شبکه کریستالی از یخ و آب. اسرار کریستال های یخ ویژگی یخ به عنوان حالت آب

امروز در مورد خواص برف و یخ صحبت خواهیم کرد. شایان ذکر است که یخ نه تنها از آب تشکیل می شود. علاوه بر یخ آب، آمونیاک و یخ متان نیز وجود دارد. چندی پیش، دانشمندان یخ خشک را اختراع کردند. خواص آن منحصر به فرد است، ما آنها را کمی بعد در نظر خواهیم گرفت. هنگامی که دی اکسید کربن یخ می زند تشکیل می شود. یخ خشک به این دلیل نام خود را به خود اختصاص داده است که وقتی ذوب می شود گودال از خود باقی نمی گذارد. دی اکسید کربن موجود در آن بلافاصله از حالت یخ زده به هوا تبخیر می شود.

تعریف یخ

اول از همه، بیایید نگاهی دقیق تر به یخ که از آب به دست می آید بیندازیم. داخل آن یک شبکه کریستالی معمولی وجود دارد. یخ یک ماده معدنی طبیعی رایج است که هنگام یخ زدن آب تولید می شود. یک مولکول از این مایع به چهار مولکول مجاور متصل می شود. دانشمندان متوجه شده اند که چنین ساختار داخلی در سنگ های قیمتی مختلف و حتی مواد معدنی ذاتی است. به عنوان مثال، الماس، تورمالین، کوارتز، کوراندوم، بریل و دیگران این ساختار را دارند. مولکول ها توسط یک شبکه کریستالی در فاصله ای نگه داشته می شوند. این خواص آب و یخ نشان می دهد که چگالی چنین یخی کمتر از چگالی آبی خواهد بود که به واسطه آن تشکیل شده است. بنابراین یخ روی سطح آب شناور می شود و در آن فرو نمی رود.

میلیون ها کیلومتر مربع یخ

آیا می دانید چقدر یخ در سیاره ما وجود دارد؟ بر اساس تحقیقات اخیر دانشمندان، تقریباً 30 میلیون کیلومتر مربع آب یخ زده در سیاره زمین وجود دارد. همانطور که ممکن است حدس زده باشید، بخش عمده ای از این ماده معدنی طبیعی روی کلاهک های یخی قطبی یافت می شود. در برخی نقاط ضخامت پوشش یخی به 4 کیلومتر می رسد.

چگونه یخ بگیریم

درست کردن یخ اصلا سخت نیست. این فرآیند دشوار نیست و نیاز به مهارت خاصی ندارد. این به دمای پایین آب نیاز دارد. این تنها شرط ثابت برای فرآیند تشکیل یخ است. هنگامی که دماسنج شما دمای زیر صفر درجه سانتیگراد را نشان دهد، آب یخ می زند. فرآیند تبلور در آب به دلیل دمای پایین شروع می شود. مولکول های آن در یک ساختار منظم جالب ساخته شده اند. این فرآیند را تشکیل شبکه کریستالی می نامند. در اقیانوس، در گودال و حتی در فریزر هم همینطور است.

تحقیق در مورد فرآیند انجماد

با انجام تحقیقاتی در مورد موضوع انجماد آب، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که شبکه کریستالی در لایه های بالایی آب ساخته شده است. چوب های یخی میکروسکوپی شروع به تشکیل روی سطح می کنند. کمی بعد با هم یخ می زنند. به لطف این، یک لایه نازک روی سطح آب تشکیل می شود. یخ زدن توده های بزرگ آب در مقایسه با آب ساکن زمان بسیار بیشتری دارد. این به این دلیل است که باد سطح دریاچه، حوض یا رودخانه را موج می زند و موج می زند.

پنکیک یخی

دانشمندان مشاهدات دیگری انجام دادند. اگر هیجان در دمای پایین ادامه یابد، نازک ترین لایه ها در پنکیک هایی با قطر حدود 30 سانتی متر جمع آوری می شوند و سپس در یک لایه یخ می زنند که ضخامت آن حداقل 10 سانتی متر است. لایه جدیدی از یخ در بالا و پایین یخ می زند. از پنکیک های یخی این یک پوشش یخی ضخیم و بادوام ایجاد می کند. قدرت آن به نوع آن بستگی دارد: شفاف ترین یخ چندین برابر قوی تر از یخ سفید خواهد بود. کارشناسان محیط زیست متوجه شده اند که یخ 5 سانتی متری می تواند وزن یک بزرگسال را تحمل کند. یک لایه 10 سانتی متری می تواند یک خودروی سواری را تحمل کند، اما باید به خاطر داشت که بیرون رفتن روی یخ در پاییز و بهار بسیار خطرناک است.

خواص برف و یخ

فیزیکدانان و شیمیدانان مدتهاست خواص یخ و آب را مطالعه کرده اند. معروف ترین و همچنین مهم ترین خاصیت یخ برای انسان قابلیت ذوب آسان آن حتی در دمای صفر است. اما سایر خواص فیزیکی یخ نیز برای علم مهم هستند:

یخ شفاف است، بنابراین نور خورشید را به خوبی منتقل می کند.
بی رنگی - یخ رنگی ندارد، اما می توان آن را به راحتی با استفاده از افزودنی های رنگی رنگ کرد.
سختی - توده های یخ کاملاً شکل خود را بدون هیچ پوسته بیرونی حفظ می کنند.
سیالیت یک ویژگی خاص یخ است که فقط در برخی موارد ذاتی این ماده معدنی است.
شکنندگی - یک تکه یخ را می توان به راحتی بدون تلاش زیاد تقسیم کرد.
شکاف - یخ در مکان هایی که در امتداد یک خط کریستالوگرافی ذوب می شود به راحتی می شکند.

یخ: خواص جابجایی و خلوص

یخ درجه خلوص بالایی در ترکیب خود دارد، زیرا شبکه کریستالی فضای آزاد را برای مولکول های مختلف خارجی باقی نمی گذارد. هنگامی که آب یخ می زند، ناخالصی های مختلفی را که زمانی در آن حل شده بود، جابه جا می کند. به همین ترتیب، می توانید آب تصفیه شده را در خانه تهیه کنید.

اما برخی از مواد می توانند روند انجماد آب را کند کنند. به عنوان مثال، نمک در آب دریا. یخ در دریا فقط در دمای بسیار پایین تشکیل می شود. با کمال تعجب، فرآیند انجماد آب در هر سال قادر به حفظ خودپالایی ناخالصی های مختلف برای چندین میلیون سال متوالی است.

رازهای یخ خشک

ویژگی این یخ این است که در ترکیب خود کربن دارد. چنین یخی فقط در دمای -78 درجه تشکیل می شود، اما در حال حاضر در -50 درجه ذوب می شود. یخ خشک که خواص آن به شما امکان می دهد از مرحله مایعات عبور کنید، هنگام گرم شدن بلافاصله بخار تولید می کند. یخ خشک، مانند یخ آب همتای خود، هیچ بویی ندارد.

آیا می دانید یخ خشک در کجا استفاده می شود؟ این ماده معدنی به دلیل خواصی که دارد در حمل و نقل غذا و دارو در مسافت های طولانی مورد استفاده قرار می گیرد. و دانه های این یخ می تواند آتش بنزین را خاموش کند. همچنین زمانی که یخ خشک ذوب می شود، مه غلیظی تشکیل می دهد و به همین دلیل است که از آن در مجموعه فیلم ها برای ایجاد جلوه های ویژه استفاده می شود. علاوه بر تمام موارد ذکر شده، می توانید یخ خشک را در پیاده روی و در جنگل با خود ببرید. از این گذشته ، وقتی ذوب می شود ، پشه ها ، آفات مختلف و جوندگان را دفع می کند.

در مورد خواص برف، هر زمستان می توانیم این زیبایی شگفت انگیز را مشاهده کنیم. از این گذشته ، هر دانه برف شکل یک شش ضلعی دارد - این بدون تغییر است. اما علاوه بر شکل شش ضلعی، دانه های برف می توانند متفاوت به نظر برسند. تشکیل هر یک از آنها تحت تأثیر رطوبت هوا، فشار اتمسفر و سایر عوامل طبیعی است.

خواص آب، برف و یخ شگفت انگیز است. دانستن چند ویژگی دیگر آب مهم است. به عنوان مثال، می تواند شکل ظرفی که در آن ریخته می شود را به خود بگیرد. وقتی آب یخ می زند، منبسط می شود و همچنین حافظه دارد. قادر است انرژی اطراف را به خاطر بسپارد و هنگامی که یخ می زند، اطلاعاتی را که جذب کرده است "بازنشانی" می کند.

ما به مواد معدنی طبیعی - یخ نگاه کردیم: خواص و کیفیت آن. به تحصیل علم ادامه دهید، بسیار مهم و مفید است!

یو. آی. GOLOVIN
دانشگاه ایالتی تامبوف به نام. G.R. درژاوینا
مجله آموزشی سوروس، دوره 6، شماره 9، 2000

آب و یخ: آیا ما به اندازه کافی در مورد آنها می دانیم؟

یو. I. GOLOVIN

خواص فیزیکی آب و یخ توضیح داده شده است. مکانیسم های پدیده های مختلف در این مواد مورد بحث قرار می گیرد. علیرغم دوره طولانی مطالعه و ترکیب شیمیایی ساده، آب و یخ - این مواد برای زندگی روی زمین بسیار ارزشمند هستند - به دلیل ساختار پیچیده پروتون و مولکولی پویا، اسرار بسیاری را در خود جای داده اند.
مروری کوتاه بر خواص فیزیکی آب و یخ ارائه شده است. مکانیسم های پدیده های مختلف در آنها در نظر گرفته شده است. نشان داده شده است که، علیرغم تاریخچه قرن ها مطالعه، ساده ترین ترکیب شیمیایی و اهمیت استثنایی برای حیات روی زمین، ماهیت آب و یخ به دلیل پیچیده بودن پروتون پویا و ساختار مولکولی، مملو از اسرار بسیاری است.

اگرچه مردم بیشتر به سادگی نیاز دارند،
با این حال، این پیچیدگی برای آنها واضح تر است.

B.L. هویج وحشی

شاید هیچ ماده ای گسترده تر و در عین حال مرموزتر از آب در فاز مایع و جامد روی زمین وجود نداشته باشد. در واقع، کافی است به یاد داشته باشیم که همه موجودات زنده از آب می آیند و بیش از 50 درصد آن را تشکیل می دهند، 71 درصد از سطح زمین پوشیده از آب و یخ است و بخش قابل توجهی از مناطق خشکی شمالی را منجمد دائمی تشکیل می دهد. برای تجسم مقدار کل یخ در سیاره ما، توجه می کنیم که اگر آنها ذوب شوند، آب در اقیانوس جهانی بیش از 50 متر افزایش می یابد که منجر به سیل زمین های غول پیکر در سراسر جهان می شود. توده های عظیمی از یخ در کیهان از جمله منظومه شمسی کشف شده است. هیچ تولید یا فعالیت انسانی کم و بیش قابل توجهی وجود ندارد که در آن از آب استفاده نشود. در دهه های اخیر، ذخایر زیادی از سوخت به شکل هیدرات های جامد یخ مانند هیدروکربن های طبیعی کشف شده است.

در عین حال، پس از موفقیت های متعدد در فیزیک و شیمی فیزیک آب در سال های اخیر، به سختی می توان ادعا کرد که خواص این ماده ساده کاملا قابل درک و قابل پیش بینی است. این مقاله مروری کوتاه بر مهم ترین خواص فیزیکی آب و یخ و مسائل حل نشده مربوط به فیزیک حالت های دمای پایین آنها ارائه می دهد.

این یک مولکول پیچیده است

پایه های درک مدرن از شیمی فیزیک آب حدود 200 سال پیش توسط هنری کاوندیش و آنتوان لاووازیه گذاشته شد، آنها کشف کردند که آب یک عنصر شیمیایی ساده نیست، همانطور که کیمیاگران قرون وسطی معتقد بودند، بلکه ترکیبی از اکسیژن و هیدروژن در یک نسبت معین در واقع، هیدروژن (هیدروژن) - که آب را به دنیا می آورد - نام خود را فقط پس از این کشف دریافت کرد و آب نام شیمیایی مدرن خود را به دست آورد که اکنون برای هر دانش آموز مدرسه ای شناخته شده است - H 2 O.

بنابراین، مولکول H 2 O از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن ساخته شده است. همانطور که توسط مطالعات طیف نوری آب مشخص شده است، در حالت فرضی فقدان کامل حرکت (بدون نوسان و چرخش)، یون های هیدروژن و اکسیژن باید موقعیت هایی را در راس یک مثلث متساوی الساقین با زاویه ای در راس اشغال شده توسط اکسیژن اشغال کنند. از 104.5 درجه (شکل 1، a). در حالت تحریک نشده، فاصله بین یون های H + و O 2- 0.96 Å است. به لطف این ساختار، مولکول آب یک دوقطبی است، زیرا چگالی الکترون در منطقه ای که یون O 2- در آن قرار دارد به طور قابل توجهی بالاتر از منطقه یون های H + است و ساده ترین مدل - مدل کره ها - برای توصیف خواص آب مناسب نیست. شما می توانید یک مولکول آب را به شکل یک توپ با دو تورم کوچک در ناحیه ای که پروتون ها قرار دارند تصور کنید (شکل 1، ب). با این حال، این به درک یکی دیگر از ویژگی های آب کمک نمی کند - توانایی تشکیل پیوندهای هیدروژنی هدایت شده بین مولکول ها، که نقش بزرگی در شکل گیری ساختار فضایی شل، اما در عین حال بسیار پایدار آن ایفا می کند، که بیشتر موارد را تعیین می کند. خواص فیزیکی در هر دو حالت مایع و جامد

برنج. 1.نمودار هندسی (a)، مدل مسطح (b) و ساختار الکترونیکی فضایی (c) مونومر H 2 O. دو الکترون از چهار الکترون موجود در لایه بیرونی اتم اکسیژن در ایجاد پیوند کووالانسی با اتم‌های هیدروژن نقش دارند و دو مورد دیگر مدارهای الکترونی بسیار کشیده را تشکیل می دهند، صفحه ای که عمود بر صفحه H–O–H است.

