Vrsta kristalne rešetke leda. Heksagonalna tiranija

U kemijske interakcije ne ulaze pojedinačni atomi ili molekule, već tvari.

Naš zadatak je upoznati građu tvari.

Na niskim temperaturama tvari su u stabilnom čvrstom stanju.

☼ Najtvrđa tvar u prirodi je dijamant. Smatra se kraljem svih dragulja i dragog kamenja. A samo ime na grčkom znači "neuništiv". 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 vedro raspoloženje do duboke starosti i uživa kraljevsku naklonost.

☼ Dijamant koji je podvrgnut juvelirskoj obradi - brušenju, poliranju naziva se dijamant.

Pri taljenju kao rezultat toplinskih vibracija dolazi do poremećaja reda čestica, one postaju pokretne, a priroda kemijske veze nije narušena. Dakle, nema temeljnih razlika između čvrstog i tekućeg stanja.

Tekućina dobiva fluidnost (tj. sposobnost da poprimi oblik posude).

Tekući kristali

Tekući kristali otkriveni su krajem 19. stoljeća, ali se proučavaju zadnjih 20-25 godina. Mnogi zaslonski uređaji moderne tehnologije, na primjer, neki elektronički satovi i mini-računala, rade na tekućim kristalima.

Općenito, riječi "tekući kristali" zvuče ništa manje neobično od "vrućeg leda". No, u stvarnosti led može biti i vruć, jer... pri tlaku većem od 10 000 atm. vodeni led se topi na temperaturama iznad 200 0 C. Neobičnost kombinacije “tekući kristali” je u tome što tekuće stanje ukazuje na pokretljivost strukture, a kristal implicira strogu uređenost.

Ako se tvar sastoji od poliatomskih molekula izduženog ili lamelarnog oblika i ima asimetričnu strukturu, tada kada se topi, te su molekule usmjerene na određeni način jedna u odnosu na drugu (njihove duge osi su paralelne). U tom slučaju, molekule se mogu slobodno kretati paralelno same sa sobom, tj. sustav dobiva svojstvo fluidnosti karakteristično za tekućinu. Istodobno, sustav zadržava uređenu strukturu, koja određuje svojstva karakteristična za kristale.

Visoka pokretljivost takve strukture omogućuje upravljanje vrlo slabim utjecajima (toplinski, električni, itd.), tj. namjerno mijenjati svojstva tvari, uključujući i optička, uz vrlo mali utrošak energije, što se koristi u modernoj tehnologiji.

Vrste kristalnih rešetki

Svaka kemijska tvar sastoji se od velikog broja identičnih čestica koje su međusobno povezane.

Na niskim temperaturama, kada je toplinsko kretanje otežano, čestice su strogo orijentirane u prostoru i obliku kristalna rešetka.

Kristalna ćelija - Ovaj struktura s geometrijski pravilnim rasporedom čestica u prostoru.

U samoj kristalnoj rešetki razlikuju se čvorovi i internodalni prostor.

Ista tvar ovisno o uvjetima (str, t,...)postoje u raznim 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 varijanta kristalnog ugljika, "lonsdaleit", malo je poznata. Otkriven je u meteoritima i dobiven umjetnim putem, a njegova se struktura još uvijek proučava.

☼ Čađa, koks i drveni ugljen klasificirani su kao amorfni ugljikovi polimeri. Međutim, sada je postalo poznato da su i to kristalne tvari.

☼ Usput, u čađi su pronađene sjajne crne čestice koje su nazvane "zrcalni ugljik". Mirror carbon je kemijski inertan, otporan na toplinu, ne propušta plinove i tekućine, ima glatku površinu i apsolutno je kompatibilan sa živim tkivima.

☼ Naziv grafit dolazi od talijanske riječi grafito - pišem, crtam. Grafit je tamno sivi kristal slabog metalnog sjaja i ima slojevitu rešetku. Pojedini slojevi atoma u kristalu grafita, međusobno relativno slabo povezani, lako se međusobno odvajaju.

VRSTE KRISTALNIH REŠETKA

	ionski			metal
Što se nalazi u čvorovima kristalne rešetke, strukturna jedinica	ioni	atomi	molekule	atoma i kationa
Vrsta kemijske veze između čestica čvora	ionski		kovalentni: polarni i nepolarni	metal
Sile međudjelovanja između kristalnih čestica	elektrostatički logično	kovalentni	intermolekularni- novi	elektrostatički logično
Fizička svojstva zbog kristalne rešetke	· privlačne sile između iona su jake, · T mn. (vatrostalni), · lako se otapa u vodi, · talina i otopina provode električnu struju, neisparljiv (bez mirisa)	· kovalentne veze između atoma su velike, · T mn. i T kip je vrlo, · ne otapa se u vodi, · talina ne provodi električnu struju	· sile privlačenja između molekula su male, · T mn. ↓, neki su topljivi u vodi, · imaju hlapljiv miris	· interakcijske sile su velike, · T mn. , Visoka toplinska i električna vodljivost
Agregatno stanje tvari u normalnim uvjetima	teško	teško	teško, plinoviti tekućina	teško, tekućina (N g)
Primjeri	većina soli, lužine, tipični metalni oksidi	C (dijamant, grafit), Si, Ge, B, SiO 2, CaC 2, SiC (karborund), BN, Fe 3 C, TaC (t pl. =3800 0 C) Crveni i crni fosfor. Oksidi nekih metala.	svi plinovi, tekućine, većina nemetala: inertni plinovi, halogeni, H 2, N 2, O 2, O 3, P 4 (bijeli), S 8. Vodikovi spojevi nemetala, oksidi nemetala: H 2 O, CO 2 "suhi led". Većina organskih spojeva.	Metali, legure

Ako je brzina rasta kristala mala nakon hlađenja, nastaje staklasto stanje (amorfno).

Odnos između položaja elementa u periodnom sustavu i kristalne rešetke njegove jednostavne tvari.

Postoji tijesan odnos između položaja elementa u periodnom sustavu i kristalne rešetke njegove odgovarajuće elementarne supstance.

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

Jednostavne tvari preostalih elemenata imaju metalnu kristalnu rešetku.

