Suyuq suvning uch oʻlchovli holatini oʻrganish qiyin, ammo muz kristallarining tuzilishini tahlil qilish orqali koʻp narsa oʻrganildi. To'rtta qo'shni vodorod bilan o'zaro ta'sir qiluvchi kislorod atomlari tetraedrning uchlarini egallaydi (tetra=to'rtta, hedron=tekislik). Muzdagi bunday bog'lanishni uzish uchun zarur bo'lgan o'rtacha energiya 23 kJ/mol-1 deb baholanadi.
Suv molekulalarining ma'lum miqdordagi vodorod zanjirlarini hosil qilish qobiliyati, shuningdek, ma'lum kuch, g'ayrioddiy yuqori erish nuqtasini yaratadi. Eriganda, uni tuzilishi tartibsiz bo'lgan suyuq suv ushlab turadi. Vodorod aloqalarining aksariyati buziladi. Vodorod bilan bog'langan muzning kristall panjarasini sindirish uchun issiqlik shaklida katta miqdorda energiya talab qilinadi.
Muzning paydo bo'lish xususiyatlari (Ih)
Aholining koʻpchiligi muzning kristall panjarasi qanday ekanligi bilan qiziqmoqda. KerakliShuni ta'kidlash kerakki, ko'pchilik moddalarning zichligi muzlash paytida, molekulyar harakatlar sekinlashganda va zich o'ralgan kristallar hosil bo'lganda ortadi. Suvning zichligi 4°C (277K) da maksimal sovishi bilan ham ortadi. Keyin harorat bu qiymatdan pastga tushsa, u kengayadi.
Bu oʻsish panjarasi va zichligi pastroq boʻlgan ochiq, vodorod bogʻlangan muz kristalining hosil boʻlishi bilan bogʻliq boʻlib, unda har bir suv molekulasi yuqoridagi element va boshqa toʻrtta qiymat bilan qattiq bogʻlangan va shu bilan birga yetarlicha tez harakatlanadi. ko'proq massaga ega bo'ling. Ushbu harakat sodir bo'lganligi sababli, suyuqlik yuqoridan pastgacha muzlaydi. Bu muhim biologik natijalarga ega, buning natijasida hovuzdagi muz qatlami tirik mavjudotlarni qattiq sovuqdan uzoqlashtiradi. Bundan tashqari, suvning ikkita qo'shimcha xususiyati uning vodorod xususiyatlariga bog'liq: o'ziga xos issiqlik va bug'lanish.
Tuzilishlarning batafsil tavsifi
Birinchi mezon - 1 gramm moddaning haroratini 1°C ga oshirish uchun zarur boʻlgan miqdor. Suv darajasini ko'tarish nisbatan katta miqdorda issiqlikni talab qiladi, chunki har bir molekula kinetik energiya oshishi uchun uzilishi kerak bo'lgan ko'plab vodorod aloqalarida ishtirok etadi. Darvoqe, H2O ning barcha yirik ko’p hujayrali organizmlarning hujayra va to’qimalarida ko’pligi hujayra ichidagi harorat o’zgarishlarining minimallashtirilganligini bildiradi. Bu xususiyat hal qiluvchi ahamiyatga ega, chunki ko'pchilik biokimyoviy reaktsiyalarning tezligisezgir.
Suvning bug'lanish issiqligi ham boshqa suyuqliklarga qaraganda ancha yuqori. Bu jismni gazga aylantirish uchun katta miqdorda issiqlik talab qilinadi, chunki suv molekulalari bir-biridan ajralib, aytilgan fazaga kirishi uchun vodorod aloqalari uzilishi kerak. O'zgaruvchan jismlar doimiy dipollar bo'lib, boshqa shunga o'xshash birikmalar va ionlashtiruvchi va eriydiganlar bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin.
Yuqorida tilga olingan boshqa moddalar faqat qutblilik mavjud boʻlgandagina aloqa qilishi mumkin. Bu elementlarning tuzilishida aynan shu birikma ishtirok etadi. Bundan tashqari, u elektrolitlardan hosil bo'lgan ushbu zarralar atrofida tekislanishi mumkin, shuning uchun suv molekulalarining manfiy kislorod atomlari kationlarga, musbat ionlar va vodorod atomlari esa anionlarga yo'n altiriladi.
