A kristályrácsok fajtái. Kristályrácsok A szárazjég kristályrácsának csomópontjain vannak

A kémia csodálatos tudomány. Annyi hihetetlent lehet találni a látszólag hétköznapi dolgokban.

Minden anyag, ami körülvesz minket mindenhol, többféle halmazállapotban létezik: gázok, folyadékok és szilárd anyagok. A tudósok izolálták a 4. plazmát is. Egy adott hőmérsékleten az anyag egyik állapotból a másikba változhat. Például víz: 100 fok fölé hevítve folyékony formából gőzzé alakul. 0 alatti hőmérsékleten átmegy a következő aggregált szerkezetbe - a jégbe.

Kapcsolatban áll

Az egész anyagi világ összetételében azonos részecskék tömege van, amelyek egymással kapcsolatban vannak. Ezek a legkisebb elemek szigorúan térben vannak elrendezve, és az úgynevezett térbeli keretet alkotják.

Meghatározás

A kristályrács egy szilárd anyag speciális szerkezete, amelyben a részecskék a térben geometriailag szigorú sorrendben helyezkednek el. Lehetőség van csomópontok kimutatására - olyan helyek, ahol elemek találhatók: atomok, ionok és molekulák, valamint az internodális tér.

Szilárd anyagok, a magas és az alacsony hőmérséklet tartományától függően kristályosak vagy amorfak – jellemző rájuk egy meghatározott olvadáspont hiánya. Magas hőmérsékletnek kitéve meglágyulnak és fokozatosan folyékony halmazállapotúvá válnak. Ilyen anyagok a következők: gyanta, gyurma.

Ebben a tekintetben több típusra osztható:

• atom;
• ión;
• molekuláris;
• fém.

De különböző hőmérsékleteken egy anyag különböző formájú lehet, és eltérő tulajdonságokat mutathat. Ezt a jelenséget allotróp módosulásnak nevezik.

Atom típusú

Ennél a típusnál az egyik vagy másik anyag atomjai a csomópontokon helyezkednek el, amelyeket kovalens kötések kötnek össze. Ezt a típusú kötést két szomszédos atom elektronpárja alkotja. Ennek köszönhetően egyenletesen és szigorú sorrendben vannak összekötve.

Az atomi kristályrácsos anyagokat a következő tulajdonságok jellemzik: szilárdság és magas olvadáspont. Ez a fajta kötés jelen van a gyémántban, a szilíciumban és a bórban..

Ionos típus

Ellentétes töltésű ionok helyezkednek el azokban a csomópontokban, amelyek elektromágneses teret hoznak létre, amely az anyag fizikai tulajdonságait jellemzi. Ezek a következők: elektromos vezetőképesség, tűzállóság, sűrűség és keménység. Az asztali sót és a kálium-nitrátot ionos kristályrács jellemzi.

Ne hagyja ki: Oktatási mechanizmus, esettanulmányok.

Molekuláris típus

Az ilyen típusú helyeken ionok vannak, amelyeket van der Waals erők kötnek össze. A gyenge intermolekuláris kötések miatt az ilyen anyagokat, például a jeget, a szén-dioxidot és a paraffint plaszticitás, elektromos és hővezető képesség jellemzi.

fém típusú

Szerkezetében molekulárisra hasonlít, de mégis erősebb kötésekkel rendelkezik. Ennek a típusnak az a különbsége, hogy a pozitív töltésű kationok a csomópontjaiban helyezkednek el. Az elektronok, amelyek az intersticiálisban vannak tér, részt vesz az elektromos tér kialakításában. Elektromos gáznak is nevezik.

Az egyszerű fémeket és ötvözeteket fémrács típus jellemzi. Fémes csillogás, plaszticitás, hő- és elektromos vezetőképesség jellemzi őket. Különböző hőmérsékleteken megolvadhatnak.

O. V. Mosin, I. Ignatov (Bulgária)

annotáció Nem szabad alábecsülni a jég fontosságát bolygónk életének fenntartásában. A jég nagy hatással van a növények és állatok életkörülményeire, életkörülményeire, valamint az emberi gazdasági tevékenységek különféle típusaira. A vizet borító jég, alacsony sűrűsége miatt, úszó képernyő szerepét tölti be a természetben, megvédi a folyókat és a víztározókat a további fagyástól és megóvja a víz alatti lakosok életét. A jég különféle célú felhasználása (hóvisszatartás, jégátjárók és izotermikus raktárak rendezése, tároló létesítmények és bányák jegesítése) a hidrometeorológiai és mérnöki tudományok számos szekciójának tárgya, mint a jégtechnika, hótechnika, mérnöki tudományok. permafrost, valamint a jégfelderítést, a jégtörő szállítást és a hóekéket szolgáló speciális szolgálatok tevékenysége. A természetes jeget élelmiszeripari termékek, biológiai és gyógyászati ​​készítmények tárolására, hűtésére használják, amelyhez kifejezetten előállítják és betakarítják, a jég olvasztásával készített olvadékvizet pedig a népi gyógyászat anyagcsere fokozására, méreganyagok eltávolítására a szervezetből. A cikk a jég új, kevéssé ismert tulajdonságaival és módosulataival ismerteti meg az olvasót.

A jég a víz kristályos formája, amely a legfrissebb adatok szerint tizennégy szerkezeti módosulással rendelkezik. Vannak köztük kristályos (természetes jég) és amorf (köbös jég) és metastabil módosulatok is, amelyek a jég kristályrácsát alkotó hidrogénkötésekkel összekapcsolt vízmolekulák kölcsönös elrendezésében és fizikai tulajdonságaiban különböznek egymástól. A hatszögletű rácsban kristályosodó természetes jég I h kivételével mindegyik egzotikus körülmények között jön létre - nagyon alacsony szárazjég és folyékony nitrogén hőmérsékleten és több ezer atmoszféra nagy nyomáson, amikor a hidrogénkötések szögei bezáródnak. vízmolekulában megváltozik, és kristályos rendszerek jönnek létre, amelyek különböznek a hatszögletűtől. Az ilyen körülmények a kozmikus viszonyokra emlékeztetnek, és nem találhatók meg a Földön.

A természetben a jeget főként egy kristályos változat képviseli, amely egy gyémántszerkezetre emlékeztető hatszögletű rácsban kristályosodik, ahol minden vízmolekulát négy, hozzá legközelebb eső molekula vesz körül, amelyek tőle azonos távolságra, egyenlő távolságra, 2,76 angströmnyire találhatók, és kb. szabályos tetraéder csúcsai. Az alacsony koordinációs szám miatt a jég szerkezete hálózatos, ami befolyásolja az alacsony sűrűségét, amely 0,931 g/cm 3 .

A jég legszokatlanabb tulajdonsága a külső megnyilvánulások elképesztő sokfélesége. Ugyanazzal a kristályszerkezettel teljesen másképp nézhet ki, átlátszó jégesők és jégcsapok, bolyhos hópelyhek, sűrű, fényes jégkéreg vagy óriási gleccsertömegek formájában. A jég a természetben kontinentális, úszó és föld alatti jég, valamint hó és dér formájában fordul elő. Az emberi élet minden területén elterjedt. A nagy mennyiségben összegyűjtve a hó és a jég különleges szerkezeteket képez, amelyek alapvetően más tulajdonságokkal rendelkeznek, mint az egyes kristályok vagy hópelyhek. A természetes jeget elsősorban üledékes-metamorf eredetű jég képezi, amely szilárd légköri csapadékból képződik az utólagos tömörítés és átkristályosodás eredményeként. A természetes jég jellegzetessége a szemcsésség és a sávosodás. A szemcsézettség az átkristályosodási folyamatoknak köszönhető; a gleccserjég minden egyes szemcséje egy szabálytalan alakú kristály, amely szorosan csatlakozik a jégtömegben lévő többi kristályhoz oly módon, hogy az egyik kristály nyúlványai szorosan illeszkednek egy másik kristály mélyedéseibe. Az ilyen jeget polikristályosnak nevezik. Ebben minden jégkristály a legvékonyabb levelek rétege, amelyek az alapsíkban átfedik egymást, merőlegesek a kristály optikai tengelyének irányára.

A Föld teljes jégtartalékát körülbelül 30 millió tonnára becsülik. km 3(Asztal 1). A jég nagy része az Antarktiszon koncentrálódik, ahol rétegének vastagsága eléri a 4-et km. Bizonyítékok vannak a jég jelenlétére a Naprendszer bolygóin és az üstökösökben is. A jég annyira fontos bolygónk klímája és a rajta lévő élőlények lakóhelye szempontjából, hogy a tudósok különleges környezetet jelöltek ki a jég számára - a krioszférát, amelynek határai magasan a légkörbe és mélyen a földkéregbe nyúlnak.

Tab. egy. A jég mennyisége, eloszlása ​​és élettartama.

