Types de réseaux cristallins. Réseaux cristallins Aux nœuds du réseau cristallin de glace carbonique se trouvent

La chimie est une science étonnante. Tant d'incroyables peuvent être trouvés dans des choses apparemment ordinaires.

Tout matériau qui nous entoure partout existe dans plusieurs états d'agrégation : gaz, liquides et solides. Les scientifiques ont également isolé le 4ème - plasma. A une certaine température, une substance peut passer d'un état à un autre. Par exemple, l'eau : lorsqu'elle est chauffée au-dessus de 100, à partir d'une forme liquide, elle se transforme en vapeur. À des températures inférieures à 0, il passe dans la structure agrégée suivante - la glace.

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Le monde matériel tout entier a dans sa composition une masse de particules identiques qui sont interconnectées. Ces plus petits éléments sont strictement disposés dans l'espace et forment ce que l'on appelle le cadre spatial.

Définition

Un réseau cristallin est une structure spéciale d'une substance solide, dans laquelle les particules sont dans un ordre géométriquement strict dans l'espace. Il est possible d'y détecter des nœuds - des endroits où se trouvent des éléments: atomes, ions et molécules et espace internodal.

Solides, selon la gamme de hautes et basses températures, sont cristallines ou amorphes - elles se caractérisent par l'absence d'un point de fusion spécifique. Lorsqu'ils sont exposés à des températures élevées, ils se ramollissent et se transforment progressivement en une forme liquide. Ces substances comprennent: la résine, la pâte à modeler.

À cet égard, il peut être divisé en plusieurs types:

atomique;
ionique;
moléculaire;
métal.

Mais à différentes températures, une substance peut avoir différentes formes et présenter diverses propriétés. Ce phénomène est appelé modification allotropique.

Type atomique

Dans ce type, les atomes de l'une ou l'autre substance sont situés aux nœuds, qui sont reliés par des liaisons covalentes. Ce type de liaison est formé par une paire d'électrons de deux atomes voisins. Pour cette raison, ils sont connectés uniformément et dans un ordre strict.

Les substances à réseau cristallin atomique se caractérisent par les propriétés suivantes : résistance et point de fusion élevé. Ce type de liaison est présent dans le diamant, le silicium et le bore..

Type ionique

Les ions de charges opposées sont situés aux nœuds qui créent un champ électromagnétique qui caractérise les propriétés physiques d'une substance. Ceux-ci incluront : la conductivité électrique, la réfractarité, la densité et la dureté. Le sel de table et le nitrate de potassium se caractérisent par la présence d'un réseau cristallin ionique.

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Type moléculaire

Dans les sites de ce type, il y a des ions liés entre eux par les forces de van der Waals. En raison de liaisons intermoléculaires faibles, ces substances, telles que la glace, le dioxyde de carbone et la paraffine, se caractérisent par leur plasticité, leur conductivité électrique et thermique.

type de métal

Dans sa structure, il ressemble à un moléculaire, mais il a toujours des liaisons plus fortes. La différence de ce type est que des cations chargés positivement sont situés à ses nœuds. Les électrons qui sont dans l'interstitiel l'espace, participent à la formation d'un champ électrique. Ils sont aussi appelés gaz électriques.

Les métaux et alliages simples sont caractérisés par un type de réseau métallique. Ils se caractérisent par la présence d'éclat métallique, de plasticité, de conductivité thermique et électrique. Ils peuvent fondre à différentes températures.

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

annotation L'importance de la glace dans le maintien de la vie sur notre planète ne peut être sous-estimée. La glace a une grande influence sur les conditions de vie et la vie des plantes et des animaux et sur divers types d'activité économique humaine. Recouvrant l'eau, la glace, en raison de sa faible densité, joue le rôle d'un écran flottant dans la nature, protégeant les rivières et les réservoirs d'un gel supplémentaire et préservant la vie des habitants sous-marins. L'utilisation de la glace à diverses fins (rétention de la neige, aménagement des traversées de glace et des entrepôts isothermes, pose de glace des installations de stockage et des mines) fait l'objet de plusieurs sections des sciences hydrométéorologiques et de l'ingénierie, telles que la technologie de la glace, la technologie de la neige, l'ingénierie pergélisol, ainsi que les activités de services spéciaux pour la reconnaissance des glaces, le transport de déglaçage et les chasse-neige. La glace naturelle est utilisée pour stocker et refroidir les produits alimentaires, les préparations biologiques et médicales, pour lesquelles elle est spécialement produite et récoltée, et l'eau de fonte préparée en faisant fondre la glace est utilisée dans la médecine traditionnelle pour augmenter le métabolisme et éliminer les toxines du corps. L'article présente au lecteur de nouvelles propriétés et modifications peu connues de la glace.

La glace est une forme cristalline de l'eau qui, selon les dernières données, présente quatorze modifications structurelles. Parmi eux, il existe à la fois des modifications cristallines (glace naturelle) et amorphes (glace cubique) et métastables qui diffèrent les unes des autres par l'arrangement mutuel et les propriétés physiques des molécules d'eau liées par des liaisons hydrogène qui forment le réseau cristallin de la glace. Tous, à l'exception de la glace naturelle familière I h, qui cristallise dans un réseau hexagonal, se forment dans des conditions exotiques - à de très basses températures de neige carbonique et d'azote liquide et à des pressions élevées de milliers d'atmosphères, lorsque les angles des liaisons hydrogène dans un changement de molécule d'eau et des systèmes cristallins sont formés qui sont différents d'hexagonaux. De telles conditions rappellent les conditions cosmiques et ne se trouvent pas sur Terre.

Dans la nature, la glace est représentée principalement par une variété cristalline, cristallisant dans un réseau hexagonal ressemblant à une structure en diamant, où chaque molécule d'eau est entourée de quatre molécules les plus proches d'elle, situées à la même distance de celle-ci, égales à 2,76 angströms et situées à les sommets d'un tétraèdre régulier. En raison du faible nombre de coordination, la structure de la glace est un réseau, ce qui affecte sa faible densité, qui est de 0,931 g/cm 3 .

La propriété la plus inhabituelle de la glace est l'étonnante variété de manifestations externes. Avec la même structure cristalline, il peut sembler complètement différent, prenant la forme de grêlons et de glaçons transparents, de flocons de neige pelucheux, d'une croûte de glace dense et brillante ou de masses glaciaires géantes. La glace se présente dans la nature sous forme de glace continentale, flottante et souterraine, ainsi que sous forme de neige et de givre. Il est répandu dans tous les domaines de l'habitation humaine. En s'accumulant en grandes quantités, la neige et la glace forment des structures spéciales avec des propriétés fondamentalement différentes de celles des cristaux ou des flocons de neige individuels. La glace naturelle est formée principalement de glace d'origine sédimentaire-métamorphique, formée à partir de précipitations atmosphériques solides à la suite d'un compactage et d'une recristallisation ultérieurs. Une caractéristique de la glace naturelle est sa granularité et ses bandes. La granularité est due aux processus de recristallisation ; chaque grain de glace glaciaire est un cristal de forme irrégulière qui jouxte étroitement d'autres cristaux dans la masse de glace de telle sorte que les saillies d'un cristal s'insèrent étroitement dans les dépressions d'un autre. Une telle glace est appelée polycristalline. Dans celui-ci, chaque cristal de glace est une couche des feuilles les plus minces se chevauchant dans le plan basal, perpendiculairement à la direction de l'axe optique du cristal.

Les réserves totales de glace sur Terre sont estimées à environ 30 millions de tonnes. km 3(Tableau 1). La majeure partie de la glace est concentrée en Antarctique, où l'épaisseur de sa couche atteint 4 km. Il existe également des preuves de la présence de glace sur les planètes du système solaire et dans les comètes. La glace est si importante pour le climat de notre planète et l'habitation des êtres vivants que les scientifiques ont désigné un environnement spécial pour la glace - la cryosphère, dont les limites s'étendent haut dans l'atmosphère et profondément dans la croûte terrestre.

Languette. une. Quantité, distribution et durée de vie de la glace.

