Тип ледена кристална решетка. Шестоъгълна тирания

В химически взаимодействия влизат не отделни атоми или молекули, а вещества.

Нашата задача е да се запознаем със структурата на материята.

При ниски температури веществата са в стабилно твърдо състояние.

☼ Най-твърдото вещество в природата е диамантът. Той се смята за краля на всички скъпоценни камъни. А самото му име означава „неразрушим“ на гръцки. На диамантите отдавна се гледа като на чудодейни камъни. Смятало се, че човек, който носи диаманти, не познава стомашни заболявания, не се влияе от отрова, запазва паметта и веселото си настроение до дълбока старост и се радва на кралско благоволение.

☼ Диамант, който е подложен на ювелирна обработка – шлифоване, полиране, се нарича диамант.

При топене в резултат на топлинни вибрации редът на частиците се нарушава, те стават подвижни, докато природата на химическата връзка не се нарушава. По този начин няма фундаментални разлики между твърди и течни състояния.

Течността придобива течливост (т.е. способността да приема формата на съд).

Течни кристали

Течните кристали са открити в края на 19 век, но са изследвани през последните 20-25 години. Много устройства за показване на съвременни технологии, например някои електронни часовници и мини-компютри, работят с течни кристали.

Като цяло думите „течни кристали“ звучат не по-малко необичайно от „горещ лед“. В действителност обаче ледът може да бъде и горещ, защото... при налягане над 10 000 атм. водният лед се топи при температури над 200 0 C. Необичайността на комбинацията „течни кристали“ е, че течното състояние показва подвижността на структурата, а кристалът предполага строга подредба.

Ако дадено вещество се състои от многоатомни молекули с удължена или ламеларна форма и с асиметрична структура, тогава когато се топи, тези молекули са ориентирани по определен начин една спрямо друга (дългите им оси са успоредни). В този случай молекулите могат да се движат свободно успоредно на себе си, т.е. системата придобива свойство на течливост, характерно за течност. В същото време системата запазва подредена структура, която определя свойствата, характерни за кристалите.

Високата мобилност на такава структура дава възможност да се контролира чрез много слаби влияния (термични, електрически и др.), Т.е. целенасочено променят свойствата на дадено вещество, включително оптични, с много малък разход на енергия, което се използва в съвременните технологии.

Видове кристални решетки

Всяко химическо вещество се образува от голям брой еднакви частици, които са свързани помежду си.

При ниски температури, когато топлинното движение е затруднено, частиците са строго ориентирани в пространството и форма кристална решетка.

кристална клетка - Това структура с геометрично правилно разположение на частиците в пространството.

В самата кристална решетка се разграничават възли и междувъзлово пространство.

Едно и също вещество в зависимост от условията (стр, T,...)съществува в различни кристални форми (т.е. имат различни кристални решетки) - алотропни модификации, които се различават по свойства.

Например, известни са четири модификации на въглерода: графит, диамант, карбин и лонсдейлит.

☼ Четвъртата разновидност на кристален въглерод, "лонсдейлит", е малко известна. Открит е в метеорити и получен по изкуствен път, като структурата му все още се изучава.

☼ Саждите, коксът и въгленът са класифицирани като аморфни въглеродни полимери. Сега обаче стана известно, че това също са кристални вещества.

☼ Между другото, в саждите бяха открити блестящи черни частици, които бяха наречени „огледален въглерод“. Огледалният карбон е химически инертен, топлоустойчив, непроницаем за газове и течности, има гладка повърхност и е абсолютно съвместим с живите тъкани.

☼ Името графит идва от италианското „graffito” - пиша, рисувам. Графитът е тъмносив кристал със слаб метален блясък и има слоеста решетка. Отделни слоеве от атоми в графитен кристал, свързани помежду си относително слабо, лесно се отделят един от друг.

ВИДОВЕ КРИСТАЛНИ РЕШЕТКИ

	йонни			метал
Какво има във възлите на кристалната решетка, структурна единица	йони	атоми	молекули	атоми и катиони
Вид химична връзка между частиците на възела	йонни		ковалентни: полярни и неполярни	метал
Сили на взаимодействие между кристалните частици	електростатичен логично	ковалентен	междумолекулен- нов	електростатичен логично
Физични свойства, дължащи се на кристалната решетка	· силите на привличане между йоните са силни, · Т мн.ч. (огнеупорен), · лесно се разтваря във вода, · стопилката и разтворът провеждат електрически ток, нелетлив (без мирис)	· ковалентните връзки между атомите са големи, · Т мн.ч. и T kip е много, · не се разтваря във вода, · стопилката не провежда електрически ток	· силите на привличане между молекулите са малки, · Т мн.ч. ↓, някои са разтворими във вода, · имат летлива миризма	· силите на взаимодействие са големи, · Т мн.ч. , Висока топло- и електропроводимост
Агрегатно състояние на веществото при нормални условия	твърд	твърд	твърд, газообразен течност	твърд, течност (N ж)
Примери	повечето соли, алкали, типични метални оксиди	C (диамант, графит), Si, Ge, B, SiO 2, CaC 2, SiC (карборунд), BN, Fe 3 C, TaC (t pl. =3800 0 C) Червен и черен фосфор. Оксиди на някои метали.	всички газове, течности, повечето неметали: инертни газове, халогени, H 2, N 2, O 2, O 3, P 4 (бял), S 8. Водородни съединения на неметали, оксиди на неметали: H 2 O, CO 2 "сух лед". Повечето органични съединения.	Метали, сплави

Ако скоростта на растеж на кристалите е ниска при охлаждане, се образува стъкловидно състояние (аморфно).

Връзката между позицията на елемент в периодичната таблица и кристалната решетка на неговото просто вещество.

Съществува тясна връзка между позицията на даден елемент в периодичната таблица и кристалната решетка на съответното му елементарно вещество.

		група
			III			VII	VIII
П д Р И О д						H 2
				N 2	O2	Е 2
	III			P 4	S 8	Cl2
						BR 2
						аз 2
Тип кристална решетка		метал			атомен	молекулярно

Простите вещества на останалите елементи имат метална кристална решетка.

