Gheaţă- un mineral cu formula chimica H2O, este apa in stare cristalina.

Compoziția chimică a gheții: H - 11,2%, O - 88,8%. Uneori gheața conține impurități mecanice gazoase și solide. În natură, gheața este reprezentată în principal de una dintre câteva modificări cristaline, stabilă în intervalul de temperatură de la 0 la 80°C, cu un punct de topire de 0°C.

Structura cristalină a gheții asemănătoare cu structura diamantului: fiecare moleculă de H20 este înconjurată de patru molecule cele mai apropiate de ea, situate la aceeași distanță de acesta, egală cu 2,76 A și situate la vârfurile unui tetraedru regulat. Datorită numărului scăzut de coordonare, structura gheții este ajurata, ceea ce îi afectează densitatea (0,917).

Proprietățile gheții: Gheața este incoloră. În ciorchini mari, capătă o nuanță albăstruie. Strălucire de sticlă. Transparent. Nu are decolteu. Duritate 1,5. Fragil. Optic pozitiv, indice de refracție foarte scăzut (n = 1,310, nm = 1,309).

Forme de găsire a gheții: Gheața este un mineral foarte comun în natură. Există mai multe tipuri de gheață în scoarța terestră: râu, lac, mare, sol, brad și ghețar. Mai des formează acumulări agregate de boabe cu granulație fină. De asemenea, sunt cunoscute formațiunile cristaline de gheață care apar prin sublimare, adică direct din starea de vapori. În aceste cazuri, gheața are aspectul de cristale scheletice (fulgi de zăpadă) și agregate de creștere scheletică și dendritică (gheață de peșteră, îngheț, brumă și modele pe sticlă). Se găsesc cristale mari, bine tăiate, dar foarte rar.
Stalactitele de gheață, numite colocvial „țurțuri”, sunt familiare tuturor. Cu diferențe de temperatură de aproximativ 0 ° în anotimpurile de toamnă-iarnă, ele cresc peste tot pe suprafața Pământului cu înghețarea lentă (cristalizarea) a apei curgătoare și care picura. Ele sunt, de asemenea, comune în peșterile de gheață.
Malurile de gheață sunt fâșii de acoperire de gheață din gheață care se cristalizează la limita apă-aer de-a lungul marginilor rezervoarelor și marginind marginile bălților, malurilor râurilor, lacurilor, iazurilor, rezervoarelor etc. cu restul zonei de apă neînghețată. Odată cu coalescența lor completă, pe suprafața rezervorului se formează o acoperire continuă de gheață.
Gheața formează, de asemenea, agregate columnare paralele sub formă de nervuri fibroase în solurile poroase și antoliți de gheață pe suprafața lor.

Formarea și depozitele de gheață: Gheața se formează în principal în bazinele de apă când temperatura aerului scade. În același timp, la suprafața apei apare terci de gheață, format din ace de gheață. De jos, pe ea cresc cristale lungi de gheață, în care axele de simetrie de ordinul șase sunt perpendiculare pe suprafața crustei. Raporturile dintre cristalele de gheață în diferite condiții de formare sunt prezentate în fig. Gheața este răspândită oriunde există umiditate și unde temperatura scade sub 0 ° C. În unele zone, gheața de sol se dezgheță doar la o adâncime nesemnificativă, sub care începe permafrostul. Acestea sunt așa-numitele regiuni de permafrost; în zonele de distribuție a permafrostului în straturile superioare ale scoarței terestre, există așa-numitele. gheața subterană, printre care se disting gheața subterană modernă și cea fosilă. Cel puțin 10% din întreaga suprafață terestră a Pământului este acoperită de ghețari, roca monolitică de gheață care le alcătuiește se numește gheață glaciară. Gheața glaciară se formează în principal din acumularea zăpezii ca urmare a compactării și transformării acesteia. Calota de gheață acoperă aproximativ 75% din suprafața Groenlandei și aproape toată Antarctica; cea mai mare grosime de ghețari (4330 m) a fost stabilită în apropierea stației Baird (Antarctica). În centrul Groenlandei, grosimea gheții ajunge la 3200 m.

Depozitele de gheață sunt bine cunoscute. În zonele cu ierni lungi reci și veri scurte, precum și în regiunile muntoase înalte, se formează peșteri de gheață cu stalactite și stalagmite, dintre care cele mai interesante sunt Kungurskaya din regiunea Perm din Urali, precum și peștera Dobshine din Slovacia. .
Gheața de mare se formează atunci când apa de mare îngheață. Proprietățile caracteristice ale gheții marine sunt salinitatea și porozitatea, care determină intervalul densității sale de la 0,85 la 0,94 g/cm3. Datorită unei densități atât de scăzute, bancurile de gheață se ridică deasupra suprafeței apei cu 1/7-1/10 din grosimea lor. Gheața de mare începe să se topească la temperaturi peste -2,3°C; este mai elastică și mai greu de destrămat decât gheața de apă dulce.

Varietate de gheață:

eu. Gheață atmosferică: zăpadă, ger, grindină.

gheata atmosferica- particule de gheață suspendate în atmosferă sau căzute pe suprafața pământului (precipitații solide), precum și cristale de gheață sau depozite amorfe formate pe suprafața pământului, pe suprafața obiectelor terestre și pe aeronave în aer.
Zăpadă- precipitatii solide care cad sub forma de fulgi de zapada. Zăpada cade din multe tipuri de nori, în special din nimbostratus (ningea). Zăpada este un tip tipic de precipitații de iarnă care formează un strat de zăpadă.
Îngheţ- un strat subțire neuniform de cristale de gheață, format pe sol, iarbă și obiecte din sol din vaporii de apă atmosferici atunci când suprafața pământului se răcește la temperaturi negative, mai mici decât temperatura aerului.
grindină- precipitații atmosferice sub formă de particule de gheață rotunde sau de formă neregulată (grindină) cu dimensiunea de 5-55 mm. Grindină cade în sezonul cald din nori puternici cumulonimbus, puternic dezvoltați în sus, de obicei în timpul averselor și furtunilor.

II. Apă gheață (acoperire cu gheață) , formată la suprafața apei și în masa apei la diferite adâncimi: intra-apă, gheață de fund.

Capac de gheață- gheata solida care se formeaza in timpul sezonului rece la suprafata oceanelor, marilor, raurilor, lacurilor, rezervoarelor artificiale, precum si adusa din zonele invecinate. În regiunile cu latitudini mari, există pe tot parcursul anului.
gheata- acumularea de cristale primare de gheață formate în coloana de apă și pe fundul corpului de apă.
gheata de jos- gheata depusa pe fundul unui rezervor sau suspendata in apa. Gheața de fund se observă pe fundul râurilor, mărilor și lacurilor mici, pe obiecte scufundate în apă și în locuri puțin adânci. Gheața de fund se formează în timpul cristalizării apei suprarăcite și are o structură poroasă liberă.

