Какая кристаллическая решетка у льда. Тайны ледяных кристаллов. Исследования процесса замерзания

Лёд - минерал с хим. формулой H 2 O , представляет собой воду в кристаллическом состоянии.
Химический состав льда: Н — 11,2%, О — 88,8%. Иногда содержит газообразные и твердые механические примеси.
В природе лёд представлен, главным образом, одной из нескольких кристаллических модификаций, устойчивой в интервале температур от 0 до 80°C, имеющей точку плавления 0°С. Известны 10 кристаллических модификаций льда и аморфный лёд. Наиболее изученным является лёд 1-й модификации - единственная модификация, обнаруженная в природе. Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного и др.), а также в виде снега, инея и т.д.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура льда похожа на структуру : каждая молекула Н 2 0 окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76Α и размещенных в вершинах правильного тетраэдра. В связи с низким координационным числом структура льда является ажурной, что влияет на его плотность (0,917). Лед имеет гексагональную пространственную решётку и образуется путём замерзания воды при 0°С и атмосферном давлении. Решётка всех кристаллических модификаций льда имеет тетраэдрическое строение. Параметры элементарной ячейки льда (при t 0°С): а=0,45446 нм, с=0,73670 нм (с - удвоенное расстояние между смежными основными плоскостями). При понижении температуры они меняются крайне незначительно. Молекулы Н 2 0 в решётке льда связаны между собой водородными связями. Подвижность атомов водорода в решётке льда значительно выше подвижности атомов кислорода, благодаря чему молекулы меняют своих соседей. При наличии значительных колебательных и вращательных движений молекул в решётке льда возникают трансляционные соскоки молекул из узла пространственной их связи с нарушением дальнейшей упорядоченности и образованием дислокаций. Этим объясняется проявление у льда специфических реологических свойств, характеризующих зависимость между необратимыми деформациями (течением) льда и вызвавшими их напряжениями (пластичность, вязкость, предел текучести, ползучесть и др.). В силу этих обстоятельств ледники текут аналогично сильно вязким жидкостям, и, таким образом, природные льды активно участвуют в круговороте воды на Земле. Кристаллы льда имеют относительно крупные размеры (поперечный размер от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров). Они характеризуются анизотропией коэффициента вязкости, величина которого может меняться на несколько порядков. Кристаллы способны к переориентации под действием нагрузок, что влияет на их метаморфизацию и скорости течения ледников.

СВОЙСТВА

Лёд бесцветен. В больших скоплениях он приобретает синеватый оттенок. Блеск стеклянный. Прозрачный. Спайности не имеет. Твердость 1,5. Хрупкий. Оптически положительный, показатель преломления очень низкий (n = 1,310, nm = 1,309). В природе известны 14 модификаций льда. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии и обозначающегося как лёд I , образуются в условиях экзотических - при очень низких температурах (порядка -110150 0С) и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров - это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.

МОРФОЛОГИЯ

В природе лёд — очень распространенный минерал. В земной коре существует несколько разновидностей льда: речной, озёрный, морской, грунтовый, фирновый и глетчерный. Чаще он образует агрегатные скопления мелкокристаллических зерен. Известны также кристаллические образования льда, возникающие сублимационным путем, т. е. непосредственно из парообразного состояния. В этих случаях лед имеет вид скелетных кристаллов (снежинки) и агрегатов скелетного и дендритного роста (пещерный лёд, изморозь, иней и узоры на стекле). Крупные хорошо огранённые кристаллы встречаются, но очень редко. Н. Н. Стуловым описаны кристаллы льда северо-восточной части России, встреченные на глубине 55-60 м. от поверхности, имеющие изометрический и столбчатый облик, причем длина наибольшего кристалла равнялась 60 см., а диаметр его основания - 15 см. Из простых форм на кристаллах льда выявлены только грани гексагональной призмы (1120), гексагональной бипирамиды (1121) и пинакоида (0001).
Ледяные сталактиты, называемые в просторечии «сосульки», знакомы каждому. При перепадах температур около 0° в осенне-зимние сезоны они растут повсеместно на поверхности Земли при медленном замерзании (кристаллизации) стекающей и капающей воды. Они обычны также в ледяных пещерах.
Ледяные забереги представляют собой полосы ледяного покрова из льда, кристаллизующегося на границе вода-воздух вдоль краёв водоёмов и окаймляющие края луж, берега рек, озёр, прудов, водохранилищ, и тп. при незамерзающей остальной части водного пространства. При их полном срастании на поверхности водоёма образуется сплошной ледяной покров.
Лёд образует также параллельно-шестоватые агрегаты в виде волокнистых прожилков в пористых грунтах, а на их поверхности — ледяные антолиты.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Лёд образуется в основном в водных бассейнах при понижении температуры воздуха. На поверхности воды при этом появляется ледяная каша, сложенная из иголочек льда. Снизу на неё нарастают длинные кристаллики льда, у которых оси симметрии шестого порядка размещаются перпендикулярно к поверхности корочки. Соотношения между кристаллами льда при разных условиях образования показаны на рис. Лед распространен всюду, где имеется влага и где температура опускается ниже 0° С. В некоторых районах грунтовый лед оттаивает только на незначительную глубину, ниже которой начинается вечная мерзлота. Это так называемые районы вечной мерзлоты; в областях распространения многолетнемерзлых пород в верхних слоях земной коры встречаются так называемые подземные льды, среди которых различают современный и ископаемый подземный лёд. Не менее 10% всей площади суши Земли покрывают ледники, слагающая их монолитная ледяная порода носит название ледниковый лёд. Ледниковый лёд образуется в основном из скопления снега в результате его уплотнения и преобразования. Ледниковый покров занимает около 75% площади Гренландии и почти всю Антарктиду; самая большая мощность ледников (4330 м.) – установлена близ станции Бэрд (Антарктида). В центральной Гренландии толщина льда достигает 3200 м.
Месторождения льда общеизвестны. В местностях с холодной долгой зимой и коротким летом, а также в высокогорных районах образуются ледяные пещеры со сталактитами и сталагмитами, среди которых наиболее интересными являются Кунгурская в Пермской области Приуралья, а также пещера Добшине в Словакии.
В результате замерзания морской воды образуется морской лёд. Характерными свойствами морского льда являются солёность и пористость, которые определяют диапазон его плотности от 0,85 до 0,94 г/см 3 . Из-за такой малой плотности льдины возвышаются над поверхностью воды на 1/7-1/10 своей толщины. Морской лёд начинает таять при температуре выше -2,3° С; он более эластичен и труднее поддается раздроблению на части, чем лёд пресноводный.

ПРИМЕНЕНИЕ

В конце 1980-х годов лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5-7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10-15 до 30-45 минут.
Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ - иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала Пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец.

Лед (англ. Ice) — H 2 O

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание)	4/A.01-10
Nickel-Strunz (10-ое издание)	4.AA.05
Dana (8-ое издание)	4.1.2.1
Hey’s CIM Ref.	7.1.1

И здесь уже можно перейти ко второй категории. Под словом «лед» мы привыкли понимать твердое фазовое состояние воды. Но помимо нее замораживанию подвергаются и другие вещества. Таким образом, лед можно различать по химическому составу исходного вещества, например, углекислый, аммиачный, метановый лед и другие.

В-третьих, различают кристаллические решетки (модификации) водяного льда, образование которых обусловлено термодинамическим фактором. Вот о них-то мы и поговорим немного в этой заметке.

В статье Лед мы с вами остановились на том, как происходит перестройка структуры воды с изменением ее агрегатных состояний, и затронули кристаллическое строение обыкновенного льда. Благодаря внутреннему устройству самой молекулы воды и водородным связям, соединяющим все молекулы в упорядоченную систему, образуется гексагональная (шестиугольная) кристаллическая решетка льда. Ближайшие друг к другу молекулы (одна центральная и четыре угловых) расположены в форме трехгранной пирамиды, или тетраэдра, который лежит в основе гексагональной кристаллической модификации (илл.1 ).

Кстати , расстояние между мельчайшими частицами вещества измеряются в нанометрах (нм) или ангстремах (по имени шведского физика XIX века Андерса Йонаса Ангстрема; обозначается символом Å). 1 Å = 0,1 нм = 10−10 м.

Такое шестиугольное строение обыкновенного льда распространяется на весь его объем. Наглядно в этом можно убедиться невооруженным глазом: зимой во время снегопада поймайте снежинку на рукав одежды или на перчатку и приглядитесь к ее форме – она шестилучевая или шестиугольная. Это характерно для каждой снежинки, но при этом ни одна снежинка никогда не повторяет другую (подробнее об этом в нашей статье ). И даже крупные кристаллы льда своей внешней формой отвечают внутреннему молекулярному строению (илл.2 ).

Мы уже говорили, что переход вещества, в частности воды, из одного состояния в другое осуществляется при наличии определенных условий. Привычный лед образуется при температуре от 0°C и ниже и при давлении в 1 атмосферу (нормальное значение). Следовательно, для появления иных модификаций льда требуется изменение этих значений, и в большинстве случаев наличие низких температур и высокого давления, при которых происходит изменение угла водородных связей и реконструкция всей кристаллической решетки.

Каждая модификация льда относится к определенной сингонии – группе кристаллов, в которых элементарные ячейки обладают одной и той же симметрией и системой координат (оси XYZ). Всего же различают семь сингоний. Характеристики каждой из них представлены на иллюстрациях 3-4 . А чуть ниже дано изображение основных форм кристаллов (илл.5 )

Все модификации льда, отличающиеся от обыкновенного, были получены в лабораторных условиях. О первых полиморфных структурах льда стало известно в начале XX века стараниями ученых Густава Таммана (Gustav Heinrich Tammann) и Перси Бриджмена (Percy Williams Bridgman) . Диаграмма модификаций, составленная Бриджменом, периодически дополнялась. Новые модификации выявляли из полученных ранее. Последние изменения в диаграмму были внесены уже в наше время. На данный момент получено шестнадцать кристаллических типов льда. Каждый тип имеет свое наименование и обозначается римской цифрой.

Мы не будем вникать глубоко в физические характеристики каждого молекулярного типа водяного льда, чтобы не утомлять вас, уважаемые читатели, научными подробностями, отметим только основные параметры.

Обыкновенный лед носит наименование лед Ih (приставка «h» означает гексагональную сингонию). На иллюстрации 7 представлена его кристаллическая структура, состоящая из шестиугольных связок (гексамеров), которые отличаются по форме – одна в виде шезлонга (англ. chair-form ), другая в виде ладьи (boat-form ). Эти гексамеры формируют трехмерную секцию – два «шезлонга» находятся по горизонтали вверху и внизу, а три «ладьи» занимают вертикальное положение.

