Type ijskristalrooster. Zeshoekige tirannie

Het zijn niet individuele atomen of moleculen die chemische interacties aangaan, maar stoffen.

Onze taak is om kennis te maken met de structuur van de materie.

Bij lage temperaturen bevinden stoffen zich in een stabiele vaste toestand.

☼ De hardste stof in de natuur is diamant. Hij wordt beschouwd als de koning van alle edelstenen en edelstenen. En de naam zelf betekent ‘onverwoestbaar’ in het Grieks. Diamanten worden lange tijd gezien als wonderbaarlijke stenen. Men geloofde dat een persoon die diamanten draagt geen maagziekten kent, niet wordt beïnvloed door gif, zijn geheugen en een opgewekte stemming behoudt tot op hoge leeftijd, en koninklijke gunst geniet.

☼ Een diamant die een sieradenbewerking heeft ondergaan (snijden, polijsten) wordt een diamant genoemd.

Bij het smelten als gevolg van thermische trillingen wordt de volgorde van de deeltjes verstoord, ze worden mobiel, terwijl de aard van de chemische binding niet wordt verstoord. Er zijn dus geen fundamentele verschillen tussen vaste en vloeibare toestanden.

De vloeistof verkrijgt vloeibaarheid (dat wil zeggen het vermogen om de vorm van een vat aan te nemen).

Vloeibare kristallen

Vloeibare kristallen werden aan het einde van de 19e eeuw ontdekt, maar zijn de afgelopen 20 tot 25 jaar bestudeerd. Veel weergaveapparaten met moderne technologie, bijvoorbeeld sommige elektronische horloges en minicomputers, werken op vloeibare kristallen.

Over het algemeen klinken de woorden ‘vloeibare kristallen’ niet minder ongebruikelijk dan ‘heet ijs’. In werkelijkheid kan ijs echter ook heet zijn, omdat... bij een druk van meer dan 10.000 atm. waterijs smelt bij temperaturen boven 200 0 C. Het ongebruikelijke van de combinatie “vloeibare kristallen” is dat de vloeibare toestand de mobiliteit van de structuur aangeeft, en het kristal een strikte ordening impliceert.

Als een stof bestaat uit polyatomaire moleculen met een langwerpige of lamellaire vorm en een asymmetrische structuur hebben, dan zijn deze moleculen bij het smelten op een bepaalde manier ten opzichte van elkaar georiënteerd (hun lange assen zijn evenwijdig). In dit geval kunnen de moleculen vrij parallel aan zichzelf bewegen, d.w.z. het systeem verkrijgt de eigenschap van vloeibaarheid die kenmerkend is voor een vloeistof. Tegelijkertijd behoudt het systeem een geordende structuur, die de eigenschappen bepaalt die kenmerkend zijn voor kristallen.

De hoge mobiliteit van een dergelijke structuur maakt het mogelijk deze te controleren door middel van zeer zwakke invloeden (thermisch, elektrisch, enz.), d.w.z. doelbewust de eigenschappen van een stof veranderen, inclusief optische, met zeer weinig energieverbruik, wat wordt gebruikt in de moderne technologie.

Soorten kristalroosters

Elke chemische stof wordt gevormd door een groot aantal identieke deeltjes die met elkaar verbonden zijn.

Bij lage temperaturen, wanneer thermische beweging moeilijk is, zijn de deeltjes strikt georiënteerd in ruimte en vorm kristal rooster.

Kristalcel - Dit structuur met een geometrisch correcte opstelling van deeltjes in de ruimte.

In het kristalrooster zelf worden knooppunten en internodale ruimte onderscheiden.

Dezelfde stof, afhankelijk van de omstandigheden (P, T,...)bestaat in verschillende kristallijne vormen (d.w.z. ze hebben verschillende kristalroosters) - allotrope modificaties die qua eigenschappen verschillen.

Er zijn bijvoorbeeld vier modificaties van koolstof bekend: grafiet, diamant, carbine en lonsdaleiet.

☼ De vierde variant van kristallijne koolstof, ‘lonsdaleiet’, is weinig bekend. Het werd ontdekt in meteorieten en kunstmatig verkregen, en de structuur ervan wordt nog steeds bestudeerd.

☼ Roet, cokes en houtskool werden geclassificeerd als amorfe koolstofpolymeren. Inmiddels is echter bekend geworden dat dit ook kristallijne stoffen zijn.

☼ In het roet werden trouwens glimmende zwarte deeltjes aangetroffen, die ‘spiegelkoolstof’ werden genoemd. Spiegelkoolstof is chemisch inert, hittebestendig, ondoordringbaar voor gassen en vloeistoffen, heeft een glad oppervlak en is absoluut compatibel met levend weefsel.

☼ De naam grafiet komt van het Italiaanse ‘graffito’: ik schrijf, ik teken. Grafiet is een donkergrijs kristal met een zwakke metaalachtige glans en heeft een gelaagd rooster. Individuele lagen atomen in een grafietkristal, relatief zwak met elkaar verbonden, kunnen gemakkelijk van elkaar worden gescheiden.

SOORTEN KRISTALRASTERS

	ionisch			metaal
Wat zit er in de knooppunten van het kristalrooster, structurele eenheid	ionen	atomen	moleculen	atomen en kationen
Type chemische binding tussen deeltjes van het knooppunt	ionisch		covalent: polair en niet-polair	metaal
Interactiekrachten tussen kristaldeeltjes	elektrostatisch logisch	covalent	intermoleculair- nieuw	elektrostatisch logisch
Fysische eigenschappen vanwege het kristalrooster	· de aantrekkingskrachten tussen ionen zijn sterk, · T pl. (hardnekkig), · lost gemakkelijk op in water, · smelt en oplossing geleidt elektrische stroom, niet-vluchtig (geen geur)	· covalente bindingen tussen atomen zijn groot, · T pl. en T kip is erg, · niet oplossen in water, · de smelt geleidt geen elektrische stroom	· de aantrekkingskrachten tussen moleculen zijn klein, · T pl. ↓, sommige zijn oplosbaar in water, · een vluchtige geur hebben	· interactiekrachten zijn groot, · T pl. , Hoge hitte en elektrische geleidbaarheid
Geaggregeerde toestand van een stof onder normale omstandigheden	moeilijk	moeilijk	moeilijk, gasvormig vloeistof	moeilijk, vloeistof (N G)
Voorbeelden	de meeste zouten, alkaliën, typische metaaloxiden	C (diamant, grafiet), Si, Ge, B, SiO 2, CaC 2, SiC (carborundum), BN, Fe 3 C, TaC (t pl. =3800 0 C) Rode en zwarte fosfor. Oxiden van sommige metalen.	alle gassen, vloeistoffen, de meeste niet-metalen: inerte gassen, halogenen, H 2, N 2, O 2, O 3, P 4 (wit), S 8. Waterstofverbindingen van niet-metalen, oxiden van niet-metalen: H 2 O, CO 2 "droogijs". De meeste organische verbindingen.	Metalen, legeringen

Als de kristalgroeisnelheid bij afkoelen laag is, wordt een glasachtige toestand (amorf) gevormd.

De relatie tussen de positie van een element in het periodiek systeem en het kristalrooster van zijn eenvoudige substantie.

Er bestaat een nauw verband tussen de positie van een element in het periodiek systeem en het kristalrooster van de overeenkomstige elementaire substantie.

		groep
			III			VII	VIII
P e R En O D						H2
				N2	O2	F2
	III			P4	S 8	Kl2
						BR2
						ik 2
Type kristal rooster		metaal			atomair	moleculair

De eenvoudige substanties van de overige elementen hebben een metaalachtig kristalrooster.

