Типи кристалічних ґрат. Кристалічні ґрати У вузлах кристалічних ґрат сухого льоду знаходяться

Хімія – дивовижна наука. Стільки неймовірного можна виявити у, здавалося б, звичайних речах.

Все матеріальне, що оточують нас усюди, існує у кількох агрегатних станах: гази, рідини та тверді тіла. Вчені виділили ще й 4 - плазму. При певній температурі будь-яка речовина може переходити з одного до іншого. Наприклад, вода: при нагріванні понад 100, з рідкої форми, перетворюється на пару. При температурі нижче 0 перетворюється на наступне агрегатну структуру - лід.

Вконтакте

Весь матеріальний світ має у своєму складі масу однакових частинок, які між собою пов'язані. Ці дрібні елементи строго вишиковуються у просторі й утворюють так званий просторовий каркас.

Визначення

Кристалічна решітка - особлива структура твердої речовини, при якій частинки стоять у геометрично строгому порядку у просторі. У ній можна виявити вузли – місця, де розташовані елементи: атоми, іони та молекули та міжвузловий простір.

Тверді речовини, Залежно від діапазону високих і низьких температур, є кристалічними або аморфними - вони характеризуються відсутністю певної температури плавлення. При вплив підвищених температур вони розм'якшуються і поступово переходять у рідку форму. До таких речовин відносяться: смола, пластилін.

У зв'язку з цим можна поділити на кілька видів:

атомну;
іонну;
молекулярну;
металеву.

Але за різних температур одна речовина може мати різні форми і виявляти різноманітні властивості. Це називається алотропной модифікацією.

Атомний тип

У цьому типі у вузлах розташовані атоми тієї чи іншої речовини, пов'язані ковалентними зв'язками. Цей вид зв'язку утворений парою електронів двох сусідніх атомів. Завдяки цьому вони пов'язуються рівномірно та у строгому порядку.

Речовини з атомними кристалічними гратами характеризуються такими властивостями: міцність і велика температура плавлення. Такий тип зв'язку представлений у алмазу, кремнію та бору.

Іонний тип

Протилежно заряджені іони знаходяться на вузлах, які виробляють електромагнітне поле, що характеризує фізичні властивості речовини. До таких відносяться: електропровідність, тугоплавкість, щільність та твердість. Кухонна сіль та нітрат калію характеризуються наявністю іонної кристалічної решітки.

Не пропустіть: механізм освіти, конкретні приклади.

Молекулярний тип

У вузлах такого типу знаходяться іони, пов'язані між собою ван-дер-ваальсовими силами. Завдяки слабким міжмолекулярним зв'язкам такі речовини, наприклад, лід, двоокис вуглецю та парафін, характеризуються пластичністю, електро- та теплопровідністю.

Металевий тип

У своїй будові нагадує молекулярну, але має все ж таки міцніші зв'язки. Відмінність цього у тому, що у її вузлах перебувають позитивно заряджені катіони . Електрони, що знаходяться у міжвузловомупросторі, беруть участь в утворенні електричного поля. Вони ще звуться електричного газу.

Прості метали та сплави, характеризуються металевим типом ґрат. Їх характерно наявність металевого блиску, пластичність, тепло- і електропровідність. Вони можуть плавитися за різних температур.

О. В. Мосін, І. Ігнатов (Болгарія)

Анотація Значення льоду у підтримці життя на планеті важко недооцінити. Лід дуже впливає на умови проживання та життєдіяльності рослин і тварин і на різні види господарської діяльності людини. Покриваючи воду, лід через свою низьку щільність грає в природі роль плавучого екрану, що захищає річки та водоймища від подальшого замерзання і зберігає життя підводним мешканцям. Використання льоду в різних цілях (снігозатримання, влаштування крижаних переправ та ізотермічних складів, льодозакладка сховищ та шахт) є предметом ряду розділів гідрометеорологічних та інженерно-технічних наук, таких як льодотехніка, сніготехніка, інженерне мерзлотознавство, а також діяльності спеціальних служб льодового розвідки, льодоко. та снігоприбиральної техніки. Природний лід використовується для зберігання та охолодження харчових продуктів, біологічних та медичних препаратів, для чого він спеціально виробляється та заготовляється, а талу воду, приготовлену при плавленні льоду використовують у народній медицині – для підвищення обміну речовин та виведення шлаків з організму. Стаття знайомить читача з новими маловідомими властивостями та модифікаціями льоду.

Лід – кристалічна форма води, що має за останніми даними чотирнадцятьма структурними модифікаціями. Серед них є і кристалічні (природний лід) і аморфні (кубічний лід) та метастабільні модифікації, що відрізняються один від одного взаємним розташуванням та фізичними властивостями молекул води, пов'язаними водневими зв'язками, що формують кристалічну решітку льоду. Всі вони окрім звичного нам природного льоду I h , що кристалізує в гексагональній решітці, утворюються в умовах екзотичних - при дуже низьких температурах сухого льоду та рідкого азоту та високих тисках у тисячі атмосфер, коли кути водневих зв'язків у молекулі води змінюються та утворюються кристалічні системи, відмінні від гексагональної. Такі умови нагадують космічні та не зустрічаються на Землі.

У природі лід представлений головним чином, одним кристалічним різновидом, що кристалізується в гексагональній решітці, що нагадує структуру алмазу, де кожна молекула води оточена чотирма найближчими до неї молекулами, що знаходяться на однакових відстанях від неї, рівних 2,76 анг. У зв'язку з низьким координаційним числом структура льоду є сітчастою, що впливає його невисоку щільність, що становить 0,931 г/см 3 .

Найдивовижніша властивість льоду - це дивовижне різноманіття зовнішніх проявів. При одній і тій же кристалічній структурі він може виглядати по-різному, набуваючи форми прозорих градин і бурульок, пластівців пухнастого снігу, щільної блискучої кірки льоду або гігантських льодовикових мас. Лід зустрічається в природі у вигляді материкового, плаваючого та підземного льоду, а також у вигляді снігу та інею. Він поширений у всіх сферах проживання людини. Збираючись у великих кількостях, сніг і лід формують особливі структури з принципово іншими, ніж у окремих кристалів чи сніжинок, властивостями. Природний лід сформований в основному льодом осадово-метаморфічного походження, що утворився з твердих атмосферних опадів внаслідок подальшого ущільнення та перекристалізації. Характерна особливість природного льоду – зернистість та полосчастість. Зернистість обумовлена процесами рекристалізації; кожне зерно льодовикового льоду є кристалом неправильної форми, що тісно примикає до інших кристалів у крижаній товщі таким чином, що виступи одного кристала щільно входять у поглиблення іншого. Такий лід отримав назву полікристалічного. У ньому кожен кристал льоду є шар найтонших листочків, що налягають один на одного в базовій площині, перпендикулярній до напряму оптичної осі кристала.

Загальні запаси льоду Землі становлять згідно з розрахунками близько 30 млн. км 3(Табл. 1). Найбільше льоду зосереджено в Антарктиді, де товщина його шару досягає 4 км.Також є дані про наявність льоду на планетах Сонячної системи та в кометах. Лід має настільки велике значення для клімату нашої планети і існування на ній живих істот, що вчені позначили для льоду особливе середовище - кріосферу, межі якої простягаються високо в атмосферу і глибоко в земну кору.

Табл. 1. Кількість, поширення та час життя льоду.