Type de glace ; Poids; Zone de distribution ; Concentration moyenne, g/cm2 ; Taux de gain de poids, g/an ; Durée de vie moyenne, année
G; % ; millions de km2 ; %
Glaciers ; 2,4 1022 ; 98,95 ; 16.1 ; 10,9 sushis ; 1,48 105 ; 2,5 1018 ; 9580
glace souterraine; 2 1020 ; 0,83 ; 21; 14.1 sushis ; 9,52 103 ; 6 1018 ; 30-75
glace de mer; 3,5 1019 ; 0,14 ; 26; 7.2 océans ; 1,34 102 ; 3.3 1019 ; 1.05
La couverture de neige; 1.0 1019 ; 0,04 ; 72,4 ; 14.2 Terres ; 14,5 ; 2 1019 ; 0,3-0,5
icebergs; 7,6 1018 ; 0,03 ; 63,5 ; 18,7 océan ; 14.3 ; 1,9 1018 ; 4.07
glace atmosphérique; 1,7 1018 ; 0,01 ; 510.1 ; 100 Terre ; 3.3 10-1 ; 3,9 1020 ; 4 10-3

Les cristaux de glace sont uniques dans leur forme et leurs proportions. Tout cristal naturel en croissance, y compris un cristal de glace de glace, s'efforce toujours de créer un réseau cristallin régulier idéal, car cela est bénéfique du point de vue d'un minimum de son énergie interne. Comme on le sait, toute impureté déforme la forme du cristal. Par conséquent, lors de la cristallisation de l'eau, des molécules d'eau sont d'abord intégrées dans le réseau et des atomes étrangers et des molécules d'impuretés sont déplacées dans le liquide. Et seulement lorsque les impuretés n'ont nulle part où aller, le cristal de glace commence à les intégrer dans sa structure ou les laisse sous forme de capsules creuses avec un liquide concentré non gelant - la saumure. Par conséquent, la glace de mer est fraîche et même les plans d'eau les plus sales sont recouverts de glace transparente et propre. Lorsque la glace fond, elle déplace les impuretés dans la saumure. A l'échelle planétaire, le phénomène de gel et de dégel de l'eau, ainsi que l'évaporation et la condensation de l'eau, jouent le rôle d'un gigantesque processus de nettoyage dans lequel l'eau sur Terre se purifie en permanence.

Languette. 2. Quelques propriétés physiques de la glace I.

Biens

Signification

Noter

Capacité calorifique, cal/(g °C) Chaleur de fusion, cal/g Chaleur de vaporisation, cal/g

0,51 (0 °C) 79,69 677

Diminue fortement avec la température décroissante

Coefficient de dilatation thermique, 1/°C

9.1 10-5 (0°C)

Glace polycristalline

Conductivité thermique, cal/(cm sec °C)

4,99 10 -3

Glace polycristalline

Indice de réfraction :

1.309 (-3°C)

Glace polycristalline

Conductivité électrique spécifique, ohm-1 cm-1

10-9 (0°C)

Énergie d'activation apparente 11 kcal/mol

Conductivité électrique de surface, ohm-1

10-10 (-11°C)

Énergie d'activation apparente 32 kcal/mol

Module d'élasticité de Young, dyne/cm2

9 1010 (-5 °C)

Glace polycristalline

Résistance, MN/m2 : écrasement déchirure cisaillement

2,5 1,11 0,57

glace polycristalline glace polycristalline glace polycristalline

Viscosité dynamique, équilibre

Glace polycristalline

Énergie d'activation lors de la déformation et de la relaxation mécanique, kcal/mol

Augmente linéairement de 0,0361 kcal/(mol °C) de 0 à 273,16 K

Remarque : 1 cal/(g °C)=4,186 kJ/(kg K) ; 1 ohm -1 cm -1 \u003d 100 sim / m; 1 dyn = 10 -5 N ; 1 N = 1 kg m/s² ; 1 dyne/cm = 10 -7 N/m ; 1 cal / (cm sec ° C) \u003d 418,68 W / (m K); 1 poise \u003d g / cm s \u003d 10 -1 N sec / m 2.

En raison de la large distribution de la glace sur Terre, la différence entre les propriétés physiques de la glace (tableau 2) et les propriétés d'autres substances joue un rôle important dans de nombreux processus naturels. La glace possède de nombreuses autres propriétés et anomalies vitales - des anomalies de densité, de pression, de volume et de conductivité thermique. S'il n'y avait pas de liaisons hydrogène reliant les molécules d'eau dans un cristal, la glace fondrait à -90 °C. Mais cela ne se produit pas en raison de la présence de liaisons hydrogène entre les molécules d'eau. En raison de sa densité inférieure à celle de l'eau, la glace forme une couverture flottante à la surface de l'eau, qui protège les rivières et les réservoirs du gel du fond, car sa conductivité thermique est bien inférieure à celle de l'eau. Dans le même temps, la densité et le volume les plus bas sont observés à +3,98 °C (Fig. 1). Un refroidissement supplémentaire de l'eau à 0 0 C conduit progressivement non pas à une diminution, mais à une augmentation de son volume de près de 10%, lorsque l'eau se transforme en glace. Ce comportement de l'eau indique l'existence simultanée de deux phases d'équilibre dans l'eau - liquide et quasi-cristalline, par analogie avec les quasi-cristaux, dont le réseau cristallin a non seulement une structure périodique, mais aussi des axes de symétrie d'ordres différents, le dont l'existence contredisait auparavant les idées des cristallographes. Cette théorie, d'abord avancée par le célèbre physicien théoricien domestique Ya. I. Frenkel, est basée sur l'hypothèse que certaines des molécules liquides forment une structure quasi-cristalline, tandis que le reste des molécules ressemble à un gaz, librement se déplaçant dans le volume. La distribution des molécules dans un petit voisinage de toute molécule d'eau fixe a un certain ordre, rappelant quelque peu celui d'un cristallin, bien que plus lâche. Pour cette raison, la structure de l'eau est parfois appelée quasi-cristalline ou cristalline, c'est-à-dire ayant une symétrie et la présence d'un ordre dans l'arrangement mutuel des atomes ou des molécules.

Riz. une. La dépendance du volume spécifique de glace et d'eau à la température

Une autre propriété est que la vitesse d'écoulement de la glace est directement proportionnelle à l'énergie d'activation et inversement proportionnelle à la température absolue, de sorte que lorsque la température diminue, la glace se rapproche dans ses propriétés d'un corps absolument solide. En moyenne, à une température proche de la fonte, la fluidité de la glace est 10 6 fois supérieure à celle des roches. En raison de sa fluidité, la glace ne s'accumule pas en un seul endroit, mais se déplace constamment sous la forme de glaciers. La relation entre la vitesse d'écoulement et la contrainte dans la glace polycristalline est hyperbolique ; avec une description approximative de celui-ci par une équation de puissance, l'exposant augmente à mesure que la tension augmente.

La lumière visible n'est pratiquement pas absorbée par la glace, car les rayons lumineux traversent le cristal de glace, mais elle bloque le rayonnement ultraviolet et la majeure partie du rayonnement infrarouge du Soleil. Dans ces régions du spectre, la glace apparaît absolument noire, car le coefficient d'absorption de la lumière dans ces régions du spectre est très élevé. Contrairement aux cristaux de glace, la lumière blanche tombant sur la neige n'est pas absorbée, mais est réfractée plusieurs fois dans les cristaux de glace et réfléchie par leurs faces. C'est pourquoi la neige paraît blanche.

En raison de la réflectivité très élevée de la glace (0,45) et de la neige (jusqu'à 0,95), la superficie couverte par celles-ci est en moyenne d'environ 72 millions d'hectares par an. km 2 aux latitudes hautes et moyennes des deux hémisphères, il reçoit 65% de chaleur solaire en moins que la norme et constitue une puissante source de refroidissement de la surface terrestre, qui détermine en grande partie la zonalité climatique latitudinale moderne. En été, dans les régions polaires, le rayonnement solaire est plus important que dans la ceinture équatoriale, néanmoins, la température reste basse, car une partie importante de la chaleur absorbée est dépensée pour faire fondre la glace, qui a une chaleur de fusion très élevée.

D'autres propriétés inhabituelles de la glace incluent la génération de rayonnement électromagnétique par ses cristaux en croissance. On sait que la plupart des impuretés dissoutes dans l'eau ne sont pas transférées à la glace lorsqu'elle commence à grossir ; ils gèlent. Ainsi, même sur la flaque d'eau la plus sale, le film de glace est propre et transparent. Dans ce cas, les impuretés s'accumulent à la frontière des milieux solides et liquides, sous la forme de deux couches de charges électriques de signes différents, qui provoquent une différence de potentiel importante. La couche chargée d'impuretés se déplace avec la limite inférieure de la jeune glace et émet des ondes électromagnétiques. Grâce à cela, le processus de cristallisation peut être observé en détail. Ainsi, un cristal de plus en plus long en forme d'aiguille rayonne différemment d'un cristal recouvert d'apophyses latérales, et le rayonnement des grains en croissance diffère de celui qui se produit lorsque les cristaux se fissurent. À partir de la forme, de la séquence, de la fréquence et de l'amplitude des impulsions de rayonnement, on peut déterminer à quelle vitesse la glace gèle et quel type de structure de glace se forme.

