Vrste kristalnih rešetki. Kristalne rešetke Na čvorovima kristalne rešetke suhog leda nalaze se

Kemija je nevjerojatna znanost. Toliko nevjerojatnog može se pronaći u naizgled običnim stvarima.

Sve materijalno što nas svugdje okružuje postoji u nekoliko agregatnih stanja: plinovi, tekućine i krute tvari. Znanstvenici su izolirali i 4. - plazmu. Na određenoj temperaturi tvar može prijeći iz jednog stanja u drugo. Na primjer, voda: kada se zagrije iznad 100, iz tekućeg se oblika pretvara u paru. Na temperaturama ispod 0 prelazi u sljedeću agregatnu strukturu – led.

U kontaktu s

Cijeli materijalni svijet u svom sastavu ima masu identičnih čestica koje su međusobno povezane. Ti najmanji elementi strogo su raspoređeni u prostoru i čine tzv. prostorni okvir.

Definicija

Kristalna rešetka je posebna struktura čvrste tvari, u kojoj su čestice u geometrijski strogom redu u prostoru. U njemu je moguće detektirati čvorove – mjesta na kojima se nalaze elementi: atomi, ioni i molekule te internodalni prostor.

Čvrste tvari, ovisno o rasponu visokih i niskih temperatura, su kristalni ili amorfni - karakterizira ih odsutnost specifične točke taljenja. Kada su izloženi povišenim temperaturama, omekšaju i postupno prelaze u tekući oblik. Takve tvari uključuju: smolu, plastelin.

S tim u vezi, može se podijeliti u nekoliko vrsta:

• atomski;
• ionski;
• molekularni;
• metal.

Ali pri različitim temperaturama, jedna tvar može imati različite oblike i pokazati različita svojstva. Taj se fenomen naziva alotropska modifikacija.

Atomski tip

U ovoj vrsti atomi jedne ili druge tvari nalaze se na čvorovima, koji su povezani kovalentnim vezama. Ovu vrstu veze tvori par elektrona dva susjedna atoma. Zbog toga su povezani ravnomjerno i u strogom redoslijedu.

Tvari s atomskom kristalnom rešetkom karakteriziraju sljedeća svojstva: čvrstoća i visoka točka taljenja. Ova vrsta veze prisutna je u dijamantu, siliciju i boru..

Ionski tip

Suprotno nabijeni ioni nalaze se na čvorovima koji stvaraju elektromagnetsko polje koje karakterizira fizička svojstva tvari. To će uključivati: električnu vodljivost, vatrostalnost, gustoću i tvrdoću. Kuhinjska sol i kalijev nitrat karakteriziraju prisutnost ionske kristalne rešetke.

Ne propustite: Mehanizam obrazovanja, Studije slučaja.

Molekularni tip

U mjestima ovog tipa postoje ioni povezani van der Waalsovim silama. Zbog slabih međumolekularnih veza, takve tvari, na primjer, led, ugljični dioksid i parafin, karakteriziraju plastičnost, električna i toplinska vodljivost.

metalna vrsta

Po svojoj strukturi podsjeća na molekularnu, ali ipak ima jače veze. Razlika ovog tipa je u tome što se na njegovim čvorovima nalaze pozitivno nabijeni kationi. Elektroni koji se nalaze u međuprostoru prostor, sudjeluju u stvaranju električnog polja. Nazivaju se i električnim plinom.

Jednostavne metale i legure karakterizira tip metalne rešetke. Karakterizira ih prisutnost metalnog sjaja, plastičnosti, toplinske i električne vodljivosti. Mogu se topiti na različitim temperaturama.

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

napomena Važnost leda u održavanju života na našem planetu ne može se podcijeniti. Led ima veliki utjecaj na životne uvjete i život biljaka i životinja te na različite oblike čovjekove gospodarske djelatnosti. Pokrivajući vodu, led zbog svoje male gustoće igra ulogu plutajućeg paravana u prirodi, štiteći rijeke i akumulacije od daljnjeg smrzavanja i čuvajući život podvodnih stanovnika. Korištenje leda u različite svrhe (zadržavanje snijega, uređenje ledenih prijelaza i izotermnih skladišta, polaganje leda skladišnih objekata i mina) predmet je niza odjeljaka hidrometeoroloških i inženjerskih znanosti, kao što su tehnologija leda, tehnologija snijega, inženjerstvo. permafrost, kao i djelatnost posebnih službi za izviđanje leda, transport ledoloma i čišćenje snijega. Prirodni led služi za pohranjivanje i hlađenje prehrambenih proizvoda, bioloških i medicinskih pripravaka, za koje se posebno proizvodi i bere, a otopljena voda pripremljena topljenjem leda koristi se u narodnoj medicini za pojačavanje metabolizma i uklanjanje toksina iz organizma. Članak upoznaje čitatelja s novim malo poznatim svojstvima i modifikacijama leda.

Led je kristalni oblik vode, koji prema posljednjim podacima ima četrnaest strukturnih modifikacija. Među njima postoje i kristalne (prirodni led) i amorfne (kubični led) i metastabilne modifikacije koje se međusobno razlikuju po međusobnom rasporedu i fizičkim svojstvima molekula vode povezanih vodikovim vezama koje tvore kristalnu rešetku leda. Svi oni, osim poznatog prirodnog leda I h, koji kristalizira u heksagonalnoj rešetki, nastaju u egzotičnim uvjetima - pri vrlo niskim temperaturama suhog leda i tekućeg dušika i visokim pritiscima od tisuća atmosfera, kada se kutovi vodikovih veza u molekuli vode se mijenja i nastaju kristalni sustavi koji se razlikuju od heksagonalnih. Takvi uvjeti podsjećaju na kozmičke uvjete i ne nalaze se na Zemlji.

U prirodi je led uglavnom predstavljen jednom kristalnom vrstom koja kristalizira u heksagonalnoj rešetki nalik dijamantnoj strukturi, gdje je svaka molekula vode okružena s četiri najbliže molekule, koje se nalaze na istoj udaljenosti od nje, jednakoj 2,76 angstroma i smještene na vrhovi pravilnog tetraedra. Zbog niskog koordinacijskog broja, struktura leda je mrežasta, što utječe na njegovu nisku gustoću, koja iznosi 0,931 g/cm 3 .

Najneobičnije svojstvo leda je nevjerojatna raznolikost vanjskih manifestacija. S istom kristalnom strukturom može izgledati potpuno drugačije, u obliku prozirne tuče i ledenica, pahuljastih snježnih pahuljica, guste sjajne kore leda ili divovskih ledenjačkih masa. Led se u prirodi javlja u obliku kontinentalnog, plutajućeg i podzemnog leda, kao i u obliku snijega i inja. Rasprostranjena je u svim područjima ljudskog stanovanja. Skupljajući se u velikim količinama, snijeg i led tvore posebne strukture s bitno drugačijim svojstvima od pojedinačnih kristala ili snježnih pahuljica. Prirodni led nastaje uglavnom od leda sedimentno-metamorfnog podrijetla, nastalog od čvrstih atmosferskih oborina kao rezultat naknadnog zbijanja i prekristalizacije. Karakteristična karakteristika prirodnog leda je granularnost i trakavost. Zrnatost je posljedica procesa rekristalizacije; svako zrno glacijalnog leda je kristal nepravilnog oblika koji usko graniči s drugim kristalima u ledenoj masi na način da izbočine jednog kristala čvrsto pristaju u udubljenja drugog. Takav led naziva se polikristalni. U njemu je svaki kristal leda sloj najtanjih listova koji se međusobno preklapaju u bazalnoj ravnini, okomito na smjer optičke osi kristala.

Ukupne rezerve leda na Zemlji procjenjuju se na oko 30 milijuna tona. km 3(Stol 1). Većina leda koncentrirana je na Antarktiku, gdje debljina njegovog sloja doseže 4 km. Također postoje dokazi o prisutnosti leda na planetima Sunčevog sustava i u kometima. Led je toliko važan za klimu našeg planeta i stanovanje živih bića na njemu da su znanstvenici odredili posebno okruženje za led - kriosferu, čije se granice protežu visoko u atmosferu i duboko u zemljinu koru.

Tab. jedan. Količina, raspodjela i vijek trajanja leda.