На пространственной схеме показан порядок в расположении водородных связей льда Ih , но в действительности связи выстраиваются случайным образом. Впрочем, ученые не исключают, что водородные связи на поверхности гексагонального льда более упорядочены, чем внутри структуры.

Элементарная ячейка гексагонального льда (т.е. минимальный объем кристалла, повторное воспроизведение которого в трех измерениях, образует всю кристаллическую решетку в целом) включает в себя 4 молекулы воды. Размеры ячейки составляют 4,51 Å по сторонам a,b и 7.35 Å по стороне с (сторона, или ось с на схемах имеет вертикальное направление). Углы между сторонами, как видно из иллюстрации 4: α=β = 90°, γ = 120° . Расстояние между соседними молекулами равно 2.76 Å .

Гексагональные ледяные кристаллы образуют шестиугольные пластины и столбики; верхняя и нижняя грани в них являются базовыми плоскостями, а шесть одинаковых боковых граней называются призматическими (илл.10 ).

Минимальное количество молекул воды, необходимое для начала ее кристаллизации – около 275 (±25) . В значительной степени образование льда происходит на поверхности водной массы, граничащей с воздухом, нежели внутри нее. Кристаллы крупнозернистого льда Ih медленно формируются в направлении оси с, например, в стоячей воде они растут вертикально вниз от кристаллических пластинок, или в условиях, где рост в сторону затруднен. Мелкозернистый лед, образующийся в неспокойной воде или при быстром ее замерзании, имеет ускоренный рост, направленный от призматических граней. Температура окружающей воды определяет степень разветвленности кристаллической решетки льда.

Частицы растворенных в воде веществ, за исключением атомов гелия и водорода, чьи размеры позволяют им поместиться в полостях структуры, при нормальном атмосферном давлении исключаются из кристаллической решетки, вытесняясь на поверхность кристалла или, как в случае с аморфной разновидностью (об этом дальше в статье) образуя слои между микрокристаллами. Последовательные циклы замораживания-оттаивания воды могут быть использованы для очистки ее от примесей, например, газов (дегазация).

Наряду со льдом Ih существует также лед Ic (кубическая сингония ), правда, в природе образование этой разновидности льда изредка возможно только в верхних слоях атмосферы. Искусственно лед Ic получают путем моментального замораживания воды, для чего конденсируют пар на охлажденной от минус 80 до минус 110°С металлической поверхности при нормальном атмосферном давлении. В результате опыта на поверхность выпадают кристаллики кубической формы или в виде октаэдров. Создать кубический лед первой модификации из обычного гексагонального, понижая его температуру, не получится, а вот переход из кубического в гексагональный возможен при нагревании льда Ic выше минус 80°С .

В молекулярной структуре льда Ic угол водородных связей такой же, как и у обычного льда Ih – 109.5° . А вот шестигранное кольцо, образуемое молекулами, в решетке льда Ic присутствует только в форме шезлонга.

Плотность льда Ic равна 0.92 г/см³ при давлении в 1 атм. Элементарная ячейка в кубическом кристалле имеет 8 молекул и размеры: a=b=c = 6.35 Å, а ее углы α=β=γ = 90°.

На заметку. Уважаемые читатели, в данной статье мы неоднократно будем сталкиваться с показателями температуры и давления для того или иного типа льда. И если температурные значения, выраженные в градусах по Цельсию, всем понятны, то восприятие значений давления, возможно, для кого-то будет затруднено. В физике используются различные единицы для его измерения, но мы в нашей статье будем обозначать его в атмосферах (атм), округляя значения. Нормальное атмосферное давление составляет 1 атм, что равняется 760 мм ртутного столба, или чуть более 1 бара, или 0.1 МПа (мегапаскаль).

Как вы поняли, в частности, из примера со льдом Ic , существование кристаллических модификаций льда возможно в условиях термодинамического равновесия, т.е. при нарушении баланса температуры и давления, определяющего наличие какого-либо кристаллического вида льда, этот вид исчезает, переходя в иную модификацию. Диапазон этих термодинамических значений различается, для каждого вида он свой. Рассмотрим другие типы льда, не строго в номенклатурном порядке, а в связи с этими структурными переходами.

Лед II относится к тригональной сингонии. Он может образоваться из гексагонального типа при давлении около 3 000 атм и температуре около минус 75°С, или из другой модификации (лед V ), путем резкого снижения давления при температуре минус 35°С. Существование II типа льда возможно в условиях минус 170°С и давлении от 1 до 50 000 атм (или 5 гигапаскалей (ГПа)). По оценкам ученых, лед такой модификации, вероятно, может входить в состав ледяных спутников дальних планет Солнечной системы. Нормальное атмосферное давление и температура выше минус 113°C создают условия для перехода этого типа льда в обычный гексагональный лед.

На иллюстрации 13 показана кристаллическая решетка льда II . Видна характерная особенность структуры – своего рода, полые шестиугольные каналы, образуемые молекулярными связками. Элементарная ячейка (область, выделенная на иллюстрации ромбом) состоит из двух связок, которые смещены относительно друг друга, условно говоря, «по высоте». В результате образуется ромбоэдрическая система решетки. Размеры ячейки a=b=c = 7.78 Å; α=β=γ = 113.1°. В ячейке 12 молекул. Угол связей между молекулами (О–О–О) варьируется от 80 до 120°.

При нагреве II модификации можно получить лед III , и наоборот, охлаждение льда III превращает его в лед II . Также лед III образуется, когда температуру воды постепенно понижают до минус 23°С, увеличивая давление до 3 000 атм.
Как видно на фазовой диаграмме (илл. 6 ), термодинамические условия для стабильного состояния льда III , а также другой модификации – льда V , невелики.

Льды III и V имеют четыре тройные точки с окружающими модификациями (термодинамические значения, при которых возможно существование разных состояний вещества). Тем не менее, льды II , III и V модификаций могут существовать в условиях нормального атмосферного давления и температуры минус 170°С, а нагревание их до минус 150°С приводит к образованию льда Ic .

По сравнению с другими модификациями высокого давления, известными в настоящее время, лед III облает наименьшей плотностью – при давлении 3 500 атм. она равна 1.16 г/см³.
Лед III является тетрагональной разновидностью кристаллизованной воды, но сама структура решетки льда III имеет нарушения. Если обычно каждую молекулу окружают 4 соседние, то в данном случае этот показатель будет иметь значение 3.2, и кроме того поблизости могут находиться ещё 2 или 3 молекулы, которые не имеют водородных связей.
В пространственном построении молекулы образуют правосторонние спирали.
Габариты элементарной ячейки с 12 молекулами при минус 23°С и около 2800 атм: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. Угол водородных связей в диапазоне от 87 до 141°.

На иллюстрации 15 условно представлена пространственная схема молекулярного строения льда III . Молекулы (точки голубого цвета), распложенные ближе к зрителю, показаны крупнее, а водородные связи (линии красного цвета) соответственно толще.

А теперь, как говорится, по горячим следам, давайте сразу «перескочим» идущие после льда III в номенклатурном порядке кристаллические модификации, и скажем несколько слов о льде IX .
Этот вид льда, по сути, измененный лед III , подвергнутый быстрому глубокому охлаждению от минус 65 до минус 108°С во избежание трансформирования его в лед II . Лед IX сохраняет устойчивость при температуре ниже 133°С и давлении от 2 000 до 4 000 атм. Его плотность и структура идентична III виду, но в отличие от льда III в структуре льда IX имеется порядок в расположении протонов.
Нагревание льда IX не возвращает его к исходной III модификации, а превращает в лед II . Размеры ячейки: a=b = 6,69, c = 6,71 Å при температуре минус 108°С и 2800 атм.

Кстати , роман писателя-фантаста Курта Воннегута (Kurt Vonnegut) 1963 г. «Колыбель для кошки» строится вокруг вещества, именуемого лед-девять, который описывается как искусственно полученный материал, представляющий большую опасность для жизни, так как вода при контакте с ним кристаллизуется, превращаясь в лед-девять. Попадание даже небольшого количества этого вещества в природную акваторию, выходящую к мировому океану, грозит замерзанием всей воды на планете, что в свою очередь означает гибель всего живого. В конце концов, так все и происходит.

Лед IV представляет собой метастабильное (слабоустойчивое) тригональное образование кристаллической решетки. Его существование возможно в фазовом пространстве льдов III , V и VI модификаций. Получить лед IV можно из аморфного льда высокой плотности, медленно нагревая его, начиная от минус 130°С при постоянном давлении 8 000 атм.
Размер элементарной ромбоэдрической ячейки составляет 7.60 Å, углы α=β=γ = 70.1°. Ячейка включает в себя 16 молекул; водородные связи между молекулами асимметричные. При давлении 1 атм и температуре минус 163°С плотность льда IV равна 1.27 г/см³. Угол связей О–О–О: 88–128°.

Аналогично IV типу льда образуется и лед XII – путем нагревания высокоплотной аморфной модификации (об этом ниже) от минус 196 до минус 90°С при том же давлении 8 000 атм, но уже с более высокой скоростью.
Лед XII также метастабилен в фазовой области V и VI кристаллических типов. Является разновидностью тетрагональной сингонии.
Элементарная ячейка содержит 12 молекул, которые, благодаря водородным связям с углами 84–135°, располагаются в кристаллической решетке, образуя двойную правостороннюю спираль. Ячейка имеет размеры: a=b = 8.27, c = 4.02 Å; углы α=β=γ = 90º. Плотность льда XII составляет 1.30 г/см³ при нормальном атмосферном давлении и температуре минус 146°С. Углы водородных связей: 67–132°.

Из открытых на сегодняшний день модификаций водяного льда самую сложную кристаллическую структуру имеет лед V . 28 молекул составляют его элементарную ячейку; водородные связи пролегают через зазоры в других молекулярных соединениях, а некоторые молекулы образуют связи только с определенными соединениями. Угол водородных связей между соседними молекулами сильно различается – от 86 до 132°, поэтому в кристаллической решетке льда V имеется сильное напряжение и огромный запас энергии.
Параметры ячейки при условиях нормального атмосферного давления и температуры минус 175°С: a= 9.22, b= 7.54, c= 10.35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2 °.
Лед V – это моноклинная разновидность, образуемая охлаждением воды до минус 20°С при давлении около 5 000 атм. Плотность кристаллической решетки с учетом давления 3 500 атм составляет 1.24 г/см³.
Пространственная схема кристаллической решетки льда V типа показана на иллюстрации 18 . Серым контуром выделена область элементарной ячейки кристалла.

