Tipuri de rețele cristaline. Rețele cristaline La nodurile rețelei cristaline de gheață carbonică se află

Chimia este o știință uimitoare. Atât de multe lucruri incredibile pot fi găsite în lucruri aparent obișnuite.

Tot materialul care ne inconjoara pretutindeni exista in mai multe stari de agregare: gaze, lichide si solide. Oamenii de știință au izolat și a 4-a - plasmă. La o anumită temperatură, o substanță se poate schimba de la o stare la alta. De exemplu, apă: atunci când este încălzită peste 100, dintr-o formă lichidă, se transformă în abur. La temperaturi sub 0, trece în următoarea structură de agregat - gheață.

In contact cu

Întreaga lume materială are în compoziția sa o masă de particule identice care sunt interconectate. Aceste cele mai mici elemente sunt dispuse strict în spațiu și formează așa-numitul cadru spațial.

Definiție

O rețea cristalină este o structură specială a unei substanțe solide, în care particulele sunt într-o ordine strictă din punct de vedere geometric în spațiu. Este posibil să se detecteze noduri în el - locuri în care se află elementele: atomi, ioni și molecule și spațiu internodal.

Solide, în funcție de intervalul de temperaturi ridicate și scăzute, sunt cristaline sau amorfe - se caracterizează prin absența unui punct de topire specific. Când sunt expuse la temperaturi ridicate, se înmoaie și se transformă treptat într-o formă lichidă. Astfel de substanțe includ: rășină, plastilină.

În acest sens, poate fi împărțit în mai multe tipuri:

atomic;
ionic;
molecular;
metal.

Dar la temperaturi diferite, o substanță poate avea forme diferite și poate prezenta proprietăți diferite. Acest fenomen se numește modificare alotropică.

Tip atomic

În acest tip, atomii uneia sau altei substanțe sunt localizați la noduri, care sunt conectate prin legături covalente. Acest tip de legătură este format dintr-o pereche de electroni a doi atomi vecini. Datorită acestui fapt, ele sunt conectate uniform și într-o ordine strictă.

Substanțele cu o rețea cristalină atomică se caracterizează prin următoarele proprietăți: rezistență și punct de topire ridicat. Acest tip de legătură este prezent în diamant, siliciu și bor..

tip ionic

Ionii încărcați opus sunt localizați la nodurile care creează un câmp electromagnetic care caracterizează proprietățile fizice ale unei substanțe. Acestea vor include: conductivitatea electrică, refractaritatea, densitatea și duritatea. Sarea de masă și nitratul de potasiu se caracterizează prin prezența unei rețele cristaline ionice.

Nu ratați: Mecanismul educației, studii de caz.

Tip molecular

În locurile de acest tip, există ioni legați împreună de forțele van der Waals. Datorită legăturilor intermoleculare slabe, astfel de substanțe, de exemplu, gheața, dioxidul de carbon și parafina, sunt caracterizate prin plasticitate, conductivitate electrică și termică.

tip metalic

În structura sa, seamănă cu una moleculară, dar are totuși legături mai puternice. Diferența de acest tip este că cationii încărcați pozitiv sunt localizați la nodurile săi. Electronii care se află în interstițial spațiu, participă la formarea unui câmp electric. Se mai numesc si gaze electrice.

Metalele și aliajele simple se caracterizează printr-un tip de rețea metalică. Ele se caracterizează prin prezența luciului metalic, plasticitate, conductivitate termică și electrică. Se pot topi la diferite temperaturi.

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

adnotare Importanța gheții în susținerea vieții pe planeta noastră nu poate fi subestimată. Gheața are o mare influență asupra condițiilor de viață și de viață a plantelor și animalelor și asupra diferitelor tipuri de activitate economică umană. Acoperirea apei, gheața, datorită densității sale scăzute, joacă rolul unui paravan plutitor în natură, protejând râurile și rezervoarele de înghețarea ulterioară și păstrând viața locuitorilor subacvatici. Utilizarea gheții în diverse scopuri (reținerea zăpezii, amenajarea trecerilor de gheață și a depozitelor izoterme, așezarea gheții a instalațiilor de depozitare și a minelor) face obiectul unui număr de secțiuni de științe hidrometeorologice și inginerie, cum ar fi tehnologia gheții, tehnologia zăpezii, inginerie. permafrost, precum și activitățile serviciilor speciale de recunoaștere a gheții, transport de spargere a gheții și pluguri de zăpadă. Gheata naturala este folosita pentru depozitarea si racirea produselor alimentare, preparatelor biologice si medicale, pentru care este special produsa si recoltata, iar apa de topire preparata prin topirea ghetii este folosita in medicina populara pentru cresterea metabolismului si eliminarea toxinelor din organism. Articolul prezintă cititorului noi proprietăți puțin cunoscute și modificări ale gheții.

Gheața este o formă cristalină de apă, care, conform ultimelor date, are paisprezece modificări structurale. Printre acestea se numără atât modificări cristaline (gheață naturală), cât și amorfe (gheață cubică) și metastabile, care diferă unele de altele prin aranjarea reciprocă și proprietățile fizice ale moleculelor de apă legate prin legături de hidrogen care formează rețeaua cristalină a gheții. Toate acestea, cu excepția familiarei gheață naturală I h, care cristalizează într-o rețea hexagonală, se formează în condiții exotice - la temperaturi foarte scăzute de gheață carbonică și azot lichid și presiuni mari de mii de atmosfere, când unghiurile de hidrogen se leagă. într-o moleculă de apă se schimbă și se formează sisteme cristaline care sunt diferite de hexagonale. Astfel de condiții amintesc de condițiile cosmice și nu se găsesc pe Pământ.

În natură, gheața este reprezentată în principal de o varietate cristalină, care cristalizează într-o rețea hexagonală asemănătoare unei structuri de diamant, unde fiecare moleculă de apă este înconjurată de patru molecule cele mai apropiate de ea, situate la aceeași distanță de aceasta, egală cu 2,76 angstromi și situate la vârfurile unui tetraedru regulat. Datorită numărului scăzut de coordonare, structura gheții este o rețea, care afectează densitatea sa scăzută, care este de 0,931 g/cm 3 .

Cea mai neobișnuită proprietate a gheții este varietatea uimitoare de manifestări externe. Cu aceeași structură cristalină, poate arăta complet diferit, luând forma unor pietre de grindină și țurțuri transparente, fulgi de zăpadă pufoși, o crustă densă și strălucitoare de gheață sau mase glaciare gigantice. Gheața apare în natură sub formă de gheață continentală, plutitoare și subterană, precum și sub formă de zăpadă și brumă. Este răspândită în toate zonele locuirii umane. Colectând în cantități mari, zăpada și gheața formează structuri speciale cu proprietăți fundamental diferite decât cristalele individuale sau fulgii de zăpadă. Gheața naturală este formată în principal din gheață de origine sedimentar-metamorfică, formată din precipitații atmosferice solide ca urmare a compactării și recristalizării ulterioare. O trăsătură caracteristică a gheții naturale este granularitatea și benzile. Granularitatea se datorează proceselor de recristalizare; fiecare grăunte de gheață glaciară este un cristal de formă neregulată care se învecinează strâns cu alte cristale din masa de gheață, în așa fel încât proeminențele unui cristal se potrivesc strâns în depresiunile altuia. O astfel de gheață se numește policristalină. În el, fiecare cristal de gheață este un strat al celor mai subțiri frunze care se suprapun între ele în planul bazal perpendicular pe direcția axei optice a cristalului.

Rezervele totale de gheață de pe Pământ sunt estimate la aproximativ 30 de milioane de tone. km 3(Tabelul 1). Cea mai mare parte a gheții este concentrată în Antarctica, unde grosimea stratului său ajunge la 4 km. Există, de asemenea, dovezi ale prezenței gheții pe planetele sistemului solar și în comete. Gheața este atât de importantă pentru clima planetei noastre și pentru locuirea ființelor vii pe ea, încât oamenii de știință au desemnat un mediu special pentru gheață - criosfera, ale cărei limite se extind sus în atmosferă și adânc în scoarța terestră.

Tab. unu. Cantitatea, distribuția și durata de viață a gheții.

