Rrjetë kristalore e akullit dhe ujit. Sekretet e kristaleve të akullit Specifikimi i akullit si gjendje uji

Sot do të flasim për vetitë e borës dhe akullit. Vlen të sqarohet se akulli formohet jo vetëm nga uji. Përveç akullit të ujit, ka akull amoniak dhe metan. Jo shumë kohë më parë, shkencëtarët shpikën akullin e thatë. Karakteristikat e tij janë unike, ne do t'i shqyrtojmë ato pak më vonë. Formohet kur dioksidi i karbonit ngrin. Akulli i thatë mori emrin e tij për faktin se kur shkrihet nuk lë pellgje. Dioksidi i karbonit që përmbahet në të avullohet menjëherë në ajër nga gjendja e tij e ngrirë.

Përkufizimi i akullit

Para së gjithash, le të shohim më nga afër akullin, i cili merret nga uji. Brenda saj ka një rrjetë të rregullt kristali. Akulli është një mineral natyral i zakonshëm që prodhohet kur uji ngrin. Një molekulë e këtij lëngu lidhet me katër molekula aty pranë. Shkencëtarët kanë vënë re se një strukturë e tillë e brendshme është e natyrshme në gurë të çmuar të ndryshëm dhe madje edhe minerale. Për shembull, diamanti, turmalina, kuarci, korundi, berili dhe të tjerët kanë këtë strukturë. Molekulat mbahen në një distancë nga një rrjetë kristali. Këto veti të ujit dhe akullit tregojnë se dendësia e akullit të tillë do të jetë më e vogël se dendësia e ujit për shkak të të cilit është formuar. Prandaj, akulli noton në sipërfaqen e ujit dhe nuk zhytet në të.

Miliona kilometra katrorë akull

A e dini se sa akull ka në planetin tonë? Sipas hulumtimeve të fundit nga shkencëtarët, ka rreth 30 milionë kilometra katrorë ujë të ngrirë në planetin Tokë. Siç mund ta keni marrë me mend, pjesa më e madhe e këtij minerali natyror gjendet në kapakët e akullit polare. Në disa vende trashësia e mbulesës së akullit arrin në 4 km.

Si të merrni akull

Bërja e akullit nuk është aspak e vështirë. Ky proces nuk është i vështirë dhe nuk kërkon ndonjë aftësi të veçantë. Kjo kërkon temperaturë të ulët të ujit. Ky është i vetmi kusht konstant për procesin e formimit të akullit. Uji do të ngrijë kur termometri juaj të tregojë një temperaturë nën 0 gradë Celsius. Procesi i kristalizimit fillon në ujë për shkak të temperaturave të ulëta. Molekulat e tij janë ndërtuar në një strukturë interesante të renditur. Ky proces quhet formimi i një rrjete kristalore. Është e njëjta gjë në oqean, në një pellg, madje edhe në frigorifer.

Hulumtoni procesin e ngrirjes

Duke kryer hulumtime mbi temën e ngrirjes së ujit, shkencëtarët arritën në përfundimin se rrjeta kristalore është ndërtuar në shtresat e sipërme të ujit. Shkopinjtë mikroskopikë të akullit fillojnë të formohen në sipërfaqe. Pak më vonë ata ngrijnë së bashku. Falë kësaj, një film i hollë formohet në sipërfaqen e ujit. Trupave të mëdhenj të ujit u duhet shumë më tepër kohë për të ngrirë në krahasim me ujin e qetë. Kjo është për shkak të faktit se era valëzon dhe valëzon sipërfaqen e një liqeni, pellgu ose lumi.

Petulla akulli

Shkencëtarët bënë një tjetër vëzhgim. Nëse eksitimi vazhdon në temperatura të ulëta, atëherë filmat më të hollë mblidhen në petulla me diametër rreth 30 cm. Më pas ngrijnë në një shtresë, trashësia e së cilës është të paktën 10 cm. Një shtresë e re akulli ngrin sipër dhe poshtë të petullave të akullit. Kjo krijon një mbulesë akulli të trashë dhe të qëndrueshme. Forca e tij varet nga lloji: akulli më transparent do të jetë disa herë më i fortë se akulli i bardhë. Ambientalistët kanë vënë re se akulli prej 5 centimetrash mund të mbajë peshën e një të rrituri. Një shtresë prej 10 cm mund të përballojë një makinë pasagjerësh, por duhet mbajtur mend se dalja në akull në vjeshtë dhe pranverë është shumë e rrezikshme.

Karakteristikat e borës dhe akullit

Fizikanët dhe kimistët kanë studiuar prej kohësh vetitë e akullit dhe ujit. Vetia më e famshme dhe gjithashtu e rëndësishme e akullit për njerëzit është aftësia e tij për t'u shkrirë lehtësisht edhe në temperaturë zero. Por vetitë e tjera fizike të akullit janë gjithashtu të rëndësishme për shkencën:

• akulli është transparent, kështu që transmeton mirë rrezet e diellit;
• pangjyrë - akulli nuk ka ngjyrë, por mund të ngjyroset lehtësisht duke përdorur aditivë ngjyrash;
• fortësia - masat e akullit ruajnë në mënyrë të përkryer formën e tyre pa asnjë predhë të jashtme;
• rrjedhshmëria është një pronë e veçantë e akullit, e natyrshme në mineral vetëm në disa raste;
• brishtësia - një copë akulli mund të ndahet lehtësisht pa shumë përpjekje;
• ndarje - akulli thyhet lehtësisht në ato vende ku është shkrirë përgjatë një linje kristalografike.

Akulli: vetitë e zhvendosjes dhe pastërtisë

Akulli ka një shkallë të lartë pastërtie në përbërjen e tij, pasi rrjeta kristalore nuk lë hapësirë ​​të lirë për molekula të ndryshme të huaja. Kur uji ngrin, ai zhvendos papastërtitë e ndryshme që dikur ishin tretur në të. Në të njëjtën mënyrë, ju mund të merrni ujë të pastruar në shtëpi.

Por disa substanca mund të ngadalësojnë procesin e ngrirjes së ujit. Për shembull, kripë në ujin e detit. Akulli në det formohet vetëm në temperatura shumë të ulëta. Çuditërisht, procesi i ngrirjes së ujit çdo vit është në gjendje të ruajë vetë-pastrimin e papastërtive të ndryshme për shumë miliona vjet me radhë.

Sekretet e akullit të thatë

E veçanta e këtij akulli është se përmban karbon në përbërjen e tij. Një akull i tillë formohet vetëm në një temperaturë prej -78 gradë, por shkrihet tashmë në -50 gradë. Akulli i thatë, vetitë e të cilit ju lejojnë të kaloni fazën e lëngjeve, menjëherë prodhon avull kur nxehet. Akulli i thatë, si akulli homolog i tij i ujit, nuk ka erë.

A e dini se ku përdoret akulli i thatë? Për shkak të vetive të tij, ky mineral përdoret gjatë transportit të ushqimit dhe ilaçeve në distanca të gjata. Dhe kokrrat e këtij akulli mund të shuajnë zjarrin e benzinës. Gjithashtu, kur akulli i thatë shkrihet, formon një mjegull të dendur, për këtë arsye përdoret në grupe filmash për të krijuar efekte speciale. Përveç të gjitha sa më sipër, ju mund të merrni me vete akull të thatë në shëtitje dhe në pyll. Në fund të fundit, kur shkrihet, largon mushkonjat, dëmtuesit e ndryshëm dhe brejtësit.

Sa i përket vetive të borës, ne mund ta vëzhgojmë këtë bukuri të mahnitshme çdo dimër. Në fund të fundit, çdo flok dëbore ka formën e një gjashtëkëndëshi - kjo është e pandryshuar. Por përveç formës gjashtëkëndore, flokët e borës mund të duken ndryshe. Formimi i secilit prej tyre ndikohet nga lagështia e ajrit, presioni atmosferik dhe faktorë të tjerë natyrorë.

Karakteristikat e ujit, borës dhe akullit janë të mahnitshme. Është e rëndësishme të njihni disa veti të tjera të ujit. Për shembull, është në gjendje të marrë formën e enës në të cilën derdhet. Kur uji ngrin, ai zgjerohet dhe gjithashtu ka kujtesë. Ai është në gjendje të kujtojë energjinë përreth dhe kur ngrin, "rivendos" informacionin që ka thithur.

Ne shikuam mineralin natyror - akulli: vetitë dhe cilësitë e tij. Vazhdoni të studioni shkencën, është shumë e rëndësishme dhe e dobishme!

Yu. I. GOLOVIN
Universiteti Shtetëror Tambov me emrin. G.R. Derzhavinë
Revista Arsimore Soros, Vëllimi 6, Nr. 9, 2000

Uji dhe akulli: a dimë mjaftueshëm për to?

Ju. I. GOLOVIN

Janë përshkruar vetitë fizike të ujit dhe akullit. Diskutohen mekanizmat e dukurive të ndryshme në këto substanca. Pavarësisht periudhës së gjatë të studimit dhe përbërjes së thjeshtë kimike, uji dhe akulli – substancat janë shumë të vlefshme për jetën në tokë – përmbajnë shumë mistere për shkak të strukturës së tyre të ndërlikuar dinamike protonike dhe molekulare.

Jepet një pasqyrë e shkurtër e vetive fizike të ujit dhe akullit. Shqyrtohen mekanizmat e dukurive të ndryshme në to. Është treguar se, pavarësisht historisë shekullore të studimit, përbërjes kimike më të thjeshtë dhe rëndësisë së jashtëzakonshme për jetën në Tokë, natyra e ujit dhe akullit është e mbushur me shumë mistere për shkak të strukturës komplekse dinamike të protonit dhe molekularit.

Edhe pse njerëzit kanë më shumë nevojë për thjeshtësi,
Megjithatë, kompleksi është më i qartë për ta.

B.L. Parsnip

Ndoshta nuk ka substancë më të përhapur dhe në të njëjtën kohë më misterioze në Tokë sesa uji në fazat e lëngëta dhe të ngurta. Në të vërtetë, mjafton të kujtojmë se të gjitha gjallesat vijnë nga uji dhe përbëhen nga më shumë se 50% e tij, se 71% e sipërfaqes së Tokës është e mbuluar me ujë dhe akull, dhe një pjesë e konsiderueshme e zonave të tokës veriore është e përhershme. Për të vizualizuar sasinë totale të akullit në planetin tonë, vërejmë se nëse ato shkrihen, uji në Oqeanin Botëror do të rritet me më shumë se 50 m, gjë që do të çojë në përmbytjen e zonave gjigante tokësore në të gjithë globin. Masa të mëdha akulli janë zbuluar në Univers, duke përfshirë Sistemin Diellor. Nuk ka asnjë prodhim apo aktivitet njerëzor pak a shumë të rëndësishëm në të cilin uji nuk përdoret. Në dekadat e fundit, rezerva të mëdha karburanti janë zbuluar në formën e hidrateve të ngurta të hidrokarbureve natyrore të ngjashme me akullin.

Në të njëjtën kohë, pas sukseseve të shumta në fizikën dhe kiminë fizike të ujit në vitet e fundit, vështirë se mund të argumentohet se vetitë e kësaj substance të thjeshtë janë plotësisht të kuptueshme dhe të parashikueshme. Ky artikull ofron një përmbledhje të shkurtër të vetive fizike më të rëndësishme të ujit dhe akullit dhe problemeve të pazgjidhura që lidhen kryesisht me fizikën e gjendjeve të tyre me temperaturë të ulët.

Kjo është një molekulë e ndërlikuar

Themelet e të kuptuarit modern të kimisë fizike të ujit u hodhën rreth 200 vjet më parë nga Henry Cavendish dhe Antoine Lavoisier, të cilët zbuluan se uji nuk është një element i thjeshtë kimik, siç besonin alkimistët mesjetarë, por një përbërje e oksigjenit dhe hidrogjenit në një. raport të caktuar. Në fakt, hidrogjeni (hidrogjeni) - i cili lind ujin - mori emrin e tij vetëm pas këtij zbulimi, dhe uji fitoi emërtimin e tij kimik modern, i njohur tashmë për çdo nxënës - H 2 O.

Pra, molekula H 2 O është ndërtuar nga dy atome hidrogjeni dhe një atom oksigjeni. Siç përcaktohet nga studimet e spektrit optik të ujit, në një gjendje hipotetike të mungesës së plotë të lëvizjes (pa lëkundje dhe rrotullime), jonet e hidrogjenit dhe oksigjenit duhet të zënë pozicione në kulmet e një trekëndëshi dykëndësh me një kënd në kulmin e zënë nga oksigjeni. prej 104,5° (Fig. 1, a). Në gjendjen e pangacmuar, distancat midis joneve H + dhe O 2− janë 0,96 Å. Falë kësaj strukture, molekula e ujit është një dipol, pasi dendësia e elektroneve në rajonin ku ndodhet joni O 2− është dukshëm më i lartë se në rajonin e joneve H +, dhe modeli më i thjeshtë - modeli i sferave - nuk është i përshtatshëm për përshkrimin e vetive të ujit. Mund të imagjinoni një molekulë uji në formën e një topi me dy fryrje të vogla në zonën ku ndodhen protonet (Fig. 1, b). Sidoqoftë, kjo nuk ndihmon për të kuptuar një veçori tjetër të ujit - aftësinë për të formuar lidhje të drejtuara hidrogjeni midis molekulave, të cilat luajnë një rol të madh në formimin e strukturës së tij të lirë, por në të njëjtën kohë shumë të qëndrueshme hapësinore, e cila përcakton pjesën më të madhe të vetitë fizike si në gjendje të lëngët ashtu edhe në gjendje të ngurtë.