III. gheață subterană.

gheață subterană- gheata, situata in straturile superioare ale scoartei terestre. Gheața subterană se găsește în zonele cu permafrost. În momentul formării, gheața subterană modernă și cea fosilă se disting, după origine:
A). gheata primara, apărute în procesul de înghețare a depozitelor libere;
b). gheata secundara- un produs al cristalizării apei și vaporilor de apă (a) în crăpături (gheață în filă), (b) în pori și goluri (gheață de peșteră), (c) gheață îngropată care se formează la suprafața pământului și apoi este acoperită de roci sedimentare .

IV. Gheață glaciară.

gheață glaciară- rocă monolitică de gheață care alcătuiește ghețarul. Gheața glaciară se formează în principal din acumularea zăpezii ca urmare a compactării și transformării acesteia.

Precum și:

gheata de ac Gheață care se formează în apă calmă la suprafața unui râu. Gheața aciculară are forma unor cristale prismatice cu axe situate pe direcția orizontală, ceea ce conferă gheții o structură stratificată.
gheață albă gri- gheata tanara de 15-30 cm grosime.De obicei, atunci cand este comprimata, gheata gri-alb cocoase.
gheață cenușie- gheata tanara de 10-15 cm grosime.De obicei gheata cenusie este stratificata in timpul compresiei.
gheata de suprafata- gheata cristalina care apare la suprafata apelor.
Salo- formațiuni primare de gheață de suprafață, formate din cristale aciforme și lamelare sub formă de pete sau un strat subțire continuu de culoare cenușie.
Salvați- benzi de gheață care mărginesc țărmurile cursurilor de apă, lacurilor și rezervoarelor, restul zonei de apă neînghețând.

Peștera de gheață Kungur situat în regiunea Perm, pe malul drept al râului Sylva. Peștera de gheață Kungur s-a format în urmă cu câteva mii de ani, când apa de topire și de ploaie s-a spălat treptat în stratul de gips. munte de gheață cavități uriașe și tuneluri.

Potrivit oamenilor de știință moderni, vârsta peșterii de gheață este de aproximativ 10-12 mii de ani. Peștera a apărut pe locul mării, care a devenit puțin adâncă din cauza ridicării lanțului Ural și constă în principal din gips și roci de calcar. Lungimea totală a părții sale studiate este de aproximativ 5,6 kilometri. Dintre aceștia, 1,4 kilometri sunt echipați pentru excursii.

Prima persoană care a început să efectueze tururi regulate ale Peșterii de Gheață a fost nepotul strănepotului unui om de știință remarcabil, explorator al Americii Ruse - K.T. Hlebnikov - Alexei Timofeevici Hlebnikov. În 1914, Khlebnikov, după ce a închiriat peștera de la comunitatea locală de țărani, a început să își organizeze spectacolele plătite pentru locuitorii din Kungur și oaspeții orașului. Datorită eforturilor lui Alexei Khlebnikov, vestea „miracolului Kungur” s-a răspândit rapid în diferite părți ale țării. După moartea lui Hlebnikov în 1951, tururi ale pestera de gheata au fost organizate de angajații spitalului filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, iar în 1969, când afluxul de turiști a crescut la 100 de mii de oameni pe an, a fost deschis Biroul de călătorii și excursii Kungur. În 1983, pe locul clădirii de birouri din lemn ars a fost construit un complex turistic modern „Stalagmit”, capabil să primească până la 350 de turiști în același timp.

VIN DE GHEAZA

vin de gheață(franceză Vin de glace, italiană Vino di ghiaccio, engleză Ice wine, germană Eiswein) este un vin de desert făcut din struguri înghețați pe viță de vie. Vinul de gheață are o alcoolemie medie (9-12%), conținut semnificativ de zahăr (150-25 g/l) și aciditate ridicată (10-14 g/l). De obicei este făcut din Riesling sau Vidal.
Zahărul și alte substanțe dizolvate nu îngheață, spre deosebire de apă, permițând ca mustul de struguri mai concentrat să fie stors din strugurii înghețați; rezultatul este o cantitate mică de vin mai concentrat, foarte dulce.
Datorită procesului de producție cu forță de muncă intensă și riscantă de cantități relativ mici, vinul de gheață este destul de scump. Este nevoie de 13-15 kg de struguri pentru a face 350 ml de astfel de vin. Din 50 de tone de struguri se obtin doar 2 tone de vin.

MISTERE DE GHEAZĂ

Puneți un cub mic de gheață într-un pahar parțial umplut cu apă. Apoi ia o bucată de ață, lungă de 30 de centimetri. Sarcina este să scoți cubul de gheață din sticlă, folosind doar firul ca dispozitiv de ridicare. Nu puteți face bucle din fir, mutați paharul și atingeți cubul de gheață cu degetele. Sugestiile dumneavoastră?

Răspunsul complet corect este: Așezați mijlocul firului pe fața superioară a cubului. Acum turnați puțină sare deasupra firului (practica va arăta cât de mult să turnați). Din cauza sării, gheața de sub fir se va topi puțin, apa sărată se va scurge din cub, concentrația de sare va scădea, iar apa va îngheța din nou în jurul firului, înghețându-l în gheață. După câteva minute, veți putea ridica firul împreună cu cubul de gheață.

CASA DE GHEATĂ

Romanul istoric „Casa de gheață”(autorul Lazhechnikov I.I.) este unul dintre cele mai bune romane istorice rusești, înfățișând epoca sumbră a domniei împărătesei Anna Ioannovna, dominația lucrătorului temporar al lui Biron și a germanilor la curtea rusă, care a fost numită „Birovshchina”. Casa de gheață a fost publicată în august 1835.
În 1740, împărăteasa Anna Ioannovna a organizat o nuntă clovnească la Casa de Gheață. De dragul distracției împărătesei, pe malul Nevei, între Palatul de Iarnă și Amiraalitate, s-a construit un întreg oraș din gheață cu casă, porți, decorațiuni sculpturale de gheață. Așa este descris acest fapt istoric de I.I. Lazhechnikov în romanul său:

Nunta lui Jester în Casa de Gheață

Nunta clovnească din Casa de Gheață a deschis sărbătorile rusești cu ocazia încheierii păcii de la Belgrad. Volynsky însuși a condus alaiul mascaradei de nuntă, iar un elefant sub pături de pâslă a mers în spatele trăsurii ministrului...
I-au pus pe miri pe un elefant și i-au dus la Casa de Gheață. Pe gheața Nevei, întâmpinând un frate viu, se auzi un vuiet de elefant de gheață în interiorul căruia stăteau muzicienii, cântând pe țevi. Din trompa unui elefant, o fântână aprinsă s-a repezit spre el. Pe părțile laterale ale casei se aflau piramide gheață cu felinare. Oamenii s-au înghesuit în jur, pentru că în piramide erau expuse „poze haioase” (nu întotdeauna decente, în spiritul epitalelor de căsătorie ale lui Catul).
Cei mici au fost lăsați jos de pe elefant, au fost duși mai întâi la baie, unde au făcut o baie de aburi. Apoi ei intră casa de gheata permis. Ușile din stânga holului dezvăluiau mobilierul dormitorului. Deasupra toaletei atârnau oglinzi și erau ceasuri de buzunar din gheață. Adiacent dormitorului era o cameră pentru odihnă după plăcerile căsătoriei. În fața canapelelor înghețate stătea o masă înghețată, pe care ustensile de gheață(vase, pahare, decantoare și pahare). Toate acestea au fost pictate în diferite culori - foarte frumoase!
Santinelele nu i-au lăsat pe noii căsătoriți să iasă din Casa de Gheață:
- Unde te duci? Împărăteasa ți-a ordonat să petreci toată noaptea aici... Du-te și întinde-te!
În spatele pereților de gheață, un elefant de gheață a țipat îngrozitor, eliberând ulei din trunchi la douăzeci și patru de picioare în aer. Gurile delfinului ardeau și ele cu ulei, ca focul iadului. Tunurile de gheață i-au salutat pe tineri, aruncând tunuri de gheață în jurul miezului cu un trosnet teribil...
Proaspetii casatoriti erau dezbracati. Pe capul lui Buzheninova i-au pus o șapcă de noapte din gheață, în care gerul tare a înlocuit șiretul. Pantofi de gheață au fost așezați pe picioarele lui Golitsyn. Proaspeții căsătoriți erau așezați pe foi de gheață - sub pături de gheață ... Și în piramide plăci mobile de imagini amuzante s-au rotit toată noaptea ...
La opt dimineața, tinerii au fost executați - înțepeni. Această noapte - prima lor noapte! Ele nu au fost niciodată uitate.

CRIOTERAPIA

Istoria omenirii conține multe exemple de utilizare a apei reci și a gheții pentru a prelungi frumusețea și longevitatea activă. feldmareșalul Suvorov s-a stropit cu apă rece în fiecare zi, iar Catherine a II-a și-a șters fața cu gheață. Și astăzi în Rusia există mulți adepți ai învățăturilor lui P. Ivanov, care se stropesc cu apă rece de două ori pe zi.
Sfârșitul secolului al XX-lea a fost marcat de o schimbare calitativă în abordarea utilizării efectului de întinerire al frigului asupra organismului uman, agenții naturali ai gheții și ai apei rece au fost înlocuiți cu proceduri bazate pe utilizarea unor temperaturi extrem de scăzute - crioterapia.

Fizioterapia criogenică este o fuziune a celor mai recente realizări în domeniul fizicii și fiziologiei și aparține de drept tehnologiilor secolului XXI. Analiza științifică a secolelor de experiență a făcut posibilă determinarea mecanismului efectului stimulator al frigului asupra corpului uman.

Crioterapia- cea mai rapida si confortabila procedura cosmetica.
Esența terapiei criogenice este că o persoană este scufundată într-un strat de gaz răcit la o temperatură de -140 ° C pentru o perioadă scurtă de timp (2-3 minute) până la gât. Temperatura și timpul procedurii sunt selectate ținând cont de caracteristicile pielii corpului uman, astfel încât în ​​timpul procedurii doar un strat subțire de suprafață în care se află receptorii termici are timp să se răcească, iar corpul în sine nu are timp. pentru a experimenta hipotermie vizibilă.

Mai mult, datorită proprietăților speciale ale gazului rece, procedura este destul de confortabilă, senzația de frig este neașteptat de plăcută, mai ales vara.
Motivul pentru popularitatea crioterapiei este că expunerea la receptorii de frig ale pielii determină o eliberare puternică de endorfine în organism. Pentru a obține același efect, aveți nevoie de 1,5 - 2 ore de activitate fizică intensă. Procedura dă un efect cosmetic colosal, mai ales în tratarea celulitei. Lista rezultatelor pozitive din utilizarea crioterapiei poate fi continuată pe termen nelimitat, deoarece această procedură normalizează imunitatea și metabolismul, de exemplu. elimină cauzele fundamentale ale tuturor bolilor. Dar, pentru succes, trebuie să folosiți echipamente speciale și să urmați metoda crioterapiei.

MISTERELE APEI

Apă- o substanță uimitoare. Spre deosebire de alți compuși similari, are multe anomalii. Acestea includ un punct de fierbere neobișnuit de ridicat și căldura de vaporizare. Apa se caracterizează printr-o capacitate termică mare, ceea ce îi permite să fie folosită ca purtător de căldură în centralele termice. În natură, această proprietate se manifestă prin înmuierea climei în apropierea corpurilor mari de apă. Tensiunea superficială neobișnuit de mare a apei a determinat capacitatea sa bună de a umezi suprafețele solidelor și de a prezenta proprietăți capilare, de exemplu. capacitatea de a urca în porii și fisurile rocilor și materialelor în ciuda gravitației.

O proprietate foarte rară a apei se manifestă în timpul transformării ei din stare lichidă în stare solidă. Această tranziție este asociată cu o creștere a volumului și, în consecință, cu o scădere a densității.
Oamenii de știință au demonstrat că apa în stare solidă are o structură deschisă, cu cavități și goluri. Când sunt topite, sunt umplute cu molecule de apă, astfel încât densitatea apei lichide este mai mare decât densitatea apei solide. Deoarece gheața este mai ușoară decât apa, plutește pe ea și nu se scufundă în fund, ceea ce joacă un rol foarte important în natură.

Este interesant că, dacă se creează o presiune ridicată deasupra apei și apoi este răcită până la îngheț, atunci gheața formată în condiții de presiune crescută nu se topește la 0 ° C, ci la o temperatură mai ridicată. Astfel, gheața obținută prin înghețarea apei, care se află sub o presiune de 20.000 atm, în condiții normale, se topește doar la 80°C.