POPRAVLJANJE

Proučite gradivo predavanja i pismeno odgovorite na sljedeća pitanja u svoju bilježnicu:

Što je kristalna rešetka?
Koje vrste kristalnih rešetki postoje?
Okarakterizirajte svaku vrstu kristalne rešetke prema planu: Što se nalazi u čvorovima kristalne rešetke, strukturna jedinica → Vrsta kemijske veze među česticama čvora → Međudjelovanje sila među česticama kristala → Fizikalna svojstva uzrokovana kristalom rešetka → Agregatno stanje tvari u normalnim uvjetima → Primjeri

Izvršite zadatke na ovu temu:

Koju vrstu kristalne rešetke imaju sljedeće tvari koje se široko koriste u svakodnevnom životu: voda, octena kiselina (CH 3 COOH), šećer (C 12 H 22 O 11), kalijevo gnojivo (KCl), riječni pijesak (SiO 2) - taljenje točka 1710 0 C , amonijak (NH 3), kuhinjska sol? Napravite opći zaključak: prema kojim se svojstvima tvari može odrediti vrsta njezine kristalne rešetke?
Pomoću formula zadanih tvari: SiC, CS 2, NaBr, C 2 H 2 - odredite vrstu kristalne rešetke (ionsku, molekularnu) svakog spoja i na temelju toga opišite fizikalna svojstva svake od četiri tvari. .
Trener br.1. "Kristalne rešetke"
Trener br. 2. "Testni zadaci"
Test (samokontrola):

1) Tvari koje imaju molekularnu kristalnu rešetku, u pravilu:

a). vatrostalan i vrlo topiv u vodi
b). topljive i hlapljive
V). Čvrsto i električki vodljivo
G). Toplinski vodljiv i plastičan

2) Pojam "molekule" nije primjenjivo u odnosu na strukturnu jedinicu tvari:

a). voda

b). kisik

V). dijamant

G). ozon

3) Atomska kristalna rešetka je karakteristična za:

a). aluminij i grafit

b). sumpora i joda

V). silicijev oksid i natrijev klorid

G). dijamant i bor

4) Ako je tvar visoko topljiva u vodi, ima visoko talište i električki je vodljiva, tada je njezina kristalna rešetka:

A). molekularni

b). atomski

V). ionski

G). metal

Voda je poznata i neobična tvar. Gotovo 3/4 površine našeg planeta zauzimaju oceani i mora. Tvrda voda - snijeg i led - pokriva 20% kopna. Klima planeta ovisi o vodi. Geofizičari to kažu Zemlja bi se odavno ohladila i pretvorila u beživotni komad kamena da nije bilo vode. Ima vrlo visok toplinski kapacitet. Kada se zagrije, apsorbira toplinu; ohladivši se daje. Zemljina voda apsorbira i vraća puno topline i time "ujednačava" klimu. A ono što Zemlju štiti od kozmičke hladnoće su one molekule vode koje su raspršene u atmosferi – u oblacima i u obliku pare.

Voda je najmisterioznija tvar u prirodi nakon DNK, posjeduju jedinstvena svojstva koja ne samo da još nisu u potpunosti objašnjena, nego su daleko od svih poznatih. Što se dulje proučava, to se u njemu nalazi više novih anomalija i misterija. Većina ovih anomalija koje omogućuju život na Zemlji objašnjava se prisutnošću vodikovih veza između molekula vode, koje su puno jače od van der Waalsovih sila privlačenja između molekula drugih tvari, ali za red veličine slabije od ionskih i kovalentnih veze između atoma u molekulama. Iste vodikove veze prisutne su i u molekuli DNA.

Molekula vode (H 2 16 O) sastoji se od dva atoma vodika (H) i jednog atoma kisika (16 O). Ispostavilo se da je gotovo sva raznolikost svojstava vode i neobičnost njihove manifestacije određena, u konačnici, fizičkom prirodom tih atoma, načinom na koji su spojeni u molekulu i grupiranjem rezultirajućih molekula.

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

Molekula vode H 2 O građena je u obliku trokuta: kut između dviju veza kisik-vodik je 104 stupnja. 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 njezinih različitih molekula. Atomi vodika u molekuli H 2 O, s djelomičnim pozitivnim nabojem, međusobno djeluju s elektronima atoma kisika susjednih molekula. Ova kemijska veza naziva se vodikova veza. Ujedinjuje molekule H 2 O u jedinstvene suradnike prostorne strukture; ravnina u kojoj se nalaze vodikove veze okomita je na ravninu atoma iste molekule H 2 O. Interakcija među molekulama vode prvenstveno objašnjava nenormalno visoke temperature njezina taljenja i vrenja. Mora se unijeti dodatna energija da bi se olabavile i zatim uništile vodikove veze. A ova energija je vrlo značajna. Zbog toga je toplinski kapacitet vode tako visok.

Molekula vode sadrži dvije polarne kovalentne veze H–O. Nastaju preklapanjem dvaju jednoelektronskih p - oblaka atoma kisika i jednoelektronskih S - oblaka dvaju atoma vodika.

U skladu s elektronskom strukturom atoma vodika i kisika, molekula vode ima četiri elektronska para. Dva od njih sudjeluju u stvaranju kovalentnih veza s dva atoma vodika, tj. su obvezujući. Druga dva elektronska para su slobodna – nevezujuća. Oni tvore elektronski oblak. Oblak je heterogen - u njemu se mogu razlikovati pojedinačne koncentracije i razrjeđenja.

Molekula vode ima četiri polna naboja: dva pozitivna i dva negativna. Pozitivni naboji koncentrirani su na atomima vodika, jer je kisik više elektronegativan od vodika. Dva negativna pola potječu od dva nevezujuća elektronska para kisika.

U kisikovoj jezgri stvara se višak elektronske gustoće. Unutarnji elektronski par kisika ravnomjerno uokviruje jezgru: shematski je predstavljena krugom sa središtem - jezgrom O 2-. Četiri vanjska elektrona grupirana su u dva elektronska para koji gravitiraju prema jezgri, ali nisu djelomično kompenzirani. Shematski su ukupne elektronske orbitale ovih parova prikazane u obliku elipsa izduženih iz zajedničkog središta - jezgre O 2-. Svaki od preostala dva elektrona u kisiku spaja se s jednim elektronom u vodiku. Ove pare također gravitiraju prema jezgri kisika. Stoga se jezgre vodika - protoni - pokazuju donekle golim, a ovdje se uočava nedostatak gustoće elektrona.

Dakle, u molekuli vode postoje četiri pola naboja: dva negativna (višak gustoće elektrona u području jezgre kisika) i dva pozitivna (nedostatak gustoće elektrona u dvjema jezgrama vodika). Radi veće jasnoće, možemo zamisliti da polovi zauzimaju vrhove deformiranog tetraedra, u čijem se središtu nalazi jezgra kisika.

Riža. Struktura molekule vode: a – kut između O-H veza; b – položaj polova naboja; c – pojava elektronskog oblaka molekule vode.

Gotovo sferična molekula vode ima izrazito izražen polaritet, budući da su električni naboji u njoj smješteni asimetrično. Svaka molekula vode je minijaturni dipol s visokim dipolnim momentom od 1,87 deBy. Debye je jedinica izvan sustava električnog dipola 3,33564·10 30 C·m. Pod utjecajem vodenih dipola međuatomske ili međumolekularne sile na površini tvari uronjene u nju oslabe 80 puta. Drugim riječima, voda ima visoku dielektričnu konstantu, najveću od svih spojeva koji su nam poznati.

Uvelike zahvaljujući tome, voda se manifestira kao univerzalno otapalo. Čvrste tvari, tekućine i plinovi podložni su njegovom djelovanju otapanja u jednom ili drugom stupnju.

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

Takvo razumijevanje strukture molekule omogućuje objašnjenje mnogih svojstava vode, posebice strukture leda. U kristalnoj rešetki leda svaka je molekula okružena s četiri druge. Na ravnoj slici to se može prikazati na sljedeći način:

Veza između molekula ostvaruje se preko atoma vodika. Pozitivno nabijeni atom vodika jedne molekule vode privlači negativno nabijeni atom kisika druge molekule vode. Ta se veza naziva vodikovom vezom (označava se točkama). Snaga vodikove veze je otprilike 15-20 puta slabija od kovalentne veze. Zbog toga se vodikova veza lako prekida, što se opaža, na primjer, tijekom isparavanja vode.

