Oggi parleremo delle proprietà della neve e del ghiaccio. Vale la pena chiarire che il ghiaccio non si forma solo dall'acqua. Oltre al ghiaccio d'acqua, c'è il ghiaccio di ammoniaca e metano. Non molto tempo fa, gli scienziati hanno inventato il ghiaccio secco. Le sue proprietà sono uniche, le considereremo un po 'più tardi. Si forma quando l'anidride carbonica congela. Il ghiaccio secco prende il nome dal fatto che quando si scioglie non lascia pozzanghere. L'anidride carbonica in esso contenuta evapora immediatamente nell'aria dal suo stato congelato.
Definizione di ghiaccio
Prima di tutto, diamo uno sguardo più da vicino al ghiaccio, che si ottiene dall'acqua. Al suo interno è presente un reticolo cristallino regolare. Il ghiaccio è un minerale naturale comune prodotto quando l'acqua ghiaccia. Una molecola di questo liquido si lega a quattro molecole vicine. Gli scienziati hanno notato che una tale struttura interna è inerente a varie pietre preziose e persino minerali. Ad esempio, il diamante, la tormalina, il quarzo, il corindone, il berillo e altri hanno questa struttura. Le molecole sono tenute a distanza da un reticolo cristallino. Queste proprietà dell'acqua e del ghiaccio indicano che la densità di tale ghiaccio sarà inferiore alla densità dell'acqua a causa della quale si è formato. Pertanto, il ghiaccio galleggia sulla superficie dell'acqua e non vi affonda.
Milioni di chilometri quadrati di ghiaccio
Sapete quanto ghiaccio c'è sul nostro pianeta? Secondo una recente ricerca condotta dagli scienziati, sul pianeta Terra ci sono circa 30 milioni di chilometri quadrati di acqua ghiacciata. Come avrai intuito, la maggior parte di questo minerale naturale si trova nelle calotte polari. In alcuni luoghi lo spessore della copertura di ghiaccio raggiunge i 4 km.
Come ottenere il ghiaccio
Fare il ghiaccio non è affatto difficile. Questo processo non è difficile e non richiede competenze particolari. Ciò richiede una bassa temperatura dell'acqua. Questa è l'unica condizione costante per il processo di formazione del ghiaccio. L'acqua si congela quando il termometro mostra una temperatura inferiore a 0 gradi Celsius. Il processo di cristallizzazione inizia in acqua a causa delle basse temperature. Le sue molecole sono costruite in un'interessante struttura ordinata. Questo processo è chiamato formazione di un reticolo cristallino. È lo stesso nell'oceano, in una pozzanghera e persino nel congelatore.
Ricerca sul processo di congelamento
Conducendo ricerche sul tema del congelamento dell'acqua, gli scienziati sono giunti alla conclusione che il reticolo cristallino è costruito negli strati superiori dell'acqua. Sulla superficie iniziano a formarsi microscopici bastoncini di ghiaccio. Poco dopo si congelano insieme. Grazie a ciò, sulla superficie dell'acqua si forma una pellicola sottile. Grandi specchi d’acqua impiegano molto più tempo a congelare rispetto all’acqua ferma. Ciò è dovuto al fatto che il vento increspa e increspa la superficie di un lago, stagno o fiume.
Frittelle di ghiaccio
Gli scienziati hanno fatto un'altra osservazione. Se l'eccitazione continua a basse temperature, i film più sottili vengono raccolti in frittelle con un diametro di circa 30 cm, quindi si congelano in uno strato, il cui spessore è di almeno 10 cm, un nuovo strato di ghiaccio si congela sopra e sotto dei pancake ghiacciati. Questo crea una copertura di ghiaccio spessa e resistente. La sua forza dipende dal tipo: il ghiaccio più trasparente sarà molte volte più forte del ghiaccio bianco. Gli ambientalisti hanno notato che il ghiaccio di 5 centimetri può sostenere il peso di un adulto. Uno strato di 10 cm può sopportare un'autovettura, ma va ricordato che uscire sul ghiaccio in autunno e primavera è molto pericoloso.
Proprietà della neve e del ghiaccio
Fisici e chimici hanno studiato a lungo le proprietà del ghiaccio e dell'acqua. La proprietà più famosa e anche importante del ghiaccio per l'uomo è la sua capacità di sciogliersi facilmente anche a temperatura zero. Ma anche altre proprietà fisiche del ghiaccio sono importanti per la scienza:
- il ghiaccio è trasparente, quindi trasmette bene la luce solare;
- incolore: il ghiaccio non ha colore, ma può essere facilmente colorato utilizzando additivi coloranti;
- durezza: le masse di ghiaccio mantengono perfettamente la loro forma senza gusci esterni;
- la fluidità è una proprietà particolare del ghiaccio, insita nel minerale solo in alcuni casi;
- fragilità: un pezzo di ghiaccio può essere facilmente diviso senza troppi sforzi;
- scissione: il ghiaccio si rompe facilmente nei punti in cui è fuso lungo una linea cristallografica.
Ghiaccio: proprietà di spostamento e purezza
Il ghiaccio ha un alto grado di purezza nella sua composizione, poiché il reticolo cristallino non lascia spazio libero a varie molecole estranee. Quando l'acqua congela, sposta varie impurità che una volta erano disciolte in essa. Allo stesso modo, puoi ottenere acqua purificata a casa.
Ma alcune sostanze possono rallentare il processo di congelamento dell’acqua. Ad esempio, il sale nell'acqua di mare. Il ghiaccio nel mare si forma solo a temperature molto basse. Sorprendentemente, il processo di congelamento dell'acqua ogni anno è in grado di mantenere l'autopurificazione di varie impurità per molti milioni di anni consecutivi.
I segreti del ghiaccio secco
La particolarità di questo ghiaccio è che contiene carbonio nella sua composizione. Tale ghiaccio si forma solo a una temperatura di -78 gradi, ma si scioglie già a -50 gradi. Il ghiaccio secco, le cui proprietà consentono di saltare la fase dei liquidi, produce immediatamente vapore quando riscaldato. Il ghiaccio secco, come il suo omologo ghiaccio d'acqua, non ha odore.
Sapete dove viene utilizzato il ghiaccio secco? Per le sue proprietà, questo minerale viene utilizzato durante il trasporto di cibo e medicinali su lunghe distanze. E i granuli di questo ghiaccio possono spegnere il fuoco della benzina. Inoltre, quando il ghiaccio secco si scioglie, forma una fitta nebbia, motivo per cui viene utilizzato sui set cinematografici per creare effetti speciali. Oltre a tutto quanto sopra, puoi portare con te il ghiaccio secco durante le escursioni e nella foresta. Dopotutto, quando si scioglie, respinge le zanzare, vari parassiti e roditori.
Per quanto riguarda le proprietà della neve, possiamo osservare questa straordinaria bellezza ogni inverno. Dopotutto, ogni fiocco di neve ha la forma di un esagono: questo è immutato. Ma oltre alla forma esagonale, i fiocchi di neve possono avere un aspetto diverso. La formazione di ciascuno di essi è influenzata dall'umidità dell'aria, dalla pressione atmosferica e da altri fattori naturali.
Le proprietà dell’acqua, della neve e del ghiaccio sono sorprendenti. È importante conoscere alcune altre proprietà dell'acqua. Ad esempio, è in grado di assumere la forma del recipiente in cui viene versato. Quando l'acqua congela, si espande e ha anche memoria. È in grado di ricordare l'energia circostante e, quando si congela, “reimposta” le informazioni che ha assorbito.
Abbiamo esaminato il minerale naturale: il ghiaccio: proprietà e sue qualità. Continua a studiare scienze, è molto importante e utile!
Yu.I.GOLOVINPrende il nome dall'Università statale di Tambov. GR. Derzavina
Soros Educational Journal, Volume 6, N. 9, 2000
Acqua e ghiaccio: ne sappiamo abbastanza?
Yu. I. GOLOVIN
Vengono descritte le proprietà fisiche dell'acqua e del ghiaccio. Vengono discussi i meccanismi di vari fenomeni in queste sostanze. Nonostante il lungo periodo di studio e la semplice composizione chimica, l’acqua e il ghiaccio – sostanze molto preziose per la vita sulla terra – nascondono molti misteri a causa della loro complessa struttura protonica e molecolare dinamica.Viene fornita una breve panoramica delle proprietà fisiche dell'acqua e del ghiaccio. Vengono considerati i meccanismi di vari fenomeni in essi contenuti. È dimostrato che, nonostante la secolare storia dello studio, la composizione chimica più semplice e l'eccezionale importanza per la vita sulla Terra, la natura dell'acqua e del ghiaccio è piena di molti misteri a causa della complessa dinamica protonica e della struttura molecolare.
Anche se le persone hanno più bisogno della semplicità,
Tuttavia, il complesso è loro più chiaro.
B.L. Pastinaca
Forse non esiste sulla Terra una sostanza più diffusa e allo stesso tempo più misteriosa dell'acqua nella fase liquida e solida. Basta infatti ricordare che tutti gli esseri viventi provengono dall'acqua e ne sono costituiti per oltre il 50%, che il 71% della superficie terrestre è ricoperta da acqua e ghiaccio e che una parte significativa delle terre settentrionali è permafrost. Per visualizzare la quantità totale di ghiaccio sul nostro pianeta, notiamo che se si sciogliessero, l'acqua negli oceani aumenterebbe di oltre 50 m, il che porterebbe all'inondazione di gigantesche aree terrestri in tutto il mondo. Enormi masse di ghiaccio sono state scoperte nell'Universo, compreso il Sistema Solare. Non esiste una sola produzione o attività umana più o meno significativa in cui non venga utilizzata l'acqua. Negli ultimi decenni sono state scoperte grandi riserve di carburante sotto forma di idrati solidi simili al ghiaccio di idrocarburi naturali.
Allo stesso tempo, dopo numerosi successi nel campo della fisica e della chimica fisica dell'acqua negli ultimi anni, difficilmente si può sostenere che le proprietà di questa semplice sostanza siano completamente comprensibili e prevedibili. Questo articolo fornisce una breve panoramica delle proprietà fisiche più importanti dell'acqua e del ghiaccio e dei problemi irrisolti legati principalmente alla fisica dei loro stati di bassa temperatura.
Questa è una molecola complicata
Le basi della moderna comprensione della chimica fisica dell'acqua furono gettate circa 200 anni fa da Henry Cavendish e Antoine Lavoisier, che scoprirono che l'acqua non è un semplice elemento chimico, come credevano gli alchimisti medievali, ma un composto di ossigeno e idrogeno in un certo rapporto. In effetti, l'idrogeno (idrogeno) - che dà origine all'acqua - ha ricevuto il suo nome solo dopo questa scoperta, e l'acqua ha acquisito la sua moderna designazione chimica, ora nota a ogni scolaro: H 2 O.
Quindi, la molecola di H 2 O è costituita da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Come stabilito dagli studi sugli spettri ottici dell'acqua, in un ipotetico stato di completa assenza di movimento (senza oscillazioni e rotazioni), gli ioni idrogeno e ossigeno dovrebbero occupare posizioni ai vertici di un triangolo isoscele con un angolo al vertice occupato dall'ossigeno di 104,5° (Fig. 1, a). Nello stato non eccitato, la distanza tra gli ioni H+ e O2− è 0,96 Å. Grazie a questa struttura, la molecola d'acqua è un dipolo, poiché la densità elettronica nella regione in cui si trova lo ione O 2− è significativamente più alta che nella regione degli ioni H +, e il modello più semplice - il modello delle sfere - è poco adatto per descrivere le proprietà dell'acqua. Potete immaginare una molecola d'acqua sotto forma di una palla con due piccoli rigonfiamenti nella zona in cui si trovano i protoni (Fig. 1, b). Tuttavia, questo non aiuta a comprendere un'altra caratteristica dell'acqua: la capacità di formare legami idrogeno diretti tra le molecole, che svolgono un ruolo enorme nella formazione della sua struttura spaziale sciolta, ma allo stesso tempo molto stabile, che determina la maggior parte delle proprietà fisiche sia allo stato liquido che allo stato solido.