Mais le plus surprenant dans la structure de la glace est que les molécules d'eau à basse température et à haute pression à l'intérieur des nanotubes de carbone peuvent cristalliser sous la forme d'une double hélice, rappelant les molécules d'ADN. Cela a été prouvé par de récentes expériences informatiques menées par des scientifiques américains dirigés par Xiao Cheng Zeng de l'Université du Nebraska (États-Unis). Pour que l'eau forme une spirale dans une expérience simulée, elle a été placée dans des nanotubes d'un diamètre de 1,35 à 1,90 nm sous haute pression, variant de 10 à 40 000 atmosphères, et une température de -23 °C a été fixée. On s'attendait à ce que l'eau forme dans tous les cas une fine structure tubulaire. Cependant, le modèle a montré qu'à un diamètre de nanotube de 1,35 nm et une pression externe de 40 000 atmosphères, les liaisons hydrogène dans la structure de la glace étaient pliées, ce qui conduisait à la formation d'une hélice à double paroi - interne et externe. Dans ces conditions, la paroi interne s'est avérée tordue en une quadruple hélice et la paroi externe était constituée de quatre doubles hélices semblables à une molécule d'ADN (Fig. 2). Ce fait peut servir de confirmation de la connexion entre la structure de la molécule d'ADN d'une importance vitale et la structure de l'eau elle-même et que l'eau a servi de matrice pour la synthèse des molécules d'ADN.

Riz. 2. Modèle informatique de la structure de l'eau gelée en nanotubes, ressemblant à une molécule d'ADN (Photo de New Scientist, 2006)

Une autre des propriétés les plus importantes de l'eau découverte récemment est que l'eau a la capacité de se souvenir des informations sur les expositions passées. Cela a été prouvé pour la première fois par le chercheur japonais Masaru Emoto et notre compatriote Stanislav Zenin, qui a été l'un des premiers à proposer une théorie des clusters de la structure de l'eau, consistant en des associés cycliques d'une structure polyédrique en vrac - clusters de formule générale (H 2 O) n, où n, selon des données récentes, peut atteindre des centaines voire des milliers d'unités. C'est en raison de la présence de clusters dans l'eau que l'eau a des propriétés informationnelles. Les chercheurs ont photographié les processus de congélation de l'eau en microcristaux de glace, agissant dessus avec divers champs électromagnétiques et acoustiques, des mélodies, des prières, des mots ou des pensées. Il s'est avéré que sous l'influence d'informations positives sous forme de belles mélodies et de mots, la glace s'est figée en cristaux hexagonaux symétriques. Là où résonnaient de la musique non rythmique, des paroles colériques et insultantes, l'eau, au contraire, se figeait en cristaux chaotiques et informes. C'est la preuve que l'eau a une structure spéciale qui est sensible aux influences des informations externes. Vraisemblablement, le cerveau humain, qui se compose de 85 à 90 % d'eau, a un fort effet structurant sur l'eau.

Les cristaux d'Emoto suscitent à la fois intérêt et critiques insuffisamment étayées. Si vous les regardez attentivement, vous pouvez voir que leur structure se compose de six sommets. Mais une analyse encore plus minutieuse montre que les flocons de neige en hiver ont la même structure, toujours symétrique et à six sommets. Dans quelle mesure les structures cristallisées contiennent-elles des informations sur l'environnement dans lequel elles ont été créées ? La structure des flocons de neige peut être belle ou informe. Cela indique que l'échantillon de contrôle (nuage dans l'atmosphère) où ils se produisent a le même effet sur eux que les conditions initiales. Les conditions initiales sont l'activité solaire, la température, les champs géophysiques, l'humidité, etc. Tout cela signifie que de la soi-disant. ensemble moyen, on peut conclure que la structure des gouttes d'eau, puis des flocons de neige, est approximativement la même. Leur masse est presque la même et ils se déplacent dans l'atmosphère à une vitesse similaire. Dans l'atmosphère, ils continuent à façonner leurs structures et à augmenter de volume. Même s'ils se sont formés dans différentes parties du nuage, il y a toujours un certain nombre de flocons de neige dans le même groupe qui sont apparus dans presque les mêmes conditions. Et la réponse à la question de savoir ce qui constitue des informations positives et négatives sur les flocons de neige se trouve dans Emoto. Dans des conditions de laboratoire, les informations négatives (un tremblement de terre, des vibrations sonores défavorables à une personne, etc.) ne forment pas des cristaux, mais des informations positives, bien au contraire. Il est très intéressant de voir dans quelle mesure un facteur peut former des structures identiques ou similaires de flocons de neige. La densité d'eau la plus élevée est observée à une température de 4 °C. Il a été scientifiquement prouvé que la densité de l'eau diminue lorsque des cristaux de glace hexagonaux commencent à se former lorsque la température descend en dessous de zéro. C'est le résultat de l'action des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau.

Quelle est la raison de cette structuration ? Les cristaux sont des solides et leurs atomes, molécules ou ions constitutifs sont disposés dans une structure régulière et répétitive, en trois dimensions spatiales. La structure des cristaux d'eau est légèrement différente. Selon Isaac, seulement 10% des liaisons hydrogène dans la glace sont covalentes, c'est-à-dire avec des informations assez stables. Les liaisons hydrogène entre l'oxygène d'une molécule d'eau et l'hydrogène d'une autre sont les plus sensibles aux influences extérieures. Le spectre de l'eau lors de la formation des cristaux est relativement différent dans le temps. D'après l'effet d'évaporation discrète d'une goutte d'eau prouvé par Antonov et Yuskeseliyev et sa dépendance aux états d'énergie des liaisons hydrogène, on peut chercher une réponse sur la structuration des cristaux. Chaque partie du spectre dépend de la tension superficielle des gouttelettes d'eau. Il y a six pics dans le spectre, qui indiquent les ramifications du flocon de neige.

Évidemment, dans les expériences d'Emoto, l'échantillon « témoin » initial a un effet sur l'apparence des cristaux. Cela signifie qu'après exposition à un certain facteur, on peut s'attendre à la formation de tels cristaux. Il est presque impossible d'obtenir des cristaux identiques. Lors du test de l'effet du mot "amour" sur l'eau, Emoto n'indique pas clairement si cette expérience a été réalisée avec différents échantillons.

Des expériences en double aveugle sont nécessaires pour tester si la technique Emoto se différencie suffisamment. La preuve d'Isaac selon laquelle 10 % des molécules d'eau forment des liaisons covalentes après la congélation nous montre que l'eau utilise cette information lorsqu'elle gèle. La réalisation d'Emoto, même sans expériences en double aveugle, reste assez importante par rapport aux propriétés informationnelles de l'eau.

Flocon de neige naturel, Wilson Bentley, 1925

Flocon de neige Emoto obtenu à partir d'eau naturelle

Un flocon de neige est naturel et l'autre est créé par Emoto, ce qui indique que la diversité du spectre de l'eau n'est pas illimitée.

Tremblement de terre, Sofia, échelle de Richter 4.0, 15 novembre 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Pr. L'appareil d'Antonov ©

Ce chiffre indique la différence entre l'échantillon de contrôle et ceux prélevés les autres jours. Les molécules d'eau rompent les liaisons hydrogène les plus énergétiques de l'eau, ainsi que deux pics du spectre lors d'un phénomène naturel. L'étude a été réalisée à l'aide de l'appareil Antonov. Le résultat biophysique montre une diminution de la vitalité de l'organisme lors d'un tremblement de terre. Lors d'un tremblement de terre, l'eau ne peut pas changer sa structure dans les flocons de neige du laboratoire d'Emoto. Il existe des preuves d'un changement dans la conductivité électrique de l'eau lors d'un tremblement de terre.