BEVESTIGING

Bestudeer de lesstof en beantwoord de volgende vragen schriftelijk in je schrift:

Wat is een kristalrooster?
Welke soorten kristalroosters bestaan er?
Karakteriseer elk type kristalrooster volgens het plan: Wat zit er in de knooppunten van het kristalrooster, structurele eenheid → Type chemische binding tussen de deeltjes van het knooppunt → Interactiekrachten tussen de deeltjes van het kristal → Fysische eigenschappen als gevolg van het kristal rooster → Geaggregeerde toestand van de stof onder normale omstandigheden → Voorbeelden

Voltooi taken over dit onderwerp:

Welk type kristalrooster hebben de volgende stoffen die veel worden gebruikt in het dagelijks leven: water, azijnzuur (CH 3 COOH), suiker (C 12 H 22 O 11), kaliummeststof (KCl), rivierzand (SiO 2) - smelten punt 1710 0 C , ammoniak (NH 3), tafelzout? Trek een algemene conclusie: aan de hand van welke eigenschappen van een stof kan men het type kristalrooster bepalen?
Gebruik de formules van de gegeven stoffen: SiC, CS 2, NaBr, C 2 H 2 - bepaal het type kristalrooster (ionisch, moleculair) van elke verbinding en beschrijf op basis hiervan de fysische eigenschappen van elk van de vier stoffen .
Trainer nr. 1. "Kristalroosters"
Trainer nr. 2. "Testtaken"
Test (zelfbeheersing):

1) Stoffen die een moleculair kristalrooster hebben, zijn in de regel:

A). vuurvast en zeer oplosbaar in water
B). smeltbaar en vluchtig
V). Vast en elektrisch geleidend
G). Thermisch geleidend en kunststof

2) Het concept van “molecuul” niet toepasbaar met betrekking tot de structurele eenheid van een stof:

A). water

B). zuurstof

V). diamant

G). ozon

3) Het atomaire kristalrooster is kenmerkend voor:

A). aluminium en grafiet

B). zwavel en jodium

V). siliciumoxide en natriumchloride

G). diamant en boor

4) Als een stof goed oplosbaar is in water, een hoog smeltpunt heeft en elektrisch geleidend is, dan is het kristalrooster:

A). moleculair

B). atomair

V). ionisch

G). metaal

Water is een bekende en ongewone substantie. Bijna driekwart van het oppervlak van onze planeet wordt ingenomen door oceanen en zeeën. Hard water – sneeuw en ijs – bedekt 20% van het land. Het klimaat op de planeet is afhankelijk van water. Dat zeggen geofysici Zonder het water zou de aarde al lang geleden zijn afgekoeld en in een levenloos stuk steen zijn veranderd. Het heeft een zeer hoge warmtecapaciteit. Bij verhitting absorbeert het warmte; afkoelt, geeft hij het weg. Het water op aarde absorbeert veel warmte en geeft deze ook terug, waardoor het klimaat “egaliserend” wordt. En wat de aarde beschermt tegen kosmische kou zijn de watermoleculen die verspreid zijn in de atmosfeer – in wolken en in de vorm van damp.

Water is na DNA de meest mysterieuze substantie in de natuur. het bezit unieke eigenschappen die niet alleen nog niet volledig zijn verklaard, maar nog lang niet allemaal bekend zijn. Hoe langer het wordt bestudeerd, hoe meer nieuwe anomalieën en mysteries erin worden gevonden. De meeste van deze anomalieën die het leven op aarde mogelijk maken, worden verklaard door de aanwezigheid van waterstofbruggen tussen watermoleculen, die veel sterker zijn dan de van der Waals-aantrekkingskrachten tussen moleculen van andere stoffen, maar een orde van grootte zwakker dan ionisch en covalent. bindingen tussen atomen in moleculen. Dezelfde waterstofbruggen zijn ook aanwezig in het DNA-molecuul.

Een watermolecuul (H 2 16 O) bestaat uit twee waterstofatomen (H) en één zuurstofatoom (16 O). Het blijkt dat bijna de hele verscheidenheid aan eigenschappen van water en de ongebruikelijkheid van hun manifestatie uiteindelijk worden bepaald door de fysieke aard van deze atomen, de manier waarop ze worden gecombineerd tot een molecuul en de groepering van de resulterende moleculen.

Rijst. Structuur van een watermolecuul . Geometrisch diagram (a), plat model (b) en ruimtelijke elektronische structuur (c) van het H2O-monomeer. Twee van de vier elektronen in de buitenste schil van het zuurstofatoom zijn betrokken bij het creëren van covalente bindingen met waterstofatomen, en de andere twee vormen zeer langwerpige elektronenbanen, waarvan het vlak loodrecht staat op het H-O-H-vlak.

Het watermolecuul H 2 O is gebouwd in de vorm van een driehoek: de hoek tussen de twee zuurstof-waterstofbindingen is 104 graden. Maar omdat beide waterstofatomen zich aan dezelfde kant van de zuurstof bevinden, worden de elektrische ladingen daarin verspreid. Het watermolecuul is polair, wat de reden is voor de speciale interactie tussen de verschillende moleculen. De waterstofatomen in het H 2 O-molecuul, die een gedeeltelijk positieve lading hebben, interageren met de elektronen van de zuurstofatomen van aangrenzende moleculen. Deze chemische binding wordt een waterstofbrug genoemd. Het verenigt H2O-moleculen tot unieke partners van de ruimtelijke structuur; het vlak waarin de waterstofbruggen zich bevinden staat loodrecht op het vlak van de atomen van hetzelfde H 2 O-molecuul. De interactie tussen watermoleculen verklaart voornamelijk de abnormaal hoge temperaturen bij het smelten en koken ervan. Er moet extra energie worden geleverd om waterstofbruggen los te maken en vervolgens te vernietigen. En deze energie is heel belangrijk. Daarom is de warmtecapaciteit van water zo hoog.

Een watermolecuul bevat twee polaire covalente bindingen H – O. Ze worden gevormd door de overlap van twee één-elektron p-wolken van een zuurstofatoom en één-elektron S-wolken van twee waterstofatomen.

In overeenstemming met de elektronische structuur van waterstof- en zuurstofatomen heeft een watermolecuul vier elektronenparen. Twee ervan zijn betrokken bij de vorming van covalente bindingen met twee waterstofatomen, d.w.z. zijn bindend. De andere twee elektronenparen zijn vrij en niet-bindend. Ze vormen een elektronenwolk. De wolk is heterogeen: er kunnen individuele concentraties en zeldzaamheden in worden onderscheiden.

Een watermolecuul heeft vier poolladingen: twee positieve en twee negatieve. Positieve ladingen zijn geconcentreerd op waterstofatomen, omdat zuurstof elektronegatiever is dan waterstof. De twee negatieve polen zijn afkomstig van twee niet-bindende elektronenparen van zuurstof.

Er ontstaat een overmatige elektronendichtheid in de zuurstofkern. Het interne elektronenpaar van zuurstof omlijst de kern gelijkmatig: schematisch wordt het weergegeven door een cirkel met het middelpunt - de O 2-kern. De vier buitenste elektronen zijn gegroepeerd in twee elektronenparen die naar de kern toe trekken, maar gedeeltelijk niet worden gecompenseerd. Schematisch worden de totale elektronenorbitalen van deze paren weergegeven in de vorm van ellipsen die langwerpig zijn vanuit een gemeenschappelijk centrum - de O 2 -kern. Elk van de overige twee elektronen in zuurstofparen met één elektron in waterstof. Deze dampen worden ook aangetrokken naar de zuurstofkern. Daarom blijken waterstofkernen - protonen - enigszins kaal te zijn en wordt hier een gebrek aan elektronendichtheid waargenomen.

In een watermolecuul zijn er dus vier ladingspolen: twee negatieve (overmatige elektronendichtheid in het gebied van de zuurstofkern) en twee positieve (gebrek aan elektronendichtheid in de twee waterstofkernen). Voor meer duidelijkheid kunnen we ons voorstellen dat de polen de hoekpunten bezetten van een vervormde tetraëder, in het midden waarvan zich een zuurstofkern bevindt.

Rijst. Structuur van een watermolecuul: a – hoek tussen O-H-bindingen; b – locatie van laadpalen; c – verschijning van de elektronenwolk van een watermolecuul.

Het bijna bolvormige watermolecuul heeft een merkbaar uitgesproken polariteit, omdat de elektrische ladingen daarin asymmetrisch zijn gelegen. Elk watermolecuul is een miniatuurdipool met een hoog dipoolmoment van 1,87 deBy. Debye is een externe eenheid van elektrische dipool 3.33564·10 30 C·m. Onder invloed van waterdipolen worden de interatomaire of intermoleculaire krachten op het oppervlak van een daarin ondergedompelde substantie 80 keer verzwakt. Met andere woorden: water heeft een hoge diëlektrische constante, de hoogste van alle verbindingen die we kennen.

Grotendeels hierdoor manifesteert water zich als een universeel oplosmiddel. Vaste stoffen, vloeistoffen en gassen zijn tot op zekere hoogte onderhevig aan de oplossende werking ervan.

De soortelijke warmtecapaciteit van water is de hoogste van alle stoffen. Bovendien is het twee keer hoger dan dat van ijs, terwijl voor de meeste eenvoudige stoffen (bijvoorbeeld metalen) de warmtecapaciteit praktisch niet verandert tijdens het smeltproces, en voor stoffen gemaakt van polyatomaire moleculen neemt deze in de regel af tijdens het smelten.

