Teist tüüpi kristallid on kõigile teada. Peaaegu pool aastat (ja polaaraladel ja aastaringselt) katavad need kristallid Maa tohutuid avarusi, lebavad mägede tippudel ja libisevad neist alla nagu liustikud, hõljuvad jäämägedena ookeanides. Need on külmunud vee kristallid, see tähendab jää ja lumi.
Iga jääkristall, iga lumehelves on habras ja väike. Tihti öeldakse, et lund langeb nagu kohevust. Kuid isegi see võrdlus, võib öelda, on liiga "raske": on ju iga lumehelves kümmekond korda kergem kui kohev. Kümme tuhat lumehelvest kaaluvad sama palju kui üks senti. Kuid suurtes kogustes kombineerituna võivad lumekristallid näiteks rongi peatada, moodustades raudtee rööbastele lumehange; nad võivad isegi kive liigutada ja purustada, nagu seda teevad laviinid ja liustikud.
Lumehelveste kuuekiirguse tähed on lõputult mitmekesised.
Puudutage sõrmega lumehelvest ja see sulab koheselt teie käesoojusest. Laske lumehelves mantli varrukast maha - te muidugi ei kuule, kuidas see kukkus ja võib-olla isegi purunes. Aga kuulake oma jalge all värskelt sadanud lume kriuksumist. Mis see skript on? See lõhub ja purustab miljoneid lumekristalle. Selge ilmaga lumi virvendab ja sädeleb, "mängib" päikese käes. Nagu miljonitest pisikestest peeglitest, peegelduvad valguskiired lumekristallide lamedalt servadelt.
Tõenäoliselt olete rohkem kui korra imetlenud üksikuid lumekristalle – lumehelbeid.
"Esimene lumi vilgub, loksub, langeb nagu tähed kaldal"
A. S. Puškin räägib lumest. Tõepoolest, kõik lumehelbed on kuue kiirgusega tähed või mõnikord kuuepoolsed plaadid.
Fotod lumehelvestest Bentley atlasest.
Lumehelvestel on kõige lihtsam veenduda, et kristallid on tavaliselt korrapärase ja sümmeetrilise kujuga. Lumehelbe kujundeid on lõputult. Üks loodusteadlane on lumehelbeid mikroskoobi all pildistanud üle viiekümne aasta. Ta koostas atlase mitmest tuhandest lumehelveste fotost ja kõik need lumehelbed on erinevad, sealt ei leia ainsatki paari samasuguseid. Kuid sellegipoolest võib kindlalt väita, et selles atlases ei ole kogutud kõiki lumehelbevorme; saate neid fotosid teha veel tuhandeid ja ikkagi ei ammenda lumekristallide tohutut mitmekesisust.
Huvitav on võrrelda tänapäevaseid lumehelveste fotosid Olaf Magnuse vanast rootsikeelsest raamatust "Põhjarahvaste ajalugu" võetud joonistusega. Siin on selged tõendid selle kohta, et inimesed on pikka aega märganud lumehelveste hämmastavaid kujundeid. Aga kui naiivsed on need nelisada aastat vanad joonistused ja kui vähe meenutavad need tõelisi lumekristallide mustreid!
Lumehelveste joonised Olaf Magnuse 1555. aastal ilmunud põhjarahvaste ajaloost.
Jõe jääkate, liustiku või jäämäe mass ei ole sugugi üks suur kristall. Tihe jäämass on tavaliselt polükristalliline, st koosneb paljudest üksikutest kristallidest; te ei näe neid alati, sest nad on väikesed ja kõik koos kasvanud. Mõnikord võib neid kristalle näha sulavas jääs, näiteks kevadel jõel. Siis on selge, et jää koosneb justkui kokku sulanud "pliiatsidest" ja kõik "pliiatsid" on üksteisega paralleelsed ja seisavad risti veepinnaga; need "pliiatsid" on üksikud jääkristallid.
Jää mikroskoobi all. Nendes kohtades, kus sulamine algas, on näha sulanud kuusnurksete kristallide piirjooned ja väikseimad veemullid.
On teada, kui ohtlikud on kevad- või sügiskülmad taimedele. Kui mulla- ja õhutemperatuur langeb alla nulli, külmuvad aluspinnase vesi ja taimemahlad, moodustades jääkristallidest nõelad. Need teravad nõelad rebivad taimede õrnaid kudesid, lehed tõmbuvad kokku ja lähevad mustaks, juured hävivad.
Pärast hommikusi pakaselisi öid metsas ja põllul võib sageli jälgida, kuidas maapinnal kasvab “jäärohi”. Iga sellise muru vars on läbipaistev kuusnurkne või kolmnurkne jääkristall. Jäänõelad ulatuvad 1–2 sentimeetrini ja mõnikord ulatuvad 10–12 sentimeetrini. Muudel juhtudel on maapind kaetud jääplaatidega, lamades või seistes püsti. Maa seest välja kasvades tõstavad need jääkristallid pähe liiva, veerisid, kuni 50-100 grammi kaaluvaid veerisid. Jäätükid lükatakse isegi maa seest välja ja kannavad väikseid taimi üles. Mõnikord ümbritseb taime jääkoorik ja juur paistab läbi jää. Juhtub ka seda, et jäänõelte hari tõstab üles raske kivi, mida üks kristall liigutada ei suuda. Kristall "jäämuru" sädeleb ja põleb sillerdava säraga, kuid niipea, kui päikesekiired soojenevad, painduvad kristallid päikese poole, langevad ja sulavad kiiresti.
Külastage metsa pakasesel kevad- või sügispäeval varahommikul, kui päike pole veel jõudnud öökülma jälgi hävitada. Puud ja põõsad on kaetud härmatisega. Okste küljes rippusid jäätilgad. Vaata tähelepanelikult, jäätilkade sees on näha õhukeste kuusnurksete nõelte kimpu – jääkristalle. Härmatisega kaetud lehed mõjuvad nagu harjad: nagu harjased, seisavad nende peal läikivad kuusnurksed jääkristallide sambad. Metsa kaunistab vapustav kristallide rikkus, kristallmuster.