En 1963, l'écolier tanzanien Erasto Mpemba a remarqué que l'eau chaude gèle plus vite que l'eau froide. Ce phénomène s'appelle l'effet Mpemba. Bien que la propriété unique de l'eau ait été remarquée bien plus tôt par Aristote, Francis Bacon et René Descartes. Le phénomène a été prouvé à maintes reprises par un certain nombre d'expériences indépendantes. L'eau a une autre propriété étrange. À mon avis, l'explication est la suivante : le spectre d'énergie différentiel hors d'équilibre (DNES) de l'eau bouillie a une énergie moyenne des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau inférieure à celle d'un échantillon prélevé à température ambiante. Cela signifie que l'eau bouillie a besoin de moins d'énergie pour afin de commencer à structurer les cristaux et à les congeler.

La clé de la structure de la glace et de ses propriétés réside dans la structure de son cristal. Les cristaux de toutes les modifications de la glace sont construits à partir de molécules d'eau H 2 O, reliées par des liaisons hydrogène en cadres maillés tridimensionnels avec un certain agencement de liaisons hydrogène. La molécule d'eau peut être simplement imaginée comme un tétraèdre (pyramide à base triangulaire). En son centre, il y a un atome d'oxygène, qui est dans un état d'hybridation sp 3, et en deux sommets, il y a un atome d'hydrogène, dont l'un des électrons 1s est impliqué dans la formation d'une liaison covalente H-O avec l'oxygène. Les deux sommets restants sont occupés par des paires d'électrons d'oxygène non appariés qui ne participent pas à la formation de liaisons intramoléculaires, ils sont donc appelés solitaires. La forme spatiale de la molécule H 2 O s'explique par la répulsion mutuelle des atomes d'hydrogène et des paires d'électrons isolés de l'atome d'oxygène central.

La liaison hydrogène est importante dans la chimie des interactions intermoléculaires et est entraînée par de faibles forces électrostatiques et des interactions donneur-accepteur. Cela se produit lorsque l'atome d'hydrogène déficient en électrons d'une molécule d'eau interagit avec la paire d'électrons solitaire de l'atome d'oxygène de la molécule d'eau voisine (О-Н…О). Une caractéristique distinctive de la liaison hydrogène est sa résistance relativement faible; il est 5 à 10 fois plus faible qu'une liaison covalente chimique. En termes d'énergie, une liaison hydrogène occupe une position intermédiaire entre une liaison chimique et les interactions de van der Waals qui maintiennent les molécules en phase solide ou liquide. Chaque molécule d'eau dans un cristal de glace peut former simultanément quatre liaisons hydrogène avec d'autres molécules voisines à des angles strictement définis égaux à 109°47" dirigés vers les sommets du tétraèdre, qui ne permettent pas la formation d'une structure dense lorsque l'eau gèle (Fig. 3). Dans les structures de glace I, Ic, VII et VIII, ce tétraèdre est régulier. Dans les structures de glace II, III, V et VI, les tétraèdres sont sensiblement déformés. Dans les structures de glace VI, VII et VIII, deux On peut distinguer des systèmes de liaisons hydrogène qui se croisent mutuellement.Ce cadre invisible de liaisons hydrogène organise les molécules d'eau sous la forme d'une grille, la structure ressemblant à un nid d'abeille hexagonal avec des canaux internes creux.Si la glace est chauffée, la structure de la grille est détruite : l'eau les molécules commencent à tomber dans les vides de la grille, conduisant à une structure plus dense du liquide - cela explique pourquoi l'eau est plus lourde que la glace.

Riz. 3. La formation d'une liaison hydrogène entre quatre molécules H 2 O (les boules rouges indiquent les atomes d'oxygène centraux, les boules blanches indiquent les atomes d'hydrogène)

La spécificité des liaisons hydrogène et des interactions intermoléculaires, caractéristique de la structure de la glace, est préservée dans l'eau de fonte, puisque seulement 15 % de toutes les liaisons hydrogène sont détruites lors de la fusion d'un cristal de glace. Par conséquent, la liaison inhérente à la glace entre chaque molécule d'eau et ses quatre voisines ("ordre à courte portée") n'est pas violée, bien que le réseau de charpente d'oxygène soit plus diffus. Les liaisons hydrogène peuvent également être retenues lorsque l'eau bout. Les liaisons hydrogène ne sont absentes que dans la vapeur d'eau.

La glace, qui se forme à la pression atmosphérique et fond à 0 ° C, est la substance la plus familière, mais encore mal comprise. Une grande partie de sa structure et de ses propriétés semble inhabituelle. Aux nœuds du réseau cristallin de glace, les atomes d'oxygène des tétraèdres de molécules d'eau sont disposés de manière ordonnée, formant des hexagones réguliers, comme un nid d'abeille hexagonal, et les atomes d'hydrogène occupent diverses positions sur les liaisons hydrogène reliant les atomes d'oxygène ( figure 4). Par conséquent, il existe six orientations équivalentes des molécules d'eau par rapport à leurs voisines. Certains d'entre eux sont exclus, car la présence de deux protons sur la même liaison hydrogène en même temps est peu probable, mais il reste une incertitude suffisante sur l'orientation des molécules d'eau. Ce comportement des atomes est atypique, puisque dans une matière solide tous les atomes obéissent à la même loi : soit ce sont des atomes disposés de manière ordonnée, et alors c'est un cristal, soit au hasard, et alors c'est une substance amorphe. Une telle structure inhabituelle peut être réalisée dans la plupart des modifications de la glace - Ih, III, V, VI et VII (et, apparemment, dans Ic) (tableau 3), et dans la structure de la glace II, VIII et IX, l'eau les molécules sont ordonnées orientationnellement. Selon J. Bernal, la glace est cristalline par rapport aux atomes d'oxygène et vitreuse par rapport aux atomes d'hydrogène.

Riz. 4. Structure de la glace de configuration hexagonale naturelle I h

Dans d'autres conditions, par exemple, dans l'espace à haute pression et basse température, la glace cristallise différemment, formant d'autres réseaux cristallins et modifications (cubique, trigonal, tétragonal, monoclinique, etc.), chacun ayant sa propre structure et réseau cristallin ( Tableau 3). ). Les structures de la glace de diverses modifications ont été calculées par des chercheurs russes, docteur en sciences chimiques. G. G. Malenkov et Ph.D. E.A. Zheligovskaya de l'Institut de chimie physique et d'électrochimie. UNE. Frumkin de l'Académie russe des sciences. Les modifications de glace II, III et V restent longtemps à la pression atmosphérique si la température ne dépasse pas -170 °C (Fig. 5). Lorsqu'elle est refroidie à environ -150°C, la glace naturelle se transforme en glace cubique Ic, constituée de cubes et d'octaèdres de quelques nanomètres de taille. De la glace I c apparaît parfois aussi lorsque l'eau gèle dans les capillaires, ce qui est apparemment facilité par l'interaction de l'eau avec le matériau de la paroi et la répétition de sa structure. Si la température est légèrement supérieure à -110°C, des cristaux de glace amorphe vitreuse plus dense et plus lourde avec une densité de 0,93 g/cm3 se forment sur le substrat métallique. Ces deux formes de glace peuvent se transformer spontanément en glace hexagonale, et plus vite, plus la température est élevée.

Languette. 3. Quelques modifications de la glace et de leurs paramètres physiques.

Modification

Structure en cristal

Longueurs des liaisons hydrogène, Å

Angles H-O-H dans les tétraèdres, 0

Hexagonal

cubique

Trigone

tétragone

Monoclinique

tétragone

cubique

tétragone

Noter. 1 Å = 10 -10 m

Riz. cinq. Diagramme d'état des glaces cristallines de diverses modifications.

Il existe également des glaces à haute pression - II et III de modifications trigonales et tétragonales, formées d'acres creux formés d'éléments ondulés hexagonaux décalés les uns par rapport aux autres d'un tiers (Fig. 6 et Fig. 7). Ces glaces sont stabilisées en présence des gaz nobles hélium et argon. Dans la structure de la glace V de la modification monoclinique, les angles entre atomes d'oxygène voisins vont de 860 à 132°, ce qui est très différent de l'angle de liaison dans la molécule d'eau, qui est de 105°47'. La glace VI de la modification tétragonale consiste en deux cadres insérés l'un dans l'autre, entre lesquels il n'y a pas de liaisons hydrogène, à la suite de quoi un réseau cristallin centré sur le corps est formé (Fig. 8). La structure de la glace VI est basée sur des hexamères - des blocs de six molécules d'eau. Leur configuration reprend exactement la structure d'un amas d'eau stable, qui est donnée par les calculs. Les glaces VII et VIII de la modification cubique, qui sont des formes ordonnées à basse température de la glace VII, ont une structure similaire avec des cadres de glace I insérés l'un dans l'autre. Avec une augmentation ultérieure de la pression, la distance entre les atomes d'oxygène dans le réseau cristallin des glaces VII et VIII diminuera, en conséquence, la structure de la glace X se forme, dans laquelle les atomes d'oxygène sont disposés dans un réseau régulier, et les protons sont ordonnés.

