Loại mạng tinh thể băng. Lục giác chuyên chế

Không phải các nguyên tử hay phân tử riêng lẻ tham gia vào các tương tác hóa học mà là các chất.

Nhiệm vụ của chúng ta là làm quen với cấu trúc của vật chất.

Ở nhiệt độ thấp, các chất ở trạng thái rắn ổn định.

☼ Chất cứng nhất trong tự nhiên là kim cương. Ông được coi là vua của mọi loại đá quý và đá quý. Và bản thân tên của nó có nghĩa là “không thể phá hủy” trong tiếng Hy Lạp. Kim cương từ lâu đã được coi là viên đá kỳ diệu. Người ta tin rằng người đeo kim cương không mắc các bệnh về dạ dày, không bị nhiễm độc, giữ được trí nhớ và tâm trạng vui vẻ cho đến tuổi già và được hoàng gia sủng ái.

☼ Một viên kim cương đã được gia công trang sức - cắt, đánh bóng - được gọi là kim cương.

Khi nóng chảy do dao động nhiệt, trật tự của các hạt bị phá vỡ, chúng trở nên linh động, trong khi bản chất của liên kết hóa học không bị phá vỡ. Vì vậy, không có sự khác biệt cơ bản giữa trạng thái rắn và lỏng.

Chất lỏng có được tính lưu động (tức là khả năng có hình dạng của một chiếc bình).

Tinh thể lỏng

Tinh thể lỏng được phát hiện vào cuối thế kỷ 19, nhưng mới được nghiên cứu trong 20-25 năm qua. Nhiều thiết bị hiển thị công nghệ hiện đại, ví dụ như một số đồng hồ điện tử và máy tính mini, hoạt động trên tinh thể lỏng.

Nhìn chung, từ “tinh thể lỏng” nghe không kém gì “đá nóng”. Tuy nhiên, trên thực tế, nước đá cũng có thể nóng, bởi... ở áp suất trên 10.000 atm. nước đá tan ở nhiệt độ trên 200 0 C. Điều bất thường của sự kết hợp “tinh thể lỏng” là trạng thái lỏng biểu thị tính di động của cấu trúc và tinh thể ngụ ý trật tự nghiêm ngặt.

Nếu một chất bao gồm các phân tử đa nguyên tử có hình dạng thon dài hoặc dạng phiến và có cấu trúc không đối xứng, thì khi tan chảy, các phân tử này được định hướng theo một cách nhất định so với nhau (trục dài của chúng song song). Trong trường hợp này, các phân tử có thể di chuyển tự do song song với chính chúng, tức là hệ thống có được đặc tính lưu động của chất lỏng. Đồng thời, hệ thống vẫn giữ được cấu trúc có trật tự, xác định các tính chất đặc trưng của tinh thể.

Tính di động cao của cấu trúc như vậy giúp có thể điều khiển nó thông qua các tác động rất yếu (nhiệt, điện, v.v.), tức là. cố ý thay đổi các đặc tính của một chất, bao gồm cả các đặc tính quang học, với mức tiêu hao năng lượng rất ít, vốn được sử dụng trong công nghệ hiện đại.

Các loại mạng tinh thể

Bất kỳ chất hóa học nào cũng được hình thành bởi một số lượng lớn các hạt giống hệt nhau được liên kết với nhau.

Ở nhiệt độ thấp, khi chuyển động nhiệt khó khăn, các hạt được định hướng chặt chẽ trong không gian và hình thành mạng tinh thể.

Tế bào tinh thể - Cái này cấu trúc với sự sắp xếp chính xác về mặt hình học của các hạt trong không gian.

Trong mạng tinh thể, các nút và không gian nội nút được phân biệt.

Chất tương tự tùy theo điều kiện (P, t,...) tồn tại ở nhiều dạng tinh thể khác nhau (tức là chúng có các mạng tinh thể khác nhau) - các biến đổi đẳng hướng khác nhau về tính chất.

Ví dụ, bốn biến thể của carbon được biết đến: than chì, kim cương, carbyne và lonsdaleite.

☼ Loại cacbon tinh thể thứ tư, “lonsdaleite,” ít được biết đến. Nó được phát hiện trong các thiên thạch và thu được một cách nhân tạo, và cấu trúc của nó vẫn đang được nghiên cứu.

☼ Muội, than cốc và than củi được phân loại là polyme cacbon vô định hình. Tuy nhiên, hiện nay người ta đã biết rằng đây cũng là những chất kết tinh.

☼ Nhân tiện, người ta đã tìm thấy các hạt màu đen sáng bóng trong bồ hóng, chúng được gọi là “carbon gương”. Gương carbon có tính trơ về mặt hóa học, chịu nhiệt, không thấm khí và chất lỏng, có bề mặt nhẵn và tương thích tuyệt đối với các mô sống.

☼ Cái tên than chì xuất phát từ “graffito” của Ý - tôi viết, tôi vẽ. Than chì là các tinh thể màu xám đen có ánh kim loại yếu và có mạng lưới phân lớp. Các lớp nguyên tử riêng lẻ trong tinh thể than chì, liên kết với nhau tương đối yếu, dễ dàng tách ra khỏi nhau.

CÁC LOẠI MẠNG TINH THỂ

	ion			kim loại
Các nút của mạng tinh thể là gì, đơn vị cấu trúc	ion	nguyên tử	phân tử	nguyên tử và cation
Loại liên kết hóa học giữa các hạt của nút	ion		cộng hóa trị: cực và không phân cực	kim loại
Lực tương tác giữa các hạt tinh thể	tĩnh điện hợp lý	cộng hóa trị	liên phân tử- mới	tĩnh điện hợp lý
Tính chất vật lý của mạng tinh thể	· Lực hút giữa các ion rất mạnh, · Làm ơn. (vật liệu chịu lửa), · Dễ tan trong nước · tan chảy và dung dịch dẫn dòng điện, không bay hơi (không có mùi)	· Liên kết cộng hóa trị giữa các nguyên tử lớn, · Làm ơn. và T kip thì rất, · không tan trong nước, · tan chảy không dẫn dòng điện	· lực hút giữa các phân tử nhỏ, · Làm ơn. ↓, một số hòa tan trong nước, · có mùi dễ bay hơi	· lực tương tác lớn, · Làm ơn. , Độ dẫn nhiệt và điện cao
Trạng thái tổng hợp của một chất ở điều kiện bình thường	cứng	cứng	cứng, thể khí chất lỏng	cứng, chất lỏng (N g)
Ví dụ	hầu hết các muối, kiềm, oxit kim loại điển hình	C (kim cương, than chì), Si, Ge, B, SiO 2, CaC 2, SiC (cacborundum), BN, Fe 3 C, TaC (tpl. =3800 0 C) Phốt pho đỏ và đen. Oxit của một số kim loại	tất cả các chất khí, chất lỏng, hầu hết phi kim loại: khí trơ, halogen, H 2, N 2, O 2, O 3, P 4 (màu trắng), S 8. Hợp chất hydro của phi kim loại, oxit của phi kim loại: H 2 O, CO2 “đá khô”. Hầu hết các hợp chất hữu cơ.	Kim loại, hợp kim

Nếu tốc độ phát triển tinh thể thấp khi làm mát, trạng thái thủy tinh (vô định hình) sẽ được hình thành.

Mối quan hệ giữa vị trí của một nguyên tố trong Bảng tuần hoàn và mạng tinh thể của chất đơn giản của nó.

Có một mối quan hệ chặt chẽ giữa vị trí của một nguyên tố trong bảng tuần hoàn và mạng tinh thể của chất nguyên tố tương ứng của nó.

		nhóm
			III			VII	VIII
P e R Và ồ d						H2
				N 2	O2	F 2
	III			P 4	S 8	Cl2
						BR 2
						tôi 2
Kiểu mạng tinh thể		kim loại			nguyên tử	phân tử

Các chất đơn giản của các nguyên tố còn lại có mạng tinh thể kim loại.

SỬA CHỮA

Nghiên cứu tài liệu bài giảng và trả lời các câu hỏi sau bằng cách viết vào vở:

Mạng tinh thể là gì?
Có những loại mạng tinh thể nào?
Nêu đặc điểm của từng loại mạng tinh thể theo sơ đồ: Các nút của mạng tinh thể là gì, đơn vị cấu trúc → Kiểu liên kết hóa học giữa các hạt của nút → Lực tương tác giữa các hạt của tinh thể → Tính chất vật lý do tinh thể gây ra mạng → Trạng thái tổng hợp của chất trong điều kiện bình thường → Ví dụ

Hoàn thành nhiệm vụ về chủ đề này:

Các chất được sử dụng rộng rãi trong đời sống sau đây có loại mạng tinh thể nào: nước, axit axetic (CH 3 COOH), đường (C 12 H 22 O 11), phân kali (KCl), cát sông (SiO 2) - nóng chảy điểm 1710 0 C , amoniac (NH 3), muối ăn? Đưa ra kết luận chung: dựa vào tính chất nào của một chất mà người ta có thể xác định được loại mạng tinh thể của nó?
Sử dụng công thức của các chất đã cho: SiC, CS 2, NaBr, C 2 H 2 - xác định loại mạng tinh thể (ion, phân tử) của từng hợp chất và dựa trên đó mô tả tính chất vật lý của từng chất trong số bốn chất .
Huấn luyện viên số 1. "Mạng tinh thể"
Huấn luyện viên số 2. "Nhiệm vụ thử nghiệm"
Kiểm tra (tự kiểm soát):