Juhime teie tähelepanu fotodele loodusliku vee ja akveduktide vee kristallidest suurimad linnad rahu.
looduslik vesi
Jõgede, ojade ja liustike veest moodustuvad hästi vormitud juveelilaadsed kristallid.
Kristall särab nagu päike. Seda kevadet toidavad Yatsugatake tippude sulaveed, mis on looduse ilu kehastus.
Vasakpoolse kristalli moodustab Chuzendei järve kaldal asuva allika vesi. Vee kloorimine kohalike võimude nõudmisel on toonud kaasa selle omaduste olulise muutuse, nagu on näha parempoolsel fotol.
Itaaliast pärit Fontana di Trevi kristall on ainulaadne ja meenutab münte, mida turistid purskkaevu viskavad.
Teemantiderikka Tasmaania allikavesi toodab kristalle, mis näevad välja nagu väikesed teemandid. Ka ökoloogiliselt puhta Uus-Meremaa põhjavesi moodustab väga ilusaid kristalle.
Lõunapoolusel olid tuhandeaastased lumed pakitud tahkeks massiks. Selle vee kristall näeb samuti väga kõva välja. Mõlema proovi vesi saadi lume ja jää pinnakihtidest, seega pole see täiesti puutumatu.
Need on Šveitsis kogutud vee kristallid.
Maailma linnade kraanivesiHangi kristallid kraaniveest on võimalik saada vaid väga vähestes maailma linnades. Kogu asi on ilmselt vee keemilises töötlemises.
Kristallid ei moodustu vee töötlemisel ainetega, mis kahjustavad selle loomulikku eluandvat jõudu.
Isegi Veneetsias, "linnas vee peal" ei saa kraanivesi kristalle toota. Šveitsi Berni vesi on selles mõttes palju parem.
Üllataval kombel moodustab mõne Ameerika linna vesi kauneid kristalle. Võib-olla on see vee kaitsmise meetmete tulemus.
Vancouveri vesi on moodustanud suhteliselt terviklikud kristallid, mis on tõenäoliselt tingitud Kaljumägedest pärineva rohke äravoolu tõttu. Sydney veest sai tekkida vaid mingi kõver "sõõrik".
Need on kahe linna kristallid Lõuna-Ameerika. Häid kristalle andis Argentina Buenos Airese vesi. Manaus asub Brasiilias, rikkaliku Amazonase jõe kaldal.
Huvitavad faktid vee kohta:
- Inimkeha keskmiselt 70% koosneb veest.
Üks vee suurimaid saladusi peitub lihtsas tõsiasjas, et selles hõljub jää. Kui mõni muu aine läheb vedelast tahkeks, suureneb selle tihedus ja aine muutub suhteliselt raskemaks.
Kui vesi käituks nagu kõik teised ained ja jää vajuks põhja, siis ei pruugi sind ja mind eksisteerida. Iga kord, kui temperatuur langes, muutus järvede ja ookeanide põhi tahkeks jääks ja kõik elusolendid surevad.
Veel on ainulaadne omadus lahustada teisi aineid ja neid välja pesta. Mõelge vaid, kui palju aineid võib vees lahustuda ja kui raske on taastada vee algne puhas olek.
Ühe teooria kohaselt on vesi maaväline päritolu ja see toodi meie planeedile kosmosest komeetidega.
Vedela vee kolmemõõtmelist olekut on raske uurida, kuid jääkristallide struktuuri analüüsides on palju teada saadud. Neli külgnevat vesinikuga interakteeruvat hapnikuaatomit hõivavad tetraeedri tipud (tetra = neli, eeder = tasapind). Sellise jääs oleva sideme purustamiseks kuluv keskmine energia on hinnanguliselt 23 kJ/mol -1.
Veemolekulide võime moodustada etteantud arvu vesinikahelaid ja ka kindlaksmääratud tugevus loob ebatavaliselt kõrge sulamistemperatuuri. Kui see sulab, hoiab seda kinni vedel vesi, mille struktuur on ebakorrapärane. Enamik vesiniksidemeid on moonutatud. Jää kristallvõre hävitamiseks vesiniksidemega on vaja suurt energiamassi soojuse kujul.
Jää välimuse tunnused (Ih)
Paljud elanikud mõtlevad, milline kristallvõre jääl on. Tuleb märkida, et enamiku ainete tihedus suureneb külmumisel, mil molekulide liikumised aeglustuvad ja tekivad tihedalt pakitud kristallid. Samuti suureneb vee tihedus, kui see jahtub maksimaalselt temperatuuril 4 °C (277 K). Seejärel, kui temperatuur langeb alla selle väärtuse, laieneb see.
See suurenemine on tingitud avatud, vesiniksidemega jääkristalli moodustumisest oma võre ja väiksema tihedusega, milles iga veemolekul on jäigalt seotud ülaltoodud elemendi ja nelja muu väärtusega, liikudes samal ajal piisavalt kiiresti, et omada rohkem massi. Kuna see toiming toimub, külmub vedelik ülalt alla. Sellel on olulised bioloogilised tulemused, mille tulemusena isoleerib tiigil olev jääkiht elusolendeid äärmusliku külma eest. Lisaks on selle vesiniku omadustega seotud veel kaks vee omadust: erisoojusmaht ja aurustumine.
Konstruktsioonide üksikasjalik kirjeldus
Esimene kriteerium on kogus, mis on vajalik 1 grammi aine temperatuuri tõstmiseks 1 °C võrra. Vee kraadide tõstmine nõuab suhteliselt palju soojust, sest iga molekul on seotud arvukate vesiniksidemetega, mis tuleb katkestada, et kineetiline energia suureneks. Muide, H 2 O rohkus kõigi suurte hulkraksete organismide rakkudes ja kudedes tähendab, et temperatuurikõikumised rakkude sees on viidud miinimumini. See omadus on kriitiline, kuna enamiku biokeemiliste reaktsioonide kiirus on tundlik.