• jég típusa; Súly; Elosztási terület; Átlagos koncentráció, g/cm2; Súlygyarapodás mértéke, g/év; Átlagos élettartam, év
• G; %; millió km2; %
• gleccserek; 2,4 1022; 98,95; 16,1; 10,9 sushi; 1,48 105; 2,5 1018; 9580
• föld alatti jég; 2 1020; 0,83; 21; 14,1 sushi; 9,52 103; 6 1018; 30-75
• tengeri jég; 3,5 1019; 0,14; 26; 7,2 óceán; 1,34 102; 3,3 1019; 1.05
• Hóréteg; 1,0 1019; 0,04; 72,4; 14,2 Földek; 14,5; 2 1019; 0,3-0,5
• jéghegyek; 7,6 1018; 0,03; 63,5; 18,7 óceán; 14,3; 1,9 1018; 4.07
• légköri jég; 1,7 1018; 0,01; 510,1; 100 Föld; 3,3 10-1; 3,9 1020; 4 10-3

A jégkristályok formájukban és arányaikban egyedülállóak. Minden növekvő természetes kristály, beleértve a jég jégkristályát is, mindig arra törekszik, hogy egy ideális szabályos kristályrácsot hozzon létre, mivel ez a belső energiája minimuma szempontjából előnyös. Az esetleges szennyeződések, mint ismeretes, torzítják a kristály alakját, ezért a víz kristályosodása során a vízmolekulák elsősorban a rácsba épülnek be, és idegen atomok, szennyeződések molekulái kiszorulnak a folyadékba. És csak akkor, ha a szennyeződéseknek nincs hova menniük, a jégkristály elkezdi beépíteni őket a szerkezetébe, vagy üreges kapszulák formájában hagyja el őket koncentrált, nem fagyos folyadékkal - sóoldattal. Ezért a tengeri jég friss, és még a legszennyezettebb víztesteket is átlátszó és tiszta jég borítja. Amikor a jég megolvad, kiszorítja a szennyeződéseket a sóoldatba. Bolygói léptékben a víz fagyásának és kiolvadásának jelensége, valamint a víz párolgása és lecsapódása egy gigantikus tisztulási folyamat szerepét tölti be, amelyben a víz a Földön folyamatosan megtisztítja magát.

Tab. 2. A jég néhány fizikai tulajdonsága I.

Ingatlan

Jelentése

jegyzet

Hőkapacitás, cal/(g °C) Olvadáshő, cal/g Párolgási hő, cal/g

0,51 (0 °C) 79,69 677

A hőmérséklet csökkenésével erősen csökken

Hőtágulási együttható, 1/°C

9,1 10-5 (0°C)

Polikristályos jég

Hővezetőképesség, cal/(cm s °C)

4,99 10 -3

Polikristályos jég

Törésmutató:

1,309 (-3°C)

Polikristályos jég

Fajlagos elektromos vezetőképesség, ohm-1 cm-1

10-9 (0°C)

Látszólagos aktiválási energia 11 kcal/mol

Felületi elektromos vezetőképesség, ohm-1

10-10 (-11°C)

Látszólagos aktiválási energia 32 kcal/mol

Young-féle rugalmassági modulus, dyne/cm2

9 1010 (-5 °C)

Polikristályos jég

Ellenállás, MN/m2: zúzó szakító nyírás

2,5 1,11 0,57

polikristályos jég polikristályos jég polikristályos jég

Dinamikus viszkozitás, egyensúly

Polikristályos jég

Aktiválási energia deformáció és mechanikai relaxáció során, kcal/mol

Lineárisan növekszik 0,0361 kcal/(mol °C) 0-ról 273,16 K-re

Megjegyzés: 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 din/cm=10-7 N/m; 1 cal / (cm s ° C) \u003d 418,68 W / (m K); 1 poise \u003d g / cm s \u003d 10 -1 N sec / m 2.

A jég Földön való széles elterjedéséből adódóan számos természetes folyamatban fontos szerepet játszik a jég fizikai tulajdonságainak (2. táblázat) eltérése más anyagok tulajdonságaitól. A jégnek számos egyéb életfenntartó tulajdonsága és anomáliája van – a sűrűség, nyomás, térfogat és hővezető képesség anomáliái. Ha nem lennének hidrogénkötések, amelyek a vízmolekulákat kristályba kötnék, a jég -90 °C-on megolvadna. De ez nem történik meg a vízmolekulák közötti hidrogénkötések jelenléte miatt. A jég a víznél kisebb sűrűsége miatt úszó borítást képez a víz felszínén, amely megvédi a folyókat és a tározókat a fenékfagyástól, mivel hővezető képessége jóval kisebb, mint a vízé. Ugyanakkor a legkisebb sűrűség és térfogat +3,98 °C-on figyelhető meg (1. ábra). A víz további 0 0 C-ra hűtése fokozatosan nem csökkenéshez, hanem térfogatának közel 10%-os növekedéséhez vezet, amikor a víz jéggé alakul. A víznek ez a viselkedése két egyensúlyi fázis – a folyékony és a kvázikristályos – egyidejű meglétét jelzi a vízben, a kvázikristályokhoz hasonlóan, amelyek kristályrácsának nemcsak periodikus szerkezete van, hanem különböző rendű szimmetriatengelyei is vannak. amelyek létezése korábban ellentmondott a krisztallográfusok elképzeléseinek. Ez az elmélet, amelyet először az ismert hazai elméleti fizikus, Ya. I. Frenkel terjesztett elő, azon a feltételezésen alapul, hogy a folyadékmolekulák egy része kvázi kristályos szerkezetet alkot, míg a többi molekula gázszerű, szabadon. mozog a kötetben. A molekulák eloszlása ​​bármely rögzített vízmolekula kis szomszédságában bizonyos sorrendet mutat, némileg a kristályosra emlékeztet, bár lazább. Emiatt a víz szerkezetét néha kvázi-kristályosnak vagy kristályszerűnek nevezik, azaz szimmetriával és rendjelenléttel rendelkezik az atomok vagy molekulák kölcsönös elrendezésében.

Rizs. egy. A jég és a víz fajlagos térfogatának hőmérséklettől való függése

További tulajdonsága, hogy a jég áramlási sebessége egyenesen arányos az aktiválási energiával és fordítottan arányos az abszolút hőmérséklettel, így a hőmérséklet csökkenésével a jég tulajdonságaiban abszolút szilárd testté válik. Az olvadáshoz közeli hőmérsékleten a jég folyékonysága átlagosan 10 6-szor nagyobb, mint a kőzeteké. Folyékonyságának köszönhetően a jég nem halmozódik fel egy helyen, hanem folyamatosan, gleccserek formájában mozog. Az áramlási sebesség és a feszültség közötti kapcsolat polikristályos jégben hiperbolikus; közelítőleg hatványegyenlettel leírva a kitevő a feszültség növekedésével nő.

A látható fényt a jég gyakorlatilag nem nyeli el, mivel a fénysugarak áthaladnak a jégkristályon, de blokkolja az ultraibolya sugárzást és a Nap infravörös sugárzásának nagy részét. A spektrum ezen tartományaiban a jég teljesen feketének tűnik, mivel a fényelnyelési együttható a spektrum ezen tartományaiban nagyon magas. A jégkristályokkal ellentétben a hóra eső fehér fény nem nyelődik el, hanem sokszor megtörik a jégkristályokban, és visszaverődik az arcukról. Ezért fehérnek látszik a hó.

A jég (0,45) és a hó (0,95-ig) nagyon magas visszaverő képessége miatt az általuk borított terület átlagosan körülbelül 72 millió hektár évente. km 2 mindkét félteke magas és középső szélességein a szokásosnál 65%-kal kevesebb naphőt kap, és a földfelszín erőteljes hűtési forrása, ami nagymértékben meghatározza a modern szélességi éghajlati zónát. Nyáron a sarkvidékeken nagyobb a napsugárzás, mint az egyenlítői övben, ennek ellenére a hőmérséklet alacsony marad, mivel az elnyelt hő jelentős részét a nagyon magas olvadáshővel rendelkező jég olvadására fordítják.

A jég további szokatlan tulajdonságai közé tartozik, hogy növekvő kristályai elektromágneses sugárzást keltenek. Ismeretes, hogy a vízben oldott szennyeződések nagy része nem kerül át a jégre, amikor az növekedni kezd; lefagynak. Ezért a jégfilm még a legszennyezettebb tócsán is tiszta és átlátszó. Ebben az esetben a szilárd és folyékony közeg határán szennyeződések halmozódnak fel, két különböző előjelű elektromos töltésréteg formájában, amelyek jelentős potenciálkülönbséget okoznak. A feltöltött szennyeződésréteg a fiatal jég alsó határával együtt mozog, és elektromágneses hullámokat sugároz. Ennek köszönhetően a kristályosodási folyamat részletesen megfigyelhető. Így a tű formájában megnövő kristály másképpen sugárzik, mint az oldalirányú folyamatokkal borított, és a növekvő szemcsék sugárzása eltér attól, amely a kristályok megrepedésekor következik be. A sugárzási impulzusok alakjából, sorrendjéből, frekvenciájából és amplitúdójából megállapítható, hogy milyen gyorsan fagy le a jég, és milyen jégszerkezet képződik.