Riža. lijevo - Vodikove veze između molekula vode

Struktura tekuće vode nalikuje strukturi leda. U tekućoj vodi molekule su također međusobno povezane vodikovim vezama, ali struktura vode manje je "kruta" od strukture leda. Zbog toplinskog gibanja molekula u vodi, neke vodikove veze se prekidaju, a druge nastaju.

Riža. Kristalna rešetka leda. Molekule vode H 2 O (crne kuglice) u njegovim čvorovima smještene su tako da svaka ima četiri “susjeda”.

Polarnost molekula vode i prisutnost djelomično nekompenziranih električnih naboja u njima dovodi do tendencije grupiranja molekula u velike "zajednice" - suradnike. Ispada da samo voda u stanju pare u potpunosti odgovara formuli H2O. To su pokazali rezultati određivanja molekulske mase vodene pare. U temperaturnom području od 0 do 100°C koncentracija pojedinačnih (monomernih molekula) tekuće vode ne prelazi 1%. Sve ostale molekule vode spojene su u asocijate različitog stupnja složenosti, a njihov sastav opisuje se općom formulom (H 2 O)x.

Izravni uzrok nastanka suradnika su vodikove veze između molekula vode. Nastaju između jezgri vodika nekih molekula i "kondenzacije" elektrona jezgri kisika drugih molekula vode. Istina, te su veze desetke puta slabije od "standardnih" intramolekularnih kemijskih veza i dovoljni su obični molekularni pokreti da ih unište. Ali pod utjecajem toplinskih vibracija, nove veze ove vrste jednako lako nastaju. Pojava i propadanje suradnika može se prikazati sljedećim dijagramom:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Budući da elektronske orbitale u svakoj molekuli vode tvore tetraedarsku strukturu, vodikove veze mogu urediti raspored molekula vode u tetraedarske koordinirane asociate.

Većina istraživača objašnjava nenormalno visok toplinski kapacitet tekuće vode činjenicom da kada se led otopi, njegova kristalna struktura ne kolabira odmah. U tekućoj vodi očuvane su vodikove veze između molekula. Ono što u njemu ostaje su komadići leda - suradnici većeg ili manjeg broja molekula vode. Međutim, za razliku od leda, svaki suradnik ne postoji dugo. Stalno se događa uništavanje jednih i stvaranje drugih suradnika. Pri svakoj vrijednosti temperature u vodi se u tom procesu uspostavlja vlastita dinamička ravnoteža. A kada se voda zagrijava, dio topline se troši na kidanje vodikovih veza u suradnicima. U ovom slučaju, 0,26-0,5 eV se troši na kidanje svake veze. To objašnjava nenormalno visok toplinski kapacitet vode u usporedbi s talinama drugih tvari koje ne tvore vodikove veze. Pri zagrijavanju takvih talina energija se troši samo na prenošenje toplinskih gibanja njihovim atomima ili molekulama. Vodikove veze između molekula vode potpuno se prekidaju tek kada se voda pretvori u paru. O ispravnosti ovog gledišta govori i činjenica da se specifični toplinski kapacitet vodene pare pri 100°C praktički podudara sa specifičnim toplinskim kapacitetom leda pri 0°C.

Slika ispod:

Osnovni strukturni element suradnika je klaster: Riža. Zaseban hipotetski klaster vode. Pojedinačni klasteri tvore asocijate molekula vode (H 2 O) x: Riža. Klasteri molekula vode tvore suradnike.

Postoji još jedno gledište o prirodi anomalno visokog toplinskog kapaciteta vode. Profesor G.N.Zatsepina primijetio je da je molarni toplinski kapacitet vode, koji iznosi 18 cal/(molgrad), potpuno jednak teoretskom molarnom toplinskom kapacitetu krutine s troatomskim kristalima. A u skladu s Dulongovim i Petitovim zakonom, atomski toplinski kapaciteti svih kemijski jednostavnih (monatomskih) kristalnih tijela pri dovoljno visokoj temperaturi isti su i jednaki 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).

Slijedi da je voda, takoreći, kristalno tijelo koje se sastoji od triatomskih molekula H 2 O. To odgovara uobičajenoj ideji vode kao mješavine kristalnih suradnika s malom primjesom slobodnih molekula vode H 2 O između njih, čiji se broj povećava s porastom temperature. S ove točke gledišta, ono što iznenađuje nije veliki toplinski kapacitet tekuće vode, već nizak toplinski kapacitet čvrstog leda. Smanjenje specifičnog toplinskog kapaciteta vode tijekom smrzavanja objašnjava se nepostojanjem transverzalnih toplinskih vibracija atoma u krutoj kristalnoj rešetki leda, gdje svaki proton koji uzrokuje vodikovu vezu ima samo jedan stupanj slobode za toplinske vibracije umjesto tri .

Ali zbog čega i kako mogu nastati tako velike promjene toplinskog kapaciteta vode bez odgovarajućih promjena tlaka? Kako bismo odgovorili na ovo pitanje, upoznajmo se s hipotezom kandidata geoloških i mineraloških znanosti Yu.A.Kolyasnikova o strukturi vode.

Ističe da su pronalazači vodikovih veza J. Bernal i R. Fowler 1932. uspoređivali strukturu tekuće vode s kristalnom strukturom kvarca, a ti su suradnici koji su gore navedeni uglavnom uglavnom 4H 2 0 tetrameri u kojima se nalaze četiri molekule vode povezane su u kompaktni tetraedar s dvanaest unutarnjih vodikovih veza. Kao rezultat, formira se tetraedar.

U isto vrijeme, vodikove veze u tim tetramerima mogu tvoriti i desne i lijeve sekvence, baš kao što kristali široko rasprostranjenog kvarca (Si0 2), koji također imaju tetraedarsku strukturu, dolaze u desno- i lijevo-okrenute rotacijske kristale oblicima. Budući da svaki takav tetramer vode također ima četiri neiskorištene vanjske vodikove veze (kao jedna molekula vode), tetrameri se mogu povezati tim vanjskim vezama u svojevrsne polimerne lance, poput molekule DNA. A budući da postoje samo četiri vanjske veze i 3 puta više unutarnjih, to omogućuje teškim i jakim tetramerima u tekućoj vodi da savijaju, okreću i čak prekidaju ove vanjske vodikove veze oslabljene toplinskim vibracijama. To određuje fluidnost vode.

Voda, prema Kolyasnikovu, ima ovu strukturu samo u tekućem stanju i, moguće, djelomično u stanju pare. Ali u ledu, čija je kristalna struktura dobro proučena, tetrahidroli su međusobno povezani nefleksibilnim, jednako jakim izravnim vodikovim vezama u otvoreni okvir s velikim šupljinama, što čini gustoću leda manjom od gustoće vode. .

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

Kada se led otopi, neke od vodikovih veza u njemu slabe i savijaju se, što dovodi do restrukturiranja strukture u gore opisane tetramere i čini tekuću vodu gušćom 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. Veze više nemaju kud dalje.