Samuti oluliselt kõrgem kui paljudel teistel vedelikel. Selle keha gaasiks muutmiseks on vaja palju soojust, sest vesiniksidemed peavad katkema, et veemolekulid saaksid üksteisest lahti nihkuda ja määratud faasi siseneda. Muutuvad kehad on püsivad dipoolid ja võivad suhelda teiste sarnaste ühenditega ning nendega, mis ioniseerivad ja lahustuvad.
Muud ülalnimetatud ained võivad kokku puutuda ainult polaarsuse olemasolul. Just see ühend osaleb nende elementide struktuuris. Lisaks võib see joonduda nende elektrolüütidest moodustunud osakeste ümber, nii et veemolekulide negatiivsed hapnikuaatomid on orienteeritud katioonidele ning positiivsed ioonid ja vesinikuaatomid anioonidele.
Sisse moodustuvad reeglina molekulaarsed kristallvõred ja aatomid. See tähendab, et kui jood on konstrueeritud nii, et selles on I 2, siis tahkes süsinikdioksiidis, see tähendab kuivas jääs, asuvad CO 2 molekulid kristallvõre sõlmedes. Sarnaste ainetega suheldes on jääl ioonkristallvõre. Näiteks grafiit, millel on süsinikul põhinev aatomstruktuur, ei suuda seda muuta, nagu ka teemant.
Kui lauasoola kristall vees lahustub, on see, et polaarsed molekulid tõmbuvad kristallis olevate laetud elementide poole, mis viib selle pinnale sarnaste naatriumi ja kloriidi osakeste moodustumiseni, mille tulemusena need kehad nihkuvad. üksteisest ja see hakkab lahustuma. Siit võib täheldada, et jääl on ioonse sidemega kristallvõre. Iga lahustunud Na + tõmbab ligi mitme veemolekuli negatiivsed otsad, samas kui iga lahustunud Cl - tõmbab positiivseid otsi. Iga iooni ümbritsevat kesta nimetatakse põgenemissfääriks ja see sisaldab tavaliselt mitut lahustiosakeste kihti.
Muutujad või elementidega ümbritsetud ioon on väidetavalt sulfaaditud. Kui lahustiks on vesi, on sellised osakesed hüdreeritud. Seega kipuvad vedela keha elemendid solvateerima mis tahes polaarset molekuli. Kuivas jääs moodustab kristallvõre tüüp agregatsiooni olekus aatomsidemeid, mis on muutumatud. Teine asi on kristalne jää (külmunud vesi). Iooniline orgaanilised ühendid, nagu karboksülaas ja protoneeritud amiinid, peaksid olema hüdroksüül- ja karbonüülrühmades lahustuvad. Sellistes struktuurides sisalduvad osakesed liiguvad molekulide vahel ja nende polaarsed süsteemid moodustavad selle kehaga vesiniksidemeid.
Muidugi mõjutab viimaste näidatud rühmade arv molekulis selle lahustuvust, mis sõltub ka erinevate struktuuride reaktsioonist elemendis: näiteks ühe-, kahe- ja kolmesüsinikulised alkoholid segunevad veega, kuid suuremad. üksikute hüdroksüülühenditega süsivesinikud on vedelikes palju vähem lahjendatud.
Kuusnurkne Ih on kujult sarnane aatomi kristallvõrega. Jää ja kogu loodusliku lume puhul Maal näeb see välja täpselt selline. Sellest annab tunnistust veeaurust (st lumehelvestest) kasvanud jää kristallvõre sümmeetria. See on ruumirühmas P 63/mm alates 194; D 6h, Laue klass 6/mm; sarnane β-ga, millel on 6 spiraaltelje kordne (pöörlemine lisaks nihutamisele mööda seda). Sellel on üsna avatud madala tihedusega struktuur, mille efektiivsus on madal (~ 1/3) võrreldes lihtsa kuupkujulise (~ 1/2) või tahukeskse (~ 3/4) struktuuriga.
Võrreldes tavalise jääga on kuivjää kristallvõre, mis on seotud CO 2 molekulidega, staatiline ja muutub ainult aatomite lagunemisel.
Võrede ja nende koostiselementide kirjeldus
Kristalle võib pidada kristalseteks mudeliteks, mis koosnevad üksteise peale laotud lehtedest. Vesinikside on järjestatud, kuigi tegelikult on see juhuslik, kuna prootonid võivad liikuda vee (jää) molekulide vahel temperatuuril üle 5 K. Tõepoolest, on tõenäoline, et prootonid käituvad pidevas tunnelivoolus nagu kvantvedelik. Seda suurendab neutronite hajumine, mis näitab nende hajumise tihedust poolel teel hapnikuaatomite vahel, mis näitab lokaliseerimist ja koordineeritud liikumist. Siin on jää sarnasus aatomi, molekulaarse kristallvõrega.
Molekulidel on vesinikuahela astmeline paigutus nende kolme tasandi naabri suhtes. Neljandal elemendil on varjutatud vesiniksideme paigutus. Täiuslikust kuusnurksest sümmeetriast on väike kõrvalekalle, näiteks 0,3% lühem selle ahela suunas. Kõik molekulid kogevad sama molekulaarsed keskkonnad. Iga "kasti" sees on piisavalt ruumi interstitsiaalse vee osakeste hoidmiseks. Kuigi neid üldiselt ei peeta, on neid hiljuti tõhusalt tuvastatud jää pulbrilise kristallvõre neutronite difraktsiooni abil.
Ainete muutmine
Kuusnurksel kehal on kolmikpunktid vedela ja gaasilise veega 0,01 °C, 612 Pa, tahked elemendid - kolm -21,985 °C, 209,9 MPa, üksteist ja kaks -199,8 °C, 70 MPa ja -34,7 °C, 212,9 MPa. Kuusnurkse jää dielektriline konstant on 97,5.