O altă anomalie a apei lichide este asociată cu modificări inegale ale densității sale cu temperatura. S-a stabilit de mult timp că apa are cea mai mare densitate la o temperatură de +4°C. Când apa din iaz se răcește, straturile de suprafață mai grele se scufundă, rezultând o bună amestecare a apei calde și mai ușoare de adâncime cu apa de suprafață. Imersia straturilor de suprafață are loc doar atâta timp cât apa din rezervor se răcește la +4°C. După acest prag, densitatea straturilor de suprafață mai reci nu crește, ci scade și plutesc la suprafață fără a se scufunda. Când sunt răcite sub 0°C, aceste straturi de suprafață se transformă în gheață.

SCALPEL DE GHEAZA

Bisturiu de gheață- acesta este numele instrumentului folosit în chirurgie pentru criodistrucție. Aceasta este o sondă specială prin care azotul lichid este furnizat într-un punct dat. În jurul acului sondei se formează o minge de gheață - o minge de gheață cu parametri specificați care acționează asupra țesutului care trebuie îndepărtat. Cu alte cuvinte, criodistrucția este degerătură a țesutului alterat patologic. Când sunt înghețate, cristalele de gheață se formează în celulele sale și în spațiul intercelular, ceea ce duce la necroză, moarte.
În timpul criodistrucției, pacientul practic nu simte durere, deoarece „bisturiul de gheață” îngheață și terminațiile nervoase. Metoda este destul de rapidă, fără sânge și nedureroasă.

acid glacial

Acid glaciar- acid acetic anhidru CH3COOH. Este un lichid higroscopic incolor sau cristale incolore cu miros înțepător. Este miscibil cu apa, alcool etilic si dietileter in toate proportiile. Acest acid este distilat cu abur. Acidul acetic glaciar se obține prin fermentarea unor substanțe organice și prin sinteză. Acidul glaciar se găsește în distilarea uscată a lemnului. Cantități mici de acid glacial pot fi găsite în corpul uman.
Aplicație.
Acidul acetic glaciar este utilizat pentru sinteza coloranților, producerea de acetat de celuloză, acetonă și multe alte substanțe. Sub formă de oțet și esență de oțet, este folosit în industria alimentară și în viața de zi cu zi pentru gătit.

STARE GHEAZĂ

condiţiile de gheaţă- aceasta este starea stratului de gheață de pe mări, râuri, lacuri și rezervoare. Condițiile de gheață sunt caracterizate de o întreagă gamă de factori:
- tipul rezervorului,
- condiții climatice,
- grosimea și concentrația stratului de gheață,
- cantitatea de gheata
- natura evoluţiei stratului de gheaţă.

ciupercă de gheață

ciuperca de gheata- alias „ciuperca de zăpadă”, „ciuperca gelatinoasă comestibilă”, „ciuperca de corali”, în formă de tremella fucus (Tremella fuciformis), alias „ciuperca de zăpadă”.
ciuperca de gheata numit așa pentru că arată ca un bulgăre de zăpadă. Este comestibilă și este considerată o delicatesă în China și Japonia. Ciuperca de gheață nu are un gust pronunțat, dar se caracterizează printr-o textură foarte interesantă, în același timp fragedă, crocantă și primăvară.
Ciupercile de gheață sunt preparate în moduri diferite, pot fi conservate ca ciupercile obișnuite, adăugate la o omletă sau transformate într-un desert. Valoarea deosebită a acestor ciuperci constă în furnizarea simultană a ciupercilor cu nutrienți și proprietățile lor medicinale.
Ciupercă de gheață de vânzare la locurile care vând mâncare coreeană.

ZONA GEACATA

zona de gheata- Aceasta este o zonă naturală adiacentă polilor globului.
În emisfera nordică, zona de gheață include periferia nordică a Peninsulei Taimyr, precum și numeroase insule din Arctica - zone situate în jurul Polului Nord, sub constelația Ursa Major ("arktos" în greacă - urs). Acestea sunt insulele nordice ale Arhipelagului Arctic canadian, Groenlanda, Svalbard, Ținutul Franz Josef etc.

APĂ TOPITĂ

Topiți apa apare atunci când gheața se topește și rămâne la o temperatură de 0 ° C până când toată gheața se topește. Specificitatea interacțiunilor intermoleculare, caracteristică structurii gheții, se păstrează și în apa de topire, deoarece numai 15% din toate legăturile de hidrogen sunt distruse în timpul topirii cristalului. Prin urmare, legătura dintre fiecare moleculă de apă și cei patru vecini ai săi („ordinea pe distanță scurtă”) inerentă gheții nu este încălcată în mare măsură, deși rețeaua cadrului de oxigen este mai difuză.

Yu. I. GOLOVIN
Universitatea de Stat Tambov G.R. Derzhavin
Soros Educational Journal, Vol. 6, Nr. 9, 2000

Apă și gheață: știm suficient despre ele?

Yu. I. GOLOVIN

Sunt descrise proprietățile fizice ale apei și gheții. Sunt discutate mecanismele diferitelor fenomene din aceste substanțe. În ciuda perioadei lungi de studiu și a compoziției chimice simple, apa și gheața – substanțe extrem de valoroase pentru viața pe pământ – adăpostesc multe mistere din cauza structurii lor dinamice și a protonilor complicate.

Se face o scurtă trecere în revistă a proprietăților fizice ale apei și gheții. Sunt luate în considerare mecanismele diferitelor fenomene din ele. Se arată că, în ciuda istoriei de secole a studiului, a celei mai simple compoziții chimice și a importanței excepționale pentru viața de pe Pământ, natura apei și a gheții este plină de multe mistere datorită structurii complexe dinamice a protonilor și moleculare.

Deși simplitatea este mai necesară pentru oameni,
Tot ceea ce este complicat le este mai clar.

B.L. Păstârnac

Poate că nu există pe Pământ o substanță mai comună și, în același timp, mai misterioasă decât apa în faze lichide și solide. Într-adevăr, este suficient să ne amintim că toată viața a ieșit din apă și constă din mai mult de 50% din ea, că 71% din suprafața Pământului este acoperită cu apă și gheață și o parte semnificativă din teritoriile nordice ale pământului. este permafrost. Pentru a vizualiza cantitatea totală de gheață de pe planeta noastră, observăm că, în cazul topirii acestora, apa din oceane se va ridica cu peste 50 m, ceea ce va duce la inundarea unor suprafețe de uscat gigant de pe tot globul. Au fost descoperite mase uriașe de gheață în univers, inclusiv în sistemul solar. Nu există o singură producție mai mult sau mai puțin semnificativă, activitate casnică a unei persoane, în care să nu fie folosită apa. În ultimele decenii, au fost descoperite rezerve mari de combustibil sub formă de hidrați solizi de hidrocarburi naturale, asemănătoare gheții.