Riso. 1. Diagramma geometrico (a), modello piatto (b) e struttura elettronica spaziale (c) del monomero H 2 O. Due dei quattro elettroni nel guscio esterno dell'atomo di ossigeno sono coinvolti nella creazione di legami covalenti con gli atomi di idrogeno e il altri due formano orbite elettroniche molto allungate, piano perpendicolare al piano H – O – H
Ricordiamo che un legame idrogeno è un legame tra gli atomi di una molecola o di molecole vicine che avviene attraverso un atomo di idrogeno. Occupa una posizione intermedia tra un legame covalente e un legame nonvalente e si forma quando un atomo di idrogeno si trova tra due atomi elettronegativi (O, N, F, ecc.). L'elettrone nell'atomo H è relativamente debolmente legato al protone, quindi la massima densità elettronica si sposta verso un atomo più elettronegativo e il protone viene esposto e inizia a interagire con un altro atomo elettronegativo. In questo caso, gli atomi O⋅⋅⋅O, N⋅⋅⋅O, ecc., si avvicinano. ad una distanza prossima a quella che si stabilirebbe tra loro in assenza dell'atomo H. Il legame idrogeno determina non solo la struttura dell'acqua, ma svolge anche un ruolo estremamente importante nella vita delle biomolecole: proteine, carboidrati, acidi nucleici, ecc. .
Ovviamente per spiegare la natura dell'acqua è necessario tenere conto della struttura elettronica delle sue molecole. Come sapete, l'atomo di ossigeno ha quattro elettroni nel suo guscio superiore, mentre l'idrogeno ha un solo elettrone. La formazione di ciascun legame covalente OH coinvolge un elettrone degli atomi di ossigeno e idrogeno. I due elettroni rimasti nell'ossigeno sono chiamati coppia solitaria, poiché in una molecola d'acqua isolata rimangono liberi, non partecipando alla formazione di legami all'interno della molecola H 2 O. Ma quando si avvicinano ad altre molecole, sono questi elettroni solitari che svolgono un ruolo ruolo decisivo nella formazione della struttura molecolare dell'acqua.
Gli elettroni solitari sono respinti dai legami O–H, quindi le loro orbite sono fortemente allungate nella direzione opposta a quella degli atomi di idrogeno e i piani orbitali sono ruotati rispetto al piano formato dai legami O–H–O. Pertanto, sarebbe più corretto rappresentare una molecola d'acqua nello spazio di coordinate tridimensionale xyz sotto forma di un tetraedro, al centro del quale c'è un atomo di ossigeno, e ai due vertici c'è un atomo di idrogeno (Fig. 1, c). La struttura elettronica delle molecole di H 2 O determina le condizioni per la loro associazione in una complessa rete tridimensionale di legami idrogeno sia nell'acqua che nel ghiaccio. Ciascuno dei protoni può formare un legame con un elettrone solitario di un'altra molecola. La prima molecola funge da accettore e la seconda da donatore, formando un legame idrogeno. Poiché ogni molecola di H2O ha due protoni e due elettroni solitari, può formare quattro legami idrogeno con altre molecole contemporaneamente. Pertanto, l'acqua è un liquido associato complesso con una natura dinamica delle connessioni e una descrizione delle sue proprietà a livello molecolare è possibile solo con l'aiuto di modelli quantomeccanici di vari gradi di complessità e rigore.
Il ghiaccio e le sue proprietà
Dal punto di vista della persona media, il ghiaccio è più o meno lo stesso, non importa dove si forma: nell'atmosfera come chicchi di grandine, sui bordi dei tetti come ghiaccioli o nelle acque come piastre. Dal punto di vista fisico esistono molte varietà di ghiaccio, differenti per struttura molecolare e mesoscopica. Nel ghiaccio esistente a pressione normale, ciascuna molecola di H 2 O è circondata da altre quattro, cioè il numero di coordinazione della struttura è quattro (il cosiddetto ghiaccio I h). Il corrispondente reticolo cristallino - esagonale - non è compatto, quindi la densità del ghiaccio ordinario (∼0,9 g/cm 3) è inferiore alla densità dell'acqua (∼1 g/cm 3), per la cui struttura, come Gli studi di diffrazione dei raggi X mostrano che il numero medio di coordinazione è ∼ 4,4 (contro 4 per il ghiaccio I h). Solo gli atomi di ossigeno occupano posizioni fisse nella struttura del ghiaccio. Due atomi di idrogeno possono occupare posizioni diverse sui quattro legami della molecola H 2 O con altri vicini. A causa dell'esagonità del reticolo, i cristalli che crescono allo stato libero (ad esempio i fiocchi di neve) hanno una forma esagonale.
Tuttavia, la fase esagonale è ben lungi dall'essere l'unica forma di esistenza del ghiaccio. Il numero esatto delle altre fasi cristalline - forme polimorfiche di ghiaccio - è ancora sconosciuto. Si formano ad alte pressioni e basse temperature (Fig. 2). Alcuni ricercatori ritengono che la presenza di 12 di tali fasi sia stabilita con precisione, mentre altri le contano fino a 14. Naturalmente, questa non è l'unica sostanza che presenta polimorfismo (ricordate, ad esempio, grafite e diamante, costituiti da atomi di carbonio chimicamente identici ), ma il numero delle diverse fasi del ghiaccio, che continuano a essere scoperte fino ad oggi, è sorprendente. Tutto quanto sopra si riferisce alla disposizione ordinata degli ioni di ossigeno nel reticolo cristallino del ghiaccio. Per quanto riguarda i protoni - gli ioni idrogeno - come mostrato dalla diffrazione dei neutroni, c'è un forte disordine nella loro disposizione. Pertanto, il ghiaccio cristallino è sia un mezzo ben ordinato (rispetto all'ossigeno) che allo stesso tempo un mezzo disordinato (rispetto all'idrogeno).
Riso. 2. Diagramma di fase del ghiaccio cristallino.
I numeri romani indicano aree di esistenza
formazione di fasi stabili. Ice IV è una sostanza metastabile
for, situato sul diagramma all'interno dell'area V
Sembra spesso che il ghiaccio sia malleabile e fluido. Ciò è vero se la temperatura è vicina al punto di fusione (cioè t = 0°C a pressione atmosferica) e il carico viene applicato per un lungo periodo. E il materiale più duro (ad esempio il metallo) a temperature vicine al punto di fusione si comporta in modo simile. La deformazione plastica del ghiaccio, così come di molti altri solidi cristallini, si verifica come risultato della nucleazione e del movimento di varie imperfezioni strutturali attraverso il cristallo: posti vacanti, atomi interstiziali, bordi dei grani e, soprattutto, dislocazioni. Come stabilito già negli anni '30 del nostro secolo, è la presenza di quest'ultimo che predetermina una forte diminuzione della resistenza dei solidi cristallini alla deformazione plastica (di 10 2 –10 4 volte rispetto alla resistenza di un reticolo ideale). Ad oggi, nel ghiaccio Ih sono stati scoperti tutti i tipi di dislocazioni caratteristiche della struttura esagonale e sono state studiate le loro caratteristiche micromeccaniche ed elettriche.
L'effetto della velocità di deformazione sulle proprietà meccaniche del ghiaccio monocristallino è ben illustrato in Fig. 3, tratto dal libro di N. Maeno. Si può vedere che con un aumento della velocità di deformazione, le sollecitazioni meccaniche σ richieste per il flusso plastico aumentano rapidamente e appare un gigantesco dente di snervamento sulla dipendenza della deformazione relativa E da σ.
Riso. 3.(Di ). Curve di deformazione relativa allo stress per un monocristallo di ghiaccio I h a t = −15°С (scorrevole lungo il piano basale orientato con un angolo di 45° rispetto all'asse di compressione). I numeri sulle curve indicano il tasso di deformazione relativo ( ∆l– modifica della lunghezza del campione l durante ∆τ
) in unità di 10 −7 s −1
Riso. 4. Schema di formazione dei difetti nel sottosistema protonico del ghiaccio: a – una coppia di difetti ionici H 3 O + e OH –; b – coppia di difetti orientazionali di Bjerrum D e L
Le proprietà elettriche del ghiaccio non sono meno notevoli. L'entità della conduttività e il suo aumento esponenzialmente rapido con l'aumento della temperatura distinguono nettamente il ghiaccio dai conduttori metallici e lo pongono alla pari dei semiconduttori. Il ghiaccio è solitamente molto puro dal punto di vista chimico, anche se cresce da acqua o soluzione sporca (pensa a pezzi di ghiaccio puliti e trasparenti in una pozzanghera sporca). Ciò è dovuto alla bassa solubilità delle impurità nella struttura del ghiaccio. Di conseguenza, durante il congelamento, le impurità vengono spinte nel liquido dal fronte di cristallizzazione e non entrano nella struttura del ghiaccio. Ecco perché la neve appena caduta è sempre bianca e l'acqua che ne deriva è eccezionalmente pulita.
La natura ha saggiamente fornito una gigantesca stazione di depurazione dell'acqua in tutta l'atmosfera terrestre. Pertanto, nel ghiaccio non si può contare su un'elevata conduttività delle impurità (come, ad esempio, nel silicio drogato). Ma non ci sono elettroni liberi, come nei metalli. Solo negli anni '50 del 20 ° secolo fu stabilito che i portatori di carica nel ghiaccio sono protoni disordinati, cioè il ghiaccio è un semiconduttore protonico.
Il proton hopping sopra menzionato crea due tipi di difetti nella struttura del ghiaccio: ionici e orientazionali (Fig. 4). Nel primo caso, si verifica un salto di protoni lungo un legame idrogeno da una molecola di H 2 O a un'altra (Fig. 4, a), provocando la formazione di una coppia di difetti ionici H 3 O + e OH -, e nel secondo - a un legame idrogeno adiacente in una molecola H 2 O (Fig. 4, b), a seguito del quale si presenta una coppia di difetti orientazionali di Bjerrum, chiamati difetti L e D (dal tedesco leer - vuoto e doppelt - doppio ). Formalmente, tale salto può essere considerato come una rotazione della molecola di H 2 O di 120°.
Il flusso di corrente continua dovuto al movimento di soli difetti ionici o solo orientativi è impossibile. Se, ad esempio, uno ione H 3 O + passa attraverso una parte della griglia, il successivo ione simile non sarà in grado di passare attraverso lo stesso percorso. Tuttavia, se lungo questo percorso viene fatto passare un difetto D, la disposizione dei protoni tornerà a quella originale e, quindi, il successivo ione H 3 O + potrà passare. I difetti OH - e L si comportano in modo simile, pertanto la conduttività elettrica del ghiaccio chimicamente puro è limitata da quei difetti in numero minore, cioè quelli ionici. La polarizzazione dielettrica, invece, è dovuta a più numerosi difetti orientativi di Bjerrum. Infatti, quando viene applicato un campo elettrico esterno, entrambi i processi avvengono in parallelo, il che consente al ghiaccio di condurre corrente continua e allo stesso tempo di subire una forte polarizzazione dielettrica, cioè di esibire sia le proprietà di un semiconduttore che le proprietà di un isolante. Negli ultimi anni sono continuati i tentativi di scoprire le proprietà ferroelettriche e piezoelettriche del ghiaccio puro a basse temperature sia nella massa che ai confini interfase. Non vi è ancora completa fiducia nella loro esistenza, sebbene siano stati scoperti diversi effetti pseudo-piezoelettrici associati alla presenza di dislocazioni e altri difetti strutturali.
Fisica della superficie e cristallizzazione del ghiaccio
In connessione con lo sviluppo della tecnologia dei semiconduttori, la microminiaturizzazione della base degli elementi e il passaggio alle tecnologie planari, l'interesse per la fisica delle superfici è aumentato notevolmente nell'ultimo decennio. Sono state sviluppate molte tecniche sofisticate per studiare gli stati vicini alla superficie nei solidi, che si sono rivelate utili nello studio di metalli, semiconduttori e dielettrici. Tuttavia, la struttura e le proprietà della superficie del ghiaccio adiacente al vapore o al liquido rimangono in gran parte poco chiare. Una delle ipotesi più intriganti, avanzata da M. Faraday, è l'esistenza sulla superficie del ghiaccio di uno strato quasi liquido spesso da decine a centinaia di angstrom, anche a una temperatura ben al di sotto del punto di fusione. La base di ciò non sono solo costruzioni speculative e teorie sulla struttura degli strati vicini alla superficie di molecole di H 2 O altamente polarizzate, ma anche determinazioni sottili (usando la risonanza magnetica nucleare) dello stato di fase della superficie del ghiaccio, così come della sua conduttività superficiale e sua dipendenza dalla temperatura. Tuttavia, nella maggior parte dei casi pratici, le proprietà superficiali della neve e del ghiaccio sono molto probabilmente determinate dalla presenza di un film macroscopico d'acqua piuttosto che da uno strato quasi liquido.