1) Các chất có mạng tinh thể phân tử, theo quy luật:

Một). chịu lửa và hòa tan cao trong nước
b). dễ nóng chảy và dễ bay hơi
V). Chất rắn và dẫn điện
G). Dẫn nhiệt và nhựa

2) Khái niệm “phân tử” không áp dụng được Về đơn vị cấu tạo của chất:

Một). Nước

b). ôxy

V). kim cương

G). khí quyển

3) Mạng tinh thể nguyên tử có đặc điểm:

Một). nhôm và than chì

b). lưu huỳnh và iốt

V). oxit silic và natri clorua

G). kim cương và boron

4) Nếu một chất hòa tan nhiều trong nước, có nhiệt độ nóng chảy cao và dẫn điện thì mạng tinh thể của nó là:

MỘT). phân tử

b). nguyên tử

V). ion

G). kim loại

Nước là một chất quen thuộc và khác thường. Gần 3/4 bề mặt hành tinh của chúng ta bị chiếm giữ bởi đại dương và biển. Nước cứng - tuyết và băng - bao phủ 20% diện tích đất. Khí hậu của hành tinh phụ thuộc vào nước. Các nhà địa vật lý cho rằng Trái đất lẽ ra đã nguội lạnh từ lâu và biến thành một tảng đá vô hồn nếu không có nước. Nó có khả năng chịu nhiệt rất cao. Khi đun nóng, nó hấp thụ nhiệt; nguội đi, anh ta cho nó đi. Nước trên trái đất vừa hấp thụ vừa trả lại rất nhiều nhiệt và từ đó “làm cân bằng” khí hậu. Và thứ bảo vệ Trái đất khỏi cái lạnh vũ trụ là những phân tử nước nằm rải rác trong khí quyển - trong các đám mây và ở dạng hơi.

Nước là chất bí ẩn nhất trong tự nhiên sau DNA, sở hữu những đặc tính độc đáo không những chưa được giải thích đầy đủ mà còn chưa được mọi người biết đến. Càng nghiên cứu lâu thì càng tìm thấy nhiều điều bất thường và bí ẩn mới trong đó. Hầu hết những dị thường tạo nên sự sống trên Trái đất đều được giải thích bằng sự hiện diện của liên kết hydro giữa các phân tử nước, mạnh hơn nhiều so với lực hút van der Waals giữa các phân tử của các chất khác, nhưng yếu hơn so với lực ion và cộng hóa trị. liên kết giữa các nguyên tử trong phân tử. Các liên kết hydro tương tự cũng có mặt trong phân tử DNA.

Một phân tử nước (H 2 16 O) bao gồm hai nguyên tử hydro (H) và một nguyên tử oxy (16 O). Hóa ra, cuối cùng, gần như toàn bộ tính chất đa dạng của nước và sự bất thường trong biểu hiện của chúng được xác định bởi bản chất vật lý của các nguyên tử này, cách chúng kết hợp thành một phân tử và cách nhóm các phân tử thu được.

Cơm. Cấu trúc của phân tử nước . Sơ đồ hình học (a), mô hình phẳng (b) và cấu trúc điện tử không gian (c) của monome H2O. Hai trong số bốn electron ở lớp vỏ ngoài của nguyên tử oxy tham gia tạo liên kết cộng hóa trị với các nguyên tử hydro, và hai electron còn lại tạo thành quỹ đạo electron có độ dài cao, mặt phẳng của nó vuông góc với mặt phẳng H-O-H.

Phân tử nước H 2 O có dạng hình tam giác: góc giữa hai liên kết oxy-hydro là 104 độ. Nhưng vì cả hai nguyên tử hydro đều nằm ở cùng phía của oxy nên các điện tích trong nó bị phân tán. Phân tử nước có tính phân cực, đó là lý do tạo ra sự tương tác đặc biệt giữa các phân tử khác nhau của nó. Các nguyên tử hydro trong phân tử H 2 O, có điện tích dương một phần, tương tác với các electron của nguyên tử oxy của các phân tử lân cận. Liên kết hóa học này được gọi là liên kết hydro. Nó hợp nhất các phân tử H 2 O thành các liên kết độc đáo của cấu trúc không gian; mặt phẳng chứa các liên kết hydro vuông góc với mặt phẳng của các nguyên tử của cùng một phân tử H 2 O. Sự tương tác giữa các phân tử nước chủ yếu giải thích nhiệt độ nóng chảy và sôi cao bất thường của nó. Năng lượng bổ sung phải được cung cấp để nới lỏng và sau đó phá hủy các liên kết hydro. Và năng lượng này rất có ý nghĩa. Đây là lý do tại sao nhiệt dung của nước rất cao.

Một phân tử nước chứa hai liên kết cộng hóa trị có cực H–O. Chúng được hình thành do sự chồng chéo của hai đám mây p một electron của nguyên tử oxy và đám mây S một electron của hai nguyên tử hydro.

Theo cấu trúc điện tử của nguyên tử hydro và oxy, một phân tử nước có bốn cặp electron. Hai trong số chúng tham gia vào việc hình thành liên kết cộng hóa trị với hai nguyên tử hydro, tức là. đang ràng buộc. Hai cặp electron còn lại là tự do - không liên kết. Chúng tạo thành một đám mây điện tử. Đám mây không đồng nhất - nồng độ riêng lẻ và độ hiếm có thể được phân biệt trong đó.

Một phân tử nước có bốn điện tích cực: hai điện tích dương và hai điện tích âm. Các điện tích dương tập trung vào các nguyên tử hydro, vì oxy có độ âm điện lớn hơn hydro. Hai cực âm đến từ hai cặp electron oxy không liên kết.

Mật độ electron dư thừa được tạo ra ở lõi oxy. Cặp electron bên trong của oxy tạo khung đồng đều cho hạt nhân: về mặt sơ đồ, nó được biểu diễn bằng một vòng tròn có tâm - hạt nhân O 2-. Bốn electron bên ngoài được nhóm thành hai cặp electron bị hút về phía hạt nhân nhưng không được bù một phần. Về mặt sơ đồ, tổng quỹ đạo electron của các cặp này được biểu diễn dưới dạng các hình elip kéo dài từ một tâm chung - hạt nhân O 2-. Mỗi trong số hai electron còn lại trong cặp oxy với một electron trong hydro. Những hơi này cũng bị hút về phía lõi oxy. Do đó, hạt nhân hydro - proton - hóa ra hơi trần và thiếu mật độ electron ở đây.

Như vậy, trong phân tử nước có 4 cực điện tích: hai cực âm (mật độ electron dư thừa trong vùng của hạt nhân oxy) và hai cực dương (thiếu mật độ electron trong hai hạt nhân hydro). Để rõ ràng hơn, chúng ta có thể tưởng tượng rằng các cực chiếm các đỉnh của một khối tứ diện bị biến dạng, ở trung tâm của nó có một hạt nhân oxy.

Cơm. Cấu trúc của phân tử nước: a – góc giữa các liên kết O-H; b – vị trí các cực điện tích; c – sự xuất hiện đám mây điện tử của phân tử nước.

Phân tử nước gần như hình cầu có độ phân cực rõ rệt, vì các điện tích trong nó nằm không đối xứng. Mỗi phân tử nước là một lưỡng cực thu nhỏ có mômen lưỡng cực cao là 1,87 deBy. Debye là đơn vị ngoại hệ của lưỡng cực điện 3,33564·10 30 C·m. Dưới tác dụng của các lưỡng cực nước, lực tương tác hoặc liên phân tử trên bề mặt của một chất ngâm trong đó bị suy yếu đi 80 lần. Nói cách khác, nước có hằng số điện môi cao, cao nhất trong số các hợp chất mà chúng ta biết đến.

Phần lớn là do điều này, nước thể hiện như một dung môi phổ quát. Chất rắn, chất lỏng và chất khí chịu tác động hòa tan của nó ở mức độ này hay mức độ khác.

Nhiệt dung riêng của nước là cao nhất trong các chất. Ngoài ra, nó cao gấp 2 lần so với băng, trong khi đối với hầu hết các chất đơn giản (ví dụ: kim loại), nhiệt dung thực tế không thay đổi trong quá trình tan chảy và đối với các chất tạo thành từ phân tử đa nguyên tử, theo quy luật, nó giảm trong quá trình tan chảy.

Sự hiểu biết như vậy về cấu trúc của phân tử giúp giải thích được nhiều tính chất của nước, đặc biệt là cấu trúc của nước đá. Trong mạng tinh thể băng, mỗi phân tử được bao quanh bởi bốn phân tử khác. Trong ảnh phẳng, điều này có thể được biểu diễn như sau:

Sự kết nối giữa các phân tử được thực hiện thông qua một nguyên tử hydro. Nguyên tử hydro tích điện dương của một phân tử nước bị thu hút bởi nguyên tử oxy tích điện âm của một phân tử nước khác. Liên kết này được gọi là liên kết hydro (được ký hiệu bằng dấu chấm). Độ bền của liên kết hydro yếu hơn khoảng 15-20 lần so với liên kết cộng hóa trị. Do đó, liên kết hydro dễ bị phá vỡ, ví dụ như được quan sát thấy trong quá trình bay hơi của nước.