• Vrsta leda; Težina; Područje distribucije; Prosječna koncentracija, g/cm2; Stopa povećanja tjelesne težine, g/god; Prosječno vrijeme života, godina
• G; %; milijuna km2; %
• Ledenjaci; 2,4 1022; 98,95; 16.1; 10,9 sushi; 1,48 105; 2,5 1018; 9580
• podzemni led; 2 1020; 0,83; 21; 14,1 sushi; 9,52 103; 6 1018; 30-75 (prikaz, stručni).
• morski led; 3,5 1019; 0,14; 26; 7,2 oceani; 1,34 102; 3,3 1019; 1.05
• Snježni pokrivač; 1,0 1019; 0,04; 72,4; 14.2 Zemlje; 14,5; 2 1019; 0,3-0,5
• sante leda; 7,6 1018; 0,03; 63,5; 18,7 ocean; 14.3; 1,9 1018; 4.07
• atmosferski led; 1,7 1018; 0,01; 510,1; 100 Zemlja; 3,3 10-1; 3,9 1020; 4 10-3

Kristali leda jedinstveni su po svom obliku i proporcijama. Svaki rastući prirodni kristal, uključujući i ledeni kristal leda, uvijek nastoji stvoriti idealnu, pravilnu kristalnu rešetku, budući da je to korisno s gledišta minimuma njegove unutarnje energije. Bilo kakve nečistoće, kao što je poznato, iskrivljuju oblik kristala, stoga se tijekom kristalizacije vode molekule vode prije svega ugrađuju u rešetku, a strani atomi i molekule nečistoća istiskuju se u tekućinu. I tek kada nečistoće nemaju kamo otići, kristal leda ih počinje ugrađivati ​​u svoju strukturu ili ih ostavlja u obliku šupljih kapsula s koncentriranom tekućinom koja ne smrzava – salamuri. Stoga je morski led svjež, a čak su i najprljavija vodena tijela prekrivena prozirnim i čistim ledom. Kada se led topi, istiskuje nečistoće u salamuru. Na planetarnoj razini, fenomen smrzavanja i odmrzavanja vode, zajedno s isparavanjem i kondenzacijom vode, igra ulogu gigantskog procesa čišćenja u kojem se voda na Zemlji neprestano pročišćava.

Tab. 2. Neka fizička svojstva leda I.

Vlasništvo

Značenje

Bilješka

Toplinski kapacitet, cal/(g °C) Toplina taljenja, cal/g Toplina isparavanja, cal/g

0,51 (0°C) 79,69 677

Snažno opada sa smanjenjem temperature

Koeficijent toplinske ekspanzije, 1/°C

9,1 10-5 (0°C)

Polikristalni led

Toplinska vodljivost, cal/(cm sec °C)

4,99 10 -3

Polikristalni led

Indeks loma:

1,309 (-3°C)

Polikristalni led

Specifična električna vodljivost, ohm-1 cm-1

10-9 (0°C)

Prividna energija aktivacije 11 kcal/mol

Površinska električna vodljivost, ohm-1

10-10 (-11°C)

Prividna energija aktivacije 32 kcal/mol

Youngov modul elastičnosti, dina/cm2

9 1010 (-5 °C)

Polikristalni led

Otpor, MN/m2: smicanje pri lomljenju

2,5 1,11 0,57

polikristalni led polycrystalline ice polikristalni led

Dinamička viskoznost, staloženost

Polikristalni led

Energija aktivacije tijekom deformacije i mehaničke relaksacije, kcal/mol

Linearno raste za 0,0361 kcal/(mol °C) od 0 do 273,16 K

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

Zbog široke rasprostranjenosti leda na Zemlji, razlika u fizikalnim svojstvima leda (tablica 2) od svojstava drugih tvari igra važnu ulogu u mnogim prirodnim procesima. Led ima mnoga druga svojstva i anomalije za održavanje života - anomalije u gustoći, tlaku, volumenu i toplinskoj vodljivosti. Da ne postoje vodikove veze koje povezuju molekule vode u kristal, led bi se otopio na -90 °C. Ali to se ne događa zbog prisutnosti vodikovih veza između molekula vode. Zbog svoje manje gustoće od vode, led tvori plutajući pokrivač na površini vode, koji štiti rijeke i akumulacije od smrzavanja dna, budući da je njegova toplinska vodljivost mnogo manja od vode. Istodobno, najmanja gustoća i volumen opaženi su na +3,98 °C (slika 1). Daljnje hlađenje vode na 0 0 C postupno ne dovodi do smanjenja, već do povećanja njezina volumena za gotovo 10%, kada se voda pretvara u led. Ovakvo ponašanje vode ukazuje na istovremeno postojanje dvije ravnotežne faze u vodi - tekuće i kvazikristalne, po analogiji s kvazikristalima, čija kristalna rešetka ne samo da ima periodičnu strukturu, već ima i osi simetrije različitog reda, tj. čije je postojanje prije bilo u suprotnosti s idejama kristalografa. Ova teorija, koju je prvi iznio poznati domaći teorijski fizičar Ya. I. Frenkel, temelji se na pretpostavci da neke od molekula tekućine tvore kvazikristalnu strukturu, dok su ostale molekule poput plina, slobodno krećući se kroz volumen. Raspodjela molekula u malom susjedstvu bilo koje fiksne molekule vode ima određeni red, donekle podsjeća na kristalni, iako je labaviji. Zbog toga se struktura vode ponekad naziva kvazikristalna ili kristalna, tj. ima simetriju i prisutnost reda u međusobnom rasporedu atoma ili molekula.

Riža. jedan. Ovisnost specifičnog volumena leda i vode o temperaturi

Još jedno svojstvo je da je brzina protoka leda izravno proporcionalna energiji aktivacije i obrnuto proporcionalna apsolutnoj temperaturi, tako da se smanjenjem temperature led po svojim svojstvima približava apsolutno čvrstom tijelu. U prosjeku, na temperaturi blizu taljenja, fluidnost leda je 10 6 puta veća od one stijena. Led se zbog svoje tečnosti ne nakuplja na jednom mjestu, već se neprestano kreće u obliku ledenjaka. Odnos između brzine strujanja i naprezanja u polikristalnom ledu je hiperboličan; uz njegov približan opis jednadžbom snage, eksponent raste kako raste napon.

Led praktički ne apsorbira vidljivu svjetlost, budući da svjetlosne zrake prolaze kroz ledeni kristal, ali blokira ultraljubičasto zračenje i većinu infracrvenog zračenja Sunca. U tim područjima spektra led se čini apsolutno crnim, budući da je koeficijent apsorpcije svjetlosti u tim područjima spektra vrlo visok. Za razliku od ledenih kristala, bijela svjetlost koja pada na snijeg ne apsorbira se, već se mnogo puta lomi u kristalima leda i odbija od njihovih lica. Zato snijeg izgleda bijelo.

Zbog vrlo visoke refleksivnosti leda (0,45) i snijega (do 0,95), površina koju pokrivaju u prosjeku iznosi oko 72 milijuna hektara godišnje. km 2 u visokim i srednjim zemljopisnim širinama obje hemisfere, prima sunčevu toplinu 65% manje od norme i snažan je izvor hlađenja zemljine površine, što uvelike određuje suvremenu geografsku klimatsku zonalnost. Ljeti, u polarnim područjima, sunčevo zračenje je veće nego u ekvatorijalnom pojasu, ali temperatura ostaje niska, budući da se značajan dio apsorbirane topline troši na otapanje leda, koji ima vrlo visoku toplinu topljenja.

Ostala neobična svojstva leda uključuju stvaranje elektromagnetskog zračenja njegovim rastućim kristalima. Poznato je da se većina nečistoća otopljenih u vodi ne prenosi na led kada počne rasti; smrzavaju se. Stoga je i na najprljavijoj lokvi ledeni film čist i proziran. Pri tome se nečistoće nakupljaju na granici čvrstog i tekućeg medija, u obliku dva sloja električnih naboja različitih predznaka, što uzrokuje značajnu razliku potencijala. Nabijeni sloj nečistoća pomiče se uz donju granicu mladog leda i zrači elektromagnetskim valovima. Zahvaljujući tome, proces kristalizacije se može detaljno promatrati. Dakle, kristal koji raste u dužinu u obliku igle zrači drugačije od onog prekrivenog bočnim nastavcima, a zračenje rastućih zrna se razlikuje od onoga koje nastaje kada kristali pucaju. Iz oblika, slijeda, frekvencije i amplitude impulsa zračenja može se odrediti koliko se brzo led smrzava i kakva se struktura leda formira.