ПОПРАВЯНЕ

Проучете лекционния материал и отговорете писмено на следните въпроси в тетрадката си:

Какво е кристална решетка?
Какви видове кристални решетки съществуват?
Характеризирайте всеки тип кристална решетка според плана: Какво има в възлите на кристалната решетка, структурна единица → Вид химична връзка между частиците на възела → Силите на взаимодействие между частиците на кристала → Физични свойства, дължащи се на кристала решетка → Агрегатно състояние на веществото при нормални условия → Примери

Изпълнете задачи по тази тема:

Какъв тип кристална решетка имат следните широко използвани в ежедневието вещества: вода, оцетна киселина (CH 3 COOH), захар (C 12 H 22 O 11), калиев тор (KCl), речен пясък (SiO 2) - топене точка 1710 0 C , амоняк (NH 3), готварска сол? Направете общо заключение: по какви свойства на дадено вещество може да се определи вида на неговата кристална решетка?
Използвайки формулите на дадените вещества: SiC, CS 2, NaBr, C 2 H 2 - определете вида на кристалната решетка (йонна, молекулна) на всяко съединение и въз основа на това опишете физичните свойства на всяко от четирите вещества .
Треньор №1. "Кристални решетки"
Треньор №2. "Тестови задачи"
Тест (самоконтрол):

1) Вещества, които имат молекулярна кристална решетка, като правило:

а). огнеупорен и силно разтворим във вода
б). топими и летливи
V). Твърди и електропроводими
Ж). Топлопроводим и пластичен

2) Понятието „молекула“ не е приложимопо отношение на структурната единица на веществото:

а). вода

б). кислород

V). диамант

Ж). озон

3) Атомната кристална решетка е характерна за:

а). алуминий и графит

б). сяра и йод

V). силициев оксид и натриев хлорид

Ж). диамант и бор

4) Ако дадено вещество е силно разтворимо във вода, има висока точка на топене и е електропроводимо, тогава неговата кристална решетка е:

А). молекулярно

б). атомен

V). йонни

Ж). метал

Водата е познато и необичайно вещество. Почти 3/4 от повърхността на нашата планета е заета от океани и морета. Твърдата вода - сняг и лед - покрива 20% от земята. Климатът на планетата зависи от водата. Това казват геофизиците Земята отдавна щеше да е изстинала и да се е превърнала в безжизнено парче камък, ако не беше водата.Има много висок топлинен капацитет. При нагряване поглъща топлина; изстивайки, той го раздава. Водата на Земята абсорбира и връща много топлина и по този начин „изравнява“ климата. А това, което предпазва Земята от космическия студ, са тези водни молекули, които са разпръснати в атмосферата – в облаци и под формата на пари.

Водата е най-мистериозното вещество в природата след ДНК,притежаващи уникални свойства, които не само все още не са напълно обяснени, но далеч не са всички известни. Колкото по-дълго се изучава, толкова повече нови аномалии и мистерии се откриват в него. Повечето от тези аномалии, които правят живота възможен на Земята, се обясняват с наличието на водородни връзки между водните молекули, които са много по-силни от ван дер Ваалсовите сили на привличане между молекулите на други вещества, но с порядък по-слаби от йонните и ковалентните връзки между атомите в молекулите. Същите водородни връзки присъстват и в молекулата на ДНК.

Водната молекула (H 2 16 O) се състои от два водородни атома (H) и един кислороден атом (16 O). Оказва се, че почти цялото разнообразие от свойства на водата и необичайността на тяхното проявление се определят в крайна сметка от физическата природа на тези атоми, начина, по който те се комбинират в една молекула и групирането на получените молекули.

Ориз. Структура на водна молекула . Геометрична диаграма (a), плосък модел (b) и пространствена електронна структура (c) на H2O мономера. Два от четирите електрона във външната обвивка на кислородния атом участват в създаването на ковалентни връзки с водородните атоми, а другите два образуват силно удължени електронни орбити, чиято равнина е перпендикулярна на равнината H-O-H.

Водната молекула H 2 O е изградена под формата на триъгълник: ъгълът между двете кислородно-водородни връзки е 104 градуса. Но тъй като и двата водородни атома са разположени от една и съща страна на кислорода, електрическите заряди в него са разпръснати. Молекулата на водата е полярна, което е причината за особеното взаимодействие между различните й молекули. Водородните атоми в молекулата на H 2 O, имащи частичен положителен заряд, взаимодействат с електроните на кислородните атоми на съседните молекули. Тази химична връзка се нарича водородна връзка. Той обединява H 2 O молекулите в уникални асоциирани пространствени структури; равнината, в която са разположени водородните връзки, е перпендикулярна на равнината на атомите на една и съща молекула H 2 O. Взаимодействието между водните молекули обяснява преди всичко необичайно високите температури на нейното топене и кипене. Трябва да се достави допълнителна енергия, за да се разхлабят и след това да се разрушат водородните връзки. И тази енергия е много значима. Ето защо топлинният капацитет на водата е толкова висок.

Водната молекула съдържа две полярни ковалентни връзки H–O. Те се образуват поради припокриването на два едноелектронни p - облака от кислороден атом и едноелектронни S - облаци от два водородни атома.

В съответствие с електронната структура на водородните и кислородните атоми, водната молекула има четири електронни двойки. Два от тях участват в образуването на ковалентни връзки с два водородни атома, т.е. са задължителни. Другите две електронни двойки са свободни – несвързващи. Те образуват електронен облак. Облакът е разнороден - в него се различават отделни концентрации и разреждания.

Водната молекула има четири полюсни заряда: два положителни и два отрицателни. Положителните заряди са концентрирани върху водородните атоми, тъй като кислородът е по-електроотрицателен от водорода. Двата отрицателни полюса идват от две несвързани електронни двойки кислород.

В кислородното ядро се създава излишна електронна плътност. Вътрешната електронна двойка кислород равномерно рамкира ядрото: схематично тя е представена от кръг с център - ядрото O 2-. Четирите външни електрона са групирани в две електронни двойки, които гравитират към ядрото, но частично не са компенсирани. Схематично общите електронни орбитали на тези двойки са показани под формата на елипси, издължени от общ център - O 2- ядрото. Всеки от останалите два електрона в кислородна двойка с един електрон във водород. Тези пари също гравитират към кислородното ядро. Следователно водородните ядра - протоните - се оказват донякъде голи и тук се наблюдава липса на електронна плътност.

По този начин във водната молекула има четири полюса на заряда:две отрицателни (излишна електронна плътност в областта на кислородното ядро) и две положителни (липса на електронна плътност в двете водородни ядра). За по-голяма яснота можем да си представим, че полюсите заемат върховете на деформиран тетраедър, в центъра на който има кислородно ядро.

Ориз. Структура на водна молекула: a – ъгъл между O-H връзките; б – разположение на полюсите на заряда; c – поява на електронния облак на водна молекула.

Почти сферичната водна молекула има забележимо изразена полярност, тъй като електрическите заряди в нея са разположени асиметрично. Всяка водна молекула е миниатюрен дипол с висок диполен момент от 1,87 deBy. Дебай е извънсистемна единица на електрически дипол 3.33564·10 30 C·m. Под въздействието на водни диполи междуатомните или междумолекулните сили на повърхността на потопеното в него вещество отслабват 80 пъти. С други думи, водата има висока диелектрична константа, най-високата от всички познати ни съединения.

До голяма степен поради това водата се проявява като универсален разтворител. Твърдите вещества, течностите и газовете са обект на разтварящото му действие в една или друга степен.

Специфичният топлинен капацитет на водата е най-високият от всички вещества. В допълнение, той е 2 пъти по-висок от този на леда, докато за повечето прости вещества (например метали) топлинният капацитет практически не се променя по време на процеса на топене, а за веществата, изградени от многоатомни молекули, той като правило намалява по време на топене.

