Удивительная структура льда. Вода лед

Лёд из воды с сахаром (или другим веществом)

Вопрос:

Добрый день. Можете мне объяснить по структуре кристалла льда. Например при замерзании чистой воды, в узлах кристалл решетки находятся молекулы воды. А вот например, если замерзает сладкая вода (вода в которой разбавлен сахар), то в узлах кристалл решетки кристалла находятся молекулы воды и молекулы сахара (вместо сахара, можно использовать любое другое вещество растворяющееся в воде)? Павел Сергеевич, Черновцы

Ответ:

Здравствуйте, уважаемый Павел Сергеевич. Теоретически, большинство молекул белков, жиров и углеводов по своему строению довольно идеально подходят к структуре льда, как бы “вписываясь” в пустоты его кристаллической решетки. Но на практике всё происходит совершенно иначе. Замерзая и превращаясь в лёд вода как бы изгоняет из растущего кристалла все примеси и чужеродные молекулы. Именно на этом принципе и основано очищение воды методом замораживания-оттаивания, когда в результате получается свободная от примесей талая вода.

По другому ведёт себя вода и в отношении молекул, форма которых не подходит в структуре льда: крупные она, замерзая, ломает, а мелкие изгоняет. Достаточно вспомнить лед в Северном Ледовитом океане пресный, потому что вода, замерзая, освобождается от солей.

Вы можете самостоятельно произвести в домашних условиях такой простой эксперимент: В стеклянный стакан с водой налейте немного чернил, акварельной краски или чайной заварки. Укутайте его верхнюю часть слоем теплоизоляции (шерстяной тканью), чтобы слой льда нарастал от дна стакана к поверхности воды, и поставки в морозильную камеру. Теоретически можно предположить, что через несколько часов в стакане окажется кусок окрашенного льда. Были даже советы эти цветные льдинки развешивать на уличных елках. Но разноцветного льда на практике, однако, так получить не удастся.

Ледяной цилиндрик, вынутый из стакана, будет выглядеть очень любопытно. В нижней его части, там, где начиналось замерзание воды, располагается абсолютно прозрачный лед. Верхняя же его часть окрашена, и гораздо более интенсивно, чем сам раствор. Граница между двумя областями бывает настолько резка, что кажется - это два совершенно разных вещества. Если концентрация краски слишком велика, на поверхности льда может даже остаться её раствор. Почему же лед "не хочет" делаться цветным?

Кристалл стремится вырасти как можно более правильным - это "выгодно" с точки зрения его внутренней энергии. А любые посторонние примеси – будь то молекулы или атомы искажают форму решетки. Поэтому растущий кристалл вытесняет любые посторонние атомы и молекулы, стараясь строить идеальную решетку, пока это возможно. И только когда примесям деваться уже некуда, он начинает встраивать их в свою структуру или оставляет в виде капсул с концентрированной жидкостью. Поэтому морской лед пресный, а даже самые грязные лужи покрываются прозрачным и чистым льдом.

На Дону и Кубани, где издавна выращивали виноград и делали сухие вина, зимой готовят крепкие напитки - "выморозки". Для этого продукт естественного брожения - вино крепостью 10-12 градусов - выставляют на мороз. В растворе в первую очередь замерзает вода, и остается более концентрированный раствор спирта. Его сливают и повторяют операцию до тех пор, пока не добьются нужной крепости. Чем выше концентрация спирта в растворе, тем ниже температура его замерзания.

Водопроводная вода содержит примерно сто частей примесей на миллион частей воды (в основном это хлор, растворенный для дезинфекции, поваренная соль, которая есть везде, и твердые микрочастицы). Дистилляцией в обычных лабораторных условиях их количество нетрудно понизить раз в сто, получив воду с чистотой 99,9999%. Если же сосуд с этой водой медленно охлаждать с одной стороны, получится лед с чистотой уже до шести девяток после запятой. В нем отыщется только одна частица примеси на сто миллионов частиц воды.