Cơm. trái - Liên kết hydro giữa các phân tử nước

Cấu trúc của nước lỏng giống như nước đá. Trong nước lỏng, các phân tử cũng được kết nối với nhau thông qua liên kết hydro, nhưng cấu trúc của nước kém “cứng” hơn cấu trúc của nước đá. Do sự chuyển động nhiệt của các phân tử trong nước, một số liên kết hydro bị phá vỡ và một số khác được hình thành.

Cơm. Mạng tinh thể băng. Các phân tử nước H 2 O (quả bóng đen) trong các nút của nó được đặt sao cho mỗi nút có bốn “hàng xóm”.

Tính phân cực của các phân tử nước và sự hiện diện của các điện tích không được bù một phần trong chúng làm phát sinh xu hướng nhóm các phân tử thành các “cộng đồng” lớn - cộng sự. Hóa ra chỉ có nước ở trạng thái hơi mới hoàn toàn tương ứng với công thức H2O. Điều này được thể hiện qua kết quả xác định khối lượng phân tử của hơi nước. Trong phạm vi nhiệt độ từ 0 đến 100°C, nồng độ của từng cá thể (phân tử đơn phân) của nước lỏng không vượt quá 1%. Tất cả các phân tử nước khác được kết hợp thành các liên kết có mức độ phức tạp khác nhau và thành phần của chúng được mô tả bằng công thức chung (H 2 O)x.

Nguyên nhân trực tiếp của sự hình thành liên kết là liên kết hydro giữa các phân tử nước. Chúng phát sinh giữa hạt nhân hydro của một số phân tử và sự “ngưng tụ” electron của hạt nhân oxy của các phân tử nước khác. Đúng vậy, những liên kết này yếu hơn hàng chục lần so với liên kết hóa học nội phân tử “tiêu chuẩn” và các chuyển động phân tử thông thường cũng đủ để phá hủy chúng. Nhưng dưới tác động của dao động nhiệt, các kết nối mới thuộc loại này cũng dễ dàng phát sinh. Sự xuất hiện và phân rã của các cộng sự có thể được biểu diễn bằng sơ đồ sau:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Vì các quỹ đạo của electron trong mỗi phân tử nước tạo thành cấu trúc tứ diện, nên liên kết hydro có thể sắp xếp sự sắp xếp của các phân tử nước thành các liên kết phối hợp tứ diện.

Hầu hết các nhà nghiên cứu giải thích khả năng tỏa nhiệt cao bất thường của nước lỏng là do khi băng tan, cấu trúc tinh thể của nó không sụp đổ ngay lập tức. Trong nước lỏng, liên kết hydro giữa các phân tử được bảo toàn. Những gì còn lại trong đó là những mảnh băng - cộng sự của một số lượng lớn hoặc nhỏ các phân tử nước. Tuy nhiên, không giống như băng, mỗi cộng sự không tồn tại lâu. Sự phá hủy của một số và sự hình thành của các cộng sự khác liên tục xảy ra. Ở mỗi giá trị nhiệt độ trong nước, trạng thái cân bằng động riêng của nó được thiết lập trong quá trình này. Và khi nước được đun nóng, một phần nhiệt lượng sẽ được dùng để phá vỡ các liên kết hydro ở các liên kết. Trong trường hợp này, 0,26-0,5 eV được sử dụng để phá vỡ mỗi liên kết. Điều này giải thích khả năng tỏa nhiệt cao bất thường của nước so với sự tan chảy của các chất khác không hình thành liên kết hydro. Khi đun nóng các chất tan chảy như vậy, năng lượng chỉ được dùng để truyền chuyển động nhiệt đến các nguyên tử hoặc phân tử của chúng. Liên kết hydro giữa các phân tử nước chỉ bị phá vỡ hoàn toàn khi nước biến thành hơi nước. Tính đúng đắn của quan điểm này còn được chỉ ra bởi thực tế là nhiệt dung riêng của hơi nước ở 100°C thực tế trùng khớp với nhiệt dung riêng của nước đá ở 0°C.

Bức tranh dưới đây:

Phần tử cấu trúc cơ bản của một cộng sự là một cụm: Cơm. Một cụm nước giả định riêng biệt. Các cụm riêng lẻ tạo thành liên kết của các phân tử nước (H 2 O) x: Cơm. Các cụm phân tử nước tạo thành liên kết.

Có một quan điểm khác về bản chất của khả năng tỏa nhiệt cao bất thường của nước. Giáo sư G.N. Zatsepina lưu ý rằng nhiệt dung mol của nước, lên tới 18 cal/(molgrad), hoàn toàn bằng nhiệt dung mol lý thuyết của một chất rắn có tinh thể ba nguyên tử. Và theo định luật Dulong và Petit, nhiệt dung nguyên tử của tất cả các vật thể tinh thể (đơn nguyên) đơn giản về mặt hóa học ở nhiệt độ đủ cao đều như nhau và bằng 6 calDmol o độ). Và đối với các chất ba nguyên tử, ngữ pháp chứa 3 N một vị trí mạng tinh thể thì gấp 3 lần. (Ở đây N a là số Avogadro).

Theo đó, nước có thể nói là một vật thể tinh thể bao gồm các phân tử H 2 0. Điều này tương ứng với ý tưởng chung về nước là một hỗn hợp của các liên kết giống như tinh thể với một hỗn hợp nhỏ của các phân tử nước H 2 O tự do giữa chúng, số lượng chúng tăng khi nhiệt độ tăng. Từ quan điểm này, điều đáng ngạc nhiên không phải là khả năng sinh nhiệt cao của nước lỏng mà là khả năng sinh nhiệt thấp của nước đá rắn. Sự giảm nhiệt dung riêng của nước trong quá trình đóng băng được giải thích là do không có dao động nhiệt ngang của các nguyên tử trong mạng tinh thể cứng của nước đá, trong đó mỗi proton tạo ra liên kết hydro chỉ có một bậc tự do cho các dao động nhiệt thay vì ba bậc tự do. .

Nhưng do điều gì và làm thế nào mà nhiệt dung của nước có thể thay đổi lớn như vậy mà không có sự thay đổi tương ứng về áp suất? Để trả lời câu hỏi này chúng ta cùng gặp nhau nhé với giả thuyết của ứng cử viên khoa học địa chất và khoáng vật học Yu. A. Kolyasnikov về cấu trúc của nước.

Ông chỉ ra rằng những người phát hiện ra liên kết hydro, J. Bernal và R. Fowler, vào năm 1932 đã so sánh cấu trúc của nước lỏng với cấu trúc tinh thể của thạch anh, và những cộng sự được đề cập ở trên chủ yếu là các tetramer 4H 2 0, trong đó có bốn các phân tử nước được kết nối thành một khối tứ diện nhỏ gọn với mười hai liên kết hydro bên trong. Kết quả là một khối tứ diện được hình thành.

Đồng thời, các liên kết hydro trong các tetramer này có thể hình thành các chuỗi thuận tay phải và tay trái, giống như các tinh thể thạch anh phổ biến (Si0 2), cũng có cấu trúc tứ diện, có dạng tinh thể quay thuận tay phải và tay trái. các hình thức. Vì mỗi tetramer nước như vậy cũng có bốn liên kết hydro bên ngoài không được sử dụng (giống như một phân tử nước), nên các tetramer có thể được kết nối bằng các liên kết bên ngoài này thành một loại chuỗi polymer, giống như phân tử DNA. Và vì chỉ có bốn liên kết bên ngoài và gấp 3 lần liên kết bên trong, điều này cho phép các tetramer nặng và mạnh trong nước lỏng uốn cong, xoay và thậm chí phá vỡ các liên kết hydro bên ngoài bị suy yếu do rung động nhiệt. Điều này quyết định tính lưu động của nước.

Theo Kolyasnikov, nước chỉ có cấu trúc này ở trạng thái lỏng và có thể một phần ở trạng thái hơi. Nhưng trong băng, cấu trúc tinh thể của nó đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, các tetrahydrol được kết nối với nhau bằng các liên kết hydro trực tiếp không linh hoạt, mạnh bằng nhau thành một khung làm việc mở với các khoảng trống lớn trong đó, khiến mật độ của băng nhỏ hơn mật độ của nước. .

Cơm. Cấu trúc tinh thể của nước đá: các phân tử nước được kết nối thành hình lục giác đều

Khi băng tan, một số liên kết hydro trong đó yếu đi và uốn cong, dẫn đến sự tái cấu trúc cấu trúc thành các tetramer được mô tả ở trên và làm cho nước lỏng đậm đặc hơn băng. Ở 4°C, một trạng thái xảy ra khi tất cả các liên kết hydro giữa các tetramer bị uốn cong tối đa, xác định mật độ tối đa của nước ở nhiệt độ này. Không có nơi nào để kết nối đi xa hơn nữa.

