Vrsta kristalne rešetke leda. Heksagonalna tiranija

U hemijske interakcije ne ulaze pojedinačni atomi ili molekuli, već supstance.

Naš zadatak je da se upoznamo sa strukturom materije.

Na niskim temperaturama tvari su u stabilnom čvrstom stanju.

☼ Najčvršća supstanca u prirodi je dijamant. Smatra se kraljem svih dragulja i dragog kamenja. I samo njegovo ime na grčkom znači „neuništivo“. Na dijamante se dugo gledalo kao na čudesno kamenje. Vjerovalo se da osoba koja nosi dijamante ne poznaje želučane bolesti, nije pod utjecajem otrova, zadržava pamćenje i veselo raspoloženje do starosti i uživa kraljevsku naklonost.

☼ Dijamant koji je podvrgnut obradi nakita - rezanju, poliranju - naziva se dijamant.

Prilikom topljenja kao rezultat termičkih vibracija, redosled čestica se poremeti, one postaju pokretne, a priroda hemijske veze nije narušena. Dakle, ne postoje fundamentalne razlike između čvrstog i tečnog stanja.

Tečnost dobija tečnost (tj. sposobnost da poprimi oblik posude).

Tečni kristali

Tečni kristali su otkriveni krajem 19. veka, ali su proučavani u poslednjih 20-25 godina. Mnogi uređaji za prikaz moderne tehnologije, na primjer, neki elektronski satovi i mini-računari, rade na tekućim kristalima.

Općenito, riječi "tečni kristali" ne zvuče ništa manje neobično od "vrućeg leda". Međutim, u stvarnosti, led može biti i vruć, jer... pri pritisku većem od 10.000 atm. vodeni led se topi na temperaturama iznad 200 0 C. Neobičnost kombinacije "tečni kristali" je u tome što tečno stanje ukazuje na pokretljivost strukture, a kristal na strogo uređenost.

Ako se tvar sastoji od poliatomskih molekula izduženog ili lamelarnog oblika i asimetrične strukture, onda kada se topi, ovi molekuli su orijentirani na određeni način u odnosu jedan prema drugom (njihove dugačke osi su paralelne). U tom slučaju, molekuli se mogu slobodno kretati paralelno sa sobom, tj. sistem dobija svojstvo fluidnosti karakteristično za tečnost. Istovremeno, sistem zadržava uređenu strukturu, koja određuje svojstva karakteristična za kristale.

Velika pokretljivost takve konstrukcije omogućava njeno upravljanje kroz vrlo slabe utjecaje (toplinske, električne, itd.), tj. namjerno mijenjati svojstva tvari, uključujući i optička, uz vrlo mali utrošak energije, što se koristi u modernoj tehnologiji.

Vrste kristalnih rešetki

Bilo koja hemijska supstanca je formirana od velikog broja identičnih čestica koje su međusobno povezane.

Na niskim temperaturama, kada je toplotno kretanje teško, čestice su striktno orijentisane u prostoru i obliku kristalna rešetka.

Kristalna ćelija - Ovo struktura sa geometrijski ispravnim rasporedom čestica u prostoru.

U samoj kristalnoj rešetki razlikuju se čvorovi i internodalni prostor.

Ista supstanca u zavisnosti od uslova (str, t,...)postoje u različitim kristalnim oblicima (tj. imaju različite kristalne rešetke) - alotropske modifikacije koje se razlikuju po svojstvima.

Na primjer, poznate su četiri modifikacije ugljika: grafit, dijamant, karbin i lonsdaleit.

☼ Četvrta vrsta kristalnog ugljika, "lonsdaleit", malo je poznata. Otkriven je u meteoritima i dobijen umjetno, a njegova struktura se još uvijek proučava.

☼ Čađ, koks i drveni ugalj klasifikovani su kao amorfni ugljenični polimeri. Međutim, sada je postalo poznato da su to i kristalne supstance.

☼ Inače, u čađi su pronađene sjajne crne čestice, koje su nazvane "ugljikom ogledala". Zrcalni ugljik je hemijski inertan, otporan na toplotu, neotporan na gasove i tečnosti, ima glatku površinu i apsolutno je kompatibilan sa živim tkivima.

☼ Naziv grafit dolazi od italijanskog "graffito" - pišem, crtam. Grafit je tamno sivi kristal sa slabim metalnim sjajem i ima slojevitu rešetku. Pojedinačni slojevi atoma u kristalu grafita, međusobno relativno slabo povezani, lako se odvajaju jedan od drugog.

VRSTE KRISTALNIH REŠETKI

	jonski			metal
Ono što je u čvorovima kristalne rešetke, strukturna jedinica	joni	atomi	molekule	atoma i katjona
Vrsta hemijske veze između čestica čvora	jonski		kovalentne: polarne i nepolarne	metal
Interakcione sile između kristalnih čestica	elektrostatički logicno	kovalentna	intermolekularni- novo	elektrostatički logicno
Fizička svojstva zbog kristalne rešetke	· Privlačne sile između jona su jake, · T pl. (vatrostalna), · lako se rastvara u vodi, · talina i rastvor provode električnu struju, neisparljiv (bez mirisa)	· kovalentne veze između atoma su velike, · T pl. i T kip je vrlo, · ne rastvarati u vodi, · talina ne provodi električnu struju	· sile privlačenja između molekula su male, · T pl. ↓, neki su rastvorljivi u vodi, · imaju isparljiv miris	· sile interakcije su velike, · T pl. , Visoka toplotna i električna provodljivost
Agregatno stanje supstance u normalnim uslovima	teško	teško	teško, gasoviti tečnost	teško, tečnost (N g)
Primjeri	većina soli, alkalija, tipičnih metalnih oksida	C (dijamant, grafit), Si, Ge, B, SiO 2, CaC 2, SiC (karbound), BN, Fe 3 C, TaC (t pl. =3800 0 C) Crveni i crni fosfor. Oksidi nekih metala.	svi gasovi, tečnosti, većina nemetala: inertni gasovi, halogeni, H 2, N 2, O 2, O 3, P 4 (belo), S 8. Jedinjenja vodonika nemetala, oksidi nemetala: H 2 O, CO 2 "suhi led". Većina organskih jedinjenja.	Metali, legure

Ako je stopa rasta kristala niska nakon hlađenja, formira se staklasto stanje (amorfno).

1. Odnos između položaja elementa u periodnom sistemu i kristalne rešetke njegove jednostavne supstance.

Postoji bliska veza između položaja elementa u periodnom sistemu i kristalne rešetke njegove odgovarajuće elementarne supstance.

		grupa
				III				VII	VIII
P e R I O d								H 2
						N 2	O2	F 2
	III					P 4	S 8	Cl2
								BR 2
								I 2
Tip kristalna rešetka		metal					atomski	molekularni

Jednostavne supstance preostalih elemenata imaju metalnu kristalnu rešetku.

POPRAVLJATI

Proučite materijal sa predavanja i pismeno odgovorite na sljedeća pitanja u svojoj bilježnici:

1. Šta je kristalna rešetka?
2. Koje vrste kristalnih rešetki postoje?
3. Karakterizirajte svaki tip kristalne rešetke prema planu: Šta se nalazi u čvorovima kristalne rešetke, strukturna jedinica → Vrsta hemijske veze između čestica čvora → Interakcione sile između čestica kristala → Fizička svojstva zbog kristala rešetka → Agregatno stanje supstance u normalnim uslovima → Primeri

Izvršite zadatke na ovu temu:

1. Koju vrstu kristalne rešetke imaju sledeće supstance koje se široko koriste u svakodnevnom životu: voda, sirćetna kiselina (CH 3 COOH), šećer (C 12 H 22 O 11), kalijumovo đubrivo (KCl), rečni pesak (SiO 2) - topljenje tačka 1710 0 C , amonijak (NH 3), kuhinjska so? Donesite opći zaključak: po kojim svojstvima tvari se može odrediti tip njene kristalne rešetke?
2. Koristeći formule datih supstanci: SiC, CS 2, NaBr, C 2 H 2 - odredite vrstu kristalne rešetke (jonske, molekularne) svakog jedinjenja i na osnovu toga opišite fizička svojstva svake od četiri supstance .
   