Oriz. 1. Diagrami gjeometrik (a), modeli i sheshtë (b) dhe struktura elektronike hapësinore (c) e monomerit H 2 O. Dy nga katër elektronet në shtresën e jashtme të atomit të oksigjenit janë të përfshirë në krijimin e lidhjeve kovalente me atomet e hidrogjenit, dhe dy të tjera formojnë orbita elektronike shumë të zgjatura, rrafsh i cili është pingul me rrafshin H–O–H

Le të kujtojmë se një lidhje hidrogjeni është një lidhje midis atomeve në një molekulë ose molekulave fqinje që ndodh përmes një atomi hidrogjeni. Ai zë një pozicion të ndërmjetëm midis një lidhjeje kovalente dhe jovalente dhe formohet kur një atom hidrogjeni ndodhet midis dy atomeve elektronegativë (O, N, F, etj.). Elektroni në atomin H lidhet relativisht dobët me protonin, kështu që densiteti maksimal i elektronit zhvendoset në një atom më elektronegativ, dhe protoni ekspozohet dhe fillon të ndërveprojë me një atom tjetër elektronegativ. Në këtë rast, atomet O⋅⋅⋅O, N⋅⋅⋅O, etj., afrohen së bashku. në një distancë afër asaj që do të vendosej midis tyre në mungesë të atomit H. Lidhja hidrogjenore përcakton jo vetëm strukturën e ujit, por luan gjithashtu një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në jetën e biomolekulave: proteinat, karbohidratet, acidet nukleike etj. .

Natyrisht, për të shpjeguar natyrën e ujit është e nevojshme të merret parasysh struktura elektronike e molekulave të tij. Siç e dini, atomi i oksigjenit ka katër elektrone në shtresën e sipërme të tij, ndërsa hidrogjeni ka vetëm një elektron. Formimi i secilës lidhje kovalente O-H përfshin një elektron nga atomet e oksigjenit dhe hidrogjenit. Dy elektronet që mbeten në oksigjen quhen një çift i vetëm, pasi në një molekulë uji të izoluar ato mbeten të lira, duke mos marrë pjesë në formimin e lidhjeve brenda molekulës H 2 O. Por kur u afrohen molekulave të tjera, janë këto elektrone të vetme që luajnë një rol vendimtar në formimin e strukturës molekulare të ujit.

Elektronet e vetme zmbrapsen nga lidhjet O-H, kështu që orbitat e tyre janë fort të zgjatura në drejtim të kundërt me atomet e hidrogjenit, dhe planet orbitale rrotullohen në raport me rrafshin e formuar nga lidhjet O-H-O. Kështu, do të ishte më e saktë të përshkruhej një molekulë uji në hapësirën koordinative tredimensionale xyz në formën e një tetraedri, në qendër të të cilit ka një atom oksigjeni dhe në dy kulme ka një atom hidrogjeni (Fig. 1, c). Struktura elektronike e molekulave H 2 O përcakton kushtet për lidhjen e tyre në një rrjet kompleks tredimensional të lidhjeve hidrogjenore si në ujë ashtu edhe në akull. Secili nga protonet mund të formojë një lidhje me një elektron të vetëm të një molekule tjetër. Molekula e parë vepron si pranuese, dhe e dyta vepron si dhuruese, duke formuar një lidhje hidrogjeni. Për shkak se çdo molekulë H2O ka dy protone dhe dy elektrone të vetme, ajo mund të formojë katër lidhje hidrogjeni me molekula të tjera në të njëjtën kohë. Kështu, uji është një lëng kompleks i lidhur me një natyrë dinamike të lidhjeve, dhe një përshkrim i vetive të tij në nivel molekular është i mundur vetëm me ndihmën e modeleve mekanike kuantike me shkallë të ndryshme kompleksiteti dhe ashpërsie.

Akulli dhe vetitë e tij

Nga këndvështrimi i një personi mesatar, akulli është pak a shumë i njëjtë pavarësisht se ku formohet: në atmosferë si gurë breshër, në skajet e çatisë si akullnaja, ose në trupat ujorë si pllaka. Nga pikëpamja fizike, ka shumë lloje akulli, që ndryshojnë në strukturën e tyre molekulare dhe mesoskopike. Në akullin që ekziston në presion normal, secila molekulë H 2 O është e rrethuar nga katër të tjera, domethënë, numri i koordinimit të strukturës është katër (i ashtuquajturi akull I h). Rrjeta kristalore përkatëse - gjashtëkëndore - nuk është e mbushur ngushtë, prandaj dendësia e akullit të zakonshëm (~0,9 g/cm 3) është më e ulët se dendësia e ujit (~1 g/cm 3), për strukturën e të cilit, si Studimet e difraksionit me rreze X tregojnë se numri mesatar i koordinimit është ~ 4.4 (kundrejt 4 për akullin I h). Vetëm atomet e oksigjenit zënë pozicione fikse në strukturën e akullit. Dy atome hidrogjeni mund të zënë pozicione të ndryshme në katër lidhjet e molekulës H 2 O me fqinjët e tjerë. Për shkak të gjashtëkëndoritetit të grilës, kristalet që rriten në gjendje të lirë (për shembull, floket e borës) kanë një formë gjashtëkëndore.

Megjithatë, faza gjashtëkëndore është larg nga forma e vetme e ekzistencës së akullit. Numri i saktë i fazave të tjera kristalore - format polimorfike të akullit - është ende i panjohur. Ato formohen në presione të larta dhe në temperatura të ulëta (Fig. 2). Disa studiues e konsiderojnë praninë e 12 fazave të tilla si të vërtetuar saktësisht, ndërsa të tjerë i numërojnë ato deri në 14. Sigurisht, kjo nuk është e vetmja substancë që ka polimorfizëm (kujtoni, për shembull, grafitin dhe diamantin, të përbërë nga atome karboni kimikisht identike ), por numri i fazave të ndryshme të akullit, të cilat vazhdojnë të zbulohen edhe sot e kësaj dite, është i mahnitshëm. Të gjitha sa më sipër lidhen me rregullimin e renditur të joneve të oksigjenit në rrjetën kristalore të akullit. Sa për protonet - jonet e hidrogjenit - siç tregohet nga difraksioni i neutronit, ekziston një çrregullim i fortë në rregullimin e tyre. Kështu, akulli kristalor është edhe një mjedis i rregulluar mirë (në lidhje me oksigjenin) dhe në të njëjtën kohë një mjedis i çrregullt (në lidhje me hidrogjenin).

Oriz. 2. Diagrami i fazës së akullit kristalor.
Numrat romakë tregojnë zonat e ekzistencës
formimi i fazave të qëndrueshme. Ice IV është një fa- metastabile
për, e vendosur në diagramin brenda zonës V

Shpesh duket se akulli është i lakueshëm dhe i lëngshëm. Kjo është e vërtetë nëse temperatura është afër pikës së shkrirjes (d.m.th., t = 0°C në presionin atmosferik), dhe ngarkesa zbatohet për një kohë të gjatë. Dhe materiali më i fortë (për shembull, metali) në temperatura afër pikës së shkrirjes sillet në mënyrë të ngjashme. Deformimi plastik i akullit, si dhe i shumë lëndëve të tjera të ngurta kristalore, ndodh si rezultat i bërthamimit dhe lëvizjes së papërsosmërive të ndryshme strukturore nëpër kristal: boshllëqet, atomet intersticiale, kufijtë e kokrrizave dhe, më e rëndësishmja, zhvendosjet. Siç u vërtetua në vitet '30 të shekullit tonë, është prania e kësaj të fundit që paracakton një ulje të mprehtë të rezistencës së trupave të ngurtë kristalorë ndaj deformimit plastik (me 10 2 -10 4 herë në krahasim me rezistencën e një grilë ideale). Deri më sot, të gjitha llojet e dislokimeve karakteristike të strukturës gjashtëkëndore janë zbuluar në akull Ih dhe janë studiuar karakteristikat e tyre mikromekanike dhe elektrike.

Efekti i shkallës së sforcimit në vetitë mekanike të akullit me një kristal është ilustruar mirë në Fig. 3, marrë nga libri i N. Maeno. Mund të shihet se me një rritje të shkallës së deformimit, sforcimet mekanike σ të kërkuara për rrjedhën plastike rriten shpejt dhe shfaqet një dhëmb gjigant i rendimentit nga varësia e tendosjes relative E nga σ.

Oriz. 3.(Nga ). Lakoret e deformimit relativ të stresit për një kristal të vetëm akulli I h në t = -15°С (duke rrëshqitur përgjatë planit bazal të orientuar në një kënd prej 45° ndaj boshtit të ngjeshjes). Numrat në kthesa tregojnë shkallën relative të deformimit ( ∆l– ndryshimi i gjatësisë së mostrës l gjatë ∆τ ) në njësi prej 10 −7 s −1

Oriz. 4. Skema e formimit të defekteve në nënsistemin proton të akullit: a – një palë defekte jonike H 3 O + dhe OH –; b – çifti i defekteve orientuese Bjerrum D dhe L

Vetitë elektrike të akullit nuk janë më pak të jashtëzakonshme. Madhësia e përçueshmërisë dhe rritja e saj në mënyrë eksponenciale e shpejtë me rritjen e temperaturës dallojnë ndjeshëm akullin nga përçuesit metalikë dhe e vendosin atë në të njëjtin nivel me gjysmëpërçuesit. Akulli është zakonisht shumë i pastër kimikisht, edhe nëse rritet nga uji i ndotur ose tretësira (mendoni për copa akulli të pastra dhe transparente në një pellg të ndotur). Kjo është për shkak të tretshmërisë së ulët të papastërtive në strukturën e akullit. Si rezultat, gjatë ngrirjes, papastërtitë shtyhen në pjesën e përparme të kristalizimit në lëng dhe nuk hyjnë në strukturën e akullit. Kjo është arsyeja pse bora e sapo rënë është gjithmonë e bardhë, dhe uji prej saj është jashtëzakonisht i pastër.

Natyra ka siguruar me mençuri një stacion gjigant të pastrimit të ujit në të gjithë atmosferën e Tokës. Prandaj, nuk mund të mbështetet në përçueshmëri të lartë të papastërtive (si, për shembull, në silikon të dopuar) në akull. Por nuk ka elektrone të lira në të, si në metale. Vetëm në vitet 50 të shekullit të 20-të u vërtetua se transportuesit e ngarkesës në akull janë protone të çrregullt, domethënë akulli është një gjysmëpërçues protoni.

Kërcimi i protonit i përmendur më sipër krijon dy lloje defektesh në strukturën e akullit: jonike dhe orientuese (Fig. 4). Në rastin e parë, një kërcim protoni ndodh përgjatë një lidhjeje hidrogjeni nga një molekulë H 2 O në tjetrën (Fig. 4, a), duke rezultuar në formimin e një çifti defektesh jonike H 3 O + dhe OH -, dhe në së dyti - në një lidhje hidrogjeni ngjitur në një molekulë H 2 O (Fig. 4, b), si rezultat i së cilës lind një palë defektesh orientuese Bjerrum, të quajtura L dhe D-defekte (nga gjermanishtja leer - bosh dhe doppelt - dyfishtë ). Formalisht, një kërcim i tillë mund të konsiderohet si një rrotullim i molekulës H 2 O me 120 °.

Rrjedha e rrymës së drejtpërdrejtë për shkak të lëvizjes së vetëm defekteve jonike ose vetëm orientuese është e pamundur. Nëse, për shembull, një jon H 3 O + kalon nëpër një pjesë të rrjetit, atëherë joni tjetër i ngjashëm nuk do të jetë në gjendje të kalojë nëpër të njëjtën rrugë. Sidoqoftë, nëse një defekt D kalon përgjatë kësaj rruge, rregullimi i protoneve do të kthehet në atë origjinal dhe, për rrjedhojë, joni tjetër H 3 O + do të jetë në gjendje të kalojë. Ngjashëm sillen defektet OH - dhe L. Prandaj përçueshmëria elektrike e akullit të pastër kimikisht kufizohet nga ato defekte që janë më të vogla në numër, përkatësisht ato jonike. Polarizimi dielektrik, përkundrazi, është për shkak të defekteve më të shumta orientuese Bjerrum. Në fakt, kur aplikohet një fushë elektrike e jashtme, të dy proceset ndodhin paralelisht, gjë që lejon akullin të përçojë rrymë direkte dhe në të njëjtën kohë të përjetojë polarizim të fortë dielektrik, domethënë të shfaqë vetitë e një gjysmëpërçuesi dhe vetitë e një gjysmëpërçuesi. izolator. Vitet e fundit, përpjekjet kanë vazhduar për të zbuluar vetitë ferroelektrike dhe piezoelektrike të akullit të pastër në temperatura të ulëta si në masë ashtu edhe në kufijtë ndërfazor. Ende nuk ka besim të plotë në ekzistencën e tyre, megjithëse janë zbuluar disa efekte pseudo-piezoelektrike që lidhen me praninë e dislokimeve dhe defekteve të tjera strukturore.

Fizika e sipërfaqes dhe kristalizimi i akullit

Në lidhje me zhvillimin e teknologjisë gjysmëpërçuese, mikrominiturizimin e bazës së elementit dhe kalimin në teknologjitë planare, interesi për fizikën e sipërfaqes është rritur shumë në dekadën e fundit. Janë zhvilluar shumë teknika të sofistikuara për studimin e gjendjeve afër sipërfaqes në trupat e ngurtë, të cilat kanë rezultuar të dobishme në studimin e metaleve, gjysmëpërçuesve dhe dielektrikëve. Megjithatë, struktura dhe vetitë e sipërfaqes së akullit ngjitur me avullin ose lëngun mbeten kryesisht të paqarta. Një nga hipotezat më intriguese, e paraqitur nga M. Faraday, është ekzistenca në sipërfaqen e akullit të një shtrese thuajse të lëngshme dhjetëra deri në qindra angstrom të trashë, madje edhe në një temperaturë shumë nën pikën e shkrirjes. Baza për këtë nuk janë vetëm ndërtimet dhe teoritë spekulative të strukturës së shtresave afër sipërfaqes së molekulave shumë të polarizuara H 2 O, por edhe përcaktimet delikate (duke përdorur rezonancën magnetike bërthamore) të gjendjes fazore të sipërfaqes së akullit, si dhe të saj. përçueshmëria e sipërfaqes dhe varësia e saj nga temperatura. Megjithatë, në shumicën e rasteve praktikisht të rëndësishme, vetitë sipërfaqësore të borës dhe akullit me shumë gjasa përcaktohen nga prania e një filmi makroskopik uji dhe jo nga një shtresë pothuajse e lëngshme.