В минералогических коллекциях нередко можно видеть, например, прозрачные кристаллы корунда Al2O3, которые заканчиваются рубиновой "шапочкой". Это растущий кристалл "собрал" со всего объема примесь - ионы хрома Cr3+, которые превращают бесцветный корунд в красный рубин.

Свойство растущего кристалла вытеснять примеси используют в технике для очистки материалов методом зонной плавки. Образец проходит сквозь кольцевую печь; в ней он плавится, а за ней кристаллизуется. Примеси непрерывно переходят из зоны кристаллизации в расплав и постепенно мигрируют вдоль образца в его конец.

Но, оказывается, включить в кристаллическую решётку небольшие атомы, например, благородных газов – гелия, аргона, криптона, всё же возможно. И даже более того, структура некоторых льдов стабилизируется при включении атомов благородных газов в его кристаллическую решётку. Однако, получить такие экзотические льды в обычных природных условиях не возможно, зато возможно их получить, например, в условиях космоса, при очень низких температурах и высоких давлениях.

Вообще, в природе существует 14 модификаций льда (более подробно о структуре льда читайте на нашем сайте). Но вполне возможно, что в будущем будут открыты и другие его разновидности. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии и обозначающегося как лёд I , образуются в условиях экзотических — при очень низких температурах (порядка -110150 0С ) и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.

Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации. Лёд встречается в природе в виде льда (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея и т.д. Он распространён во всех областях обитания человека. Собираясь в огромных количествах, снег и лед образуют особые структуры с принципиально иными, нежели у отдельных кристаллов или снежинок, свойствами. Ледники, ледяные покровы, вечная мерзлота, сезонный снежный покров существенно влияют на климат больших регионов и планеты в целом: скопившийся на полюсах Земли лёд способен вызывать многолетние колебания уровня Мирового океана. Лед имеет столь большое значение для нашей планеты и обитания на ней живых существ, что ученые отвели для него особую среду — криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору.

Рис. Кристаллическая структура льда I

Природный лёд I обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме Nh5F) во льде крайне низкая. А вот лёд II наоборот стабилизуется только в присутствии следовых количеств газов; в чистом виде его никто не получал из-за его нестабильности. Если, например, давление создают с помощью гелия, он обязательно растворится в замерзающей воде. Есть сведения, что аргон — другой инертный газ, пригодный для использования в этой установке, — тоже способен давать со льдом твёрдые растворы. Однако изучением таких клатратных соединений льда с благородными газами специально никто не занимался.

Разгадка структуры льда заключается в строении его молекулы. Кристаллы всех модификаций льда построены из молекул воды h3O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас. Молекулу воды можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием). В её центре находится атом кислорода, в двух вершинах — по атому водорода, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, поэтому их называют неподеленными.

Каждая молекула участвует в 4 таких связях, направленных к вершинам тетраэдра. При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28', направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. При этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры заметно 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 нагреть, сетчатая структура разрушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре жидкости, — поэтому вода тяжелее льда.

Лед, который образуется при атмосферном давлении и плавится при 0 °С, — самое привычное, но всё же до конца не понятное вещество. Многое в его структуре и свойствах выглядит необычно. В узлах кристаллической решетки льда атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода занимают самые разные положения вдоль связей. Поэтому возможны 6 эквивалентных ориентаций молекул воды относительно их соседей. Часть из них исключается, поскольку нахождение одновременно 2 протонов на одной водородной связи маловероятно, но остаётся достаточная неопределённость в ориентации молекул воды.

Другая интересная разновидность льда – лёд II. Расположен лёд II на диаграмме состояния между льдом III и льдом IX. Они различаются между собой упорядочением протонов, кислородный же каркас у них одинаков: спирали из одних молекул воды, как будто 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 длительное время сохраняются при атмосферном давлении, если температура не превышает —170°С. При нагревании приблизительно до —150°С лёд превращаются в кубический лёд Ic.

При конденсации паров воды на более холодной подложке образуется аморфный лёд. Эта форма льда может самопроизвольно переходить в гексагональный лёд, причём тем быстрее, чем выше температура.

Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он образуется гораздо легче и особенно стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода.