بیایید به یاد بیاوریم که پیوند هیدروژنی پیوندی است بین اتم های یک مولکول یا مولکول های همسایه که از طریق اتم هیدروژن رخ می دهد. این یک موقعیت میانی بین یک پیوند کووالانسی و غیر ظرفیتی را اشغال می کند و زمانی تشکیل می شود که یک اتم هیدروژن بین دو اتم الکترونگاتیو (O، N، F، و غیره) قرار گیرد. الکترون موجود در اتم H نسبتاً ضعیف به پروتون متصل است، بنابراین حداکثر چگالی الکترون به اتم الکترونگاتیو تری تغییر می کند و پروتون در معرض دید قرار می گیرد و شروع به تعامل با اتم الکترونگاتیو دیگری می کند. در این حالت اتم های O⋅⋅⋅O، N⋅⋅⋅O و غیره به هم نزدیک می شوند. تا فاصله ای نزدیک به آنچه که در غیاب اتم H بین آنها برقرار می شود. پیوند هیدروژنی نه تنها ساختار آب را تعیین می کند، بلکه نقش بسیار مهمی در زندگی زیست مولکول ها دارد: پروتئین ها، کربوهیدرات ها، اسیدهای نوکلئیک و غیره. .

بدیهی است که برای توضیح ماهیت آب باید ساختار الکترونیکی مولکول های آن را در نظر گرفت. همانطور که می دانید، اتم اکسیژن چهار الکترون در لایه بالایی خود دارد، در حالی که هیدروژن فقط یک الکترون دارد. تشکیل هر پیوند کووالانسی O-H شامل یک الکترون از اتم های اکسیژن و هیدروژن است. دو الکترون باقیمانده در اکسیژن جفت تنها نامیده می شوند، زیرا در یک مولکول آب جدا شده آزاد می مانند و در تشکیل پیوندهای درون مولکول H 2 O شرکت نمی کنند. اما وقتی به مولکول های دیگر نزدیک می شوند، این الکترون های تنها هستند که با نقش تعیین کننده در شکل گیری ساختار مولکولی آب.

الکترون های تک توسط پیوندهای O-H دفع می شوند، بنابراین مدار آنها در جهت مخالف اتم های هیدروژن به شدت کشیده می شود و صفحات مداری نسبت به صفحه تشکیل شده توسط پیوندهای O-H-O می چرخند. بنابراین، درست تر است که یک مولکول آب را در فضای مختصات سه بعدی به تصویر بکشیم xyzبه شکل یک چهار وجهی که در مرکز آن یک اتم اکسیژن و در دو راس آن یک اتم هیدروژن وجود دارد (شکل 1، ج). ساختار الکترونیکی مولکول های H 2 O شرایط ارتباط آنها را در یک شبکه سه بعدی پیچیده از پیوندهای هیدروژنی در آب و یخ تعیین می کند. هر یک از پروتون ها می توانند با یک الکترون تنها یک مولکول دیگر پیوند ایجاد کنند. مولکول اول به عنوان گیرنده عمل می کند و مولکول دوم به عنوان دهنده عمل می کند و یک پیوند هیدروژنی تشکیل می دهد. از آنجایی که هر مولکول H2O دارای دو پروتون و دو الکترون تنها است، می تواند همزمان چهار پیوند هیدروژنی با مولکول های دیگر ایجاد کند. بنابراین، آب یک مایع پیچیده مرتبط با ماهیت دینامیکی اتصالات است و توصیف خواص آن در سطح مولکولی تنها با کمک مدل‌های مکانیکی کوانتومی با درجات مختلف پیچیدگی و دقت امکان‌پذیر است.

یخ و خواص آن

از دیدگاه افراد عادی، یخ بدون توجه به جایی که تشکیل می شود، کم و بیش یکسان است: در جو به صورت تگرگ، در لبه های پشت بام ها به عنوان یخ، یا در توده های آبی به عنوان صفحات. از نقطه نظر فیزیکی، یخ‌ها انواع مختلفی دارند که از نظر ساختار مولکولی و مزوسکوپی متفاوت هستند. در یخ موجود در فشار معمولی، هر مولکول H 2 O توسط چهار مولکول دیگر احاطه شده است، یعنی عدد هماهنگی ساختار چهار است (به اصطلاح یخ I h). شبکه کریستالی مربوطه - شش ضلعی - بسته بندی نشده است، بنابراین چگالی یخ معمولی (9/0 گرم بر سانتی متر مکعب) کمتر از چگالی آب (تقریبا 1 گرم بر سانتی متر مکعب) است، که برای ساختار آن، به عنوان مطالعات پراش اشعه ایکس نشان می دهد، میانگین عدد هماهنگی ~4.4 است (در مقابل 4 برای یخ Ih). فقط اتم های اکسیژن موقعیت های ثابتی را در ساختار یخ اشغال می کنند. دو اتم هیدروژن می توانند موقعیت های متفاوتی را روی چهار پیوند مولکول H 2 O با سایر همسایگان اشغال کنند. به دلیل شش ضلعی بودن شبکه، کریستال هایی که در حالت آزاد رشد می کنند (به عنوان مثال، دانه های برف) شکل شش ضلعی دارند.

با این حال، فاز شش ضلعی از تنها شکل وجود یخ دور است. تعداد دقیق فازهای کریستالی دیگر - اشکال چند شکلی یخ - هنوز ناشناخته است. آنها در فشارهای بالا و دماهای پایین تشکیل می شوند (شکل 2). برخی از محققان وجود 12 فاز از این قبیل را به طور دقیق مشخص می کنند، در حالی که برخی دیگر آنها را تا 14 می شمارند. البته این تنها ماده ای نیست که دارای چندشکلی است (برای مثال، گرافیت و الماس را به یاد بیاورید که از اتم های کربن از نظر شیمیایی یکسان هستند. ) اما تعداد فازهای مختلف یخ که تا به امروز کشف شده اند شگفت انگیز است. همه موارد فوق مربوط به آرایش منظم یون های اکسیژن در شبکه کریستالی یخ است. همانطور که در مورد پروتون ها - یون های هیدروژن - همانطور که توسط پراش نوترون نشان داده شده است، اختلال شدیدی در آرایش آنها وجود دارد. بنابراین، یخ کریستالی هم یک محیط منظم (از نظر اکسیژن) و هم در عین حال یک محیط بی نظم (از نظر هیدروژن) است.

برنج. 2.نمودار فاز یخ کریستالی.
اعداد رومی مناطق وجودی را نشان می دهد
تشکیل فازهای پایدار Ice IV یک فاکتور متقابل است
برای، واقع در نمودار داخل منطقه V

اغلب به نظر می رسد که یخ چکش خوار و سیال است. اگر دما نزدیک به نقطه ذوب باشد (یعنی t = 0 درجه سانتیگراد در فشار اتمسفر)، و بار برای مدت طولانی اعمال شود. و سخت ترین ماده (به عنوان مثال، فلز) در دمای نزدیک به نقطه ذوب به روشی مشابه رفتار می کند. تغییر شکل پلاستیکی یخ، و همچنین بسیاری از جامدات کریستالی دیگر، در نتیجه هسته شدن و حرکت عیوب ساختاری مختلف از طریق کریستال رخ می دهد: جاهای خالی، اتم های بینابینی، مرزهای دانه و مهمتر از همه، نابجایی. همانطور که در دهه 30 قرن ما ثابت شد، وجود دومی است که از پیش تعیین کننده کاهش شدید مقاومت جامدات کریستالی در برابر تغییر شکل پلاستیک است (10 2-10 4 برابر نسبت به مقاومت یک شبکه ایده آل). تا به امروز، انواع نابجایی های مشخصه ساختار شش ضلعی در یخ Ih کشف شده است و ویژگی های میکرومکانیکی و الکتریکی آنها مورد مطالعه قرار گرفته است.

تأثیر نرخ کرنش بر روی خواص مکانیکی یخ تک کریستالی به خوبی در شکل 1 نشان داده شده است. 3، برگرفته از کتاب N. Maeno. مشاهده می شود که با افزایش نرخ تغییر شکل، تنش های مکانیکی σ مورد نیاز برای جریان پلاستیک به سرعت افزایش می یابد و یک دندانه تسلیم غول پیکر به وابستگی کرنش نسبی E به σ ظاهر می شود.

برنج. 3.(توسط ). منحنی‌های تغییر شکل نسبی تنش برای یک تک بلور یخ Ih در t = -15 درجه سانتی‌گراد (لغزش در امتداد صفحه پایه با زاویه 45 درجه نسبت به محور فشرده‌سازی). اعداد روی منحنی ها میزان تغییر شکل نسبی را نشان می دهند ( ∆l- تغییر در طول نمونه لدر حین ∆τ ) در واحدهای 10-7 s-1

برنج. 4.طرح تشکیل نقص در زیر سیستم پروتون یخ: a - یک جفت نقص یونی H 3 O + و OH -. ب - جفت نقص Bjerrum جهتی D و L

خواص الکتریکی یخ کمتر قابل توجه نیست. مقدار رسانایی و افزایش سریع نمایی آن با افزایش دما، یخ را از هادی های فلزی به شدت متمایز می کند و آن را هم تراز با نیمه هادی ها قرار می دهد. یخ معمولاً از نظر شیمیایی بسیار خالص است، حتی اگر از آب یا محلول کثیف رشد کند (به تکه های تمیز و شفاف یخ در یک گودال کثیف فکر کنید). این به دلیل حلالیت کم ناخالصی ها در ساختار یخ است. در نتیجه، در هنگام انجماد، ناخالصی ها در قسمت جلوی تبلور به داخل مایع رانده می شوند و وارد ساختار یخ نمی شوند. به همین دلیل است که برف تازه باریده همیشه سفید است و آب از آن فوق العاده تمیز است.

طبیعت عاقلانه یک ایستگاه غول پیکر تصفیه آب در سراسر جو زمین فراهم کرده است. بنابراین، نمی توان روی رسانایی ناخالصی بالا (به عنوان مثال، در سیلیکون دوپ شده) در یخ حساب کرد. اما هیچ الکترون آزاد در آن مانند فلزات وجود ندارد. فقط در دهه 50 قرن بیستم مشخص شد که حامل های بار در یخ پروتون های بی نظم هستند، یعنی یخ یک نیمه هادی پروتون است.

پرش پروتون که در بالا ذکر شد دو نوع نقص در ساختار یخ ایجاد می کند: یونی و جهت گیری (شکل 4). در حالت اول، یک پرش پروتون در امتداد پیوند هیدروژنی از یک مولکول H 2 O به مولکول دیگر رخ می دهد (شکل 4، a)، که منجر به تشکیل یک جفت نقص یونی H 3 O + و OH - می شود، و در دوم - به پیوند هیدروژنی مجاور در یک مولکول H 2 O (شکل 4، b)، در نتیجه یک جفت نقص Bjerrum جهت‌گیری به وجود می‌آید، به نام نقص L و D (از آلمانی leer - خالی و doppelt - double ). به طور رسمی، چنین پرشی را می توان به عنوان چرخش مولکول H 2 O به میزان 120 درجه در نظر گرفت.

جریان مستقیم به دلیل حرکت فقط نقص های یونی یا فقط جهت گیری غیرممکن است. به عنوان مثال، اگر یک یون H 3 O + از بخشی از شبکه عبور کند، یون مشابه بعدی نمی تواند از همان مسیر عبور کند. با این حال، اگر یک نقص D از این مسیر عبور کند، آرایش پروتون ها به حالت اولیه باز می گردد و بنابراین، یون H 3 O + بعدی می تواند از آن عبور کند. عیوب OH - و L رفتار مشابهی دارند.بنابراین، رسانایی الکتریکی یخ خالص شیمیایی توسط آن دسته از عیوب که تعداد آنها کمتر است، یعنی یونی، محدود می شود. برعکس، پلاریزاسیون دی الکتریک به دلیل نقص های بیشتر جهتی Bjerrum است. در واقع، هنگامی که یک میدان الکتریکی خارجی اعمال می شود، هر دو فرآیند به صورت موازی اتفاق می افتند، که به یخ اجازه می دهد جریان مستقیم را هدایت کند و در عین حال قطبش دی الکتریک قوی را تجربه کند، یعنی هم خواص یک نیمه هادی و هم خواص یک نیمه هادی را نشان دهد. عایق در سال‌های اخیر، تلاش‌ها برای کشف خواص فروالکتریک و پیزوالکتریک یخ خالص در دماهای پایین، هم در توده و هم در مرزهای بین فازی ادامه یافته است. هنوز هیچ اطمینان کاملی به وجود آنها وجود ندارد، اگرچه چندین اثر شبه پیزوالکتریک مرتبط با حضور نابجایی ها و سایر نقص های ساختاری کشف شده است.

فیزیک سطح و تبلور یخ

در ارتباط با توسعه فن آوری نیمه هادی، ریزمینیاتورسازی پایه عنصر و گذار به فن آوری های مسطح، علاقه به فیزیک سطح در دهه گذشته به شدت افزایش یافته است. بسیاری از تکنیک های پیچیده برای مطالعه حالت های نزدیک به سطح در جامدات توسعه یافته اند که در مطالعه فلزات، نیمه هادی ها و دی الکتریک ها مفید واقع شده اند. با این حال، ساختار و خواص سطح یخ مجاور بخار یا مایع تا حد زیادی نامشخص است. یکی از جالب‌ترین فرضیه‌هایی که توسط M. Faraday ارائه شده است، وجود لایه‌ای شبه مایع با ضخامت ده‌ها تا صدها آنگستروم روی سطح یخ است، حتی در دمای بسیار پایین‌تر از نقطه ذوب. مبنای این امر نه تنها ساختارهای گمانه‌زنی و تئوری‌های ساختار لایه‌های نزدیک به سطح مولکول‌های H 2 O بسیار قطبی شده است، بلکه تعیین‌های ظریف (با استفاده از تشدید مغناطیسی هسته‌ای) وضعیت فاز سطح یخ و همچنین آن است. هدایت سطحی و وابستگی آن به دما با این حال، در بیشتر موارد از نظر عملی مهم، خواص سطحی برف و یخ به احتمال زیاد با حضور یک لایه ماکروسکوپی آب به جای یک لایه شبه مایع تعیین می شود.

ذوب لایه‌های سطحی یخ تحت تأثیر نور خورشید، جو گرم‌تر یا بدن جامد که روی آن می‌لغزد (اسکیت، اسکی، دونده سورتمه) برای دستیابی به ضریب اصطکاک پایین بسیار مهم است. همانطور که اغلب تصور می شود اصطکاک لغزشی کم نتیجه کاهش دمای ذوب تحت تأثیر افزایش فشار نیست، بلکه نتیجه انتشار گرمای اصطکاکی است. محاسبات نشان می دهد که اثر فشار، حتی در مورد لغزش اسکیت تیز بر روی یخ، که تحت آن فشاری در حدود 1 مگاپاسکال ایجاد می شود، منجر به کاهش دمای ذوب تنها به میزان ~0.1 درجه سانتی گراد می شود که نمی تواند دارای تأثیر قابل توجهی بر میزان اصطکاک دارد.

