Typer av kristallgitter. Kristallgitter Vid noderna av kristallgittret av torris finns

Kemi är en fantastisk vetenskap. Så mycket otroligt kan hittas i till synes vanliga saker.

Allt material som omger oss överallt finns i flera aggregationstillstånd: gaser, vätskor och fasta ämnen. Forskare har också isolerat den fjärde - plasma. Vid en viss temperatur kan ett ämne ändras från ett tillstånd till ett annat. Till exempel vatten: när det värms över 100, från en flytande form, förvandlas det till ånga. Vid temperaturer under 0 passerar den in i nästa aggregatstruktur - is.

I kontakt med

Hela den materiella världen har i sin sammansättning en massa av identiska partiklar som är sammankopplade. Dessa minsta element är strikt arrangerade i rymden och bildar den så kallade rumsliga ramen.

Definition

Ett kristallgitter är en speciell struktur av ett fast ämne, där partiklarna är i en geometriskt strikt ordning i rymden. Det är möjligt att upptäcka noder i den - platser där element finns: atomer, joner och molekyler och internodalt utrymme.

Fasta ämnen, beroende på intervallet för höga och låga temperaturer, är kristallina eller amorfa - de kännetecknas av frånvaron av en specifik smältpunkt. När de utsätts för förhöjda temperaturer mjuknar de och förvandlas gradvis till flytande form. Sådana ämnen inkluderar: harts, plasticine.

I detta avseende kan det delas in i flera typer:

atom;
jonisk;
molekyl;
metall.

Men vid olika temperaturer kan ett ämne ha olika former och uppvisa olika egenskaper. Detta fenomen kallas allotropisk modifiering.

Atomtyp

I denna typ är atomer av ett eller annat ämne lokaliserade vid noderna, som är förbundna med kovalenta bindningar. Denna typ av bindning bildas av ett par elektroner av två angränsande atomer. På grund av detta är de anslutna jämnt och i strikt ordning.

Ämnen med ett atomärt kristallgitter kännetecknas av följande egenskaper: styrka och hög smältpunkt. Denna typ av bindning finns i diamant, kisel och bor..

Jonisk typ

Motsatt laddade joner finns vid noderna som skapar ett elektromagnetiskt fält som kännetecknar ett ämnes fysikaliska egenskaper. Dessa kommer att omfatta: elektrisk ledningsförmåga, eldfasthet, densitet och hårdhet. Bordssalt och kaliumnitrat kännetecknas av närvaron av ett jonkristallgitter.

Missa inte: Utbildningsmekanism, fallstudier.

Molekylär typ

På platser av denna typ finns det joner bundna av van der Waals-krafter. På grund av svaga intermolekylära bindningar kännetecknas sådana ämnen, till exempel is, koldioxid och paraffin, av plasticitet, elektrisk och termisk ledningsförmåga.

metalltyp

Till sin struktur liknar den en molekylär, men den har fortfarande starkare bindningar. Skillnaden av denna typ är att positivt laddade katjoner finns vid dess noder. Elektronerna som finns i interstitialen rymden, delta i bildandet av ett elektriskt fält. De kallas även elgas.

Enkla metaller och legeringar kännetecknas av en metallisk gittertyp. De kännetecknas av närvaron av metallisk lyster, plasticitet, termisk och elektrisk ledningsförmåga. De kan smälta vid olika temperaturer.

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

anteckning Vikten av is för att upprätthålla liv på vår planet kan inte underskattas. Is har ett stort inflytande på växters och djurs levnadsvillkor och liv och på olika typer av mänsklig ekonomisk verksamhet. Genom att täcka vattnet, spelar isen, på grund av sin låga densitet, rollen som en flytande skärm i naturen, skyddar floder och reservoarer från ytterligare frysning och bevarar livet för undervattensinvånare. Användningen av is för olika ändamål (snöhållning, arrangemang av iskorsningar och isotermiska lager, isläggning av lagringsanläggningar och gruvor) är föremål för ett antal sektioner av hydrometeorologiska och tekniska vetenskaper, såsom isteknik, snöteknik, ingenjörsvetenskap permafrost, samt specialtjänsters verksamhet för isspaning, isbrytande transporter och snöplogar. Naturis används för att lagra och kyla livsmedelsprodukter, biologiska och medicinska preparat, för vilka den är speciellt framställd och skördad, och smältvatten framställt genom att smälta is används inom folkmedicinen för att öka ämnesomsättningen och ta bort gifter från kroppen. Artikeln introducerar läsaren för nya föga kända egenskaper och modifieringar av is.

Is är en kristallin form av vatten, som enligt de senaste uppgifterna har fjorton strukturella modifieringar. Bland dem finns både kristallina (naturlig is) och amorfa (kubisk is) och metastabila modifikationer som skiljer sig från varandra i det inbördes arrangemanget och de fysikaliska egenskaperna hos vattenmolekyler sammanlänkade av vätebindningar som bildar isens kristallgitter. Alla av dem, förutom den välbekanta naturisen I h, som kristalliseras i ett hexagonalt gitter, bildas under exotiska förhållanden - vid mycket låga temperaturer av torris och flytande kväve och höga tryck i tusentals atmosfärer, när vinklarna på väte binder i en vattenmolekyl förändras och kristallina system bildas som skiljer sig från hexagonala. Sådana förhållanden påminner om kosmiska förhållanden och finns inte på jorden.

I naturen representeras is huvudsakligen av en kristallin sort, som kristalliseras i ett hexagonalt gitter som liknar en diamantstruktur, där varje vattenmolekyl är omgiven av fyra molekyler närmast den, belägna på samma avstånd från den, lika med 2,76 ångström och belägen vid hörn av en vanlig tetraeder. På grund av det låga koordinationstalet är isens struktur ett nätverk, vilket påverkar dess låga densitet, som är 0,931 g/cm 3 .

Den mest ovanliga egenskapen hos is är den fantastiska variationen av yttre manifestationer. Med samma kristallstruktur kan den se helt annorlunda ut, i form av genomskinliga hagelstenar och istappar, fluffiga snöflingor, en tät glänsande isskorpa eller gigantiska glaciärmassor. Is förekommer i naturen i form av kontinental, flytande och underjordisk is, samt i form av snö och rimfrost. Det är utbrett i alla områden av mänskligt boende. Snö och is samlas i stora mängder och bildar speciella strukturer med fundamentalt andra egenskaper än enskilda kristaller eller snöflingor. Naturlig is bildas huvudsakligen av is av sedimentärt-metamorft ursprung, bildad från fast atmosfärisk nederbörd som ett resultat av efterföljande kompaktering och omkristallisation. Ett karakteristiskt drag hos naturlig is är granularitet och bandning. Granularitet beror på omkristallisationsprocesser; varje iskorn är en oregelbundet formad kristall som ligger tätt intill andra kristaller i ismassan på ett sådant sätt att en kristalls utsprång passar tätt in i en annans fördjupningar. Sådan is kallas polykristallin. I den är varje iskristall ett lager av de tunnaste bladen som överlappar varandra i basplanet vinkelrätt mot riktningen för kristallens optiska axel.

De totala isreserverna på jorden uppskattas till cirka 30 miljoner ton. km 3(Bord 1). Det mesta av isen är koncentrerad till Antarktis, där tjockleken på dess lager når 4 km. Det finns också bevis på närvaron av is på solsystemets planeter och i kometer. Is är så viktig för klimatet på vår planet och bosättningen av levande varelser på den att forskare har utsett en speciell miljö för is - kryosfären, vars gränser sträcker sig högt upp i atmosfären och djupt in i jordskorpan.

Flik. ett. Isens kvantitet, distribution och livslängd.