Вид льоду; Маса; Площа розповсюдження; Середня концентрація, г/см2; Швидкість приросту маси, г/рік; Середній час життя, рік
г; %; млн. км2; %
Льодовики; 2,4 · 1022; 98,95; 16,1; 10,9 суші; 1,48 · 105; 2,5 · 1018; 9580
Підземний лід; 2 · 1020; 0,83; 21; 14,1 суші; 9,52 · 103; 6 · 1018; 30-75
Морський лід; 3,5 · 1019; 0,14; 26; 7,2 океани; 1,34 · 102; 3,3 · 1019; 1,05
Сніговий покрив; 1,0 · 1019; 0,04; 72,4; 14,2 Землі; 14,5; 2 · 1019; 0.3-0,5
Айсберг; 7,6 · 1018; 0,03; 63,5; 18,7 океани; 14,3; 1,9 · 1018; 4,07
Атмосферний лід; 1,7 · 1018; 0,01; 510,1; 100 Землі; 3,3 · 10-1; 3,9 · 1020; 4·10-3

Кристали льоду неповторні за своєю формою та пропорціями. Будь-який природний кристал, включаючи кристал льоду льоду завжди прагне створити ідеальну правильну кристалічну решітку, оскільки це вигідно з точки зору мінімуму його внутрішньої енергії. Будь-які домішки, як відомо, спотворюють форму кристала, тому при кристалізації води насамперед у решітку вбудовуються молекули води, а сторонні атоми та молекули домішок витісняються у рідину. І тільки коли домішкам подітися вже нікуди, кристал льоду починає вбудовувати їх у свою структуру або залишає у вигляді порожнистих капсул з концентрованою рідиною, що незамерзає, - розсолом. Тому морський лід прісний і навіть найбрудніші водоймища покриваються прозорим і чистим льодом. При плавленні льоду він витісняє домішки у розсіл. У планетарному масштабі феномен замерзання та танення води, поруч із випаром і конденсацією води, грає роль гігантського очисного процесу, у якому вода Землі постійно очищає сама себе.

Табл. 2. Деякі фізичні властивості льоду I.

Властивість

Значення

Примітка

Теплоємність, кал/(г·°C) Теплота танення, кал/г Теплота пароутворення, кал/г

0,51 (0 °C) 79,69 677

Сильно зменшується зі зниженням температури

Коефіцієнт термічного розширення, 1/°C

9,1·10-5 (0 °C)

Полікристалічний лід

Теплопровідність, кал/(см·сек·°C)

4,99 · 10 -3

Полікристалічний лід

Показник заломлення:

1,309 (-3 °C)

Полікристалічний лід

Питома електрична провідність, ом-1 см-1

10-9 (0 °C)

Енергія активації, що здається, 11 ккал/моль

Поверхнева електропровідність, ОМ-1

10-10 (-11°C)

Здається, енергія активації 32 ккал/моль

Модуль пружності Юнга, дин/см2

9·1010 (-5 °C)

Полікристалічний лід

Опір, МН/м2: роздавленню розриву зрізу

2,5 1,11 0,57

Полікристалічний лід Полікристалічний лід Полікристалічний лід

Динамічна в'язкість, пуаз

Полікристалічний лід

Енергія активації при деформуванні та механічній релаксації, ккал/моль

Лінійно зростає на 0,0361 ккал/(моль·°C) від 0 до 273,16 К

Примітка: 1 кал/(г·°С)=4,186 кДж/(кг·К); 1 ом -1 · см -1 = 100 сім/м; 1 дин = 10 -5 Н ; 1 Н = 1 кг · м / с; 1 дин/см=10 -7 Н/м; 1 кал/(см·сек°С)=418,68 вт/(м·К); 1 пуаз=г/см·с=10 -1 Н сек/м2.

У зв'язку з широким поширенням льоду Землі, відмінність фізичних властивостей льоду (табл. 2) від властивостей інших речовин грає значної ролі у багатьох природних процесах . Лід має багато інших корисних для підтримки життя властивостей і аномалій – аномалій щільності, тиску, об'єму, теплопровідності. Якби не було водневих зв'язків, що зчеплюють молекули води в кристал, лід плавився б за –90 °С. Але це не відбувається через наявність водневих зв'язків між молекулами води. Внаслідок меншої, ніж у води, щільності лід утворює на поверхні води плавучий покрив, що оберігає річки та водоймища від донного замерзання, оскільки його теплопровідність набагато менша, ніж води. При цьому найменша щільність та обсяг спостерігається за +3,98 °С (рис. 1). Подальше охолодження води до 0 0 С поступово призводить не до зменшення, а збільшення її обсягу майже на 10%, коли вода перетворюється на лід. Така поведінка води свідчить про одночасне існування у воді двох рівноважних фаз – рідкої та квазікристалічної за аналогією з квазікристалами, кристалічна решітка яких має не тільки періодичну будову, але й має осі симетрії різних порядків, існування яких раніше суперечило уявленням кристалографів. Ця теорія, вперше висунута відомим вітчизняним фізиком-теоретиком Я. І. Френкелем, заснована на припущенні, що частина молекул рідини утворює квазікристалічну структуру, тоді як інші молекули є газоподібними, що вільно рухаються за обсягом. Розподіл молекул у малій околиці будь-якої фіксованої молекули води має певну впорядкованість, дещо нагадує кристалічну, хоч і більш пухку. З цієї причини структуру води іноді називають квазікристалічною або кристалоподібною, тобто симетрією, що володіє, і наявністю впорядкованість у взаємному розташуванні атомів або молекул.

Рис. 1. Залежність питомого обсягу льоду та води від температури

Інша властивість полягає в тому, що швидкість течії льоду прямо пропорційна енергії активації і обернено пропорційна абсолютній температурі, так що зі зниженням температури лід наближається за своїми властивостями до абсолютно твердого тіла. У середньому при близькій до танення температурі плинність льоду в 10 6 разів вище, ніж у гірських порід. Завдяки своїй плинності лід не накопичується в одному місці, а у вигляді льодовиків постійно переміщується. Залежність між швидкістю перебігу та напругою у полікристалічного льоду гіперболічна; при наближеному описі її статечним рівнянням показник ступеня збільшується зі зростанням напруги.

Світло льодом практично не поглинається, оскільки світлові промені проходять кристал льоду наскрізь, але затримує ультрафіолетове випромінювання і більшу частину інфрачервоного випромінювання Сонця. У цих областях спектру лід виглядає абсолютно чорним, оскільки коефіцієнт поглинання світла у цих областях спектру дуже великий. На відміну від кристалів льоду, біле світло, що падає на сніг, не поглинається, а багаторазово заломлюється в крижаних кристалах і відбивається від їхньої грані. Тож сніг виглядає білим.

Внаслідок дуже високої відбивної спроможності льоду (0,45) та снігу (до 0,95) покрита ними площа - у середньому протягом року близько 72 млн. км 2у високих та середніх широтах обох півкуль – отримує сонячного тепла на 65% менше норми і є потужним джерелом охолодження земної поверхні, чим значною мірою обумовлена сучасна широтна кліматична зональність. Влітку в полярних областях сонячна радіація більше, ніж в екваторіальному поясі, проте температура залишається низькою, тому що значна частина тепла, що поглинається, витрачається на танення льоду, що має дуже високу теплоту танення.

До інших незвичайних властивостей льоду відносять і генерацію електромагнітного випромінювання його кристалами, що зростають. Відомо, що більшість розчинених у воді домішок не передаються льоду, коли він починає рости; вони виморожуються. Тому навіть на найбруднішій калюжі плівка льоду чиста та прозора. При цьому домішки накопичуються на межі твердого та рідкого середовищ, у вигляді двох шарів електричних зарядів різного знака, які викликають значну різницю потенціалів. Заряджений шар домішок переміщається разом із нижньою межею молодого льоду та випромінює електромагнітні хвилі. Завдяки цьому процес кристалізації можна спостерігати у деталях. Так, кристал, що росте у довжину у вигляді голки, випромінює інакше, ніж покривається бічними відростками, а випромінювання зерен, що ростуть, відрізняється від того, що виникає, коли кристали тріскаються. За формою, послідовністю, частотою та амплітудою імпульсів випромінювання можна визначити, з якою швидкістю замерзає лід і яка при цьому формується льодова структура.