De a legmeglepőbb a jég szerkezetében, hogy a szén nanocsövek belsejében alacsony hőmérsékleten és nagy nyomáson lévő vízmolekulák kettős hélix formájában kristályosodhatnak, ami DNS-molekulákra emlékeztet. Ezt bizonyították a közelmúltban végzett számítógépes kísérletek amerikai tudósok Xiao Cheng Zeng, a University of Nebraska (USA) vezetésével. Annak érdekében, hogy a víz egy szimulált kísérletben spirált képezzen, 1,35-1,90 nm átmérőjű nanocsövekbe helyezték nagy nyomás alatt, 10 és 40 000 atmoszféra között változtatva –23 °C hőmérsékletet. Azt várták, hogy a víz minden esetben vékony csőszerű szerkezetet alkosson. A modell azonban kimutatta, hogy 1,35 nm-es nanocső átmérőnél és 40 000 atmoszféra külső nyomásnál a jégszerkezetben lévő hidrogénkötések meghajlottak, ami egy kettős falú - belső és külső - hélix kialakulásához vezetett. Ilyen körülmények között kiderült, hogy a belső fal négyszeres spirálba csavarodott, a külső fal pedig négy DNS-molekulához hasonló kettős hélixből állt (2. ábra). Ez a tény megerősítheti a kapcsolatot a létfontosságú DNS-molekula szerkezete és magának a víznek a szerkezete között, valamint azt, hogy a víz mátrixként szolgált a DNS-molekulák szintéziséhez.

Rizs. 2. A nanocsövekben lévő fagyott víz szerkezetének számítógépes modellje, amely DNS-molekulára emlékeztet (Fotó a New Scientisttől, 2006)

A víznek a közelmúltban felfedezett másik legfontosabb tulajdonsága, hogy a víz képes megjegyezni a múltbeli expozíciókkal kapcsolatos információkat. Ezt először Masaru Emoto japán kutató és honfitársunk, Stanislav Zenin bizonyította be, aki az elsők között javasolta a víz szerkezetének klaszterelméletét, amely egy ömlesztett poliéderes szerkezet ciklikus társulásaiból áll - általános képletű klaszterekből (H 2 O) n, ahol n a legújabb adatok szerint elérheti a száz, sőt az ezer egységet is. A vízben található klaszterek miatt a víz információs tulajdonságokkal rendelkezik. A kutatók lefényképezték a víz jég mikrokristályokká fagyásának folyamatait, amelyek különböző elektromágneses és akusztikus mezőkkel, dallamokkal, imával, szavakkal vagy gondolatokkal hatnak rá. Kiderült, hogy a gyönyörű dallamok és szavak formájában megjelenő pozitív információk hatására a jég szimmetrikus hatszögletű kristályokká fagyott. Ahol nem ritmikus zene szólt, dühös és sértő szavak, a víz éppen ellenkezőleg, kaotikus és formátlan kristályokká fagyott. Ez a bizonyíték arra, hogy a víznek különleges szerkezete van, amely érzékeny a külső információs hatásokra. Feltehetően a 85-90%-ban vízből álló emberi agy erős strukturáló hatással bír a vízre.

Az Emoto kristályok egyaránt felkeltik az érdeklődést és a nem kellően megalapozott kritikát. Ha figyelmesen megnézi őket, láthatja, hogy szerkezetük hat csúcsból áll. De még alaposabb elemzés azt mutatja, hogy a téli hópelyhek szerkezete azonos, mindig szimmetrikus és hat tetejű. A kristályosodott struktúrák milyen mértékben tartalmaznak információt arról a környezetről, ahol létrejöttek? A hópelyhek szerkezete lehet szép vagy formátlan. Ez azt jelzi, hogy a kontrollminta (felhő a légkörben), ahol előfordulnak, ugyanolyan hatással van rájuk, mint a kezdeti feltételek. A kezdeti feltételek a naptevékenység, hőmérséklet, geofizikai mezők, páratartalom stb. Mindez azt jelenti, hogy az ún. átlagos együttes, arra a következtetésre juthatunk, hogy a vízcseppek, majd a hópelyhek szerkezete megközelítőleg azonos. Tömegük közel azonos, és hasonló sebességgel mozognak a légkörben. A légkörben tovább formálják szerkezetüket és növelik térfogatukat. Még ha a felhő különböző részein keletkeztek is, mindig van bizonyos számú hópelyh ugyanabban a csoportban, amelyek szinte azonos körülmények között keletkeztek. És a válasz arra a kérdésre, hogy mi minősül pozitív és negatív információnak a hópelyhekről, az Emotóban található. Laboratóriumi körülmények között a negatív információk (földrengés, az ember számára kedvezőtlen hangrezgések stb.) nem kristályokat képeznek, hanem pozitív információk, éppen ellenkezőleg. Nagyon érdekes, hogy egy-egy tényező milyen mértékben képes azonos vagy hasonló hópelyhek szerkezetét kialakítani. A víz legnagyobb sűrűségét 4 °C hőmérsékleten figyeljük meg. Tudományosan bizonyított, hogy a víz sűrűsége csökken, ha hatszögletű jégkristályok kezdenek képződni, amikor a hőmérséklet nulla alá süllyed. Ez a vízmolekulák közötti hidrogénkötések működésének eredménye.

Mi az oka ennek a strukturálásnak? A kristályok szilárd anyagok, és az őket alkotó atomok, molekulák vagy ionok szabályos, ismétlődő szerkezetbe rendeződnek, három térbeli dimenzióban. A vízkristályok szerkezete némileg eltérő. Isaac szerint a jégben lévő hidrogénkötések mindössze 10%-a kovalens, azaz. meglehetősen stabil információkkal. Az egyik vízmolekula oxigénje és a másik hidrogénje közötti hidrogénkötések a legérzékenyebbek a külső hatásokra. A víz spektruma a kristályok képződése során időben viszonylag eltérő. Egy vízcsepp diszkrét elpárologtatásának Antonov és Juszkeseljev által bizonyított hatása és a hidrogénkötések energiaállapotától való függése alapján a kristályok szerkezetére kereshetünk választ. A spektrum minden része a vízcseppek felületi feszültségétől függ. A spektrumban hat csúcs található, amelyek a hópehely elágazásait jelzik.

Nyilvánvaló, hogy Emoto kísérleteiben a kezdeti "kontroll" minta hatással van a kristályok megjelenésére. Ez azt jelenti, hogy egy bizonyos tényezőnek való kitettség után ilyen kristályok képződésére lehet számítani. Szinte lehetetlen azonos kristályokat szerezni. A "szerelem" szó vízre gyakorolt ​​hatásának tesztelésekor Emoto nem jelzi egyértelműen, hogy ezt a kísérletet különböző mintákkal végezték-e.

Kettős vak kísérletekre van szükség annak tesztelésére, hogy az Emoto technika kellően differenciál-e. Isaac bizonyítéka, hogy a vízmolekulák 10%-a kovalens kötést hoz létre a fagyás után, azt mutatja, hogy a víz felhasználja ezt az információt, amikor megfagy. Emoto eredménye még kettős vak kísérletek nélkül is igen fontos a víz információs tulajdonságaival kapcsolatban.

Természetes hópehely, Wilson Bentley, 1925

Természetes vízből nyert Emoto hópehely

Az egyik hópehely természetes, a másikat Emoto készítette, jelezve, hogy a víz spektrumának sokfélesége nem határtalan.

Földrengés, Szófia, 4,0 Richter-skála, 2008. november 15.
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. Antonov készüléke ©

Ez az ábra a kontroll minta és a más napokon vett minták közötti különbséget mutatja. A vízmolekulák megbontják a víz legenergetikusabb hidrogénkötéseit, valamint a spektrum két csúcsát egy természeti jelenség során. A vizsgálatot Antonov készülékkel végezték. A biofizikai eredmény a test vitalitásának csökkenését mutatja földrengés során. Egy földrengés során a víz nem tudja megváltoztatni szerkezetét a hópelyhekben Emoto laboratóriumában. Bizonyítékok vannak a víz elektromos vezetőképességének változására egy földrengés során.

1963-ban a tanzániai iskolás, Erasto Mpemba észrevette, hogy a meleg víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg. Ezt a jelenséget Mpemba-effektusnak nevezik. Bár a víz egyedülálló tulajdonságára Arisztotelész, Francis Bacon és Rene Descartes már jóval korábban felfigyelt. A jelenséget számos független kísérlet többszörösen bizonyította. A víznek van egy másik furcsa tulajdonsága is. Véleményem szerint ennek a magyarázata a következő: a forralt víz differenciális nem egyensúlyi energiaspektrumában (DNES) alacsonyabb a vízmolekulák közötti hidrogénkötések átlagos energiája, mint egy szobahőmérsékleten vett mintánál. Ez azt jelenti, hogy a forralt víz kevesebb energiát igényel a vízmolekulák között. hogy elkezdjék strukturálni a kristályokat és megfagyjanak.