În același timp, după numeroase succese în fizica și fizicochimia apei în ultimii ani, cu greu se poate susține că proprietățile acestei substanțe simple sunt pe deplin înțelese și previzibile. Acest articol oferă o scurtă prezentare a celor mai importante proprietăți fizice ale apei și gheții și probleme nerezolvate legate în principal de fizica stărilor lor de temperatură scăzută.

Această moleculă complexă

Bazele înțelegerii moderne a chimiei fizice a apei au fost puse în urmă cu aproximativ 200 de ani de Henry Cavendish și Antoine Lavoisier, care au descoperit că apa nu este un simplu element chimic, așa cum credeau alchimiștii medievali, ci o combinație de oxigen și hidrogen într-un un anumit raport. De fapt, hidrogenul (hidrogenul) - care dă naștere apei - și-a primit numele abia după această descoperire, iar apa a căpătat o denumire chimică modernă, acum cunoscută de fiecare școlar, - H 2 O.

Deci, molecula de H 2 O este construită din doi atomi de hidrogen și un atom de oxigen. După cum se stabilește prin studiile spectrelor optice ale apei, într-o stare ipotetică de absență completă a mișcării (fără vibrații și rotații), ionii de hidrogen și oxigen ar trebui să ocupe poziții la vârfurile unui triunghi isoscel cu un unghi la vârful ocupat de oxigen. de 104,5° (Fig. 1, a). În starea neexcitată, distanțele dintre ionii H + și O 2− sunt de 0,96 Å. Datorită acestei structuri, molecula de apă este un dipol, deoarece densitatea electronilor în regiunea ionului O 2− este mult mai mare decât în ​​regiunea ionilor H +, iar modelul cel mai simplu, modelul sferei, este prost potrivit. pentru descrierea proprietăților apei. Se poate imagina o moleculă de apă sub forma unei sfere cu două mici umflături în regiunea în care sunt localizați protonii (Fig. 1b). Cu toate acestea, acest lucru nu ajută la înțelegerea unei alte caracteristici a apei - capacitatea de a forma legături direcționale de hidrogen între molecule, care joacă un rol imens în formarea structurii sale spațiale slăbite, dar în același timp foarte stabile, care determină majoritatea proprietăți fizice atât în ​​stare lichidă, cât și în stare solidă.

Orez. unu. Schema geometrică (a), modelul plat (b) și structura electronică spațială (c) a monomerului H 2 O. Doi dintre cei patru electroni ai învelișului exterior al atomului de oxigen participă la crearea legăturilor covalente cu atomii de hidrogen și celelalte două formează orbite de electroni puternic alungite, planul care este perpendicular pe planul H–O–H

Reamintim că o legătură de hidrogen este o astfel de legătură între atomi dintr-o moleculă sau molecule învecinate, care se realizează printr-un atom de hidrogen. Ocupă o poziție intermediară între o legătură covalentă și nevalentă și se formează atunci când un atom de hidrogen este situat între doi atomi electronegativi (O, N, F etc.). Un electron dintr-un atom de H este legat relativ slab de un proton, astfel încât densitatea maximă de electroni se schimbă la un atom mai electronegativ, iar protonul este expus și începe să interacționeze cu un alt atom electronegativ. În acest caz are loc apropierea atomilor О⋅⋅⋅О, N⋅⋅⋅О etc. la o distanță apropiată de ceea ce s-ar stabili între ele în absența unui atom de H. Legătura de hidrogen determină nu numai structura apei, ci joacă și un rol extrem de important în viața biomoleculelor: proteine, carbohidrați, acizi nucleici, etc.

Evident, pentru a explica natura apei, este necesar să se țină cont de structura electronică a moleculelor acesteia. După cum știți, învelișul superior al unui atom de oxigen are patru electroni, în timp ce hidrogenul are doar un electron. Fiecare legătură covalentă O–H este formată de un electron din atomi de oxigen și hidrogen. Cei doi electroni care rămân în oxigen se numesc pereche singură, deoarece într-o moleculă de apă izolată ei rămân liberi, neparticipând la formarea legăturilor în cadrul moleculei de H 2 O. Dar atunci când se apropie de alte molecule, acești electroni singuri joacă un rol important. rol decisiv în formarea structurii moleculare a apei .

Electronii singuri sunt respinși de legăturile O–H, astfel încât orbitele lor sunt puternic alungite în direcția opusă atomilor de hidrogen, iar planurile orbitelor sunt rotite în raport cu planul format de legăturile O–H–O. Astfel, ar fi mai corect să descriem o moleculă de apă într-un spațiu tridimensional de coordonate xyz sub formă de tetraedru, în centrul căruia se află un atom de oxigen, iar în două vârfuri se află câte un atom de hidrogen (Fig. 1, c). Structura electronică a moleculelor de H 2 O determină condițiile asocierii lor într-o rețea tridimensională complexă de legături de hidrogen atât în ​​apă, cât și în gheață. Fiecare dintre protoni poate forma o legătură cu electronul singur al altei molecule. În acest caz, prima moleculă acționează ca un acceptor, iar a doua acționează ca un donor, formând o legătură de hidrogen. Deoarece fiecare moleculă de H2O are doi protoni și doi electroni singuri, poate forma simultan patru legături de hidrogen cu alte molecule. Astfel, apa este un lichid complex asociat cu o natură dinamică a legăturilor, iar descrierea proprietăților sale la nivel molecular este posibilă doar cu ajutorul unor modele mecanice cuantice de diferite grade de complexitate și rigoare.

Gheața și proprietățile ei

Din perspectiva omului obișnuit, gheața este mai mult sau mai puțin aceeași indiferent de locul în care se formează: în atmosferă ca grindina, pe marginile acoperișurilor ca țurțuri sau în corpurile de apă ca plăci. Din punct de vedere al fizicii, există multe varietăți de gheață care diferă în structura lor moleculară și mezoscopică. În gheața care există la presiune normală, fiecare moleculă de H 2 O este înconjurată de alte patru, adică numărul de coordonare al structurii este patru (așa-numita gheață I h). Rețeaua cristalină corespunzătoare - hexagonală - nu este compactă, prin urmare densitatea gheții obișnuite (~0,9 g / cm 3) este mai mică decât densitatea apei (~ 1 g / cm 3), pentru a cărei structură, ca Studiile de difracție cu raze X arată că numărul mediu de coordonare este ~ 4,4 (față de 4 pentru gheața Ih). Pozițiile fixe din structura gheții sunt ocupate doar de atomi de oxigen. Doi atomi de hidrogen pot ocupa poziții diferite pe cele patru legături ale moleculei de H 2 O cu alți vecini. Datorită hexagonalității rețelei, cristalele care cresc în stare liberă (de exemplu, fulgii de zăpadă) au o formă hexagonală.