Een dergelijk begrip van de structuur van het molecuul maakt het mogelijk veel eigenschappen van water te verklaren, in het bijzonder de structuur van ijs. In het ijskristalrooster is elk molecuul omgeven door vier andere. In een vlakke afbeelding kan dit als volgt worden weergegeven:

De verbinding tussen moleculen wordt tot stand gebracht via een waterstofatoom. Het positief geladen waterstofatoom van het ene watermolecuul wordt aangetrokken door het negatief geladen zuurstofatoom van een ander watermolecuul. Deze binding wordt een waterstofbinding genoemd (deze wordt aangegeven met stippen). De sterkte van een waterstofbinding is ongeveer 15-20 keer zwakker dan die van een covalente binding. Daarom wordt de waterstofbrug gemakkelijk verbroken, wat bijvoorbeeld wordt waargenomen tijdens de verdamping van water.

Rijst. links - Waterstofbruggen tussen watermoleculen

De structuur van vloeibaar water lijkt op die van ijs. In vloeibaar water zijn moleculen ook met elkaar verbonden via waterstofbruggen, maar de structuur van water is minder ‘rigide’ dan die van ijs. Door de thermische beweging van moleculen in water worden sommige waterstofbruggen verbroken en andere gevormd.

Rijst. Kristalrooster van ijs. De watermoleculen H 2 O (zwarte ballen) in de knooppunten zijn zo geplaatst dat elk vier “buren” heeft.

De polariteit van watermoleculen en de aanwezigheid van gedeeltelijk niet-gecompenseerde elektrische ladingen daarin geeft aanleiding tot de neiging om moleculen te groeperen in grote "gemeenschappen" - medewerkers. Het blijkt dat alleen water in dampvorm volledig overeenkomt met de formule H2O. Dit werd aangetoond door de resultaten van het bepalen van de molecuulmassa van waterdamp. In het temperatuurbereik van 0 tot 100°C bedraagt de concentratie van individuele (monomere moleculen) vloeibaar water niet meer dan 1%. Alle andere watermoleculen worden gecombineerd tot verbindingen met een verschillende mate van complexiteit, en hun samenstelling wordt beschreven door de algemene formule (H 2 O)x.

De directe oorzaak van de vorming van medewerkers zijn waterstofbruggen tussen watermoleculen. Ze ontstaan tussen de waterstofkernen van sommige moleculen en de elektronencondensaties van de zuurstofkernen van andere watermoleculen. Het is waar dat deze bindingen tientallen keren zwakker zijn dan ‘standaard’ intramoleculaire chemische bindingen, en gewone moleculaire bewegingen zijn voldoende om ze te vernietigen. Maar onder invloed van thermische trillingen ontstaan net zo gemakkelijk dit soort nieuwe verbindingen. De opkomst en het verval van geassocieerden kunnen worden uitgedrukt door het volgende diagram:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Omdat de elektronenorbitalen in elk watermolecuul een tetraëdrische structuur vormen, kunnen waterstofbruggen de rangschikking van watermoleculen in tetraëdrische gecoördineerde geassocieerden regelen.

De meeste onderzoekers verklaren de abnormaal hoge warmtecapaciteit van vloeibaar water uit het feit dat wanneer ijs smelt, de kristalstructuur niet onmiddellijk instort. In vloeibaar water blijven waterstofbruggen tussen moleculen behouden. Wat erin achterblijft zijn ijsfragmenten - geassocieerden van een groot of kleiner aantal watermoleculen. In tegenstelling tot ijs bestaat elke medewerker echter niet lang. De vernietiging van sommigen en de vorming van andere bondgenoten vinden voortdurend plaats. Bij elke temperatuurwaarde in water ontstaat daarbij een eigen dynamisch evenwicht. En wanneer water wordt verwarmd, wordt een deel van de warmte besteed aan het verbreken van waterstofbruggen in verbindingen. In dit geval wordt 0,26-0,5 eV besteed aan het verbreken van elke binding. Dit verklaart de abnormaal hoge warmtecapaciteit van water vergeleken met smeltingen van andere stoffen die geen waterstofbruggen vormen. Bij het verwarmen van dergelijke smeltingen wordt energie alleen besteed aan het overbrengen van thermische bewegingen naar hun atomen of moleculen. Waterstofbruggen tussen watermoleculen worden pas volledig verbroken als water in stoom verandert. De juistheid van dit standpunt blijkt ook uit het feit dat de specifieke warmtecapaciteit van waterdamp bij 100°C praktisch samenvalt met de specifieke warmtecapaciteit van ijs bij 0°C.

Foto hieronder:

Het elementaire structurele element van een medewerker is een cluster: Rijst. Een apart hypothetisch watercluster. Individuele clusters vormen partners van watermoleculen (H 2 O) x: Rijst. Clusters van watermoleculen vormen partners.

Er is een ander standpunt over de aard van de abnormaal hoge warmtecapaciteit van water. Professor G.N. Zatsepina merkte op dat de molaire warmtecapaciteit van water, die 18 cal/(molgrad) bedraagt, precies gelijk is aan de theoretische molaire warmtecapaciteit van een vaste stof met triatomaire kristallen. En in overeenstemming met de wet van Dulong en Petit zijn de atomaire warmtecapaciteiten van alle chemisch eenvoudige (monatomische) kristallijne lichamen bij een voldoende hoge temperatuur hetzelfde en gelijk aan 6 calDmol o deg). En voor triatomaire, waarvan de grammol 3 N-kristalroostersites bevat, is dit 3 keer meer. (Hier is N a het getal van Avogadro).

Hieruit volgt dat water als het ware een kristallijn lichaam is dat bestaat uit triatomaire H 2 O-moleculen. Dit komt overeen met het algemene idee van water als een mengsel van kristalachtige deeltjes met een klein mengsel van vrije H 2 O-watermoleculen. daartussen, waarvan het aantal toeneemt met toenemende temperatuur. Vanuit dit gezichtspunt is niet de hoge warmtecapaciteit van vloeibaar water verrassend, maar de lage warmtecapaciteit van vast ijs. De afname van de specifieke warmtecapaciteit van water tijdens bevriezing wordt verklaard door de afwezigheid van transversale thermische trillingen van atomen in het stijve kristalrooster van ijs, waarbij elk proton dat een waterstofbrug veroorzaakt slechts één vrijheidsgraad heeft voor thermische trillingen in plaats van drie.

Maar waardoor en hoe kunnen zulke grote veranderingen in de warmtecapaciteit van water optreden zonder overeenkomstige drukveranderingen? Laten we elkaar ontmoeten om deze vraag te beantwoorden met de hypothese van de kandidaat voor geologische en mineralogische wetenschappen Yu. A. Kolyasnikov over de structuur van water.

Hij wijst erop dat de ontdekkers van waterstofbruggen, J. Bernal en R. Fowler, in 1932 de structuur van vloeibaar water vergeleken met de kristallijne structuur van kwarts, en dat de hierboven genoemde medewerkers voornamelijk 4H 2 0-tetrameren zijn, waarin er vier zijn. moleculen water zijn verbonden tot een compacte tetraëder met twaalf interne waterstofbruggen. Als gevolg hiervan wordt een tetraëder gevormd.

Tegelijkertijd kunnen waterstofbruggen in deze tetrameren zowel rechtshandige als linkshandige sequenties vormen, net zoals kristallen van wijdverspreid kwarts (Si0 2), die ook een tetraëdrische structuur hebben, in rechts- en linkshandige kristalvormen voorkomen. . Omdat elk dergelijk watertetrameer ook vier ongebruikte externe waterstofbruggen heeft (zoals één watermolecuul), kunnen de tetrameren door deze externe bindingen met elkaar worden verbonden tot een soort polymeerketens, zoals een DNA-molecuul. En aangezien er slechts vier externe bindingen zijn, en drie keer zoveel interne, zorgt dit ervoor dat zware en sterke tetrameren in vloeibaar water deze externe waterstofbruggen, verzwakt door thermische trillingen, kunnen buigen, draaien en zelfs breken. Dit bepaalt de vloeibaarheid van water.

Water heeft volgens Kolyasnikov deze structuur alleen in vloeibare toestand en mogelijk gedeeltelijk in damptoestand. Maar in ijs, waarvan de kristalstructuur goed is bestudeerd, zijn tetrahydrolen met elkaar verbonden door inflexibele, even sterke directe waterstofbruggen tot een opengewerkt raamwerk met grote holtes erin, waardoor de dichtheid van ijs kleiner is dan de dichtheid van water. .

Rijst. Kristalstructuur van ijs: watermoleculen zijn verbonden in regelmatige zeshoeken

Wanneer ijs smelt, verzwakken en buigen sommige waterstofbruggen erin, wat leidt tot een herstructurering van de structuur in de hierboven beschreven tetrameren en maakt vloeibaar water dichter dan ijs. Bij 4°C ontstaat er een toestand waarin alle waterstofbruggen tussen tetrameren maximaal gebogen zijn, wat de maximale dichtheid van water bij deze temperatuur bepaalt. Er is geen plek waar verbindingen verder kunnen gaan.