Ở nhiệt độ trên 4°C, các liên kết riêng lẻ giữa các tetramer bắt đầu bị đứt và ở nhiệt độ 36-37°C, một nửa số liên kết hydro bên ngoài bị phá vỡ. Điều này xác định mức tối thiểu trên đường cong của nhiệt dung riêng của nước so với nhiệt độ. Ở nhiệt độ 70°C, gần như tất cả các liên kết intertetramer bị phá vỡ, và cùng với các tetramer tự do, chỉ những đoạn ngắn của chuỗi “polymer” của chúng còn tồn tại trong nước. Cuối cùng, khi nước sôi, sự vỡ cuối cùng của các tetramer đơn lẻ hiện nay thành các phân tử H 2 0 riêng lẻ xảy ra. Và thực tế là nhiệt dung riêng của sự bay hơi của nước lớn hơn chính xác 3 lần tổng nhiệt dung riêng của băng tan và nhiệt lượng tiếp theo nước đến 100 ° C xác nhận giả định của Kolyasnikov. rằng số liên kết bên trong của một tetramer lớn gấp 3 lần số liên kết bên ngoài.

Cấu trúc xoắn ốc tứ diện này của nước có thể là do mối liên hệ lưu biến cổ xưa của nó với thạch anh và các khoáng chất silic-oxy khác chiếm ưu thế trong lớp vỏ trái đất, từ độ sâu mà nước từng xuất hiện trên Trái đất. Giống như một tinh thể muối nhỏ làm cho dung dịch xung quanh nó kết tinh thành các tinh thể tương tự chứ không phải thành các tinh thể khác, thạch anh khiến các phân tử nước xếp thành hàng theo cấu trúc tứ diện, thuận lợi nhất về mặt năng lượng. Và ở thời đại chúng ta, trong bầu khí quyển của trái đất, hơi nước ngưng tụ thành giọt, tạo thành cấu trúc như vậy bởi vì bầu khí quyển luôn chứa những giọt nước nhỏ li ti trong khí dung đã có sẵn cấu trúc này. Chúng là trung tâm ngưng tụ hơi nước trong khí quyển. Dưới đây là các cấu trúc silicat chuỗi có thể dựa trên tứ diện, cũng có thể bao gồm các tứ diện nước.

Cơm. Tứ diện silic-oxy đều SiO 4 4-.

Cơm. Các đơn vị silicon-oxy cơ bản-nhóm trực giao SiO 4 4- trong cấu trúc Mg-pyroxene enstatite (a) và nhóm diortho Si 2 O 7 6- trong Ca-pyroxenoid wollastonite (b).

Cơm. Các loại nhóm anion silicon-oxy đơn giản nhất: a-SiO 4, b-Si 2 O 7, c-Si 3 O 9, d-Si 4 O 12, d-Si 6 O 18.

Cơm. dưới đây - Các loại nhóm anion chuỗi silicon-oxy quan trọng nhất (theo Belov): a-metagermanate, b - pyroxene, c - Bathysite, d-wollastonite, d-vlasovite, e-melilite, f-rhodonite, z-pyroxmangite , i-metaphotphat, k - fluoroberyllat, l - barylit.

Cơm. dưới đây - Ngưng tụ các anion silicon-oxy pyroxene thành amphibole hai hàng tổ ong (a), giống amphibole ba hàng (b), talc xếp lớp và các anion liên quan (c).

Cơm. dưới đây - Các loại nhóm silicon-oxy phân dải quan trọng nhất (theo Belov): a - sillimanite, amphibole, xonotlite; b-viêm mào tinh hoàn; β-orthocla; g-narsarsukite; lăng trụ d-phenacite; dát e-euclase.

Cơm. bên phải - Một mảnh (gói cơ bản) của cấu trúc tinh thể phân lớp của muscovite KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2, minh họa sự xen kẽ của mạng nhôm-silicon-oxy với các lớp đa diện của cation nhôm và kali lớn, gợi nhớ đến một chuỗi DNA.

Các mô hình cấu trúc nước khác cũng có thể thực hiện được. Các phân tử nước liên kết tứ diện tạo thành các chuỗi đặc biệt có thành phần khá ổn định. Các nhà nghiên cứu đang phát hiện ra các cơ chế ngày càng tinh vi và phức tạp của “tổ chức bên trong” của khối nước. Ngoài cấu trúc giống như băng, nước lỏng và các phân tử monome, thành phần thứ ba của cấu trúc cũng được mô tả - không phải tứ diện.

Một phần nhất định của các phân tử nước được liên kết không phải theo khung ba chiều mà theo các liên kết vòng tuyến tính. Các vòng, khi được nhóm lại, sẽ tạo thành những phức hợp phức tạp hơn nữa.

Do đó, về mặt lý thuyết, nước có thể tạo thành chuỗi, giống như phân tử DNA, như sẽ được thảo luận dưới đây. Một điều thú vị khác về giả thuyết này là nó hàm ý xác suất tồn tại của nước thuận tay phải và tay trái là như nhau. Nhưng các nhà sinh học từ lâu đã nhận thấy rằng trong các mô và cấu trúc sinh học chỉ quan sát thấy sự hình thành thuận tay trái hoặc tay phải. Một ví dụ về điều này là các phân tử protein, chỉ được tạo ra từ các axit amin thuận tay trái và chỉ xoắn theo hình xoắn ốc thuận tay trái. Nhưng đường trong tự nhiên đều thuận tay phải. Vẫn chưa ai có thể giải thích tại sao trong tự nhiên sống lại có sự ưa thích bên trái trong một số trường hợp và ở những trường hợp khác lại ưa thích bên phải. Thật vậy, trong thiên nhiên vô tri, cả phân tử thuận tay phải và thuận tay trái đều được tìm thấy với xác suất như nhau.

Hơn một trăm năm trước, nhà tự nhiên học nổi tiếng người Pháp Louis Pasteur đã phát hiện ra rằng các hợp chất hữu cơ trong thực vật và động vật có tính không đối xứng về mặt quang học - chúng làm quay mặt phẳng phân cực của ánh sáng tới chúng. Tất cả các axit amin tạo nên động vật và thực vật đều quay mặt phẳng phân cực sang trái và tất cả các loại đường đều quay sang phải. Nếu chúng ta tổng hợp các hợp chất có cùng thành phần hóa học thì mỗi hợp chất sẽ chứa số lượng phân tử thuận trái và phải bằng nhau.

Như bạn đã biết, tất cả các sinh vật sống đều bao gồm protein và đến lượt chúng, chúng được tạo thành từ các axit amin. Bằng cách kết hợp với nhau theo nhiều trình tự khác nhau, các axit amin tạo thành chuỗi peptide dài có thể tự động “xoắn” thành các phân tử protein phức tạp. Giống như nhiều hợp chất hữu cơ khác, axit amin có tính đối xứng đối xứng (từ tiếng Hy Lạp chiros - hand), nghĩa là chúng có thể tồn tại ở hai dạng đối xứng gương gọi là “enantiomers”. Các phân tử như vậy tương tự nhau, giống như tay trái và tay phải, vì vậy chúng được gọi là phân tử D- và L (từ tiếng Latin dexter, laevus - phải và trái).

Bây giờ chúng ta hãy tưởng tượng rằng một môi trường có các phân tử bên trái và bên phải đã chuyển sang trạng thái chỉ có các phân tử bên trái hoặc chỉ bên phải. Các chuyên gia gọi môi trường như vậy là có trật tự (từ tiếng Hy Lạp “cheira” - bàn tay). Khả năng tự sinh sản của các sinh vật sống (biopoiesis - theo định nghĩa của D. Bernal) chỉ có thể phát sinh và duy trì trong môi trường như vậy.

Cơm. Đối xứng gương trong tự nhiên

Một tên gọi khác của các phân tử đối quang - "dextrorotatory" và "levorotatory" - xuất phát từ khả năng quay mặt phẳng phân cực ánh sáng theo các hướng khác nhau của chúng. Nếu ánh sáng phân cực tuyến tính truyền qua dung dịch gồm các phân tử như vậy thì mặt phẳng phân cực của nó sẽ quay: theo chiều kim đồng hồ nếu các phân tử trong dung dịch thuận tay phải và ngược chiều kim đồng hồ nếu các phân tử trong dung dịch thuận tay trái. Và trong hỗn hợp có lượng D- và L bằng nhau (được gọi là “racemate”), ánh sáng sẽ giữ nguyên độ phân cực tuyến tính ban đầu. Tính chất quang học này của các phân tử bất đối được Louis Pasteur phát hiện lần đầu tiên vào năm 1848.

Điều gây tò mò là hầu hết tất cả các protein tự nhiên chỉ bao gồm các axit amin thuận tay trái. Thực tế này càng đáng ngạc nhiên hơn vì quá trình tổng hợp axit amin trong điều kiện phòng thí nghiệm tạo ra số lượng phân tử thuận tay phải và tay trái gần như nhau. Hóa ra, không chỉ axit amin mới có đặc điểm này mà còn có nhiều chất khác quan trọng đối với hệ thống sống và mỗi chất đều có một dấu hiệu đối xứng gương được xác định nghiêm ngặt trong toàn bộ sinh quyển. Ví dụ, đường là một phần của nhiều nucleotide, cũng như axit nucleic DNA và RNA, được thể hiện trong cơ thể chỉ bằng các phân tử D thuận tay phải. Mặc dù các đặc tính vật lý và hóa học của “đối cực gương” là như nhau, nhưng hoạt động sinh lý của chúng trong cơ thể sinh vật là khác nhau: L-caxara không được hấp thụ, L-phenylalanine, không giống như các phân tử D vô hại của nó, gây ra bệnh tâm thần, v.v.