Подобно разбиране на структурата на молекулата позволява да се обяснят много свойства на водата, по-специално структурата на леда. В ледената кристална решетка всяка молекула е заобиколена от четири други. В планарно изображение това може да бъде представено по следния начин:

Връзката между молекулите се осъществява чрез водороден атом. Положително зареденият водороден атом на една водна молекула е привлечен от отрицателно заредения кислороден атом на друга водна молекула. Тази връзка се нарича водородна връзка (означава се с точки). Силата на водородната връзка е приблизително 15-20 пъти по-слаба от ковалентната връзка. Поради това водородната връзка лесно се разрушава, което се наблюдава например при изпаряване на вода.

Ориз. вляво - Водородни връзки между водните молекули

Структурата на течната вода наподобява тази на леда. В течната вода молекулите също са свързани една с друга чрез водородни връзки, но структурата на водата е по-малко „твърда“ от тази на леда. Поради термичното движение на молекулите във водата някои водородни връзки се разкъсват и се образуват други.

Ориз. Кристална решетка на лед. Водните молекули H 2 O (черни топки) в неговите възли са разположени така, че всеки има четири „съседа“.

Полярността на водните молекули и наличието на частично некомпенсирани електрически заряди в тях поражда тенденция към групиране на молекулите в големи „общности“ - асоциирани. Оказва се, че само водата в състояние на пара напълно отговаря на формулата H2O. Това показват резултатите от определянето на молекулната маса на водната пара. В температурния диапазон от 0 до 100°C концентрацията на отделни (мономерни молекули) течна вода не надвишава 1%. Всички други водни молекули се комбинират в асоциати с различна степен на сложност и техният състав се описва с общата формула (H 2 O)x.

Пряката причина за образуването на асоциати са водородните връзки между водните молекули. Те възникват между водородните ядра на някои молекули и електронните „кондензации“ на кислородните ядра на други водни молекули. Вярно е, че тези връзки са десетки пъти по-слаби от „стандартните“ вътрешномолекулни химични връзки и обикновените молекулярни движения са достатъчни, за да ги разрушат. Но под въздействието на топлинни вибрации също толкова лесно възникват нови връзки от този тип. Появата и разпадането на асоциациите може да се изрази със следната диаграма:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Тъй като електронните орбитали във всяка водна молекула образуват тетраедрична структура, водородните връзки могат да организират подреждането на водните молекули в тетраедрични координирани асоциати.

Повечето изследователи обясняват аномално високия топлинен капацитет на течната вода с факта, че когато ледът се топи, неговата кристална структура не се разпада веднага. В течната вода водородните връзки между молекулите се запазват. Това, което остава в него, са парчета лед - сътрудници на голям или по-малък брой водни молекули. Въпреки това, за разлика от леда, всеки сътрудник не съществува дълго. Унищожаването на едни и формирането на други сътрудници се случва постоянно. При всяка стойност на температурата във водата в този процес се установява собствено динамично равновесие. И когато водата се нагрява, част от топлината се изразходва за разкъсване на водородни връзки в асоциираните съединения. В този случай 0,26-0,5 eV се изразходват за разкъсване на всяка връзка. Това обяснява аномално високия топлинен капацитет на водата в сравнение със стопилките на други вещества, които не образуват водородни връзки. При нагряване на такива стопилки енергията се изразходва само за придаване на топлинни движения на техните атоми или молекули. Водородните връзки между водните молекули се разрушават напълно само когато водата се превърне в пара. За правилността на тази гледна точка говори и фактът, че специфичният топлинен капацитет на водната пара при 100°C практически съвпада със специфичния топлинен капацитет на леда при 0°C.

Снимка по-долу:

Елементарният структурен елемент на сътрудника е клъстер: Ориз. Отделен хипотетичен воден клъстер. Индивидуалните клъстери образуват асоциирани водни молекули (H 2 O) x: Ориз. Клъстери от водни молекули образуват асоциати.

Има и друга гледна точка за природата на аномално високия топлинен капацитет на водата. Професор G.N.Zatsepina отбеляза, че моларният топлинен капацитет на водата, възлизащ на 18 cal/(molgrad), е точно равен на теоретичния моларен топлинен капацитет на твърдо вещество с триатомни кристали. И в съответствие със закона на Dulong и Petit, атомните топлинни мощности на всички химически прости (моноатомни) кристални тела при достатъчно висока температура са еднакви и равни на 6 calDmol o deg). А за триатомните, чийто грамол съдържа 3 N a места на кристална решетка, е 3 пъти повече. (Тук N a е числото на Авогадро).

От това следва, че водата е, така да се каже, кристално тяло, състоящо се от триатомни молекули H 2 O. Това съответства на общата идея за водата като смес от кристални асоциати с малка добавка на свободни водни молекули H 2 O между тях, чийто брой се увеличава с повишаване на температурата. От тази гледна точка това, което е изненадващо, не е високият топлинен капацитет на течната вода, а ниският топлинен капацитет на твърдия лед. Намаляването на специфичния топлинен капацитет на водата по време на замръзване се обяснява с липсата на напречни топлинни вибрации на атомите в твърдата кристална решетка на леда, където всеки протон, причиняващ водородна връзка, има само една степен на свобода за топлинни вибрации вместо три.

Но поради какво и как могат да възникнат толкова големи промени в топлинния капацитет на водата без съответните промени в налягането? За да отговорим на този въпрос, нека се срещнем с хипотезата на кандидата на геоложките и минералогическите науки Ю. А. Колясников за структурата на водата.

Той посочва, че откривателите на водородните връзки, J. Bernal и R. Fowler, през 1932 г. сравняват структурата на течната вода с кристалната структура на кварца и тези сътрудници, споменати по-горе, са главно 4H 2 0 тетрамери, в които има четири Водните молекули са свързани в компактен тетраедър с дванадесет вътрешни водородни връзки. В резултат на това се образува тетраедър.

В същото време водородните връзки в тези тетрамери могат да образуват както дясна, така и лява последователност, точно както кристалите на широко разпространения кварц (Si0 2), които също имат тетраедрична структура, идват в дясна и лява кристална форма . Тъй като всеки такъв воден тетрамер също има четири неизползвани външни водородни връзки (като една водна молекула), тетрамерите могат да бъдат свързани чрез тези външни връзки в един вид полимерни вериги, като ДНК молекула. И тъй като има само четири външни връзки и 3 пъти повече вътрешни, това позволява на тежките и силни тетрамери в течна вода да огъват, обръщат и дори разрушават тези външни водородни връзки, отслабени от топлинни вибрации. Това определя течливостта на водата.

Водата, според Колясников, има тази структура само в течно състояние и, вероятно, частично в състояние на пара. Но в леда, чиято кристална структура е добре проучена, тетрахидролите са свързани един с друг чрез негъвкави, еднакво силни директни водородни връзки в ажурна рамка с големи празнини в нея, което прави плътността на леда по-малка от плътността на водата .

Ориз. Кристалната структура на леда: водните молекули са свързани в правилни шестоъгълници

Когато ледът се топи, някои от водородните връзки в него отслабват и се огъват, което води до преструктуриране на структурата в гореописаните тетрамери и прави течната вода по-плътна от леда. При 4°C възниква състояние, когато всички водородни връзки между тетрамерите са максимално огънати, което определя максималната плътност на водата при тази температура. Няма къде да стигнат връзките по-нататък.