Упорядоченное расположение протонов в структуре льда V делает его другой разновидностью, именуемой льдом XIII . Данную моноклинную модификацию можно получить в результате охлаждения воды ниже минус 143°С с добавлением соляной кислоты (HCl) для облегчения фазового перехода, создавая давление 5 000 атм. Обратимый переход от XIII типа к V типу возможен в диапазоне температур от минус 193°С до минус 153°С.
Размеры элементарной ячейки льда XIII слегка отличаются от V модификации: а= 9,24, b= 7,47, c= 10.30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7 ° (при 1 атм, минус 193°С). Количество молекул в ячейке то же – 28. Угол водородных связей: 82–135°.

В следующей части нашей статьи мы продолжим обзор модификаций водяного льда.

До встречи на страницах нашего блога!

Твердые вещества, как правило, имеют кристаллическое строение. Оно характеризуется правильным расположением частиц в строго определенных точках пространства. При мысленном соединении этих точек пересекающимися прямыми линиями образуется пространственный каркас, который называют кристаллической решеткой .

Точки, в которых размещены частицы, называются узлами кристаллической решетки . В узлах воображаемой решетки могут находиться ионы, атомы или молекулы. Они совершают колебательные движения. С повышением температуры амплитуда колебаний возрастает, что проявляется в тепловом расширении тел.

В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные , атомные , молекулярные и металлические .

Кристаллические решетки, состоящие из ионов, называются ионными . Их образуют вещества с ионной связью. Примером может служит кристалл хлорида натрия, в котором, как уже отмечалось, каждый ион натрия окружен шестью хлорид-ионами, а каждый хлорид-ион — шестью ионами натрия. Такому расположению соответствует наиболее плотная упаковка, если ионы представить в виде шаров, размещенных в кристалле. Очень часто кристаллические решетки изображают, как показано на рис , где указывается только взаимное расположение частиц, но не их размеры.

Число ближайших соседних частиц, вплотную примыкающих к данной частице в кристалле или в отдельной молекуле, называется координационным числом .

В решетке хлорида натрия координационные числа обоих ионов равны 6. Итак, в кристалле хлорида натрия нельзя выделить отдельные молекулы соли. Их нет. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую макромолекулу, состоящую из равного числа ионов Na + и Cl — , Na n Cl n , где n — большое число. Связи между ионами в таком кристалле весьма прочны. Поэтому вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой твердостью. Они тугоплавки и малолетучи.

Плавление ионных кристаллов приводит к нарушению геометрически правильной ориентации ионов относительно друг друга и уменьшению прочности связи между ними. Поэтому расплавы их проводят электрический ток. Ионные соединения, как правило, легко растворяются в жидкостях, состоящих из полярных молекул, например в воде.

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы, называются атомными . Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями. Примером может служить алмаз — одна из модификаций углерода. Алмаз состоит из атомов углерода, каждый из которых связан с четырьмя соседними атомами. Координационное число углерода в алмазе 4 . В решетке алмаза, как и в решетке хлорида натрия, молекулы отсутствуют. Весь кристалл следует рассматривать как гигантскую молекулу. Атомная кристаллическая решетка характерна для твердого бора, кремния, германия и соединений некоторых элементов с углеродом и кремнием.

Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными .

Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами. Поэтому вещества с молекулярной решеткой имеют малую твердость и низкие температуры плавления, нерастворимы или малорастворимы в воде, их растворы почти не проводят электрический ток. Число неорганических веществ с молекулярной решеткой невелико.

Примерами их являются лед, твердый оксид углерода (IV) ("сухой лед"), твердые галогеноводороды, твердые простые вещества, образованные одно- (благородные газы), двух- (F 2 , Сl 2 , Br 2 , I 2 , Н 2 , О 2 , N 2), трех- (О 3), четырех- (Р 4), восьми- (S 8) атомными молекулами. Молекулярная кристаллическая решетка йода показана на рис . Большинство кристаллических органических соединений имеют молекулярную решетку.

О. В. Мосин, И. Игнатов (Болгария)

Аннотация Значение льда в поддержании жизни на нашей планете трудно недооценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных и на разные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду, лед из-за своей низкой плотности играет в природе роль плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводным обитателям. Использование льда в различных целях (снегозадержание, устройство ледяных переправ и изотермических складов, льдозакладка хранилищ и шахт) представляет предмет ряда разделов гидрометеорологических и инженерно-технических наук, таких как ледотехника, снеготехника, инженерное мерзлотоведение, а также деятельности специальных служб ледовой разведки, ледокольного транспорта и снегоуборочной техники. Природный лёд используется для хранения и охлаждения пищевых продуктов, биологических и медицинских препаратов, для чего он специально производится и заготавливается, а талую воду, приготовленную при плавлении льда используют в народной медицине – для повышения обмена веществ и выведения шлаков из организма. Статья знакомит читателя с новыми малоизвестными свойствами и модификациями льда.

Лёд – кристаллическая форма воды, обладающая по последним данным четырнадцатью структурными модификациями. Среди них имеются и кристаллические (природный лед) и аморфные (кубический лед) и метастабильные модификации, различающиеся друг от друга взаимным расположением и физическими свойствами молекул воды, связанными водородными связями, формирующими кристаллическую решетку льда. Все они кроме привычного нам природного льда I h , кристаллизующего в гексагональной решетке, образуются в условиях экзотических - при очень низких температурах сухого льда и жидкого азота и высоких давлениях в тысячи атмосфер, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются кристаллические системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле.

В природе лёд представлен главным образом, одной кристаллической разновидностью, кристаллизующейся в гексагональной решётке, напоминающей структуру алмаза, где каждая молекула воды окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрем и размещенных в вершинах правильного тетраэдра . В связи с низким координационным числом структура льда является сетчатой, что влияет на его невысокую плотность, составляющая 0,931 г/см 3 .

Самое необычное свойство льда - это удивительное многообразие внешних проявлений. При одной и той же кристаллической структуре он может выглядеть совершенно по-разному, принимая форму прозрачных градин и сосулек, хлопьев пушистого снега, плотной блестящей корки льда или гигантских ледниковых масс. Лёд встречается в природе в виде материкового, плавающего и подземного льда, а также в виде снега и инея. Он распространён во всех областях обитания человека. Собираясь в больших количествах, снег и лед формируют особые структуры с принципиально иными, чем у отдельных кристаллов или снежинок, свойствами. Природный лед сформирован в основном льдом осадочно-метаморфического происхождения, образовавшимся из твердых атмосферных осадков в результате последующего уплотнения и перекристаллизации. Характерная особенность природного льда - зернистость и полосчатость. Зернистость обусловлена процессами рекристаллизации; каждое зерно ледникового льда представляет собой кристалл неправильной формы, тесно примыкающий к другим кристаллам в ледяной толще таким образом, что выступы одного кристалла плотно входят в углубления другого. Такой лед получил название поликристаллического. В нем каждый кристалл льда представляет собой слой тончайших листочков, налегающих друг на друга в базисной плоскости, перпендикулярной к направлению оптической оси кристалла.

Общие запасы льда на Земле составляют согласно расчетам около 30 млн. км 3 (табл. 1). Больше всего льда сосредоточено в Антарктиде, где толщина его слоя достигает 4 км. Также имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы и в кометах. Лед имеет столь большое значение для климата нашей планеты и обитания на ней живых существ, что ученые обозначили для льда особую среду - криосферу, границы которой простираются высоко в атмосферу и глубоко в земную кору .

Табл. 1 . Количество, распространение и время жизни льда.

• Вид льда; Масса; Площадь распространения; Средняя концентрация, г/см2; Скорость прироста массы, г/год; Среднее время жизни, год
• г; %; млн. км2; %
• Ледники; 2,4·1022; 98,95; 16,1; 10,9 суши; 1,48·105; 2,5·1018; 9580
• Подземный лёд; 2·1020; 0,83; 21; 14,1 суши; 9,52·103; 6·1018; 30-75
• Морской лёд; 3,5·1019; 0,14; 26; 7,2 океана; 1,34·102; 3,3·1019; 1,05
• Снежный покров; 1,0·1019; 0,04; 72,4; 14,2 Земли; 14,5; 2·1019; 0.3-0,5
• Айсберги; 7,6·1018; 0,03; 63,5; 18,7 океана; 14,3; 1,9·1018; 4,07
• Атмосферный лёд; 1,7·1018; 0,01; 510,1; 100 Земли; 3,3·10-1; 3,9·1020; 4·10-3

Кристаллы льда неповторимы по своей форме и пропорциям. Любой растущий природный кристалл, включая кристалл льда льда всегда стремится создать идеальную правильную кристаллическую решетку, поскольку это выгодно с точки зрения минимума его внутренней энергии. Любые примеси, как известно, искажают форму кристалла, поэтому при кристаллизации воды в первую очередь в решётку встраиваются молекулы воды, а посторонние атомы и молекулы примесей вытесняются в жидкость. И только когда примесям деваться уже некуда, кристалл льда начинает встраивать их в свою структуру или оставляет в виде полых капсул с концентрированной незамерзающей жидкостью - рассолом. Поэтому морской лёд пресный и даже самые грязные водоемы покрываются прозрачным и чистым льдом. При плавлении льда он вытесняет примеси в рассол. В планетарном масштабе феномен замерзания и таяния воды, наряду с испарением и конденсацией воды, играет роль гигантского очистительного процесса, в котором вода на Земле постоянно очищает сама себя .

Табл. 2 . Некоторые физические свойства льда I.

Свойство

Значение

Примечание

Теплоемкость, кал/(г·°C) Теплота таяния, кал/г Теплота парообразования, кал/г

0,51 (0 °C) 79,69 677

Сильно уменьшается с понижением температуры

Коэффициент термического расширения, 1/°C

9,1·10-5 (0 °C)

Поликристаллический лёд

Теплопроводность, кал/(см·сек·°C)

4,99·10 –3

Поликристаллический лёд

Показатель преломления:

1,309 (-3 °C)

Поликристаллический лёд

Удельная электрическая проводимость, ом-1·см-1

10-9 (0 °C)

Кажущаяся энергия активации 11 ккал/моль

Поверхностная электропроводность, ом-1

10-10 (-11°C)

Кажущаяся энергия активации 32 ккал/моль

Модуль упругости Юнга, дин/см2

9·1010 (-5 °C)

Поликристаллический лёд

Сопротивление, МН/м2: раздавливанию разрыву срезу

2,5 1,11 0,57

Поликристаллический лёд Поликристаллический лёд Поликристаллический лёд

Динамическая вязкость, пуаз

Поликристаллический лёд

Энергия активации при деформировании и механической релаксации, ккал/моль

Линейно растет на 0,0361 ккал/(моль·°C) от 0 до 273,16 К

Примечание: 1 кал/(г·°С)=4,186 кДж/(кг·К); 1 ом -1 ·см -1 =100 сим/м; 1 дин = 10 -5 Н; 1 Н = 1 кг·м/с²; 1 дин/см=10 -7 Н/м; 1 кал/(см·сек°С)=418,68 вт/(м·К); 1 пуаз=г/см·с = 10 -1 Н сек/м 2 .