سنت ثابت شده در توصیف خواص آب و یخ بیان و بحث در مورد بسیاری از خواص غیرعادی است که این ماده را در بین همولوگ های آن متمایز می کند (H 2 S ، H 2 Se ، H 2 Te ). شاید مهمترین چیز گرمای بسیار بالا (در میان مواد ساده) گرمای خاص همجوشی (بلور شدن) و ظرفیت گرمایی باشد، یعنی یخ به سختی ذوب می شود و آب به سختی یخ می زند. در نتیجه، آب و هوای سیاره ما به طور کلی بسیار معتدل است، اما در غیاب آب (به عنوان مثال، در بیابان های آفریقای گرم)، تضاد بین دمای روز و شب بسیار بیشتر از سواحل اقیانوس است. عرض جغرافیایی. برای بیوسفر، خاصیت افزایش حجم در طی تبلور، و نه کاهش آن، مانند اکثریت قریب به اتفاق مواد شناخته شده، حیاتی است. در نتیجه، یخ به جای غرق شدن در آب شناور می شود و یخ زدگی بدنه های آبی را در هوای سرد تا حد زیادی کاهش می دهد و از تمام موجودات زنده ای که برای زمستان به آن پناه می برند محافظت می کند. این نیز با تغییر غیر یکنواخت در چگالی آب هنگامی که دما به 0 درجه سانتیگراد کاهش می یابد تسهیل می شود - یکی از شناخته شده ترین خواص غیرعادی آب که بیش از 300 سال پیش کشف شده است. حداکثر چگالی در t = 4 درجه سانتی گراد به دست می آید، و این مانع از فرو رفتن لایه های آب نزدیک به سطح آب که تا دمای زیر 4 درجه سانتیگراد سرد شده اند به پایین می رود. اختلاط همرفتی مایع مسدود شده است که خنک شدن بیشتر را تا حد زیادی کند می کند. سایر ناهنجاری های آب برای مدت طولانی شناخته شده اند: ویسکوزیته برشی در 20 درجه سانتیگراد، گرمای ویژه در 40 درجه سانتیگراد، تراکم پذیری همدما در 46 درجه سانتیگراد، سرعت صوت در 60 درجه سانتیگراد. ویسکوزیته آب با افزایش فشار کاهش می یابد و مانند سایر مایعات افزایش نمی یابد. واضح است که خواص غیرعادی آب به دلیل ویژگی های ساختاری مولکول آن و ویژگی های فعل و انفعالات بین مولکولی است. شفافیت کامل در مورد دومی هنوز به دست نیامده است. خواصی که در بالا توضیح داده شد برای آب، یخ و سطح مشترک بین آنها که در شرایط تعادل ترمودینامیکی وجود دارد، اعمال می شود. هنگام تلاش برای توصیف دینامیک انتقال فاز آب به یخ، به ویژه در شرایط دور از تعادل ترمودینامیکی، مشکلات سطح پیچیدگی کاملاً متفاوتی به وجود می آیند.

علت ترمودینامیکی هر انتقال فاز، تفاوت در پتانسیل شیمیایی ذرات در یک طرف و طرف دیگر رابط ∆µ = µ1-µ2 است. پتانسیل شیمیایی μ یک تابع حالتی است که تغییرات پتانسیل ترمودینامیکی را هنگامی که تعداد N ذرات در سیستم تغییر می‌کند، تعیین می‌کند، یعنی μ = G/N، که در آن G = H - TS پتانسیل ترمودینامیکی گیبس است، H آنتالپی، S است. آنتروپی است، T دما است. تفاوت در پتانسیل های ترمودینامیکی نیروی محرکه یک فرآیند ماکروسکوپی است (همانطور که اختلاف پتانسیل های الکتریکی در انتهای یک هادی عامل جریان الکتریکی است). در µ1 = µ2، هر دو فاز می‌توانند تا زمانی که مایل باشند در تعادل همزیستی داشته باشند. در فشار معمولی، پتانسیل شیمیایی آب برابر با پتانسیل شیمیایی یخ در t = 0 درجه سانتی گراد است. در تی< 0°С более низким химическим потенциалом обладает лед, но это еще не означает, что при любом, самом маленьком переохлаждении начнется кристаллизация. Опыт показывает, что тщательно очищенный от примесей, обезгаженный, деионизированный расплав может быть переохлажден относительно точки равновесия фаз на десятки кельвин (а для некоторых веществ и на сотни). Анализ показывает, что причина заключается в отсутствии зародышей новой фазы (центров кристаллизации, конденсации, парообразования и т.д.).

جنین ها همچنین می توانند به طور همگن تشکیل شوند، یعنی از خود محیطی که در حالت فراپایدار است، اما برای این کار باید شرایط خاصی رعایت شود. بیایید با در نظر گرفتن این واقعیت که هر سطح مشترک بین کریستال و مذاب (یا بخار، محلول) انرژی اضافی Sα را وارد می کنیم، که در آن S منطقه مرزی است، α انرژی سطح است، وضعیت را در نظر بگیریم. علاوه بر این، مولکول‌های N که کریستال دانه را تشکیل می‌دهند، انرژی کمتری نسبت به مایع N∆µ دارند. در نتیجه، کل تغییر انرژی در سیستم با ظهور یک هسته ∆U = -N∆µ + Sα به طور غیر یکنواخت به N وابسته است. در واقع، برای شکل کروی هسته

که در آن A = (36πV 2) 1/3 V حجم هر یک مولکول در کریستال است. از حالت قبلی چنین است که ∆U به حداکثر ∆Uc = - Nc ∆µ + AN c 2/3 α می رسد، زمانی که هسته حاوی Nc = (2Aα/3∆µ) 3 مولکول باشد.

بنابراین، با افزودن متوالی مولکول‌ها به هسته، سیستم باید ابتدا بسته به خنک‌سازی فوق‌العاده به بالای تپه بالقوه با ارتفاع ∆U c صعود کند، پس از آن رشد بیشتر N در کریستال با کاهش انرژی، یعنی آسان تر. به نظر می رسد که هر چه دمای مایع کمتر باشد، یعنی هر چه ابرسرد شدن قوی تر باشد، تبلور سریعتر باید رخ دهد. این در واقع زمانی است که هیپوترمی خیلی زیاد نیست. با این حال، با کاهش t، ویسکوزیته مایع نیز به طور تصاعدی افزایش می‌یابد و حرکت مولکول‌ها را دشوار می‌کند. در نتیجه، در درجات بالای فوق خنک‌سازی، فرآیند کریستالیزاسیون می‌تواند برای سال‌های طولانی ادامه داشته باشد (همانطور که در مورد شیشه‌های با منشاء مختلف وجود دارد).

تخمین‌های عددی نشان می‌دهد که برای آب در درجات نرمال ابرسرد شدن در شرایط طبیعی (∆t = 1-10 درجه سانتی‌گراد)، جنین باید از چند ده مولکول تشکیل شده باشد که به طور قابل‌توجهی بیشتر از عدد هماهنگی در فاز مایع است (4.4 ~ ). بنابراین، سیستم برای صعود به بالای تپه انرژی به تعداد زیادی تلاش برای نوسانات نیاز دارد. در آب کاملاً تصفیه نشده، با وجود مراکز کریستالیزاسیون موجود، که می تواند ذرات ناخالصی، ذرات غبار، ناهمواری دیواره های ظرف و غیره باشد، از ابرسرد شدن قوی جلوگیری می شود. متعاقباً، سینتیک رشد کریستال به شرایط بستگی دارد. انتقال حرارت در نزدیکی مرز بین فاز، و همچنین در مورفولوژی دومی در سطح اتمی. سطح مولکولی.

آب بسیار سرد شده دارای دو دمای مشخصه th = -36 درجه سانتیگراد و tg = -140 درجه سانتیگراد است. آب تصفیه شده و گاز زدایی شده در محدوده دمایی 0 ° C > t > t ساعت می تواند برای مدت طولانی در حالت مایع فوق خنک باقی بماند. در t g< t < t h происходит гомогенное зарождение кристалликов льда, и вода не может находиться в переохлажденном состоянии при любой степени очистки. В условиях достаточно быстрого охлаждения при t < tg подвижность молекул воды настолько падает (а вязкость растет), что она образует стеклообразное твердое тело с аморфной структурой, свойственной жидкостям. При этом в области невысоких давлений образуется аморфная фаза низкой плотности, а в области повышенных – аморфная фаза высокой плотности, то есть вода демонстрирует полиаморфизм. При изменениях давления или температуры одна аморфная фаза скачком переходит в другую с неожиданно большим изменением плотности (>20%).

در مورد ماهیت پلی آمورفیسم آب چندین دیدگاه وجود دارد. بنابراین، با توجه به , این رفتار آب به شدت فوق سرد را می توان توضیح داد اگر بپذیریم که در مشخصات بالقوه برهمکنش دو مولکول H2O بیش از یک حداقل وجود دارد.

برنج. 5(توسط ). پروفیل های پتانسیل فرضی: a - با یک حداقل انرژی (به عنوان مثال، پتانسیل لنارد-جونز U(r) = A/r 6 - B/r 12) و b - با دو حداقل انرژی، که مربوط به دو پیکربندی پایدار یک خوشه ای از دو مولکول برهم کنش آب (1 و 2) با فواصل مختلف بین مراکز شرطی مولکول های r H و r L. اولین آنها مربوط به فازی با چگالی بیشتر است، دومی - با فاز پایین تر

و دو (شکل 5). سپس فاز آمورف با چگالی بالا با میانگین فاصله rH و فاز با چگالی کم - rL مطابقت دارد. مدل‌سازی رایانه‌ای این دیدگاه را تأیید می‌کند، اما هنوز شواهد تجربی قابل اعتمادی برای این فرضیه وجود ندارد، و همچنین نظریه دقیقی وجود ندارد که اعتبار استفاده از پتانسیل چاه دوگانه برای توصیف چنین ویژگی‌های غیرعادی آب فوق‌سرد شده را تأیید کند.

رفتار آب فوق سرد به دلایل مختلف بسیار مورد توجه است. به ویژه، شرایط آب و هوایی، امکان و نحوه ناوبری در عرض های جغرافیایی بالا را که برای کشور ما مرتبط است، تعیین می کند. در طول فرآیند تبلور دینامیکی در سطح مشترک، بسیاری از پدیده‌های جالب و هنوز ناشناخته رخ می‌دهد، به عنوان مثال، توزیع مجدد ناخالصی‌ها، جداسازی و متعاقب آن شل شدن بارهای الکتریکی، همراه با تشعشعات الکترومغناطیسی در یک باند فرکانس وسیع و غیره. در نهایت، تبلور در یک مایع بسیار فوق سرد بسیار عالی است، به راحتی قابل تکرار چندین برابر وضعیت مدلی از رفتار سیستمی است که از تعادل ترمودینامیکی دور است و در نتیجه ایجاد ناپایداری ها قادر به تشکیل دندریت هایی با مرتبه ها و ابعاد مختلف است. نمایندگان معمولی دانه های برف و الگوهای یخ روی پنجره ها هستند که برای ایجاد و مدل سازی رفتار فراکتال ها مناسب است.

در نگاه اول، تجزیه و تحلیل فرآیندهای ذوب یخ آسانتر از فرآیندهای کریستالیزاسیون به نظر می رسد. با این حال، آنها همچنین سوالات زیادی را به جای می گذارند. به عنوان مثال، به طور گسترده اعتقاد بر این است که آب مذاب برای مدتی دارای خواص متفاوتی با خواص آب معمولی است، حداقل در رابطه با اشیاء بیولوژیکی: گیاهان، حیوانات، انسان. احتمالاً، این ویژگی‌ها ممکن است به دلیل خلوص شیمیایی بالا (به دلیل ضریب کم جذب ناخالصی در هنگام تبلور یخ)، تفاوت در محتوای گازها و یون‌های محلول، و همچنین ذخیره ساختار یخ در خوشه‌های چند مولکولی مایع باشد. فاز. با این حال، نویسنده اطلاعات قابل اعتمادی در این مورد که با روش های فیزیکی مدرن به دست آمده است ندارد.

تجزیه و تحلیل مکانیسم های تأثیر میدان های فیزیکی خارجی، به ویژه میدان های مغناطیسی، بر فرآیندها و خواص انتقال آب، یخ و فاز کمتر دشوار نیست. کل زندگی ما تحت شرایط عمل مداوم میدان مغناطیسی زمین و نوسانات ضعیف آن اتفاق می افتد. مغناطیس‌شناسی و روش‌های درمان مغناطیسی در پزشکی قرن‌هاست که در حال توسعه بوده‌اند. در نهایت، واحدها به تولید انبوه می‌رسند و به طور گسترده برای مغناطیس کردن آب مورد استفاده برای آبیاری در کشاورزی (به منظور افزایش بهره‌وری)، تغذیه دیگ‌های بخار (برای کاهش سرعت تشکیل رسوب در آنها) و غیره استفاده می‌شوند. با این حال، هنوز هیچ توصیف فیزیکی رضایت‌بخشی از مکانیسم‌های عمل میدان مغناطیسی در این موارد و موارد مشابه دیگر وجود ندارد.

نتیجه

آب، یخ و تبدیل فاز متقابل آنها هنوز مملو از رازهای بسیاری است. حل آنها نه تنها یک مشکل فیزیکی بسیار جالب است، بلکه برای زندگی روی زمین نیز بسیار مهم است، زیرا ارتباط مستقیمی با سلامت و رفاه انسان دارد. شاید آنها یکی از برجسته ترین نمونه های نقش ساختار الکترونیکی و مولکولی را در شکل گیری خواص فیزیکی ساده ترین و شناخته شده ترین ترکیب شیمیایی یک ماده ارائه دهند.

ادبیات:

1. Bogorodsky V.V., Gavrilo V.P. یخ. L.: Gidrometeoizdat, 1980. 384 ص.

2. Maeno N. علم یخ. م.: میر، 1367. 231 ص.

3. هابز پی.وی. فیزیک یخ. آکسفورد: دانشگاه مطبوعات، 1974. 864 ص.

4. زاتسپینا گ.ن. خواص فیزیکی و ساختار آب M.: انتشارات دانشگاه دولتی مسکو، 1998. 184 ص.

5. Mishima O., Stanley E. رابطه بین آب مایع، فوق خنک و شیشه ای // طبیعت. 1998. جلد. 396. صص 329-335.

6. Zolotukhin I.V. فراکتال ها در فیزیک حالت جامد // مجله آموزشی سوروس. 1998. شماره 7. صص 108-113. داور مقاله بی.ا. استروکوف

یوری ایوانوویچ گولووین، دکترای علوم فیزیک و ریاضی، پروفسور، رئیس. گروه فیزیک نظری و تجربی، دانشگاه دولتی تامبوف. G.R. درژاوین، دانشمند ارجمند فدراسیون روسیه. حوزه علایق علمی، ساختار الکترونیکی نقص در جامدات و خواص ماکروسکوپی ناشی از آنها است. نویسنده و نویسنده بیش از 200 مقاله علمی از جمله تک نگاری و 40 اختراع.