Selle elemendi sulamiskõver on antud MPa. Olekuvõrrandid on saadaval, peale nende mõned lihtsad muutustega seotud võrratused füüsikalised omadused kuusnurkse jää ja selle vesisuspensioonide temperatuuriga. Kõvadus kõigub kraadides, mis tõusevad kipsist või allapoole (≤2) temperatuuril 0 °C päevakivini (6 temperatuuril -80 °C, absoluutse kõvaduse muutus ebanormaalselt suur (>24 korda).
Jää kuusnurkne kristallvõre moodustab kuusnurkseid plaate ja sambaid, mille ülemine ja alumine tahk on põhitasapinnad (0 0 0 1) entalpiaga 5,57 μJ cm -2 ja teisi samaväärseid külgpindu nimetatakse prisma osadeks. (1 0 -1 0) 5,94 μJ cm -2-ga. Piki konstruktsioonide külgede poolt moodustatud tasapindu saab moodustada sekundaarseid pindu (1 1 -2 0) 6,90 μJ ˣ cm -2.
Selline struktuur näitab soojusjuhtivuse anomaalset langust rõhu suurenemisel (nagu ka madala tihedusega kuup- ja amorfsel jääl), kuid erineb enamikust kristallidest. Selle põhjuseks on vesiniksideme muutus, mis vähendab jää ja vee kristallvõres heli põiksuunalist kiirust.
On meetodeid, mis kirjeldavad, kuidas valmistada suuri kristalliproove ja mis tahes soovitud jääpinda. Eeldatakse, et uuritava kuusnurkse keha pinnal olev vesinikside on järjestatum kui puistesüsteemi sees. Variatsioonispektroskoopia koos faasivõrega vibratsiooni sageduse genereerimisega näitas, et kuusnurkse jää põhipinna maa-aluses H O ahelas on kahe ülemise kihi (L1 ja L2) vahel struktuurne asümmeetria. Kuusnurkade ülemistes kihtides (L1 O ··· HO L2) vastuvõetud vesiniksidemed on tugevamad kui need, mis on aktsepteeritud ülemises akumulatsioonikihis (L1 OH ··· O L2). Saadaval on interaktiivsed kuusnurkse jää struktuurid.
Arendusfunktsioonid
Jäätuuma moodustamiseks vajalik minimaalne veemolekulide arv on ligikaudu 275 ± 25, nagu täieliku ikosaeedrilise klastri puhul 280. Moodustumine toimub koefitsiendiga 10 10 õhu-vee piirpinnal, mitte vees. Jääkristallide kasv sõltub erinevate energiate erinevast kasvukiirusest. Bioloogiliste proovide, toidu ja elundite külmsäilitamisel tuleb vett kaitsta külmumise eest.
Tavaliselt saavutatakse see kiired kiirused jahutamine, kasutades väikeseid proove ja krüokonservaatorit ning suurendades survet jää tuuma tekitamiseks ja rakukahjustuste vältimiseks. Jää/vedeliku vaba energia tõuseb ~30 mJ/m2 atmosfäärirõhul 40 mJ/m -2-ni 200 MPa juures, mis näitab põhjust, miks see efekt tekib.
Teise võimalusena võivad nad kiiremini kasvada prismapindadelt (S2), kiirkülmunud või ärevil järvede juhuslikult häiritud pinnal. Kasv tahkudest (1 1 -2 0) on vähemalt sama, kuid muudab need prisma alusteks. Andmed jääkristalli arengu kohta on täielikult uuritud. Erinevate nägude elementide suhtelised kasvukiirused sõltuvad suutlikkusest moodustada suurt liigesehüdratsiooni. Ümbritseva vee temperatuur (madal) määrab jääkristalli hargnemisastme. Osakeste kasvu piirab difusioonikiirus madalal ülejahutusastmel, st.<2 ° C, что приводит к большему их количеству.
Kuid seda piirab arengukineetika kõrgematel depressioonitasemetel> 4 ° C, mille tulemuseks on nõelalaadne kasv. See kuju sarnaneb kuiva jääga (on kuusnurkse struktuuriga kristallvõre), erinevad pinnaarengu omadused ja ümbritseva (ülejahutatud) vee temperatuur, mis on lumehelveste lamedate vormide taga.
Jää tekkimine atmosfääris mõjutab põhjalikult pilvede teket ja omadusi. Päevakivid, mida leidub kõrbetolmust, mis satub atmosfääri miljoneid tonne aastas, on olulised moodustajad. Arvutimodelleerimine on näidanud, et selle põhjuseks on prismaatiliste jääkristallide tasandite tuumastumine suure energiaga pinnatasanditel.
Mõned muud elemendid ja võred
Lahustuvad ained (välja arvatud väga väike heelium ja vesinik, mis võivad sattuda vahedesse) ei saa atmosfäärirõhul Ih-struktuuri kaasata, vaid need nihkuvad mikrokristallilise keha osakeste vahele pinnale või amorfsesse kihti. Kuivjää võrekohtades on veel mõned elemendid: kaotroopsed ioonid, nagu NH 4 + ja Cl - , mis osalevad vedeliku kergemas külmutamises kui teised kosmotroopsed, nagu Na + ja SO 4 2-, seega nende eemaldamine on võimatu, kuna need moodustavad ülejäänud vedelikust kristallide vahele õhukese kile. See võib viia pinna elektrilise laenguni pinnavee dissotsieerumise tõttu, mis tasakaalustab ülejäänud laenguid (mis võib samuti põhjustada magnetkiirgust) ja jääkvedelike kilede pH muutuse, näiteks NH 4 2 SO 4 muutub rohkem. happeline ja NaCl muutub aluselisemaks.
Need on risti jääkristallvõre külgedega, näidates kinnitatud järgmist kihti (koos O-mustade aatomitega). Neid iseloomustab aeglaselt kasvav basaalpind (0 0 0 1), kus kinnituvad ainult isoleeritud veemolekulid. Kiiresti kasvav (1 0 -1 0) prisma pind, kus äsja kinnitunud osakeste paarid saavad üksteisega vesinikuga sidet luua (üks vesinikside / kaks elemendi molekuli). Kõige kiiremini kasvav tahk (1 1 -2 0) (sekundaarne prismaatiline), kus äsja kinnitunud osakeste ahelad saavad üksteisega suhelda vesiniksideme kaudu. Üks selle ahela/elemendi molekulidest on vorm, mis moodustab servi, mis jagavad ja soodustavad muundumist prisma kaheks küljeks.