Bij temperaturen boven 4°C beginnen individuele bindingen tussen tetrameren te verbreken, en bij 36-37°C wordt de helft van de externe waterstofbruggen verbroken. Dit bepaalt het minimum op de curve van de specifieke warmtecapaciteit van water versus temperatuur. Bij een temperatuur van 70°C worden vrijwel alle intertetrameerbindingen verbroken, en samen met de vrije tetrameren blijven slechts korte fragmenten van de “polymeer”-ketens ervan in water achter. Tenslotte, wanneer water kookt, vindt de uiteindelijke breuk plaats van nu afzonderlijke tetrameren in individuele H 2 0-moleculen, en het feit dat de soortelijke verdampingswarmte van water precies drie keer groter is dan de som van de soortelijke warmte van smeltend ijs en de daaropvolgende verwarming van water tot 100 ° C bevestigt de veronderstelling van Kolyasnikov. dat het aantal interne bindingen in een tetrameer driemaal groter is dan het aantal externe bindingen.

Deze tetraëdrische spiraalvormige structuur van water kan te wijten zijn aan de eeuwenoude reologische verbinding met kwarts en andere silicium-zuurstofmineralen die de boventoon voeren in de aardkorst, uit de diepten waarvan ooit water op aarde verscheen. Net zoals een klein zoutkristal ervoor zorgt dat de oplossing eromheen kristalliseert in soortgelijke kristallen, en niet in andere, zo zorgde kwarts ervoor dat watermoleculen zich op één lijn vormden in tetraëdrische structuren, die energetisch het gunstigst zijn. En in onze tijd vormt waterdamp, die condenseert tot druppeltjes, in de atmosfeer van de aarde zo’n structuur omdat de atmosfeer altijd kleine druppeltjes aërosolwater bevat die deze structuur al hebben. Het zijn centra van condensatie van waterdamp in de atmosfeer. Hieronder staan mogelijke silicaatstructuren op basis van de tetraëder, die ook uit watertetraëders kunnen bestaan.

Rijst. Elementaire reguliere silicium-zuurstoftetraëder SiO 4 4-.

Rijst. Elementaire silicium-zuurstofeenheden-orthogroepen SiO 4 4- in de structuur van Mg-pyroxeen enstatiet (a) en diorthogroepen Si 2 O 7 6- in het Ca-pyroxenoïde wollastoniet (b).

Rijst. De eenvoudigste soorten anionische silicium-zuurstofgroepen op het eiland: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Rijst. hieronder - De belangrijkste typen anionische groepen van de silicium-zuurstofketen (volgens Belov): a-metagermanaat, b - pyroxeen, c - bathysiet, d-wollastoniet, d-vlasoviet, e-melilit, f-rhodoniet, z-pyroxmangiet , i-metafosfaat, k - fluorberyllaat, l - baryliet.

Rijst. hieronder - Condensatie van pyroxeen-silicium-zuurstofanionen in honingraatamfibool met twee rijen (a), amfiboolachtige met drie rijen (b), gelaagde talk en verwante anionen (c).

Rijst. hieronder - De belangrijkste soorten gestreepte silicium-zuurstofgroepen (volgens Belov): a - sillimaniet, amfibool, xonotliet; b-epididymitis; β-orthoklaas; g-narsarsukiet; d-fenaciet prismatisch; e-euklaas ingelegd.

Rijst. aan de rechterkant - Een fragment (elementair pakket) van de gelaagde kristalstructuur van muscoviet KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, ter illustratie van de tussenlagen van aluminium-silicium-zuurstofnetwerken met veelvlakkige lagen van grote aluminium- en kaliumkationen, die doen denken aan een DNA-keten.

Andere modellen van waterstructuur zijn ook mogelijk. Tetraëdrisch gebonden watermoleculen vormen bijzondere ketens met een redelijk stabiele samenstelling. Onderzoekers ontdekken steeds subtielere en complexere mechanismen van de ‘interne organisatie’ van de watermassa. Naast de ijsachtige structuur, vloeibaar water en monomeermoleculen, wordt ook een derde element van de structuur beschreven: niet-tetraëdrisch.

Een bepaald deel van de watermoleculen is niet geassocieerd in driedimensionale raamwerken, maar in lineaire ringassociaties. Wanneer de ringen gegroepeerd zijn, vormen ze zelfs nog complexere complexen van medewerkers.

Water kan dus theoretisch ketens vormen, zoals een DNA-molecuul, zoals hieronder zal worden besproken. Een ander interessant aspect van deze hypothese is dat deze de gelijke waarschijnlijkheid impliceert van het bestaan van rechts- en linkshandig water. Maar biologen hebben al lang gemerkt dat in biologische weefsels en structuren alleen links- of rechtshandige formaties worden waargenomen. Een voorbeeld hiervan zijn eiwitmoleculen, die alleen zijn opgebouwd uit linksdraaiende aminozuren en alleen in een linksdraaiende spiraal zijn gedraaid. Maar suikers in de natuur zijn allemaal rechtshandig. Niemand heeft tot nu toe kunnen verklaren waarom er in de levende natuur in sommige gevallen zo'n voorkeur voor links en in andere gevallen voor rechts bestaat. In de levenloze natuur worden zowel rechtshandige als linkshandige moleculen met gelijke waarschijnlijkheid aangetroffen.

Meer dan honderd jaar geleden ontdekte de beroemde Franse natuuronderzoeker Louis Pasteur dat organische verbindingen in planten en dieren optisch asymmetrisch zijn: ze roteren het polarisatievlak van het licht dat erop valt. Alle aminozuren waaruit dieren en planten bestaan, roteren het polarisatievlak naar links, en alle suikers roteren naar rechts. Als we verbindingen met dezelfde chemische samenstelling synthetiseren, zal elk ervan een gelijk aantal links- en rechtshandige moleculen bevatten.

Zoals je weet bestaan alle levende organismen uit eiwitten, en die zijn op hun beurt weer opgebouwd uit aminozuren. Door met elkaar te combineren in een verscheidenheid aan sequenties, vormen aminozuren lange peptideketens die spontaan ‘draaien’ tot complexe eiwitmoleculen. Net als veel andere organische verbindingen hebben aminozuren chirale symmetrie (van het Griekse chiros - hand), dat wil zeggen dat ze kunnen bestaan in twee spiegelsymmetrische vormen die "enantiomeren" worden genoemd. Dergelijke moleculen lijken op elkaar, net als de linker- en rechterhand, daarom worden ze D- en L-moleculen genoemd (van het Latijnse dexter, laevus - rechts en links).

Laten we ons nu voorstellen dat een medium met linker- en rechtermoleculen in een toestand is overgegaan met alleen linker- of alleen rechtermoleculen. Deskundigen noemen zo'n omgeving chiraal (van het Griekse woord "cheira" - hand) geordend. Zelfreproductie van levende wezens (biopoëse – zoals gedefinieerd door D. Bernal) zou alleen in een dergelijke omgeving kunnen ontstaan en in stand kunnen worden gehouden.

Rijst. Spiegelsymmetrie in de natuur

Een andere naam voor enantiomeermoleculen - "rechtsdraaiend" en "linksdraaiend" - komt van hun vermogen om het polarisatievlak van licht in verschillende richtingen te roteren. Als lineair gepolariseerd licht door een oplossing van dergelijke moleculen wordt geleid, roteert het vlak van zijn polarisatie: met de klok mee als de moleculen in de oplossing rechtshandig zijn, en tegen de klok in als de moleculen in de oplossing linkshandig zijn. En in een mengsel van gelijke hoeveelheden D- en L-vormen (een “racemaat” genoemd), zal het licht zijn oorspronkelijke lineaire polarisatie behouden. Deze optische eigenschap van chirale moleculen werd voor het eerst ontdekt door Louis Pasteur in 1848.

Het is merkwaardig dat bijna alle natuurlijke eiwitten alleen uit linkshandige aminozuren bestaan. Dit feit is des te verrassender omdat de synthese van aminozuren onder laboratoriumomstandigheden ongeveer hetzelfde aantal rechts- en linkshandige moleculen oplevert. Het blijkt dat niet alleen aminozuren deze eigenschap hebben, maar ook veel andere stoffen die belangrijk zijn voor levende systemen, en elk heeft een strikt gedefinieerd teken van spiegelsymmetrie in de hele biosfeer. Suikers die deel uitmaken van veel nucleotiden, evenals nucleïnezuren DNA en RNA, worden in het lichaam bijvoorbeeld uitsluitend weergegeven door rechtshandige D-moleculen. Hoewel de fysische en chemische eigenschappen van de ‘spiegelantipoden’ hetzelfde zijn, is hun fysiologische activiteit in organismen anders: L-caxara wordt niet geabsorbeerd, L-fenylalanine veroorzaakt, in tegenstelling tot zijn onschadelijke D-moleculen, psychische aandoeningen, enz.