В связи с широким распространением льда на Земле, отличие физических свойств льда (табл. 2) от свойств других веществ играет важную роль во многих природных процессах . Лёд обладает многими другими полезными для поддержания жизни свойствами и аномалиями – аномалиями плотности, давления, объема, теплопроводности. Если бы не было водородных связей, сцепляющих молекулы воды в кристалл, лед плавился бы при –90 °С. Но этого не происходит из-за наличия водородных связей между молекулами воды. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания, поскольку его теплопроводность намного меньше, чем воды. При этом наименьшая плотность и объем наблюдается при +3,98 °С (рис. 1). Дальнейшее охлаждение воды до 0 0 С постепенно приводит не к уменьшению, а к увеличению ее объема почти на 10%, когда вода превращается в лед. Такое поведение воды свидетельствует об одновременном существовании в воде двух равновесных фаз – жидкой и квазикристаллической по аналогии с квазикристаллами, кристаллическая решетка которых имеет не только периодическое строение, но и обладает осями симметрии разных порядков, существование которых ранее противоречило представлениям кристаллографов . Эта теория, впервые выдвинутая известным отечественным физиком-теоретиком Я. И. Френкелем, основана на предположении, что часть молекул жидкости образует квазикристаллическую структуру, тогда как остальные молекулы являются газоподобными, свободно движущимися по объему. Распределение молекул в малой окрестности любой фиксированной молекулы воды имеет определенную упорядоченность, несколько напоминающую кристаллическую, хотя и более рыхлую . По этой причине структуру воды иногда называют квазикристаллической или кристаллоподобной, т. е. обладающей симметрией и наличием упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул.

Рис. 1 . Зависимость удельного объема льда и воды от температуры

Другое свойство состоит в том, что скорость течения льда прямо пропорциональна энергии активации и обратно пропорциональна абсолютной температуре, так что с понижением температуры лёд приближается по своим свойствам к абсолютно твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть льда в 10 6 раз выше, чем у горных пород . Благодаря своей текучести лёд не накопляется в одном месте, а в виде ледников постоянно перемещается. Зависимость между скоростью течения и напряжением у поликристаллического льда гиперболическая; при приближённом описании её степенным уравнением показатель степени увеличивается по мере роста напряжения.

Видимый свет льдом практически не поглощается, поскольку световые лучи проходят кристалл льда насквозь, но задерживает ультрафиолетовое излучение и большую часть инфракрасного излучения Солнца. В этих областях спектра лёд выглядит абсолютно чёрным, поскольку коэффициент поглощения света в этих областях спектра очень велик. В отличие от кристаллов льда, белый свет, падающий на снег, не поглощается, а многократно преломляется в ледяных кристаллах и отражается от их граней. Поэтому снег выглядит белым.

Вследствие очень высокой отражательной способности льда (0,45) и снега (до 0,95) покрытая ими площадь - в среднем за год около 72 млн. км 2 в высоких и средних широтах обоих полушарий - получает солнечного тепла на 65% меньше нормы и является мощным источником охлаждения земной поверхности, чем в значительной мере обусловлена современная широтная климатическая зональность. Летом в полярных областях солнечная радиация больше, чем в экваториальном поясе, тем не менее температура остаётся низкой, т. к. значительная часть поглощаемого тепла затрачивается на таяние льда, имеющего очень высокую теплоту таяния.

К другим необычным свойствам льда относят и генерацию электромагнитного излучения его растущими кристаллами . Известно, что большинство растворенных в воде примесей не передаются льду, когда он начинает расти; они вымораживается. Поэтому даже на самой грязной луже пленка льда чистая и прозрачная. При этом примеси скапливаются на границе твердой и жидкой сред, в виде двух слоев электрических зарядов разного знака, которые вызывают значительную разность потенциалов. Заряженный слой примесей перемещается вместе с нижней границей молодого льда и излучает электромагнитные волны. Благодаря этому процесс кристаллизации можно наблюдать в деталях. Так, кристалл, растущий в длину в виде иголки, излучает иначе, чем покрывающийся боковыми отростками, а излучение растущих зерен отличается от того, что возникает, когда кристаллы трескаются. По форме, последовательности, частоте и амплитуде импульсов излучения можно определить, с какой скоростью замерзает лед и какая при этом формируется ледовая структура.

Но самое удивительное в структуре льда заключается в том, что молекулы воды при низких температурах и высоких давлениях внутри углеродных нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, напоминающей молекулы ДНК. Это было доказано недавними компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна из Университете штата Небраска (США). Чтобы вода сформировала спираль в моделируемом эксперименте она помещалась в нанотрубки диаметром от 1,35 до 1,90 нм под высоким давлением, варьирующимися от 10 до 40000 атмосфер и задавалась температура –23 °C . Ожидалось увидеть, что вода во всех случаях образует тонкую трубчатую структуру. Однако, модель показала, что при диаметре нанотрубки в 1,35 нм и внешнем давлении 40000 атмосфер водородные связи в структуре льда искривились, что привело к образованию спирали с двойной стенкой – внутренней и внешней. Внутренняя стенка в этих условиях оказалась скрученной в четверо спиралью, а внешняя стенка состояла из четырёх двойных спиралей, похожих на молекулу ДНК (рис. 2). Данный факт может служить подтверждением связи структуры жизненно-важной молекулы ДНК со структурой самой воды и что вода служила матрицей для синтеза молекул ДНК.

Рис. 2 . Компьютерная модель структуры замерзшей воды в нанотрубках, напоминающая молекулу ДНК (Фото из журнала New Scientist , 2006)

Другое из важнейших свойств воды, открытых исследованых в последнее время, заключается в том, что вода обладает способностью запоминать информацию о прошлых воздействиях. Это впервые доказали японский исследователь Масару Эмото и наш соотечественник Станислав Зенин , одним из первых предложивший кластерную теорию строения воды, состоящей из циклических ассоциатов объемной полиэдрической структуры – кластеров общей формулы (Н 2 О) n , где n по последним данным может достигать сотен и даже тысяч единиц. Именно благодаря наличию в воде кластеров вода обладает информационными свойствами. Исследователи фотографировали процессы замораживания воды в микрокристаллы льда, действуя на неё различными электромагнитными и акустическими полями, мелодиями, молитвой, словами или мыслями. Оказалось, что под действием положительной информации в виде красивых мелодий и слов лёд замораживался в симметричные шестигранные кристаллы. Там, где звучала неритмичная музыка, злые и оскорбительные слова, вода, наоборот, замерзала в хаотичные и бесформенные кристаллы. Это является доказательством того, что вода обладает особой, чувствительной к внешним информационным воздействиям структурой. Предположительно мозг человека, состоящий на 85-90% из воды, обладает сильным структурирующим воздействием на воду.

Кристаллы Эмото вызывают одновременно интерес и недостаточно обоснованную критику. Если рассмотреть их внимательно, можно увидеть, что их структура состоит из шести верхов. Но еще более внимательный анализ показывает, что у снежинок зимой такая же структура, всегда симметричная и с шестью верхами. В какой степени кристализованные структуры содержат информацию об окружении, где были созданы? Структура снежинок может быть красивой или бесформенной. Это указывает на то, что контрольная проба (облако в атмосфере), где они возникают, оказывает на них такое же влияние, как и первоначальные условия. Первоначальными условиями являются солнечная активность, температура, геофизические поля, влажность и др. Все это значит, что из т.н. среднего ансамбля можно сделать вывод о приблизительно одинаковой структуре водных капель, а затем и снежинок. Их масса почти одинакова, и они двигаются в атмосфере с похожей скоростью. В атмосфере они продолжают оформлять свои структуры и увеличиваться в объеме. Даже если они сформировались в разных частях облака, в одной группе всегда есть определенное количество снежинок, возникших при почти одинаковых условиях. А ответ на вопрос, что представляет собой положительная и отрицательная информация о снежинках, можно искать у Эмото. В лабораторных условиях негативная информация (землетрясение, неблагоприятные для человека звуковые вибрации и т.д.) не образует кристаллы, а положительная информация, как раз наоборот. Очень интересно, в какой степени один фактор может оформить одинаковые или подобные структуры снежинок. Наибольшая плотность воды наблюдается при температуре 4 °C. Научно доказано, что плотность воды уменьшается, когда начинают образовываться шестиугольные ледяные кристаллы при понижении температуры ниже нуля. Это является результатом действия водородных связей между молекулами воды.

Какова причина подобного структурирования? Кристаллы представляют собой твердые тела, а составляющие их атомы, молекулы или йоны расположены в правильной, повторяющейся структуре, в трех пространственных измерениях. Структура водных кристаллов немного отличается. По мнению Айзека, всего лишь 10% водородных связей во льде являются ковалентными, т.е. с достаточно стабильной информацией. Водородные связи между кислородом одной молекулы воды и водородом другой проявляют наибольшую чувствительность к внешним воздействиям. Спектр воды при построении кристаллов относительно различный во времени. Согласно доказанному Антоновым и Юскеселиевым эффекту дискретного испарения водной капли и его зависимости от энергетических состояний водородных связей, мы можем искать ответ насчет структурирования кристаллов. Каждая часть спектра зависит от поверхностного напряжения водяных капель. В спектре шесть пиков, которые указывают на разветвления снежинки.

Очевидно то, что в экспериментах Эмото начальная «контрольная» проба оказывает влияние на вид кристаллов. Это означает то, что после воздействия определенного фактора, можно ожидать формирование подобных кристаллов. Почти невозможно получить одинаковые кристаллы. При проверке воздействия слова »любовь» на воду, Эмото не указывает ясно, был ли данный эксперимент осуществлен с разными пробами.

Необходимы вдвойне слепые эксперименты для того, чтобы проверить, достаточно ли дифференцирована методика Эмото. Доказательство Айзека о том, что 10% водяных молекул после замерзания образуют ковалентные связи, показывает нам, что вода использует при замерзании данную информацию. Достижение Эмото даже и без вдвойне слепых экспериментов остается достаточно важным в отношении информационных свойств воды.

Природная снежинка, Уилсон Бентли, 1925

Снежинка Эмото, полученная из природной воды

Одна снежинка - природная, а другая - созданная Эмото, указывает на то, что многообразие в водяном спектре не безгранично.

Earthquake, Sofia, 4.0 Richter scale, 15 November 2008,
Dr. Ignatov, 2008©, Prof. Antonov"s device©

Данная фигура указывает на разницу между контрольной пробой и сделанными в другие дни. Молекулы воды разрывают наиболее энергетические водородные связки в воде, а также два пика в спектре во время природного явления. Исследование было проведено при помощи прибора Антонова. Биофизический результат показывает понижение жизненного тонуса организма при землетрясении. Во время землетрясения вода не может менять свою структуру в снежинках в лаборатории Эмото. Существуют доказательства об изменении электропроводимости воды во время землетрясения.

