Jiný typ krystalů je všem známý. Téměř půl roku (a v polárních oblastech i po celý rok) tyto krystaly pokrývají obrovské rozlohy Země, leží na vrcholcích hor a sesouvají se z nich dolů jako ledovce, plují jako ledovce v oceánech. Jsou to krystaly zmrzlé vody, tedy ledu a sněhu.

Každý jednotlivý ledový krystal, každá sněhová vločka je křehká a malá. Často se říká, že sníh padá jako chmýří. Ale i toto srovnání, dalo by se říci, je příliš „těžké“: každá sněhová vločka je přece asi desetkrát lehčí než chmýří. Deset tisíc sněhových vloček váží tolik jako jeden cent. Když se však sněhové krystaly spojí ve velkém množství dohromady, mohou například zastavit vlak a vytvořit závěje na železničních kolejích; mohou dokonce pohybovat a rozbíjet kameny, jako to dělají laviny a ledovce.

Šestipaprskové hvězdy sněhových vloček jsou nekonečně rozmanité.

Dotkněte se prstem sněhové vločky a ta okamžitě roztaje teplem vaší ruky. Vyhoďte sněhovou vločku z rukávu kabátu - samozřejmě neuslyšíte, jak spadla a možná se dokonce rozbila. Poslouchejte ale vrzání čerstvě napadaného sněhu pod nohama. Co je to za skript? Praská a láme miliony sněhových krystalů. Za jasného počasí se sníh třpytí a třpytí, "hraje" na slunci. Stejně jako od milionů malých zrcadel se paprsky světla odrážejí od plochých okrajů sněhových krystalů.

Pravděpodobně jste nejednou obdivovali jednotlivé sněhové krystaly – sněhové vločky.

"První sníh bliká, vlní se, padá jako hvězdy na pobřeží,"

A. S. Puškin mluví o sněhu. Ve skutečnosti jsou všechny sněhové vločky šestipaprskové hvězdy nebo příležitostně šestihranné desky.

Fotografie sněhových vloček z Bentleyho atlasu.

Na sněhových vločkách je nejjednodušší se ujistit, že krystaly mají obvykle pravidelný a symetrický tvar. Tvary sněhových vloček jsou nekonečné. Jeden přírodovědec fotografuje sněhové vločky pod mikroskopem více než padesát let. Sestavil atlas několika tisíc fotografií sněhových vloček a všechny tyto vločky jsou jiné, nenajdete tam jediný pár stejných. Ale přesto lze s jistotou říci, že v tomto atlase nejsou shromážděny všechny formy sněhových vloček; můžete pořídit mnoho tisíc dalších těchto fotografií a přesto nevyčerpat kolosální rozmanitost forem sněhových krystalů.

Je zajímavé porovnat moderní fotografie sněhových vloček s kresbou převzatou ze staré švédské knihy „Historie severních národů“ od Olafa Magnuse. Zde je jasný důkaz, že lidé si už dávno všimli úžasných tvarů sněhových vloček. Ale jak naivní jsou tyto čtyři sta let staré kresby a jak málo připomínají skutečné vzory sněhových krystalů!

Kresby sněhových vloček z Olafa Magnuse Historie severních národů, publikované v roce 1555.

Ledová pokrývka řeky, masa ledovce nebo ledovce není v žádném případě jeden velký krystal. Hustá masa ledu je obvykle polykrystalická, to znamená složená z mnoha jednotlivých krystalů; nemůžete je vždy vidět, protože jsou malé a všechny rostou společně. Někdy lze tyto krystaly vidět v tajícím ledu, například na jaře na řece. Pak je jasné, že led sestává jakoby z „tužek“ srostlých dohromady a všechny „tužky“ jsou vzájemně rovnoběžné a stojí kolmo k hladině vody; tyto „tužky“ jsou jednotlivé krystalky ledu.

Led pod mikroskopem. V místech, kde začalo tání, jsou vidět obrysy srostlých šestiúhelníkových krystalů a nejmenší bublinky vody.

Je známo, jak nebezpečné jsou pro rostliny jarní nebo podzimní mrazíky. Když teploty půdy a vzduchu klesnou pod nulu, podzemní voda a rostlinné šťávy zamrznou a vytvoří jehličky ledových krystalků. Tyto ostré jehly trhají jemná pletiva rostlin, listy scvrkávají a černají, kořeny jsou zničeny.

Po mrazivých nocích po ránu v lese a na poli lze často pozorovat, jak na povrchu země roste „ledová tráva“. Každé stéblo takové trávy je průhledný šestihranný nebo trojúhelníkový ledový krystal. Ledové jehly dosahují délky 1-2 centimetry a někdy dosahují až 10-12 centimetrů. V jiných případech je země pokryta deskami ledu, leží nebo stojí vzpřímeně. Tyto ledové krystaly vyrůstající ze země zvedají na hlavě písek, oblázky a kamínky o hmotnosti až 50-100 gramů. Ledové kry jsou dokonce vytlačovány ze země a vynášejí malé rostliny nahoru. Někdy rostlinu obalí ledová krusta a kořen prosvítá skrz led. Stává se také, že štětec ledových jehlic nadzvedne těžký kámen, kterým nelze pohnout o jeden krystal. Křišťálová "ledová tráva" se třpytí a hoří duhovým leskem, ale jakmile se sluneční paprsky zahřejí, krystaly se ohýbají ke slunci, padají a rychle tají.

Navštivte les v mrazivý jarní nebo podzimní den brzy ráno, kdy slunce ještě nestihlo zničit stopy nočních mrazíků. Stromy a keře jsou pokryté námrazou. Na větvích visely kapky ledu. Podívejte se pozorně, uvnitř ledových kapek můžete vidět svazky tenkých šestihranných jehlic – ledových krystalků. Listy pokryté mrazem působí jako štětce: jako štětiny na nich stojí lesklé šestihranné sloupce ledových krystalků. Les je zdoben pohádkovým bohatstvím krystalů, křišťálovým vzorem.