Qattiq jismlarda, qoida tariqasida, molekulyar kristall panjaralar va atomiklar hosil bo'ladi. Ya'ni, agar yod I2, bo'ladigan tarzda qurilgan bo'lsa, qattiq karbonat angidridda, ya'ni quruq muzda CO2 molekulalari bo'ladi. kristall panjara tugunlarida joylashgan . Shu kabi moddalar bilan o'zaro ta'sirlashganda, muz ionli kristall panjaraga ega. Masalan, uglerodga asoslangan atom tuzilishiga ega bo'lgan grafit, xuddi olmos kabi uni o'zgartira olmaydi.
Oshxona tuzining kristalli suvda eriganda nima sodir bo'ladi: qutbli molekulalar kristalldagi zaryadlangan elementlarga tortiladi, bu uning yuzasida natriy va xloridning o'xshash zarralari hosil bo'lishiga olib keladi, natijada bu jismlar paydo bo'ladi.bir-biridan ajralib chiqadi va u eriy boshlaydi. Bu yerdan muzning ionli bog'lanishli kristall panjaraga ega ekanligini kuzatish mumkin. Har bir erigan Na + bir nechta suv molekulalarining salbiy uchlarini o'ziga tortadi, har bir erigan Cl esa ijobiy uchlarini o'ziga tortadi. Har bir ionni o'rab turgan qobiq qochish sferasi deb ataladi va odatda bir necha qatlamli erituvchi zarralarini o'z ichiga oladi.
Quruq muz kristalli panjara
Oʻzgaruvchilar yoki elementlar bilan oʻralgan ion sulfatlangan deyiladi. Erituvchi suv bo'lsa, bunday zarralar gidratlanadi. Shunday qilib, har qanday qutbli molekula suyuqlik tanasining elementlari tomonidan eriydi. Quruq muzda kristall panjara turi agregat holatida o'zgarmagan atom bog'larini hosil qiladi. Yana bir narsa - kristalli muz (muzlatilgan suv). Karboksilaza va protonlangan aminlar kabi ionli organik birikmalar gidroksil va karbonil guruhlarida yaxshi eriydi. Bunday tuzilmalar tarkibidagi zarralar molekulalar orasida harakatlanadi va ularning qutb tizimlari bu tana bilan vodorod aloqalarini hosil qiladi.
Albatta, molekuladagi oxirgi ko'rsatilgan guruhlarning soni uning eruvchanligiga ta'sir qiladi, bu elementdagi turli tuzilmalarning reaktsiyasiga ham bog'liq: masalan, bir, ikki va uch uglerodli spirtlar aralashtiriladi. suv bilan, lekin bitta gidroksil birikmali kattaroq uglevodorodlar suyuqliklarda kamroq suyultiriladi.
Olti burchakli Ih shakli oʻxshashatom kristall panjarasi. Muz va Yerdagi barcha tabiiy qorlar uchun bu xuddi shunday ko'rinadi. Buni suv bug'idan (ya'ni qor parchalari) o'stirilgan muzning kristall panjarasining simmetriyasi tasdiqlaydi. U 194 dan P 63/mm kosmik guruhida; D 6h, Laue klassi 6/mm; 6 spiral o'qning karrali bo'lgan b-ga o'xshash (uning bo'ylab siljishdan tashqari, atrofida aylanish). U juda ochiq past zichlikdagi tuzilishga ega boʻlib, unumdorligi oddiy kubik (~1/2) yoki yuz markazlashgan kubik (~3/4) tuzilmalarga nisbatan past (~1/3).
Oddiy muz bilan solishtirganda, CO2 molekulalari bilan bogʻlangan quruq muzning kristall panjarasi statikdir va faqat atomlar parchalanganda oʻzgaradi.
Parajlar va ularning elementlari tavsifi
Kristallarni kristalli modellar sifatida ko'rish mumkin, ular bir-birining ustiga joylashtirilgan varaqlardan iborat. Vodorod aloqasi tartiblangan, lekin aslida u tasodifiydir, chunki protonlar taxminan 5 K dan yuqori haroratlarda suv (muz) molekulalari orasida harakatlanishi mumkin. Darhaqiqat, protonlar doimiy tunnel oqimida kvant suyuqligi kabi harakat qilishlari mumkin. Bu neytronlarning tarqalishi bilan kuchayadi, ularning tarqalish zichligini kislorod atomlari orasidagi yarmida ko'rsatib, lokalizatsiya va kelishilgan harakatni ko'rsatadi. Bu erda muzning atomik, molekulyar kristall panjara bilan o'xshashligi bor.