Nullpunkti entroopia
k Bˣ Ln ( N
Teadlased ja nende tööd selles valdkonnas
Võib defineerida kui S 0 = k Bˣ Ln ( N E0), kus k B on Boltzmanni konstant, N E on konfiguratsioonide arv energia E juures ja E0 on madalaim energia. See kuusnurkse jää entroopia väärtus nullkelvini juures ei riku termodünaamika kolmandat seadust "Ideaalse kristalli entroopia absoluutse nulli juures on täpselt null", kuna need elemendid ja osakesed ei ole ideaalsed, neil on korrastamata vesinikside.
Selles kehas on vesinikside juhuslik ja kiiresti muutuv. Need struktuurid ei ole energeetiliselt täpselt võrdsed, vaid ulatuvad väga suurele hulgale energeetiliselt lähedastele olekutele, alluvad "jääreeglitele". Nullpunkti entroopia on häire, mis säiliks isegi siis, kui materjali saaks jahutada absoluutne null(0K = -273,15 °C). Tekitab eksperimentaalse segaduse kuusnurkse jää puhul 3,41 (± 0,2) ˣ mol -1 ˣ K -1. Teoreetiliselt oleks võimalik teadaolevate jääkristallide nullentroopia arvutada palju suurema täpsusega (jättes tähelepanuta defektid ja energiataseme leviku), kui seda eksperimentaalselt määrata.
Kuigi puistejää prootonite järjestus ei ole järjestatud, eelistab pind tõenäoliselt nende osakeste järjekorda rippuvate H-aatomite ja O-üksikute paaride kujul (null-entroopia järjestatud vesiniksidemetega). Leitakse nullpunkti ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 jt häire. Kõigest eelnevast on selge ja arusaadav, mis tüüpi kristallvõred on jääle iseloomulikud.
Toome teie tähelepanu fotod loodusliku vee kristallidest ja veest maailma suurimate linnade veetorudest.
looduslik vesi
Jõgede, ojade ja liustike veest moodustuvad hästi vormitud juveelilaadsed kristallid.
Kristall särab nagu päike. Seda kevadet toidavad Yatsugatake tippude sulaveed, mis on looduse ilu kehastus.
Vasakpoolse kristalli moodustab Chuzendei järve kaldal asuva allika vesi. Vee kloorimine kohalike võimude nõudmisel on toonud kaasa selle omaduste olulise muutuse, nagu on näha parempoolsel fotol.
Itaaliast pärit Fontana di Trevi kristall on ainulaadne ja meenutab münte, mida turistid purskkaevu viskavad.
Teemantiderikka Tasmaania allikavesi toodab kristalle, mis näevad välja nagu väikesed teemandid. Ka ökoloogiliselt puhta Uus-Meremaa põhjavesi moodustab väga ilusaid kristalle.
Lõunapoolusel olid tuhandeaastased lumed pakitud tahkeks massiks. Selle vee kristall näeb samuti väga kõva välja. Mõlema proovi vesi saadi lume ja jää pinnakihtidest, seega pole see täiesti puutumatu.
Need on Šveitsis kogutud vee kristallid.
Maailma linnade kraanivesiHangi kristallid kraaniveest on võimalik saada vaid väga vähestes maailma linnades. Kogu asi on ilmselt vee keemilises töötlemises.
Kristallid ei moodustu vee töötlemisel ainetega, mis kahjustavad selle loomulikku eluandvat jõudu.
Isegi Veneetsias, "linnas vee peal" ei saa kraanivesi kristalle toota. Šveitsi Berni vesi on selles mõttes palju parem.
Üllataval kombel moodustab mõne Ameerika linna vesi kauneid kristalle. Võib-olla on see vee kaitsmise meetmete tulemus.
Vancouveri vesi on moodustanud suhteliselt terviklikud kristallid, mis on tõenäoliselt tingitud Kaljumägedest pärineva rohke äravoolu tõttu. Sydney veest sai tekkida vaid mingi kõver "sõõrik".
Need on kristallid kahest Lõuna-Ameerika linnast. Häid kristalle andis Argentina Buenos Airese vesi. Manaus asub Brasiilias, rikkaliku Amazonase jõe kaldal.
Huvitavad faktid vee kohta:
- Inimkeha koosneb keskmiselt 70% ulatuses veest.
Üks vee suurimaid saladusi peitub lihtsas tõsiasjas, et selles hõljub jää. Kui mõni muu aine läheb vedelast tahkeks, suureneb selle tihedus ja aine muutub suhteliselt raskemaks.
Kui vesi käituks nagu kõik teised ained ja jää vajuks põhja, siis ei pruugi sind ja mind eksisteerida. Iga kord, kui temperatuur langes, muutus järvede ja ookeanide põhi tahkeks jääks ja kõik elusolendid surevad.
Veel on ainulaadne omadus lahustada teisi aineid ja neid välja pesta. Mõelge vaid, kui palju aineid võib vees lahustuda ja kui raske on taastada vee algne puhas olek.
Ühe teooria kohaselt on vesi maaväline päritolu ja see toodi meie planeedile kosmosest komeetidega.
Ja siin saate juba teise kategooriasse minna. sõna all "jää" oleme harjunud mõistma vee tahke faasi olekut. Kuid peale selle külmuvad ka muud ained. Seega saab jääd eristada algaine keemilise koostise järgi, näiteks süsinikdioksiid, ammoniaak, metaanjää jt.
Kolmandaks on vesijää kristallvõred (modifikatsioonid), mille tekkimine on tingitud termodünaamilisest tegurist. Sellest me selles postituses veidi räägimegi.