В 1963 г. танзанийский школьник Эрасто Мпемба заметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот феномен получил название эффект Мпемба. Хотя уникальное свойство воды было замечено намного раньше Аристотелем, Френсисом Беконом и Рене Декартом. Явление было доказано многократно целым рядом независимых друг от друга экспериментов. У воды есть и еще одно странное свойство. По моему мнению, объяснение этому следующее: у дифференциально неравновесного энергетического спектра (ДНЭС) кипяченой воды меньшая средняя энергия водородных связок между водяными молекулами, чем у пробы, взятой при комнатной температуре Это значит, что кипяченой воде необходимо меньше энергии для того, чтобы начать структурировать кристаллы и замерзнуть.

Разгадка структуры льда и его свойств заключается в строении его кристалла. Кристаллы всех модификаций льда построены из молекул воды H 2 O, соединённых водородными связями в трёхмерные сетчатые каркасы с определенным расположением водородных связей. Молекулу воды можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием) . В её центре находится атом кислорода, находящийся в состоянии sp 3 -гибридизации, а в двух вершинах - по атому водорода, по одному из 1s-электронов которых задействованы в образовании ковалентной Н-О связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары неспаренных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, поэтому их называют неподеленными. Пространственная форма молекулы Н 2 О объясняется взаимным отталкиванием атомов водорода и неподеленных электронных пар центрального атома кислорода.

Водородная связь имеет важное значение в химии межмолекулярных взаимодействий и обусловлена слабыми электростатическими силами и донорно-акцепторными взаимодействиями . Она возникает при взаимодействии электронодефицитного электронами атома водорода одной молекулы воды с неподеленной электронной парой атома кислорода соседней молекулы воды (О-Н…О). Отличительной особенностью водородной связи является сравнительно низкая прочность; она в 5-10 раз слабее химической ковалентной связи . По энергии водородная связь занимает промежуточное положение между химической связью и ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, удерживающими молекулы в твердой или жидкой фазе . Каждая молекула воды в кристалле льда может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими соседними молекулами под строго определенными углами, равными 109°47", направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании воды создавать плотную структуру (рис. 3). В структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены . В структурах льда VI, VII и VIII можно выделить две взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Этот невидимый каркас из водородных связей располагает молекулы воды в виде сетчатой сетки, по структуре напоминающей шестигранные соты с полыми внутренними каналами. Если лед нагреть, сетчатая структура разрушается: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре жидкости, - этим объясняется, почему вода тяжелее льда.

Рис. 3 . Образование водородной связи между четырьмя молекулами Н 2 О (красные шарики обозначают центральные атомы кислорода, белые шарики – атомы водорода)

Специфика водородных связей и межмолекулярных взаимодействий, характерная для структуры льда, сохраняется в талой воде, так как при плавлении кристалла льда разрушается только 15% всех водородных связей. Поэтому присущая льду связь каждой молекулы воды с четырьмя соседними ("ближний порядок") не нарушается, хотя и наблюдается бoльшая размытость кислородной каркасной решетки. Водородные связи могут сохраняться и при кипении воды. Лишь в водяном пару водородные связи отсутствуют.

Лед, который образуется при атмосферном давлении и плавится при 0 °С, - самое привычное, но всё же до конца не изученное вещество. Многое в его структуре и свойствах выглядит необычно. В узлах кристаллической решетки льда атомы кислорода тетраэдров молекул воды выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, наподобие шестигранных пчелиных сот, а атомы водорода занимают самые разные положения на соединяющих атомы кислорода водородных связях (рис. 4). Поэтому возможны шесть эквивалентных ориентаций молекул воды относительно их соседей. Часть из них исключается, поскольку нахождение одновременно двух протонов на одной водородной связи маловероятно, но остаётся достаточная неопределённость в ориентации молекул воды. Такое поведение атомов нетипично, поскольку в твердом веществе все атомы подчиняются одному закону: либо они атомы расположены упорядоченно, и тогда это - кристалл, либо случайно, и тогда это - аморфное вещество. Такая необычная структура может реализоваться в большинстве модификаций льда - I h , III, V, VI и VII (и по-видимому в Ic) (табл. 3), а в структуре льда II, VIII и IX молекулы воды ориентационно упорядочены. По выражению Дж. Бернала лёд кристалличен в отношении атомов кислорода и стеклообразен в отношении атомов водорода.

Рис. 4 . Структура льда природной гексагональной конфигурации I h

В других условиях, например в Космосе при больших давлениях и низких температурах, лёд кристаллизуется иначе, образуя другие кристаллические решетки и модификации (кубическая, тригональная, тетрагональная, моноклинная и др.), каждая из которых обладает собственной структурой и кристаллической решеткой (табл. 3). Структуры льдов различных модификаций были расчитаты российскими исследователями д.х.н. Г.Г. Маленковым и к.физ.-мат.н. Е.А. Желиговской из Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук . Льды II, III и V-й модификации длительное время сохраняются при атмосферном давлении, если температура не превышает -170 °С (рис. 5). При охлаждении приблизительно до -150 °С природный лёд превращаются в кубический лёд Ic, состоящий из кубов и октаэдров размером в несколько нанометров . Лед I c иногда появляется и при замораживании воды в капиллярах, чему, видимо, способствует взаимодействие воды с материалом стенки и повторение его структуры. Если температура чуть выше -110 0 C, на металлической подложке формируются кристаллы более плотного и тяжелого стеклообразного аморфного льда с плотностью 0,93 г/см 3 . Обе эти формы льда могут самопроизвольно переходить в гексагональный лёд, причём тем быстрее, чем выше температура.

Табл. 3 . Некоторые модификации льда и их физические параметры.

Модификация

Кристаллическая структура

Длины водородных связей, Å

Углы Н-О-Н в тетраэдрах, 0

Гексагональная

Кубическая

Тригональная

Тетрагональная

Моноклинная

Тетрагональная

Кубическая

Кубическая

Тетрагональная

Примечание. 1 Å = 10 -10 м

Рис. 5 . Диаграмма состояния кристаллических льдов различных модификаций.

Существуют и льды высокого давления - II и III тригональной и тетрагональной модификаций, образованные из полых соток, сформированных шестиугольными гофрированными элементами, сдвинутыми друг относительно друга на одну треть (рис. 6 и рис. 7). Эти льды стабилизируются в присутствии благородных газов гелия и аргона. В структуре льда V моноклинной модификации углы между соседними атомами кислорода составляют от 86 0 до 132°, что сильно отличается от валентного угла в молекуле воды, составляющем 105°47’. Лед VI тетрагональной модификации состоит из двух вставленных друг в друга каркасов, между которыми нет водородных связей, в результате чего формируется объёмоцентрированная кристаллическая решётка (рис. 8). Основу структуры льда VI составляют гексамеры - блоки из шести молекул воды. Их конфигурация в точности повторяет строение устойчивого кластера воды, которую дают расчёты. Аналогичную структуру с каркасами льда I, вставленных друг в друга, имеют льды VII и VIII кубической модификации, которые являеются низкотемпературными упорядоченными формами льда VII. При последующем увеличении давления расстояние между атомами кислорода в кристаллической решетке льдов VII и VIII будет уменьшаться, в результате формируется структура льда X, атомы кислорода в котором выстроены в правильную решётку, а протоны упорядочены.

Рис. 7 . Лед III-й конфигурации .

Лед XI образуется при глубоком охлаждении льда I h c добавкой щелочи ниже 72 К при нормальном давлении. В этих условиях образуются гидроксильные дефекты кристалла, позволяющие растущему кристаллу льда изменять свою структуру. Лед XI обладает ромбической кристаллической решёткой с упорядоченным расположением протонов и формируется сразу во многих центрах кристаллизации около гидроксильных дефектов кристалла.

Рис. 8 . Лед VI конфигурации .

Среди льдов имеются и метастабильные формы IV и XII, времена жизни которых составляют секунды, обладающие самой красивой структурой (рис. 9 и рис. 10). Для получения метастабильных льдов нужно сжимать лёд I h до давления 1,8 ГПа при температуре жидкого азота. Эти льды образуются гораздо легче и особенно стабильны, если давлению подвергается переохлажденная тяжёлая вода. Другая метастабильная модификация - лёд IX образуется при переохлаждении льда III и по существу представляет собой его низкотемпературную форму.

Рис. 9 . Лед IV-конфигурации .

Рис. 10 . Лёд XII конфигурации .

Две последние модификации льда - с моноклинной XIII и ромбической конфигурацией XIV были открыты учеными из Оксфорда (Великобритания) совсем недавно - в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре -160 °С очень высока, и собраться вместе молекулам чистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Этого удалось достичь с помощью катализатора - соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. На Земле подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут существовать в Космосе на остывших планетах и замерзших спутниках и кометах. Так, расчёт плотности и тепловых потоков с поверхности спутников Юпитера и Сатурна позволяет утверждать, что у Ганимеда и Каллисто должна быть ледяная оболочка, в которой чередуются льды I, III, V и VI. У Титана льды образуют не кору, а мантию, внутренний слой которой состоит из льда VI, других льдов высокого давления и клатратных гидратов, а сверху расположен лёд I h .

Рис. 11 . Разнообразие и форма снежинок в природе

Высоко в атмосфере Земли при низкой температуре вода кристаллизуется из тетраэдров, формирующих гексагональный лед I h . Центром образования кристаллов льда является твердые частицы пыли, которые поднимает в верхние слои атмосферы ветер. Вокруг этого зародышевого микрокристалла льда в шести симметричных направлениях нарастают иголочки, образованные отдельными молекулами воды, на которых вырастают боковые отросточки - дендриты. Температура и влажность воздуха вокруг снежинки одинаковы, поэтому изначально она симметрична по своей форме. По мере формирования снежинки постепенно опускаются в более низкие слои атмосферы, где температура выше. Здесь происходит плавление и их идеальная геометрическая форма искажается, формируя многообразие снежинок (рис. 11).

При дальнейшем плавлении гексагональная структура льда разрушается и образуется смесь циклических ассоциатов кластеров, а также из три-, тетра-, пента-, гекса-меров воды (рис. 12) и свободных молекул воды. Изучение строения образующихся кластеров часто значительно затруднено, поскольку вода по современным данным – смесь различных нейтральных кластеров (Н 2 О) n и их заряженных кластерных ионов [Н 2 О] + n и [Н 2 О] - n , находящихся в динамическом равновесии между собой со временем жизни 10 -11 -10 -12 секунд .

Рис. 12. Возможные кластеры воды (а-h) состава (Н 2 О) n , где n = 5-20.