Lo scioglimento degli strati superficiali di ghiaccio sotto l'influenza della luce solare, di un'atmosfera più calda o di un corpo solido che scivola su di esso (pattini, sci, pattini da slitta) è fondamentale per ottenere un basso coefficiente di attrito. Un basso attrito radente non è il risultato di una diminuzione della temperatura di fusione sotto l'influenza di una maggiore pressione, come spesso si pensa, ma una conseguenza del rilascio di calore da attrito. I calcoli mostrano che l’effetto della pressione, anche nel caso di un pattino affilato che scivola sul ghiaccio, sotto il quale si sviluppa una pressione di circa 1 MPa, porta ad una diminuzione della temperatura di fusione di soli ∼0,1°C, che non può avere un effetto significativo sulla quantità di attrito.
Una tradizione consolidata nel descrivere le proprietà dell'acqua e del ghiaccio è l'affermazione e la discussione di molte proprietà anomale che distinguono questa sostanza tra i suoi omologhi (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te). Forse la cosa più importante è il calore specifico di fusione (cristallizzazione) e la capacità termica molto elevati (tra le sostanze semplici), ovvero il ghiaccio è difficile da sciogliere e l'acqua è difficile da congelare. Di conseguenza, il clima sul nostro pianeta è generalmente abbastanza mite, ma in assenza di acqua (ad esempio, nei deserti dell'Africa calda), il contrasto tra le temperature diurne e notturne è molto più elevato che sulla costa oceanica. latitudine. Vitale per la biosfera è la proprietà di aumentare di volume durante la cristallizzazione e non di diminuire, come fa la stragrande maggioranza delle sostanze conosciute. Di conseguenza, il ghiaccio galleggia nell'acqua anziché affondare e rallenta notevolmente il congelamento dei corpi idrici nella stagione fredda, proteggendo tutti gli esseri viventi che vi si rifugiano per l'inverno. Ciò è facilitato anche dalla variazione non monotona della densità dell’acqua quando la temperatura scende a 0°C, una delle proprietà anomale più note dell’acqua, scoperta più di 300 anni fa. La densità massima viene raggiunta a t = 4°C e ciò impedisce agli strati d'acqua vicini alla superficie che si sono raffreddati a una temperatura inferiore a 4°C di affondare sul fondo. La miscelazione convettiva del liquido viene bloccata, il che rallenta notevolmente l'ulteriore raffreddamento. Altre anomalie dell'acqua sono note da tempo: viscosità di taglio a 20°C, calore specifico a 40°C, comprimibilità isotermica a 46°C, velocità del suono a 60°C. La viscosità dell'acqua diminuisce all'aumentare della pressione e non aumenta, come gli altri liquidi. È chiaro che le proprietà anomale dell'acqua sono dovute alle caratteristiche strutturali della sua molecola e alle specificità delle interazioni intermolecolari. Su quest'ultimo aspetto non è stata ancora raggiunta la completa chiarezza. Le proprietà sopra descritte si applicano all'acqua, al ghiaccio e all'interfaccia tra loro, esistenti in condizioni di equilibrio termodinamico. Problemi di un livello di complessità completamente diverso sorgono quando si tenta di descrivere la dinamica della transizione di fase acqua-ghiaccio, soprattutto in condizioni lontane dall'equilibrio termodinamico.
La causa termodinamica di qualsiasi transizione di fase è la differenza nei potenziali chimici delle particelle su un lato e sull'altro dell'interfaccia ∆μ = µ 1 −μ 2. Il potenziale chimico µ è una funzione di stato che determina cambiamenti nei potenziali termodinamici quando cambia il numero N di particelle nel sistema, cioè µ = G/N, dove G = H − TS è il potenziale termodinamico di Gibbs, H è l'entalpia, S è l’entropia, T è la temperatura. La differenza di potenziale termodinamico è la forza motrice di un processo macroscopico (così come la differenza di potenziale elettrico ai capi di un conduttore è la causa della corrente elettrica). A µ1 = µ2 entrambe le fasi possono coesistere in equilibrio per tutto il tempo desiderato. A pressione normale, il potenziale chimico dell'acqua è uguale al potenziale chimico del ghiaccio a t = 0°C. A t< 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.).
Gli embrioni possono anche formarsi in modo omogeneo, cioè dall'ambiente stesso, che è in uno stato metastabile, ma per questo devono essere soddisfatte determinate condizioni. Cominciamo a considerare la situazione tenendo conto del fatto che qualsiasi interfaccia tra il cristallo e la massa fusa (o vapore, soluzione) introduce energia aggiuntiva Sα, dove S è l'area di confine, α è l'energia superficiale. Inoltre, le molecole di N che formano il cristallo seme hanno un'energia inferiore di N∆μ rispetto al liquido. Di conseguenza, la variazione totale di energia nel sistema alla comparsa di un nucleo ∆U = −N∆μ + Sα risulterà non monotonicamente dipendente da N. Infatti, per una forma sferica del nucleo
dove A = (36πV 2) 1/3 V è il volume di una molecola nel cristallo. Da quanto precedente segue che ∆U raggiunge un massimo ∆Uc = - N c ∆μ + AN c 2/3 α, quando il nucleo contiene N c = (2Aα/3∆μ) 3 molecole.
Pertanto, con l'aggiunta sequenziale di molecole al nucleo, il sistema deve prima salire in cima alla collina potenziale con un'altezza ∆U c, a seconda del superraffreddamento, dopodiché si verificherà un'ulteriore crescita di N nel cristallo con una diminuzione di energia, cioè più facile. Sembrerebbe che più bassa è la temperatura del liquido, cioè più forte è il sottoraffreddamento, più veloce dovrebbe verificarsi la cristallizzazione. Questo è effettivamente il caso quando l'ipotermia non è eccessiva. Tuttavia, al diminuire di t, anche la viscosità del liquido aumenta esponenzialmente, rendendo difficile il movimento delle molecole. Di conseguenza, ad alti gradi di sottoraffreddamento, il processo di cristallizzazione può durare per molti anni (come nel caso di vetri di varia origine).
Le stime numeriche mostrano che per l'acqua a gradi normali di sottoraffreddamento in condizioni naturali (∆t = 1–10°C), l'embrione dovrebbe consistere di diverse decine di molecole, che è significativamente maggiore del numero di coordinazione nella fase liquida (∼4,4 ). Pertanto, il sistema richiede un gran numero di tentativi di fluttuazione per raggiungere la cima della collina energetica. In acqua non molto purificata, un forte sottoraffreddamento è impedito dalla presenza di centri di cristallizzazione già esistenti, che possono essere particelle di impurità, particelle di polvere, irregolarità delle pareti del vaso, ecc. Successivamente, la cinetica della crescita dei cristalli dipende dalle condizioni del trasferimento di calore in prossimità del confine interfase, nonché sulla morfologia di quest'ultimo a livello atomico.a livello molecolare.
L'acqua fortemente sottoraffreddata ha due temperature caratteristiche t h = −36 °C e t g = −140 °C. L'acqua ben purificata e degassata nell'intervallo di temperatura 0°С > t > t h può rimanere a lungo nello stato di liquido sottoraffreddato. A 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%).
Esistono diversi punti di vista sulla natura del poliamorfismo dell'acqua. Quindi, secondo , questo comportamento dell’acqua fortemente sottoraffreddata può essere spiegato se accettiamo che nel profilo potenziale dell’interazione di due molecole di H2O ci sia più di un minimo,
Riso. 5(Di ). Profili di potenziale ipotetici: a – con un minimo di energia (ad esempio, il potenziale di Lennard-Jones U(r) = A/r 6 − B/r 12) e b – con due minimi di energia, che corrispondono a due configurazioni stabili di a gruppo di due molecole d'acqua interagenti (1 e 2) con diverse distanze tra i centri condizionali delle molecole r H e r L; il primo corrisponde ad una fase con una densità maggiore, la seconda – con una densità inferiore
e due (Fig. 5). Quindi la fase amorfa con alta densità corrisponderà alla distanza media rH, e la fase a bassa densità – rL. La modellizzazione computerizzata conferma questo punto di vista, ma non esiste ancora prova sperimentale affidabile per questa ipotesi, né esiste una teoria rigorosa che confermi la validità dell’uso del potenziale del doppio pozzo per descrivere proprietà così insolite dell’acqua sottoraffreddata.
Il comportamento dell’acqua sottoraffreddata è di grande interesse per vari motivi. In particolare, determina le condizioni climatiche, la possibilità e la modalità di navigazione alle alte latitudini, che è rilevante per il nostro Paese. Durante il processo di cristallizzazione dinamica all'interfaccia si verificano molti fenomeni interessanti e ancora poco compresi, ad esempio la ridistribuzione delle impurità, la separazione e il successivo rilassamento delle cariche elettriche, accompagnato da radiazione elettromagnetica in un'ampia banda di frequenza, ecc. Infine, la cristallizzazione in un liquido altamente sottoraffreddato è ottimo, facilmente riproducibile molte volte una situazione modello del comportamento di un sistema lontano dall'equilibrio termodinamico e capace, a seguito dello sviluppo di instabilità, della formazione di dendriti di vario ordine e dimensione ( rappresentanti tipici sono i fiocchi di neve e i motivi del ghiaccio sulle finestre), utili per creare e modellare il comportamento dei frattali.
A prima vista, i processi di scioglimento del ghiaccio sembrano più facili da analizzare rispetto ai processi di cristallizzazione. Tuttavia lasciano anche molte domande. Ad esempio, è opinione diffusa che l'acqua di fusione abbia da tempo proprietà diverse dalle proprietà dell'acqua ordinaria, almeno in relazione agli oggetti biologici: piante, animali, esseri umani. Probabilmente, queste caratteristiche possono essere dovute all'elevata purezza chimica (dovuta al noto basso coefficiente di cattura delle impurità durante la cristallizzazione del ghiaccio), alle differenze nel contenuto di gas e ioni disciolti, nonché all'immagazzinamento della struttura del ghiaccio in ammassi multimolecolari del liquido fase. Tuttavia, l'autore non dispone di informazioni affidabili su questo ottenuto con metodi fisici moderni.
Non meno difficile è l'analisi dei meccanismi di influenza dei campi fisici esterni, in particolare dei campi magnetici, sui processi e sulle proprietà dell'acqua, del ghiaccio e delle transizioni di fase. Tutta la nostra vita si svolge in condizioni di azione costante del campo magnetico terrestre e delle sue deboli fluttuazioni. La magnetobiologia e i metodi di trattamento magnetico in medicina si sono sviluppati per molti secoli. Infine, le unità sono prodotte in serie e ampiamente utilizzate per magnetizzare l'acqua utilizzata per l'irrigazione in agricoltura (al fine di aumentare la produttività), alimentare le caldaie a vapore (per ridurre il tasso di formazione di calcare al loro interno), ecc. Tuttavia, non esiste ancora una descrizione fisica soddisfacente dei meccanismi d'azione del campo magnetico in questi e altri casi simili.
Conclusione
L'acqua, il ghiaccio e le loro reciproche trasformazioni di fase sono ancora pieni di molti misteri. Risolverli non è solo un problema fisico molto interessante, ma è anche estremamente importante per la vita sulla Terra, poiché è direttamente correlato alla salute e al benessere umano. Forse forniscono uno degli esempi più sorprendenti del ruolo della struttura elettronica e molecolare nella formazione delle proprietà fisiche della composizione chimica più semplice e conosciuta di una sostanza.
Letteratura:
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6. Zolotukhin I.V. Frattali nella fisica dello stato solido // Soros Educational Journal. 1998. N. 7. pp. 108–113. Revisore dell'articolo B.A. Strukov
Yuri Ivanovich Golovin, dottore in scienze fisiche e matematiche, professore, preside. Dipartimento di Fisica Teorica e Sperimentale, Università Statale di Tambov. GR. Derzhavin, scienziato onorato della Federazione Russa. L'area di interesse scientifico è la struttura elettronica dei difetti nei solidi e le proprietà macroscopiche da essi causate. Autore e coautore di oltre 200 articoli scientifici, tra cui monografie e 40 invenzioni.
