Суюк суунун үч өлчөмдүү абалын изилдөө кыйын, бирок муз кристаллдарынын түзүлүшүн талдоо аркылуу көп нерсе үйрөнүлгөн. Төрт кошуна суутек менен өз ара аракеттенүүчү кычкылтек атому тетраэдрдин чокуларын ээлейт (тетра=төрт, хедрон=тегиздик). Муздагы мындай байланышты бузуу үчүн талап кылынган орточо энергия 23 кДж/моль-1 деп эсептелет.
Суу молекулаларынын берилген сандагы суутек чынжырларын түзүү жөндөмдүүлүгү, ошондой эле берилген күч адаттан тыш жогорку эрүү температурасын жаратат. Ал эригенде түзүлүшү туура эмес болгон суюк суу кармап турат. Суутек байланыштарынын көбү бузулган. Суутек менен байланышкан муздун кристаллдык торчосун бузуу үчүн жылуулук түрүндөгү чоң энергия керектелет.
Муздун пайда болуу өзгөчөлүктөрү (Ih)
Тургундардын көбү муздун кандай кристалл торлору бар экенине кызыгышат. КеректүүБелгилей кетчү нерсе, көпчүлүк заттардын тыгыздыгы тоңдурууда, молекулярдык кыймылдар басаңдап, жыш жайгашкан кристаллдар пайда болгондо жогорулайт. Суунун тыгыздыгы 4°С (277К) максимумга чейин муздаган сайын жогорулайт. Андан кийин, температура бул мааниден төмөн түшкөндө, ал кеңейет.
Бул көбөйүү ачык, суутек-байланыштуу муз кристаллынын түзүлүшү менен шартталган, мында ар бир суунун молекуласы жогорудагы элемент жана башка төрт баалуулуктар менен катуу байланышкан, ошол эле учурда жетиштүү ылдамдыкта кыймылдап турат. көбүрөөк массасы бар. Бул иш-аракет болгондуктан, суюктук жогорудан ылдыйга чейин тоңуп калат. Мунун маанилүү биологиялык натыйжалары бар, мунун натыйжасында көлмөдөгү муз катмары тирүү жандыктарды катуу сууктан алыстатат. Кошумчалай кетсек, суунун эки кошумча касиети анын суутек мүнөздөмөсүнө байланыштуу: салыштырма жылуулук жана буулануу.
Түзүмдөрдүн толук сүрөттөлүшү
Биринчи критерий заттын 1 граммынын температурасын 1°Сге көтөрүү үчүн зарыл болгон сумма. Суунун даражасын көтөрүү салыштырмалуу чоң көлөмдөгү жылуулукту талап кылат, анткени ар бир молекула кинетикалык энергиянын жогорулашы үчүн үзүлүшү керек болгон көптөгөн суутек байланыштарына катышат. Айтмакчы, бардык чоң көп клеткалуу организмдердин клеткаларында жана кыртыштарында H2O көп болушу клеткалардын ичиндеги температуранын өзгөрүшүн азайтат дегенди билдирет. Бул өзгөчөлүк абдан маанилүү, анткени көпчүлүк биохимиялык реакциялардын ылдамдыгысезимтал.
Суунун буулануу жылуулугу да башка көптөгөн суюктуктарга караганда бир кыйла жогору. Бул денени газга айландыруу үчүн чоң көлөмдөгү жылуулук талап кылынат, анткени суу молекулалары бири-биринен чыгып, айтылган фазага кириши үчүн суутек байланыштары үзүлүшү керек. Өзгөрүүчү денелер туруктуу диполдор жана башка ушул сыяктуу кошулмалар жана иондоштуруучу жана эрүүчү заттар менен өз ара аракеттениши мүмкүн.
Жогоруда айтылган башка заттар полярдуулук болгондо гана байланышта болот. Дал ушул кошулма бул элементтердин түзүлүшүнө катышат. Мындан тышкары, ал электролиттерден пайда болгон бул бөлүкчөлөрдүн тегерегине тегиздеп, суу молекулаларынын терс кычкылтек атомдору катиондорго, ал эми оң иондор менен суутек атомдору аниондорго багытталган.