При температури над 4°C отделните връзки между тетрамерите започват да се разкъсват, а при 36-37°C половината от външните водородни връзки се разкъсват. Това определя минимума на кривата на специфичния топлинен капацитет на водата спрямо температурата. При температура от 70°C почти всички междутетрамерни връзки се разкъсват и заедно със свободните тетрамери във водата остават само къси фрагменти от „полимерни“ вериги от тях. И накрая, когато водата заври, настъпва окончателното разкъсване на вече единични тетрамери в отделни молекули H 2 O. И фактът, че специфичната топлина на изпаряване на водата е точно 3 пъти по-голяма от сумата от специфичните топлина на топенето на леда и последващото нагряване вода до 100 ° C потвърждава предположението на Колясников За. че броят на вътрешните връзки в тетрамера е 3 пъти по-голям от броя на външните.

Тази тетраедрично-спирална структура на водата може да се дължи на нейната древна реологична връзка с кварца и други силициево-кислородни минерали, които преобладават в земната кора, от чиито дълбини някога се е появила водата на Земята. Точно както малък кристал сол кара заобикалящия го разтвор да кристализира в подобни кристали, а не в други, така кварцът кара водните молекули да се подреждат в тетраедрични структури, които са енергийно най-благоприятни. И в нашата ера, в земната атмосфера, водните пари, кондензиращи в капчици, образуват такава структура, защото атмосферата винаги съдържа малки капчици аерозолна вода, които вече имат тази структура. Те са центрове на кондензация на водни пари в атмосферата. По-долу са възможни верижни силикатни структури, базирани на тетраедъра, който също може да бъде съставен от водни тетраедри.

Ориз. Елементарен правилен силициево-кислороден тетраедър SiO 4 4-.

Ориз. Елементарни силициево-кислородни звена-ортогрупи SiO 4 4- в структурата на Mg-пироксен енстатит (а) и диорто групи Si 2 O 7 6- в Са-пироксеноидния воластонит (б).

Ориз. Най-простите видове островни силициево-кислородни анионни групи: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Ориз. по-долу - Най-важните видове силициево-кислородни верижни анионни групи (според Белов): a-метагерманат, b - пироксен, c - батисит, d-воластонит, d-власовит, е-мелилит, f-родонит, z-пироксмангит , i-метафосфат, k - флуоробериллат, l - барилит.

Ориз. по-долу - Кондензация на пироксенови силициево-кислородни аниони в пчелна пита двуредов амфибол (a), триредов амфибол-подобен (b), слоест талк и свързани аниони (c).

Ориз. по-долу - Най-важните видове лентови силициево-кислородни групи (според Белов): а - силиманит, амфибол, ксонотлит; б-епидидимит; β-ортоклаз; g-нарсарсукит; d-фенакит призматичен; e-euclase инкрустиран.

Ориз. вдясно - Фрагмент (елементарен пакет) от слоеста кристална структура на мусковит KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, илюстриращ наслояването на алуминиево-силициево-кислородни мрежи с полиедрични слоеве от големи алуминиеви и калиеви катиони, напомнящи на ДНК верига.

Възможни са и други модели на водна структура. Тетраедрално свързаните водни молекули образуват особени вериги с доста стабилен състав. Изследователите разкриват все по-фини и сложни механизми на „вътрешната организация“ на водната маса. В допълнение към ледоподобната структура, течна вода и мономерни молекули е описан и трети елемент от структурата - нететраедричен.

Определена част от водните молекули са свързани не в триизмерни рамки, а в линейни пръстенни асоциации. Пръстените, когато са групирани, образуват още по-сложни комплекси от асоциирани.

По този начин водата може теоретично да образува вериги, като ДНК молекула, както ще бъде обсъдено по-долу. Друго интересно нещо за тази хипотеза е, че тя предполага еднаква вероятност за съществуване на дясна и лява вода. Но биолозите отдавна са забелязали, че в биологичните тъкани и структури се наблюдават само леви или десни образувания. Пример за това са протеинови молекули, изградени само от леви аминокиселини и усукани само в лява спирала. Но всички захари в природата са десни. Все още никой не е успял да обясни защо в живата природа в едни случаи има такова предпочитание към лявото, а в други към дясното. Наистина, в неживата природа както десните, така и левите молекули се срещат с еднаква вероятност.

Преди повече от сто години известният френски естествоизпитател Луи Пастьор открива, че органичните съединения в растенията и животните са оптически асиметрични – те въртят равнината на поляризация на падащата върху тях светлина. Всички аминокиселини, които изграждат животните и растенията, въртят равнината на поляризация наляво, а всички захари се въртят надясно. Ако синтезираме съединения с еднакъв химичен състав, тогава всяко от тях ще съдържа равен брой ляво- и дясно ориентирани молекули.

Както знаете, всички живи организми се състоят от протеини, а те от своя страна са изградени от аминокиселини. Като се комбинират една с друга в различни последователности, аминокиселините образуват дълги пептидни вериги, които спонтанно се „усукват“ в сложни протеинови молекули. Подобно на много други органични съединения, аминокиселините имат хирална симетрия (от гръцки chiros - ръка), тоест те могат да съществуват в две огледално-симетрични форми, наречени "енантиомери". Такива молекули са подобни една на друга, като лявата и дясната ръка, затова се наричат D- и L-молекули (от латински dexter, laevus - дясно и ляво).

Сега нека си представим, че среда с леви и десни молекули е преминала в състояние само с леви или само с десни молекули. Експертите наричат такава среда хирално (от гръцката дума "cheira" - ръка) подредена. Самовъзпроизвеждането на живи същества (биопоеза - както е дефинирано от Д. Бернал) може да възникне и да се поддържа само в такава среда.

Ориз. Огледална симетрия в природата

Друго наименование на енантиомерните молекули - "дясновъртящи" и "левовъртящи" - идва от способността им да въртят равнината на поляризация на светлината в различни посоки. Ако линейно поляризирана светлина преминава през разтвор на такива молекули, равнината на нейната поляризация се върти: по посока на часовниковата стрелка, ако молекулите в разтвора са с дясна посока, и обратно на часовниковата стрелка, ако молекулите в разтвора са с лява ориентация. И в смес от равни количества D- и L-форми (наречени „рацемат“), светлината ще запази първоначалната си линейна поляризация. Това оптично свойство на хиралните молекули е открито за първи път от Луи Пастьор през 1848 г.

Любопитно е, че почти всички естествени протеини се състоят само от леви аминокиселини. Този факт е още по-изненадващ, тъй като синтезът на аминокиселини в лабораторни условия произвежда приблизително еднакъв брой десни и леви молекули. Оказва се, че не само аминокиселините притежават тази особеност, но и много други вещества, важни за живите системи, като всяко има строго определен знак за огледална симетрия в цялата биосфера. Например, захарите, които са част от много нуклеотиди, както и нуклеиновите киселини ДНК и РНК, са представени в тялото изключително от десни D-молекули. Въпреки че физичните и химичните свойства на „огледалните антиподи“ са еднакви, тяхната физиологична активност в организмите е различна: L-caxara не се абсорбират, L-фенилаланинът, за разлика от безвредните си D-молекули, причинява психични заболявания и т.н.