Upozorňujeme na fotografie krystalů přírodní vody a vody z akvaduktů největší města mír.

přírodní voda

Dobře tvarované, drahokamu podobné krystaly vzniklé z vody řek, potoků a ledovců.

Křišťál svítí jako slunce. Tento pramen je napájen vodou z tání vrcholků Yatsugatake, ztělesněním krásy přírody.

Krystal vlevo je tvořen vodou z pramene nacházejícího se na břehu jezera Chuzendei. Chlorace vody na žádost místních úřadů vedlo k výrazné změně jejích vlastností, jak ukazuje fotografie vpravo.

Křišťál z Fontana di Trevi v Itálii je jedinečný a připomíná mince, které turisté vhazují do fontány.

Pramenitá voda z Tasmánie bohaté na diamanty produkuje krystaly, které vypadají jako malé diamanty. Podzemní voda ekologicky čistého Nového Zélandu tvoří také velmi krásné krystaly.

Na jižním pólu byly tisíce let staré sněhy zabaleny do pevné hmoty. Krystal této vody také vypadá velmi tvrdě. Voda pro oba tyto vzorky byla získána z povrchových vrstev sněhu a ledu, není tedy zcela nedotčená.

Jedná se o krystaly z vody nasbírané ve Švýcarsku.

Voda z vodovodu ve městech světa

Dostat krystaly z vodovodní vody je možné jen ve velmi málo městech na světě. Celá věc je zřejmě v chemické úpravě vody.

Krystaly se netvoří v důsledku úpravy vody látkami, které poškozují její přirozenou životodárnou sílu.

Ani v Benátkách, „městě na vodě“, voda z vodovodu nemůže produkovat krystaly. Voda švýcarského Bernu je v tomto smyslu mnohem lepší.

Voda některých amerických měst kupodivu tvoří nádherné krystaly. Možná je to důsledek opatření na ochranu vody.

Vancouverská voda vytvořila relativně úplné krystaly, pravděpodobně kvůli hojnému odtoku ze Skalistých hor. Voda v Sydney mohla dát vzniknout jen jakémusi křivému "koblihu".

Jedná se o krystaly ze dvou měst Jižní Amerika. Dobré krystaly dala voda argentinského Buenos Aires. Manaus se nachází v Brazílii, na březích hojné řeky Amazonky.

Zajímavá fakta o vodě:
- Lidské tělo v průměru 70 % tvoří voda.

Jedna z největších záhad vody spočívá v prostém faktu, že v ní plave led. Když jakákoli jiná látka přechází z kapalného do pevného skupenství, její hustota se zvyšuje a látka se stává poměrně těžší.

Kdyby se voda chovala jako všechny ostatní látky a led by klesal ke dnu, tak ty a já bychom možná neexistovali. Pokaždé, když teplota klesne, dno jezer a oceánů se změní v pevný led a všechny živé bytosti zemřou.

Voda má také jedinečnou schopnost rozpouštět další látky a vymývat je. Jen si pomyslete, kolik látek se může ve vodě rozpustit a jak těžké je vrátit vodu do původního čistého stavu.

Podle jedné teorie má voda mimozemského původu a na naši planetu byl přivezen z vesmíru na kometách.

Trojrozměrný stav kapalné vody je obtížné studovat, ale mnoho jsme se naučili analýzou struktury ledových krystalů. Čtyři sousední atomy kyslíku interagující s vodíkem zaujímají vrcholy čtyřstěnu (tetra = čtyři, hedron = rovina). Průměrná energie potřebná k přerušení takové vazby v ledu se odhaduje na 23 kJ/mol -1.

Schopnost molekul vody tvořit daný počet vodíkových řetězců, stejně jako specifikovaná síla, vytváří neobvykle vysoký bod tání. Když taje, drží ho kapalná voda, jejíž struktura je nepravidelná. Většina vodíkových vazeb je zkreslená. Ke zničení krystalové mřížky ledu s vodíkovou můstkem je zapotřebí velké množství energie ve formě tepla.

Vlastnosti vzhledu ledu (Ih)

Mnoho obyvatel se diví, jakou má led krystalovou mřížku. Je třeba poznamenat, že hustota většiny látek se zvyšuje během zmrazování, kdy se molekulární pohyby zpomalují a tvoří se hustě zabalené krystaly. Hustota vody se také zvyšuje, když se ochladí na maximum při 4 °C (277 K). Poté, když teplota klesne pod tuto hodnotu, expanduje.

Tento nárůst je způsoben vytvořením otevřeného ledového krystalu s vodíkovými můstky s jeho mřížkou a nižší hustotou, ve kterém je každá molekula vody pevně vázána výše uvedeným prvkem a čtyřmi dalšími hodnotami, přičemž se pohybuje dostatečně rychle, aby měla větší hmotnost. Protože k této akci dojde, kapalina zamrzne shora dolů. To má důležité biologické výsledky, v důsledku kterých vrstva ledu na jezírku izoluje živé bytosti před extrémním chladem. Kromě toho s její vodíkovou charakteristikou souvisí dvě další vlastnosti vody: měrná tepelná kapacita a odpařování.

Detailní popis konstrukcí

Prvním kritériem je množství potřebné ke zvýšení teploty 1 gramu látky o 1 °C. Zvyšování stupňů vody vyžaduje relativně velké množství tepla, protože každá molekula je zapojena do četných vodíkových vazeb, které musí být přerušeny, aby se zvýšila kinetická energie. Mimochodem, hojnost H 2 O v buňkách a tkáních všech velkých mnohobuněčných organismů znamená, že kolísání teploty uvnitř buněk je minimalizováno. Tato vlastnost je kritická, protože rychlost většiny biochemických reakcí je citlivá.