Delle 14 forme di acqua solida attualmente conosciute in natura, ne troviamo solo una: il ghiaccio. Il resto si forma in condizioni estreme e è inaccessibile per le osservazioni al di fuori di laboratori speciali. La proprietà più intrigante del ghiaccio è la sua sorprendente varietà di manifestazioni esterne. Con la stessa struttura cristallina, può apparire completamente diverso, assumendo la forma di chicchi di grandine e ghiaccioli trasparenti, fiocchi di neve soffice, una densa crosta lucida di nevoso su un campo di neve o gigantesche masse glaciali.
Nella piccola città giapponese di Kaga, situata sulla costa occidentale dell'isola di Honshu, c'è un museo insolito. Neve e ghiaccio. È stata fondata da Ukihiro Nakaya, la prima persona che ha imparato a coltivare in laboratorio fiocchi di neve artificiali, belli come quelli che cadono dal cielo. In questo museo, i visitatori sono circondati su tutti i lati da esagoni regolari, perché è proprio questa simmetria “esagonale” che è caratteristica dei normali cristalli di ghiaccio (a proposito, la parola greca kristallos significa in realtà “ghiaccio”). Determina molte delle sue proprietà uniche e fa sì che i fiocchi di neve, con tutta la loro infinita varietà, crescano sotto forma di stelle con sei, meno spesso tre o dodici raggi, ma mai con quattro o cinque.
Molecole in traforo
La chiave per la struttura dell'acqua solida risiede nella struttura della sua molecola. H2O può essere rappresentato semplicisticamente come un tetraedro (una piramide a base triangolare). Al centro c'è l'ossigeno, in due vertici c'è l'idrogeno, più precisamente un protone, i cui elettroni sono coinvolti nella formazione di un legame covalente con l'ossigeno. I due vertici rimanenti sono occupati da coppie di elettroni di valenza dell'ossigeno, che non partecipano alla formazione di legami intramolecolari, motivo per cui sono chiamati solitari.
Quando un protone di una molecola interagisce con una coppia di elettroni di ossigeno solitari di un'altra molecola, si forma un legame idrogeno, meno forte di un legame intramolecolare, ma abbastanza potente da tenere insieme le molecole vicine. Ogni molecola può formare contemporaneamente quattro legami idrogeno con altre molecole ad angoli rigorosamente definiti, che non consentono la creazione di una struttura densa quando congelata. Questa struttura invisibile di legami idrogeno dispone le molecole in una rete con canali cavi. Non appena il ghiaccio si riscalda, il pizzo collassa: le molecole d'acqua iniziano a cadere nei vuoti della rete, portando ad una struttura del liquido più densa, motivo per cui l'acqua è più pesante del ghiaccio.Il ghiaccio, che si forma a pressione atmosferica e scioglie a 0°C, è la sostanza più comune, ma ancora non del tutto compresa. Gran parte della sua struttura e proprietà sembra insolita. Nei siti del reticolo cristallino del ghiaccio, gli atomi di ossigeno sono disposti in modo ordinato, formando esagoni regolari, ma gli atomi di idrogeno occupano una varietà di posizioni lungo i legami. Questo comportamento degli atomi è generalmente atipico: di regola, in una sostanza solida tutti obbediscono alla stessa legge: o tutti gli atomi sono disposti in modo ordinato, e quindi è un cristallo, o in modo casuale, e quindi è una sostanza amorfa.
Il ghiaccio è difficile da sciogliere, non importa quanto possa sembrare strano. Se non ci fossero legami idrogeno che tengono insieme le molecole d’acqua, si scioglierebbe a 90°C. Allo stesso tempo, quando l'acqua congela, non diminuisce di volume, come accade con la maggior parte delle sostanze conosciute, ma aumenta a causa della formazione di una struttura traforata di ghiaccio.Le “stranezze” del ghiaccio includono anche la generazione di radiazioni elettromagnetiche da parte dei suoi cristalli in crescita. È noto da tempo che la maggior parte delle impurità disciolte nell'acqua non si trasferiscono nel ghiaccio quando inizia a crescere, in altre parole, congela. Pertanto, anche nella pozzanghera più sporca, la pellicola di ghiaccio è pulita e trasparente. Le impurità si accumulano all'interfaccia tra mezzi solidi e liquidi, sotto forma di due strati di cariche elettriche di segno diverso, che causano una differenza di potenziale significativa. Lo strato carico di impurità si muove insieme al limite inferiore del ghiaccio giovane ed emette onde elettromagnetiche. Grazie a ciò è possibile osservare in dettaglio il processo di cristallizzazione. Pertanto, un cristallo che cresce in lunghezza sotto forma di un ago emette in modo diverso rispetto a uno ricoperto da processi laterali, e la radiazione dei grani in crescita è diversa da quella che si verifica quando i cristalli si rompono. Dalla forma, sequenza, frequenza e ampiezza degli impulsi di radiazione è possibile determinare a quale velocità il ghiaccio si congela e che tipo di struttura del ghiaccio si ottiene.
Ghiaccio sbagliato
Allo stato solido l'acqua presenta, secondo gli ultimi dati, 14 modifiche strutturali. Alcuni di essi sono cristallini (la maggior parte), altri sono amorfi, ma tutti differiscono l'uno dall'altro nella disposizione relativa delle molecole d'acqua e nelle proprietà. È vero, tutto tranne il ghiaccio a noi familiare si forma in condizioni esotiche - a temperature molto basse e pressioni elevate, quando gli angoli dei legami idrogeno nella molecola d'acqua cambiano e si formano sistemi diversi da quelli esagonali. Ad esempio, a temperature inferiori a 110°C, il vapore acqueo precipita su una piastra metallica sotto forma di ottaedri e cubi di diversi nanometri: questo è il cosiddetto ghiaccio cubico. Se la temperatura è leggermente superiore a 110° e la concentrazione di vapore è molto bassa, sulla piastra si forma uno strato di ghiaccio amorfo estremamente denso.
Le ultime due modifiche del ghiaccio XIII e XIV sono state scoperte dagli scienziati di Oxford abbastanza recentemente, nel 2006. La previsione di 40 anni che dovessero esistere cristalli di ghiaccio con reticoli monoclini e rombici era difficile da confermare: la viscosità dell'acqua a una temperatura di 160 ° C è molto elevata e le molecole di acqua superraffreddata ultrapura si uniscono in tali quantità formare un nucleo cristallino, difficile. Il catalizzatore ha aiutato: l'acido cloridrico, che ha aumentato la mobilità delle molecole d'acqua a basse temperature. Tali modificazioni del ghiaccio non possono formarsi nella natura terrestre, ma possono essere ricercate sui satelliti ghiacciati di altri pianeti.
Lo ha deciso la commissioneUn fiocco di neve è un singolo cristallo di ghiaccio, una variazione sul tema del cristallo esagonale, ma che cresce rapidamente in condizioni di non equilibrio. Le menti più curiose lottano da secoli con il segreto della loro bellezza e infinita diversità. L'astronomo Giovanni Keplero scrisse nel 1611 un intero trattato “Sui fiocchi di neve esagonali”. Nel 1665, Robert Hooke, in un enorme volume di schizzi di tutto ciò che vedeva al microscopio, pubblicò molti disegni di fiocchi di neve di varie forme. La prima fotografia riuscita di un fiocco di neve al microscopio fu scattata nel 1885 dal contadino americano Wilson Bentley. Da quel momento in poi non riuscì più a fermarsi. Fino alla fine della sua vita, per più di quarant'anni, Bentley li fotografò. Più di cinquemila cristalli e nessuno è uguale.
I seguaci più famosi della causa di Bentley sono il già citato Ukihiro Nakaya e il fisico americano Kenneth Libbrecht. Nakaya fu il primo a suggerire che la dimensione e la forma dei fiocchi di neve dipendono dalla temperatura dell'aria e dal contenuto di umidità, e confermò brillantemente questa ipotesi sperimentalmente facendo crescere cristalli di ghiaccio di diverse forme in laboratorio. E Libbrecht iniziò persino a coltivare fiocchi di neve su misura di forma predeterminata.
La vita di un fiocco di neve inizia con la formazione di nuclei di ghiaccio cristallino in una nuvola di vapore acqueo quando la temperatura diminuisce. Il centro della cristallizzazione può essere particelle di polvere, qualsiasi particella solida o anche ioni, ma in ogni caso questi pezzi di ghiaccio di dimensioni inferiori a un decimo di millimetro hanno già un reticolo cristallino esagonale.
Il vapore acqueo, condensandosi sulla superficie di questi nuclei, forma dapprima un minuscolo prisma esagonale, dai sei angoli del quale iniziano a crescere aghi di ghiaccio e processi laterali completamente identici. Sono uguali semplicemente perché anche la temperatura e l’umidità intorno all’embrione sono le stesse. Su di essi, a loro volta, crescono germogli e rami laterali, come su un albero. Tali cristalli sono chiamati dendriti, cioè simili al legno.
Muovendosi su e giù in una nuvola, un fiocco di neve incontra condizioni con diverse temperature e concentrazioni di vapore acqueo. La sua forma cambia, obbedendo fino all'ultimo alle leggi della simmetria esagonale. Ecco come i fiocchi di neve diventano diversi. Anche se teoricamente, nella stessa nuvola alla stessa quota, possono “emergere” identici. Ma ognuno ha il proprio percorso verso il suolo, che è piuttosto lungo; in media, un fiocco di neve cade ad una velocità di 0,9 km all'ora. Ciò significa che ognuno ha una propria storia e una propria forma finale. Il ghiaccio che forma un fiocco di neve è trasparente, ma quando sono tanti, la luce del sole, riflessa e sparsa su numerose facce, ci dà l'impressione di una massa bianca opaca: la chiamiamo neve.
Per evitare confusione con la varietà dei fiocchi di neve, la Commissione internazionale su neve e ghiaccio adottò nel 1951 una classificazione abbastanza semplice dei cristalli di ghiaccio: piastre, cristalli a stella, colonne o colonne, aghi, dendriti spaziali, colonne a punta e forme irregolari. E altri tre tipi di precipitazioni ghiacciate: pellet di neve fine, pellet di ghiaccio e grandine.La formazione di brina, brina e motivi sul vetro è soggetta alle stesse leggi. Questi fenomeni, come i fiocchi di neve, si formano per condensazione, molecola per molecola, sul terreno, sull'erba, sugli alberi. I motivi sulla finestra compaiono quando fa freddo, quando l'umidità dell'aria calda della stanza si condensa sulla superficie del vetro. Ma i chicchi di grandine si formano quando le gocce d'acqua si congelano o quando il ghiaccio nelle nuvole sature di vapore acqueo si congela in strati densi sugli embrioni dei fiocchi di neve. Altri fiocchi di neve già formati possono congelarsi sui chicchi di grandine, fondendosi con essi, per cui i chicchi di grandine assumono le forme più bizzarre.
Per noi sulla Terra è sufficiente una solida modifica dell’acqua, il ghiaccio normale. Permea letteralmente tutte le aree dell'abitazione o del soggiorno umano. Raccogliendosi in grandi quantità, neve e ghiaccio formano strutture speciali con proprietà fondamentalmente diverse da quelle dei singoli cristalli o fiocchi di neve. I ghiacciai montani, le coperture di ghiaccio delle zone acquatiche, il permafrost e semplicemente la copertura nevosa stagionale influenzano in modo significativo il clima di grandi regioni e del pianeta nel suo insieme: anche chi non ha mai visto la neve sente il respiro delle sue masse accumulate ai poli della Terra, per ad esempio, sotto forma di fluttuazioni a lungo termine del livello dell’Oceano Mondiale. E il ghiaccio è così importante per l'aspetto del nostro pianeta e per il confortevole habitat delle creature viventi su di esso che gli scienziati gli hanno assegnato un ambiente speciale: la criosfera, che estende il suo dominio nell'atmosfera e nelle profondità della crosta terrestre.
Olga Maksimenko, Candidata di Scienze Chimiche
L'acqua è una sostanza familiare e insolita. Quasi 3/4 della superficie del nostro pianeta è occupata da oceani e mari. L'acqua dura - neve e ghiaccio - copre il 20% del territorio. Il clima del pianeta dipende dall’acqua. Lo dicono i geofisici La terra si sarebbe raffreddata molto tempo fa e si sarebbe trasformata in un pezzo di pietra senza vita, se non fosse stato per l'acqua. Ha una capacità termica molto elevata. Quando riscaldato, assorbe il calore; raffreddandosi, lo regala. L'acqua della Terra assorbe e restituisce molto calore e quindi “uniforma” il clima. E ciò che protegge la Terra dal freddo cosmico sono quelle molecole d'acqua sparse nell'atmosfera, sotto forma di nuvole e sotto forma di vapore.