Theo những ý tưởng hiện đại về nguồn gốc sự sống trên Trái đất, việc các phân tử hữu cơ lựa chọn một kiểu đối xứng gương nhất định là điều kiện tiên quyết chính cho sự sống sót và khả năng tự sinh sản sau này của chúng. Tuy nhiên, câu hỏi làm thế nào và tại sao sự lựa chọn tiến hóa của phản cực gương này hay phản cực gương khác xảy ra vẫn là một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học.

Nhà khoa học Liên Xô L.L. Morozov đã chứng minh rằng quá trình chuyển đổi sang trật tự bất đối không thể xảy ra về mặt tiến hóa mà chỉ với một số thay đổi pha sắc nét cụ thể. Viện sĩ V.I. Goldansky gọi quá trình chuyển đổi này, nhờ đó sự sống trên Trái đất bắt nguồn, là một thảm họa bất đối xứng.

Làm thế nào các điều kiện phát sinh cho thảm họa pha gây ra sự chuyển đổi bất đối?

Điều quan trọng nhất là các hợp chất hữu cơ nóng chảy ở vỏ trái đất ở nhiệt độ 800-1000 0C, và những chất phía trên nguội đến nhiệt độ của không gian, tức là độ không tuyệt đối. Chênh lệch nhiệt độ đạt tới 1000 ° C. Trong điều kiện như vậy, các phân tử hữu cơ tan chảy dưới tác động của nhiệt độ cao, thậm chí bị phá hủy hoàn toàn, phần trên vẫn lạnh do các phân tử hữu cơ bị đóng băng. Khí và hơi nước thoát ra từ vỏ trái đất đã làm thay đổi thành phần hóa học của các hợp chất hữu cơ. Các chất khí mang theo nhiệt, khiến điểm nóng chảy của lớp hữu cơ di chuyển lên xuống, tạo ra độ dốc.

Ở áp suất khí quyển rất thấp, nước trên bề mặt trái đất chỉ ở dạng hơi nước và băng. Khi áp suất đạt tới cái gọi là điểm ba của nước (0,006 atm), nước lần đầu tiên có thể tồn tại ở dạng chất lỏng.

Tất nhiên, chỉ bằng thực nghiệm người ta mới có thể chứng minh chính xác điều gì đã gây ra quá trình chuyển đổi bất lợi: lý do trên mặt đất hoặc vũ trụ. Nhưng bằng cách này hay cách khác, tại một thời điểm nào đó, các phân tử có trật tự bất đối (cụ thể là axit amin kích thích và đường chuyển động quay) hóa ra lại ổn định hơn và sự gia tăng không thể ngăn cản về số lượng của chúng bắt đầu - một quá trình chuyển đổi đối kháng.

Biên niên sử của hành tinh cũng kể rằng vào thời điểm đó trên Trái đất không có ngọn núi hay vùng trũng nào. Lớp vỏ granit bán nóng chảy có bề mặt nhẵn như mực nước của đại dương hiện đại. Tuy nhiên, bên trong vùng đồng bằng này vẫn còn tồn tại những vùng trũng do sự phân bố khối lượng không đồng đều trong Trái đất. Những mức giảm này đóng một vai trò cực kỳ quan trọng.

Thực tế là những vùng trũng đáy phẳng có đường kính hàng trăm, thậm chí hàng nghìn km và độ sâu không quá trăm mét có lẽ đã trở thành cái nôi của sự sống. Rốt cuộc, nước tích tụ trên bề mặt hành tinh đã chảy vào chúng. Nước làm loãng các hợp chất hữu cơ bất đối trong lớp tro. Thành phần hóa học của hợp chất dần thay đổi và nhiệt độ ổn định. Quá trình chuyển đổi từ vô hồn sang sống, bắt đầu trong điều kiện khan hiếm, tiếp tục trong môi trường nước.

Đây có phải là âm mưu về nguồn gốc của sự sống? Rất có thể là có. Tại khu vực địa chất Isua (Tây Greenland) có niên đại 3,8 tỷ năm tuổi, người ta đã tìm thấy các hợp chất giống xăng và dầu với tỷ lệ đồng vị C12/C13 đặc trưng của carbon có nguồn gốc quang hợp.

Nếu bản chất sinh học của các hợp chất carbon từ phần Isua được xác nhận, thì hóa ra toàn bộ thời kỳ nguồn gốc của sự sống trên Trái đất - từ sự xuất hiện của chất hữu cơ bất đối cho đến sự xuất hiện của một tế bào có khả năng quang hợp và sinh sản - là hoàn thành chỉ trong một trăm triệu năm. Và các phân tử nước và DNA đóng một vai trò rất lớn trong quá trình này.

Điều đáng kinh ngạc nhất về cấu trúc của nước là các phân tử nước ở nhiệt độ âm thấp và áp suất cao bên trong ống nano có thể kết tinh thành hình xoắn kép, gợi nhớ đến DNA. Điều này đã được chứng minh bằng thí nghiệm trên máy tính của các nhà khoa học Mỹ do Xiao Cheng Zeng tại Đại học Nebraska (Mỹ) dẫn đầu.

DNA là một sợi đôi xoắn thành hình xoắn ốc. Mỗi sợi chỉ bao gồm các viên gạch gạch - các nucleotide được kết nối thành chuỗi. Mỗi nucleotide của DNA chứa một trong bốn bazơ nitơ - guanine (G), adenine (A) (purin), thymine (T) và cytosine (C) (pyrimidine), liên kết với deoxyribose, sau đó là phốt phát nhóm được đính kèm. Các nucleotide lân cận được kết nối với nhau thành chuỗi bằng liên kết phosphodiester được hình thành bởi các nhóm 3"-hydroxyl (3"-OH) và 5"-phosphate (5"-PO3). Thuộc tính này xác định sự hiện diện của phân cực trong DNA, tức là hướng ngược nhau, cụ thể là đầu 5" và 3": đầu 5" của một sợi tương ứng với đầu 3" của sợi thứ hai. Trình tự nucleotide cho phép bạn “mã hóa” thông tin về nhiều loại RNA khác nhau, trong đó quan trọng nhất là chất truyền tin hoặc mẫu (mRNA), ribosome (rRNA) và vận chuyển (tRNA). Tất cả các loại RNA này được tổng hợp trên mẫu DNA bằng cách sao chép chuỗi DNA thành chuỗi RNA được tổng hợp trong quá trình phiên mã và tham gia vào quá trình quan trọng nhất của sự sống - truyền và sao chép thông tin (dịch mã).

Cấu trúc chính của DNA là trình tự tuyến tính của các nucleotide DNA trong chuỗi. Trình tự các nucleotide trong chuỗi DNA được viết dưới dạng công thức DNA chữ cái: ví dụ - AGTCATGCCAG, mục nhập được thực hiện từ đầu 5” đến đầu 3” của chuỗi DNA.

Cấu trúc thứ cấp của DNA được hình thành do sự tương tác của các nucleotide (chủ yếu là bazơ nitơ) với nhau, liên kết hydro. Một ví dụ kinh điển về cấu trúc thứ cấp của DNA là chuỗi xoắn kép DNA. Chuỗi xoắn kép DNA là dạng DNA phổ biến nhất trong tự nhiên, bao gồm hai chuỗi DNA polynucleotide. Việc xây dựng mỗi chuỗi DNA mới được thực hiện theo nguyên tắc bổ sung, tức là Mỗi bazơ nitơ của một chuỗi DNA tương ứng với một bazơ được xác định chặt chẽ của chuỗi khác: trong một cặp bổ sung, đối diện A là T và đối diện G là C, v.v.

Để nước tạo thành hình xoắn ốc như thế này, trong một thí nghiệm mô phỏng, nó được “đặt” vào các ống nano dưới áp suất cao, thay đổi trong các thí nghiệm khác nhau từ 10 đến 40.000 atm. Sau đó, nhiệt độ được đặt ở mức -23°C. Biên độ so với điểm đóng băng của nước được tạo ra do thực tế là khi áp suất tăng, điểm nóng chảy của nước đá giảm. Đường kính của ống nano dao động từ 1,35 đến 1,90 nm.

Cơm. Cái nhìn tổng quát về cấu trúc của nước (ảnh New Scientist)

Các phân tử nước được kết nối với nhau thông qua liên kết hydro, khoảng cách giữa nguyên tử oxy và hydro là 96 chiều và giữa hai hydro là 150 chiều. Ở trạng thái rắn, nguyên tử oxy tham gia hình thành hai liên kết hydro với các phân tử nước lân cận. Trong trường hợp này, các phân tử H 2 O riêng lẻ tiếp xúc với nhau bằng các cực đối diện. Do đó, các lớp được hình thành trong đó mỗi phân tử được liên kết với ba phân tử của lớp đó và một phân tử từ lớp lân cận. Kết quả là cấu trúc tinh thể của băng bao gồm các “ống” lục giác nối với nhau giống như tổ ong.

Cơm. Bức tường bên trong của công trình nước (Ảnh nhà khoa học mới)

Các nhà khoa học mong đợi sẽ thấy rằng nước trong mọi trường hợp đều tạo thành một cấu trúc hình ống mỏng. Tuy nhiên, mô hình cho thấy ở ống có đường kính 1,35 nm và áp suất 40.000 atm, các liên kết hydro bị uốn cong, dẫn đến hình thành chuỗi xoắn hai vách. Thành trong của cấu trúc này là một chuỗi xoắn bốn và thành ngoài bao gồm bốn vòng xoắn kép, tương tự như cấu trúc của phân tử DNA.