Tip de gheață; Greutate; Zona de distribuție; Concentrație medie, g/cm2; Rata de creștere în greutate, g/an; Durata medie de viață, an
G; %; milioane km2; %
Ghetari; 2,4 1022; 98,95; 16,1; 10,9 sushi; 1,48 105; 2,5 1018; 9580
gheață subterană; 2 1020; 0,83; 21; 14,1 sushi; 9,52 103; 6 1018; 30-75
gheață de mare; 3,5 1019; 0,14; 26; 7,2 oceane; 1,34 102; 3,3 1019; 1.05
Acoperire de zăpadă; 1,0 1019; 0,04; 72,4; 14.2 Pământuri; 14,5; 2 1019; 0,3-0,5
aisberguri; 7,6 1018; 0,03; 63,5; 18,7 ocean; 14,3; 1,9 1018; 4.07
gheață atmosferică; 1,7 1018; 0,01; 510,1; 100 Pământ; 3,3 10-1; 3,9 1020; 4 10-3

Cristalele de gheață sunt unice prin formă și proporții. Orice cristal natural în creștere, inclusiv un cristal de gheață de gheață, se străduiește întotdeauna să creeze o rețea cristalină ideală, obișnuită, deoarece aceasta este benefică din punctul de vedere al unui minim al energiei sale interne. Orice impurități, după cum se știe, distorsionează forma cristalului, prin urmare, în timpul cristalizării apei, moleculele de apă sunt în primul rând încorporate în rețea, iar atomii străini și moleculele de impurități sunt deplasate în lichid. Și numai atunci când impuritățile nu au încotro, cristalul de gheață începe să le integreze în structura sa sau le lasă sub formă de capsule goale cu un lichid concentrat care nu îngheață - saramură. Prin urmare, gheața de mare este proaspătă și chiar și cele mai murdare corpuri de apă sunt acoperite cu gheață transparentă și curată. Când gheața se topește, deplasează impuritățile în saramură. La scară planetară, fenomenul de îngheț și dezgheț al apei, împreună cu evaporarea și condensarea apei, joacă rolul unui proces gigantic de curățare în care apa de pe Pământ se purifică constant.

Tab. 2. Unele proprietăți fizice ale gheții I.

Proprietate

Sens

Notă

Capacitate termică, cal/(g °C) Căldura de topire, cal/g Căldură de vaporizare, cal/g

0,51 (0°C) 79,69 677

Scade puternic odata cu scaderea temperaturii

Coeficient de dilatare termică, 1/°C

9,1 10-5 (0°C)

Gheață policristalină

Conductivitate termică, cal/(cm sec °C)

4,99 10 -3

Gheață policristalină

Indicele de refracție:

1,309 (-3°C)

Gheață policristalină

Conductivitate electrică specifică, ohm-1 cm-1

10-9 (0°C)

Energia aparentă de activare 11 kcal/mol

Conductivitate electrică de suprafață, ohm-1

10-10 (-11°C)

Energia aparentă de activare 32 kcal/mol

Modulul de elasticitate al lui Young, dină/cm2

9 1010 (-5 °C)

Gheață policristalină

Rezistenta, MN/m2: strivire la forfecare

2,5 1,11 0,57

gheata policristalina gheata policristalina gheata policristalina

Vâscozitate dinamică, echilibru

Gheață policristalină

Energia de activare în timpul deformării și relaxării mecanice, kcal/mol

Crește liniar cu 0,0361 kcal/(mol °C) de la 0 la 273,16 K

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

Datorită distribuției largi a gheții pe Pământ, diferența dintre proprietățile fizice ale gheții (Tabelul 2) față de proprietățile altor substanțe joacă un rol important în multe procese naturale. Gheața are multe alte proprietăți și anomalii de susținere a vieții - anomalii de densitate, presiune, volum și conductivitate termică. Dacă nu ar exista legături de hidrogen care să lege moleculele de apă într-un cristal, gheața s-ar topi la -90 °C. Dar acest lucru nu se întâmplă din cauza prezenței legăturilor de hidrogen între moleculele de apă. Datorită densității sale mai mici decât cea a apei, gheața formează o acoperire plutitoare la suprafața apei, care protejează râurile și rezervoarele de înghețul fundului, deoarece conductivitatea sa termică este mult mai mică decât cea a apei. În același timp, cea mai scăzută densitate și volum sunt observate la +3,98 °C (Fig. 1). Răcirea în continuare a apei la 0 0 C duce treptat nu la o scădere, ci la o creștere a volumului acesteia cu aproape 10%, atunci când apa se transformă în gheață. Acest comportament al apei indică existența simultană a două faze de echilibru în apă - lichidă și cvasicristalină, prin analogie cu cvasicristalele, a căror rețea cristalină nu numai că are o structură periodică, dar are și axe de simetrie de diferite ordine, existența cărora a contrazis anterior ideile cristalografilor. Această teorie, prezentată pentru prima dată de binecunoscutul fizician teoretician autohton Ya. I. Frenkel, se bazează pe presupunerea că unele dintre moleculele lichide formează o structură cvasi-cristalină, în timp ce restul moleculelor sunt asemănătoare gazului, liber. deplasându-se prin volum. Distribuția moleculelor într-o mică vecinătate a oricărei molecule fixe de apă are o anumită ordine, care amintește oarecum de una cristalină, deși mai liberă. Din acest motiv, structura apei este uneori numită cvasi-cristalină sau asemănătoare cristalului, adică având simetrie și prezența ordinii în aranjarea reciprocă a atomilor sau moleculelor.

Orez. unu. Dependența volumului specific de gheață și apă de temperatură

O altă proprietate este că debitul gheții este direct proporțional cu energia de activare și invers proporțional cu temperatura absolută, astfel încât pe măsură ce temperatura scade, gheața se apropie în proprietățile sale de un corp absolut solid. În medie, la o temperatură apropiată de topire, fluiditatea gheții este de 10 6 ori mai mare decât cea a rocilor. Datorită fluidității sale, gheața nu se acumulează într-un singur loc, ci se mișcă constant sub formă de ghețari. Relația dintre viteza curgerii și stresul în gheața policristalină este hiperbolică; cu o descriere aproximativă a acesteia printr-o ecuație de putere, exponentul crește pe măsură ce crește tensiunea.

Lumina vizibilă practic nu este absorbită de gheață, deoarece razele de lumină trec prin cristalul de gheață, dar blochează radiația ultravioletă și cea mai mare parte a radiației infraroșii de la Soare. În aceste regiuni ale spectrului, gheața apare absolut neagră, deoarece coeficientul de absorbție a luminii în aceste regiuni ale spectrului este foarte mare. Spre deosebire de cristalele de gheață, lumina albă care cade pe zăpadă nu este absorbită, ci este refractată de multe ori în cristalele de gheață și reflectată de pe fețele lor. De aceea zăpada pare albă.

Datorită reflectivității foarte mari a gheții (0,45) și a zăpezii (până la 0,95), suprafața acoperită de acestea este în medie de aproximativ 72 de milioane de hectare pe an. km 2 la latitudinile înalte și medii ale ambelor emisfere, primește căldură solară cu 65% mai puțin decât norma și este o sursă puternică de răcire a suprafeței terestre, ceea ce determină în mare măsură zonalitatea climatică latitudinală modernă. Vara, în regiunile polare, radiația solară este mai mare decât în centura ecuatorială, cu toate acestea, temperatura rămâne scăzută, deoarece o parte semnificativă din căldura absorbită este cheltuită pe gheața care se topește, care are o căldură de topire foarte mare.

Alte proprietăți neobișnuite ale gheții includ generarea de radiații electromagnetice prin creșterea cristalelor sale. Se știe că majoritatea impurităților dizolvate în apă nu sunt transferate în gheață atunci când aceasta începe să crească; ele îngheață. Prin urmare, chiar și pe cea mai murdară băltoacă, pelicula de gheață este curată și transparentă. În acest caz, impuritățile se acumulează la limita mediilor solide și lichide, sub forma a două straturi de sarcini electrice de semne diferite, care provoacă o diferență de potențial semnificativă. Stratul încărcat de impurități se mișcă împreună cu limita inferioară a gheții tinere și emite unde electromagnetice. Datorită acestui fapt, procesul de cristalizare poate fi observat în detaliu. Astfel, un cristal care crește în lungime sub formă de ac iradiază diferit față de cel acoperit cu procese laterale, iar radiația boabelor în creștere diferă de cea care apare la crăparea cristalelor. Din forma, secvența, frecvența și amplitudinea impulsurilor de radiație, este posibil să se determine cu ce viteză gheața îngheață și ce fel de structură de gheață se formează în acest caz.