Molekulalar vodorod zanjirining pogʻonali joylashishiga egasamolyotdagi uchta qo'shnisiga nisbatan. To'rtinchi element tutilgan vodorod bog'lanish tartibiga ega. Mukammal olti burchakli simmetriyadan bir oz og'ish bor, chunki birlik hujayra bu zanjir yo'nalishi bo'yicha 0,3% qisqaroq. Barcha molekulalar bir xil molekulyar muhitni boshdan kechiradi. Har bir "quti" ichida interstitsial suv zarralarini ushlab turish uchun etarli joy mavjud. Garchi umuman ko'rib chiqilmasa ham, ular yaqinda muzning chang kristall panjarasining neytron difraksiyasi orqali samarali tarzda aniqlangan.
Oʻzgaruvchan moddalar
Olti burchakli tanasi suyuq va gazsimon suv 0,01 ° C, 612 Pa, qattiq elementlar bilan uch nuqtaga ega - uchta -21,985 ° C, 209,9 MPa, o'n bir va ikkita -199,8 ° C, 70 MPa, shuningdek - 34,7 ° S, 212,9 MPa. Olti burchakli muzning dielektrik o'tkazuvchanligi 97,5 ga teng.
Bu elementning erish egri chizig'i MPa bilan berilgan. Holat tenglamalari mavjud bo'lib, ularga qo'shimcha ravishda fizik xususiyatlarning o'zgarishini olti burchakli muz va uning suvli suspenziyalari haroratiga bog'liq bo'lgan ba'zi oddiy tengsizliklar mavjud. Qattiqlik 0°C da gipsdan (≦2) past yoki -80°C da dala shpatigacha (6 Mohs) darajaga ko'tarilishi bilan o'zgarib turadi, mutlaq qattiqlikdagi g'ayritabiiy darajada katta o'zgarish (> 24 marta).
Muzning olti burchakli kristall panjarasi olti burchakli plastinkalar va ustunlarni hosil qiladi, bu erda yuqori va pastki yuzlari 5,57 mkJ sm entalpiyasiga ega {0 0 0 1} bazal tekisliklardir -2va boshqa ekvivalent yon qismlarga 5, 94 li {1 0 -1 0} prizma qismlari deyiladi.µJ sm -2. 6,90 LJ ˣ sm -2 boʻlgan ikkilamchi yuzalar {1 1 -2 0} konstruksiyalarning yon tomonlari hosil qilgan tekisliklar boʻylab tuzilishi mumkin.
Bunday struktura bosim ortishi bilan issiqlik o'tkazuvchanligining anomal pasayishini ko'rsatadi (shuningdek, past zichlikdagi kubik va amorf muz), lekin ko'pchilik kristallardan farq qiladi. Bu muz va suvning kristall panjarasidagi tovushning ko‘ndalang tezligini kamaytiradigan vodorod bog‘lanishining o‘zgarishi bilan bog‘liq.
Yirik kristall namunalarini va istalgan muz yuzasini qanday tayyorlashni tavsiflovchi usullar mavjud. O'rganilayotgan olti burchakli jismning yuzasida vodorod aloqasi bulk tizim ichidagidan ko'ra ko'proq tartibli bo'ladi deb taxmin qilinadi. Fazali panjara chastotasini hosil qiluvchi variatsion spektroskopiya olti burchakli muzning bazal yuzasining er osti H2O zanjirida ikkita yuqori qatlam (L1 va L2) o'rtasida strukturaviy assimetriya mavjudligini ko'rsatdi. Olti burchakli (L1 O ··· HO L2) ustki qatlamlarida qabul qilingan vodorod aloqalari ikkinchi qatlamda yuqori to'planishga (L1 OH ··· O L2) nisbatan kuchliroqdir. Interaktiv olti burchakli muz tuzilmalari mavjud.