L’acqua è la sostanza più misteriosa in natura dopo il DNA, possiede proprietà uniche che non solo non sono state ancora del tutto spiegate, ma sono tutt'altro che conosciute. Più a lungo viene studiato, più si trovano nuove anomalie e misteri. La maggior parte di queste anomalie che rendono possibile la vita sulla Terra sono spiegate dalla presenza di legami idrogeno tra le molecole d'acqua, che sono molto più forti delle forze di attrazione di van der Waals tra molecole di altre sostanze, ma un ordine di grandezza più deboli di quelle ioniche e covalenti. legami tra gli atomi nelle molecole. Gli stessi legami idrogeno sono presenti anche nella molecola del DNA.
Una molecola d'acqua (H 2 16 O) è costituita da due atomi di idrogeno (H) e un atomo di ossigeno (16 O). Si scopre che quasi l'intera varietà delle proprietà dell'acqua e l'insolitezza della loro manifestazione sono determinate, in definitiva, dalla natura fisica di questi atomi, dal modo in cui sono combinati in una molecola e dal raggruppamento delle molecole risultanti.
Riso. Struttura di una molecola d'acqua . Diagramma geometrico (a), modello piatto (b) e struttura elettronica spaziale (c) del monomero H2O. Due dei quattro elettroni nel guscio esterno dell'atomo di ossigeno sono coinvolti nella creazione di legami covalenti con gli atomi di idrogeno, e gli altri due formano orbite elettroniche molto allungate, il cui piano è perpendicolare al piano H-O-H.
La molecola d'acqua H 2 O ha la forma di un triangolo: l'angolo tra i due legami ossigeno-idrogeno è di 104 gradi. Ma poiché entrambi gli atomi di idrogeno si trovano dallo stesso lato dell'ossigeno, le cariche elettriche in esso contenute vengono disperse. La molecola dell'acqua è polare, da qui la particolare interazione tra le sue diverse molecole. Gli atomi di idrogeno nella molecola H 2 O, avendo una carica parzialmente positiva, interagiscono con gli elettroni degli atomi di ossigeno delle molecole vicine. Questo legame chimico è chiamato legame idrogeno. Unisce le molecole di H 2 O in associati unici di struttura spaziale; il piano in cui si trovano i legami idrogeno è perpendicolare al piano degli atomi della stessa molecola di H 2 O. L'interazione tra le molecole d'acqua spiega principalmente le temperature anormalmente elevate della sua fusione e ebollizione. È necessario fornire ulteriore energia per allentare e quindi distruggere i legami idrogeno. E questa energia è molto significativa. Questo è il motivo per cui la capacità termica dell'acqua è così elevata.
Una molecola d’acqua contiene due legami covalenti polari H–O. Si formano a causa della sovrapposizione di due nuvole p di un elettrone di un atomo di ossigeno e nuvole S di un elettrone di due atomi di idrogeno.
Secondo la struttura elettronica degli atomi di idrogeno e ossigeno, una molecola d'acqua ha quattro coppie di elettroni. Due di loro sono coinvolti nella formazione di legami covalenti con due atomi di idrogeno, ad es. sono vincolanti. Le altre due coppie di elettroni sono libere, non si legano. Formano una nuvola di elettroni. La nuvola è eterogenea: in essa si possono distinguere concentrazioni e rarefazioni individuali.
Una molecola d'acqua ha quattro cariche polari: due positive e due negative. Le cariche positive sono concentrate sugli atomi di idrogeno, poiché l'ossigeno è più elettronegativo dell'idrogeno. I due poli negativi provengono da due coppie di elettroni dell'ossigeno non leganti.
Nel nucleo di ossigeno si crea una densità elettronica in eccesso. La coppia elettronica interna dell'ossigeno incornicia uniformemente il nucleo: schematicamente è rappresentato da un cerchio con il centro - il nucleo O 2-. I quattro elettroni esterni sono raggruppati in due coppie di elettroni che gravitano verso il nucleo, ma sono parzialmente non compensati. Schematicamente, gli orbitali elettronici totali di queste coppie sono mostrati sotto forma di ellissi allungate a partire da un centro comune: il nucleo O 2-. Ciascuno dei restanti due elettroni nell'ossigeno si accoppia con un elettrone nell'idrogeno. Questi vapori gravitano anche verso il nucleo di ossigeno. Pertanto, i nuclei di idrogeno - i protoni - risultano alquanto spogli e qui si osserva una mancanza di densità elettronica.
Pertanto, in una molecola d'acqua ci sono quattro poli di carica: due negativi (eccessiva densità elettronica nella regione del nucleo di ossigeno) e due positivi (mancanza di densità elettronica nei due nuclei di idrogeno). Per maggiore chiarezza possiamo immaginare che i poli occupino i vertici di un tetraedro deformato, al centro del quale si trova un nucleo di ossigeno.
Riso. Struttura di una molecola d'acqua: a – angolo tra i legami OH; b – ubicazione dei poli di carica; c – aspetto della nuvola elettronica di una molecola d'acqua.
La molecola d'acqua quasi sferica ha una polarità notevolmente pronunciata, poiché le cariche elettriche in essa contenute sono disposte asimmetricamente. Ogni molecola d'acqua è un dipolo in miniatura con un momento dipolare elevato di 1,87 deBy. Debye è un'unità fuori sistema del dipolo elettrico 3.33564·10 30 C·m. Sotto l'influenza dei dipoli dell'acqua, le forze interatomiche o intermolecolari sulla superficie di una sostanza immersa in essa vengono indebolite di 80 volte. In altre parole, l’acqua ha un’elevata costante dielettrica, la più alta tra tutti i composti a noi conosciuti.
In gran parte a causa di ciò, l'acqua si manifesta come un solvente universale. Solidi, liquidi e gas sono soggetti alla sua azione dissolvente in un modo o nell'altro.
La capacità termica specifica dell'acqua è la più alta tra tutte le sostanze. Inoltre, è 2 volte superiore a quello del ghiaccio, mentre per la maggior parte delle sostanze semplici (ad esempio i metalli) la capacità termica praticamente non cambia durante il processo di fusione e per le sostanze costituite da molecole poliatomiche, di regola, diminuisce durante la fusione.
Una tale comprensione della struttura della molecola consente di spiegare molte proprietà dell'acqua, in particolare la struttura del ghiaccio. Nel reticolo cristallino del ghiaccio, ogni molecola è circondata da altre quattro. In un'immagine planare, questo può essere rappresentato come segue:
La connessione tra le molecole viene effettuata attraverso un atomo di idrogeno. L'atomo di idrogeno caricato positivamente di una molecola d'acqua è attratto dall'atomo di ossigeno caricato negativamente di un'altra molecola d'acqua. Questo legame è chiamato legame idrogeno (è indicato da punti). La forza di un legame idrogeno è circa 15-20 volte più debole di un legame covalente. Pertanto, il legame idrogeno si rompe facilmente, come si osserva, ad esempio, durante l'evaporazione dell'acqua.
Riso. a sinistra - Legami idrogeno tra le molecole d'acqua
La struttura dell'acqua liquida ricorda quella del ghiaccio. Nell'acqua liquida le molecole sono collegate tra loro anche tramite legami idrogeno, ma la struttura dell'acqua è meno “rigida” di quella del ghiaccio. A causa del movimento termico delle molecole nell'acqua, alcuni legami idrogeno si rompono e altri si formano.
Riso. Reticolo cristallino di ghiaccio. Le molecole d'acqua H 2 O (palline nere) nei suoi nodi sono posizionate in modo tale che ciascuna abbia quattro "vicini".
La polarità delle molecole d'acqua e la presenza di cariche elettriche parzialmente non compensate in esse danno origine alla tendenza a raggruppare le molecole in grandi “comunità” - associati. Si scopre che solo l'acqua allo stato di vapore corrisponde pienamente alla formula H2O. Ciò è stato dimostrato dai risultati della determinazione della massa molecolare del vapore acqueo. Nell'intervallo di temperatura da 0 a 100°C, la concentrazione delle singole molecole (molecole monomeriche) dell'acqua liquida non supera l'1%. Tutte le altre molecole d'acqua sono combinate in associati di vari gradi di complessità e la loro composizione è descritta dalla formula generale (H 2 O)x.
La causa diretta della formazione di associati sono i legami idrogeno tra le molecole d'acqua. Si formano tra i nuclei di idrogeno di alcune molecole e le “condensazioni” elettroniche dei nuclei di ossigeno di altre molecole d'acqua. È vero, questi legami sono decine di volte più deboli dei legami chimici intramolecolari “standard” e i normali movimenti molecolari sono sufficienti per distruggerli. Ma sotto l'influenza delle vibrazioni termiche nascono altrettanto facilmente nuove connessioni di questo tipo. L'emergere e il decadimento degli associati possono essere espressi dal seguente diagramma:
x·H2O↔ (H2O) x
Poiché gli orbitali elettronici in ciascuna molecola d'acqua formano una struttura tetraedrica, i legami idrogeno possono organizzare la disposizione delle molecole d'acqua in associati coordinati tetraedrici.
La maggior parte dei ricercatori spiega la capacità termica anormalmente elevata dell'acqua liquida con il fatto che quando il ghiaccio si scioglie, la sua struttura cristallina non collassa immediatamente. Nell'acqua liquida, i legami idrogeno tra le molecole vengono preservati. Ciò che rimane in esso sono frammenti di ghiaccio, associati a un numero maggiore o minore di molecole d'acqua. Tuttavia, a differenza del ghiaccio, ogni associato non esiste a lungo. La distruzione di alcuni e la formazione di altri associati avviene costantemente. Ad ogni valore di temperatura nell'acqua, in questo processo si stabilisce il proprio equilibrio dinamico. E quando l'acqua viene riscaldata, parte del calore viene spesa per rompere i legami idrogeno nei suoi associati. In questo caso, per rompere ciascun legame vengono spesi 0,26-0,5 eV. Ciò spiega la capacità termica anormalmente elevata dell'acqua rispetto alla fusione di altre sostanze che non formano legami idrogeno. Quando si riscaldano tali fusioni, l'energia viene spesa solo per impartire movimenti termici ai loro atomi o molecole. I legami idrogeno tra le molecole d'acqua si rompono completamente solo quando l'acqua si trasforma in vapore. La correttezza di questo punto di vista è indicata anche dal fatto che il calore specifico del vapore acqueo a 100°C coincide praticamente con il calore specifico del ghiaccio a 0°C.
Immagine qui sotto:
L'elemento strutturale elementare di un associato è un cluster: Riso. Un ipotetico ammasso d'acqua separato. I singoli cluster formano associati di molecole d'acqua (H 2 O) x: Riso. Grappoli di molecole d'acqua formano associati.
Esiste un altro punto di vista sulla natura della capacità termica anormalmente elevata dell'acqua. Il professor G.N. Zatsepina ha osservato che la capacità termica molare dell'acqua, pari a 18 cal/(molgrad), è esattamente uguale alla capacità termica molare teorica di un solido con cristalli triatomici. E secondo la legge di Dulong e Petit, le capacità termiche atomiche di tutti i corpi cristallini chimicamente semplici (monatomici) a una temperatura sufficientemente elevata sono le stesse e pari a 6 calDmol o deg). E per quelli triatomici, i cui grammi contengono 3 N siti del reticolo cristallino, è 3 volte di più. (Qui N a è il numero di Avogadro).
Ne consegue che l'acqua è, per così dire, un corpo cristallino costituito da molecole triatomiche di H 2 0. Ciò corrisponde all'idea comune dell'acqua come una miscela di associati cristallini con una piccola miscela di molecole d'acqua libere di H 2 O tra di loro, il cui numero aumenta con l'aumentare della temperatura. Da questo punto di vista ciò che sorprende non è l’elevata capacità termica dell’acqua liquida, ma la bassa capacità termica del ghiaccio solido. La diminuzione della capacità termica specifica dell'acqua durante il congelamento è spiegata dall'assenza di vibrazioni termiche trasversali degli atomi nel rigido reticolo cristallino del ghiaccio, dove ogni protone che provoca un legame idrogeno ha solo un grado di libertà per le vibrazioni termiche invece di tre .