Typ av is; Vikt; Distributionsområde; Medelkoncentration, g/cm2; Viktökningstakt, g/år; Genomsnittlig livslängd, år
G; %; miljoner km2; %
Glaciärer; 2,4 1022; 98,95; 16,1; 10,9 sushi; 1,48 105; 2,5 1018; 9580
underjordisk is; 2 1020; 0,83; 21; 14.1 sushi; 9,52 103; 6 1018; 30-75
havsis; 3,5 1019; 0,14; 26; 7,2 hav; 1,34 102; 3,3 1019; 1,05
snötäcke; 1,0 1019; 0,04; 72,4; 14.2 Jordar; 14,5; 2 1019; 0,3-0,5
isberg; 7,6 1018; 0,03; 63,5; 18,7 hav; 14,3; 1,9 1018; 4.07
atmosfärisk is; 1,7 1018; 0,01; 510,1; 100 Jorden; 3,3 10-1; 3,9 1020; 4 10-3

Iskristaller är unika i sin form och proportioner. Varje växande naturlig kristall, inklusive en iskristall av is, strävar alltid efter att skapa ett idealiskt regelbundet kristallgitter, eftersom detta är fördelaktigt ur synvinkeln av ett minimum av dess inre energi. Eventuella föroreningar, som är känt, förvränger formen på kristallen, därför byggs vattenmolekyler först och främst in i gittret under kristalliseringen av vatten, och främmande atomer och molekyler av föroreningar förskjuts in i vätskan. Och först när föroreningarna inte har någonstans att ta vägen, börjar iskristallen bygga in dem i sin struktur eller lämnar dem i form av ihåliga kapslar med en koncentrerad icke-frysande vätska - saltlake. Därför är havsisen färsk och även de smutsigaste vattendragen är täckta med genomskinlig och ren is. När is smälter tränger den undan föroreningar i saltlaken. På planetarisk skala spelar fenomenet frysning och upptining av vatten, tillsammans med avdunstning och kondensering av vatten, rollen som en gigantisk reningsprocess där vattnet på jorden ständigt renar sig.

Flik. 2. Några fysiska egenskaper hos is I.

Fast egendom

Menande

Notera

Värmekapacitet, kal/(g °C) Smältvärme, kal/g Förångningsvärme, kal/g

0,51 (0°C) 79,69 677

Minskar kraftigt med sjunkande temperatur

Termisk expansionskoefficient, 1/°C

9,1 10-5 (0°C)

Polykristallin is

Värmeledningsförmåga, kal/(cm sek °C)

4,99 10 -3

Polykristallin is

Brytningsindex:

1,309 (-3°C)

Polykristallin is

Specifik elektrisk konduktivitet, ohm-1 cm-1

10-9 (0°C)

Skenbar aktiveringsenergi 11 kcal/mol

Ytans elektriska ledningsförmåga, ohm-1

10-10 (-11°C)

Skenbar aktiveringsenergi 32 kcal/mol

Youngs elasticitetsmodul, dyn/cm2

9 1010 (-5 °C)

Polykristallin is

Motstånd, MN/m2: krossande rivskjuvning

2,5 1,11 0,57

polykristallin is polykristallin is polykristallin is

Dynamisk viskositet, balans

Polykristallin is

Aktiveringsenergi vid deformation och mekanisk avslappning, kcal/mol

Ökar linjärt med 0,0361 kcal/(mol °C) från 0 till 273,16 K

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

På grund av den breda utbredningen av is på jorden spelar skillnaden mellan isens fysiska egenskaper (tabell 2) från egenskaperna hos andra ämnen en viktig roll i många naturliga processer. Is har många andra livsuppehållande egenskaper och anomalier - anomalier i densitet, tryck, volym och värmeledningsförmåga. Om det inte fanns några vätebindningar som länkar vattenmolekyler till en kristall, skulle isen smälta vid -90 °C. Men detta händer inte på grund av närvaron av vätebindningar mellan vattenmolekyler. På grund av dess lägre densitet än vatten bildar is ett flytande täcke på vattenytan, vilket skyddar floder och reservoarer från frysning av botten, eftersom dess värmeledningsförmåga är mycket mindre än vattens. Samtidigt observeras den lägsta densiteten och volymen vid +3,98 °C (Fig. 1). Ytterligare kylning av vatten till 0 0 C leder gradvis inte till en minskning, utan till en ökning av dess volym med nästan 10 %, när vattnet förvandlas till is. Detta beteende hos vatten indikerar den samtidiga existensen av två jämviktsfaser i vatten - flytande och kvasikristallina, i analogi med kvasikristaller, vars kristallgitter inte bara har en periodisk struktur utan också har symmetriaxlar av olika ordning, den vars existens tidigare stred mot kristallografernas idéer. Denna teori, som först lades fram av den välkände inhemska teoretiska fysikern Ya. I. Frenkel, bygger på antagandet att några av vätskemolekylerna bildar en kvasikristallin struktur, medan resten av molekylerna är gasliknande, fritt. rör sig genom volymen. Fördelningen av molekyler i ett litet område av någon fast vattenmolekyl har en viss ordning, som påminner något om en kristallin, fastän mer lös. Av denna anledning kallas vattnets struktur ibland för kvasikristallin eller kristallliknande, d.v.s. har symmetri och närvaro av ordning i det inbördes arrangemanget av atomer eller molekyler.

Ris. ett. Beroendet av den specifika volymen is och vatten på temperaturen

En annan egenskap är att isens flödeshastighet är direkt proportionell mot aktiveringsenergin och omvänt proportionell mot den absoluta temperaturen, så att när temperaturen sjunker, närmar sig isen i sina egenskaper en absolut fast kropp. I genomsnitt, vid en temperatur nära smältning, är isens flytbarhet 10 6 gånger högre än för stenar. På grund av dess flytande ackumuleras inte is på ett ställe, utan rör sig hela tiden i form av glaciärer. Förhållandet mellan flödeshastighet och spänning i polykristallin is är hyperboliskt; med en ungefärlig beskrivning av det med en effektekvation, ökar exponenten när spänningen ökar.

Synligt ljus absorberas praktiskt taget inte av is, eftersom ljusstrålar passerar genom iskristallen, men det blockerar ultraviolett strålning och det mesta av den infraröda strålningen från solen. I dessa områden av spektrumet verkar isen absolut svart, eftersom absorptionskoefficienten för ljus i dessa områden av spektrumet är mycket hög. Till skillnad från iskristaller absorberas inte vitt ljus som faller på snö, utan bryts många gånger i iskristaller och reflekteras från deras ansikten. Det är därför snön ser vit ut.

På grund av den mycket höga reflektionsförmågan hos is (0,45) och snö (upp till 0,95), är den yta som täcks av dem i genomsnitt cirka 72 miljoner hektar per år. km 2 på de höga och mellersta breddgraderna på båda hemisfärerna tar den emot solvärme 65 % mindre än normen och är en kraftfull källa för kylning av jordens yta, vilket till stor del bestämmer den moderna latitudinella klimatzonaliteten. På sommaren, i polarområdena, är solstrålningen större än i ekvatorialzonen, men temperaturen förblir fortfarande låg, eftersom en betydande del av den absorberade värmen spenderas på smältande is, som har en mycket hög smältvärme.

Andra ovanliga egenskaper hos is inkluderar genereringen av elektromagnetisk strålning genom dess växande kristaller. Det är känt att de flesta av de föroreningar som är lösta i vatten inte överförs till isen när den börjar växa; de fryser. Därför är isfilmen ren och genomskinlig även på den smutsigaste pölen. I det här fallet ackumuleras föroreningar vid gränsen mellan fasta och flytande medier, i form av två lager av elektriska laddningar av olika tecken, vilket orsakar en betydande potentialskillnad. Det laddade lagret av föroreningar rör sig längs med den nedre gränsen av den unga isen och avger elektromagnetiska vågor. Tack vare detta kan kristalliseringsprocessen observeras i detalj. Således strålar en kristall som växer i längd i form av en nål annorlunda än en täckt med laterala processer, och strålningen från växande korn skiljer sig från den som uppstår när kristaller spricker. Utifrån strålningspulsernas form, sekvens, frekvens och amplitud är det möjligt att bestämma med vilken hastighet isen fryser och vilken typ av isstruktur som bildas i detta fall.