Според съвременните представи за произхода на живота на Земята изборът на определен тип огледална симетрия от органичните молекули служи като основна предпоставка за тяхното оцеляване и последващо самовъзпроизвеждане. Въпросът как и защо е възникнал еволюционният подбор на един или друг огледален антипод обаче все още остава една от най-големите загадки на науката.

Съветският учен Л. Л. Морозов доказва, че преходът към хирален ред не може да се случи еволюционно, а само с някаква специфична рязка фазова промяна. Академик В. И. Голдански нарече този преход, благодарение на който се е зародил животът на Земята, хирална катастрофа.

Как са възникнали условията за фазовата катастрофа, която е причинила хиралния преход?

Най-важното беше, че органичните съединения се топят при 800-1000 0C в земната кора, а горните се охлаждат до температурата на космоса, тоест абсолютната нула. Температурната разлика достига 1000 °C. При такива условия органичните молекули се стопиха под въздействието на висока температура и дори бяха напълно унищожени, а горната част остана студена, тъй като органичните молекули бяха замръзнали. Газовете и водните пари, изтичащи от земната кора, променят химичния състав на органичните съединения. Газовете пренасят топлина със себе си, карайки линията на топене на органичния слой да се движи нагоре и надолу, създавайки градиент.

При много ниско атмосферно налягане водата е била на земната повърхност само под формата на пара и лед. Когато налягането достигна така наречената тройна точка на водата (0,006 атмосфери), водата за първи път успя да съществува под формата на течност.

Разбира се, само експериментално може да се докаже какво точно е причинило хиралния преход: земни или космически причини. Но по един или друг начин, в един момент хирално подредените молекули (а именно лявовъртящи аминокиселини и дясновъртещи захари) се оказаха по-стабилни и започна неудържимо нарастване на броя им - хирален преход.

Хрониката на планетата също така разказва, че по това време на Земята не е имало планини или падини. Полуразтопената гранитна кора представляваше гладка повърхност като нивото на съвременния океан. Въпреки това в тази равнина все още имаше депресии поради неравномерното разпределение на масите в рамките на Земята. Тези намаления изиграха изключително важна роля.

Факт е, че вдлъбнатините с плоско дъно с диаметър стотици и дори хиляди километри и дълбочина не повече от сто метра вероятно са станали люлката на живота. В края на краищата водата, събрана на повърхността на планетата, се влива в тях. Водата разрежда хиралните органични съединения в слоя пепел. Химическият състав на съединението постепенно се променя и температурата се стабилизира. Преходът от безжизнено към живо, започнал в безводни условия, продължи във водна среда.

Това ли е сюжетът за произхода на живота? Най-вероятно да. В геоложкия участък на Исуа (Западна Гренландия), който е на 3,8 милиарда години, са открити съединения, подобни на бензин и масло, с изотопно съотношение C12/C13, характерно за въглерода от фотосинтетичен произход.

Ако биологичната природа на въглеродните съединения от секцията Isua се потвърди, тогава се оказва, че целият период от възникването на живота на Земята - от появата на хирална органична материя до появата на клетка, способна на фотосинтеза и възпроизводство - е бил завършен само за сто милиона години. А водните молекули и ДНК изиграха огромна роля в този процес.

Най-удивителното в структурата на водата е, че водните молекули при ниски отрицателни температури и високи налягания вътре в нанотръбите могат да кристализират във форма на двойна спирала, напомняща на ДНК. Това доказаха компютърни експерименти на американски учени, ръководени от Xiao Cheng Zeng от Университета на Небраска (САЩ).

ДНК е двойна верига, усукана в спирала.Всяка нишка се състои от "тухли" - нуклеотиди, свързани последователно. Всеки нуклеотид на ДНК съдържа една от четирите азотни бази - гуанин (G), аденин (A) (пурини), тимин (T) и цитозин (C) (пиримидини), свързани с дезоксирибозата, към последната от своя страна фосфат групата е прикачена. Съседните нуклеотиди са свързани помежду си във верига чрез фосфодиестерна връзка, образувана от 3"-хидроксилни (3"-OH) и 5"-фосфатни групи (5"-PO3). Това свойство определя наличието на полярност в ДНК, т.е. противоположни посоки, а именно 5" и 3" краища: 5" края на едната нишка съответства на 3" края на втората нишка. Последователността от нуклеотиди ви позволява да „кодирате“ информация за различни видове РНК, най-важните от които са информационна или шаблонна (mRNA), рибозомна (rRNA) и транспортна (tRNA). Всички тези типове РНК се синтезират върху ДНК матрица чрез копиране на ДНК последователност в РНК последователност, синтезирана по време на транскрипцията и участват в най-важния процес на живота - прехвърлянето и копирането на информация (транслацията).

Първичната структура на ДНК е линейната последователност от ДНК нуклеотиди във верига. Последователността на нуклеотидите в една ДНК верига се записва под формата на буквена ДНК формула: например - AGTCATGCCAG, записът се прави от 5" до 3" края на ДНК веригата.

Вторичната структура на ДНК се формира поради взаимодействията на нуклеотидите (предимно азотни бази) един с друг, водородни връзки. Класически пример за вторична структура на ДНК е двойната спирала на ДНК. Двойната спирала на ДНК е най-често срещаната форма на ДНК в природата, състояща се от две полинуклеотидни вериги на ДНК. Изграждането на всяка нова ДНК верига се осъществява на принципа на комплементарността, т.е. Всяка азотна база на една ДНК верига съответства на строго определена основа на друга верига: в комплементарна двойка срещу А е Т, а срещу G е С и т.н.

За да може водата да образува спирала, като тази, в симулиран експеримент тя беше „поставена“ в нанотръби под високо налягане, вариращо в различни експерименти от 10 до 40 000 атмосфери. След това беше зададена температура, която имаше стойност от -23°C. Маржът в сравнение с точката на замръзване на водата е направен поради факта, че с увеличаване на налягането точката на топене на водния лед намалява. Диаметърът на нанотръбите варира от 1,35 до 1,90 nm.

Ориз. Общ изглед на структурата на водата (изображение от New Scientist)

Молекулите на водата са свързани помежду си чрез водородни връзки, като разстоянието между кислородните и водородните атоми е 96 pm, а между два водорода - 150 pm. В твърдо състояние кислородният атом участва в образуването на две водородни връзки със съседни водни молекули. В този случай отделните молекули на H 2 O влизат в контакт една с друга с противоположни полюси. Така се образуват слоеве, в които всяка молекула е свързана с три молекули от своя слой и една от съседния. В резултат на това кристалната структура на леда се състои от шестоъгълни „тръби“, свързани помежду си като пчелна пита.

