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결정 격자의 종류. 결정 격자 드라이 아이스의 결정 격자의 노드에는 다음이 있습니다.

화학은 놀라운 과학입니다. 평범해 보이는 것들에서 너무나 놀라운 것을 발견할 수 있습니다.

우리를 둘러싼 모든 물질은 기체, 액체 및 고체와 같은 여러 응집 상태로 존재합니다. 과학자들은 또한 네 번째 플라즈마를 분리했습니다. 특정 온도에서 물질은 한 상태에서 다른 상태로 변할 수 있습니다. 예를 들어, 물: 액체 형태에서 100도 이상으로 가열되면 증기로 변합니다. 0 미만의 온도에서는 다음 골재 구조인 얼음으로 전달됩니다.

연락

전체 물질 세계는 그 구성에 상호 연결된 동일한 입자 덩어리를 가지고 있습니다. 이 가장 작은 요소는 공간에 엄격하게 배열되어 소위 공간 프레임을 형성합니다.

정의

결정 격자는 입자가 공간에서 기하학적으로 엄격한 순서로 존재하는 고체 물질의 특별한 구조입니다. 원자, 이온 및 분자 및 노드 간 공간과 같은 요소가있는 곳의 노드를 감지하는 것이 가능합니다.

고체, 고온 및 저온 범위에 따라 결정질 또는 무정형 - 특정 융점이 없는 것이 특징입니다. 고온에 노출되면 부드러워지고 점차 액체 형태로 변합니다. 이러한 물질에는 수지, 플라스틱이 포함됩니다.

이와 관련하여 여러 유형으로 나눌 수 있습니다.

  • 원자;
  • 이온성;
  • 분자;
  • 금속.

그러나 다른 온도에서 하나의 물질은 다른 형태를 가지며 다양한 특성을 나타낼 수 있습니다. 이 현상을 동소체 수정이라고 합니다.

원자 유형

이 유형에서 하나 또는 다른 물질의 원자는 공유 결합으로 연결된 노드에 위치합니다. 이러한 유형의 결합은 인접한 두 원자의 전자 쌍에 의해 형성됩니다. 이로 인해 균일하고 엄격한 순서로 연결됩니다.

원자 결정 격자가 있는 물질은 강도 및 높은 융점과 같은 특성이 특징입니다. 이 유형의 결합은 다이아몬드, 실리콘 및 붕소에 존재합니다..

이온형

반대로 하전된 이온은 물질의 물리적 특성을 특징짓는 전자기장을 생성하는 노드에 있습니다. 여기에는 전기 전도도, 내화성, 밀도 및 경도가 포함됩니다. 식염과 질산칼륨은 이온성 결정 격자가 있는 것이 특징입니다.

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분자형

이러한 유형의 사이트에는 반 데르 발스 힘에 의해 결합된 이온이 있습니다. 약한 분자간 결합으로 인해 얼음, 이산화탄소 및 파라핀과 같은 물질은 가소성, 전기 및 열 전도성이 특징입니다.

금속 유형

그 구조는 분자 구조와 비슷하지만 여전히 더 강한 결합을 가지고 있습니다. 이 유형의 차이점은 양전하를 띤 양이온이 노드에 위치한다는 것입니다. 틈새에 있는 전자공간, 전기장의 형성에 참여하십시오. 전기 가스라고도 합니다.

단순 금속 및 합금은 금속 격자 유형이 특징입니다. 금속 광택, 가소성, 열 및 전기 전도성의 존재가 특징입니다. 그들은 다른 온도에서 녹을 수 있습니다.

O. V. Mosin, I. Ignatov(불가리아)

주석 지구에서 생명을 유지하는 데 있어 얼음의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 얼음은 동식물의 생활조건과 생활, 그리고 인간의 다양한 경제활동에 큰 영향을 미치고 있습니다. 물을 덮고 있는 얼음은 밀도가 낮아 자연에서 떠다니는 스크린 역할을 하여 강과 저수지를 더 이상 얼지 않도록 보호하고 수중 거주자의 생명을 보호합니다. 다양한 목적(적설 유지, 얼음 횡단 및 등온 창고 배치, 저장 시설 및 광산의 얼음 부설)을 위한 얼음의 사용은 얼음 기술, 눈 기술, 공학과 같은 수문 기상 및 공학 과학의 여러 섹션의 주제입니다. 영구 동토층뿐만 아니라 얼음 정찰, 쇄빙 운송 및 제설기를 위한 특별 서비스 활동. 천연얼음은 식품, 생물약품 등을 저장·냉각하는 용도로 특별히 생산하여 수확한 것이며, 얼음을 녹여 만든 녹은 물은 민간요법에서 신진대사를 증가시키고 독소를 제거하는 데 사용됩니다. 이 기사는 독자에게 거의 알려지지 않은 새로운 특성과 얼음의 변형을 소개합니다.

얼음은 최신 데이터에 따르면 14가지 구조적 변형이 있는 결정질 형태의 물입니다. 그 중에는 얼음의 결정 격자를 형성하는 수소 결합으로 연결된 물 분자의 상호 배열 및 물리적 특성이 서로 다른 결정질(천연 얼음)과 비정질(입방체 얼음) 및 준안정 변형이 있습니다. 육각 격자로 결정화되는 친숙한 자연 얼음 I h를 제외하고 모두는 이국적인 조건에서 형성됩니다. 드라이 아이스와 액체 질소의 매우 낮은 온도와 수천 기압의 고압에서 수소 결합 각도 물 분자에서 육각형과 다른 결정 시스템이 형성됩니다. 이러한 조건은 우주 조건을 연상케 하며 지구에서는 발견되지 않습니다.

자연에서 얼음은 주로 다이아몬드 구조와 유사한 육각형 격자로 결정화되는 하나의 결정체로 표시됩니다. 여기서 각 물 분자는 2.76옹스트롬과 동일한 거리에 있는 가장 가까운 4개의 분자로 둘러싸여 있습니다. 정사면체의 꼭짓점. 낮은 배위수로 인해 얼음의 구조는 0.931g/cm 3 의 낮은 밀도에 영향을 미치는 네트워크 구조입니다.

얼음의 가장 특이한 특성은 놀랍도록 다양한 외부 현상입니다. 같은 결정 구조를 가지고 있어도 투명한 우박과 고드름, 푹신한 눈 조각, 조밀하고 반짝이는 얼음 껍질 또는 거대한 빙하 덩어리의 형태를 취하여 완전히 다르게 보일 수 있습니다. 얼음은 자연에서 대륙, 부유 및 지하 얼음의 형태뿐만 아니라 눈과 흰 서리의 형태로 발생합니다. 인간 거주의 모든 영역에 널리 퍼져 있습니다. 눈과 얼음은 대량으로 수집되어 개별 결정이나 눈송이와 근본적으로 다른 특성을 가진 특수 구조를 형성합니다. 자연 얼음은 주로 후속 압축 및 재결정의 결과로 고체 대기 강수에서 형성된 퇴적 변성 기원의 얼음에 의해 형성됩니다. 자연 얼음의 특징은 입도와 밴딩입니다. 입도는 재결정화 과정으로 인한 것입니다. 빙하의 각 알갱이는 불규칙한 모양의 결정으로, 한 결정의 돌출부가 다른 결정의 함몰부에 꼭 맞도록 얼음 덩어리의 다른 결정과 밀접하게 인접해 있습니다. 이러한 얼음을 다결정체라고 합니다. 그 안에서 각 얼음 결정은 결정의 광축 방향에 수직인 기저면에서 서로 겹치는 가장 얇은 잎의 층입니다.

지구에 있는 얼음의 총 매장량은 약 3천만 톤으로 추산됩니다. km 3(1 번 테이블). 대부분의 얼음은 남극에 집중되어 있으며 그 두께가 4에 이릅니다. km.태양계의 행성과 혜성에 얼음이 존재한다는 증거도 있습니다. 얼음은 우리 행성의 기후와 생명체의 거주에 매우 중요하기 때문에 과학자들은 얼음을 위한 특별한 환경인 빙권을 지정했습니다. 그 경계는 대기권과 지각 깊숙이까지 확장됩니다.

탭. 하나. 얼음의 수량, 분포 및 수명.