Artiklis Jää peatusime sellel, kuidas vee struktuur muutub selle muutumisega ümber koondseisundid ja mõjutas kristallide struktuuri tavaline jää. Tänu veemolekuli enda sisemisele struktuurile ja vesiniksidemetele, mis ühendavad kõik molekulid korrastatud süsteemiks, tekib kuusnurkne (kuusnurkne) jääkristallvõre. Üksteisele kõige lähemal asuvad molekulid (üks keskne ja neli nurka) on paigutatud kolmnurkse püramiidi või tetraeedri kujul, mis on kuusnurkse kristalli modifikatsiooni aluseks ( haige.1).
Muideks, mõõdetakse aine väikseimate osakeste kaugust nanomeetrites (nm) või angströmides (nimetatud 19. sajandi Rootsi füüsiku Anders Jonas Angströmi järgi; tähistatud sümboliga Å). 1 Å = 0,1 nm = 10-10 m.
Tavalise jää selline kuusnurkne struktuur ulatub kogu selle mahuni. Seda on palja silmaga selgelt näha: talvel lumesaju ajal püüdke lumehelves riiete varrukale või kindale ja vaadake selle kuju lähemalt - see on kuuekiire või kuusnurkne. See on tüüpiline iga lumehelbe jaoks, kuid samal ajal ei korda ükski lumehelves kunagi teist (sellest lähemalt meie artiklis). Ja isegi suured jääkristallid oma välise kujuga vastavad sisemisele molekulaarstruktuurile ( haige.2).
Oleme juba öelnud, et aine, eriti vee üleminek ühest olekust teise toimub teatud tingimustel. Tavapärane jää tekib temperatuuril 0°C ja alla selle ning rõhul 1 atmosfäär (normaalväärtus). Järelikult on jää muude modifikatsioonide ilmnemiseks vajalik nende väärtuste muutmine ning enamasti madalate temperatuuride ja kõrge rõhu olemasolu, mille juures vesiniksidemete nurk muutub ja kogu kristallvõre rekonstrueeritakse. .
Iga jää modifikatsioon kuulub teatud süngooniasse – kristallide rühma, milles elementaarrakkudel on sama sümmeetria ja koordinaatsüsteem (XYZ-teljed). Kokku eristatakse seitset süngooniat. Kõigi nende omadused on esitatud lehel illustratsioonid 3-4. Ja just allpool on pilt kristallide peamistest vormidest ( haige.5)
Kõik jää modifikatsioonid, mis erinevad tavalisest jääst, saadi laboritingimustes. Esimesed jää polümorfsed struktuurid said teadlaste jõupingutustel tuntuks 20. sajandi alguses. Gustav Heinrich Tammann Ja Percy Bridgman (Percy Williams Bridgman). Bridgmani koostatud modifikatsiooniskeemi täiendati perioodiliselt. Varem saadutest tehti kindlaks uued modifikatsioonid. Hiljutised muudatused diagrammis on tehtud meie ajal. Seni on saadud kuusteist kristallilist jäätüüpi. Igal tüübil on oma nimi ja seda tähistatakse rooma numbriga.
Me ei süvene sellesse füüsilised omadused iga veejää molekulitüübi puhul, et teid, kallid lugejad, teaduslike üksikasjadega mitte tüüdata, märgime ära ainult peamised parameetrid.
Tavalist jääd nimetatakse jääks Ih (eesliide "h" tähendab kuusnurkset süngooniat). Peal illustratsioonid 7 on esitatud selle kristallstruktuur, mis koosneb kuusnurksetest sidemetest (heksameeridest), mis erinevad kuju poolest - üks kujul lamamistool(Inglise) tool-vorm), teine kujul vankrid (paadi vorm). Need heksameerid moodustavad kolmemõõtmelise sektsiooni – kaks "lamamistooli" on horisontaalselt üleval ja all ning kolm "vankrit" asetsevad vertikaalselt.
Ruumidiagramm näitab jää vesiniksidemete paigutuse järjekorda Ih, kuid tegelikult on ühendused ehitatud juhuslikult. Teadlased ei välista aga, et kuusnurkse jää pinnal on vesiniksidemed korrastatumad kui struktuuri sees.
Kuusnurkse jää elementaarrakk (s.o kristalli minimaalne ruumala, mille korduv taasesitamine kolmes mõõtmes moodustab kogu kristallvõre tervikuna) sisaldab 4 veemolekuli. Lahtri mõõtmed on 4,51Å mõlemal poolel a,b Ja 7,35Å küljel c (diagrammide küljel või teljel c on vertikaalne suund). Külgedevahelised nurgad, vaadatuna illustratsioon 4: α=β = 90°, γ = 120°. Külgnevate molekulide vaheline kaugus on 2,76Å.
Kuusnurksed jääkristallid moodustavad kuusnurkseid plaate ja sambaid; nende ülemine ja alumine külg on põhitasapinnad ja kuut identset külgpinda nimetatakse prismaatiliseks ( haige.10).
Selle kristalliseerumise alustamiseks vajalik minimaalne veemolekulide arv on umbes 275 (± 25). Suures osas toimub jää teke pigem õhuga külgneva veemassi pinnal, mitte selle sees. jämedad jääkristallid Ih moodustuvad aeglaselt c-telje suunas, näiteks seisvas vees kasvavad nad lamellidest vertikaalselt alla või tingimustes, kus kasv küljele on raskendatud. Peeneteraline jää, mis on tekkinud turbulentses vees või selle kiirel külmumisel, on kiirenenud, mis on suunatud prismalistest tahkudest. Ümbritseva vee temperatuur määrab jääkristallvõre hargnemisastme.
Vees lahustunud ainete osakesed, välja arvatud heeliumi- ja vesinikuaatomid, mille suurus võimaldab mahtuda struktuuri õõnsustesse, jäetakse normaalsel atmosfäärirõhul kristallvõrest välja, surudes välja kristalli pinnale või , nagu ka amorfse sordi puhul (sellest pikemalt artiklis hiljem), moodustades mikrokristallide vahel kihte. Vee järjestikuseid külmutamise-sulatamise tsükleid saab kasutada selle puhastamiseks lisanditest, näiteks gaasidest (degaseerimine).
