, които йонизират и се разтварят.

Други споменати по-горе вещества могат да влязат в контакт само при наличие на полярност. Именно това съединение участва в структурата на тези елементи. В допълнение, той може да се подравни около тези частици, образувани от електролити, така че отрицателните кислородни атоми на водните молекули да са ориентирани към катионите, а положителните йони и водородните атоми да са ориентирани към анионите.

В се образуват, като правило, молекулярни кристални решетки и атомни. Тоест, ако йодът е конструиран по такъв начин, че I 2 присъства в него, тогава в твърд въглероден диоксид, тоест в сух лед, молекулите на CO 2 се намират в възлите на кристалната решетка. Когато взаимодейства с подобни вещества, ледът има йонна кристална решетка. Графитът, например, имащ атомна структура, базирана на въглерод, не е в състояние да го промени, точно като диаманта.

Това, което се случва, когато кристал готварска сол се разтвори във вода е, че полярните молекули се привличат от заредените елементи в кристала, което води до образуването на подобни частици натрий и хлорид на повърхността му, в резултат на което тези тела се разместват един от друг и той започва да се разтваря. От тук може да се види, че ледът има кристална решетка с йонна връзка. Всеки разтворен Na + привлича отрицателните краища на няколко водни молекули, докато всеки разтворен Cl - привлича положителните краища. Обвивката, заобикаляща всеки йон, се нарича избягала сфера и обикновено съдържа няколко слоя частици на разтворителя.

Променливите или йонът, заобиколен от елементи, се казва, че са сулфатирани. Когато разтворителят е вода, такива частици се хидратират. По този начин всяка полярна молекула има тенденция да бъде солватирана от елементите на течното тяло. При сухия лед типът на кристалната решетка образува атомни връзки в агрегатно състояние, които са непроменени. Друго нещо е кристален лед (замразена вода). Йонните органични съединения като карбоксилази и протонирани амини трябва да са разтворими в хидроксилни и карбонилни групи. Частиците, съдържащи се в такива структури, се движат между молекулите и техните полярни системи образуват водородни връзки с това тяло.

Разбира се, броят на последните споменати групи в молекулата влияе върху нейната разтворимост, която също зависи от реакцията на различни структури в елемента: например, едно-, дву- и тривъглеродните алкохоли се смесват с вода, но по-големи въглеводородите с единични хидроксилни съединения са много по-малко разредени в течности.

Шестоъгълният Ih е подобен по форма на атомната кристална решетка. За леда и целия естествен сняг на Земята изглежда точно така. Това се доказва от симетрията на кристалната решетка на леда, отгледана от водни пари (тоест снежинки). Той е в космическа група P 63/mm от 194; D 6h, Laue клас 6/mm; подобно на β-, което има кратна на 6 спираловидна ос (въртене наоколо в допълнение към изместване по нея). Той има доста отворена структура с ниска плътност, където ефективността е ниска (~1/3) в сравнение с прости кубични (~1/2) или лицево центрирани кубични (~3/4) структури.

В сравнение с обикновения лед, кристалната решетка на сухия лед, свързана с CO 2 молекули, е статична и се променя само когато атомите се разпадат.

Описание на решетките и съставните им елементи

Кристалите могат да се разглеждат като кристални модели, състоящи се от листове, подредени един върху друг. Водородната връзка е подредена, докато в действителност е произволна, тъй като протоните могат да се движат между молекулите на водата (лед) при температури над около 5 К. Наистина е вероятно протоните да се държат като квантова течност в постоянен тунелен поток. Това се засилва от разсейването на неутроните, което показва тяхната плътност на разсейване по средата между кислородните атоми, което показва локализация и съгласувано движение. Тук има прилика на леда с атомна, молекулярна кристална решетка.

Молекулите имат стъпаловидно разположение на водородната верига по отношение на трите си съседи в равнината. Четвъртият елемент има затъмнена водородна връзка. Има леко отклонение от перфектната шестоъгълна симетрия, като 0,3% по-къса в посока на тази верига. Всички молекули изпитват една и съща молекулярна среда. Вътре във всяка „кутия“ има достатъчно място за задържане на частици от интерстициалната вода. Въпреки че не се разглеждат като цяло, те наскоро бяха ефективно открити чрез неутронна дифракция на прахообразната кристална решетка на леда.