Také výrazně vyšší než u mnoha jiných kapalin. K přeměně tohoto tělesa na plyn je potřeba velké množství tepla, protože vodíkové vazby se musí přerušit, aby se molekuly vody od sebe oddělily a vstoupily do naznačené fáze. Proměnlivá tělesa jsou trvalé dipóly a mohou interagovat s jinými podobnými sloučeninami a těmi, které se ionizují a rozpouštějí.

Jiné výše uvedené látky mohou přijít do kontaktu pouze v případě polarity. Právě tato sloučenina se podílí na struktuře těchto prvků. Kromě toho se může zarovnat kolem těchto částic vytvořených z elektrolytů, takže záporné atomy kyslíku molekul vody jsou orientovány na kationty a kladné ionty a atomy vodíku jsou orientovány na anionty.

Zpravidla se tvoří molekulární krystalové mřížky a atomové. To znamená, že pokud je jód konstruován tak, že je v něm přítomen I 2, pak v pevném oxidu uhličitém, tedy v suchém ledu, jsou molekuly CO 2 umístěny v uzlech krystalové mřížky. Při interakci s podobnými látkami má led iontovou krystalovou mřížku. Například grafit, který má atomovou strukturu založenou na uhlíku, ji není schopen změnit, stejně jako diamant.

Co se stane, když se krystal kuchyňské soli rozpustí ve vodě je, že polární molekuly jsou přitahovány k nabitým prvkům v krystalu, což vede k vytvoření podobných částic sodíku a chloridu na jeho povrchu, v důsledku čehož se tato tělesa dislokují od sebe a začne se rozpouštět. Odtud lze pozorovat, že led má krystalovou mřížku s iontovou vazbou. Každý rozpuštěný Na + přitahuje negativní konce několika molekul vody, zatímco každý rozpuštěný Cl - přitahuje pozitivní konce. Plášť obklopující každý iont se nazývá úniková koule a obvykle obsahuje několik vrstev částic rozpouštědla.

Proměnné nebo iont obklopený prvky jsou považovány za sulfatované. Když je rozpouštědlem voda, jsou takové částice hydratované. Každá polární molekula má tedy tendenci být solvatována prvky kapalného tělesa. V suchém ledu tvoří typ krystalové mřížky ve stavu agregace atomové vazby, které se nemění. Další věcí je krystalický led (zmrzlá voda). Iontový organické sloučeniny jako je karboxyláza a protonované aminy, by měly být rozpustné v hydroxylových a karbonylových skupinách. Částice obsažené v takových strukturách se pohybují mezi molekulami a jejich polární systémy tvoří vodíkové vazby s tímto tělesem.

Počet posledně uvedených skupin v molekule samozřejmě ovlivňuje její rozpustnost, která závisí i na reakci různých struktur v prvku: např. jedno-, dvou- a tříuhlíkové alkoholy jsou mísitelné s vodou, ale větší uhlovodíky s jednoduchými hydroxylovými sloučeninami jsou mnohem méně ředěné v kapalinách.

Šestihranný Ih má podobný tvar jako atomová krystalová mřížka. U ledu a veškerého přírodního sněhu na Zemi to vypadá přesně takto. Svědčí o tom symetrie krystalické mřížky ledu, vyrostlé z vodní páry (tedy sněhových vloček). Je v kosmické skupině P 63/mm od 194; D 6h, třída Laue 6/mm; podobný β-, který má násobek 6 spirálové osy (rotace kolem a posun podél ní). Má poměrně otevřenou strukturu s nízkou hustotou, kde je účinnost nízká (~ 1/3) ve srovnání s jednoduchými krychlovými (~ 1/2) nebo krychlovými strukturami s plošným středem (~ 3/4).

Ve srovnání s obyčejným ledem je krystalická mřížka suchého ledu, vázaná molekulami CO 2, statická a mění se pouze při rozpadu atomů.

Popis mříží a jejich základních prvků

Krystaly lze považovat za krystalické modely skládající se z listů naskládaných na sebe. Vodíková vazba je uspořádaná, i když ve skutečnosti je náhodná, protože protony se mohou pohybovat mezi molekulami vody (ledu) při teplotách nad asi 5 K. Je skutečně pravděpodobné, že se protony chovají jako kvantová tekutina v konstantním tunelovém toku. To je zesíleno rozptylem neutronů, který ukazuje jejich hustotu rozptylu uprostřed mezi atomy kyslíku, což naznačuje lokalizaci a koordinovaný pohyb. Zde je podobnost ledu s atomovou, molekulární krystalovou mřížkou.

Molekuly mají stupňovité uspořádání vodíkového řetězce vzhledem ke svým třem sousedům v rovině. Čtvrtý prvek má uspořádání zakrytých vodíkových vazeb. Je zde mírná odchylka od dokonalé šestiúhelníkové symetrie, například o 0,3 % kratší ve směru tohoto řetězce. Všechny molekuly zažívají totéž molekulární prostředí. Uvnitř každé "krabice" je dostatek prostoru pro uložení částeček intersticiální vody. Ačkoli se o nich obecně neuvažuje, byly nedávno účinně detekovány neutronovou difrakcí práškové krystalové mřížky ledu.

Měnící se látky

Šestihranné těleso má trojité body s kapalnou a plynnou vodou 0,01 °C, 612 Pa, pevné prvky - tři -21,985 °C, 209,9 MPa, jedenáct a dva -199,8 °C, 70 MPa, a -34,7 °C, 212,9 MPa. Dielektrická konstanta hexagonálního ledu je 97,5.