A jég szerkezetének és tulajdonságainak kulcsa a kristály szerkezetében rejlik. A jég valamennyi módosulatának kristályai H 2 O vízmolekulákból épülnek fel, amelyeket hidrogénkötések kötnek össze háromdimenziós hálós keretekké, amelyekben a hidrogénkötések bizonyos elrendezése vannak. A vízmolekula egyszerűen elképzelhető tetraéderként (háromszögalapú piramisként). Középpontjában egy oxigénatom található, amely sp 3 hibridizációs állapotban van, két csúcsában pedig egy hidrogénatom, melynek egyik 1s elektronja az oxigénnel kovalens H-O kötés kialakításában vesz részt. A fennmaradó két csúcsot párosítatlan oxigénelektronpárok foglalják el, amelyek nem vesznek részt az intramolekuláris kötések kialakításában, ezért ezeket magányosnak nevezik. A H 2 O molekula térbeli alakját a hidrogénatomok és a központi oxigénatom magányos elektronpárjainak kölcsönös taszítása magyarázza.

A hidrogénkötés fontos szerepet játszik az intermolekuláris kölcsönhatások kémiájában, és gyenge elektrosztatikus erők és donor-akceptor kölcsönhatások hajtják. Akkor fordul elő, amikor egy vízmolekula elektronhiányos hidrogénatomja kölcsönhatásba lép a szomszédos vízmolekula oxigénatomjának (О-Н…О) magányos elektronpárjával. A hidrogénkötés megkülönböztető jellemzője a viszonylag alacsony szilárdság; 5-10-szer gyengébb, mint a kémiai kovalens kötés. Az energiát tekintve a hidrogénkötés közbenső helyet foglal el a kémiai kötés és a molekulákat szilárd vagy folyékony fázisban tartó van der Waals kölcsönhatások között. A jégkristályban lévő minden vízmolekula egyidejűleg négy hidrogénkötést tud létrehozni más szomszédos molekulákkal, szigorúan meghatározott szögben, 109 ° 47 "-os szögben, amelyek a tetraéder csúcsaira irányulnak, amelyek nem teszik lehetővé sűrű szerkezet kialakulását, amikor a víz megfagy (ábra 3) Az I, Ic, VII és VIII jégszerkezetekben ez a tetraéder szabályos. A II, III, V és VI jég szerkezetében a tetraéderek észrevehetően torzultak. A VI, VII és VIII jég szerkezetében két A hidrogénkötések egymást keresztező rendszerei különböztethetők meg.A hidrogénkötések ezen láthatatlan kerete a vízmolekulákat rács formájában rendezi el, a szerkezet hatszögletű méhsejtre emlékeztet, üreges belső csatornákkal.Ha a jeget felmelegítik, a rácsszerkezet megsemmisül: víz A molekulák elkezdenek hullani a rács üregeibe, ami a folyadék sűrűbb szerkezetéhez vezet – ez megmagyarázza, hogy a víz miért nehezebb a jégnél.

Rizs. 3. Hidrogénkötés kialakulása négy H 2 O molekula között (piros golyók a központi oxigénatomokat, a fehér golyók a hidrogénatomokat jelölik)

A jég szerkezetére jellemző hidrogénkötések és intermolekuláris kölcsönhatások sajátossága megmarad az olvadékvízben, hiszen a jégkristály olvadása során az összes hidrogénkötésnek csak 15%-a pusztul el. Ezért a jégben rejlő kötés az egyes vízmolekulák és négy szomszédja között ("rövid hatótávolságú rend") nem sérül, bár az oxigénvázrács diffúzabb. A hidrogénkötések akkor is megmaradhatnak, amikor a víz felforr. Hidrogénkötések csak vízgőzben hiányoznak.

A légköri nyomáson képződő és 0 °C-on olvadó jég a legismertebb, de még mindig nem teljesen ismert anyag. Szerkezetében és tulajdonságaiban sok szokatlannak tűnik. A jég kristályrácsának csomópontjaiban a vízmolekulák tetraédereinek oxigénatomjai rendezetten helyezkednek el, szabályos hatszögeket alkotva, mint egy hatszögletű méhsejt, és a hidrogénatomok különböző pozíciókat foglalnak el az oxigénatomokat összekötő hidrogénkötéseken ( 4. ábra). Ezért a vízmolekuláknak hat ekvivalens orientációja van a szomszédokhoz képest. Némelyikük kizárt, mivel két proton jelenléte ugyanazon a hidrogénkötésen egy időben nem valószínű, de a vízmolekulák orientációjában kellő bizonytalanság marad. Az atomoknak ez a viselkedése atipikus, hiszen szilárd anyagban minden atom ugyanannak a törvénynek engedelmeskedik: vagy rendezetten elhelyezkedő atomok, és akkor kristály, vagy véletlenszerűen, majd amorf anyag. Egy ilyen szokatlan szerkezet megvalósítható a jég legtöbb változatában - Ih, III, V, VI és VII (és nyilvánvalóan az Ic-ben) (3. táblázat), valamint a II, VIII és IX jég szerkezetében a víz. a molekulák orientációs sorrendben vannak. J. Bernal szerint a jég az oxigénatomokhoz képest kristályos, a hidrogénatomokhoz képest üveges.

Rizs. 4. Természetes hatszög alakú jég szerkezete I h

Más körülmények között, például az űrben nagy nyomáson és alacsony hőmérsékleten a jég másképpen kristályosodik, és más kristályrácsokat és módosulatokat (köbös, trigonális, tetragonális, monoklin stb.) képez, amelyek mindegyikének saját szerkezete és kristályrácsa van ( 3. táblázat). A különböző módosulatú jég szerkezetét orosz kutatók, a kémiatudományok doktora számították ki. G.G. Malenkov és Ph.D. E.A. Zheligovskaya a Fizikai Kémiai és Elektrokémiai Intézettől. A.N. Frumkin az Orosz Tudományos Akadémiától. A II-es, III-as és V-ös jégmódosítás hosszú ideig megmarad légköri nyomáson, ha a hőmérséklet nem haladja meg a -170 °C-ot (5. ábra). Körülbelül -150 °C-ra hűtve a természetes jég Ic köbös jéggé alakul, amely kockákból és néhány nanométeres oktaéderekből áll. A jég I c olykor a víz kapillárisokban való megfagyásakor is megjelenik, amit láthatóan elősegít a víznek a falanyaggal való kölcsönhatása, szerkezetének ismétlődése. Ha a hőmérséklet valamivel magasabb, mint -110 0 C, a fémhordozón sűrűbb és nehezebb üvegszerű amorf jég kristályai képződnek, amelyek sűrűsége 0,93 g/cm 3. Mindkét jégforma spontán módon hatszögletű jéggé alakulhat, és minél gyorsabban, annál magasabb a hőmérséklet.

Tab. 3. A jég néhány módosítása és fizikai paraméterei.

Módosítás

Kristályos szerkezet

Hidrogénkötés hossza, Å

H-O-H szögek tetraéderben, 0

Hatszögletű

kocka alakú

Trigonális

négyszögű

Monoklinika

négyszögű

kocka alakú

kocka alakú

négyszögű

Jegyzet. 1 Å = 10 -10 m

Rizs. öt. Különféle módosulatú kristályos jegek állapotdiagramja.

Vannak még nagynyomású jégtáblák is – a trigonális és tetragonális módosulatok II. és III. változata, amelyek üreges hektárokból alakulnak ki, amelyeket hatszögletű hullámos elemek alkotnak egymáshoz képest egyharmaddal eltolva (6. és 7. ábra). Ezek a jegek hélium és argon nemesgázok jelenlétében stabilizálódnak. A monoklin módosulat V jégének szerkezetében a szomszédos oxigénatomok közötti szögek 860° és 132° között mozognak, ami nagyon eltér a vízmolekulában lévő kötésszögtől, amely 105°47'. A tetragonális módosulat VI jege két egymásba illesztett keretből áll, amelyek között nincsenek hidrogénkötések, aminek következtében testközpontú kristályrács alakul ki (8. ábra). A jég VI szerkezete hexamereken – hat vízmolekulából álló blokkon – alapul. Konfigurációjuk pontosan megismétli egy stabil vízfürt szerkezetét, amit a számítások adnak. A köbös módosulat VII-es és VIII-as jégei, amelyek a VII. jég alacsony hőmérsékletű rendezett formái, hasonló szerkezetűek, egymásba illesztett I jégvázakkal. Az ezt követő nyomásnövekedés hatására a VII és VIII jég kristályrácsában az oxigénatomok távolsága csökken, ennek következtében kialakul az X jég szerkezete, amelyben az oxigénatomok szabályos rácsban helyezkednek el, ill. a protonok rendezettek.

Rizs. 7. III konfigurációjú jég.

A XI jég az I h jég mélyhűtésével keletkezik lúg hozzáadásával 72 K alatt normál nyomáson. Ilyen körülmények között hidroxilkristály hibák képződnek, ami lehetővé teszi a növekvő jégkristály szerkezetének megváltoztatását. Az Ice XI rombusz alakú kristályrácsot tartalmaz, a protonok rendezett elrendezésével, és egyidejűleg számos kristályosodási központban képződik a kristály hidroxilhibái közelében.

Rizs. 8. Ice VI konfiguráció.