Але найдивовижніше у структурі льоду полягає в тому, що молекули води при низьких температурах та високих тисках усередині вуглецевих нанотрубок можуть кристалізуватися у формі подвійної спіралі, що нагадує молекули ДНК. Це було доведено нещодавніми комп'ютерними експериментами американських вчених під керівництвом Сяо Чен Цзена з Університету штату Небраска (США). Щоб вода сформувала спіраль в експерименті, що моделюється, вона поміщалася в нанотрубки діаметром від 1,35 до 1,90 нм під високим тиском, що варіюються від 10 до 40000 атмосфер і задавалася температура –23 °C . Очікувалося побачити, що вода завжди утворює тонку трубчасту структуру. Однак, модель показала, що при діаметрі нанотрубки в 1,35 нм та зовнішньому тиску 40000 атмосфер водневі зв'язки у структурі льоду скривилися, що призвело до утворення спіралі з подвійною стінкою – внутрішньою та зовнішньою. Внутрішня стінка в цих умовах виявилася скрученою у четверо спіраллю, а зовнішня стінка складалася з чотирьох подвійних спіралей, схожих на молекулу ДНК (рис. 2). Цей факт може бути підтвердженням зв'язку структури життєво важливої молекули ДНК зі структурою самої води і що вода служила матрицею для синтезу молекул ДНК.

Рис. 2. Комп'ютерна модель структури замерзлої води в нанотрубках, що нагадує молекулу ДНК.

Інша з найважливіших властивостей води, відкритих досліджених останнім часом, полягає в тому, що вода має здатність запам'ятовувати інформацію про минулі дії. Це вперше довели японський дослідник Масару Емото і наш співвітчизник Станіслав Зенін, який одним з перших запропонував кластерну теорію будови води, що складається з циклічних асоціатів об'ємної поліедричної структури – кластерів загальної формули (Н 2 О) n , де n за останніми даними може досягати сотень і навіть тисяч одиниць. Саме завдяки наявності у воді кластерів вода має інформаційні властивості. Дослідники фотографували процеси заморожування води в мікрокристали льоду, діючи на неї різними електромагнітними та акустичними полями, мелодіями, молитвою, словами чи думками. Виявилося, що під дією позитивної інформації у вигляді гарних мелодій і слів лід заморожувався симетричними шестигранними кристалами. Там, де звучала неритмічна музика, злі та образливі слова, вода, навпаки, замерзала у хаотичні та безформні кристали. Це є доказом того, що вода має особливу, чутливу до зовнішніх інформаційних впливів структуру. Імовірно, мозок людини, що складається на 85-90% з води, має сильний структуруючий вплив на воду.

Кристали Емото викликають одночасно інтерес та недостатньо обґрунтовану критику. Якщо розглянути їх уважно, можна побачити, що їхня структура складається з шести верхів. Але ще більш уважний аналіз показує, що у сніжинок узимку така сама структура, завжди симетрична і з шістьма верхами. Якою мірою кристалізовані структури містять інформацію про оточення, де були створені? Структура сніжинок може бути красивою чи безформною. Це вказує на те, що контрольна проба (хмара в атмосфері), де вони виникають, робить на них такий самий вплив, як і початкові умови. Початковими умовами є сонячна активність, температура, геофізичні поля, вологість та інших. Усе це, що з т.зв. Середнього ансамблю можна зробити висновок про приблизно однакову структуру водних крапель, а потім і сніжинок. Їхня маса майже однакова, і вони рухаються в атмосфері зі схожою швидкістю. В атмосфері вони продовжують оформляти свої структури та збільшуватись у обсязі. Навіть якщо вони сформувалися в різних частинах хмари, в одній групі завжди є певна кількість сніжинок, що виникли за майже однакових умов. А відповідь на питання, що є позитивною і негативною інформацією про сніжинки, можна шукати у Емото. У лабораторних умовах негативна інформація (землетрус, несприятливі для людини звукові вібрації тощо) не утворює кристали, а позитивна інформація, навпаки. Дуже цікаво, якою мірою один фактор може оформити однакові або подібні структури сніжинок. Найбільша густина води спостерігається при температурі 4 °C. Науково доведено, що щільність води зменшується, коли починають утворюватися шестикутні крижані кристали при зниженні температури нижче за нуль. Це результат дії водневих зв'язків між молекулами води.

Яка причина такого структурування? Кристали являють собою тверді тіла, а складові їх атоми, молекули або йони розташовані в правильній структурі, що повторюється, в трьох просторових вимірах. Структура водних кристалів дещо відрізняється. На думку Айзека, лише 10% водневих зв'язків у льоду є ковалентними, тобто. із досить стабільною інформацією. Водневі зв'язки між киснем однієї молекули води та воднем іншої виявляють найбільшу чутливість до зовнішніх впливів. Спектр води при побудові кристалів є відносно різним у часі. Згідно з доведеним Антоновим та Юскеселієвим ефектом дискретного випаровування водної краплі та його залежності від енергетичних станів водневих зв'язків, ми можемо шукати відповідь щодо структурування кристалів. Кожна частина спектру залежить від поверхневого напруження водяних крапель. У спектрі шість піків, які вказують на розгалуження сніжинки.

Очевидно те, що в експериментах Емото початкова «контрольна» проба впливає на вигляд кристалів. Це означає те, що після впливу певного фактора можна очікувати формування подібних кристалів. Майже неможливо одержати однакові кристали. При перевірці впливу слова "любов" на воду, Емото не вказує ясно, чи був даний експеримент здійснений з різними пробами.

Необхідні подвійно сліпі експерименти для того, щоб перевірити, чи достатньо диференційовано методику Емото. Доказ Айзека про те, що 10% водяних молекул після замерзання утворюють ковалентні зв'язки, показує, що вода використовує при замерзанні цю інформацію. Досягнення Емото навіть без подвійно сліпих експериментів залишається досить важливим щодо інформаційних властивостей води.

Природна сніжинка, Вілсон Бентлі, 1925

Сніжинка Емото, отримана із природної води

Одна сніжинка – природна, а інша – створена Емото, вказує на те, що різноманіття у водяному спектрі не безмежне.

Earthquake, Sofia, 4.0 Richter scale, 15 Листопада 2008,
Dr. Ignatov, 2008 ©, Prof. Antonov's device©

Ця фігура вказує на різницю між контрольною пробою та зробленими в інші дні. Молекули води розривають найбільш енергетичні водневі зв'язки у воді, а також два піки у спектрі під час природного явища. Дослідження було здійснено за допомогою приладу Антонова. Біофізичний ефект показує зниження життєвого тонусу організму при землетрусі. Під час землетрусу вода не може змінювати свою структуру у сніжинках у лабораторії Емото. Існують докази про зміну електропровідності води під час землетрусу.

У 1963 р. танзанійський школяр Ерасто Мпемба помітив, що гаряча вода замерзає швидше за холодну. Цей феномен отримав назву ефект Мпемба. Хоча унікальна властивість води була помічена набагато раніше Аристотелем, Френсісом Беконом та Рене Декартом. Явище було доведено багаторазово цілою низкою незалежних один одного експериментів. У води є ще одна дивна властивість. На мою думку, пояснення цьому таке: у диференціально нерівноважного енергетичного спектру (ДНЕС) кип'яченої води менша середня енергія водневих зв'язок між водяними молекулами, ніж у проби, взятої за кімнатної температури Це означає, що кип'яченій воді необхідно менше енергії для того, щоб почати структурувати кристали і замерзнути.

Розгадка структури льоду та його властивостей полягає у будові його кристала. Кристали всіх модифікацій льоду побудовані з молекул води H 2 O, з'єднаних водневими зв'язками тривимірні сітчасті каркаси з певним розташуванням водневих зв'язків. Молекулу води можна спрощено уявити у вигляді тетраедра (піраміди з трикутною основою). У її центрі знаходиться атом кисню, що у стані sp 3 -гібридизації, а двох вершинах - по атому водню, однією з 1s-електронів яких задіяні у освіті ковалентної Н-О зв'язку з киснем. Дві вершини, що залишилися, займають пари неспарених електронів кисню, які не беруть участь в утворенні внутрішньомолекулярних зв'язків, тому їх називають неподіленими. Просторова форма молекули Н 2 Про пояснюється взаємним відштовхуванням атомів водню та неподілених електронних пар центрального атома кисню.