Riz. 7. Glace de configuration III.

La glace XI est formée par refroidissement profond de la glace I h avec addition d'alcali en dessous de 72 K à pression normale. Dans ces conditions, des défauts de cristaux d'hydroxyle se forment, permettant au cristal de glace en croissance de changer de structure. Ice XI a un réseau cristallin rhombique avec un arrangement ordonné de protons et se forme simultanément dans de nombreux centres de cristallisation à proximité des défauts hydroxyle du cristal.

Riz. 8. Configuration de la glace VI.

Parmi les glaces, on trouve également les formes métastables IV et XII, dont les durées de vie sont de quelques secondes, qui ont la plus belle structure (Fig. 9 et Fig. 10). Pour obtenir de la glace métastable, il est nécessaire de comprimer la glace I h à une pression de 1,8 GPa à la température de l'azote liquide. Ces glaces se forment beaucoup plus facilement et sont particulièrement stables lorsque de l'eau lourde surfondue est soumise à une pression. Une autre modification métastable, la glace IX, est formée lors de la surfusion de la glace III et est essentiellement sa forme à basse température.

Riz. neuf. Configuration Ice IV.

Riz. dix. Configuration glace XII.

Les deux dernières modifications de la glace - avec monoclinique XIII et configuration rhombique XIV ont été découvertes par des scientifiques d'Oxford (Grande-Bretagne) assez récemment - en 2006. L'hypothèse selon laquelle des cristaux de glace à réseaux monocliniques et rhombiques devaient exister était difficile à confirmer : la viscosité de l'eau à une température de -160 °C est très élevée, et il est difficile pour les molécules d'eau pure surfondue de se réunir en une telle quantité. qu'un noyau cristallin se forme. Ceci a été réalisé à l'aide d'un catalyseur - l'acide chlorhydrique, qui a augmenté la mobilité des molécules d'eau à basse température. Sur Terre, de telles modifications de la glace ne peuvent pas se former, mais elles peuvent exister dans l'espace sur des planètes refroidies et des satellites et comètes gelés. Ainsi, le calcul de la densité et des flux de chaleur depuis la surface des satellites de Jupiter et de Saturne permet d'affirmer que Ganymède et Callisto doivent avoir une coquille de glace dans laquelle alternent les glaces I, III, V et VI. À Titan, la glace ne forme pas une croûte, mais un manteau dont la couche interne est constituée de glace VI, d'autres glaces à haute pression et d'hydrates de clathrate, et la glace I h est située au-dessus.

Riz. Onze. Variété et forme des flocons de neige dans la nature

Haut dans l'atmosphère terrestre à basse température, l'eau cristallise à partir de tétraèdres, formant de la glace hexagonale I h . Le centre de formation des cristaux de glace est constitué de particules de poussière solides, qui sont soulevées dans la haute atmosphère par le vent. Les aiguilles se développent autour de ce microcristal embryonnaire de glace dans six directions symétriques, formées par des molécules d'eau individuelles, sur lesquelles se développent des processus latéraux - des dendrites. La température et l'humidité de l'air autour du flocon de neige sont les mêmes, il est donc initialement de forme symétrique. Au fur et à mesure que les flocons de neige se forment, ils s'enfoncent progressivement dans les basses couches de l'atmosphère, où les températures sont plus élevées. Ici, la fonte se produit et leur forme géométrique idéale est déformée, formant une variété de flocons de neige (Fig. 11).

Avec la fonte supplémentaire, la structure hexagonale de la glace est détruite et un mélange d'associés cycliques d'amas se forme, ainsi que de tri-, tétra-, penta-, hexamères d'eau (Fig. 12) et de molécules d'eau libres. L'étude de la structure des amas résultants est souvent très difficile, car, selon les données modernes, l'eau est un mélange de divers amas neutres (H 2 O) n et de leurs ions chargés [H 2 O] + n et [H 2 O] - n, qui sont en équilibre dynamique entre avec une durée de vie de 10 -11 -10 -12 secondes.

Riz. 12. Amas d'eau possibles (a-h) de composition (H 2 O) n, où n = 5-20.

Les clusters sont capables d'interagir les uns avec les autres en raison des faces saillantes des liaisons hydrogène, formant des structures polyédriques plus complexes, telles que l'hexaèdre, l'octaèdre, l'icosaèdre et le dodécaèdre. Ainsi, la structure de l'eau est associée aux solides dits platoniques (tétraèdre, hexaèdre, octaèdre, icosaèdre et dodécaèdre), du nom du philosophe et géomètre grec ancien Platon qui les a découverts, dont la forme est déterminée par le nombre d'or (Fig. 13).

Riz. 13. Solides platoniques dont la forme géométrique est déterminée par le nombre d'or.

Le nombre de sommets (B), de faces (G) et d'arêtes (P) dans tout polyèdre spatial est décrit par la relation :

C + D = P + 2

Le rapport du nombre de sommets (B) d'un polyèdre régulier au nombre d'arêtes (P) d'une de ses faces est égal au rapport du nombre de faces (G) d'un même polyèdre au nombre d'arêtes ( P) sortant d'un de ses sommets. Pour un tétraèdre, ce rapport est de 4:3, pour un hexaèdre (6 faces) et un octaèdre (8 faces) - 2:1, et pour un dodécaèdre (12 faces) et un icosaèdre (20 faces) - 4:1.

Les structures des amas d'eau polyédriques calculées par des scientifiques russes ont été confirmées à l'aide de méthodes d'analyse modernes : spectroscopie par résonance magnétique du proton, spectroscopie laser femtoseconde, diffraction des rayons X et des neutrons sur des cristaux d'eau. La découverte des amas d'eau et la capacité de l'eau à stocker des informations sont les deux découvertes les plus importantes du 21e millénaire. Cela prouve clairement que la nature est caractérisée par une symétrie sous la forme de formes et de proportions géométriques précises, caractéristiques des cristaux de glace.

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L'état tridimensionnel de l'eau liquide est difficile à étudier, mais beaucoup a été appris en analysant la structure des cristaux de glace. Quatre atomes d'oxygène voisins interagissant avec l'hydrogène occupent les sommets d'un tétraèdre (tétra = quatre, hédron = plan). L'énergie moyenne nécessaire pour rompre une telle liaison dans la glace est estimée à 23 kJ/mol -1 .

La capacité des molécules d'eau à former un nombre donné de chaînes d'hydrogène, ainsi que la résistance spécifiée, créent un point de fusion inhabituellement élevé. Lorsqu'il fond, il est retenu par de l'eau liquide dont la structure est irrégulière. La plupart des liaisons hydrogène sont déformées. Pour détruire le réseau cristallin de la glace avec une liaison hydrogène, une grande masse d'énergie sous forme de chaleur est nécessaire.

Caractéristiques de l'apparition de la glace (Ih)

Beaucoup d'habitants se demandent quel type de glace cristalline a. Il convient de noter que la densité de la plupart des substances augmente pendant la congélation, lorsque les mouvements moléculaires ralentissent et que des cristaux densément compactés se forment. La densité de l'eau augmente également lorsqu'elle se refroidit jusqu'à un maximum à 4°C (277K). Ensuite, lorsque la température descend en dessous de cette valeur, il se dilate.

Cette augmentation est due à la formation d'un cristal de glace ouvert à liaison hydrogène avec son réseau et sa densité inférieure, dans lequel chaque molécule d'eau est liée de manière rigide par l'élément ci-dessus et quatre autres valeurs, tout en se déplaçant assez rapidement pour avoir plus de masse. Depuis que cette action se produit, le liquide gèle de haut en bas. Cela a des résultats biologiques importants, grâce auxquels la couche de glace sur l'étang isole les êtres vivants du froid extrême. De plus, deux propriétés supplémentaires de l'eau sont liées à ses caractéristiques d'hydrogène : la capacité calorifique spécifique et l'évaporation.