از 14 شکل شناخته شده کنونی آب جامد در طبیعت، ما تنها یکی را پیدا می کنیم - یخ. بقیه در شرایط شدید تشکیل می شوند و برای مشاهدات خارج از آزمایشگاه های ویژه غیرقابل دسترس هستند. جالب ترین ویژگی یخ تنوع شگفت انگیز تظاهرات خارجی آن است. با همان ساختار کریستالی، می‌تواند کاملاً متفاوت به نظر برسد، به شکل تگرگ‌ها و یخ‌های شفاف، تکه‌های برف کرکی، پوسته‌ای متراکم و براق از فرن در یک میدان برفی، یا توده‌های یخبندان غول‌پیکر.

در شهر کوچک ژاپنی کاگا، واقع در ساحل غربی جزیره هونشو، یک موزه غیر معمول وجود دارد. برف و یخ. اوکیهیرو ناکایا، اولین کسی که پرورش دانه های برف مصنوعی را در آزمایشگاه آموخت، به زیبایی آن هایی که از آسمان می افتند، تاسیس شد. در این موزه، بازدیدکنندگان از هر طرف توسط شش ضلعی های منظم احاطه شده اند، زیرا دقیقاً این تقارن "شش ضلعی" است که مشخصه کریستال های یخ معمولی است (به هر حال، کلمه یونانی kristallos در واقع به معنای "یخ" است). بسیاری از خواص منحصر به فرد آن را تعیین می کند و باعث می شود دانه های برف، با همه تنوع بی نهایت، به شکل ستاره هایی با شش و کمتر سه یا دوازده پرتو رشد کنند، اما هرگز با چهار یا پنج پرتو.

مولکول ها در روباز

کلید ساختار آب جامد در ساختار مولکول آن نهفته است. H2O را می توان به طور ساده به عنوان یک چهار وجهی (هرمی با پایه مثلثی) نشان داد. در مرکز اکسیژن وجود دارد، در دو راس یک هیدروژن، به طور دقیق تر یک پروتون وجود دارد که الکترون های آن در تشکیل یک پیوند کووالانسی با اکسیژن نقش دارند. دو رأس باقی مانده توسط جفت الکترون های ظرفیت اکسیژن اشغال شده اند که در تشکیل پیوندهای درون مولکولی شرکت نمی کنند، به همین دلیل است که آنها را تنها می نامند.

هنگامی که یک پروتون از یک مولکول با یک جفت الکترون اکسیژن تنها یک مولکول دیگر برهمکنش می‌کند، یک پیوند هیدروژنی تشکیل می‌شود که از یک پیوند درون مولکولی قوی‌تر است، اما به اندازه کافی قدرتمند است که مولکول‌های همسایه را در کنار هم نگه دارد. هر مولکول می تواند به طور همزمان چهار پیوند هیدروژنی با مولکول های دیگر در زوایای کاملاً مشخص ایجاد کند، که اجازه ایجاد یک ساختار متراکم در هنگام انجماد را نمی دهد. این چارچوب نامرئی از پیوندهای هیدروژنی، مولکول ها را در یک شبکه توری با کانال های توخالی مرتب می کند. به محض گرم شدن یخ، توری فرو می ریزد: مولکول های آب شروع به ریختن در حفره های مش می کنند که منجر به ساختار متراکم تر مایع می شود، به همین دلیل است که آب سنگین تر از یخ است.

یخ که در فشار اتمسفر تشکیل می شود و در دمای صفر درجه سانتی گراد ذوب می شود، رایج ترین ماده است، اما هنوز به طور کامل شناخته نشده است. بسیاری از ساختار و خواص آن غیر معمول به نظر می رسد. در محل‌های شبکه بلوری یخ، اتم‌های اکسیژن به صورت منظم چیده شده‌اند و شش ضلعی‌های منظم را تشکیل می‌دهند، اما اتم‌های هیدروژن موقعیت‌های مختلفی را در امتداد پیوندها اشغال می‌کنند. این رفتار اتم ها به طور کلی غیر معمول است - به عنوان یک قاعده، در یک ماده جامد همه از یک قانون پیروی می کنند: یا همه اتم ها به طور منظم چیده شده اند، و سپس یک کریستال است، یا به طور تصادفی، و سپس یک ماده بی شکل است.

یخ به سختی آب می شود، مهم نیست که چقدر عجیب به نظر می رسد. اگر هیچ پیوند هیدروژنی وجود نداشت که مولکول های آب را در کنار هم نگه می داشت، در دمای 90 درجه سانتی گراد ذوب می شد. در عین حال، هنگامی که آب یخ می زند، حجم آن کاهش نمی یابد، همانطور که در مورد اکثر مواد شناخته شده اتفاق می افتد، اما به دلیل تشکیل یک ساختار روباز از یخ افزایش می یابد.

"عجیب" یخ همچنین شامل تولید تابش الکترومغناطیسی توسط کریستال های در حال رشد آن است. از قدیم می‌دانستند که بیشتر ناخالصی‌های حل‌شده در آب وقتی شروع به رشد می‌کند به یخ منتقل نمی‌شود، به عبارت دیگر، یخ می‌زند. بنابراین، حتی در کثیف ترین گودال، فیلم یخ تمیز و شفاف است. ناخالصی ها در حد فاصل بین محیط جامد و مایع به شکل دو لایه بارهای الکتریکی با علائم مختلف جمع می شوند که باعث اختلاف پتانسیل قابل توجهی می شود. لایه باردار ناخالصی همراه با مرز پایین یخ جوان حرکت می کند و امواج الکترومغناطیسی ساطع می کند. با تشکر از این، فرآیند کریستالیزاسیون را می توان با جزئیات مشاهده کرد. بنابراین، کریستالی که به شکل سوزن رشد می کند، متفاوت از کریستالی که با فرآیندهای جانبی پوشانده شده است، ساطع می کند، و تابش دانه های در حال رشد با آنچه در هنگام ترک کریستال رخ می دهد، متفاوت است. با توجه به شکل، توالی، فرکانس و دامنه پالس های تابش، می توان تعیین کرد که یخ با چه سرعتی یخ می زند و چه نوع ساختار یخی به دست می آید.

یخ اشتباه

در حالت جامد، آب طبق آخرین داده ها، 14 تغییر ساختاری دارد. برخی از آنها کریستالی هستند (اکثر آنها)، برخی بی شکل هستند، اما همه آنها در آرایش نسبی مولکول های آب و خواص آنها با یکدیگر متفاوت هستند. درست است، همه چیز به جز یخی که ما با آن آشنا هستیم، در شرایط عجیب و غریب - در دماهای بسیار پایین و فشارهای بالا، زمانی که زوایای پیوندهای هیدروژنی در مولکول آب تغییر می‌کند و سیستم‌هایی غیر از شش ضلعی تشکیل می‌شوند، تشکیل می‌شوند. به عنوان مثال، در دمای کمتر از 110 درجه سانتیگراد، بخار آب بر روی یک صفحه فلزی به شکل هشت ضلعی رسوب می کند و به اندازه چندین نانومتر مکعب می کند - این به اصطلاح یخ مکعبی است. اگر دما کمی بالاتر از 110 درجه باشد، و غلظت بخار بسیار کم باشد، لایه ای از یخ آمورف بسیار متراکم روی صفحه تشکیل می شود.

دو تغییر آخر یخ XIII و XIV توسط دانشمندان آکسفورد اخیراً در سال 2006 کشف شد. تایید پیش‌بینی 40 ساله مبنی بر وجود بلورهای یخ با شبکه‌های مونوکلینیک و لوزی شکل دشوار بود: ویسکوزیته آب در دمای 160 درجه سانتی‌گراد بسیار بالا است و مولکول‌های آب فوق‌العاده خالص در چنین مقادیری گرد هم می‌آیند. تشکیل یک هسته کریستالی، دشوار است. کاتالیزور کمک کرد: اسید کلریدریک، که تحرک مولکول های آب را در دماهای پایین افزایش می دهد. چنین تغییراتی از یخ نمی تواند در طبیعت زمینی شکل بگیرد، اما می توان آنها را در ماهواره های یخ زده سیارات دیگر جستجو کرد.

کمیسیون چنین تصمیمی گرفت

دانه‌های برف تک بلوری از یخ است، نوعی کریستال شش ضلعی که به سرعت در شرایط غیرتعادلی رشد می‌کند. کنجکاوترین ذهن ها قرن هاست که با راز زیبایی و تنوع بی پایان خود دست و پنجه نرم می کنند. یوهانس کپلر، ستاره شناس، رساله کاملی با عنوان «درباره دانه های برف شش ضلعی» در سال 1611 نوشت. در سال 1665، رابرت هوک، در حجم عظیمی از طرح های هر چیزی که با میکروسکوپ دید، نقاشی های زیادی از دانه های برف با اشکال مختلف منتشر کرد. اولین عکس موفق از یک دانه برف زیر میکروسکوپ در سال 1885 توسط کشاورز آمریکایی ویلسون بنتلی گرفته شد. از آن به بعد او نتوانست متوقف شود. بنتلی تا پایان عمرش، بیش از چهل سال از آنها عکس می گرفت. بیش از پنج هزار کریستال، و حتی یک کریستال یکسان نیست.

مشهورترین پیروان آرمان بنتلی اوکیهیرو ناکایا و فیزیکدان آمریکایی کنت لیبرشت هستند. ناکایا اولین کسی بود که پیشنهاد کرد اندازه و شکل دانه‌های برف به دمای هوا و رطوبت هوا بستگی دارد و این فرضیه را به‌طور تجربی با رشد بلورهای یخ با اشکال مختلف در آزمایشگاه تأیید کرد. و لیبرشت حتی شروع به پرورش دانه های برف سفارشی با شکل از پیش تعیین شده کرد.

زندگی دانه های برف با تشکیل هسته های یخ کریستالی در ابری از بخار آب با کاهش دما آغاز می شود. مرکز تبلور می تواند ذرات غبار، هر ذره جامد یا حتی یون باشد، اما در هر صورت، این تکه های یخ کمتر از یک دهم میلی متر از قبل دارای یک شبکه کریستالی شش ضلعی هستند.

بخار آب که روی سطح این هسته ها متراکم می شود، ابتدا یک منشور شش ضلعی کوچک را تشکیل می دهد که از شش گوشه آن سوزن های یخ کاملاً یکسان و فرآیندهای جانبی شروع به رشد می کنند. آنها یکسان هستند زیرا دما و رطوبت اطراف جنین نیز یکسان است. روی آنها، به نوبه خود، شاخه ها و شاخه های جانبی مانند روی درخت رشد می کنند. به چنین بلورهایی دندریت می گویند، یعنی شبیه به چوب.

با حرکت بالا و پایین در یک ابر، یک دانه برف با شرایطی با دماها و غلظت‌های مختلف بخار آب مواجه می‌شود. شکل آن تغییر می کند و تا آخر از قوانین تقارن شش ضلعی پیروی می کند. اینگونه است که دانه های برف متفاوت می شوند. اگرچه از نظر تئوری، در یک ابر در همان ارتفاع، آنها می توانند یکسان "ظهور کنند". اما هر کدام مسیر خود را به سمت زمین دارند که بسیار طولانی است؛ به طور متوسط یک دانه برف با سرعت 0.9 کیلومتر در ساعت می‌بارد. این بدان معناست که هر کدام تاریخ و شکل نهایی خود را دارند. یخی که دانه‌های برف را تشکیل می‌دهد شفاف است، اما وقتی تعداد زیادی از آنها وجود دارد، نور خورشید، منعکس شده و بر روی چهره‌های متعدد پراکنده می‌شود، تصور یک توده مات سفید را به ما می‌دهد - ما آن را برف می‌نامیم.

برای جلوگیری از سردرگمی با انواع دانه های برف، کمیسیون بین المللی برف و یخ در سال 1951 یک طبقه بندی نسبتا ساده از کریستال های یخ را تصویب کرد: صفحات، بلورهای ستاره، ستون ها یا ستون ها، سوزن ها، دندریت های فضایی، ستون های نوک دار و اشکال نامنظم. و سه نوع دیگر از بارش یخی: گلوله های برف ریز، گلوله های یخ و تگرگ.

رشد یخ زدگی، یخ زدگی و نقوش روی شیشه نیز تابع همین قوانین است. این پدیده ها، مانند دانه های برف، از تراکم، مولکول به مولکول، روی زمین، علف، درختان تشکیل می شوند. الگوهای روی پنجره در هوای یخبندان ظاهر می شوند، زمانی که رطوبت هوای گرم اتاق روی سطح شیشه متراکم می شود. اما وقتی قطرات آب یخ می زند یا یخ در ابرهای اشباع شده از بخار آب در لایه های متراکم روی جنین دانه های برف یخ می زند، سنگ تگرگ تشکیل می شود. دانه‌های برف دیگر که از قبل تشکیل شده‌اند می‌توانند روی تگرگ‌ها یخ بزنند و با آن‌ها ترکیب شوند و به همین دلیل، تگرگ‌ها عجیب‌ترین شکل‌ها را به خود می‌گیرند.

برای ما روی زمین، یک تغییر جامد آب - یخ معمولی - کافی است. به معنای واقعی کلمه در تمام مناطق سکونت یا اقامت انسان نفوذ می کند. برف و یخ که در مقادیر زیاد جمع می شوند، ساختارهای ویژه ای را تشکیل می دهند که خصوصیات آنها اساساً با کریستال ها یا دانه های برف متفاوت است. یخچال‌های طبیعی کوهستانی، پوشش‌های یخی نواحی آبی، یخ‌های دائمی، و پوشش برف فصلی به‌طور چشمگیری بر آب و هوای مناطق بزرگ و کل سیاره تأثیر می‌گذارند: حتی کسانی که هرگز برف را ندیده‌اند، نفس توده‌های آن را که در قطب‌های زمین انباشته شده است، احساس می‌کنند. به عنوان مثال، در قالب نوسانات طولانی مدت در سطح اقیانوس جهانی. و یخ برای ظاهر سیاره ما و زیستگاه راحت موجودات زنده در آن بسیار مهم است که دانشمندان محیط خاصی را برای آن در نظر گرفته اند - کرایوسفر که دامنه خود را در اتمسفر و در اعماق پوسته زمین گسترش می دهد.

اولگا ماکسیمنکو، کاندیدای علوم شیمی

آب ماده ای آشنا و غیرعادی است. تقریباً 3/4 سطح سیاره ما توسط اقیانوس ها و دریاها اشغال شده است. آب سخت - برف و یخ - 20 درصد از زمین را پوشانده است. آب و هوای سیاره به آب بستگی دارد. ژئوفیزیکدانان این را می گویند اگر آب نبود، زمین خیلی وقت پیش سرد می شد و به یک تکه سنگ بی جان تبدیل می شد.ظرفیت حرارتی بسیار بالایی دارد. هنگامی که گرم می شود، گرما را جذب می کند. خنک می شود، آن را می دهد. آب زمین گرمای زیادی را جذب می کند و پس می دهد و در نتیجه آب و هوا را "یکنواخت" می کند. و آنچه از زمین در برابر سرمای کیهانی محافظت می کند آن دسته از مولکول های آبی هستند که در جو - در ابرها و به شکل بخار - پراکنده شده اند.