Křivka tání tohoto prvku je dána MPa. K dispozici jsou stavové rovnice, kromě nich některé jednoduché nerovnosti související se změnou fyzikální vlastnosti s teplotou hexagonálního ledu a jeho vodných suspenzí. Tvrdost kolísá se stupni stoupajícími od nebo pod sádrovce (≤2) při 0°C až po živec (6 při -80°C, abnormálně velká změna absolutní tvrdosti (>24krát).

Šestiúhelníková krystalická mřížka ledu tvoří šestiúhelníkové desky a sloupy, kde horní a spodní plocha jsou základní roviny (0 0 0 1) s entalpií 5,57 μJ cm -2 a ostatní ekvivalentní boční plochy se nazývají části hranolu. (1 0 -1 0) s 5,94 μJ cm -2. Sekundární povrchy (1 1 -2 0) s 6,90 μJ ˣ cm -2 lze vytvořit podél rovin tvořených stranami konstrukcí.

Taková struktura vykazuje anomální pokles tepelné vodivosti s rostoucím tlakem (stejně jako kubický a amorfní led nízké hustoty), ale liší se od většiny krystalů. Je to způsobeno změnou vodíkové vazby, která snižuje příčnou rychlost zvuku v krystalové mřížce ledu a vody.

Existují metody popisující, jak připravit vzorky velkých krystalů a libovolný požadovaný ledový povrch. Předpokládá se, že vodíková vazba na povrchu zkoumaného šestiúhelníkového tělesa bude uspořádanější než uvnitř hromadného systému. Variační spektroskopie s frekvenčním generováním vibrací s fázovou mřížkou ukázala, že mezi dvěma horními vrstvami (L1 a L2) v podpovrchovém HO řetězci bazálního povrchu hexagonálního ledu existuje strukturální asymetrie. Přijaté vodíkové vazby v horních vrstvách šestiúhelníků (L1 O ··· HO L2) jsou silnější než ty, které jsou přijaty ve druhé vrstvě k horní akumulaci (L1 OH ··· O L2). K dispozici jsou interaktivní struktury šestiúhelníkového ledu.

Vývojové funkce

Minimální počet molekul vody potřebný pro nukleaci ledu je přibližně 275 ± 25, stejně jako pro úplný ikosaedrický shluk 280. K tvorbě dochází s faktorem 10 10 na rozhraní vzduch-voda a ne ve vodě. Růst ledových krystalů závisí na různé rychlosti růstu různých energií. Voda musí být chráněna před zamrznutím při kryokonzervaci biologických vzorků, potravin a orgánů.

Toho se obvykle dosáhne vysoké rychlosti chlazení, použití malých vzorků a kryokonzervátoru a zvýšení tlaku na nukleaci ledu a zabránění poškození buněk. Volná energie ledu/kapaliny se zvyšuje z ~30 mJ/m2 při atmosférickém tlaku na 40 mJ/m -2 při 200 MPa, což naznačuje důvod, proč k tomuto jevu dochází.

Alternativně mohou růst rychleji z povrchů hranolů (S2), na náhodně narušeném povrchu rychle zamrzlých nebo rozbouřených jezer. Růst z čel (1 1 -2 0) je minimálně stejný, ale mění je na základny hranolů. Údaje o vývoji ledového krystalu byly plně prozkoumány. Relativní rychlosti růstu prvků různých tváří závisí na schopnosti vytvářet velký stupeň hydratace kloubů. Teplota (nízká) okolní vody určuje stupeň rozvětvení v ledovém krystalu. Růst částic je omezen rychlostí difúze při nízkém stupni přechlazení, tzn.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Ale omezený vývojovou kinetikou při vyšších úrovních deprese > 4 °C, což má za následek jehlovitý růst. Tento tvar je podobný suchému ledu (má krystalovou mřížku s hexagonální strukturou), odlišnou charakteristikou vývoje povrchu a teplotou okolní (přechlazené) vody, která stojí za plochými tvary sněhových vloček.

Tvorba ledu v atmosféře hluboce ovlivňuje tvorbu a vlastnosti mraků. Živce, které se nacházejí v pouštním prachu, který vstupuje do atmosféry v milionech tun ročně, jsou důležitými formovateli. Počítačové modelování ukázalo, že je to způsobeno nukleací prizmatických ploch ledových krystalů na vysokoenergetických povrchových rovinách.

Některé další prvky a mřížky

Soluty (s výjimkou velmi malého hélia a vodíku, které mohou vstupovat do mezer) nemohou být začleněny do struktury Ih při atmosférickém tlaku, ale jsou vytlačovány na povrch nebo amorfní vrstvu mezi částicemi mikrokrystalického tělesa. Na místech mřížky suchého ledu jsou ještě některé další prvky: chaotropní ionty jako NH 4 + a Cl - , které jsou zahrnuty do snadnějšího zmrazování kapaliny než jiné kosmotropní, jako Na + a SO 4 2-, tzv. jejich odstranění je nemožné, protože tvoří tenký film zbývající kapaliny mezi krystaly. To může vést k elektrickému nabití povrchu v důsledku disociace povrchové vody vyrovnávající zbývající náboje (což může také vést k magnetickému záření) a změně pH zbytkových kapalných filmů, například NH 4 2 SO 4 se stává více kyselé a NaCl se stává zásaditějším.