Ориз. Вътрешна стена на водна конструкция (изображение на New Scientist)

Учените очакваха да видят, че водата във всички случаи образува тънка тръбна структура. Моделът обаче показа, че при диаметър на тръбата от 1,35 nm и налягане от 40 000 атмосфери, водородните връзки са огънати, което води до образуването на двустенна спирала. Вътрешната стена на тази структура е четворна спирала, а външната стена се състои от четири двойни спирали, подобни на структурата на молекулата на ДНК.

Последният факт оставя отпечатък не само върху еволюцията на представите ни за водата, но и върху еволюцията на ранния живот и самата ДНК молекула. Ако приемем, че в ерата на възникване на живота криолитните глинести скали са имали формата на нанотръби, възниква въпросът: може ли водата, сорбирана в тях, да служи като структурна основа (матрица) за синтез на ДНК и четене на информация? Може би това е причината спиралната структура на ДНК да повтаря спиралната структура на водата в нанотръбите. Както съобщава списание New Scientist, сега нашите чуждестранни колеги ще трябва да потвърдят съществуването на такива водни макромолекули в реални експериментални условия с помощта на инфрачервена спектроскопия и спектроскопия на неутронно разсейване.

Доцент доктор. О.В. Мосин

Лед- минерални с хим формула H 2 O, представлява вода в кристално състояние.
Химичен състав на леда: H - 11,2%, O - 88,8%. Понякога съдържа газообразни и твърди механични примеси.
В природата ледът е представен главно от една от няколко кристални модификации, стабилни в температурния диапазон от 0 до 80 ° C, с точка на топене 0 ° C. Има 10 известни кристални модификации на лед и аморфен лед. Най-изследван е ледът от 1-ва модификация - единствената модификация, срещана в природата. Ледът се среща в природата под формата на самия лед (континентален, плаващ, подземен и т.н.), както и под формата на сняг, скреж и др.

Вижте също:

СТРУКТУРА

Кристалната структура на леда е подобна на структурата: всяка молекула H 2 0 е заобиколена от четирите най-близки до нея молекули, разположени на равни разстояния от нея, равни на 2,76Α и разположени във върховете на правилен тетраедър. Поради ниското координационно число структурата на леда е ажурна, което се отразява на неговата плътност (0,917). Ледът има шестоъгълна пространствена решетка и се образува от замръзване на вода при 0°C и атмосферно налягане. Решетката на всички кристални модификации на лед има тетраедрична структура. Параметри на ледена елементарна клетка (при t 0°C): a=0.45446 nm, c=0.73670 nm (c е двойното разстояние между съседни основни равнини). Когато температурата падне, те се променят много малко. Молекулите H 2 0 в решетката на леда са свързани една с друга чрез водородни връзки. Подвижността на водородните атоми в решетката на леда е много по-висока от подвижността на кислородните атоми, поради което молекулите сменят своите съседи. При наличието на значителни вибрационни и ротационни движения на молекулите в ледената решетка се появяват транслационни скокове на молекулите от мястото на тяхната пространствена връзка, нарушавайки по-нататъшния ред и образувайки дислокации. Това обяснява проявата на специфични реологични свойства в леда, които характеризират връзката между необратими деформации (течение) на леда и предизвикалите ги напрежения (пластичност, вискозитет, граница на провлачване, пълзене и др.). Поради тези обстоятелства ледниците текат подобно на силно вискозни течности и по този начин естественият лед участва активно във водния цикъл на Земята. Ледените кристали са сравнително големи по размер (напречен размер от части от милиметър до няколко десетки сантиметра). Те се характеризират с анизотропия на коефициента на вискозитет, чиято стойност може да варира с няколко порядъка. Кристалите са способни да се преориентират под въздействието на натоварвания, което влияе върху тяхната метаморфизация и дебита на ледниците.

ИМОТИ

Ледът е безцветен. В големи клъстери придобива синкав оттенък. Стъклен блясък. Прозрачен. Няма деколте. Твърдост 1.5. Чуплив. Оптично положителен, индекс на пречупване много нисък (n = 1,310, nm = 1,309). В природата са известни 14 модификации на леда. Вярно, всичко освен познатия ни лед, който кристализира в хексагоналната система и се обозначава като лед I, се образува при екзотични условия - при много ниски температури (около -110150 0C) и високо налягане, когато ъглите на водородните връзки във водата се променят. промяна на молекулата и се образуват системи, различни от хексагоналните. Такива условия наподобяват тези в космоса и не се срещат на Земята. Например при температури под –110 °C водните пари се утаяват върху метална плоча под формата на октаедри и кубчета с размери няколко нанометра - това е така нареченият кубичен лед. Ако температурата е малко над –110 °C и концентрацията на пари е много ниска, върху плочата се образува слой от изключително плътен аморфен лед.

МОРФОЛОГИЯ

Ледът е много разпространен минерал в природата. В земната кора има няколко вида лед: речен, езерен, морски, почвен, фирнов и ледников. По-често образува агрегатни клъстери от финокристални зърна. Известни са също кристални ледени образувания, които възникват чрез сублимация, тоест директно от парното състояние. В тези случаи ледът изглежда като скелетни кристали (снежинки) и агрегати от скелетен и дендритен растеж (пещерен лед, скреж, скреж и шарки върху стъкло). Срещат се големи добре шлифовани кристали, но много рядко. Н. Н. Стулов описва ледени кристали в североизточната част на Русия, открити на дълбочина 55-60 м от повърхността, имащи изометричен и колонен вид, а дължината на най-големия кристал е 60 см, а диаметърът на основата му е 15 см. От прости форми върху ледени кристали са идентифицирани само лицата на шестоъгълната призма (1120), шестоъгълната бипирамида (1121) и пинакоида (0001).
Ледените сталактити, разговорно наричани „ледени висулки“, са познати на всеки. При температурни разлики от около 0° през есенно-зимния сезон те се развиват навсякъде по повърхността на Земята с бавното замръзване (кристализация) на течаща и капеща вода. Те също са често срещани в ледените пещери.
Ледените брегове са ивици ледена покривка, изградена от лед, който кристализира на границата вода-въздух по ръбовете на резервоарите и граничи с ръбовете на локви, бреговете на реки, езера, езера, резервоари и др. като останалата част от водното пространство не замръзва. Когато те се срастнат напълно, върху повърхността на резервоара се образува непрекъсната ледена покривка.
Ледът също така образува успоредни стълбовидни агрегати под формата на влакнести вени в порести почви и ледени антолити на тяхната повърхност.