آب بعد از DNA مرموزترین ماده موجود در طبیعت است.دارای ویژگی های منحصر به فردی است که نه تنها هنوز به طور کامل توضیح داده نشده است، بلکه کاملاً شناخته شده نیست. هر چه بیشتر مطالعه شود، ناهنجاری ها و اسرار جدیدی در آن پیدا می شود. بیشتر این ناهنجاری‌هایی که حیات را در زمین ممکن می‌سازند، با وجود پیوندهای هیدروژنی بین مولکول‌های آب توضیح داده می‌شوند که بسیار قوی‌تر از نیروهای جاذبه واندروالس بین مولکول‌های دیگر مواد هستند، اما مرتبه‌ای ضعیف‌تر از یونی و کووالانسی هستند. پیوند بین اتم ها در مولکول ها همان پیوندهای هیدروژنی در مولکول DNA نیز وجود دارد.

یک مولکول آب (H 2 16 O) از دو اتم هیدروژن (H) و یک اتم اکسیژن (16 O) تشکیل شده است. به نظر می رسد که تقریباً کل تنوع خواص آب و غیرعادی بودن تجلی آنها، در نهایت، با ماهیت فیزیکی این اتم ها، نحوه ترکیب آنها در یک مولکول و گروه بندی مولکول های حاصل تعیین می شود.

برنج. ساختار یک مولکول آب . نمودار هندسی (a)، مدل مسطح (b) و ساختار الکترونیکی فضایی (c) مونومر H2O. دو الکترون از چهار الکترون موجود در لایه بیرونی اتم اکسیژن در ایجاد پیوندهای کووالانسی با اتم های هیدروژن نقش دارند و دو الکترون دیگر مدارهای الکترونی بسیار کشیده ای را تشکیل می دهند که صفحه آن عمود بر صفحه H-O-H است.

مولکول آب H 2 O به شکل مثلث ساخته شده است: زاویه بین دو پیوند اکسیژن-هیدروژن 104 درجه است. اما از آنجایی که هر دو اتم هیدروژن در یک سمت اکسیژن قرار دارند، بارهای الکتریکی موجود در آن پراکنده می شوند. مولکول آب قطبی است که دلیل برهم کنش خاص بین مولکول های مختلف آن است. اتم های هیدروژن در مولکول H 2 O با داشتن بار مثبت جزئی با الکترون های اتم های اکسیژن مولکول های همسایه برهم کنش دارند. این پیوند شیمیایی پیوند هیدروژنی نامیده می شود. این مولکول های H 2 O را به همکاران منحصر به فرد ساختار فضایی متحد می کند. صفحه ای که پیوندهای هیدروژنی در آن قرار دارند بر صفحه اتم های همان مولکول H 2 O عمود است.برهم کنش بین مولکول های آب در درجه اول دمای بالای غیرعادی ذوب و جوش آن را توضیح می دهد. برای شل شدن و سپس از بین بردن پیوندهای هیدروژنی باید انرژی اضافی تامین شود. و این انرژی بسیار قابل توجه است. به همین دلیل است که ظرفیت گرمایی آب بسیار بالاست.

یک مولکول آب حاوی دو پیوند کووالانسی قطبی H–O است. آنها به دلیل همپوشانی دو یک الکترون p - ابرهای یک اتم اکسیژن و یک الکترون S - ابرهای دو اتم هیدروژن تشکیل می شوند.

مطابق با ساختار الکترونیکی اتم های هیدروژن و اکسیژن، یک مولکول آب دارای چهار جفت الکترون است. دو مورد از آنها در تشکیل پیوندهای کووالانسی با دو اتم هیدروژن، یعنی. الزام آور هستند. دو جفت الکترون دیگر آزاد هستند - غیر پیوندی. آنها یک ابر الکترونی را تشکیل می دهند. ابر ناهمگن است - غلظت های فردی و نادر بودن را می توان در آن تشخیص داد.

یک مولکول آب چهار بار دارد: دو قطب مثبت و دو قطب منفی. بارهای مثبت روی اتم های هیدروژن متمرکز می شوند، زیرا اکسیژن الکترونگاتیوتر از هیدروژن است. دو قطب منفی از دو جفت الکترون غیر پیوندی اکسیژن می آیند.

چگالی الکترونی اضافی در هسته اکسیژن ایجاد می شود. جفت الکترون داخلی اکسیژن به طور مساوی هسته را قاب بندی می کند: از نظر شماتیک با دایره ای با مرکز - هسته O 2- نشان داده می شود. چهار الکترون بیرونی به دو جفت الکترون گروه‌بندی می‌شوند که به سمت هسته جذب می‌شوند، اما تا حدی جبران نمی‌شوند. به طور شماتیک، کل اوربیتال های الکترونی این جفت ها به شکل بیضی های کشیده از یک مرکز مشترک - هسته O 2- نشان داده شده است. هر یک از دو الکترون باقی مانده در اکسیژن با یک الکترون در هیدروژن جفت می شود. این بخارات نیز به سمت هسته اکسیژن جذب می شوند. بنابراین، هسته های هیدروژن - پروتون ها - تا حدودی لخت هستند و کمبود چگالی الکترون در اینجا مشاهده می شود.

بنابراین، در یک مولکول آب چهار قطب بار وجود دارد:دو منفی (چگالی الکترون اضافی در ناحیه هسته اکسیژن) و دو مثبت (عدم چگالی الکترون در دو هسته هیدروژن). برای وضوح بیشتر، می‌توانیم تصور کنیم که قطب‌ها رئوس یک چهار وجهی تغییر شکل یافته را اشغال می‌کنند، که در مرکز آن یک هسته اکسیژن وجود دارد.

برنج. ساختار مولکول آب: الف - زاویه بین پیوندهای O-H؛ ب – محل قطب های شارژ. ج - ظاهر ابر الکترونی یک مولکول آب.

مولکول آب تقریباً کروی دارای قطبیت قابل توجهی است، زیرا بارهای الکتریکی در آن به طور نامتقارن قرار دارند. هر مولکول آب یک دوقطبی مینیاتوری با گشتاور دوقطبی بالا 1.87 دبی است. Debye یک واحد خارج از سیستم از دوقطبی الکتریکی 3.33564·10 30 C·m است. تحت تأثیر دوقطبی های آب، نیروهای بین اتمی یا بین مولکولی روی سطح ماده غوطه ور در آن 80 برابر ضعیف می شود. به عبارت دیگر، آب دارای ثابت دی الکتریک بالایی است که بالاترین میزان در بین تمام ترکیبات شناخته شده برای ماست.

تا حد زیادی به این دلیل، آب خود را به عنوان یک حلال جهانی نشان می دهد. جامدات، مایعات و گازها تا یک درجه در معرض عمل انحلال آن هستند.

ظرفیت گرمایی ویژه آب در بین تمام مواد بالاترین است. علاوه بر این، 2 برابر بیشتر از یخ است، در حالی که برای اکثر مواد ساده (به عنوان مثال، فلزات) ظرفیت گرمایی عملاً در طول فرآیند ذوب تغییر نمی کند و برای مواد ساخته شده از مولکول های چند اتمی، به عنوان یک قاعده، کاهش می یابد. در طول ذوب

چنین درکی از ساختار مولکول، توضیح بسیاری از خواص آب، به ویژه ساختار یخ را ممکن می سازد. در شبکه کریستال یخ، هر مولکول توسط چهار مولکول دیگر احاطه شده است. در یک تصویر مسطح، می توان آن را به صورت زیر نشان داد:

اتصال بین مولکول ها از طریق اتم هیدروژن انجام می شود. اتم هیدروژن با بار مثبت یک مولکول آب به اتم اکسیژن با بار منفی یک مولکول آب دیگر جذب می شود. این پیوند پیوند هیدروژنی نامیده می شود (با نقطه مشخص می شود). قدرت پیوند هیدروژنی تقریباً 15 تا 20 برابر ضعیف تر از پیوند کووالانسی است. بنابراین پیوند هیدروژنی به راحتی شکسته می شود که مثلاً در هنگام تبخیر آب مشاهده می شود.

برنج. سمت چپ - پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب

ساختار آب مایع شبیه ساختار یخ است. در آب مایع، مولکول‌ها نیز از طریق پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل می‌شوند، اما ساختار آب کمتر از ساختار یخ «سفتی» است. به دلیل حرکت حرارتی مولکول ها در آب، برخی پیوندهای هیدروژنی شکسته و برخی دیگر تشکیل می شوند.

برنج. شبکه کریستالی از یخ. مولکول های آب H 2 O (توپ های سیاه) در گره های آن به گونه ای قرار دارند که هر کدام دارای چهار "همسایه" هستند.

قطبیت مولکول های آب و وجود بارهای الکتریکی جزئی جبران نشده در آنها باعث گرایش به گروه بندی مولکول ها به "جوامع" بزرگ - همکارها می شود. به نظر می رسد که فقط آب در حالت بخار به طور کامل با فرمول H2O مطابقت دارد. این را نتایج حاصل از تعیین جرم مولکولی بخار آب نشان داد. در محدوده دمایی 0 تا 100 درجه سانتی گراد، غلظت تک تک (مولکول های مونومر) آب مایع از 1٪ تجاوز نمی کند. تمام مولکول‌های آب دیگر به همراه درجات مختلف پیچیدگی ترکیب می‌شوند و ترکیب آنها با فرمول کلی (H2O)x توصیف می‌شود.

علت مستقیم تشکیل پیوندها پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب است. آنها بین هسته های هیدروژن برخی از مولکول ها و "تراکم" الکترون هسته های اکسیژن سایر مولکول های آب ایجاد می شوند. درست است، این پیوندها ده ها برابر ضعیف تر از پیوندهای شیمیایی درون مولکولی "استاندارد" هستند و حرکات مولکولی معمولی برای از بین بردن آنها کافی است. اما تحت تأثیر ارتعاشات حرارتی، اتصالات جدیدی از این نوع به همین راحتی ایجاد می شود. ظهور و زوال همکاران را می توان با نمودار زیر بیان کرد:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

از آنجایی که اوربیتال های الکترونی در هر مولکول آب یک ساختار چهار وجهی را تشکیل می دهند، پیوندهای هیدروژنی می توانند آرایش مولکول های آب را به صورت همبسته های هماهنگ چهار وجهی ترتیب دهند.

اکثر محققان ظرفیت گرمایی غیرعادی بالای آب مایع را با این واقعیت توضیح می دهند که وقتی یخ ذوب می شود، ساختار کریستالی آن بلافاصله فرو نمی ریزد. در آب مایع، پیوندهای هیدروژنی بین مولکول ها حفظ می شود. آنچه در آن باقی می‌ماند، قطعات یخ است - وابسته به تعداد زیادی یا کمتر از مولکول‌های آب. با این حال، بر خلاف یخ، هر یک از همکاران برای مدت طولانی وجود ندارند. نابودی عده ای و تشکیل سایر همکاران دائماً اتفاق می افتد. در هر مقدار دما در آب، تعادل دینامیکی خود در این فرآیند برقرار می شود. و هنگامی که آب گرم می شود، بخشی از گرما صرف شکستن پیوندهای هیدروژنی در پیوندها می شود. در این مورد، 0.26-0.5 eV برای شکستن هر پیوند صرف می شود. این موضوع ظرفیت گرمایی غیرعادی بالای آب را در مقایسه با ذوب سایر موادی که پیوند هیدروژنی تشکیل نمی دهند توضیح می دهد. هنگام گرم کردن چنین مذاب‌هایی، انرژی صرفاً برای انتقال حرکات حرارتی به اتم‌ها یا مولکول‌های آن‌ها صرف می‌شود. پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب تنها زمانی به طور کامل شکسته می شود که آب به بخار تبدیل شود. صحت این دیدگاه نیز با این واقعیت نشان می دهد که ظرفیت گرمایی ویژه بخار آب در 100 درجه سانتیگراد عملاً با ظرفیت گرمایی ویژه یخ در 0 درجه سانتیگراد مطابقت دارد.

تصویر زیر:

عنصر ساختاری اولیه یک همکار یک خوشه است: برنج. یک خوشه آب فرضی جداگانه. خوشه‌های منفرد پیوندهایی از مولکول‌های آب را تشکیل می‌دهند (H2O) x: برنج. خوشه هایی از مولکول های آب پیوندهایی را تشکیل می دهند.

دیدگاه دیگری در مورد ماهیت ظرفیت گرمایی غیر عادی آب وجود دارد. پروفسور G.N. Zatsepina خاطرنشان کرد که ظرفیت گرمایی مولی آب، به میزان 18 کالری/(مولگراد)، دقیقاً برابر با ظرفیت حرارتی مولی نظری یک جامد با کریستال های سه اتمی است. و مطابق با قانون Dulong و Petit، ظرفیت گرمایی اتمی تمام اجسام بلوری ساده (تک اتمی) شیمیایی در دمای به اندازه کافی بالا یکسان و برابر با 6 calDmol o deg است. و برای سه اتمی که گرامول آنها دارای 3 N a محل شبکه کریستالی است، 3 برابر بیشتر است. (در اینجا N a شماره آووگادرو است).

نتیجه این است که آب یک جسم کریستالی متشکل از مولکول های سه اتمی H 2 0 است. این با ایده رایج آب به عنوان مخلوطی از کریستال مانند با مخلوط کوچکی از مولکول های آزاد H 2 O مطابقت دارد. بین آنها که با افزایش دما تعداد آنها افزایش می یابد. از این منظر، آنچه جای تعجب دارد، ظرفیت گرمایی بالای آب مایع نیست، بلکه ظرفیت گرمایی کم یخ جامد است. کاهش ظرفیت گرمایی ویژه آب در طول انجماد با عدم وجود ارتعاشات حرارتی عرضی اتم ها در شبکه کریستالی سفت و سخت یخ توضیح داده می شود، جایی که هر پروتون که باعث ایجاد پیوند هیدروژنی می شود به جای سه درجه، تنها یک درجه آزادی برای ارتعاشات حرارتی دارد. .

اما با توجه به چه چیزی و چگونه می توان چنین تغییرات بزرگی در ظرفیت گرمایی آب بدون تغییرات فشار مربوطه رخ داد؟ برای پاسخ به این سوال، بیایید ملاقات کنیم با فرضیه نامزد علوم زمین شناسی و کانی شناسی Yu.A. Kolyasnikov در مورد ساختار آب.