Кластеры способны взаимодействовать друг с другом за счет выступающих наружу граней водородных связей, образуя более сложные полиэдрические структуры, такие как гексаэдр, октаэдр, икосаэдр и додекаэдр. Таким образом, структура воды связана с так называемыми Платоновыми телами (тетраэдр, гексаэдр, октаэдр, икосаэдр и додекаэдр), названными в честь открывших их древнегреческого философа и геометра Платона, форма которых определяется золотой пропорцией (рис. 13).

Рис. 13 . Платоновы тела, геометрическая форма которых определяется золотой пропорцией.

Число вершин (В), граней (Г) и рёбер (Р) в любом пространственном многограннике описывается соотношением:

В + Г = Р + 2

Отношение количества вершин (В) правильного многогранника к количеству рёбер (Р) одной его грани равно отношению количества граней (Г) этого же многогранника к количеству рёбер (Р), выходящих из одной его вершины. У тетраэдра это отношение равно 4:3, у гексаэдра (6 граней) и октаэдра (8 граней) - 2:1, а у додекаэдра (12 граней) и икосаэдра (20 граней) - 4:1.

Стуктуры полиэдрических кластеров воды, расчитаные российскими учеными, были подтверждены с помощью современных методов анализа: спектроскопией протонного магнитного резонанса, фемтосекундной лазерной спектроскопией, дифракцией рентгеновских лучей и нейтронов на кристаллах воды . Открытие кластеров воды и способность воды хранить информацию – два самых важных открытия XXI тысячелетия. Это наглядно доказывает, что природе характерна симметрия в виде точных геометрических форм и пропорций, характерным кристаллам льда.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Белянин В., Романова Е. Жизнь, молекула воды и золотая пропорция // Наука и жизнь, 2004, Т. 10, № 3, с. 23-34.

2. Шумский П. А., Основы структурного ледоведения. - Москва, 1955б с. 113.

3. Мосин О.В., Игнатов И. Осознание воды как субстанции жизни. // Сознание и физическая реальность. 2011, Т 16, № 12, с. 9-22.

4. Петрянов И. В. Самое необыкновенное вещество в мире.Москва, Педагогика, 1981, с. 51-53.

5 Эйзенберг Д, Кауцман В. Строение и свойства воды. – Ленинград, Гидрометеоиздат, 1975, с. 431.

6. Кульский Л. А., Даль В. В., Ленчина Л. Г. Вода знакомая и загадочная. – Киев, Родянбска школа, 1982, с. 62-64.

7. Зацепина Г. Н. Структура и свойства воды. – Москва, изд. МГУ, 1974, с. 125.

8. Антонченко В. Я., Давыдов Н. С., Ильин В. В. Основы физики воды - Киев, Наукова думка, 1991, с. 167.

9. Simonite T. DNA-like ice "seen" inside carbon nanotubes // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Эмото М. Послания воды. Тайные коды кристаллов льда. - София, 2006. с. 96.

11. Зенин С. В., Тяглов Б. В. Природа гидрофобного взаимодействия. Возникновение ориентационных полей в водных растворах // Журнал физической химии, 1994, Т. 68, № 3, с. 500-503.

12. Пиментел Дж., Мак-Клеллан О. Водородная связью - Москва, Наука, 1964, с. 84-85.

13. Бернал Дж., Фаулер Р. Структура воды и ионных растворов // Успехи физических наук, 1934, Т. 14, № 5, с. 587-644.

14. Хобза П., Заградник Р. Межмолекулярные комплексы: Роль Ван-дер-ваальсовых систем в физической химии и биодисциплинах. – Москва, Мир, 1989, с. 34-36.

15. Паундер Э. Р. Физика льда, пер. с англ. - Москва, 1967, с. 89.

16. Комаров С. М. Ледяные узоры высокого давления. // Химия и жизнь, 2007, №2, С. 48-51.

17. Е. А. Желиговская, Г. Г. Маленков. Кристаллические льды // Успехи химии,2006, № 75, с. 64.

18. Fletcher N. H. The chemical physics of ice, Cambreage, 1970.

19. Немухин А. В. Многообразие кластеров // Российский химический журнал, 1996, Т. 40, № 2, с. 48-56.

20. Мосин О.В., Игнатов И. Структура воды и физическая реальность. // Сознание и физическая реальность, 2011, Т. 16, № 9, с. 16-32.

21. Игнатов И. Биоэнергетическая медицина. Зарождение живой материи, память воды, биорезонанс, биофизические поля. - ГеяЛибрис, София, 2006, с. 93.

Вода - вещество привычное и необычное. Почти 3/4 поверхности нашей планеты занято океанами и морями. Твёрдой водой - снегом и льдом - покрыто 20% суши. От воды зависит климат планеты. Геофизики утверждают, что Земля давно бы остыла и превратилась в безжизненный кусок камня, если бы не вода. У неё очень большая теплоёмкость. Нагреваясь, она поглощает тепло; остывая, отдаёт его. Земная вода и поглощает, и возвращает очень много тепла и тем самым "выравнивает" климат. А от космического холода предохраняет Землю те молекулы воды, которые рассеяны в атмосфере - в облаках и в виде паров.

Вода – самое загадочное вещество в природе после ДНК, обладающее уникальными свойствами, которые не только ещё полностью не объяснены, но далеко не все известны. Чем дольше ее изучают, тем больше находят новых аномалий и загадок в ней. Большинство из этих аномалий, обеспечивающих возможность жизни на Земле, объясняются наличием между молекулами воды водородных связей, которые много сильнее вандерваальсовских сил притяжения между молекулами других веществ, но на порядок величины слабее ионных и ковалентных связей между атомами в молекулах. Такие же водородные связи также присутствуют и в молекуле ДНК.

Молекула воды (H 2 16 O) состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (16 O). Оказывается, что едва ли не все многообразие свойств воды и необычность их проявления определяется, в конечном счете, физической природой этих атомов, способом их объединения в молекулу и группировкой образовавшихся молекул.

Рис. Строение молекулы воды . Геометрическая схема (а), плоская модель (б) и пространственная электронная структура (в) мономера H2O. Два из четырех электронов внешней оболочки атома кислорода участвуют в создании ковалентных связей с атомами водорода, а два других образуют сильно вытянутые электронные орбиты, плоскость которых перпендикулярна плоскости Н-О-Н.

Молекула воды H 2 O построена в виде треугольника: угол между двумя связками кислород - водород 104 градуса. Но поскольку оба водородных атома расположены по одну сторону от кислорода, электрические заряды в ней рассредоточиваются. Молекула воды полярная, что является причиной особого взаимодействия между разными её молекулами. Атомы водорода в молекуле H 2 O, имея частичный положительный заряд, взаимодействуют с электронами атомов кислорода соседних молекул. Такая химическая связь называется водородной. Она объединяет молекулы H 2 O в своеобразные ассоциаты пространственного строения; плоскость, в которой расположены водородные связи, перпендикулярны плоскости атомов той же молекулы H 2 O. Взаимодействием между молекулами воды и объясняются в первую очередь незакономерно высокие температуры её плавления и кипения. Нужно подвести дополнительную энергию, чтобы расшатать, а затем разрушить водородные связи. И энергия эта очень значительна. Вот почему так велика теплоёмкость воды.

В молекуле воды имеются две полярные ковалентные связи Н–О. Они образованы за счёт перекрывания двух одноэлектронных р - облаков атома кислорода и одноэлектронных S - облаков двух атомов водорода.

В соответствии с электронным строением атомов водорода и кислорода молекула воды располагает четырьмя электронными парами. Две из них участвуют в образовании ковалентных связей с двумя атомами водорода, т.е. являются связывающими. Две другие электронные пары являются свободными - не связывающими. Они образуют электронное облако. Облако неоднородно – в нем можно различить отдельные сгущения и разрежения.

В молекуле воды имеются четыре полюс зарядов: два - положительные и два - отрицательные. Положительные заряды сосредоточены у атомов водорода, так как кислород электроотрицательнее водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две не связывающие электронные пары кислорода.

У кислородного ядра создается избыток электронной плотности. Внутренняя электронная пара кислорода равномерно обрамляет ядро: схематически она представлена окружностью с центром -ядром O 2- . Четыре внешних электрона группируются в две электронные пары, тяготеющие к ядру, но частично не скомпенсированные. Схематически суммарные электронные орбитали этих пар показаны в виде эллипсов, вытянутых от общего центра – ядра O 2- . Каждый из оставшихся двух электронов кислорода образует пару с одним электроном водорода. Эти пары также тяготеют к кислородному ядру. Поэтому водородные ядра – протоны – оказываются несколько оголенными, и здесь наблюдается недостаток электронной плотности.

Таким образом, в молекуле воды различают четыре полюса зарядов: два отрицательных (избыток электронной плотности в области кислородного ядра) и два положительных (недостаток электронной плотности у двух водородных ядер). Для большей наглядности можно представить, что полюса занимают вершины деформированного тетраэдра, в центре которого находится ядро кислорода.

Рис. Строение молекулы воды: а – угол между связями O-H; б – расположение полюсов заряда; в – внешний вид электронного облака молекулы воды.

Почти шарообразная молекула воды имеет заметно выраженную полярность, так как электрические заряды в ней расположены асимметрично. Каждая молекула воды является миниатюрным диполем с высоким дипольным моментом – 1,87 дебая. Дебай – внесистемная единица электрического дипольного 3,33564·10 30 Кл·м. Под воздействием диполей воды в 80 раз ослабевают межатомные или межмолекулярные силы на поверхности погруженного в нее вещества. Иначе говоря, вода имеет высокую диэлектрическую проницаемость, самую высокую из всех известных нам соединений.

Во многом благодаря этому, вода проявляет себя как универсальный растворитель. Ее растворяющему действию в той или иной мере подвластны и твердые тела, и жидкости, и газы.

Удельная теплоемкость воды наибольшая среди всех веществ. Кроме того, она в 2 раза выше, чем у льда, в то время как у большинства простых веществ (например, металлов) в процессе плавления теплоемкость практически не изменяется, а у веществ из многоатомных молекул она, как правило, уменьшается при плавлении.

Подобное представление о строении молекулы позволяет объяснить многие свойства воды, в частности структуру льда. В кристаллической решётке льда каждая из молекул окружена четырьмя другими. В плоскостном изображении это можно представить так:

Связь между молекулами осуществляется посредством атома водорода. Положительно заряженный атом водорода одной молекулы воды притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы воды. Такая связь получила название водородной (её обозначают точками). По прочности водородная связь примерно в 15 - 20 раз слабее ковалентной связи. Поэтому водородная связь легко разрывается, что наблюдается, например, при испарении воды.