  • 얼음의 종류; 무게; 유통 지역; 평균 농도, g/cm2; 체중 증가율, g/년; 평균 수명, 년
  • G; %; 백만 km2; %
  • 빙하; 2.4 1022; 98.95; 16.1; 10.9 스시 1.48 105; 2.5 1018; 9580
  • 지하 얼음; 2 1020; 0.83; 21; 14.1 스시 9.52 103; 6 1018; 30-75
  • 해빙; 3.5 1019; 0.14; 26; 7.2 바다 1.34 102; 3.3 1019; 1.05
  • 눈 덮개; 1.0 1019; 0.04; 72.4; 14.2 지구 14.5; 2 1019; 0.3-0.5
  • 빙산; 7.6 1018; 0.03; 63.5; 18.7 바다; 14.3; 1.9 1018; 4.07
  • 대기 얼음; 1.7 1018; 0.01; 510.1; 100 지구; 3.3 10-1; 3.9 1020; 4 10-3

얼음 결정은 모양과 비율이 독특합니다. 얼음의 얼음 결정을 포함하여 성장하는 모든 자연 결정은 내부 에너지의 최소 관점에서 유리하기 때문에 항상 이상적인 규칙적인 결정 격자를 만들기 위해 노력합니다. 알려진 바와 같이 모든 불순물은 결정의 모양을 왜곡하므로 물의 결정화 중에 물 분자가 먼저 격자에 내장되고 이물질과 불순물 분자가 액체로 옮겨집니다. 그리고 불순물이 갈 곳이 없을 때만 얼음 결정이 구조를 만들기 시작하거나 농축 된 비 동결 액체 인 염수와 함께 속이 빈 캡슐 형태로 남습니다. 따라서 해빙은 신선하고 가장 더러운 수역조차도 투명하고 깨끗한 얼음으로 덮여 있습니다. 얼음이 녹으면 불순물이 염수로 옮겨집니다. 행성 규모에서 물의 동결 및 해빙 현상은 물의 증발 및 응축과 함께 지구의 물이 끊임없이 스스로를 정화하는 거대한 정화 과정의 역할을 합니다.

탭. 2. 얼음의 몇 가지 물리적 특성 I.

재산

의미

메모

열용량, cal/(g °C) 용융열, cal/g 기화열, cal/g

0.51(0°C) 79.69 677

온도가 감소함에 따라 크게 감소합니다.

열팽창 계수, 1/°C

9.1 10-5 (0°C)

다결정 얼음

열전도율, cal/(cm sec °C)

4.99 10 -3

다결정 얼음

굴절률:

1.309(-3°C)

다결정 얼음

특정 전기 전도도, ohm-1 cm-1

10-9(0°C)

겉보기 활성화 에너지 11 kcal/mol

표면 전기 전도도, ohm-1

10-10(-11°C)

겉보기 활성화 에너지 32 kcal/mol

탄성 계수, dyne/cm2

9 1010(-5°C)

다결정 얼음

저항, MN/m2: 분쇄 인열 전단

2,5 1,11 0,57

다결정 얼음 다결정 얼음 다결정 얼음

동점도, 포이즈

다결정 얼음

변형 및 기계적 이완 중 활성화 에너지, kcal/mol

0에서 273.16K로 0.0361kcal/(mol °C) 선형적으로 증가합니다.

참고: 1cal/(g °C)=4.186kJ/(kg·K); 1 옴 -1 cm -1 \u003d 100 sim / m; 1 dyn = 10 -5 N ; 1N = 1kg m/s²; 1다인/cm=10-7N/m; 1 cal / (cm 초 ° C) \u003d 418.68 W / (m·K); 1 포아즈 \u003d g / cm s \u003d 10 -1 N 초 / m 2.

지구에 얼음이 광범위하게 분포되어 있기 때문에 다른 물질의 특성과 얼음의 물리적 특성(표 2)의 차이는 많은 자연 과정에서 중요한 역할을 합니다. 얼음은 밀도, 압력, 부피 및 열전도율의 이상과 같이 생명을 유지하는 다른 많은 특성과 이상을 가지고 있습니다. 물 분자를 결정으로 연결하는 수소 결합이 없다면 얼음은 -90°C에서 녹습니다. 그러나 이것은 물 분자 사이에 수소 결합이 있기 때문에 발생하지 않습니다. 얼음은 물보다 밀도가 낮기 때문에 물 표면에 떠 있는 덮개를 형성하여 열전도율이 물보다 훨씬 적기 때문에 강과 저수지를 바닥 결빙으로부터 보호합니다. 동시에 +3.98 °C에서 가장 낮은 밀도와 부피가 관찰됩니다(그림 1). 물을 0 0 C로 추가 냉각하면 점차적으로 감소하지 않고 물이 얼음으로 변할 때 부피가 거의 10 % 증가합니다. 물의 이러한 거동은 결정 격자가 주기적인 구조를 가질 뿐만 아니라 다른 차수의 대칭축을 갖는 준결정과 유사하게 물에서 액체와 준결정의 두 평형상이 동시에 존재함을 나타냅니다. 이전에 결정 학자의 아이디어와 모순되는 존재. 국내의 저명한 이론물리학자 Ya. I. Frenkel이 처음 제시한 이 이론은 액체 분자의 일부는 준결정 구조를 형성하고 나머지 분자는 기체와 같이 자유롭게 볼륨을 통해 이동합니다. 고정된 물 분자의 작은 이웃에 있는 분자의 분포는 더 느슨하지만 결정질을 다소 연상시키는 특정 질서를 갖습니다. 이러한 이유로 물의 구조는 원자 또는 분자의 상호 배열에서 대칭과 질서의 존재를 갖는 준결정 또는 결정 유사라고도 합니다.

쌀. 하나. 온도에 대한 얼음과 물의 특정 부피의 의존성

또 다른 성질은 얼음의 유속은 활성화 에너지에 정비례하고 절대온도에 반비례하기 때문에 온도가 내려갈수록 얼음은 성질상 절대 고체에 가까워진다는 것이다. 평균적으로 용융에 가까운 온도에서 얼음의 유동성은 암석의 유동성보다 10 6배 높습니다. 유동성으로 인해 얼음은 한 곳에 쌓이는 것이 아니라 빙하의 형태로 끊임없이 움직입니다. 다결정 얼음에서 유속과 응력 사이의 관계는 쌍곡선입니다. 전력 방정식으로 대략적으로 설명하면 전압이 증가함에 따라 지수가 증가합니다.

가시광선은 광선이 얼음 결정을 통과하기 때문에 실제로 얼음에 흡수되지 않지만 자외선과 태양으로부터의 대부분의 적외선을 차단합니다. 스펙트럼의 이러한 영역에서 얼음은 절대적으로 검은색으로 나타납니다. 스펙트럼의 이러한 영역에서 빛의 흡수 계수가 매우 높기 때문입니다. 눈에 떨어지는 백색광은 얼음 결정과 달리 흡수되지 않고 얼음 결정에서 여러 번 굴절되어 얼굴에서 반사됩니다. 그래서 눈이 하얗게 보입니다.

얼음(0.45)과 눈(최대 0.95)의 반사율이 매우 높기 때문에 눈으로 덮인 면적은 연간 평균 약 7,200만 헥타르입니다. km 2두 반구의 고위도 및 중위도에서 정상보다 65% 적은 태양열을 받고 지구 표면을 냉각시키는 강력한 원천이 되어 현대 위도 기후 구역을 크게 결정합니다. 여름에는 극지방에서 태양 복사가 적도 벨트보다 크지만 흡수된 열의 상당 부분이 매우 높은 녹는 열을 갖는 얼음을 녹이는 데 소비되기 때문에 온도는 낮게 유지됩니다.

얼음의 다른 특이한 특성으로는 성장하는 결정에 의한 전자기 복사 생성이 있습니다. 물에 용해된 대부분의 불순물은 얼음이 자라기 시작할 때 얼음으로 옮겨지지 않는 것으로 알려져 있습니다. 그들은 얼어 붙습니다. 따라서 가장 더러운 웅덩이에서도 얼음막이 깨끗하고 투명합니다. 이 경우 불순물은 서로 다른 부호의 전하의 두 층 형태로 고체 및 액체 매체의 경계에 축적되어 상당한 전위차를 유발합니다. 대전된 불순물층은 어린 얼음의 하부 경계를 따라 이동하며 전자파를 방출한다. 덕분에 결정화 과정을 자세히 관찰할 수 있습니다. 따라서 바늘 형태로 길이가 증가하는 결정은 측면 프로세스로 덮인 것과 다르게 방사되고 성장하는 입자의 방사는 결정이 균열될 때 발생하는 방사와 다릅니다. 복사 펄스의 모양, 순서, 주파수 및 진폭에서 얼음이 얼는 속도와 이 경우 얼음 구조의 종류를 결정할 수 있습니다.