Description détaillée des structures

Le premier critère est la quantité nécessaire pour élever la température de 1 gramme d'une substance de 1°C. L'élévation des degrés de l'eau nécessite une quantité de chaleur relativement importante car chaque molécule est impliquée dans de nombreuses liaisons hydrogène qui doivent être rompues pour que l'énergie cinétique augmente. Soit dit en passant, l'abondance de H 2 O dans les cellules et les tissus de tous les grands organismes multicellulaires signifie que les fluctuations de température à l'intérieur des cellules sont minimisées. Cette caractéristique est essentielle car le taux de la plupart des réactions biochimiques est sensible.

Également nettement plus élevé que de nombreux autres liquides. Une grande quantité de chaleur est nécessaire pour convertir ce corps en gaz, car les liaisons hydrogène doivent être rompues pour que les molécules d'eau se disloquent les unes des autres et entrent dans la phase spécifiée. Les corps changeants sont des dipôles permanents et peuvent interagir avec d'autres composés similaires et ceux qui s'ionisent et se dissolvent.

Les autres substances mentionnées ci-dessus ne peuvent entrer en contact que si la polarité est présente. C'est ce composé qui intervient dans la structure de ces éléments. De plus, il peut s'aligner autour de ces particules formées d'électrolytes, de sorte que les atomes d'oxygène négatifs des molécules d'eau soient orientés vers les cations, et les ions positifs et les atomes d'hydrogène soient orientés vers les anions.

Dans se forment, en règle générale, des réseaux cristallins moléculaires et atomiques. Autrement dit, si l'iode est construit de telle manière que I 2 y est présent, alors dans le dioxyde de carbone solide, c'est-à-dire dans la neige carbonique, les molécules de CO 2 sont situées aux nœuds du réseau cristallin. Lorsqu'elle interagit avec des substances similaires, la glace a un réseau cristallin ionique. Le graphite, par exemple, ayant une structure atomique à base de carbone, n'est pas capable de la modifier, tout comme le diamant.

Ce qui se passe lorsqu'un cristal de sel de table se dissout dans l'eau, c'est que les molécules polaires sont attirées par les éléments chargés du cristal, ce qui conduit à la formation de particules similaires de sodium et de chlorure à sa surface, à la suite de quoi ces corps se disloquent. les uns des autres, et il commence à se dissoudre. De là, on peut observer que la glace a un réseau cristallin avec une liaison ionique. Chaque Na + dissous attire les extrémités négatives de plusieurs molécules d'eau, tandis que chaque Cl - dissous attire les extrémités positives. La coquille entourant chaque ion est appelée la sphère d'échappement et contient généralement plusieurs couches de particules de solvant.

Les variables ou un ion entouré d'éléments sont dits sulfatés. Lorsque le solvant est l'eau, ces particules sont hydratées. Ainsi, toute molécule polaire a tendance à être solvatée par les éléments du corps liquide. Dans la neige carbonique, le type de réseau cristallin forme des liaisons atomiques à l'état d'agrégation, qui sont inchangées. Une autre chose est la glace cristalline (eau gelée). Les composés organiques ioniques tels que la carboxylase et les amines protonées doivent être solubles dans les groupes hydroxyle et carbonyle. Les particules contenues dans de telles structures se déplacent entre les molécules et leurs systèmes polaires forment des liaisons hydrogène avec ce corps.

Bien entendu, le nombre des derniers groupes mentionnés dans la molécule affecte sa solubilité, qui dépend également de la réaction de diverses structures dans l'élément: par exemple, les alcools à un, deux et trois carbones sont miscibles à l'eau, mais plus gros les hydrocarbures avec des composés hydroxylés simples sont beaucoup moins dilués dans les liquides.

L'hexagone Ih a une forme similaire à celle du réseau cristallin atomique. Pour la glace et toute la neige naturelle sur Terre, cela ressemble exactement à ceci. Ceci est mis en évidence par la symétrie du réseau cristallin de glace, issu de la vapeur d'eau (c'est-à-dire des flocons de neige). C'est dans le groupe d'espace P 63/mm de 194 ; D 6h, classe Laue 6/mm; similaire à β-, qui a un multiple de 6 axes hélicoïdaux (rotation autour en plus de se déplacer le long de celui-ci). Il a une structure à faible densité assez ouverte où l'efficacité est faible (~ 1/3) par rapport aux structures cubiques simples (~ 1/2) ou cubiques à faces centrées (~ 3/4).

Comparé à la glace ordinaire, le réseau cristallin de la neige carbonique, lié par des molécules de CO 2 , est statique et ne change que lorsque les atomes se désintègrent.

Description des réseaux et de leurs éléments constitutifs

Les cristaux peuvent être considérés comme des modèles cristallins constitués de feuilles empilées les unes sur les autres. La liaison hydrogène est ordonnée, alors qu'en réalité elle est aléatoire, puisque les protons peuvent se déplacer entre les molécules d'eau (glace) à des températures supérieures à environ 5 K. En effet, il est probable que les protons se comportent comme un fluide quantique dans un flux tunnel constant. Ceci est renforcé par la diffusion des neutrons, montrant leur densité de diffusion à mi-chemin entre les atomes d'oxygène, indiquant la localisation et le mouvement coordonné. Ici, il y a une similitude entre la glace et un réseau cristallin atomique et moléculaire.

Les molécules ont une disposition étagée de la chaîne hydrogène par rapport à leurs trois voisins dans le plan. Le quatrième élément a un arrangement de liaisons hydrogène éclipsées. Il y a un léger écart par rapport à la symétrie hexagonale parfaite, comme 0,3% plus court dans le sens de cette chaîne. Toutes les molécules connaissent les mêmes environnements moléculaires. À l'intérieur de chaque "boîte", il y a suffisamment d'espace pour contenir des particules d'eau interstitielle. Bien qu'ils ne soient généralement pas pris en compte, ils ont récemment été efficacement détectés par diffraction neutronique du réseau cristallin poudreux de la glace.

Changer de substances

Le corps hexagonal a des points triples avec de l'eau liquide et gazeuse 0,01 ° C, 612 Pa, des éléments solides - trois -21,985 ° C, 209,9 MPa, onze et deux -199,8 ° C, 70 MPa et -34,7 ° C, 212,9 MPa. La constante diélectrique de la glace hexagonale est de 97,5.

La courbe de fusion de cet élément est donnée en MPa. Les équations d'état sont disponibles, en plus de celles-ci, quelques inégalités simples reliant l'évolution des propriétés physiques à la température de la glace hexagonale et de ses suspensions aqueuses. La dureté fluctue avec les degrés passant du gypse ou en dessous (≤2) à 0°C au feldspath (6 à -80°C, un changement anormalement important de la dureté absolue (>24 fois).

Le réseau cristallin hexagonal de glace forme des plaques et des colonnes hexagonales, où les faces supérieure et inférieure sont les plans de base (0 0 0 1) avec une enthalpie de 5,57 μJ cm -2, et les autres faces latérales équivalentes sont appelées parties du prisme (1 0 -1 0) avec 5,94 µJ cm -2 . Des surfaces secondaires (1 1 -2 0) avec 6,90 μJ ˣ cm -2 peuvent être formées le long des plans formés par les côtés des structures.

Une telle structure montre une diminution anormale de la conductivité thermique avec l'augmentation de la pression (ainsi que de la glace cubique et amorphe de faible densité), mais diffère de la plupart des cristaux. Cela est dû à une modification de la liaison hydrogène, qui réduit la vitesse transversale du son dans le réseau cristallin de la glace et de l'eau.

Il existe des méthodes décrivant comment préparer de grands échantillons de cristaux et toute surface de glace souhaitée. On suppose que la liaison hydrogène à la surface du corps hexagonal étudié sera plus ordonnée qu'à l'intérieur du système en vrac. La spectroscopie variationnelle avec génération de fréquence de réseau de phase a montré qu'il existe une asymétrie structurelle entre les deux couches supérieures (L1 et L2) dans la chaîne HO souterraine de la surface basale de la glace hexagonale. Les liaisons hydrogène retenues dans les couches supérieures des hexagones (L1 O ··· HO L2) sont plus fortes que celles retenues dans la seconde couche à l'accumulation supérieure (L1 OH ··· O L2). Des structures interactives de glace hexagonale sont disponibles.