Shkrirja e shtresave sipërfaqësore të akullit nën ndikimin e dritës së diellit, një atmosferë më e ngrohtë ose një trup i fortë që rrëshqet mbi të (patinat, skitë, vrapuesit e sajë) është kritike për arritjen e një koeficienti të ulët fërkimi. Fërkimi i ulët i rrëshqitjes nuk është rezultat i uljes së temperaturës së shkrirjes nën ndikimin e presionit të shtuar, siç mendohet shpesh, por pasojë e lëshimit të nxehtësisë së fërkimit. Llogaritjet tregojnë se efekti i presionit, edhe në rastin e një patina të mprehtë që rrëshqet mbi akull, nën të cilën zhvillohet një presion prej rreth 1 MPa, çon në një ulje të temperaturës së shkrirjes me vetëm ~0,1°C, e cila nuk mund të ketë një efekt të rëndësishëm në sasinë e fërkimit.

Një traditë e vendosur në përshkrimin e vetive të ujit dhe akullit është deklarimi dhe diskutimi i shumë vetive anormale që e dallojnë këtë substancë midis homologëve të saj (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te ). Ndoshta gjëja më e rëndësishme është nxehtësia specifike e shkrirjes (kristalizimi) dhe nxehtësia shumë e lartë (ndër substancave të thjeshta), domethënë, akulli është i vështirë për t'u shkrirë, dhe uji është i vështirë për t'u ngrirë. Si rezultat, klima në planetin tonë është përgjithësisht mjaft e butë, por në mungesë të ujit (për shembull, në shkretëtirat e Afrikës së nxehtë), kontrasti midis temperaturave të ditës dhe natës është shumë më i lartë sesa në bregdetin e oqeanit në të njëjtën kohë. gjerësi gjeografike. Jetësore për biosferën është vetia e rritjes së vëllimit gjatë kristalizimit dhe jo pakësimit, siç bëjnë shumica dërrmuese e substancave të njohura. Si rezultat, akulli noton në ujë në vend që të fundoset dhe ngadalëson shumë ngrirjen e trupave të ujit në mot të ftohtë, duke mbrojtur të gjitha gjallesat që strehohen në të për dimër. Kjo lehtësohet edhe nga ndryshimi jo monotonik i densitetit të ujit kur temperatura bie në 0°C - një nga vetitë anormale më të njohura të ujit, e zbuluar më shumë se 300 vjet më parë. Dendësia maksimale arrihet në t = 4°C dhe kjo parandalon që shtresat afër sipërfaqes së ujit që janë ftohur në një temperaturë nën 4°C të zhyten në fund. Përzierja konvektive e lëngut bllokohet, gjë që ngadalëson shumë ftohjen e mëtejshme. Anomalitë e tjera të ujit janë të njohura për një kohë të gjatë: viskoziteti i prerjes në 20°C, nxehtësia specifike në 40°C, kompresueshmëria izotermale në 46°C, shpejtësia e zërit në 60°C. Viskoziteti i ujit zvogëlohet me rritjen e presionit dhe nuk rritet, si lëngjet e tjera. Është e qartë se vetitë anormale të ujit janë për shkak të veçorive strukturore të molekulës së tij dhe specifikave të ndërveprimeve ndërmolekulare. Qartësi e plotë në lidhje me këtë të fundit ende nuk është arritur. Vetitë e përshkruara më sipër vlejnë për ujin, akullin dhe ndërfaqen ndërmjet tyre, që ekzistojnë në kushtet e ekuilibrit termodinamik. Probleme të një niveli kompleksiteti krejtësisht të ndryshëm lindin kur përpiqemi të përshkruajmë dinamikën e tranzicionit të fazës ujë-akulli, veçanërisht në kushte larg ekuilibrit termodinamik.

Shkaku termodinamik i çdo tranzicioni fazor është ndryshimi në potencialet kimike të grimcave në njërën anë dhe në anën tjetër të ndërfaqes ∆µ = µ1 −µ2. Potenciali kimik μ është një funksion i gjendjes që përcakton ndryshimet në potencialet termodinamike kur ndryshon numri N i grimcave në sistem, domethënë μ = G/N, ku G = H - TS është potenciali termodinamik i Gibbs, H është entalpi, S është entropi, T është temperatura. Dallimi në potencialet termodinamike është forca lëvizëse e një procesi makroskopik (ashtu si ndryshimi në potencialet elektrike në skajet e një përcjellësi është shkaku i rrymës elektrike). Në µ1 = µ2, të dyja fazat mund të bashkëjetojnë në ekuilibër për aq kohë sa të dëshirohet. Në presion normal, potenciali kimik i ujit është i barabartë me potencialin kimik të akullit në t = 0°C. Në 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.).

Embrionet mund të formohen edhe në mënyrë homogjene, pra nga vetë mjedisi, i cili është në gjendje metastabile, por për këtë duhen plotësuar disa kushte. Le të fillojmë të shqyrtojmë situatën duke marrë parasysh faktin se çdo ndërfaqe midis kristalit dhe shkrirjes (ose avullit, tretësirës) sjell energji shtesë Sα, ku S është zona kufitare, α është energjia e sipërfaqes. Përveç kësaj, molekulat N që formuan kristalin e farës kanë një energji më të ulët se në lëng për NΔµ. Si rezultat, ndryshimi total i energjisë në sistem me shfaqjen e një bërthame ∆U = -N∆µ + Sα do të rezultojë të jetë jo monotonikisht i varur nga N. Në të vërtetë, për një formë sferike të bërthamës

ku A = (36πV 2) 1/3 V është vëllimi për një molekulë në kristal. Nga e mëparshmja rrjedh se ∆U arrin një maksimum ∆Uc = - N c ∆µ + AN c 2/3 α, kur bërthama përmban N c = (2Aα/3∆µ) 3 molekula.

Kështu, me shtimin sekuencial të molekulave në bërthamë, sistemi duhet së pari të ngjitet në majën e kodrës potenciale me një lartësi ∆U c, në varësi të superftohjes, pas së cilës do të ndodhë rritja e mëtejshme e N në kristal me një ulje të energji, pra më e lehtë. Duket se sa më e ulët të jetë temperatura e lëngut, domethënë sa më i fortë të jetë superftohja, aq më i shpejtë duhet të ndodhë kristalizimi. Ky është në fakt rasti kur hipotermia nuk është shumë e madhe. Megjithatë, ndërsa t zvogëlohet, viskoziteti i lëngut gjithashtu rritet në mënyrë eksponenciale, duke e bërë të vështirë lëvizjen e molekulave. Si rezultat, në shkallë të lartë superftohjeje, procesi i kristalizimit mund të zvarritet për shumë vite (siç është rasti me gotat me origjinë të ndryshme).

Vlerësimet numerike tregojnë se për ujin në shkallë normale të superftohjes në kushte natyrore (∆t = 1–10°C), embrioni duhet të përbëhet nga disa dhjetëra molekula, që është dukshëm më e madhe se numri i koordinimit në fazën e lëngshme (~4.4 ). Kështu, sistemi kërkon një numër të madh përpjekjesh luhatëse për t'u ngjitur në majën e kodrës së energjisë. Në ujin jo shumë të pastruar tërësisht, superftohja e fortë parandalohet nga prania e qendrave ekzistuese të kristalizimit, të cilat mund të jenë grimca papastërtie, grimca pluhuri, pabarazia e mureve të enës, etj. Më pas, kinetika e rritjes së kristalit varet nga kushtet. të transferimit të nxehtësisë pranë kufirit ndërfazor, si dhe të morfologjisë së këtij të fundit në nivel atomik.molekular.

Uji i tepërt i ftohur ka dy temperatura karakteristike t h = -36°C dhe t g = -140°C. Uji i pastruar mirë dhe i degazuar në intervalin e temperaturës 0°С > t > t h mund të qëndrojë në gjendjen e një lëngu të superftohur për një kohë të gjatë. Në 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%).

Ekzistojnë disa këndvështrime mbi natyrën e poliamorfizmit të ujit. Kështu, sipas , kjo sjellje e ujit shumë të ftohur fort mund të shpjegohet nëse pranojmë se në profilin potencial të bashkëveprimit të dy molekulave H2O ka më shumë se një minimum,

Oriz. 5(Nga ). Profilet hipotetike të potencialit: a – me një minimum energjie (për shembull, potenciali Lennard-Jones U(r) = A/r 6 − B/r 12) dhe b – me dy minimume energjie, të cilat korrespondojnë me dy konfigurime të qëndrueshme të një grup i dy molekulave ndërvepruese të ujit (1 dhe 2) me distanca të ndryshme ndërmjet qendrave të kushtëzuara të molekulave r H dhe r L; e para prej tyre korrespondon me një fazë me një densitet më të lartë, e dyta - me një më të ulët

dhe dy (Fig. 5). Pastaj faza amorfe me densitet të lartë do t'i përgjigjet distancës mesatare rH, dhe faza me densitet të ulët - rL. Modelimi kompjuterik konfirmon këtë këndvështrim, por nuk ka ende prova të besueshme eksperimentale për këtë hipotezë, as nuk ka një teori rigoroze që konfirmon vlefshmërinë e përdorimit të potencialit të puseve të dyfishta për të përshkruar vetitë e tilla të pazakonta të ujit të superftohur.

Sjellja e ujit të superftohur është me interes të madh për arsye të ndryshme. Në veçanti, përcakton kushtet klimatike, mundësinë dhe mënyrën e lundrimit në gjerësi të mëdha gjeografike, e cila është e rëndësishme për vendin tonë. Gjatë procesit të kristalizimit dinamik në ndërfaqe, ndodhin shumë dukuri interesante dhe ende pak të kuptuara, për shembull, rishpërndarja e papastërtive, ndarja dhe relaksimi i mëpasshëm i ngarkesave elektrike, shoqëruar nga rrezatimi elektromagnetik në një brez të gjerë frekuencash, etj. Së fundi, kristalizimi në një lëng shumë superftohës është i shkëlqyer, lehtësisht i riprodhueshëm shumë herë një situatë model e sjelljes së një sistemi që është larg ekuilibrit termodinamik dhe është i aftë, si rezultat i zhvillimit të paqëndrueshmërive, të formojë dendrite të rendit dhe dimensioneve të ndryshme ( Përfaqësuesit tipikë janë floket e dëborës dhe modelet e akullit në dritare), të përshtatshme për krijimin dhe modelimin e sjelljes së fraktaleve.

Në pamje të parë, proceset e shkrirjes së akullit duken më të lehta për t'u analizuar sesa proceset e kristalizimit. Megjithatë, ato lënë edhe shumë pyetje. Për shembull, besohet gjerësisht se uji i shkrirë për disa kohë ka veti të ndryshme nga vetitë e ujit të zakonshëm, të paktën në lidhje me objektet biologjike: bimët, kafshët, njerëzit. Ndoshta, këto veçori mund të jenë për shkak të pastërtisë së lartë kimike (për shkak të koeficientit të ulët të vërejtur të kapjes së papastërtive gjatë kristalizimit të akullit), ndryshimeve në përmbajtjen e gazeve dhe joneve të tretura, si dhe ruajtjen e strukturës së akullit në grupimet multimolekulare të lëngut. faza. Sidoqoftë, autori nuk ka informacion të besueshëm për këtë të marrë me metoda moderne fizike.

Jo më pak e vështirë është analiza e mekanizmave të ndikimit të fushave të jashtme fizike, në veçanti fushave magnetike, në proceset dhe vetitë e tranzicionit të ujit, akullit dhe fazës. E gjithë jeta jonë zhvillohet në kushtet e veprimit të vazhdueshëm të fushës magnetike të Tokës dhe luhatjeve të saj të dobëta. Magnetobiologjia dhe metodat e trajtimit magnetik në mjekësi janë zhvilluar për shumë shekuj. Së fundi, njësitë prodhohen në masë dhe përdoren gjerësisht për magnetizimin e ujit që përdoret për ujitje në bujqësi (me qëllim rritjen e produktivitetit), fuqizimin e kaldajave me avull (për të zvogëluar shkallën e formimit të shkallës në to), etj. Megjithatë, ende nuk ka një përshkrim fizik të kënaqshëm të mekanizmave të veprimit të fushës magnetike në këto dhe raste të tjera të ngjashme.

konkluzioni

Uji, akulli dhe transformimet e tyre të ndërsjella të fazës janë ende të mbushura me shumë mistere. Zgjidhja e tyre nuk është vetëm një problem fizik shumë interesant, por është edhe jashtëzakonisht i rëndësishëm për jetën në Tokë, pasi lidhet drejtpërdrejt me shëndetin dhe mirëqenien e njeriut. Ndoshta ato ofrojnë një nga shembujt më të mrekullueshëm të rolit të strukturës elektronike dhe molekulare në formimin e vetive fizike të përbërjes kimike më të thjeshtë dhe më të njohur të një substance.

Literatura:

1. Bogorodsky V.V., Gavrilo V.P. Akull. L.: Gidrometeoizdat, 1980. 384 f.

2. Maeno N. Shkenca e akullit. M.: Mir, 1988. 231 f.

3. Hobbs P.V. Fizika e akullit. Oxford: Univ. Shtypi, 1974. 864 f.

4. Zatsepina G.N. Vetitë fizike dhe struktura e ujit. M.: Shtëpia Botuese e Universitetit Shtetëror të Moskës, 1998. 184 f.

5. Mishima O., Stanley E. Marrëdhënia midis ujit të lëngshëm, super të ftohtë dhe të qelqtë // Natyra. 1998. Vëll. 396. faqe 329–335.

6. Zolotukhin I.V. Fraktalet në fizikën e gjendjes së ngurtë // Revista Arsimore Soros. 1998. Nr 7. faqe 108–113. Rishikuesi i artikullit B.A. Strukov

Yuri Ivanovich Golovin, Doktor i Shkencave Fizike dhe Matematikore, Profesor, Drejtor. Departamenti i Fizikës Teorike dhe Eksperimentale, Universiteti Shtetëror Tambov. G.R. Derzhavin, Shkencëtar i nderuar i Federatës Ruse. Fusha e interesave shkencore është struktura elektronike e defekteve në trupat e ngurtë dhe vetitë makroskopike të shkaktuara prej tyre. Autor dhe bashkautor i më shumë se 200 punimeve shkencore, duke përfshirë monografi dhe 40 shpikje.