그러나 얼음 구조에서 가장 놀라운 것은 탄소나노튜브 내부의 저온 고압의 물 분자가 DNA 분자를 연상시키는 이중 나선 형태로 결정화할 수 있다는 점이다. 이것은 미국 네브래스카 대학(University of Nebraska)의 Xiao Cheng Zeng이 이끄는 미국 과학자들의 최근 컴퓨터 실험에 의해 입증되었습니다. 모의실험에서 물이 나선을 형성하기 위해 직경 1.35~1.90nm의 나노튜브에 10~40,000기압의 고압력을 가하고 온도를 -23°C로 설정하였다. 모든 경우에 물이 얇은 관형 구조를 형성하는 것을 볼 것으로 예상되었습니다. 그러나 이 모델은 1.35nm의 나노튜브 직경과 40,000기압의 외부 압력에서 얼음 구조의 수소 결합이 구부러져 내부 및 외부 이중벽 나선을 형성한다는 것을 보여주었습니다. 이러한 조건하에서 내벽은 4중 나선으로 꼬여 있고 외벽은 DNA 분자와 유사한 4개의 이중 나선으로 구성되어 있다(그림 2). 이 사실은 중요한 DNA 분자의 구조와 물 자체의 구조 사이의 연결을 확인하는 역할을 할 수 있으며 물은 DNA 분자의 합성을 위한 매트릭스 역할을 합니다.

쌀. 2. DNA 분자를 닮은 나노튜브의 얼어붙은 물 구조의 컴퓨터 모델(Photo from New Scientist, 2006)

최근에 발견된 물의 가장 중요한 특성 중 하나는 물이 과거 노출에 대한 정보를 기억하는 능력이 있다는 것입니다. 이것은 일본 연구원 Masaru Emoto와 우리 동포 Stanislav Zenin에 의해 처음으로 증명되었으며, 그는 벌크 다면체 구조의 순환적 연관으로 구성된 물 구조의 클러스터 이론을 최초로 제안한 사람 중 한 명입니다. 2 O) n, 여기서 n은 최근 데이터에 따르면 수백, 수천 단위에 도달할 수 있습니다. 물에 정보 속성이 있는 것은 물에 클러스터가 있기 때문입니다. 연구원들은 다양한 전자기장 및 음향장, 멜로디, 기도, 말 또는 생각으로 물이 얼음 미세결정으로 얼어붙는 과정을 사진에 담았습니다. 아름다운 멜로디와 가사 형태의 긍정적인 정보의 영향으로 얼음이 대칭적인 육각형 결정으로 얼어붙은 것으로 나타났습니다. 리듬이 없는 음악이 들리면 화를 내고 모욕적인 말을 하면 반대로 물은 혼란스럽고 형태가 없는 결정으로 얼어붙습니다. 이것은 물이 외부 정보의 영향에 민감한 특별한 구조를 가지고 있다는 증거입니다. 아마도 85~90%가 물로 구성된 인간의 뇌는 물에 대해 강한 구조화 효과를 가지고 있는 것으로 추정된다.

Emoto 크리스탈은 관심과 근거가 부족한 비판을 모두 불러일으킨다. 그것들을 주의 깊게 살펴보면 구조가 6개의 상판으로 구성되어 있음을 알 수 있습니다. 그러나 훨씬 더 신중한 분석에 따르면 겨울의 눈송이는 항상 대칭이고 6개의 꼭대기가 있는 동일한 구조를 가지고 있습니다. 결정화된 구조에는 생성된 환경에 대한 정보가 어느 정도 포함되어 있습니까? 눈송이의 구조는 아름답거나 모양이 없을 수 있습니다. 이것은 그들이 발생하는 대조 샘플(대기의 구름)이 초기 조건과 동일한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 초기 조건은 태양 활동, 온도, 지구 물리학 분야, 습도 등입니다. 이 모든 것은 소위 말하는 것에서 비롯됩니다. 평균 앙상블에서 우리는 물방울의 구조와 눈송이의 구조가 거의 동일하다는 결론을 내릴 수 있습니다. 질량은 거의 같으며 비슷한 속도로 대기를 통과합니다. 대기에서 그들은 계속해서 구조를 형성하고 부피를 증가시킵니다. 구름의 다른 부분에서 형성되더라도 거의 동일한 조건에서 동일한 그룹에 항상 일정한 수의 눈송이가 있습니다. 그리고 눈송이에 대한 긍정적인 정보와 부정적인 정보를 구성하는 것이 무엇인지에 대한 질문에 대한 답변은 Emoto에서 찾을 수 있습니다. 실험실 조건에서 부정적인 정보(지진, 인간에게 불리한 소리 진동 등)는 결정을 형성하지 않고 긍정적인 정보는 정반대로 형성됩니다. 하나의 요소가 얼마나 같거나 유사한 눈송이 구조를 형성할 수 있는지는 매우 흥미롭습니다. 가장 높은 밀도의 물은 4 °C의 온도에서 관찰됩니다. 온도가 영하로 떨어지면 육각형 얼음 결정이 형성되기 시작하면 물의 밀도가 감소한다는 것이 과학적으로 입증되었습니다. 이것은 물 분자 사이의 수소 결합 작용의 결과입니다.

이러한 구조화의 이유는 무엇입니까? 결정은 고체이며 구성 원자, 분자 또는 이온은 3차원 공간 차원에서 규칙적이고 반복적인 구조로 배열됩니다. 물 결정의 구조는 약간 다릅니다. 아이작에 따르면 얼음에 있는 수소결합의 10%만이 공유결합이다. 상당히 안정적인 정보를 제공합니다. 한 물 분자의 산소와 다른 물 분자의 수소 사이의 수소 결합은 외부 영향에 가장 민감합니다. 결정이 형성되는 동안 물의 스펙트럼은 시간에 따라 상대적으로 다릅니다. Antonov와 Yuskeseliyev가 증명한 물방울의 이산 증발 효과와 수소 결합의 에너지 상태에 대한 의존성에 따라 결정 구조에 대한 답을 찾을 수 있습니다. 스펙트럼의 각 부분은 물방울의 표면 장력에 따라 다릅니다. 스펙트럼에는 눈송이의 파급 효과를 나타내는 6개의 피크가 있습니다.

분명히 Emoto의 실험에서 초기 "대조군" 샘플은 결정의 모양에 영향을 미칩니다. 이는 특정 요인에 노출된 후 이러한 결정의 형성을 예상할 수 있음을 의미합니다. 동일한 결정을 얻는 것은 거의 불가능합니다. "사랑"이라는 단어가 물에 미치는 영향을 테스트할 때 Emoto는 이 실험이 다른 샘플로 수행되었는지 여부를 명확하게 나타내지 않았습니다.

Emoto 기법이 충분히 차별화되는지 여부를 테스트하려면 이중 블라인드 실험이 필요합니다. 물 분자의 10%가 동결 후에 공유 결합을 형성한다는 아이작의 증거는 물이 동결될 때 이 정보를 사용한다는 것을 보여줍니다. 이중 맹검 실험 없이도 Emoto의 업적은 물의 정보적 특성과 관련하여 매우 중요합니다.

천연 눈송이, 윌슨 벤틀리, 1925

천연수에서 얻은 에모토 눈송이

하나는 자연적인 눈송이이고 다른 하나는 Emoto가 만든 것으로 물 스펙트럼의 다양성이 무한하지 않다는 것을 나타냅니다.

지진, 소피아, 4.0 리히터 규모, 2008년 11월 15일,
박사 Ignatov, 2008©, Prof. Antonov의 장치 ©

이 수치는 대조군 샘플과 다른 날에 채취한 샘플 간의 차이를 나타냅니다. 물 분자는 자연 현상 동안 스펙트럼의 두 피크뿐만 아니라 물에서 가장 활발한 수소 결합을 끊습니다. 연구는 Antonov 장치를 사용하여 수행되었습니다. 생물물리학적 결과는 지진 발생 시 신체의 활력이 감소하는 것으로 나타났습니다. 지진 동안 물은 Emoto의 연구실에 있는 눈송이에서 구조를 변경할 수 없습니다. 지진 동안 물의 전기 전도도가 변했다는 증거가 있습니다.

1963년 탄자니아 남학생 에라스토 음펨바는 뜨거운 물이 찬 물보다 빨리 어는 것을 발견했습니다. 이 현상을 음펨바 효과라고 합니다. 물의 독특한 성질은 아리스토텔레스, 프랜시스 베이컨, 르네 데카르트에 의해 훨씬 더 일찍 발견되었지만. 이 현상은 여러 독립적인 실험을 통해 여러 번 입증되었습니다. 물에는 또 다른 이상한 속성이 있습니다. 내 생각에 이에 대한 설명은 다음과 같습니다. 끓인 물의 DNES(Differential Non-Equilibrium Energy Spectrum)는 실온에서 채취한 샘플보다 물 분자 간의 수소 결합 평균 에너지가 낮습니다. 결정을 구조화하고 동결하기 시작합니다.

