Лёд из воды с сахаром (либо другим веществом)
Лёд из воды с сахаром (либо другим веществом)
Вопрос:
Хороший денек. Сможете мне разъяснить по структуре кристалла льда. К примеру при замерзании незапятанной воды, в узлах кристалл решетки находятся молекулы воды. А вот к примеру, если леденеет сладкая вода (вода в какой разбавлен сахар), то в узлах кристалл решетки кристалла находятся молекулы воды и молекулы сахара (заместо сахара, можно использовать хоть какое другое вещество растворяющееся в воде)? Павел Сергеевич, Черновцы
Ответ:
Здрасти, почетаемый Павел Сергеевич. На теоретическом уровне, большая часть молекул белков, жиров и углеводов по собственному строению достаточно совершенно подходят к структуре льда, вроде бы “вписываясь” в пустоты его кристаллической решетки. Но на практике всё происходит совсем по другому. Замерзая и превращаясь в лёд вода вроде бы изгоняет из возрастающего кристалла все примеси и чужеродные молекулы. Конкретно на этом принципе и основано очищение воды способом замораживания-оттаивания, когда в итоге выходит свободная от примесей талая вода.
По другому ведёт себя вода и в отношении молекул, форма которых не подходит в структуре льда: большие она, замерзая, разламывает, а маленькие изгоняет. Довольно вспомнить лед в Северном Ледовитом океане пресный, так как вода, замерзая, освобождается от солей.
Вы сможете без помощи других произвести в домашних критериях таковой обычный опыт: В стеклянный стакан с водой налейте малость чернил, акварельной краски либо чайной заварки. Укутайте его высшую часть слоем термоизоляции (шерстяной тканью), чтоб слой льда нарастал от дна стакана к поверхности воды, и поставки в морозильную камеру. На теоретическом уровне можно представить, что через несколько часов в стакане окажется кусочек окрашенного льда. Были даже советы эти цветные льдинки развешивать на уличных елках. Но разноцветного льда на практике, но, так получить не получится.
Ледяной цилиндрик, вынутый из стакана, будет смотреться очень интересно. В нижней его части, там, где начиналось замерзание воды, размещается полностью прозрачный лед. Верхняя же его часть окрашена, и еще более активно, чем сам раствор. Граница меж 2-мя областями бывает так резка, что кажется — это два совсем различных вещества. Если концентрация краски очень велика, на поверхности льда может даже остаться её раствор. Почему же лед «не желает» делаться цветным?
Кристалл стремится вырасти как можно более правильным — это «прибыльно» исходя из убеждений его внутренней энергии. А любые посторонние примеси – будь то молекулы либо атомы искажают форму решетки. Потому возрастающий кристалл теснит любые посторонние атомы и молекулы, стараясь строить безупречную решетку, пока это может быть. И только когда примесям деваться уже некуда, он начинает встраивать их в свою структуру либо оставляет в виде капсул с концентрированной жидкостью. Потому морской лед пресный, а даже самые грязные лужи покрываются прозрачным и незапятнанным льдом.
На Дону и Кубани, где давно выращивали виноград и делали сухие вина, зимой готовят прочные напитки — «выморозки». Для этого продукт естественного брожения — вино крепостью 10-12 градусов — выставляют на мороз. В растворе сначала леденеет вода, и остается более концентрированный раствор спирта. Его сливают и повторяют операцию до того времени, пока не добьются подходящей крепости. Чем выше концентрация спирта в растворе, тем ниже температура его замерзания.
Водопроводная вода содержит приблизительно 100 частей примесей на миллион частей воды (в главном это хлор, растворенный для дезинфекции, поваренная соль, которая есть всюду, и твердые наночастицы). Дистилляцией в обыденных лабораторных критериях их количество несложно снизить раз в 100, получив воду с чистотой 99,9999%. Если же сосуд с этой водой медлительно охлаждать с одной стороны, получится лед с чистотой уже до 6 девяток после запятой. В нем отыщется только одна частичка примеси на 100 миллионов частиц воды.
В минералогических коллекциях часто можно созидать, к примеру, прозрачные кристаллы корунда Al2O3, которые завершаются рубиновой «шапочкой». Это возрастающий кристалл «собрал» со всего объема примесь — ионы хрома Cr3+, которые превращают тусклый корунд в красноватый рубин.
Свойство возрастающего кристалла теснить примеси употребляют в технике для чистки материалов способом зонной плавки. Эталон проходит через кольцевую печь; в ней он плавится, а за ней кристаллизуется. Примеси безпрерывно перебегают из зоны кристаллизации в расплав и равномерно мигрируют повдоль эталона в его конец.
Но, оказывается, включить в кристаллическую решётку маленькие атомы, к примеру, великодушных газов – гелия, аргона, криптона, всё же может быть. И даже более того, структура неких льдов стабилизируется при включении атомов великодушных газов в его кристаллическую решётку. Но, получить такие экзотичные льды в обыденных природных критериях не может быть, зато может быть их получить, к примеру, в критериях космоса, при очень низких температурах и больших давлениях.