Thực tế thứ hai để lại dấu ấn không chỉ đối với sự tiến hóa trong quan niệm của chúng ta về nước mà còn đối với sự tiến hóa của sự sống ban đầu và chính phân tử DNA. Nếu chúng ta cho rằng vào thời kỳ khởi nguồn của sự sống, đá đất sét cryolite có hình dạng ống nano, thì câu hỏi đặt ra: liệu nước hấp thụ trong chúng có thể đóng vai trò là cơ sở cấu trúc (ma trận) để tổng hợp DNA và đọc thông tin không? Có lẽ đây là lý do tại sao cấu trúc xoắn ốc của DNA lặp lại cấu trúc xoắn ốc của nước trong ống nano. Như tạp chí New Scientist đưa tin, giờ đây các đồng nghiệp nước ngoài của chúng tôi sẽ phải xác nhận sự tồn tại của các đại phân tử nước như vậy trong điều kiện thí nghiệm thực tế bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại và quang phổ tán xạ neutron.

Bằng tiến sĩ. O.V. Mosin

Đá- khoáng chất với hóa chất công thức H 2 O, đại diện cho nước ở trạng thái kết tinh.
Thành phần hóa học của nước đá: H - 11,2%, O - 88,8%. Đôi khi nó chứa tạp chất cơ học dạng khí và rắn.
Trong tự nhiên, băng được thể hiện chủ yếu bằng một trong nhiều dạng biến đổi tinh thể, ổn định ở nhiệt độ từ 0 đến 80°C, với điểm nóng chảy là 0°C. Có 10 biến thể tinh thể được biết đến của băng và băng vô định hình. Được nghiên cứu nhiều nhất là băng thuộc dạng biến đổi thứ nhất - dạng biến đổi duy nhất được tìm thấy trong tự nhiên. Băng được tìm thấy trong tự nhiên ở dạng băng (lục địa, nổi, dưới lòng đất, v.v.), cũng như ở dạng tuyết, sương giá, v.v.

Xem thêm:

KẾT CẤU

Cấu trúc tinh thể của nước đá cũng tương tự như cấu trúc: mỗi phân tử H 2 0 được bao quanh bởi 4 phân tử gần nó nhất, nằm cách nó một khoảng bằng nhau, bằng 2,76Α và nằm ở các đỉnh của một khối tứ diện đều. Do số phối trí thấp, cấu trúc băng có tính mở, ảnh hưởng đến mật độ của nó (0,917). Băng có mạng không gian hình lục giác và được hình thành bằng cách đóng băng nước ở 0°C và áp suất khí quyển. Mạng tinh thể của tất cả các dạng biến đổi tinh thể của băng đều có cấu trúc tứ diện. Các thông số của một ô đơn vị băng (ở t 0°C): a=0,45446 nm, c=0,73670 nm (c là gấp đôi khoảng cách giữa các mặt phẳng chính liền kề). Khi nhiệt độ giảm xuống, chúng thay đổi rất ít. Các phân tử H 2 0 trong mạng băng được kết nối với nhau bằng liên kết hydro. Độ linh động của các nguyên tử hydro trong mạng băng cao hơn nhiều so với độ linh động của các nguyên tử oxy, do đó các phân tử thay đổi các phân tử lân cận của chúng. Với sự hiện diện của các chuyển động rung và quay đáng kể của các phân tử trong mạng băng, các bước nhảy tịnh tiến của các phân tử từ vị trí kết nối không gian của chúng xảy ra, phá vỡ trật tự tiếp theo và hình thành sự lệch vị trí. Điều này giải thích sự biểu hiện của các đặc tính lưu biến cụ thể trong băng, đặc trưng cho mối quan hệ giữa các biến dạng (dòng chảy) không thể đảo ngược của băng và các ứng suất gây ra chúng (độ dẻo, độ nhớt, ứng suất chảy, độ rão, v.v.). Do những trường hợp này, sông băng chảy tương tự như chất lỏng có độ nhớt cao và do đó băng tự nhiên tham gia tích cực vào chu trình nước trên Trái đất. Tinh thể băng có kích thước tương đối lớn (kích thước ngang từ vài milimet đến vài chục cm). Chúng được đặc trưng bởi tính dị hướng của hệ số độ nhớt, giá trị của hệ số này có thể thay đổi theo một số bậc độ lớn. Các tinh thể có khả năng định hướng lại dưới tác động của tải trọng, ảnh hưởng đến sự biến chất của chúng và tốc độ dòng chảy của sông băng.

CỦA CẢI

Nước đá không màu. Trong các cụm lớn, nó có màu hơi xanh. Kính tỏa sáng. Trong suốt. Không có sự phân tách. Độ cứng 1,5. Dễ vỡ. Quang dương, chiết suất rất thấp (n = 1,310, nm = 1,309). Có 14 biến thể được biết đến của băng trong tự nhiên. Đúng vậy, tất cả mọi thứ ngoại trừ băng quen thuộc, kết tinh theo hệ lục giác và được gọi là băng I, được hình thành trong những điều kiện kỳ lạ - ở nhiệt độ rất thấp (khoảng -110150 0C) và áp suất cao, khi các góc của liên kết hydro trong nước sự thay đổi phân tử và các hệ thống được hình thành, khác với hình lục giác. Những điều kiện như vậy giống với những điều kiện trong không gian và không xảy ra trên Trái đất. Ví dụ, ở nhiệt độ dưới –110 °C, hơi nước kết tủa trên một tấm kim loại ở dạng bát diện và các khối có kích thước vài nanomet - đây được gọi là băng khối. Nếu nhiệt độ cao hơn -110 °C một chút và nồng độ hơi rất thấp, một lớp băng vô định hình cực kỳ dày đặc sẽ hình thành trên tấm.

HÌNH THỨC

Nước đá là một khoáng chất rất phổ biến trong tự nhiên. Có một số loại băng trong vỏ trái đất: sông, hồ, biển, mặt đất, linh sam và sông băng. Thông thường nó tạo thành các cụm tổng hợp của các hạt tinh thể mịn. Người ta cũng biết rằng sự hình thành băng tinh thể phát sinh do sự thăng hoa, nghĩa là trực tiếp từ trạng thái hơi. Trong những trường hợp này, băng xuất hiện dưới dạng các tinh thể xương (bông tuyết) và các tập hợp của sự phát triển xương và đuôi gai (băng hang động, sương muối, sương muối và các hoa văn trên kính). Những tinh thể lớn được cắt khéo léo cũng được tìm thấy nhưng rất hiếm. N. N. Stulov đã mô tả các tinh thể băng ở phía đông bắc nước Nga, được tìm thấy ở độ sâu 55-60 m tính từ bề mặt, có hình dạng đẳng cự và hình cột, chiều dài của tinh thể lớn nhất là 60 cm và đường kính đáy của nó là 15 cm Từ các dạng đơn giản trên tinh thể băng, người ta chỉ xác định được các mặt của lăng trụ lục giác (1120), bipyramid lục giác (1121) và pinacoid (0001).
Nhũ đá băng, thường được gọi là “băng băng”, quen thuộc với mọi người. Với nhiệt độ chênh lệch khoảng 0° vào mùa thu đông, chúng phát triển khắp nơi trên bề mặt Trái đất với sự đóng băng chậm (kết tinh) của dòng nước chảy và nhỏ giọt. Chúng cũng phổ biến trong các hang băng.
Bờ băng là những dải băng bao phủ bằng băng kết tinh ở ranh giới nước - không khí dọc theo mép hồ chứa và giáp mép vũng nước, bờ sông, hồ, ao, hồ chứa... với phần còn lại của không gian nước không bị đóng băng. Khi chúng phát triển hoàn toàn cùng nhau, một lớp băng liên tục được hình thành trên bề mặt hồ chứa.
Băng cũng hình thành các tập hợp cột song song dưới dạng các mạch sợi trong đất xốp và các antholit băng trên bề mặt của chúng.

NGUỒN GỐC

Băng hình thành chủ yếu ở các lưu vực nước khi nhiệt độ không khí giảm xuống. Cùng lúc đó, một khối cháo đá gồm những cây kim băng xuất hiện trên mặt nước. Từ bên dưới, các tinh thể băng dài phát triển trên đó, có trục đối xứng bậc sáu nằm vuông góc với bề mặt lớp vỏ. Mối quan hệ giữa các tinh thể băng trong các điều kiện hình thành khác nhau được thể hiện trong hình 2. Băng thường xuất hiện ở những nơi có độ ẩm và nhiệt độ giảm xuống dưới 0° C. Ở một số khu vực, băng nền chỉ tan ở độ sâu nông, dưới đó lớp băng vĩnh cửu bắt đầu. Đây được gọi là khu vực đóng băng vĩnh cửu; Tại các khu vực phân bố lớp băng vĩnh cửu ở các lớp trên của vỏ trái đất, người ta tìm thấy cái gọi là băng ngầm, trong đó phân biệt băng ngầm hiện đại và hóa thạch. Ít nhất 10% tổng diện tích đất liền của Trái đất được bao phủ bởi các sông băng; đá băng nguyên khối tạo nên chúng được gọi là băng hà. Băng băng được hình thành chủ yếu từ sự tích tụ của tuyết do sự nén và biến đổi của nó. Dải băng bao phủ khoảng 75% diện tích Greenland và gần như toàn bộ Nam Cực; độ dày lớn nhất của sông băng (4330 m) nằm gần trạm Byrd (Nam Cực). Ở trung tâm Greenland, độ dày băng đạt tới 3200 m.
Tiền gửi băng được nhiều người biết đến. Ở những khu vực có mùa đông lạnh, dài và mùa hè ngắn, cũng như ở vùng núi cao, các hang băng với nhũ đá và măng đá được hình thành, trong đó thú vị nhất là Kungurskaya ở vùng Perm của dãy Urals, cũng như hang Dobshine ở Slovakia.
Khi nước biển đóng băng, băng biển được hình thành. Các đặc tính đặc trưng của băng biển là độ mặn và độ xốp, xác định phạm vi mật độ của nó từ 0,85 đến 0,94 g/cm3. Do mật độ thấp như vậy, các tảng băng nổi lên trên mặt nước bằng 1/7-1/10 độ dày của chúng. Băng biển bắt đầu tan ở nhiệt độ trên -2,3°C; nó đàn hồi hơn và khó vỡ thành từng mảnh hơn băng nước ngọt.