Nga 14 format e njohura aktualisht të ujit të ngurtë në natyrë, gjejmë vetëm një - akull. Pjesa tjetër janë formuar në kushte ekstreme dhe janë të paarritshme për vëzhgime jashtë laboratorëve specialë. Vetia më intriguese e akullit është shumëllojshmëria e mahnitshme e manifestimeve të jashtme. Me të njëjtën strukturë kristalore, mund të duket krejtësisht ndryshe, duke marrë formën e gurëve të breshërit dhe akullit transparent, thekoneve të dëborës me gëzof, një kore të dendur me shkëlqim bredhi në një fushë dëbore ose masave gjigante akullnajore.

Në qytetin e vogël japonez të Kaga, i vendosur në bregun perëndimor të ishullit Honshu, ekziston një muze i pazakontë. Borë dhe akull. Ajo u themelua nga Ukihiro Nakaya, personi i parë që mësoi të rritë flokë bore artificiale në laborator, aq të bukura sa ato që bien nga qielli. Në këtë muze, vizitorët janë të rrethuar nga të gjitha anët me gjashtëkëndësha të rregullt, sepse është pikërisht kjo simetri "gjashtëkëndore" që është karakteristike për kristalet e zakonshme të akullit (meqë ra fjala, fjala greke kristallos në të vërtetë do të thotë "akull"). Ai përcakton shumë nga vetitë e tij unike dhe bën që floket e borës, me gjithë shumëllojshmërinë e tyre të pafund, të rriten në formën e yjeve me gjashtë, më rrallë tre ose dymbëdhjetë rreze, por kurrë me katër ose pesë.

Molekulat në punë të hapur

Çelësi i strukturës së ujit të ngurtë qëndron në strukturën e molekulës së tij. H2O mund të përfaqësohet në mënyrë të thjeshtë si një katërkëndor (një piramidë me një bazë trekëndore). Në qendër ka oksigjen, në dy kulme është një hidrogjen, më saktë një proton, elektronet e të cilit janë të përfshirë në formimin e një lidhje kovalente me oksigjenin. Dy kulmet e mbetura janë të zëna nga çifte elektronesh të valencës së oksigjenit, të cilat nuk marrin pjesë në formimin e lidhjeve intramolekulare, prandaj quhen të vetmuar.

Kur një proton i një molekule ndërvepron me një palë elektrone të vetme oksigjeni të një molekule tjetër, formohet një lidhje hidrogjeni, më pak e fortë se një lidhje intramolekulare, por mjaft e fuqishme për të mbajtur së bashku molekulat fqinje. Çdo molekulë mund të krijojë njëkohësisht katër lidhje hidrogjeni me molekula të tjera në kënde të përcaktuara rreptësisht, të cilat nuk lejojnë krijimin e një strukture të dendur kur ngrihet. Kjo kornizë e padukshme e lidhjeve hidrogjenore i rregullon molekulat në një rrjet dantelle me kanale të zbrazëta. Sapo akulli nxehet, dantella shembet: molekulat e ujit fillojnë të bien në zbrazëtirat e rrjetës, duke çuar në një strukturë më të dendur të lëngut, kjo është arsyeja pse uji është më i rëndë se akulli.

Akulli, i cili formohet në presionin atmosferik dhe shkrihet në 0°C, është substanca më e zakonshme, por ende e pa kuptuar plotësisht. Pjesa më e madhe në strukturën dhe vetitë e saj duket e pazakontë. Në vendet e rrjetës kristalore të akullit, atomet e oksigjenit janë rregulluar në mënyrë të rregullt, duke formuar gjashtëkëndësha të rregullt, por atomet e hidrogjenit zënë një sërë pozicionesh përgjatë lidhjeve. Kjo sjellje e atomeve është përgjithësisht atipike - si rregull, në një substancë të ngurtë të gjithë i binden të njëjtit ligj: ose të gjithë atomet janë të rregulluar në mënyrë të rregullt, dhe pastaj është një kristal, ose rastësisht, dhe më pas është një substancë amorfe.

Akulli është i vështirë të shkrihet, sado e çuditshme që mund të tingëllojë. Nëse nuk do të kishte lidhje hidrogjeni që mbanin së bashku molekulat e ujit, ai do të shkrihej në 90°C. Në të njëjtën kohë, kur uji ngrin, ai nuk zvogëlohet në vëllim, siç ndodh me shumicën e substancave të njohura, por rritet për shkak të formimit të një strukture të hapur akulli.

"Çuditë" e akullit përfshijnë gjithashtu gjenerimin e rrezatimit elektromagnetik nga kristalet e tij në rritje. Dihet prej kohësh se shumica e papastërtive të tretura në ujë nuk transferohen në akull kur ai fillon të rritet; me fjalë të tjera, ai ngrin. Prandaj, edhe në pellgun më të ndotur, filmi i akullit është i pastër dhe transparent. Papastërtitë grumbullohen në ndërfaqen midis mediave të ngurta dhe të lëngëta, në formën e dy shtresave të ngarkesave elektrike me shenja të ndryshme, të cilat shkaktojnë një ndryshim të rëndësishëm potencial. Shtresa e ngarkuar e papastërtive lëviz së bashku me kufirin e poshtëm të akullit të ri dhe lëshon valë elektromagnetike. Falë kësaj, procesi i kristalizimit mund të vëzhgohet në detaje. Kështu, një kristal që rritet në gjatësi në formën e një gjilpëre lëshon ndryshe nga ai i mbuluar me procese anësore, dhe rrezatimi i kokrrave në rritje ndryshon nga ai që ndodh kur kristalet plasariten. Nga forma, sekuenca, frekuenca dhe amplituda e pulseve të rrezatimit, mund të përcaktohet se me çfarë shpejtësie ngrin akulli dhe çfarë lloj strukture akulli është marrë.

Akull i gabuar

Në gjendje të ngurtë, uji ka, sipas të dhënave të fundit, 14 modifikime strukturore. Disa prej tyre janë kristalore (shumica e tyre), disa janë amorfe, por të gjithë ndryshojnë nga njëri-tjetri në rregullimin relativ të molekulave dhe vetive të ujit. Vërtetë, gjithçka përveç akullit me të cilin jemi njohur, formohet në kushte ekzotike - në temperatura shumë të ulëta dhe presione të larta, kur këndet e lidhjeve të hidrogjenit në molekulën e ujit ndryshojnë dhe formohen sisteme të tjera përveç gjashtëkëndore. Për shembull, në temperaturat nën 110°C, avulli i ujit precipiton në një pllakë metalike në formën e oktaedrave dhe kube disa nanometra në madhësi - ky është i ashtuquajturi akull kub. Nëse temperatura është pak mbi 110° dhe përqendrimi i avullit është shumë i ulët, një shtresë akulli amorf jashtëzakonisht i dendur formohet në pjatë.

Dy modifikimet e fundit të akullit XIII dhe XIV u zbuluan nga shkencëtarët nga Oksfordi kohët e fundit, në vitin 2006. Parashikimi 40-vjeçar se kristalet e akullit me rrjeta monoklinike dhe rombike duhet të ekzistojnë ishte i vështirë për t'u konfirmuar: viskoziteti i ujit në një temperaturë prej 160 ° C është shumë i lartë dhe molekulat e ujit ultra të pastër të superftohur bashkohen në sasi të tilla. për të formuar një bërthamë kristal, e vështirë. Katalizatori ndihmoi: acidi klorhidrik, i cili rriti lëvizshmërinë e molekulave të ujit në temperatura të ulëta. Modifikime të tilla të akullit nuk mund të formohen në natyrën tokësore, por ato mund të kërkohen në satelitët e ngrirë të planetëve të tjerë.

Kështu vendosi komisioni

Flokë dëbore është një kristal i vetëm akulli, një variacion në temën e një kristali gjashtëkëndor, por i rritur shpejt, në kushte jo ekuilibri. Mendjet më kureshtare kanë luftuar me sekretin e bukurisë së tyre dhe diversitetit të pafund për shekuj. Astronomi Johannes Kepler shkroi një traktat të tërë "Për flokë dëbore gjashtëkëndore" në 1611. Në vitin 1665, Robert Hooke, në një vëllim të madh skicash të gjithçkaje që pa me mikroskop, botoi shumë vizatime të borës me forma të ndryshme. Fotografia e parë e suksesshme e një flok bore nën një mikroskop u bë në 1885 nga fermeri amerikan Wilson Bentley. Që atëherë ai nuk mund të ndalej. Deri në fund të jetës së tij, për më shumë se dyzet vjet, Bentley i fotografoi ata. Më shumë se pesë mijë kristale, dhe asnjë i vetëm nuk është i njëjtë.

Ndjekësit më të famshëm të kauzës së Bentley-t janë Ukihiro Nakaya i përmendur tashmë dhe fizikani amerikan Kenneth Libbrecht. Nakaya ishte i pari që sugjeroi se madhësia dhe forma e flokeve të borës varen nga temperatura e ajrit dhe përmbajtja e lagështisë, dhe e konfirmoi shkëlqyeshëm këtë hipotezë eksperimentalisht duke rritur kristale akulli të formave të ndryshme në laborator. Dhe Libbrecht madje filloi të rritë flokë dëbore të bëra me porosi të një forme të paracaktuar.

Jeta e një flok dëbore fillon me formimin e bërthamave kristalore të akullit në një re avulli uji ndërsa temperatura bie. Qendra e kristalizimit mund të jenë grimcat e pluhurit, çdo grimcë e ngurtë apo edhe jone, por në çdo rast, këto copa akulli më pak se një e dhjeta e milimetrit në madhësi tashmë kanë një rrjetë kristalore gjashtëkëndore.

Avujt e ujit, duke u kondensuar në sipërfaqen e këtyre bërthamave, së pari formon një prizëm të vogël gjashtëkëndor, nga gjashtë qoshet e të cilit fillojnë të rriten gjilpëra akulli plotësisht identike dhe procese anësore. Ato janë të njëjta thjesht sepse temperatura dhe lagështia rreth embrionit janë gjithashtu të njëjta. Mbi to, nga ana tjetër, rriten fidanet dhe degët anësore, si në një pemë. Kristale të tilla quhen dendrite, domethënë të ngjashme me drurin.

Duke lëvizur lart e poshtë në një re, një flok dëbore ndeshet me kushte me temperatura dhe përqendrime të ndryshme të avullit të ujit. Forma e saj ndryshon, duke iu bindur deri në fund ligjeve të simetrisë gjashtëkëndore. Kështu ndryshojnë floket e borës. Edhe pse teorikisht, në të njëjtën re në të njëjtën lartësi, ato mund të "dalin" identike. Por secila ka rrugën e vet për në tokë, e cila është mjaft e gjatë; mesatarisht, një flok dëbore bie me një shpejtësi prej 0.9 km në orë. Kjo do të thotë se secili ka historinë e vet dhe formën e tij përfundimtare. Akulli që formon një fjollë dëbore është transparent, por kur ka shumë prej tyre, drita e diellit, e reflektuar dhe e shpërndarë në fytyra të shumta, na jep përshtypjen e një mase të bardhë të errët - ne e quajmë atë borë.

Për të shmangur konfuzionin me shumëllojshmërinë e flokeve të dëborës, Komisioni Ndërkombëtar për Borën dhe Akullin miratoi në vitin 1951 një klasifikim mjaft të thjeshtë të kristaleve të akullit: pllaka, kristale yjesh, kolona ose kolona, ​​hala, dendritet hapësinore, kolona me majë dhe forma të parregullta. Dhe tre lloje të tjera të reshjeve të akullta: fishekët e imët të borës, fishekët e akullit dhe breshër.

Rritja e ngricave, ngricave dhe modeleve në xhami i nënshtrohet të njëjtave ligje. Këto dukuri, si floket e borës, formohen nga kondensimi, molekulë për molekulë, në tokë, bar, pemë. Modelet në dritare shfaqen në mot të ftohtë, kur lagështia nga ajri i ngrohtë i dhomës kondensohet në sipërfaqen e xhamit. Por gurët e breshërit formohen kur pikat e ujit ngrijnë ose kur akulli në retë e ngopura me avujt e ujit ngrin në shtresa të dendura mbi embrionet e flokeve të borës. Flokë dëbore të tjera, tashmë të formuara, mund të ngrijnë mbi gurët e breshërit, duke u shkrirë me to, për shkak të të cilave gurët e breshërit marrin format më të çuditshme.

Për ne në Tokë, mjafton një modifikim i ngurtë i ujit - akulli i zakonshëm. Ai përshkon fjalë për fjalë të gjitha zonat e banimit ose qëndrimit njerëzor. Duke u mbledhur në sasi të mëdha, bora dhe akulli formojnë struktura të veçanta me veti që janë thelbësisht të ndryshme nga ato të kristaleve individuale ose flokeve të borës. Akullnajat malore, mbulesat e akullit të zonave ujore, ngrica e përhershme dhe thjesht mbulimi i borës sezonale ndikojnë ndjeshëm në klimën e rajoneve të mëdha dhe planetit në tërësi: edhe ata që nuk e kanë parë kurrë borën e ndjejnë frymën e masave të saj të grumbulluara në polet e Tokës, sepse shembull, në formën e luhatjeve afatgjata në nivelin e Oqeanit Botëror. Dhe akulli është aq i rëndësishëm për pamjen e planetit tonë dhe habitatin e rehatshëm të krijesave të gjalla në të, sa shkencëtarët kanë caktuar një mjedis të veçantë për të - kriosferën, e cila shtrin domenin e saj lart në atmosferë dhe thellë në koren e tokës.

Olga Maksimenko, kandidate e Shkencave Kimike

Uji është një substancë e njohur dhe e pazakontë. Pothuajse 3/4 e sipërfaqes së planetit tonë është e zënë nga oqeanet dhe detet. Uji i fortë - bora dhe akulli - mbulon 20% të tokës. Klima e planetit varet nga uji. Këtë e thonë gjeofizikanët Toka do të ishte ftohur shumë kohë më parë dhe do të kthehej në një copë guri të pajetë, nëse jo uji. Ka një kapacitet shumë të lartë të nxehtësisë. Kur nxehet, thith nxehtësinë; duke u ftohur, e jep. Uji i tokës thith dhe kthen shumë nxehtësi dhe në këtë mënyrë "e barazon" klimën. Dhe ajo që mbron Tokën nga të ftohtit kozmik janë ato molekula uji që shpërndahen në atmosferë - në re dhe në formë avulli.

