Jääkristallvõre tüüp. Kuusnurkne türannia

Keemilistesse vastasmõjudesse ei astu mitte üksikud aatomid ega molekulid, vaid ained.

Meie ülesanne on tutvuda aine ehitusega.

Madalatel temperatuuridel on ained stabiilses tahkes olekus.

☼ Kõige kõvem aine looduses on teemant. Teda peetakse kõigi kalliskivide ja vääriskivide kuningaks. Ja selle nimi ise tähendab kreeka keeles "hävimatut". Teemante on pikka aega peetud imelisteks kivideks. Usuti, et teemante kandev inimene ei tunne kõhuhaigusi, teda ei mõjuta mürk, säilitab mälu ja rõõmsa tuju kõrge eani ning naudib kuninglikku soosingut.

☼ Teemanti, mida on ehtetöödeldud – lõigatud, poleeritud – nimetatakse teemandiks.

Soojusvibratsiooni tagajärjel sulamisel rikutakse osakeste järjekorda, need muutuvad liikuvaks, samas kui keemilise sideme olemus ei häiri. Seega pole tahke ja vedela oleku vahel põhimõttelisi erinevusi.

Vedelik omandab voolavuse (st võime võtta anuma kuju).

Vedelkristallid

Vedelkristallid avastati 19. sajandi lõpus, kuid neid on uuritud viimase 20-25 aasta jooksul. Paljud kaasaegse tehnoloogia kuvaseadmed, näiteks mõned elektroonilised kellad ja miniarvutid, töötavad vedelkristallidel.

Üldiselt kõlavad sõnad "vedelkristallid" mitte vähem ebatavaliselt kui "kuum jää". Kuid tegelikkuses võib jää olla ka kuum, sest... rõhul üle 10 000 atm. vesijää sulab temperatuuril üle 200 0 C. Vedelkristallide kombinatsiooni ebatavalisus seisneb selles, et vedel olek näitab struktuuri liikuvust ja kristall eeldab ranget järjestust.

Kui aine koosneb pikliku või lamellse kujuga ja asümmeetrilise struktuuriga polüaatomilistest molekulidest, siis sulamisel on need molekulid üksteise suhtes teatud viisil orienteeritud (nende pikad teljed on paralleelsed). Sel juhul saavad molekulid vabalt endaga paralleelselt liikuda, s.t. süsteem omandab vedelikule iseloomuliku voolavuse omaduse. Samas säilitab süsteem korrastatud struktuuri, mis määrab kristallidele iseloomulikud omadused.

Sellise konstruktsiooni suur liikuvus võimaldab seda juhtida läbi väga nõrkade mõjude (termilised, elektrilised jne), s.t. sihikindlalt muuta aine omadusi, sealhulgas optilisi, väga väikese energiakuluga, mida tänapäeva tehnoloogias kasutatakse.

Kristallvõrede tüübid

Iga keemiline aine moodustub suurest hulgast identsetest osakestest, mis on omavahel seotud.

Madalatel temperatuuridel, kui termiline liikumine on raskendatud, on osakesed ruumis ja vormis rangelt orienteeritud kristallvõre.

Kristallelement - See struktuur osakeste geomeetriliselt õige paigutusega ruumis.

Kristallvõres endas eristuvad sõlmed ja sõlmedevaheline ruum.

Sama aine olenevalt tingimustest (lk, t,...) eksisteerib mitmesugustes kristallvormides (st neil on erinevad kristallvõred) - allotroopsed modifikatsioonid, mis erinevad omaduste poolest.

Näiteks on teada neli süsiniku modifikatsiooni: grafiit, teemant, karbüün ja lonsdaleiit.

☼ Neljas kristalse süsiniku sort, lonsdaleiit, on vähe tuntud. See avastati meteoriitidest ja saadi kunstlikult ning selle ehitust uuritakse siiani.

☼ Tahm, koks ja puusüsi klassifitseeriti amorfseteks süsinikpolümeerideks. Nüüdseks on aga teatavaks saanud, et need on ka kristalsed ained.

☼ Muide, tahmast leiti läikivaid musti osakesi, mida nimetati "peegelsüsinikuks". Peegelsüsinik on keemiliselt inertne, kuumakindel, gaase ja vedelikke mitteläbilaskev, sileda pinnaga ning eluskudedega absoluutselt kokkusobiv.

☼ Nimi grafiit pärineb itaaliakeelsest sõnast "graffito" - ma kirjutan, ma joonistan. Grafiit on nõrga metallilise läikega tumehallid kristallid, millel on kihiline võre. Üksikud aatomite kihid grafiidikristallides, mis on omavahel suhteliselt nõrgalt seotud, on üksteisest kergesti eraldatavad.

KRISTALVÕRETE LIIGID

	iooniline			metallist
Mis on kristallvõre sõlmedes, struktuuriüksus	ioonid	aatomid	molekulid	aatomid ja katioonid
Keemilise sideme tüüp sõlme osakeste vahel	iooniline		kovalentne: polaarne ja mittepolaarne	metallist
Kristalliosakeste vahelised vastasmõjujõud	elektrostaatiline loogiline	kovalentne	molekulidevaheline - uus	elektrostaatiline loogiline
Füüsikalised omadused tänu kristallvõrele	· ioonide vahelised tõmbejõud on tugevad, · T pl. (tulekindel), · lahustub kergesti vees, · sula ja lahus juhib elektrivoolu, mittelenduv (ilma lõhnata)	· kovalentsed sidemed aatomite vahel on suured, · T pl. ja T kip on väga, · ei lahustu vees, · sulatis ei juhi elektrivoolu	· molekulide vahelised tõmbejõud on väikesed, · T pl. ↓, mõned on vees lahustuvad, · on lenduva lõhnaga	· interaktsioonijõud on suured, · T pl. , Kõrge soojus- ja elektrijuhtivus
Aine agregaatolek normaaltingimustes	raske	raske	raske, gaasiline vedel	raske, vedelik (N g)
Näited	enamik sooli, leeliseid, tüüpilisi metallioksiide	C (teemant, grafiit), Si, Ge, B, SiO 2, CaC 2, SiC (karborund), BN, Fe 3 C, TaC (t pl = 3800 0 C) Punane ja must fosfor. Mõnede metallide oksiidid.	kõik gaasid, vedelikud, enamik mittemetalle: inertgaasid, halogeenid, H 2, N 2, O 2, O 3, P 4 (valge), S 8. Mittemetallide vesinikuühendid, mittemetallide oksiidid: H 2 O, CO 2 "kuiv jää". Enamik orgaanilisi ühendeid.	Metallid, sulamid

Kui kristallide kasvukiirus on jahutamisel madal, tekib klaasjas olek (amorfne).

1. Seos elemendi positsiooni perioodilisuse tabelis ja selle lihtaine kristallvõre vahel.

Elemendi positsiooni perioodilisustabelis ja sellele vastava elementaaraine kristallvõre vahel on tihe seos.

		Grupp
				III				VII	VIII
P e R Ja O d								H 2
						N 2	O2	F 2
	III					P 4	S 8	Cl2
								BR 2
								ma 2
Tüüp kristallvõre		metallist					aatomi	molekulaarne

Ülejäänud elementide lihtainetel on metalliline kristallvõre.

KINNITAMINE

Tutvu loengumaterjaliga ja vasta oma vihikusse kirjalikult järgmistele küsimustele:

1. Mis on kristallvõre?
2. Mis tüüpi kristallvõred eksisteerivad?
3. Iseloomustage iga kristallvõre tüüpi vastavalt plaanile: Mis on kristallvõre sõlmedes, struktuuriüksus → Keemilise sideme tüüp sõlme osakeste vahel → Kristalli osakeste vahelised vastasmõjud → Kristalli füüsikalised omadused võre → Aine agregaatolek normaaltingimustes → Näited

Täitke selle teema ülesanded:

1. Mis tüüpi kristallvõre on järgmistel igapäevaelus laialdaselt kasutatavatel ainetel: vesi, äädikhape (CH 3 COOH), suhkur (C 12 H 22 O 11), kaaliumväetis (KCl), jõeliiv (SiO 2) - sulamine punkt 1710 0 C , ammoniaak (NH 3), lauasool? Tee üldine järeldus: milliste aine omaduste järgi saab määrata selle kristallvõre tüübi?
2. Kasutades antud ainete valemeid: SiC, CS 2, NaBr, C 2 H 2 - määrake iga ühendi kristallvõre tüüp (ioonne, molekulaarne) ja kirjeldage selle põhjal kõigi nelja aine füüsikalisi omadusi. .
   
