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 Іh, у верхніх шарах
атмосфери існує лід Іс, 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.