Водневий зв'язок має важливе значення в хімії міжмолекулярних взаємодій та обумовлений слабкими електростатичними силами та донорно-акцепторними взаємодіями. Вона виникає при взаємодії електронодефіцитного електронами атома водню однієї молекули води з неподіленою електронною парою атома кисню сусідньої молекули води (О-Н…О). Відмінною особливістю водневого зв'язку є порівняно низька міцність; вона в 5-10 разів слабша за хімічний ковалентний зв'язок. По енергії водневий зв'язок займає проміжне положення між хімічним зв'язком і ван-дер-ваальсовою взаємодією, що утримують молекули в твердій або рідкій фазі. Кожна молекула води в кристалі льоду може одночасно утворювати чотири водневі зв'язки з іншими сусідніми молекулами під строго певними кутами, рівними 109°47", спрямованих до вершин тетраедра, які не дозволяють при замерзанні води створювати щільну структуру (рис. 3). У структурах льоду. I, Ic, VII і VIII цей тетраедр правильний У структурах льоду II, III, V і VI тетраедри помітно спотворені У структурах льоду VI, VII і VIII можна виділити дві системи водневих зв'язків, що взаємоперехрещуються. у вигляді сітчастої сітки, що структура нагадує шестигранні стільники з порожніми внутрішніми каналами, якщо лід нагріти, сітчаста структура руйнується: молекули води починають провалюватися в порожнечі сітки, призводячи до щільнішої структури рідини, - цим пояснюється, чому вода важча за льоду.

Рис. 3. Утворення водневого зв'язку між чотирма молекулами Н 2 (червоні кульки позначають центральні атоми кисню, білі кульки – атоми водню)

Специфіка водневих зв'язків та міжмолекулярних взаємодій, характерна для структури льоду, зберігається в талій воді, тому що при плавленні кристала льоду руйнується лише 15% усіх водневих зв'язків. Тому властивий льоду зв'язок кожної молекули води з чотирма сусідніми ("ближній порядок") не порушується, хоча й спостерігається більша розмитість кисневої каркасної решітки. Водневі зв'язки можуть зберігатися при кипінні води. Лише у водяній парі водневі зв'язки відсутні.

Лід, який утворюється при атмосферному тиску і плавиться при 0 ° С, - найзвичніша, але все ж таки до кінця не вивчена речовина. Багато чого в його структурі та властивостях виглядає незвичайно. У вузлах кристалічної решітки льоду атоми кисню тетраедрів молекул води вибудовані впорядковано, утворюючи правильні шестикутники, на зразок шестигранних бджолиних сот, а атоми водню займають різні положення на сполучних атомах кисню водневих зв'язках (рис. 4). Тому можливі шість еквівалентних орієнтацій молекул води щодо їхніх сусідів. Частина їх виключається, оскільки перебування одночасно двох протонів однією водневого зв'язку малоймовірно, але залишається достатня невизначеність в орієнтації молекул води. Така поведінка атомів нетипова, оскільки в твердій речовині всі атоми підпорядковуються одному закону: або вони атоми розташовані впорядковано, і тоді це кристал, або випадково, і тоді це аморфна речовина. Така незвичайна структура може реалізуватися в більшості модифікацій льоду - I h , III, V, VI і VII (і мабуть в Ic) (табл. 3), а в структурі льоду II, VIII та IX молекули води орієнтаційно впорядковані. За висловом Дж. Бернала лід кристалічний щодо атомів кисню і склоподібний щодо атомів водню.

Рис. 4. Структура льоду природної гексагональної конфігурації I h

В інших умовах, наприклад у Космосі при великих тисках і низьких температурах, лід кристалізується інакше, утворюючи інші кристалічні грати та модифікації (кубічна, тригональна, тетрагональна, моноклінна та ін.), кожна з яких має власну структуру та кристалічні грати (табл. 3 ). Структури льодів різних модифікацій було розраховано російськими дослідниками д.х.н. Г.Г. Маленковим та к.фіз.-мат.н. Є.А. Желігівській з Інституту фізичної хімії та електрохімії ім. О.М. Фрумкіна Російської академії наук. Льоди II, III та V-ї модифікації тривалий час зберігаються при атмосферному тиску, якщо температура не перевищує -170 °С (рис. 5). При охолодженні приблизно до -150 ° С природний лід перетворюються на кубічний лід Ic, що складається з кубів та октаедрів розміром у кілька нанометрів. Лід I c іноді з'являється при заморожуванні води в капілярах, чому, мабуть, сприяє взаємодія води з матеріалом стінки і повторення його структури. Якщо температура трохи вище -110 0 C, на металевій підкладці формуються кристали більш щільного та важкого склоподібного аморфного льоду із щільністю 0,93 г/см 3 . Обидві ці форми льоду можуть спонтанно переходити в гексагональний лід, причому тим швидше, чим вища температура.

Табл. 3. Деякі модифікації льоду та їх фізичні параметри.

Модифікація

Кристалічна структура

Довжини водневих зв'язків, Å

Кути Н-О-Н у тетраедрах, 0

Гексагональна

Кубічна

Тригональна

Тетрагональна

Моноклінна

Тетрагональна

Кубічна

Тетрагональна

Примітка. 1 Å = 10 -10 м

Рис. 5. Діаграма стану кристалічних льодів різних модифікацій.

Існують і льоди високого тиску – II та III тригональної та тетрагональної модифікацій, утворені з порожніх соток, сформованих шестикутними гофрованими елементами, зрушеними один щодо одного на одну третину (рис. 6 та рис. 7). Ці льоди стабілізуються у присутності благородних газів гелію та аргону. У структурі льоду V моноклинної модифікації кути між сусідніми атомами кисню становлять від 86 0 до 132°, що відрізняється від валентного кута в молекулі води, що становить 105°47'. Лід VI тетрагональної модифікації складається з двох вставлених одна в одну каркасів, між якими немає водневих зв'язків, у результаті формується об'ємоцентровані кристалічні ґрати (рис. 8). Основу структури льоду VI складають гексамери – блоки із шести молекул води. Їх конфігурація точно повторює будову стійкого кластера води, яку дають розрахунки. Аналогічну структуру з каркасами льоду I, вставлених один в одного, мають льоди VII та VIII кубічної модифікації, які є низькотемпературними впорядкованими формами льоду VII. При подальшому збільшенні тиску відстань між атомами кисню в кристалічній решітці льодів VII і VIII зменшуватиметься, в результаті формується структура льоду X, атоми кисню в якому вибудовані в правильну решітку, а впорядковані протони.

Рис. 7. Лід ІІІ-ї конфігурації.

Лід XI утворюється при глибокому охолодженні льоду I h c добавкою лугу нижче 72 К при нормальному тиску. У цих умовах утворюються гідроксильні дефекти кристала, що дозволяють кристалу льоду, що росте, змінювати свою структуру. Лід XI має ромбічну кристалічну решітку з упорядкованим розташуванням протонів і формується відразу в багатьох центрах кристалізації біля гідроксильних дефектів кристала.

Рис. 8. Лід VI конфігурації.

Серед льодів є і метастабільні форми IV і XII, часи життя яких становлять секунди, що мають найкрасивішу структуру (рис. 9 і 10). Для отримання метастабільних льодів слід стискати лід I h до тиску 1,8 ГПа за нормальної температури рідкого азоту. Ці льоди утворюються набагато легше і особливо стабільні, якщо на тиск піддається переохолоджена важка вода. Інша метастабільна модифікація - лід IX утворюється при переохолодженні льоду III і по суті є його низькотемпературною формою.

Рис. 9. Лід IV-конфігурації.

Рис. 10. Лід XII конфігурації.