Променящи се вещества

Шестоъгълното тяло има тройни точки с течна и газообразна вода 0,01°C, 612 Pa, твърди елементи - три -21,985°C, 209,9 MPa, единадесет и две -199,8°C, 70 MPa и -34,7°C, 212,9 МРа. Диелектричната константа на хексагоналния лед е 97,5.

Кривата на топене на този елемент се дава от MPa. Уравненията на състоянието са налични, в допълнение към тях, някои прости неравенства, свързани с промяната на физичните свойства с температурата на хексагоналния лед и неговите водни суспензии. Твърдостта варира с градуси, повишаващи се от или под гипс (≤2) при 0°C до фелдшпат (6 при -80°C, необичайно голяма промяна в абсолютната твърдост (>24 пъти).

Шестоъгълната кристална решетка на леда образува шестоъгълни плочи и колони, където горната и долната повърхност са базалните равнини (0 0 0 1) с енталпия 5,57 μJ cm -2, а другите еквивалентни странични повърхности се наричат части от призмата (1 0 -1 0) с 5,94 μJ cm -2. Вторичните повърхности (1 1 -2 0) с 6,90 μJ ˣ cm -2 могат да се образуват по равнините, образувани от страните на конструкциите.

Такава структура показва аномално намаляване на топлопроводимостта с увеличаване на налягането (както и кубичен и аморфен лед с ниска плътност), но се различава от повечето кристали. Това се дължи на промяна във водородната връзка, която намалява напречната скорост на звука в кристалната решетка от лед и вода.

Има методи, описващи как да се приготвят големи кристални проби и всяка желана ледена повърхност. Предполага се, че водородната връзка на повърхността на изследваното шестоъгълно тяло ще бъде по-подредена, отколкото вътре в обемната система. Вариационна спектроскопия с генериране на честота на фазова решетка показа, че има структурна асиметрия между двата горни слоя (L1 и L2) в подповърхностната HO верига на базалната повърхност на хексагоналния лед. Приетите водородни връзки в горните слоеве на шестоъгълниците (L1 O ··· HO L2) са по-силни от тези, приети във втория слой до горното натрупване (L1 OH ··· O L2). Предлагат се интерактивни структури от шестоъгълен лед.

Характеристики на развитие

Минималният брой водни молекули, необходими за нуклеация на леда, е приблизително 275 ± 25, както за пълен икосаедърен клъстер от 280. Образуването се случва при коефициент 10 10 на границата въздух-вода, а не в насипна вода. Растежът на ледените кристали зависи от различни скорости на растеж на различни енергии. Водата трябва да бъде защитена от замръзване при криоконсервиране на биологични проби, храна и органи.

Това обикновено се постига чрез бързи скорости на охлаждане, използване на малки проби и криоконсерватор и повишено налягане за образуване на лед и предотвратяване на увреждане на клетките. Свободната енергия на лед/течност се увеличава от ~30 mJ/m2 при атмосферно налягане до 40 mJ/m -2 при 200 MPa, което показва причината, поради която възниква този ефект.

Като алтернатива, те могат да растат по-бързо от повърхности на призма (S2), на произволно нарушена повърхност на бързо замръзнали или развълнувани езера. Растежът от лицата (1 1 -2 0) е поне същият, но ги превръща в основи на призма. Данните за развитието на ледения кристал са напълно проучени. Относителните скорости на растеж на елементите от различни лица зависят от способността за образуване на голяма степен на хидратация на ставите. Температурата (ниска) на заобикалящата вода определя степента на разклонение в ледения кристал. Растежът на частиците е ограничен от скоростта на дифузия при ниска степен на преохлаждане, т.е.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Но ограничено от кинетиката на развитието при по-високи нива на депресия >4°C, което води до иглоподобен растеж. Тази форма е подобна на сухия лед (има кристална решетка с шестоъгълна структура), различни характеристики на развитие на повърхността и температурата на заобикалящата (преохладена) вода, която лежи зад плоските форми на снежинка.