Fonctionnalités de développement

Le nombre minimum de molécules d'eau requises pour la nucléation de la glace est d'environ 275 ± 25, comme pour un groupe icosaédrique complet de 280. La formation se produit à un facteur de 10 10 à l'interface air-eau, pas dans l'eau en vrac. La croissance des cristaux de glace dépend de différents taux de croissance de différentes énergies. L'eau doit être protégée du gel lors de la cryoconservation d'échantillons biologiques, d'aliments et d'organes.

Ceci est généralement réalisé par des taux de refroidissement rapides, l'utilisation de petits échantillons et d'un cryoconservateur, et une pression accrue pour nucléer la glace et prévenir les dommages cellulaires. L'énergie libre de la glace/liquide augmente de ~30 mJ/m2 à pression atmosphérique à 40 mJ/m -2 à 200 MPa, indiquant la raison pour laquelle cet effet se produit.

Alternativement, ils peuvent se développer plus rapidement à partir des surfaces prismatiques (S2), sur la surface perturbée au hasard des lacs surgelés ou agités. La croissance des faces (1 1 -2 0) est au moins la même, mais les transforme en bases de prisme. Les données sur le développement du cristal de glace ont été entièrement étudiées. Les taux de croissance relatifs des éléments de différentes faces dépendent de la capacité à former un degré élevé d'hydratation des articulations. La température (basse) de l'eau environnante détermine le degré de ramification du cristal de glace. La croissance des particules est limitée par la vitesse de diffusion à un faible degré de surfusion, c'est-à-dire<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Mais limité par la cinétique de développement à des niveaux plus élevés de dépression> 4 ° C, entraînant une croissance en forme d'aiguille. Cette forme est similaire à la neige carbonique (a un réseau cristallin avec une structure hexagonale), différentes caractéristiques de développement de surface et la température de l'eau environnante (surfondue) qui se trouve derrière les formes plates de flocon de neige.

La formation de glace dans l'atmosphère influence profondément la formation et les propriétés des nuages. Les feldspaths, trouvés dans la poussière du désert qui pénètre dans l'atmosphère en millions de tonnes par an, sont d'importants formateurs. La modélisation informatique a montré que cela est dû à la nucléation de plans de cristaux de glace prismatiques sur des plans de surface à haute énergie.

Quelques autres éléments et réseaux

Les solutés (à l'exception de très petits hélium et hydrogène, qui peuvent pénétrer dans les interstices) ne peuvent pas être incorporés dans la structure Ih à la pression atmosphérique, mais sont déplacés vers la surface ou la couche amorphe entre les particules du corps microcristallin. Il existe d'autres éléments sur les sites de réseau de la neige carbonique : des ions chaotropes tels que NH 4 + et Cl - , qui sont inclus dans la congélation plus facile du liquide que d'autres cosmotropes, tels que Na + et SO 4 2- , donc leur élimination est impossible, du fait qu'ils forment un film mince du liquide restant entre les cristaux. Cela peut conduire à une charge électrique de la surface due à la dissociation de l'eau de surface équilibrant les charges restantes (ce qui peut également conduire à un rayonnement magnétique) et à une modification du pH des films liquides résiduels, par exemple, NH 4 2 SO 4 devient plus acide et NaCl devient plus basique.

Ils sont perpendiculaires aux faces du réseau cristallin de glace, montrant la couche suivante attachée (avec des atomes O-noirs). Ils se caractérisent par une surface basale à croissance lente (0 0 0 1), où seules des molécules d'eau isolées sont fixées. Surface à croissance rapide (1 0 -1 0) d'un prisme où des paires de particules nouvellement fixées peuvent se lier les unes aux autres avec de l'hydrogène (une liaison hydrogène/deux molécules d'un élément). La face à croissance la plus rapide (1 1 -2 0) (prismatique secondaire), où les chaînes de particules nouvellement attachées peuvent interagir les unes avec les autres par liaison hydrogène. L'une de ses molécules de chaîne / élément est une forme qui forme des crêtes qui divisent et encouragent la transformation en deux côtés du prisme.

Entropie du point zéro

Koˣ Ln ( N

Les scientifiques et leurs travaux dans ce domaine

Peut être défini comme S 0 = Koˣ Ln ( N E0), où k B est la constante de Boltzmann, N E est le nombre de configurations à l'énergie E, et E0 est l'énergie la plus basse. Cette valeur de l'entropie de la glace hexagonale à zéro kelvin ne viole pas la troisième loi de la thermodynamique "L'entropie d'un cristal idéal au zéro absolu est exactement zéro", puisque ces éléments et particules ne sont pas idéaux, ont une liaison hydrogène désordonnée.

Dans ce corps, la liaison hydrogène est aléatoire et change rapidement. Ces structures ne sont pas exactement égales en énergie, mais s'étendent à un très grand nombre d'états énergétiquement proches, obéissant aux "règles de la glace". L'entropie du point zéro est le désordre qui subsisterait même si le matériau pouvait être refroidi au zéro absolu (0 K = -273,15 °C). Génère une confusion expérimentale pour la glace hexagonale 3.41 (± 0.2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Théoriquement, il serait possible de calculer l'entropie zéro des cristaux de glace connus avec une précision beaucoup plus grande (en négligeant les défauts et la propagation du niveau d'énergie) que de la déterminer expérimentalement.

Bien que l'ordre des protons dans la glace en vrac ne soit pas ordonné, la surface préfère probablement l'ordre de ces particules sous la forme de bandes d'atomes H suspendus et de paires simples O (entropie nulle avec des liaisons hydrogène ordonnées). On trouve le désordre du point zéro ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 et autres. De tout ce qui précède, il est clair et compréhensible quels types de réseaux cristallins sont caractéristiques de la glace.

S'il y a des molécules non polaires d'une certaine substance aux nœuds du réseau cristallin (comme iode je 2, oxygène Environ 2 ou azote N 2), alors ils ne ressentent aucune "sympathie" électrique l'un pour l'autre. En d'autres termes, leurs molécules ne doivent pas être attirées par des forces électrostatiques. Et pourtant, quelque chose les maintient ensemble. Quoi exactement?

Il s'avère qu'à l'état solide, ces molécules se rapprochent tellement les unes des autres que des réactions instantanées (bien que très faibles) commencent dans leurs nuages d'électrons. biais- condensation et raréfaction des nuages d'électrons. Au lieu de particules non polaires, des "dipôles instantanés" apparaissent, qui peuvent déjà être attirés les uns vers les autres de manière électrostatique. Cependant, cette attraction est très faible. Par conséquent, les réseaux cristallins des substances non polaires sont fragiles et n'existent qu'à de très basses températures, dans le froid "cosmique".

Les astronomes ont en effet découvert des corps célestes - des comètes, des astéroïdes, voire des planètes entières, constitués de corps gelés azote, oxygène et d'autres substances qui, dans des conditions terrestres ordinaires, existent sous forme de gaz et deviennent solides dans l'espace interplanétaire.

	De nombreuses substances simples et complexes avec moléculaire le réseau cristallin est bien connu de tous. Il s'agit par exemple d'un cristallin iode je 2:
C'est ainsi que le réseau cristallin est construit iode: il est constitué de molécules d'iode (chacune d'elles contient deux atomes d'iode).
	Et ces molécules sont assez lâchement liées entre elles. C'est pourquoi l'iode cristallin est si volatil et même avec le moindre chauffage, il s'évapore, se transformant en iode gazeux - une belle vapeur violette.

Quelles substances courantes réseau cristallin moléculaire?

L'eau cristalline (glace) est constituée de molécules polaires l'eau H2O.
Les cristaux de "glace sèche" utilisés pour refroidir la crème glacée sont également des cristaux moléculaires. gaz carbonique CO2.
Un autre exemple est le sucre, qui forme des cristaux à partir de molécules saccharose.

Lorsqu'il y a des molécules d'une substance aux nœuds du réseau cristallin, les liaisons entre elles ne sont pas très fortes, même si ces molécules sont polaires.
Par conséquent, pour faire fondre de tels cristaux ou évaporer des substances à structure cristalline moléculaire, il n'est pas nécessaire de les chauffer au rouge.
Déjà à 0 °C, la structure cristalline glace se décompose et devient l'eau. Et la "glace sèche" ne fond pas à la pression normale, mais se transforme immédiatement en gaz gaz carbonique- exalté.

Une autre chose est des substances avec atomique un réseau cristallin, où chaque atome est relié à ses voisins par des liaisons covalentes très fortes, et le cristal entier dans son ensemble, si on le souhaite, peut être considéré comme une énorme molécule.