Jsou kolmé k plochám mřížky ledových krystalů a zobrazují připojenou další vrstvu (s atomy O-černé). Vyznačují se pomalu rostoucím bazálním povrchem (0 0 0 1), kde jsou připojeny pouze izolované molekuly vody. Rychle rostoucí (1 0 -1 0) povrch hranolu, kde se páry nově připojených částic mohou vzájemně vázat vodíkem (jedna vodíková vazba/dvě molekuly prvku). Nejrychleji rostoucí plocha (1 1 -2 0) (sekundární prizmatický), kde mohou řetězce nově připojených částic vzájemně interagovat vodíkovou vazbou. Jednou z jeho molekul řetězce/prvku je forma, která tvoří hřebeny, které rozdělují a podporují transformaci na dvě strany hranolu.

Entropie nulového bodu

kBˣ Ln ( N

Vědci a jejich práce v této oblasti

Lze definovat jako S 0 = kBˣ Ln ( N E0), kde k B je Boltzmannova konstanta, N E je počet konfigurací na energii E a E0 je nejnižší energie. Tato hodnota pro entropii hexagonálního ledu při nule Kelvinů neporušuje třetí zákon termodynamiky „Entropie ideálního krystalu při absolutní nule je přesně nula“, protože tyto prvky a částice nejsou ideální, mají neuspořádané vodíkové vazby.

V tomto tělese je vodíková vazba náhodná a rychle se měnící. Tyto struktury nejsou přesně energeticky stejné, ale rozšiřují se do velmi velkého počtu energeticky blízkých stavů, podléhají "pravidlům ledu". Entropie nulového bodu je porucha, která by zůstala, i kdyby se materiál mohl ochladit absolutní nula(OK = -273,15 °C). Generuje experimentální zmatek pro hexagonální led 3,41 (± 0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1 . Teoreticky by bylo možné vypočítat nulovou entropii známých ledových krystalů s mnohem větší přesností (zanedbání defektů a šíření energetické hladiny), než ji určit experimentálně.

Přestože pořadí protonů v hromadném ledu není uspořádané, povrch pravděpodobně preferuje pořadí těchto částic ve formě pásů zavěšených atomů H a O-single párů (nulová entropie s uspořádanými vodíkovými vazbami). Je zjištěna porucha nulového bodu ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 a další. Ze všeho výše uvedeného je zřejmé a pochopitelné, jaké typy krystalových mřížek jsou charakteristické pro led.

Dáváme do pozornosti fotografie krystalů přírodní vody a vody z vodovodních potrubí největších měst světa.

přírodní voda

Dobře tvarované, drahokamu podobné krystaly vzniklé z vody řek, potoků a ledovců.

Křišťál svítí jako slunce. Tento pramen je napájen vodou z tání vrcholků Yatsugatake, ztělesněním krásy přírody.

Krystal vlevo je tvořen vodou z pramene nacházejícího se na břehu jezera Chuzendei. Chlorace vody na žádost místních úřadů vedlo k výrazné změně jejích vlastností, jak ukazuje fotografie vpravo.

Křišťál z Fontana di Trevi v Itálii je jedinečný a připomíná mince, které turisté vhazují do fontány.

Pramenitá voda z Tasmánie bohaté na diamanty produkuje krystaly, které vypadají jako malé diamanty. Podzemní voda ekologicky čistého Nového Zélandu tvoří také velmi krásné krystaly.

Na jižním pólu byly tisíce let staré sněhy zabaleny do pevné hmoty. Krystal této vody také vypadá velmi tvrdě. Voda pro oba tyto vzorky byla získána z povrchových vrstev sněhu a ledu, není tedy zcela nedotčená.

Jedná se o krystaly z vody nasbírané ve Švýcarsku.

Voda z vodovodu ve městech světa

Dostat krystaly z vodovodní vody je možné jen ve velmi málo městech na světě. Celá věc je zřejmě v chemické úpravě vody.

Krystaly se netvoří v důsledku úpravy vody látkami, které poškozují její přirozenou životodárnou sílu.

Ani v Benátkách, „městě na vodě“, voda z vodovodu nemůže produkovat krystaly. Voda švýcarského Bernu je v tomto smyslu mnohem lepší.

Voda některých amerických měst kupodivu tvoří nádherné krystaly. Možná je to důsledek opatření na ochranu vody.

Vancouverská voda vytvořila relativně úplné krystaly, pravděpodobně kvůli hojnému odtoku ze Skalistých hor. Voda v Sydney mohla dát vzniknout jen jakémusi křivému "koblihu".

Jedná se o krystaly ze dvou měst v Jižní Americe. Dobré krystaly dala voda argentinského Buenos Aires. Manaus se nachází v Brazílii, na březích hojné řeky Amazonky.

Zajímavá fakta o vodě:
- Lidské tělo je v průměru ze 70 % tvořeno vodou.

Jedna z největších záhad vody spočívá v prostém faktu, že v ní plave led. Když jakákoli jiná látka přechází z kapalného do pevného skupenství, její hustota se zvyšuje a látka se stává poměrně těžší.

Kdyby se voda chovala jako všechny ostatní látky a led by klesal ke dnu, tak ty a já bychom možná neexistovali. Pokaždé, když teplota klesne, dno jezer a oceánů se změní v pevný led a všechny živé bytosti zemřou.

Voda má také jedinečnou schopnost rozpouštět další látky a vymývat je. Jen si pomyslete, kolik látek se může ve vodě rozpustit a jak těžké je vrátit vodu do původního čistého stavu.

Podle jedné teorie má voda mimozemského původu a na naši planetu byl přivezen z vesmíru na kometách.

A zde již můžete přejít do druhé kategorie. pod slovem "led" jsme zvyklí chápat skupenství vody v pevné fázi. Ale kromě toho podléhají mrazu i další látky. Led lze tedy odlišit chemickým složením původní látky, například oxid uhličitý, čpavek, metanový led a další.

Za třetí jsou to krystalové mřížky (modifikace) vodního ledu, jejichž vznik je způsoben termodynamickým faktorem. O tom si v tomto příspěvku trochu povíme.