Dar cel mai surprinzător lucru despre structura gheții este că moleculele de apă la temperaturi scăzute și presiuni mari din interiorul nanotuburilor de carbon se pot cristaliza sub forma unei duble helix, care amintește de moleculele de ADN. Acest lucru a fost dovedit de recentele experimente pe computer ale oamenilor de știință americani conduși de Xiao Cheng Zeng de la Universitatea din Nebraska (SUA). Pentru ca apa să formeze o spirală într-un experiment simulat, aceasta a fost plasată în nanotuburi cu un diametru de 1,35 până la 1,90 nm la presiune ridicată, variind de la 10 la 40.000 de atmosfere, și a fost setată o temperatură de –23 °C. Era de așteptat să se vadă că apa în toate cazurile formează o structură tubulară subțire. Cu toate acestea, modelul a arătat că la un diametru de nanotub de 1,35 nm și o presiune externă de 40.000 de atmosfere, legăturile de hidrogen din structura gheții au fost îndoite, ceea ce a dus la formarea unei helix cu pereți dubli - internă și externă. În aceste condiții, peretele interior s-a dovedit a fi răsucit într-un helix cvadruplu, iar peretele exterior era format din patru elice duble, similare cu o moleculă de ADN (Fig. 2). Acest fapt poate servi ca confirmare a conexiunii dintre structura moleculei de ADN de o importanță vitală și structura apei în sine și că apa a servit ca matrice pentru sinteza moleculelor de ADN.

Orez. 2. Model computerizat al structurii apei înghețate în nanotuburi, asemănător cu o moleculă de ADN (Fotografie de la New Scientist, 2006)

O altă dintre cele mai importante proprietăți ale apei descoperite recent este că apa are capacitatea de a-și aminti informații despre expunerile din trecut. Acest lucru a fost dovedit pentru prima dată de cercetătorul japonez Masaru Emoto și de compatriotul nostru Stanislav Zenin, care a fost unul dintre primii care au propus o teorie a clusterelor a structurii apei, constând din asociații ciclici ai unei structuri poliedrice în vrac - clustere cu formula generală (H). 2 O) n, unde n, conform datelor recente, poate ajunge la sute și chiar mii de unități. Datorită prezenței clusterelor în apă, apa are proprietăți informaționale. Cercetătorii au fotografiat procesele de înghețare a apei în microcristale de gheață, acționând asupra acesteia cu diverse câmpuri electromagnetice și acustice, melodii, rugăciune, cuvinte sau gânduri. S-a dovedit că, sub influența informațiilor pozitive sub formă de melodii și cuvinte frumoase, gheața a înghețat în cristale hexagonale simetrice. Acolo unde suna muzică neritmică, cuvinte supărate și jignitoare, apa, dimpotrivă, a înghețat în cristale haotice și fără formă. Aceasta este dovada că apa are o structură specială care este sensibilă la influențele informaționale externe. Probabil, creierul uman, care constă din 85-90% apă, are un puternic efect de structurare asupra apei.

Cristalele emoto trezesc atât interes, cât și critici insuficient fundamentate. Dacă te uiți la ele cu atenție, poți vedea că structura lor este formată din șase vârfuri. Dar o analiză și mai atentă arată că iarna fulgii de zăpadă au aceeași structură, întotdeauna simetrică și cu șase vârfuri. În ce măsură structurile cristalizate conțin informații despre mediul în care au fost create? Structura fulgilor de zăpadă poate fi frumoasă sau fără formă. Acest lucru indică faptul că proba de control (nor în atmosferă) în care apar are același efect asupra lor ca și condițiile inițiale. Condițiile inițiale sunt activitatea solară, temperatura, câmpurile geofizice, umiditatea etc. Toate acestea înseamnă că de la așa-numitele. ansamblu mediu, putem concluziona că structura picăturilor de apă, și apoi a fulgilor de zăpadă, este aproximativ aceeași. Masa lor este aproape aceeași și se deplasează prin atmosferă cu o viteză similară. În atmosferă, ele continuă să-și modeleze structurile și să crească în volum. Chiar dacă s-au format în diferite părți ale norului, există întotdeauna un anumit număr de fulgi de zăpadă în același grup care au apărut în aproape aceleași condiții. Și răspunsul la întrebarea ce reprezintă informații pozitive și negative despre fulgii de zăpadă poate fi găsit în Emoto. În condiții de laborator, informațiile negative (un cutremur, vibrații sonore nefavorabile pentru o persoană etc.) nu formează cristale, ci informații pozitive, dimpotrivă. Este foarte interesant în ce măsură un factor poate forma structuri identice sau similare ale fulgilor de zăpadă. Cea mai mare densitate a apei se observă la o temperatură de 4 °C. S-a dovedit științific că densitatea apei scade atunci când cristalele hexagonale de gheață încep să se formeze pe măsură ce temperatura scade sub zero. Acesta este rezultatul acțiunii legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă.

Care este motivul acestei structuri? Cristalele sunt solide, iar atomii, moleculele sau ionii lor constitutivi sunt aranjați într-o structură regulată, repetată, în trei dimensiuni spațiale. Structura cristalelor de apă este ușor diferită. Potrivit lui Isaac, doar 10% din legăturile de hidrogen din gheață sunt covalente, adică. cu informații destul de stabile. Legăturile de hidrogen dintre oxigenul unei molecule de apă și hidrogenul alteia sunt cele mai sensibile la influențele externe. Spectrul de apă în timpul formării cristalelor este relativ diferit în timp. În funcție de efectul evaporării discrete a unei picături de apă demonstrat de Antonov și Yuskeseliyev și dependența acestuia de stările energetice ale legăturilor de hidrogen, putem căuta un răspuns despre structurarea cristalelor. Fiecare parte a spectrului depinde de tensiunea superficială a picăturilor de apă. Există șase vârfuri în spectru, care indică ramificațiile fulgului de nea.

Evident, în experimentele lui Emoto, proba inițială „de control” are un efect asupra aspectului cristalelor. Aceasta înseamnă că, după expunerea la un anumit factor, se poate aștepta formarea unor astfel de cristale. Este aproape imposibil să obțineți cristale identice. Atunci când testează efectul cuvântului „dragoste” asupra apei, Emoto nu indică clar dacă acest experiment a fost efectuat cu mostre diferite.

Sunt necesare experimente dublu orb pentru a testa dacă tehnica Emoto se diferențiază suficient. Dovada lui Isaac că 10% din moleculele de apă formează legături covalente după îngheț ne arată că apa folosește această informație atunci când îngheață. Realizarea lui Emoto, chiar și fără experimente dublu-orb, rămâne destul de importantă în raport cu proprietățile informaționale ale apei.

Fulg de zăpadă natural, Wilson Bentley, 1925

Fulg de nea emoto obtinut din apa naturala

Un fulg de zăpadă este natural, iar celălalt este creat de Emoto, ceea ce indică faptul că diversitatea în spectrul apei nu este nelimitată.

Cutremur, Sofia, scara Richter 4,0, 15 noiembrie 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. Dispozitivul lui Antonov ©

Această cifră indică diferența dintre proba martor și cea prelevată în alte zile. Moleculele de apă rup cele mai energice legături de hidrogen din apă, precum și două vârfuri din spectru în timpul unui fenomen natural. Studiul a fost realizat folosind dispozitivul Antonov. Rezultatul biofizic arată o scădere a vitalității organismului în timpul unui cutremur. În timpul unui cutremur, apa nu își poate schimba structura în fulgii de zăpadă din laboratorul lui Emoto. Există dovezi ale unei modificări a conductibilității electrice a apei în timpul unui cutremur.

În 1963, școlarul tanzanian Erasto Mpemba a observat că apa caldă îngheață mai repede decât apa rece. Acest fenomen se numește efectul Mpemba. Deși proprietatea unică a apei a fost observată mult mai devreme de Aristotel, Francis Bacon și Rene Descartes. Fenomenul a fost dovedit de mai multe ori printr-o serie de experimente independente. Apa are o altă proprietate ciudată. În opinia mea, explicația pentru aceasta este următoarea: spectrul de energie diferenţial de neechilibru (DNES) al apei fiarte are o energie medie mai mică a legăturilor de hidrogen între moleculele de apă decât o probă prelevată la temperatura camerei. Aceasta înseamnă că apa fiartă are nevoie de mai puțină energie în pentru a începe să structurați cristalele și să înghețe.

Cheia structurii gheții și proprietăților sale constă în structura cristalului său. Cristalele tuturor modificărilor de gheață sunt construite din molecule de apă H 2 O, conectate prin legături de hidrogen în cadre tridimensionale de plasă cu un anumit aranjament de legături de hidrogen. Molecula de apă poate fi imaginată pur și simplu ca un tetraedru (piramidă cu bază triunghiulară). În centrul său se află un atom de oxigen, care se află în stare de hibridizare sp 3, iar în două vârfuri se află un atom de hidrogen, unul dintre electronii 1s al căruia este implicat în formarea unei legături covalente H-O cu oxigenul. Cele două vârfuri rămase sunt ocupate de perechi de electroni de oxigen nepereche care nu participă la formarea legăturilor intramoleculare, de aceea sunt numiți singuri. Forma spațială a moleculei de H 2 O se explică prin respingerea reciprocă a atomilor de hidrogen și a perechilor de electroni singuri ale atomului central de oxigen.