얼음의 구조와 특성의 핵심은 결정 구조에 있습니다. 얼음의 모든 변형의 결정은 수소 결합으로 특정 배열의 수소 결합을 갖는 3차원 메쉬 프레임으로 연결된 물 분자 H 2 O로 구성됩니다. 물 분자는 사면체(삼각형 밑변이 있는 피라미드)로 간단히 상상할 수 있습니다. 그 중심에는 sp 3 혼성화 상태에 있는 산소 원자가 있고, 두 정점에는 수소 원자가 있으며, 그 중 1s 전자 중 하나는 산소와의 공유 H-O 결합 형성에 관여합니다. 나머지 두 정점은 분자 내 결합의 형성에 참여하지 않는 짝을 이루지 않은 산소 전자 쌍에 의해 점유되므로 고독이라고합니다. H 2 O 분자의 공간적 모양은 수소 원자의 상호 반발과 중심 산소 원자의 고독한 전자 쌍으로 설명됩니다.

수소 결합은 분자간 상호작용의 화학에서 중요하며 약한 정전기력과 공여체-수용체 상호작용에 의해 주도됩니다. 그것은 한 물 분자의 전자가 부족한 수소 원자가 이웃 물 분자의 산소 원자의 고독한 전자쌍(О-Н...О)과 상호작용할 때 발생합니다. 수소 결합의 독특한 특징은 상대적으로 낮은 강도입니다. 화학적 공유 결합보다 5-10배 약합니다. 에너지 측면에서 수소 결합은 화학 결합과 분자를 고체 또는 액체 상태로 유지하는 반 데르 발스 상호 작용 사이의 중간 위치를 차지합니다. 얼음 결정의 각 물 분자는 109 ° 47 "와 같은 엄격하게 정의된 각도로 다른 이웃 분자와 동시에 4개의 수소 결합을 형성할 수 있으며, 이는 물이 얼 때 조밀한 구조의 형성을 허용하지 않습니다(그림 1). 3) 얼음 구조 I, Ic, VII 및 VIII에서 이 사면체는 규칙적이며 얼음 II, III, V 및 VI의 구조에서 사면체가 눈에 띄게 왜곡됩니다. 얼음 VI, VII 및 VIII의 구조에서 두 개의 수소 결합의 상호 교차 시스템을 구별할 수 있습니다.이 보이지 않는 수소 결합 구조는 격자 형태로 물 분자를 배열하며, 구조는 속이 빈 내부 채널이 있는 육각형 벌집과 유사합니다.얼음이 가열되면 격자 구조가 파괴됩니다: 물 분자는 격자의 빈 공간으로 떨어지기 시작하여 액체의 밀도가 더 높은 구조로 이어집니다. 이것은 물이 얼음보다 무거운 이유를 설명합니다.

쌀. 삼. 4개의 H 2 O 분자 사이에 수소 결합 형성(빨간색 공은 중심 산소 원자, 흰색 공은 수소 원자를 나타냄)

얼음 구조의 특성인 수소 결합의 특이성과 분자간 상호 작용은 얼음 결정이 녹는 동안 모든 수소 결합의 15%만이 파괴되기 때문에 녹은 물에서 보존됩니다. 따라서 각 물 분자와 네 이웃("단거리 순서") 사이의 얼음 고유의 결합은 위반되지 않지만 산소 프레임워크 격자가 더 확산됩니다. 물이 끓을 때도 수소 결합이 유지될 수 있습니다. 수소 결합은 수증기에만 존재하지 않습니다.

대기압에서 형성되고 0 ° C에서 녹는 얼음은 가장 친숙하지만 아직 완전히 이해되지 않은 물질입니다. 구조와 속성의 많은 부분이 비정상적으로 보입니다. 얼음 결정 격자의 마디에서 물 분자의 사면체의 산소 원자가 규칙적으로 배열되어 육각형 벌집과 같은 정육각형을 형성하고 수소 원자가 산소 원자를 연결하는 수소 결합의 다양한 위치를 차지합니다( 그림 4). 따라서 물 분자는 이웃에 대해 6가지 등가 방향이 있습니다. 동일한 수소 결합에 두 개의 양성자가 동시에 존재할 가능성은 거의 없기 때문에 그들 중 일부는 제외되지만 물 분자의 방향에는 충분한 불확실성이 남아 있습니다. 고체 물질에서 모든 원자는 동일한 법칙을 따르기 때문에 원자의 이러한 행동은 비정형적입니다. 원자는 질서 정연하게 배열되어 있고 결정체이거나 무작위로 무정형 물질입니다. 그러한 특이한 구조는 대부분의 얼음 변형(Ih, III, V, VI, VII(그리고 분명히 Ic))에서 실현될 수 있으며(표 3) 얼음 II, VIII 및 IX, 물의 구조에서 실현될 수 있습니다. 분자는 방향으로 정렬되어 있습니다. J. Bernal에 따르면 얼음은 산소 원자와 관련하여 결정체이고 수소 원자와 관련하여 유리질입니다.

쌀. 4. 자연 육각형 구조의 얼음 구조 I h

다른 조건, 예를 들어 고압 및 저온의 공간에서 얼음은 다르게 결정화되어 다른 결정 격자 및 수정(입방, 삼각, 정방정, 단사정 등)을 형성하며, 각각은 고유한 구조와 결정 격자( 표 3).). 다양한 변형의 얼음 구조는 러시아 연구원, 화학 과학 박사에 의해 계산되었습니다. 지.지. 말렌코프와 박사 E.A. 물리 화학 및 전기 화학 연구소의 Zheligovskaya. A.N. 러시아 과학 아카데미의 Frumkin. 얼음 수정 II, III 및 V는 온도가 -170°C를 초과하지 않는 경우 대기압에서 오랫동안 유지됩니다(그림 5). 약 -150 ° C로 냉각되면 자연 얼음은 몇 나노미터 크기의 입방체와 팔면체로 구성된 입방체 얼음 Ic로 변합니다. Ice Ic는 때때로 모세관에서 물이 얼 때 나타납니다. 이는 물과 벽 재료의 상호 작용 및 구조의 반복에 의해 분명히 촉진됩니다. 온도가 -110℃보다 약간 높으면 밀도가 0.93g/cm3인 더 조밀하고 무거운 유리질 비정질 얼음의 결정이 금속 기판에 형성됩니다. 이 두 가지 형태의 얼음은 자발적으로 육각형 얼음으로 변할 수 있으며, 빠르면 빠를수록 온도가 높아집니다.

탭. 삼. 얼음 및 물리적 매개변수의 일부 수정.

가감

결정 구조

수소 결합 길이, Å

사면체의 H-O-H 각도, 0

육각형

입방체

삼각

정방형

단클리닉

정방형

입방체

입방체

정방형

메모. 1Å = 10 -10m

쌀. 다섯. 다양한 수정의 결정 얼음의 상태 다이어그램.

또한 고압 얼음 - II 및 III의 삼각형 및 사각형 변형이 있습니다. 육각형 물결 모양 요소가 서로에 대해 1/3만큼 이동하여 형성된 속이 빈 에이커로 형성됩니다(그림 6 및 그림 7). 이 얼음은 비활성 기체인 헬륨과 아르곤이 있을 때 안정화됩니다. 단사정 변형의 얼음 V의 구조에서 인접한 산소 원자 사이의 각도는 860°에서 132° 범위이며, 이는 105°47'인 물 분자의 결합 각도와 매우 다릅니다. 정방형 수정의 Ice VI는 서로 삽입 된 두 개의 프레임으로 구성되며 그 사이에는 수소 결합이 없으므로 체심 결정 격자가 형성됩니다 (그림 8). ice VI의 구조는 6개의 물 분자 블록인 6량체를 기반으로 합니다. 그들의 구성은 계산에 의해 주어진 안정적인 물 클러스터의 구조를 정확히 반복합니다. 얼음 VII의 저온 질서 형태인 입방 변형의 얼음 VII와 VIII는 얼음 I의 골격이 서로 삽입된 유사한 구조를 가지고 있습니다. 압력이 계속 증가하면 얼음 VII와 VIII의 결정 격자에서 산소 원자 사이의 거리가 줄어들고 결과적으로 산소 원자가 규칙적인 격자로 배열되어 있는 얼음 X의 구조가 형성됩니다. 양성자가 주문됩니다.

쌀. 7. III 구성의 얼음.