Ma a causa di cosa e come possono verificarsi cambiamenti così grandi nella capacità termica dell’acqua senza corrispondenti cambiamenti di pressione? Per rispondere a questa domanda, incontriamoci con l'ipotesi del candidato di scienze geologiche e mineralogiche Yu A. Kolyasnikov sulla struttura dell'acqua.
Egli sottolinea che gli scopritori dei legami idrogeno, J. Bernal e R. Fowler, nel 1932 paragonarono la struttura dell'acqua liquida con la struttura cristallina del quarzo, e quegli associati sopra menzionati sono principalmente tetrameri 4H 2 0, in cui ci sono quattro le molecole d'acqua sono collegate in un tetraedro compatto con dodici legami idrogeno interni. Di conseguenza, si forma un tetraedro.
Allo stesso tempo, i legami idrogeno in questi tetrameri possono formare sequenze sia destrorse che sinistrorse, proprio come i cristalli di quarzo diffuso (Si0 2), che hanno anche una struttura tetraedrica, si trovano in cristalli rotazionali destrorsi e sinistrorsi. forme. Poiché ciascuno di questi tetrameri d'acqua ha anche quattro legami idrogeno esterni non utilizzati (come una molecola d'acqua), i tetrameri possono essere collegati da questi legami esterni in una sorta di catene polimeriche, come una molecola di DNA. E poiché ci sono solo quattro legami esterni e 3 volte più di quelli interni, ciò consente ai tetrameri pesanti e forti nell'acqua liquida di piegare, girare e persino rompere questi legami idrogeno esterni indeboliti dalle vibrazioni termiche. Ciò determina la fluidità dell'acqua.
L'acqua, secondo Kolyasnikov, ha questa struttura solo allo stato liquido e, possibilmente, parzialmente allo stato di vapore. Ma nel ghiaccio, la cui struttura cristallina è stata ben studiata, i tetraidroli sono collegati tra loro da legami idrogeno diretti inflessibili e ugualmente forti in una struttura traforata con grandi vuoti al suo interno, il che rende la densità del ghiaccio inferiore alla densità dell'acqua .
Riso. Struttura cristallina del ghiaccio: le molecole d'acqua sono collegate in esagoni regolari
Quando il ghiaccio si scioglie, alcuni dei legami idrogeno in esso contenuti si indeboliscono e si piegano, il che porta alla ristrutturazione della struttura nei tetrameri sopra descritti e rende l'acqua liquida più densa del ghiaccio. A 4°C si verifica uno stato in cui tutti i legami idrogeno tra i tetrameri sono piegati al massimo, il che determina la densità massima dell'acqua a questa temperatura. Non c'è nessun posto dove le connessioni possano andare oltre.
A temperature superiori a 4°C, i singoli legami tra i tetrameri iniziano a rompersi e a 36-37°C si rompe la metà dei legami idrogeno esterni. Ciò determina il minimo sulla curva della capacità termica specifica dell'acqua rispetto alla temperatura. Ad una temperatura di 70°C, quasi tutti i legami intertetrameri vengono rotti e, insieme ai tetrameri liberi, rimangono nell'acqua solo brevi frammenti di catene “polimeriche”. Alla fine, quando l'acqua bolle, si verifica la rottura finale dei singoli tetrameri nelle singole molecole di H 2 0. E il fatto che il calore specifico di evaporazione dell'acqua è esattamente 3 volte maggiore della somma dei calori specifici dello scioglimento del ghiaccio e del successivo riscaldamento d'acqua a 100 ° C conferma l'ipotesi di Kolyasnikov Circa. che il numero di legami interni in un tetramero è 3 volte maggiore del numero di quelli esterni.
Questa struttura tetraedrico-elicoidale dell'acqua potrebbe essere dovuta alla sua antica connessione reologica con quarzo e altri minerali di silicio-ossigeno che predominano nella crosta terrestre, dalle profondità delle quali un tempo appariva l'acqua sulla Terra. Proprio come un piccolo cristallo di sale fa sì che la soluzione che lo circonda si cristallizzi in cristalli simili, e non in altri, così il quarzo fa sì che le molecole d'acqua si allineino in strutture tetraedriche, che sono energeticamente più favorevoli. E nella nostra epoca, nell’atmosfera terrestre, il vapore acqueo, condensandosi in goccioline, forma una tale struttura perché l’atmosfera contiene sempre minuscole goccioline di aerosol d’acqua che hanno già questa struttura. Sono centri di condensazione del vapore acqueo nell'atmosfera. Di seguito sono riportate possibili strutture di silicati a catena basate sul tetraedro, che possono anche essere composte da tetraedri d'acqua.
Riso. Tetraedro regolare elementare di silicio-ossigeno SiO 4 4-.
Riso. Unità elementari di silicio-ossigeno-ortogruppi SiO 4 4- nella struttura di Mg-pirosseno enstatite (a) e gruppi diorto Si 2 O 7 6- nella wollastonite Ca-pirossenoide (b).
Riso. I tipi più semplici di gruppi anionici silicio-ossigeno dell'isola: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.
Riso. sotto - I tipi più importanti di gruppi anionici della catena silicio-ossigeno (secondo Belov): a-metagermanato, b - pirosseno, c - batisite, d-wollastonite, d-vlasovite, e-melilite, f-rodonite, z-piroxmangite , i-metafosfato, k - fluoroberillato, l - barilite.
Riso. sotto - Condensazione degli anioni silicio-ossigeno pirosseno in anfiboli a due file a nido d'ape (a), anfiboli a tre file (b), talco stratificato e anioni correlati (c).
Riso. sotto - I tipi più importanti di gruppi silicio-ossigeno fasciati (secondo Belov): a - sillimanite, anfibolo, xonotlite; b-epididimite; β-ortoclasio; g-narsarsukite; d-fenacite prismatico; e-euclasio intarsiato.
Riso. a destra - Un frammento (pacchetto elementare) della struttura cristallina stratificata della muscovite KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, che illustra l'intercalare di reti di alluminio-silicio-ossigeno con strati poliedrici di grandi cationi di alluminio e potassio, che ricordano una catena di DNA.
Sono possibili anche altri modelli di struttura dell'acqua. Le molecole d'acqua legate tetraedralmente formano catene particolari di composizione abbastanza stabile. I ricercatori stanno scoprendo meccanismi sempre più sottili e complessi dell’“organizzazione interna” della massa d’acqua. Oltre alla struttura simile al ghiaccio, all'acqua liquida e alle molecole monomeriche, viene descritto anche un terzo elemento della struttura: non tetraedrico.
Una certa parte delle molecole d'acqua non è associata in strutture tridimensionali, ma in associazioni di anelli lineari. Gli anelli, quando raggruppati, formano complessi di associati ancora più complessi.
Pertanto, l’acqua può teoricamente formare catene, come una molecola di DNA, come verrà discusso di seguito. Un'altra cosa interessante di questa ipotesi è che implica l'eguale probabilità dell'esistenza dell'acqua destrorsa e sinistrorsa. Ma i biologi hanno notato da tempo che nei tessuti e nelle strutture biologiche si osservano solo formazioni mancini o destrimani. Un esempio di ciò sono le molecole proteiche, costituite solo da amminoacidi levogiri e attorcigliate solo in una spirale sinistrorsa. Ma gli zuccheri in natura sono tutti destrorsi. Nessuno è ancora riuscito a spiegare perché nella natura vivente in alcuni casi ci sia una tale preferenza per la sinistra e in altri per la destra. Infatti, nella natura inanimata, sia le molecole destrogire che quelle sinistrorse si trovano con la stessa probabilità.
Più di cento anni fa, il famoso naturalista francese Louis Pasteur scoprì che i composti organici nelle piante e negli animali sono otticamente asimmetrici: ruotano il piano di polarizzazione della luce incidente su di essi. Tutti gli amminoacidi che compongono animali e piante ruotano il piano di polarizzazione a sinistra e tutti gli zuccheri ruotano a destra. Se sintetizziamo composti con la stessa composizione chimica, ciascuno di essi conterrà un numero uguale di molecole levogire e levogire.
Come sapete, tutti gli organismi viventi sono costituiti da proteine e, a loro volta, da amminoacidi. Combinandosi tra loro in una varietà di sequenze, gli amminoacidi formano lunghe catene peptidiche che si “attorcigliano” spontaneamente in molecole proteiche complesse. Come molti altri composti organici, gli amminoacidi hanno simmetria chirale (dal greco chiros - mano), cioè possono esistere in due forme specularmente simmetriche chiamate “enantiomeri”. Tali molecole sono simili tra loro, come le mani sinistra e destra, quindi sono chiamate molecole D e L (dal latino dexter, laevus - destra e sinistra).
Immaginiamo ora che un mezzo con molecole di sinistra e di destra sia passato in uno stato con solo molecole di sinistra o solo di destra. Gli esperti chiamano questo ambiente chiralmente ordinato (dalla parola greca "cheira" - mano). L'autoriproduzione degli esseri viventi (biopoiesi - come definita da D. Bernal) potrebbe sorgere e mantenersi solo in un tale ambiente.
Riso. Simmetria speculare in natura
Un altro nome per le molecole enantiomeriche - "destrogire" e "levogire" - deriva dalla loro capacità di ruotare il piano di polarizzazione della luce in diverse direzioni. Se la luce polarizzata linearmente viene fatta passare attraverso una soluzione di tali molecole, il piano della sua polarizzazione ruota: in senso orario se le molecole nella soluzione sono destrorse e in senso antiorario se le molecole nella soluzione sono mancini. E in una miscela di quantità uguali di forme D e L (chiamate “racemato”), la luce manterrà la sua polarizzazione lineare originale. Questa proprietà ottica delle molecole chirali fu scoperta per la prima volta da Louis Pasteur nel 1848.
È curioso che quasi tutte le proteine naturali siano costituite solo da amminoacidi levogiri. Questo fatto è tanto più sorprendente in quanto la sintesi degli amminoacidi in condizioni di laboratorio produce approssimativamente lo stesso numero di molecole levogire e levogire. Si scopre che non solo gli amminoacidi hanno questa caratteristica, ma anche molte altre sostanze importanti per i sistemi viventi, e ciascuno ha un segno rigorosamente definito di simmetria speculare in tutta la biosfera. Ad esempio, gli zuccheri che fanno parte di molti nucleotidi, così come gli acidi nucleici DNA e RNA, sono rappresentati nel corpo esclusivamente da molecole D destrorse. Sebbene le proprietà fisiche e chimiche degli “antipodi specchio” siano le stesse, la loro attività fisiologica negli organismi è diversa: la L-caxara non viene assorbita, la L-fenilalanina, a differenza delle sue innocue molecole D, provoca malattie mentali, ecc.
Secondo le idee moderne sull'origine della vita sulla Terra, la scelta di un certo tipo di simmetria speculare da parte delle molecole organiche serviva come prerequisito principale per la loro sopravvivenza e la successiva auto-riproduzione. Tuttavia, la questione di come e perché sia avvenuta la selezione evolutiva dell'uno o dell'altro antipodo specchio rimane ancora uno dei più grandi misteri della scienza.
Lo scienziato sovietico L.L. Morozov dimostrò che la transizione all'ordine chirale non poteva avvenire evolutivamente, ma solo con qualche netto cambiamento di fase specifico. L'accademico V.I. Goldansky ha definito questa transizione, grazie alla quale ha avuto origine la vita sulla Terra, una catastrofe chirale.
Come si sono verificate le condizioni per la catastrofe di fase che ha causato la transizione chirale?
La cosa più importante era che i composti organici si scioglievano a 800-1000 0C nella crosta terrestre e quelli superiori si raffreddavano alla temperatura dello spazio, cioè allo zero assoluto. La differenza di temperatura ha raggiunto i 1000 °C. In tali condizioni, le molecole organiche si scioglievano sotto l'influenza dell'alta temperatura e venivano addirittura completamente distrutte, e la parte superiore rimaneva fredda mentre le molecole organiche si congelavano. I gas e il vapore acqueo fuoriusciti dalla crosta terrestre hanno modificato la composizione chimica dei composti organici. I gas trasportavano con sé il calore, facendo sì che il punto di fusione dello strato organico si spostasse su e giù, creando un gradiente.
A pressioni atmosferiche molto basse, l'acqua era sulla superficie terrestre solo sotto forma di vapore e ghiaccio. Quando la pressione raggiunse il cosiddetto punto triplo dell'acqua (0,006 atmosfere), per la prima volta l'acqua poté esistere sotto forma di liquido.