3. Trener br. 1. "kristalne rešetke"
   
4. Trener br. 2. "Probni zadaci"
   
5. Test (samokontrola):

1) Supstance koje imaju molekularnu kristalnu rešetku, po pravilu:

a). vatrostalna i vrlo topljiva u vodi
b). topljiv i hlapljiv
V). Čvrsta i električno provodljiva
G). Toplotno provodljiv i plastičan

2) Koncept "molekula" nije primjenjivo u odnosu na strukturnu jedinicu supstance:

a). vode

b). kiseonik

V). dijamant

G). ozona

3) Atomska kristalna rešetka je karakteristična za:

a). aluminijum i grafit

b). sumpora i joda

V). silicijum oksid i natrijum hlorid

G). dijamant i bor

4) Ako je supstanca visoko rastvorljiva u vodi, ima visoku tačku topljenja i električno provodljiva, tada je njena kristalna rešetka:

A). molekularni

b). atomski

V). jonski

G). metal

Voda je poznata i neobična supstanca. Gotovo 3/4 površine naše planete zauzimaju okeani i mora. Tvrda voda - snijeg i led - pokriva 20% zemljišta. Klima planete zavisi od vode. To kažu geofizičari Zemlja bi se odavno ohladila i pretvorila u beživotni komad kamena, da nije bilo vode. Ima veoma visok toplotni kapacitet. Kada se zagreje, apsorbuje toplotu; hladi se, on ga daje. Zemljina voda upija i vraća mnogo topline i na taj način „izjednačava“ klimu. A ono što štiti Zemlju od kosmičke hladnoće su oni molekuli vode koji su rasuti u atmosferi – u oblacima iu obliku pare.

Voda je najmisterioznija supstanca u prirodi posle DNK, posjeduju jedinstvena svojstva koja ne samo da još uvijek nisu u potpunosti objašnjena, već su daleko od svih poznatih. Što se duže proučava, u njemu se otkriva više novih anomalija i misterija. Većina ovih anomalija koje omogućavaju život na Zemlji objašnjavaju se prisustvom vodikovih veza između molekula vode, koje su mnogo jače od van der Waalsovih sila privlačenja između molekula drugih supstanci, ali za red veličine slabije od ionskih i kovalentnih veze između atoma u molekulima. Iste vodonične veze prisutne su iu molekulu DNK.

Molekul vode (H 2 16 O) sastoji se od dva atoma vodika (H) i jednog atoma kiseonika (16 O). Ispostavilo se da su gotovo čitava raznolikost svojstava vode i neobičnost njihove manifestacije određena, u konačnici, fizičkom prirodom ovih atoma, načinom na koji su spojeni u molekulu i grupiranjem nastalih molekula.

Rice. Struktura molekula vode . Geometrijski dijagram (a), ravni model (b) i prostorna elektronska struktura (c) H2O monomera. Dva od četiri elektrona u vanjskoj ljusci atoma kisika sudjeluju u stvaranju kovalentnih veza s atomima vodika, a druga dva formiraju vrlo izdužene elektronske orbite, čija je ravan okomita na ravninu H-O-H.

Molekul vode H 2 O izgrađen je u obliku trougla: ugao između dve veze kiseonik-vodon je 104 stepena. Ali budući da se oba atoma vodika nalaze na istoj strani kisika, električni naboji u njemu su raspršeni. Molekula vode je polarna, što je razlog posebne interakcije između njenih različitih molekula. Atomi vodika u molekuli H 2 O, koji imaju djelomično pozitivan naboj, stupaju u interakciju s elektronima atoma kisika susjednih molekula. Ova hemijska veza se naziva vodonična veza. Ujedinjuje H 2 O molekule u jedinstvene saradnike prostorne strukture; ravan u kojoj se nalaze vodonične veze je okomita na ravan atoma istog molekula H 2 O. Interakcija između molekula vode prvenstveno objašnjava abnormalno visoke temperature njenog topljenja i ključanja. Mora se isporučiti dodatna energija da se olabave, a zatim unište vodonične veze. I ova energija je veoma značajna. Zbog toga je toplotni kapacitet vode tako visok.

Molekul vode sadrži dvije polarne kovalentne veze H–O. Nastaju zbog preklapanja dva jednoelektronska p - oblaka atoma kiseonika i jednoelektronskih S - oblaka dva atoma vodika.

U skladu sa elektronskom strukturom atoma vodika i kiseonika, molekul vode ima četiri elektronska para. Dva od njih učestvuju u stvaranju kovalentnih veza sa dva atoma vodika, tj. su obavezujuće. Druga dva elektronska para su slobodna - nevezujuća. Oni formiraju elektronski oblak. Oblak je heterogen - u njemu se mogu razlikovati pojedinačne koncentracije i razrjeđivanja.

Molekul vode ima četiri polna naboja: dva pozitivna i dva negativna. Pozitivni naboji su koncentrirani na atome vodika, budući da je kisik elektronegativniji od vodonika. Dva negativna pola dolaze od dva nevezana elektronska para kiseonika.

U jezgru kiseonika stvara se višak elektronske gustine. Unutrašnji elektronski par kiseonika ravnomerno uokviruje jezgro: shematski je predstavljen krugom sa centrom - jezgrom O 2. Četiri vanjska elektrona grupirana su u dva elektronska para koji gravitiraju prema jezgru, ali djelimično nisu kompenzirani. Šematski, ukupne elektronske orbitale ovih parova prikazane su u obliku elipsi izduženih iz zajedničkog centra - O 2- jezgra. Svaki od preostala dva elektrona u kisiku uparuje s jednim elektronom u vodiku. Ove pare takođe gravitiraju prema jezgru kiseonika. Stoga se jezgra vodika - protoni - ispostavi da su pomalo gola, a ovdje se uočava nedostatak elektronske gustoće.

Dakle, u molekuli vode postoje četiri pola naelektrisanja: dva negativna (višak elektronske gustine u oblasti jezgra kiseonika) i dva pozitivna (nedostatak elektronske gustine u dva jezgra vodonika). Radi veće jasnoće, možemo zamisliti da polovi zauzimaju vrhove deformiranog tetraedra, u čijem se središtu nalazi jezgro kisika.

Rice. Struktura molekula vode: a – ugao između O-H veza; b – lokacija polova punjenja; c – izgled elektronskog oblaka molekula vode.

Gotovo sferična molekula vode ima primjetno izražen polaritet, budući da su električni naboji u njemu raspoređeni asimetrično. Svaki molekul vode je minijaturni dipol sa visokim dipolnim momentom od 1,87 deBy. Debye je vansistemska jedinica električnog dipola 3,33564·10 30 C·m. Pod utjecajem vodenih dipola, međuatomske ili međumolekularne sile na površini tvari uronjene u nju oslabe se 80 puta. Drugim riječima, voda ima visoku dielektričnu konstantu, najveću od svih nama poznatih spojeva.

U velikoj mjeri zbog toga, voda se manifestira kao univerzalni rastvarač. Čvrste materije, tečnosti i gasovi su podložni dejstvu njegovog rastvaranja u ovom ili onom stepenu.

Specifični toplinski kapacitet vode je najveći od svih tvari. Osim toga, on je 2 puta veći od leda, dok se za većinu jednostavnih tvari (na primjer, metala) toplinski kapacitet praktički ne mijenja tokom procesa topljenja, a za tvari napravljene od poliatomskih molekula u pravilu se smanjuje tokom topljenja.