얼음 XI는 정상 압력에서 72K 미만의 알칼리를 추가하여 얼음 I h를 심냉각하여 형성됩니다. 이러한 조건에서 수산기 결정 결함이 형성되어 성장하는 얼음 결정이 구조를 변경할 수 있습니다. 얼음 XI은 양성자의 정렬된 배열을 갖는 마름모꼴 결정 격자를 가지며 결정의 수산기 결함 근처의 많은 결정화 중심에서 동시에 형성됩니다.

쌀. 8. 아이스 VI 구성.

얼음 중에는 수명이 초인 준안정형 IV 및 XII도 있으며 가장 아름다운 구조를 가지고 있습니다(그림 9 및 그림 10). 준안정 얼음을 얻으려면 액체 질소 온도에서 얼음 Ih를 1.8GPa의 압력으로 압축해야 합니다. 이 얼음은 훨씬 더 쉽게 형성되며 과냉각된 중수가 압력을 받을 때 특히 안정적입니다. 또 다른 준안정 변형인 얼음 IX는 얼음 III의 과냉각으로 형성되며 본질적으로 저온 형태입니다.

쌀. 아홉. 아이스 IV 구성.

쌀. 10. 아이스 XII 구성.

단사정형 XIII와 마름모꼴 구성 XIV를 가진 얼음의 마지막 두 가지 변형은 2006년 옥스포드(영국)의 과학자들에 의해 아주 최근에 발견되었습니다. -160°C 온도에서 물의 점도가 매우 높고 순수한 과냉각수 분자가 이 정도의 양으로 모이는 것은 단사정 및 마름모꼴 격자를 갖는 얼음 결정이 존재해야 한다는 가정은 확인하기 어려웠습니다. 결정핵이 형성된다는 것입니다. 이것은 저온에서 물 분자의 이동성을 증가시키는 촉매인 염산의 도움으로 달성되었습니다. 지구에서는 이러한 얼음 변형이 형성될 수 없지만 냉각된 행성과 얼어붙은 위성 및 혜성의 우주 공간에 존재할 수 있습니다. 따라서 목성과 토성의 위성 표면에서 밀도와 열유속을 계산하면 가니메데와 칼리스토가 얼음 I, III, V 및 VI가 번갈아 나타나는 얼음 껍질을 가져야 한다고 주장할 수 있습니다. 타이탄에서 얼음은 지각이 아니라 맨틀을 형성하며, 내부 층은 얼음 VI, 기타 고압 얼음 및 포접 수화물로 구성되며 얼음 I h가 맨 위에 위치합니다.

쌀. 열하나. 자연에서 눈송이의 다양성과 모양

낮은 온도의 높은 지구 대기에서 물은 사면체에서 결정화되어 육각형 얼음 I h 를 형성합니다. 얼음 결정 형성의 중심은 바람에 의해 상층 대기로 들어 올려진 고체 먼지 입자입니다. 이 배아의 얼음 미세 결정 주위에서 개별 물 분자에 의해 형성된 바늘이 6개의 대칭 방향으로 자라며 이 방향에서 측면 과정인 수상돌기가 자랍니다. 눈송이 주변 공기의 온도와 습도는 동일하므로 처음에는 모양이 대칭입니다. 눈송이가 형성되면서 온도가 더 높은 대기의 하층으로 점차 가라앉습니다. 여기에서 용융이 발생하고 이상적인 기하학적 모양이 왜곡되어 다양한 눈송이를 형성합니다(그림 11).

더 녹으면 얼음의 육각형 구조가 파괴되고 물의 삼중, 사, 오, 육량체(그림 12)와 자유 물 분자뿐만 아니라 클러스터의 순환 결합 혼합물이 형성됩니다. 결과 클러스터의 구조에 대한 연구는 종종 상당히 어렵습니다. 현대 데이터에 따르면 물은 다양한 중성 클러스터 (H 2 O) n과 전하를 띤 클러스터 이온 [H 2 O] + n 및 [H 2 O] - n, 수명이 10 -11 -10 -12초 사이에 동적 평형 상태에 있습니다.

쌀. 12.가능한 물 클러스터 (a-h) 조성 (H 2 O) n, 여기서 n = 5-20.

클러스터는 수소 결합의 돌출된 면으로 인해 서로 상호 작용할 수 있으며 육면체, 팔면체, 정이십면체 및 십이면체와 같은 더 복잡한 다면체 구조를 형성합니다. 따라서 물의 구조는 고대 그리스 철학자이자 기하학자인 플라톤의 이름을 따서 명명된 이른바 플라톤의 다면체(사면체, 육면체, 팔면체, 정이십면체, 12면체)와 관련이 있으며, 그 모양은 황금비에 의해 결정됩니다 (그림 13).

쌀. 13. 황금 비율에 의해 기하학적 모양이 결정되는 플라톤 솔리드.

공간 다면체의 꼭짓점(B), 면(G) 및 모서리(P)의 수는 다음 관계식으로 설명됩니다.

C + D = P + 2

정다면체의 꼭짓점 수(B) 대 면 중 하나의 모서리 수(P)의 비율은 동일한 다면체의 면 수(G) 대 모서리 수( P) 정점 중 하나에서 나옵니다. 정사면체의 경우 이 비율은 4:3, 육면체(6면)와 팔면체(8면)의 경우 2:1, 12면체(12개의 면)와 정이십면체(20개의 면)의 경우 4:1입니다.

러시아 과학자들이 계산한 다면체 물 클러스터의 구조는 양성자 자기 공명 분광법, 펨토초 레이저 분광법, 물 결정에 대한 X선 및 중성자 회절과 같은 현대적인 분석 방법을 사용하여 확인되었습니다. 물 클러스터의 발견과 정보를 저장하는 물의 능력은 21세기의 가장 중요한 두 가지 발견입니다. 이것은 자연이 얼음 결정의 특성인 정확한 기하학적 모양과 비율의 형태로 대칭을 이루는 것이 특징임을 분명히 증명합니다.

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액체 물의 3차원 상태는 연구하기 어렵지만 얼음 결정의 구조를 분석하여 많은 것을 배웠습니다. 4개의 인접한 수소 상호작용 산소 원자는 사면체의 꼭짓점을 차지합니다(tetra = 4, hedron = 평면). 얼음에서 이러한 결합을 깨는 데 필요한 평균 에너지는 23kJ/mol -1 로 추정됩니다.

주어진 수의 수소 사슬을 형성하는 물 분자의 능력과 표시된 강도는 비정상적으로 높은 융점을 생성합니다. 그것이 녹을 때, 그것은 구조가 불규칙한 액체 물에 의해 유지됩니다. 대부분의 수소 결합이 왜곡됩니다. 수소 결합으로 얼음의 결정 격자를 파괴하려면 열 형태의 많은 에너지가 필요합니다.

얼음 모양의 특징 (Ih)

많은 주민들은 어떤 종류의 수정 격자 얼음이 있는지 궁금해합니다. 분자 운동이 느려지고 조밀하게 채워진 결정이 형성되는 동결 동안 대부분의 물질의 밀도가 증가한다는 점에 유의해야 합니다. 물의 밀도는 4°C(277K)에서 최대로 냉각됨에 따라 증가합니다. 그런 다음 온도가 이 값 아래로 떨어지면 팽창합니다.

이러한 증가는 격자와 더 낮은 밀도를 가진 개방된 수소 결합 얼음 결정의 형성으로 인한 것입니다. 여기서 각 물 분자는 위의 요소와 다른 네 가지 값에 의해 단단하게 결합되고 더 많은 질량을 가질 수 있을 만큼 충분히 빠르게 움직입니다. 이 작용이 일어나기 때문에 액체는 위에서 아래로 얼게 됩니다. 이것은 중요한 생물학적 결과를 가져옵니다. 그 결과 연못의 얼음 층이 극한의 추위로부터 생명체를 보호합니다. 또한 물의 두 가지 추가 특성은 수소 특성과 관련이 있습니다. 비열 용량과 증발입니다.

구조에 대한 자세한 설명

첫 번째 기준은 물질 1g의 온도를 1°C 올리는 데 필요한 양입니다. 물의 온도를 높이려면 분자 하나하나가 수많은 수소 결합을 하고 있기 때문에 상대적으로 많은 열이 필요하다. 그건 그렇고, 모든 큰 다세포 생물의 세포와 조직에 H 2 O가 풍부하다는 것은 세포 내부의 온도 변동이 최소화된다는 것을 의미합니다. 이 기능은 대부분의 생화학 반응 속도가 민감하기 때문에 중요합니다.