Катуу заттарда, эреже катары, молекулярдык кристаллдык торлор жана атомдук торлор пайда болот. Башкача айтканда, йод I2, камтый тургандай курулса, катуу көмүр кычкыл газында, башкача айтканда кургак музда CO2 молекулалары болот. кристаллдык тор түйүндөрүндө жайгашкан. Окшош заттар менен аракеттенгенде муз иондук кристалл торчосуна ээ болот. Мисалы, көмүртектин негизинде атомдук түзүлүшкө ээ болгон графит алмаз сыяктуу аны өзгөртө албайт.
Аш тузунун кристалы сууда эригенде эмне болот: полярдык молекулалар кристаллдагы заряддуу элементтерге тартылат, бул анын бетинде натрийдин жана хлориддин окшош бөлүкчөлөрүнүн пайда болушуна алып келет, натыйжада бул денелер пайда болотбири-биринен ажырап, ал эрий баштайт. Бул жерден муздун иондук байланышы бар кристалл торчосу бар экенин байкоого болот. Ар бир эриген Na+ бир нече суунун молекуласынын терс учтарын тартат, ал эми ар бир эриген Cl – оң учтарын тартат. Ар бир ионду курчап турган кабык качуу шары деп аталат жана адатта эриткич бөлүкчөлөрүнүн бир нече катмарын камтыйт.
Кургак муз кристалл торчо
Өзгөрмөлөр же элементтер менен курчалган ион сульфаттуу деп аталат. Эриткич суу болгондо, мындай бөлүкчөлөр гидратталат. Ошентип, ар кандай полярдык молекула суюк дененин элементтери менен чечүүгө умтулат. Кургак музда кристалл торчосунун түрү агрегаттык абалда атомдук байланыштарды түзөт, алар өзгөрүлбөйт. Дагы бир нерсе - кристаллдык муз (тоңгон суу). Карбоксилаза жана протондалган аминдер сыяктуу иондук органикалык бирикмелер гидроксил жана карбонил топторунда эрүүчү болушу керек. Мындай түзүлүштөрдөгү бөлүкчөлөр молекулалар арасында кыймылдашат жана полярдык системалары бул дене менен суутек байланыштарын түзүшөт.
Албетте, молекуладагы акыркы көрсөтүлгөн топтордун саны анын эригичтигине таасирин тийгизет, бул элементтеги түрдүү структуралардын реакциясына да көз каранды: мисалы, бир, эки жана үч көмүртектүү спирттер аралашып кетүүчү. суу менен, бирок бир гидроксил кошулмалары бар чоңураак углеводороддор суюктуктарда азыраак суюлтулган.
Алты бурчтуу Ih формасы жагынан окшошатомдук кристаллдык тор. Муз жана жер бетиндеги бардык табигый кар үчүн бул так ушундай көрүнөт. Муну суу буусунан (б.а. кар бүртүкчөлөрүндө) өскөн муздун кристаллдык торчосунун симметриясы далилдейт. Ал 194-тен Р 63/мм космостук группада; D 6h, Laue классы 6/мм; 6 спираль огуна эселенген β-га окшош (аны бойлото жылышуудан тышкары тегерете айлануу). Жөнөкөй кубдук (~1/2) же бети борборлоштурулган кубдук (~3/4) структураларга салыштырмалуу анын натыйжалуулугу төмөн (~1/3) бир кыйла ачык, тыгыздыгы төмөн структурага ээ.
Кадимки музга салыштырмалуу CO2 молекулалары менен байланышкан кургак муздун кристаллдык торчосу статикалык жана атомдор ажыроодо гана өзгөрөт.
Торголордун жана алардын элементтеринин сүрөттөмөсү
Кристаллдарды бири-биринин үстүнө жайгаштырылган барактардан турган кристаллдык моделдер катары кароого болот. Суутек байланышы иреттелген, бирок чындыгында бул кокустук, анткени протондор болжол менен 5 Кден жогору температурада суу (муз) молекулаларынын ортосунда кыймылдай алат. Чынында эле, протондор тынымсыз туннелдик агымда кванттык суюктук сыяктуу кыймылдайт. Бул кычкылтек атомдорунун ортосунда алардын чачыранды тыгыздыгын көрсөтүп, локализацияны жана макулдашылган кыймылды көрсөтүп, нейтрондордун чачыранды менен күчөтүлгөн. Бул жерде муздун атомдук, молекулярдык кристалл торчосуна окшоштугу бар.