او اشاره می کند که کاشفان پیوندهای هیدروژنی، جی. برنال و آر. فاولر، در سال 1932 ساختار آب مایع را با ساختار کریستالی کوارتز مقایسه کردند و آن دسته از همکارانی که در بالا ذکر شد عمدتاً تترامرهای 4H 2 0 هستند که در آنها چهار وجود دارد. مولکول های آب به یک چهار وجهی فشرده با دوازده پیوند هیدروژنی داخلی متصل می شوند. در نتیجه یک چهار وجهی تشکیل می شود.

در عین حال، پیوندهای هیدروژنی در این تترامرها می‌توانند توالی‌های راست‌دست و چپ را تشکیل دهند، درست مانند کریستال‌های کوارتز گسترده (Si0 2)، که ساختار چهار وجهی نیز دارند، در کریستال‌های چرخشی راست و چپ قرار می‌گیرند. تشکیل می دهد. از آنجایی که هر تترامر آب دارای چهار پیوند هیدروژنی خارجی استفاده نشده است (مانند یک مولکول آب)، تترامرها را می توان با این پیوندهای خارجی به نوعی زنجیره پلیمری مانند یک مولکول DNA متصل کرد. و از آنجایی که تنها چهار پیوند خارجی و 3 برابر پیوندهای داخلی وجود دارد، این به تترامرهای سنگین و قوی در آب مایع اجازه می دهد تا این پیوندهای هیدروژنی خارجی ضعیف شده توسط ارتعاشات حرارتی را خم کنند، بچرخانند و حتی بشکنند. این سیالیت آب را تعیین می کند.

به گفته کولیاسنیکوف، آب این ساختار را فقط در حالت مایع و احتمالاً تا حدی در حالت بخار دارد. اما در یخ که ساختار کریستالی آن به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است، تتراهیدرول ها توسط پیوندهای هیدروژنی مستقیم غیر قابل انعطاف و به همان اندازه قوی به یکدیگر متصل می شوند و در یک چارچوب روباز با حفره های بزرگ در آن قرار می گیرند که باعث می شود چگالی یخ کمتر از چگالی آب باشد. .

برنج. ساختار بلوری یخ: مولکول های آب در شش ضلعی منظم به هم متصل هستند

هنگامی که یخ ذوب می شود، برخی از پیوندهای هیدروژنی موجود در آن ضعیف و خم می شوند، که منجر به تغییر ساختار ساختار به تترامرهای توصیف شده در بالا می شود و آب مایع را متراکم تر از یخ می کند. در دمای 4 درجه سانتیگراد، حالتی رخ می دهد که تمام پیوندهای هیدروژنی بین تترامرها حداکثر خمیده شوند، که حداکثر چگالی آب را در این دما تعیین می کند. هیچ جایی برای اتصال بیشتر از این وجود ندارد.

در دمای بالاتر از 4 درجه سانتیگراد، پیوندهای منفرد بین تترامرها شروع به شکستن می کنند و در دمای 36-37 درجه سانتیگراد، نیمی از پیوندهای هیدروژنی خارجی شکسته می شود. این حداقل منحنی ظرفیت گرمایی ویژه آب در برابر دما را تعیین می کند. در دمای 70 درجه سانتیگراد، تقریباً تمام پیوندهای بین تترامر شکسته می شوند و همراه با تترامرهای آزاد، تنها قطعات کوتاهی از زنجیره های "پلیمر" آنها در آب باقی می مانند. در نهایت، زمانی که آب به جوش می‌آید، گسیختگی نهایی تترامرهای منفرد به تک تک مولکول‌های H 2 0 رخ می‌دهد و این واقعیت که گرمای ویژه تبخیر آب دقیقاً 3 برابر بیشتر از مجموع گرمای ویژه ذوب یخ و گرمایش بعدی است. آب تا 100 درجه سانتیگراد فرض کولیاسنیکوف در مورد. که تعداد پیوندهای داخلی در یک تترامر 3 برابر بیشتر از تعداد پیوندهای خارجی است.

این ساختار چهار ضلعی-مارپیچ آب ممکن است به دلیل ارتباط رئولوژیکی باستانی آن با کوارتز و سایر مواد معدنی سیلیکونی اکسیژن باشد که در پوسته زمین غالب هستند، زیرا زمانی آب از اعماق آن بر روی زمین ظاهر می شد. همانطور که یک کریستال کوچک نمک باعث می شود که محلول اطراف آن به کریستال های مشابه تبدیل شود، و نه به کریستال های دیگر، کوارتز نیز باعث شد مولکول های آب در ساختارهای چهار وجهی، که از نظر انرژی مطلوب ترین هستند، صف آرایی کنند. و در عصر ما، در جو زمین، بخار آب که به صورت قطرات متراکم می شود، چنین ساختاری را تشکیل می دهد زیرا اتمسفر همیشه حاوی قطرات ریز آب آئروسل است که قبلاً این ساختار را دارند. آنها مراکز تراکم بخار آب در جو هستند. در زیر ساختارهای سیلیکات زنجیره ای ممکن بر اساس چهار وجهی وجود دارد که می تواند از چهار وجهی آب نیز تشکیل شده باشد.

برنج. سیلیکون-اکسیژن چهاروجهی منظم اولیه SiO 4 4-.

برنج. واحدهای اولیه سیلیکون-اکسیژن-ارتوگروه های SiO4 4- در ساختار انستاتیت منیزیم-پیروکسن (a) و گروه های دیورتو Si 2 O 7 6- در ولاستونیت کلسیم پیروکسنوئید (b).

برنج. ساده ترین انواع گروه های آنیونی سیلیکون-اکسیژن جزیره ای: a-SiO 4، b-Si 2 O 7، c-Si 3 O 9، d-Si 4 O 12، d-Si 6 O 18.

برنج. در زیر - مهم ترین انواع گروه های آنیونی زنجیره سیلیکون-اکسیژن (طبق گفته بلوف): a-metagermanate، b-pyroxene، c-bathysite، d-wollastonite، d-vlasovite، e-melilite، f-rhodonite، z-pyroxmangite. ، i- متافسفات، k - fluoroberyllate، L - باریلیت.

برنج. در زیر - تراکم آنیون‌های سیلیکون-اکسیژن پیروکسن به آمفیبول دو ردیفه لانه زنبوری (a)، آمفیبول سه ردیفه (b)، تالک لایه‌ای و آنیون‌های مرتبط (c).

برنج. در زیر - مهمترین انواع گروه های سیلیکون-اکسیژن نواری (طبق گفته Belov): a - سیلیمانیت، آمفیبول، xonotlite. b-اپیدیدیمیت؛ β-اورتوکلاز؛ g-narsarsukite; منشوری d-فناسیت; منبت کاری e-euclase.

برنج. در سمت راست - یک قطعه (بسته اولیه) از ساختار کریستالی لایه ای مسکوویت KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2، نشان دهنده لایه بندی شبکه های آلومینیوم-سیلیکون-اکسیژن با لایه های چند وجهی از کاتیون های بزرگ آلومینیوم و پتاسیم، یادآوری یک زنجیره DNA

مدل های دیگر ساختار آب نیز امکان پذیر است. مولکول های آب متصل به چهار وجهی، زنجیره های عجیب و غریبی از ترکیب نسبتاً پایدار تشکیل می دهند. محققان در حال کشف مکانیسم های ظریف و پیچیده تر از "سازمان داخلی" توده آب هستند. علاوه بر ساختار یخ مانند، آب مایع و مولکول های مونومر، عنصر سوم ساختار نیز توصیف شده است - غیر چهار وجهی.

بخش معینی از مولکول‌های آب نه در چارچوب‌های سه‌بعدی، بلکه در حلقه‌های خطی مرتبط هستند. حلقه ها، وقتی گروه بندی می شوند، حتی مجتمع های پیچیده تری از همکاران را تشکیل می دهند.

بنابراین، آب از نظر تئوری می تواند مانند یک مولکول DNA، زنجیره هایی را تشکیل دهد، همانطور که در زیر مورد بحث قرار خواهد گرفت. نکته جالب دیگر در مورد این فرضیه این است که بر احتمال مساوی وجود آب راست و چپ دلالت دارد. اما زیست‌شناسان مدت‌هاست متوجه شده‌اند که در بافت‌ها و ساختارهای بیولوژیکی فقط ساختارهای چپ‌دست یا راست‌دست مشاهده می‌شود. نمونه ای از این مولکول های پروتئینی است که فقط از اسیدهای آمینه چپ ساخته شده اند و فقط در یک مارپیچ چپ دست پیچ خورده اند. اما قندها در طبیعت همه راست دست هستند. هیچ کس هنوز نتوانسته توضیح دهد که چرا در طبیعت زنده چنین ترجیحی به چپ در برخی موارد و برای راست در برخی موارد وجود دارد. در واقع، در طبیعت بی جان، مولکول های راست دست و چپ دست با احتمال مساوی یافت می شوند.

بیش از صد سال پیش، لوئی پاستور، طبیعت‌شناس مشهور فرانسوی، کشف کرد که ترکیبات آلی موجود در گیاهان و جانوران از نظر نوری نامتقارن هستند - آنها صفحه قطبش نور تابیده شده بر روی آنها را می‌چرخانند. تمام اسیدهای آمینه که حیوانات و گیاهان را تشکیل می دهند صفحه قطبش را به سمت چپ می چرخانند و تمام قندها به سمت راست می چرخند. اگر ترکیباتی را با ترکیب شیمیایی یکسان سنتز کنیم، هر کدام از آنها دارای تعداد مساوی مولکول چپ و راست خواهند بود.

همانطور که می دانید، همه موجودات زنده از پروتئین تشکیل شده اند و آنها نیز به نوبه خود از اسیدهای آمینه ساخته شده اند. اسیدهای آمینه با ترکیب شدن با یکدیگر در توالی‌های مختلف، زنجیره‌های پپتیدی طولانی را تشکیل می‌دهند که به طور خود به خود به مولکول‌های پروتئین پیچیده تبدیل می‌شوند. مانند بسیاری از ترکیبات آلی دیگر، اسیدهای آمینه دارای تقارن کایرال هستند (از یونانی chiros - دست)، یعنی می توانند به دو شکل متقارن آینه ای به نام "انانتیومر" وجود داشته باشند. چنین مولکول هایی مانند دست چپ و راست شبیه به یکدیگر هستند، بنابراین به آنها مولکول های D- و L (از لاتین dexter، laevus - راست و چپ) می گویند.

حال اجازه دهید تصور کنیم که یک محیط با مولکول های چپ و راست به حالتی با مولکول های چپ یا راست تبدیل شده است. کارشناسان چنین محیطی را کایرال (از کلمه یونانی "cheira" - دست) سفارش داده شده می نامند. بازتولید خود موجودات زنده (زیست‌سازی - همانطور که توسط D. Bernal تعریف شده است) فقط در چنین محیطی می‌تواند بوجود آید و حفظ شود.

برنج. تقارن آینه ای در طبیعت

نام دیگر مولکول های انانتیومر - "دکستروچرتاتور" و "چرخ چرخان" - از توانایی آنها برای چرخش صفحه قطبش نور در جهات مختلف می آید. اگر نور پلاریزه خطی از محلول چنین مولکولی عبور داده شود، صفحه قطبش آن می چرخد: اگر مولکول های موجود در محلول سمت راست باشند در جهت عقربه های ساعت و اگر مولکول های موجود در محلول چپ گرد باشند در خلاف جهت عقربه های ساعت. و در مخلوطی از مقادیر مساوی از فرم های D و L (که "راسمات" نامیده می شود)، نور قطبش خطی اصلی خود را حفظ می کند. این خاصیت نوری مولکول های کایرال اولین بار توسط لویی پاستور در سال 1848 کشف شد.

جالب است که تقریباً تمام پروتئین های طبیعی فقط از اسیدهای آمینه چپ دست تشکیل شده اند. این واقعیت بسیار شگفت‌انگیزتر است زیرا سنتز اسیدهای آمینه در شرایط آزمایشگاهی تقریباً تعداد مولکول‌های راست‌دست و چپ‌دست را تولید می‌کند. به نظر می رسد که نه تنها اسیدهای آمینه این ویژگی را دارند، بلکه بسیاری از مواد دیگر نیز برای سیستم های زنده مهم هستند و هر کدام نشانه ای کاملاً مشخص از تقارن آینه ای در سراسر بیوسفر دارند. به عنوان مثال، قندهایی که بخشی از بسیاری از نوکلئوتیدها هستند، و همچنین اسیدهای نوکلئیک DNA و RNA، در بدن منحصراً توسط مولکول های راست دست نشان داده می شوند. اگرچه خواص فیزیکی و شیمیایی "آنتی پادهای آینه ای" یکسان است، اما فعالیت فیزیولوژیکی آنها در موجودات متفاوت است: L-caxara جذب نمی شود، L-phenylalanine، بر خلاف مولکول های D بی ضرر آن، باعث بیماری روانی و غیره می شود.

با توجه به ایده های مدرن در مورد منشاء حیات بر روی زمین، انتخاب نوع خاصی از تقارن آینه توسط مولکول های آلی به عنوان پیش نیاز اصلی برای بقا و پس از آن خود تولید مثل عمل کرد. با این حال، این سوال که چگونه و چرا انتخاب تکاملی یک یا آن پادپد آینه ای رخ داده است، هنوز یکی از بزرگترین رازهای علم باقی مانده است.

دانشمند شوروی L.L. Morozov ثابت کرد که انتقال به نظم کایرال نمی تواند به صورت تکاملی اتفاق بیفتد، بلکه فقط با تغییر فاز شدید خاص. آکادمیسین V.I. Goldansky این انتقال را که به لطف آن زندگی روی زمین ایجاد شد، یک فاجعه کایرال نامید.

شرایط برای فاجعه فازی که باعث انتقال کایرال شد چگونه به وجود آمد؟

مهمترین چیز این بود که ترکیبات آلی در دمای 800-1000 درجه سانتیگراد در پوسته زمین ذوب شدند و ترکیبات فوقانی تا دمای فضا یعنی صفر مطلق سرد شدند. اختلاف دما به 1000 درجه سانتیگراد رسید. در چنین شرایطی، مولکول‌های آلی تحت تأثیر دمای بالا ذوب می‌شوند و حتی کاملاً از بین می‌روند و با یخ زدن مولکول‌های آلی، قسمت بالایی سرد می‌ماند. گازها و بخار آبی که از پوسته زمین نشت می کرد، ترکیب شیمیایی ترکیبات آلی را تغییر داد. گازها گرما را با خود حمل می‌کردند و باعث می‌شد نقطه ذوب لایه آلی بالا و پایین رفته و یک گرادیان ایجاد کند.