3. Koolitaja nr 1. "Kristallvõred"
   
4. Koolitaja nr 2. "Testi ülesanded"
   
5. Test (enesekontroll):

1) Ained, millel on reeglina molekulaarne kristallvõre:

a). tulekindel ja vees hästi lahustuv
b). sulav ja lenduv
V). Tahke ja elektrit juhtiv
G). Soojust juhtiv ja plastiline

2) mõiste "molekul" ei ole kohaldatav aine struktuuriüksuse suhtes:

a). vesi

b). hapnikku

V). teemant

G). osoon

3) Aatomi kristallvõre on iseloomulik:

a). alumiinium ja grafiit

b). väävel ja jood

V). ränioksiid ja naatriumkloriid

G). teemant ja boor

4) Kui aine on vees hästi lahustuv, kõrge sulamistemperatuuriga ja elektrit juhtiv, siis on selle kristallvõre:

A). molekulaarne

b). aatomi

V). iooniline

G). metallist

Vesi on tuttav ja ebatavaline aine. Peaaegu 3/4 meie planeedi pinnast on hõivatud ookeanide ja meredega. Kare vesi – lumi ja jää – katab 20% maismaast. Planeedi kliima sõltub veest. Geofüüsikud ütlevad seda Maa oleks ammu jahtunud ja muutunud elutuks kivitükiks, kui mitte vesi. Sellel on väga kõrge soojusmahtuvus. Kuumutamisel neelab see soojust; jahtudes annab ta selle ära. Maa vesi nii neelab kui ka tagastab palju soojust ning seeläbi “tasastab” kliimat. Ja mis kaitsevad Maad kosmilise külma eest, on need veemolekulid, mis on atmosfääris hajutatud – pilvedes ja auruna.

Vesi on DNA järel looduses kõige salapärasem aine, millel on ainulaadsed omadused, mida pole mitte ainult veel täielikult selgitatud, vaid need pole kaugeltki teada. Mida kauem seda uuritakse, seda rohkem leitakse selles uusi anomaaliaid ja saladusi. Enamikku neist anomaaliatest, mis muudavad elu Maal võimalikuks, seletatakse veemolekulide vaheliste vesiniksidemete olemasoluga, mis on palju tugevamad kui van der Waalsi tõmbejõud teiste ainete molekulide vahel, kuid suurusjärgu võrra nõrgemad kui ioonsed ja kovalentsed. sidemed molekulides aatomite vahel. Samad vesiniksidemed on olemas ka DNA molekulis.

Veemolekul (H 2 16 O) koosneb kahest vesinikuaatomist (H) ja ühest hapnikuaatomist (16 O). Selgub, et peaaegu kogu vee omaduste mitmekesisus ja nende avaldumise ebaharilikkus sõltuvad lõpuks nende aatomite füüsikalisest olemusest, viisist, kuidas need molekuliks kombineeritakse, ja saadud molekulide rühmitusest.

Riis. Vee molekuli struktuur . H2O monomeeri geomeetriline diagramm (a), lame mudel (b) ja ruumiline elektrooniline struktuur (c). Kaks neljast hapnikuaatomi väliskesta elektronist osalevad kovalentsete sidemete loomises vesinikuaatomitega ja ülejäänud kaks moodustavad väga piklikud elektroniorbiidid, mille tasapind on risti H-O-H tasandiga.

Vee molekul H 2 O on ehitatud kolmnurga kujul: nurk kahe hapnik-vesiniksideme vahel on 104 kraadi. Kuid kuna mõlemad vesinikuaatomid asuvad hapniku samal küljel, on selles olevad elektrilaengud hajutatud. Veemolekul on polaarne, mis on selle erinevate molekulide erilise interaktsiooni põhjuseks. Osalise positiivse laenguga H 2 O molekulis olevad vesinikuaatomid interakteeruvad naabermolekulide hapnikuaatomite elektronidega. Seda keemilist sidet nimetatakse vesiniksidemeks. See ühendab H 2 O molekulid ruumilise struktuuri ainulaadseteks sidusrühmadeks; vesiniksidemete paiknemise tasapind on risti sama H 2 O molekuli aatomite tasandiga.Veemolekulide omavaheline vastastikmõju seletab eelkõige selle sulamise ja keemistemperatuuri ebanormaalselt kõrgeid temperatuure. Vesiniksidemete lõdvendamiseks ja seejärel hävitamiseks tuleb varustada lisaenergiat. Ja see energia on väga oluline. Seetõttu on vee soojusmahtuvus nii kõrge.

Veemolekul sisaldab kahte polaarset kovalentset sidet H-O. Need tekivad kahe üheelektronilise p - hapnikuaatomi pilve ja üheelektronilise S - kahe vesinikuaatomi pilve kattumise tõttu.

Vastavalt vesiniku ja hapniku aatomite elektroonilisele struktuurile on veemolekulis neli elektronipaari. Kaks neist osalevad kovalentsete sidemete moodustamisel kahe vesinikuaatomiga, s.t. on siduvad. Ülejäänud kaks elektronpaari on vabad – mittesiduvad. Need moodustavad elektronpilve. Pilv on heterogeenne – selles saab eristada üksikuid kontsentratsioone ja haruldusi.

Veemolekulil on neli poolust: kaks positiivset ja kaks negatiivset. Positiivsed laengud on koondunud vesinikuaatomitele, kuna hapnik on elektronegatiivsem kui vesinik. Kaks negatiivset poolust pärinevad kahest mittesiduvast hapniku elektronpaarist.

Hapniku tuumas tekib liigne elektrontihedus. Hapniku sisemine elektronpaar raamib tuuma ühtlaselt: skemaatiliselt on see kujutatud ringiga, mille keskpunkt on O 2- tuum. Neli välimist elektroni on rühmitatud kaheks elektronipaariks, mis graviteerivad tuuma poole, kuid ei ole osaliselt kompenseeritud. Skemaatiliselt on nende paaride elektronide koguorbitaalid näidatud ellipsi kujul, mis on piklikud ühisest keskpunktist - O 2- tuumast. Kõik ülejäänud kaks elektroni hapnikus paarituvad ühe elektroniga vesinikus. Need aurud graviteerivad ka hapniku südamiku poole. Seetõttu osutuvad vesiniku tuumad - prootonid - mõnevõrra tühjaks ja siin täheldatakse elektrontiheduse puudumist.

Seega on veemolekulis neli laengupoolust: kaks negatiivset (liigne elektrontihedus hapnikutuuma piirkonnas) ja kaks positiivset (kahe vesiniku tuuma elektrontiheduse puudumine). Suurema selguse huvides võime ette kujutada, et poolused hõivavad deformeerunud tetraeedri tipud, mille keskel on hapnikutuum.

Riis. Vee molekuli struktuur: a – nurk O-H sidemete vahel; b – laengupostide asukoht; c – veemolekuli elektronpilve ilmumine.

Peaaegu sfäärilisel veemolekulil on märgatavalt väljendunud polaarsus, kuna selles olevad elektrilaengud paiknevad asümmeetriliselt. Iga veemolekul on miniatuurne dipool, mille kõrge dipoolmoment on 1,87 deBy. Debye on elektrilise dipooli 3,33564·10 30 C·m süsteemiväline ühik. Vee dipoolide mõjul nõrgenevad sellesse sukeldatud aine pinnal olevad aatomitevahelised või molekulidevahelised jõud 80 korda. Teisisõnu, vee dielektriline konstant on kõrgeim kõigist meile teadaolevatest ühenditest.

Suuresti tänu sellele avaldub vesi universaalse lahustina. Tahked ained, vedelikud ja gaasid alluvad selle ühel või teisel määral lahustuvusele.

Vee erisoojusmahtuvus on kõigist ainetest kõrgeim. Lisaks on see 2 korda kõrgem kui jääl, samas kui enamiku lihtsate ainete (näiteks metallide) puhul soojusmahtuvus sulamisprotsessis praktiliselt ei muutu ja polüaatomilistest molekulidest valmistatud ainete puhul see reeglina väheneb. sulamise ajal.