Дві останні модифікації льоду – з моноклінною XIII та ромбічною конфігурацією XIV були відкриті вченими з Оксфорда (Великобританія) зовсім недавно – у 2006 році. Припущення про те, що повинні існувати кристали льоду з моноклинними і ромбічними ґратами, було важко підтвердити: в'язкість води при температурі -160 °С дуже висока, і зібратися разом молекул чистої переохолодженої води в такій кількості, щоб утворився зародок кристала, важко. Цього вдалося досягти за допомогою каталізатора – соляної кислоти, яка підвищила рухливість молекул води за низьких температур. На Землі подібні модифікації льоду утворюватися не можуть, але вони можуть існувати в Космосі на застиглих планетах і замерзлих супутниках і кометах. Так, розрахунок щільності та теплових потоків з поверхні супутників Юпітера та Сатурна дозволяє стверджувати, що у Ганімеда та Каллісто має бути крижана оболонка, в якій чергуються льоди I, III, V та VI. У Титана льоди утворюють не кору, а мантію, внутрішній шар якої складається з льоду VI, інших льодів високого тиску та клатратних гідратів, а зверху розташований лід I h .

Рис. 11. Різноманітність та форма сніжинок у природі

Високо в атмосфері Землі за низької температури вода кристалізується з тетраедрів, що формують гексагональний лід I h . Центром утворення кристалів льоду є тверді частинки пилу, що піднімає у верхні шари атмосфери вітер. Навколо цього зародкового мікрокристалу льоду в шести симетричних напрямках наростають голочки, утворені окремими молекулами води, у яких виростають бічні відростки - дендрити. Температура та вологість повітря навколо сніжинки однакові, тому спочатку вона симетрична за своєю формою. У міру формування сніжинки поступово опускаються у нижчі шари атмосфери, де температура вища. Тут відбувається плавлення та його ідеальна геометрична форма спотворюється, формуючи різноманіття сніжинок (рис. 11).

При подальшому плавленні гексагональна структура льоду руйнується і утворюється суміш циклічних асоціатів кластерів, а також три-, тетра-, пента-, гекса-мерів води (рис. 12) і вільних молекул води. Вивчення будови кластерів, що утворюються, часто значно утруднено, оскільки вода за сучасними даними - суміш різних нейтральних кластерів (Н 2 О) n та їх заряджених кластерних іонів [Н 2 О] + n і [Н 2 О] - n , що знаходяться в динамічній рівновазі між собою з часом життя 10-11-10-12 секунд.

Рис. 12.Можливі кластери води (а-h) складу (Н 2 О) n де n = 5-20.

Кластери здатні взаємодіяти один з одним за рахунок граней водневих зв'язків, що виступають назовні, утворюючи більш складні поліедричні структури, такі як гексаедр, октаедр, ікосаедр і додекаедр. Таким чином, структура води пов'язана з так званими Платоновими тілами (тетраедр, гексаедр, октаедр, ікосаедр і додекаедр), названими на честь давньогрецького філософа і геометра Платона, що їх відкрили, форма яких визначається золотою пропорцією (рис. 13).

Рис. 13. Платонові тіла, геометрична форма яких визначається золотою пропорцією.

Число вершин (В), граней (Г) і ребер (Р) у будь-якому просторовому багатограннику описується співвідношенням:

В + Г = Р + 2

Відношення кількості вершин (В) правильного багатогранника до кількості ребер (Р) однієї його грані дорівнює відношенню кількості граней (Г) цього ж багатогранника до кількості ребер (Р), що виходять з однієї його вершини. У тетраедра це відношення дорівнює 4:3, у гексаедра (6 граней) та октаедра (8 граней) - 2:1, а у додекаедра (12 граней) та ікосаедра (20 граней) - 4:1.

Стуктури поліедричних кластерів води, розраховані російськими вченими, було підтверджено за допомогою сучасних методів аналізу: спектроскопією протонного магнітного резонансу, фемтосекундною лазерною спектроскопією, дифракцією рентгенівських променів та нейтронів на кристалах води. Відкриття кластерів води та здатність води зберігати інформацію – два найважливіші відкриття XXI тисячоліття. Це наочно доводить, що природі характерна симетрія як точних геометричних форм і пропорцій, характерним кристалам льоду.

ЛІТЕРАТУРА.

1. Бєлянін В., Романова Є. Життя, молекула води та золота пропорція // Наука і життя, 2004, Т. 10, № 3, с. 23-34.

2. Шумський П. А., Основи структурного льодознавства. – Москва, 1955б с. 113.

3. Мосін О.В., Ігнатов І. Усвідомлення води як субстанції життя. // Свідомість та фізична реальність. 2011, Т 16 № 12, с. 9-22.

4. Петрянов І. В. Найнезвичайніша речовина у світі. Москва, Педагогіка, 1981, с. 51-53.

5 Ейзенберг Д, Кауцман В. Будова та властивості води. - Ленінград, Гідрометеоздат, 1975, с. 431.

6. Кульський Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Г. Вода знайома та загадкова. - Київ, Родянбська школа, 1982, с. 62-64.

7. Зацепіна Г. Н. Структура та властивості води. - Москва, вид. МДУ, 1974, с. 125.

8. Антонченко В. Я., Давидов Н. С., Ільїн В. В. Основи фізики води – Київ, Наукова думка, 1991, с. 167.

9. Simonite T. DNA-like ice "seen" всередині carbon nanotubes // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Емото М. Послання води. Таємні коди кристалів льоду. – Софія, 2006. с. 96.

11. Зенін С. В., Тяглов Б. В. Природа гідрофобної взаємодії. Виникнення орієнтаційних полів у водних розчинах// Журнал фізичної хімії, 1994, Т. 68, № 3, с. 500–503.

12. Піментел Дж., Мак-Клеллан О. Водневим зв'язком - Москва, Наука, 1964, с. 84-85.

13. Бернал Дж., Фаулер Р. Структура води та іонних розчинів // Успіхи фізичних наук, 1934, Т. 14 № 5, с. 587-644.

14. Хобза П., Заградник Р. Міжмолекулярні комплекси: Роль Ван-дер-ваальсових систем у фізичній хімії та біодисциплінах. - Москва, Світ, 1989, с. 34-36.

15. Паундер Е. Р. Фізика льоду, пров. з англ. - Москва, 1967, з. 89.

16. Комаров С. М. Крижані візерунки високого тиску. // Хімія життя й, 2007, №2, З. 48-51.

17. Є. А. Желіговська, Г. Г. Маленков. Кристалічні льоди // Успіхи хімії, 2006 № 75, с. 64.

18. Fletcher N.H.

19. Немухін А. В. Різноманітність кластерів// Російський хімічний журнал, 1996, Т. 40, № 2, с. 48-56.

20. Мосін О.В., Ігнатов І. Структура води та фізична реальність. // Свідомість та фізична реальність, 2011, Т. 16, № 9, с. 16-32.

21. Ігнатов І. Біоенергетична медицина. Зародження живої матерії, пам'ять води, біорезонанс, біофізичні поля. - ГеяЛібріс, Софія, 2006, с. 93.

Тривимірний стан рідкої води важко досліджувати, але багато чого було вивчено шляхом аналізу структури кристалів льоду. Чотири сусідні атоми кисню з водневою взаємодією займають вершини тетраедра (тетра = чотири, гедрон = площина). Середня енергія, необхідна для руйнування подібного зв'язку в льоду, оцінюється в 23 кДж/моль-1.

Здатність молекул води утворювати цю кількість водневих ланцюгів, а також зазначена міцність створює надзвичайно високу температуру плавлення. Коли він тане, то утримується рідкою водою, структура якої нерегулярна. Більшість водневих зв'язків спотворюється. Для руйнування кристалічних ґрат льоду з водневим зв'язком потрібна велика маса енергії у вигляді тепла.

Особливості появи льоду (Ih)

Багато хто з обивателів задаються питанням про те, які кристалічні грати біля льоду. Слід зазначити, що щільність більшості речовин зростає при заморожуванні, коли молекулярні рухи уповільнюються і утворюються щільно упаковані кристали. Щільність води також збільшується, коли вона остигає до досягнення максимуму за 4°C (277K). Потім, коли температура опускається нижче за це значення, вона розширюється.