Рис. слева - Водородные связи между молекулами воды

Структура жидкой воды напоминает структуру льда. В жидкой воде молекулы также связаны друг с другом посредством водородных связей, однако структура воды менее "жёсткая", чем у льда. Вследствие теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие образуются.

Рис. Кристаллическая решётка льда. Молекулы воды H 2 O (чёрные шарики) в её узлах расположены так, что каждая имеет четырёх „соседок".

Полярность молекул воды, наличие в них частично нескомпенсированных электрических зарядов порождает склонность к группировке молекул в укрупненные «сообщества» – ассоциаты. Оказывается, полностью соответствует формуле Н2O лишь вода, находящаяся в парообразном состоянии. Это показали результаты определения молекулярной массы водяного пара. В температурном интервале от 0 до 100°С концентрация отдельных (мономерных молекул) жидкой воды не превышает 1%. Все остальные молекулы воды объединены в ассоциаты различной степени сложности, и их состав описывается общей формулой (H 2 O)x.

Непосредственной причиной образования ассоциатов являются водородные связи между молекулами воды. Они возникают между ядрами водорода одних молекул и электронными «сгущениями» у ядер кислорода других молекул воды. Правда, эти связи в десятки раз слабее, чем «стандартные» внутримолекулярные химические связи, и достаточно обычных движений молекул, чтобы разрушить их. Но под влиянием тепловых колебаний так же легко возникают и новые связи этого типа. Возникновение и распад ассоциатов можно выразить схемой:

x·H 2 O↔ (H 2 O) x

Поскольку электронные орбитали в каждой молекуле воды образуют тетраэдрическую структуру, водородные связи могут упорядочить расположение молекул воды в виде тетраэдрических координированных ассоциатов.

Большинство исследователей объясняют аномально высокую теплоемкость жидкой воды тем, что при плавлении льда его кристаллическая структура разрушается не сразу. В жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами. В ней остаются как бы обломки льда - ассоциаты из большого или меньшего числа молекул воды. Однако в отличие от льда каждый ассоциат существует недолго. Постоянно происходит разрушение одних и образование других ассоциатов. При каждом значении температуры в воде устанавливается свое динамическое равновесие в этом процессе. А при нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей в ассоциатах. При этом на разрыв каждой связи расходуется 0,26-0,5 эВ. Этим и объясняется аномально высокая теплоемкость воды по сравнению с расплавами других веществ, не образующих водородных связей. При нагревании таких расплавов энергия расходуется только на сообщение тепловых движений их атомам или молекулам. Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при переходе воды в пар. На правильность такой точки зрения указывает и то обстоятельство, что удельная теплоемкость водяного пара при 100°С практически совпадает с удельной теплоемкостью льда при 0°С.

Рисунок ниже:

Элементарным структурным элементом ассоциата является кластер: Рис. Отдельный гипотетический кластер воды. Отдельные кластеры образуют ассоциаты молекул воды (H 2 O) x: Рис. Кластеры из молекул воды образуют ассоциаты.

Существует и другая точка зрения на природу аномально высокой теплоемкости воды. Профессор Г. Н. Зацепина заметила, что молярная теплоемкость воды, составляющая 18 кал/(мольград), точно равна теоретической молярной теплоемкости твердого тела с трехатомными кристаллами. А в соответствии с законом Дюлонга и Пти атомные теплоемкости всех химически простых (одноатомных) кристаллических тел при достаточно высокой температуре одинаковы и равны 6 калДмоль o град). А для трехатомных, в граммоле которых содержится 3 N а узлов кристаллической решетки, - в 3 раза больше. (Здесь N а - число Авогадро).

Отсюда следует, что вода является как бы кристаллическим телом, состоящим из трехатомных молекул Н 2 0. Это соответствует распространенному представлению о воде как смеси кристаллоподобных ассоциатов с небольшой примесью свободных молекул H 2 O воды между ними, число которых растет с повышением температуры. С этой точки зрения вызывает удивление не высокая теплоемкость жидкой воды, а низкая твердого льда. Уменьшение удельной теплоемкости воды при замерзании объясняется отсутствием поперечных тепловых колебаний атомов в жесткой кристаллической решетке льда, где у каждого протона, обуславливающего водородную связь, остается только одна степень свободы для тепловых колебаний вместо трех.

Но за счет чего и как могут происходить столь большие изменения теплоемкости воды без соответствующих изменений давления? Чтобы ответить на этот вопрос, познакомимся с гипотезой кандидата геолого-минералогических наук Ю. А. Колясникова о структуре воды.

Он указывает, что еще первооткрыватели водородных связей Дж. Бернал и Р. Фаулер в 1932 г. сравнивали структуру жидкой воды с кристаллической структурой кварца, а те ассоциаты, о которых говорилось выше, - это в основном тетрамеры 4Н 2 0, в которых четыре молекулы воды соединены в компактный тетраэдр с двенадцатью внутренними водородными связями. В результате образуется четырёхгранная пирамида - тетраэдр.

При этом, водородные связи в этих тетрамерах могут образовывать как право- так и левовинтовую последовательности, подобно тому, как кристаллы широко распространённого кварца (Si0 2), тоже имеющие тетраэдрическую структуру, бывают право- и лево-вращательной кристаллической форм. Поскольку каждый такой тетрамер воды имеет еще и четыре незадействованные внешние водородные связи (как у одной молекулы воды), то тетрамеры могут соединяться этими внешними связями в своего рода полимерные цепочки, наподобие молекулы ДНК. А поскольку внешних связей всего четыре, а внутренних - в 3 раза больше, то это позволяет тяжелым и прочным тетрамерам в жидкой воде изгибать, поворачивать и даже надламывать эти ослабленные тепловыми колебаниями внешние водородные связи. Это и обуславливает текучесть воды.

Такую структуру вода, по мнению Колясникова, имеет только в жидком состоянии и, возможно, частично в парообразном. А вот во льду, кристаллическая структура, которого хорошо изучена, тетрагидроли соединены между собой негибкими равнопрочными прямыми водородными связями в ажурный каркас с большими пустотами в нем, что делает плотность льда меньше плотности воды.

Рис. Кристаллическая структура льда: молекулы воды соединены в правильные шестиугольники

Когда же лед тает, часть водородных связей в нем ослабевает и изгибается, что ведет к перестройке структуры в вышеописанные тетрамеры и делает жидкую воду более плотной, чем лед. При 4°С наступает состояние, когда все водородные связи между тетрамерами максимально изогнуты, чем и обуславливается максимум плотности воды при этой температуре. Дальше связям гнуться некуда.

При температуре выше 4°С начинается разрывание отдельных связей между тетрамерами, и при 36-37°С оказывается разорвана половина внешних водородных связей. Это и определяет минимум на кривой зависимости удельной теплоемкости воды от температуры. При температуре же 70°С разорваны уже почти все межтетрамерные связи, и наряду со свободными тетрамерами в воде остаются только короткие обрывки "полимерных" цепочек из них. Наконец при кипении воды происходит окончательный разрыв теперь уже одиночных тетрамеров на отдельные молекулы Н 2 0. И то обстоятельство, что удельная теплота испарения воды ровно в 3 раза больше суммы удельных теплот плавления льда и последующего нагрева воды до 100°С, является подтверждением предположения Колясникова о том. что число внутренних связей в тетрамере в 3 раза больше числа внешних.

Такая тетраэдрально-винтовая структура воды может быть обусловлена ее древней реологической связью с кварцем и другими кремнекислородными минералами, преобладающими в земной коре, из недр которой когда-то появилась вода на Земле. Как маленький кристаллик соли заставляет окружающий его раствор кристаллизоваться в подобные ему кристаллы, а не в другие, так кварц заставил молекулы воды выстраиваться в тетраэдрические структуры, которые, энергетически наиболее выгодны. А в нашу эпоху в земной атмосфере водяные пары, конденсируясь в капли, образуют такую структуру потому, что в атмосфере всегда присутствуют мельчайшие капельки аэрозольной воды, уже имеющей эту структуру. Они и являются центрами конденсации водяных паров в атмосфере. Ниже приведены возможные цепочечные силикатные структуры на основе тетраэдра, которые могут быть составлены и из тетраэдров воды.

Рис. Элементарный правильный кремне-кислородный тетраэдр SiO 4 4- .

Рис. Элементарные кремнекислородные единицы-ортогруппы SiO 4 4- в структуре Mg-пироксена энстатите (а) и диортогруппы Si 2 O 7 6- в Са-пироксеноиде волластоните (б).

Рис. Простейшие типы островных кремнекислородных анионных группировок: а-SiO 4 , б-Si 2 O 7 , в-Si 3 O 9 , г-Si 4 О 12 , д-Si 6 O 18 .

Рис. ниже - Важнейшие типы кремнекислородных цепочечных анионных группировок (по Белову): а-метагерманатная, б - пироксеновая, в - батиситовая, г-волластонитовая, д-власовитовая, е-мелилитовая, ж-родонитовая, з-пироксмангитовая, и-метафосфатная, к-фторобериллатная, л - барилитовая.

Рис. ниже - Конденсация пироксеновых кремнекислородных анионов в сотовые двухрядные амфиболовые (а), трехрядные амфиболоподобные (б), слоистые тальковые и близкие им анионы (в).

Рис. ниже - Важнейшие типы ленточных кремнекислородных группировок (по Белову): а - силлиманитовая, амфиболовая, ксонотлитовая; б-эпидидимитовая; в-ортоклазовая; г-нарсарсукитовая; д-фенакитовая призматическая; е-эвклазовая инкрустированная.

Рис. справа - Фрагмент (элементарный пакет) слоистой кристаллической структуры мусковита KAl 2 (AlSi 3 O 10 XOH) 2 , иллюстрирующий переслаивание алюмокремне-кислородных сеток с полиэдрическими слоями крупных катионов алюминия и калия, напоминает цепочку ДНК.

Возможны и другие модели водной структуры. Тетраэдрически связанные молекулы воды образуют своеобразные цепочки довольно стабильного состава. Исследователи раскрывают все более тонкие и сложные механизмы «внутренней организации» водной массы. Кроме льдоподобной структуры, жидкой воды и мономерных молекул, описан и третий элемент структуры – нететраэдрической.

Определенная часть молекул воды ассоциирована не в трехмерные каркасы, а в линейные кольцевые объединения. Кольца, группируясь, образуют еще более сложные комплексы ассоциатов.

Таким образом, вода теоретически может образовывать цепочки, наподобие молекулы ДНК, о чём будет сказано ниже. В этой гипотезе интересно еще и то, что из нее следует равновероятность существования право - и левовинтовой воды. Но биологами давно подмечено, что в биологических тканях и структурах наблюдаются только либо лево -, либо правовинтовые образования. Пример тому - белковые молекулы, построенные только из лево-винтовых аминокислот и закрученные только по левовинтовой спирали. А вот сахара в живой природе - все только правовинтовые. Никто пока не смог объяснить, почему в живой природе обнаруживается такое предпочтение к левому в одних случаях и к правому - в других. Ведь в неживой природе с равной вероятностью встречаются как право-, так и левовинтовые молекулы.