Takvo razumijevanje strukture molekula omogućava objašnjenje mnogih svojstava vode, posebno strukture leda. U kristalnoj rešetki leda, svaki molekul je okružen sa četiri druga. Na planarnoj slici to se može predstaviti na sljedeći način:

Veza između molekula se vrši preko atoma vodika. Pozitivno nabijeni atom vodika jedne molekule vode privlači negativno nabijeni atom kisika druge molekule vode. Ova veza se zove vodikova veza (označena je tačkama). Jačina vodonične veze je otprilike 15-20 puta slabija od kovalentne veze. Stoga se vodonična veza lako prekida, što se uočava, na primjer, tokom isparavanja vode.

Rice. lijevo - Vodikove veze između molekula vode

Struktura tekuće vode podsjeća na led. U tekućoj vodi, molekuli su također povezani jedni s drugima vodoničnim vezama, ali struktura vode je manje „kruta“ od leda. Zbog termičkog kretanja molekula u vodi, neke vodikove veze se prekidaju, a druge nastaju.

Rice. Kristalna rešetka leda. Molekuli vode H 2 O (crne kuglice) u njegovim čvorovima locirani su tako da svaki ima četiri „susjeda“.

Polaritet molekula vode i prisustvo djelimično nekompenziranih električnih naboja u njima dovodi do sklonosti grupiranju molekula u velike “zajednice” - saradnike. Ispostavilo se da samo voda u stanju pare u potpunosti odgovara formuli H2O. To su pokazali rezultati određivanja molekulske mase vodene pare. U temperaturnom rasponu od 0 do 100°C, koncentracija pojedinačnih (monomernih molekula) tekuće vode ne prelazi 1%. Svi ostali molekuli vode su kombinovani u asociate različitog stepena složenosti, a njihov sastav je opisan opštom formulom (H 2 O)x.

Direktan uzrok nastanka suradnika su vodikove veze između molekula vode. Oni nastaju između jezgri vodika nekih molekula i elektronskih „kondenzacija“ jezgara kisika drugih molekula vode. Istina, ove veze su desetine puta slabije od "standardnih" unutarmolekulskih kemijskih veza, a obični molekularni pokreti su dovoljni da ih unište. Ali pod utjecajem toplinskih vibracija, nove veze ovog tipa jednako lako nastaju. Nastanak i propadanje saradnika može se izraziti sledećim dijagramom:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Budući da orbitale elektrona u svakoj molekuli vode formiraju tetraedarsku strukturu, vodikove veze mogu urediti raspored molekula vode u tetraedarske koordinirane saradnike.

Većina istraživača objašnjava anomalno visok toplotni kapacitet tekuće vode činjenicom da kada se led topi, njegova kristalna struktura se ne urušava odmah. U tekućoj vodi, vodikove veze između molekula su očuvane. Ono što u njemu ostaje su fragmenti leda - saradnici većeg ili manjeg broja molekula vode. Međutim, za razliku od leda, svaki saradnik ne postoji dugo. Neprestano dolazi do uništavanja jednih i formiranja drugih saradnika. Pri svakoj vrijednosti temperature u vodi, u ovom procesu se uspostavlja vlastita dinamička ravnoteža. A kada se voda zagrije, dio topline se troši na razbijanje vodoničnih veza u saradnicima. U ovom slučaju, 0,26-0,5 eV se troši na prekid svake veze. Ovo objašnjava anomalno visok toplotni kapacitet vode u odnosu na taline drugih supstanci koje ne stvaraju vodonične veze. Prilikom zagrijavanja takvih talina energija se troši samo na prenošenje toplinskih kretanja njihovim atomima ili molekulama. Vodikove veze između molekula vode potpuno se prekidaju tek kada se voda pretvori u paru. O ispravnosti ovakvog gledišta govori i činjenica da se specifični toplotni kapacitet vodene pare na 100°C praktično poklapa sa specifičnim toplotnim kapacitetom leda na 0°C.

Slika ispod:

Osnovni strukturni element saradnika je klaster: Rice. Zaseban hipotetički klaster vode. Pojedinačni klasteri formiraju asociate molekula vode (H 2 O) x: Rice. Klasteri molekula vode formiraju saradnike.

Postoji još jedno gledište o prirodi anomalno visokog toplotnog kapaciteta vode. Profesor G.N. Zatsepina je primetio da je molarni toplotni kapacitet vode, koji iznosi 18 cal/(molgrad), potpuno jednak teoretskom molarnom toplotnom kapacitetu čvrste supstance sa troatomskim kristalima. A u skladu sa Dulongovim i Petitovim zakonom, atomski toplotni kapaciteti svih hemijski jednostavnih (monatomskih) kristalnih tela na dovoljno visokoj temperaturi su isti i jednaki su 6 calDmol o deg). A za triatomske, čiji gramol sadrži 3 N a mjesta kristalne rešetke, to je 3 puta više. (Ovdje je N a Avogadrov broj).

Iz toga slijedi da je voda takoreći kristalno tijelo koje se sastoji od triatomskih molekula H 2 0. Ovo odgovara uobičajenoj ideji o vodi kao mješavini kristalnih suradnika s malom primjesom slobodnih molekula vode H 2 O između njih, čiji se broj povećava sa porastom temperature. Sa ove tačke gledišta, ono što iznenađuje nije visok toplotni kapacitet tekuće vode, već nizak toplotni kapacitet čvrstog leda. Smanjenje specifičnog toplotnog kapaciteta vode tokom smrzavanja objašnjava se izostankom poprečnih toplotnih vibracija atoma u krutoj kristalnoj rešetki leda, gde svaki proton koji izaziva vodoničnu vezu ima samo jedan stepen slobode za termičke vibracije umesto tri.

Ali zbog čega i kako mogu nastati tako velike promjene u toplinskom kapacitetu vode bez odgovarajućih promjena tlaka? Da odgovorimo na ovo pitanje, hajde da se nađemo sa hipotezom kandidata geoloških i mineraloških nauka Yu. A. Kolyasnikova o strukturi vode.

On ističe da su otkrivači vodoničnih veza, J. Bernal i R. Fowler, 1932. godine upoređivali strukturu tekuće vode sa kristalnom strukturom kvarca, a oni gore navedeni saradnici su uglavnom 4H 2 0 tetrameri, u kojima se nalaze četiri molekuli vode povezani su u kompaktni tetraedar sa dvanaest unutrašnjih vodoničnih veza. Kao rezultat, formira se tetraedar.

Istovremeno, vodikove veze u ovim tetramerima mogu formirati i desni i levi niz, baš kao što kristali široko rasprostranjenog kvarca (Si0 2), koji takođe imaju tetraedarsku strukturu, dolaze u desno i levo rotacionom kristalu. forme. Budući da svaki takav vodeni tetramer također ima četiri neiskorištene vanjske vodikove veze (poput jedne molekule vode), tetrameri mogu biti povezani ovim vanjskim vezama u neku vrstu polimernih lanaca, poput molekula DNK. A budući da postoje samo četiri vanjske veze, a 3 puta više unutrašnjih, to omogućava teškim i jakim tetramerima u tekućoj vodi da se savijaju, okreću pa čak i prekidaju ove vanjske vodikove veze oslabljene toplinskim vibracijama. Ovo određuje fluidnost vode.

Voda, prema Kolyasnikovu, ima ovu strukturu samo u tečnom stanju i, moguće, djelimično u stanju pare. Ali u ledu, čija je kristalna struktura dobro proučena, tetrahidroli su međusobno povezani nefleksibilnim, jednako jakim direktnim vodikovim vezama u otvoreni okvir s velikim prazninama u njemu, što čini gustinu leda manjom od gustine vode. .

Rice. Kristalna struktura leda: molekule vode su povezane u pravilne šesterokute

Kada se led topi, neke od vodikovih veza u njemu slabe i savijaju se, što dovodi do restrukturiranja strukture u gore opisane tetramere i čini tečnu vodu gušću od leda. Na 4°C dolazi do stanja kada su sve vodikove veze između tetramera maksimalno savijene, što određuje maksimalnu gustoću vode na ovoj temperaturi. Nema kuda dalje veze.