Legătura de hidrogen este importantă în chimia interacțiunilor intermoleculare și este condusă de forțele electrostatice slabe și de interacțiunile donor-acceptor. Apare atunci când atomul de hidrogen cu deficit de electroni al unei molecule de apă interacționează cu perechea de electroni singuri a atomului de oxigen al moleculei de apă vecine (О-Н...О). O caracteristică distinctivă a legăturii de hidrogen este rezistența relativ scăzută; este de 5-10 ori mai slabă decât o legătură covalentă chimică. În ceea ce privește energia, o legătură de hidrogen ocupă o poziție intermediară între o legătură chimică și interacțiunile van der Waals care țin moleculele într-o fază solidă sau lichidă. Fiecare moleculă de apă dintr-un cristal de gheață poate forma simultan patru legături de hidrogen cu alte molecule vecine la unghiuri strict definite egale cu 109 ° 47" direcționate către vârfurile tetraedrului, care nu permit formarea unei structuri dense atunci când apa îngheață (Fig. . 3). În structurile de gheață I, Ic, VII și VIII acest tetraedru este regulat. În structurile de gheață II, III, V și VI, tetraedrele sunt vizibil distorsionate. În structurile de gheață VI, VII și VIII, două se pot distinge sisteme de legături de hidrogen care se încrucișează reciproc.Acest cadru invizibil de legături de hidrogen aranjează moleculele de apă sub formă de grilă, structura asemănătoare unui fagure hexagonal cu canale interne goale.Dacă gheața este încălzită, structura grilă este distrusă: apă moleculele încep să cadă în golurile rețelei, ceea ce duce la o structură mai densă a lichidului - asta explică de ce apa este mai grea decât gheața.

Orez. 3. Formarea unei legături de hidrogen între patru molecule de H 2 O (bilele roșii indică atomii centrali de oxigen, bilele albe indică atomii de hidrogen)

Specificitatea legăturilor de hidrogen și a interacțiunilor intermoleculare, caracteristică structurii gheții, se păstrează în apa de topire, deoarece doar 15% din toate legăturile de hidrogen sunt distruse în timpul topirii unui cristal de gheață. Prin urmare, legătura inerentă gheții dintre fiecare moleculă de apă și cei patru vecini ai săi („ordinea pe distanță scurtă”) nu este încălcată, deși rețeaua cadru de oxigen este mai difuză. Legăturile de hidrogen pot fi reținute și atunci când apa fierbe. Legăturile de hidrogen sunt absente doar în vaporii de apă.

Gheața, care se formează la presiunea atmosferică și se topește la 0 ° C, este cea mai familiară substanță, dar încă nu este pe deplin înțeleasă. O mare parte din structura și proprietățile sale arată neobișnuit. La nodurile rețelei cristaline de gheață, atomii de oxigen ai tetraedrelor moleculelor de apă sunt aranjați în mod ordonat, formând hexagoane regulate, ca un fagure hexagonal, iar atomii de hidrogen ocupă diferite poziții pe legăturile de hidrogen care leagă atomii de oxigen ( Fig. 4). Prin urmare, există șase orientări echivalente ale moleculelor de apă în raport cu vecinii lor. Unele dintre ele sunt excluse, deoarece prezența a doi protoni pe aceeași legătură de hidrogen în același timp este puțin probabilă, dar rămâne o incertitudine suficientă în orientarea moleculelor de apă. Acest comportament al atomilor este atipic, deoarece într-o materie solidă toți atomii respectă aceeași lege: fie sunt atomi dispuși în mod ordonat, și atunci este un cristal, fie aleatoriu, și atunci este o substanță amorfă. O astfel de structură neobișnuită poate fi realizată în majoritatea modificărilor de gheață - Ih, III, V, VI și VII (și, aparent, în Ic) (Tabelul 3), iar în structura gheții II, VIII și IX, apă moleculele sunt ordonate orientativ. Potrivit lui J. Bernal, gheața este cristalină în raport cu atomii de oxigen și sticloasă în raport cu atomii de hidrogen.

Orez. 4. Structura gheții de configurație naturală hexagonală I h

În alte condiții, de exemplu, în spațiu la presiuni mari și temperaturi scăzute, gheața se cristalizează diferit, formând alte rețele cristaline și modificări (cubice, trigonale, tetragonale, monoclinice etc.), fiecare dintre ele având propria sa structură și rețea cristalină ( Tabelul 3). ). Structurile de gheață cu diferite modificări au fost calculate de cercetătorii ruși, doctor în științe chimice. G.G. Malenkov și Ph.D. E.A. Zheligovskaya de la Institutul de Chimie Fizică și Electrochimie. UN. Frumkin de la Academia Rusă de Științe. Modificările de gheață II, III și V rămân mult timp la presiunea atmosferică dacă temperatura nu depășește -170 °C (Fig. 5). Când este răcită la aproximativ -150 ° C, gheața naturală se transformă în gheață cubică Ic, constând din cuburi și octaedre de câțiva nanometri. Gheața I c apare uneori și atunci când apa îngheață în capilare, ceea ce aparent este facilitat de interacțiunea apei cu materialul peretelui și repetarea structurii sale. Dacă temperatura este puțin mai mare de -110 0 C, pe substratul metalic se formează cristale de gheață amorfă sticloasă mai densă și mai grea, cu o densitate de 0,93 g/cm3. Ambele forme de gheață se pot transforma spontan în gheață hexagonală și, cu cât mai repede, cu atât temperatura este mai mare.

Tab. 3. Unele modificări ale gheții și ale parametrilor fizici ai acestora.

Modificare

Structură cristalină

Lungimea legăturilor de hidrogen, Å

Unghiuri H-O-H în tetraedre, 0

Hexagonal

cub

Trigonală

tetragonală

Monoclinic

tetragonală

cub

tetragonală

Notă. 1 Å = 10 -10 m

Orez. cinci. Diagrama de stări a gheții cristaline cu diverse modificări.

Există și gheață de înaltă presiune - II și III cu modificări trigonale și tetragonale, formate din acri goale formate din elemente ondulate hexagonale deplasate unele față de altele cu o treime (Fig. 6 și Fig. 7). Aceste gheață sunt stabilizate în prezența gazelor nobile heliu și argon. În structura gheții V a modificării monoclinice, unghiurile dintre atomii de oxigen vecini variază de la 860 la 132°, care este foarte diferit de unghiul de legătură în molecula de apă, care este 105°47'. Gheața VI a modificării tetragonale constă din două cadre introduse unul în celălalt, între care nu există legături de hidrogen, în urma cărora se formează o rețea cristalină centrată pe corp (Fig. 8). Structura gheții VI se bazează pe hexameri - blocuri de șase molecule de apă. Configurația lor repetă exact structura unui grup de apă stabil, care este dată de calcule. Gheața VII și VIII ale modificării cubice, care sunt forme ordonate la temperatură joasă de gheață VII, au o structură similară cu cadre de gheață I introduse unul în celălalt. Odată cu o creștere ulterioară a presiunii, distanța dintre atomii de oxigen din rețeaua cristalină a gheții VII și VIII va scădea, ca urmare, se formează structura gheții X, în care atomii de oxigen sunt aranjați într-o rețea regulată și protonii sunt ordonati.

Orez. 7. Gheață de configurație III.

Gheața XI se formează prin răcirea profundă a gheții I h cu adăugarea de alcali sub 72 K la presiune normală. În aceste condiții, se formează defecte de cristal de hidroxil, permițând cristalului de gheață în creștere să-și schimbe structura. Gheața XI are o rețea cristalină rombica cu un aranjament ordonat de protoni și se formează simultan în multe centre de cristalizare în apropierea defectelor hidroxil ale cristalului.

Orez. 8. Configurație Ice VI.

Dintre gheață, există și formele metastabile IV și XII, ale căror durate de viață sunt secunde, care au cea mai frumoasă structură (Fig. 9 și Fig. 10). Pentru a obține gheață metastabilă, este necesară comprimarea gheții I h la o presiune de 1,8 GPa la temperatura azotului lichid. Aceste gheață se formează mult mai ușor și sunt mai ales stabile atunci când apa grea suprarăcită este supusă presiunii. O altă modificare metastabilă, gheața IX, se formează la suprarăcirea gheții III și este în esență forma sa la temperatură scăzută.