Men det mest överraskande med isens struktur är att vattenmolekyler vid låga temperaturer och höga tryck inuti kolnanorör kan kristallisera i form av en dubbelspiral, som påminner om DNA-molekyler. Detta har bevisats av nya datorexperiment av amerikanska forskare under ledning av Xiao Cheng Zeng från University of Nebraska (USA). För att vatten skulle bilda en spiral i ett simulerat experiment placerades det i nanorör med en diameter på 1,35 till 1,90 nm under högt tryck, varierande från 10 till 40 000 atmosfärer, och en temperatur på –23 °C sattes in. Man förväntade sig att vattnet i alla fall bildar en tunn rörformig struktur. Modellen visade dock att vid en nanorörsdiameter på 1,35 nm och ett yttre tryck på 40 000 atmosfärer böjdes vätebindningarna i isstrukturen, vilket ledde till bildandet av en dubbelväggig helix - intern och extern. Under dessa förhållanden visade sig den inre väggen vara vriden till en fyrdubbel helix, och den yttre väggen bestod av fyra dubbla helixar, liknande en DNA-molekyl (Fig. 2). Detta faktum kan fungera som en bekräftelse på sambandet mellan strukturen hos den vitala DNA-molekylen och själva vattnets struktur och att vattnet fungerade som en matris för syntesen av DNA-molekyler.

Ris. 2. Datormodell av strukturen av fruset vatten i nanorör, som liknar en DNA-molekyl (Foto från New Scientist, 2006)

En annan av de viktigaste egenskaperna hos vatten som nyligen upptäckts är att vatten har förmågan att komma ihåg information om tidigare exponeringar. Detta bevisades först av den japanska forskaren Masaru Emoto och vår landsman Stanislav Zenin, som var en av de första som föreslog en klusterteori om vattnets struktur, bestående av cykliska associerade till en bulk polyedrisk struktur - kluster med den allmänna formeln (H) 2 O) n, där n, enligt senaste data, kan nå hundratals och till och med tusen enheter. Det är på grund av förekomsten av kluster i vatten som vatten har informationsegenskaper. Forskarna fotograferade processen att frysa vatten till ismikrokristaller och verka på det med olika elektromagnetiska och akustiska fält, melodier, bön, ord eller tankar. Det visade sig att under påverkan av positiv information i form av vackra melodier och ord frös isen till symmetriska hexagonala kristaller. Där icke-rytmisk musik lät, arga och kränkande ord, frös vatten tvärtom till kaotiska och formlösa kristaller. Detta är ett bevis på att vatten har en speciell struktur som är känslig för yttre informationspåverkan. Förmodligen har den mänskliga hjärnan, som består av 85-90% vatten, en starkt strukturerande effekt på vatten.

Emotokristaller väcker både intresse och otillräckligt underbyggd kritik. Om du tittar noga på dem kan du se att deras struktur består av sex toppar. Men ännu mer noggrann analys visar att snöflingor på vintern har samma struktur, alltid symmetriska och med sex toppar. I vilken utsträckning innehåller kristalliserade strukturer information om miljön där de skapades? Strukturen av snöflingor kan vara vacker eller formlös. Detta indikerar att kontrollprovet (moln i atmosfären) där de förekommer har samma effekt på dem som de initiala förhållandena. De initiala förhållandena är solaktivitet, temperatur, geofysiska fält, luftfuktighet etc. Allt detta innebär att från den sk. genomsnittlig ensemble, kan vi dra slutsatsen att strukturen av vattendroppar, och sedan snöflingor, är ungefär densamma. Deras massa är nästan densamma och de rör sig genom atmosfären med samma hastighet. I atmosfären fortsätter de att forma sina strukturer och öka i volym. Även om de bildades i olika delar av molnet finns det alltid ett visst antal snöflingor i samma grupp som uppstått under nästan samma förhållanden. Och svaret på frågan om vad som utgör positiv och negativ information om snöflingor finns i Emoto. Under laboratorieförhållanden bildar negativ information (jordbävning, ljudvibrationer ogynnsamma för människor etc.) inga kristaller, utan positiv information, tvärtom. Det är mycket intressant i vilken utsträckning en faktor kan bilda samma eller liknande strukturer av snöflingor. Den högsta densiteten av vatten observeras vid en temperatur på 4 °C. Det är vetenskapligt bevisat att vattnets densitet minskar när sexkantiga iskristaller börjar bildas när temperaturen sjunker under noll. Detta är resultatet av inverkan av vätebindningar mellan vattenmolekyler.

Vad är anledningen till denna strukturering? Kristaller är fasta ämnen, och deras ingående atomer, molekyler eller joner är ordnade i en regelbunden, upprepande struktur, i tre rumsliga dimensioner. Vattenkristallernas struktur är något annorlunda. Enligt Isaac är endast 10 % av vätebindningarna i is kovalenta, d.v.s. med ganska stabil information. Vätebindningar mellan syre i en vattenmolekyl och väte i en annan är mest känsliga för yttre påverkan. Spektrum av vatten under bildandet av kristaller är relativt olika i tid. Enligt effekten av diskret avdunstning av en vattendroppe bevisad av Antonov och Yuskeseliyev och dess beroende av energitillstånden för vätebindningar, kan vi leta efter ett svar om strukturen av kristaller. Varje del av spektrumet beror på vattendropparnas ytspänning. Det finns sex toppar i spektrumet, vilket indikerar snöflingans förgreningar.

Uppenbarligen, i Emotos experiment, har det initiala "kontrollprovet" en effekt på utseendet på kristallerna. Detta innebär att efter exponering för en viss faktor kan bildandet av sådana kristaller förväntas. Det är nästan omöjligt att få identiska kristaller. När man testar effekten av ordet "kärlek" på vatten, indikerar Emoto inte tydligt om detta experiment utfördes med olika prover.

Dubbelblinda experiment behövs för att testa om Emoto-tekniken skiljer sig tillräckligt. Isaacs bevis på att 10 % av vattenmolekylerna bildar kovalenta bindningar efter frysning visar oss att vatten använder denna information när det fryser. Emotos prestation, även utan dubbelblinda experiment, är fortfarande ganska viktig i förhållande till vattnets informationsegenskaper.

Naturlig snöflinga, Wilson Bentley, 1925

Emoto snöflinga erhållen från naturligt vatten

En snöflinga är naturlig, och den andra är skapad av Emoto, vilket indikerar att mångfalden i vattenspektrat inte är obegränsad.

Jordbävning, Sofia, 4,0 Richterskalan, 15 november 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. Antonovs enhet©

Denna siffra anger skillnaden mellan kontrollprovet och de som tagits på andra dagar. Vattenmolekyler bryter de mest energiska vätebindningarna i vatten, samt två toppar i spektrumet under ett naturfenomen. Studien utfördes med hjälp av Antonov-anordningen. Det biofysiska resultatet visar en minskning av kroppens vitalitet under en jordbävning. Under en jordbävning kan vatten inte ändra sin struktur i snöflingorna i Emotos labb. Det finns bevis på en förändring i vattnets elektriska ledningsförmåga under en jordbävning.

1963 märkte den tanzaniske skolpojken Erasto Mpemba att varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten. Detta fenomen kallas Mpemba-effekten. Även om vattnets unika egenskap uppmärksammades mycket tidigare av Aristoteles, Francis Bacon och Rene Descartes. Fenomenet har bevisats många gånger om genom ett antal oberoende experiment. Vatten har en annan märklig egenskap. Enligt min åsikt är förklaringen till detta följande: det differentiella icke-jämviktsenergispektrumet (DNES) för kokt vatten har en lägre medelenergi av vätebindningar mellan vattenmolekyler än ett prov taget vid rumstemperatur. Detta innebär att kokt vatten behöver mindre energi i för att börja strukturera kristaller och frysa.

Nyckeln till isens struktur och dess egenskaper ligger i dess kristallstruktur. Kristaller av alla modifieringar av is är byggda av vattenmolekyler H 2 O, sammankopplade med vätebindningar till tredimensionella nätramar med ett visst arrangemang av vätebindningar. Vattenmolekylen kan helt enkelt föreställas som en tetraeder (pyramid med en triangulär bas). I dess centrum finns en syreatom, som är i ett tillstånd av sp 3-hybridisering, och i två hörn finns det en väteatom, vars en av elektronerna 1s är involverad i bildandet av en kovalent H-O-bindning med syre. De två återstående hörnen upptas av par av oparade syreelektroner som inte deltar i bildandet av intramolekylära bindningar, därför kallas de ensamma. Den rumsliga formen av H 2 O-molekylen förklaras av den ömsesidiga repulsionen av väteatomer och ensamma elektronpar i den centrala syreatomen.