ПРОИЗХОД

Ледът се образува главно във водни басейни, когато температурата на въздуха спадне. В същото време на повърхността на водата се появява ледена каша, съставена от ледени игли. Отдолу върху него растат дълги ледени кристали, чиито оси на симетрия от шести ред са разположени перпендикулярно на повърхността на кората. Връзките между ледените кристали при различни условия на образуване са показани на фиг. Ледът е често срещан навсякъде, където има влага и където температурата пада под 0° C. В някои райони земният лед се размразява само до малка дълбочина, под която започва вечната замръзналост. Това са така наречените вечно замръзнали зони; В районите на разпространение на вечна замръзналост в горните слоеве на земната кора се намира така нареченият подземен лед, сред който се разграничават модерен и изкопаем подземен лед. Най-малко 10% от общата земна площ е покрита с ледници; монолитната ледена скала, която ги съставя, се нарича ледников лед. Ледниковият лед се образува предимно от натрупването на сняг в резултат на неговото уплътняване и трансформация. Ледената покривка покрива около 75% от Гренландия и почти цялата Антарктика; най-голямата дебелина на ледниците (4330 m) се намира близо до станцията Byrd (Антарктика). В централната част на Гренландия дебелината на леда достига 3200 m.
Ледените залежи са добре известни. В райони със студени, дълги зими и къси лета, както и във високопланински райони се образуват ледени пещери със сталактити и сталагмити, сред които най-интересни са Кунгурская в Пермския район на Урал, както и Добшинската пещера в гр. Словакия.
Когато морската вода замръзне, се образува морски лед. Характерните свойства на морския лед са солеността и порьозността, които определят диапазона на неговата плътност от 0,85 до 0,94 g/cm 3 . Поради такава ниска плътност, ледените късове се издигат над повърхността на водата с 1/7-1/10 от тяхната дебелина. Морският лед започва да се топи при температури над -2,3°C; той е по-еластичен и по-трудно се разбива на парчета от сладководния лед.

ПРИЛОЖЕНИЕ

В края на 80-те години лабораторията Argonne разработи технология за производство на ледена суспензия, която може да тече свободно през тръби с различни диаметри, без да се събира в ледени натрупвания, да се слепва или да запушва охладителните системи. Солената водна суспензия се състоеше от множество много малки ледени кристали с кръгла форма. Благодарение на това се поддържа подвижността на водата и в същото време, от гледна точка на топлотехниката, тя представлява лед, който е 5-7 пъти по-ефективен от обикновената студена вода в охладителните системи на сградите. Освен това такива смеси са перспективни за медицината. Експериментите върху животни показват, че микрокристалите от ледената смес преминават перфектно в сравнително малки кръвоносни съдове и не увреждат клетките. „Ледена кръв“ удължава времето, през което жертвата може да бъде спасена. Да речем, в случай на сърдечен арест това време се удължава, според консервативни оценки, от 10-15 до 30-45 минути.
Използването на лед като конструктивен материал е широко разпространено в полярните райони за изграждане на жилища - иглута. Ледът е част от материала Pikerit, предложен от Д. Пайк, от който беше предложено да се направи най-големият самолетоносач в света.

Лед - H 2 O

КЛАСИФИКАЦИЯ

Strunz (8-мо издание)	4/A.01-10
Nickel-Strunz (10-то издание)	4.AA.05
Дана (8-мо издание)	4.1.2.1
Хей, CIM Ref.	7.1.1

Кристална структура на леда: водните молекули са свързани в правилни шестоъгълници Кристална решетка на леда: Водните молекули H 2 O (черни топки) в нейните възли са подредени така, че всеки има четири съседа. Водната молекула (център) е свързана с четирите си най-близки съседни молекули чрез водородни връзки. Ледът е кристална модификация на водата. Според последните данни ледът има 14 структурни модификации. Сред тях има както кристални (повечето от тях), така и аморфни модификации, но всички те се различават една от друга по относителното разположение на водните молекули и свойства. Вярно, всичко освен познатия лед, който кристализира в хексагоналната система, се образува при екзотични условия при много ниски температури и високо налягане, когато ъглите на водородните връзки във водната молекула се променят и се образуват системи, различни от хексагоналните. Такива условия наподобяват тези в космоса и не се срещат на Земята. Например при температури под –110 °C водната пара се утаява върху метална плоча под формата на октаедри и кубчета с размери няколко нанометра – така нареченият кубичен лед. Ако температурата е малко над –110 °C и концентрацията на пари е много ниска, върху плочата се образува слой от изключително плътен аморфен лед. Най-необичайното свойство на леда е неговото невероятно разнообразие от външни прояви. С една и съща кристална структура може да изглежда напълно различно, приемайки формата на прозрачни градушки и ледени висулки, люспи от пухкав сняг, плътна лъскава кора от лед или гигантски ледникови маси.

Снежинката е единичен кристал от лед - вид шестоъгълен кристал, който обаче расте бързо при неравновесни условия. Учените от векове се борят с тайната на тяхната красота и безкрайно разнообразие. Животът на снежинката започва с образуването на кристални ледени ядра в облак от водна пара, докато температурата пада. Центърът на кристализация може да бъде частици прах, всякакви твърди частици или дори йони, но във всеки случай тези парчета лед с размер по-малък от една десета от милиметъра вече имат шестоъгълна кристална решетка.Водната пара, кондензираща на повърхността на тези ядра, първо образува малка шестоъгълна призма, от шестте ъгъла на която започва да израства еднакви ледени иглички, странични издънки, т.к. температурата и влажността около ембриона също са същите. На тях от своя страна растат странични издънки на клони, като на дърво. Такива кристали се наричат дендрити, тоест подобни на дърво. Движейки се нагоре и надолу в облак, снежинката се натъква на условия с различни температури и концентрации на водна пара. Формата му се променя, подчинявайки се до последно на законите на шестоъгълната симетрия. Ето как снежинките стават различни. Досега не е било възможно да се намерят две еднакви снежинки.

Цветът на леда зависи от неговата възраст и може да се използва за оценка на неговата здравина. Океанският лед е бял през първата година от живота си, защото е наситен с въздушни мехурчета, от стените на които светлината се отразява незабавно, без да има време да се абсорбира. През лятото повърхността на леда се топи, губи силата си и под тежестта на новите слоеве, лежащи отгоре, въздушните мехурчета се свиват и изчезват напълно. Светлината вътре в леда изминава по-дълъг път от преди и се появява като синкаво-зелен оттенък. Синият лед е по-стар, по-плътен и по-силен от белия „пенест“ лед, наситен с въздух. Полярните изследователи знаят това и избират надеждни сини и зелени ледени късове за своите плаващи бази, изследователски станции и ледени летища. Има черни айсберги. Първото съобщение за тях в пресата се появява през 1773 г. Черният цвят на айсбергите се дължи на дейността на вулканите - ледът е покрит с дебел слой вулканичен прах, който не се отмива дори от морската вода. Ледът не е еднакво студен. Има много студен лед, с температура около минус 60 градуса, това е ледът на някои антарктически ледници. Ледът на гренландските ледници е много по-топъл. Температурата му е около минус 28 градуса. Много „топъл лед“ (с температура около 0 градуса) лежи по върховете на Алпите и Скандинавските планини.

Плътността на водата е максимална при +4 С и е равна на 1 g/ml, намалява с понижаване на температурата. Когато водата кристализира, плътността рязко намалява, за лед тя е равна на 0,91 g / cm3 Поради това ледът е по-лек от водата и когато резервоарите замръзнат, ледът се натрупва отгоре, а на дъното на резервоарите има по-плътна вода с температура 4 ̊ C. Лоша топлопроводимост на леда и снежната покривка, която го покрива, предпазва водоемите от замръзване до дъното и по този начин създава условия за живот на обитателите на водоемите през зимата.