Orez. nouă. Ice IV-configurație.

Orez. 10. Configurația Ice XII.

Ultimele două modificări ale gheții - cu monoclinica XIII și configurația rombică XIV au fost descoperite de oamenii de știință de la Oxford (Marea Britanie) destul de recent - în 2006. Presupunerea că ar trebui să existe cristale de gheață cu rețele monoclinice și rombice a fost dificil de confirmat: vâscozitatea apei la o temperatură de -160 ° C este foarte mare și este dificil ca moleculele de apă pură suprarăcită să se reunească într-o asemenea cantitate. că se formează un nucleu de cristal. Acest lucru a fost realizat cu ajutorul unui catalizator - acid clorhidric, care a crescut mobilitatea moleculelor de apă la temperaturi scăzute. Pe Pământ, astfel de modificări ale gheții nu se pot forma, dar pot exista în spațiu pe planete răcite și pe sateliți și comete înghețate. Astfel, calculul densității și al fluxurilor de căldură de la suprafața sateliților lui Jupiter și Saturn ne permite să afirmăm că Ganymede și Callisto ar trebui să aibă un înveliș de gheață în care alternează gheața I, III, V și VI. La Titan, gheața formează nu o crustă, ci o manta, al cărei strat interior este format din gheață VI, alte gheață de înaltă presiune și hidrați de clatrat, iar gheața I h este situată deasupra.

Orez. unsprezece. Varietatea și forma fulgilor de zăpadă în natură

În atmosfera Pământului, la temperaturi scăzute, apa se cristalizează din tetraedre, formând gheață hexagonală I h . Centrul de formare al cristalelor de gheață este particulele solide de praf, care sunt ridicate în atmosfera superioară de vânt. Ace cresc în jurul acestui microcristal embrionar de gheață în șase direcții simetrice, formate din molecule individuale de apă, pe care cresc procesele laterale - dendrite. Temperatura și umiditatea aerului din jurul fulgului de nea sunt aceleași, așa că inițial are o formă simetrică. Pe măsură ce se formează fulgii de zăpadă, aceștia se scufundă treptat în straturile inferioare ale atmosferei, unde temperaturile sunt mai ridicate. Aici are loc topirea și forma lor geometrică ideală este distorsionată, formând o varietate de fulgi de zăpadă (Fig. 11).

Odată cu topirea ulterioară, structura hexagonală a gheții este distrusă și se formează un amestec de asociați ciclici de clustere, precum și din tri-, tetra-, penta-, hexameri de apă (Fig. 12) și molecule de apă liberă. Studiul structurii clusterelor rezultate este adesea semnificativ dificil, deoarece, conform datelor moderne, apa este un amestec de diferite clustere neutre (H 2 O) n și ionii lor de cluster încărcați [H 2 O] + n și [H 2 O] - n, care sunt în echilibru dinamic între cu o durată de viață de 10 -11 -10 -12 secunde.

Orez. 12. Posibile clustere de apă (a-h) de compoziție (H 2 O) n, unde n = 5-20.

Clusterele sunt capabile să interacționeze între ele datorită fețelor proeminente ale legăturilor de hidrogen, formând structuri poliedrice mai complexe, cum ar fi hexaedrul, octaedrul, icosaedrul și dodecaedrul. Astfel, structura apei este asociată cu așa-numitele solide platonice (tetraedru, hexaedru, octaedru, icosaedru și dodecaedru), numite după filozoful și geometrul grec antic Platon care le-a descoperit, a căror formă este determinată de raportul de aur. (Fig. 13).

Orez. 13. Solide platonice, a căror formă geometrică este determinată de raportul de aur.

Numărul de vârfuri (B), fețe (G) și muchii (P) în orice poliedru spațial este descris prin relația:

C + D = P + 2

Raportul dintre numărul de vârfuri (B) ale unui poliedru regulat și numărul de muchii (P) ale uneia dintre fețele sale este egal cu raportul dintre numărul de fețe (G) ale aceluiași poliedru și numărul de muchii ( P) care iese dintr-unul dintre vârfurile sale. Pentru un tetraedru, acest raport este de 4:3, pentru un hexaedru (6 fețe) și un octaedru (8 fețe) - 2:1, iar pentru un dodecaedru (12 fețe) și un icosaedru (20 fețe) - 4:1.

Structurile clusterelor poliedrice de apă calculate de oamenii de știință ruși au fost confirmate folosind metode moderne de analiză: spectroscopie de rezonanță magnetică de protoni, spectroscopie laser femtosecundă, difracție cu raze X și neutroni pe cristale de apă. Descoperirea clusterelor de apă și capacitatea apei de a stoca informații sunt cele mai importante două descoperiri ale mileniului 21. Acest lucru demonstrează clar că natura se caracterizează prin simetrie sub formă de forme geometrice și proporții precise, caracteristice cristalelor de gheață.

LITERATURĂ.

1. Belyanin V., Romanova E. Viața, molecula de apă și proporția de aur // Știință și viață, 2004, vol. 10, nr. 3, p. 23-34.

2. Shumsky P. A., Fundamentele științei structurale ale gheții. - Moscova, 1955b p. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Conștientizarea apei ca substanță a vieții. // Conștiința și realitatea fizică. 2011, T 16, Nr. 12, p. 9-22.

4. Petryanov I. V. Cea mai neobișnuită substanță din lume, Moscova, Pedagogie, 1981, p. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Structura și proprietățile apei. - Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, p. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Apa este familiară și misterioasă. - Kiev, școala Rodiansk, 1982, p. 62-64.

7. G. N. Zatsepina, Structura și proprietățile apei. - Moscova, ed. Universitatea de Stat din Moscova, 1974, p. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Fundamentele fizicii apei - Kiev, Naukova Dumka, 1991, p. 167.

9. Simonite T. Gheață asemănătoare ADN-ului „văzută” în interiorul nanotuburilor de carbon // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Mesaje ale apei. Codurile secrete ale cristalelor de gheață. - Sofia, 2006. p. 96.

11. S. V. Zenin și B. V. Tyaglov, Natura interacțiunii hidrofobe. Apariția câmpurilor orientative în soluții apoase // Journal of Physical Chemistry, 1994, V. 68, Nr. 3, p. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Hydrogen connection - Moscova, Nauka, 1964, p. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Structure of water and ionic solutions // Uspekhi fizicheskikh nauk, 1934, vol. 14, nr. 5, p. 587-644.

14. Hobza P., Zahradnik R. Complexe intermoleculare: Rolul sistemelor van der Waals în chimia fizică și biodiscipline. - Moscova, Mir, 1989, p. 34-36.

15. E. R. Pounder, Fizica gheții, trad. din engleza. - Moscova, 1967, p. 89.

16. Komarov S. M. Modele de gheață de înaltă presiune. // Chimie și viață, 2007, nr. 2, p. 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya și G. G. Malenkov. Gheață cristalină // Uspekhi khimii, 2006, nr. 75, p. 64.

18. Fletcher N. H. Fizica chimică a gheții, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A. V. Varietate de clustere // Russian Chemical Journal, 1996, vol. 40, nr.2, p. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. Structura apei si realitatea fizica. // Conștiința și realitatea fizică, 2011, vol. 16, nr. 9, p. 16-32.

21. Ignatov I. Medicină bioenergetică. Originea materiei vii, memoria apei, biorezonanța, câmpurile biofizice. - GaiaLibris, Sofia, 2006, p. 93.

Starea tridimensională a apei lichide este dificil de studiat, dar s-au învățat multe analizând structura cristalelor de gheață. Patru atomi de oxigen vecini care interacționează cu hidrogenul ocupă vârfurile unui tetraedru (tetra = patru, edrul = plan). Energia medie necesară pentru a rupe o astfel de legătură în gheață este estimată la 23 kJ/mol -1.

Capacitatea moleculelor de apă de a forma un anumit număr de lanțuri de hidrogen, precum și rezistența indicată, creează un punct de topire neobișnuit de ridicat. Când se topește, este ținut de apă lichidă, a cărei structură este neregulată. Majoritatea legăturilor de hidrogen sunt distorsionate. Pentru a distruge rețeaua cristalină de gheață cu o legătură de hidrogen, este necesară o masă mare de energie sub formă de căldură.

Caracteristicile aspectului gheții (Ih)

Mulți dintre locuitori se întreabă ce fel de rețea cristalină are gheața. Trebuie remarcat faptul că densitatea majorității substanțelor crește în timpul înghețului, când mișcările moleculare încetinesc și se formează cristale dens împachetate. De asemenea, densitatea apei crește pe măsură ce se răcește la maximum la 4°C (277K). Apoi, când temperatura scade sub această valoare, se extinde.