Ishlab chiqish xususiyatlari
Muz hosil qilish uchun zarur boʻlgan suv molekulalarining minimal soni taxminan 275 ± 25 ni tashkil qiladi, xuddi 280 ta toʻliq ikosahedral klaster uchun. Shakllanish 10 10 tezlikda sodir boʻladi. havo-suv interfeysi va quyma suvda emas. Muz kristallarining o'sishi turli xil o'sish sur'atlariga bog'liqenergiyalar. Biologik namunalar, oziq-ovqat va organlarni kriosaqlashda suv muzlashdan himoyalangan bo'lishi kerak.
Bu, odatda, tez sovutish tezligi, kichik namunalar va kriyokonservatordan foydalanish va muzni yadrolash va hujayra shikastlanishining oldini olish uchun bosimni oshirish orqali erishiladi. Muz/suyuqlikning erkin energiyasi atmosfera bosimida ~30 mJ/m2 dan 200 MPa da 40 mJ/m-2 gacha ortadi. bu ta'sirning paydo bo'lishining sababi.
Muzga qanday turdagi kristall panjara xos
Shuningdek, ular tez muzlagan yoki qoʻzgʻatilgan koʻllarning tasodifiy buzilgan yuzasida prizma yuzalaridan (S2) tezroq oʻsishi mumkin. {1 1 -2 0} yuzlaridan o'sish kamida bir xil, lekin ularni prizma asoslariga aylantiradi. Muz kristalining rivojlanishi haqidagi ma'lumotlar to'liq o'rganildi. Turli xil yuzlar elementlarining nisbiy o'sish sur'atlari qo'shma hidratsiyani katta darajada shakllantirish qobiliyatiga bog'liq. Atrofdagi suvning harorati (pastligi) muz kristalida shoxlanish darajasini belgilaydi. Zarrachalarning o'sishi past darajadagi o'ta sovutishda diffuziya tezligi bilan cheklanadi, ya'ni <2 ° C, natijada ular ko'payadi.
Lekin >4°C depressiyaning yuqori darajalarida rivojlanish kinetikasi bilan cheklangan, natijada igna oʻsishi kuzatiladi. Bu shakl quruq muzning tuzilishiga o'xshaydi (olti burchakli tuzilishga ega kristall panjaraga ega), turli xilsirt rivojlanishining xususiyatlari va qor parchalarining tekis shakllari orqasida joylashgan atrofdagi (o'ta sovutilgan) suvning harorati.
Atmosferada muzning paydo boʻlishi bulutlarning paydo boʻlishi va xossalariga chuqur taʼsir qiladi. Yiliga millionlab tonna atmosferaga kiradigan cho'l changida topilgan dala shpatlari muhim hosil qiluvchi hisoblanadi. Kompyuter simulyatsiyalari shuni ko'rsatdiki, bu yuqori energiyali sirt tekisliklarida prizmatik muz kristalli tekisliklarning yadrolanishi bilan bog'liq.
Ba'zi boshqa elementlar va panjaralar
Erigan moddalar (juda kichik geliy va vodoroddan tashqari, ular oraliqlarga kirishi mumkin) atmosfera bosimida Ih tuzilishiga kiritilmaydi, lekin zarrachalar orasidagi sirt yoki amorf qatlamga majburan chiqariladi. mikrokristal tanasi. Quruq muzning panjara joylarida boshqa elementlar ham mavjud: NH4 + va Cl - kabi xaotrop ionlar Na + va SO42-kabi boshqa kosmotropiklarga qaraganda engilroq suyuq muzlatish tarkibiga kiradi, shuning uchun ularni olib tashlash mumkin emas, chunki ular kristallar orasidagi qolgan suyuqlikning nozik bir plyonkasini hosil qiladi. Bu qolgan zaryadlarni muvozanatlashtiradigan (bu magnit nurlanishga ham olib kelishi mumkin) er usti suvining dissotsiatsiyasi va qoldiq suyuqlik plyonkalarining pH qiymatining o'zgarishi, masalan, NH 4 tufayli sirtning elektr zaryadlanishiga olib kelishi mumkin.2SO4 kislotali, NaCl esa asosliroq bo'ladi.