Volgens moderne ideeën over de oorsprong van het leven op aarde was de keuze voor een bepaald type spiegelsymmetrie door organische moleculen de belangrijkste voorwaarde voor hun overleving en daaropvolgende zelfreproductie. De vraag hoe en waarom de evolutionaire selectie van de ene of andere spiegelantipode plaatsvond, blijft echter nog steeds een van de grootste mysteries van de wetenschap.

De Sovjetwetenschapper L.L. Morozov bewees dat de overgang naar de chirale orde niet evolutionair kon plaatsvinden, maar alleen met een specifieke scherpe faseverandering. Academicus V.I. Goldansky noemde deze overgang, waardoor het leven op aarde ontstond, een chirale catastrofe.

Hoe zijn de omstandigheden ontstaan voor de fasecatastrofe die de chirale overgang veroorzaakte?

Het belangrijkste was dat organische verbindingen bij 800-1000 0C in de aardkorst smolten, en dat de bovenste afkoelden tot de temperatuur van de ruimte, dat wil zeggen het absolute nulpunt. Het temperatuurverschil bereikte 1000 °C. Onder dergelijke omstandigheden smolten organische moleculen onder invloed van hoge temperaturen en werden ze zelfs volledig vernietigd, terwijl de bovenkant koud bleef omdat de organische moleculen bevroren waren. Gassen en waterdamp die uit de aardkorst lekten, veranderden de chemische samenstelling van organische verbindingen. De gassen voerden warmte met zich mee, waardoor de smeltlijn van de organische laag op en neer bewoog, waardoor een gradiënt ontstond.

Bij zeer lage atmosferische druk was er alleen water op het aardoppervlak in de vorm van stoom en ijs. Toen de druk het zogenaamde tripelpunt van water (0,006 atmosfeer) bereikte, kon water voor het eerst in de vorm van een vloeistof bestaan.

Natuurlijk kan men alleen experimenteel bewijzen wat precies de chirale transitie veroorzaakte: aardse of kosmische redenen. Maar op de een of andere manier bleken chiraal geordende moleculen (namelijk linksdraaiende aminozuren en rechtsdraaiende suikers) op een gegeven moment stabieler te zijn en begon een onstuitbare toename van hun aantal - een chirale overgang.

De kroniek van de planeet vertelt ook dat er in die tijd geen bergen of depressies op aarde waren. De halfgesmolten granietkorst vertoonde een oppervlak zo glad als het niveau van de moderne oceaan. Binnen deze vlakte waren er echter nog steeds depressies als gevolg van de ongelijke verdeling van de massa's binnen de aarde. Deze bezuinigingen speelden een uiterst belangrijke rol.

Feit is dat depressies met een platte bodem, honderden en zelfs duizenden kilometers in doorsnee en niet meer dan honderd meter diep, waarschijnlijk de bakermat van het leven zijn geworden. Het water dat zich op het oppervlak van de planeet verzamelde, stroomde er tenslotte in. Het water verdunde de chirale organische verbindingen in de aslaag. De chemische samenstelling van de verbinding veranderde geleidelijk en de temperatuur stabiliseerde. De overgang van levenloos naar levend, die begon in watervrije omstandigheden, zette zich voort in een wateromgeving.

Is dit de plot van de oorsprong van het leven? Waarschijnlijk wel. In het geologische gedeelte van Isua (West-Groenland), dat 3,8 miljard jaar oud is, zijn benzine- en olieachtige verbindingen gevonden met de C12/C13-isotoopverhouding die kenmerkend is voor koolstof van fotosynthetische oorsprong.

Als de biologische aard van koolstofverbindingen uit de Isua-sectie wordt bevestigd, blijkt dat de hele periode van het ontstaan van het leven op aarde - vanaf de opkomst van chiraal organisch materiaal tot het verschijnen van een cel die in staat is tot fotosynthese en voortplanting - was voltooid in slechts honderd miljoen jaar. En watermoleculen en DNA speelden een grote rol in dit proces.

Het meest verbazingwekkende aan de structuur van water is dat watermoleculen bij lage negatieve temperaturen en hoge drukken in nanobuisjes kunnen kristalliseren tot een dubbele helixvorm, die doet denken aan DNA. Dit werd bewezen door computerexperimenten van Amerikaanse wetenschappers onder leiding van Xiao Cheng Zeng aan de Universiteit van Nebraska (VS).

DNA is een dubbele streng die in een spiraal is gedraaid. Elke draad bestaat uit "stenen" - nucleotiden die in serie zijn verbonden. Elke nucleotide van DNA bevat een van de vier stikstofbasen - guanine (G), adenine (A) (purines), thymine (T) en cytosine (C) (pyrimidines), geassocieerd met deoxyribose, aan de laatste op zijn beurt een fosfaat groep is aangesloten. Naburige nucleotiden zijn in een keten met elkaar verbonden door een fosfodiesterbinding gevormd door 3"-hydroxyl- (3"-OH) en 5"-fosfaatgroepen (5"-PO3). Deze eigenschap bepaalt de aanwezigheid van polariteit in DNA, d.w.z. tegengestelde richtingen, namelijk 5" en 3" uiteinden: het 5" uiteinde van de ene draad komt overeen met het 3" uiteinde van de tweede draad. Met de sequentie van nucleotiden kunt u informatie over verschillende soorten RNA ‘coderen’, waarvan de belangrijkste messenger of template (mRNA), ribosomaal (rRNA) en transport (tRNA) zijn. Al deze soorten RNA worden op een DNA-sjabloon gesynthetiseerd door een DNA-sequentie te kopiëren naar een RNA-sequentie die tijdens de transcriptie wordt gesynthetiseerd en nemen deel aan het belangrijkste proces van het leven: de overdracht en het kopiëren van informatie (vertaling).

De primaire structuur van DNA is de lineaire sequentie van DNA-nucleotiden in een keten. De sequentie van nucleotiden in een DNA-keten wordt geschreven in de vorm van een DNA-letterformule: bijvoorbeeld - AGTCATGCCAG, de invoer wordt gemaakt van het 5"- tot het 3"-uiteinde van de DNA-keten.

De secundaire structuur van DNA wordt gevormd door de interacties van nucleotiden (meestal stikstofbasen) met elkaar, waterstofbruggen. Een klassiek voorbeeld van de secundaire structuur van DNA is de dubbele DNA-helix. Dubbele DNA-helix is de meest voorkomende vorm van DNA in de natuur, bestaande uit twee polynucleotideketens van DNA. De constructie van elke nieuwe DNA-keten wordt uitgevoerd volgens het principe van complementariteit, d.w.z. Elke stikstofbase van één DNA-keten komt overeen met een strikt gedefinieerde base van een andere keten: in een complementair paar is tegenoverliggende A T, en tegenoverliggende G is C, enz.

Om water zo een spiraal te laten vormen, werd het in een gesimuleerd experiment onder hoge druk ‘geplaatst’ in nanobuisjes, variërend in verschillende experimenten van 10 tot 40.000 atmosfeer. Hierna werd de temperatuur ingesteld, deze had een waarde van -23°C. De marge ten opzichte van het vriespunt van water werd gemaakt vanwege het feit dat bij toenemende druk het smeltpunt van waterijs afneemt. De diameter van de nanobuisjes varieerde van 1,35 tot 1,90 nm.

Rijst. Algemeen beeld van de structuur van water (afbeelding door New Scientist)

Watermoleculen zijn met elkaar verbonden via waterstofbruggen, de afstand tussen zuurstof- en waterstofatomen is 96 pm, en tussen twee waterstofatomen - 150 pm. In de vaste toestand neemt het zuurstofatoom deel aan de vorming van twee waterstofbruggen met aangrenzende watermoleculen. In dit geval komen individuele H 2 O-moleculen met tegengestelde polen met elkaar in contact. Er worden dus lagen gevormd waarin elk molecuul wordt geassocieerd met drie moleculen van zijn laag en één van de aangrenzende laag. Als gevolg hiervan bestaat de kristalstructuur van ijs uit zeshoekige ‘buizen’ die als een honingraat met elkaar zijn verbonden.

Rijst. Binnenwand van een waterstructuur (afbeelding New Scientist)

Wetenschappers verwachtten te zien dat het water in alle gevallen een dunne buisvormige structuur vormt. Het model toonde echter aan dat bij een buisdiameter van 1,35 nm en een druk van 40.000 atmosfeer de waterstofbruggen verbogen werden, wat leidde tot de vorming van een dubbelwandige helix. De binnenwand van deze structuur is een viervoudige helix en de buitenwand bestaat uit vier dubbele helices, vergelijkbaar met de structuur van het DNA-molecuul.