A jégkörök között a legszebb szerkezetű IV. és XII. metastabil formák is megtalálhatók, amelyek élettartama másodpercek. A metastabil jég előállításához I h jeget folyékony nitrogén hőmérsékleten 1,8 GPa nyomásra kell összenyomni. Ezek a jégkövek sokkal könnyebben képződnek, és különösen stabilak, ha túlhűtött nehéz vizet nyomás alá helyeznek. Egy másik metastabil módosulat, a IX. jég a III jég túlhűtésekor képződik, és lényegében annak alacsony hőmérsékletű formája.

Rizs. kilenc. Ice IV-konfiguráció.

Rizs. 10. Ice XII konfiguráció.

A jég utolsó két változatát - a XIII. monoklinikus és a XIV. rombusz konfigurációval - oxfordi (Nagy-Britannia) tudósok fedezték fel a közelmúltban - 2006-ban. Nehéz volt megerősíteni azt a feltételezést, hogy létezniük kell monoklin és rombuszos rácsos jégkristályoknak: a víz viszkozitása -160 °C hőmérsékleten nagyon magas, és a tiszta túlhűtött víz molekulái nehezen tudnak ilyen mennyiségben összeállni. hogy kristálymag keletkezik. Ezt egy katalizátor - sósav - segítségével érték el, amely növelte a vízmolekulák mobilitását alacsony hőmérsékleten. A Földön ilyen jégmódosulások nem képződhetnek, de létezhetnek az űrben, lehűtött bolygókon és fagyott műholdakon és üstökösökön. Így a Jupiter és a Szaturnusz műholdjainak felszínéről származó sűrűség és hőáram kiszámítása lehetővé teszi számunkra, hogy kijelentsük, hogy Ganymedesnek és Callistonak jéghéjjal kell rendelkeznie, amelyben az I, III, V és VI jég váltakozik. A Titánnál a jég nem kérget, hanem köpenyt képez, melynek belső rétege VI jégből, egyéb nagynyomású jégekből és klatráthidrátokból áll, a tetején pedig az I h jég található.

Rizs. tizenegy. A hópelyhek változatossága és alakja a természetben

Magasan a Föld légkörében alacsony hőmérsékleten a víz tetraéderekből kristályosodik, hatszögletű jeget képezve I h. A jégkristályok képződésének központja a szilárd porszemcsék, amelyeket a szél a légkör felső rétegébe emel. Az embrionális jég mikrokristály körül hat szimmetrikus irányban tűk nőnek, amelyeket egyedi vízmolekulák alkotnak, amelyeken oldalirányú folyamatok - dendritek nőnek. A hópehely körüli levegő hőmérséklete és páratartalma azonos, így kezdetben szimmetrikus alakú. Ahogy a hópelyhek kialakulnak, fokozatosan lesüllyednek a légkör alsóbb rétegeibe, ahol magasabb a hőmérséklet. Itt olvadás következik be, és ideális geometriai alakjuk eltorzul, és különféle hópelyheket képez (11. ábra).

A további olvadással a jég hatszögletű szerkezete tönkremegy, és a klaszterek ciklikus asszociációinak keveréke, valamint a víz tri-, tetra-, penta-, hexamereiből (12. ábra) és szabad vízmolekulákból képződik. Az így létrejövő klaszterek szerkezetének vizsgálata sokszor igen nehézkes, hiszen a víz a modern adatok szerint különféle semleges klaszterek (H 2 O) n és ezek töltött klaszterionjainak [H 2 O] + n és [H] keveréke. 2 O] - n, amelyek dinamikus egyensúlyban vannak között, élettartamuk 10 -11 -10 -12 másodperc.

Rizs. 12. Lehetséges (H 2 O) n összetételű vízklaszterek (a-h), ahol n = 5-20.

A klaszterek a hidrogénkötések kiálló felületei miatt képesek egymással kölcsönhatásba lépni, és bonyolultabb poliédereket képeznek, például hexaédert, oktaédert, ikozaédert és dodekaédert. Így a víz szerkezetét az ezeket felfedező ókori görög filozófus és geométerről, Platónról elnevezett, úgynevezett platóni szilárd testekkel (tetraéder, hexaéder, oktaéder, ikozaéder és dodekaéder) kötik, amelyek alakját az aranymetszés határozza meg. (13. ábra).

Rizs. 13. Platóni testek, amelyek geometriai alakját az aranymetszés határozza meg.

A csúcsok (B), lapok (G) és élek (P) számát bármely térbeli poliéderben a következő összefüggés írja le:

C + D = P + 2

Egy szabályos poliéder csúcsainak számának (B) az egyik lapja éleinek számához (P) egyenlő aránya ugyanazon poliéder lapjai számának (G) az élek számához ( P) egyik csúcsából kilépve. Egy tetraéder esetében ez az arány 4:3, egy hexaédernél (6 lap) és egy oktaédernél (8 lap) - 2:1, valamint egy dodekaédernél (12 lap) és egy ikozaédernél (20 lap) - 4:1.

Az orosz tudósok által kiszámított poliéderes vízklaszterek szerkezetét modern elemzési módszerekkel igazolták: proton mágneses rezonancia spektroszkópiával, femtoszekundumos lézerspektroszkópiával, röntgen- és neutrondiffrakcióval vízkristályokon. A vízhalmazok felfedezése és a víz információtároló képessége a 21. évezred két legfontosabb felfedezése. Ez egyértelműen bizonyítja, hogy a természetet a jégkristályokra jellemző szimmetria jellemzi, pontos geometriai formák és arányok formájában.

IRODALOM.

1. Beljanin V., Romanova E. Élet, a vízmolekula és az aranymetszés // Tudomány és Élet, 2004, 10. évf., 3. szám, 3. o. 23-34.

2. Shumsky P. A., A szerkezeti jégtudomány alapjai. - Moszkva, 1955b p. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. A víz mint életanyag tudatosítása. // Tudat és fizikai valóság. 2011, T 16, 12. szám, p. 9-22.

4. Petryanov I. V. A világ legszokatlanabb anyaga, Moszkva, Pedagógia, 1981, p. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. A víz szerkezete és tulajdonságai. - Leningrád, Gidrometeoizdat, 1975, p. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. A víz ismerős és titokzatos. - Kijev, Rodjanszki iskola, 1982, p. 62-64.

7. G. N. Zatsepina, A víz szerkezete és tulajdonságai. - Moszkva, szerk. Moszkvai Állami Egyetem, 1974, p. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. A vízfizika alapjai - Kijev, Naukova Dumka, 1991, p. 167.

9. Simonite T. DNS-szerű jég "látott" szén nanocsövek belsejében // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. A víz üzenetei. A jégkristályok titkos kódjai. - Szófia, 2006. p. 96.

11. S. V. Zenin és B. V. Tyaglov, Nature of Hydrophobic Interaction. Orientációs mezők előfordulása vizes oldatokban // Journal of Physical Chemistry, 1994, V. 68, No. 3, p. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Hidrogéncsatlakozás – Moszkva, Nauka, 1964, p. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. A víz és az ionos oldatok szerkezete // Uspekhi fizicheskikh nauk, 1934, 14. évf., 5. szám, p. 587-644.

14. Hobza P., Zahradnik R. Intermolekuláris komplexek: Van der Waals rendszerek szerepe a fizikai kémiában és a biodiszciplinákban. - Moszkva, Mir, 1989, p. 34-36.

15. E. R. Pounder, Physics of Ice, ford. angolról. - Moszkva, 1967, p. 89.

16. Komarov S. M. Magas nyomású jégminták. // Kémia és Élet, 2007, 2. sz., 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya és G. G. Malenkov. Kristályos jég // Uspekhi khimii, 2006, 75. sz., p. 64.

18. Fletcher N. H. A jég kémiai fizikája, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A. V. Variety of cluster // Russian Chemical Journal, 1996, 40. évf., 2. szám, p. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. A víz és a fizikai valóság szerkezete. // Tudat és fizikai valóság, 2011, 16. évf., 9. sz., p. 16-32.

21. Ignatov I. Bioenergetikai gyógyászat. Az élő anyag eredete, a víz emléke, a biorezonancia, a biofizikai mezők. - GaiaLibris, Szófia, 2006, p. 93.

A folyékony víz háromdimenziós állapotát nehéz tanulmányozni, de sokat tanultunk a jégkristályok szerkezetének elemzésével. Négy szomszédos hidrogénnel kölcsönható oxigénatom foglalja el a tetraéder csúcsait (tetra = négy, éder = sík). Az ilyen kötés jégben történő felszakításához szükséges átlagos energia becslések szerint 23 kJ/mol -1.

A vízmolekulák adott számú hidrogénlánc kialakítására való képessége, valamint a meghatározott erősség szokatlanul magas olvadáspontot hoz létre. Amikor megolvad, folyékony víz tartja vissza, melynek szerkezete szabálytalan. A hidrogénkötések többsége torz. A jég kristályrácsának hidrogénkötéssel történő megsemmisítéséhez nagy tömegű energia szükséges hő formájában.