در فشارهای جوی بسیار کم، آب روی سطح زمین فقط به صورت بخار و یخ بود. هنگامی که فشار به اصطلاح به نقطه سه گانه آب (0.006 اتمسفر) رسید، آب برای اولین بار توانست به شکل مایع وجود داشته باشد.

البته، تنها به صورت تجربی می توان ثابت کرد که دقیقاً چه چیزی باعث انتقال کایرال شده است: دلایل زمینی یا کیهانی. اما به هر حال، در نقطه‌ای، مولکول‌های سفارشی به‌صورت کایرال (یعنی اسیدهای آمینه چرخشی و قندهای چرخشی) پایدارتر بودند و افزایش غیرقابل توقف در تعداد آنها آغاز شد - یک انتقال کایرال.

تواریخ سیاره همچنین می گوید که در آن زمان هیچ کوه یا فرورفتگی روی زمین وجود نداشت. پوسته گرانیتی نیمه مذاب سطحی به صافی سطح اقیانوس مدرن ارائه می دهد. با این حال، در داخل این دشت به دلیل توزیع ناهموار توده ها در داخل زمین، همچنان فرورفتگی ها وجود داشت. این کاهش‌ها نقش بسیار مهمی داشتند.

واقعیت این است که فرورفتگی های کف صاف صدها و حتی هزاران کیلومتر و عمق آنها بیش از صد متر نیست، احتمالاً مهد زندگی شده است. از این گذشته، آبی که روی سطح سیاره جمع شده بود به آنها سرازیر شد. آب ترکیبات آلی کایرال را در لایه خاکستر رقیق کرد. ترکیب شیمیایی ترکیب به تدریج تغییر کرد و دما تثبیت شد. گذار از بی جان به زندگی که در شرایط بی آب آغاز شد، در یک محیط آبی ادامه یافت.

آیا این طرح منشأ زندگی است؟ به احتمال زیاد بله. در بخش زمین شناسی ایسوا (گرینلند غربی) که 3.8 میلیارد سال قدمت دارد، ترکیبات بنزینی و نفت مانند با نسبت ایزوتوپی C12/C13 مشخصه کربن با منشاء فتوسنتزی یافت شد.

اگر ماهیت بیولوژیکی ترکیبات کربن از بخش Isua تأیید شود، معلوم می شود که کل دوره پیدایش حیات روی زمین - از پیدایش مواد آلی کایرال تا ظهور سلولی که قادر به فتوسنتز و تولید مثل است - بوده است. تنها در صد میلیون سال تکمیل شد. و مولکول های آب و DNA نقش بزرگی در این فرآیند ایفا کردند.

شگفت‌انگیزترین چیز در مورد ساختار آب این است که مولکول‌های آب در دماهای منفی پایین و فشار بالا در داخل نانولوله‌ها می‌توانند به شکل مارپیچ دوتایی متبلور شوند که یادآور DNA است. این با آزمایش های کامپیوتری دانشمندان آمریکایی به رهبری شیائو چنگ زنگ در دانشگاه نبراسکا (ایالات متحده آمریکا) ثابت شد.

DNA یک رشته دوتایی است که به صورت مارپیچی پیچیده شده است.هر رشته از "آجر" تشکیل شده است - نوکلئوتیدهایی که به صورت سری به هم متصل شده اند. هر نوکلئوتید DNA حاوی یکی از چهار باز نیتروژنی است - گوانین (G)، آدنین (A) (پورین)، تیمین (T) و سیتوزین (C) (پیریمیدین)، همراه با دئوکسی ریبوز، و دومی، به نوبه خود، یک فسفات. گروه پیوست شده است. نوکلئوتیدهای همسایه توسط یک پیوند فسفودی استری که توسط گروه های 3"-هیدروکسیل (3"-OH) و 5"-فسفات (5"-PO3) تشکیل شده است، به صورت زنجیره ای به یکدیگر متصل می شوند. این خاصیت وجود قطبیت را در DNA تعیین می کند. در جهت مخالف، یعنی انتهای 5 اینچی و 3 اینچی: انتهای 5 اینچی یک نخ مطابق با انتهای 3 اینچی نخ دوم است. توالی نوکلئوتیدها به شما امکان می دهد اطلاعات مربوط به انواع مختلف RNA را رمزگذاری کنید، که مهمترین آنها پیام رسان یا الگو (mRNA)، ریبوزومی (rRNA) و انتقال (tRNA) هستند. همه این انواع RNA بر روی یک الگوی DNA با کپی کردن یک توالی DNA در یک توالی RNA سنتز شده در طول رونویسی سنتز می شوند و در مهمترین فرآیند زندگی - انتقال و کپی کردن اطلاعات (ترجمه) شرکت می کنند.

ساختار اولیه DNA توالی خطی نوکلئوتیدهای DNA در یک زنجیره است. توالی نوکلئوتیدها در یک زنجیره DNA به شکل فرمول DNA حرفی نوشته می شود: به عنوان مثال - AGTCATGCCAG، ورودی از انتهای 5 تا 3 اینچ زنجیره DNA انجام می شود.

ساختار ثانویه DNA به دلیل برهمکنش نوکلئوتیدها (بیشتر بازهای نیتروژنی) با یکدیگر، پیوندهای هیدروژنی تشکیل می شود. یک مثال کلاسیک از ساختار ثانویه DNA، مارپیچ دوگانه DNA است. مارپیچ دوگانه DNA رایج ترین شکل DNA در طبیعت است که از دو زنجیره پلی نوکلئوتیدی DNA تشکیل شده است. ساخت هر زنجیره DNA جدید طبق اصل مکملیت انجام می شود، یعنی. هر پایه نیتروژنی یک زنجیره DNA مربوط به یک پایه کاملاً مشخص از زنجیره دیگر است: در یک جفت مکمل، مقابل A T است و مقابل G C و غیره است.

برای اینکه آب به شکل مارپیچی شکل بگیرد، در یک آزمایش شبیه‌سازی شده، آن را در نانولوله‌هایی تحت فشار بالا قرار دادند که در آزمایش‌های مختلف از 10 تا 40000 اتمسفر متغیر بود. پس از این، دما تنظیم شد که مقدار آن 23- درجه سانتیگراد بود. حاشیه نسبت به نقطه انجماد آب به این دلیل است که با افزایش فشار نقطه ذوب یخ آب کاهش می یابد. قطر نانولوله ها از 1.35 تا 1.90 نانومتر متغیر بود.

برنج. نمای کلی ساختار آب (تصویر نیوساینتیست)

مولکول های آب از طریق پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل می شوند، فاصله بین اتم های اکسیژن و هیدروژن 96 pm و بین دو هیدروژن - 150 pm است. در حالت جامد، اتم اکسیژن در تشکیل دو پیوند هیدروژنی با مولکول های آب همسایه شرکت می کند. در این حالت، تک تک مولکول های H 2 O با قطب های مخالف با یکدیگر در تماس هستند. بنابراین، لایه هایی تشکیل می شود که در آن هر مولکول با سه مولکول از لایه خود و یکی از مولکول همسایه مرتبط است. در نتیجه، ساختار کریستالی یخ از "لوله های" شش ضلعی تشکیل شده است که مانند یک لانه زنبوری به هم متصل شده اند.

برنج. دیوار داخلی سازه آبی (تصویر New Scientist)

دانشمندان انتظار داشتند ببینند که آب در همه موارد ساختار لوله ای نازکی را تشکیل می دهد. با این حال، این مدل نشان داد که در قطر لوله 1.35 نانومتر و فشار 40000 اتمسفر، پیوندهای هیدروژنی خم شده و منجر به تشکیل یک مارپیچ دو جداره شد. دیواره داخلی این ساختار یک مارپیچ چهارگانه است و دیواره بیرونی از چهار مارپیچ دوتایی شبیه به ساختار مولکول DNA تشکیل شده است.

واقعیت اخیر نه تنها بر تکامل ایده های ما در مورد آب، بلکه در تکامل زندگی اولیه و خود مولکول DNA نیز اثری بر جای می گذارد. اگر فرض کنیم که در دوران پیدایش حیات، سنگ‌های رسی کرایولیت شکل نانولوله‌ای داشتند، این سوال مطرح می‌شود: آیا آب جذب شده در آنها می‌تواند به عنوان پایه ساختاری (ماتریکس) برای سنتز DNA و خواندن اطلاعات باشد؟ شاید به همین دلیل است که ساختار مارپیچ DNA ساختار مارپیچی آب را در نانولوله ها تکرار می کند. همانطور که مجله New Scientist گزارش می دهد، اکنون همکاران خارجی ما باید وجود چنین ماکرومولکول های آب را در شرایط تجربی واقعی با استفاده از طیف سنجی فروسرخ و طیف سنجی پراکندگی نوترون تایید کنند.

Ph.D. O.V. موسین

و در اینجا می توانیم به دسته دوم برویم. زیر کلمه "یخ"ما به درک حالت فاز جامد آب عادت کرده ایم. اما در کنار آن، مواد دیگری نیز در معرض انجماد هستند. بنابراین، یخ را می توان با ترکیب شیمیایی ماده اصلی، به عنوان مثال، دی اکسید کربن، آمونیاک، یخ متان و غیره متمایز کرد.

ثالثاً، شبکه های کریستالی (اصلاحات) یخ آب وجود دارد که تشکیل آنها توسط یک عامل ترمودینامیکی تعیین می شود. این همان چیزی است که در این پست کمی در مورد آن صحبت خواهیم کرد.

در مقاله یخ، به چگونگی تغییر ساختار آب با تغییر در حالت تجمع آن نگاه کردیم و به ساختار کریستالی یخ معمولی پرداختیم. به لطف ساختار داخلی خود مولکول آب و پیوندهای هیدروژنی که همه مولکول ها را به یک سیستم منظم متصل می کند، یک شبکه کریستالی شش ضلعی (شش ضلعی) از یخ تشکیل می شود. نزدیک ترین مولکول ها به یکدیگر (یک گوشه مرکزی و چهار گوشه) به شکل یک هرم سه وجهی یا چهار وجهی قرار گرفته اند که زیربنای اصلاح کریستال شش ضلعی است. عکس. 1).

راستیفاصله بین کوچکترین ذرات ماده بر حسب نانومتر (nm) یا آنگستروم اندازه گیری می شود (به نام فیزیکدان سوئدی قرن نوزدهم آندرس جوناس آنگستروم که با نماد Å مشخص می شود) اندازه گیری می شود. 1 Å = 0.1 نانومتر = 10-10 متر.

این ساختار شش ضلعی یخ معمولی تا کل حجم آن گسترش می یابد. شما می توانید این را با چشم غیرمسلح به وضوح ببینید: هنگام بارش برف در زمستان، یک دانه برف را روی آستین یا دستکش خود بگیرید و به شکل آن نگاه دقیق تری بیندازید - شش پرتو یا شش ضلعی است. این برای هر دانه برفی معمولی است، اما حتی یک دانه برف هرگز دیگری را تکرار نمی کند (اطلاعات بیشتر در مورد این در مقاله ما). و حتی کریستال های یخ بزرگ با شکل خارجی آنها با ساختار مولکولی داخلی مطابقت دارد ( شکل 2).

قبلاً گفتیم که انتقال یک ماده، به ویژه آب، از حالتی به حالت دیگر تحت شرایط خاصی رخ می دهد. یخ معمولی در دمای 0 درجه سانتیگراد و کمتر و در فشار 1 اتمسفر (مقدار طبیعی) تشکیل می شود. در نتیجه، برای ظهور سایر تغییرات یخ، تغییر در این مقادیر و در بیشتر موارد وجود دماهای پایین و فشار بالا لازم است که در آن زاویه پیوندهای هیدروژنی تغییر می‌کند و کل شبکه کریستالی بازسازی می‌شود.

هر تغییر یخ به یک سیستم خاص تعلق دارد - گروهی از کریستال ها که در آن سلول های واحد دارای تقارن و سیستم مختصات یکسانی هستند (محورهای XYZ). در مجموع، هفت سنگونی متمایز می شود. ویژگی های هر یک از آنها ارائه شده است تصاویر 3-4. و درست در زیر تصویری از اشکال اصلی کریستال ها ( شکل 5)

تمام تغییرات یخ که با یخ معمولی متفاوت است در شرایط آزمایشگاهی به دست آمد. اولین ساختارهای چند شکلی یخ در آغاز قرن بیستم با تلاش دانشمندان شناخته شد. گوستاو هاینریش تامنو پرسی ویلیامز بریجمن. نمودار اصلاحات بریگمن به صورت دوره ای تکمیل می شد. اصلاحات جدید از تغییرات به دست آمده قبلا شناسایی شد. آخرین تغییرات در نمودار در زمان ما ایجاد شد. تاکنون شانزده نوع کریستالی یخ به دست آمده است. هر نوع نام خاص خود را دارد و با یک عدد رومی مشخص می شود.

ما عمیقاً به خصوصیات فیزیکی هر نوع مولکولی یخ آب نمی پردازیم تا شما خوانندگان عزیز را با جزئیات علمی خسته نکنیم؛ ما فقط پارامترهای اصلی را یادداشت خواهیم کرد.

یخ معمولی ice Ih نامیده می شود (پیشوند "h" به معنای سیستم شش ضلعی است). بر تصاویر 7ساختار کریستالی آن ارائه شده است، متشکل از پیوندهای شش ضلعی (هگزامر)، که از نظر شکل متفاوت هستند - یکی در شکل صندلی آفتابگیر(انگلیسی) فرم صندلی) دیگری در شکل روک ها (شکل قایق). این هگزامرها یک بخش سه بعدی را تشکیل می دهند - دو "شزل لنج" در بالا و پایین افقی هستند و سه "قایق" موقعیت عمودی را اشغال می کنند.

نمودار فضایی ترتیب چینش پیوندهای هیدروژنی یخ را نشان می دهد آیه، اما در واقعیت اتصالات به صورت تصادفی ایجاد می شوند. با این حال، دانشمندان رد نمی کنند که پیوندهای هیدروژنی روی سطح یخ شش ضلعی نسبت به داخل ساختار منظم تر باشد.

سلول واحد یخ شش ضلعی (یعنی حداقل حجم یک کریستال که بازتولید مکرر آن در سه بعدی کل شبکه کریستالی را به طور کلی تشکیل می دهد) شامل 4 مولکول آب است. ابعاد سلول هستند 4.51 Åاز هر دو سو الف، بو 7.35 Åدر سمت c (ضلع یا محور c در نمودارها جهت عمودی دارد). زوایای بین اضلاع، همانطور که از تصویر 4: α=β = 90 درجه، γ = 120 درجه. فاصله بین مولکول های همسایه است 2.76 Å.

کریستال های یخ شش ضلعی صفحات و ستون های شش ضلعی را تشکیل می دهند. وجه بالا و پایین در آنها صفحات پایه هستند و شش وجه جانبی یکسان را منشوری می نامند. شکل 10).