Це збільшення обумовлено утворенням відкритого воднево-зв'язаного кристала льоду з його решіткою і меншою щільністю, в якому кожна молекула води жорстко пов'язана зазначеним вище елементом і чотирма іншими значеннями, і при цьому рухається досить швидко, щоб мати більшу масу. Оскільки відбувається подібна дія, рідина замерзає зверху донизу. Це має важливі біологічні результати, внаслідок яких шар льоду на ставку ізолює живих істот подалі від сильного холоду. Крім того, дві додаткові властивості води пов'язані з його водневими характеристиками: питомою теплоємністю та випаром.

Детальний опис структур

Перший критерій є кількість, необхідне підвищення температури 1 грама речовини на 1°С. Для підвищення градусів води потрібна відносно більша частина тепла, тому що кожна молекула бере участь у численних водневих зв'язках, які мають бути зруйновані, щоб кінетична енергія збільшувалася. До речі, велика кількість H 2 O у клітинах і тканинах всіх великих багатоклітинних організмів означає, що флуктуація температури всередині клітин зведена до мінімуму. Ця особливість має вирішальне значення, оскільки швидкість більшості біохімічних реакцій є чутливою.

Також значно вище, ніж у багатьох інших рідин. Для перетворення цього тіла на газ потрібна велика кількість тепла, тому що водневі зв'язки повинні бути зруйновані, щоб молекули води могли дислокуватися одна від одної та увійти у вказану фазу. Змінювані тіла є постійні диполі і можуть взаємодіяти з іншими подібними сполуками і тими, що іонізуються і розчиняються.

Інші речовини, зазначені вище, можуть вступати в контакт лише за наявності полярності. Саме така сполука бере участь у будові цих елементів. Крім того, воно може вирівнюватися навколо цих частинок, утворених з електролітів, тому негативні атоми кисню молекул води орієнтовані на катіони, а позитивні іони та атоми водню, орієнтовані на аніони.

Утворюються, як правило, молекулярні кристалічні грати та атомні. Тобто якщо йод побудований таким чином, що в ньому присутній I 2, то у твердому діоксиді вуглецю, тобто у сухому льоді, у вузлах кристалічних ґрат знаходяться молекули CO 2 . При взаємодії з подібними речовинами, іонні кристалічні грати має лід. Графіт, наприклад, що володіє атомною структурою, в основі якої вуглець, не здатний її міняти, як і алмаз.

Що відбувається, коли кристал столової солі розчиняється у воді: полярні молекули притягуються до заряджених елементів у кристалі, що призводить до утворення подібних частинок натрію та хлориду на його поверхні, в результаті ці тіла дислокуються один від одного, і він починає розчинятися. Звідси можна спостерігати, що крига має кристалічну решітку з іонним зв'язком. Кожен розчинений Na + притягує негативні кінці кількох молекул води, тоді як кожен розчинений Cl притягує позитивні кінці. Оболонка, що оточує кожен іон, називається сферою порятунку і зазвичай містить кілька шарів частинок розчинника.

Кажуть, що змінні чи іон, оточені елементами, є сульфатованими. Коли розчинником є вода, такі частинки гідратуються. Таким чином, будь-яка полярна молекула має тенденцію до сольватації елементами рідкого тіла. У сухого льоду тип кристалічних ґрат утворює в агрегатному стані атомні зв'язки, які незмінні. Інша справа – кристалічний лід (заморожена вода). Іонні органічні сполуки, такі як карбоксилази та протоновані аміни, повинні мати розчинність у гідроксильній та карбонільній групах. Частинки, які у таких структурах, рухаються між молекулами, причому їх полярні системи утворюють водневі зв'язку з цим тілом.

Звичайно, кількість останніх зазначених груп у молекулі впливає на її розчинність, яка також залежить від реакції різних структур в елементі: наприклад, одно-, дво- і трьох вуглецеві спирти змішуються з водою, але більші вуглеводні з одиночними гідроксильними сполуками набагато менш розбавляються в рідини.

Шестикутний Ih схожий формою з атомною кристалічною решіткою. Біля льоду та всього природного снігу на Землі вона виглядає саме так. Про це свідчить симетрія кристалічних ґрат льоду, вирощена з водяної пари (тобто сніжинок). Знаходиться в космічній групі P 63/мм з 194; D 6h, класу Лауе 6/мм; аналогічний β-, що має кратну 6-ти гвинтову вісь (обертання навколо на додаток до зсуву вздовж неї). Він має досить відкриту структуру з низькою щільністю, де ефективність низька (~ 1/3) у порівнянні з простими кубічними (~ 1/2) або гранецентрованими кубічними (~ 3/4) структурами.

Порівняно зі звичайним льодом, кристалічні грати сухого льоду, пов'язані молекулами CO 2 , статичні і змінюються лише за розпаду атомів.

Опис решіток та елементів, що входять до них

Кристали можна розглядати як кристалічні моделі, що складаються з листів, розташованих один над одним. Водневий зв'язок упорядкований, тоді як насправді він випадковий, оскільки протони можуть переміщатися між молекулами води (льоду) при температурах вище приблизно 5 К. Дійсно, цілком ймовірно, що протони поводяться, як квантова рідина в постійному тунельованому потоці. Це посилюється розсіюванням нейтронів, що показують щільність їх розсіювання на півдорозі між атомами кисню, що вказує на локалізацію та узгоджений рух. Тут спостерігається схожість льоду з атомними, молекулярними кристалічними ґратами.

Молекули мають ступінчасте розташування водневого ланцюга по відношенню до трьох своїх сусідів у площині. Четвертий елемент має затемнене розташування водневого зв'язку. Існує невелике відхилення від ідеальної шестикутної симетрії як на 0,3% коротше в напрямку цього ланцюга. Усі молекули відчувають однакові молекулярні середовища. Усередині кожної "коробки" достатньо місця для утримання частинок інтерстиціальної води. Хоча це, як правило, не вважається, нещодавно вони були ефективно виявлені нейтронною дифракцією порошкоподібною кристалічною решіткою льоду.

Зміна речовин

Шестикутне тіло має потрійні точки з рідкою та газоподібною водою 0,01°C, 612 Па, твердими елементами – три –21,985°C, 209,9 МПа, одинадцять та два –199,8°C, 70 МПа, а також –34 ,7 ° C, 212,9 МПа. Діелектрична проникність гексагонального льоду становить 97,5.

Крива плавлення цього елемента надається МПа. Рівняння стану доступні, крім них, деякі прості нерівності, що пов'язують зміну фізичних властивостей з температурою гексагонального льоду та його водних суспензій. Твердість коливається в залежності від градусів, що зростають приблизно від або нижче гіпсу (≤2) при 0°С, до рівня польового шпату (6 по -80°С, аномально велика зміна абсолютної твердості (> 24 рази)).

Шестикутні кристалічні грати льоду утворюють гексагональні пластини і стовпці, де верхня і нижня грані є базальними площинами (0 0 0 1) з ентальпією 5,57 мкДж · см -2 , а інші еквівалентні бічні називаються частинами призми (1 0 -1 0) 5,94 мкДж · см -2. Вторинні поверхні (1 1 -2 0) з 6.90 μJ - см -2 можуть бути сформовані по площинах, утвореними сторонами структур.

Подібна будова показує аномальне зменшення теплопровідності зі збільшенням тиску (як кубічний, і аморфний лід низької щільності), але відрізняється від більшості кристалів. Це пов'язано із зміною водневого зв'язку, що зменшує поперечну швидкість звуку в кристалічній решітці льоду та води.