Această creștere se datorează formării unui cristal de gheață deschis, legat de hidrogen, cu rețeaua sa și densitatea mai mică, în care fiecare moleculă de apă este legată rigid de elementul de mai sus și de alte patru valori, în timp ce se mișcă suficient de rapid pentru a avea mai multă masă. Deoarece are loc această acțiune, lichidul îngheață de sus în jos. Aceasta are rezultate biologice importante, drept urmare stratul de gheață de pe iaz izolează ființele vii de frigul extrem. În plus, două proprietăți suplimentare ale apei sunt legate de caracteristicile sale de hidrogen: capacitatea termică specifică și evaporarea.

Descrierea detaliată a structurilor

Primul criteriu este cantitatea necesară pentru a crește temperatura a 1 gram dintr-o substanță cu 1°C. Creșterea gradelor de apă necesită o cantitate relativ mare de căldură deoarece fiecare moleculă este implicată în numeroase legături de hidrogen care trebuie rupte pentru ca energia cinetică să crească. Apropo, abundența de H 2 O în celulele și țesuturile tuturor organismelor multicelulare mari înseamnă că fluctuațiile de temperatură din interiorul celulelor sunt minime. Această caracteristică este critică deoarece viteza majorității reacțiilor biochimice este sensibilă.

De asemenea, semnificativ mai mare decât multe alte lichide. Este necesară o cantitate mare de căldură pentru a transforma acest corp într-un gaz, deoarece legăturile de hidrogen trebuie rupte pentru ca moleculele de apă să se disloce unele de altele și să intre în faza menționată. Corpurile modificabile sunt dipoli permanenți și pot interacționa cu alți compuși similari și cu cei care ionizează și se dizolvă.

Alte substanțe menționate mai sus pot intra în contact numai dacă este prezentă polaritatea. Acest compus este implicat în structura acestor elemente. În plus, se poate alinia în jurul acestor particule formate din electroliți, astfel încât atomii negativi de oxigen ai moleculelor de apă să fie orientați către cationi, iar ionii pozitivi și atomii de hidrogen să fie orientați către anioni.

În se formează, de regulă, rețele cristaline moleculare și atomice. Adică, dacă iodul este construit în așa fel încât I 2 să fie prezent în el, atunci în dioxidul de carbon solid, adică în gheața carbonică, moleculele de CO 2 sunt situate la nodurile rețelei cristaline. Atunci când interacționează cu substanțe similare, gheața are o rețea cristalină ionică. Grafitul, de exemplu, având o structură atomică bazată pe carbon, nu este capabil să-l schimbe, la fel ca diamantul.

Ce se întâmplă atunci când un cristal de sare de masă se dizolvă în apă este că moleculele polare sunt atrase de elementele încărcate din cristal, ceea ce duce la formarea unor particule similare de sodiu și clorură pe suprafața sa, în urma cărora aceste corpuri se dislocă. unul de altul și începe să se dizolve. De aici se poate observa că gheața are o rețea cristalină cu legături ionice. Fiecare Na + dizolvat atrage capetele negative ale mai multor molecule de apă, în timp ce fiecare Cl dizolvat - atrage capetele pozitive. Învelișul care înconjoară fiecare ion se numește sferă de evacuare și conține de obicei mai multe straturi de particule de solvent.

Se spune că variabilele sau un ion înconjurat de elemente sunt sulfatate. Când solventul este apă, astfel de particule sunt hidratate. Astfel, orice moleculă polară tinde să fie solvatată de elementele corpului lichid. În gheața carbonică, tipul de rețea cristalină formează legături atomice în stare de agregare, care sunt neschimbate. Un alt lucru este gheața cristalină (apa înghețată). Compușii organici ionici, cum ar fi carboxilazele și aminele protonate, trebuie să fie solubili în grupări hidroxil și carbonil. Particulele conținute în astfel de structuri se mișcă între molecule, iar sistemele lor polare formează legături de hidrogen cu acest corp.

Desigur, numărul ultimelor grupări menționate din moleculă afectează solubilitatea acesteia, care depinde și de reacția diferitelor structuri din element: de exemplu, alcoolii cu unul, doi și trei atomi de carbon sunt miscibili cu apa, dar mai mari. hidrocarburile cu compuși hidroxil unici sunt mult mai puțin diluate în lichide.

Hexagonala Ih este similară ca formă cu rețeaua cristalină atomică. Pentru gheață și toată zăpada naturală de pe Pământ, arată exact așa. Acest lucru este dovedit de simetria rețelei cristaline de gheață, crescută din vapori de apă (adică fulgi de zăpadă). Este in grupa spatiala P 63/mm de la 194; D 6h, clasa Laue 6/mm; similar cu β-, care are un multiplu de 6 axe elicoidale (rotație în jurul ei în plus față de deplasarea de-a lungul ei). Are o structură de densitate mică destul de deschisă, unde eficiența este scăzută (~1/3) în comparație cu structurile cubice simple (~1/2) sau cubice centrate pe față (~3/4).

În comparație cu gheața obișnuită, rețeaua cristalină a gheții carbonizate, legată de molecule de CO 2 , este statică și se modifică numai atunci când atomii se descompun.

Descrierea rețelelor și a elementelor lor constitutive

Cristalele pot fi gândite ca modele cristaline constând din foi stivuite una peste alta. Legătura de hidrogen este ordonată, în timp ce în realitate este aleatorie, deoarece protonii se pot deplasa între moleculele de apă (gheață) la temperaturi peste aproximativ 5 K. Într-adevăr, este probabil ca protonii să se comporte ca un fluid cuantic într-un flux constant de tunel. Acest lucru este sporit de împrăștierea neutronilor, arătând densitatea lor de împrăștiere la jumătatea distanței dintre atomii de oxigen, indicând localizarea și mișcarea coordonată. Aici există o asemănare a gheții cu o rețea cristalină atomică, moleculară.

Moleculele au un aranjament în trepte al lanțului de hidrogen în raport cu cei trei vecini ai lor din plan. Al patrulea element are un aranjament de legături de hidrogen eclipsat. Există o ușoară abatere de la simetria hexagonală perfectă, cu 0,3% mai scurtă în direcția acestui lanț. Toate moleculele experimentează aceleași medii moleculare. În interiorul fiecărei „cutii” există suficient spațiu pentru a ține particule de apă interstițială. Deși nu sunt considerate în general, acestea au fost recent detectate eficient prin difracția cu neutroni a rețelei cristaline sub formă de pulbere de gheață.

Schimbarea Substanțelor

Corpul hexagonal are puncte triple cu apă lichidă și gazoasă 0,01 ° C, 612 Pa, elemente solide - trei -21,985 ° C, 209,9 MPa, unsprezece și două -199,8 ° C, 70 MPa și -34,7 ° C, 212,9 MPa. Constanta dielectrică a gheții hexagonale este 97,5.

Curba de topire a acestui element este dată de MPa. Ecuațiile de stare sunt disponibile, pe lângă acestea, și câteva inegalități simple care leagă modificarea proprietăților fizice de temperatura gheții hexagonale și suspensiile sale apoase. Duritatea fluctuează cu grade care cresc de la sau sub gips (≤2) la 0°C până la feldspat (6 la -80°C, o schimbare anormal de mare a durității absolute (>24 de ori).

Rețeaua cristalină hexagonală de gheață formează plăci și coloane hexagonale, unde fețele superioare și inferioare sunt planurile bazale (0 0 0 1) cu o entalpie de 5,57 μJ cm -2, iar celelalte fețe laterale echivalente sunt numite părți ale prismei (1 0 -1 0) cu 5,94 μJ cm -2 . Suprafețele secundare (1 1 -2 0) cu 6,90 μJ ˣ cm -2 se pot forma de-a lungul planurilor formate de laturile structurilor.

O structură similară prezintă o scădere anormală a conductibilității termice odată cu creșterea presiunii (precum și gheața cubică și amorfă de densitate scăzută), dar diferă de majoritatea cristalelor. Acest lucru se datorează unei modificări a legăturii de hidrogen, care reduce viteza transversală a sunetului în rețeaua cristalină de gheață și apă.

Există metode care descriu cum se prepară mostre mari de cristale și orice suprafață de gheață dorită. Se presupune că legătura de hidrogen de pe suprafața corpului hexagonal studiat va fi mai ordonată decât în interiorul sistemului vrac. Spectroscopia variațională cu generare de frecvență fază-rețea a arătat că există o asimetrie structurală între cele două straturi superioare (L1 și L2) în lanțul HO de sub suprafață a suprafeței bazale a gheții hexagonale. Legăturile de hidrogen adoptate în straturile superioare ale hexagoanelor (L1 O ··· HO L2) sunt mai puternice decât cele acceptate în al doilea strat la acumularea superioară (L1 OH ··· O L2). Sunt disponibile structuri interactive de gheață hexagonală.