Vätebindningen är viktig i kemin av intermolekylära interaktioner och drivs av svaga elektrostatiska krafter och donator-acceptor-interaktioner. Det uppstår när den elektronbristiga väteatomen i en vattenmolekyl interagerar med det ensamma elektronparet i syreatomen i den närliggande vattenmolekylen (О-Н…О). En utmärkande egenskap hos vätebindningen är den relativt låga styrkan; den är 5-10 gånger svagare än en kemisk kovalent bindning. När det gäller energi upptar en vätebindning en mellanposition mellan en kemisk bindning och van der Waals-interaktioner som håller molekyler i en fast eller flytande fas. Varje vattenmolekyl i en iskristall kan samtidigt bilda fyra vätebindningar med andra närliggande molekyler vid strikt definierade vinklar lika med 109 ° 47 "riktade mot tetraederns hörn, vilket inte tillåter bildandet av en tät struktur när vatten fryser (Fig. . 3) I isstrukturerna I, Ic, VII och VIII är denna tetraeder regelbunden. I strukturerna av is II, III, V och VI är tetraedrarna märkbart förvrängda. I strukturerna av is VI, VII och VIII, två ömsesidigt korsande system av vätebindningar kan särskiljas. Detta osynliga ramverk av vätebindningar arrangerar vattenmolekyler i form av ett rutnät, strukturen liknar en sexkantig bikaka med ihåliga inre kanaler. Om isen värms upp förstörs rutnätsstrukturen: vatten molekyler börjar falla in i hålrummen i nätet, vilket leder till en tätare struktur av vätskan - detta förklarar varför vatten är tyngre än is.

Ris. 3. Bildandet av en vätebindning mellan fyra H 2 O-molekyler (röda bollar anger centrala syreatomer, vita bollar anger väteatomer)

Specificiteten för vätebindningar och intermolekylära interaktioner, karakteristiska för isens struktur, bevaras i smältvatten, eftersom endast 15% av alla vätebindningar förstörs under smältningen av en iskristall. Därför bryts inte bindningen som är inneboende i is mellan varje vattenmolekyl och dess fyra grannar ("short range order"), även om syreramverkets gitter är mer diffust. Vätebindningar kan också bibehållas när vatten kokar. Vätebindningar saknas endast i vattenånga.

Is, som bildas vid atmosfärstryck och smälter vid 0 ° C, är det mest välbekanta, men fortfarande inte helt förstådda ämnet. Mycket i sin struktur och egenskaper ser ovanligt ut. Vid noderna av iskristallgittret är syreatomerna i tetraedrarna av vattenmolekyler ordnade på ett ordnat sätt och bildar regelbundna hexagoner, som en hexagonal bikaka, och väteatomer upptar olika positioner på vätebindningarna som förbinder syreatomerna ( Fig. 4). Därför finns det sex ekvivalenta orienteringar av vattenmolekyler i förhållande till sina grannar. Vissa av dem är uteslutna, eftersom närvaron av två protoner på samma vätebindning samtidigt är osannolik, men det finns fortfarande en tillräcklig osäkerhet i orienteringen av vattenmolekyler. Detta beteende hos atomer är atypiskt, eftersom alla atomer i en fast materia lyder samma lag: antingen är de atomer ordnade på ett ordnat sätt, och sedan är det en kristall, eller slumpmässigt, och då är det en amorf substans. En sådan ovanlig struktur kan realiseras i de flesta modifieringar av is - Ih, III, V, VI och VII (och, uppenbarligen, i Ic) (tabell 3), och i strukturen av is II, VIII och IX, vatten molekyler är orienterande ordnade. Enligt J. Bernal är is kristallin i förhållande till syreatomer och glasartad i förhållande till väteatomer.

Ris. fyra. Struktur av is med naturlig hexagonal konfiguration I h

Under andra förhållanden, till exempel i rymden vid höga tryck och låga temperaturer, kristalliserar isen annorlunda och bildar andra kristallgitter och modifieringar (kubiska, trigonala, tetragonala, monokliniska, etc.), som var och en har sin egen struktur och kristallgitter ( Tabell 3). Isstrukturerna av olika modifieringar beräknades av ryska forskare, doktor i kemiska vetenskaper. G.G. Malenkov och Ph.D. E.A. Zheligovskaya från Institutet för fysikalisk kemi och elektrokemi. EN. Frumkin från Ryska vetenskapsakademin. Ismodifieringarna II, III och V förblir under lång tid vid atmosfärstryck om temperaturen inte överstiger -170 °C (Fig. 5). När den kyls till cirka -150 ° C förvandlas naturlig is till kubisk is Ic, bestående av kuber och oktaedrar som är några nanometer stora. Is I c uppstår ibland också när vatten fryser i kapillärer, vilket tydligen underlättas av vattnets växelverkan med väggmaterialet och upprepningen av dess struktur. Om temperaturen är något högre än -110 °C bildas kristaller av tätare och tyngre glasartad amorf is med en densitet av 0,93 g/cm3 på metallsubstratet. Båda dessa former av is kan spontant förvandlas till sexkantig is, och ju snabbare desto högre temperatur.

Flik. 3. Vissa modifieringar av is och deras fysiska parametrar.

Modifiering

Kristallstruktur

Vätebindningslängder, Å

H-O-H-vinklar i tetraedrar, 0

Hexagonal

kubisk

Trigonal

tetragonal

Monoklinisk

tetragonal

kubisk

tetragonal

Notera. 1 Å = 10 -10 m

Ris. 5. Tillståndsdiagram över kristallina isar av olika modifikationer.

Det finns också högtrycksisar - II och III av trigonala och tetragonala modifikationer, bildade av ihåliga tunnland bildade av hexagonala korrugerade element förskjutna i förhållande till varandra med en tredjedel (fig. 6 och fig. 7). Dessa isar stabiliseras i närvaro av ädelgaserna helium och argon. I strukturen av is V av den monokliniska modifieringen sträcker sig vinklarna mellan närliggande syreatomer från 860 till 132°, vilket är mycket annorlunda än bindningsvinkeln i vattenmolekylen, som är 105°47'. Ice VI av den tetragonala modifieringen består av två ramar införda i varandra, mellan vilka det inte finns några vätebindningar, som ett resultat av vilket ett kroppscentrerat kristallgitter bildas (fig. 8). Strukturen av is VI är baserad på hexamerer - block av sex vattenmolekyler. Deras konfiguration upprepar exakt strukturen för ett stabilt vattenkluster, vilket ges av beräkningarna. Isarna VII och VIII i den kubiska modifieringen, som är lågtemperaturordnade former av is VII, har en liknande struktur med ramar av is I införda i varandra. Med en efterföljande ökning av trycket kommer avståndet mellan syreatomerna i kristallgittret i isarna VII och VIII att minska, som ett resultat av isstrukturen X bildas, där syreatomerna är ordnade i ett regelbundet gitter, och protonerna är ordnade.

Ris. 7. Ice av III-konfiguration.

Is XI bildas genom djupkylning av is I h med tillsats av alkali under 72 K vid normalt tryck. Under dessa förhållanden bildas hydroxylkristalldefekter, vilket gör att den växande iskristallen kan ändra sin struktur. Ice XI har ett rombiskt kristallgitter med ett ordnat arrangemang av protoner och bildas samtidigt i många kristallisationscentra nära kristallens hydroxyldefekter.

Ris. åtta. Ice VI-konfiguration.

Bland isarna finns också metastabila former IV och XII, vilkas livstid är sekunder, som har den vackraste strukturen (fig. 9 och fig. 10). För att erhålla metastabil is är det nödvändigt att komprimera is I h till ett tryck av 1,8 GPa vid flytande kvävetemperatur. Dessa isar bildas mycket lättare och är särskilt stabila när underkylt tungt vatten utsätts för tryck. En annan metastabil modifiering, is IX, bildas vid underkylning av is III och är i huvudsak dess lågtemperaturform.