Існують методи, що описують, як підготувати великі зразки кристала та будь-яку бажану поверхню льоду. Передбачається, що водневий зв'язок на поверхні гексагонального досліджуваного тіла буде більш упорядкованим, ніж усередині об'ємної системи. Варіаційна спектроскопія з генерацією по частоті коливань з фазовими гратами показала, що існує структурна асиметрія між двома верхніми шарами (L1 і L2) у підповерхневому HO ланцюга базальної поверхні гексагонального льоду. Прийняті водневі зв'язки у верхніх шарах шестикутників (L1 O ··· HO L2) сильніші, ніж прийняті у другому шарі до верхнього накопичення (L1 OH ··· O L2). Доступні інтерактивні структури гексагонального льоду.

Особливості розвитку

Мінімальна кількість молекул води, необхідних для зародження льоду, приблизно 275 ± 25, як і для повного ікосаедричного кластера 280. Утворення відбувається з коефіцієнтом 10 10 на поверхні розділу повітря-вода, а не в об'ємній воді. Зростання кристалів льоду залежить від різних темпів зростання різних енергій. Вода повинна бути захищена від замерзання при криоконсервуванні біологічних зразків, їжі та органів.

Зазвичай це досягається швидкими швидкостями охолодження, використанням невеликих зразків та кріо консерватора, а також збільшенням тиску для утворення зародків льоду та запобігання пошкодженню клітин. Вільна енергія льоду/рідини збільшується від ~ 30 мДж/м 2 при атмосферному тиску до 40 мДж/м -2 при 200 МПа, що вказує на причину, через яку відбувається подібний ефект.

Як альтернатива, вони можуть рости швидше з поверхонь призми (S2), на випадково порушеній поверхні швидкозаморожених або схвильованих озер. Зростання від граней (1 1 -2 0), по крайнього заходу, той самий, але перетворює в підстави призми. Дані розвитку кристала льоду були повністю досліджені. Відносні швидкості зростання елементів різних граней залежать від здатності утворювати велику міру спільної гідратації. Температура (низька) навколишньої води визначає ступінь розгалуження у кристалі льоду. Зростання часток обмежується швидкістю дифузії за низького ступеня переохолодження, тобто<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Але обмежено кінетикою розвитку за більш високих рівнях зниження градусів >4°C, що зумовлює голчастому росту. Ця форма схожа з будовою сухого льоду (має кристалічну решітку із шестикутною структурою), різними характеристиками розвитку поверхні та температурою навколишньої (переохолодженої) води, яка знаходиться за плоскими формами сніжинок.

Зародження льоду в атмосфері глибоко впливає на освіту та властивості хмар. Польові шпати, виявлені в пустинному пилу, який потрапляє в атмосферу мільйонами тонн на рік, є важливими утворювачами. p align="justify"> Комп'ютерне моделювання показало, що це пов'язано із зародженням площин призматичних кристалів льоду на площинах поверхні високих енергій.

Деякі інші елементи та грати

Розчинені речовини (за винятком дуже невеликого гелію та водню, які можуть входити до міжвузля) не можуть бути включені до структури Ih при атмосферному тиску, але витісняються на поверхню або аморфний шар між частинками мікрокристалічного тіла. У вузлах кристалічної решітки сухого льоду знаходяться деякі інші елементи: хаотропні іони, такі як NH 4 + і Cl - , які включені в легше заморожування рідини, ніж інші коглядопні, такі як Na + і SO 4 2- , тому їх видалення неможливо, через те, що вони утворюють тонку плівку з рідини, що залишилася, між кристалами. Це може призвести до електричної зарядки поверхні через дисоціацію поверхневої води, що врівноважує заряди, що залишилися (що також може призвести до магнітного випромінювання) і зміни рН залишкових рідких плівок, наприклад, NH 4 2 SO 4 стає більш кислим і NaCl стає більш лужним.

Вони перпендикулярні граням кристалічних ґрат льоду, що показує приєднаний наступний шар (з атомами О-чорний). Їм характерна базальна поверхня, що повільно зростає (0 0 0 1), де прикріплюються тільки ізольовані молекули води. Поверхня призми, що швидко зростає (1 0 -1 0), де пари новоприєднаних частинок можуть зв'язуватися один з одним воднем (одна його зв'язок/дві молекули елемента). Найбільш швидко зростаюча грань (1 1 -2 0) (вторинна призматика), де ланцюжки новоприєднаних частинок можуть взаємодіяти один з одним водневим зв'язком. Один її ланцюжок/молекула елемента - це форма, що утворює хребти, які ділять і заохочують перетворення на дві сторони призми.

Ентропія нульової точки

k Bˣ Ln ( N

Вчені та їх праці у цій сфері

Може бути визначена як S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), де k B - це стала Больцмана, N E - це число змін при енергії E, а E0 - найменша енергія. Це значення для ентропії гексагонального льоду при нульовому кельвіні не порушує третього закону термодинаміки «Ентропія ідеального кристала при абсолютному нулі дорівнює нулю», оскільки ці елементи і частинки не ідеальні, мають невпорядковане водневе зв'язування.

У цьому тілі водневий зв'язок є випадковим і швидко змінюється. Ці структури не точно рівні по енергії, а поширюються на дуже багато енергетично близьких станів, підпорядковуються «правилам льоду». Ентропія нульової точки - це безлад, який залишався б, навіть якщо матеріал міг би бути охолоджений до абсолютного нуля (0 K = -273,15°C). Породжує експериментальну плутанину для гексагонального льоду 3,41 (± 0,2) - моль -1 - K -1 . Теоретично, можна було б обчислити нульову ентропію відомих крижаних кристалів з набагато більшою точністю (нехтуючи дефектами та розкидом енергетичних рівнів), ніж визначити її експериментально.

Хоча порядок протонів в об'ємному льоду не впорядкований, поверхня, ймовірно, віддає перевагу порядку зазначених частинок у вигляді смуг Н-атомів, що звисають, і О-одинокових пар (нульова ентропія з упорядкованими водневими зв'язками). Знайдено безлад нульової точки ZPE, J mol -1 K -1 та інших. З усього вищевикладеного видно і відомо, які типи кристалічних ґрат характерні для льоду.

Якщо у вузлах кристалічних ґрат знаходяться неполярні молекули якоїсь речовини (на кшталт йода I 2, кисню Про 2або азоту N 2), то вони не відчувають один до одного жодних електричних "симпатій". Інакше кажучи, їх молекули нічого не винні притягуватися з допомогою електростатичних сил. І все-таки щось їх утримує поряд. Що саме?

Виявляється, у твердому стані ці молекули підходять настільки близько одна до одної, що в їх електронних хмарах починаються миттєві (щоправда, дуже слабкі) зміщення- згущення та розрідження електронних хмар. Замість неполярних частинок виникають "миттєві диполі", які вже зможуть притягуватися одна до одної електростатично. Однак це тяжіння дуже слабке. Тому кристалічні решітки неполярних речовин неміцні і існують лише за дуже низької температури, при "космічному" холоді.

Астрономи дійсно виявили небесні тіла - комети, астероїди, навіть цілі планети, що складаються з замерзлого азоту, киснюта інших речовин, які у звичайних земних умовах існують у вигляді газів та стають твердими у міжпланетному просторі.

	Багато прості та складні речовини з молекулярноїкристалічними ґратами добре всім відомі. Це, наприклад, кристалічний йод I 2:
Ось як побудовані кристалічні грати йода: вона складається з молекул йоду (у кожній з них - два атоми йоду).
	І ці молекули досить слабко пов'язані між собою. Ось чому кристалічний йод такий летючий і вже при найлегшому нагріванні випаровується, перетворюючись на газоподібний йод – пару гарного фіолетового кольору.

У яких поширених речовин молекулярні кристалічні грати?

Кристалічна вода (лід) складається з полярних молекул води H2O.
Кристали "сухого льоду", яким охолоджують морозиво, - це також молекулярні кристали вуглекислого газу CO 2.
Ще один приклад – цукор, який утворює кристали з молекул цукрози.