Caracteristici de dezvoltare

Numărul minim de molecule de apă necesare pentru nuclearea gheții este de aproximativ 275 ± 25, ca și pentru un cluster icosaedric complet de 280. Formarea are loc la un factor de 10 10 la interfața aer-apă, nu în apă în vrac. Creșterea cristalelor de gheață depinde de ratele de creștere diferite ale diferitelor energii. Apa trebuie protejată de îngheț atunci când se crioconserva specimenele biologice, alimentele și organele.

Acest lucru se realizează de obicei prin viteze rapide de răcire, utilizarea de mostre mici și a unui crioconservator și presiune crescută pentru a nuclea gheața și a preveni deteriorarea celulelor. Energia liberă a gheții/lichidului crește de la ~30 mJ/m2 la presiunea atmosferică la 40 mJ/m -2 la 200 MPa, indicând motivul pentru care apare acest efect.

Alternativ, ele pot crește mai repede de pe suprafețele prismelor (S2), pe suprafața perturbată aleatoriu a lacurilor înghețate rapid sau agitate. Creșterea de la fețele (1 1 -2 0) este cel puțin aceeași, dar le transformă în baze prisme. Datele despre dezvoltarea cristalului de gheață au fost investigate pe deplin. Ratele relative de creștere ale elementelor diferitelor fețe depind de capacitatea de a forma un grad mare de hidratare a articulațiilor. Temperatura (scăzută) a apei din jur determină gradul de ramificare în cristalul de gheață. Creșterea particulelor este limitată de viteza de difuzie la un grad scăzut de suprarăcire, adică.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Dar limitat de cinetica de dezvoltare la niveluri mai ridicate de depresie > 4°C, rezultând o creștere asemănătoare unui ac. Această formă este similară cu gheața uscată (are o rețea cristalină cu o structură hexagonală), diferite caracteristici de dezvoltare a suprafeței și temperatura apei din jur (suprarăcită) care se află în spatele formelor plate de fulgi de zăpadă.

Formarea gheții în atmosferă influențează profund formarea și proprietățile norilor. Feldspații, găsiți în praful deșertului care intră în atmosferă în milioane de tone pe an, sunt formatori importanți. Modelarea computerizată a arătat că acest lucru se datorează nucleării planurilor prismatice de cristale de gheață pe planuri de suprafață de înaltă energie.

Alte elemente și zăbrele

Solutele (cu excepția heliului și hidrogenului foarte mici, care pot intra în interstiții) nu pot fi încorporate în structura Ih la presiunea atmosferică, ci sunt deplasate la suprafață sau la stratul amorf între particulele corpului microcristalin. Există și alte elemente în rețelele de gheață carbonică: ionii haotropi precum NH 4 + și Cl - , care sunt incluși în înghețarea mai ușoară a lichidului decât alți cosmotropi, cum ar fi Na + și SO 4 2- , deci îndepărtarea lor este imposibilă, datorită faptului că formează o peliculă subțire din lichidul rămas între cristale. Acest lucru poate duce la încărcarea electrică a suprafeței din cauza disocierii apei de suprafață echilibrând sarcinile rămase (care poate duce și la radiații magnetice) și o modificare a pH-ului peliculelor lichide reziduale, de exemplu, NH 4 2 SO 4 devine mai acid. iar NaCl devine mai bazic.

Ele sunt perpendiculare pe fețele rețelei de cristal de gheață, arătând următorul strat atașat (cu atomi O-negri). Ele sunt caracterizate printr-o suprafață bazală cu creștere lentă (0 0 0 1), unde sunt atașate doar molecule izolate de apă. O suprafață cu creștere rapidă (1 0 -1 0) a unei prisme în care perechile de particule nou atașate se pot lega între ele cu hidrogen (o legătură de hidrogen/două molecule ale unui element). Fața cu cea mai rapidă creștere (1 1 -2 0) (prismatică secundară), unde lanțurile de particule nou atașate pot interacționa între ele prin legături de hidrogen. Una dintre moleculele sale de lanț/element este o formă care formează creste care împart și încurajează transformarea în două părți ale prismei.

Entropia punctului zero

k Bˣ Ln ( N

Oamenii de știință și lucrările lor în acest domeniu

Poate fi definit ca S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), unde k B este constanta Boltzmann, N E este numărul de configurații la energia E și E0 este cea mai mică energie. Această valoare pentru entropia gheții hexagonale la zero kelvin nu încalcă a treia lege a termodinamicii „Entropia unui cristal ideal la zero absolut este exact zero”, deoarece aceste elemente și particule nu sunt ideale, au legături de hidrogen dezordonate.

În acest corp, legătura de hidrogen este aleatorie și se schimbă rapid. Aceste structuri nu sunt exact egale ca energie, dar se extind la un număr foarte mare de stări apropiate energetic, se supun „regulilor gheții”. Entropia punctului zero este tulburarea care ar rămâne chiar dacă materialul ar putea fi răcit la zero absolut (0 K = -273,15 °C). Generează confuzie experimentală pentru gheața hexagonală 3,41 (± 0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoretic, ar fi posibil să se calculeze entropia zero a cristalelor de gheață cunoscute cu o acuratețe mult mai mare (neglijând defectele și răspândirea nivelului de energie) decât să o determine experimental.

Deși ordinea protonilor din gheața în vrac nu este ordonată, suprafața preferă probabil ordinea acestor particule sub formă de benzi de atomi de H suspendați și perechi O-single (entropie zero cu legături de hidrogen ordonate). Se găsește dezordinea punctului zero ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 și altele. Din toate cele de mai sus, este clar și de înțeles ce tipuri de rețele cristaline sunt caracteristice gheții.

Dacă există molecule nepolare ale unei substanțe la nodurile rețelei cristaline (cum ar fi iod eu 2, oxigen Cam 2 sau azot N 2), atunci nu experimentează nicio „simpatie” electrică unul pentru celălalt. Cu alte cuvinte, moleculele lor nu ar trebui să fie atrase de forțele electrostatice. Și totuși ceva îi ține împreună. Ce anume?

Se dovedește că în stare solidă, aceste molecule se apropie atât de aproape una de cealaltă, încât reacțiile instantanee (deși foarte slabe) încep în norii lor de electroni. părtinire- condensarea si rarefierea norilor de electroni. În loc de particule nepolare, apar „dipoli instantanei”, care pot fi deja atrași unul de celălalt electrostatic. Cu toate acestea, această atracție este foarte slabă. Prin urmare, rețelele cristaline ale substanțelor nepolare sunt fragile și există doar la temperaturi foarte scăzute, în frig „cosmic”.

Astronomii au descoperit într-adevăr corpuri cerești - comete, asteroizi, chiar și planete întregi, constând din înghețate. azot, oxigenși alte substanțe care, în condiții terestre obișnuite, există sub formă de gaze și devin solide în spațiul interplanetar.

	Multe substanțe simple și complexe cu molecular rețeaua cristalină este bine cunoscută de toată lumea. Acesta este, de exemplu, un cristalin iod eu 2:
Așa este construită rețeaua cristalină iod: este format din molecule de iod (fiecare dintre ele contine doi atomi de iod).
	Și aceste molecule sunt destul de lejer legate între ele. De aceea, iodul cristalin este atât de volatil și chiar și cu cea mai mică încălzire se evaporă, transformându-se în iod gazos - un frumos vapor violet.

Care substante comune rețea cristalină moleculară?

Apa cristalină (gheață) este formată din molecule polare apă H2O.
Cristalele de „gheață carbonică” folosite pentru răcirea înghețatei sunt, de asemenea, cristale moleculare. dioxid de carbon CO2.
Un alt exemplu este zahărul, care formează cristale din molecule zaharoza.

Când există molecule ale unei substanțe la nodurile rețelei cristaline, legăturile dintre ele nu sunt foarte puternice, chiar dacă aceste molecule sunt polare.
Prin urmare, pentru a topi astfel de cristale sau pentru a evapora substanțe cu o structură de cristal molecular, nu este necesar să le încălziți la o căldură roșie.
Deja la 0 °C, structura cristalină gheaţă se strică și devine apă. Iar „gheața carbonică” nu se topește la presiune normală, ci se transformă imediat în gaz dioxid de carbon- exaltat.

Un alt lucru este substanțele cu atomic o rețea cristalină, în care fiecare atom este conectat cu vecinii săi prin legături covalente foarte puternice, iar întregul cristal ca întreg, dacă se dorește, poate fi considerat o moleculă uriașă.