Ali ono što najviše iznenađuje u strukturi leda je to što molekule vode na niskim temperaturama i visokim tlakovima unutar ugljikovih nanocijevi mogu kristalizirati u obliku dvostruke spirale, koja podsjeća na molekule DNK. To su dokazali nedavni računalni eksperimenti američkih znanstvenika predvođenih Xiao Cheng Zengom sa Sveučilišta Nebraska (SAD). Kako bi voda u simuliranom eksperimentu formirala spiralu, stavljena je u nanocijevi promjera 1,35 do 1,90 nm pod visokim tlakom, koji varira od 10 do 40 000 atmosfera, i postavljena je temperatura od –23 °C. Očekivalo se da voda u svim slučajevima tvori tanku cjevastu strukturu. Međutim, model je pokazao da su pri promjeru nanocijevi od 1,35 nm i vanjskom tlaku od 40 000 atmosfera, vodikove veze u strukturi leda bile savijene, što je dovelo do stvaranja spirale s dvostrukom stijenkom – unutarnje i vanjske. U tim uvjetima pokazalo se da je unutarnja stijenka uvijena u četverostruku spiralu, a vanjska stijenka se sastojala od četiri dvostruke spirale slične molekuli DNA (slika 2). Ova činjenica može poslužiti kao potvrda povezanosti strukture vitalno važne molekule DNK i strukture same vode te da je voda poslužila kao matrica za sintezu molekula DNA.

Riža. 2. Računalni model strukture smrznute vode u nanocjevčicama, nalik na molekulu DNK (Fotografija New Scientist, 2006.)

Još jedno od najvažnijih svojstava vode nedavno otkrivenih je da voda ima sposobnost pamćenja informacija o prošlim izloženostima. To su prvi dokazali japanski istraživač Masaru Emoto i naš sunarodnjak Stanislav Zenin, koji je među prvima predložio teoriju klastera o strukturi vode, koja se sastoji od cikličkih suradnika obimne poliedarske strukture - klastera opće formule (H 2 O) n, gdje n, prema novijim podacima, može doseći stotine, pa čak i tisuće jedinica. Zbog prisutnosti nakupina u vodi voda ima informacijska svojstva. Istraživači su fotografirali procese smrzavanja vode u mikrokristale leda, djelujući na nju raznim elektromagnetskim i akustičnim poljima, melodijama, molitvama, riječima ili mislima. Ispostavilo se da se pod utjecajem pozitivnih informacija u obliku prekrasnih melodija i riječi led zaledio u simetrične šesterokutne kristale. Gdje je zvučala neritmična glazba, ljute i uvredljive riječi, voda se, naprotiv, smrzavala u kaotične i bezoblične kristale. To je dokaz da voda ima posebnu strukturu koja je osjetljiva na vanjske informacijske utjecaje. Vjerojatno ljudski mozak, koji se sastoji od 85-90% vode, ima snažan strukturalni učinak na vodu.

Emoto kristali izazivaju i interes i nedovoljno utemeljenu kritiku. Ako ih pažljivo pogledate, možete vidjeti da se njihova struktura sastoji od šest vrhova. Ali još pažljivija analiza pokazuje da snježne pahulje zimi imaju istu strukturu, uvijek simetričnu i sa šest vrhova. U kojoj mjeri kristalizirane strukture sadrže informacije o okolišu u kojem su nastale? Struktura snježnih pahulja može biti lijepa ili bezoblična. To ukazuje da kontrolni uzorak (oblak u atmosferi) gdje se pojavljuju na njih ima isti učinak kao i početni uvjeti. Početni uvjeti su sunčeva aktivnost, temperatura, geofizička polja, vlažnost itd. Sve to znači da od tzv. prosječnog ansambla, možemo zaključiti da je struktura kapi vode, a zatim i snježnih pahulja, približno ista. Njihova je masa gotovo ista, a kreću se kroz atmosferu sličnom brzinom. U atmosferi nastavljaju oblikovati svoje strukture i povećavati volumen. Čak i ako su nastale u različitim dijelovima oblaka, uvijek postoji određeni broj snježnih pahulja u istoj skupini koje su nastale u gotovo istim uvjetima. A odgovor na pitanje što su pozitivne, a što negativne informacije o snježnim pahuljama možete pronaći u Emotu. U laboratorijskim uvjetima negativne informacije (potres, zvučne vibracije nepovoljne za čovjeka i sl.) ne stvaraju kristale, već pozitivne, upravo suprotno. Vrlo je zanimljivo u kojoj mjeri jedan faktor može formirati iste ili slične strukture snježnih pahulja. Najveća gustoća vode uočava se pri temperaturi od 4 °C. Znanstveno je dokazano da se gustoća vode smanjuje kada se počnu formirati heksagonalni kristali leda kako temperatura padne ispod nule. To je rezultat djelovanja vodikovih veza između molekula vode.

Koji je razlog ovakvog strukturiranja? Kristali su čvrste tvari, a njihovi sastavni atomi, molekule ili ioni raspoređeni su u pravilnu strukturu koja se ponavlja, u tri prostorne dimenzije. Struktura kristala vode je nešto drugačija. Prema Isaacu, samo 10% vodikovih veza u ledu je kovalentno, t.j. s prilično stabilnim informacijama. Vodikove veze između kisika jedne molekule vode i vodika druge su najosjetljivije na vanjske utjecaje. Spektar vode tijekom stvaranja kristala vremenski je relativno različit. Prema učinku diskretnog isparavanja kapi vode koji su dokazali Antonov i Juskeseljev i njegovoj ovisnosti o energetskim stanjima vodikovih veza, možemo tražiti odgovor o strukturiranju kristala. Svaki dio spektra ovisi o površinskoj napetosti kapljica vode. U spektru je šest vrhova koji ukazuju na grananje pahulje.

Očito, u Emotovim eksperimentima, početni "kontrolni" uzorak ima utjecaj na izgled kristala. To znači da se nakon izlaganja određenom faktoru može očekivati ​​stvaranje takvih kristala. Gotovo je nemoguće dobiti identične kristale. Prilikom testiranja učinka riječi "ljubav" na vodu, Emoto nije jasno naznačio je li ovaj eksperiment proveden s različitim uzorcima.

Potrebni su dvostruko slijepi eksperimenti kako bi se provjerilo razlikuje li se Emoto tehnika dovoljno. Isaacov dokaz da 10% molekula vode stvara kovalentne veze nakon smrzavanja pokazuje nam da voda koristi te informacije kada se smrzava. Emotov uspjeh, čak i bez dvostruko slijepih eksperimenata, ostaje prilično važan u odnosu na informacijska svojstva vode.

Prirodna pahulja, Wilson Bentley, 1925

Emoto snježna pahulja dobivena iz prirodne vode

Jedna snježna pahulja je prirodna, a drugu kreira Emoto, što ukazuje da raznolikost u spektru vode nije neograničena.

Potres, Sofija, 4,0 po Richteru, 15. studenog 2008.
dr. Ignatov, 2008©, Prof. Antonovljev uređaj©

Ova brojka pokazuje razliku između kontrolnog uzorka i uzorka uzetih drugih dana. Molekule vode razbijaju najenergičnije vodikove veze u vodi, kao i dva vrha u spektru tijekom prirodnog fenomena. Istraživanje je provedeno pomoću Antonov uređaja. Biofizički rezultat pokazuje smanjenje vitalnosti tijela tijekom potresa. Tijekom potresa, voda ne može promijeniti svoju strukturu u snježnim pahuljama u Emotovom laboratoriju. Postoje dokazi o promjeni električne vodljivosti vode tijekom potresa.

Godine 1963. tanzanijski školarac Erasto Mpemba primijetio je da se topla voda smrzava brže od hladne vode. Taj se fenomen naziva Mpemba efekt. Iako su jedinstveno svojstvo vode mnogo ranije primijetili Aristotel, Francis Bacon i Rene Descartes. Fenomen je višestruko dokazan brojnim neovisnim eksperimentima. Voda ima još jedno čudno svojstvo. Po mom mišljenju, objašnjenje za to je sljedeće: diferencijalni neravnotežni energetski spektar (DNES) prokuhane vode ima nižu prosječnu energiju vodikovih veza između molekula vode od uzorka uzetog na sobnoj temperaturi. To znači da prokuhanoj vodi treba manje energije u kako bi počeli strukturirati kristale i zamrznuti.

Ključ strukture leda i njegovih svojstava leži u strukturi njegovog kristala. Kristali svih modifikacija leda građeni su od molekula vode H 2 O, spojenih vodikovim vezama u trodimenzionalne mrežaste okvire s određenim rasporedom vodikovih veza. Molekula vode se jednostavno može zamisliti kao tetraedar (piramida s trokutastom bazom). U njegovom središtu nalazi se atom kisika koji je u stanju sp 3 hibridizacije, a u dva vrha nalazi se atom vodika čiji je jedan od 1s elektrona uključen u stvaranje kovalentne H-O veze s kisikom. Dva preostala vrha zauzimaju parovi nesparenih elektrona kisika koji ne sudjeluju u stvaranju intramolekularnih veza, pa se nazivaju usamljenim. Prostorni oblik molekule H 2 O objašnjava se međusobnim odbijanjem atoma vodika i usamljenih elektronskih parova središnjeg atoma kisika.