Ледниците, ледените покривки, вечната замръзналост и сезонната снежна покривка значително влияят върху климата на големи региони и планетата като цяло: дори тези, които никога не са виждали сняг, усещат дъха на неговите маси, натрупани на полюсите на Земята, например под формата на дългосрочни колебания в нивото на Световния океан. Ледът е толкова важен за външния вид на нашата планета и комфортното местообитание на живите същества на нея, че учените са отделили специална среда за него - криосферата, която се простира високо в атмосферата и дълбоко в земната кора. Естественият лед обикновено е много по-чист от водата, защото... разтворимостта на вещества (с изключение на NH4F) в лед е изключително ниска. Общите запаси от лед на Земята са около 30 милиона км 3. По-голямата част от леда е концентрирана в Антарктика, където дебелината на слоя му достига 4 км.

Днес ще говорим за свойствата на снега и леда. Струва си да се изясни, че ледът се образува не само от вода. В допълнение към водния лед има амонячен и метанов лед. Неотдавна учените изобретиха сухия лед. Неговите свойства са уникални, ще ги разгледаме малко по-късно. Образува се при замръзване на въглероден диоксид. Сухият лед получи името си поради факта, че когато се топи, не оставя локви. Съдържащият се в него въглероден диоксид незабавно се изпарява във въздуха от замръзналото му състояние.

Определение за лед

Първо, нека разгледаме по-отблизо леда, който се получава от вода. Вътре в него има правилна кристална решетка. Ледът е често срещан естествен минерал, който се получава при замръзване на водата. Една молекула от тази течност се свързва с четири съседни. Учените са забелязали, че такава вътрешна структура е присъща на различни скъпоценни камъни и дори минерали. Такава структура имат например диамант, турмалин, кварц, корунд, берил и др. Молекулите се държат на разстояние от кристална решетка. Тези свойства на водата и леда показват, че плътността на такъв лед ще бъде по-малка от плътността на водата, поради която се е образувал. Следователно ледът плува по повърхността на водата и не потъва в нея.

Милиони квадратни километри лед

Знаете ли колко лед има на нашата планета? Според последните изследвания на учени, на планетата Земя има приблизително 30 милиона квадратни километра замръзнала вода. Както може би се досещате, по-голямата част от този естествен минерал се намира в полярните ледени шапки. На места дебелината на ледената покривка достига 4 км.

Как да вземем лед

Приготвянето на лед не е никак трудно. Този процес не е труден и не изисква специални умения. Това изисква ниска температура на водата. Това е единственото постоянно условие за процеса на образуване на лед. Водата ще замръзне, когато вашият термометър покаже температура под 0 градуса по Целзий. Процесът на кристализация започва във вода поради ниски температури. Молекулите му са вградени в интересна подредена структура. Този процес се нарича образуване на кристална решетка. Същото е в океана, в локва и дори във фризера.

Изследване на процеса на замразяване

Провеждайки изследвания по темата за замръзване на водата, учените стигнаха до извода, че кристалната решетка е изградена в горните слоеве на водата. На повърхността започват да се образуват микроскопични ледени пръчици. Малко по-късно те замръзват заедно. Благодарение на това на повърхността на водата се образува тънък филм. Замръзването на големите водни тела отнема много повече време в сравнение с неподвижната вода. Това се дължи на факта, че вятърът вълни и вълни повърхността на езеро, езеро или река.

Ледени палачинки

Учените направиха още едно наблюдение. Ако вълнението продължава при ниски температури, тогава най-тънките филми се събират в палачинки с диаметър около 30 см. След това те замръзват в един слой, чиято дебелина е най-малко 10 см. Нов слой лед замръзва отгоре и отдолу от ледените палачинки. Това създава плътна и издръжлива ледена покривка. Силата му зависи от вида: най-прозрачният лед ще бъде няколко пъти по-силен от белия лед. Еколозите са забелязали, че 5-сантиметров лед може да издържи теглото на възрастен човек. Слой от 10 см може да издържи лек автомобил, но трябва да се помни, че излизането на леда през есента и пролетта е много опасно.

Свойства на снега и леда

Физиците и химиците отдавна изучават свойствата на леда и водата. Най-известното и също важно свойство на леда за хората е способността му лесно да се топи дори при нулева температура. Но други физични свойства на леда също са важни за науката:

ледът е прозрачен, така че пропуска добре слънчевата светлина;
безцветност - ледът няма цвят, но може лесно да се оцвети с помощта на цветни добавки;
твърдост - ледените маси перфектно запазват формата си без никакви външни черупки;
течливостта е особено свойство на леда, присъщо на минерала само в някои случаи;
крехкост - парче лед може лесно да се разцепи без много усилия;
разцепване - ледът се чупи лесно в онези места, където е слят по кристалографска линия.

Лед: свойства на изместване и чистота

Ледът има висока степен на чистота в състава си, тъй като кристалната решетка не оставя свободно пространство за различни чужди молекули. Когато водата замръзне, тя измества различни примеси, които някога са били разтворени в нея. По същия начин можете да получите пречистена вода у дома.

Но някои вещества могат да забавят процеса на замръзване на водата. Например солта в морската вода. Ледът в морето се образува само при много ниски температури. Изненадващо, процесът на замразяване на водата всяка година е в състояние да поддържа самопречистване от различни примеси в продължение на много милиони години подред.

Тайните на сухия лед

Особеността на този лед е, че съдържа въглерод в състава си. Такъв лед се образува само при температура от -78 градуса, но се топи вече при -50 градуса. Сухият лед, чиито свойства ви позволяват да прескочите етапа на течности, незабавно произвежда пара при нагряване. Сухият лед, подобно на водния си аналог, няма миризма.

Знаете ли къде се използва сух лед? Благодарение на свойствата си, този минерал се използва при транспортиране на храна и лекарства на дълги разстояния. И гранулите от този лед могат да гасят огъня на бензина. Освен това, когато сухият лед се топи, той образува гъста мъгла, поради което се използва на снимачната площадка за създаване на специални ефекти. В допълнение към всичко по-горе, можете да вземете сух лед със себе си на походи и в гората. В крайна сметка, когато се разтопи, той отблъсква комари, различни вредители и гризачи.

Що се отнася до свойствата на снега, можем да наблюдаваме тази удивителна красота всяка зима. В крайна сметка всяка снежинка има формата на шестоъгълник - това е непроменено. Но освен шестоъгълната форма, снежинките могат да изглеждат различно. Образуването на всеки от тях се влияе от влажността на въздуха, атмосферното налягане и други природни фактори.

Свойствата на водата, снега и леда са невероятни. Важно е да знаете още няколко свойства на водата. Например, той е в състояние да приеме формата на съда, в който се излива. Когато водата замръзне, тя се разширява и също има памет. Той е в състояние да запомни заобикалящата го енергия и когато замръзне, "нулира" информацията, която е погълнал.

Разгледахме природния минерал - лед: свойства и неговите качества. Продължавайте да се занимавате с наука, това е много важно и полезно!