또한 다른 많은 액체보다 훨씬 높습니다. 이 몸체를 기체로 변환하는 데 많은 양의 열이 필요합니다. 물 분자가 서로 분리되어 해당 상으로 들어가기 위해서는 수소 결합이 끊어져야 하기 때문입니다. 가변체는 영구 쌍극자이며 다른 유사한 화합물 및 이온화 및 용해되는 화합물과 상호 작용할 수 있습니다.

위에 언급된 다른 물질은 극성이 있는 경우에만 접촉할 수 있습니다. 이러한 요소의 구조에 관여하는 것은 바로 이 화합물입니다. 또한, 전해질로 형성된 이러한 입자 주위에 정렬될 수 있으므로 물 분자의 음의 산소 원자는 양이온으로, 양이온과 수소 원자는 음이온으로 배향됩니다.

일반적으로 분자 결정 격자와 원자가 형성됩니다. 즉, I 2 가 존재하는 방식으로 요오드가 구성되면 고체 이산화탄소, 즉 드라이 아이스에서 CO 2 분자는 결정 격자의 노드에 위치합니다. 유사한 물질과 상호 작용할 때 얼음은 이온 결정 격자를 갖습니다. 예를 들어 탄소를 기반으로 한 원자 구조를 가진 흑연은 다이아몬드처럼 그것을 바꿀 수 없습니다.

식염의 결정이 물에 용해될 때 일어나는 일은 극성 분자가 결정의 전하를 띤 원소에 끌어당겨 표면에 유사한 나트륨 및 염화물 입자를 형성하게 하고, 그 결과 이러한 몸체가 탈구됩니다 서로 떨어져 녹기 시작합니다. 여기에서 얼음은 이온 결합을 가진 결정 격자를 가지고 있음을 관찰할 수 있습니다. 각각의 용해된 Na +는 여러 물 분자의 음의 말단을 끌어 당기고, 각각의 용해된 Cl -는 양의 말단을 끌어당깁니다. 각 이온을 둘러싼 껍질은 탈출구라고 하며 일반적으로 여러 층의 용매 입자를 포함합니다.

원소로 둘러싸인 변수 또는 이온을 황산염이라고 합니다. 용매가 물인 경우 이러한 입자는 수화됩니다. 따라서 모든 극성 분자는 액체 본체의 요소에 의해 용매화되는 경향이 있습니다. 드라이 아이스에서 결정 격자의 유형은 응집 상태에서 원자 결합을 형성하며 변하지 않습니다. 또 다른 것은 결정체 얼음(얼어붙은 물)입니다. 카르복실라제 및 양성자화 아민과 같은 이온성 유기 화합물은 히드록실 및 카르보닐 그룹에 용해되어야 합니다. 이러한 구조에 포함된 입자는 분자 사이를 이동하고 극성 시스템은 이 몸체와 수소 결합을 형성합니다.

물론 분자에서 마지막으로 언급된 기의 수는 용해도에 영향을 미치며, 이는 또한 원소의 다양한 구조의 반응에 따라 달라집니다. 예를 들어, 1, 2 및 3탄소 알코올은 물과 섞일 수 있지만 단일 하이드록실 화합물이 있는 탄화수소는 액체에서 훨씬 덜 희석됩니다.

육각형 Ih는 원자 결정 격자와 모양이 유사합니다. 지구에 있는 얼음과 모든 자연적인 눈의 경우 정확히 다음과 같습니다. 이것은 수증기(즉, 눈송이)에서 성장한 얼음 결정 격자의 대칭에 의해 입증됩니다. 194에서 공간 그룹 P 63/mm에 있습니다. D 6h, 라우에 등급 6/mm; 6의 나선형 축을 갖는 β-와 유사합니다(이를 따라 이동하는 것 외에 회전). 단순 입방체(~1/2) 또는 면심 입방체(~3/4) 구조에 비해 효율이 낮은(~1/3) 다소 개방된 저밀도 구조를 가지고 있습니다.

일반 얼음과 비교할 때, CO 2 분자에 의해 결합된 드라이아이스의 결정 격자는 정적이며 원자가 붕괴할 때만 변경됩니다.

격자 및 그 구성 요소에 대한 설명

결정은 서로의 위에 쌓인 시트로 구성된 결정 모델로 생각할 수 있습니다. 수소 결합은 정렬되어 있지만 실제로는 약 5K 이상의 온도에서 양성자가 물(얼음) 분자 사이를 이동할 수 있기 때문에 무작위입니다. 실제로, 양성자는 일정한 터널링 흐름에서 양자 유체처럼 행동할 가능성이 있습니다. 이것은 중성자의 산란에 의해 향상되어 산소 원자 사이의 중간 산란 밀도를 보여 위치화 및 조정된 운동을 나타냅니다. 여기에 원자 분자 결정 격자가 있는 얼음의 유사성이 있습니다.

분자는 평면의 세 이웃에 대해 수소 사슬의 계단식 배열을 가지고 있습니다. 네 번째 원소는 가려진 수소 결합 배열을 가지고 있습니다. 이 사슬의 방향으로 0.3% 더 짧은 것과 같이 완전한 육각형 대칭에서 약간의 편차가 있습니다. 모든 분자는 동일한 분자 환경을 경험합니다. 각 "상자" 내부에는 틈새 물 입자를 담을 수 있는 충분한 공간이 있습니다. 일반적으로 고려되지는 않지만 최근에 그들은 얼음 분말 결정 격자의 중성자 회절에 의해 효과적으로 탐지되었습니다.

물질 변경

육각형 몸체는 액체 및 기체 물 0.01 ° C, 612 Pa, 고체 요소 - 3 -21.985 ° C, 209.9 MPa, 11 및 2 -199.8 ° C, 70 MPa 및 -34 .7 ° C, 212.9의 삼중 점이 있습니다. MPa. 육각 얼음의 유전 상수는 97.5입니다.

이 원소의 용융 곡선은 MPa로 표시됩니다. 상태 방정식 외에도 육각형 얼음 및 그 수성 현탁액의 온도에 대한 물리적 특성의 변화와 관련된 몇 가지 간단한 부등식을 사용할 수 있습니다. 경도는 0°C에서 석고(≤2) 또는 그 이하에서 장석(-80°C에서 6, 절대 경도의 비정상적으로 큰 변화(>24배)까지 상승하는 정도에 따라 변동합니다.

얼음의 육각형 결정 격자는 육각형 판과 기둥을 형성하며, 윗면과 아랫면은 엔탈피가 5.57μJ cm -2인 기저면(0 0 0 1)이고, 다른 등가 측면을 프리즘의 부분이라고 합니다. (1 0 -1 0) 5.94μJ cm -2 . 6.90 μJ ˣ cm -2 의 2차 표면(1 1 -2 0)은 구조물의 측면에 의해 형성된 평면을 따라 형성될 수 있습니다.

유사한 구조는 압력이 증가함에 따라 열전도율이 비정상적으로 감소하는 것을 보여주지만(저밀도의 입방체 및 비정질 얼음) 대부분의 결정과 다릅니다. 이것은 얼음과 물의 결정 격자에서 음파의 횡단 속도를 감소시키는 수소 결합의 변화 때문입니다.

큰 결정체 샘플과 원하는 얼음 표면을 준비하는 방법을 설명하는 방법이 있습니다. 연구중인 육각형 몸체 표면의 수소 결합은 벌크 시스템 내부보다 더 질서 정연하다고 가정합니다. 위상-격자 주파수 생성을 사용한 변동 분광법은 육각형 얼음의 기저 표면의 표면 아래 H2O 사슬에 있는 두 개의 상층(L1 및 L2) 사이에 구조적 비대칭이 있음을 보여주었습니다. 육각형(L1 O··· HO L2)의 상부 층에서 채택된 수소 결합은 상부 축적(L1 OH··· O L2)에 대한 두 번째 층에서 채택된 수소 결합보다 더 강하다. 육각 얼음의 상호 작용 구조를 사용할 수 있습니다.

개발 기능

얼음 핵 생성에 필요한 물 분자의 최소 수는 280의 완전한 정이십면체 클러스터의 경우 약 275 ± 25입니다. 형성은 벌크 물이 아닌 공기-물 계면에서 10 10 의 인수로 발생합니다. 얼음 결정의 성장은 서로 다른 에너지의 서로 다른 성장률에 따라 달라집니다. 생물학적 표본, 식품 및 장기를 동결 보존할 때 물이 얼지 않도록 보호해야 합니다.