Молекулалар суутек чынжырынын тепкичтүү тизилишине ээучактагы үч коңшусуна карата. Төртүнчү элементтин тутулулган суутек байланыш түзүлүшү бар. Кемчиликсиз алты бурчтуу симметриядан бир аз четтөө бар, анткени бирдик клетка бул чынжырдын багытында 0,3% кыскараак. Бардык молекулалар бирдей молекулярдык чөйрөнү башынан өткөрүшөт. Ар бир "коробканын" ичинде интерстициалдык суунун бөлүкчөлөрүн кармоо үчүн жетиштүү орун бар. Жалпысынан каралбаса да, алар жакында муздун порошок кристалл торунун нейтрондук дифракциясы аркылуу натыйжалуу аныкталды.
Заттарды өзгөртүү
Алты бурчтуу дененин суюк жана газ сымал суусу 0,01°С, 612 Па, катуу элементтери - үч -21,985°С, 209,9 МПа, он бир жана эки -199,8°С, 70 МПа менен үч эселенген чекиттери бар, ошондой эле - 34,7°С, 212,9 МПа. Алты бурчтуу муздун диэлектрдик туруктуулугу 97,5.
Бул элементтин эрүү ийри сызыгы МПа менен берилген. Күйдүн теңдемелери бар, аларга кошумча, алты бурчтуу муздун жана анын суулуу суспензияларынын температурасына физикалык касиеттердин өзгөрүшүнө тиешелүү кээ бир жөнөкөй теңсиздиктер бар. Катуулугу гипстен (≦2) 0°Cде же андан төмөн даражада -80°Cде талаа шпасына (6 Мох) чейин өзгөрүп турат, абсолюттук катуулуктун анормалдуу чоң өзгөрүүсү (> 24 эсе).
Муздун алты бурчтуу кристалл торлору алты бурчтуу плиталарды жана мамычаларды түзөт, мында үстүнкү жана астыңкы беттери 5,57 мкДж см энтальпия менен базалдык тегиздик {0 0 0 1} -2жана башка эквиваленттүү каптал бөлүктөрү 5, 94 менен {1 0 -1 0} призманын бөлүктөрү деп аталат.µJ cm -2. 6,90 ΜJ ˣ см -2 менен экинчилик беттер {1 1 -2 0} конструкциялардын капталдары пайда болгон тегиздикте түзүлүшү мүмкүн.
Мындай структура басымдын жогорулашы менен жылуулук өткөрүмдүүлүктүн аномалдуу төмөндөшүн көрсөтөт (ошондой эле тыгыздыгы төмөн куб жана аморфтук муздар), бирок көпчүлүк кристаллдардан айырмаланат. Бул муз менен суунун кристаллдык торчосунда үндүн туурасынан чыккан ылдамдыгын азайткан суутек байланышынын өзгөрүшүнө байланыштуу.
Чоң кристалл үлгүлөрүн жана каалаган муздун бетин кантип даярдоону сүрөттөгөн ыкмалар бар. Изилденип жаткан алты бурчтуу дененин бетиндеги суутек байланышы көлөмдүү системанын ичиндегиге караганда тартиптүү болот деп болжолдонууда. Фаза-тор жыштыгын генерациялоо менен вариациялык спектроскопия алты бурчтуу муздун базалдык бетинин жер астындагы HO чынжырында эки жогорку катмардын (L1 жана L2) ортосунда структуралык асимметрия бар экенин көрсөттү. Алты бурчтуктардын үстүнкү катмарларында кабыл алынган суутек байланыштары (L1 O ··· HO L2) экинчи катмарда жогорку топтолууга (L1 OH ··· O L2) караганда күчтүүрөөк. Интерактивдүү алты бурчтуу муз структуралары жеткиликтүү.