Ris. 9. Ice IV-konfiguration.

Ris. tio. Ice XII-konfiguration.

De två sista modifikationerna av is - med monoklinisk XIII och rombisk konfiguration XIV upptäcktes av forskare från Oxford (Storbritannien) ganska nyligen - 2006. Antagandet att iskristaller med monoklina och rombiska gitter skulle existera var svårt att bekräfta: viskositeten hos vatten vid en temperatur på -160 ° C är mycket hög, och det är svårt för molekyler av rent underkylt vatten att komma samman i en sådan mängd att en kristallkärna bildas. Detta uppnåddes med hjälp av en katalysator - saltsyra, som ökade rörligheten för vattenmolekyler vid låga temperaturer. På jorden kan sådana modifieringar av is inte bildas, men de kan existera i rymden på kylda planeter och frusna satelliter och kometer. Således tillåter beräkningen av densiteten och värmeflödena från ytan av satelliterna Jupiter och Saturnus oss att hävda att Ganymedes och Callisto borde ha ett isskal där isarna I, III, V och VI alternerar. På Titan bildar isen inte en skorpa, utan en mantel, vars inre skikt består av is VI, andra högtrycksisar och klatrathydrater och is I h ligger på toppen.

Ris. elva. Variation och form av snöflingor i naturen

Högt uppe i jordens atmosfär vid låga temperaturer kristalliserar vatten från tetraedrar och bildar sexkantig is I h . Centrum för bildandet av iskristaller är fasta dammpartiklar, som lyfts upp i den övre atmosfären av vinden. Nålar växer runt denna embryonala mikrokristall av is i sex symmetriska riktningar, bildade av individuella vattenmolekyler, på vilka laterala processer - dendriter växer. Temperaturen och luftfuktigheten i luften runt snöflingan är densamma, så till en början är den symmetrisk till formen. När snöflingor bildas sjunker de gradvis in i de lägre skikten av atmosfären, där temperaturen är högre. Här uppstår smältning och deras ideala geometriska form förvrängs och bildar en mängd olika snöflingor (fig. 11).

Med ytterligare smältning förstörs isens hexagonala struktur och en blandning av cykliska associationer av kluster bildas, såväl som från tri-, tetra-, penta-, hexamerer av vatten (Fig. 12) och fria vattenmolekyler. Studiet av strukturen hos de bildade klustren är ofta avsevärt svårt, eftersom vatten enligt moderna data är en blandning av olika neutrala kluster (H 2 O) n och deras laddade klusterjoner [H 2 O] + n och [H 20] - n, som är i dynamisk jämvikt mellan med en livstid på 10 -11 -10 -12 sekunder.

Ris. 12. Möjliga vattenkluster (a-h) med sammansättning (H 2 O) n, där n = 5-20.

Kluster kan interagera med varandra på grund av de utskjutande ytorna av vätebindningar, och bildar mer komplexa polyedriska strukturer, såsom hexaeder, oktaeder, icosahedron och dodecahedron. Sålunda är vattnets struktur associerad med de så kallade platoniska fasta ämnena (tetraeder, hexahedron, oktaeder, icosahedron och dodecahedron), uppkallad efter den antika grekiske filosofen och geometern Platon som upptäckte dem, vars form bestäms av det gyllene snittet (Fig. 13).

Ris. 13. Platoniska fasta ämnen, vars geometriska form bestäms av det gyllene snittet.

Antalet hörn (B), ytor (G) och kanter (P) i varje rumslig polyeder beskrivs av relationen:

C + D = P + 2

Förhållandet mellan antalet hörn (B) av en vanlig polyeder och antalet kanter (P) på en av dess ytor är lika med förhållandet mellan antalet ytor (G) på samma polyeder och antalet kanter ( P) som kommer från en av dess hörn. För en tetraeder är detta förhållande 4:3, för en hexaeder (6 ytor) och en oktaeder (8 ytor) - 2:1, och för en dodekaeder (12 ytor) och en ikosaeder (20 ytor) - 4:1.

Strukturerna av polyedriska vattenkluster beräknade av ryska forskare bekräftades med hjälp av moderna analysmetoder: protonmagnetisk resonansspektroskopi, femtosekundlaserspektroskopi, röntgen- och neutrondiffraktion på vattenkristaller. Upptäckten av vattenkluster och vattnets förmåga att lagra information är de två viktigaste upptäckterna under det 21:a millenniet. Detta bevisar tydligt att naturen kännetecknas av symmetri i form av exakta geometriska former och proportioner, karakteristiska för iskristaller.

LITTERATUR.

1. Belyanin V., Romanova E. Life, the water molecule and the golden ratio // Science and Life, 2004, vol. 10, nr 3, sid. 23-34.

2. Shumsky P. A., Fundamentals of structural ice science. - Moskva, 1955b sid. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Medvetenhet om vatten som en substans i livet. // Medvetande och fysisk verklighet. 2011, T 16, nr 12, sid. 9-22.

4. Petryanov I. V. Det mest ovanliga ämnet i världen. Moscow, Pedagogy, 1981, sid. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Vattens struktur och egenskaper. - Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, sid. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Vatten är bekant och mystiskt. - Kiev, Rodyansk skola, 1982, sid. 62-64.

7. G. N. Zatsepina, Vattens struktur och egenskaper. - Moskva, red. Moscow State University, 1974, sid. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Fundamentals of water physics - Kiev, Naukova Dumka, 1991, sid. 167.

9. Simonite T. DNA-liknande is "sett" inuti kolnanorör // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Meddelanden om vatten. Hemliga koder för iskristaller. - Sofia, 2006. sid. 96.

11. S. V. Zenin och B. V. Tyaglov, Nature of Hydrophobic Interaction. Förekomst av orienteringsfält i vattenlösningar // Journal of Physical Chemistry, 1994, V. 68, nr 3, sid. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Hydrogen connection - Moscow, Nauka, 1964, sid. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Structure of water and joniska lösningar // Uspekhi fizicheskikh nauk, 1934, vol. 14, nr 5, sid. 587-644.

14. Hobza P., Zahradnik R. Intermolekylära komplex: Van der Waals-systemens roll i fysikalisk kemi och biodiscipliner. - Moskva, Mir, 1989, sid. 34-36.

15. E. R. Pounder, Physics of Ice, övers. från engelska. - Moskva, 1967, sid. 89.

16. Komarov S. M. Ismönster av högtryck. // Chemistry and Life, 2007, nr 2, s. 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya och G. G. Malenkov. Kristallin is // Uspekhi khimii, 2006, nr 75, sid. 64.

18. Fletcher N. H. Isens kemiska fysik, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A. V. Variety of clusters // Russian Chemical Journal, 1996, vol. 40, nr 2, sid. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. Vattenstruktur och fysisk verklighet. // Medvetande och fysisk verklighet, 2011, vol. 16, nr 9, sid. 16-32.

21. Ignatov I. Bioenergetisk medicin. Uppkomsten av levande materia, minnet av vatten, bioresonans, biofysiska fält. - GaiaLibris, Sofia, 2006, sid. 93.

Det tredimensionella tillståndet för flytande vatten är svårt att studera, men mycket har lärt sig genom att analysera iskristallernas struktur. Fyra angränsande väte-interagerande syreatomer upptar hörnen på en tetraeder (tetra = fyra, hedron = plan). Den genomsnittliga energin som krävs för att bryta en sådan bindning i is uppskattas till 23 kJ/mol -1.

Vattenmolekylers förmåga att bilda ett givet antal vätekedjor, liksom den specificerade styrkan, skapar en ovanligt hög smältpunkt. När det smälter hålls det av flytande vatten, vars struktur är oregelbunden. De flesta av vätebindningarna är förvrängda. För att förstöra isens kristallgitter med en vätebindning krävs en stor massa energi i form av värme.