Вообщем, в природе существует 14 модификаций льда (более тщательно о структуре льда читайте на нашем веб-сайте). Но полностью может быть, что в дальнейшем будут открыты и другие его разновидности. Правда, все, не считая обычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии и обозначающегося как лёд I , образуются в критериях экзотичных — при очень низких температурах (порядка -110150 0С ) и больших давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды меняются и образуются системы, хорошие от гексагональной. Такие условия напоминают галлактические и не встречаются на Земле. К примеру, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на железной пластинке в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так именуемый кубический лед. Если температура чуток выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластинке формируется слой только плотного бесформенного льда.
Более изученным является лёд I-й природной модификации. Лёд встречается в природе в виде льда (материкового, плавающего, подземного и т.д.), также в виде снега, инея и т.д. Он распространён во всех областях обитания человека. Собираясь в множествах, снег и лед образуют особенные структуры с принципно другими, ежели у отдельных кристаллов либо снежинок, качествами. Ледники, ледяные покровы, нескончаемая мерзлота, сезонный снежный покров значительно оказывают влияние на климат огромных регионов и планетки в целом: скопившийся на полюсах Земли лёд способен вызывать долголетние колебания уровня Мирового океана. Лед имеет настолько огромное значение для нашей планетки и обитания на ней живых созданий, что ученые отвели для него необыкновенную среду — криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору.
Рис. Кристаллическая структура льда I
Природный лёд I обычно существенно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (не считая NH4F) во льде очень низкая. А вот лёд II напротив стабилизуется исключительно в присутствии следовых количеств газов; в чистом виде его никто не получал из-за его непостоянности. Если, к примеру, давление делают с помощью гелия, он обязательно растворится в замерзающей воде. Есть сведения, что аргон — другой инертный газ, применимый для использования в этой установке, — тоже способен давать со льдом твёрдые смеси. Но исследованием таких клатратных соединений льда с великодушными газами специально никто не занимался.
Разгадка структуры льда заключается в строении его молекулы. Кристаллы всех модификаций льда построены из молекул воды H2O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас. Молекулу воды можно упрощенно представить для себя в виде тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием). В её центре находится атом кислорода, в 2-ух верхушках — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся верхушки занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, потому их именуют неподеленными.
Любая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к верхушкам тетраэдра. При содействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы появляется водородная связь, наименее мощная, чем связь внутримолекулярная, но довольно могущественная, чтоб задерживать рядом примыкающие молекулы воды. Любая молекула может сразу создавать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28′, направленных к верхушкам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. При всем этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр верный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры приметно искажены. В структурах льда VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Этот невидимый каркас из водородных связей располагает молекулы в виде сетчатой сетки, по структуре напоминающей соты с полыми каналами. Если лед подогреть, сетчатая структура разрушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре воды, — потому вода тяжелее льда.
Лед, который появляется при атмосферном давлении и плавится при 0 °С, — самое обычное, но всё же до конца не понятное вещество. Почти все в его структуре и свойствах смотрится особенно. В узлах кристаллической решетки льда атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода занимают самые различные положения повдоль связей. Потому вероятны 6 эквивалентных ориентаций молекул воды относительно их соседей. Часть из их исключается, так как нахождение сразу 2 протонов на одной водородной связи маловероятно, но остаётся достаточная неопределённость в ориентации молекул воды.
Другая увлекательная разновидность льда – лёд II. Размещен лёд II на диаграмме состояния меж льдом III и льдом IX. Они различаются меж собой упорядочением протонов, кислородный же каркас у них схож: спирали из одних молекул воды, будто бы нанизанные на оси из других молекул воды. Когда же вероятности протона занять то или иное место равны, лёд будет неупорядоченным.
Рис. Диаграмма состояния кристаллических льдов
Лёд III и V-й модификации долгое время сохраняются при атмосферном давлении, если температура не превосходит —170°С. При нагревании примерно до —150°С лёд преобразуются в кубический лёд Ic.
При конденсации паров воды на более прохладной подложке появляется бесформенный лёд. Эта форма льда может самопроизвольно перебегать в гексагональный лёд, причём тем резвее, чем выше температура.
Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он появляется еще легче и в особенности стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода.
Кривая плавления льда V и VII изучена до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2). При всем этом давлении лёд VII плавится при температуре 400°С.
Лёд VIII является низкотемпературной упорядоченной формой льда VII.
Лёд IX — метастабильная фаза, возникающая при переохлаждении льда III и по существу представляющая собой его низкотемпературную форму.
Две самых последние модификации льда — XIII и XIV — открыли ученые из Оксфорда совершенно не так давно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было тяжело подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться совместно молекулам незапятанной переохлажденной воды в таком количестве, чтоб образовался эмбрион кристалла, тяжело. Этого удалось достигнуть при помощи катализатора — соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда создаваться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.