Selline arusaam molekuli struktuurist võimaldab selgitada paljusid vee omadusi, eelkõige jää struktuuri. Jääkristallvõres ümbritseb iga molekuli neli teist molekuli. Tasapinnalisel pildil saab seda esitada järgmiselt:

Molekulide vaheline ühendus toimub vesinikuaatomi kaudu. Ühe veemolekuli positiivselt laetud vesinikuaatomit tõmbab teise veemolekuli negatiivselt laetud hapnikuaatom. Seda sidet nimetatakse vesiniksidemeks (seda tähistatakse punktidega). Vesiniksideme tugevus on ligikaudu 15-20 korda nõrgem kui kovalentse sideme tugevus. Seetõttu katkeb vesinikside kergesti, mida täheldatakse näiteks vee aurustumisel.

Riis. vasakule – vesiniksidemed veemolekulide vahel

Vedela vee struktuur sarnaneb jää omaga. Vedelas vees on molekulid omavahel seotud ka vesiniksidemete kaudu, kuid vee struktuur on vähem “jäik” kui jääl. Molekulide termilise liikumise tõttu vees katkevad osad vesiniksidemed ja tekivad teised.

Riis. Jää kristallvõre. Selle sõlmedes asuvad veemolekulid H 2 O (mustad pallid) nii, et igaühel on neli "naabrit".

Veemolekulide polaarsus ja osaliselt kompenseerimata elektrilaengute olemasolu neis põhjustab kalduvuse rühmitada molekule suurteks "kooslusteks" - kaasosalisteks. Selgub, et ainult aurus olev vesi vastab täielikult valemile H2O. Seda näitasid veeauru molekulmassi määramise tulemused. Temperatuurivahemikus 0 kuni 100°C ei ületa üksikute (monomeersete molekulide) vedela vee kontsentratsioon 1%. Kõik teised veemolekulid on kombineeritud erineva keerukusega assotsieerunud ühenditeks ja nende koostist kirjeldatakse üldvalemiga (H 2 O)x.

Assotsiaatide tekke otsene põhjus on veemolekulide vahelised vesiniksidemed. Need tekivad mõnede molekulide vesiniku tuumade ja teiste veemolekulide hapniku tuumade elektronide "kondensatsioonide" vahel. Tõsi, need sidemed on kümneid kordi nõrgemad kui “standardsed” molekulisisesed keemilised sidemed ja nende hävitamiseks piisab tavalistest molekulaarsetest liikumistest. Kuid termilise vibratsiooni mõjul tekivad sama lihtsalt uued seda tüüpi ühendused. Kaaslaste tekkimist ja lagunemist saab väljendada järgmise diagrammiga:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Kuna iga veemolekuli elektroniorbitaalid moodustavad tetraeedrilise struktuuri, võivad vesiniksidemed korraldada veemolekulide paigutuse tetraeedrilisteks koordineeritud assotsiaatideks.

Enamik teadlasi seletab vedela vee anomaalselt suurt soojusmahtuvust sellega, et jää sulamisel ei lagune selle kristalne struktuur kohe kokku. Vedelas vees säilivad molekulidevahelised vesiniksidemed. Sellesse jäävad jää fragmendid – suure või väiksema hulga veemolekulide kaaslased. Kuid erinevalt jääst ei eksisteeri iga kaaslast kaua. Pidevalt toimub mõnede hävitamine ja teiste kaaslaste teke. Iga veetemperatuuri väärtuse juures luuakse selles protsessis oma dünaamiline tasakaal. Ja kui vett kuumutatakse, kulub osa soojusest vesiniksidemete lõhkumisele partnerites. Sellisel juhul kulub iga sideme purustamiseks 0,26-0,5 eV. See seletab vee anomaalselt suurt soojusmahtuvust võrreldes teiste vesiniksidemeid mitte moodustavate ainete sulamitega. Selliste sulandite kuumutamisel kulutatakse energiat ainult nende aatomitele või molekulidele soojusliigutuste andmiseks. Vesiniksidemed veemolekulide vahel katkevad täielikult alles siis, kui vesi muutub auruks. Selle vaatenurga õigsusele viitab ka asjaolu, et veeauru erisoojusmahtuvus 100°C juures langeb praktiliselt kokku jää erisoojusmahuga 0°C juures.

Pilt allpool:

Sidusettevõtte elementaarne struktuurielement on klaster: Riis. Eraldi hüpoteetiline veeklaster. Üksikud klastrid moodustavad veemolekulide (H2O) assotsiatsioone x: Riis. Veemolekulide klastrid moodustavad assotsieerunud molekule.

Vee anomaalselt kõrge soojusmahtuvuse olemuse kohta on veel üks seisukoht. Professor G.N. Zatsepina märkis, et vee molaarne soojusmahtuvus, mis on 18 cal/(molgrad), on täpselt võrdne kolmeaatomiliste kristallidega tahke aine teoreetilise moolsoojusmahuga. Ja Dulongi ja Petiti seaduse kohaselt on kõigi keemiliselt lihtsate (monatoomiliste) kristallkehade aatomisoojusvõimsused piisavalt kõrgel temperatuuril ühesugused ja võrdne 6 calDmol o kraadiga). Ja kolmeaatomilistel, mille grammool sisaldab 3 N a kristallvõre saiti, on see 3 korda rohkem. (Siin N a on Avogadro number).

Sellest järeldub, et vesi on justkui kristalne keha, mis koosneb kolmeaatomilistest H 2 0 molekulidest. See vastab üldlevinud arusaamale veest kui kristallilaadsete ainete segust väikese vabade H 2 O veemolekulide seguga. nende vahel, mille arv suureneb temperatuuri tõustes. Sellest vaatenurgast ei ole üllatav mitte vedela vee kõrge soojusmahtuvus, vaid tahke jää madal soojusmahtuvus. Vee erisoojusmahu vähenemine külmumisel on seletatav aatomite põikisoojusvibratsiooni puudumisega jää jäigas kristallvõres, kus igal vesiniksideme tekitaval prootonil on kolme asemel vaid üks soojusvibratsiooni vabadusaste.

Kuid mille tõttu ja kuidas võivad tekkida nii suured muutused vee soojusmahtuvuses ilma vastavate rõhumuutusteta? Sellele küsimusele vastamiseks kohtume geoloogia-mineraloogiateaduste kandidaadi Yu. A. Koljasnikovi hüpoteesiga vee struktuurist.

Ta juhib tähelepanu sellele, et vesiniksidemete avastajad J. Bernal ja R. Fowler võrdlesid 1932. aastal vedela vee struktuuri kvartsi kristalse struktuuriga ning need eelpool mainitud kaaslased on peamiselt 4H 2 0 tetrameerid, milles on neli. Molekulid veed on ühendatud kaheteistkümne sisemise vesiniksidemega kompaktseks tetraeedriks. Selle tulemusena moodustub tetraeeder.

Samal ajal võivad vesiniksidemed nendes tetrameerides moodustada nii parem- kui ka vasakukäelisi järjestusi, nii nagu laialt levinud kvartsi (Si0 2) kristallid, millel on samuti tetraeedriline struktuur, tulevad parem- ja vasakpoolsetesse pöörlevatesse kristallidesse. vormid. Kuna igal sellisel veetetrameeril on ka neli kasutamata välist vesiniksidet (nagu üks veemolekul), saab tetrameere nende välissidemete abil ühendada teatud tüüpi polümeeriahelateks, nagu DNA molekul. Ja kuna väliseid sidemeid on ainult neli ja sisemisi 3 korda rohkem, võimaldab see vedelas vees rasketel ja tugevatel tetrameeridel painutada, pöörata ja isegi katkestada väliseid vesiniksidemeid, mis on termilise vibratsiooni tõttu nõrgenenud. See määrab vee voolavuse.

Koljasnikovi sõnul on veel selline struktuur ainult vedelas olekus ja võib-olla osaliselt ka aurulises olekus. Kuid jääs, mille kristallstruktuur on hästi uuritud, on tetrahüdroolid omavahel paindumatute, võrdselt tugevate otsesidemetega vesiniksidemetega ühendatud ažuurseks raamiks, milles on suured tühimikud, mistõttu jää tihedus on väiksem kui vee tihedus. .