V článku Led jsme se zastavili u toho, jak se restrukturalizuje struktura vody se změnou její agregované stavy a ovlivnil krystalovou strukturu obyčejný led. Díky vnitřní struktuře samotné molekuly vody a vodíkovým můstkům spojujícím všechny molekuly do uspořádaného systému vzniká hexagonální (hexagonální) krystalová mřížka ledu. Molekuly nejblíže k sobě (jeden střed a čtyři rohy) jsou uspořádány ve formě trojstěnu nebo čtyřstěnu, který je základem hexagonální krystalové modifikace ( nemocný.1).

Mimochodem, vzdálenost mezi nejmenšími částicemi hmoty se měří v nanometrech (nm) nebo angstromech (pojmenováno podle švédského fyzika 19. století Anderse Jonase Angströma; označeno symbolem Å). 1 Á = 0,1 nm = 10-10 um.

Taková šestiúhelníková struktura obyčejného ledu zasahuje do celého jeho objemu. Jasně to vidíte pouhým okem: v zimě při sněžení zachyťte sněhovou vločku na rukáv oděvu nebo na rukavici a podívejte se blíže na její tvar – je šestipaprskový nebo šestiúhelníkový. To je typické pro každou vločku, ale zároveň se žádná vločka nikdy neopakuje další (více v našem článku). A dokonce i velké ledové krystaly svým vnějším tvarem odpovídají vnitřní molekulární struktuře ( nemocný.2).

Již jsme řekli, že přechod látky, zejména vody, z jednoho skupenství do druhého se provádí za určitých podmínek. Obvyklý led se tvoří při teplotách 0 °C a nižších a při tlaku 1 atmosféry (normální hodnota). V důsledku toho je pro vznik dalších modifikací ledu nutná změna těchto hodnot a ve většině případů přítomnost nízkých teplot a vysokého tlaku, při kterých se mění úhel vodíkových vazeb a rekonstruuje se celá krystalová mřížka. .

Každá modifikace ledu patří do určité syngonie - skupiny krystalů, ve kterých mají elementární buňky stejnou symetrii a souřadnicový systém (osy XYZ). Celkem se rozlišuje sedm syngonií. Charakteristiky každého z nich jsou uvedeny na ilustrace 3-4. A hned níže je obrázek hlavních forem krystalů ( nemocný.5)

Všechny modifikace ledu, které se liší od obyčejného ledu, byly získány v laboratorních podmínkách. První polymorfní struktury ledu se staly známými na začátku 20. století díky úsilí vědců Gustav Heinrich Tammann A Percy Bridgman (Percy Williams Bridgman). Modifikační diagram sestavený Bridgmanem byl pravidelně doplňován. Nové modifikace byly identifikovány z těch dříve získaných. Nedávné změny v diagramu byly provedeny v naší době. Dosud bylo získáno šestnáct krystalických typů ledu. Každý typ má svůj vlastní název a je označen římskou číslicí.

Do hloubky nepůjdeme fyzikální vlastnosti každého molekulárního typu vodního ledu, abychom vás, milí čtenáři, nenudili vědeckými detaily, uvádíme pouze hlavní parametry.

Obyčejný led se nazývá led Ih (předpona „h“ znamená hexagonální syngonii). Na ilustrace 7 je prezentována jeho krystalová struktura sestávající z hexagonálních vazeb (hexamerů), které se liší tvarem - jedna formou lehátko(Angličtina) židle-forma), další ve formuláři věže (lodní tvar). Tyto hexamery tvoří trojrozměrný úsek - dvě "leňošky" jsou vodorovně nahoře a dole a tři "věže" jsou umístěny svisle.

Prostorový diagram ukazuje pořadí v uspořádání ledových vodíkových vazeb Ih, ale ve skutečnosti jsou spojení budována náhodně. Vědci však nevylučují, že vodíkové vazby na povrchu šestiúhelníkového ledu jsou uspořádanější než uvnitř struktury.

Elementární buňka hexagonálního ledu (tj. minimální objem krystalu, jehož opakovaná reprodukce ve třech rozměrech tvoří celou krystalovou mřížku jako celek) obsahuje 4 molekuly vody. Rozměry buňky jsou 4,51 Á na obou stranách a,b A 7,35 Á na straně c (strana nebo osa c na obrázcích má vertikální směr). Úhly mezi stranami, jak je vidět ze obrázek 4: α=β = 90°, γ = 120°. Vzdálenost mezi sousedními molekulami je 2,76 Á.

Šestihranné ledové krystaly tvoří šestihranné desky a sloupce; horní a spodní plochy v nich jsou základní roviny a šest stejných bočních ploch se nazývá hranolové ( nemocný.10).

Minimální počet molekul vody potřebný k zahájení její krystalizace je cca 275 (±25). K tvorbě ledu dochází do značné míry spíše na povrchu vodní masy přiléhající ke vzduchu než uvnitř něj. hrubé ledové krystaly Ih tvoří se pomalu ve směru osy c, např. ve stojaté vodě rostou kolmo dolů z lamel, nebo v podmínkách, kde je růst do strany obtížný. Jemnozrnný led, který se tvoří v rozbouřené vodě nebo při jejím rychlém zamrzání, má zrychlený růst směřující z prizmatických ploch. Teplota okolní vody určuje stupeň rozvětvení mřížky ledových krystalů.

Částice látek rozpuštěných ve vodě, s výjimkou atomů helia a vodíku, jejichž velikosti umožňují zapadnout do dutin struktury, jsou za normálního atmosférického tlaku vyloučeny z krystalové mřížky, vytlačeny na povrch krystalu, popř. , stejně jako v případě amorfní odrůdy (více o tom dále v článku) tvořící vrstvy mezi mikrokrystaly. Sekvenční cykly zmrazování a rozmrazování vody lze použít k jejímu vyčištění od nečistot, jako jsou plyny (odplynění).