Funktioner av utseendet på is (Ih)

Många av invånarna undrar vilken typ av kristallgitter is har. Det bör noteras att densiteten hos de flesta ämnen ökar under frysning, när molekylära rörelser saktar ner och tätt packade kristaller bildas. Vattnets densitet ökar också när det svalnar till ett maximum vid 4°C (277K). Sedan, när temperaturen sjunker under detta värde, expanderar den.

Denna ökning beror på bildandet av en öppen, vätebunden iskristall med dess gitter och lägre densitet, där varje vattenmolekyl är styvt bunden av ovanstående element och fyra andra värden, samtidigt som de rör sig tillräckligt snabbt för att ha mer massa. Eftersom denna åtgärd inträffar fryser vätskan uppifrån och ner. Detta har viktiga biologiska resultat, som ett resultat av vilka islagret på dammen isolerar levande varelser från extrem kyla. Dessutom är två ytterligare egenskaper hos vatten relaterade till dess väteegenskaper: specifik värmekapacitet och förångning.

Detaljerad beskrivning av strukturer

Det första kriteriet är den mängd som krävs för att höja temperaturen på 1 gram av ett ämne med 1°C. Att höja graderna av vatten kräver en relativt stor mängd värme eftersom varje molekyl är involverad i många vätebindningar som måste brytas för att den kinetiska energin ska öka. Förresten, överflödet av H 2 O i cellerna och vävnaderna hos alla stora flercelliga organismer gör att temperaturfluktuationer inuti cellerna minimeras. Denna funktion är kritisk eftersom hastigheten för de flesta biokemiska reaktioner är känslig.

Också betydligt högre än många andra vätskor. Det krävs en stor mängd värme för att omvandla denna kropp till en gas, eftersom vätebindningarna måste brytas för att vattenmolekylerna ska lossna från varandra och gå in i den specificerade fasen. Föränderliga kroppar är permanenta dipoler och kan interagera med andra liknande föreningar och de som joniserar och löser sig.

Andra ämnen som nämns ovan kan komma i kontakt endast om polaritet är närvarande. Det är denna förening som är involverad i strukturen av dessa element. Dessutom kan den rikta sig runt dessa partiklar som bildas av elektrolyter, så att de negativa syreatomerna i vattenmolekylerna är orienterade mot katjonerna, och de positiva jonerna och väteatomerna är orienterade mot anjonerna.

I bildas, som regel, molekylära kristallgitter och atomära. Det vill säga, om jod är konstruerat på ett sådant sätt att I 2 är närvarande i det, då i fast koldioxid, det vill säga i torris, finns CO 2 -molekyler vid noderna i kristallgittret. När is interagerar med liknande ämnen har is ett jonkristallgitter. Grafit, till exempel, som har en atomstruktur baserad på kol, kan inte ändra den, precis som diamant.

Vad som händer när en kristall av bordssalt löser sig i vatten är att de polära molekylerna attraheras av de laddade elementen i kristallen, vilket leder till att liknande partiklar av natrium och klorid bildas på dess yta, vilket resulterar i att dessa kroppar dislokerar från varandra, och det börjar lösas upp. Härifrån kan det observeras att is har ett kristallgitter med jonbindning. Varje upplöst Na + attraherar de negativa ändarna av flera vattenmolekyler, medan varje upplöst Cl - attraherar de positiva ändarna. Skalet som omger varje jon kallas flyktsfären och innehåller vanligtvis flera lager av lösningsmedelspartiklar.

Variabler eller en jon omgiven av element sägs vara sulfaterad. När lösningsmedlet är vatten hydratiseras sådana partiklar. Således tenderar vilken polär molekyl som helst att solvatiseras av elementen i vätskekroppen. I torris bildar typen av kristallgitter atombindningar i aggregationstillståndet, som är oförändrade. En annan sak är kristallin is (fruset vatten). Joniska organiska föreningar som karboxylaser och protonerade aminer måste vara lösliga i hydroxyl- och karbonylgrupper. Partiklarna som finns i sådana strukturer rör sig mellan molekyler, och deras polära system bildar vätebindningar med denna kropp.

Naturligtvis påverkar antalet av de sistnämnda grupperna i molekylen dess löslighet, vilket också beror på reaktionen av olika strukturer i elementet: till exempel är en-, två- och trekolalkoholer blandbara med vatten, men större kolväten med enkla hydroxylföreningar är mycket mindre utspädda i vätskor.

Den hexagonala Ih liknar till formen det atomära kristallgittret. För is och all naturlig snö på jorden ser det ut exakt så här. Detta bevisas av symmetrin hos kristallgittret av is, växt från vattenånga (det vill säga snöflingor). Den är i rymdgrupp P 63/mm från 194; D 6h, Laue klass 6/mm; liknar β-, som har en multipel av 6 spiralaxel (rotation runt förutom att skifta längs den). Den har en ganska öppen lågdensitetsstruktur där effektiviteten är låg (~1/3) jämfört med enkla kubiska (~1/2) eller ansiktscentrerade kubiska (~3/4) strukturer.

Jämfört med vanlig is är torrisens kristallgitter, bundet av CO 2 -molekyler, statiskt och förändras först när atomer sönderfaller.

Beskrivning av galler och deras beståndsdelar

Kristaller kan ses som kristallina modeller som består av ark staplade ovanpå varandra. Vätebindningen är ordnad, medan den i själva verket är slumpmässig, eftersom protoner kan röra sig mellan vatten (is) molekyler vid temperaturer över cirka 5 K. Det är faktiskt troligt att protoner beter sig som en kvantvätska i ett konstant tunnelflöde. Detta förstärks av spridningen av neutroner, som visar deras spridningstäthet halvvägs mellan syreatomerna, vilket indikerar lokalisering och samordnad rörelse. Här finns en likhet mellan is och ett atomärt, molekylärt kristallgitter.

Molekyler har ett stegvis arrangemang av vätekedjan i förhållande till sina tre grannar i planet. Det fjärde elementet har ett förmörkat vätebindningsarrangemang. Det finns en liten avvikelse från perfekt hexagonal symmetri, som 0,3% kortare i riktningen för denna kedja. Alla molekyler upplever samma molekylära miljöer. Inuti varje "låda" finns tillräckligt med utrymme för att hålla partiklar av interstitiellt vatten. Även om de inte anses allmänt, har de nyligen effektivt detekterats genom neutrondiffraktion av det pulverformiga kristallgittret av is.

Ändra ämnen

Den sexkantiga kroppen har trippelpunkter med flytande och gasformigt vatten 0,01 ° C, 612 Pa, fasta element - tre -21,985 ° C, 209,9 MPa, elva och två -199,8 ° C, 70 MPa och -34 ,7 ° C, 212,9 MPa. Dielektricitetskonstanten för hexagonal is är 97,5.

Smältkurvan för detta element ges av MPa. Tillståndsekvationerna är tillgängliga, förutom dem, några enkla olikheter som relaterar förändringen i fysikaliska egenskaper till temperaturen på hexagonal is och dess vattenhaltiga suspensioner. Hårdheten fluktuerar med grader som stiger från eller under gips (≤2) vid 0°C till fältspat (6 vid -80°C, en onormalt stor förändring i absolut hårdhet (>24 gånger).

Det hexagonala kristallgittret av is bildar hexagonala plattor och kolumner, där de övre och nedre ytorna är basplanen (0 0 0 1) med en entalpi på 5,57 μJ cm -2, och de andra ekvivalenta sidoytorna kallas delar av prismat (1 0 -1 0) med 5,94 μJ cm-2. Sekundära ytor (1 1 -2 0) med 6,90 μJ ˣ cm -2 kan formas längs de plan som bildas av strukturernas sidor.

En sådan struktur visar en onormal minskning av värmeledningsförmågan med ökande tryck (liksom kubisk och amorf is med låg densitet), men skiljer sig från de flesta kristaller. Detta beror på en förändring i vätebindningen, vilket minskar ljudets tvärhastighet i kristallgittret av is och vatten.