Uji është substanca më misterioze në natyrë pas ADN-së, zotërojnë veti unike që jo vetëm që nuk janë shpjeguar ende plotësisht, por nuk janë aspak të njohura. Sa më gjatë të studiohet, aq më shumë anomali dhe mistere të reja gjenden në të. Shumica e këtyre anomalive që bëjnë të mundur jetën në Tokë shpjegohen me praninë e lidhjeve hidrogjenore midis molekulave të ujit, të cilat janë shumë më të forta se forcat e van der Waals-it të tërheqjes ndërmjet molekulave të substancave të tjera, por një renditje e madhësisë më e dobët se jonike dhe kovalente. lidhjet ndërmjet atomeve në molekula. Të njëjtat lidhje hidrogjeni janë gjithashtu të pranishme në molekulën e ADN-së.

Një molekulë uji (H 2 16 O) përbëhet nga dy atome hidrogjeni (H) dhe një atom oksigjeni (16 O). Rezulton se pothuajse e gjithë shumëllojshmëria e vetive të ujit dhe pazakontësia e manifestimit të tyre përcaktohen, në fund të fundit, nga natyra fizike e këtyre atomeve, mënyra se si ato kombinohen në një molekulë dhe grupimi i molekulave që rezultojnë.

Oriz. Struktura e një molekule uji . Diagrami gjeometrik (a), modeli i sheshtë (b) dhe struktura elektronike hapësinore (c) e monomerit H2O. Dy nga katër elektronet në shtresën e jashtme të atomit të oksigjenit janë të përfshirë në krijimin e lidhjeve kovalente me atomet e hidrogjenit, dhe dy të tjerët formojnë orbita elektronesh shumë të zgjatura, rrafshi i të cilave është pingul me rrafshin H-O-H.

Molekula e ujit H 2 O është e ndërtuar në formën e një trekëndëshi: këndi midis dy lidhjeve oksigjen-hidrogjen është 104 gradë. Por meqenëse të dy atomet e hidrogjenit ndodhen në të njëjtën anë të oksigjenit, ngarkesat elektrike në të shpërndahen. Molekula e ujit është polare, gjë që është arsyeja e ndërveprimit të veçantë midis molekulave të ndryshme të tij. Atomet e hidrogjenit në molekulën H 2 O, që kanë një ngarkesë të pjesshme pozitive, ndërveprojnë me elektronet e atomeve të oksigjenit të molekulave fqinje. Kjo lidhje kimike quhet lidhje hidrogjenore. Ai bashkon molekulat H 2 O në lidhje unike të strukturës hapësinore; rrafshi në të cilin ndodhen lidhjet hidrogjenore është pingul me rrafshin e atomeve të së njëjtës molekulë H 2 O. Ndërveprimi ndërmjet molekulave të ujit shpjegon kryesisht temperaturat anormalisht të larta të shkrirjes dhe vlimit të tij. Duhet të sigurohet energji shtesë për të liruar dhe më pas shkatërruar lidhjet e hidrogjenit. Dhe kjo energji është shumë domethënëse. Kjo është arsyeja pse kapaciteti i nxehtësisë së ujit është kaq i lartë.

Një molekulë uji përmban dy lidhje kovalente polare H–O. Ato formohen për shkak të mbivendosjes së dy reve me një elektron p - re të një atomi oksigjeni dhe një elektron S - reve të dy atomeve të hidrogjenit.

Në përputhje me strukturën elektronike të atomeve të hidrogjenit dhe oksigjenit, një molekulë uji ka katër çifte elektronike. Dy prej tyre janë të përfshirë në formimin e lidhjeve kovalente me dy atome hidrogjeni, d.m.th. janë të detyrueshme. Dy çiftet e tjera të elektroneve janë të lira - jo-lidhëse. Ata formojnë një re elektronike. Reja është heterogjene - në të mund të dallohen përqendrimet individuale dhe rrallimet.

Një molekulë uji ka katër ngarkesa pole: dy pozitive dhe dy negative. Ngarkesat pozitive janë të përqendruara në atomet e hidrogjenit, pasi oksigjeni është më elektronegativ se hidrogjeni. Dy polet negative vijnë nga dy palë elektrone jo-lidhëse të oksigjenit.

Në bërthamën e oksigjenit krijohet një densitet i tepërt i elektronit. Çifti elektronik i brendshëm i oksigjenit kornizon në mënyrë të barabartë bërthamën: në mënyrë skematike ajo përfaqësohet nga një rreth me qendër - bërthama O 2-. Katër elektronet e jashtme grupohen në dy çifte elektronike që gravitojnë drejt bërthamës, por pjesërisht nuk kompensohen. Skematikisht, orbitalet totale të elektroneve të këtyre çifteve tregohen në formën e elipseve të zgjatura nga një qendër e përbashkët - bërthama O 2-. Secili nga dy elektronet e mbetura në oksigjen çiftohet me një elektron në hidrogjen. Këto avuj gjithashtu gravitojnë drejt bërthamës së oksigjenit. Prandaj, bërthamat e hidrogjenit - protonet - rezultojnë të jenë disi të zhveshura, dhe këtu vërehet një mungesë e densitetit të elektroneve.

Kështu, në një molekulë uji ka katër pole ngarkese: dy negative (dendësia e tepërt e elektroneve në rajonin e bërthamës së oksigjenit) dhe dy pozitive (mungesa e densitetit të elektroneve në dy bërthamat e hidrogjenit). Për qartësi më të madhe, mund të imagjinojmë se polet zënë kulmet e një tetraedri të deformuar, në qendër të të cilit ka një bërthamë oksigjeni.

Oriz. Struktura e një molekule uji: a – këndi ndërmjet lidhjeve O-H; b – vendndodhja e shtyllave të karikimit; c – shfaqja e resë elektronike të një molekule uji.

Molekula pothuajse sferike e ujit ka një polaritet të theksuar dukshëm, pasi ngarkesat elektrike në të janë të vendosura në mënyrë asimetrike. Çdo molekulë uji është një dipol miniaturë me një moment të lartë dipoli prej 1,87 deBy. Debye është një njësi jashtë sistemit e dipolit elektrik 3,33564·10 30 C·m. Nën ndikimin e dipoleve të ujit, forcat ndëratomike ose ndërmolekulare në sipërfaqen e një lënde të zhytur në të dobësohen me 80 herë. Me fjalë të tjera, uji ka një konstante të lartë dielektrike, më e larta nga të gjitha përbërjet e njohura për ne.

Kryesisht për shkak të kësaj, uji shfaqet si një tretës universal. Lëndët e ngurta, lëngjet dhe gazrat i nënshtrohen veprimit të tij tretës në një shkallë ose në një tjetër.

Kapaciteti specifik termik i ujit është më i larti nga të gjitha substancat. Përveç kësaj, është 2 herë më i lartë se ai i akullit, ndërsa për shumicën e substancave të thjeshta (për shembull, metalet) kapaciteti i nxehtësisë praktikisht nuk ndryshon gjatë procesit të shkrirjes, dhe për substancat e përbëra nga molekula poliatomike, si rregull, zvogëlohet. gjatë shkrirjes.

Një kuptim i tillë i strukturës së molekulës bën të mundur shpjegimin e shumë vetive të ujit, në veçanti strukturën e akullit. Në rrjetën e kristalit të akullit, çdo molekulë është e rrethuar nga katër të tjera. Në një imazh planar, kjo mund të përfaqësohet si më poshtë:

Lidhja midis molekulave kryhet përmes një atomi hidrogjeni. Atomi i hidrogjenit i ngarkuar pozitivisht i një molekule uji tërhiqet nga atomi i oksigjenit i ngarkuar negativisht i një molekule tjetër uji. Kjo lidhje quhet lidhje hidrogjeni (ajo përcaktohet me pika). Forca e një lidhjeje hidrogjeni është afërsisht 15-20 herë më e dobët se një lidhje kovalente. Prandaj, lidhja hidrogjenore prishet lehtësisht, gjë që vërehet, për shembull, gjatë avullimit të ujit.

Oriz. majtas - Lidhjet e hidrogjenit ndërmjet molekulave të ujit

Struktura e ujit të lëngshëm i ngjan asaj të akullit. Në ujin e lëngshëm, molekulat janë gjithashtu të lidhura me njëra-tjetrën përmes lidhjeve hidrogjenore, por struktura e ujit është më pak "e ngurtë" se ajo e akullit. Për shkak të lëvizjes termike të molekulave në ujë, disa lidhje hidrogjenore thyhen dhe të tjera formohen.

Oriz. Rrjetë kristalore e akullit. Molekulat e ujit H 2 O (topa të zinj) në nyjet e tij janë të vendosura në mënyrë që secila të ketë katër "fqinjë".

Polariteti i molekulave të ujit dhe prania e ngarkesave elektrike pjesërisht të pakompensuara në to krijon një tendencë për të grupuar molekulat në "komunitete" të mëdha - bashkëpunëtorë. Rezulton se vetëm uji në gjendje avulli korrespondon plotësisht me formulën H2O. Këtë e treguan rezultatet e përcaktimit të masës molekulare të avullit të ujit. Në intervalin e temperaturës nga 0 deri në 100°C, përqendrimi i molekulave individuale (molekulave monomerike) të ujit të lëngshëm nuk kalon 1%. Të gjitha molekulat e tjera të ujit janë të kombinuara në asociacione me shkallë të ndryshme kompleksiteti dhe përbërja e tyre përshkruhet me formulën e përgjithshme (H2O)x.

Shkaku i drejtpërdrejtë i formimit të asociacioneve janë lidhjet hidrogjenore midis molekulave të ujit. Ato lindin midis bërthamave të hidrogjenit të disa molekulave dhe "kondensimeve" të elektroneve të bërthamave të oksigjenit të molekulave të tjera të ujit. Vërtetë, këto lidhje janë dhjetëra herë më të dobëta se lidhjet kimike "standarde" intramolekulare dhe lëvizjet e zakonshme molekulare janë të mjaftueshme për t'i shkatërruar ato. Por nën ndikimin e dridhjeve termike, po aq lehtë lindin lidhje të reja të këtij lloji. Shfaqja dhe prishja e bashkëpunëtorëve mund të shprehet me diagramin e mëposhtëm:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Meqenëse orbitalet e elektroneve në secilën molekulë uji formojnë një strukturë tetraedrale, lidhjet e hidrogjenit mund të rregullojnë rregullimin e molekulave të ujit në asociacione të koordinuara tetraedrale.

Shumica e studiuesve shpjegojnë kapacitetin anormalisht të lartë të nxehtësisë së ujit të lëngshëm me faktin se kur akulli shkrihet, struktura e tij kristalore nuk shembet menjëherë. Në ujin e lëngshëm, lidhjet hidrogjenore midis molekulave ruhen. Ajo që mbetet në të janë fragmente akulli - bashkëpunëtorë të një numri të madh ose më të vogël molekulash uji. Sidoqoftë, ndryshe nga akulli, çdo bashkëpunëtor nuk ekziston për një kohë të gjatë. Shkatërrimi i disave dhe formimi i bashkëpunëtorëve të tjerë ndodh vazhdimisht. Në çdo vlerë të temperaturës në ujë, në këtë proces vendoset ekuilibri i tij dinamik. Dhe kur uji nxehet, një pjesë e nxehtësisë shpenzohet për thyerjen e lidhjeve hidrogjenore në bashkëpunëtorët. Në këtë rast, 0,26-0,5 eV shpenzohet për thyerjen e secilës lidhje. Kjo shpjegon kapacitetin anormalisht të lartë të nxehtësisë së ujit në krahasim me shkrirjet e substancave të tjera që nuk formojnë lidhje hidrogjeni. Kur ngrohni shkrirjet e tilla, energjia shpenzohet vetëm për të dhënë lëvizje termike tek atomet ose molekulat e tyre. Lidhjet e hidrogjenit midis molekulave të ujit prishen plotësisht vetëm kur uji shndërrohet në avull. Korrektësia e këtij këndvështrimi tregohet edhe nga fakti se kapaciteti termik specifik i avullit të ujit në 100°C praktikisht përkon me kapacitetin termik specifik të akullit në 0°C.

Foto më poshtë:

Elementi strukturor elementar i një bashkëpunëtor është një grup: Oriz. Një grup i veçantë hipotetik uji. Grupet individuale formojnë bashkëshoqërues të molekulave të ujit (H 2 O) x: Oriz. Grupet e molekulave të ujit formojnë shoqërues.

Ekziston një këndvështrim tjetër mbi natyrën e kapacitetit anormalisht të lartë të nxehtësisë së ujit. Profesor G.N. Zatsepina vuri në dukje se kapaciteti molar i nxehtësisë së ujit, që arrin në 18 cal/(molgrad), është saktësisht i barabartë me kapacitetin teorik të nxehtësisë molare të një trupi të ngurtë me kristale triatomike. Dhe në përputhje me ligjin e Dulong dhe Petit, kapacitetet atomike të nxehtësisë së të gjithë trupave kristalorë kimikisht të thjeshtë (monatomikë) në një temperaturë mjaft të lartë janë të njëjta dhe të barabarta me 6 calDmol o deg. Dhe për ato triatomike, gramoli i të cilave përmban 3 N a faqe rrjete kristalore, është 3 herë më shumë. (Këtu N a është numri i Avogadros).

Nga kjo rrjedh se uji është, si të thuash, një trup kristalor i përbërë nga molekula triatomike H 2 0. Kjo korrespondon me idenë e zakonshme të ujit si një përzierje e lidhjeve të ngjashme me kristalin me një përzierje të vogël të molekulave të lira të ujit H 2 O. ndërmjet tyre, numri i të cilave rritet me rritjen e temperaturës. Nga ky këndvështrim, ajo që është befasuese nuk është kapaciteti i lartë i nxehtësisë së ujit të lëngshëm, por kapaciteti i ulët i nxehtësisë së akullit të ngurtë. Ulja e kapacitetit specifik të nxehtësisë së ujit gjatë ngrirjes shpjegohet me mungesën e dridhjeve termike tërthore të atomeve në rrjetën e ngurtë kristalore të akullit, ku çdo proton që shkakton një lidhje hidrogjeni ka vetëm një shkallë lirie për dridhjet termike në vend të tre.