Na temperaturama iznad 4°C počinju pucati pojedinačne veze između tetramera, a na 36-37°C dolazi do kidanja polovice vanjskih vodikovih veza. Time se određuje minimum na krivulji specifičnog toplinskog kapaciteta vode prema temperaturi. Na temperaturi od 70°C pucaju gotovo sve intertetramerne veze, a uz slobodne tetramere u vodi ostaju samo kratki fragmenti njihovih "polimernih" lanaca. Konačno, kada voda zavrije, dolazi do konačnog pucanja sada pojedinačnih tetramera u pojedinačne molekule H 2 O. A činjenica da je specifična toplina isparavanja vode točno 3 puta veća od zbroja specifičnih toplina topljenja leda i naknadnog zagrijavanja vode do 100 ° C potvrđuje Kolyasnikovljevu pretpostavku O. da je broj unutarnjih veza u tetrameru 3 puta veći od broja vanjskih.

Ovakva tetraedarsko-spiralna struktura vode može biti posljedica njezine drevne reološke povezanosti s kvarcom i drugim mineralima silicija i kisika koji prevladavaju u zemljinoj kori, iz čijih se dubina voda nekada pojavila na Zemlji. Kao što mali kristal soli uzrokuje da se otopina koja ga okružuje kristalizira u slične kristale, a ne u druge, tako je kvarc uzrokovao da se molekule vode poredaju u tetraedarske strukture, koje su energetski najpovoljnije. A u našoj eri, u zemljinoj atmosferi, vodena para, kondenzirajući se u kapljice, tvori takvu strukturu jer atmosfera uvijek sadrži sitne kapljice vodenog aerosola koje već imaju takvu strukturu. Oni su središta kondenzacije vodene pare u atmosferi. Ispod su moguće lančane silikatne strukture temeljene na tetraedru, koji također može biti sastavljen od vodenih tetraedra.

Riža. Elementarni pravilni silicij-kisikov tetraedar SiO 4 4-.

Riža. Elementarne silicij-kisikove jedinice-ortogrupe SiO 4 4- u strukturi Mg-piroksen enstatita (a) i diorto skupine Si 2 O 7 6- u Ca-piroksenoidnom volastonitu (b).

Riža. Najjednostavnije vrste otočnih anionskih skupina silicij-kisik: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Riža. dolje - Najvažniji tipovi anionskih skupina lanca silicij-kisik (prema Belovu): a-metagermanat, b - piroksen, c - batisit, d-volastonit, d-vlasovit, e-melilit, f-rodonit, z-piroksmangit , i-metafosfat, k - fluoroberilat, l - barilit.

Riža. dolje - Kondenzacija piroksenskih aniona silicij-kisik u saćasti dvoredni amfibol (a), troredni amfibol (b), slojeviti talk i srodne anione (c).

Riža. dolje - Najvažniji tipovi trakastih silicij-kisikovih skupina (prema Belovu): a - silimanit, amfibol, ksonotlit; b-epididimitis; β-ortoklas; g-narsarsukit; d-fenacit prizmatični; e-euclase umetnut.

Riža. desno - Fragment (elementarni paket) slojevite kristalne strukture muskovita KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, koji ilustrira međusloj mreža aluminij-silicij-kisik s poliedarskim slojevima velikih kationa aluminija i kalija, koji podsjećaju na lanac DNK.

Mogući su i drugi modeli strukture vode. Tetraedarski vezane molekule vode tvore osebujne lance prilično stabilnog sastava. Istraživači otkrivaju sve suptilnije i složenije mehanizme "unutarnje organizacije" vodene mase. Osim strukture poput leda, tekuće vode i molekula monomera, opisan je i treći element strukture - netetraedarski.

Određeni dio molekula vode nije povezan u trodimenzionalne okvire, već u linearne prstenaste asocijacije. Prstenovi, kada su grupirani, tvore još složenije komplekse suradnika.

Prema tome, voda teoretski može formirati lance, poput molekule DNK, kao što će biti objašnjeno u nastavku. Još jedna zanimljiva stvar u vezi s ovom hipotezom je da implicira jednaku vjerojatnost postojanja desno i lijevokretne vode. Ali biolozi su odavno primijetili da se u biološkim tkivima i strukturama mogu uočiti samo lijevo-desnokretne formacije. Primjer za to su proteinske molekule, izgrađene samo od lijevokretnih aminokiselina i upletene samo u lijevokretajuću spiralu. Ali svi su šećeri u prirodi desnokretni. Nitko još nije uspio objasniti zašto se u živoj prirodi u nekim slučajevima toliko preferira lijevo, a negdje udesno. Uistinu, u neživoj prirodi se s jednakom vjerojatnošću nalaze i desnokretne i lijevokretne molekule.

Prije više od stotinu godina poznati francuski prirodoslovac Louis Pasteur otkrio je da su organski spojevi u biljkama i životinjama optički asimetrični – okreću ravninu polarizacije svjetlosti koja na njih pada. Sve aminokiseline koje čine životinje i biljke rotiraju ravninu polarizacije ulijevo, a svi šećeri rotiraju udesno. Ako sintetiziramo spojeve istog kemijskog sastava, tada će svaki od njih sadržavati jednak broj lijevo-desnokretnih molekula.

Kao što znate, svi živi organizmi sastoje se od proteina, a oni su, zauzvrat, napravljeni od aminokiselina. Kombinirajući se međusobno u različitim sekvencama, aminokiseline tvore dugačke peptidne lance koji se spontano "uvijaju" u složene proteinske molekule. Kao i mnogi drugi organski spojevi, aminokiseline imaju kiralnu simetriju (od grčkog chiros - ruka), odnosno mogu postojati u dva zrcalno simetrična oblika koja se nazivaju "enantiomeri". Takve su molekule slične jedna drugoj, poput lijeve i desne ruke, pa se nazivaju D- i L-molekule (od latinskog dexter, laevus - desno i lijevo).

Sada zamislimo da je medij s lijevim i desnim molekulama prešao u stanje sa samo lijevim ili samo desnim molekulama. Stručnjaci takvo okruženje nazivaju kiralno (od grčke riječi “cheira” - ruka) uređenim. Samorazmnožavanje živih bića (biopoeza - prema definiciji D. Bernala) može nastati i održati se samo u takvom okruženju.

Riža. Zrcalna simetrija u prirodi

Drugi naziv za molekule enantiomera - "desnorotatorne" i "lijevorotatorne" - dolazi od njihove sposobnosti da rotiraju ravninu polarizacije svjetlosti u različitim smjerovima. Propusti li se kroz otopinu takvih molekula linearno polarizirano svjetlo, ravnina njegove polarizacije rotira: u smjeru kazaljke na satu ako su molekule u otopini desno, a suprotno od kazaljke na satu ako su molekule u otopini lijevo. A u mješavini jednakih količina D- i L-formi (nazvanoj "racemat"), svjetlost će zadržati svoju izvornu linearnu polarizaciju. Ovo optičko svojstvo kiralnih molekula prvi je otkrio Louis Pasteur 1848.