Na temperaturama iznad 4°C, pojedinačne veze između tetramera počinju da se kidaju, a na 36-37°C polovina spoljašnjih vodoničnih veza se raskida. Ovo određuje minimum na krivulji specifičnog toplotnog kapaciteta vode u odnosu na temperaturu. Na temperaturi od 70°C prekidaju se gotovo sve intertetramerne veze, a uz slobodne tetramere u vodi ostaju samo kratki fragmenti njihovih “polimernih” lanaca. Konačno, kada voda proključa, dolazi do konačnog raspada sada već pojedinačnih tetramera na pojedinačne molekule H 2 0. A činjenica da je specifična toplota isparavanja vode tačno 3 puta veća od zbira specifičnih toplota topljenja leda i naknadnog zagrevanja vode do 100 °C potvrđuje Kolyasnikovovu pretpostavku O. da je broj unutrašnjih veza u tetrameru 3 puta veći od broja vanjskih.

Ova tetraedarsko spiralna struktura vode može biti posljedica njene drevne reološke veze s kvarcom i drugim mineralima silicijum-kiseonika koji prevladavaju u zemljinoj kori, iz čijih se dubina nekada pojavila voda na Zemlji. Kao što mali kristal soli uzrokuje da otopina koja ga okružuje kristalizira u slične kristale, a ne u druge, tako je kvarc uzrokovao da se molekule vode postroje u tetraedarske strukture, koje su energetski najpovoljnije. A u našoj eri, u Zemljinoj atmosferi, vodena para, kondenzirajući se u kapljice, formira takvu strukturu jer atmosfera uvijek sadrži sitne kapljice vode u aerosolu koje već imaju ovu strukturu. Oni su centri kondenzacije vodene pare u atmosferi. Ispod su moguće lančane silikatne strukture zasnovane na tetraedru, koji se takođe može sastojati od vodenih tetraedara.

Rice. Elementarni pravilni silicijum-kiseonički tetraedar SiO 4 4-.

Rice. Elementarne silicijum-kiseoničke jedinice-ortogrupe SiO 4 4- u strukturi Mg-piroksen enstatita (a) i diorto grupe Si 2 O 7 6- u Ca-piroksenoidnom volastonitu (b).

Rice. Najjednostavniji tipovi ostrvskih silicijum-kiseonik anjonskih grupa: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Rice. u nastavku - Najvažnije vrste anjonskih grupa silicijum-kiseoničkog lanca (prema Belovu): a-metagermanat, b - piroksen, c - batizit, d-volastonit, d-vlasovit, e-melilit, f-rodonit, z-piroksmangit , i-metafosfat, k - fluoroberilat, l - barilit.

Rice. ispod - Kondenzacija piroksen silicijum-kiseonik anjona u saćasti dvoredni amfibol (a), troredni amfibol sličan (b), slojeviti talk i srodne anjone (c).

Rice. u nastavku - Najvažnije vrste trakastih silicijum-kiseoničkih grupa (prema Belovu): a - silimanit, amfibol, ksonotlit; b-epididimitis; β-ortoklaz; g-narsarsukit; d-fenacit prizmatični; e-euclase intarted.

Rice. desno - Fragment (elementarni paket) slojevite kristalne strukture muskovita KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, koji ilustruje međuslojnost mreža aluminijum-silicijum-kiseonik sa poliedarskim slojevima velikih aluminijumskih i kalijum katjona, koji podsećaju na lanac DNK.

Mogući su i drugi modeli strukture vode. Tetraedarski vezane molekule vode formiraju neobične lance prilično stabilnog sastava. Istraživači otkrivaju sve suptilnije i složenije mehanizme „unutrašnje organizacije“ vodene mase. Pored strukture nalik ledu, tekuće vode i molekula monomera, opisan je i treći element strukture - ne-tetraedarski.

Određeni dio molekula vode nije povezan u trodimenzionalne okvire, već u linearne prstenaste asocijacije. Prstenovi, kada se grupišu, formiraju još složenije komplekse saradnika.

Dakle, voda teoretski može formirati lance, poput molekula DNK, o čemu će biti riječi u nastavku. Još jedna zanimljiva stvar u vezi sa ovom hipotezom je da ona implicira jednaku vjerovatnoću postojanja desno i lijevo vode. Ali biolozi su odavno primijetili da se u biološkim tkivima i strukturama primjećuju samo lijevo ili desnoruke formacije. Primjer za to su proteinski molekuli, izgrađeni samo od ljevorukih aminokiselina i uvijeni samo u lijevoj spirali. Ali šećeri u prirodi su svi dešnjaci. Nitko još nije uspio objasniti zašto u živoj prirodi postoji tolika preferencija lijevog u nekim slučajevima, a desnog u drugim. Zaista, u neživoj prirodi, i desnoruki i lijevoruki molekuli se nalaze s jednakom vjerovatnoćom.

Prije više od stotinu godina, poznati francuski prirodnjak Louis Pasteur otkrio je da su organska jedinjenja u biljkama i životinjama optički asimetrična - rotiraju ravninu polarizacije svjetlosti koja pada na njih. Sve aminokiseline koje čine životinje i biljke rotiraju ravninu polarizacije ulijevo, a svi šećeri udesno. Ako sintetiziramo spojeve istog kemijskog sastava, onda će svaki od njih sadržavati jednak broj lijevo i desnorukih molekula.

Kao što znate, svi živi organizmi sastoje se od proteina, a oni su, zauzvrat, napravljeni od aminokiselina. Kombinacijom jedne s drugom u različitim sekvencama, aminokiseline formiraju dugačke peptidne lance koji se spontano "uvijaju" u složene proteinske molekule. Kao i mnoga druga organska jedinjenja, aminokiseline imaju kiralnu simetriju (od grčkog chiros - ruka), odnosno mogu postojati u dva zrcalno simetrična oblika nazvana "enantiomeri". Takvi molekuli su slični jedni drugima, poput lijeve i desne ruke, pa se nazivaju D- i L-molekuli (od latinskog dexter, laevus - desno i lijevo).

Zamislimo sada da je medij sa lijevim i desnim molekulima prešao u stanje sa samo lijevim ili samo desnim molekulima. Stručnjaci takvo okruženje nazivaju hiralno (od grčke riječi "cheira" - ruka) uređenim. Samoreprodukcija živih bića (biopoeza - kako je definirao D. Bernal) mogla je nastati i održati se samo u takvom okruženju.

Rice. Zrcalna simetrija u prirodi

Drugi naziv za molekule enantiomera - "desnorotirajući" i "levorotirajući" - dolazi od njihove sposobnosti da rotiraju ravan polarizacije svjetlosti u različitim smjerovima. Ako se kroz otopinu takvih molekula propušta linearno polarizirana svjetlost, ravan njene polarizacije se rotira: u smjeru kazaljke na satu ako su molekuli u otopini desnoruki, i suprotno ako su molekuli u otopini lijevo. A u mješavini jednakih količina D- i L-forma (nazvanih "racemat"), svjetlost će zadržati svoju originalnu linearnu polarizaciju. Ovo optičko svojstvo kiralnih molekula prvi je otkrio Louis Pasteur 1848.

Zanimljivo je da se gotovo svi prirodni proteini sastoje samo od ljevorukih aminokiselina. Ova činjenica je utoliko više iznenađujuća jer sinteza aminokiselina u laboratorijskim uvjetima proizvodi približno isti broj desno i lijevog molekula. Ispostavilo se da ovu osobinu imaju ne samo aminokiseline, već i mnoge druge tvari važne za žive sisteme, a svaka ima strogo definiran znak zrcalne simetrije u cijeloj biosferi. Na primjer, šećeri koji su dio mnogih nukleotida, kao i nukleinske kiseline DNK i RNK, predstavljeni su u tijelu isključivo desnim D-molekulama. Iako su fizička i hemijska svojstva „zrcalnih antipoda” ista, njihova fiziološka aktivnost u organizmima je drugačija: L-kaksara se ne apsorbuje, L-fenilalanin, za razliku od svojih bezopasnih D-molekula, izaziva mentalne bolesti itd.