Koos jääga Ih seal on ka jää ic (kuupsüsteem), aga looduses on seda tüüpi jää tekkimine aeg-ajalt võimalik vaid atmosfääri ülemistes kihtides. Kunstlik jää ic saadakse vee kiirkülmutamisel, mille jaoks aur kondenseeritakse jahutatud miinusest 80 miinusesse 110 °C metallpind normaalsel atmosfäärirõhul. Katse tulemusena kukuvad pinnale kuubikujulised või oktaeedrite kujul kristallid. Esimese modifikatsiooni kuupjää loomine tavalisest kuusnurksest jääst selle temperatuuri alandamisega ei toimi, kuid üleminek kuubikujuliselt kuusnurkseks on jää kuumutamisel võimalik. icüle miinuse 80°C.
Jää molekulaarstruktuuris ic vesiniksideme nurk on sama, mis tavaline jää Ih - 109,5°. Kuid kuusnurkne ring, mille moodustavad jäävõres olevad molekulid ic olemas ainult lamamistoolina.
Jää tihedus Ic on 0,92 g/cm³ rõhul 1 atm. Kuupkristalli ühikrakkul on 8 molekuli ja mõõtmed: a=b=c = 6,35 Å ja selle nurgad α=β=γ = 90°.
Märkusel. Head lugejad, selles artiklis kohtame korduvalt ühe või teise jäätüübi temperatuuri- ja rõhunäitajaid. Ja kui Celsiuse kraadides väljendatud temperatuuriväärtused on kõigile selged, võib rõhuväärtuste tajumine olla kellelegi keeruline. Füüsikas kasutatakse selle mõõtmiseks erinevaid ühikuid, kuid meie artiklis tähistame seda atmosfäärides (atm), väärtusi ümardades. Normaalne atmosfäärirõhk on 1 atm, mis võrdub 760 mmHg ehk veidi üle 1 baari ehk 0,1 MPa (megapaskal).
Nagu te aru saite, eriti jääga näitest ic, on jää kristalsete modifikatsioonide olemasolu võimalik termodünaamilise tasakaalu tingimustes, st. kui temperatuuri ja rõhu tasakaal, mis määrab mis tahes kristallilise jää olemasolu, on häiritud, kaob see tüüp, muutudes teiseks modifikatsiooniks. Nende termodünaamiliste väärtuste vahemik on erinev, iga liigi puhul on see erinev. Vaatleme teisi jäätüüpe, mitte rangelt nomenklatuuri järjekorras, vaid seoses nende struktuuriliste üleminekutega.
Jää II kuulub trigonaalsesse süngooniasse. See võib olla moodustatud kuusnurksest tüübist rõhul umbes 3000 atm ja temperatuuril umbes miinus 75 °C või muust modifikatsioonist ( jää V), rõhu järsu langusega temperatuuril miinus 35 °C. Olemasolu II jäätüüp on võimalik miinus 170°C ja rõhul 1 kuni 50 000 atm (või 5 gigapaskalit (GPa)). Teadlaste hinnangul võib sellise modifikatsiooniga jää tõenäoliselt kuuluda kaugete planeetide jäiste satelliitide hulka. Päikesesüsteem. Normaalne atmosfäärirõhk ja temperatuurid üle miinus 113°C loovad tingimused seda tüüpi jää üleminekuks tavaliseks kuusnurkseks jääks.
Peal illustratsioonid 13 näitab jää kristallvõre II. Nähtav silmapaistev omadus struktuurid on teatud tüüpi õõnsad kuusnurksed kanalid, mille moodustavad molekulaarsed sidemed. Elementaarrakk (illustratsioonil rombiga esile tõstetud ala) koosneb kahest kimbust, mis on üksteise suhtes nihkunud, suhteliselt öeldes "piki kõrgust". Selle tulemusena moodustub romboeedriline võresüsteem. Rakkude suurused a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Rakus on 12 molekuli. Molekulide vaheline sidenurk (О–О–О) varieerub 80–120°.
Kuumutamisel II modifikatsiooniga saad jääd III, ja vastupidi, jääjahutus III muudab selle jääks II. Samuti jää III See moodustub, kui veetemperatuuri alandatakse järk-järgult miinus 23 ° C-ni, suurendades rõhku 3000 atm-ni.
Nagu on näha faasidiagrammil ( haige. 6), termodünaamilised tingimused jää stabiilseks olekuks III, samuti veel üks modifikatsioon - jää V, on väikesed.
Jää III Ja V neil on neli kolmikpunkti ümbritsevate modifikatsioonidega (termodünaamilised väärtused, mille juures on võimalik erinevate aine olekute olemasolu). Siiski jää II, III Ja V modifikatsioonid võivad esineda normaalse atmosfäärirõhu ja temperatuuri miinus 170 °C tingimustes ning nende kuumutamine temperatuurini miinus 150 °C põhjustab jää teket ic.
Võrreldes teiste praegu teadaolevate kõrgsurve modifikatsioonidega, jää III on väikseima tihedusega - rõhul 3500 atm. see võrdub 1,16 g/cm³.
Jää III on kristalliseerunud vee tetragonaalne variant, kuid jäävõre enda struktuur III on rikkumisi. Kui tavaliselt on iga molekuli ümber 4 naabermolekuli, siis sel juhul on selle indikaatori väärtus 3,2 ja lisaks võib läheduses olla veel 2 või 3 molekuli, millel pole vesiniksidemeid.
Ruumilises konstruktsioonis moodustavad molekulid parempoolsed heliksid.
Ühikraku mõõtmed 12 molekuliga miinus 23 °C ja umbes 2800 atm juures: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ=90°. Vesiniksidemete nurk on vahemikus 87 kuni 141°.
Peal illustratsioonid 15 tinglikult esitatakse jää molekulaarstruktuuri ruumiline skeem III. Molekulid (punktid sinine värv), mis asuvad vaatajale lähemal, on näidatud suuremana ja vesiniksidemed (punased jooned) on vastavalt paksemad.