Ular yuzlarga perpendikulyarkeyingi biriktirilgan qatlamni ko'rsatadigan muzning kristall panjarasi (qora rangda O atomlari bilan). Ular asta-sekin o'sib borayotgan bazal sirt bilan tavsiflanadi {0 0 0 1}, bu erda faqat izolyatsiyalangan suv molekulalari biriktiriladi. Prizmaning tez o'sib borayotgan {1 0 -1 0} yuzasi, bu erda yangi biriktirilgan zarrachalar juftlari bir-biri bilan vodorod bilan bog'lanishi mumkin (bir vodorod bog'i/elementning ikkita molekulasi). Eng tez o'sadigan yuz {1 1 -2 0} (ikkilamchi prizmatik), bu erda yangi biriktirilgan zarrachalar zanjirlari bir-biri bilan vodorod bog'lanishi bilan o'zaro ta'sir qilishi mumkin. Uning zanjiri/element molekulalaridan biri boʻlinadigan va prizmaning ikki tomoniga oʻtishni ragʻbatlantiradigan tizmalarni hosil qiluvchi shakldir.
Nol nuqtali entropiya
S 0=k B ˣ Ln (N E0) sifatida belgilanishi mumkin, bu yerda k B - Boltsman doimiysi, NE - energiya E da konfiguratsiyalar soni, E0 esa eng past energiya. Kelvinning nolga teng boʻlgan olti burchakli muz entropiyasi uchun bu qiymat termodinamikaning uchinchi qonunini buzmaydi “Ideal kristallning absolyut noldagi entropiyasi aynan nolga teng”, chunki bu elementlar va zarralar ideal emas, vodorod bogʻlanishining tartibsizligiga ega.
Bu tanada vodorod aloqasi tasodifiy va tez oʻzgarib turadi. Bu tuzilmalar energiya jihatidan mutlaqo teng emas, lekin juda ko'p sonli energetik yaqin davlatlarga tarqaladi, "muz qoidalari" ga bo'ysunadi. Nol nuqtali entropiya - bu material mutlaq sovutilgan taqdirda ham saqlanib qoladigan buzilishnol (0 K=-273, 15 ° S). Olti burchakli muz 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1 uchun tajriba chalkashligini hosil qiladi. Nazariy jihatdan maʼlum boʻlgan muz kristallarining nol entropiyasini eksperimental aniqlashdan koʻra ancha aniqroq (nuqsonlar va energiya darajasining tarqalishini hisobga olmaganda) hisoblash mumkin boʻlar edi.
Olimlar va ularning bu sohadagi ishlari
S 0=k B ˣ Ln (N E0) sifatida belgilanishi mumkin, bu yerda k B - Boltsman doimiysi, NE - energiya E da konfiguratsiyalar soni, E0 esa eng past energiya. Kelvinning nolga teng boʻlgan olti burchakli muz entropiyasi uchun bu qiymat termodinamikaning uchinchi qonunini buzmaydi “Ideal kristallning absolyut noldagi entropiyasi aynan nolga teng”, chunki bu elementlar va zarralar ideal emas, vodorod bogʻlanishining tartibsizligiga ega.
Bu tanada vodorod aloqasi tasodifiy va tez oʻzgarib turadi. Bu tuzilmalar energiya jihatidan mutlaqo teng emas, lekin juda ko'p sonli energetik yaqin davlatlarga tarqaladi, "muz qoidalari" ga bo'ysunadi. Nol nuqtali entropiya - bu moddani mutlaq nolga (0 K=-273,15 ° C) sovutganda ham saqlanib qoladigan buzilish. Olti burchakli muz 3, 41 (± 0, 2) ˣ mol -1 ˣ K -1 uchun tajriba chalkashligini hosil qiladi. Nazariy jihatdan maʼlum boʻlgan muz kristallarining nol entropiyasini eksperimental aniqlashdan koʻra ancha aniqroq (nuqsonlar va energiya darajasining tarqalishini hisobga olmaganda) hisoblash mumkin boʻlar edi.
Ommaviy muzdagi protonlarning tartibi tartiblanmagan boʻlsa-da, sirt bu zarrachalarning osilgan H-atomlari va O-yagona juftlik tasmasi koʻrinishidagi tartibini afzal koʻradi (tartib qilingan vodorod aloqalari bilan nol entropiya). ZPE nol nuqtasi buzilishi, J ˣ mol -1 ˣ K -1 va boshqalar topilgan. Yuqorida aytilganlarning barchasidan muzga qanday kristall panjaralar xosligi aniq va tushunarli.