Prema modernim idejama o nastanku života na Zemlji, izbor određene vrste zrcalne simetrije od strane organskih molekula poslužio je kao glavni preduvjet za njihov opstanak i kasniju samoreprodukciju. Međutim, pitanje kako i zašto je došlo do evolucijske selekcije jednog ili onog zrcalnog antipoda i dalje ostaje jedna od najvećih misterija nauke.

Sovjetski naučnik L. L. Morozov je dokazao da se prelazak na kiralni poredak ne može dogoditi evolucijski, već samo uz neku specifičnu oštru faznu promjenu. Akademik V.I. Goldansky je ovu tranziciju, zahvaljujući kojoj je nastao život na Zemlji, nazvao kiralnom katastrofom.

Kako su nastali uslovi za faznu katastrofu koja je izazvala kiralnu tranziciju?

Najvažnije je da su se organska jedinjenja topila na 800-1000 0C u zemljinoj kori, a gornja su se hladila do temperature svemira, odnosno apsolutne nule. Temperaturna razlika je dostigla 1000 °C. U takvim uslovima, organski molekuli su se topili pod uticajem visoke temperature i čak su bili potpuno uništeni, a vrh je ostao hladan dok su organski molekuli bili zamrznuti. Gasovi i vodena para koji su iscurili iz zemljine kore promijenili su hemijski sastav organskih jedinjenja. Plinovi su nosili toplinu sa sobom, uzrokujući da se linija topljenja organskog sloja pomiče gore-dolje, stvarajući gradijent.

Pri vrlo niskim atmosferskim pritiscima voda je bila na površini zemlje samo u obliku pare i leda. Kada je pritisak dostigao takozvanu trostruku tačku vode (0,006 atmosfera), voda je po prvi put mogla da postoji u obliku tečnosti.

Naravno, samo se eksperimentalno može dokazati šta je tačno izazvalo kiralnu tranziciju: zemaljski ili kosmički razlozi. Ali na ovaj ili onaj način, u nekom trenutku, kiralno uređene molekule (naime, levorotirajuće aminokiseline i desnorotirajući šećeri) su se pokazale stabilnijima i počelo je nezaustavljivo povećanje njihovog broja - kiralna tranzicija.

Kronika planete također govori da u to vrijeme na Zemlji nije bilo planina ili udubljenja. Poluotopljena granitna kora predstavljala je površinu glatku kao nivo modernog okeana. Međutim, unutar ove ravnice još su postojale depresije zbog neravnomjerne raspodjele masa unutar Zemlje. Ova smanjenja su odigrala izuzetno važnu ulogu.

Činjenica je da su udubljenja s ravnim dnom prečnika stotinama, pa čak i hiljadama kilometara i duboka ne više od sto metara, vjerovatno postala kolevka života. Uostalom, voda koja se skupila na površini planete tekla je u njih. Voda je razrijedila kiralna organska jedinjenja u sloju pepela. Hemijski sastav jedinjenja se postepeno menjao, a temperatura se stabilizovala. Prijelaz iz beživotnog u živo, koji je započeo u bezvodnim uvjetima, nastavio se u vodenoj sredini.

Da li je ovo zaplet o nastanku života? Najvjerovatnije da. U geološkom dijelu Isue (Zapadni Grenland), starom 3,8 milijardi godina, pronađena su jedinjenja nalik benzinu i nafti sa omjerom izotopa C12/C13 karakterističnim za ugljik fotosintetskog porijekla.

Ako se potvrdi biološka priroda ugljičnih spojeva iz sekcije Isua, onda se ispostavlja da je čitav period nastanka života na Zemlji - od pojave kiralne organske tvari do pojave ćelije sposobne za fotosintezu i reprodukciju - bio završeno za samo sto miliona godina. A molekuli vode i DNK igrali su veliku ulogu u ovom procesu.

Najnevjerovatnija stvar u vezi sa strukturom vode je da molekuli vode na niskim negativnim temperaturama i visokim pritiscima unutar nanocijevi mogu kristalizirati u oblik dvostruke spirale, koji podsjeća na DNK. To su dokazali kompjuterski eksperimenti američkih naučnika predvođenih Xiao Cheng Zengom na Univerzitetu Nebraska (SAD).

DNK je dvostruki lanac uvijen u spiralu. Svaka nit se sastoji od "cigli" - nukleotida povezanih u seriju. Svaki nukleotid DNK sadrži jednu od četiri azotne baze - gvanin (G), adenin (A) (purini), timin (T) i citozin (C) (pirimidini), povezane sa dezoksiribozom, a potonji, zauzvrat, fosfat grupa je u prilogu. Susedni nukleotidi su međusobno povezani u lancu fosfodiestarskom vezom koju formiraju 3"-hidroksil (3"-OH) i 5"-fosfatne grupe (5"-PO3). Ovo svojstvo određuje prisustvo polariteta u DNK, tj. suprotnim smjerovima, odnosno krajevima od 5" i 3": kraj od 5" jednog konca odgovara kraju od 3" drugog konca. Niz nukleotida vam omogućava da "kodirate" informacije o različitim tipovima RNK, od kojih su najvažniji glasnik ili šablon (mRNA), ribosomalna (rRNA) i transportna (tRNA). Sve ove vrste RNK se sintetišu na DNK šablonu kopiranjem sekvence DNK u sekvencu RNK koja se sintetiše tokom transkripcije i učestvuju u najvažnijem procesu života – prenosu i kopiranju informacija (translaciji).

Primarna struktura DNK je linearna sekvenca nukleotida DNK u lancu. Niz nukleotida u lancu DNK ispisan je u obliku slovne formule DNK: na primjer - AGTCATGCCAG, unos se vrši od 5" do 3" kraja DNK lanca.

Sekundarna struktura DNK nastaje zbog interakcije nukleotida (uglavnom azotnih baza) međusobno, vodoničnih veza. Klasičan primjer sekundarne strukture DNK je dvostruka spirala DNK. Dvostruka spirala DNK je najčešći oblik DNK u prirodi, koji se sastoji od dva polinukleotidna lanca DNK. Izgradnja svakog novog lanca DNK odvija se po principu komplementarnosti, tj. Svaka dušična baza jednog lanca DNK odgovara strogo definiranoj bazi drugog lanca: u komplementarnom paru, nasuprot A je T, a nasuprot G je C, itd.

Da bi voda formirala ovakvu spiralu, u simuliranom eksperimentu je “stavljena” u nanocijevi pod visokim pritiskom, varirajući u različitim eksperimentima od 10 do 40.000 atmosfera. Nakon toga je podešena temperatura koja je imala vrijednost od -23°C. Margina u odnosu na tačku smrzavanja vode napravljena je zbog činjenice da se s povećanjem pritiska temperatura topljenja vodenog leda smanjuje. Prečnik nanocevi se kretao od 1,35 do 1,90 nm.

Rice. Opšti pogled na strukturu vode (slika New Scientist)

Molekuli vode su međusobno povezani vodoničnim vezama, udaljenost između atoma kiseonika i vodonika je 96 pm, a između dva vodonika - 150 pm. U čvrstom stanju, atom kiseonika učestvuje u formiranju dve vodikove veze sa susednim molekulima vode. U ovom slučaju, pojedinačni H 2 O molekuli dolaze u kontakt jedni s drugima sa suprotnim polovima. Tako se formiraju slojevi u kojima je svaki molekul povezan s tri molekula svog sloja i jednim iz susjednog. Kao rezultat toga, kristalna struktura leda sastoji se od heksagonalnih "cijevi" međusobno povezanih poput saća.