Por për shkak të çfarë dhe si mund të ndodhin ndryshime kaq të mëdha në kapacitetin e nxehtësisë së ujit pa ndryshime përkatëse në presion? Për t'iu përgjigjur kësaj pyetjeje, le të takohemi me hipotezën e kandidatit të shkencave gjeologjike dhe mineralogjike Yu. A. Kolyasnikov për strukturën e ujit.

Ai thekson se zbuluesit e lidhjeve hidrogjenore, J. Bernal dhe R. Fowler, në vitin 1932 krahasuan strukturën e ujit të lëngshëm me strukturën kristalore të kuarcit, dhe ata bashkëpunëtorë të përmendur më sipër janë kryesisht tetramerë 4H 2 0, në të cilët ka katër molekulat e ujërave janë të lidhur në një tetraedron kompakt me dymbëdhjetë lidhje të brendshme hidrogjeni. Si rezultat, formohet një tetrahedron.

Në të njëjtën kohë, lidhjet e hidrogjenit në këta tetramerë mund të formojnë sekuenca si djathtas ashtu edhe majtas, ashtu si kristalet e kuarcit të përhapur (Si0 2), të cilët gjithashtu kanë një strukturë tetraedrale, vijnë në kristal rrotullues djathtas dhe majtas. forma. Meqenëse çdo tetramer i tillë uji ka gjithashtu katër lidhje të jashtme hidrogjeni të papërdorura (si një molekulë uji), tetramerët mund të lidhen me këto lidhje të jashtme në një lloj zinxhirësh polimeri, si një molekulë ADN-je. Dhe meqenëse ka vetëm katër lidhje të jashtme, dhe 3 herë më shumë ato të brendshme, kjo lejon tetramerët e rëndë dhe të fortë në ujë të lëngshëm të përkulen, të kthehen dhe madje të thyejnë këto lidhje të jashtme hidrogjenore të dobësuara nga dridhjet termike. Kjo përcakton rrjedhshmërinë e ujit.

Uji, sipas Kolyasnikov, e ka këtë strukturë vetëm në gjendje të lëngshme dhe, ndoshta, pjesërisht në gjendje avulli. Por në akull, struktura kristalore e të cilit është studiuar mirë, tetrahidrolet janë të lidhura me njëri-tjetrin me lidhje jofleksibile, po aq të forta të drejtpërdrejta hidrogjeni në një kornizë të hapur me boshllëqe të mëdha në të, gjë që e bën densitetin e akullit më të vogël se dendësia e ujit. .

Oriz. Struktura kristalore e akullit: molekulat e ujit janë të lidhura në gjashtëkëndësha të rregullt

Kur akulli shkrihet, disa nga lidhjet e hidrogjenit në të dobësohen dhe përkulen, gjë që çon në një ristrukturim të strukturës në tetramerët e përshkruar më sipër dhe e bën ujin e lëngshëm më të dendur se akulli. Në 4°C, ndodh një gjendje kur të gjitha lidhjet hidrogjenore midis tetramerëve janë maksimalisht të përkulura, gjë që përcakton densitetin maksimal të ujit në këtë temperaturë. Nuk ka ku të shkojnë më tej lidhjet.

Në temperaturat mbi 4°C, lidhjet individuale midis tetramerëve fillojnë të thyhen dhe në 36-37°C, gjysma e lidhjeve të jashtme të hidrogjenit prishen. Kjo përcakton minimumin në kurbën e kapacitetit specifik të nxehtësisë së ujit kundrejt temperaturës. Në një temperaturë prej 70 ° C, thuajse të gjitha lidhjet ndërtetramere janë thyer dhe së bashku me tetramerët e lirë, vetëm fragmente të shkurtra të zinxhirëve "polimer" të tyre mbeten në ujë. Së fundi, kur uji vlon, ndodh këputja përfundimtare e tetramerëve tani të vetëm në molekula individuale H 2 0. Dhe fakti që nxehtësia specifike e avullimit të ujit është saktësisht 3 herë më e madhe se shuma e nxehtësisë specifike të shkrirjes së akullit dhe ngrohjes pasuese. e ujit deri në 100 ° C konfirmon supozimin e Kolyasnikov Rreth. se numri i lidhjeve të brendshme në një tetramer është 3 herë më i madh se numri i atyre të jashtme.

Kjo strukturë tetraedrale-spiralja e ujit mund të jetë për shkak të lidhjes së saj të lashtë reologjike me kuarcin dhe mineralet e tjera silikon-oksigjen që mbizotërojnë në koren e tokës, nga thellësitë e së cilës uji u shfaq dikur në Tokë. Ashtu si një kristal i vogël kripe bën që tretësira që e rrethon të kristalizohet në kristale të ngjashme, dhe jo në të tjera, ashtu edhe kuarci bëri që molekulat e ujit të rreshtoheshin në strukturat tetraedrale, të cilat janë energjikisht më të favorshme. Dhe në epokën tonë, në atmosferën e tokës, avujt e ujit, duke u kondensuar në pika, formon një strukturë të tillë, sepse atmosfera përmban gjithmonë pika të vogla uji aerosol që tashmë e kanë këtë strukturë. Ato janë qendra të kondensimit të avullit të ujit në atmosferë. Më poshtë janë strukturat e mundshme të zinxhirit silikat të bazuara në tetraedrin, i cili gjithashtu mund të përbëhet nga tetraedra uji.

Oriz. Tetraedri i rregullt elementar silikon-oksigjen SiO 4 4-.

Oriz. Njësitë elementare të silikonit-oksigjenit-ortogrupet SiO 4 4- në strukturën e enstatitit Mg-piroksen (a) dhe grupeve diortho Si 2 O 7 6- në volastonitin Ca-piroksenoid (b).

Oriz. Llojet më të thjeshta të grupeve anionike të ishullit silikon-oksigjen: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Oriz. më poshtë - Llojet më të rëndësishme të grupeve anionike të zinxhirit silikon-oksigjen (sipas Belov): a-metagermanate, b - piroksen, c - batisit, d-wollastonite, d-vlasovite, e-melilite, f-rodonit, z-piroksmangite. , i-metafosfat, k - fluoroberillate, l - barilit.

Oriz. më poshtë - Kondensimi i anioneve silikon-oksigjen të piroksenit në amfibolë me dy rreshta huall mjalti (a), në formë amfibole me tre rreshta (b), talk me shtresa dhe anione përkatëse (c).

Oriz. më poshtë - Llojet më të rëndësishme të grupeve të silikon-oksigjenit në brez (sipas Belov): a - sillimanit, amfibol, xonotlite; b-epididymitis; β-ortoklazë; g-narsarsukite; d-fenacit prizmatik; inlaid e-eklase.

Oriz. në të djathtë - Një fragment (paketë elementare) e strukturës kristalore të shtresuar të muskovitit KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, që ilustron ndërshtresën e rrjeteve alumin-silikon-oksigjen me shtresa poliedrike të kationeve të mëdha alumini dhe kaliumi, që kujton një zinxhir ADN-je.

Modele të tjera të strukturës së ujit janë gjithashtu të mundshme. Molekulat e ujit të lidhur në mënyrë katërkëndore formojnë zinxhirë të veçantë me përbërje mjaft të qëndrueshme. Studiuesit po zbulojnë mekanizma gjithnjë e më delikate dhe komplekse të "organizimit të brendshëm" të masës ujore. Përveç strukturës së ngjashme me akullin, molekulave të ujit të lëngshëm dhe monomerit, përshkruhet edhe një element i tretë i strukturës - jo tetraedral.

Një pjesë e caktuar e molekulave të ujit janë të lidhura jo në korniza tre-dimensionale, por në lidhje lineare unazore. Unazat, kur grupohen, formojnë komplekse edhe më komplekse të bashkëpunëtorëve.

Kështu, uji teorikisht mund të formojë zinxhirë, si një molekulë ADN-je, siç do të diskutohet më poshtë. Një tjetër gjë interesante në lidhje me këtë hipotezë është se ajo nënkupton probabilitetin e barabartë të ekzistencës së ujit të djathtë dhe të majtë. Por biologët kanë vënë re prej kohësh se në indet dhe strukturat biologjike vërehen vetëm formacione të dorës së majtë ose të djathtë. Një shembull i kësaj janë molekulat e proteinave, të ndërtuara vetëm nga aminoacide të dorës së majtë dhe të përdredhura vetëm në një spirale me dorën e majtë. Por sheqernat në natyrë janë të gjithë djathtas. Askush nuk ka arritur ende të shpjegojë pse në natyrën e gjallë ka një preferencë të tillë për të majtën në disa raste dhe për të djathtën në të tjera. Në të vërtetë, në natyrën e pajetë, molekulat e djathta dhe të majta gjenden me probabilitet të barabartë.

Më shumë se njëqind vjet më parë, natyralisti i famshëm francez Louis Pasteur zbuloi se përbërjet organike në bimë dhe kafshë janë optikisht asimetrike - ato rrotullojnë rrafshin e polarizimit të dritës që bie mbi to. Të gjitha aminoacidet që përbëjnë kafshët dhe bimët e rrotullojnë rrafshin e polarizimit në të majtë, dhe të gjithë sheqernat rrotullohen në të djathtë. Nëse sintetizojmë komponime me të njëjtën përbërje kimike, atëherë secila prej tyre do të përmbajë një numër të barabartë molekulash majtas dhe djathtas.

Siç e dini, të gjithë organizmat e gjallë përbëhen nga proteina, dhe ato, nga ana tjetër, përbëhen nga aminoacide. Duke u kombinuar me njëri-tjetrin në një sërë sekuencash, aminoacidet formojnë zinxhirë të gjatë peptide që spontanisht "përdredhin" në molekula komplekse proteinash. Ashtu si shumë komponime të tjera organike, aminoacidet kanë simetri kirale (nga greqishtja chiros - dorë), domethënë ato mund të ekzistojnë në dy forma simetrike pasqyre të quajtura "enantiomere". Molekula të tilla janë të ngjashme me njëra-tjetrën, si dora e majtë dhe e djathtë, kështu që ato quhen molekula D- dhe L (nga latinishtja dexter, laevus - djathtas dhe majtas).

Tani le të imagjinojmë se një mjedis me molekula të majta dhe të djathta ka kaluar në një gjendje me vetëm molekula të majta ose vetëm të djathta. Ekspertët e quajnë një mjedis të tillë të porositur në mënyrë kirale (nga fjala greke "cheira" - dorë). Vetë-riprodhimi i gjallesave (biopoiesis - siç përcaktohet nga D. Bernal) mund të lindte dhe të ruhej vetëm në një mjedis të tillë.

Oriz. Simetria e pasqyrës në natyrë

Një emër tjetër për molekulat enantiomer - "dekstrorotator" dhe "levorotatory" - vjen nga aftësia e tyre për të rrotulluar planin e polarizimit të dritës në drejtime të ndryshme. Nëse drita e polarizuar në mënyrë lineare kalon nëpër një tretësirë ​​të molekulave të tilla, rrafshi i polarizimit të saj rrotullohet: në drejtim të akrepave të orës nëse molekulat në tretësirë ​​janë djathtas dhe në drejtim të kundërt nëse molekulat në tretësirë ​​janë të majta. Dhe në një përzierje të sasive të barabarta të formave D- dhe L (të quajtura "racemate"), drita do të ruajë polarizimin e saj origjinal linear. Kjo veti optike e molekulave kirale u zbulua për herë të parë nga Louis Pasteur në 1848.

Është kurioze që pothuajse të gjitha proteinat natyrore përbëhen vetëm nga aminoacide të majta. Ky fakt është edhe më befasues pasi sinteza e aminoacideve në kushte laboratorike prodhon afërsisht të njëjtin numër molekulash djathtas dhe majtas. Rezulton se jo vetëm aminoacidet e kanë këtë veçori, por edhe shumë substanca të tjera të rëndësishme për sistemet e gjalla, dhe secila ka një shenjë të përcaktuar rreptësisht të simetrisë së pasqyrës në të gjithë biosferën. Për shembull, sheqernat që janë pjesë e shumë nukleotideve, si dhe acidet nukleike ADN dhe ARN, përfaqësohen në trup ekskluzivisht nga molekulat D-djathtas. Megjithëse vetitë fizike dhe kimike të "antipodeve të pasqyrës" janë të njëjta, aktiviteti i tyre fiziologjik në organizma është i ndryshëm: L-caxara nuk absorbohet, L-fenilalanina, ndryshe nga molekulat e saj të padëmshme D, shkakton sëmundje mendore, etj.

Sipas ideve moderne për origjinën e jetës në Tokë, zgjedhja e një lloji të caktuar të simetrisë së pasqyrës nga molekulat organike shërbeu si parakusht kryesor për mbijetesën e tyre dhe vetë-riprodhimin e mëvonshëm. Sidoqoftë, pyetja se si dhe pse ndodhi përzgjedhja evolucionare e një ose një tjetër antipodi pasqyre mbetet ende një nga misteret më të mëdha të shkencës.

Shkencëtari sovjetik L.L. Morozov vërtetoi se kalimi në rendin kiral nuk mund të ndodhte në mënyrë evolucionare, por vetëm me një ndryshim specifik të mprehtë të fazës. Akademiku V.I. Goldansky e quajti këtë tranzicion, falë të cilit lindi jeta në Tokë, një katastrofë kirale.

Si u krijuan kushtet për katastrofën fazore që shkaktoi tranzicionin kiral?

Gjëja më e rëndësishme ishte se përbërjet organike shkriheshin në 800-1000 0C në koren e tokës, dhe ato të sipërme ftoheshin në temperaturën e hapësirës, ​​domethënë zero absolute. Diferenca e temperaturës arriti në 1000 °C. Në kushte të tilla, molekulat organike shkriheshin nën ndikimin e temperaturës së lartë dhe madje u shkatërruan plotësisht, dhe pjesa e sipërme mbeti e ftohtë pasi molekulat organike ishin ngrirë. Gazrat dhe avujt e ujit që rrjedhin nga korja e tokës ndryshuan përbërjen kimike të përbërjeve organike. Gazrat bartnin nxehtësinë me vete, duke bërë që vija e shkrirjes së shtresës organike të lëvizte lart e poshtë, duke krijuar një gradient.