Zanimljivo je da se gotovo svi prirodni proteini sastoje samo od lijevokretnih aminokiselina. Ova činjenica je tim više iznenađujuća jer se sintezom aminokiselina u laboratorijskim uvjetima proizvodi približno isti broj desno i lijevokretnih molekula. Ispostavilo se da tu značajku nemaju samo aminokiseline, već i mnoge druge tvari važne za žive sustave, a svaka ima strogo definiran znak zrcalne simetrije u cijeloj biosferi. Na primjer, šećeri koji su dio mnogih nukleotida, kao i nukleinske kiseline DNA i RNA, predstavljeni su u tijelu isključivo desnokretnim D-molekulama. Iako su fizikalna i kemijska svojstva “zrcalnih antipoda” ista, njihova fiziološka aktivnost u organizmima je drugačija: L-caxara se ne apsorbiraju, L-fenilalanin, za razliku od svojih bezopasnih D-molekula, uzrokuje mentalne bolesti itd.

Prema suvremenim idejama o podrijetlu života na Zemlji, odabir određene vrste zrcalne simetrije od strane organskih molekula služio je kao glavni preduvjet za njihov opstanak i kasniju samoreprodukciju. Međutim, pitanje kako i zašto je došlo do evolucijske selekcije jednog ili drugog zrcalnog antipoda i dalje ostaje jedna od najvećih misterija znanosti.

Sovjetski znanstvenik L. L. Morozov dokazao je da se prijelaz na kiralni poredak ne može dogoditi evolucijski, već samo nekom specifičnom oštrom promjenom faze. Akademik V. I. Goldansky nazvao je ovu tranziciju, zahvaljujući kojoj je nastao život na Zemlji, kiralnom katastrofom.

Kako su nastali uvjeti za faznu katastrofu koja je uzrokovala kiralni prijelaz?

Najvažnije je da su se organski spojevi talili na 800-1000 0C u zemljinoj kori, a gornji su se hladili na temperaturu svemira, odnosno apsolutnu nulu. Temperaturna razlika je dosegla 1000 °C. U takvim uvjetima organske molekule su se rastalile pod utjecajem visoke temperature i čak bile potpuno uništene, a vrh je ostao hladan jer su organske molekule bile zamrznute. Plinovi i vodena para koji su iscurili iz zemljine kore promijenili su kemijski sastav organskih spojeva. Plinovi su nosili toplinu sa sobom, uzrokujući pomicanje tališta organskog sloja gore-dolje, stvarajući gradijent.

Pri vrlo niskim atmosferskim tlakovima voda je na zemljinoj površini bila samo u obliku pare i leda. Kada je tlak dosegao takozvanu trostruku točku vode (0,006 atmosfera), voda je prvi put mogla postojati u obliku tekućine.

Naravno, samo se eksperimentalno može dokazati što je točno uzrokovalo kiralni prijelaz: zemaljski ili kozmički razlozi. Ali na ovaj ili onaj način, u nekom trenutku, kiralno uređene molekule (naime, lijevorotirajuće aminokiseline i desnorotirajući šećeri) su se pokazale stabilnijima i počeo je nezaustavljiv porast njihovog broja - kiralni prijelaz.

Kronika planeta također govori da u to vrijeme na Zemlji nije bilo planina ili depresija. Poluotopljena granitna kora predstavljala je površinu glatku poput razine modernog oceana. Međutim, unutar ove ravnice i dalje su postojale depresije zbog neravnomjerne raspodjele masa unutar Zemlje. Ta su smanjenja imala iznimno važnu ulogu.

Činjenica je da su udubine ravnog dna promjera stotina, pa čak i tisuća kilometara i dubine ne veće od sto metara vjerojatno postale kolijevkom života. Uostalom, voda koja se skupila na površini planeta tekla je u njih. Voda je razrijedila kiralne organske spojeve u sloju pepela. Kemijski sastav spoja postupno se mijenjao, a temperatura stabilizirala. Prijelaz iz beživotnog u živo, koji je započeo u bezvodnim uvjetima, nastavio se u vodenom okolišu.

Je li ovo zaplet nastanka života? Najvjerojatnije da. U geološkom dijelu Isua (Zapadni Grenland), koji je star 3,8 milijardi godina, pronađeni su spojevi slični benzinu i nafti s omjerom izotopa C12/C13 karakterističnim za ugljik fotosintetskog podrijetla.

Ako se potvrdi biološka priroda ugljikovih spojeva iz odjeljka Isua, tada se ispostavlja da je cijelo razdoblje nastanka života na Zemlji - od nastanka kiralne organske tvari do pojave stanice sposobne za fotosintezu i reprodukciju - bilo dovršen za samo sto milijuna godina. Molekule vode i DNK odigrale su veliku ulogu u ovom procesu.

Najnevjerojatnija stvar o strukturi vode je da se molekule vode pri niskim negativnim temperaturama i visokim tlakovima unutar nanocijevi mogu kristalizirati u oblik dvostruke spirale, koji podsjeća na DNK. To su dokazali računalni eksperimenti američkih znanstvenika predvođenih Xiao Cheng Zengom na Sveučilištu Nebraska (SAD).

DNK je dvostruki lanac upleten u spiralu. Svaka se nit sastoji od "cigli" - nukleotida povezanih u seriju. Svaki nukleotid DNA sadrži jednu od četiri dušične baze - gvanin (G), adenin (A) (purini), timin (T) i citozin (C) (pirimidini), povezane s deoksiribozom, s potonjom fosfatom grupa je u prilogu. Susjedni nukleotidi međusobno su povezani u lanac fosfodiesterskom vezom koju tvore 3"-hidroksilne (3"-OH) i 5"-fosfatne skupine (5"-PO3). Ovo svojstvo određuje prisutnost polariteta u DNK, tj. suprotnih smjerova, naime krajevi od 5" i 3": kraj od 5" jedne niti odgovara kraju od 3" druge niti. Slijed nukleotida omogućuje vam "kodiranje" informacija o različitim vrstama RNA, od kojih su najvažnije glasničke ili predloške (mRNA), ribosomske (rRNA) i transportne (tRNA). Sve te vrste RNA sintetizirane su na DNA šabloni kopiranjem DNA sekvence u RNA sekvencu sintetiziranu tijekom transkripcije i sudjeluju u najvažnijem procesu života - prijenosu i kopiranju informacija (translaciji).

Primarna struktura DNA je linearni niz nukleotida DNA u lancu. Redoslijed nukleotida u lancu DNA zapisuje se u obliku slova DNA formula: na primjer - AGTCATGCCAG, unos se vrši od 5" do 3" kraja lanca DNA.

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

Kako bi voda formirala ovakvu spiralu, u simuliranom eksperimentu bila je "stavljena" u nanocijevi pod visokim tlakom, koji je u različitim eksperimentima varirao od 10 do 40 000 atmosfera. Nakon toga postavljena je temperatura koja je iznosila -23°C. Marža u usporedbi s točkom smrzavanja vode napravljena je zbog činjenice da se s povećanjem tlaka talište vodenog leda smanjuje. Promjer nanocijevi bio je od 1,35 do 1,90 nm.