Кривая плавления льда V и VII исследована до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2). При 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 совсем недавно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться вместе молекулам чистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Этого удалось достичь с помощью катализатора — соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.

Однако, все эксперименты с экзотическими льдами, как правило, связаны с их охлаждением до температур сухого льда, жидкого азота, а то и гелия, а также со сжатием до давления в тысячи атмосфер. Общее представление о результатах можно получить, глядя на рисунок выше, где показана диаграмма состояния кристаллических льдов.

Многие льды высокого давления можно сохранить и при нормальном давлении. Для этого их охлаждают в жидком азоте, а затем давление сбрасывают. Именно на таких закалённых льдах и были проведены основные исследования. Они показали, что их строение весьма разнообразно.

Структуру первого льда высокого давления, льда II, определили на заре исследований в этой области, когда появились первые мощные приборы для рентгеноструктурного в 1964 году. Как оказалось, этот лёд состоит из полых колонок, образованных шестизвенными гофрированными циклами. Каждая 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 остальные соты. При этом размер получившихся шестигранных каналов сильно увеличивается — именно у льда II самые широкие каналы, их диаметр составляет 3 Å. В таких каналах могут располагаться атомы гелия, неона и даже молекулы водорода.

Рис. Структура льда II

Включить атомы благородного газа, например, гелия в кристаллическую структуру льда II можно двумя способами. Во-первых, приложить (в атмосфере гелия) к воде давление в 0,28–0,5 ГПа и охладить её до 250–270К. Хотя в этой области диаграммы стабильны 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-вторых, можно растворить гелий во льду Ih при низкой температуре и давлении 0,3 ГПа. Появление гелия приводит к расширению кристаллической решётки, и затем её нагрев до 180К помогает пройти структурному превращению.Относительная лёгкость получения твёрдых растворов в льду II, а также его высокий потенциал в качестве хранилища газообразного водорода (одна молекула газа на шесть молекул воды) привлекают к нему внимание учёных-практиков: сейчас активно обсуждается возможность его применения в водородной энергетике.

Но самое удивительное в структуре экзотических льдов заключается в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Это было доказано компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна в Университете штата Небраска (США).

Вода в моделируемом эксперименте "помещалась" в нанотрубки под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая во всех запусках имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается. Диаметр нанотрубок составлял от 1,35 до 1,90 нм.

Рис. Общий вид структуры воды (изображение New Scientist)

Молекулы воды связываются между собой посредством водородных связей, расстояние между атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а между двумя водородами - 150 пм. В твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. При этом отдельные молекулы h3O соприкасаются друг с другом разноимёнными полюсами. Таким образом, образуются слои, в которых каждая молекула связана с тремя молекулами своего слоя и одной из соседнего. В результате, кристаллическая структура льда состоит из шестигранных "трубок" соединенных между собой, как пчелиные соты.

Рис. Внутренняя стенка структуры воды (изображение New Scientist)

Учёные ожидали увидеть, что вода во всех случаях образует тонкую трубчатую структуру. Однако, модель показала, что при диаметре трубки в 1,35 нм и давлении в 40000 атмосфер водородные связи искривились, приведя к образованию спирали с двойной стенкой. Внутренняя стенка этой структуры является скрученной в четверо спиралью, а внешняя состоит из четырёх двойных спиралей, похожих на структуру молекулы ДНК.

Последний факт накладывает отпечаток не только на эволюцию наших представлений о воде, но и эволюцию ранней жизни и самой молекулы ДНК. Если предположить, что в эпоху зарождения жизни криолитные глинистые породы имели форму нанотрубок, возникает вопрос - не могла ли вода, сорбированная в них служить структурной основой (матрицей) для синтеза ДНК и считывания информации? Возможно, поэтому спиральная структура ДНК повторяет спиральную структуру воды в нанотрубках. Как сообщает журнал New Scientist, теперь нашим зарубежным коллегам предстоит подтвердить существование таких макромолекул воды в реальных экспериментальных условиях с использованием инфракрасной спектроскопии и спектроскопии нейтронного рассеяния.