Det finns metoder som beskriver hur man förbereder stora kristallprover och valfri isyta. Det antas att vätebindningen på ytan av den hexagonala kroppen som studeras kommer att vara mer ordnad än inuti bulksystemet. Variationsspektroskopi med fas-gitterfrekvensgenerering har visat att det finns en strukturell asymmetri mellan de två övre skikten (L1 och L2) i HO-kedjan under ytan av den hexagonala isens basyta. De antagna vätebindningarna i de övre lagren av hexagonerna (L1 O ··· HO L2) är starkare än de som accepteras i det andra lagret till den övre ansamlingen (L1 OH ··· O L2). Interaktiva strukturer av hexagonal is är tillgängliga.

Utvecklingsfunktioner

Det minsta antalet vattenmolekyler som krävs för iskärnbildning är ungefär 275 ± 25, som för ett komplett ikosaedriskt kluster på 280. Bildning sker med en faktor på 10 10 vid gränsytan mellan luft och vatten, inte i bulkvatten. Tillväxten av iskristaller beror på olika tillväxthastigheter för olika energier. Vatten måste skyddas från frysning vid kryokonservering av biologiska prover, mat och organ.

Detta uppnås vanligtvis genom snabba nedkylningshastigheter, användning av små prover och en kryokonservator, och ökat tryck för att kärnbilda is och förhindra cellskador. Den fria energin av is/vätska ökar från ~30 mJ/m2 vid atmosfärstryck till 40 mJ/m -2 vid 200 MPa, vilket indikerar orsaken till att denna effekt uppstår.

Alternativt kan de växa snabbare från prismaytor (S2), på den slumpmässigt störda ytan av snabbfrusna eller upprörda sjöar. Tillväxten från ytorna (1 1 -2 0) är åtminstone densamma, men förvandlar dem till prismabaser. Uppgifterna om utvecklingen av iskristallen har undersökts fullständigt. Den relativa tillväxthastigheten för element i olika ansikten beror på förmågan att bilda en stor grad av ledhydrering. Temperaturen (låg) på det omgivande vattnet bestämmer graden av förgrening i iskristallen. Partikeltillväxt begränsas av diffusionshastigheten vid en låg grad av underkylning, d.v.s.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Men begränsad av utvecklingskinetik vid högre nivåer av depression >4°C, vilket resulterar i nålliknande tillväxt. Denna form liknar torris (har ett kristallgitter med en hexagonal struktur), olika ytutvecklingsegenskaper och temperaturen på det omgivande (underkylda) vattnet som ligger bakom de platta snöflingornas former.

Bildandet av is i atmosfären påverkar djupt bildandet och egenskaperna hos moln. Fältspat, som finns i ökendamm som kommer in i atmosfären i miljontals ton per år, är viktiga former. Datormodellering har visat att detta beror på kärnbildningen av prismatiska iskristallplan på ytplan med hög energi.

Några andra element och galler

Lösta ämnen (med undantag för mycket litet helium och väte, som kan komma in i mellanrummen) kan inte inkorporeras i Ih-strukturen vid atmosfärstryck, utan förskjuts till ytan eller det amorfa lagret mellan partiklar i den mikrokristallina kroppen. Det finns några andra grundämnen på gitterställena för torris: kaotropiska joner som NH 4 + och Cl - , som ingår i den lättare frysningen av vätskan än andra kosmotropa, såsom Na + och SO 4 2- , så deras avlägsnande är omöjligt, på grund av att de bildar en tunn film av den återstående vätskan mellan kristallerna. Detta kan leda till elektrisk laddning av ytan på grund av dissociation av ytvatten som balanserar de återstående laddningarna (vilket också kan leda till magnetisk strålning) och en förändring av pH i restvätskefilmerna, till exempel blir NH 4 2 SO 4 surare och NaCl blir mer basiskt.

De är vinkelräta mot ytorna på iskristallgittret och visar nästa skikt (med O-svarta atomer). De kännetecknas av en långsamt växande basyta (0 0 0 1), där endast isolerade vattenmolekyler är fästa. En snabbt växande (1 0 -1 0) yta av ett prisma där par av nytillfogade partiklar kan binda till varandra med väte (en vätebindning/två molekyler av ett grundämne). Den snabbast växande ytan (1 1 -2 0) (sekundär prismatisk), där kedjor av nyligen fästa partiklar kan interagera med varandra genom vätebindning. En av dess kedja/elementmolekyler är en form som bildar åsar som delar sig och uppmuntrar omvandlingen till två sidor av prismat.

Nollpunktsentropi

kBˣ Ln ( N

Forskare och deras arbeten inom detta område

Kan definieras som S 0 = kBˣ Ln ( N E0), där k B är Boltzmann-konstanten, N E är antalet konfigurationer vid energin E, och E0 är den lägsta energin. Detta värde för entropin av hexagonal is vid noll kelvin bryter inte mot termodynamikens tredje lag "Entropin för en ideal kristall vid absolut noll är exakt noll", eftersom dessa element och partiklar inte är idealiska, har oordnad vätebindning.

I denna kropp är vätebindningen slumpmässig och förändras snabbt. Dessa strukturer är inte exakt lika i energi, men sträcker sig till ett mycket stort antal energetiskt nära tillstånd, lyder "isens regler". Nollpunktsentropi är den störning som skulle finnas kvar även om materialet kunde kylas till absolut noll (0 K = -273,15 °C). Genererar experimentell förvirring för hexagonal is 3,41 (± 0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoretiskt skulle det vara möjligt att beräkna nollentropin för kända iskristaller med mycket större noggrannhet (försumma defekter och energinivåspridning) än att bestämma den experimentellt.

Även om ordningen för protoner i bulk is inte är ordnad, föredrar ytan förmodligen ordningen för dessa partiklar i form av band av hängande H-atomer och O-enkelpar (noll entropi med ordnade vätebindningar). Oordningen av nollpunkten ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 och andra hittas. Av allt ovanstående är det tydligt och förståeligt vilka typer av kristallgitter som är karakteristiska för is.

Om det finns opolära molekyler av något ämne vid noderna av kristallgittret (som jod jag 2, syre Ungefär 2 eller kväve N 2), då upplever de ingen elektrisk "sympati" för varandra. Med andra ord bör deras molekyler inte attraheras av elektrostatiska krafter. Och ändå är det något som håller dem samman. Vad exakt?

Det visar sig att i fast tillstånd kommer dessa molekyler så nära varandra att momentana (men mycket svaga) reaktioner börjar i deras elektronmoln. partiskhet- kondensation och sällsynthet av elektronmoln. Istället för opolära partiklar uppstår "momentana dipoler", som redan kan attraheras till varandra elektrostatiskt. Denna attraktion är dock mycket svag. Därför är kristallgittren av opolära ämnen ömtåliga och existerar endast vid mycket låga temperaturer, i "kosmisk" kyla.

Astronomer har verkligen upptäckt himlakroppar - kometer, asteroider, till och med hela planeter, bestående av frusna kväve, syre och andra ämnen som under vanliga terrestra förhållanden existerar i form av gaser och blir fasta i det interplanetära rummet.

	Många enkla och komplexa ämnen med molekyl- kristallgittret är välkänt för alla. Detta är till exempel en kristallin jod jag 2:
Så här är kristallgittret byggt jod: den består av jodmolekyler (var och en av dem innehåller två jodatomer).
	Och dessa molekyler är ganska löst bundna tillsammans. Det är därför kristallint jod är så flyktigt och avdunstar även vid minsta uppvärmning och förvandlas till gasformigt jod - en ånga med en vacker lila färg.

Vilka vanliga ämnen molekylärt kristallgitter?

Kristallint vatten (is) består av polära molekyler vatten H2O.
De "torris" kristallerna som används för att kyla glass är också molekylära kristaller. koldioxid CO2.
Ett annat exempel är socker, som bildar kristaller från molekyler sackaros.

När det finns molekyler av ett ämne vid noderna i kristallgittret är bindningarna mellan dem inte särskilt starka, även om dessa molekyler är polära.
Därför, för att smälta sådana kristaller eller förånga ämnen med en molekylär kristallstruktur, är det inte nödvändigt att värma dem till en röd värme.
Redan vid 0 °C, kristallstrukturen is bryts ner och blir vatten. Och "torris" smälter inte vid normalt tryck, utan förvandlas omedelbart till gasformig koldioxid- Exalterad.