Vodikova veza važna je u kemiji međumolekularnih interakcija i potaknuta je slabim elektrostatičkim silama i interakcijama donor-akceptor. Nastaje kada atom vodika s nedostatkom elektrona jedne molekule vode stupi u interakciju s usamljenim elektronskim parom atoma kisika susjedne molekule vode (O-N…O). Posebnost vodikove veze je relativno mala čvrstoća; ona je 5-10 puta slabija od kemijske kovalentne veze. U smislu energije, vodikova veza zauzima međupoložaj između kemijske veze i van der Waalsovih interakcija koje drže molekule u čvrstoj ili tekućoj fazi. Svaka molekula vode u kristalu leda može istovremeno formirati četiri vodikove veze s drugim susjednim molekulama pod strogo određenim kutovima jednakim 109°47" usmjerenim na vrhove tetraedra, koji ne dopuštaju stvaranje guste strukture kada se voda smrzava (sl. . 3). U strukturama leda I, Ic, VII i VIII ovaj tetraedar je pravilan. U strukturama leda II, III, V i VI tetraedri su primjetno iskrivljeni. U strukturama leda VI, VII i VIII dva Mogu se razlikovati sustavi vodikovih veza koji se međusobno križaju.Ovaj nevidljivi okvir vodikovih veza raspoređuje molekule vode u obliku mreže, strukture nalik šesterokutnom saću sa šupljim unutarnjim kanalima.Ako se led zagrije, struktura mreže je uništena: voda molekule počinju padati u praznine mreže, što dovodi do gušće strukture tekućine – to objašnjava zašto je voda teža od leda.

Riža. 3. Stvaranje vodikove veze između četiri molekule H2O (crvene kuglice označavaju središnje atome kisika, bijele kuglice označavaju atome vodika)

Specifičnost vodikovih veza i međumolekulskih interakcija, karakteristična za strukturu leda, očuvana je u otopljenoj vodi, budući da se samo 15% svih vodikovih veza razara tijekom taljenja kristala leda. Stoga, veza svojstvena ledu između svake molekule vode i njezina četiri susjeda ("short range order") nije narušena, iako je rešetka kisikovog okvira više difuzna. Vodikove veze mogu se zadržati i kada voda proključa. Vodikove veze nema samo u vodenoj pari.

Led, koji nastaje pri atmosferskom tlaku i topi se na 0 °C, najpoznatija je, ali još uvijek neu potpunosti shvaćena tvar. Mnogo toga u svojoj strukturi i svojstvima izgleda neobično. Na čvorovima kristalne rešetke leda atomi kisika tetraedara molekula vode raspoređeni su na uredan način, tvoreći pravilne šesterokute, poput šesterokutnog saća, a atomi vodika zauzimaju različite položaje na vodikovim vezama koje povezuju atome kisika ( slika 4). Stoga postoji šest ekvivalentnih orijentacija molekula vode u odnosu na njihove susjede. Neki od njih su isključeni, budući da je prisutnost dvaju protona na istoj vodikovoj vezi u isto vrijeme malo vjerojatna, ali ostaje dovoljna nesigurnost u orijentaciji molekula vode. Ovakvo ponašanje atoma je netipično, budući da se u čvrstoj tvari svi atomi pokoravaju istom zakonu: ili su to atomi raspoređeni na uredan način, pa je to kristal, ili nasumično, a onda je to amorfna tvar. Ovakva neobična struktura može se realizirati u većini modifikacija leda - Ih, III, V, VI i VII (i, po svemu sudeći, u Ic) (tablica 3), au strukturi leda II, VIII i IX, voda molekule su orijentaciono uređene. Prema J. Bernalu, led je kristalan u odnosu na atome kisika i staklast u odnosu na atome vodika.

Riža. 4. Struktura leda prirodne šesterokutne konfiguracije I h

U drugim uvjetima, na primjer, u svemiru pri visokim tlakovima i niskim temperaturama, led kristalizira drugačije, tvoreći druge kristalne rešetke i modifikacije (kubične, trigonalne, tetragonalne, monoklinske, itd.), od kojih svaka ima svoju strukturu i kristalnu rešetku ( Tablica 3). ). Strukture leda različitih modifikacija izračunali su ruski istraživači, doktor kemijskih znanosti. G.G. Malenkov i dr. sc. E.A. Zheligovskaya s Instituta za fizikalnu kemiju i elektrokemiju. A.N. Frumkin Ruske akademije znanosti. Modifikacije leda II, III i V ostaju dugo na atmosferskom tlaku ako temperatura ne prelazi -170 °C (slika 5.). Kada se ohladi na približno -150°C, prirodni led se pretvara u kockasti led Ic, koji se sastoji od kocki i oktaedara veličine nekoliko nanometara. Led I c ponekad se pojavljuje i kada se voda zamrzne u kapilarama, čemu očito olakšava interakcija vode s materijalom stijenke i ponavljanje njegove strukture. Ako je temperatura nešto viša od -110 0 C, na metalnoj podlozi nastaju kristali gušćeg i težeg staklastog amorfnog leda gustoće 0,93 g/cm 3 . Oba ova oblika leda mogu se spontano transformirati u heksagonalni led, i što je brže, to je viša temperatura.

Tab. 3. Neke modifikacije leda i njihovi fizički parametri.

Izmjena

Kristalna struktura

Duljine vodikovih veza, Å

H-O-H kutovi u tetraedrima, 0

Šesterokutni

kubični

Trigonalni

tetragonalni

Monoklinika

tetragonalni

kubični

kubični

tetragonalni

Bilješka. 1 Å = 10 -10 m

Riža. 5. Dijagram stanja kristalnog leda raznih modifikacija.

Postoje i visokotlačni ledovi - II i III trigonalnih i tetragonalnih modifikacija, nastali od šupljih hektara formiranih šesterokutnim valovitim elementima pomaknutim jedan u odnosu na drugi za jednu trećinu (sl. 6. i sl. 7.). Ovi se ledovi stabiliziraju u prisutnosti plemenitih plinova helija i argona. U strukturi leda V monoklinske modifikacije, kutovi između susjednih atoma kisika kreću se od 860 do 132°, što se jako razlikuje od veznog kuta u molekuli vode, koji iznosi 105°47'. Led VI tetragonalne modifikacije sastoji se od dva okvira umetnuta jedan u drugi, između kojih nema vodikovih veza, uslijed čega nastaje kristalna rešetka usredotočena na tijelo (slika 8). Struktura leda VI temelji se na heksamerima - blokovima od šest molekula vode. Njihova konfiguracija točno ponavlja strukturu stabilnog klastera vode, što je dano izračunima. Led VII i VIII kubične modifikacije, koji su niskotemperaturno uređeni oblici leda VII, imaju sličnu strukturu s okvirima leda I umetnutim jedan u drugi. Uz naknadno povećanje tlaka, udaljenost između atoma kisika u kristalnoj rešetki leda VII i VIII će se smanjiti, kao rezultat toga nastaje struktura leda X u kojoj su atomi kisika raspoređeni u pravilnu rešetku, a protoni su uređeni.

Riža. 7. Led III konfiguracije.

Led XI nastaje dubokim hlađenjem leda I h uz dodatak lužine ispod 72 K pri normalnom tlaku. U tim uvjetima nastaju defekti hidroksilnih kristala, omogućujući rastućem ledenom kristalu da promijeni svoju strukturu. Led XI ima rombičnu kristalnu rešetku s uređenim rasporedom protona i formira se odjednom u mnogim kristalizacijskim centrima u blizini hidroksilnih defekata kristala.

Riža. osam. Ice VI konfiguracija.

Među ledovima postoje i metastabilni oblici IV i XII, čiji su vijek trajanja sekunde, koji imaju najljepšu strukturu (sl. 9. i sl. 10.). Za dobivanje metastabilnog leda potrebno je komprimirati led I h do tlaka od 1,8 GPa na temperaturi tekućeg dušika. Ti se ledovi mnogo lakše formiraju i posebno su stabilni kada je prehlađena teška voda podvrgnuta pritisku. Druga metastabilna modifikacija, led IX, nastaje prehlađenjem leda III i u biti je njegov niskotemperaturni oblik.

