Така звичайна незвичайна вода.

Який найменший кристалик льоду?

Гексагональний лід

Практично будь-яка речовина при певних умовах може перебувати у трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному. Властивості багатьох речовин у цих фазах настільки різняться, що вони отримують навіть різні назви. Як приклад наведу воду: лід, вода та пара.

Цієї життєво важливої речовини на Землі достатньо багато, тому її унікальні властивості дослідники намагаються збагнути найкраще.

Тепер вчені встановили ще одну її таємницю: в недавно опублікованому повідомленні спеціалісти визначили, скільки необхідно молекул води для того, щоб отримати кристалик льоду.

Зауважу, що речовина вода володіє справді унікальними властивостями. Це речовина з однією із найбільших питомих теплоємностей серед рідин та твердих тіл, густина її кристалічної фази – тобто  льоду – менша за густину води в рідкій фазі. Вода володіє здатністю до адгезії («прилипанню»), вона володіє високим коефіцієнтом поверхневого натягу. Всі ці властивості зумовили існування життя в такому вигляді як ми маємо можливість бачити.

Унікальна вода.

Унікальність води обумовлена водневими зв’язками, саме їх кількості. З їх допомогою одна молекула Н₂О може «зв’язатися» з чотирма іншими молекулами. Такий зв'язок є менш міцним в порівнянні з ковалентним, але у воді їх кількість є чималою, і разом вони дещо обмежують свободу молекул Н₂О, не даючи їм легко відриватись від групи молекул, наприклад, при нагріванні. Кожен водневий зв'язок існує долю секунди, вони постійно руйнуються і виникають заново.

Водневі зв’язки відповідають за незвичну поведінку води при кристалізації - лід тверда фаза води) не тоне в рідкій фазі. Якби на Землі основною рідиною була би не вода, а деяка інша рідина, то при замерзанні тверда фаза тонула би у рідкій, оскільки густина практично всіх речовин при переході із рідкої фази у тверду збільшується.

Вода цій властивості не підкоряється. До температури 4˚С густина Н₂О зростає, але при переході цієї межі стрибкоподібно падає на 8%. Об’єм льоду, відповідно, збільшується. З цією особливістю добре знайомі сантехніки, замінюючи розірвані морозом труби. Причина аномальної зміни густини полягає також у водневих зв’язках. 

Кристалічна гратка льоду нагадує бджолині соти, в шести кутах яких розміщуються молекули води. Вони з’єднані між собою водневими зв’язками, а їх довжина перевершує довжину ковалентного зв’язку. Це розташування зумовлює зростання вільного прстору у фазі льоду.

Вода та гексагональний (звичний) лід.

Слід зауважити, що кристалічний лід, як бджолині соти, поширений лише на Землі. У безмежному міжзоряному просторі домінуючою є інша форма льоду, яку в земних умовах можливо лише отримати в лабораторіях. Це – аморфний лід без чітко вираженої структури. Отримати його можна у випадку, якщо швидко (за час 10^-3 сек) дуже охолодити воду (до -155˚С). в таких екстремальних умовах молекули Н₂О не встигають згрупуватися у впорядковану структуру, і вода перетворюється у в’язку рідину, густина якої більша густини льоду.

Аморфним та звичним кристалічним льодом різновидності твердої фази Н₂О не обмежуються. Всього на сьогодні відомо понад 15 його різновидів. Найпоширеніший на Землі лід І_h, у верхніх шарах атмосфери існує лід І_с, кристалічна гратка якого нагадує гратку алмазу. Інші види можуть бути тригональними, моноклінними, кубічними, ромбічними та псевдоромбічними.

Група вчених під керівництвом професора Udo Buckа з інституту динаміки та самоорганізації в Гетінгені провела епохальні дослідження та встановила мінімальне число молекул, які можуть утворити кристалик льоду. Воно дорівнює 275±25 молекул.

Вчені отримували аморфний лід, пропускаючи водяну пару, змішану з гелієм, через маленький отвір у вакуумну камеру. Внаслідок проходження молекули Н₂О, втрачаючи значну частину своєї кінетичної енергії, попадали у вакуумну камеру, легко формуючи при цьому кластери.

Водяна пара (1) та вода-рідина (2).

Доцільно прочитати:

• 1. Основи молекулярної фізики.
• 2. Молекулярно-кінетична теорія.
• 3. Нагріти, щоб швидше охолодити.
• 4. Температура - повторюємо поняття.
• 5. Начала термодинаміки.