Riis. Jää kristallstruktuur: veemolekulid on ühendatud korrapärasteks kuusnurkadeks

Jää sulamisel nõrgenevad ja painduvad osa selles olevaid vesiniksidemeid, mis viib struktuuri ümberstruktureerimiseni ülalkirjeldatud tetrameerideks ja muudab vedela vee jääst tihedamaks. 4°C juures tekib seisund, kus kõik tetrameeridevahelised vesiniksidemed on maksimaalselt painutatud, mis määrab vee maksimaalse tiheduse sellel temperatuuril. Ühendustel pole enam kuhugi minna.

Temperatuuril üle 4°C hakkavad üksikud sidemed tetrameeride vahel katkema ja 36-37°C juures katkevad pooled välistest vesiniksidemetest. See määrab vee erisoojusmahu ja temperatuuri kõvera miinimumi. Temperatuuril 70 °C katkevad peaaegu kõik tetrameeridevahelised sidemed ja koos vabade tetrameeridega jäävad vette ainult nende "polümeersete" ahelate lühikesed fragmendid. Lõpuks, kui vesi keeb, toimub nüüd üksikute tetrameeride lõplik purunemine üksikuteks H 2 0 molekulideks. Ja asjaolu, et vee aurustumissoojus on täpselt 3 korda suurem kui jää sulamise ja sellele järgneva kuumutamise erisoojuste summa. vee temperatuur kuni 100 ° C kinnitab Koljasnikovi oletust Umbes. et sisemiste sidemete arv tetrameeris on 3 korda suurem kui välissidemete arv.

Selline vee tetraeedriline-spiraalne struktuur võib tuleneda iidsest reoloogilisest ühendusest kvartsi ja teiste maakoores domineerivate räni-hapniku mineraalidega, mille sügavustest kunagi Maale vesi ilmus. Nii nagu väike soolakristall paneb teda ümbritseva lahuse kristalliseeruma sarnasteks, mitte teisteks kristallideks, nii pani kvarts veemolekulid ritta tetraeedrilistesse struktuuridesse, mis on energeetiliselt kõige soodsamad. Ja meie ajastul moodustab maakera atmosfääris tilkadeks kondenseeruv veeaur sellise struktuuri, kuna atmosfäär sisaldab alati pisikesi aerosoolvee tilka, millel juba on selline struktuur. Need on veeauru kondenseerumiskeskused atmosfääris. Allpool on toodud võimalikud tetraeedril põhinevad ahelsilikaatstruktuurid, mis võivad koosneda ka veetetraeedritest.

Riis. Elementaarne korrapärane räni-hapniku tetraeeder SiO 4 4-.

Riis. Elementaarsed räni-hapniku ühikud-ortorühmad SiO 4 4- Mg-pürokseen-enstatiidi struktuuris (a) ja diortorühmad Si 2 O 7 6- Ca-püroksenoid-wollastoniidis (b).

Riis. Saarte räni-hapniku anioonsete rühmade lihtsaimad tüübid: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Riis. allpool - Räni-hapniku ahela olulisemad anioonrühmade tüübid (Belovi järgi): a-metagermanaat, b - pürokseen, c - batysiit, d-wollastoniit, d-vlasoviit, e-meliliit, f-rodoniit, z-püroksmangiit , i-metafosfaat, k - fluororüllaat, l - barülit.

Riis. allpool – pürokseeni räni-hapniku anioonide kondenseerimine kärgstruktuuriga kaherealiseks amfibooliks (a), kolmerealiseks amfiboolitaoliseks (b), kihiliseks talgiks ja sellega seotud anioonideks (c).

Riis. allpool - Ribaliste räni-hapnikurühmade olulisemad tüübid (Belovi järgi): a - sillimaniit, amfibool, ksonotliit; b-epididümiit; β-ortoklaas; g-narsarsukiit; d-fenatsiit prismaatiline; e-euklase inkrusteeritud.

Riis. paremal - Muskoviidi KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2 kihilise kristallstruktuuri fragment (elementaarpakett), mis illustreerib alumiiniumi-räni-hapniku võrgustike kihistumist suurte alumiiniumi- ja kaaliumikatioonide mitmetahuliste kihtidega, mis meenutab DNA ahel.

Võimalikud on ka muud veestruktuuri mudelid. Tetraeedriliselt seotud veemolekulid moodustavad omapäraseid, üsna stabiilse koostisega ahelaid. Teadlased avastavad veemassi "sisemise korralduse" üha peenemaid ja keerukamaid mehhanisme. Lisaks jäätaolisele struktuurile, vedelale vee- ja monomeerimolekulidele kirjeldatakse ka struktuuri kolmandat elementi – mittetetraeedrilist.

Teatud osa veemolekulidest on seotud mitte kolmemõõtmelistes raamistikes, vaid lineaarsetes ringühendustes. Rõngad moodustavad rühmitatuna veelgi keerukamaid assotsieerunud komplekse.

Seega võib vesi teoreetiliselt moodustada ahelaid, nagu DNA molekul, nagu allpool arutatakse. Veel üks huvitav asi selle hüpoteesi juures on see, et see eeldab parema- ja vasakukäelise vee olemasolu võrdset tõenäosust. Kuid bioloogid on juba ammu märganud, et bioloogilistes kudedes ja struktuurides täheldatakse ainult vasaku- või paremakäelisi moodustisi. Selle näiteks on valgumolekulid, mis on ehitatud ainult vasakukäelistest aminohapetest ja keeratud ainult vasakukäeliseks spiraaliks. Kuid looduses olevad suhkrud on kõik paremakäelised. Miks on eluslooduses mõnel puhul selline vasakpoolsuse, mõnel juhul parempoolsuse eelistamine, pole veel keegi suutnud selgitada. Tõepoolest, elutus looduses leidub võrdse tõenäosusega nii parema- kui ka vasakukäelisi molekule.

Rohkem kui sada aastat tagasi avastas kuulus prantsuse loodusteadlane Louis Pasteur, et taimede ja loomade orgaanilised ühendid on optiliselt asümmeetrilised – nad pööravad neile langeva valguse polarisatsioonitasandit. Kõik loomad ja taimed moodustavad aminohapped pööravad polarisatsioonitasandit vasakule ja kõik suhkrud paremale. Kui sünteesime sama keemilise koostisega ühendeid, sisaldab igaüks neist võrdselt vasaku- ja paremakäelisi molekule.

Nagu teate, koosnevad kõik elusorganismid valkudest ja need omakorda aminohapetest. Erinevates järjestustes üksteisega kombineerides moodustavad aminohapped pikad peptiidahelad, mis spontaanselt "keerduvad" keerukateks valgumolekulideks. Nagu paljudel teistel orgaanilistel ühenditel, on aminohapetel kiraalne sümmeetria (kreeka keelest chiros - käsi), see tähendab, et nad võivad eksisteerida kahes peegelsümmeetrilises vormis, mida nimetatakse "enantiomeerideks". Sellised molekulid on üksteisega sarnased, nagu vasak ja parem käsi, seetõttu nimetatakse neid D- ja L-molekulideks (ladina keelest dexter, laevus - parem ja vasak).

Kujutagem nüüd ette, et vasak- ja parempoolsete molekulidega keskkond on läinud olekusse, kus on ainult vasakpoolsed või ainult paremad molekulid. Eksperdid nimetavad sellist keskkonda kiraalselt (kreeka sõnast "cheira" - käsi) korrastatuks. Elusolendite isepaljunemine (biopoees – D. Bernali definitsiooni järgi) sai tekkida ja säilida ainult sellises keskkonnas.

Riis. Peegelsümmeetria looduses

Teine enantiomeerimolekulide nimetus - "paremale" ja "levorotatory" - tuleneb nende võimest pöörata valguse polarisatsioonitasapinda erinevates suundades. Kui lineaarselt polariseeritud valgus lastakse läbi selliste molekulide lahuse, pöörleb selle polarisatsioonitasand: päripäeva, kui lahuses olevad molekulid on paremakäelised, ja vastupäeva, kui lahuses olevad molekulid on vasakukäelised. Ja võrdsetes kogustes D- ja L-vormide segus (nn ratsemaadiks) säilitab valgus oma esialgse lineaarse polarisatsiooni. Selle kiraalsete molekulide optilise omaduse avastas esmakordselt Louis Pasteur 1848. aastal.