Riža. devet. Ice IV-konfiguracija.

Riža. deset. Konfiguracija leda XII.

Posljednje dvije modifikacije leda - s monokliničkom XIII i rombičnom konfiguracijom XIV otkrili su znanstvenici iz Oxforda (Velika Britanija) sasvim nedavno - 2006. godine. Pretpostavku da bi trebali postojati kristali leda s monoklinskim i rombičnim rešetkama bilo je teško potvrditi: viskoznost vode na temperaturi od -160 °C vrlo je visoka, a molekulama čiste prehlađene vode je teško spojiti se u tolikoj količini. da nastaje kristalna jezgra. To je postignuto uz pomoć katalizatora - klorovodične kiseline, koja je povećala pokretljivost molekula vode na niskim temperaturama. Na Zemlji se takve modifikacije leda ne mogu formirati, ali mogu postojati u svemiru na ohlađenim planetima i smrznutim satelitima i kometima. Dakle, izračun gustoće i toplinskih tokova s ​​površine satelita Jupitera i Saturna omogućuje nam da tvrdimo da bi Ganimed i Kalisto trebali imati ledenu školjku u kojoj se izmjenjuju ledovi I, III, V i VI. Na Titanu led ne tvori koru, već plašt, čiji se unutarnji sloj sastoji od leda VI, drugih visokotlačnih ledova i klatratnih hidrata, a led I h se nalazi na vrhu.

Riža. jedanaest. Raznolikost i oblik snježnih pahulja u prirodi

Visoko u Zemljinoj atmosferi pri niskim temperaturama voda kristalizira iz tetraedara, tvoreći heksagonalni led I h . Središte stvaranja ledenih kristala su čvrste čestice prašine, koje vjetar diže u gornju atmosferu. Oko ovog embrionalnog mikrokristala leda rastu iglice koje formiraju pojedine molekule vode u šest simetričnih smjerova, na kojima rastu lateralni procesi - dendriti. Temperatura i vlažnost zraka oko pahulje su iste, pa je u početku simetričnog oblika. Kako nastaju snježne pahulje, one postupno tonu u niže slojeve atmosfere, gdje su temperature više. Ovdje dolazi do topljenja i njihov idealan geometrijski oblik se iskrivljuje, stvarajući razne snježne pahulje (slika 11.).

Daljnjim otapanjem dolazi do razaranja heksagonalne strukture leda te nastaje mješavina cikličkih suradnika klastera, kao i od tri-, tetra-, penta-, heksamera vode (slika 12.) i slobodne molekule vode. Proučavanje strukture nastalih klastera često je značajno otežano, budući da je, prema suvremenim podacima, voda mješavina različitih neutralnih klastera (H 2 O) n i njihovih nabijenih klaster iona [H 2 O] + n i [H 2 O] - n, koji su u dinamičkoj ravnoteži između sa životnim vijekom od 10 -11 -10 -12 sekundi.

Riža. 12. Moguće nakupine vode (a-h) sastava (H 2 O) n, gdje je n = 5-20.

Klasteri mogu međusobno komunicirati zbog izbočenih strana vodikovih veza, tvoreći složenije poliedarske strukture, kao što su heksaedar, oktaedar, ikosaedar i dodekaedar. Dakle, struktura vode povezana je s takozvanim Platonovim čvrstim tvarima (tetraedar, heksaedar, oktaedar, ikosaedar i dodekaedar), nazvanim po starogrčkom filozofu i geometru Platonu koji ih je otkrio, čiji je oblik određen zlatnim omjerom. (slika 13).

Riža. trinaest. Platonska tijela čiji je geometrijski oblik određen zlatnim omjerom.

Broj vrhova (B), lica (G) i bridova (P) u bilo kojem prostornom poliedru opisuje se relacijom:

C + D = P + 2

Omjer broja vrhova (B) pravilnog poliedra i broja bridova (P) jedne od njegovih strana jednak je omjeru broja lica (G) istog poliedra i broja bridova ( P) koji izlazi iz jednog od njegovih vrhova. Za tetraedar je taj omjer 4:3, za heksaedar (6 strana) i oktaedar (8 strana) - 2:1, a za dodekaedar (12 lica) i ikosaedar (20 lica) - 4:1.

Strukture poliedarskih klastera vode koje su izračunali ruski znanstvenici potvrđene su suvremenim metodama analize: spektroskopija protonske magnetske rezonancije, femtosekundna laserska spektroskopija, rendgenska i neutronska difrakcija na kristalima vode. Otkriće vodenih nakupina i sposobnost vode da pohranjuje informacije dva su najvažnija otkrića 21. tisućljeća. To jasno dokazuje da prirodu karakterizira simetrija u obliku preciznih geometrijskih oblika i proporcija, karakteristična za kristale leda.

KNJIŽEVNOST.

1. Belyanin V., Romanova E. Život, molekula vode i zlatni rez // Znanost i život, 2004., vol. 10, br. 3, str. 23-34 (prikaz, stručni).

2. Shumsky P. A., Osnove znanosti o konstrukciji leda. - Moskva, 1955b str. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Svijest o vodi kao tvari života. // Svijest i fizička stvarnost. 2011., T 16, br. 12, str. 9-22 (prikaz, stručni).

4. Petrjanov I. V. Najneobičnija tvar na svijetu, Moskva, Pedagogija, 1981, str. 51-53 (prikaz, stručni).

5 Eisenberg D, Kautsman V. Struktura i svojstva vode. - Lenjingrad, Gidrometeoizdat, 1975, str. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Voda je poznata i tajanstvena. - Kijev, Rodjanska škola, 1982, str. 62-64 (prikaz, stručni).

7. G. N. Zatsepina, Struktura i svojstva vode. - Moskva, ur. Moskovsko državno sveučilište, 1974., str. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davidov N. S., Ilyin V. V. Osnove fizike vode - Kijev, Naukova Dumka, 1991., str. 167.

9. Simonite T. Led sličan DNK "viđen" unutar ugljikovih nanocijevi // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Poruke vode. Tajni kodovi ledenih kristala. - Sofija, 2006. str. 96.

11. S. V. Zenin i B. V. Tyaglov, Priroda hidrofobne interakcije. Pojava orijentacijskih polja u vodenim otopinama // Journal of Physical Chemistry, 1994, V. 68, br. 3, str. 500-503 (prikaz, stručni).

12. Pimentel J., McClellan O. Vodikova veza - Moskva, Nauka, 1964, str. 84-85 (prikaz, stručni).

13. Bernal J., Fowler R. Struktura vode i ionskih otopina // Uspekhi fizicheskikh nauk, 1934, vol. 14, br. 5, str. 587-644 (prikaz, stručni).

14. Hobza P., Zahradnik R. Intermolekularni kompleksi: Uloga van der Waalsovih sustava u fizikalnoj kemiji i biodisciplinama. - Moskva, Mir, 1989, str. 34-36 (prikaz, stručni).

15. E. R. Pounder, Fizika leda, prev. s engleskog. - Moskva, 1967, str. 89.

16. Komarov S. M. Ledeni uzorci visokog tlaka. // Kemija i život, 2007, br. 2, str. 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya i G. G. Malenkov. Kristalni led // Uspekhi khimii, 2006, br. 75, str. 64.

18. Fletcher N. H. Kemijska fizika leda, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A. V. Raznolikost klastera // Russian Chemical Journal, 1996, vol. 40, br. 2, str. 48-56 (prikaz, stručni).

20. Mosin O.V., Ignatov I. Struktura vode i fizička stvarnost. // Svijest i fizička stvarnost, 2011, vol. 16, broj 9, str. 16-32 (prikaz, stručni).

21. Ignatov I. Bioenergetska medicina. Podrijetlo žive tvari, pamćenje vode, biorezonanca, biofizička polja. - GaiaLibris, Sofija, 2006, str. 93.

Trodimenzionalno stanje tekuće vode teško je proučavati, ali mnogo se naučilo analizom strukture ledenih kristala. Četiri susjedna atoma kisika u interakciji s vodikom zauzimaju vrhove tetraedra (tetra = četiri, hedron = ravnina). Prosječna energija potrebna za razbijanje takve veze u ledu procjenjuje se na 23 kJ/mol -1.

Sposobnost molekula vode da formiraju zadani broj vodikovih lanaca, kao i specificirana čvrstoća, stvara neobično visoku točku taljenja. Kad se topi, drži ga tekuća voda čija je struktura nepravilna. Većina vodikovih veza je iskrivljena. Za uništavanje kristalne rešetke leda vodikovom vezom potrebna je velika masa energije u obliku topline.