Riža. Opći pogled na strukturu vode (slika New Scientist)

Molekule vode međusobno su povezane vodikovim vezama, udaljenost između atoma kisika i vodika je 96 pm, a između dva vodika - 150 pm. U čvrstom stanju atom kisika sudjeluje u stvaranju dviju vodikovih veza sa susjednim molekulama vode. U tom slučaju pojedinačne molekule H 2 O dolaze u međusobni dodir suprotnim polovima. Tako nastaju slojevi u kojima je svaka molekula povezana s tri molekule svog sloja i jednom iz susjednog sloja. Kao rezultat toga, kristalna struktura leda sastoji se od šesterokutnih "cijevi" međusobno povezanih poput saća.

Riža. Unutarnji zid vodene strukture (slika New Scientist)

Znanstvenici su očekivali vidjeti da voda u svim slučajevima tvori tanku cjevastu strukturu. Međutim, model je pokazao da su pri promjeru cijevi od 1,35 nm i tlaku od 40 000 atmosfera vodikove veze bile savijene, što je dovelo do stvaranja spirale s dvostrukom stijenkom. Unutarnja stijenka ove strukture je četverostruka spirala, a vanjska se sastoji od četiri dvostruke spirale, slične strukturi molekule DNA.

Potonja činjenica ostavlja trag ne samo na evoluciju naših ideja o vodi, već i na evoluciju ranog života i same molekule DNK. Ako pretpostavimo da su u doba nastanka života stijene kriolitne gline imale oblik nanocjevčica, postavlja se pitanje može li voda apsorbirana u njima poslužiti kao strukturna osnova (matrica) za sintezu DNK i čitanje informacija? Možda je to razlog zašto spiralna struktura DNK ponavlja spiralnu strukturu vode u nanocjevčicama. Kako izvještava časopis New Scientist, sada će naše strane kolege morati potvrditi postojanje takvih makromolekula vode u stvarnim eksperimentalnim uvjetima pomoću infracrvene spektroskopije i spektroskopije raspršenja neutrona.

dr.sc. O.V. Mosin

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

Vidi također:

STRUKTURA

Kristalna struktura leda slična je strukturi: svaka molekula H 2 0 okružena je s četiri najbliže molekule koje se nalaze na jednakim udaljenostima od nje, jednake 2,76Α i nalaze se na vrhovima pravilnog tetraedra. Zbog niskog koordinacijskog broja, struktura leda je ažurna, što utječe na njegovu gustoću (0,917). Led ima heksagonalnu prostornu rešetku i nastaje smrzavanjem vode na 0°C i atmosferskom tlaku. 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 dvostruka udaljenost između susjednih glavnih ravnina). Kad temperatura padne, vrlo se malo mijenjaju. Molekule H 2 0 u rešetki leda međusobno su povezane vodikovim vezama. Mobilnost atoma vodika u rešetki leda znatno je veća od pokretljivosti atoma kisika, zbog čega molekule mijenjaju svoje susjede. U prisutnosti značajnih vibracijskih i rotacijskih kretanja molekula u rešetki leda, dolazi do translatornih skokova molekula s mjesta njihove prostorne povezanosti, narušavajući daljnji red i stvarajući dislokacije. To objašnjava pojavu specifičnih reoloških svojstava u ledu, koja karakteriziraju odnos između ireverzibilnih deformacija (tečenja) leda i naprezanja koja su ih uzrokovala (plastičnost, viskoznost, granica tečenja, puzanje itd.). Zbog ovih okolnosti, ledenjaci teku slično visoko viskoznim tekućinama, pa prirodni led aktivno sudjeluje u vodenom ciklusu na Zemlji. Kristali leda relativno su veliki (poprečna veličina od djelića milimetra do nekoliko desetaka centimetara). Karakterizira ih anizotropija koeficijenta viskoznosti, čija vrijednost može varirati za nekoliko redova veličine. Kristali su sposobni preorijentirati se pod utjecajem opterećenja, što utječe na njihovu metamorfizaciju i protok ledenjaka.

SVOJSTVA

Led je bezbojan. U velikim grozdovima poprima plavkastu nijansu. Sjaj stakla. Transparentan. Nema dekoltea. Tvrdoća 1,5. Krhko. 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 se kristalizira u heksagonalnom sustavu i označava se kao led I, nastaje u egzotičnim uvjetima - pri vrlo niskim temperaturama (oko -110150 0C) i visokim tlakovima, kada se kutevi vodikovih veza u vodi mijenjaju. mijenjaju se molekule i nastaju sustavi, različiti od heksagonalnih. Takvi uvjeti nalikuju onima u svemiru i ne događaju se na Zemlji. Na primjer, na temperaturama nižim od –110 °C vodena para se taloži na metalnu ploču u obliku oktaedra i kockica veličine nekoliko nanometara - to je takozvani kubični led. Ako je temperatura malo iznad –110 °C, a koncentracija pare vrlo niska, na ploči se stvara sloj iznimno gustog amorfnog leda.

MORFOLOGIJA

Led je vrlo čest mineral u prirodi. U zemljinoj kori postoji nekoliko vrsta leda: riječni, jezerski, morski, prizemni, firni i ledenjački. Češće tvori agregatne nakupine finih kristalnih zrnaca. Poznate su i kristalne ledene tvorevine koje nastaju sublimacijom, odnosno izravno iz parovitog stanja. U tim slučajevima led se pojavljuje kao skeletni kristali (pahulje) i nakupine skeletnog i dendritičkog rasta (špiljski led, inje, inje i šare na staklu). Veliki dobro brušeni kristali se nalaze, ali vrlo rijetko. N. N. Stulov opisao je kristale leda u sjeveroistočnom dijelu Rusije, pronađene na dubini od 55-60 m od površine, izometričnog i stupastog izgleda, a duljina najvećeg kristala bila je 60 cm, a promjer njegove baze bio je 15 cm Od jednostavnih oblika na kristalima leda identificirana su samo lica šesterokutne prizme (1120), šesterokutne bipiramide (1121) i pinakoida (0001).
Ledeni stalaktiti, kolokvijalno zvani ledenice, poznati su svima. Uz temperaturne razlike od oko 0° u jesensko-zimskom razdoblju, rastu posvuda po površini Zemlje uz polagano smrzavanje (kristalizaciju) tekuće i kapajuće vode. Također su česti u ledenim špiljama.
Ledeni sprudovi su trake ledenog pokrivača sastavljene od leda koji se kristalizira na granici voda-zrak uz rubove akumulacija i obrubljuje rubove lokvi, obale rijeka, jezera, ribnjaka, akumulacija itd. pri čemu se ostatak vodenog prostora ne smrzava. Kada se potpuno srastu, na površini rezervoara formira se kontinuirani ledeni pokrivač.
Led također stvara paralelne stupčaste agregate u obliku vlaknastih žilica u poroznim tlima, a na njihovoj površini ledene antolite.