С уважением,к.х.н. О.В. Мосин

www.o8ode.ru

Лед

Вода – удивительное вещество. В отличие от других аналогичных соединений она имеет много аномалий. К ним относятся необычно высокая температура кипения и теплота парообразования. Вода характеризуется высокой теплоемкостью, которая позволяет использовать ее в качестве теплоносителя в теплоэнергетических установках. В природе это свойство проявляется в смягчении климата вблизи больших водоемов. Необычно высокое поверхностное натяжение воды обусловило ее хорошую способность смачивать поверхности твердых тел и проявлять капиллярные свойства, т.е. способность подниматься вверх по порам и трещинам пород и материалов вопреки земному притяжению.

Весьма редкое свойство воды проявляется при ее превращении из жидкого состояния в твердое. Этот переход связан с увеличением объема, а следовательно, с уменьшением плотности.

Ученые доказали, что вода в твердом состоянии имеет ажурное строение с полостями и пустотами. При плавлении они заполняются молекулами воды, поэтому плотность жидкой воды оказывается выше плотности твердой. Поскольку лед легче воды, то он плавает на ней, а не опускается на дно. Это играет в природе очень важную роль. Если бы плотность льда была выше, чем воды, то, появившись на поверхности вследствие охлаждения воды холодным воздухом, он погружался бы на дно и в результате весь водоем должен был бы промерзнуть. Это катастрофически сказалось бы на жизни многих организмов водоемов.

Способность воды расширяться при замерзании приносит много хлопот в быту и технике. Практически каждый человек был свидетелем того, что замерзшая вода разрывает стеклянную емкость, будь то бутылка или графин. Гораздо большую неприятность доставляет промерзание водопровода, так как при этом почти неизбежным результатом являются лопнувшие трубы. По этой же причине в предстоящую морозную ночь вода сливается из радиаторов охлаждения автомобильных двигателей.

Поскольку вода при замерзании увеличивается в объеме, то в соответствии с принципом Ле Шателье увеличение давления должно приводить к плавлению льда. Действительно, это наблюдается на практике. Хорошее скольжение коньков на льду обусловливается именно этим обстоятельством. Площадь лезвия конька невелика, поэтому давление на единицу площади большое и лед под коньком подплавляется.

Интересно, что если над водой создать высокое давление и затем ее охладить до замерзания, то образующийся лед в условиях повышенного давления плавится не при 0°C, а при более высокой температуре.

Так, лед, полученный при замерзании воды, который находится под давлением 20000 атм, в обычных условиях плавится только при 80°C.

Еще одна аномалия жидкой воды связана с неравномерным изменением ее плотности при изменении температуры. Уже давно установлено, что наибольшей плотностью вода обладает при температуре +4°C. При охлаждении воды в водоеме более тяжелые поверхностные слои тонут, в результате чего происходит хорошее перемешивание теплой и более легкой глубинной воды с поверхностной. Погружение поверхностных слоев происходит лишь до тех пор, пока вода в водоеме охлаждается до +4°C. После этого порога плотность более холодных поверхностных слоев не увеличивается, а уменьшается и они плавают на поверхности не погружаясь. При охлаждении ниже 0°C эти поверхностные слои превращаются в лед.

Еще раз хотелось бы отметить, что чистая пресная вода – большая ценность и, к сожалению, ее природные ресурсы исчерпаемы. Воду нужно беречь и защищать от загрязнений, помня, что она – важная составная часть среды обитания человека. Подсчитано, что в нашей стране в водопроводной сети и ее арматуре за счет утечек в среднем теряется от 20 до 30% водопроводной воды. В некоторых странах разрабатываются водосберегающие технологии в бытовом водопользовании. Например, в Швеции сконструировано устройство и разработан способ удаления отходов в туалете с помощью сжатого воздуха и лишь небольшого количества воды. Созданы краны в умывальниках, которые автоматически отключают воду, когда человек отводит от него руки. Утечки воды иногда затапливают подвальные помещения и тем самым изменяют экологическую обстановку дома, района или даже города в целом. Массовое затопление подвалов в некоторых городах уже привело к появлению городских комаров – новой разновидности этих насекомых. Они размножаются не только летом, но и зимой и мигрируют по системам вентиляции, мусоропроводам, лестничным клеткам, создавая много неудобств жильцам таких домов.