Өнүктүрүү функциялары
Музду пайда кылуу үчүн зарыл болгон суу молекулаларынын минималдуу саны болжол менен 275 ± 25, толук икосаэдрдик кластердик 280 сыяктуу. Түзүлүшү 10 ылдамдыкта болот 10 аба-суу интерфейси жана сууда эмес. Муз кристаллдарынын өсүшү ар кандай өсүү темптеринен көз карандыэнергиялар. Биологиялык үлгүлөрдү, тамак-ашты жана органдарды криоконсервациялоодо суу тоңуп калуудан корголушу керек.
Бул адатта кичинекей үлгүлөрдү жана криоконсерваторду колдонуу менен тез муздатуу ылдамдыгы жана музду ядролук кылып, клетканын бузулушун алдын алуу үчүн басымды жогорулатуу аркылуу жетишилет. Муз/суюктуктун бош энергиясы атмосфералык басымда ~30 мДж/м2ден 200 МПада 40 мДж/м-2 чейин көбөйөт. бул эффекттин пайда болушунун себеби.
Музга кандай кристалл торчо мүнөздүү
Же болбосо, алар призма беттеринен (S2), тез тоңгон же толкунданган көлдөрдүн туш келди бузулган бетинде тезирээк өсө алышат. {1 1 -2 0} беттерден өсүү, жок эле дегенде, бирдей, бирок аларды призма негиздерине айлантат. муз кристалын иштеп чыгуу боюнча маалыматтар толук изилденген. Ар кандай жүздөрдүн элементтеринин салыштырмалуу өсүү темптери муундардын гидратациясынын чоң даражасын түзүү жөндөмдүүлүгүнө жараша болот. Айланадагы суунун температурасы (төмөнкү) муз кристаллынын бутактануу даражасын аныктайт. Бөлүкчөлөрдүн өсүшү өтө муздатуунун төмөнкү даражасында диффузия ылдамдыгы менен чектелет, б.а. <2°C, натыйжада алардын көбөйүшүнө алып келет.
Бирок >4°C депрессиянын жогорку деңгээлдеринде өнүгүү кинетикасы менен чектелген, натыйжада ийне өсөт. Бул форма кургак муздун түзүлүшүнө окшош (алты бурчтуу түзүлүштөгү кристалл торчосу бар), түрдүүбетинин өнүгүү өзгөчөлүктөрү жана кар бүртүкчөлөрүнүн жалпак формаларынын артында турган курчап турган (өтө муздаган) суунун температурасы.
Атмосферада муздун пайда болушу булуттардын пайда болушуна жана касиеттерине терең таасирин тийгизет. Жылына миллиондогон тонна атмосферага кирген чөл чаңында табылган талаа шпаттары маанилүү түзүүчү болуп саналат. Компьютердик симуляциялар мунун жогорку энергиялуу беттик тегиздиктеги призмалык муз кристаллдык тегиздиктеринин ядролук түзүлүшү менен шартталганын көрсөттү.
Башка элементтер жана торлор
Эриген заттар (өтө майда гелий менен суутектин араларына кире алгандан башкасы) атмосфералык басымда Ih структурасына кире албайт, бирок бөлүкчөлөрүнүн ортосундагы бетке же аморфтук катмарга сүрүлүп чыгарылат. микрокристаллдык дене. Кургак муздун торчолорунда дагы башка элементтер бар: хаотроптук иондор, мисалы NH4 + жана Cl -, алар Na + жана SO42-сыяктуу башка космотроптуктарга караганда жеңилирээк суюктукка кошулган, ошондуктан аларды алып салуу мүмкүн эмес, анткени алар кристаллдардын ортосунда калган суюктуктун жука пленкасын түзөт. Бул калган заряддарды тең салмактаган жер үстүндөгү суунун диссоциацияланышына (бул магниттик нурланууга да алып келиши мүмкүн) жана суюктук калдыктарынын рНсынын өзгөрүшүнө, мисалы, NH 4 бетинин электрдик заряддалышына алып келиши мүмкүн.2SO4 кислота жана NaCl негизи болуп калат.