Značajke izgleda leda (Ih)

Mnogi se stanovnici pitaju kakvu vrstu kristalne rešetke ima led. Valja napomenuti da se gustoća većine tvari povećava tijekom zamrzavanja, kada se molekularna kretanja usporavaju i nastaju gusto zbijeni kristali. Gustoća vode također raste kako se hladi do maksimuma na 4°C (277K). Zatim, kada temperatura padne ispod ove vrijednosti, širi se.

Ovo povećanje je posljedica formiranja otvorenog kristala leda vezanog na vodik sa svojom rešetkom i nižom gustoćom, u kojem je svaka molekula vode čvrsto vezana za gornji element i četiri druge vrijednosti, dok se kreće dovoljno brzo da ima veću masu. Budući da se ova radnja dogodi, tekućina se smrzava od vrha do dna. To ima važne biološke rezultate, zbog čega sloj leda na ribnjaku izolira živa bića od ekstremne hladnoće. Osim toga, dva dodatna svojstva vode povezana su s njezinim karakteristikama vodika: specifični toplinski kapacitet i isparavanje.

Detaljan opis konstrukcija

Prvi kriterij je količina potrebna da se temperatura 1 grama tvari podigne za 1°C. Za podizanje stupnjeva vode potrebna je relativno velika količina topline jer je svaka molekula uključena u brojne vodikove veze koje se moraju prekinuti kako bi se kinetička energija povećala. Inače, obilje H 2 O u stanicama i tkivima svih velikih višestaničnih organizama znači da su temperaturne fluktuacije unutar stanica svedene na minimum. Ova je značajka kritična jer je brzina većine biokemijskih reakcija osjetljiva.

Također značajno veći od mnogih drugih tekućina. Za pretvaranje ovog tijela u plin potrebna je velika količina topline, jer se vodikove veze moraju prekinuti da bi se molekule vode jedna od druge dislocirala i ušla u spomenutu fazu. Promjenjiva tijela su trajni dipoli i mogu komunicirati s drugim sličnim spojevima i onima koji se ioniziraju i otapaju.

Druge gore spomenute tvari mogu doći u kontakt samo ako je prisutan polaritet. Upravo je ovaj spoj uključen u strukturu ovih elemenata. Osim toga, može se poravnati oko ovih čestica nastalih iz elektrolita, tako da su negativni atomi kisika molekula vode orijentirani na katione, a pozitivni ioni i atomi vodika orijentirani na anione.

U nastaju, u pravilu, molekularne kristalne rešetke i atomske. Odnosno, ako je jod konstruiran na način da je u njemu prisutan I 2, tada se u čvrstom ugljičnom dioksidu, odnosno u suhom ledu, molekule CO 2 nalaze na čvorovima kristalne rešetke. Kada je u interakciji sa sličnim tvarima, led ima ionsku kristalnu rešetku. Grafit, na primjer, koji ima atomsku strukturu temeljenu na ugljiku, nije je u stanju promijeniti, baš kao dijamant.

Ono što se događa kada se kristal kuhinjske soli otopi u vodi jest da se polarne molekule privlače nabijenim elementima u kristalu, što dovodi do stvaranja sličnih čestica natrija i klorida na njegovoj površini, uslijed čega se ta tijela dislociraju. jedno od drugog, i počinje se otapati. Odavde se može primijetiti da led ima kristalnu rešetku s ionskom vezom. Svaki otopljeni Na + privlači negativne krajeve nekoliko molekula vode, dok svaki otopljeni Cl - privlači pozitivne krajeve. Školjka koja okružuje svaki ion naziva se escape sphere i obično sadrži nekoliko slojeva čestica otapala.

Kaže se da su varijable ili ion okruženi elementima sulfatirani. Kada je otapalo voda, takve čestice su hidratizirane. Dakle, bilo koja polarna molekula nastoji biti solvatirana elementima tekućeg tijela. U suhom ledu, tip kristalne rešetke stvara atomske veze u stanju agregacije, koje su nepromijenjene. Druga stvar je kristalni led (zamrznuta voda). Ionski organski spojevi kao što su karboksilaze i protonirani amini moraju biti topljivi u hidroksilnim i karbonilnim skupinama. Čestice sadržane u takvim strukturama kreću se između molekula, a njihovi polarni sustavi stvaraju vodikove veze s ovim tijelom.

Naravno, broj posljednjih spomenutih skupina u molekuli utječe na njezinu topljivost, koja također ovisi o reakciji različitih struktura u elementu: na primjer, jedno-, dvo- i trougljični alkoholi se miješaju s vodom, ali veći ugljikovodici s pojedinačnim hidroksilnim spojevima mnogo su manje razrijeđeni u tekućinama.

Heksagonalni Ih po obliku je sličan atomskoj kristalnoj rešetki. Za led i sav prirodni snijeg na Zemlji, to izgleda upravo ovako. O tome svjedoči simetrija kristalne rešetke leda, uzgojenog iz vodene pare (odnosno snježnih pahuljica). Nalazi se u svemirskoj grupi P 63/mm od 194; D 6h, Laue klasa 6/mm; slično β-, koji ima višekratnik 6 zavojne osi (rotacija okolo uz pomicanje duž nje). Ima prilično otvorenu strukturu niske gustoće gdje je učinkovitost niska (~1/3) u usporedbi s jednostavnim kubičnim (~1/2) ili kockastim (~3/4) strukturama sa središtem lica.

U usporedbi s običnim ledom, kristalna rešetka suhog leda, vezana molekulama CO 2, statična je i mijenja se samo kada se atomi raspadnu.

Opis rešetki i njihovih sastavnih elemenata

Kristali se mogu smatrati kristalnim modelima koji se sastoje od listova naslaganih jedan na drugi. Vodikova veza je uređena, dok je u stvarnosti slučajna, budući da se protoni mogu kretati između molekula vode (leda) na temperaturama iznad oko 5 K. Doista, vjerojatno je da se protoni ponašaju poput kvantne tekućine u stalnom tunelskom toku. To je pojačano raspršenjem neutrona, što pokazuje njihovu gustoću raspršenja na pola puta između atoma kisika, što ukazuje na lokalizaciju i koordinirano kretanje. Ovdje postoji sličnost leda s atomskom, molekularnom kristalnom rešetkom.

Molekule imaju stepenasti raspored vodikovog lanca u odnosu na svoja tri susjeda u ravnini. Četvrti element ima pomračeni raspored vodikove veze. Postoji neznatno odstupanje od savršene heksagonalne simetrije, kao 0,3% kraće u smjeru ovog lanca. Sve molekule doživljavaju isto molekularno okruženje. Unutar svake "kutije" ima dovoljno prostora za držanje čestica intersticijske vode. Iako se općenito ne razmatraju, nedavno su učinkovito otkriveni difrakcijom neutrona praškaste kristalne rešetke leda.

Promjena tvari

Šesterokutno tijelo ima trostruke točke s tekućom i plinovitom vodom 0,01 °C, 612 Pa, čvrstim elementima - tri -21,985 °C, 209,9 MPa, jedanaest i dva -199,8 °C, 70 MPa i -34,7 °C, 212,9 MPa. Dielektrična konstanta heksagonalnog leda je 97,5.

Krivulja taljenja ovog elementa dana je MPa. Jednadžbe stanja dostupne su, osim njih, i neke jednostavne nejednakosti koje se odnose na promjenu fizikalnih svojstava s temperaturom heksagonalnog leda i njegovih vodenih suspenzija. Tvrdoća varira sa stupnjevima koji raste od ili ispod gipsa (≤2) na 0°C do feldspat (6 na -80°C, nenormalno velika promjena apsolutne tvrdoće (>24 puta).

Heksagonalna kristalna rešetka leda tvori šesterokutne ploče i stupove, pri čemu su gornja i donja strana bazalna ravnina (0 0 0 1) s entalpijom od 5,57 μJ cm -2, a druge ekvivalentne bočne površine nazivaju se dijelovima prizme (1 0 -1 0) s 5,94 μJ cm -2 . Sekundarne površine (1 1 -2 0) s 6,90 μJ ˣ cm -2 mogu se formirati duž ravnina koje formiraju stranice konstrukcija.

Takva struktura pokazuje anomalan pad toplinske vodljivosti s povećanjem tlaka (kao i kubični i amorfni led male gustoće), ali se razlikuje od većine kristala. To je zbog promjene vodikove veze, što smanjuje poprečnu brzinu zvuka u kristalnoj rešetki leda i vode.