Утечки вне домов на магистральных водопроводах приводят к снижению несущей способности грунтов, вызывают развитие оползней, создают подземные вымоины, что приводит к провалам грунта и иногда к разрушению зданий и сооружений. 

Кукушкин Ю.Н. Химия вокруг нас.

www.o8ode.ru

Вода, лёд, пар - Окружающий мир - Каталог статей

ВОДА, ЛЕД И ПАР, соответственно жидкое, твердое и газообразное состояния

   Историческая справка. Идея древних философов о том, что все в природе образуют четыре элемента (стихии): земля, воздух, огонь и вода, просуществовала вплоть до Средних веков. В 1781 Г.Кавендиш сообщил о получении им воды при сжигании водорода, но не оценил в полной мере важности своего открытия. Позже (1783) А.Лавуазье доказал, что вода вовсе не элемент, а соединение водорода и кислорода. Й.Берцелиус и П.Дюлонг (1819), а также Ж.Дюма и Ж.Стас (1842) установили весовой состав воды, пропуская водород через оксид меди, взятый в строго определенном количестве, и взвешивая образовавшиеся медь и воду. Исходя из этих данных, они определили отношение Н:О для воды. Кроме того, в 1820-х годах Ж.Гей-Люссак измерил объемы газообразных водорода и кислорода, которые при взаимодействии давали воду: они соотносились между собой как 2:1, что, как мы теперь знаем, отвечает формуле Н2О.

   Распространенность. Вода покрывает 3/4 поверхности Земли. Тело человека состоит из воды примерно на 70%, яйцо – на 74%, а некоторые овощи – это почти одна вода. Так, в арбузе ее 92%, в спелых томатах – 95%.

   Вода в природных резервуарах никогда не бывает однородной по составу: она проходит через горные породы, соприкасается с почвой и воздухом, а потому содержит растворенные газы и минеральные вещества. Более чистой является дистиллированная вода.

   Морская вода. Состав морской воды различается в разных регионах и зависит от притока пресных вод, скорости испарения, количества осадков, таяния айсбергов и т.д.

   Минеральная вода. Минеральная вода образуется при просачивании обычной воды сквозь породы, содержащие соединения железа, лития, серы и других элементов.

    ВОДА Физические свойства. Благодаря сильному притяжению между молекулами у воды высокие температуры плавления (0° С) и кипения (100° С). Толстый слой воды имеет голубой цвет, что обусловливается не только ее физическими свойствами, но и присутствием взвешенных частиц примесей. Вода горных рек зеленоватая из-за содержащихся в ней взвешенных частиц карбоната кальция. Давление паров. Если оставить воду в открытой емкости, то она постепенно испарится – все ее молекулы перейдут в воздух. В то же время вода, находящаяся в плотно закупоренном сосуде, испаряется лишь частично, т.е. при определенном давлении водяных паров между водой и воздухом, находящимся над ней, устанавливается равновесие. Испарение происходит даже с поверхности снега и льда, именно поэтому высыхает на морозе мокрое белье. Вязкость воды с ростом температуры быстро уменьшается и при 100° С оказывается в 8 раз меньше, чем при 0° С.

    Лед, твердая фаза воды. Толстый слой льда имеет голубоватый цвет, что связано с особенностями преломления им света. Лед при нормальном давлении существует только при температуре 0° С или ниже и обладает меньшей плотностью, чем холодная вода. Именно поэтому айсберги плавают в воде. При этом, лед всегда выступает из воды на определенную часть, а именно на 1/5 своего объема.