Ja nüüd, nagu öeldakse, kuumal tagaajamisel "hüppame" kohe pärast jää tulijatest üle III nomenklatuuri järjekorras, kristallide modifikatsioonid ja ütleme paar sõna jää kohta IX.
Seda tüüpi jää on tegelikult modifitseeritud jää. III, mida jahutatakse kiiresti miinus 65 kuni miinus 108 ° C, et vältida selle muutumist jääks II. Jää IX püsib stabiilsena temperatuuril alla 133°C ja rõhul 2000 kuni 4000 atm. Selle tihedus ja struktuur on identsed III meel, kuid erinevalt jääst III jää struktuuris IX prootonite paigutuses on kord.
Jääküte IX ei tagasta seda originaalile III modifikatsioonid, kuid muutub jääks II. Lahtri mõõtmed: a=b = 6,69, c = 6,71 Å miinus 108 °C ja 2800 atm juures.
Muideks, ulmekirjaniku Kurt Vonneguti romaan (Kurt Vonnegut) 1963 "Kassi häll" on üles ehitatud ainele nimega ice-nine, mida kirjeldatakse kui kunstlikult saadud materjali, mis kujutab endast suurt eluohtlikku, kuna vesi kristalliseerub kokkupuutel see muutub jää üheksaks. Kasvõi väikese koguse selle aine sattumine maailmaookeani vaadetega looduslikku veealale ähvardab külmutada kogu planeedi vee, mis omakorda tähendab kogu elu surma. Lõpuks see kõik juhtubki nii.
Jää IV on kristallvõre metastabiilne (nõrgalt stabiilne) trigonaalne moodustis. Selle olemasolu on võimalik jää faasiruumis III, V Ja VI modifikatsioonid. saa jääd IV võimalik amorfsest jääst kõrge tihedusega, kuumutades seda aeglaselt, alustades temperatuurist miinus 130 °C konstantsel rõhul 8000 atm.
Elementaarromboeedri raku suurus on 7,60 Å, nurgad α=β=γ = 70,1°. Rakk sisaldab 16 molekuli; vesiniksidemed molekulide vahel on asümmeetrilised. Rõhul 1 atm ja temperatuuril miinus 163 °C on jää IV tihedus 1,27 g/cm³. O–O–O sideme nurk: 88–128°.
Samamoodi IV tekkinud jää tüüp ja jää XII– kuumutades suure tihedusega amorfset modifikatsiooni (sellest lähemalt allpool) miinus 196-lt miinus 90 °C-le samal rõhul 8000 atm, kuid suurema kiirusega.
Jää XII samuti metastabiilne faasipiirkonnas V Ja VI kristalsed tüübid. See on omamoodi tetragonaalne süngoonia.
Ühikrakk sisaldab 12 molekuli, mis 84–135° nurkadega vesiniksidemete tõttu paiknevad kristallvõres, moodustades topelt parempoolse spiraali. Lahtri mõõtmed on: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; nurgad α=β=γ = 90º. Tihedus Jää XII on 1,30 g/cm³ normaalsel atmosfäärirõhul ja temperatuuril miinus 146°C. Vesiniksideme nurgad: 67–132°.
Praeguseks avastatud vesijää modifikatsioonidest on jääl kõige keerulisem kristallstruktuur. V. 28 molekuli moodustavad selle ühikraku; vesiniksidemed jooksevad läbi teiste molekulaarsete ühendite tühimike ja mõned molekulid moodustavad sidemeid ainult teatud ühenditega. Naabermolekulide vaheline vesiniksidemete nurk on väga erinev - 86 kuni 132 °, seega jää kristallvõres V on tugev pinge ja tohutu energiavaru.
Rakkude parameetrid normaalse atmosfäärirõhu ja temperatuuri tingimustes miinus 175°С: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2°.
Jää V- See on monokliiniline sort, mis moodustub vee jahutamisel temperatuurini miinus 20 ° C rõhul umbes 5000 atm. Kristallvõre tihedus, võttes arvesse rõhku 3500 atm, on 1,24 g/cm³.
Jää kristallvõre ruumidiagramm V tüüp näidatud illustratsioonid 18. Kristalli elementaarraku piirkond on tähistatud halli kontuuriga.
Prootonite järjestatud paigutus jää struktuuris V muudab selle teistsuguseks, mida nimetatakse jääks XIII. Seda monokliinilist modifikatsiooni saab saavutada, jahutades vett koos lisamisega alla miinus 143 °C vesinikkloriidhappest(HCl), et hõlbustada faasisiiret, luues rõhu 5000 atm. Pööratav üleminek alates XIII tüüp k V tüüp on võimalik temperatuurivahemikus miinus 193°С kuni miinus 153°С.
Jää ühiku raku mõõtmed XIII veidi erinev V modifikatsioonid: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (1 atm juures, miinus 193°С). Molekulide arv rakus on sama - 28. Vesiniksidemete nurk: 82–135°.
Artikli järgmises osas jätkame veejää modifikatsioonide ülevaatamist.
Kohtumiseni meie ajaveebi lehtedel!
Võite vaadata ka teisi artikleid:
Jääkompositsioonid jõulupuude kujul
Uusaasta jääkompositsioonid
Jääskulptuurikompleks "Kaksteist...
Topeltjää liumäed
jäälilled
Jääst tehtud logo "SNGP".
Kutse kolmekuningapäeva pühale...
Jäämasinad
Jääst ehitatud hooned
Kaubanduskeskuse Capitol jääkaunistus
jääkaru
Jääskulptuurirühm "Kolm kangelast"
Chivas Regal Ice Bar
Jääbaar Z. Tsereti muuseum-töökojas...
Elu tee
Kirsten Stewart jääl.
Jääloss Minnesotas
külmunud mullid
Pühvlijäälabürint
jää moeshow
Jääkarud veerevad jääl
Jääskulptuur – Ingel
Kajakas jäi jäässe
SubZero. jääninja