A jég megjelenésének jellemzői (Ih)

A lakosok közül sokan kíváncsiak, milyen kristályrácsos a jég. Megjegyzendő, hogy a legtöbb anyag sűrűsége növekszik fagyasztáskor, amikor a molekuláris mozgások lelassulnak, és sűrűn tömörödött kristályok képződnek. A víz sűrűsége is nő, ahogy 4°C-on (277K) maximumra hűl. Aztán amikor a hőmérséklet ez alá az érték alá csökken, kitágul.

Ez a növekedés annak köszönhető, hogy egy nyitott, hidrogénkötésű jégkristály keletkezik a rácsával és kisebb sűrűségével, amelyben minden vízmolekula mereven kötődik a fenti elemhez és négy másik értékhez, miközben elég gyorsan mozog ahhoz, hogy nagyobb tömege legyen. Mivel ez a művelet megtörténik, a folyadék fentről lefelé lefagy. Ennek fontos biológiai következményei vannak, aminek következtében a tó jégrétege elszigeteli az élőlényeket az extrém hidegtől. Ezenkívül a víz két további tulajdonsága is összefügg a hidrogénjellemzőivel: a fajlagos hőkapacitás és a párolgás.

A szerkezetek részletes leírása

Az első kritérium az a mennyiség, amely 1 gramm anyag hőmérsékletének 1°C-kal történő emeléséhez szükséges. A víz fokának emelése viszonylag nagy hőmennyiséget igényel, mivel minden molekula számos hidrogénkötésben vesz részt, amelyeket fel kell szakítani a kinetikus energia növekedéséhez. Mellesleg, a H 2 O bősége az összes nagy többsejtű szervezet sejtjeiben és szöveteiben azt jelenti, hogy a sejteken belüli hőmérséklet-ingadozások minimálisak. Ez a tulajdonság kritikus, mivel a legtöbb biokémiai reakció sebessége érzékeny.

Szintén lényegesen magasabb, mint sok más folyadék. Ennek a testnek a gázzá alakításához nagy mennyiségű hőre van szükség, mert a hidrogénkötéseknek fel kell szakadniuk ahhoz, hogy a vízmolekulák eltávolodjanak egymástól, és a meghatározott fázisba kerüljenek. A változtatható testek állandó dipólusok, és kölcsönhatásba léphetnek más hasonló vegyületekkel, valamint azokkal, amelyek ionizálnak és oldódnak.

Más fent említett anyagok csak polaritás esetén kerülhetnek érintkezésbe. Ez a vegyület vesz részt ezen elemek szerkezetében. Ráadásul ezek köré az elektrolitokból képződött részecskék köré tud igazodni, így a vízmolekulák negatív oxigénatomjai a kationokhoz, a pozitív ionok és hidrogénatomok pedig az anionokhoz orientálódnak.

In képződnek, mint általában, molekuláris kristályrácsok és atomi. Vagyis ha a jód úgy van megszerkesztve, hogy I 2 van benne, akkor a szilárd szén-dioxidban, vagyis a szárazjégben a kristályrács csomópontjain találhatók a CO 2 molekulák. Ha hasonló anyagokkal lép kölcsönhatásba, a jég ionos kristályrácsot tartalmaz. A szénalapú atomi szerkezetű grafit például nem képes megváltoztatni, akárcsak a gyémánt.

Amikor egy konyhasókristály feloldódik a vízben, az az, hogy a poláris molekulák a kristályban lévő töltött elemekhez vonzódnak, ami hasonló nátrium- és kloridrészecskék képződéséhez vezet a felületén, aminek következtében ezek a testek elmozdulnak. egymástól, és kezd feloldódni. Innen megfigyelhető, hogy a jégnek ionos kötésű kristályrácsa van. Minden egyes oldott Na + több vízmolekula negatív végét vonzza, míg minden oldott Cl - a pozitív végét. Az egyes ionokat körülvevő héjat szökési gömbnek nevezik, és általában több réteg oldószerrészecskét tartalmaz.

A változókat vagy egy elemekkel körülvett iont szulfatáltnak mondják. Ha az oldószer víz, az ilyen részecskék hidratálódnak. Így bármely poláris molekula hajlamos arra, hogy a folyékony test elemei szolvatáljanak. A szárazjégben a kristályrács típusa aggregált állapotban atomi kötéseket hoz létre, amelyek változatlanok. Egy másik dolog a kristályos jég (fagyott víz). Az ionos szerves vegyületeknek, például a karboxiláznak és a protonált aminoknak oldódniuk kell hidroxil- és karbonilcsoportokban. Az ilyen struktúrákban található részecskék molekulák között mozognak, és poláris rendszereik ezzel a testtel hidrogénkötéseket alkotnak.

Természetesen az utoljára említett csoportok száma a molekulában befolyásolja az oldhatóságát, ami az elemben lévő különféle szerkezetek reakciójától is függ: például az egy-, két- és három szénatomos alkoholok vízzel elegyednek, de nagyobbak. az egyes hidroxilvegyületekkel rendelkező szénhidrogének sokkal kevésbé hígulnak folyadékokban.

A hatszögletű Ih alakja hasonló az atomi kristályrácshoz. A jég és minden természetes hó a Földön pontosan így néz ki. Ezt bizonyítja a vízgőzből (vagyis hópelyhekből) termesztett jég kristályrácsának szimmetriája. 194-től P 63/mm tércsoportban van; D 6h, Laue osztály 6/mm; hasonló a β-hez, amelynek 6 spirális tengelyének többszöröse van (körbeforgatás mellett eltolás is). Meglehetősen nyitott kis sűrűségű szerkezettel rendelkezik, ahol a hatásfok alacsony (~1/3) az egyszerű köbös (~1/2) vagy homlokközpontú köbös (~3/4) szerkezetekhez képest.

A közönséges jéghez képest a szárazjég CO 2 molekulák által megkötött kristályrácsa statikus, és csak az atomok bomlásakor változik.

A rácsok és alkotóelemeik leírása

A kristályokat olyan kristálymodelleknek tekinthetjük, amelyek egymásra rakott lapokból állnak. A hidrogénkötés rendezett, míg a valóságban véletlenszerű, mivel a protonok körülbelül 5 K feletti hőmérsékleten mozoghatnak a víz (jég) molekulák között. Valószínű, hogy a protonok kvantumfolyadékként viselkednek állandó alagútáramlásban. Ezt fokozza a neutronok szóródása, amely az oxigénatomok között félúton mutatja szórási sűrűségüket, jelezve a lokalizációt és az összehangolt mozgást. Itt van hasonlóság a jégnek egy atomi, molekuláris kristályrácshoz.

A molekulák hidrogénláncának lépcsőzetes elrendezése van a síkban lévő három szomszédjukhoz képest. A negyedik elem elhomályosított hidrogénkötés-elrendezésű. Van egy kis eltérés a tökéletes hatszögletű szimmetriától, például 0,3%-kal rövidebb ennek a láncnak az irányában. Minden molekula ugyanazt a molekuláris környezetet éli át. Minden "dobozban" van elegendő hely a szövetközi víz részecskéinek tárolására. Bár általában nem veszik figyelembe, a közelmúltban hatékonyan detektálták őket a jég porszerű kristályrácsának neutrondiffrakciójával.

Változó anyagok

A hatszögletű testnek három pontja van folyékony és gáznemű vízzel 0,01 °C, 612 Pa, szilárd elemek - három -21,985 °C, 209,9 MPa, tizenegy és kettő -199,8 °C, 70 MPa és -34,7 °C, 212,9 MPa. A hatszögletű jég dielektromos állandója 97,5.

Ennek az elemnek az olvadási görbéjét MPa adja meg. Az állapotegyenletek mellett néhány egyszerű egyenlőtlenség is rendelkezésre áll, amelyek a fizikai tulajdonságok változását a hatszögletű jég és vizes szuszpenziói hőmérsékletéhez kötik. A keménység a gipsztől (≤2) vagy alatta 0°C-on földpátig emelkedő fokokkal ingadozik (-80°C-on 6, abnormálisan nagy változás az abszolút keménységben (>24-szer).

A jég hatszögletű kristályrácsa hatszögletű lemezeket és oszlopokat alkot, ahol a felső és az alsó lap az alapsík (0 0 0 1) 5,57 μJ cm -2 entalpiájú, a többi ekvivalens oldallapot pedig a prizma részeinek nevezzük. (1 0 -1 0) 5,94 μJ cm -2-vel. A szerkezetek oldalai által alkotott síkok mentén 6,90 μJ ˣ cm -2 másodlagos felületek (1 1 -2 0) alakíthatók ki.

Az ilyen szerkezet a hővezető képesség rendellenes csökkenését mutatja a nyomás növekedésével (valamint az alacsony sűrűségű köbös és amorf jég), de különbözik a legtöbb kristálytól. Ennek oka a hidrogénkötés megváltozása, ami csökkenti a hang keresztirányú sebességét a jég és víz kristályrácsában.