Rice. Unutrašnji zid vodene strukture (slika New Scientist)

Naučnici su očekivali da će vidjeti da voda u svim slučajevima formira tanku cjevastu strukturu. Međutim, model je pokazao da su pri promjeru cijevi od 1,35 nm i pritisku od 40 000 atmosfera, vodonične veze bile savijene, što je dovelo do formiranja spirale s dvostrukom stijenkom. Unutrašnji zid ove strukture je četverostruka spirala, a vanjski zid se sastoji od četiri dvostruke spirale, slične strukturi molekule DNK.

Posljednja činjenica ostavlja trag ne samo na evoluciju naših ideja o vodi, već i na evoluciju ranog života i samog molekula DNK. Ako pretpostavimo da su u doba nastanka života kriolitne glinene stijene imale oblik nanocijevi, postavlja se pitanje: da li voda koja se u njima sorbira može poslužiti kao strukturna osnova (matrica) za sintezu DNK i čitanje informacija? Možda je to razlog zašto spiralna struktura DNK ponavlja spiralnu strukturu vode u nanocijevi. Kako prenosi magazin New Scientist, sada će naše strane kolege morati da potvrde postojanje ovakvih makromolekula vode u realnim eksperimentalnim uslovima pomoću infracrvene spektroskopije i spektroskopije raspršenja neutrona.

dr.sc. O.V. Mosin

Ice- mineral sa hemikalijom formula H 2 O, predstavlja vodu u kristalnom stanju.
Hemijski sastav leda: H - 11,2%, O - 88,8%. Ponekad sadrži plinovite i čvrste mehaničke nečistoće.
U prirodi je led uglavnom predstavljen jednom od nekoliko kristalnih modifikacija, stabilnih u temperaturnom rasponu od 0 do 80°C, sa tačkom topljenja od 0°C. Postoji 10 poznatih kristalnih modifikacija leda i amorfnog leda. Najviše proučavan je led 1. modifikacije - jedina modifikacija pronađena u prirodi. Led se u prirodi nalazi u obliku samog leda (kontinentalni, plutajući, podzemni itd.), kao i u obliku snijega, mraza itd.

Vidi također:

STRUKTURA

Kristalna struktura leda je slična strukturi: svaki molekul H 2 0 okružen je sa četiri najbliža molekula, smještena na jednakoj udaljenosti od njega, jednakoj 2,76Α i smještena na vrhovima pravilnog tetraedra. Zbog niskog koordinacionog broja, struktura leda je otvorena, što utiče na njegovu gustinu (0,917). Led ima heksagonalnu prostornu rešetku i nastaje smrzavanjem vode na 0°C i atmosferskom pritisku. Rešetka svih kristalnih modifikacija leda ima tetraedarsku strukturu. Parametri jedinične ćelije leda (pri t 0°C): a=0,45446 nm, c=0,73670 nm (c je dvostruko rastojanje između susednih glavnih ravnina). Kada temperatura padne, oni se vrlo malo mijenjaju. Molekuli H 2 0 u rešetki leda su međusobno povezani vodoničnim vezama. Mobilnost atoma vodika u ledenoj rešetki je mnogo veća od pokretljivosti atoma kisika, zbog čega molekuli mijenjaju svoje susjede. U prisustvu značajnih vibracionih i rotacionih kretanja molekula u ledenoj rešetki, dolazi do translacionih skokova molekula sa mesta njihove prostorne veze, narušavajući dalji red i formiranje dislokacija. To objašnjava ispoljavanje specifičnih reoloških svojstava u ledu, koje karakteriziraju odnos između nepovratnih deformacija (tečenja) leda i napona koji su ih izazvali (plastičnost, viskoznost, granica popuštanja, puzanje, itd.). Zbog ovih okolnosti, glečeri teku slično visoko viskoznim tečnostima, pa prirodni led aktivno učestvuje u kruženju vode na Zemlji. Kristali leda su relativno velike veličine (poprečna veličina od frakcija milimetra do nekoliko desetina centimetara). Karakterizira ih anizotropija koeficijenta viskoznosti, čija vrijednost može varirati za nekoliko redova veličine. Kristali su sposobni da se preorijentišu pod uticajem opterećenja, što utiče na njihovu metamorfizaciju i brzinu protoka glečera.

NEKRETNINE

Led je bezbojan. U velikim grozdovima poprima plavkastu nijansu. Sjaj stakla. Transparent. Nema dekoltea. Tvrdoća 1.5. Fragile. Optički pozitivan, indeks loma vrlo nizak (n = 1,310, nm = 1,309). U prirodi je poznato 14 modifikacija leda. Istina, sve osim poznatog leda, koji kristališe u heksagonalnom sistemu i označava se kao led I, nastaje u egzotičnim uslovima - na veoma niskim temperaturama (oko -110150 0C) i visokim pritiscima, kada se uglovi vodoničnih veza u vodi molekula se mijenja i formiraju se sistemi, različiti od heksagonalnih. Takvi uslovi podsećaju na one u svemiru i ne dešavaju se na Zemlji. Na primjer, na temperaturama ispod –110 °C, vodena para se taloži na metalnoj ploči u obliku oktaedara i kocki veličine nekoliko nanometara - to je takozvani kubični led. Ako je temperatura malo iznad –110 °C, a koncentracija pare vrlo niska, na ploči se formira sloj izuzetno gustog amorfnog leda.

MORFOLOGIJA

Led je veoma čest mineral u prirodi. U zemljinoj kori postoji nekoliko vrsta leda: riječni, jezerski, morski, prizemni, firn i glečer. Češće formira agregatne klastere finih kristalnih zrna. Poznate su i formacije kristalnog leda koje nastaju sublimacijom, odnosno direktno iz stanja pare. U tim slučajevima led se pojavljuje kao skeletni kristali (pahulje) i agregati skeletnog i dendritskog rasta (pećinski led, inje, inje i šare na staklu). Nalaze se veliki dobro rezani kristali, ali vrlo rijetko. N. N. Stulov je opisao kristale leda u sjeveroistočnom dijelu Rusije, pronađene na dubini od 55-60 m od površine, izometrijskog i stubastog izgleda, a dužina najvećeg kristala bila je 60 cm, a prečnik njegove osnove bio je 15 cm Od jednostavnih oblika na kristalima leda identificirana su samo lica heksagonalne prizme (1120), heksagonalne bipiramide (1121) i pinakoida (0001).
Ledeni stalaktiti, kolokvijalno nazvani "ledenice", poznati su svima. Sa temperaturnim razlikama od oko 0° u jesensko-zimskom periodu, rastu svuda na površini Zemlje uz polagano smrzavanje (kristalizaciju) tekuće i kapajuće vode. Česte su i u ledenim pećinama.
Ledene obale su trake ledenog pokrivača napravljene od leda koji se kristalizira na granici voda-vazduh duž rubova akumulacija i graniči se s rubovima lokva, obala rijeka, jezera, bara, akumulacija itd. s tim da se ostatak vodenog prostora ne smrzava. Kada se potpuno srastu, na površini rezervoara se formira neprekidni ledeni pokrivač.
Led također formira paralelne stupaste agregate u obliku vlaknastih žila u poroznim tlima i ledene antoliti na njihovoj površini.