PODRIJETLO

Led se uglavnom stvara u vodenim bazenima kada temperatura zraka padne. Istodobno se na površini vode pojavljuje ledena kaša sastavljena od ledenih iglica. Odozdo na njemu rastu dugi kristali leda, čije su osi simetrije šestog reda okomite na površinu kore. Odnosi između kristala leda pod različitim uvjetima formiranja prikazani su na sl. Led je čest svugdje gdje ima vlage i gdje temperatura pada ispod 0° C. U nekim područjima led se otapa samo do male dubine, ispod koje počinje permafrost. To su takozvana permafrost područja; U područjima rasprostranjenosti permafrosta u gornjim slojevima zemljine kore nalazi se takozvani podzemni led, među kojima se razlikuju moderni i fosilni podzemni led. Najmanje 10% ukupne kopnene površine Zemlje prekriveno je ledenjacima; monolitna ledena stijena koja ih sačinjava naziva se ledenjački led. Ledenjački led nastaje prvenstveno nakupljanjem snijega kao rezultat njegovog zbijanja i transformacije. Ledeni pokrivač pokriva oko 75% Grenlanda i gotovo cijelu Antarktiku; najveća debljina ledenjaka (4330 m) nalazi se u blizini postaje Byrd (Antarktik). U središnjem Grenlandu debljina leda doseže 3200 m.
Naslage leda su dobro poznate. U područjima s hladnim, dugim zimama i kratkim ljetima, kao iu visokim planinskim predjelima, nastaju ledene špilje sa stalaktitima i stalagmitima, među kojima su najzanimljivije Kungurskaja u Permskoj oblasti na Uralu, kao i špilja Dobshine u Slovačka.
Kada se morska voda smrzne, nastaje morski led. Karakteristična svojstva morskog leda su salinitet i poroznost, koji određuju raspon njegove gustoće od 0,85 do 0,94 g/cm 3 . Zbog tako male gustoće, sante leda izdižu se iznad površine vode za 1/7-1/10 svoje debljine. Morski led počinje se topiti na temperaturama iznad -2,3°C; elastičniji je i teže ga je razbiti u komade od slatkovodnog leda.

PRIMJENA

U kasnim 1980-ima, laboratorij Argonne razvio je tehnologiju za izradu ledene kaše koja može slobodno teći kroz cijevi različitih promjera bez skupljanja u naslagama leda, lijepljenja ili začepljenja rashladnih sustava. Suspenzija slane vode sastojala se od mnogo vrlo malih ledenih kristala okruglog oblika. Zahvaljujući tome održava se pokretljivost vode, a istovremeno, sa stajališta toplinske tehnike, predstavlja led, koji je 5-7 puta učinkovitiji od obične hladne vode u sustavima hlađenja zgrada. Osim toga, takve smjese su obećavajuće za medicinu. Pokusi na životinjama pokazali su da mikrokristali ledene smjese savršeno prolaze u prilično male krvne žile i ne oštećuju stanice. “Ledena krv” produljuje vrijeme tijekom kojeg se žrtva može spasiti. Recimo, u slučaju srčanog zastoja to se vrijeme produljuje, prema konzervativnim procjenama, s 10-15 na 30-45 minuta.
Upotreba leda kao konstrukcijskog materijala raširena je u polarnim krajevima za gradnju nastambi – iglua. Led je dio Pikerit materijala koji je predložio D. Pike, od kojeg je predloženo da se napravi najveći svjetski nosač zrakoplova.

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: molekule vode povezane su u pravilne šesterokute Kristalna rešetka leda: Molekule vode H 2 O (crne kuglice) u svojim čvorovima su raspoređene tako da svaka ima četiri susjeda. Molekula vode (središte) vodikovim je vezama povezana sa svoje četiri najbliže susjedne molekule. Led je kristalna modifikacija vode. Prema najnovijim 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 kristalizira u heksagonalnom sustavu, nastaje u egzotičnim uvjetima pri vrlo niskim temperaturama i visokim tlakovima, kada se mijenjaju kutovi vodikovih veza u molekuli vode i nastaju sustavi koji nisu heksagonalni. Takvi uvjeti nalikuju onima u svemiru i ne događaju se na Zemlji. Na primjer, na temperaturama nižim od –110 °C, vodena para se taloži na metalnu ploču u obliku oktaedra i kockica veličine nekoliko nanometara – takozvani kubični led. Ako je temperatura malo iznad –110 °C, a koncentracija pare vrlo niska, na ploči se stvara sloj iznimno gustog amorfnog leda. Najneobičnije svojstvo leda je njegova nevjerojatna raznolikost vanjskih manifestacija. S istom kristalnom strukturom može izgledati potpuno drugačije, u obliku prozirnih zrna tuče i ledenica, pahuljica pahuljastog snijega, guste sjajne kore leda ili divovskih ledenjačkih masa.

Snježna pahulja je pojedinačni kristal leda - vrsta šesterokutnog kristala, ali koji je brzo rastao u neravnotežnim uvjetima. Znanstvenici se stoljećima bore s tajnom njihove ljepote i beskrajne raznolikosti. Život snježne pahulje počinje stvaranjem 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, ti komadići leda manji od desetinke milimetra već imaju heksagonalnu kristalnu rešetku. Vodena para, koja se kondenzira na površini ovih jezgre, najprije tvori sićušnu šesterokutnu prizmu, iz čijih šest uglova počinju rasti jednake ledene iglice, bočni izdanci, jer temperatura i vlaga oko embrija također su iste. Na njima pak rastu bočni izbojci grana, kao na stablu. Takvi se kristali nazivaju dendriti, to jest slični drvu. Krećući se gore-dolje u oblaku, snježna pahulja nailazi na uvjete s različitim temperaturama i koncentracijama vodene pare. Njegov oblik se mijenja, poštujući zakone heksagonalne simetrije do posljednjeg. Tako pahuljice postaju drugačije. Do sada nije bilo moguće pronaći dvije identične pahulje.

Boja leda ovisi o njegovoj starosti i po njoj se može procijeniti njegova čvrstoća. Oceanski led je bijele boje u prvoj godini svog života jer je zasićen mjehurićima zraka, od čijih se stijenki svjetlost odmah reflektira, bez vremena da se apsorbira. Ljeti se površina leda topi, gubi čvrstoću, a pod težinom novih slojeva koji leže na vrhu, mjehurići zraka se skupljaju i potpuno nestaju. Svjetlo unutar leda putuje dužim putem 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 odabiru pouzdane plave i zelene sante leda za svoje plutajuće baze, istraživačke stanice i ledene zračne luke. Postoje crne sante leda. Prvi tisak o njima pojavio se 1773. Crna boja santi leda uzrokovana je aktivnošću vulkana - led je prekriven debelim slojem vulkanske prašine, koju ne ispire čak ni morska voda. Led nije jednako hladan. Postoji vrlo hladan led, s temperaturom od oko minus 60 stupnjeva, to je led nekih antarktičkih ledenjaka. Led grenlandskih ledenjaka mnogo je topliji. Njegova temperatura je oko minus 28 stupnjeva. Vrlo "topli led" (s temperaturom od oko 0 stupnjeva) nalazi se na vrhovima Alpa i skandinavskih planina.

Gustoća vode je najveća na +4 C i iznosi 1 g/ml, a smanjuje se snižavanjem temperature. Kada se voda kristalizira, gustoća se naglo smanjuje, za led je jednaka 0,91 g / cm3. Zbog toga je led lakši od vode i kada se rezervoari zalede, led se nakuplja na vrhu, a na dnu rezervoara ima više gušće vode s temperaturom od 4 ̊ C. Slaba toplinska vodljivost leda i Snježni pokrivač koji ga pokriva štiti rezervoare od smrzavanja do dna i time stvara uvjete za život stanovnika rezervoara zimi.