이것은 일반적으로 빠른 냉각 속도, 작은 샘플과 저온 보존 장치의 사용, 얼음의 핵 생성 및 세포 손상 방지를 위한 압력 증가로 달성됩니다. 얼음/액체의 자유 에너지는 대기압에서 ~30 mJ/m2에서 200 MPa에서 40 mJ/m -2로 증가하여 이 효과가 발생하는 이유를 나타냅니다.

또는 프리즘 표면(S2), 급동결 또는 동요된 호수의 무작위로 교란된 표면에서 더 빠르게 성장할 수 있습니다. 면(1 1 -2 0)으로부터의 성장은 적어도 동일하지만 이를 프리즘 베이스로 바꿉니다. 얼음 결정의 발달에 대한 데이터는 완전히 조사되었습니다. 다른 면 요소의 상대적 성장률은 관절 수화 정도를 형성하는 능력에 따라 달라집니다. 주변 물의 온도(낮음)는 얼음 결정의 분기 정도를 결정합니다. 입자 성장은 낮은 정도의 과냉각에서 확산 속도에 의해 제한됩니다.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

그러나 4°C보다 높은 수준의 우울증에서 발달 역학에 의해 제한되어 바늘 같은 성장을 초래합니다. 이 모양은 드라이아이스와 유사하며(6각형 구조의 결정 격자를 가짐), 다른 표면 발달 특성 및 평평한 눈송이 모양 뒤에 있는 주변(과냉각된) 물의 온도입니다.

대기 중 얼음의 형성은 구름의 형성과 특성에 지대한 영향을 미칩니다. 연간 수백만 톤의 대기로 유입되는 사막 먼지에서 발견되는 장석은 중요한 형성자입니다. 컴퓨터 모델링은 이것이 고에너지 표면 평면에서 프리즘형 얼음 결정 평면의 핵 생성 때문인 것으로 나타났습니다.

기타 요소 및 격자

용질(간극에 들어갈 수 있는 매우 작은 헬륨과 수소는 제외)은 대기압에서 Ih 구조로 통합될 수 없지만 미세결정체 입자 사이의 표면 또는 비정질 층으로 변위됩니다. 드라이아이스의 격자 자리에는 다른 요소들이 있습니다: NH 4 + 와 Cl - 와 같은 카오트로픽 이온들은 Na + 와 SO 4 2- 와 같은 다른 우주방사성 것들보다 액체의 더 쉬운 동결에 포함되어 있습니다. 결정 사이에 남아있는 액체의 박막을 형성하기 때문에 제거가 불가능합니다. 이것은 표면 물 해리로 인해 표면의 전하를 유발할 수 있습니다. 이는 잔류 전하(자기 방사선을 유발할 수도 있음)의 균형을 유지하고 잔류 액막의 pH 변화(예: NH 4 2 SO 4 가 더 산성이 됨)의 변화입니다. NaCl이 더 염기성이 됩니다.

그들은 얼음 결정 격자의 면에 수직이며 부착된 다음 층(O-검정 원자 포함)을 보여줍니다. 그것들은 천천히 성장하는 기저 표면(0 0 0 1)이 특징이며, 여기에는 분리된 물 분자만 부착되어 있습니다. 새로 부착된 입자 쌍이 수소로 서로 결합할 수 있는 프리즘의 빠르게 성장하는 (1 0 -1 0) 표면(1개의 수소 결합/2개의 원소 분자). 가장 빠르게 성장하는 면(1 1 -2 0)(2차 각형)으로, 새로 부착된 입자의 사슬이 수소 결합에 의해 서로 상호작용할 수 있습니다. 그것의 사슬/원소 분자 중 하나는 프리즘의 두 면으로의 변형을 촉진하고 분할하는 능선을 형성하는 형태입니다.

영점 엔트로피

KBˣ Ln( N

과학자와 이 분야의 연구

다음과 같이 정의할 수 있습니다. S 0 = KBˣ Ln( N E0), 여기서 k B는 볼츠만 상수, N E는 에너지 E에서의 구성 수, E0은 가장 낮은 에너지입니다. 0 켈빈에서 육각형 얼음의 엔트로피 값은 "절대 영도에서 이상적인 결정의 엔트로피는 정확히 0"이라는 열역학 제3법칙을 위반하지 않습니다. 이러한 요소와 입자는 이상적이지 않고 수소 결합이 무질서하기 때문입니다.

이 몸에서 수소 결합은 무작위로 빠르게 변화합니다. 이러한 구조는 에너지가 정확히 동일하지 않지만 "얼음의 규칙"을 준수하는 매우 많은 수의 에너지적으로 가까운 상태로 확장됩니다. 영점 엔트로피는 물질이 절대 영도(0 K = -273.15 °C)로 냉각될 수 있는 경우에도 남아 있는 무질서입니다. 육각 얼음 3.41 (± 0.2) ˣ mol -1 ˣ K -1 에 대한 실험적 혼동을 생성합니다. 이론적으로 알려진 얼음 결정의 제로 엔트로피를 실험적으로 결정하는 것보다 훨씬 더 정확하게 계산하는 것이 가능합니다(결함 및 에너지 준위 확산 무시).

벌크 얼음에서 양성자의 순서는 정렬되어 있지 않지만 표면은 아마도 매달려 있는 H-원자와 O-단일 쌍(정렬된 수소 결합이 있는 0엔트로피)의 띠 형태로 이러한 입자의 순서를 선호할 것입니다. 영점 ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 등의 무질서가 발견됩니다. 위의 모든 것으로부터 어떤 유형의 결정 격자가 얼음의 특징인지 명확하고 이해할 수 있습니다.

결정 격자의 노드에 어떤 물질의 비극성 분자가 있는 경우(예: 요오드 나는 2, 산소 약 2또는 질소 N 2), 그러면 그들은 서로에 대한 전기적 "동정"을 경험하지 않습니다. 즉, 분자는 정전기력에 의해 끌리지 않아야 합니다. 그럼에도 불구하고 무언가가 그들을 함께 유지합니다. 정확히 무엇?

고체 상태에서 이 분자들은 서로 너무 가까워서 전자 구름에서 즉각적인(매우 약하지만) 반응이 시작된다는 것이 밝혀졌습니다. 편견- 전자 구름의 응결 및 희박화. 비극성 입자 대신에 이미 정전기적으로 서로 끌릴 수 있는 "순간 쌍극자"가 나타납니다. 그러나 이 매력은 매우 약합니다. 따라서 비극성 물질의 결정 격자는 깨지기 쉬우며 매우 낮은 온도, 즉 "우주" 추위에서만 존재합니다.

천문학자들은 실제로 천체 - 혜성, 소행성, 심지어는 얼어붙은 행성으로 구성된 전체 행성을 발견했습니다. 질소, 산소및 일반적인 지상 조건에서 기체의 형태로 존재하고 행성간 공간에서 고체가 되는 기타 물질.

많은 단순하고 복잡한 물질 분자결정 격자는 모두에게 잘 알려져 있습니다. 이것은 예를 들어 결정 요오드 나는 2:
이것이 결정 격자가 구축되는 방식입니다. 요오드: 그것은 요오드 분자로 구성됩니다(각각 두 개의 요오드 원자를 포함합니다).
그리고 이 분자들은 다소 느슨하게 결합되어 있습니다. 이것이 결정성 요오드가 매우 휘발성이며 약간의 가열에도 증발하여 기체 요오드로 변하는 이유입니다. 아름다운 보라색 증기입니다.

어떤 일반적인 물질 분자 결정 격자?

  • 결정성 물(얼음)은 극성 분자로 구성됩니다. 물 H2O.
  • 아이스크림을 식히는 데 사용되는 "드라이 아이스" 결정도 분자 결정입니다. 이산화탄소 이산화탄소.
  • 또 다른 예는 분자에서 결정을 형성하는 설탕입니다. 자당.

결정 격자의 노드에 물질 분자가 있는 경우 분자가 극성을 띠더라도 이들 사이의 결합은 그다지 강하지 않습니다.
따라서 이러한 결정을 용융시키거나 분자 결정 구조를 갖는 물질을 증발시키기 위해 적색열로 가열할 필요가 없다.
이미 0 °C에서 결정 구조 빙분해되어 된다 물. 그리고 "드라이 아이스"는 상압에서 녹지 않고 즉시 기체 상태로 변합니다. 이산화탄소- 고귀한.


또 다른 것은 물질 원자결정 격자는 각 원자가 매우 강한 공유 결합으로 이웃과 연결되어 있으며 전체 결정은 원하는 경우 거대한 분자로 간주될 수 있습니다.

예를 들어 다음을 고려하십시오. 다이아몬드 크리스탈,원자로 이루어진 것 탄소.