Në presione shumë të ulëta atmosferike, uji ishte në sipërfaqen e tokës vetëm në formën e avullit dhe akullit. Kur presioni arriti të ashtuquajturën pikë të trefishtë të ujit (0,006 atmosfera), uji mundi të ekzistonte në formën e një lëngu për herë të parë.

Natyrisht, vetëm eksperimentalisht mund të vërtetohet se çfarë e shkaktoi saktësisht tranzicionin kiral: arsyet tokësore ose kozmike. Por në një mënyrë apo tjetër, në një moment, molekulat e renditura në mënyrë kirale (domethënë, aminoacidet levorotatore dhe sheqernat dekstrorotatorë) doli të ishin më të qëndrueshme dhe filloi një rritje e pandalshme e numrit të tyre - një tranzicion kiral.

Kronika e planetit tregon gjithashtu se në atë kohë nuk kishte male apo depresione në Tokë. Korja gjysmë e shkrirë e granitit paraqiti një sipërfaqe të lëmuar sa niveli i oqeanit modern. Megjithatë, brenda kësaj fushe kishte ende depresione për shkak të shpërndarjes së pabarabartë të masave brenda Tokës. Këto reduktime luajtën një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm.

Fakti është se depresionet me fund të sheshtë qindra dhe madje mijëra kilometra të gjerë dhe jo më shumë se njëqind metra të thella ndoshta u bënë djepi i jetës. Në fund të fundit, uji që u mblodh në sipërfaqen e planetit derdhej në to. Uji holloi përbërjet organike kirale në shtresën e hirit. Përbërja kimike e përbërjes ndryshoi gradualisht dhe temperatura u stabilizua. Kalimi nga i pajetë në të jetuar, i cili filloi në kushte anhydrous, vazhdoi në një mjedis ujor.

A është kjo komploti i origjinës së jetës? Me shumë mundësi po. Në seksionin gjeologjik të Isua (Grenlanda Perëndimore), i cili është 3.8 miliardë vjet i vjetër, u gjetën komponime të ngjashme me benzinën dhe vajin me raportin e izotopit C12/C13 karakteristik për karbonin me origjinë fotosintetike.

Nëse konfirmohet natyra biologjike e përbërjeve të karbonit nga seksioni Isua, atëherë rezulton se e gjithë periudha e origjinës së jetës në Tokë - nga shfaqja e lëndës organike kirale deri te shfaqja e një qelize të aftë për fotosintezë dhe riprodhim - ishte përfunduar në vetëm njëqind milionë vjet. Dhe molekulat e ujit dhe ADN-ja luajtën një rol të madh në këtë proces.

Gjëja më e mahnitshme në lidhje me strukturën e ujit është se molekulat e ujit në temperatura të ulëta negative dhe presione të larta brenda nanotubave mund të kristalizohen në një formë spirale të dyfishtë, që të kujton ADN-në. Kjo u vërtetua nga eksperimentet kompjuterike të shkencëtarëve amerikanë të udhëhequr nga Xiao Cheng Zeng në Universitetin e Nebraskës (SHBA).

ADN-ja është një fije e dyfishtë e përdredhur në një spirale.Çdo fije përbëhet nga "tulla" - nukleotide të lidhura në seri. Çdo nukleotid i ADN-së përmban një nga katër bazat azotike - guaninë (G), adeninë (A) (purina), timinë (T) dhe citozinë (C) (pirimidina), të lidhura me deoksiribozën, tek kjo e fundit, nga ana tjetër, një fosfat. grupi është i bashkangjitur. Nukleotidet fqinje janë të lidhura me njëri-tjetrin në një zinxhir nga një lidhje fosfodiesterike e formuar nga grupet 3"-hidroksil (3"-OH) dhe 5"-fosfat (5"-PO3). Kjo veti përcakton praninë e polaritetit në ADN, d.m.th. drejtime të kundërta, përkatësisht skajet 5" dhe 3": fundi 5" i një filli korrespondon me skajin 3" të fillit të dytë. Sekuenca e nukleotideve ju lejon të "kodoni" informacione rreth llojeve të ndryshme të ARN-së, më të rëndësishmet prej të cilave janë mesazheri ose shabllon (mRNA), ribozomali (rARN) dhe transporti (tRNA). Të gjitha këto lloje të ARN-së sintetizohen në një shabllon të ADN-së duke kopjuar një sekuencë ADN-je në një sekuencë ARN të sintetizuar gjatë transkriptimit dhe marrin pjesë në procesin më të rëndësishëm të jetës - transferimin dhe kopjimin e informacionit (përkthimin).

Struktura primare e ADN-së është sekuenca lineare e nukleotideve të ADN-së në një zinxhir. Sekuenca e nukleotideve në një zinxhir të ADN-së shkruhet në formën e një formule të ADN-së me shkronja: për shembull - AGTCATGCCAG, hyrja bëhet nga fundi 5" deri në 3" të zinxhirit të ADN-së.

Struktura dytësore e ADN-së formohet për shkak të ndërveprimeve të nukleotideve (kryesisht bazave azotike) me njëri-tjetrin, lidhjeve hidrogjenore. Një shembull klasik i strukturës dytësore të ADN-së është spirale e dyfishtë e ADN-së. Spiralja e dyfishtë e ADN-së është forma më e zakonshme e ADN-së në natyrë, e përbërë nga dy zinxhirë polinukleotidësh të ADN-së. Ndërtimi i çdo zinxhiri të ri të ADN-së kryhet sipas parimit të komplementaritetit, d.m.th. Çdo bazë azotike e një zinxhiri ADN korrespondon me një bazë të përcaktuar rreptësisht të një zinxhiri tjetër: në një çift plotësues, përballë A është T, dhe përballë G është C, etj.

Në mënyrë që uji të formonte një spirale, si kjo, në një eksperiment të simuluar ai u "vendos" në nanotuba nën presion të lartë, që ndryshonte në eksperimente të ndryshme nga 10 në 40,000 atmosfera. Pas kësaj u vendos temperatura e cila kishte vlerën -23°C. Marzhi në krahasim me pikën e ngrirjes së ujit është bërë për faktin se me rritjen e presionit pika e shkrirjes së akullit të ujit zvogëlohet. Diametri i nanotubave varionte nga 1,35 në 1,90 nm.

Oriz. Pamje e përgjithshme e strukturës së ujit (imazhi nga New Scientist)

Molekulat e ujit janë të lidhura me njëra-tjetrën përmes lidhjeve hidrogjenore, distanca midis atomeve të oksigjenit dhe hidrogjenit është 96 pm, dhe midis dy hidrogjeneve - 150 pm. Në gjendje të ngurtë, atomi i oksigjenit merr pjesë në formimin e dy lidhjeve hidrogjenore me molekulat fqinje të ujit. Në këtë rast, molekula individuale H 2 O bien në kontakt me njëra-tjetrën me pole të kundërta. Kështu, formohen shtresa në të cilat secila molekulë shoqërohet me tre molekula të shtresës së saj dhe një nga ajo fqinje. Si rezultat, struktura kristalore e akullit përbëhet nga "tuba" gjashtëkëndor të ndërlidhur si një huall mjalti.

Oriz. Muri i brendshëm i një strukture uji (imazhi i New Scientist)

Shkencëtarët prisnin të shihnin se uji në të gjitha rastet formon një strukturë të hollë tubulare. Megjithatë, modeli tregoi se në një diametër tub prej 1.35 nm dhe një presion prej 40,000 atmosferash, lidhjet e hidrogjenit u përkulën, duke çuar në formimin e një spirale me dy mure. Muri i brendshëm i kësaj strukture është një spirale e katërfishtë, dhe muri i jashtëm përbëhet nga katër spirale të dyfishta, të ngjashme me strukturën e molekulës së ADN-së.

Fakti i fundit lë një gjurmë jo vetëm në evolucionin e ideve tona për ujin, por edhe në evolucionin e jetës së hershme dhe në vetë molekulën e ADN-së. Nëse supozojmë se në epokën e origjinës së jetës, shkëmbinjtë e argjilës kriolite kishin formën e nanotubave, lind pyetja: a mund të shërbente uji i thithur në to si bazë strukturore (matricë) për sintezën e ADN-së dhe leximin e informacionit? Ndoshta kjo është arsyeja pse struktura spirale e ADN-së përsërit strukturën spirale të ujit në nanotuba. Siç raporton revista New Scientist, tani kolegët tanë të huaj do të duhet të konfirmojnë ekzistencën e makromolekulave të tilla të ujit në kushte reale eksperimentale duke përdorur spektroskopinë infra të kuqe dhe spektroskopinë e shpërndarjes së neutronit.

Ph.D. O.V. Mosin

Dhe këtu mund të kalojmë në kategorinë e dytë. Nën fjalën "akulli" Ne jemi mësuar të kuptojmë gjendjen e fazës së ngurtë të ujit. Por përveç tij, substanca të tjera janë gjithashtu subjekt i ngrirjes. Kështu, akulli mund të dallohet nga përbërja kimike e substancës origjinale, për shembull, dioksidi i karbonit, amoniaku, akulli i metanit dhe të tjerët.

Së treti, ka grila (modifikime) kristalore të akullit të ujit, formimi i të cilave përcaktohet nga një faktor termodinamik. Ne do të flasim pak për to në këtë postim.

Në artikullin Ice, ne shikuam se si struktura e ujit i nënshtrohet një ristrukturimi me një ndryshim në gjendjen e tij të grumbullimit dhe prekëm strukturën kristalore të akullit të zakonshëm. Falë strukturës së brendshme të vetë molekulës së ujit dhe lidhjeve hidrogjenore që lidhin të gjitha molekulat në një sistem të rregulluar, formohet një rrjetë kristalore gjashtëkëndore (gjashtëkëndore) e akullit. Molekulat më afër njëra-tjetrës (një cep qendror dhe katër kënd) janë të rregulluara në formën e një piramide trekëndore ose tetraedri, e cila qëndron në themel të modifikimit të kristalit gjashtëkëndor ( Fig.1).

Meqe ra fjala, distanca midis grimcave më të vogla të materies matet në nanometra (nm) ose angstrom (emërtuar sipas fizikanit suedez të shekullit të 19-të Anders Jonas Ångström; shënohet me simbolin Å). 1 Å = 0,1 nm = 10−10 m.

Kjo strukturë gjashtëkëndore e akullit të zakonshëm shtrihet në të gjithë vëllimin e saj. Këtë mund ta shihni qartë me sy të lirë: gjatë reshjeve të borës në dimër, kapni një flok dëbore në mëngën ose dorezën tuaj dhe shikoni më nga afër formën e saj - është me gjashtë rreze ose gjashtëkëndore. Kjo është tipike për çdo fjollë dëbore, por asnjë fjollë e vetme nuk përsërit një tjetër (më shumë rreth kësaj në artikullin tonë). Dhe madje edhe kristalet e mëdha të akullit me formën e tyre të jashtme korrespondojnë me strukturën e brendshme molekulare ( Fig.2).

Ne kemi thënë tashmë se kalimi i një substance, në veçanti uji, nga një gjendje në tjetrën ndodh në kushte të caktuara. Akulli normal formohet në temperaturat 0°C e më poshtë dhe në një presion prej 1 atmosfere (vlera normale). Rrjedhimisht, për shfaqjen e modifikimeve të tjera të akullit, kërkohet një ndryshim në këto vlera dhe në të shumtën e rasteve prania e temperaturave të ulëta dhe presionit të lartë, në të cilin këndi i lidhjeve hidrogjenore ndryshon dhe e gjithë rrjeta kristalore rindërtohet.

Çdo modifikim i akullit i përket një sistemi specifik - një grup kristalesh në të cilat qelizat e njësisë kanë të njëjtën simetri dhe sistem koordinativ (akset XYZ). Në total, dallohen shtatë singoni. Karakteristikat e secilit prej tyre janë paraqitur më poshtë ilustrimet 3-4. Dhe pak më poshtë është një imazh i formave kryesore të kristaleve ( Fig.5)

Të gjitha modifikimet e akullit që ndryshojnë nga akulli i zakonshëm janë marrë në kushte laboratorike. Strukturat e para polimorfike të akullit u bënë të njohura në fillim të shekullit të 20-të me përpjekjet e shkencëtarëve. Gustav Heinrich Tammann Dhe Percy Williams Bridgman. Diagrami i modifikimeve të Bridgman-it plotësohej periodikisht. Ndryshime të reja u identifikuan nga ato të marra më parë. Ndryshimet e fundit në diagram janë bërë në kohën tonë. Deri më tani, janë marrë gjashtëmbëdhjetë lloje kristalore akulli. Çdo lloj ka emrin e vet dhe shënohet me një numër romak.

Ne nuk do të thellohemi thellë në karakteristikat fizike të çdo lloji molekular të akullit të ujit, në mënyrë që të mos ju mërzitim, të dashur lexues, me detaje shkencore; ne do të shënojmë vetëm parametrat kryesorë.

Akulli i zakonshëm quhet akull Ih (parashtesa "h" do të thotë sistem gjashtëkëndor). Aktiv ilustrime 7 paraqitet struktura e tij kristalore, e përbërë nga lidhje gjashtëkëndore (heksamera), të cilat ndryshojnë në formë - njëra në formë shezlong(anglisht) karrige-formë), një tjetër në formë rooks (varkë-formë). Këta heksamera formojnë një seksion tre-dimensionale - dy "shezllone" janë horizontale në krye dhe në fund, dhe tre "varka" zënë një pozicion vertikal.

Diagrami hapësinor tregon rendin në rregullimin e lidhjeve hidrogjenore të akullit Ih, por në realitet lidhjet ndërtohen rastësisht. Megjithatë, shkencëtarët nuk përjashtojnë që lidhjet hidrogjenore në sipërfaqen e akullit gjashtëkëndor të jenë më të renditura sesa brenda strukturës.

Qeliza njësi e akullit gjashtëkëndor (d.m.th., vëllimi minimal i një kristali, riprodhimi i përsëritur i të cilit në tre dimensione formon të gjithë rrjetën kristalore në tërësi) përfshin 4 molekula uji. Dimensionet e qelizave janë 4,51 Å në të dyja anët a, b Dhe 7,35 Å në anën c (ana ose boshti c në diagrame ka drejtim vertikal). Këndet ndërmjet anëve, siç shihet nga ilustrimi 4: α=β = 90°, γ = 120°. Distanca midis molekulave fqinje është 2,76 Å.