On uudishimulik, et peaaegu kõik looduslikud valgud koosnevad ainult vasakukäelistest aminohapetest. See asjaolu on seda üllatavam, et aminohapete süntees laboritingimustes tekitab ligikaudu sama palju parema- ja vasakukäelisi molekule. Selgub, et seda omadust ei oma mitte ainult aminohapped, vaid ka paljud teised elussüsteemide jaoks olulised ained ning igaühel neist on kogu biosfääris rangelt määratletud peegelsümmeetria märk. Näiteks suhkrud, mis on osa paljudest nukleotiididest, samuti nukleiinhapped DNA ja RNA, on kehas esindatud eranditult paremakäeliste D-molekulidega. Kuigi “peegelantipoodide” füüsikalised ja keemilised omadused on samad, on nende füsioloogiline aktiivsus organismides erinev: L-kaksara ei imendu, L-fenüülalaniin, erinevalt kahjututest D-molekulidest, põhjustab vaimuhaigusi jne.

Kaasaegsete ideede kohaselt elu Maal päritolu kohta oli teatud tüüpi peegelsümmeetria valik orgaaniliste molekulide poolt nende ellujäämise ja järgneva enesepaljunemise peamiseks eelduseks. Kuid küsimus, kuidas ja miks toimus ühe või teise peegelantipoodi evolutsiooniline valik, on endiselt üks teaduse suurimaid mõistatusi.

Nõukogude teadlane L. L. Morozov tõestas, et üleminek kiraalsele korrale ei saa toimuda evolutsiooniliselt, vaid ainult mõne konkreetse järsu faasimuutusega. Akadeemik V. I. Goldansky nimetas seda üleminekut, tänu millele elu Maal tekkis, kiraalseks katastroofiks.

Kuidas tekkisid kiraalse ülemineku põhjustanud faasikatastroofi tingimused?

Kõige olulisem oli see, et orgaanilised ühendid sulasid maapõues 800-1000 0C juures ning ülemised jahtusid kosmosetemperatuurini ehk absoluutse nullini. Temperatuuride erinevus ulatus 1000 °C-ni. Sellistes tingimustes sulasid orgaanilised molekulid kõrge temperatuuri mõjul ja hävisid isegi täielikult ning pealmine osa jäi orgaaniliste molekulide külmumisel külmaks. Maapõuest lekkinud gaasid ja veeaur muutsid orgaaniliste ühendite keemilist koostist. Gaasid kandsid endaga kaasa soojust, mistõttu orgaanilise kihi sulamistemperatuur liikus üles-alla, tekitades gradiendi.

Väga madalal atmosfäärirõhul oli vesi maapinnal ainult auru ja jää kujul. Kui rõhk jõudis nn vee kolmikpunktini (0,006 atmosfääri), sai vesi esmakordselt eksisteerida vedeliku kujul.

Muidugi saab ainult eksperimentaalselt tõestada, mis kiraalse ülemineku täpselt põhjustas: maapealsed või kosmilised põhjused. Kuid nii või teisiti osutusid mingil hetkel kiraalselt järjestatud molekulid (nimelt vasakule pööravad aminohapped ja paremale pööravad suhkrud) stabiilsemaks ja algas nende arvu pidurdamatu kasv – kiraalne üleminek.

Ka planeedi kroonika jutustab, et sel ajal ei olnud Maal mägesid ega nõgusid. Poolsulanud graniitkoor oli sama sileda pinnaga kui tänapäevase ookeani tase. Sellel tasandikul oli aga masside ebaühtlase jaotumise tõttu Maa sees endiselt lohke. Need vähendamised mängisid äärmiselt olulist rolli.

Tõsiasi on see, et sadade ja isegi tuhandete kilomeetrite läbimõõduga ja mitte üle saja meetri sügavused lamedapõhjalised lohud said ilmselt elu hälliks. Neisse voolas ju planeedi pinnale kogunenud vesi. Vesi lahjendas tuhakihis kiraalseid orgaanilisi ühendeid. Ühendi keemiline koostis muutus järk-järgult ja temperatuur stabiliseerus. Veevabades tingimustes alanud üleminek elutust elavaks jätkus ka veekeskkonnas.

Kas see on elu tekke süžee? Suure tõenäosusega jah. Isua (Lääne-Gröönimaa) 3,8 miljardi aasta vanuses geoloogilises läbilõikes leiti bensiini- ja naftataolisi ühendeid fotosünteesi päritolu süsinikule iseloomuliku C12/C13 isotoopide suhtega.

Kui Isua lõigu süsinikuühendite bioloogiline olemus leiab kinnitust, siis selgub, et kogu elu tekkeperiood Maal - kiraalse orgaanilise aine tekkimisest fotosünteesiks ja paljunemiseks võimelise raku ilmumiseni - oli valmis vaid saja miljoni aastaga. Ja veemolekulid ja DNA mängisid selles protsessis tohutut rolli.

Kõige hämmastavam asi vee struktuuri juures on see, et madalal negatiivsel temperatuuril ja kõrgel rõhul nanotorude sees olevad veemolekulid võivad kristalliseeruda DNA-d meenutava kaksikheeliksi kujuliseks. Seda tõestasid Ameerika teadlaste arvutikatsed, mida juhtis Xiao Cheng Zeng Nebraska ülikoolis (USA).

DNA on kahekordne ahel, mis on keerdunud spiraaliks. Iga niit koosneb "tellistest" - järjestikku ühendatud nukleotiididest. Iga DNA nukleotiid sisaldab ühte neljast lämmastiku alusest - guaniini (G), adeniini (A) (puriinid), tümiini (T) ja tsütosiini (C) (pürimidiinid), mis on seotud desoksüriboosiga, viimane omakorda fosfaati. rühm on lisatud. Naabernukleotiidid on omavahel ahelas ühendatud fosfodiestersidemega, mille moodustavad 3"-hüdroksüül- (3"-OH) ja 5"-fosfaatrühmad (5"-PO3). See omadus määrab polaarsuse olemasolu DNA-s, st. vastassuunas, nimelt 5" ja 3" otsad: ühe keerme 5" ots vastab teise keerme 3" otsale. Nukleotiidide järjestus võimaldab teil "kodeerida" teavet erinevat tüüpi RNA kohta, millest olulisemad on messenger või matriits (mRNA), ribosomaalne (rRNA) ja transport (tRNA). Kõik need RNA tüübid sünteesitakse DNA matriitsil DNA järjestuse kopeerimise teel transkriptsiooni käigus sünteesitud RNA järjestusse ning osalevad elu kõige olulisemas protsessis – informatsiooni edastamises ja kopeerimises (tõlkes).

DNA esmane struktuur on DNA nukleotiidide lineaarne järjestus ahelas. Nukleotiidide järjestus DNA ahelas on kirjutatud tähe-DNA valemi kujul: näiteks - AGTCATGCCAG, sisestus tehakse DNA ahela 5" kuni 3" otsast.

DNA sekundaarstruktuur moodustub nukleotiidide (enamasti lämmastikualuste) vastastikmõjude, vesiniksidemete tõttu. DNA sekundaarstruktuuri klassikaline näide on DNA kaksikheeliks. DNA kaksikheeliks on looduses kõige levinum DNA vorm, mis koosneb kahest DNA polünukleotiidahelast. Iga uue DNA ahela konstrueerimine toimub komplementaarsuse põhimõttel, s.o. Iga ühe DNA ahela lämmastikalus vastab teise ahela rangelt määratletud alusele: komplementaarses paaris on A vastas T ja G vastas on C jne.

Selleks, et vesi moodustaks sellise spiraali, pandi see simuleeritud katses nanotorudesse kõrge rõhu all, mis varieerus erinevates katsetes vahemikus 10 kuni 40 000 atmosfääri. Pärast seda määrati temperatuur, mille väärtus oli -23 °C. Vee külmumispunktiga võrreldes tekkis marginaal tänu sellele, et rõhu tõustes vesijää sulamistemperatuur langeb. Nanotorude läbimõõt jäi vahemikku 1,35–1,90 nm.