ỨNG DỤNG

Vào cuối những năm 1980, phòng thí nghiệm Argonne đã phát triển một công nghệ tạo ra hỗn hợp đá có thể chảy tự do qua các đường ống có đường kính khác nhau mà không bị tích tụ băng, dính vào nhau hoặc làm tắc nghẽn hệ thống làm mát. Huyền phù nước mặn bao gồm nhiều tinh thể băng hình tròn rất nhỏ. Nhờ đó, tính di động của nước được duy trì, đồng thời, theo quan điểm của kỹ thuật nhiệt, nó đại diện cho băng, hiệu quả gấp 5-7 lần so với nước lạnh đơn giản trong hệ thống làm mát của các tòa nhà. Ngoài ra, những hỗn hợp như vậy còn có triển vọng cho y học. Các thí nghiệm trên động vật đã chỉ ra rằng các vi tinh thể của hỗn hợp đá đi vào các mạch máu khá nhỏ một cách hoàn hảo và không làm tổn thương tế bào. “Icy Blood” kéo dài thời gian cứu nạn nhân. Giả sử, trong trường hợp ngừng tim, thời gian này kéo dài, theo ước tính thận trọng, từ 10-15 đến 30-45 phút.
Việc sử dụng băng làm vật liệu kết cấu phổ biến ở các vùng cực để xây dựng nhà ở - lều tuyết. Băng là một phần của vật liệu Pikerit do D. Pike đề xuất, từ đó nó được đề xuất chế tạo tàu sân bay lớn nhất thế giới.

Nước Đá - H 2 O

PHÂN LOẠI

Strunz (ấn bản thứ 8)	4/A.01-10
Niken-Strunz (ấn bản thứ 10)	4.AA.05
Dana (ấn bản thứ 8)	4.1.2.1
Xin chào CIM Ref.	7.1.1

Cấu trúc tinh thể của băng: các phân tử nước được kết nối thành các hình lục giác đều Mạng tinh thể của băng: Các phân tử nước H 2 O (quả bóng đen) trong các nút của nó được sắp xếp sao cho mỗi nút có bốn nút lân cận. Phân tử nước (ở giữa) được liên kết với bốn phân tử lân cận gần nhất bằng liên kết hydro. Nước đá là sự biến đổi tinh thể của nước. Theo dữ liệu mới nhất, băng có 14 biến đổi cấu trúc. Trong số chúng có cả dạng biến đổi tinh thể (phần lớn) và dạng vô định hình, nhưng chúng đều khác nhau về sự sắp xếp tương đối của các phân tử và tính chất của nước. Đúng vậy, mọi thứ ngoại trừ băng quen thuộc, kết tinh theo hệ lục giác, được hình thành trong những điều kiện kỳ lạ ở nhiệt độ rất thấp và áp suất cao, khi góc của liên kết hydro trong phân tử nước thay đổi và các hệ khác ngoài lục giác được hình thành. Những điều kiện như vậy giống với những điều kiện trong không gian và không xảy ra trên Trái đất. Ví dụ, ở nhiệt độ dưới –110 °C, hơi nước kết tủa trên một tấm kim loại ở dạng bát diện và các khối có kích thước vài nanomet – còn gọi là băng khối. Nếu nhiệt độ cao hơn -110 °C một chút và nồng độ hơi rất thấp, một lớp băng vô định hình cực kỳ dày đặc sẽ hình thành trên tấm. Đặc tính khác thường nhất của băng là sự đa dạng đáng kinh ngạc của các biểu hiện bên ngoài. Với cùng một cấu trúc tinh thể, nó có thể trông hoàn toàn khác nhau, có dạng mưa đá và cột băng trong suốt, những bông tuyết mịn, lớp vỏ băng dày đặc sáng bóng hoặc những khối băng khổng lồ.

Bông tuyết là một tinh thể băng đơn lẻ - một loại tinh thể hình lục giác, nhưng phát triển nhanh chóng trong điều kiện không cân bằng. Các nhà khoa học đã phải vật lộn với bí mật về vẻ đẹp và sự đa dạng vô tận của chúng trong nhiều thế kỷ. Vòng đời của bông tuyết bắt đầu bằng việc hình thành các hạt nhân băng kết tinh trong đám mây hơi nước khi nhiệt độ giảm xuống. Trung tâm kết tinh có thể là các hạt bụi, bất kỳ hạt rắn nào hoặc thậm chí là các ion, nhưng trong mọi trường hợp, những mảnh băng có kích thước nhỏ hơn 1/10 milimet này đã có mạng tinh thể lục giác. hạt nhân, đầu tiên tạo thành một hình lăng trụ lục giác nhỏ, từ sáu góc của nó bắt đầu mọc ra các kim băng giống hệt nhau, các chồi bên, bởi vì nhiệt độ và độ ẩm xung quanh phôi cũng như nhau. Trên chúng lần lượt mọc ra các chồi bên của cành, giống như trên cây. Những tinh thể như vậy được gọi là đuôi gai, nghĩa là tương tự như gỗ. Di chuyển lên xuống trong một đám mây, bông tuyết gặp phải những điều kiện có nhiệt độ và nồng độ hơi nước khác nhau. Hình dạng của nó thay đổi, tuân theo định luật đối xứng lục giác đến cùng. Đây là cách những bông tuyết trở nên khác biệt. Cho đến nay vẫn chưa thể tìm thấy hai bông tuyết giống hệt nhau.

Màu sắc của băng phụ thuộc vào độ tuổi của nó và có thể được sử dụng để đánh giá độ bền của nó. Băng đại dương có màu trắng trong năm đầu tiên của cuộc đời vì nó chứa đầy bọt khí, từ các bức tường ánh sáng được phản chiếu ngay lập tức mà không có thời gian hấp thụ. Vào mùa hè, bề mặt băng tan chảy, mất đi độ bền và dưới sức nặng của các lớp mới nằm trên, bọt khí co lại và biến mất hoàn toàn. Ánh sáng bên trong băng truyền đi một chặng đường dài hơn trước và nổi lên dưới dạng màu xanh lục. Băng xanh già hơn, đặc hơn và cứng hơn băng “bọt” trắng bão hòa không khí. Các nhà nghiên cứu vùng cực biết điều này và chọn những tảng băng màu xanh lam và xanh lục đáng tin cậy cho các căn cứ nổi, trạm nghiên cứu và sân bay băng của họ. Có những tảng băng trôi màu đen. Báo chí đầu tiên đưa tin về chúng xuất hiện vào năm 1773. Màu đen của tảng băng trôi là do hoạt động của núi lửa - băng được bao phủ bởi một lớp bụi núi lửa dày, không bị nước biển cuốn trôi. Đá không lạnh bằng nhau. Tại đây có lớp băng rất lạnh, nhiệt độ khoảng âm 60 độ, đây là lớp băng của một số sông băng ở Nam Cực. Băng của sông băng Greenland ấm hơn nhiều. Nhiệt độ của nó xấp xỉ âm 28 độ. Băng rất ấm (có nhiệt độ khoảng 0 độ) nằm trên đỉnh dãy Alps và dãy núi Scandinavi.

Mật độ của nước tối đa ở +4 C và bằng 1 g/ml, nó giảm khi nhiệt độ giảm. Khi nước kết tinh, mật độ giảm mạnh, đối với băng là 0,91 g/cm3, do đó băng nhẹ hơn nước và khi các hồ chứa đóng băng, băng tích tụ ở trên và ở đáy hồ có nước đậm đặc hơn. với nhiệt độ 4 ̊ C. Độ dẫn nhiệt kém của băng và lớp tuyết phủ phủ trên nó bảo vệ các hồ chứa không bị đóng băng xuống đáy và từ đó tạo điều kiện cho cuộc sống của cư dân trong hồ chứa vào mùa đông.