Kristalet gjashtëkëndore të akullit formojnë pllaka dhe kolona gjashtëkëndore; fytyrat e sipërme dhe të poshtme në to janë rrafshet bazë, dhe gjashtë fytyrat anësore identike quhen prizmatike ( Fig.10).

Numri minimal i molekulave të ujit që kërkohet për të filluar kristalizimin e tij është rreth 275 (±25). Në një masë të madhe, formimi i akullit ndodh në sipërfaqen e masës ujore që kufizohet me ajrin, dhe jo brenda tij. Kristale të trashë akulli Ih formohen ngadalë në drejtim të boshtit c, për shembull, në ujërat e ndenjur ato rriten vertikalisht poshtë nga pllakat kristalore, ose në kushte kur rritja anash është e vështirë. Akulli me kokërr të imët, i formuar në ujin e turbullt ose kur ngrin shpejt, ka përshpejtuar rritjen e drejtuar nga faqet prizmatike. Temperatura e ujit përreth përcakton shkallën e degëzimit të rrjetës së kristalit të akullit.

Grimcat e substancave të tretura në ujë, me përjashtim të atomeve të heliumit dhe hidrogjenit, dimensionet e të cilëve i lejojnë të futen në zgavrat e strukturës, përjashtohen nga rrjeta kristalore në presion normal atmosferik, duke u detyruar të dalin në sipërfaqen e kristalit ose , si në rastin e varietetit amorf (më shumë për këtë më vonë në artikull) duke formuar shtresa midis mikrokristaleve. Ciklet e njëpasnjëshme të ngrirjes dhe shkrirjes së ujit mund të përdoren për ta pastruar atë nga papastërtitë, për shembull, gazrat (degazimi).

Së bashku me akullin Ih ka edhe akull Unë C (sistem kub), megjithatë, në natyrë, formimi i këtij lloji akulli herë pas here është i mundur vetëm në shtresat e sipërme të atmosferës. Akull artificial Unë C fitohet nga ngrirja e menjëhershme e ujit, për të cilin avulli kondensohet në një të ftohur 80 në minus 110°C sipërfaqe metalike në presion normal atmosferik. Si rezultat i eksperimentit, kristalet e formës kubike ose në formën e oktaedroneve bien në sipërfaqe. Nuk do të jetë e mundur të krijohet akull kub i modifikimit të parë nga akulli i zakonshëm gjashtëkëndor duke ulur temperaturën e tij, por kalimi nga kubik në gjashtëkëndor është i mundur duke ngrohur akullin. Unë C minus më i lartë 80°C.

Në strukturën molekulare të akullit Unë C këndi i lidhjes hidrogjenore është i njëjtë me atë të akullit të zakonshëm Ih – 109,5°. Dhe këtu është një unazë gjashtëkëndore e formuar nga molekulat në një rrjetë akulli Unë C i pranishëm vetëm në formën e një shezlong.

Dendësia e akullit Ic është 0,92 g/cm³ në një presion prej 1 atm. Qeliza njësi në një kristal kub ka 8 molekula dhe dimensione: a=b=c = 6,35 Å, dhe këndet e saj α=β=γ = 90°.

Në një shënim. Të nderuar lexues, në këtë artikull do të hasim vazhdimisht tregues të temperaturës dhe presionit për një ose një lloj tjetër akulli. Dhe nëse vlerat e temperaturës të shprehura në gradë Celsius janë të qarta për të gjithë, atëherë perceptimi i vlerave të presionit mund të jetë i vështirë për disa. Në fizikë, njësi të ndryshme përdoren për ta matur atë, por në artikullin tonë do ta shënojmë në atmosfera (atm), duke rrumbullakosur vlerat. Presioni normal atmosferik është 1 atm, që është e barabartë me 760 mmHg, ose pak më shumë se 1 bar, ose 0,1 MPa (megapaskal).

Siç e kuptoni, në veçanti, nga shembulli me akull Unë C, ekzistenca e modifikimeve kristalore të akullit është e mundur në kushtet e ekuilibrit termodinamik, d.m.th. kur ekuilibri i temperaturës dhe presionit që përcakton praninë e çdo lloji kristalor të akullit është i shqetësuar, ky lloj zhduket, duke u shndërruar në një modifikim tjetër. Gama e këtyre vlerave termodinamike ndryshon; është e ndryshme për çdo specie. Le të shqyrtojmë llojet e tjera të akullit, jo rreptësisht sipas rendit të nomenklaturës, por në lidhje me këto tranzicione strukturore.

Akull II i përket sistemit trigonal. Mund të formohet nga lloji gjashtëkëndor në një presion prej rreth 3,000 atm dhe një temperaturë prej rreth minus 75 ° C, ose nga një modifikim tjetër ( akull V), duke ulur ndjeshëm presionin në një temperaturë prej minus 35°C. Ekzistenca II lloji i akullit është i mundur në kushte minus 170°C dhe presion nga 1 deri në 50,000 atm (ose 5 gigapascals (GPa)). Sipas shkencëtarëve, akulli i këtij modifikimi ndoshta mund të jetë pjesë e satelitëve të akullt të planetëve të largët të sistemit diellor. Presioni normal atmosferik dhe temperaturat mbi minus 113°C krijojnë kushte që ky lloj akulli të shndërrohet në akull të zakonshëm gjashtëkëndor.

Aktiv ilustrime 13 treguar rrjetë kristal akulli II. Një tipar karakteristik i strukturës është i dukshëm - një lloj kanalesh gjashtëkëndore të zbrazëta të formuara nga lidhje molekulare. Qeliza njësi (zona e theksuar në ilustrim me një diamant) përbëhet nga dy ligamente që zhvendosen në lidhje me njëri-tjetrin, si të thuash, "në lartësi". Si rezultat, formohet një sistem grilë rombohedral. Dimensionet e qelizës a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Ka 12 molekula në një qelizë. Këndi i lidhjes ndërmjet molekulave (O–O–O) varion nga 80 në 120°.

Kur ngrohni modifikimin II, mund të merrni akull III, dhe anasjelltas, ftohja e akullit III e kthen në akull II. Gjithashtu akull III formohet kur temperatura e ujit ulet gradualisht në minus 23°C, duke rritur presionin në 3000 atm.
Siç mund të shihet në diagramin e fazës ( i sëmurë. 6), kushtet termodinamike për një gjendje të qëndrueshme akulli III, si dhe një modifikim tjetër - akull V, janë të vogla.

Akull III Dhe V kanë katër pika të trefishta me modifikime rrethuese (vlera termodinamike në të cilat është e mundur ekzistenca e gjendjeve të ndryshme të materies). Megjithatë, akulli II, III Dhe V modifikimet mund të ekzistojnë në kushte të presionit normal atmosferik dhe temperaturës prej minus 170°C, dhe ngrohja e tyre në minus 150°C çon në formimin e akullit. Unë C.

Krahasuar me modifikimet e tjera të presionit të lartë të njohura aktualisht, akulli III ka densitetin më të ulët - në një presion prej 3500 atm. është e barabartë me 1,16 g/cm³.
Akull IIIështë një shumëllojshmëri tetragonale e ujit të kristalizuar, por vetë struktura e rrjetës së akullit III ka shkelje. Nëse çdo molekulë zakonisht rrethohet nga 4 fqinje, atëherë në këtë rast ky tregues do të ketë një vlerë prej 3.2, dhe përveç kësaj mund të ketë edhe 2 ose 3 molekula të tjera afër që nuk kanë lidhje hidrogjeni.
Në rregullimin hapësinor, molekulat formojnë spirale me dorën e djathtë.
Dimensionet e një qelize njësi me 12 molekula në minus 23°C dhe rreth 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. Këndi i lidhjes hidrogjenore varion nga 87 në 141°.

Aktiv ilustrime 15është paraqitur në mënyrë konvencionale një diagram hapësinor i strukturës molekulare të akullit III. Molekulat (pikat blu) të vendosura më afër shikuesit tregohen më të mëdha, dhe lidhjet e hidrogjenit (vijat e kuqe) janë përkatësisht më të trasha.

Dhe tani, siç thonë ata, të nxehtë në thembra, le të "kapërcejmë" menjëherë ata që vijnë pas akullit III sipas rendit të nomenklaturës, modifikime kristalore dhe le të themi disa fjalë për akullin IX.
Ky lloj akulli është në thelb akull i modifikuar III, i nënshtrohet ftohjes së shpejtë të thellë nga minus 65 në minus 108 ° C për të shmangur shndërrimin e tij në akull II. Akull IX mbetet e qëndrueshme në temperatura nën 133°C dhe presione nga 2000 deri në 4000 atm. Dendësia dhe struktura e tij janë identike III mendje, por ndryshe nga akulli III në strukturën e akullit IX ka rregull në renditjen e protoneve.
Ngrohja e akullit IX nuk e kthen në origjinal III modifikohet, por kthehet në akull II. Dimensionet e qelizave: a=b = 6,69, c = 6,71 Å në temperaturë minus 108°C dhe 2800 atm.

Meqe ra fjala, romani i shkrimtarit të trillimeve shkencore Kurt Vonnegut i vitit 1963, Djepi i maces, përqendrohet rreth një substance të quajtur ice-nine, e cila përshkruhet si një material i krijuar nga njeriu që paraqet një rrezik të madh për jetën, sepse uji kristalizohet në kontakt me të, duke u kthyer në akull-9. Hyrja edhe e një sasie të vogël të kësaj lënde në ujërat natyrore përballë oqeaneve të botës kërcënon të ngrijë të gjithë ujin në planet, që nga ana tjetër nënkupton vdekjen e të gjitha gjallesave. Në fund, kjo është ajo që ndodh.

Akull IVështë një formacion trigonal metastabil (pak i qëndrueshëm) i një rrjete kristalore. Ekzistenca e tij është e mundur në hapësirën fazore të akullit III, V Dhe VI modifikimet. Merr pak akull IV mund të bëhet nga akulli amorf me densitet të lartë duke e ngrohur ngadalë, duke filluar nga minus 130°C me një presion konstant prej 8000 atm.
Madhësia e qelizës njësi romboedrale është 7,60 Å, këndet α=β=γ = 70,1°. Qeliza përfshin 16 molekula; lidhjet hidrogjenore ndërmjet molekulave janë asimetrike. Në një presion prej 1 atm dhe një temperaturë prej minus 163°C, dendësia e akullit IV është 1.27 g/cm³. Këndi i lidhjes O–O–O: 88–128°.

Po kështu IV lloji i akullit që formon akullin XII– duke ngrohur një modifikim amorf me densitet të lartë (më shumë për këtë më poshtë) nga minus 196 në minus 90°C me të njëjtin presion prej 8000 atm, por me një shpejtësi më të lartë.
Akull XII gjithashtu metastabile në rajonin fazor V Dhe VI lloje kristalore. Është një lloj sistemi tetragonal.
Qeliza njësi përmban 12 molekula, të cilat, për shkak të lidhjeve hidrogjenore me kënde 84-135°, ndodhen në rrjetën kristalore, duke formuar një spirale të dyfishtë të djathtë. Qeliza ka përmasa: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; kënde α=β=γ = 90º. Dendësia e akullit XII është 1,30 g/cm³ në presion normal atmosferik dhe temperaturë minus 146°C. Këndet e lidhjeve hidrogjenore: 67–132°.

Nga modifikimet e zbuluara aktualisht të akullit të ujit, akulli ka strukturën më komplekse kristalore V. 28 molekula përbëjnë qelizën e saj njësi; lidhjet e hidrogjenit përfshijnë boshllëqe në komponime të tjera molekulare dhe disa molekula formojnë lidhje vetëm me përbërje të caktuara. Këndi i lidhjeve të hidrogjenit midis molekulave fqinje ndryshon shumë - nga 86 në 132 °, prandaj në rrjetën kristalore të akullit V ka tension të fortë dhe një furnizim të madh energjie.
Parametrat e qelizave në kushte të presionit atmosferik dhe temperaturës normale minus 175°C: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Akull Vështë një varietet monoklinik i formuar nga ftohja e ujit në minus 20°C me një presion prej rreth 5000 atm. Dendësia e rrjetës kristalore, duke marrë parasysh një presion prej 3,500 atm, është 1.24 g/cm³.
Diagrami hapësinor i rrjetës së kristalit të akullit V lloji i treguar në ilustrime 18. Rajoni i qelizës njësi të kristalit theksohet me një skicë gri.

Rregullimi i renditur i protoneve në strukturën e akullit V e bën atë një varietet tjetër të quajtur akull XIII. Ky modifikim monoklinik mund të merret duke ftohur ujin nën minus 143°C me shtimin e acidit klorhidrik (HCl) për të lehtësuar kalimin fazor, duke krijuar një presion prej 5000 atm. Kalim i kthyeshëm nga XIII lloji k V lloji është i mundur në intervalin e temperaturës nga minus 193°C deri në minus 153°C.
Dimensionet e njësisë së qelizës së akullit XIII pak më ndryshe nga V modifikime: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (në 1 atm, minus 193°С). Numri i molekulave në qelizë është i njëjtë - 28. Këndi i lidhjeve hidrogjenore: 82–135°.

Në pjesën tjetër të artikullit tonë ne do të vazhdojmë rishikimin tonë të modifikimeve të akullit të ujit.

Shihemi në faqet e blogut tonë!

Ju gjithashtu mund të lexoni artikuj të tjerë:

Kompozime akulli në formën e pemëve të Krishtlindjeve

Dekoratë akulli për larjen e Epifanisë

Kompozime akulli për Vitin e Ri

Levë akulli SonyPlaystation

Puna me njerëz në akull

Chivas Regal Ice Bar

Dekoratë akulli për bankete

Muri i akullit në Mançester

Mobilje akulli Hongtao Zhou

Enët me akull

Kalaja e Akullit në Minesota

Shtëpia e Akullit të Microsoft

flluska të ngrira

Icefang në Vail Valley

Arinjtë polarë bëjnë patina në akull

Këlysh dhe kub akulli

Qytet akulli në Krasnogorsk

Skulpturë akulli - Engjëll

Patinazh me figura në akull të hollë

Hijet e akullit

Pllaka akulli

Pulëbardhë e kapur në akull

Gjëra në modë në akull

Akull në hapësirë. Pjesa e dytë: kometat.