Naturalmente, solo sperimentalmente si può dimostrare cosa ha causato esattamente la transizione chirale: ragioni terrestri o cosmiche. Ma in un modo o nell'altro, a un certo punto, le molecole ordinate chiralmente (vale a dire gli aminoacidi levogiri e gli zuccheri destrogiri) si rivelarono più stabili e iniziò un aumento inarrestabile del loro numero: una transizione chirale.
La cronaca del pianeta racconta anche che a quel tempo non c'erano montagne o depressioni sulla Terra. La crosta granitica semifusa presentava una superficie liscia quanto il livello dell'oceano moderno. Tuttavia all'interno di questa pianura esistevano ancora delle depressioni dovute alla distribuzione non uniforme delle masse all'interno della Terra. Queste riduzioni hanno svolto un ruolo estremamente importante.
Il fatto è che le depressioni a fondo piatto, larghe centinaia e persino migliaia di chilometri e profonde non più di cento metri, probabilmente sono diventate la culla della vita. Dopotutto, l'acqua raccolta sulla superficie del pianeta scorreva al loro interno. L'acqua ha diluito i composti organici chirali nello strato di cenere. La composizione chimica del composto è gradualmente cambiata e la temperatura si è stabilizzata. La transizione da senza vita a vivente, iniziata in condizioni anidre, è continuata in un ambiente acquatico.
È questa la trama dell'origine della vita? Molto probabilmente sì. Nella sezione geologica di Isua (Groenlandia occidentale), che ha 3,8 miliardi di anni, sono stati trovati composti simili alla benzina e al petrolio con il rapporto isotopico C12/C13 caratteristico del carbonio di origine fotosintetica.
Se la natura biologica dei composti del carbonio della sezione Isua è confermata, si scopre che l'intero periodo dell'origine della vita sulla Terra - dall'emergere della materia organica chirale all'apparizione di una cellula capace di fotosintesi e riproduzione - è stato completato in soli cento milioni di anni. E le molecole d'acqua e il DNA hanno svolto un ruolo enorme in questo processo.
La cosa più sorprendente della struttura dell’acqua è che le molecole d’acqua a basse temperature negative e alte pressioni all’interno dei nanotubi possono cristallizzarsi in una forma a doppia elica, che ricorda il DNA. Ciò è stato dimostrato da esperimenti al computer condotti da scienziati americani guidati da Xiao Cheng Zeng presso l'Università del Nebraska (USA).
Il DNA è un doppio filamento attorcigliato a spirale. Ogni filo è costituito da "mattoni" - nucleotidi collegati in serie. Ogni nucleotide del DNA contiene una delle quattro basi azotate: guanina (G), adenina (A) (purine), timina (T) e citosina (C) (pirimidine), associata al desossiribosio, a quest'ultimo, a sua volta, un fosfato il gruppo è allegato. I nucleotidi vicini sono collegati tra loro in una catena da un legame fosfodiesterico formato da gruppi idrossilici da 3" (3"-OH) e gruppi fosfato da 5" (5"-PO3). Questa proprietà determina la presenza di polarità nel DNA, cioè direzioni opposte, ovvero estremità 5" e 3": l'estremità 5" di un filo corrisponde all'estremità 3" del secondo filo. La sequenza di nucleotidi consente di “codificare” informazioni su vari tipi di RNA, i più importanti dei quali sono il messaggero o stampo (mRNA), il ribosomiale (rRNA) e il trasporto (tRNA). Tutti questi tipi di RNA vengono sintetizzati su uno stampo di DNA copiando una sequenza di DNA in una sequenza di RNA sintetizzata durante la trascrizione e prendono parte al processo più importante della vita: il trasferimento e la copia delle informazioni (traduzione).
La struttura primaria del DNA è la sequenza lineare di nucleotidi del DNA in una catena. La sequenza di nucleotidi in una catena di DNA è scritta sotto forma di una formula di DNA in lettere: ad esempio - AGTCATGCCAG, l'immissione viene effettuata dall'estremità da 5" a 3" della catena di DNA.
La struttura secondaria del DNA si forma a causa delle interazioni dei nucleotidi (principalmente basi azotate) tra loro, legami idrogeno. Un classico esempio di struttura secondaria del DNA è la doppia elica del DNA. La doppia elica del DNA è la forma di DNA più comune in natura, costituita da due catene polinucleotidiche di DNA. La costruzione di ogni nuova catena di DNA viene effettuata secondo il principio di complementarità, cioè. Ciascuna base azotata di una catena di DNA corrisponde a una base rigorosamente definita di un'altra catena: in una coppia complementare, l'opposto A è T e l'opposto G è C, ecc.
Affinché l'acqua formasse una spirale, come questa, in un esperimento simulato è stata “collocata” in nanotubi ad alta pressione, che variava in diversi esperimenti da 10 a 40.000 atmosfere. Successivamente è stata impostata la temperatura che ha avuto un valore di -23°C. Il margine rispetto al punto di congelamento dell'acqua è dovuto al fatto che all'aumentare della pressione diminuisce il punto di fusione del ghiaccio d'acqua. Il diametro dei nanotubi variava da 1,35 a 1,90 nm.
Riso. Vista generale della struttura dell'acqua (immagine di New Scientist)
Le molecole d'acqua sono collegate tra loro tramite legami idrogeno, la distanza tra gli atomi di ossigeno e idrogeno è di 96 pm e tra due idrogeni - 150 pm. Allo stato solido, l'atomo di ossigeno partecipa alla formazione di due legami idrogeno con le molecole d'acqua vicine. In questo caso, le singole molecole di H 2 O entrano in contatto tra loro con poli opposti. Si formano così strati in cui ciascuna molecola è associata a tre molecole del suo strato e una di quello vicino. Di conseguenza, la struttura cristallina del ghiaccio è costituita da “tubi” esagonali interconnessi come un nido d’ape.
Riso. Parete interna di una struttura acquatica (immagine New Scientist)
Gli scienziati si aspettavano di vedere che l'acqua forma in ogni caso una sottile struttura tubolare. Tuttavia, il modello ha mostrato che con un diametro del tubo di 1,35 nm e una pressione di 40.000 atmosfere, i legami idrogeno si piegavano, portando alla formazione di un’elica a doppia parete. La parete interna di questa struttura è una quadrupla elica, mentre la parete esterna è costituita da quattro doppie eliche, simili alla struttura della molecola del DNA.
Quest'ultimo fatto lascia un'impronta non solo sull'evoluzione delle nostre idee sull'acqua, ma anche sull'evoluzione dei primi anni di vita e sulla stessa molecola del DNA. Se assumiamo che nell'era dell'origine della vita, le rocce argillose criolitiche avessero la forma di nanotubi, sorge la domanda: l'acqua in esse assorbita potrebbe servire come base strutturale (matrice) per la sintesi del DNA e la lettura delle informazioni? Forse è per questo che la struttura elicoidale del DNA ripete la struttura elicoidale dell'acqua nei nanotubi. Come riporta la rivista New Scientist, ora i nostri colleghi stranieri dovranno confermare l'esistenza di tali macromolecole d'acqua in condizioni sperimentali reali utilizzando la spettroscopia infrarossa e la spettroscopia di diffusione dei neutroni.
Dottorato di ricerca O.V. Mosin
E qui possiamo passare alla seconda categoria. Sotto la parola "ghiaccio" Siamo abituati a comprendere lo stato di fase solida dell'acqua. Ma oltre a questo, anche altre sostanze sono soggette a congelamento. Pertanto, il ghiaccio può essere distinto dalla composizione chimica della sostanza originale, ad esempio anidride carbonica, ammoniaca, ghiaccio di metano e altri.
In terzo luogo, ci sono reticoli cristallini (modifiche) del ghiaccio d'acqua, la cui formazione è determinata da un fattore termodinamico. È di questo che parleremo un po' in questo post.
Nell'articolo Ghiaccio abbiamo visto come la struttura dell'acqua subisce una ristrutturazione con un cambiamento nel suo stato di aggregazione e abbiamo toccato la struttura cristallina del ghiaccio ordinario. Grazie alla struttura interna della molecola d'acqua stessa e ai legami idrogeno che collegano tutte le molecole in un sistema ordinato, si forma un reticolo cristallino di ghiaccio esagonale (esagonale). Le molecole più vicine l'una all'altra (una centrale e quattro angolari) sono disposte a forma di piramide tripledrica, o tetraedro, che è alla base della modificazione cristallina esagonale ( Fig. 1).
A proposito, la distanza tra le più piccole particelle di materia è misurata in nanometri (nm) o angstrom (dal nome del fisico svedese del XIX secolo Anders Jonas Ångström; indicato con il simbolo Å). 1 Å = 0,1 nm = 10-10 m.
Questa struttura esagonale del ghiaccio ordinario si estende per tutto il suo volume. Puoi vederlo chiaramente ad occhio nudo: durante le nevicate in inverno, prendi un fiocco di neve sulla manica o sul guanto e dai un'occhiata più da vicino alla sua forma: è a sei raggi o esagonale. Questo è tipico di ogni fiocco di neve, ma mai un singolo fiocco di neve ne ripete un altro (maggiori informazioni su questo nel nostro articolo). E anche i grandi cristalli di ghiaccio con la loro forma esterna corrispondono alla struttura molecolare interna ( Fig.2).
Abbiamo già detto che la transizione di una sostanza, in particolare dell'acqua, da uno stato all'altro avviene in determinate condizioni. Il ghiaccio normale si forma a temperature pari o inferiori a 0°C e ad una pressione di 1 atmosfera (valore normale). Di conseguenza, per la comparsa di altre modifiche del ghiaccio, è necessario un cambiamento di questi valori e, nella maggior parte dei casi, la presenza di basse temperature e alta pressione, alle quali cambia l'angolo dei legami idrogeno e viene ricostruito l'intero reticolo cristallino.
Ogni modifica del ghiaccio appartiene a un sistema specifico: un gruppo di cristalli in cui le cellule unitarie hanno la stessa simmetria e sistema di coordinate (assi XYZ). In totale si distinguono sette singoni. Le caratteristiche di ciascuno di essi sono presentate su illustrazioni 3-4. E appena sotto c'è un'immagine delle principali forme di cristalli ( Fig.5)
Tutte le modifiche del ghiaccio che differiscono dal ghiaccio normale sono state ottenute in condizioni di laboratorio. Le prime strutture polimorfiche del ghiaccio divennero note all'inizio del XX secolo grazie agli sforzi degli scienziati Gustav Heinrich Tammann E Percy Williams Bridgman. Il diagramma delle modifiche di Bridgman veniva periodicamente integrato. Sono state identificate nuove modifiche rispetto a quelle ottenute in precedenza. Le ultime modifiche al diagramma sono state apportate ai nostri tempi. Finora sono stati ottenuti sedici tipi di ghiaccio cristallino. Ogni tipo ha il proprio nome ed è indicato da un numero romano.
Non approfondiremo le caratteristiche fisiche di ogni tipo molecolare di acqua ghiacciata, per non annoiarvi, cari lettori, con dettagli scientifici; noteremo solo i parametri principali.
Il ghiaccio ordinario si chiama ghiaccio Ih (il prefisso “h” significa sistema esagonale). SU illustrazioni 7 viene presentata la sua struttura cristallina, costituita da legami esagonali (esameri), che differiscono nella forma, uno nella forma lettino(Inglese) forma di sedia), un altro nella forma torri (forma di barca). Questi esameri formano una sezione tridimensionale: due "chaise longue" sono orizzontali in alto e in basso e tre "barche" occupano una posizione verticale.
Il diagramma spaziale mostra l'ordine nella disposizione dei legami idrogeno del ghiaccio Io, ma in realtà le connessioni vengono costruite in modo casuale. Tuttavia, gli scienziati non escludono che i legami idrogeno sulla superficie del ghiaccio esagonale siano più ordinati che all’interno della struttura.
La cella unitaria del ghiaccio esagonale (cioè il volume minimo di un cristallo, la cui riproduzione ripetuta in tre dimensioni forma l'intero reticolo cristallino nel suo insieme) comprende 4 molecole d'acqua. Le dimensioni della cella sono 4,51Å su entrambi i lati un, b E 7,35 Å sul lato c (il lato c o asse nei diagrammi ha una direzione verticale). Gli angoli tra i lati, visti da illustrazione 4: α=β = 90°, γ = 120°. La distanza tra le molecole vicine è 2,76 Å.