En annan sak är ämnen med atom- ett kristallgitter, där varje atom är förbunden med sina grannar genom mycket starka kovalenta bindningar, och hela kristallen som helhet, om så önskas, kan betraktas som en enorm molekyl.

För ett exempel, överväg diamantkristall, som består av atomer kol.

	Atom kol FRÅN, som innehåller två oparade R -elektron förvandlas till en atom kol FRÅN, där alla fyra elektronerna i den yttre valensnivån är belägna i banor en efter en och kan bilda kemiska bindningar. Kemister kallar en sådan atom " upphetsad*".
I det här fallet finns det så många som fyra kemiska bindningar, och alla mycket hållbara. inte utan anledning diamant- - det hårdaste ämnet i naturen och sedan urminnes tider anses vara kungen av alla ädelstenar och ädelstenar. Och själva namnet betyder på grekiska "oförstörbar".
	Från facetterade kristaller diamant- diamanter erhålls, som pryder dyra smycken

De vackraste diamanterna som hittats av människor har sin egen, ibland tragiska, historia. Läs >>>

Men diamant- går inte bara på dekorationer. Dess kristaller används i verktyg för bearbetning av de hårdaste materialen, borrning i stenar, skärning och skärning av glas och kristall.

Kristallgitter av diamant (vänster) och grafit (höger)

Grafit samma sammansättning kol, men dess kristallgitterstruktur är inte densamma som diamant. PÅ grafit kolatomer är ordnade i lager, inom vilka kopplingen av kolatomer liknar en bikaka. Dessa lager är mycket svagare bundna än kolatomerna i varje lager. Det är därför grafit lätt stratifierade i skalor, och de kan skriva. Det används för tillverkning av pennor, samt ett torrt smörjmedel lämpligt för maskindelar som arbetar vid höga temperaturer. Förutom, grafit leder elektricitet bra, och elektroder är gjorda av den.

Kan en billig grafit förvandlas till dyrbar diamant-? Det är möjligt, men detta kommer att kräva otänkbart högt tryck (flera tusen atmosfärer) och hög temperatur (ett och ett halvt tusen grader).
Mycket lättare att strula diamant-: du behöver bara värma den utan lufttillgång till 1500 ° C, och kristallstrukturen diamant- förvandlas till en mindre ordnad struktur grafit.

Iskristallstruktur: vattenmolekyler är sammankopplade i vanliga hexagoner Iskristallgitter: H 2 O vattenmolekyler (svarta kulor) i sina noder är ordnade så att var och en har fyra grannar. Vattenmolekylen (mitten) är vätebunden till de fyra närmaste angränsande molekylerna. Is är en kristallin modifiering av vatten. Enligt de senaste uppgifterna har is 14 strukturella modifieringar. Bland dem finns både kristallina (de är majoriteten) och amorfa modifikationer, men de skiljer sig alla från varandra i det ömsesidiga arrangemanget av vattenmolekyler och egenskaper. Det är sant att allt, förutom den vanliga isen som kristalliseras i den hexagonala syngonin, bildas under exotiska förhållanden vid mycket låga temperaturer och höga tryck, när vinklarna för vätebindningar i vattenmolekylen förändras och andra system än hexagonala bildas. Sådana förhållanden påminner om kosmiska förhållanden och finns inte på jorden. Till exempel vid temperaturer under -110 °C faller vattenånga ut på en metallplatta i form av oktaedrar och kuber som är några nanometer stora, detta är den så kallade kubiska isen. Om temperaturen är något över –110 °C, och ångkoncentrationen är mycket låg, bildas ett lager av exceptionellt tät amorf is på plattan. Den mest ovanliga egenskapen hos is är den fantastiska variationen av yttre manifestationer. Med samma kristallstruktur kan den se helt annorlunda ut, i form av genomskinliga hagelstenar och istappar, fluffiga snöflingor, en tät glänsande isskorpa eller gigantiska glaciärmassor.

En snöflinga är en enda kristall av is - en sorts sexkantig kristall, men växt snabbt, under icke-jämviktsförhållanden. Forskare har brottats med hemligheten bakom deras skönhet och oändliga variation i århundraden. Livet för en snöflinga börjar med bildandet av kristallina iskärnor i ett moln av vattenånga när temperaturen sjunker. Kristalliseringens centrum kan vara dammpartiklar, vilka fasta partiklar som helst eller till och med joner, men i alla fall har dessa ispartiklar mindre än en tiondels millimeter redan ett sexkantigt kristallgitter. Vattenånga, som kondenserar på ytan av dessa kärnor, bildar först ett litet sexkantigt prisma, från vars sex hörn vi börjar växa identiska isnålar laterala processer, eftersom temperaturen och luftfuktigheten runt embryot är också densamma. På dem växer i sin tur, som på ett träd, sidogrenar av grenen. Sådana kristaller kallas dendriter, det vill säga liknar ett träd. När den rör sig upp och ner i molnet kommer snöflingan in i förhållanden med olika temperaturer och koncentrationer av vattenånga. Dess form ändras till det sista genom att lyda lagarna för sexkantig symmetri. Så snöflingor blir annorlunda. Hittills har det inte varit möjligt att hitta två likadana snöflingor bland snöflingorna.

Färgen på is beror på dess ålder och kan användas för att utvärdera dess styrka. Havsisen är vit under det första året av sin levnad eftersom den är mättad med luftbubblor, från vars väggar ljus reflekteras omedelbart, innan den hinner absorberas. På sommaren smälter isytan, tappar sin styrka, och under tyngden av nya lager som ligger ovanpå, krymper luftbubblor och försvinner helt. Ljuset inuti isen färdas längre än tidigare och framträder som en blågrön nyans. Blåis är äldre, tätare och starkare än vit "skummig" is mättad med luft. Polarforskare vet detta och väljer pålitliga blå och gröna isflak för sina flytande baser, vetenskapliga stationer och isflygfält. Det finns svarta isberg. Den första pressrapporten om dem dök upp 1773. Den svarta färgen på isberg orsakas av vulkanernas aktivitet - isen är täckt med ett tjockt lager av vulkaniskt damm, som inte sköljs bort ens av havsvatten. Isen är inte lika kall. Det finns mycket kall is, med en temperatur på ca minus 60 grader, detta är isen på vissa antarktiska glaciärer. Isen på de grönländska glaciärerna är mycket varmare. Dess temperatur är ungefär minus 28 grader. Ganska "varm is" (med en temperatur på ca 0 grader) ligger på toppen av Alperna och de skandinaviska bergen.

Vattnets densitet är maximal vid +4 C och är lika med 1 g/ml, den minskar med sjunkande temperatur. När vatten kristalliseras minskar densiteten kraftigt, för is är den lika med 0,91 g / cm 3. På grund av detta är is lättare än vatten och när vattenkroppar fryser, samlas is på toppen, och tätare vatten med en temperatur på 4 ̊ C uppträder på botten av vattenförekomster Dålig värmeledningsförmåga hos is och Snötäcket skyddar vattenförekomster från att frysa till botten och skapar därmed förutsättningar för livet för invånarna i vattenförekomster på vintern.

Glaciärer, inlandsisar, permafrost, säsongsbetonat snötäcke påverkar avsevärt klimatet i stora regioner och planeten som helhet: även de som aldrig har sett snö känner andedräkten från dess massor som samlas vid jordens poler, till exempel i form av långsiktiga nivåfluktuationer World Ocean. Is är så viktig för utseendet på vår planet och det bekväma boendet för levande varelser på den att forskare har tilldelat den en speciell miljö - kryosfären, som sträcker ut sina ägodelar högt upp i atmosfären och djupt in i jordskorpan. Naturis är vanligtvis mycket renare än vatten eftersom lösligheten av ämnen (förutom NH4F) i is är extremt låg. De totala isreserverna på jorden är cirka 30 miljoner km 3. Det mesta av isen är koncentrerad till Antarktis, där tjockleken på dess lager når 4 km.