Образуването на лед в атмосферата оказва дълбоко влияние върху образуването и свойствата на облаците. Фелдшпатите, открити в пустинния прах, който навлиза в атмосферата в милиони тонове годишно, са важни образуващи. Компютърното моделиране показа, че това се дължи на нуклеацията на призматични равнини на ледени кристали върху високоенергийни повърхностни равнини.

Някои други елементи и решетки

Разтворените вещества (с изключение на много малки хелий и водород, които могат да влязат в междинни пространства) не могат да бъдат включени в структурата на Ih при атмосферно налягане, а се изместват към повърхността или аморфния слой между частиците на микрокристалното тяло. На местата на решетката на сухия лед има някои други елементи: хаотропни йони като NH 4 + и Cl - , които участват в по-лесното замразяване на течността в сравнение с други космотропични, като Na + и SO 4 2-, т.е. отстраняването им е невъзможно, поради факта, че образуват тънък филм от останалата течност между кристалите. Това може да доведе до електрическо зареждане на повърхността поради дисоциация на повърхностната вода, балансираща останалите заряди (което също може да доведе до магнитно излъчване) и промяна в pH на остатъчните течни филми, например, NH 4 2 SO 4 става по-кисел и NaCl става по-основен.

Те са перпендикулярни на лицата на кристалната решетка на лед, показвайки прикрепения следващ слой (с О-черни атоми). Те се характеризират с бавно нарастваща базална повърхност (0 0 0 1), където са прикрепени само изолирани водни молекули. Бързо растяща (1 0 -1 0) повърхност на призма, където двойки новоприкрепени частици могат да се свързват една с друга с водород (една водородна връзка/две молекули на елемент). Най-бързо растящото лице (1 1 -2 0) (вторична призматична), където вериги от новоприкрепени частици могат да взаимодействат една с друга чрез водородна връзка. Една от неговите верижни/елементни молекули е форма, която образува хребети, които разделят и насърчават трансформацията в две страни на призмата.

Ентропия с нулева точка

к Бˣ Ln ( н

Учените и техните трудове в тази област

Може да се дефинира като S 0 = к Бˣ Ln ( н E0), където k B е константата на Болцман, N E е броят на конфигурациите при енергията E, а E0 е най-ниската енергия. Тази стойност за ентропията на шестоъгълния лед при нула келвин не нарушава третия закон на термодинамиката "Ентропията на идеален кристал при абсолютна нула е точно нула", тъй като тези елементи и частици не са идеални, имат неуредена водородна връзка.

В това тяло водородната връзка е произволна и бързо се променя. Тези структури не са точно равни по енергия, но се простират до много голям брой енергийно близки състояния, подчиняват се на „правилата на леда“. Ентропията на нулевата точка е разстройството, което би останало дори ако материалът може да бъде охладен до абсолютна нула (0 K = -273,15 °C). Генерира експериментално объркване за шестоъгълен лед 3,41 (± 0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Теоретично би било възможно да се изчисли нулевата ентропия на известните ледени кристали с много по-голяма точност (пренебрегвайки дефектите и разпространението на енергийните нива), отколкото да се определи експериментално.

Въпреки че редът на протоните в насипния лед не е подреден, повърхността вероятно предпочита реда на тези частици под формата на ленти от висящи Н-атоми и O-единични двойки (нулева ентропия с подредени водородни връзки). Открива се разстройството на нулевата точка ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 и др. От всичко казано по-горе става ясно и разбираемо какви видове кристални решетки са характерни за леда.

Ако има неполярни молекули на някакво вещество в възлите на кристалната решетка (напр йод аз 2, кислород Около 2или азот N 2), тогава те не изпитват никаква електрическа "симпатия" един към друг. С други думи, техните молекули не трябва да се привличат от електростатични сили. И все пак нещо ги държи заедно. Какво точно?