Vannak olyan módszerek, amelyek leírják, hogyan kell nagyméretű kristálymintákat és bármilyen kívánt jégfelületet készíteni. Feltételezzük, hogy a vizsgált hatszögletű test felületén a hidrogénkötés rendezettebb lesz, mint az ömlesztett rendszeren belül. A fázisrács frekvencia generálással végzett variációs spektroszkópia kimutatta, hogy a hatszögletű jég alapfelületének felszín alatti HO láncában szerkezeti aszimmetria van a két felső réteg (L1 és L2) között. Az átvett hidrogénkötések a hatszögek felső rétegeiben (L1 O ··· HO L2) erősebbek, mint a második rétegben elfogadottak a felső akkumulációhoz (L1 OH ··· O L2). Hatszögletű jég interaktív szerkezetei állnak rendelkezésre.

Fejlesztési jellemzők

A jégmagképződéshez szükséges minimális vízmolekulák száma hozzávetőlegesen 275 ± 25, mint egy 280-as teljes ikozaéderhalmaznál. A képződés 10 10-szeres faktorral a levegő-víz határfelületen megy végbe, nem ömlesztett vízben. A jégkristályok növekedése a különböző energiák eltérő növekedési sebességétől függ. A biológiai minták, élelmiszerek és szervek mélyhűtése során a vizet védeni kell a fagytól.

Ezt általában gyors hűtési sebességgel, kis minták és kriokonzervátor használatával, valamint megnövelt nyomással érik el a jég magképződéséhez és a sejtkárosodás megelőzéséhez. A jég/folyadék szabadenergiája légköri nyomáson ~30 mJ/m2-ről 200 MPa-on 40 mJ/m -2-re nő, jelezve ennek a hatásnak az okát.

Alternatív megoldásként gyorsabban növekedhetnek a prizmafelszínekről (S2), gyorsfagyott vagy felkavart tavak véletlenszerűen megbolygatott felszínén. A lapok (1 1 -2 0) növekedése legalább ugyanannyi, de prizmalapokká alakítja őket. A jégkristály fejlődésére vonatkozó adatokat teljes körűen megvizsgálták. A különböző arcok elemeinek relatív növekedési üteme az ízületek nagyfokú hidratálásának képességétől függ. A környező víz hőmérséklete (alacsony) határozza meg az elágazás mértékét a jégkristályban. A részecskék növekedését a diffúziós sebesség korlátozza alacsony fokú túlhűtésnél, pl.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

De korlátozza a fejlődési kinetika, ha a depresszió magasabb szintjei >4°C, ami tűszerű növekedést eredményez. Ez a forma hasonló a szárazjéghez (hatszögletű szerkezetű kristályrács), eltérő felszínfejlődési jellemzőkkel és a környező (túlhűtött) víz hőmérsékletével, amely a lapos hópehely alakzatok mögött található.

A jégképződés a légkörben nagymértékben befolyásolja a felhők kialakulását és tulajdonságait. A sivatagi porban található földpátok, amelyek évente millió tonna mennyiségben kerülnek a légkörbe, fontos alkotók. Számítógépes modellezés kimutatta, hogy ennek oka a prizmás jégkristálysíkok nagyenergiájú felületi síkjainak magképződése.

Néhány egyéb elem és rács

Az oldott anyagok (kivéve a nagyon kis héliumot és a hidrogént, amelyek behatolhatnak a hézagokba) nem épülhetnek be az Ih szerkezetbe légköri nyomáson, hanem a mikrokristályos test részecskéi között kiszorulnak a felszínre vagy amorf rétegbe. A szárazjég rácshelyein más elemek is találhatók: kaotróp ionok, mint az NH 4 + és Cl -, amelyek a folyadék könnyebb lefagyásában vesznek részt, mint más kozmotrópok, mint például a Na + és SO 4 2-, így eltávolításuk lehetetlen, mivel a maradék folyadékból vékony filmréteget képeznek a kristályok között. Ez a fennmaradó töltéseket kiegyenlítő felszíni víz disszociációja miatt a felszín elektromos feltöltődéséhez vezethet (ami mágneses sugárzáshoz is vezethet), és a visszamaradó folyadékfilmek pH-értékének megváltozásához vezethet, például az NH 4 2 SO 4 savasabbá válik. és a NaCl bázikusabbá válik.

Ezek merőlegesek a jégkristályrács lapjaira, mutatva a kapcsolódó következő réteget (O-fekete atomokkal). Jellemzőjük a lassan növekvő alapfelület (0 0 0 1), ahol csak izolált vízmolekulák kötődnek. A prizma gyorsan növekvő (1 0 -1 0) felülete, ahol az újonnan kapcsolódó részecskepárok hidrogénnel kapcsolódhatnak egymással (egy hidrogénkötés/egy elem két molekulája). A leggyorsabban növekvő felület (1 1 -2 0) (másodlagos prizmás), ahol az újonnan kapcsolódó részecskék láncai hidrogénkötéssel kölcsönhatásba léphetnek egymással. Egyik lánc/elemmolekula olyan bordákat képez, amelyek megosztják és elősegítik a prizma két oldalává történő átalakulást.

Nullapont entrópia

kBˣ Ln ( N

Tudósok és munkáik ezen a területen

S 0 =ként definiálható kBˣ Ln ( N E0), ahol k B a Boltzmann-állandó, N E a konfigurációk száma az E energiánál, és E0 a legkisebb energia. A hatszögletű jég nulla kelvinnél mért entrópiájának ez az értéke nem sérti a termodinamika harmadik főtételét: „Az ideális kristály entrópiája abszolút nullán pontosan nulla”, mivel ezek az elemek és részecskék nem ideálisak, hanem rendezetlen hidrogénkötéssel rendelkeznek.

Ebben a testben a hidrogénkötés véletlenszerű és gyorsan változó. Ezek a struktúrák nem teljesen egyforma energiájúak, hanem nagyon sok energetikailag közeli állapotra terjednek ki, betartják a "jégszabályokat". A nullpont entrópia az a zavar, amely akkor is megmaradna, ha az anyagot abszolút nullára (0 K = -273,15 °C) lehetne hűteni. Kísérleti zavart generál hatszögletű jég esetén 3,41 (± 0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Elméletileg az ismert jégkristályok nulla entrópiáját sokkal nagyobb pontossággal lehetne kiszámítani (a hibák és az energiaszint-szórás figyelmen kívül hagyásával), mint kísérleti úton.

Bár az ömlesztett jég protonjainak sorrendje nem rendezett, a felszín valószínűleg előnyben részesíti e részecskék sorrendjét függő H-atomok és O-egypárok formájában (zéró entrópia rendezett hidrogénkötésekkel). Megtalálható a ZPE nullpont, J ˣ mol -1 ˣ K -1 és mások rendezetlensége. A fentiekből világosan és érthetően látszik, hogy milyen típusú kristályrácsok jellemzőek a jégre.

Ha a kristályrács csomópontjain valamilyen anyag nem poláris molekulái vannak (pl jód én 2, oxigén Körülbelül 2 vagy nitrogén N 2), akkor semmiféle elektromos „szimpátiát” nem tapasztalnak egymás iránt. Más szóval, molekuláikat nem szabad elektrosztatikus erőknek vonzaniuk. És valami mégis összetartja őket. Pontosan mit?

Kiderült, hogy szilárd állapotban ezek a molekulák olyan közel kerülnek egymáshoz, hogy elektronfelhőikben pillanatnyi (bár nagyon gyenge) reakciók indulnak meg. Elfogultság- az elektronfelhők kondenzációja és ritkulása. A nem poláris részecskék helyett "pillanatnyi dipólusok" jelennek meg, amelyek már elektrosztatikusan is vonzódhatnak egymáshoz. Ez a vonzalom azonban nagyon gyenge. Ezért a nem poláris anyagok kristályrácsai törékenyek, és csak nagyon alacsony hőmérsékleten, „kozmikus” hidegben léteznek.

A csillagászok valóban felfedeztek égitesteket – üstökösöket, aszteroidákat, sőt egész bolygókat is, amelyek fagyott elemekből állnak. nitrogén, oxigénés egyéb anyagok, amelyek közönséges földi körülmények között gázok formájában léteznek, és a bolygóközi térben megszilárdulnak.

	Sok egyszerű és összetett anyag molekuláris a kristályrácsot mindenki jól ismeri. Ez például egy kristályos jód én 2:
Így épül fel a kristályrács jód: jódmolekulákból áll (mindegyik két jódatomot tartalmaz).
	És ezek a molekulák meglehetősen lazán kötődnek egymáshoz. Ez az oka annak, hogy a kristályos jód olyan illékony, és még a legkisebb melegítésnél is elpárolog, és gáznemű jóddá válik - gyönyörű lila gőz.

Melyik gyakori anyagok molekuláris kristályrács?

• A kristályos víz (jég) poláris molekulákból áll víz H2O.
• A fagylalt hűtésére használt "szárazjég" kristályok is molekuláris kristályok. szén-dioxid CO2.
• Egy másik példa a cukor, amely molekulákból kristályokat képez szacharóz.

Ha egy anyag molekulái vannak a kristályrács csomópontjainál, a köztük lévő kötések nem túl erősek, még akkor sem, ha ezek a molekulák polárisak.
Ezért az ilyen kristályok megolvasztásához vagy a molekuláris kristályszerkezetű anyagok elpárologtatásához nem szükséges vörös hőre melegíteni őket.
Már 0 °C-on a kristályszerkezet jég lebomlik és lesz víz. És a "szárazjég" normál nyomáson nem olvad meg, hanem azonnal gázneművé válik szén-dioxid- magasztalt.

