Умопомрачительная структура льда
Умопомрачительная структура льда
С возрастом температура Земли снижалась. На определенном шаге эволюции Земли, температура воды была на 10-15°C выше теперешней. А когда температура снизилась до 3,8 °C, сначала леденела тяжёлая вода. Это значит, что лед поначалу встраивает в свою кристаллическую решётку атомы дейтерия (Д-р Игнатов, 2010). При всем этом природный лёд обычно существенно чище, чем вода, потому что при кристаллизации воды в кристаллическую решётку встраиваются молекулы воды, а примеси вытесняются в жидкость. Возрастающий кристалл льда, тем, всегда стремится сделать безупречную кристаллическую решетку и теснит посторонние вещества. В планетарном масштабе конкретно превосходный парадокс замерзания и таяния воды играет роль огромного очищающего процесса — вода на Земле повсевременно очищает сама себя.
Кристаллическая структура льда припоминает структуру алмаза: любая молекула Н2O окружена 4-мя наиблежайшими к ней молекулами, участвующих в формировании водородной связи и находящимися на схожих расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в верхушках правильного тетраэдра под углами, равными 109°28′ (рис. 34). В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что оказывает влияние на его невысокую плотность. Природный лёд обычно существенно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (не считая NH4F) во льде очень низкая. При плавлении льда его кристаллическая структура отчасти сохраняется в водянистой воде.
Рис. 34. Структура льда.
В текущее время понятно 14 кристаллических модификаций воды, самая распространённая из которых – природный лёд I, имеет гексагональную структуру. Посреди модификаций льда есть кристаллические и бесформенные модификации, отличающиеся друг от друга обоюдным расположением молекул воды и качествами. Большая часть из их образуются при очень низких температурах от –150 0С до –170 0С и больших давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды искажаются и образуются системы, хорошие от гексагональной. Такие условия приближены к галлактическим и не встречаются на Земле (Таблица).
Таблица. Некие данные о структурах модификаций льда
Модифи
кация
Сингония
Фёдоровская группа
Длины водородных связей,
Углы О—О—О в тетраэдрах
I
Ic
II
III
V
VI
VII
VIII
IX
Гексагональная
Кубическая
Тригональная
Тетрагональная
Моноклинная
Тетрагональная
Кубическая
Кубическая
Тетрагональная
P63/mmc
F43m
R3
P41212
A2/a
P42/nmc
Im3m
Im3m
P41212
2,76
2,76
2,75—2,84
2,76—2,8
2,76—2,87
2,79—2,82
2,86
2,86
2,76—2,8
109,5
109,5
80—128
87—141
84—135
76—128
109,5
109,5
87—141
Примечание. 1 A=10-10 м.
Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации, который распространён в природе в виде материкового, плавающего, подземного льда, также в виде снега, инея и т.д. В отличие от природного льда льды II, III и V-й модификации могут существовать при очень низких температурах до —170°С. При нагревании до температуры —150°С появляется кубический лёд Ic. 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 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 переохлажденной воды в таком количестве, чтоб образовался эмбрион кристалла, тяжело. В лабораторных опытах 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.
Значение льда для формирования и функционирования жизни тяжело переоценить. Лёд оказывает огромное воздействие на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на различные виды хозяйственной деятельности человека. Вследствие наименьшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если б плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к смерти всех живых созданий в реках, озерах и океанах, которые промерзли бы полностью в толще льда, а Земля стала ледяной пустыней, что безизбежно привело бы к смерти всего живого на Земле.
Аналогично воде, кристалл льда способен хранить информацию. Группа ученых провела очень увлекательный опыт в Арктике. Было проведено зондирование во льду на глубине полкилометра. При всем этом отчётливо детектировались слои льда различных лет. Также был изготовлен изотопный анализ дейтерия и изотопов кислорода в составе Арктического льда. Согласно исследованиям, вода всегда успевала „уяснить” информацию соответственного года. Оказалось, что самыми прохладными были XV, конец XVII – го и начало XIX века. А самыми теплыми были 1550 и 1930 г.
Но самое необычное в структуре льда 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) (рис. 35). Вода в моделируемом опыте «помещалась» в нанотрубки поперечником от 1,35 до 1,90 нм. под высочайшим давлением, варьирующимися в различных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После чего задавали температуру, которая во всех опытах 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.
Рис. 35. Вид структуры воды в нанотрубках (изображение New Scientist)