Dit laatste feit laat niet alleen een stempel achter op de evolutie van onze ideeën over water, maar ook op de evolutie van het vroege leven en het DNA-molecuul zelf. Als we aannemen dat cryolietkleirotsen in het tijdperk van het ontstaan van het leven de vorm hadden van nanobuisjes, rijst de vraag: zou het daarin geabsorbeerde water kunnen dienen als structurele basis (matrix) voor DNA-synthese en het lezen van informatie? Misschien is dit de reden waarom de spiraalvormige structuur van DNA de spiraalvormige structuur van water in nanobuisjes herhaalt. Zoals het tijdschrift New Scientist meldt, zullen onze buitenlandse collega's nu het bestaan van dergelijke watermacromoleculen onder reële experimentele omstandigheden moeten bevestigen met behulp van infraroodspectroscopie enpie.

Ph.D. OV Mosin

Ijs- mineraal met chemische stof formule H 2 O, vertegenwoordigt water in kristallijne toestand.
Chemische samenstelling van ijs: H - 11,2%, O - 88,8%. Soms bevat het gasvormige en vaste mechanische onzuiverheden.
In de natuur wordt ijs voornamelijk vertegenwoordigd door een van de verschillende kristallijne modificaties, stabiel in het temperatuurbereik van 0 tot 80°C, met een smeltpunt van 0°C. Er zijn 10 bekende kristallijne modificaties van ijs en amorf ijs. Het meest bestudeerde is ijs van de eerste modificatie - de enige modificatie die in de natuur wordt aangetroffen. IJs wordt in de natuur aangetroffen in de vorm van ijs zelf (continentaal, drijvend, ondergronds, enz.), maar ook in de vorm van sneeuw, vorst, enz.

Zie ook:

STRUCTUUR

De kristalstructuur van ijs is vergelijkbaar met de structuur: elk H 2 0-molecuul is omgeven door de vier moleculen die er het dichtst bij liggen, op gelijke afstanden ervan, gelijk aan 2,76Α, en gelokaliseerd op de hoekpunten van een regelmatige tetraëder. Vanwege het lage coördinatiegetal is de ijsstructuur opengewerkt, wat de dichtheid ervan beïnvloedt (0,917). IJs heeft een hexagonaal ruimtelijk rooster en wordt gevormd door het bevriezen van water bij 0°C en atmosferische druk. Het rooster van alle kristallijne modificaties van ijs heeft een tetraëdrische structuur. Parameters van een ijseenheidscel (bij t 0°C): a=0,45446 nm, c=0,73670 nm (c is het dubbele van de afstand tussen aangrenzende hoofdvlakken). Als de temperatuur daalt, veranderen ze heel weinig. H 2 0-moleculen in het ijsrooster zijn met elkaar verbonden door waterstofbruggen. De mobiliteit van waterstofatomen in het ijsrooster is veel hoger dan de mobiliteit van zuurstofatomen, waardoor de moleculen hun buren veranderen. In de aanwezigheid van significante vibratie- en rotatiebewegingen van moleculen in het ijsrooster, treden translationele sprongen van moleculen op vanaf de plaats van hun ruimtelijke verbinding, waardoor de verdere orde wordt verstoord en dislocaties worden gevormd. Dit verklaart de manifestatie van specifieke reologische eigenschappen in ijs, die de relatie karakteriseren tussen onomkeerbare vervormingen (stroming) van ijs en de spanningen die deze veroorzaakten (plasticiteit, viscositeit, vloeispanning, kruip, enz.). Vanwege deze omstandigheden stromen gletsjers op dezelfde manier als zeer stroperige vloeistoffen, en dus neemt natuurlijk ijs actief deel aan de watercyclus op aarde. IJskristallen zijn relatief groot van formaat (dwarsgrootte van fracties van een millimeter tot enkele tientallen centimeters). Ze worden gekenmerkt door anisotropie van de viscositeitscoëfficiënt, waarvan de waarde met verschillende ordes van grootte kan variëren. Kristallen zijn in staat tot heroriëntatie onder invloed van belastingen, wat hun metamorfisatie en de stroomsnelheid van gletsjers beïnvloedt.

EIGENSCHAPPEN

IJs is kleurloos. In grote trossen krijgt het een blauwachtige tint. Glas glans. Transparant. Heeft geen decolleté. Hardheid 1,5. Breekbaar. Optisch positief, brekingsindex zeer laag (n = 1,310, nm = 1,309). Er zijn 14 bekende modificaties van ijs in de natuur. Het is waar dat alles behalve het bekende ijs, dat kristalliseert in het hexagonale systeem en wordt aangeduid als ijs I, wordt gevormd onder exotische omstandigheden - bij zeer lage temperaturen (ongeveer -110.150 0C) en hoge druk, wanneer de hoeken van waterstofbruggen in het water molecuulverandering en systemen worden gevormd, anders dan hexagonaal. Dergelijke omstandigheden lijken op die in de ruimte en komen niet voor op aarde. Bij temperaturen onder –110 °C slaat waterdamp bijvoorbeeld neer op een metalen plaat in de vorm van octaëders en kubussen van enkele nanometers groot - dit is het zogenaamde kubieke ijs. Als de temperatuur iets boven –110 °C ligt en de dampconcentratie erg laag is, vormt zich een laag extreem dicht amorf ijs op de plaat.

MORFOLOGIE

IJs is een veel voorkomend mineraal in de natuur. Er zijn verschillende soorten ijs in de aardkorst: rivier, meer, zee, grond, firn en gletsjer. Vaker vormt het samengestelde clusters van fijnkristallijne korrels. Er zijn ook kristallijne ijsformaties bekend die ontstaan door sublimatie, dat wil zeggen rechtstreeks uit de damptoestand. In deze gevallen verschijnt het ijs als skeletkristallen (sneeuwvlokken) en aggregaten van skelet- en dendritische groei (grotijs, rijp, rijp en patronen op glas). Er worden grote, goed geslepen kristallen gevonden, maar zeer zelden. N. N. Stulov beschreef ijskristallen in het noordoostelijke deel van Rusland, gevonden op een diepte van 55-60 m van het oppervlak, met een isometrisch en kolomvormig uiterlijk, en de lengte van het grootste kristal was 60 cm, en de diameter van de basis was 15 cm Van eenvoudige vormen op ijskristallen werden alleen de vlakken van het zeshoekige prisma (1120), de zeshoekige bipiramide (1121) en de pinacoïde (0001) geïdentificeerd.
IJsstalactieten, in de volksmond ‘ijspegels’ genoemd, zijn bij iedereen bekend. Met temperatuurverschillen van ongeveer 0° in de herfst-winterseizoenen groeien ze overal op het aardoppervlak door het langzaam bevriezen (kristallisatie) van stromend en druppelend water. Ze komen ook veel voor in ijsgrotten.
IJsbanken zijn stroken ijsbedekking gemaakt van ijs die kristalliseren op de water-luchtgrens langs de randen van reservoirs en grenzend aan de randen van plassen, de oevers van rivieren, meren, vijvers, reservoirs, enz. terwijl de rest van de waterruimte niet bevriest. Wanneer ze volledig samengroeien, wordt er een continue ijsbedekking gevormd op het oppervlak van het reservoir.
IJs vormt ook parallelle kolomvormige aggregaten in de vorm van vezelachtige aderen in poreuze bodems, en ijsantholieten op hun oppervlak.

OORSPRONG

IJs ontstaat vooral in waterbassins als de luchttemperatuur daalt. Tegelijkertijd verschijnt er een ijspap bestaande uit ijsnaalden op het wateroppervlak. Van onderaf groeien er lange ijskristallen op, waarvan de symmetrieassen van de zesde orde loodrecht op het oppervlak van de korst staan. De relaties tussen ijskristallen onder verschillende vormingsomstandigheden worden getoond in Fig. IJs komt overal voor waar vocht is en waar de temperatuur onder de 0° C daalt. In sommige gebieden ontdooit het grondijs slechts tot een geringe diepte, waaronder de permafrost begint. Dit zijn de zogenaamde permafrostgebieden; In gebieden met permafrostverdeling in de bovenste lagen van de aardkorst wordt zogenaamd ondergronds ijs aangetroffen, waaronder modern en fossiel ondergronds ijs. Minstens 10% van het totale landoppervlak van de aarde is bedekt met gletsjers; de monolithische ijsrots waaruit ze bestaan, wordt gletsjerijs genoemd. Gletsjerijs wordt voornamelijk gevormd door de opeenhoping van sneeuw als gevolg van de verdichting en transformatie ervan. De ijskap bedekt ongeveer 75% van Groenland en bijna heel Antarctica; de grootste dikte van de gletsjers (4330 m) bevindt zich nabij het Byrd-station (Antarctica). In centraal Groenland bereikt de ijsdikte 3200 meter.
IJsafzettingen zijn bekend. In gebieden met koude, lange winters en korte zomers, maar ook in hoge bergachtige streken, worden ijsgrotten met stalactieten en stalagmieten gevormd, waarvan Kungurskaya in de Perm-regio van de Oeral de meest interessante zijn, evenals de Dobshine-grot in Slowakije.
Wanneer zeewater bevriest, ontstaat er zee-ijs. De karakteristieke eigenschappen van zee-ijs zijn het zoutgehalte en de porositeit, die het bereik van de dichtheid van 0,85 tot 0,94 g/cm3 bepalen. Vanwege deze lage dichtheid stijgen ijsschotsen 1/7-1/10 van hun dikte boven het wateroppervlak uit. Zee-ijs begint te smelten bij temperaturen boven -2,3°C; het is elastischer en moeilijker in stukken te breken dan zoetwaterijs.