Cu toate acestea, faza hexagonală nu este în niciun caz singura formă de existență a gheții. Numărul exact al altor faze cristaline - forme polimorfe de gheață - este încă necunoscut. Se formează la presiuni mari și temperaturi scăzute (Fig. 2). Unii cercetători consideră că prezența a 12 astfel de faze este stabilită cu precizie, în timp ce alții numără până la 14. Desigur, aceasta nu este singura substanță care are polimorfism (amintiți-vă, de exemplu, grafitul și diamantul, constând din atomi de carbon identici din punct de vedere chimic) , dar numărul de faze diferite de gheață, care continuă să se deschidă până astăzi, este uimitor. Toate cele de mai sus se refereau la aranjarea ordonată a ionilor de oxigen în rețeaua cristalină a gheții. În ceea ce privește protonii - ionii de hidrogen - așa cum se arată prin difracția neutronilor, există o dezordine puternică în aranjarea lor. Astfel, gheața cristalină este atât un mediu bine ordonat (în ceea ce privește oxigenul) cât și simultan dezordonat (în ceea ce privește hidrogenul).

Orez. 2. Diagrama de fază a gheții cristaline.
Cifrele romane indică zonele de existență
faze stabile. Gheața IV este o fază metastabilă
pentru, situat pe diagrama din interiorul regiunii V

Adesea pare că gheața este maleabilă și fluidă. Așa este, dacă temperatura este aproape de punctul de topire (adică t \u003d 0 ° C la presiunea atmosferică), iar sarcina acționează mult timp. Și cel mai rigid material (de exemplu, metal) la temperaturi apropiate de punctul de topire se comportă în mod similar. Deformarea plastică a gheții, ca, într-adevăr, a multor alte corpuri cristaline, are loc ca urmare a nucleării și mișcării prin cristal a diferitelor imperfecțiuni structurale: vacante, atomi interstițiali, granițe și, cel mai important, dislocații. După cum a fost stabilit încă din anii 1930, prezența acestuia din urmă predetermina o scădere bruscă a rezistenței solidelor cristaline la deformarea plastică (cu un factor de 102-104 în raport cu rezistența unei rețele ideale). Până în prezent, în gheața Ih au fost descoperite toate tipurile de dislocații caracteristice structurii hexagonale, iar caracteristicile micromecanice și electrice ale acestora au fost studiate.

Influența vitezei de deformare asupra proprietăților mecanice ale gheții monocristaline este bine ilustrată în Fig. 3, preluat din cartea lui N. Maeno. Se poate observa că odată cu creșterea vitezei de deformare, tensiunile mecanice σ necesare curgerii plasticului cresc rapid și apare un dinte de curgere uriaș pe dependența deformarii relative E de σ.

Orez. 3.(pe ). Curbele de stres sunt deformarea relativă pentru un singur cristal de gheață Ih la t = -15°С (alunecare de-a lungul planului bazal orientat la un unghi de 45° față de axa de compresie). Numerele de pe curbe indică rata relativă de deformare ( ∆l– modificarea lungimii probei l pe parcursul ∆τ ) în unităţi de 10 −7 s −1

Orez. patru. Schema formării defectelor în subsistemul de protoni al gheții: (a) o pereche de defecte ionice H 3 O + și OH − ; b – pereche de defecte Bjerrum orientative D și L

Nu mai puțin remarcabile sunt proprietățile electrice ale gheții. Valoarea conductibilității și creșterea ei exponențială rapidă odată cu creșterea temperaturii disting brusc gheața de conductorii metalici și o pun la egalitate cu semiconductorii. De obicei, gheața este foarte pură din punct de vedere chimic, chiar dacă crește din apă murdară sau soluție (gândiți-vă la bucăți curate și transparente de gheață într-o băltoacă murdară). Acest lucru se datorează solubilității scăzute a impurităților din structura gheții. Ca urmare, în timpul înghețului, impuritățile sunt împinse la o parte pe frontul de cristalizare în lichid și nu intră în structura gheții. De aceea, zăpada proaspăt căzută este întotdeauna albă, iar apa din ea este excepțional de pură.

Natura a furnizat cu înțelepciune o stație de tratare a apei gigantică la scara întregii atmosfere a Pământului. Prin urmare, nu se poate conta pe o conductivitate ridicată a impurităților (ca, de exemplu, în siliciul dopat) în gheață. Dar nu există electroni liberi în el, ca în metale. Abia în anii 1950 s-a stabilit că purtătorii de sarcină din gheață sunt protoni dezordonați, adică gheața este un semiconductor de protoni.

Saltul de protoni menționat mai sus creează două tipuri de defecte în structura gheții: ionice și orientative (Fig. 4). În primul caz, protonul trece de-a lungul legăturii de hidrogen de la o moleculă de H 2 O la alta (Fig. 4, a), rezultând formarea unei perechi de defecte ionice H 3 O + și OH − , iar în al doilea , la legătura de hidrogen adiacentă dintr-o moleculă de H 2 O (Fig. 4b), rezultând o pereche de defecte Bjerrum orientative, numite defecte L și D (din germană leer - gol și doppelt - dublu). Formal, un astfel de salt poate fi considerat ca o rotație a moleculei de H2O cu 120°.

Curgerea curentului continuu datorită mișcării numai defectelor ionice sau numai de orientare este imposibilă. Dacă, de exemplu, un ion H 3 O + a trecut prin orice parte a rețelei, atunci următorul ion similar nu va putea trece pe aceeași cale. Cu toate acestea, dacă un defect D este trecut pe această cale, atunci aranjamentul protonilor va reveni la cel original și, în consecință, următorul ion H 3 O + va putea trece și el. Se comportă similar defectele OH − și L. Prin urmare, conductivitatea electrică a gheții pure din punct de vedere chimic este limitată de acele defecte, care sunt mai puține, și anume, cele ionice. Polarizarea dielectrică, pe de altă parte, se datorează mai multor defecte de orientare Bjerrum. De fapt, atunci când se aplică un câmp electric extern, ambele procese rulează în paralel, ceea ce permite gheții să conducă un curent continuu și, în același timp, să experimenteze o polarizare dielectrică puternică, adică să prezinte atât proprietățile unui semiconductor, cât și proprietățile. a unui izolator. În ultimii ani, s-au făcut încercări de a detecta proprietăți feroelectrice și piezoelectrice ale gheții pure la temperaturi scăzute atât în ​​vrac, cât și la interfețe. Nu există încă o încredere completă în existența lor, deși au fost descoperite câteva efecte pseudo-piezoelectrice asociate cu prezența dislocațiilor și a altor defecte structurale.