Более ста лет назад знаменитый французский естествоиспытатель Луи Пастер обнаружил, что органические соединения в составе растений и животных оптически асимметричны - они вращают плоскость поляризации падающего на них света. Все аминокислоты, входящие в состав животных и растений, вращают плоскость поляризации влево, а все сахара - вправо. Если мы синтезируем такие же по химическому составу соединения, то в каждом из них будет равное количество лево- и правовращающих молекул.

Как известно, все живые организмы состоят из белков, а они, в свою очередь, - из аминокислот. Соединяясь друг с другом в разнообразной последовательности, аминокислоты образуют длинные пептидные цепи, которые самопроизвольно "закручиваются" в сложные белковые молекулы. Подобно многим другим органическим соединениям, аминокислоты обладают хиральной симметрией (от греч. хирос - рука), то есть могут существовать в двух зеркально симметричных формах, называемых "энантиомеры". Такие молекулы похожи одна на другую, как левая и правая рука, поэтому их называют D- и L-молекулами (от лат. dexter, laevus - правый и левый).

Теперь представим себе, что среда с левыми и правыми молекулами перешла в состояние только с левыми или только с правыми молекулами. Такую среду специалисты называют хирально (от греческого слова "хейра" - рука) упорядоченной. Самовоспроизведение живого (биопоэз - по определению Д. Бернала) могло возникнуть и поддерживаться только в такой среде.

Рис. Зеркальная симметрия в природе

Другое название молекул-энантиомеров - "правовращающие" и "левовращающие" - происходит от их способности вращать плоскость поляризации света в различных направлениях. Если линейно поляризованный свет пропустить через раствор таких молекул, происходит поворот плоскости его поляризации: по часовой стрелке, если молекулы в растворе правые, и против - если левые. А в смеси одинаковых количеств D-и L-форм (она называется "рацемат") свет сохранит первоначальную линейную поляризацию. Это оптическое свойство хиральных молекул впервые было обнаружено Луи Пастером в 1848 году.

Любопытно, что почти все природные белки состоят только из левых аминокислот. Этот факт тем более удивляет, что при синтезе аминокислот в лабораторных условиях образуется примерно одинаковое число правых и левых молекул. Оказывается, этой особенностью обладают не только аминокислоты, но и многие другие важные для живых систем вещества, причем каждое имеет строго определенный знак зеркальной симметрии во всей биосфере. Например, сахара, входящие в состав многих нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот ДНК и РНК, представлены в организме исключительно правыми D-молекулами. Хотя физические и химические свойства "зеркальных антиподов" совпадают, их физиологическая активность в организмах различна: L-caxaра не усваиваются, L-фенилаланин в отличие от безвредных его D-молекул вызывает психические заболевания и т. д.

Согласно современным представлениям о происхождении жизни на Земле, выбор органическими молекулами определенного типа зеркальной симметрии послужил главной предпосылкой их выживания и последующего самовоспроизводства. Однако вопрос, как и почему произошел эволюционный отбор того или иного зеркального антипода, - до сих пор остается одной из самых больших загадок науки.

Советский ученый Л. Л. Морозов доказал, что переход к хиральной упорядоченности мог произойти не эволюционно, а только при каком-то определённом резком фазовом изменении. Академик В. И. Гольданский назвал этот переход, благодаря которому зародилась жизнь на Земле хиральной катастрофой.

Как же возникли условия для фазовой катастрофы, вызвавшей хиральный переход?

Наиболее важным было то, что органические соединения плавились при 800-1000 0С в земной коре, а верхние остывали до температуры космоса, то есть абсолютного нуля. Перепад температуры достигал 1000 °С. В таких условиях органические молекулы плавились под действием высокой температуры и даже полностью разрушались, а верх оставался холодным, так как органические молекулы замораживались. Газы и пары воды, которые просачивались из земной коры, меняли химический состав органических соединений. Газы несли с собой тепло, из-за чего граница плавления органического слоя смещалась вверх и вниз, создавая градиент.

При очень низких давлениях атмосферы вода была на земной поверхности лишь в виде пара и льда. Когда же давление достигало так называемой тройной точки воды (0,006 атмосферы), вода впервые смогла находиться в виде жидкости.

Конечно, лишь экспериментально можно доказать, что именно вызвало хиральный переход: земные или космические причины. Но так или иначе в какой-то момент хирально упорядоченные молекулы (а именно - левовращающие аминокислоты и правовращающие сахара) оказались более устойчивыми и начался неостановимый рост их количества - хиральный переход.

Летопись планеты повествует и о том, что тогда на Земле не было ни гор, ни впадин. Полурасплавленная гранитная кора представляла собой поверхность столь же ровную, как уровень современного океана. Однако в пределах этой равнины все же были понижения из-за неравномерного распределения масс внутри Земли. Эти понижения сыграли чрезвычайно важную роль.

Дело в том, что плоскодонные впадины поперечником в сотни и даже тысячи километров и глубиной не более ста метров, вероятно, и стали колыбелью жизни. Ведь в них стекала вода, собиравшаяся на поверхности планеты. Вода разбавляла хиральные органические соединения в пепловом слое. Постепенно менялся химический состав соединения, стабилизировалась температура. Переход от неживого к живому, начавшийся в безводных условиях, продолжался уже в водной среде.

Таков ли сюжет зарождения жизни? Вероятнее всего, что да. В геологическом разрезе Исуа (Западная Гренландия), возраст которого 3,8 миллиарда лет, найдены бензино- и нефтеподобные соединения с изотопным соотношением С12/С13, свойственным углероду фотосинтетического происхождения.

Если биологическая природа углеродистых соединений из разреза Исуа подтвердится, то получится, что весь период зарождения жизни на Земле - от возникновения хиральной органики до появления клетки, способной к фотосинтезу и размножению,- был пройден лишь за сто миллионов лет. И в этом процессе огромную роль сыграли молекулы воды и ДНК.

Самое удивительное в структуре воды заключается в том, что молекулы воды при низких отрицательных температурах и высоких давлениях внутри нанотрубок могут кристаллизоваться в форме двойной спирали, напоминающую ДНК. Это было доказано компьютерными экспериментами американских учёных под руководством Сяо Чэн Цзэна в Университете штата Небраска (США).

ДНК представляет собой двойную цепочку, скрученную в спираль. Каждая нить состоит из "кирпичиков" - из последовательно соединенных нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК содержит одно из четырёх азотистых оснований - гуанин (G), аденин (A) (пурины), тимин (T) и цитозин (C) (пиримидины), связанное с дезоксирибозой, к последней, в свою очередь, присоединена фосфатная группа. Между собой соседние нуклеотиды соединены в цепи фосфодиэфирной связью, образованной 3"-гидроксильной (3"-ОН) и 5"-фосфатной группами (5"-РО3). Это свойство обуславливает наличие полярности в ДНК, т.е. противоположной направленности, а именно 5"- и 3"-концов: 5"-концу одной нити соответствует 3"-конец второй нити. Последовательность нуклеотидов позволяет «кодировать» информацию о различных типах РНК, наиболее важными из которых являются информационные, или матричные (мРНК), рибосомальные (рРНК) и транспортные (тРНК). Все эти типы РНК синтезируются на матрице ДНК за счёт копирования последовательности ДНК в последовательность РНК, синтезируемой в процессе транскрипции и принимают участие в важнейшем процессе жизни – передачи и копирования информации (трансляции).

Первичная структура ДНК - это линейная последовательность нуклеотидов ДНК в цепи. Последовательность нуклеотидов в цепи ДНК записывают в виде буквенной формулы ДНК: например - AGTCATGCCAG, запись ведется с 5"- на 3"-конец цепи ДНК.

Вторичная структура ДНК образуется за счет взаимодействий нуклеотидов (в большей степени азотистых оснований) между собой, водородных связей. Классический пример вторичной структуры ДНК - двойная спираль ДНК. Двойная спираль ДНК - самая распространенная в природе форма ДНК, состоящая из двух полинуклеотидных цепей ДНК. Построение каждой новой цепи ДНК осуществляется по принципу комплементарности, т.е. каждому азотистому основанию одной цепи ДНК соответствует строго определенное основание другой цепи: в комплемнтарной паре напротив A стоит T, а напротив G располагается C и т.д.

Чтобы вода сформировала спираль, наподобие, в моделируемом эксперименте она "помещалась" в нанотрубки под высоким давлением, варьирующимися в разных опытах от 10 до 40000 атмосфер. После этого задавали температуру, которая имела значение -23°C. Запас по сравнению с температурой замерзания воды делался в связи с тем, что с повышением давления температура плавления водяного льда понижается. Диаметр нанотрубок составлял от 1,35 до 1,90 нм.

Рис. Общий вид структуры воды (изображение New Scientist)

Молекулы воды связываются между собой посредством водородных связей, расстояние между атомами кислорода и водорода равно 96 пм, а между двумя водородами - 150 пм. В твёрдом состоянии атом кислорода участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды. При этом отдельные молекулы H 2 O соприкасаются друг с другом разноимёнными полюсами. Таким образом, образуются слои, в которых каждая молекула связана с тремя молекулами своего слоя и одной из соседнего. В результате, кристаллическая структура льда состоит из шестигранных "трубок" соединенных между собой, как пчелиные соты.

Рис. Внутренняя стенка структуры воды (изображение New Scientist)

Учёные ожидали увидеть, что вода во всех случаях образует тонкую трубчатую структуру. Однако, модель показала, что при диаметре трубки в 1,35 нм и давлении в 40000 атмосфер водородные связи искривились, приведя к образованию спирали с двойной стенкой. Внутренняя стенка этой структуры является скрученной в четверо спиралью, а внешняя состоит из четырёх двойных спиралей, похожих на структуру молекулы ДНК.

Последний факт накладывает отпечаток не только на эволюцию наших представлений о воде, но и эволюцию ранней жизни и самой молекулы ДНК. Если предположить, что в эпоху зарождения жизни криолитные глинистые породы имели форму нанотрубок, возникает вопрос - не могла ли вода, сорбированная в них служить структурной основой (матрицей) для синтеза ДНК и считывания информации? Возможно, поэтому спиральная структура ДНК повторяет спиральную структуру воды в нанотрубках. Как сообщает журнал New Scientist, теперь нашим зарубежным коллегам предстоит подтвердить существование таких макромолекул воды в реальных экспериментальных условиях с использованием инфракрасной спектроскопии и спектроскопии нейтронного рассеяния.

К.х.н. О.В. Мосин