A másik dolog az anyagokkal atom egy kristályrács, ahol minden atom nagyon erős kovalens kötésekkel kapcsolódik szomszédaihoz, és az egész kristály egésze, ha szükséges, egy hatalmas molekulának tekinthető.

Például fontolja meg gyémánt kristály, amely atomokból áll szén.

	Atom szén TÓL TŐL, amely két párosítatlant tartalmaz R - az elektron atommá alakul szén TÓL TŐL*, ahol a külső vegyértékszint mind a négy elektronja egyenként pályákon helyezkedik el és képes kémiai kötéseket kialakítani. A kémikusok egy ilyen atomot " izgatott".
Ebben az esetben akár négy kémiai kötés létezik, és minden nagyon tartós. nem ok nélkül gyémánt - a legkeményebb anyag a természetben és időtlen idők óta minden drágakő és drágakő királyának tartják. A neve pedig görögül azt jelenti, hogy „elpusztíthatatlan”.
	Fazettált kristályokból gyémánt gyémántokat kapnak, amelyek drága ékszereket díszítenek

Az emberek által talált legszebb gyémántoknak megvan a maguk, néha tragikus története. Olvassa el >>>

De gyémánt nem csak dekorációra illik. Kristályait a legkeményebb anyagok feldolgozására, kőzetek fúrására, üveg és kristály vágására, vágására szolgáló eszközökben használják.

Gyémánt (bal) és grafit (jobb) kristályrácsa

Grafit ugyanaz az összetétel szén, de a kristályrács szerkezete nem ugyanaz, mint a gyémánté. BAN BEN grafit a szénatomok rétegekbe rendeződnek, amelyeken belül a szénatomok kapcsolódása a méhsejthöz hasonló. Ezek a rétegek sokkal gyengébb kötésűek, mint az egyes rétegek szénatomjai. Ezért grafit könnyen skálákra rétegezhetők, és tudnak írni. Ceruzák gyártásához, valamint magas hőmérsékleten működő gépalkatrészekhez alkalmas száraz kenőanyagként használják. Kívül, grafit jól vezeti az elektromosságot, ebből készülnek elektródák.

Lehet egy olcsó grafitértékessé válni gyémánt? Lehetséges, de ehhez elképzelhetetlenül magas nyomás (több ezer atmoszféra) és magas hőmérséklet (másfél ezer fok) kell.
Sokkal könnyebb elrontani gyémánt: csak levegő nélkül kell felmelegíteni 1500 °C-ra, és a kristályszerkezetet gyémánt kevésbé rendezett szerkezetté alakul grafit.

A jég kristályszerkezete: a vízmolekulák szabályos hatszögekben kapcsolódnak össze. Jég kristályrácsa: A vízmolekulák H 2 O (fekete golyók) csomópontjaiban úgy vannak elrendezve, hogy mindegyiknek négy szomszédja van. A vízmolekula (középen) a négy legközelebbi szomszédos molekulához hidrogén kötődik. A jég a víz kristályos módosulata. A legfrissebb adatok szerint a jégnek 14 szerkezeti módosítása van. Vannak köztük kristályos (ezek vannak többségben) és amorf módosulatok is, de ezek mind különböznek egymástól a vízmolekulák kölcsönös elrendeződésében és tulajdonságaiban. Igaz, a hatszögletű szingóniában kikristályosodó szokásos jégen kívül minden egzotikus körülmények között, igen alacsony hőmérsékleten és nagy nyomáson jön létre, amikor a vízmolekulában a hidrogénkötések szögei megváltoznak, és a hatszögletűtől eltérő rendszerek jönnek létre. Az ilyen körülmények a kozmikus viszonyokra emlékeztetnek, és nem találhatók meg a Földön. Például -110 °C alatti hőmérsékleten a vízgőz egy fémlemezen oktaéderek és néhány nanométeres kockák formájában válik ki, ez az úgynevezett köbös jég. Ha a hőmérséklet valamivel –110 °C felett van, és a gőzkoncentráció nagyon alacsony, akkor a lemezen rendkívül sűrű amorf jégréteg képződik. A jég legszokatlanabb tulajdonsága a külső megnyilvánulások elképesztő sokfélesége. Ugyanazzal a kristályszerkezettel teljesen másképp nézhet ki, átlátszó jégesők és jégcsapok, bolyhos hópelyhek, sűrű, fényes jégkéreg vagy óriási gleccsertömegek formájában.

A hópehely egy jégkristály – egyfajta hatszögletű kristály, de gyorsan, nem egyensúlyi körülmények között nő. A tudósok évszázadok óta küzdenek szépségük és végtelen változatosságuk titkával. A hópehely élete azzal kezdődik, hogy a hőmérséklet csökkenésével kristályos jégmagok képződnek egy vízgőzfelhőben. A kristályosodás középpontja lehet porszemcsék, bármilyen szilárd részecskék, de akár ionok is, de mindenesetre ezek a tizedmilliméternél kisebb jégszemcsék már hatszögletű kristályrácsot tartalmaznak.A vízgőz, ezeknek az atommagoknak a felületén kondenzálva, először egy apró, hatszögletű prizmát alkot, melynek hat sarkából egyforma jégtűk oldalfolyamatokat kezdünk növeszteni, mert az embrió körüli hőmérséklet és páratartalom is azonos. Rajtuk viszont, mint egy fán, az ág oldalsó ágai nőnek. Az ilyen kristályokat dendriteknek nevezik, vagyis hasonlóak a fához. A felhőben fel-le mozogva a hópehely különböző hőmérsékletű és vízgőzkoncentrációjú körülmények közé kerül. Alakja a végsőkig változik a hatszögletű szimmetria törvényeinek megfelelően. Így a hópelyhek különbözőekké válnak. A hópelyhek között eddig nem lehetett két egyforma hópelyhet találni.

A jég színe a korától függ, és felhasználható az erősségének értékelésére. Az óceáni jég élete első évében fehér, mert légbuborékokkal telített, amelyek falairól a fény azonnal visszaverődik, mielőtt elnyelné. Nyáron a jégfelület megolvad, veszít erejéből, és a tetején heverő új rétegek súlya alatt a légbuborékok összezsugorodnak és teljesen eltűnnek. A jég belsejében lévő fény nagyobb távolságot tesz meg, mint korábban, és kékes-zöld árnyalatként jelenik meg. A kék jég idősebb, sűrűbb és erősebb, mint a levegővel telített fehér „habos” jég. A sarkkutatók tudják ezt, és megbízható kék és zöld jégtáblákat választanak úszóbázisaikhoz, tudományos állomásaikhoz és jégrepülőtereikhez. Vannak fekete jéghegyek. Az első sajtóhír 1773-ban jelent meg róluk. A jéghegyek fekete színét a vulkánok tevékenysége okozza - a jeget vastag vulkáni porréteg borítja, amelyet még a tengervíz sem mos el. A jég nem egyformán hideg. Nagyon hideg jég van, körülbelül mínusz 60 fokos hőmérséklettel, ez néhány antarktiszi gleccsere jege. A grönlandi gleccserek jege sokkal melegebb. Hőmérséklete mínusz 28 fok körül alakul. Elég "meleg jég" (kb. 0 fokos hőmérséklettel) fekszik az Alpok és a skandináv hegyek tetején.

A víz sűrűsége +4 C-on maximális és 1 g/ml, a hőmérséklet csökkenésével csökken. A víz kristályosodásakor a sűrűség meredeken csökken, jégnél 0,91 g / cm 3. Emiatt a jég könnyebb, mint a víz, és amikor a víztestek megfagynak, jég halmozódik fel a tetején, és sűrűbb víz, amelynek hőmérséklete 4 ̊ A víztestek alján megjelenik a C. A jég rossz hővezető képessége és Az azt borító hótakaró megvédi a víztesteket a fagyástól a fenékig, és ezáltal feltételeket teremt a víztestek lakóinak téli életéhez.

A gleccserek, a jégtakarók, az örök fagy, az évszakos hótakaró jelentősen befolyásolja a nagy régiók klímáját és a bolygó egészét: még az is, aki még soha nem látott havat, érzi a Föld sarkain felhalmozódott tömegének leheletét, például havazás formájában. hosszú távú szintingadozások Világóceán. A jég annyira fontos bolygónk megjelenése és az élőlények kényelmes tartózkodása szempontjából, hogy a tudósok különleges környezetet jelöltek ki számára - a krioszférát, amely magasan a légkörbe és mélyen a földkéregbe terjeszti ki birtokát. A természetes jég általában sokkal tisztább, mint a víz, mert az anyagok (az NH4F kivételével) jégben való oldhatósága rendkívül alacsony. A Föld teljes jégtartaléka körülbelül 30 millió km 3. A jég nagy része az Antarktiszon koncentrálódik, ahol rétegének vastagsága eléri a 4 km-t.