PORIJEKLO

Led se uglavnom formira u bazenima kada temperatura zraka padne. Istovremeno se na površini vode pojavljuje ledena kaša sastavljena od ledenih iglica. Odozdo na njemu rastu dugi kristali leda čije su osi simetrije šestog reda smještene okomito na površinu kore. Odnosi između kristala leda u različitim uslovima formiranja prikazani su na Sl. Led je uobičajen svuda gdje ima vlage i gdje temperatura padne ispod 0° C. U nekim područjima, prizemni led se otapa samo do male dubine, ispod koje počinje vječni led. To su takozvana područja permafrosta; U područjima rasprostranjenosti permafrosta u gornjim slojevima zemljine kore nalazi se takozvani podzemni led, među kojima se izdvajaju moderni i fosilni podzemni led. Najmanje 10% ukupne površine Zemlje prekriveno je glečerima; monolitna ledena stijena koja ih čini naziva se glacijalni led. Glacijalni led nastaje prvenstveno od akumulacije snijega kao rezultat njegovog zbijanja i transformacije. Ledeni pokrivač pokriva oko 75% Grenlanda i gotovo cijeli Antarktik; najveća debljina glečera (4330 m) nalazi se u blizini stanice Byrd (Antarktik). U centralnom Grenlandu debljina leda dostiže 3200 m.
Ledene naslage su dobro poznate. U područjima sa hladnim, dugim zimama i kratkim ljetima, kao iu visokim planinskim predjelima, formiraju se ledene pećine sa stalaktitima i stalagmitima, među kojima su najzanimljivije Kungurskaya u Permskoj oblasti na Uralu, kao i pećina Dobshine u Slovakia.
Kada se morska voda zamrzne, formira se morski led. Karakteristična svojstva morskog leda su salinitet i poroznost, koji određuju raspon njegove gustine od 0,85 do 0,94 g/cm 3 . Zbog tako male gustine, ledene plohe se uzdižu iznad površine vode za 1/7-1/10 svoje debljine. Morski led počinje da se topi na temperaturama iznad -2,3°C; elastičniji je i teže se razbiti na komade od slatkovodnog leda.

PRIMJENA

Krajem 1980-ih, laboratorija u Argonneu razvila je tehnologiju za pravljenje ledene kaše koja može slobodno teći kroz cijevi različitih promjera bez nakupljanja u naslagama leda, lijepljenja ili začepljenja rashladnih sistema. Suspenzija slane vode sastojala se od mnogo vrlo malih kristala leda okruglog oblika. Zahvaljujući tome održava se pokretljivost vode, a istovremeno, sa stanovišta termotehnike, predstavlja led koji je 5-7 puta efikasniji od obične hladne vode u rashladnim sistemima zgrada. Osim toga, takve mješavine su obećavajuće za medicinu. Eksperimenti na životinjama pokazali su da mikrokristali ledene mješavine savršeno prolaze u prilično male krvne žile i ne oštećuju stanice. “Ledena krv” produžava vrijeme tokom kojeg se žrtva može spasiti. Recimo, u slučaju srčanog zastoja, ovo vrijeme se produžava, prema konzervativnim procjenama, sa 10-15 na 30-45 minuta.
Upotreba leda kao konstrukcijskog materijala rasprostranjena je u polarnim područjima za izgradnju stambenih objekata - iglua. Led je dio Pikerit materijala koji je predložio D. Pike, od kojeg je predloženo da se napravi najveći svjetski nosač aviona.

Led - H 2 O

KLASIFIKACIJA

Strunz (8. izdanje)	4/A.01-10
Nickel-Strunz (10. izdanje)	4.AA.05
Dana (8. izdanje)	4.1.2.1
Hej, CIM Ref.	7.1.1

Kristalna struktura leda: molekuli vode su povezani u pravilne šesterokute Kristalna rešetka leda: Molekuli vode H 2 O (crne kuglice) u svojim čvorovima su raspoređeni tako da svaki ima četiri susjeda. Molekul vode (centar) je vezan za svoja četiri najbliža susjedna molekula vodoničnim vezama. Led je kristalna modifikacija vode. Prema posljednjim podacima, led ima 14 strukturnih modifikacija. Među njima postoje i kristalne (većina njih) i amorfne modifikacije, ali se sve međusobno razlikuju po relativnom rasporedu molekula vode i svojstvima. Istina, sve osim poznatog leda, koji kristališe u heksagonalnom sistemu, nastaje u egzotičnim uslovima pri veoma niskim temperaturama i visokim pritiscima, kada se menjaju uglovi vodoničnih veza u molekulu vode i formiraju sistemi koji nisu heksagonalni. Takvi uslovi podsećaju na one u svemiru i ne dešavaju se na Zemlji. Na primjer, na temperaturama ispod –110 °C, vodena para se taloži na metalnoj ploči u obliku oktaedara i kocki veličine nekoliko nanometara – takozvani kubni led. Ako je temperatura malo iznad –110 °C, a koncentracija pare vrlo niska, na ploči se formira sloj izuzetno gustog amorfnog leda. Najneobičnije svojstvo leda je njegova nevjerovatna raznolikost vanjskih manifestacija. Sa istom kristalnom strukturom, može izgledati potpuno drugačije, u obliku prozirnog tuče i ledenica, pahuljica pahuljastog snijega, guste sjajne kore leda ili džinovskih glacijalnih masa.

Pahulja je pojedinačni kristal leda - vrsta heksagonalnog kristala, ali onaj koji je brzo rastao u neravnotežnim uslovima. Naučnici se vekovima bore sa tajnom njihove lepote i beskrajne raznolikosti. Život pahuljice počinje formiranjem kristalnih jezgri leda u oblaku vodene pare kako temperatura pada. Središte kristalizacije mogu biti čestice prašine, bilo koje čvrste čestice ili čak ioni, ali u svakom slučaju ovi komadi leda manji od jedne desetine milimetra već imaju heksagonalnu kristalnu rešetku.Vodena para, kondenzirajući se na površini ovih jezgra, prvo formira sićušnu šestougaonu prizmu, iz čijih šest uglova počinje rasti identične ledene iglice, bočne izdanke, jer temperatura i vlažnost oko embriona su takođe iste. Na njima, pak, rastu bočni izdanci grana, kao na drvetu. Takvi kristali se nazivaju dendriti, odnosno slični drvetu. Krećući se gore-dole u oblaku, pahulja se susreće sa uslovima sa različitim temperaturama i koncentracijama vodene pare. Njegov oblik se mijenja, poštujući zakone heksagonalne simetrije do posljednjeg. Tako pahulje postaju drugačije. Do sada nije bilo moguće pronaći dvije identične pahulje.

Boja leda ovisi o njegovoj starosti i može se koristiti za procjenu njegove snage. Okeanski led je bijel u prvoj godini života jer je zasićen mjehurićima zraka sa čijih se zidova svjetlost odmah odbija, a da se ne apsorbira. Ljeti se površina leda topi, gubi snagu, a pod težinom novih slojeva koji leže na vrhu, mjehurići zraka se skupljaju i potpuno nestaju. Svjetlost unutar leda putuje dužom putanjom nego prije i pojavljuje se kao plavkasto-zelena nijansa. Plavi led je stariji, gušći i jači od bijelog “pjenastog” leda zasićenog zrakom. Polarni istraživači to znaju i biraju pouzdane plave i zelene ledene plohe za svoje plutajuće baze, istraživačke stanice i ledene aerodrome. Postoje crni santi leda. Prvi novinski izvještaj o njima pojavio se 1773. godine. Crna boja santi leda uzrokovana je djelovanjem vulkana - led je prekriven debelim slojem vulkanske prašine, koju ne ispire čak ni morska voda. Led nije jednako hladan. Postoji veoma hladan led, sa temperaturom od oko minus 60 stepeni, ovo je led nekih antarktičkih glečera. Led grenlandskih glečera je mnogo topliji. Temperatura mu je oko minus 28 stepeni. Na vrhovima Alpa i skandinavskih planina leži veoma „topli led“ (sa temperaturom od oko 0 stepeni).

Gustina vode je maksimalna na +4 C i iznosi 1 g/ml, a opada sa padom temperature. Kada voda kristalizira, gustina naglo opada, za led je jednaka 0,91 g/cm3. Zbog toga je led lakši od vode i kada se rezervoari smrzavaju, led se nakuplja na vrhu, a na dnu rezervoara je gušća voda sa temperaturom od 4 ̊ C. Slaba toplotna provodljivost leda i Snježni pokrivač koji ga pokriva štiti rezervoare od smrzavanja do dna i na taj način stvara uslove za život stanovnika akumulacija zimi.