Riis. Üldvaade vee struktuurist (New Scientisti pilt)

Veemolekulid on omavahel seotud vesiniksidemete kaudu, hapniku- ja vesinikuaatomite vaheline kaugus on 96 pm ja kahe vesiniku vahel - 150 pm. Tahkes olekus osaleb hapnikuaatom kahe vesiniksideme moodustamisel naabervee molekulidega. Sel juhul puutuvad üksikud H 2 O molekulid üksteisega kokku vastaspoolustega. Seega moodustuvad kihid, milles iga molekul on seotud oma kihi kolme molekuliga ja ühe naaberkihi molekuliga. Selle tulemusena koosneb jää kristallstruktuur kuusnurksetest "torudest", mis on omavahel ühendatud nagu kärg.

Riis. Veestruktuuri sisesein (New Scientisti pilt)

Teadlased lootsid näha, et vesi moodustab igal juhul õhukese torukujulise struktuuri. Mudel näitas aga, et toru läbimõõduga 1,35 nm ja rõhul 40 000 atmosfääri olid vesiniksidemed painutatud, mis viis kaheseinalise spiraali moodustumiseni. Selle struktuuri sisesein on neljakordne spiraal ja välissein koosneb neljast topeltheeliksist, mis sarnaneb DNA molekuli struktuuriga.

Viimane asjaolu ei jäta jälje mitte ainult meie veealaste ideede arengusse, vaid ka varase elu ja DNA molekuli enda arengusse. Kui oletada, et elu tekke ajastul olid krüoliitsavi kivimid nanotorude kujulised, siis tekib küsimus: kas neis sorbeerunud vesi võiks olla DNA sünteesi ja infolugemise struktuurse alusena (maatriksina)? Võib-olla sellepärast kordab DNA spiraalne struktuur nanotorudes oleva vee spiraalset struktuuri. Nagu ajakiri New Scientist teatab, peavad meie välismaised kolleegid nüüd infrapunaspektroskoopiat ja neutronite hajuvusspektroskoopiat kasutades kinnitama selliste vee makromolekulide olemasolu reaalsetes katsetingimustes.

Ph.D. O.V. Mosin

Jää- mineraal koos kemikaaliga valem H2O, tähistab vett kristallilises olekus.
Jää keemiline koostis: H - 11,2%, O - 88,8%. Mõnikord sisaldab see gaasilisi ja tahkeid mehaanilisi lisandeid.
Looduses on jää esindatud peamiselt ühe mitmest kristallilisest modifikatsioonist, mis on stabiilne temperatuurivahemikus 0–80 °C ja sulamistemperatuuriga 0 °C. On teada 10 jää ja amorfse jää kristalset modifikatsiooni. Enim uuritud on 1. modifikatsiooni jää – ainus looduses leitud modifikatsioon. Jääd leidub looduses jää enda kujul (mandriline, ujuv, maa-alune jne), samuti lume, härmatise jms kujul.

Vaata ka:

STRUKTUUR

Jää kristallstruktuur sarnaneb struktuuriga: iga H 2 0 molekuli ümbritsevad neli talle kõige lähemal asuvat molekuli, mis asuvad temast võrdsel kaugusel, võrdub 2,76Α ja asuvad korrapärase tetraeedri tippudes. Madala koordinatsiooninumbri tõttu on jää struktuur ažuurne, mis mõjutab selle tihedust (0,917). Jääl on kuusnurkne ruumivõre ja see tekib vee külmumisel temperatuuril 0 °C ja atmosfäärirõhul. Kõigi jääkristalliliste modifikatsioonide võrel on tetraeedriline struktuur. Jääühiku raku parameetrid (temperatuuril t 0 °C): a=0,45446 nm, c=0,73670 nm (c on kahekordne kaugus külgnevate põhitasapindade vahel). Kui temperatuur langeb, muutuvad need väga vähe. Jäävõres olevad H 2 0 molekulid on omavahel seotud vesiniksidemetega. Vesinikuaatomite liikuvus jäävõres on palju suurem kui hapnikuaatomite liikuvus, mille tõttu molekulid vahetavad oma naabreid. Molekulide märkimisväärsete vibratsiooni- ja pöörlemisliikumiste olemasolul jäävõres tekivad molekulide translatsioonilised hüpped nende ruumilise ühenduse kohast, mis rikuvad edasist korda ja moodustavad dislokatsioone. See seletab jääl spetsiifiliste reoloogiliste omaduste avaldumist, mis iseloomustavad seost jää pöördumatute deformatsioonide (voolu) ja neid tekitanud pingete (plastsus, viskoossus, voolavuspiir, roome jne) vahel. Nende asjaolude tõttu voolavad liustikud sarnaselt väga viskoossetele vedelikele ja seega osaleb looduslik jää aktiivselt Maa veeringes. Jääkristallid on suhteliselt suurte mõõtmetega (ristisuurus alates millimeetri murdosast kuni mitmekümne sentimeetrini). Neid iseloomustab viskoossusteguri anisotroopsus, mille väärtus võib varieeruda mitme suurusjärgu võrra. Kristallid on võimelised koormuste mõjul ümber orienteeruma, mis mõjutab nende metamorfiseerumist ja liustike voolukiirust.

OMADUSED

Jää on värvitu. Suurtes kobarates omandab sinaka varjundi. Klaasi sära. Läbipaistev. Ei oma dekolteed. Kõvadus 1,5. Habras. Optiliselt positiivne, murdumisnäitaja väga madal (n = 1,310, nm = 1,309). Looduses on teada 14 jää modifikatsiooni. Tõsi, kõik peale tuttava jää, mis kristalliseerub kuusnurkses süsteemis ja mida nimetatakse jääks I, tekib eksootilistes tingimustes - väga madalatel temperatuuridel (umbes -110150 0C) ja kõrgel rõhul, kui vesiniksidemete nurgad vees. molekulid muutuvad ja moodustuvad süsteemid, mis erinevad kuusnurksest. Sellised tingimused sarnanevad kosmosetingimustega ja neid Maal ei esine. Näiteks temperatuuril alla –110 °C sadestub veeaur metallplaadile oktaeedrite ja mitme nanomeetri suuruste kuubikutena - see on nn kuupjää. Kui temperatuur on veidi üle –110 °C ja aurude kontsentratsioon on väga madal, tekib plaadile ülitihe amorfse jääkiht.

MORFOLOOGIA

Jää on looduses väga levinud mineraal. Maakoores on mitut tüüpi jääd: jõgi, järv, meri, maa, firn ja liustik. Sagedamini moodustab see peenkristalliliste terade koondkogumeid. Samuti on teada kristallilised jäämoodustised, mis tekivad sublimatsiooni teel, st otse auruolekust. Nendel juhtudel näib jää skeletikristallidena (lumehelveste) ning skeleti ja dendriitide kasvu agregaatidena (koopajää, härmatis, härmatis ja mustrid klaasil). Leitakse suuri hästi lõigatud kristalle, kuid väga harva. N. N. Stulov kirjeldas Venemaa kirdeosas asuvaid jääkristalle, mis leiti 55-60 m sügavuselt maapinnast ja millel on isomeetriline ja sammaskujuline välimus ning suurima kristalli pikkus oli 60 cm ja selle põhja läbimõõt oli 15 cm Lihtvormidest jääkristallidel tuvastati ainult kuusnurkse prisma (1120), kuusnurkse bipüramiidi (1121) ja pinakoidi (0001) tahud.
Jäästalaktiidid, mida kõnekeeles nimetatakse jääpurikateks, on kõigile tuttavad. Sügis-talvistel aastaaegadel umbes 0° temperatuuride erinevustega kasvavad nad voolava ja tilkuva vee aeglase külmumise (kristalliseerumise) ajal kõikjal Maa pinnal. Need on levinud ka jääkoobastes.
Jääpangad on jääst koosnevad jääkatte ribad, mis kristalliseeruvad vee-õhu piiril piki veehoidlate servi ja piirnevad lompide äärtega, jõgede, järvede, tiikide, veehoidlate jms kallastega. ülejäänud veeruum ei jäätu. Kui need täielikult kokku kasvavad, moodustub reservuaari pinnale pidev jääkate.
Jää moodustab poorsetes muldades ka paralleelseid sammaskujulisi agregaate kiuliste veenide kujul ja nende pinnal jääantoliite.