Postoje metode koje opisuju kako pripremiti velike uzorke kristala i bilo koju željenu površinu leda. Pretpostavlja se da će vodikova veza na površini heksagonalnog tijela koja se proučava biti uređenija nego unutar sustava rasutog prostora. Varijacijska spektroskopija s generiranjem frekvencije fazne rešetke pokazala je da postoji strukturna asimetrija između dva gornja sloja (L1 i L2) u podzemnom lancu HO bazalne površine heksagonalnog leda. Usvojene vodikove veze u gornjim slojevima šesterokuta (L1 O ··· HO L2) jače su od onih prihvaćenih u drugom sloju do gornje akumulacije (L1 OH ··· O L2). Dostupne su interaktivne strukture heksagonalnog leda.

Razvojne značajke

Minimalni broj molekula vode potrebnih za nukleaciju leda je približno 275 ± 25, kao za potpuni ikosaedarski skup od 280. Formiranje se događa s faktorom 10 10 na granici zrak-voda, a ne u masi vode. Rast ledenih kristala ovisi o različitim brzinama rasta različitih energija. Voda mora biti zaštićena od smrzavanja prilikom kriokonzerviranja bioloških uzoraka, hrane i organa.

To se obično postiže brzim hlađenjem, korištenjem malih uzoraka i kriokonzervatora, te povećanim pritiskom za stvaranje jezgri leda i sprječavanje oštećenja stanica. Slobodna energija leda/tekućine raste s ~30 mJ/m2 pri atmosferskom tlaku na 40 mJ/m -2 pri 200 MPa, što ukazuje na razlog zašto se ovaj efekt javlja.

Alternativno, mogu brže rasti s površina prizme (S2), na nasumično poremećenoj površini brzo smrznutih ili uzburkanih jezera. Rast od lica (1 1 -2 0) je barem isti, ali ih pretvara u baze prizme. Podaci o razvoju ledenog kristala u potpunosti su istraženi. Relativna stopa rasta elemenata različitih lica ovisi o sposobnosti stvaranja velikog stupnja hidratacije zglobova. Temperatura (niska) okolne vode određuje stupanj grananja u kristalu leda. Rast čestica ograničen je brzinom difuzije pri niskom stupnju prehlađenja, t.j.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Ali ograničeno kinetikom razvoja na višim razinama depresije >4°C, što rezultira igličastim rastom. Ovaj oblik je sličan suhom ledu (ima kristalnu rešetku šesterokutne strukture), različite karakteristike razvoja površine i temperaturu okolne (prehlađene) vode koja leži iza ravnih oblika snježnih pahuljica.

Stvaranje leda u atmosferi duboko utječe na stvaranje i svojstva oblaka. Feldspars, pronađeni u pustinjskoj prašini koja ulazi u atmosferu u milijunima tona godišnje, važni su tvorci. Računalno modeliranje pokazalo je da je to posljedica nukleacije prizmatskih ravnina kristala leda na visokoenergetskim površinskim ravninama.

Neki drugi elementi i rešetke

Otopljene tvari (s izuzetkom vrlo malog helija i vodika, koji mogu ući u međuprostorne prostore) ne mogu se ugraditi u Ih strukturu pri atmosferskom tlaku, već se istiskuju na površinu ili amorfni sloj između čestica mikrokristalnog tijela. Na mjestima rešetke suhog leda postoje još neki elementi: kaotropni ioni poput NH 4 + i Cl - , koji su uključeni u lakše zamrzavanje tekućine od drugih kosmotropskih, kao što su Na + i SO 4 2- , pa njihovo uklanjanje je nemoguće, zbog činjenice da stvaraju tanki film preostale tekućine između kristala. To može dovesti do električnog naboja površine zbog disocijacije površinske vode koja uravnotežuje preostale naboje (što također može dovesti do magnetskog zračenja) i promjene pH zaostalih tekućih filmova, na primjer, NH 4 2 SO 4 postaje kiseliji a NaCl postaje bazičniji.

Oni su okomiti na plohe kristalne rešetke leda, pokazujući pričvršćeni sljedeći sloj (s O-crnim atomima). Karakterizira ih sporo rastuća bazalna površina (0 0 0 1), na koju su vezane samo izolirane molekule vode. Brzo rastuća (1 0 -1 0) površina prizme na kojoj se parovi novovezanih čestica mogu međusobno povezati s vodikom (jedna vodikova veza/dvije molekule elementa). Najbrže rastuće lice (1 1 -2 0) (sekundarno prizmatično), gdje lanci novopričvršćenih čestica mogu međusobno komunicirati vodikovom vezom. Jedna od njegovih molekula lanca/elementa je oblik koji tvori grebene koji dijele i potiču transformaciju u dvije strane prizme.

Entropija nulte točke

k Bˣ Ln ( N

Znanstvenici i njihovi radovi na ovom području

Može se definirati kao S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), gdje je k B Boltzmannova konstanta, N E je broj konfiguracija na energiji E, a E0 je najniža energija. Ova vrijednost za entropiju heksagonalnog leda na nuli kelvina ne krši treći zakon termodinamike "Entropija idealnog kristala na apsolutnoj nuli je točno nula", budući da ti elementi i čestice nisu idealni, imaju neuređenu vodikovu vezu.

U ovom tijelu vodikova veza je nasumična i brzo se mijenja. Ove strukture nisu baš jednake po energiji, ali se protežu na vrlo velik broj energetski bliskih stanja, pokoravaju se "pravilima leda". Entropija nulte točke je poremećaj koji bi ostao čak i kada bi se materijal mogao ohladiti na apsolutnu nulu (0 K = -273,15 °C). Stvara eksperimentalnu zbrku za heksagonalni led 3,41 (± 0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoretski, bilo bi moguće izračunati nultu entropiju poznatih kristala leda s mnogo većom točnošću (zanemarujući defekte i širenje razine energije) nego eksperimentalno odrediti.

Iako redoslijed protona u masi leda nije uređen, površina vjerojatno preferira redoslijed tih čestica u obliku vrpca visećih H-atoma i O-jednostrukih parova (nula entropija s uređenim vodikovim vezama). Pronađen je poremećaj nulte točke ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 i drugih. Iz svega navedenog jasno je i razumljivo koje su vrste kristalnih rešetki karakteristične za led.

Ako postoje nepolarne molekule neke tvari na čvorovima kristalne rešetke (npr jod ja 2, kisik Oko 2 ili dušik N 2), tada ne doživljavaju nikakvu električnu "simpatiju" jedno prema drugom. Drugim riječima, njihove molekule ne bi trebale biti privučene elektrostatičkim silama. A ipak ih nešto drži zajedno. Što točno?

Ispostavilo se da se u čvrstom stanju te molekule toliko približavaju jedna drugoj da u njihovim elektronskim oblacima počinju trenutne (iako vrlo slabe) reakcije. pristranost- kondenzacija i razrjeđivanje elektronskih oblaka. Umjesto nepolarnih čestica pojavljuju se "trenutačni dipoli" koji se već mogu međusobno elektrostatski privlačiti. Međutim, ova privlačnost je vrlo slaba. Stoga su kristalne rešetke nepolarnih tvari krhke i postoje samo na vrlo niskim temperaturama, u "kozmičkoj" hladnoći.

Astronomi su doista otkrili nebeska tijela - komete, asteroide, čak i cijele planete, koja se sastoje od smrznutih dušik, kisik i druge tvari koje u običnim zemaljskim uvjetima postoje u obliku plinova i postaju čvrste u međuplanetarnom prostoru.

	Mnoge jednostavne i složene tvari sa molekularni kristalna rešetka je svima dobro poznata. Ovo je, na primjer, kristalin jod ja 2:
Ovako se gradi kristalna rešetka jod: sastoji se od molekula joda (svaka od njih sadrži dva atoma joda).
	A te su molekule prilično labavo povezane. Zato je kristalni jod tako hlapljiv i čak i uz najmanje zagrijavanje isparava, pretvarajući se u plinoviti jod – prekrasnu ljubičastu paru.

Koje uobičajene tvari molekularna kristalna rešetka?

• Kristalna voda (led) sastoji se od polarnih molekula voda H2O.
• Kristali "suhog leda" koji se koriste za hlađenje sladoleda također su molekularni kristali. ugljični dioksid CO2.
• Drugi primjer je šećer, koji tvori kristale iz molekula saharoza.

Kada se na čvorovima kristalne rešetke nalaze molekule tvari, veze između njih nisu jako jake, čak i ako su te molekule polarne.
Stoga, da bi se takvi kristali otopili ili isparile tvari s molekularnom kristalnom strukturom, nije ih potrebno zagrijavati do crvene topline.
Već pri 0 °C kristalna struktura led lomi se i postaje voda. A "suhi led" se ne topi pri normalnom tlaku, već se odmah pretvara u plinovit ugljični dioksid- uzvišeni.