Но, все опыты с экзотичными льдами, обычно, связаны с их охлаждением до температур сухого льда, водянистого азота, а то и гелия, а также со сжатием до давления в тысячи атмосфер. Общее представление о результатах можно получить, смотря на рисунок выше, где показана диаграмма состояния кристаллических льдов.
Многие льды высочайшего давления можно сохранить и при нормальном давлении. Для этого их охлаждают в жидком азоте, а затем давление сбрасывают. Конкретно на таких закалённых льдах и были проведены главные исследования. Они показали, что их строение очень многообразно.
Структуру первого льда высочайшего давления, льда II, обусловили на заре исследовательских работ в этой области, когда появились 1-ые массивные приборы для рентгеноструктурного в 1964 году. Как оказалось, этот лёд состоит из полых колонок, образованных шестизвенными гофрированными циклами. Любая колонка окружена шестью такими же колонками, сдвинутыми друг относительно друга на треть периода. Структуру этого льда можно получить, если часть сот льда Ih развалить и превратить их в ажурные каркасы, связывающие другие соты. При этом размер получившихся шестигранных каналов очень увеличивается — конкретно у льда II самые широкие каналы, их диаметр составляет 3 A. В таких каналах могут размещаться атомы гелия, неона и даже молекулы водорода.
Рис. Структура льда II
Включить атомы великодушного газа, к примеру, гелия в кристаллическую структуру льда II можно 2-мя методами. Во-1-х, приложить (в атмосфере гелия) к воде давление в 0,28–0,5 ГПа и охладить её до 250–270К. Хотя в этой области диаграммы размеренны льды III и V, получится гидрат на основе льда II. Что интересно, протоны в нём уже упорядочены. (Обычно они упорядочиваются только при сильном охлаждении уже получившегося льда.)
Во-2-х, можно растворить гелий во льду Ih при низкой температуре и давлении 0,3 ГПа. Возникновение гелия приводит к расширению кристаллической решётки, и затем её нагрев до 180К помогает пройти структурному превращению.
Относительная лёгкость получения твёрдых смесей в льду II, а также его высочайший потенциал в качестве хранилища газообразного водорода (одна молекула газа на шесть молекул воды) завлекают к нему внимание учёных-практиков: на данный момент интенсивно дискуссируется возможность его внедрения в водородной энергетике.
Но самое необычное в структуре экзотичных льдов состоит в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и больших давлениях снутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Это было подтверждено компьютерными тестами американских учёных под управлением Сяо Чэн Цзэна в Институте штата Небраска (США).
Вода в моделируемом опыте «помещалась» в нанотрубки под высочайшим давлением, варьирующимися в различных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После чего задавали температуру, которая во всех пусках имела значение -23°C. Припас по сопоставлению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с увеличением давления температура плавления водяного льда снижается. Поперечник нанотрубок составлял от 1,35 до 1,90 нм.
Рис. Вид структуры воды (изображение New Scientist)
Молекулы воды связываются меж собой средством водородных связей, расстояние меж атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а меж 2-мя водородами — 150 пм. В твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании 2-ух водородных связей с примыкающими молекулами воды. При всем этом отдельные молекулы H2O соприкасаются вместе разноимёнными полюсами. Таким макаром, образуются слои, в каких любая молекула связана с 3-мя молекулами собственного слоя и одной из примыкающего. В итоге, кристаллическая структура льда состоит из шестигранных «трубок» соединенных меж собой, как пчелиные соты.
Рис. Внутренняя стена структуры воды (изображение New Scientist)
Учёные ждали узреть, что вода во всех случаях образует узкую трубчатую структуру. Но, модель показала, что при поперечнике трубки в 1,35 нм и давлении в 40000 атмосфер водородные связи скривились, приведя к образованию спирали с двойной стеной. Внутренняя стена этой структуры является скрученной в четыре спиралью, а наружняя состоит из четырёх двойных спиралей, схожих на структуру молекулы ДНК.
Последний факт накладывает отпечаток не только лишь на эволюцию наших представлений о воде, да и эволюцию ранешней жизни и самой молекулы ДНК. Если представить, что в эру зарождения жизни криолитные глинистые породы имели форму нанотрубок, появляется вопрос — не могла ли вода, сорбированная в их служить структурной основой (матрицей) для синтеза ДНК и считывания инфы? Может быть, потому спиральная структура ДНК повторяет спиральную структуру воды в нанотрубках. Как докладывает журнальчик New Scientist, сейчас нашим забугорным сотрудникам предстоит подтвердить существование таких макромолекул воды в реальных экспериментальных критериях с внедрением инфракрасной спектроскопии и спектроскопии нейтронного рассеяния.
С почтением,
к.х.н. О.В. Мосин