De exemplu, luați în considerare cristal de diamant, care este alcătuită din atomi carbon.

	Atom carbon DIN, care conține două nepereche R -electronul se transformă într-un atom carbon DIN, unde toți cei patru electroni ai nivelului de valență exterior sunt localizați pe orbite unul câte unul și capabile să formeze legături chimice. Chimiștii numesc un astfel de atom " excitat*".
În acest caz, există până la patru legături chimice și toate foarte rezistent. nu fara motiv diamant - cea mai dură substanțăîn natură și din timpuri imemoriale este considerat regele tuturor pietrelor prețioase și prețioase. Și chiar numele său înseamnă în greacă „indestructibil”.
	Din cristale fațetate diamant se obțin diamante, care împodobesc bijuterii scumpe

Cele mai frumoase diamante găsite de oameni au propria lor istorie, uneori tragică. Citiți >>>

Dar diamant merge nu numai pe decorațiuni. Cristalele sale sunt folosite la unelte pentru prelucrarea celor mai dure materiale, găurirea în roci, tăierea și tăierea sticlei și cristalului.

Rețea cristalină de diamant (stânga) și grafit (dreapta)

Grafit aceeași compoziție carbon, dar structura sa rețelei cristaline nu este aceeași cu cea a diamantului. ÎN grafit atomii de carbon sunt aranjați în straturi, în cadrul cărora legătura atomilor de carbon este asemănătoare unui fagure. Aceste straturi sunt mult mai slab legate decât atomii de carbon din fiecare strat. De aceea grafit ușor stratificat în scale și pot scrie. Este folosit pentru fabricarea creioanelor, precum și un lubrifiant uscat potrivit pentru piesele de mașini care funcționează la temperaturi ridicate. In afara de asta, grafit conduce bine electricitatea, iar electrozii sunt fabricați din ea.

Poate un ieftin grafit se transformă în prețios diamant? Este posibil, dar acest lucru va necesita presiune de neconceput de mare (câteva mii de atmosfere) și temperatură ridicată (o mie și jumătate de grade).
Mult mai ușor de încurcat diamant: trebuie doar să-l încălziți fără acces la aer la 1500 ° C, iar structura de cristal diamant se transformă într-o structură mai puţin ordonată grafit.

Structura cristalină a gheții: moleculele de apă sunt conectate în hexagoane obișnuite Rețea cristalină de gheață: Moleculele de apă H 2 O (bile negre) în nodurile sale sunt aranjate astfel încât fiecare să aibă patru vecini. Molecula de apă (centrul) este legată de hidrogen de cele mai apropiate patru molecule învecinate. Gheața este o modificare cristalină a apei. Conform celor mai recente date, gheața are 14 modificări structurale. Printre ele există atât modificări cristaline (sunt majoritatea) cât și amorfe, dar toate diferă unele de altele prin aranjarea reciprocă a moleculelor de apă și proprietăți. Adevărat, totul, cu excepția gheții obișnuite care cristalizează în singonia hexagonală, se formează în condiții exotice la temperaturi foarte scăzute și presiuni mari, când unghiurile legăturilor de hidrogen din molecula de apă se schimbă și se formează alte sisteme decât hexagonale. Astfel de condiții amintesc de condițiile cosmice și nu se găsesc pe Pământ. De exemplu, la temperaturi sub -110 °C, vaporii de apă precipită pe o placă metalică sub formă de octaedre și cuburi de câțiva nanometri, aceasta este așa-numita gheață cubică. Dacă temperatura este puțin peste –110 °C, iar concentrația de vapori este foarte scăzută, pe placă se formează un strat de gheață amorfă excepțional de densă. Cea mai neobișnuită proprietate a gheții este varietatea uimitoare de manifestări externe. Cu aceeași structură cristalină, poate arăta complet diferit, luând forma unor pietre de grindină și țurțuri transparente, fulgi de zăpadă pufoși, o crustă densă și strălucitoare de gheață sau mase glaciare gigantice.

Un fulg de zăpadă este un singur cristal de gheață - un fel de cristal hexagonal, dar crescut rapid, în condiții de neechilibru. Oamenii de știință se luptă cu secretul frumuseții și al varietății lor nesfârșite de secole. Viața unui fulg de zăpadă începe cu formarea de nuclee de gheață cristalină într-un nor de vapori de apă pe măsură ce temperatura scade. Centrul de cristalizare poate fi particule de praf, orice particule solide sau chiar ioni, dar, în orice caz, aceste bancuri de gheață mai mici de o zecime de milimetru au deja o rețea cristalină hexagonală Vaporii de apă, condensându-se pe suprafața acestor nuclee, mai întâi. formează o prismă minusculă hexagonală, din cele șase colțuri ale căreia începem să crească acele procese laterale identice de gheață, deoarece temperatura și umiditatea din jurul embrionului sunt de asemenea aceleași. Pe ele, la rândul lor, cresc, ca pe un copac, ramuri laterale ale ramurii. Astfel de cristale se numesc dendrite, adică asemănătoare cu un copac. Mișcându-se în sus și în jos în nor, fulgul de zăpadă intră în condiții cu diferite temperaturi și concentrații de vapori de apă. Forma sa se schimbă, până la ultima respectând legile simetriei hexagonale. Deci fulgii de zăpadă devin diferiți. Până acum, printre fulgi de nea nu s-au putut găsi doi fulgi de nea identici.

Culoarea gheții depinde de vârsta acesteia și poate fi folosită pentru a-i evalua rezistența. Gheața oceanică este albă în primul an de viață deoarece este saturată cu bule de aer, de pe pereții cărora lumina se reflectă imediat, înainte de a fi absorbită. Vara, suprafața gheții se topește, își pierde rezistența, iar sub greutatea noilor straturi aflate deasupra, bulele de aer se micșorează și dispar complet. Lumina din interiorul gheții parcurge o distanță mai mare decât înainte și apare ca o nuanță verde-albăstruie. Gheața albastră este mai veche, mai densă și mai puternică decât gheața albă „spumoasă” saturată cu aer. Exploratorii polari știu acest lucru și aleg bancuri de gheață albastre și verzi de încredere pentru bazele lor plutitoare, stațiile științifice și aerodromurile de gheață. Există aisberguri negre. Primul raport de presă despre ei a apărut în 1773. Culoarea neagră a aisbergurilor este cauzată de activitatea vulcanilor - gheața este acoperită cu un strat gros de praf vulcanic, care nu este spălat nici măcar de apa mării. Gheața nu este la fel de rece. Există gheață foarte rece, cu o temperatură de aproximativ minus 60 de grade, aceasta este gheața unor ghețari antarctici. Gheața ghețarilor din Groenlanda este mult mai caldă. Temperatura sa este de aproximativ minus 28 de grade. Destul de „gheață caldă” (cu o temperatură de aproximativ 0 grade) se întinde pe vârfurile Alpilor și ale munților scandinavi.

Densitatea apei este maxima la +4 C si este egala cu 1 g/ml, scade odata cu scaderea temperaturii. Când apa se cristalizează, densitatea scade brusc, pentru gheață este egală cu 0,91 g/cm 3. Din acest motiv, gheața este mai ușoară decât apa și când corpurile de apă îngheață, deasupra se acumulează gheață, iar apă mai densă cu o temperatură de 4 ̊ C apare la fundul corpurilor de apă.Conductivitatea termică slabă a gheții și Stratul de zăpadă care o acoperă protejează corpurile de apă de îngheț până la fund și creează astfel condiții pentru viața locuitorilor corpurilor de apă în timpul iernii.

Ghețarii, calotele de gheață, permafrostul, stratul sezonier de zăpadă afectează semnificativ clima regiunilor mari și a planetei în ansamblu: chiar și cei care nu au văzut niciodată zăpadă simt respirația maselor ei acumulate la polii Pământului, de exemplu, sub formă de fluctuații de nivel pe termen lung Oceanul Mondial. Gheața este atât de importantă pentru aspectul planetei noastre și pentru locuirea confortabilă a ființelor vii pe ea, încât oamenii de știință i-au atribuit un mediu special - criosfera, care își extinde posesiunile sus în atmosferă și adânc în scoarța terestră. Gheața naturală este de obicei mult mai curată decât apa deoarece solubilitatea substanţelor (cu excepţia NH4F) în gheaţă este extrem de scăzută. Rezervele totale de gheață de pe Pământ sunt de aproximativ 30 de milioane de km 3. Cea mai mare parte a gheții este concentrată în Antarctica, unde grosimea stratului său ajunge la 4 km.