Fizica suprafeței și cristalizarea gheții

În legătură cu dezvoltarea tehnologiei semiconductoarelor, microminiaturizarea bazei elementului și trecerea la tehnologiile plane, interesul pentru fizica suprafețelor a crescut foarte mult în ultimul deceniu. Multe tehnici subtile au fost dezvoltate pentru studierea stărilor apropiate de suprafață în solide, care s-au dovedit utile în studiul metalelor, semiconductorilor și dielectricilor. Cu toate acestea, structura și proprietățile suprafeței gheții adiacente vaporilor sau lichidului rămân în mare parte neclare. Una dintre cele mai intrigante ipoteze, prezentată de M. Faraday, este existența unui strat cvasi-lichid pe suprafața gheții cu o grosime de zeci sau sute de angstromi chiar și la o temperatură mult sub punctul de topire. Baza pentru aceasta este nu numai construcțiile speculative și teoriile structurii straturilor apropiate de suprafață ale moleculelor de H 2 O puternic polarizate, ci și determinări subtile (folosind metoda rezonanței magnetice nucleare) ale stării de fază a suprafeței gheții, ca precum și conductivitatea sa de suprafață și dependența sa de temperatură. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor de importanță practică, proprietățile suprafeței zăpezii și gheții sunt cel mai probabil determinate de prezența unui film de apă macroscopic, mai degrabă decât de un strat cvasi-lichid.

Topirea straturilor de gheață din apropierea suprafeței sub influența luminii solare, a unei atmosfere mai calde sau a unui corp solid care alunecă pe ea (patine, schiuri, alergători de sanie) este crucială pentru realizarea unui coeficient de frecare scăzut. Frecarea de alunecare scăzută nu este rezultatul unei scăderi a punctului de topire sub acțiunea presiunii crescute, așa cum se crede adesea, ci o consecință a eliberării căldurii de frecare. Calculul arată că efectul presiunii, chiar și în cazul unei patine ascuțite care alunecă pe gheață, sub care se dezvoltă o presiune de aproximativ 1 MPa, duce la o scădere a temperaturii de topire cu doar ~0,1°C, ceea ce nu poate afecta semnificativ. valoarea de frecare.

O tradiție stabilită în descrierea proprietăților apei și gheții este constatarea și discutarea multor proprietăți anormale care disting această substanță de omologi (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te). Poate cea mai importantă este căldura specifică de fuziune (cristalizare) și capacitatea termică foarte mare (dintre substanțele simple), adică este dificil să se topească gheața și este dificil să înghețe apa. Ca urmare, clima de pe planeta noastră este în general destul de blândă, dar în absența apei (de exemplu, în deșerturile Africii fierbinți), contrastul dintre temperaturile de zi și de noapte este mult mai mare decât pe coasta oceanului în același timp. latitudine. Vital pentru biosferă este capacitatea de a crește în volum în timpul cristalizării, și nu de a scădea, așa cum o face marea majoritate a substanțelor cunoscute. Ca urmare, gheața plutește în apă, mai degrabă decât se scufundă, și încetinește foarte mult înghețarea corpurilor de apă pe vreme rece, protejând toate viețuitoarele care se ascund în ea pentru iarnă. Acest lucru este facilitat și de modificarea nemonotonă a densității apei pe măsură ce temperatura scade la 0°C - una dintre cele mai cunoscute proprietăți anormale ale apei, descoperită în urmă cu mai bine de 300 de ani. Densitatea maximă este atinsă la t = 4°C, iar acest lucru împiedică scufundarea în fund a straturilor subterane de apă care s-au răcit la o temperatură sub 4°C. Amestecarea convectivă a lichidului este blocată, ceea ce încetinește foarte mult răcirea ulterioară. Alte anomalii ale apei sunt cunoscute de destul de mult timp: vâscozitatea de forfecare la 20°C, căldura specifică la 40°C, compresibilitatea izotermă la 46°C, viteza de propagare a sunetului la 60°C. Vâscozitatea apei scade odată cu creșterea presiunii și nu crește, ca și în cazul altor lichide. Este clar că proprietățile anormale ale apei se datorează caracteristicilor structurale ale moleculei sale și specificului interacțiunilor intermoleculare. Nu s-a obținut încă o claritate completă cu privire la aceasta din urmă. Proprietățile descrise mai sus se referă la apă, gheață și interfața dintre ele, existente în condiții de echilibru termodinamic. Probleme cu un nivel complet diferit de complexitate apar atunci când se încearcă descrierea dinamicii tranziției fazei apă-gheață, mai ales în condiții care sunt departe de echilibrul termodinamic.

Cauza termodinamică a oricărei tranziții de fază este diferența dintre potențialele chimice ale particulelor de pe o parte și cealaltă a interfeței ∆µ = µ 1 −µ 2 . Potențialul chimic µ este o funcție de stare care determină modificările potențialelor termodinamice atunci când se modifică numărul N de particule din sistem, adică µ = G/N, unde G = H − TS este potențialul termodinamic Gibbs, H este entalpia, S este entropia, T este temperatura. Diferența de potențiale termodinamice este forța motrice a unui proces macroscopic (la fel cum diferența de potențiale electrice la capetele unui conductor este cauza unui curent electric). Pentru µ1 = µ2, ambele faze pot coexista în echilibru pentru un timp arbitrar lung. La presiune normală, potențialul chimic al apei este egal cu potențialul chimic al gheții la t = 0°C. La or< 0°С более низким химическим потенциалом обладает лед, но это еще не означает, что при любом, самом маленьком переохлаждении начнется кристаллизация. Опыт показывает, что тщательно очищенный от примесей, обезгаженный, деионизированный расплав может быть переохлажден относительно точки равновесия фаз на десятки кельвин (а для некоторых веществ и на сотни). Анализ показывает, что причина заключается в отсутствии зародышей новой фазы (центров кристаллизации, конденсации, парообразования и т.д.).

Nucleii se pot forma și omogen, adică din mediul însuși, care se află într-o stare metastabilă, dar pentru aceasta trebuie îndeplinite anumite condiții. Să începem să luăm în considerare situația ținând cont de faptul că orice interfață dintre un cristal și o topitură (sau vapori, soluție) introduce energie suplimentară Sα, unde S este aria limitei, α este energia de suprafață. În plus, moleculele de N care au format cristalul sămânță au o energie mai mică decât într-un lichid cu N∆µ. Ca urmare, modificarea energiei totale în sistem la apariția nucleului ∆U = −N∆µ + Sα se dovedește a fi dependentă nemonoton de N. Într-adevăr, pentru un nucleu sferic

unde A = (36πV 2) 1/3 V este volumul pe moleculă din cristal. Din cele de mai sus rezultă că ∆U atinge ∆Uc = - N c ∆µ + AN c 2/3 α când N c = (2Aα/3∆µ) 3 molecule sunt în nucleu.