Druga stvar su tvari sa atomski kristalnu rešetku, gdje je svaki atom povezan sa svojim susjedima vrlo jakim kovalentnim vezama, a cijeli kristal u cjelini, po želji, može se smatrati ogromnom molekulom.

Za primjer, razmotrite dijamantni kristal, koji se sastoji od atoma ugljik.

	Atom ugljik S, koji sadrži dva nesparena R -elektron se pretvara u atom ugljik S*, gdje se sva četiri elektrona vanjske valentne razine nalaze u orbitama jedan po jedan i sposobni tvoriti kemijske veze. Kemičari nazivaju takav atom " uzbuđen".
U ovom slučaju postoje čak četiri kemijske veze, i sve vrlo izdržljiv. ne bez razloga dijamant - najtvrđe tvari u prirodi i od pamtivijeka smatra se kraljem svih dragulja i dragog kamenja. I samo njegovo ime na grčkom znači "neuništivo".
	Od fasetiranih kristala dijamant dobivaju se dijamanti, koji krase skupi nakit

Najljepši dijamanti koje su ljudi pronašli imaju svoju, ponekad tragičnu, povijest. Pročitajte >>>

Ali dijamant ide ne samo na ukrase. Njegovi kristali se koriste u alatima za obradu najtvrđih materijala, bušenje u stijenama, rezanje i rezanje stakla i kristala.

Kristalna rešetka dijamanta (lijevo) i grafita (desno)

Grafit isti sastav ugljik, ali njegova struktura kristalne rešetke nije ista kao u dijamanta. NA grafit atomi ugljika raspoređeni su u slojevima, unutar kojih je veza ugljikovih atoma slična saću. Ovi slojevi su mnogo slabije vezani od atoma ugljika u svakom sloju. Tako grafit lako se raslojava u skale i mogu pisati. Koristi se za proizvodnju olovaka, kao i suho mazivo pogodno za dijelove strojeva koji rade na visokim temperaturama. Osim, grafit dobro provodi struju, a od njega se izrađuju elektrode.

Može jeftino grafit pretvoriti u dragocjeno dijamant? Moguće je, ali to će zahtijevati nezamislivo visok tlak (nekoliko tisuća atmosfera) i visoku temperaturu (tisuću i pol stupnjeva).
Mnogo lakše zabrljati dijamant: samo ga trebate zagrijati bez pristupa zraka na 1500 °C, i kristalnu strukturu dijamant pretvoriti u manje uređenu strukturu grafit.

Kristalna struktura leda: molekule vode povezane su u pravilne šesterokute Kristalna rešetka leda: Molekule vode H 2 O (crne kuglice) u svojim čvorovima raspoređene su tako da svaka ima četiri susjeda. Molekula vode (centar) je vodikom vezana za četiri najbliže susjedne molekule. Led je kristalna modifikacija vode. Prema posljednjim podacima, led ima 14 strukturnih modifikacija. Među njima postoje i kristalne (oni su većina) i amorfne modifikacije, ali se sve međusobno razlikuju po međusobnom rasporedu molekula vode i svojstvima. Istina, sve, osim uobičajenog leda koji kristalizira u heksagonalnoj singoniji, nastaje u egzotičnim uvjetima pri vrlo niskim temperaturama i visokim tlakovima, kada se mijenjaju kutovi vodikovih veza u molekuli vode i nastaju sustavi koji nisu heksagonalni. Takvi uvjeti podsjećaju na kozmičke uvjete i ne nalaze se na Zemlji. Primjerice, pri temperaturama ispod -110 °C na metalnoj ploči taloži se vodena para u obliku oktaedara i kocki veličine nekoliko nanometara, to je takozvani kubični led. Ako je temperatura nešto iznad –110 °C, a koncentracija pare vrlo niska, na ploči se stvara sloj izrazito gustog amorfnog leda. Najneobičnije svojstvo leda je nevjerojatna raznolikost vanjskih manifestacija. S istom kristalnom strukturom može izgledati potpuno drugačije, u obliku prozirne tuče i ledenica, pahuljastih snježnih pahuljica, guste sjajne kore leda ili divovskih ledenjačkih masa.

Pahulja je pojedinačni kristal leda - vrsta heksagonalnog kristala, ali brzo raste, u neravnotežnim uvjetima. Znanstvenici se stoljećima bore s tajnom njihove ljepote i beskrajne raznolikosti. Život snježne pahulje počinje stvaranjem kristalnih jezgri leda u oblaku vodene pare kako temperatura pada. Središte kristalizacije mogu biti čestice prašine, bilo koje čvrste čestice ili čak ioni, ali u svakom slučaju ove ledenice manje od desetinke milimetra već imaju heksagonalnu kristalnu rešetku.Vodena para, kondenzirajući se na površini tih jezgri, prvo tvori sićušnu šesterokutnu prizmu, iz čijih šest uglova počinjemo rasti identične bočne izbočine ledenih iglica, jer temperatura i vlaga oko embrija također su iste. Na njima, zauzvrat, rastu, kao na drvetu, bočne grane grane. Takvi kristali nazivaju se dendriti, odnosno slični stablu. Krećući se gore-dolje u oblaku, snježna pahulja ulazi u uvjete s različitim temperaturama i koncentracijom vodene pare. Njegov se oblik mijenja, do posljednjeg se pridržava zakona heksagonalne simetrije. Tako snježne pahulje postaju drugačije. Do sada među snježnim pahuljama nije bilo moguće pronaći dvije identične pahulje.

Boja leda ovisi o njegovoj starosti i može se koristiti za procjenu njegove čvrstoće. Oceanski led je bijel u prvoj godini života jer je zasićen mjehurićima zraka od čijih se stijenki svjetlost reflektira odmah, prije nego što se apsorbira. Ljeti se površina leda topi, gubi snagu, a pod težinom novih slojeva koji leže na vrhu, mjehurići zraka se skupljaju i potpuno nestaju. Svjetlost unutar leda putuje veću udaljenost nego prije i pojavljuje se kao plavkasto-zelena nijansa. Plavi led je stariji, gušći i jači od bijelog "pjenastog" leda zasićenog zrakom. Polarni istraživači to znaju i biraju pouzdane plave i zelene ledene plohe za svoje plutajuće baze, znanstvene stanice i ledene aerodrome. Postoje crni santi leda. Prvi novinski izvještaj o njima pojavio se 1773. Crna boja santi leda uzrokovana je djelovanjem vulkana - led je prekriven debelim slojem vulkanske prašine, koju ne ispire čak ni morska voda. Led nije jednako hladan. Postoji vrlo hladan led, s temperaturom od oko minus 60 stupnjeva, ovo je led nekih antarktičkih ledenjaka. Led grenlandskih glečera mnogo je topliji. Temperatura mu je otprilike minus 28 stupnjeva. Dosta "topli led" (s temperaturom od oko 0 stupnjeva) leže na vrhovima Alpa i skandinavskih planina.

Gustoća vode je maksimalna na +4 C i jednaka je 1 g/ml, smanjuje se s padom temperature. Kada voda kristalizira, gustoća se naglo smanjuje, za led je jednaka 0,91 g / cm 3. Zbog toga je led lakši od vode i kada se vodena tijela zamrznu, led se nakuplja na vrhu, a gušća voda s temperaturom od 4 ̊ Na dnu vodnih tijela pojavljuje se C. Slaba toplinska vodljivost leda i Snježni pokrivač koji ga pokriva štiti vodena tijela od smrzavanja do dna i time stvara uvjete za život stanovnika vodnih tijela zimi.

Ledenjaci, ledeni pokrivači, permafrost, sezonski snježni pokrivač značajno utječu na klimu velikih regija i planeta u cjelini: čak i oni koji nikada nisu vidjeli snijeg osjećaju dah njegovih masa nakupljenih na Zemljinim polovima, na primjer, u obliku dugoročne fluktuacije razine Svjetski ocean. Led je toliko važan za izgled našeg planeta i udobno stanovanje živih bića na njemu da su mu znanstvenici dodijelili posebno okruženje - kriosferu, koja svoje posjede proteže visoko u atmosferu i duboko u zemljinu koru. Prirodni led je obično puno čišći od vode jer topljivost tvari (osim NH4F) u ledu je izrazito niska. Ukupne rezerve leda na Zemlji iznose oko 30 milijuna km 3. Većina leda koncentrirana je na Antarktiku, gdje debljina njegovog sloja doseže 4 km.