PÄRITOLU

Jää tekib peamiselt veekogudesse õhutemperatuuri langedes. Samal ajal ilmub veepinnale jäänõeltest koosnev jääpuder. Altpoolt kasvavad sellele pikad jääkristallid, mille kuuendat järku sümmeetriateljed asuvad maakoore pinnaga risti. Jääkristallide vahelised seosed erinevates moodustumise tingimustes on näidatud joonisel fig. Jää on levinud kõikjal, kus on niiskust ja kus temperatuur langeb alla 0° C. Mõnes piirkonnas sulab maajää vaid madalale sügavusele, millest allpool algab igikelts. Need on niinimetatud igikeltsa alad; Maakoore ülemistes kihtides igikeltsa levikualadel leidub nn maa-alust jääd, mille hulgas eristatakse tänapäevast ja fossiilset maa-alust jääd. Liustikud on kaetud vähemalt 10% Maa maismaast, neid moodustavat monoliitset jääkivi nimetatakse liustikujääks. Liustikujää tekib eelkõige lume kuhjumisest selle tihenemise ja muundumise tulemusena. Jääkilp katab umbes 75% Gröönimaast ja peaaegu kogu Antarktikast; suurim paksus liustike (4330 m) asub Byrdi jaama lähedal (Antarktika). Kesk-Gröönimaal ulatub jää paksus 3200 meetrini.
Jäämaardlad on hästi teada. Külmade, pikkade talvede ja lühikeste suvedega piirkondades, aga ka kõrgete mägipiirkondades moodustuvad stalaktiitide ja stalagmiitidega jääkoopad, millest kõige huvitavamad on Kungurskaja Uuralites Permi piirkonnas, samuti Dobshine'i koobas. Slovakkia.
Kui merevesi külmub, tekib merejää. Merejääle on iseloomulikud soolsus ja poorsus, mis määravad selle tiheduse vahemiku 0,85–0,94 g/cm 3 . Nii väikese tiheduse tõttu tõusevad jäätükid veepinnast kõrgemale 1/7-1/10 oma paksusest. Merejää hakkab sulama temperatuuril üle -2,3°C; see on elastsem ja seda on raskem tükkideks murda kui mageveejää.

RAKENDUS

1980. aastate lõpus töötati Argonne'i laboris välja tehnoloogia jääpulberi valmistamiseks, mis võib vabalt voolata läbi erineva läbimõõduga torude, ilma et koguneks jääkogumiks, kleepuks kokku või ummistaks jahutussüsteeme. Soolane vesisuspensioon koosnes paljudest väga väikestest ümara kujuga jääkristallidest. Tänu sellele säilib vee liikuvus ja samas esindab see soojustehnika seisukohalt jääd, mis on 5-7 korda efektiivsem kui lihtne külm vesi hoonete jahutussüsteemides. Lisaks on sellised segud meditsiini jaoks paljulubavad. Loomkatsed on näidanud, et jääsegu mikrokristallid läbivad suurepäraselt üsna väikestesse veresoontesse ega kahjusta rakke. "Jäine veri" pikendab aega, mille jooksul ohver saab päästetud. Oletame, et südameseiskuse korral pikeneb see aeg konservatiivsetel hinnangutel 10-15 minutilt 30-45 minutile.
Jää kasutamine konstruktsioonimaterjalina on polaaraladel levinud eluruumide – iglude – ehitamiseks. Jää on osa D. Pike’i pakutud Pikerite materjalist, millest tehti ettepanek teha maailma suurim lennukikandja.

Jää – H2O

KLASSIFIKATSIOON

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

Jää kristallstruktuur: veemolekulid on ühendatud korrapäraste kuusnurkadena. Jää kristallvõre: Vee molekulid H 2 O (mustad pallid) selle sõlmedes on paigutatud nii, et igaühel on neli naabrit. Veemolekul (keskus) on vesiniksidemetega seotud nelja lähima naabermolekuliga. Jää on vee kristalne modifikatsioon. Viimastel andmetel on jääl 14 struktuurset modifikatsiooni. Nende hulgas on nii kristalseid (neist suurem osa) kui ka amorfseid modifikatsioone, kuid need kõik erinevad üksteisest veemolekulide suhtelise paigutuse ja omaduste poolest. Tõsi, kõik peale tuttava jää, mis kristalliseerub kuusnurkses süsteemis, tekib eksootilistes tingimustes väga madalatel temperatuuridel ja kõrgel rõhul, kui veemolekulis muutuvad vesiniksidemete nurgad ja tekivad muud süsteemid kui kuusnurksed. Sellised tingimused sarnanevad kosmosetingimustega ja neid Maal ei esine. Näiteks temperatuuril alla –110 °C sadestub veeaur metallplaadile oktaeedrite ja mitme nanomeetri suuruste kuubikutena – nn kuupjää. Kui temperatuur on veidi üle –110 °C ja aurude kontsentratsioon on väga madal, tekib plaadile ülitihe amorfse jääkiht. Jää kõige ebatavalisem omadus on selle hämmastav väliste ilmingute mitmekesisus. Sama kristalse struktuuriga võib see välja näha täiesti erinev, võttes läbipaistvate rahekivide ja jääpurikate, koheva lumehelveste, tiheda läikiva jääkooriku või hiiglaslike liustikumasside kujul.

Lumehelves on üksik jääkristall – teatud tüüpi kuusnurkne kristall, kuid selline, mis kasvas kiiresti mittetasakaalutingimustes. Teadlased on sajandeid võidelnud nende ilu ja lõputu mitmekesisuse saladusega. Lumehelbe eluiga algab veeaurupilves kristalsete jäätuumade moodustumine temperatuuri langedes. Kristalliseerumise keskpunktiks võivad olla tolmuosakesed, mis tahes tahked osakesed või isegi ioonid, kuid igal juhul on nendel alla kümnendiku millimeetri suurustel jäätükkidel juba kuusnurkne kristallvõre.Nende pinnal kondenseerub veeaur. tuumad, moodustab esmalt tillukese kuusnurkse prisma, mille kuuest nurgast hakkab kasvama ühesugused jääokkad, külgmised võrsed, sest temperatuur ja niiskus embrüo ümber on samuti samad. Neil omakorda kasvavad okste külgmised võrsed, nagu puul. Selliseid kristalle nimetatakse dendriitideks, see tähendab puiduga sarnaseks. Pilves üles-alla liikudes puutub lumehelves kokku erinevate temperatuuride ja veeauru kontsentratsioonidega tingimusi. Selle kuju muutub, järgides viimseni kuusnurkse sümmeetria seadusi. Nii muutuvad lumehelbed teistsuguseks. Siiani pole õnnestunud leida kahte ühesugust lumehelvest.

Jää värvus sõltub selle vanusest ja seda saab kasutada selle tugevuse hindamiseks. Ookeani jää on oma esimesel eluaastal valge, kuna see on küllastunud õhumullidega, mille seintelt peegeldub valgus koheselt, ilma et oleks aega imenduda. Suvel jää pind sulab, kaotab oma tugevuse ning peal lamavate uute kihtide raskuse all õhumullid tõmbuvad kokku ja kaovad täielikult. Jää sees olev valgus läbib varasemast pikema tee ja ilmub sinakasrohelise toonina. Sinine jää on vanem, tihedam ja tugevam kui õhuga küllastunud valge “vahune” jää. Polaaruurijad teavad seda ja valivad oma ujuvbaaside, uurimisjaamade ja jäälennuväljade jaoks usaldusväärsed sinised ja rohelised jäätükid. Seal on mustad jäämäed. Esimene pressiteade nende kohta ilmus aastal 1773. Jäämägede musta värvi põhjustab vulkaanide tegevus – jää on kaetud paksu vulkaanilise tolmukihiga, mida ei uhu maha isegi merevesi. Jää pole võrdselt külm. Seal on väga külm jää, mille temperatuur on umbes miinus 60 kraadi, see on mõne Antarktika liustike jää. Gröönimaa liustike jää on palju soojem. Selle temperatuur on ligikaudu miinus 28 kraadi. Väga “soe jää” (temperatuuriga umbes 0 kraadi) asub Alpide ja Skandinaavia mägede tippudel.

Vee tihedus on maksimaalne +4 C juures ja võrdub 1 g/ml, temperatuuri langedes väheneb. Vee kristalliseerumisel väheneb tihedus järsult, jää puhul on see 0,91 g/cm3. Tänu sellele on jää veest kergem ja reservuaaride külmumisel koguneb jää peale ning reservuaaride põhjas on vett tihedam. temperatuuriga 4 ̊ C. Jää halb soojusjuhtivus ja Seda kattev lumikate kaitseb veehoidlaid põhjani külmumise eest ning loob seeläbi tingimused veehoidlate elanike talviseks eluks.