Оказва се, че в твърдо състояние тези молекули се приближават толкова близо една до друга, че в техните електронни облаци започват мигновени (макар и много слаби) реакции. пристрастие- кондензация и разреждане на електронни облаци. Вместо неполярни частици се появяват "моментни диполи", които вече могат да се привличат един към друг електростатично. Това привличане обаче е много слабо. Следователно кристалните решетки на неполярните вещества са крехки и съществуват само при много ниски температури, в "космически" студ.

Астрономите наистина са открили небесни тела - комети, астероиди, дори цели планети, състоящи се от замръзнали азот, кислороди други вещества, които при обикновени земни условия съществуват под формата на газове и стават твърди в междупланетното пространство.

	Много прости и сложни вещества с молекулярнокристалната решетка е добре позната на всички. Това е, например, кристален йод аз 2:
Така се изгражда кристалната решетка йод: състои се от йодни молекули (всяка от тях съдържа два йодни атома).
	И тези молекули са доста слабо свързани помежду си. Ето защо кристалният йод е толкова летлив и дори при най-малкото нагряване се изпарява, превръщайки се в газообразен йод – красива лилава пара.

Кои общи вещества молекулярна кристална решетка?

Кристалната вода (лед) се състои от полярни молекули вода H2O.
Кристалите "сух лед", използвани за охлаждане на сладолед, също са молекулярни кристали. въглероден двуокис CO2.
Друг пример е захарта, която образува кристали от молекули захароза.

Когато има молекули на вещество в възлите на кристалната решетка, връзките между тях не са много силни, дори ако тези молекули са полярни.
Следователно, за да се стопят такива кристали или да се изпарят вещества с молекулярна кристална структура, не е необходимо да се нагряват до червена топлина.
Вече при 0 °C кристалната структура ледсе разпада и става вода. А "сухият лед" не се топи при нормално налягане, а веднага се превръща в газообразен въглероден двуокис- възвишено.

Друго нещо са веществата с атоменкристална решетка, където всеки атом е свързан със своите съседи чрез много силни ковалентни връзки, а целият кристал като цяло, ако желаете, може да се счита за огромна молекула.

За пример помислете диамантен кристал,който е изграден от атоми въглерод.

	атом въглерод С, който съдържа две несдвоени Р -електронът се превръща в атом въглерод ОТ, където всичките четири електрона на външното валентно ниво са разположени в орбити един по един и способни да образуват химически връзки. Химиците наричат такъв атом " възбуден*".
В този случай има до четири химически връзки и всички много издръжлив. не без причина диамант - най-твърдото веществов природата и от незапомнени времена се смята за цар на всички скъпоценни камъни и скъпоценни камъни. А самото му име означава на гръцки „неразрушим“.
	От фасетирани кристали диамантполучават се диаманти, които красят скъпи бижута

Най-красивите диаманти, открити от хората, имат своя, понякога трагична, история. Прочетете >>>

Но диамантотива не само на декорации. Неговите кристали се използват в инструменти за обработка на най-твърдите материали, пробиване в скали, рязане и рязане на стъкло и кристал.

Кристална решетка от диамант (вляво) и графит (вдясно)

Графитсъщия състав въглерод, но структурата му на кристалната решетка не е същата като тази на диаманта. AT графитвъглеродните атоми са подредени в слоеве, в които връзката на въглеродните атоми е подобна на пчелна пита. Тези слоеве са много по-слабо свързани от въглеродните атоми във всеки слой. Ето защо графитлесно се разделят на скали и могат да пишат. Използва се за производството на моливи, както и като суха смазка, подходяща за машинни части, работещи при високи температури. Освен това, графитпровежда добре електричеството и от него се правят електроди.

Може евтино графитсе превръщат в скъпоценни диамант? Възможно е, но това ще изисква немислимо високо налягане (няколко хиляди атмосфери) и висока температура (хиляда и половина градуса).
Много по-лесно да се обърка диамант: просто трябва да го загреете без достъп на въздух до 1500 ° C и кристалната структура диамантсе превръщат в по-малко подредена структура графит.