Pour un exemple, considérons cristal de diamant, qui est composé d'atomes carbone.

	Atome carbone À PARTIR DE, qui contient deux non appariés R -l'électron se transforme en atome carbone À PARTIR DE, où les quatre électrons du niveau de valence externe sont situés sur des orbites un par un et capable de former des liaisons chimiques. Les chimistes appellent un tel atome " excité*".
Dans ce cas, il y a jusqu'à quatre liaisons chimiques, et toutes très résistant. non sans raison diamant - la substance la plus dure dans la nature et depuis des temps immémoriaux est considéré comme le roi de toutes les gemmes et pierres précieuses. Et son nom même signifie en grec "indestructible".
	De cristaux facettés diamant des diamants sont obtenus, qui ornent des bijoux coûteux

Les plus beaux diamants trouvés par l'homme ont leur propre histoire, parfois tragique. Lire >>>

Mais diamant va pas seulement sur les décorations. Ses cristaux sont utilisés dans des outils pour traiter les matériaux les plus durs, percer dans les roches, couper et tailler le verre et le cristal.

Réseau cristallin de diamant (à gauche) et de graphite (à droite)

Graphite la même composition carbone, mais sa structure de réseau cristallin n'est pas la même que celle du diamant. DANS graphite les atomes de carbone sont disposés en couches, à l'intérieur desquelles la connexion des atomes de carbone est similaire à un nid d'abeilles. Ces couches sont beaucoup plus faiblement liées que les atomes de carbone de chaque couche. Voilà pourquoi graphite facilement stratifiés en échelles, et ils peuvent écrire. Il est utilisé pour la fabrication de crayons, ainsi qu'un lubrifiant sec adapté aux pièces de machines fonctionnant à des températures élevées. Outre, graphite conduit bien l'électricité et les électrodes en sont faites.

Peut un bon marché graphite devenir précieux diamant? C'est possible, mais cela nécessitera une pression incroyablement élevée (plusieurs milliers d'atmosphères) et une température élevée (un millier et demi de degrés).
Beaucoup plus facile à gâcher diamant: il suffit de le chauffer sans accès d'air à 1500°C, et la structure cristalline diamant se transformer en une structure moins ordonnée graphite.

Structure cristalline de la glace : les molécules d'eau sont reliées en hexagones réguliers Réseau cristallin de la glace : Les molécules d'eau H 2 O (boules noires) dans ses nœuds sont disposées de sorte que chacune ait quatre voisines. La molécule d'eau (au centre) est liée à l'hydrogène aux quatre molécules voisines les plus proches. La glace est une modification cristalline de l'eau. Selon les dernières données, la glace a 14 modifications structurelles. Parmi eux, il existe à la fois des modifications cristallines (elles sont majoritaires) et amorphes, mais elles diffèrent toutes les unes des autres par l'arrangement mutuel des molécules d'eau et leurs propriétés. Certes, tout, à l'exception de la glace habituelle qui cristallise dans la syngonie hexagonale, se forme dans des conditions exotiques à des températures très basses et à des pressions élevées, lorsque les angles des liaisons hydrogène dans la molécule d'eau changent et que des systèmes autres qu'hexagonaux se forment. De telles conditions rappellent les conditions cosmiques et ne se trouvent pas sur Terre. Par exemple, à des températures inférieures à -110 °C, la vapeur d'eau se précipite sur une plaque métallique sous forme d'octaèdres et de cubes de quelques nanomètres de taille, c'est ce qu'on appelle la glace cubique. Si la température est légèrement supérieure à -110 °C et que la concentration de vapeur est très faible, une couche de glace amorphe exceptionnellement dense se forme sur la plaque. La propriété la plus inhabituelle de la glace est l'étonnante variété de manifestations externes. Avec la même structure cristalline, il peut sembler complètement différent, prenant la forme de grêlons et de glaçons transparents, de flocons de neige pelucheux, d'une croûte de glace dense et brillante ou de masses glaciaires géantes.

Un flocon de neige est un monocristal de glace - une sorte de cristal hexagonal, mais qui grossit rapidement, dans des conditions de non-équilibre. Les scientifiques luttent depuis des siècles avec le secret de leur beauté et de leur variété infinie. La vie d'un flocon de neige commence par la formation de noyaux de glace cristalline dans un nuage de vapeur d'eau lorsque la température baisse. Le centre de cristallisation peut être des particules de poussière, n'importe quelles particules solides, ou même des ions, mais dans tous les cas, ces particules de glace plus petites qu'un dixième de millimètre ont déjà un réseau cristallin hexagonal.La vapeur d'eau, se condensant à la surface de ces noyaux, forme d'abord un minuscule prisme hexagonal, à partir des six coins duquel nous commençons à faire pousser des processus latéraux d'aiguilles de glace identiques, parce que la température et l'humidité autour de l'embryon sont également les mêmes. Sur eux, à leur tour, poussent, comme sur un arbre, des branches latérales de la branche. Ces cristaux sont appelés dendrites, c'est-à-dire semblables à un arbre. Se déplaçant de haut en bas dans le nuage, le flocon de neige entre dans des conditions de températures et de concentrations de vapeur d'eau différentes. Sa forme change, jusqu'au bout obéissant aux lois de la symétrie hexagonale. Ainsi, les flocons de neige deviennent différents. Jusqu'à présent, il n'a pas été possible de trouver deux flocons de neige identiques parmi les flocons de neige.

La couleur de la glace dépend de son âge et peut être utilisée pour évaluer sa résistance. La glace de l'océan est blanche la première année de sa vie car elle est saturée de bulles d'air, sur les parois desquelles la lumière se réfléchit immédiatement, avant d'être absorbée. En été, la surface de la glace fond, perd de sa solidité et sous le poids des nouvelles couches qui se trouvent sur le dessus, les bulles d'air rétrécissent et disparaissent complètement. La lumière à l'intérieur de la glace parcourt une plus grande distance qu'auparavant et émerge sous une teinte bleu-vert. La glace bleue est plus ancienne, plus dense et plus résistante que la glace blanche « mousseuse » saturée d'air. Les explorateurs polaires le savent et choisissent des banquises bleues et vertes fiables pour leurs bases flottantes, leurs stations scientifiques et leurs aérodromes de glace. Il y a des icebergs noirs. Le premier rapport de presse à leur sujet est paru en 1773. La couleur noire des icebergs est causée par l'activité des volcans - la glace est recouverte d'une épaisse couche de poussière volcanique, qui n'est pas emportée même par l'eau de mer. La glace n'est pas aussi froide. Il y a de la glace très froide, avec une température d'environ moins 60 degrés, c'est la glace de certains glaciers antarctiques. La glace des glaciers du Groenland est beaucoup plus chaude. Sa température est d'environ moins 28 degrés. De la "glace chaude" (avec une température d'environ 0 degré) se trouve sur les sommets des Alpes et des montagnes scandinaves.

La masse volumique de l'eau est maximale à +4 C et est égale à 1 g/ml, elle diminue lorsque la température diminue. Lorsque l'eau cristallise, la densité diminue fortement, pour la glace, elle est égale à 0,91 g / cm 3. De ce fait, la glace est plus légère que l'eau et lorsque les masses d'eau gèlent, la glace s'accumule sur le dessus et une eau plus dense avec une température de 4 ̊ C apparaît au fond des masses d'eau Mauvaise conductivité thermique de la glace et La couverture de neige qui la recouvre protège les masses d'eau du gel jusqu'au fond et crée ainsi les conditions de vie des habitants des masses d'eau en hiver.

Les glaciers, les calottes glaciaires, le pergélisol, l'enneigement saisonnier affectent considérablement le climat de grandes régions et de la planète dans son ensemble : même ceux qui n'ont jamais vu la neige sentent le souffle de ses masses accumulées aux pôles de la Terre, par exemple, sous la forme de fluctuations à long terme du niveau de l'océan mondial. La glace est si importante pour l'apparence de notre planète et l'habitation confortable des êtres vivants que les scientifiques lui ont attribué un environnement spécial - la cryosphère, qui étend ses possessions haut dans l'atmosphère et profondément dans la croûte terrestre. La glace naturelle est généralement beaucoup plus propre que l'eau car la solubilité des substances (sauf NH4F) dans la glace est extrêmement faible. Les réserves totales de glace sur Terre sont d'environ 30 millions de km 3. La majeure partie de la glace est concentrée en Antarctique, où l'épaisseur de sa couche atteint 4 km.