    ПАР Пар – газообразная фаза воды. Вопреки общепринятому мнению, он невидим. Тот «пар», который вырывается из кипящего чайника, – это на самом деле множество мельчайших капелек воды. Пар обладает свойствами, очень важными для поддержания жизни на Земле. Хорошо известно, например, что под действием солнечного тепла вода с поверхности морей и океанов испаряется. Образующиеся водяные пары поднимаются в атмосферу и конденсируются, а затем выпадают на землю в виде дождя и снега. Без такого круговорота воды наша планета давно превратилась бы в пустыню. Пар имеет множество применений. С одними мы хорошо знакомы, о других только слышали. Среди наиболее известных устройств и механизмов, работающих с применением пара, – утюги, паровозы, пароходы, паровые котлы. Пар вращает турбины генераторов на тепловых электростанциях.

bojcko.ucoz.ru

Удивительная структура льда

С годами температура Земли понижалась. На определенном этапе эволюции Земли, температура воды была на 10-15°C выше теперешней. А когда температура снизилась до  3,8 °C, в первую очередь замерзала тяжёлая вода. Это означает, что лед сначала встраивает в свою кристаллическую решётку атомы дейтерия (Д-р Игнатов, 2010). При этом природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в кристаллическую решётку встраиваются молекулы воды, а примеси вытесняются в жидкость. Растущий кристалл льда, тем самым, всегда стремится создать идеальную кристаллическую решетку и вытесняет посторонние вещества. В планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса - вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Кристаллическая структура льда напоминает структуру алмаза: каждая молекула Н2O окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, участвующих в формировании водородной связи и находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в вершинах правильного тетраэдра под углами, равными 109°28' (рис. 34). В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что влияет на его невысокую плотность. Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, т.к. растворимость веществ (кроме Nh5F) во льде крайне низкая. При плавлении льда его кристаллическая структура частично сохраняется в жидкой воде.          

Рис.  34. Структура льда.

В настоящее время известно 14 кристаллических модификаций воды, самая распространённая из которых – природный лёд I, имеет гексагональную структуру. Среди модификаций льда есть кристаллические и аморфные модификации, отличающиеся друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Большинство из них образуются при очень низких температурах от –150 0С до –170 0С и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды искажаются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия приближены к космическим и не встречаются на Земле (Таблица).

Таблица. Некоторые данные о структурах модификаций льда

Примечание. 1 A=10-10 м.

 Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации, который распространён в природе в виде материкового, плавающего, подземного льда, а 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 образуется кубический лёд Ic. Лёд IV-й модификации является метастабильной фазой льда. Он образуется гораздо легче и особенно стабилен, если давлению подвергается тяжёлая вода. Кривая плавления льда V и VII исследована до давления 20 Гн/м2 (200 тыс. кгс/см2). При 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 совсем недавно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться вместе молекулам переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. В лабораторных экспериментах этого удалось достичь с помощью катализатора — соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.

Значение льда для формирования и функционирования жизни трудно переоценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком в толще льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого на Земле.

Аналогично воде, кристалл льда способен хранить информацию. Группа ученых провела очень интересный эксперимент в Арктике. Было проведено зондирование во льду на глубине полкилометра. При этом отчётливо детектировались слои льда разных лет. Также был сделан изотопный анализ дейтерия и изотопов кислорода в составе Арктического льда. Согласно исследованиям, вода всегда успевала „запомнить” информацию соответствующего года. Оказалось, что самыми холодными были XV, конец XVII – го и начало XIX века. А самыми теплыми были 1550 и 1930 г.

Но самое удивительное в структуре льда заключается в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, похожей на ДНК. Это было доказано компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна в Университете штата Небраска (США) (рис. 35). Вода в моделируемом эксперименте "помещалась" в нанотрубки диаметром от 1,35 до 1,90 нм. под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая во всех экспериментах имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается.

Рис. 35. Общий вид структуры воды в нанотрубках (изображение New Scientist)

www.o8ode.ru

Смотрите также

• 
  Вода река
• 
  Вода погода
• 
  Фуллереновая вода
• 
  Транспирация воды
• 
  Солесодержание воды
• 
  Руна воды
• 
  Бактерицидная вода
• 
  Воды балластные
• 
  Балластные воды
• 
  Обитатели воды
• 
  Вода цветет