I cristalli di ghiaccio esagonali formano piastre e colonne esagonali; le facce superiore e inferiore in essi sono i piani di base e le sei facce laterali identiche sono chiamate prismatiche ( Fig.10).
Il numero minimo di molecole d'acqua necessarie affinché la sua cristallizzazione abbia inizio è di circa 275 (±25). In larga misura, la formazione del ghiaccio avviene sulla superficie della massa d’acqua al confine con l’aria, piuttosto che al suo interno. Cristalli di ghiaccio grossolani Io si formano lentamente nella direzione dell'asse c, ad esempio, in acqua stagnante crescono verticalmente verso il basso dalle placche cristalline, o in condizioni in cui la crescita laterale è difficile. Il ghiaccio a grana fine, formato in acque turbolente o quando congela rapidamente, ha una crescita accelerata diretta dalle facce prismatiche. La temperatura dell'acqua circostante determina il grado di ramificazione del reticolo dei cristalli di ghiaccio.
Le particelle di sostanze disciolte in acqua, ad eccezione degli atomi di elio e idrogeno, le cui dimensioni consentono loro di adattarsi alle cavità della struttura, sono escluse dal reticolo cristallino alla normale pressione atmosferica, essendo espulse sulla superficie del cristallo o , come nel caso della varietà amorfa (ne parleremo più avanti nell'articolo) che forma strati tra i microcristalli. Cicli consecutivi di congelamento e scongelamento dell'acqua possono essere utilizzati per purificarla dalle impurità, ad esempio dai gas (degasaggio).
Insieme al ghiaccio Io c'è anche il ghiaccio Circuito integrato (sistema cubico), tuttavia in natura la formazione di questo tipo di ghiaccio è occasionalmente possibile solo negli strati superiori dell'atmosfera. Ghiaccio artificiale Circuito integrato ottenuto congelando istantaneamente l'acqua, per la quale il vapore viene condensato su un sistema raffreddato 80 a meno 110°С superficie metallica a pressione atmosferica normale. Come risultato dell'esperimento, cristalli di forma cubica o sotto forma di ottaedri cadono sulla superficie. Non sarà possibile creare ghiaccio cubico di prima modifica dal normale ghiaccio esagonale abbassandone la temperatura, ma la transizione da cubico a esagonale è possibile riscaldando il ghiaccio Circuito integrato meno più alto 80°C.
Nella struttura molecolare del ghiaccio Circuito integrato l'angolo del legame idrogeno è lo stesso del ghiaccio normale Ih – 109,5°. Ed ecco un anello esagonale formato da molecole in un reticolo di ghiaccio Circuito integrato presente solo sotto forma di chaise longue.
La densità del ghiaccio Ic è 0,92 g/cm³ alla pressione di 1 atm. La cella unitaria in un cristallo cubico ha 8 molecole e dimensioni: a=b=c = 6,35 Å, e i suoi angoli α=β=γ = 90°.
In una nota. Cari lettori, in questo articolo incontreremo ripetutamente indicatori di temperatura e pressione per l'uno o l'altro tipo di ghiaccio. E se i valori della temperatura espressi in gradi Celsius sono chiari a tutti, allora la percezione dei valori della pressione potrebbe risultare difficile per alcuni. In fisica per misurarlo si usano varie unità, ma nel nostro articolo lo denoteremo in atmosfere (atm), arrotondando i valori. La pressione atmosferica normale è 1 atm, che equivale a 760 mmHg, o poco più di 1 bar, o 0,1 MPa (megapascal).
Come hai capito, in particolare, dall'esempio del ghiaccio Circuito integrato, l'esistenza di modificazioni cristalline del ghiaccio è possibile in condizioni di equilibrio termodinamico, cioè quando l'equilibrio tra temperatura e pressione che determina la presenza di qualsiasi tipo di ghiaccio cristallino viene disturbato, questo tipo scompare, trasformandosi in un'altra modificazione. L'intervallo di questi valori termodinamici varia; è diverso per ciascuna specie. Consideriamo altri tipi di ghiaccio, non strettamente in ordine di nomenclatura, ma in connessione con queste transizioni strutturali.
Ghiaccio II appartiene al sistema trigonale. Può essere formato dal tipo esagonale ad una pressione di circa 3.000 atm e ad una temperatura di circa meno 75°C, oppure da un'altra modificazione ( ghiaccio V), riducendo drasticamente la pressione ad una temperatura di meno 35°C. Esistenza II tipo di ghiaccio è possibile in condizioni di meno 170°C e pressione da 1 a 50.000 atm (o 5 gigapascal (GPa)). Secondo gli scienziati, il ghiaccio di questa modifica potrebbe probabilmente far parte dei satelliti ghiacciati dei lontani pianeti del sistema solare. La normale pressione atmosferica e temperature superiori a meno 113°C creano le condizioni affinché questo tipo di ghiaccio si trasformi in un normale ghiaccio esagonale.
SU illustrazioni 13 reticolo di cristalli di ghiaccio mostrato II. È visibile una caratteristica della struttura: una sorta di canali esagonali cavi formati da legami molecolari. La cellula unitaria (l'area evidenziata nell'illustrazione con un diamante) è costituita da due legamenti che sono spostati l'uno rispetto all'altro, per così dire, "in altezza". Di conseguenza, si forma un sistema reticolare romboedrico. Dimensioni della cella a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Ci sono 12 molecole in una cellula. L'angolo di legame tra le molecole (O–O–O) varia da 80 a 120°.
Quando si riscalda la modifica II, è possibile ottenere del ghiaccio III e viceversa, il raffreddamento del ghiaccio III lo trasforma in ghiaccio II. Anche ghiaccio III si forma quando la temperatura dell'acqua viene gradualmente abbassata fino a meno 23°C, aumentando la pressione fino a 3.000 atm.
Come si può vedere nel diagramma di fase ( malato. 6), condizioni termodinamiche per uno stato stabile del ghiaccio III, così come un'altra modifica: il ghiaccio V, sono piccoli.
Ghiaccio III E V hanno quattro punti tripli con modifiche circostanti (valori termodinamici ai quali è possibile l'esistenza di diversi stati della materia). Tuttavia, il ghiaccio II, III E V possono verificarsi modifiche in condizioni di pressione atmosferica normale e temperatura di meno 170°C, e il riscaldamento a meno 150°C porta alla formazione di ghiaccio Circuito integrato.
Rispetto ad altre modifiche ad alta pressione attualmente conosciute, il ghiaccio III ha la densità più bassa - ad una pressione di 3.500 atm. è pari a 1,16 g/cm³.
Ghiaccio IIIè una varietà tetragonale di acqua cristallizzata, ma la stessa struttura reticolare del ghiaccio III presenta violazioni. Se ogni molecola è solitamente circondata da 4 vicine, in questo caso questo indicatore avrà un valore di 3,2 e inoltre potrebbero esserci altre 2 o 3 molecole vicine che non hanno legami idrogeno.
Nella disposizione spaziale, le molecole formano eliche destrorse.
Dimensioni di una cella elementare con 12 molecole a meno 23°C e circa 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. L'angolo del legame idrogeno varia da 87 a 141°.
SU illustrazioni 15 viene convenzionalmente presentato un diagramma spaziale della struttura molecolare del ghiaccio III. Le molecole (punti blu) situate più vicine allo spettatore vengono mostrate più grandi e i legami idrogeno (linee rosse) sono corrispondentemente più spessi.
E ora, come si suol dire, alle calcagna, “saltamo subito” chi viene dopo il ghiaccio III in ordine di nomenclatura, modifiche cristalline e diciamo qualche parola sul ghiaccio IX.
Questo tipo di ghiaccio è essenzialmente ghiaccio modificato III, sottoposto a un rapido raffreddamento profondo da meno 65 a meno 108°C per evitare di trasformarlo in ghiaccio II. Ghiaccio IX rimane stabile a temperature inferiori a 133°C e pressioni da 2.000 a 4.000 atm. La sua densità e struttura sono identiche III mente, ma a differenza del ghiaccio III nella struttura del ghiaccio IX c'è ordine nella disposizione dei protoni.
Riscaldamento del ghiaccio IX non lo riporta all'originale III modifiche, ma si trasforma in ghiaccio II. Dimensioni della cella: a=b = 6,69, c = 6,71 Å alla temperatura di meno 108°C e 2800 atm.
A proposito, il romanzo Cat's Cradle dello scrittore di fantascienza Kurt Vonnegut del 1963 è incentrato su una sostanza chiamata ghiaccio-nove, che viene descritta come un materiale artificiale che rappresenta un grande pericolo per la vita perché l'acqua si cristallizza al contatto con esso, trasformandosi in ghiaccio-nove. L'ingresso anche di una piccola quantità di questa sostanza nelle acque naturali che si affacciano sugli oceani del mondo minaccia di congelare tutta l'acqua del pianeta, il che a sua volta significa la morte di tutti gli esseri viventi. Alla fine, questo è quello che succede.
Ghiaccio IVè una formazione trigonale metastabile (debolmente stabile) di un reticolo cristallino. La sua esistenza è possibile nello spazio delle fasi del ghiaccio III, V E VI modifiche. Prendi del ghiaccio IV può essere ottenuto da ghiaccio amorfo ad alta densità riscaldandolo lentamente, partendo da meno 130°C ad una pressione costante di 8.000 atm.
La dimensione della cella unitaria romboedrica è 7,60 Å, angoli α=β=γ = 70,1°. La cellula comprende 16 molecole; i legami idrogeno tra le molecole sono asimmetrici. Ad una pressione di 1 atm e ad una temperatura di meno 163°C la densità del ghiaccio IV è di 1,27 g/cm³. Angolo di legame O–O–O: 88–128°.
Allo stesso modo IV il tipo di ghiaccio che forma il ghiaccio XII– riscaldando una modificazione amorfa ad alta densità (ne parleremo più avanti) da meno 196 a meno 90°C alla stessa pressione di 8.000 atm, ma a una velocità maggiore.
Ghiaccio XII anche metastabile nella regione di fase V E VI tipi cristallini. È un tipo di sistema tetragonale.
La cella unitaria contiene 12 molecole che, a causa dei legami idrogeno con angoli di 84–135°, si trovano nel reticolo cristallino, formando una doppia elica destrorsa. La cella ha dimensioni: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; angoli α=β=γ = 90º. La densità del ghiaccio XII è di 1,30 g/cm³ alla normale pressione atmosferica e ad una temperatura di meno 146°C. Angoli di legame idrogeno: 67–132°.
Tra le modifiche del ghiaccio d'acqua attualmente scoperte, il ghiaccio ha la struttura cristallina più complessa V. 28 molecole costituiscono la sua cellula unitaria; i legami idrogeno coprono spazi vuoti in altri composti molecolari e alcune molecole formano legami solo con determinati composti. L'angolo dei legami idrogeno tra le molecole vicine varia notevolmente: da 86 a 132°, quindi nel reticolo cristallino del ghiaccio V c'è una forte tensione e un'enorme riserva di energia.
Parametri della cella in condizioni di pressione atmosferica normale e temperatura meno 175°C: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Ghiaccio Vè una varietà monoclina che si forma raffreddando l'acqua a meno 20°C ad una pressione di circa 5.000 atm. La densità del reticolo cristallino, tenendo conto di una pressione di 3.500 atm, è di 1,24 g/cm³.
Diagramma spaziale del reticolo dei cristalli di ghiaccio V tipo mostrato in illustrazioni 18. La regione della cella unitaria del cristallo è evidenziata con un contorno grigio.
Disposizione ordinata dei protoni nella struttura del ghiaccio V ne fa un'altra varietà chiamata ghiaccio XIII. Questa modifica monoclina può essere ottenuta raffreddando l'acqua al di sotto di meno 143°C con l'aggiunta di acido cloridrico (HCl) per facilitare la transizione di fase, creando una pressione di 5.000 atm. Transizione reversibile da XIII digitare k V Il tipo è possibile nell'intervallo di temperature da meno 193°C a meno 153°C.
Dimensioni della cella unitaria del ghiaccio XIII leggermente diverso da V modifiche: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (a 1 atm, meno 193°С). Il numero di molecole nella cellula è lo stesso: 28. L'angolo dei legami idrogeno: 82–135°.
Nella prossima parte del nostro articolo continueremo la nostra revisione delle modifiche del ghiaccio d'acqua.
Ci vediamo sulle pagine del nostro blog!
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