Кристална структура на леда: водните молекули са свързани в правилни шестоъгълници Кристална решетка на леда: Водните молекули H 2 O (черни топки) в своите възли са подредени така, че всяка има четири съседа. Водната молекула (център) е свързана с водород с четирите най-близки съседни молекули. Ледът е кристална модификация на водата. По последни данни ледът има 14 структурни модификации. Сред тях има както кристални (те са повечето), така и аморфни модификации, но всички те се различават една от друга по взаимното подреждане на водните молекули и свойствата. Вярно е, че всичко, с изключение на обичайния лед, който кристализира в хексагоналната сингония, 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 хексагонални. Такива условия напомнят на космическите условия 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, това е 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 невероятното разнообразие от външни прояви. Със същата кристална структура той може да изглежда съвсем различно, като е под формата на прозрачни градушки и ледени висулки, пухкави снежни люспи, плътна лъскава кора от лед или гигантски ледникови маси.

Снежинката е единичен кристал лед - вид шестоъгълен кристал, но растящ бързо, в неравновесни условия. Учените се борят с тайната на тяхната красота и безкрайно разнообразие от векове. Животът на снежинката започва с образуването на кристални ледени ядра в облак от водна пара при понижаване на температурата. Центърът на кристализацията може да бъде прахови частици, всякакви твърди частици или дори йони, но във всеки случай тези ледени блокове, по-малки 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 започваме да израстваме еднакви ледени игли странични израстъци, т.к. температурата и влажността около ембриона също са еднакви. На тях от своя страна растат, като на дърво, странични клони на клона. Такива кристали се наричат дендрити, тоест подобни на дърво. Движейки се нагоре и надолу в облака, снежинката влиза в условия с различни температури и концентрации на водни пари. Формата му се променя, като до последно се подчинява на законите на шестоъгълната симетрия. Така снежинките стават различни. Досега не е било възможно да се намерят две еднакви снежинки сред снежинките.

Цветът на леда зависи от възрастта му и може да се използва за оценка на силата му. Океанският лед е бял през първата година от живота си, защото е наситен с въздушни мехурчета, от чиито стени светлината се отразява веднага, преди да бъде погълната. През лятото ледената повърхност се топи, губи силата си и под тежестта на нови слоеве, лежащи отгоре, въздушните мехурчета се свиват и изчезват напълно. Светлината вътре в леда изминава по-голямо разстояние от преди и се появява като синкаво-зелен оттенък. Синият лед е по-стар, по-плътен и по-силен от белия „пенещ“ лед, наситен с въздух. Полярните изследователи знаят това и избират надеждни сини и зелени ледени плочи за своите плаващи бази, научни станции и ледени летища. Има черни айсберги. Първият доклад в пресата за тях 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 от морската 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 приблизително минус 28 градуса. Доста "топъл лед" (с температура около 0 градуса) лежи 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 намалява рязко, за лед е равна на 0,91 g / cm 3. Поради това ледът е по-лек от водата и когато водните тела замръзват, ледът се натрупва отгоре и по-плътна вода с температура 4 ̊ На дъното на водните обекти се появява С. Лоша топлопроводимост на леда и Покриващата го снежна покривка предпазва водните тела от замръзване до дъното и по този начин създава условия за живота на обитателите на водоемите през зимата.

Ледниците, ледените покривки, вечната замръзналост, сезонната снежна покривка влияят значително на климата на големи региони и на планетата като цяло: дори тези, които никога не са виждали сняг, усещат дъха на масите му, натрупани на полюсите на Земята, например под формата на дългосрочни колебания на нивото в Световния океан. Ледът е толкова важен за външния вид на нашата планета и за комфортното обитаване на живите същества на нея, че учените са определили специална среда за него - криосферата, която простира своите притежания високо в атмосферата и дълбоко в земната кора. Естественият лед обикновено е много по-чист от водата, защото разтворимостта на веществата (с изключение на NH4F) в лед е изключително ниска. Общите запаси от лед на Земята са около 30 милиона km 3. По-голямата част от леда е съсредоточена в Антарктида, където дебелината на слоя му достига 4 km.