SOLLICITATIE

Eind jaren tachtig ontwikkelde het laboratorium in Argonne een technologie voor het maken van ijsbrij die vrij door leidingen met verschillende diameters kan stromen zonder zich op te hopen in ijsophopingen, aan elkaar te plakken of koelsystemen te verstoppen. De zoute watersuspensie bestond uit vele zeer kleine, ronde ijskristallen. Hierdoor blijft de mobiliteit van water behouden en vertegenwoordigt het tegelijkertijd vanuit het oogpunt van thermische techniek ijs, dat 5-7 keer effectiever is dan eenvoudig koud water in koelsystemen van gebouwen. Bovendien zijn dergelijke mengsels veelbelovend voor de geneeskunde. Experimenten met dieren hebben aangetoond dat microkristallen van het ijsmengsel perfect in vrij kleine bloedvaten terechtkomen en de cellen niet beschadigen. “Icy Blood” verlengt de tijd waarin het slachtoffer kan worden gered. Laten we zeggen dat in het geval van een hartstilstand deze tijd, volgens conservatieve schattingen, verlengt van 10-15 naar 30-45 minuten.
Het gebruik van ijs als constructiemateriaal is wijdverbreid in de poolgebieden voor de bouw van woningen - iglo's. IJs maakt deel uit van het Pikerit-materiaal voorgesteld door D. Pike, waarvan werd voorgesteld om 's werelds grootste vliegdekschip te maken.

IJs - H 2 O

CLASSIFICATIE

Strunz (8e editie)	4/A.01-10
Nikkel-Strunz (10e editie)	4.AA.05
Dana (8e editie)	4.1.2.1
Hey's CIM-ref.	7.1.1

Kristalstructuur van ijs: watermoleculen zijn verbonden in regelmatige zeshoeken Kristalrooster van ijs: Watermoleculen H 2 O (zwarte ballen) zijn in de knooppunten zo gerangschikt dat elk vier buren heeft. Het watermolecuul (midden) is door waterstofbruggen gebonden aan de vier dichtstbijzijnde aangrenzende moleculen. IJs is een kristallijne modificatie van water. Volgens de laatste gegevens heeft ijs 14 structurele wijzigingen. Onder hen zijn er zowel kristallijne (de meerderheid van hen) als amorfe modificaties, maar ze verschillen allemaal van elkaar in de relatieve rangschikking van watermoleculen en eigenschappen. Het is waar dat alles behalve het bekende ijs, dat kristalliseert in het hexagonale systeem, wordt gevormd onder exotische omstandigheden bij zeer lage temperaturen en hoge drukken, wanneer de hoeken van waterstofbruggen in het watermolecuul veranderen en andere dan hexagonale systemen worden gevormd. Dergelijke omstandigheden lijken op die in de ruimte en komen niet voor op aarde. Bij temperaturen onder –110 °C slaat waterdamp bijvoorbeeld neer op een metalen plaat in de vorm van octaëders en kubussen van enkele nanometers groot – het zogenaamde kubieke ijs. Als de temperatuur iets boven –110 °C ligt en de dampconcentratie erg laag is, vormt zich een laag extreem dicht amorf ijs op de plaat. De meest ongewone eigenschap van ijs is de verbazingwekkende verscheidenheid aan externe manifestaties. Met dezelfde kristallijne structuur kan het er heel anders uitzien, in de vorm van transparante hagelstenen en ijspegels, vlokken pluizige sneeuw, een dichte glanzende ijskorst of gigantische gletsjermassa's.

Een sneeuwvlok is een enkel ijskristal - een soort hexagonaal kristal, maar wel een dat snel groeide onder niet-evenwichtsomstandigheden. Wetenschappers worstelen al eeuwen met het geheim van hun schoonheid en eindeloze diversiteit. Het leven van een sneeuwvlok begint met de vorming van kristallijne ijskernen in een wolk van waterdamp als de temperatuur daalt. Het centrum van kristallisatie kunnen stofdeeltjes, vaste deeltjes of zelfs ionen zijn, maar in ieder geval hebben deze stukjes ijs, kleiner dan een tiende van een millimeter groot, al een hexagonaal kristalrooster. kernen, vormt eerst een klein zeshoekig prisma, vanuit de zes hoeken waarvan het identieke ijsnaalden begint te laten groeien, zijscheuten, omdat de temperatuur en vochtigheid rond het embryo zijn ook hetzelfde. Op hen groeien op hun beurt zijscheuten van takken, zoals op een boom. Dergelijke kristallen worden dendrieten genoemd, dat wil zeggen vergelijkbaar met hout. Terwijl een sneeuwvlok op en neer beweegt in een wolk, komt hij in omstandigheden terecht met verschillende temperaturen en concentraties waterdamp. De vorm verandert en gehoorzaamt tot het laatst aan de wetten van zeshoekige symmetrie. Dit is hoe sneeuwvlokken anders worden. Tot nu toe was het niet mogelijk om twee identieke sneeuwvlokken te vinden.

De kleur van ijs hangt af van de leeftijd en kan worden gebruikt om de sterkte ervan te beoordelen. Oceaanijs is in het eerste jaar van zijn leven wit omdat het verzadigd is met luchtbellen, waarvan het licht onmiddellijk wordt gereflecteerd door de wanden, zonder tijd te hebben om te worden geabsorbeerd. In de zomer smelt het oppervlak van het ijs, verliest het zijn kracht, en onder het gewicht van nieuwe lagen die er bovenop liggen, krimpen de luchtbellen en verdwijnen ze volledig. Het licht in het ijs legt een langer pad af dan voorheen en komt tevoorschijn als een blauwgroene tint. Blauw ijs is ouder, dichter en sterker dan wit ‘schuimig’ ijs, verzadigd met lucht. Poolonderzoekers weten dit en kiezen betrouwbare blauwe en groene ijsschotsen voor hun drijvende bases, onderzoeksstations en ijsvliegvelden. Er zijn zwarte ijsbergen. Het eerste persbericht over hen verscheen in 1773. De zwarte kleur van ijsbergen wordt veroorzaakt door de activiteit van vulkanen - het ijs is bedekt met een dikke laag vulkanisch stof, dat zelfs door zeewater niet wordt weggespoeld. IJs is niet even koud. Er is heel koud ijs, met een temperatuur van ongeveer min 60 graden, dit is het ijs van sommige Antarctische gletsjers. Het ijs van de Groenlandse gletsjers is veel warmer. De temperatuur is ongeveer min 28 graden. Op de toppen van de Alpen en de Scandinavische bergen ligt zeer “warm ijs” (met een temperatuur van ongeveer 0 graden).

De dichtheid van water is maximaal bij +4 C en is gelijk aan 1 g/ml; deze neemt af bij afnemende temperatuur. Wanneer water kristalliseert, neemt de dichtheid sterk af; voor ijs is deze gelijk aan 0,91 g/cm3. Hierdoor is ijs lichter dan water en wanneer reservoirs bevriezen, hoopt zich ijs bovenop op, en op de bodem van reservoirs bevindt zich dichter water met een temperatuur van 4 ̊ C. Slechte thermische geleidbaarheid van ijs en de sneeuwbedekking die het bedekt, beschermt reservoirs tegen bevriezing tot op de bodem en creëert daardoor omstandigheden voor het leven van de bewoners van reservoirs in de winter.