Spolu s ledem Ih je tam i led ic (krychlový systém), v přírodě je však tvorba tohoto typu ledu příležitostně možná pouze ve vyšších vrstvách atmosféry. Umělý led ic získané okamžitým zmrazováním vody, pro které se pára kondenzuje na chlazeném od minus 80 do mínusu 110 °C kovový povrch při normálním atmosférickém tlaku. V důsledku experimentu vypadávají na povrch krystaly krychlového tvaru nebo ve formě osmistěnů. Nebude fungovat vytvořit krychlový led první modifikace z obyčejného šestihranného ledu snížením jeho teploty, ale přechod z krychlového na šestihranný je možný, když se led zahřeje ic nad mínusem 80 °C.

V molekulární struktuře ledu icúhel vodíkové vazby je stejný jako obyčejný led Ih - 109,5°. Ale šestiúhelníkový prsten tvořený molekulami v mřížce ledu ic přítomen pouze ve formě opalovacího lehátka.

Hustota ledu Ic je 0,92 g/cm³ při tlaku 1 atm. Základní buňka v krychlovém krystalu má 8 molekul a rozměry: a=b=c = 6,35 Å a její úhly α=β=γ = 90°.

Na poznámku. Vážení čtenáři, v tomto článku se budeme opakovaně setkávat s indikátory teploty a tlaku pro ten či onen druh ledu. A pokud jsou hodnoty teploty vyjádřené ve stupních Celsia každému jasné, může být pro někoho vnímání hodnot tlaku obtížné. Ve fyzice se k jejímu měření používají různé jednotky, ale v našem článku ji budeme označovat v atmosférách (atm), přičemž hodnoty zaokrouhlíme. Normální atmosférický tlak je 1 atm, což se rovná 760 mmHg, nebo něco málo přes 1 bar nebo 0,1 MPa (megapascal).

Jak jste pochopili zejména z příkladu s ledem ic, existence krystalických modifikací ledu je možná za podmínek termodynamické rovnováhy, tzn. pokud je narušena rovnováha teploty a tlaku, která určuje přítomnost jakéhokoli krystalického typu ledu, tento typ zaniká a přechází v další modifikaci. Rozsah těchto termodynamických hodnot je jiný, pro každý druh je jiný. Uvažujme o jiných typech ledu, nikoli striktně podle nomenklatury, ale v souvislosti s těmito strukturálními přechody.

Led II patří do trigonální syngonie. Může být vytvořen z šestiúhelníkového typu při tlaku asi 3 000 atm a teplotě asi minus 75 °C nebo z jiné modifikace ( led V), prudkým poklesem tlaku při teplotě minus 35°C. Existence II typ ledu je možný za podmínek minus 170°C a tlaku od 1 do 50 000 atm (nebo 5 gigapascalů (GPa)). Led takové modifikace může být podle vědců pravděpodobně součástí ledových satelitů vzdálených planet. Sluneční Soustava. Normální atmosférický tlak a teploty nad minus 113°C vytvářejí podmínky pro přechod tohoto typu ledu na obyčejný šestihranný led.

Na ilustrace 13 ukazuje krystalovou mřížku ledu II. Viditelné výrazná vlastnost struktury jsou jakési duté hexagonální kanály tvořené molekulárními vazbami. Elementární buňka (plocha zvýrazněná na obrázku kosočtvercem) se skládá ze dvou svazků, které jsou vůči sobě posunuty, relativně řečeno „po výšce“. V důsledku toho vzniká romboedrický mřížkový systém. Velikosti buněk a=b=c = 7,78 Á; a=p=y = 113,1°. V buňce je 12 molekul. Vazebný úhel mezi molekulami (О–О–О) se pohybuje od 80 do 120°.

Při zahřáté modifikaci II můžete získat led III a naopak chlazení ledem III promění to v led II. Také led III Vzniká, když se teplota vody postupně snižuje na minus 23 °C a tlak se zvyšuje na 3 000 atm.
Jak je vidět na fázovém diagramu ( nemocný. 6), termodynamické podmínky pro stabilní stav ledu III, stejně jako další úprava - led PROTI, jsou malé.

Led III A PROTI mají čtyři trojité body s okolními modifikacemi (termodynamické hodnoty, při kterých je možná existence různých stavů hmoty). Nicméně led II, III A PROTI modifikace mohou existovat za podmínek normálního atmosférického tlaku a teploty minus 170 °C a jejich zahřátí na minus 150 °C vede k tvorbě ledu ic.

Ve srovnání s jinými v současnosti známými modifikacemi vysokého tlaku led III má nejnižší hustotu – při tlaku 3 500 atm. rovná se 1,16 g/cm³.
Led III je tetragonální odrůda krystalické vody, ale samotná struktura ledové mřížky III má porušení. Pokud je obvykle každá molekula obklopena 4 sousedními, pak v tomto případě bude mít tento indikátor hodnotu 3,2 a navíc mohou být poblíž další 2 nebo 3 molekuly, které nemají vodíkové vazby.
V prostorové konstrukci tvoří molekuly pravotočivé šroubovice.
Rozměry jednotkové buňky s 12 molekulami při minus 23 °C a přibližně 2800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Á; a=β=γ=90°. Úhel vodíkových vazeb v rozmezí od 87 do 141°.

Na ilustrace 15 prostorové schéma molekulární struktury ledu je běžně prezentováno III. Molekuly (tečky modrá barva) umístěné blíže k divákovi jsou zobrazeny větší a vodíkové vazby (červené čáry) jsou odpovídajícím způsobem tlustší.