Алар беттерге перпендикуляркийинки катмарды көрсөткөн муздун кристаллдык торчосу (кара түстөгү O атомдору менен). Алар жай өскөн базалдык бети {0 0 0 1} менен мүнөздөлөт, мында обочолонгон суу молекулалары гана кошулат. Призманын тез өсүп жаткан {1 0 -1 0} бети, мында жаңы туташтырылган бөлүкчөлөрдүн жуптары суутек менен бири-бири менен байланыша алат (бир суутек байланышы/элементтин эки молекуласы). Эң ылдам өскөн бет {1 1 -2 0} (экинчи призмалык), мында жаңы кошулган бөлүкчөлөрдүн чынжырлары бири-бири менен суутек байланышы аркылуу өз ара аракеттениши мүмкүн. Анын чынжырларынын/элементтердин молекулаларынын бири - бул призманын эки тарабына бөлүнүүнү үндөгөн жана бөлүүчү кырларды түзгөн форма.
Нөл чекиттүү энтропия
С катары аныкталат 0=k B ˣ Ln (N E0), мында k B – Больцман константасы, NE – энергиянын Едеги конфигурациялардын саны, ал эми E0 – эң төмөнкү энергия. Келвин нөлүндө алты бурчтуу муздун энтропиясынын бул мааниси термодинамиканын үчүнчү мыйзамын бузбайт "Идеалдуу кристаллдын абсолюттук нөлдөгү энтропиясы так нөлгө барабар", анткени бул элементтер жана бөлүкчөлөр идеалдуу эмес, тартипсиз суутек байланышына ээ.
Бул денеде суутек байланышы туш келди жана тез өзгөрүп турат. Бул структуралар энергия жагынан так бирдей эмес, бирок өтө көп сандагы энергетикалык жакын абалга чейин тарайт, "муз эрежелерине" баш ийишет. Нөл чекитинин энтропиясы - бул материалды абсолюттук абалга чейин муздатуу мүмкүн болсо да сакталып кала турган бузулуунөл (0 K=-273, 15 ° C). Алты бурчтуу муз 3, 41 (± 0, 2) ˣ моль -1 ˣ K -1 үчүн эксперименталдык башаламандыкты жаратат. Теориялык жактан алганда, белгилүү муз кристаллдарынын нөлдүк энтропиясын эксперименталдык жол менен аныктоого караганда алда канча тактык менен (кемчиликтерди жана энергия деңгээлинин таралышын эске албай) эсептөө мүмкүн болмок.
Окумуштуулар жана алардын бул багыттагы иштери
С катары аныкталат 0=k B ˣ Ln (N E0), мында k B – Больцман константасы, NE – энергиянын Едеги конфигурациялардын саны, ал эми E0 – эң төмөнкү энергия. Келвин нөлүндө алты бурчтуу муздун энтропиясынын бул мааниси термодинамиканын үчүнчү мыйзамын бузбайт "Идеалдуу кристаллдын абсолюттук нөлдөгү энтропиясы так нөлгө барабар", анткени бул элементтер жана бөлүкчөлөр идеалдуу эмес, тартипсиз суутек байланышына ээ.
Бул денеде суутек байланышы туш келди жана тез өзгөрүп турат. Бул структуралар энергия жагынан так бирдей эмес, бирок өтө көп сандагы энергетикалык жакын абалга чейин тарайт, "муз эрежелерине" баш ийишет. Нөл чекитинин энтропиясы - бул материалды абсолюттук нөлгө чейин муздатуу (0 К=-273,15°С) болгондо да сакталып кала турган бузулуу. Алты бурчтуу муз 3, 41 (± 0, 2) ˣ моль -1 ˣ K -1 үчүн эксперименталдык башаламандыкты жаратат. Теориялык жактан алганда, белгилүү муз кристаллдарынын нөлдүк энтропиясын эксперименталдык жол менен аныктоого караганда алда канча тактык менен (кемчиликтерди жана энергия деңгээлинин таралышын эске албай) эсептөө мүмкүн болмок.
Массалык муздагы протондордун тартиби тартипке келтирилбегени менен, бет, кыязы, бул бөлүкчөлөрдүн тартибин илинген Н-атомдорунун тилкелери жана O-жалгыз жуптары (заказдалган суутек байланыштары менен нөл энтропия) түрүндөгү жактырат. Нөл чекитинин бузулушу ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 жана башкалар табылган. Жогоруда айтылгандардын бардыгынан кристалл торлордун кандай түрлөрү музга мүнөздүү экени түшүнүктүү жана түшүнүктүү.