Коли у вузлах кристалічних ґрат знаходяться молекули речовини, зв'язки між ними не дуже міцні, навіть якщо ці молекули - полярні.
Тому для того, щоб розплавити такі кристали або випаровувати речовини з молекулярною кристалічною структурою, не потрібно нагрівати їх до червоного жару.
Вже за 0 °С кристалічна структура льодуруйнується, і виходить вода. А "сухий лід" при звичайному тиску не плавиться, а одразу переходить у газоподібний диоксид вуглецю- Виганяє.

Інша справа - речовини з атомноїкристалічною решіткою, де кожен атом пов'язаний зі своїми сусідами дуже міцними ковалентними зв'язками, а весь кристал загалом за бажання вважатимуться величезної молекулою.

Наприклад можна розглянути кристал алмазу,який складається з атомів вуглецю.

	атом вуглецю З, який містить два неспарені р -електрона, перетворюється на атом вуглецю З, де всі чотири електрони зовнішнього валентного рівня розташовані на орбіталях поодинці та здатні утворювати хімічні зв'язки. Хіміки називають такий атом збудженим*".
У цьому випадку хімічних зв'язків виявляється цілих чотири, і все дуже міцні. Недарма алмаз - найтвердіша речовинау природі і з незапам'ятних часів вважається царем усіх самоцвітів та дорогоцінного каміння. Та й сама його назва означає по-грецьки "незламний".
	З огранених кристалів алмазувиходять діаманти, якими прикрашають дорогі ювелірні вироби

Найкрасивіші із знайдених людьми алмазів мають свою, часом трагічну історію. Читайте >>>

Але алмазйде не лише на прикраси. Його кристали використовуються в інструменті для обробки найтвердіших матеріалів, буріння гірських порід, різання та огранювання скла та кришталю.

Кристалічні грати алмазу (ліворуч) та графіту (праворуч)

Графітза складом той же вуглець, але структура кристалічних ґрат у нього не така, як у алмазу. В графітатоми вуглецю розташовані шарами, всередині яких з'єднання атомів вуглецю схоже бджолині стільники. Ці шари пов'язані між собою набагато слабше, ніж атоми вуглецю у кожному шарі. Тому графітлегко розшаровується на лусочки, і їм можна писати. Застосовується він для виготовлення олівців, а також як сухе мастило, придатне для деталей машин, що працюють при високій температурі. Крім того, графітдобре проводить електричний струм, і з нього роблять електроди.

Чи можна недорогий графітперетворити на дорогоцінний алмаз? Можна, але для цього буде необхідний великий тиск (кілька тисяч атмосфер) і висока температура (півтори тисячі градусів).
Набагато простіше "зіпсувати" алмаз: треба просто нагріти його без доступу повітря до 1500 °С, і кристалічна структура алмазуперетвориться на менш упорядковану структуру графіту.

Кристалічна структура льоду: молекули води з'єднані в правильні шестикутники. Молекула води (у центрі) пов'язані з чотирма найближчими сусідніми молекулами водневими зв'язками. Лід – кристалічна модифікація води. За останніми даними лід має 14 структурних модифікацій. Серед них є і кристалічні (їх більшість) і аморфні модифікації, але вони відрізняються один від одного взаємним розташуванням молекул води та властивостями. Правда, всі, крім звичного нам льоду, що кристалізує в гексагональній сингонії, утворюються в умовах екзотичних за дуже низьких температур і високих тисків, коли кути водневих зв'язків у молекулі води змінюються і утворюються системи, відмінні від гексагональної. Такі умови нагадують космічні та не зустрічаються на Землі. Наприклад, при температурі нижче –110 °С водяні пари випадають на металевій пластині у вигляді октаедрів та кубиків розміром у кілька нанометрів – це так званий кубічний лід. Якщо температура трохи вище -110 ° С, а концентрація пари дуже мала, на пластині формується шар виключно щільного аморфного льоду. Найдивовижніша властивість льоду - це дивовижне різноманіття зовнішніх проявів. При одній і тій же кристалічній структурі він може виглядати по-різному, набуваючи форми прозорих градин і бурульок, пластівців пухнастого снігу, щільної блискучої кірки льоду або гігантських льодовикових мас.

Сніжинка це монокристал льоду – різновид гексагонального кристала, але виріс швидко, у нерівноважних умовах. Над таємницею їхньої краси та нескінченної різноманітності не одне століття б'ються вчені. Життя сніжинки починається з того, що у хмарі водяної пари при зниженні температури утворюються кристалічні зародки льоду. Центром кристалізації можуть бути порошинки, будь-які тверді частинки або навіть іони, але в будь-якому випадку ці крижинки розміром менше десятої частки міліметра вже мають гексагональну кристалічну решітку. Водяна пара, конденсуючись на поверхні цих зародків, утворює спочатку крихітну гексагональну призму, з шести кутів зростати однакові крижані голочки бічні відростки, т.к. температура та вологість навколо зародка теж однакові. На них, у свою чергу, виростають, як на дереві, бічні відростки гілочки. Подібні кристали називають дендритами, тобто схожими на дерево. Пересуваючись вгору та вниз у хмарі, сніжинка потрапляє в умови з різною температурою та концентрацією водяної пари. Її форма змінюється, до останнього підкоряючись законам гексагональної симетрії. Так сніжинки стають різними. Досі не вдалося знайти серед сніжинок двох однакових.

Колір льоду залежить від його віку і може бути використаний для оцінки його міцності. Океанічний лід у перший рік свого життя білий, тому що він насичений повітряними бульбашками, від стін яких світло відбивається відразу ж, не встигнувши поглинутися. Влітку поверхня льоду тане, втрачає міцність, і під тяжкістю нових шарів бульбашки повітря, що лягають зверху, стискаються і зникають зовсім. Світло всередині льоду проходить більший шлях, ніж раніше, і виходить назовні, маючи блакитно-зелений відтінок. Блакитний лід старший, щільніший і міцніший за білого «піністого», насиченого повітрям. Полярні дослідники це знають і вибирають для своїх плавучих баз, наукових станцій та льодових аеродромів надійні блакитні та зелені крижини. Бувають чорні айсберги. Перше повідомлення в пресі про них з'явилося в 1773 р. Чорний колір айсбергів викликаний діяльністю вулканів - лід покритий товстим шаром вулканічного пилу, який навіть не змивається морською водою. Лід неоднаково холодний. Є дуже холодний лід, з температурою близько мінус 60 градусів, це лід деяких антарктичних льодовиків. Набагато тепліший лід гренландських льодовиків. Його температура дорівнює приблизно мінус 28 градусів. Зовсім "теплі льоди" (з температурою близько 0 градусів) лежать на вершинах Альп та Скандинавських гір.

Щільність води максимальна при +4 °C і дорівнює 1 г/мл, при зниженні температури зменшується. При кристалізації води щільність різко зменшується, для льоду вона дорівнює 0,91 г/см 3. Завдяки цьому лід легший за воду і при замерзанні водойм лід накопичується зверху, а на дні водойм виявляється більш щільна вода з температурою 4 ? С. Погана теплопровідність льоду і покриває його снігового покриву оберігає водоймища від замерзання до дна і створює цим умови життя мешканців водоймищ взимку.

Льодовики, крижані покрови, вічна мерзлота, сезонний сніговий покрив суттєво впливають на клімат великих регіонів та планети в цілому: навіть ті, хто ніколи не бачив снігу, відчувають на собі подих його мас, що скупчилися на полюсах Землі, наприклад, у вигляді багаторічних коливань рівня Світового океану. Лід має настільки велике значення для зовнішності нашої планети і комфортного проживання на ній живих істот, що вчені відвели для нього особливе середовище кріосферу, яка простягає свої володіння високо в атмосферу і глибоко в земну кору. Природний лід зазвичай значно чистіший, ніж вода, т.к. розчинність речовин (крім NH4F) у льоду вкрай низька. Загальні запаси льоду Землі близько 30 млн. км 3 . Найбільше льоду зосереджено Антарктиді, де товщина його шару сягає 4 км.