حداقل تعداد مولکول های آب مورد نیاز برای شروع تبلور آن حدود است 275 (25±). تا حد زیادی، تشکیل یخ در سطح توده آب در مرز هوا اتفاق می افتد، نه در داخل آن. کریستال های یخ درشت آیهبه آرامی در جهت محور c شکل می گیرند، به عنوان مثال، در آب راکد به صورت عمودی به سمت پایین از صفحات کریستالی رشد می کنند، یا در شرایطی که رشد به طرفین دشوار است. یخ ریزدانه، که در آب متلاطم یا زمانی که به سرعت یخ می زند، تشکیل می شود، رشدی را تسریع کرده است که از سطوح منشوری هدایت می شود. دمای آب اطراف میزان انشعاب شبکه کریستالی یخ را تعیین می کند.

ذرات مواد محلول در آب، به استثنای اتم های هلیوم و هیدروژن، که ابعاد آنها به آنها اجازه می دهد تا در حفره های ساختار قرار گیرند، در فشار معمولی جو از شبکه کریستالی خارج می شوند و به زور به سطح کریستال یا خارج می شوند. همانطور که در مورد انواع آمورف (در این مورد در ادامه مقاله بیشتر خواهد شد) لایه هایی را بین میکروکریستال ها تشکیل می دهد. چرخه های متوالی انجماد و ذوب آب می تواند برای تصفیه آن از ناخالصی ها، به عنوان مثال، گازها (گاز زدایی) استفاده شود.

همراه با یخ آیهیخ هم هست مدار مجتمع (سیستم مکعبی) با این حال، در طبیعت، تشکیل این نوع یخ گاهی اوقات فقط در لایه های بالایی جو امکان پذیر است. یخ مصنوعی مدار مجتمعبه دست آمده از انجماد فوری آب، که برای آن بخار بر روی آب سرد شده متراکم می شود 80 به منهای 110 درجه سانتی گرادسطح فلز در فشار اتمسفر معمولی. در نتیجه آزمایش، کریستال هایی به شکل مکعب یا به شکل هشت وجهی روی سطح می ریزند. ایجاد یخ مکعبی اولین اصلاح از یخ شش ضلعی معمولی با کاهش دمای آن امکان پذیر نخواهد بود، اما انتقال از مکعب به شش ضلعی با گرم کردن یخ امکان پذیر است. مدار مجتمعمنهای بالاتر 80 درجه سانتی گراد.

در ساختار مولکولی یخ مدار مجتمعزاویه پیوند هیدروژنی مانند یخ معمولی است Ih - 109.5 درجه. و در اینجا یک حلقه شش ضلعی است که توسط مولکول های یک شبکه یخی تشکیل شده است مدار مجتمعفقط در قالب یک صندلی راحتی وجود دارد.

چگالی یخ Ic 0.92 g/cm³ در فشار 1 atm است. سلول واحد در یک کریستال مکعبی دارای 8 مولکول و ابعاد است: a=b=c = 6.35 Å و زوایای آن α=β=γ = 90 درجه است.

در یک یادداشت.خوانندگان عزیز، در این مقاله بارها و بارها با شاخص های دما و فشار برای یک یا آن نوع یخ مواجه می شویم. و اگر مقادیر درجه حرارت بیان شده در درجه سانتیگراد برای همه روشن باشد، ممکن است درک مقادیر فشار برای برخی دشوار باشد. در فیزیک، واحدهای مختلفی برای اندازه گیری آن استفاده می شود، اما در مقاله ما آن را در اتمسفر (atm) نشان می دهیم و مقادیر را گرد می کنیم. فشار معمولی اتمسفر 1 اتمسفر است که برابر با 760 میلی متر جیوه یا کمی بیشتر از 1 بار یا 0.1 مگا پاسکال (مگا پاسکال) است.

همانطور که متوجه شدید، به ویژه، از مثال با یخ مدار مجتمعوجود تغییرات کریستالی یخ در شرایط تعادل ترمودینامیکی امکان پذیر است، یعنی. هنگامی که تعادل دما و فشاری که وجود هر نوع کریستالی یخ را تعیین می کند به هم می خورد، این نوع از بین می رود و به تغییر دیگری تبدیل می شود. دامنه این مقادیر ترمودینامیکی متفاوت است؛ برای هر گونه متفاوت است. اجازه دهید انواع دیگر یخ را نه به ترتیب نامگذاری، بلکه در ارتباط با این انتقالات ساختاری در نظر بگیریم.

یخ IIمتعلق به سیستم سه ضلعی است. می تواند از نوع شش ضلعی در فشار حدود 3000 اتمسفر و دمای حدود منفی 75 درجه سانتیگراد یا از اصلاح دیگری تشکیل شود. یخ Vبا کاهش شدید فشار در دمای منفی 35 درجه سانتیگراد. وجود داشتن IIنوع یخ در شرایط دمای منفی 170 درجه سانتی گراد و فشار از 1 تا 50000 اتمسفر (یا 5 گیگا پاسکال (GPa)) امکان پذیر است. به گفته دانشمندان، یخ این اصلاح احتمالاً می تواند بخشی از ماهواره های یخی سیارات دوردست منظومه شمسی باشد. فشار معمولی اتمسفر و دمای بالای منفی 113 درجه سانتیگراد شرایطی را برای تبدیل این نوع یخ به یخ شش ضلعی معمولی ایجاد می کند.

بر تصاویر 13شبکه کریستال یخ نشان داده شده است II. یک ویژگی مشخصه ساختار قابل مشاهده است - نوعی کانال های شش ضلعی توخالی که توسط پیوندهای مولکولی تشکیل شده است. سلول واحد (ناحیه ای که در تصویر با الماس برجسته شده است) از دو رباط تشکیل شده است که به اصطلاح "در ارتفاع" نسبت به یکدیگر جابجا شده اند. در نتیجه یک سیستم شبکه ای لوزی شکل تشکیل می شود. ابعاد سلول a=b=c = 7.78 Å; α=β=γ = 113.1 درجه. در یک سلول 12 مولکول وجود دارد. زاویه پیوند بین مولکول ها (O–O–O) از 80 تا 120 درجه متغیر است.

هنگام گرم کردن اصلاح II، می توانید یخ دریافت کنید III، و بالعکس، خنک کننده یخ IIIآن را به یخ تبدیل می کند II. همچنین یخ IIIزمانی تشکیل می شود که دمای آب به تدریج به منفی 23 درجه سانتیگراد کاهش یابد و فشار به 3000 اتمسفر افزایش یابد.
همانطور که در نمودار فاز مشاهده می شود ( بیمار 6شرایط ترمودینامیکی برای حالت پایدار یخ III، و همچنین اصلاح دیگری - یخ V، کوچک هستند.

یخ IIIو Vدارای چهار نقطه سه گانه با تغییرات اطراف (مقادیر ترمودینامیکی که در آن وجود حالت های مختلف ماده امکان پذیر است). با این حال، یخ II, IIIو Vتغییرات ممکن است در شرایط فشار اتمسفر معمولی و دمای منفی 170 درجه سانتیگراد وجود داشته باشد و گرم کردن آنها تا دمای منفی 150 درجه سانتیگراد منجر به تشکیل یخ می شود. مدار مجتمع.

در مقایسه با سایر تغییرات فشار بالا که در حال حاضر شناخته شده اند، یخ IIIدارای کمترین چگالی - در فشار 3500 اتمسفر. برابر با 1.16 گرم بر سانتی متر مکعب است.
یخ IIIیک نوع چهارضلعی از آب متبلور است، اما خود ساختار شبکه یخی است IIIتخلفاتی دارد اگر معمولاً هر مولکول توسط 4 مولکول همسایه احاطه شده باشد ، در این حالت این نشانگر دارای مقدار 3.2 خواهد بود و علاوه بر این ممکن است 2 یا 3 مولکول دیگر در این نزدیکی وجود داشته باشد که پیوند هیدروژنی ندارند.
در آرایش فضایی، مولکول ها مارپیچ های راست دست را تشکیل می دهند.
ابعاد یک سلول واحد با 12 مولکول در دمای منفی 23 درجه سانتی گراد و حدود 2800 اتمسفر: a=b = 6.66، c = 6.93 Å. α=β=γ = 90 درجه. زاویه پیوند هیدروژنی بین 87 تا 141 درجه است.

بر تصاویر 15یک نمودار فضایی از ساختار مولکولی یخ به طور معمول ارائه شده است III. مولکول‌ها (نقطه‌های آبی) که نزدیک‌تر به بیننده قرار دارند بزرگ‌تر نشان داده می‌شوند و پیوندهای هیدروژنی (خطوط قرمز) به نسبت ضخیم‌تر هستند.

و اکنون ، همانطور که می گویند ، با پاشنه های ما گرم ، بیایید فوراً از روی کسانی که به دنبال یخ می آیند "پرش کنیم" IIIبه ترتیب نامگذاری، تغییرات کریستالی، و اجازه دهید چند کلمه در مورد یخ بگوییم IX.
این نوع یخ در اصل یخ اصلاح شده است IIIبرای جلوگیری از تبدیل آن به یخ، در معرض سرد شدن عمیق از منفی 65 تا منفی 108 درجه سانتیگراد قرار می گیرد. II. یخ IXدر دماهای زیر 133 درجه سانتیگراد و فشارهای 2000 تا 4000 اتمسفر پایدار می ماند. چگالی و ساختار آن یکسان است IIIذهن، اما بر خلاف یخ IIIدر ساختار یخی IXنظمی در آرایش پروتون ها وجود دارد.
گرمایش یخ IXآن را به اصل بر نمی گرداند IIIتغییر می کند، اما به یخ تبدیل می شود II. ابعاد سلول: a=b = 6.69، c = 6.71 Å در دمای منفی 108 درجه سانتی گراد و 2800 اتمسفر.

راستی، رمان گهواره گربه نوشته 1963 نویسنده علمی تخیلی کرت وونگات حول ماده ای به نام ice-nine است که به عنوان یک ماده ساخته دست بشر توصیف می شود که خطر بزرگی برای زندگی دارد زیرا آب در تماس با آن متبلور شده و به یخ نه تبدیل می شود. ورود حتی مقدار کمی از این ماده به آب های طبیعی رو به اقیانوس های جهان، تمام آب های کره زمین را به یخ زدگی تهدید می کند که به نوبه خود به معنای مرگ همه موجودات زنده است. در نهایت، این چیزی است که اتفاق می افتد.

یخ IVیک تشکیل مثلثی متاپایدار (ضعیف پایدار) از یک شبکه کریستالی است. وجود آن در فضای فاز یخ امکان پذیر است III, Vو VIاصلاحات کمی یخ بگیر IVمی توان از یخ آمورف با چگالی بالا با گرم کردن آهسته آن، از دمای منفی 130 درجه سانتی گراد در فشار ثابت 8000 اتمسفر تهیه کرد.
اندازه سلول واحد لوزی 7.60 Å، زاویه α=β=γ = 70.1 درجه است. سلول شامل 16 مولکول است. پیوندهای هیدروژنی بین مولکول ها نامتقارن است. در فشار 1 اتمسفر و دمای منفی 163 درجه سانتیگراد، چگالی یخ IV 1.27 گرم بر سانتی متر مکعب است. زاویه پیوند O–O–O: 88–128 درجه.

به همین ترتیب IVنوع یخی که یخ را تشکیل می دهد XII- با گرم کردن یک اصلاح آمورف با چگالی بالا (در ادامه در این مورد بیشتر توضیح داده شده) از منفی 196 تا منفی 90 درجه سانتیگراد در همان فشار 8000 اتمسفر، اما با سرعت بالاتر.
یخ XIIهمچنین در ناحیه فازی متابولیسم است Vو VIانواع کریستالی این یک نوع سیستم چهار ضلعی است.
سلول واحد شامل 12 مولکول است که به دلیل پیوندهای هیدروژنی با زوایای 84 تا 135 درجه، در شبکه کریستالی قرار دارند و یک مارپیچ دوتایی راست دست را تشکیل می دهند. سلول دارای ابعاد است: a=b = 8.27، c = 4.02 Å. زوایای α=β=γ = 90 درجه. چگالی یخ XII در فشار اتمسفر معمولی و دمای منفی 146 درجه سانتی گراد 1.30 گرم بر سانتی متر مکعب است. زوایای پیوند هیدروژنی: 67-132 درجه.

از میان تغییراتی که در حال حاضر در یخ آب کشف شده است، یخ پیچیده ترین ساختار کریستالی را دارد V. 28 مولکول سلول واحد آن را تشکیل می دهد. پیوندهای هیدروژنی در سایر ترکیبات مولکولی شکاف ایجاد می کنند و برخی مولکول ها فقط با ترکیبات خاصی پیوند ایجاد می کنند. زاویه پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های همسایه بسیار متفاوت است - از 86 تا 132 درجه، بنابراین در شبکه کریستالی یخ Vتنش شدید و منبع عظیم انرژی وجود دارد.
پارامترهای سلولی تحت شرایط فشار اتمسفر نرمال و دمای منفی 175 درجه سانتیگراد: a= 9.22، b= 7.54، c= 10.35 Å. α=β = 90 درجه، γ = 109.2 درجه.
یخ Vیک واریته مونوکلینیک است که از خنک کردن آب تا دمای منفی 20 درجه سانتی گراد در فشار حدود 5000 اتمسفر تشکیل می شود. چگالی شبکه کریستالی با در نظر گرفتن فشار 3500 اتمسفر، 1.24 گرم بر سانتی متر مکعب است.
نمودار فضایی شبکه کریستال یخ Vنوع نشان داده شده در تصاویر 18. ناحیه سلول واحد کریستال با یک طرح کلی خاکستری برجسته شده است.

ترتیب مرتب پروتون ها در ساختار یخ Vآن را به گونه ای دیگر به نام یخ می سازد سیزدهم. این اصلاح مونوکلینیک را می توان با خنک کردن آب زیر منفی 143 درجه سانتی گراد با افزودن اسید هیدروکلریک (HCl) برای تسهیل انتقال فاز، ایجاد فشار 5000 اتمسفر به دست آورد. انتقال برگشت پذیر از سیزدهمنوع k Vنوع در محدوده دمایی از منفی 193 درجه سانتیگراد تا منفی 153 درجه سانتیگراد امکان پذیر است.
ابعاد سلول واحد یخ سیزدهمکمی متفاوت از Vتغییرات: a= 9.24، b= 7.47، c= 10.30 Å; α=β = 90 درجه، γ= 109.7 درجه (در 1 اتمسفر، منهای 193 درجه سانتیگراد). تعداد مولکول ها در سلول یکسان است - 28. زاویه پیوندهای هیدروژنی: 82-135 درجه.