Gletsjers, ijskappen, permafrost en seizoensgebonden sneeuwbedekking hebben een aanzienlijke invloed op het klimaat van grote gebieden en de planeet als geheel: zelfs degenen die nog nooit sneeuw hebben gezien, voelen de adem van de massa’s die zich aan de polen van de aarde hebben opgehoopt, bijvoorbeeld in de vorm van langetermijnschommelingen in het niveau van de wereldoceaan. IJs is zo belangrijk voor het uiterlijk van onze planeet en de comfortabele leefomgeving van levende wezens erop dat wetenschappers er een speciale omgeving voor hebben toegewezen: de cryosfeer, die zijn domein hoog in de atmosfeer en diep in de aardkorst uitbreidt. Natuurijs is meestal veel schoner dan water, omdat... de oplosbaarheid van stoffen (behalve NH4F) in ijs is extreem laag. De totale ijsreserves op aarde bedragen ongeveer 30 miljoen km 3. Het grootste deel van het ijs is geconcentreerd op Antarctica, waar de dikte van de laag 4 km bedraagt.

Vandaag zullen we het hebben over de eigenschappen van sneeuw en ijs. Het is de moeite waard om te verduidelijken dat ijs niet alleen uit water wordt gevormd. Naast waterijs bestaat er ammoniak- en methaanijs. Nog niet zo lang geleden hebben wetenschappers droogijs uitgevonden. De eigenschappen zijn uniek, we zullen ze later bekijken. Het ontstaat wanneer koolstofdioxide bevriest. Droogijs dankt zijn naam aan het feit dat het, wanneer het smelt, geen plassen achterlaat. De daarin aanwezige koolstofdioxide verdampt vanuit bevroren toestand onmiddellijk in de lucht.

IJsdefinitie

Laten we eerst eens nader kijken naar ijs, dat wordt verkregen uit water. Er zit een normaal kristalrooster in. IJs is een veel voorkomend natuurlijk mineraal dat wordt geproduceerd wanneer water bevriest. Eén molecuul van deze vloeistof bindt zich aan vier nabijgelegen moleculen. Wetenschappers hebben gemerkt dat een dergelijke interne structuur inherent is aan verschillende edelstenen en zelfs mineralen. Diamant, toermalijn, kwarts, korund, beryl en andere hebben bijvoorbeeld deze structuur. De moleculen worden op afstand gehouden door een kristalrooster. Deze eigenschappen van water en ijs geven aan dat de dichtheid van dergelijk ijs kleiner zal zijn dan de dichtheid van het water waardoor het is gevormd. Daarom drijft ijs op het wateroppervlak en zinkt er niet in.

Miljoenen vierkante kilometers ijs

Weet jij hoeveel ijs er op onze planeet is? Volgens recent onderzoek door wetenschappers is er ongeveer 30 miljoen vierkante kilometer bevroren water op planeet Aarde. Zoals je misschien al geraden hebt, wordt het grootste deel van dit natuurlijke mineraal gevonden op de poolijskappen. Op sommige plaatsen bereikt de dikte van de ijsbedekking 4 km.

Hoe ijs te krijgen

IJs maken is helemaal niet moeilijk. Dit proces is niet moeilijk en vereist geen speciale vaardigheden. Dit vereist een lage watertemperatuur. Dit is de enige constante voorwaarde voor het ijsvormingsproces. Water bevriest als je thermometer een temperatuur onder de 0 graden Celsius aangeeft. Het kristallisatieproces begint in water als gevolg van lage temperaturen. De moleculen zijn ingebouwd in een interessante geordende structuur. Dit proces wordt de vorming van een kristalrooster genoemd. Hetzelfde is het geval in de oceaan, in een plas en zelfs in de vriezer.

Onderzoek naar het vriesproces

Terwijl ze onderzoek deden naar het onderwerp bevriezing van water, kwamen wetenschappers tot de conclusie dat het kristalrooster in de bovenste waterlagen is gebouwd. Er beginnen zich microscopisch kleine ijsstokken op het oppervlak te vormen. Even later vriezen ze samen. Hierdoor wordt een dunne film gevormd op het wateroppervlak. Grote watermassa’s hebben veel meer tijd nodig om te bevriezen dan stilstaand water. Dit komt door het feit dat de wind het oppervlak van een meer, vijver of rivier rimpelt en rimpelt.

IJspannenkoekjes

Wetenschappers deden nog een andere observatie. Als de opwinding bij lage temperaturen aanhoudt, worden de dunste films verzameld tot pannenkoeken met een diameter van ongeveer 30 cm, waarna ze invriezen tot één laag, waarvan de dikte minimaal 10 cm is. Een nieuwe laag ijs bevriest aan de boven- en onderkant van de ijspannenkoeken. Hierdoor ontstaat een dikke en duurzame ijsbedekking. De sterkte hangt af van het type: het meest transparante ijs zal meerdere malen sterker zijn dan wit ijs. Milieuactivisten hebben gemerkt dat ijs van 5 centimeter het gewicht van een volwassene kan dragen. Een laag van 10 cm is bestand tegen een personenauto, maar er moet aan worden herinnerd dat uitgaan op het ijs in de herfst en lente erg gevaarlijk is.

Eigenschappen van sneeuw en ijs

Natuurkundigen en scheikundigen bestuderen al lang de eigenschappen van ijs en water. De bekendste en ook belangrijke eigenschap van ijs voor mensen is het vermogen om zelfs bij nultemperaturen gemakkelijk te smelten. Maar ook andere fysische eigenschappen van ijs zijn belangrijk voor de wetenschap:

ijs is transparant, dus het laat zonlicht goed door;
kleurloosheid - ijs heeft geen kleur, maar kan gemakkelijk worden gekleurd met kleuradditieven;
hardheid - ijsmassa's behouden perfect hun vorm zonder enige buitenschil;
vloeibaarheid is een bijzondere eigenschap van ijs, die slechts in sommige gevallen inherent is aan het mineraal;
kwetsbaarheid - een stuk ijs kan gemakkelijk zonder veel moeite worden gespleten;
splitsing - ijs breekt gemakkelijk op die plaatsen waar het langs een kristallografische lijn is versmolten.

IJs: verplaatsings- en zuiverheidseigenschappen

IJs heeft een hoge mate van zuiverheid in zijn samenstelling, omdat het kristalrooster geen vrije ruimte laat voor verschillende vreemde moleculen. Wanneer water bevriest, verdringt het verschillende onzuiverheden die er ooit in waren opgelost. Op dezelfde manier kunt u thuis gezuiverd water krijgen.

Maar sommige stoffen kunnen het bevriezingsproces van water vertragen. Zout in zeewater bijvoorbeeld. IJs in de zee ontstaat pas bij zeer lage temperaturen. Verrassend genoeg is het proces van het elk jaar bevriezen van water in staat om de zelfzuivering van verschillende onzuiverheden vele miljoenen jaren op rij in stand te houden.

De geheimen van droogijs

De eigenaardigheid van dit ijs is dat het koolstof in zijn samenstelling bevat. Dergelijk ijs ontstaat pas bij een temperatuur van -78 graden, maar smelt al bij -50 graden. Droogijs, waarvan de eigenschappen het mogelijk maken om het stadium van vloeistoffen over te slaan, produceert bij verhitting onmiddellijk stoom. Droogijs heeft, net als zijn tegenhanger waterijs, geen geur.

Weet jij waar droogijs wordt gebruikt? Vanwege zijn eigenschappen wordt dit mineraal gebruikt bij het transport van voedsel en medicijnen over lange afstanden. En de korrels van dit ijs kunnen het vuur van benzine doven. Wanneer droogijs smelt, ontstaat er bovendien een dikke mist. Daarom wordt het op filmsets gebruikt om speciale effecten te creëren. Naast al het bovenstaande kun je droogijs meenemen op wandelingen en in het bos. Wanneer het smelt, stoot het immers muggen, verschillende soorten ongedierte en knaagdieren af.

Wat de eigenschappen van sneeuw betreft, kunnen we deze verbazingwekkende schoonheid elke winter waarnemen. Elke sneeuwvlok heeft immers de vorm van een zeshoek - deze is ongewijzigd. Maar naast de zeshoekige vorm kunnen sneeuwvlokken er ook anders uitzien. De vorming van elk van hen wordt beïnvloed door luchtvochtigheid, atmosferische druk en andere natuurlijke factoren.

De eigenschappen van water, sneeuw en ijs zijn verbluffend. Het is belangrijk om nog een paar eigenschappen van water te kennen. Het kan bijvoorbeeld de vorm aannemen van het vat waarin het wordt gegoten. Wanneer water bevriest, zet het uit en heeft het ook geheugen. Het is in staat zich de omringende energie te herinneren, en wanneer het bevriest, ‘reset’ het de informatie die het heeft geabsorbeerd.

We keken naar het natuurlijke mineraal - ijs: eigenschappen en kwaliteiten ervan. Blijf wetenschap studeren, het is erg belangrijk en nuttig!