Sông băng, dải băng, lớp băng vĩnh cửu và lớp phủ tuyết theo mùa ảnh hưởng đáng kể đến khí hậu của các khu vực rộng lớn và toàn bộ hành tinh: ngay cả những người chưa bao giờ nhìn thấy tuyết cũng cảm nhận được hơi thở của khối lượng tuyết tích tụ ở các cực của Trái đất, chẳng hạn như ở dạng về sự biến động lâu dài của mực nước đại dương trên thế giới. Băng rất quan trọng đối với sự xuất hiện của hành tinh chúng ta và môi trường sống thoải mái của các sinh vật sống trên đó đến nỗi các nhà khoa học đã phân bổ một môi trường đặc biệt cho nó - tầng lạnh, mở rộng phạm vi của nó lên cao trong bầu khí quyển và sâu vào lớp vỏ trái đất. Đá tự nhiên thường sạch hơn nước rất nhiều, bởi vì... độ hòa tan của các chất (trừ NH4F) trong nước đá rất thấp. Tổng trữ lượng băng trên Trái đất là khoảng 30 triệu km 3. Phần lớn băng tập trung ở Nam Cực, nơi có độ dày lớp băng lên tới 4 km.

Hôm nay chúng ta sẽ nói về các tính chất của tuyết và băng. Điều đáng làm rõ là băng được hình thành không chỉ từ nước. Ngoài băng nước còn có băng amoniac và băng metan. Cách đây không lâu, các nhà khoa học đã phát minh ra đá khô. Các thuộc tính của nó là duy nhất, chúng ta sẽ xem xét chúng sau. Nó được hình thành khi carbon dioxide đóng băng. Đá khô có tên như vậy là do khi tan chảy không để lại vũng nước. Carbon dioxide chứa trong nó ngay lập tức bay hơi vào không khí từ trạng thái đóng băng.

định nghĩa băng

Trước hết, chúng ta hãy xem xét kỹ hơn về băng, được lấy từ nước. Có một mạng tinh thể đều đặn bên trong nó. Nước đá là một khoáng chất tự nhiên phổ biến được tạo ra khi nước đóng băng. Một phân tử của chất lỏng này liên kết với bốn phân tử gần đó. Các nhà khoa học nhận thấy rằng cấu trúc bên trong như vậy vốn có ở nhiều loại đá quý và thậm chí cả khoáng chất. Ví dụ, kim cương, tourmaline, thạch anh, corundum, beryl và các loại khác có cấu trúc này. Các phân tử được giữ ở khoảng cách xa bằng mạng tinh thể. Những đặc tính này của nước và băng cho thấy mật độ của băng đó sẽ nhỏ hơn mật độ của nước do nó được hình thành. Do đó, băng nổi trên mặt nước và không chìm trong đó.

Hàng triệu km2 băng

Bạn có biết có bao nhiêu băng trên hành tinh của chúng ta không? Theo nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học, có khoảng 30 triệu km2 nước đóng băng trên hành tinh Trái đất. Như bạn có thể đoán, phần lớn khoáng chất tự nhiên này được tìm thấy trên các chỏm băng ở vùng cực. Ở một số nơi độ dày của lớp băng đạt tới 4 km.

Làm thế nào để có được băng

Làm đá không hề khó chút nào. Quá trình này không khó và không yêu cầu bất kỳ kỹ năng đặc biệt nào. Điều này đòi hỏi nhiệt độ nước thấp. Đây là điều kiện không đổi duy nhất cho quá trình hình thành băng. Nước sẽ đóng băng khi nhiệt kế của bạn hiển thị nhiệt độ dưới 0 độ C. Quá trình kết tinh bắt đầu trong nước do nhiệt độ thấp. Các phân tử của nó được xây dựng thành một cấu trúc có trật tự thú vị. Quá trình này được gọi là sự hình thành mạng tinh thể. Ở đại dương, trong vũng nước và thậm chí trong tủ đông cũng vậy.

Nghiên cứu quá trình đông lạnh

Tiến hành nghiên cứu về chủ đề đóng băng nước, các nhà khoa học đã đi đến kết luận rằng mạng tinh thể được xây dựng ở các lớp nước phía trên. Những que băng cực nhỏ bắt đầu hình thành trên bề mặt. Một lúc sau họ cùng nhau đóng băng. Nhờ đó, một lớp màng mỏng được hình thành trên mặt nước. Các khối nước lớn mất nhiều thời gian để đóng băng hơn so với nước tĩnh. Điều này là do gió làm gợn sóng và làm gợn sóng mặt hồ, ao hoặc sông.

Bánh xèo đá

Các nhà khoa học đã thực hiện một quan sát khác. Nếu sự phấn khích tiếp tục ở nhiệt độ thấp thì những màng mỏng nhất sẽ được thu lại thành những chiếc bánh kếp có đường kính khoảng 30 cm, sau đó chúng đông cứng lại thành một lớp, độ dày ít nhất là 10 cm, một lớp băng mới đóng băng ở trên và dưới của những chiếc bánh băng. Điều này tạo ra một lớp băng dày và bền. Sức mạnh của nó phụ thuộc vào loại: băng trong suốt nhất sẽ mạnh hơn băng trắng gấp nhiều lần. Các nhà môi trường đã nhận thấy rằng băng dày 5 cm có thể chịu được trọng lượng của một người trưởng thành. Lớp 10 cm có thể chịu được một chiếc ô tô chở khách, nhưng nên nhớ rằng việc đi ra ngoài băng vào mùa thu và mùa xuân là rất nguy hiểm.

Tính chất của tuyết và băng

Các nhà vật lý và hóa học từ lâu đã nghiên cứu các tính chất của băng và nước. Đặc tính nổi tiếng và cũng quan trọng nhất của băng đối với con người là khả năng dễ dàng tan chảy ngay cả ở nhiệt độ bằng 0. Nhưng các tính chất vật lý khác của băng cũng rất quan trọng đối với khoa học:

băng trong suốt nên truyền ánh sáng mặt trời tốt;
không màu - băng không có màu, nhưng nó có thể dễ dàng tạo màu bằng cách sử dụng các chất phụ gia tạo màu;
độ cứng - khối băng giữ được hình dạng hoàn hảo mà không cần bất kỳ lớp vỏ bên ngoài nào;
tính lưu động là một tính chất đặc biệt của băng, chỉ có ở khoáng vật trong một số trường hợp;
tính dễ vỡ - một mảnh băng có thể dễ dàng bị tách ra mà không cần nỗ lực nhiều;
sự phân tách - băng dễ dàng vỡ ở những nơi nó hợp nhất dọc theo đường tinh thể.

Băng: đặc tính dịch chuyển và độ tinh khiết

Nước đá có độ tinh khiết cao trong thành phần của nó, vì mạng tinh thể không để lại không gian trống cho các phân tử lạ khác nhau. Khi nước đóng băng, nó sẽ loại bỏ các tạp chất khác nhau đã từng hòa tan trong đó. Theo cách tương tự, bạn có thể lấy nước tinh khiết tại nhà.

Nhưng một số chất có thể làm chậm quá trình đóng băng của nước. Ví dụ, muối trong nước biển. Băng trên biển chỉ hình thành ở nhiệt độ rất thấp. Điều đáng ngạc nhiên là quá trình đóng băng nước hàng năm có khả năng duy trì khả năng tự làm sạch các tạp chất khác nhau trong nhiều triệu năm liên tiếp.

Bí mật của đá khô

Điều đặc biệt của loại băng này là nó có chứa carbon trong thành phần. Băng như vậy chỉ hình thành ở nhiệt độ -78 độ, nhưng nó đã tan ở -50 độ. Đá khô, đặc tính của nó cho phép bạn bỏ qua giai đoạn chất lỏng, ngay lập tức tạo ra hơi nước khi đun nóng. Đá khô, giống như đá nước, không có mùi.

Bạn có biết đá khô được sử dụng ở đâu không? Do đặc tính của nó, khoáng chất này được sử dụng khi vận chuyển thực phẩm và thuốc trên một quãng đường dài. Và những hạt băng này có thể dập tắt lửa xăng. Ngoài ra, khi băng khô tan chảy, nó tạo thành một lớp sương mù dày đặc, đó là lý do tại sao nó được sử dụng trên phim trường để tạo ra các hiệu ứng đặc biệt. Ngoài tất cả những điều trên, bạn có thể mang theo đá khô khi đi bộ đường dài và trong rừng. Rốt cuộc, khi nó tan chảy, nó xua đuổi muỗi, các loài gây hại và động vật gặm nhấm khác nhau.

Về đặc tính của tuyết, chúng ta có thể quan sát vẻ đẹp tuyệt vời này vào mỗi mùa đông. Xét cho cùng, mỗi bông tuyết đều có hình lục giác - điều này không thay đổi. Nhưng bên cạnh hình lục giác, những bông tuyết có thể trông khác. Sự hình thành của mỗi chúng bị ảnh hưởng bởi độ ẩm không khí, áp suất khí quyển và các yếu tố tự nhiên khác.

Các tính chất của nước, tuyết và băng thật tuyệt vời. Điều quan trọng là phải biết thêm một vài tính chất của nước. Ví dụ, nó có thể tạo ra hình dạng của chiếc bình mà nó được đổ vào. Khi nước đóng băng, nó nở ra và có trí nhớ. Nó có khả năng ghi nhớ năng lượng xung quanh và khi đóng băng, nó sẽ “đặt lại” thông tin mà nó đã hấp thụ.

Chúng tôi đã xem xét khoáng chất tự nhiên - băng: tính chất và phẩm chất của nó. Hãy tiếp tục nghiên cứu khoa học, nó rất quan trọng và hữu ích!