원자 탄소 에서, 여기에는 짝을 이루지 않은 두 개가 포함되어 있습니다. 아르 자형 - 전자가 원자로 변한다. 탄소 에서*, 외부 원자가 준위의 모든 4개의 전자가 하나씩 궤도에 위치하며 화학 결합을 형성할 수 있는. 화학자들은 그러한 원자를 " 흥분한".
이 경우 4개의 화학 결합이 있으며 모두 매우 내구성. 이유없이 다이아몬드 - 가장 단단한 물질태고부터 자연에서 모든 보석과 보석의 왕으로 간주됩니다. 그리고 그 이름 자체가 그리스어로 "파괴할 수 없는"을 의미합니다.
패싯 결정에서 다이아몬드값 비싼 보석을 장식하는 다이아몬드를 얻습니다.

사람들이 발견한 가장 아름다운 다이아몬드에는 고유한, 때로는 비극적인 역사가 있습니다. 읽기 >>>

하지만 다이아몬드장식에만 적용되지 않습니다. 그것의 결정체는 가장 단단한 재료를 가공하고, 암석에 드릴링하고, 유리와 수정체를 절단 및 절단하는 도구에 사용됩니다.

다이아몬드(왼쪽)와 흑연(오른쪽)의 결정 격자

석묵같은 구성 탄소, 그러나 그 결정 격자 구조는 다이아몬드의 구조와 동일하지 않습니다. 입력 석묵탄소 원자는 탄소 원자의 연결이 벌집 모양과 유사한 층으로 배열됩니다. 이 층은 각 층의 탄소 원자보다 훨씬 약하게 결합되어 있습니다. 그렇기 때문에 석묵저울로 쉽게 계층화되고 쓸 수 있습니다. 고온에서 작동하는 기계 부품에 적합한 건식 윤활유뿐만 아니라 연필 제조에 사용됩니다. 게다가, 석묵전기를 잘 전도하고 전극을 만듭니다.

저렴할 수 있다 석묵소중한 것으로 바꾸다 다이아몬드? 가능하지만 이것은 상상할 수 없을 정도로 높은 압력(수천 기압)과 고온(150만 도)이 필요합니다.
엉망이 되기 훨씬 쉽습니다. 다이아몬드: 1500 ° C의 공기 접근없이 가열하기 만하면되며 결정 구조 다이아몬드덜 정돈된 구조로 전환 석묵.

얼음의 결정 구조: 물 분자는 정육각형으로 연결되어 있습니다. 얼음의 결정 격자: 노드의 물 분자 H 2 O(검은 공)는 각각 4개의 이웃을 갖도록 배열됩니다. 물 분자(중앙)는 가장 가까운 이웃 분자 4개에 결합된 수소입니다. 얼음은 물의 결정체 변형입니다. 최신 데이터에 따르면 얼음에는 14가지 구조적 변형이 있습니다. 그 중에는 결정질(대부분)과 무정형 변형이 있지만, 물 분자와 특성의 상호 배열이 서로 다릅니다. 사실, 육각형 동조로 결정화되는 일반적인 얼음을 제외한 모든 것은 물 분자의 수소 결합 각도가 변경되고 육각형 이외의 시스템이 형성될 때 매우 낮은 온도와 고압의 이국적인 조건에서 형성됩니다. 이러한 조건은 우주 조건을 연상케 하며 지구에서는 발견되지 않습니다. 예를 들어, -110 °C 미만의 온도에서 수증기는 팔면체 형태로 금속판에 침전되고 크기가 몇 나노미터인 입방체, 이것이 소위 입방체 얼음입니다. 온도가 -110 °C보다 약간 높고 증기 농도가 매우 낮으면 매우 밀도가 높은 비정질 얼음 층이 판에 형성됩니다. 얼음의 가장 특이한 특성은 놀랍도록 다양한 외부 현상입니다. 같은 결정 구조를 가지고 있어도 투명한 우박과 고드름, 푹신한 눈 조각, 조밀하고 반짝이는 얼음 껍질 또는 거대한 빙하 덩어리의 형태를 취하여 완전히 다르게 보일 수 있습니다.


눈송이는 얼음의 단결정입니다. 육각형 결정의 일종이지만 비평형 조건에서 빠르게 성장합니다. 과학자들은 수세기 동안 아름다움과 끝없는 다양성의 비밀과 씨름해 왔습니다. 눈송이의 수명은 온도가 떨어지면서 수증기 구름에서 결정질 얼음 핵이 형성되는 것으로 시작됩니다. 결정화의 중심은 먼지 입자, 고체 입자 또는 이온일 수 있지만 어떤 경우에도 1/10밀리미터보다 작은 이러한 유빙에는 이미 육각형 결정 격자가 있습니다. 이러한 핵 표면에 응축된 수증기는 먼저 작은 육각형 프리즘을 형성하고 6개의 모서리에서 동일한 얼음 바늘 측면 과정이 자라기 시작합니다. 배아 주변의 온도와 습도도 동일합니다. 그들 위에는 나무처럼 가지의 옆 가지가 자랍니다. 이러한 결정을 수상 돌기, 즉 나무와 유사합니다. 구름에서 위아래로 움직이면서 눈송이는 온도와 수증기 농도가 다른 조건에 들어갑니다. 육각 대칭의 법칙을 따르는 마지막까지 모양이 바뀝니다. 그래서 눈송이가 달라집니다. 지금까지 눈송이 중에서 두 개의 동일한 눈송이를 찾는 것은 불가능했습니다.


얼음의 색은 나이에 따라 다르며 강도를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 바다 얼음은 공기 방울로 포화되어 있기 때문에 생후 첫 해에 흰색입니다. 벽에서 빛은 흡수되기 전에 즉시 반사됩니다. 여름에는 얼음 표면이 녹고 강도가 떨어지고 그 위에 놓인 새로운 층의 무게로 기포가 줄어들고 완전히 사라집니다. 얼음 내부의 빛은 이전보다 더 먼 거리를 이동하여 청록색 색조로 나타납니다. 푸른 얼음은 공기로 포화된 흰색 "거품" 얼음보다 더 오래되고 밀도가 높으며 더 강합니다. 극지 탐험가들은 이것을 알고 수상 기지, 과학 기지 및 얼음 비행장을 위해 신뢰할 수 있는 파란색 및 녹색 빙원을 선택합니다. 검은 빙산이 있습니다. 그들에 대한 첫 번째 언론 보고서는 1773 년에 나타났습니다. 빙산의 검은 색은 화산 활동으로 인해 발생합니다. 얼음은 두꺼운 화산 먼지 층으로 덮여있어 바닷물에도 씻겨 나가지 않습니다. 얼음은 똑같이 차갑지 않습니다. 영하 60도 정도의 매우 차가운 얼음이 있습니다. 이것은 일부 남극 빙하의 얼음입니다. 그린란드 빙하의 얼음은 훨씬 따뜻합니다. 온도는 약 영하 28도입니다. 꽤 "따뜻한 얼음"(약 0도의 온도)은 알프스와 스칸디나비아 산맥의 꼭대기에 있습니다.


물의 밀도는 +4C에서 최대이며 1g/ml와 같으며 온도가 감소함에 따라 감소합니다. 물이 결정화되면 밀도가 급격히 감소하며 얼음의 경우 0.91g/cm3와 같습니다. 이로 인해 얼음은 물보다 가볍고 수역이 얼면 얼음이 맨 위에 쌓이고 온도가 4 ̊인 밀도가 높은 물 C는 수역의 바닥에 나타나며, 얼음의 열전도율이 낮고 이를 덮고 있는 적설은 수역이 바닥까지 얼지 않도록 보호하여 겨울에 수역 주민들의 생활 조건을 조성합니다.




빙하, 빙상, 영구 동토층, 계절적 눈 덮음은 넓은 지역과 행성 전체의 기후에 큰 영향을 미칩니다. 눈을 본 적이 없는 사람이라도 예를 들어 다음과 같은 형태로 지구의 극에 축적된 덩어리의 숨결을 느낍니다. 장기 수준 변동 World Ocean. 얼음은 우리 행성의 출현과 생명체의 편안한 거주에 매우 중요하기 때문에 과학자들은 그 소유물을 대기권과 지각 깊숙이까지 확장하는 빙권(Cryosphere)이라는 특별한 환경을 할당했습니다. 천연 얼음은 일반적으로 물보다 훨씬 깨끗합니다. 얼음에서 물질(NH4F 제외)의 용해도는 매우 낮습니다. 지구상의 총 얼음 매장량은 약 3천만km3입니다. 대부분의 얼음은 남극 대륙에 집중되어 있으며 그 두께가 4km에 이릅니다.

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