Ledenjaci, ledene ploče, permafrost i sezonski snježni pokrivač značajno utječu na klimu velikih regija i planeta u cjelini: čak i oni koji nikada nisu vidjeli snijeg osjećaju dah njegovih masa nakupljenih na Zemljinim polovima, na primjer, u obliku dugoročnih fluktuacija razine Svjetskog oceana. Led je toliko važan za izgled našeg planeta i ugodno stanište živih bića na njemu da su znanstvenici za njega izdvojili posebno okruženje - kriosferu, koja se proteže visoko u atmosferu i duboko u zemljinu koru. Prirodni led je obično mnogo čišći od vode, jer... topljivost tvari (osim NH4F) u ledu izrazito je mala. Ukupne rezerve leda na Zemlji iznose oko 30 milijuna km 3. Većina leda koncentrirana je na Antarktici, gdje debljina njegovog sloja doseže 4 km.

Danas ćemo govoriti o svojstvima snijega i leda. Vrijedno je pojasniti da se led ne formira samo od vode. Osim vodenog leda, tu su i amonijačni i metanski led. Nedavno su znanstvenici izmislili suhi led. Njegova svojstva su jedinstvena, razmotrit ćemo ih malo kasnije. Nastaje smrzavanjem ugljičnog dioksida. Suhi led je dobio ime zbog činjenice da kada se otopi ne ostavlja lokve. Ugljikov dioksid koji se nalazi u njoj odmah isparava u zrak iz svog smrznutog stanja.

Definicija leda

Prije svega, pogledajmo pobliže led, koji se dobiva iz vode. Unutar njega je pravilna kristalna rešetka. Led je uobičajeni prirodni mineral koji nastaje kada se voda smrzne. Jedna molekula te tekućine veže se na četiri obližnje. Znanstvenici su primijetili da je takva unutarnja struktura svojstvena raznim dragim kamenjem, pa čak i mineralima. Na primjer, dijamant, turmalin, kvarc, korund, beril i drugi imaju ovu strukturu. Molekule na udaljenosti drži kristalna rešetka. Ova svojstva vode i leda ukazuju na to da će gustoća takvog leda biti manja od gustoće vode zbog koje je nastao. Stoga led pluta na površini vode i ne tone u njoj.

Milijuni kvadratnih kilometara leda

Znate li koliko leda ima na našem planetu? Prema nedavnim istraživanjima znanstvenika, na planeti Zemlji postoji oko 30 milijuna četvornih kilometara smrznute vode. Kao što možda pretpostavljate, većina ovog prirodnog minerala nalazi se na polarnim ledenim kapama. Na nekim mjestima debljina ledenog pokrivača doseže 4 km.

Kako nabaviti led

Napraviti led uopće nije teško. Ovaj proces nije težak i ne zahtijeva nikakve posebne vještine. Za to je potrebna niska temperatura vode. Ovo je jedini stalni uvjet za proces stvaranja leda. Voda će se smrznuti kada vaš termometar pokaže temperaturu ispod 0 stupnjeva Celzijusa. Proces kristalizacije počinje u vodi zbog niskih temperatura. Njegove su molekule ugrađene u zanimljivu uređenu strukturu. Taj se proces naziva stvaranjem kristalne rešetke. Isto je u oceanu, u lokvi, pa čak iu zamrzivaču.

Istraživanje procesa zamrzavanja

Provodeći istraživanje na temu smrzavanja vode, znanstvenici su došli do zaključka da je kristalna rešetka izgrađena u gornjim slojevima vode. Na površini se počinju stvarati mikroskopski štapići leda. Malo kasnije zajedno se smrzavaju. Zahvaljujući tome, na površini vode stvara se tanki film. Velikim vodenim površinama potrebno je puno više vremena da se smrznu u usporedbi s mirnom vodom. To je zbog činjenice da vjetar mreška i mreška površinu jezera, ribnjaka ili rijeke.

Ledene palačinke

Znanstvenici su iznijeli još jedno opažanje. Ako se uzbuđenje nastavi na niskim temperaturama, tada se najtanji filmovi skupljaju u palačinke promjera oko 30 cm. Zatim se smrzavaju u jedan sloj, debljine najmanje 10 cm. Novi sloj leda smrzava se na vrhu i na dnu od ledenih palačinki. To stvara debeli i izdržljivi ledeni pokrov. 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 osobni automobil, ali treba zapamtiti da je izlazak na led u jesen i proljeće vrlo opasan.

Svojstva snijega i leda

Fizičari i kemičari dugo su proučavali svojstva leda i vode. Najpoznatije i također važno svojstvo leda za ljude je njegova sposobnost da se lako otopi čak i na nultoj temperaturi. Ali druga fizička svojstva leda također su važna za znanost:

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

Led: svojstva deplasmana i čistoće

Led ima visok stupanj čistoće u svom sastavu, budući da kristalna rešetka ne ostavlja slobodan prostor za različite strane molekule. Kada se voda smrzne, ona istiskuje razne nečistoće koje su nekad bile u njoj otopljene. 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 vrlo niskim temperaturama. Iznenađujuće, proces smrzavanja vode svake godine može održati samopročišćavanje raznih nečistoća mnogo milijuna godina zaredom.

Tajne suhog leda

Posebnost ovog leda je da u svom sastavu sadrži ugljik. Takav se led formira tek na temperaturi od -78 stupnjeva, ali se topi već na -50 stupnjeva. Suhi led, čija svojstva vam omogućuju da preskočite fazu tekućina, odmah proizvodi paru kada se zagrije. Suhi led, poput vodenog leda, nema miris.

Znate li gdje se koristi suhi led? Zbog svojih svojstava ovaj se mineral koristi pri transportu hrane i lijekova na velike udaljenosti. A granule ovog leda mogu ugasiti vatru benzina. Također, kada se suhi led otopi, formira gustu maglu, zbog čega se koristi na filmskim setovima za stvaranje specijalnih efekata. Uz sve navedeno, suhi led možete ponijeti sa sobom na planinarenje i šumu. Uostalom, kada se otopi, odbija komarce, razne štetočine i glodavce.

Što se tiče svojstava snijega, ovu nevjerojatnu ljepotu možemo promatrati svake zime. Uostalom, svaka pahulja ima oblik šesterokuta - to je nepromijenjeno. Ali osim šesterokutnog oblika, snježne pahulje mogu izgledati drugačije. Na nastanak svake od njih utječu vlažnost zraka, atmosferski tlak i drugi prirodni čimbenici.

Svojstva vode, snijega i leda su nevjerojatna. Važno je znati još nekoliko svojstava vode. Na primjer, može poprimiti oblik posude u koju se ulijeva. Kada se voda smrzne, ona se širi i također ima memoriju. Sposoban je zapamtiti okolnu energiju, a kada se zamrzne, "resetira" informacije koje je apsorbirao.

Pogledali smo prirodni mineral - led: svojstva i njegove kvalitete. Nastavite proučavati znanost, to je vrlo važno i korisno!