A teď, jak se říká, v žhavém pronásledování, okamžitě „přeskočme“ ty, kteří přijdou po ledě III v nomenklaturním pořadí, krystalické modifikace a řekněme si pár slov o ledu IX.
Tento typ ledu je ve skutečnosti upravený led. III, vystavené rychlému hlubokému ochlazení z minus 65 na minus 108 °C, aby se zabránilo jeho přeměně na led II. Led IX zůstává stabilní při teplotách pod 133 °C a tlacích od 2 000 do 4 000 atm. Jeho hustota a struktura je stejná III mysli, ale na rozdíl od ledu III ve struktuře ledu IX v uspořádání protonů je řád.
Ohřívání ledem IX nevrátí to k originálu III modifikace, ale mění se v led II. Rozměry buňky: a=b = 6,69, c = 6,71 Á při minus 108 °C a 2800 atm.

Mimochodem, román spisovatele sci-fi Kurta Vonneguta (Kurt Vonnegut) 1963 „Kočičí kolébka“ je postavena na látce zvané led-devět, která je popisována jako uměle získaný materiál, který představuje velké nebezpečí pro život, protože voda při kontaktu s to, mění se v led-devět. Vniknutí byť malého množství této látky do přírodní vodní plochy s výhledem na světový oceán hrozí zamrznutím veškeré vody na planetě, což ve svém důsledku znamená smrt veškerého života. Nakonec se to tak všechno stane.

Led IV je metastabilní (slabě stabilní) trigonální formace krystalové mřížky. Jeho existence je možná ve fázovém prostoru ledu III, PROTI A VI modifikace. dostat led IV možné z amorfního ledu vysoká hustota, pomalým zahříváním, počínaje od minus 130 °C při konstantním tlaku 8 000 atm.
Velikost elementární romboedrické buňky je 7,60 Å, úhly α=β=γ = 70,1°. Buňka obsahuje 16 molekul; vodíkové vazby mezi molekulami jsou asymetrické. Při tlaku 1 atm a teplotě minus 163 °C je hustota ledu IV 1,27 g/cm³. Úhel vazby O–O–O: 88–128°.

Podobně IV druh vytvořeného ledu a led XII– zahřátím amorfní modifikace s vysokou hustotou (více o tom níže) z minus 196 na minus 90 °C při stejném tlaku 8 000 atm, ale vyšší rychlostí.
Led XII také metastabilní v oblasti fáze PROTI A VI krystalické typy. Je to druh tetragonální syngonie.
Základní buňka obsahuje 12 molekul, které se díky vodíkovým můstkům s úhly 84–135° nacházejí v krystalové mřížce a tvoří dvojitou pravotočivou šroubovici. Buňka má rozměry: a=b = 8,27, c = 4,02 Á; úhly α=β=γ = 90º. Hustota Led XII je 1,30 g/cm³ při normálním atmosférickém tlaku a teplotě minus 146°C. Úhly vodíkové vazby: 67–132°.

Z dosud objevených modifikací vodního ledu má led nejsložitější krystalovou strukturu. PROTI. 28 molekul tvoří jeho základní buňku; vodíkové vazby procházejí mezerami v jiných molekulárních sloučeninách a některé molekuly tvoří vazby pouze s určitými sloučeninami. Úhel vodíkových vazeb mezi sousedními molekulami se velmi liší - od 86 do 132 °, tedy v krystalové mřížce ledu PROTI je tam silné napětí a obrovský přísun energie.
Parametry článku za podmínek normálního atmosférického tlaku a teploty mínus 175 °С: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Á; a=p = 90°, y = 109,2°.
Led PROTI- Jedná se o jednoklonnou odrůdu, která vzniká ochlazením vody na minus 20 °C při tlaku asi 5000 atm. Hustota krystalové mřížky je při zohlednění tlaku 3500 atm 1,24 g/cm³.
Prostorový diagram krystalové mřížky ledu PROTI zobrazený typ ilustrace 18. Oblast elementární buňky krystalu je označena šedou konturou.

Uspořádané uspořádání protonů ve struktuře ledu PROTI dělá to jiný druh zvaný led XIII. Tuto monoklinickou modifikaci lze získat ochlazením vody pod -143°C s přídavkem kyseliny chlorovodíkové(HCl) pro usnadnění fázového přechodu vytvořením tlaku 5 000 atm. Reverzibilní přechod z XIII typ k PROTI typ je možný v rozsahu teplot od minus 193°С do minus 153°С.
Rozměry jednotkové buňky ledu XIII mírně odlišné od PROTI modifikace: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Á; a=p = 90°, y= 109,7° (při 1 atm, mínus 193°С). Počet molekul v buňce je stejný - 28. Úhel vodíkových vazeb: 82–135°.

V další části našeho článku budeme pokračovat v revizi úprav vodního ledu.

Uvidíme se na stránkách našeho blogu!

Můžete se také podívat na další články:

Ledové kompozice v podobě vánočních stromků

Novoroční ledové kompozice

Ledový sochařský komplex „Dvanáct...

Dvojité ledové skluzavky

ledové květy

Logo "SNGP" vyrobené z ledu

Pozvánka na slavnost Zjevení Páně...

Stroje na výrobu ledu

Budovy z ledu

Ledová výzdoba nákupního centra Capitol

lední medvěd

Ledové sousoší "Tři hrdinové"

Chivas Regal Ice Bar

Ledový bar v muzejní dílně Z. Tsereta...

Cesta života

Kirsten Stewart na ledě.

Ledový hrad v Minnesotě

zmrzlé bubliny

Buffalo ledové bludiště

lední módní přehlídka

Lední medvědi se válejí po ledu

Ledová socha - Anděl

Racek chycený v ledu

Pod nulou. ledový ninja