Glečeri, ledeni pokrivači, permafrost i sezonski snježni pokrivač značajno utiču na klimu velikih regija i planete u cjelini: čak i oni koji nikada nisu vidjeli snijeg osjećaju dah njegovih masa nakupljenih na Zemljinim polovima, na primjer, u obliku dugoročnih kolebanja nivoa Svetskog okeana. Led je toliko važan za izgled naše planete i udobnog staništa živih bića na njemu da su naučnici za njega izdvojili posebno okruženje - kriosferu, koja svoj domen proteže visoko u atmosferu i duboko u zemljinu koru. Prirodni led je obično mnogo čistiji od vode, jer... rastvorljivost supstanci (osim NH4F) u ledu je izuzetno niska. Ukupne rezerve leda na Zemlji iznose oko 30 miliona km 3. Većina leda je koncentrisana na Antarktiku, gdje debljina njegovog sloja dostiže 4 km.

Danas ćemo govoriti o svojstvima snijega i leda. Vrijedno je pojasniti da se led ne formira samo iz vode. Osim vodenog leda, tu su i amonijačni i metanski led. Ne tako davno, naučnici su izmislili suvi led. Njegova svojstva su jedinstvena, razmotrit ćemo ih malo kasnije. Nastaje kada se ugljični dioksid zamrzne. Suhi led je dobio ime po tome što kada se topi ne ostavlja lokve. Ugljični dioksid koji se nalazi u njemu odmah isparava u zrak iz svog smrznutog stanja.

Definicija leda

Prije svega, pogledajmo izbliza led koji se dobiva iz vode. Unutar njega se nalazi redovna kristalna rešetka. Led je uobičajen prirodni mineral koji nastaje kada se voda smrzava. Jedan molekul ove tečnosti vezuje se za četiri obližnja. Naučnici su primijetili da je takva unutrašnja struktura svojstvena raznim dragim kamenjem, pa čak i mineralima. Na primjer, dijamant, turmalin, kvarc, korund, beril i drugi imaju ovu strukturu. Molekule se drže na udaljenosti pomoću kristalne rešetke. Ova svojstva vode i leda ukazuju na to da će gustina takvog leda biti manja od gustine vode zbog koje je nastao. Dakle, led pluta na površini vode i ne tone u njoj.

Milioni kvadratnih kilometara leda

Znate li koliko leda ima na našoj planeti? Prema nedavnim istraživanjima naučnika, na planeti Zemlji postoji oko 30 miliona kvadratnih kilometara smrznute vode. Kao što ste možda pretpostavili, najveći dio ovog prirodnog minerala nalazi se na polarnim ledenim kapama. Na pojedinim mjestima debljina ledenog pokrivača dostiže 4 km.

Kako doći do leda

Pravljenje leda uopšte nije teško. Ovaj proces nije težak i ne zahtijeva posebne vještine. Za to je potrebna niska temperatura vode. Ovo je jedini stalni uslov za proces stvaranja leda. Voda će se smrznuti kada vaš termometar pokaže temperaturu ispod 0 stepeni Celzijusa. Proces kristalizacije počinje u vodi zbog niskih temperatura. Njegovi su molekuli ugrađeni u zanimljivu uređenu strukturu. Ovaj proces se naziva formiranje kristalne rešetke. Isto je i u okeanu, u lokvi, pa čak i u zamrzivaču.

Istraživanje procesa zamrzavanja

Provodeći istraživanje na temu zamrzavanja vode, naučnici su došli do zaključka da je kristalna rešetka izgrađena u gornjim slojevima vode. Mikroskopski ledeni štapići počinju da se formiraju na površini. Nešto kasnije zajedno se smrzavaju. Zahvaljujući tome, na površini vode se formira tanak film. Velikim vodenim površinama potrebno je mnogo duže da se smrznu u odnosu na mirnu vodu. To je zbog činjenice da vjetar talasa i mreška površinu jezera, ribnjaka ili rijeke.

Ledene palačinke

Naučnici su napravili još jedno zapažanje. Ako se uzbuđenje nastavi na niskim temperaturama, tada se najtanji filmovi skupljaju u palačinke prečnika oko 30 cm. Zatim se smrzavaju u jedan sloj čija je debljina najmanje 10 cm. Novi sloj leda se smrzava na vrhu i dnu od ledenih palačinki. Ovo stvara debeo i izdržljiv ledeni pokrivač. Njegova snaga ovisi o vrsti: najprozirniji led bit će nekoliko puta jači od bijelog leda. Ekolozi su primijetili da led od 5 centimetara može izdržati težinu odrasle osobe. Sloj od 10 cm može izdržati putnički automobil, ali treba imati na umu da je izlazak na led u jesen i proljeće vrlo opasan.

Svojstva snijega i leda

Fizičari i hemičari dugo su proučavali svojstva leda i vode. Najpoznatije i takođe najvažnije svojstvo leda za ljude je njegova sposobnost da se lako topi čak i na nultim temperaturama. Ali druga fizička svojstva leda su takođe važna za nauku:

• led je proziran, pa dobro propušta sunčevu svjetlost;
• bezbojnost - led nema boju, ali se lako može obojiti aditivima u boji;
• tvrdoća - ledene mase savršeno zadržavaju svoj oblik bez vanjskih ljuski;
• fluidnost je posebno svojstvo leda, svojstveno mineralu samo u nekim slučajevima;
• krhkost - komad leda može se lako rascijepiti bez puno napora;
• cijepanje - led se lako lomi na onim mjestima gdje se spaja duž kristalografske linije.

Led: svojstva pomjeranja i čistoće

Led ima visok stepen čistoće u svom sastavu, jer kristalna rešetka ne ostavlja slobodan prostor za različite strane molekule. Kada se voda zamrzne, istiskuje razne nečistoće koje su nekada bile otopljene u njoj. Na isti način možete dobiti pročišćenu vodu kod kuće.

Ali neke tvari mogu usporiti proces smrzavanja vode. Na primjer, sol u morskoj vodi. Led u moru nastaje samo pri veoma niskim temperaturama. Iznenađujuće, proces zamrzavanja vode svake godine može održati samopročišćavanje raznih nečistoća mnogo miliona godina zaredom.

Tajne suhog leda

Posebnost ovog leda je u tome što u svom sastavu sadrži ugljik. Takav led se formira tek na temperaturi od -78 stepeni, ali se topi već na -50 stepeni. Suhi led, čija svojstva vam omogućavaju da preskočite fazu tekućine, odmah proizvodi paru kada se zagrije. Suhi led, kao i njegov parnjak vodeni led, nema miris.

Znate li gdje se koristi suvi led? Zbog svojih svojstava, ovaj mineral se koristi prilikom transporta hrane i lijekova na velike udaljenosti. A granule ovog leda mogu ugasiti vatru benzina. Takođe, kada se suvi led topi, stvara gustu maglu, zbog čega se koristi na filmskim setovima za stvaranje specijalnih efekata. Pored svega navedenog, suvi led možete ponijeti sa sobom na planinarenje iu šumu. Uostalom, kada se topi, odbija komarce, razne štetočine i glodare.

Što se tiče svojstava snega, ovu neverovatnu lepotu možemo posmatrati svake zime. Uostalom, svaka pahulja ima oblik šesterokuta - to je nepromijenjeno. Ali osim heksagonalnog oblika, pahulje mogu izgledati drugačije. Na formiranje svakog od njih utiču vlažnost vazduha, atmosferski pritisak i drugi prirodni faktori.

Svojstva vode, snega i leda su neverovatna. Važno je znati još nekoliko svojstava vode. Na primjer, može poprimiti oblik posude u koju se sipa. Kada se voda zamrzne, ona se širi i takođe ima memoriju. U stanju je da zapamti okolnu energiju, a kada se zamrzne, "resetuje" informacije koje je apsorbovao.

Pogledali smo prirodni mineral - led: svojstva i njegove kvalitete. Nastavite sa učenjem nauke, veoma je važno i korisno!