Liustikud, jääkilbid, igikelts ja hooajaline lumikate mõjutavad märkimisväärselt suurte piirkondade ja kogu planeedi kliimat: isegi need, kes pole lund näinud, tunnevad selle Maa poolustele kogunenud masside hingust näiteks kujul. Maailma ookeani taseme pikaajalistest kõikumistest. Jää on meie planeedi välimuse ja sellel elavate olendite mugava elupaiga jaoks nii oluline, et teadlased on eraldanud selle jaoks spetsiaalse keskkonna - krüosfääri, mis ulatub kõrgele atmosfääri ja sügavale maapõue. Looduslik jää on tavaliselt palju puhtam kui vesi, sest... ainete (v.a NH4F) lahustuvus jääs on äärmiselt madal. Kogu jäävaru Maal on umbes 30 miljonit km 3. Suurem osa jääst on koondunud Antarktikasse, kus selle kihi paksus ulatub 4 km-ni.

Täna räägime lume ja jää omadustest. Tasub selgitada, et jää ei moodustu ainult veest. Lisaks vesijääle on ammoniaagi- ja metaanjääd. Mitte kaua aega tagasi leiutasid teadlased kuiva jää. Selle omadused on ainulaadsed, käsitleme neid veidi hiljem. See tekib süsinikdioksiidi külmumisel. Kuivjää sai oma nime tänu sellele, et sulades ei jäta see lompe. Selles sisalduv süsihappegaas aurustub külmunud olekust kohe õhku.

Jää määratlus

Kõigepealt vaatame lähemalt jääd, mida saadakse veest. Selle sees on tavaline kristallvõre. Jää on tavaline looduslik mineraal, mis tekib vee külmumisel. Üks selle vedeliku molekul seondub nelja läheduses oleva molekuliga. Teadlased on märganud, et selline sisemine struktuur on omane erinevatele vääriskividele ja isegi mineraalidele. Näiteks on selline struktuur teemant, turmaliini, kvarts, korund, berüül ja teised. Molekule hoiab eemal kristallvõre. Need vee ja jää omadused näitavad, et sellise jää tihedus on väiksem selle vee tihedusest, mille tõttu see tekkis. Seetõttu hõljub jää veepinnal ega vaju selle sisse.

Miljonite ruutkilomeetrite jääd

Kas tead, kui palju jääd meie planeedil on? Teadlaste hiljutiste uuringute kohaselt on planeedil Maa umbes 30 miljonit ruutkilomeetrit külmunud vett. Nagu võis arvata, leidub suurem osa sellest looduslikust mineraalist polaarjäämütsides. Kohati ulatub jääkatte paksus 4 km-ni.

Kuidas jääd saada

Jää valmistamine pole üldse keeruline. See protsess pole keeruline ega nõua erilisi oskusi. See nõuab madalat veetemperatuuri. See on jää moodustumise protsessi ainus püsiv tingimus. Vesi külmub, kui teie termomeeter näitab temperatuuri alla 0 kraadi Celsiuse järgi. Kristalliseerumisprotsess algab vees madalate temperatuuride tõttu. Selle molekulid on ehitatud huvitavasse järjestatud struktuuri. Seda protsessi nimetatakse kristallvõre moodustumiseks. Nii on see nii ookeanis, lombis kui ka sügavkülmas.

Külmutamisprotsessi uurimine

Uurides vee külmumise teemat, jõudsid teadlased järeldusele, et kristallvõre on ehitatud vee ülemistesse kihtidesse. Pinnale hakkavad moodustuma mikroskoopilised jääpulgad. Veidi hiljem külmuvad nad kokku. Tänu sellele tekib vee pinnale õhuke kile. Suurte veekogude külmumine võtab palju kauem aega võrreldes seisva veega. Selle põhjuseks on asjaolu, et tuul lainetab ja lainetab järve, tiigi või jõe pinda.

Jääpannkoogid

Teadlased tegid veel ühe tähelepaneku. Kui elevus jätkub madalatel temperatuuridel, siis kogutakse kõige õhemad kiled umbes 30 cm läbimõõduga pannkookidesse. Seejärel külmuvad need üheks kihiks, mille paksus on vähemalt 10 cm. Pealt ja alt külmub uus jääkiht. jääpannkookidest. See loob paksu ja vastupidava jääkatte. Selle tugevus sõltub tüübist: kõige läbipaistvam jää on mitu korda tugevam kui valge jää. Keskkonnakaitsjad on märganud, et 5-sentimeetrine jää talub täiskasvanud inimese raskust. Sõiduautole peab vastu 10 cm kiht, kuid tuleb meeles pidada, et sügisel ja kevadel jääle minek on väga ohtlik.

Lume ja jää omadused

Füüsikud ja keemikud on jää ja vee omadusi pikka aega uurinud. Jää tuntuim ja ka inimese jaoks olulisem omadus on selle võime kergesti sulada ka nulltemperatuuril. Kuid teaduse jaoks on olulised ka muud jää füüsikalised omadused:

• jää on läbipaistev, seega laseb see hästi päikesevalgust läbi;
• värvitus - jääl pole värvi, kuid seda saab värvilisandite abil kergesti värvida;
• kõvadus - jäämassid säilitavad suurepäraselt oma kuju ilma väliskestata;
• voolavus on jää eriline omadus, mis on mineraalile omane vaid mõnel juhul;
• haprus - jäätükki saab hõlpsasti ilma suurema vaevata poolitada;
• lõhenemine - jää murdub kergesti nendes kohtades, kus see on sulanud mööda kristallograafilist joont.

Jää: nihke- ja puhtusomadused

Jää koostises on kõrge puhtusaste, kuna kristallvõre ei jäta vaba ruumi erinevatele võõrmolekulidele. Kui vesi külmub, tõrjub see välja erinevad lisandid, mis selles kunagi olid lahustunud. Samamoodi saate puhastatud vett kodus.

Kuid mõned ained võivad aeglustada vee külmumisprotsessi. Näiteks sool merevees. Jää tekib meres ainult väga madalatel temperatuuridel. Üllataval kombel on vee iga-aastane külmutamine võimeline säilitama mitmesuguste lisandite isepuhastumist miljoneid aastaid järjest.

Kuivjää saladused

Selle jää eripära on see, et selle koostis sisaldab süsinikku. Selline jää tekib alles temperatuuril -78 kraadi, kuid see sulab juba -50 kraadi juures. Kuivjää, mille omadused võimaldavad vedelike faasi vahele jätta, tekitab kuumutamisel koheselt auru. Kuival jääl, nagu ka selle analoogil vesijääl, pole lõhna.

Kas tead, kus kuiva jääd kasutatakse? Oma omaduste tõttu kasutatakse seda mineraali toiduainete ja ravimite transportimisel pikkade vahemaade taha. Ja selle jää graanulid võivad bensiini tule kustutada. Samuti moodustab kuivjää sulamisel paksu udu, mistõttu kasutatakse seda filmivõtetel eriefektide loomiseks. Lisaks kõigele eelnevale saab matkale ja metsa kaasa võtta kuiva jääd. Lõppude lõpuks, kui see sulab, tõrjub see sääski, erinevaid kahjureid ja närilisi.

Mis puutub lume omadustesse, siis seda hämmastavat ilu saame jälgida igal talvel. Lõppude lõpuks on igal lumehelves kuusnurga kuju - see on muutumatu. Kuid lisaks kuusnurksele kujule võivad lumehelbed olla erinevad. Igaühe nende teket mõjutavad õhuniiskus, atmosfäärirõhk ja muud looduslikud tegurid.

Vee, lume ja jää omadused on hämmastavad. Oluline on teada veel mõnda vee omadust. Näiteks on see võimeline võtma selle anuma kuju, millesse see valatakse. Kui vesi külmub, siis see paisub ja sellel on ka mälu. Ta suudab meeles pidada ümbritsevat energiat ja kui see külmub, siis "lähtestab" endasse neelatud teabe.

Vaatasime looduslikku mineraali - jääd: selle omadusi ja omadusi. Jätkake loodusteaduste õppimist, see on väga oluline ja kasulik!