Astfel, atunci când moleculele sunt atașate succesiv de nucleu, sistemul trebuie mai întâi să urce în vârful unui deal potențial cu o înălțime ∆U s, în funcție de suprarăcire, după care creșterea ulterioară a azotului în cristal va continua cu o scădere a energiei. , adică mai ușor. S-ar părea că cu cât temperatura lichidului este mai scăzută, adică cu cât suprarăcirea este mai puternică, cu atât mai repede ar trebui să se desfășoare cristalizarea. Așa este într-adevăr cu hipotermie nu prea mare. Cu toate acestea, pe măsură ce t scade, vâscozitatea lichidului crește și ea exponențial, împiedicând mișcarea moleculelor. Ca urmare, la grade mari de suprarăcire, procesul de cristalizare poate fi întârziat cu mulți ani (cum este cazul paharelor de diverse origini).

Estimările numerice arată că pentru apa în grade normale de suprarăcire în condiții naturale (∆t = 1–10°C), nucleul ar trebui să fie format din câteva zeci de molecule, ceea ce este mult mai mare decât numărul de coordonare în faza lichidă (~4,4). ). Astfel, sistemul are nevoie de un număr mare de încercări de fluctuație pentru a urca în vârful dealului energetic. În apa purificată nu foarte atent, suprarăcirea puternică este împiedicată de prezența centrelor de cristalizare deja existente, care pot fi particule de impurități, particule de praf, neregularități ale pereților vasului etc. Ulterior, cinetica de creștere a cristalelor depinde de condițiile de transfer de căldură din apropiere. interfața, precum și asupra morfologiei acestuia din urmă la nivel molecular atomic.

Apa puternic suprarăcită are două temperaturi caracteristice t h = -36°C și t g = -140°C. Apa bine purificată și degazată în intervalul de temperatură 0°C > t > t h poate rămâne în stare de lichid suprarăcit pentru o perioadă lungă de timp. La t g< t < t h происходит гомогенное зарождение кристалликов льда, и вода не может находиться в переохлажденном состоянии при любой степени очистки. В условиях достаточно быстрого охлаждения при t < tg подвижность молекул воды настолько падает (а вязкость растет), что она образует стеклообразное твердое тело с аморфной структурой, свойственной жидкостям. При этом в области невысоких давлений образуется аморфная фаза низкой плотности, а в области повышенных – аморфная фаза высокой плотности, то есть вода демонстрирует полиаморфизм. При изменениях давления или температуры одна аморфная фаза скачком переходит в другую с неожиданно большим изменением плотности (>20%).

Există mai multe puncte de vedere asupra naturii poliamorfismului apei. Astfel, conform , acest comportament al apei puternic suprarăcite poate fi explicat dacă presupunem că există mai mult de un minim în profilul potențial al interacțiunii a două molecule de H2O,

Orez. 5(pe ). Profiluri potențiale ipotetice: a – cu un minim energetic (de exemplu, potențialul Lennard-Jones U(r) = A/r 6 − B/r 12) și b – cu două minime energetice, care corespund la două configurații stabile ale unui grup de două molecule care interacționează apă (1 și 2) cu distanțe diferite între centrele condiționale ale moleculelor r H și r L ; prima dintre ele corespunde unei faze cu o densitate mai mare, a doua - cu una mai mică.

și două (Fig. 5). Apoi faza amorfă cu densitate mare va corespunde distanței medii rH, iar faza cu densitate mică - rL. Modelarea computerizată confirmă acest punct de vedere, dar încă nu există dovezi experimentale de încredere pentru această ipoteză, la fel cum nu există nicio teorie riguroasă care să confirme validitatea utilizării unui potențial dublu puț pentru a descrie astfel de proprietăți neobișnuite ale apei suprarăcite.

Comportamentul apei suprarăcite este de mare interes din diverse motive. În special, determină condițiile climatice, posibilitatea și modul de navigație la latitudini mari, ceea ce este relevant pentru țara noastră. În procesul de cristalizare dinamică la interfață apar multe fenomene interesante și până acum puțin înțelese, de exemplu, redistribuirea impurităților, separarea și relaxarea ulterioară a sarcinilor electrice, însoțite de radiații electromagnetice într-o bandă largă de frecvență etc. În cele din urmă, cristalizarea într-un lichid puternic suprarăcit este excelentă, ușor reproductibilă de mai multe ori.o situație model a comportării unui sistem departe de echilibrul termodinamic și capabil, ca urmare a dezvoltării instabilităților, de formare de dendrite de diverse ordine și dimensiuni. (reprezentanții tipici sunt fulgii de zăpadă și modelele de gheață pe ferestre), convenabil pentru crearea și modelarea comportamentului fractalilor.

Procesele de topire a gheții la prima vedere par mai ușor de analizat decât procesele de cristalizare. Cu toate acestea, ei lasă și multe întrebări. Deci, de exemplu, se crede larg că apa de topire de ceva timp are proprietăți care diferă de cele ale apei obișnuite, cel puțin în raport cu obiectele biologice: plante, animale, oameni. Probabil, aceste caracteristici se pot datora purității chimice ridicate (datorită coeficientului scăzut de captare a impurităților remarcat în timpul cristalizării gheții), diferențelor de conținut de gaze și ioni dizolvați și, de asemenea, memorării structurii gheții în clustere multimoleculare ale fazei lichide. Cu toate acestea, autorul nu deține informații sigure despre aceasta, obținute prin metode fizice moderne.

Nu mai puțin dificilă este analiza mecanismelor de influență a câmpurilor fizice externe, în special a câmpurilor magnetice, asupra proceselor și proprietăților apei, gheții și tranzițiilor de fază. Toată viața noastră se desfășoară sub acțiunea constantă a câmpului magnetic al Pământului și a fluctuațiilor sale slabe. Timp de multe secole, magnetobiologia și metodele magnetice de tratament în medicină au fost dezvoltate. În cele din urmă, unitățile sunt produse comercial și utilizate pe scară largă pentru magnetizarea apei utilizate pentru irigații în agricultură (pentru creșterea productivității), alimentarea cazanelor cu abur (pentru a reduce rata de formare a calcarului în acestea), etc. Cu toate acestea, nu există încă o descriere fizică satisfăcătoare a mecanismelor de acțiune a unui câmp magnetic în aceste cazuri și în alte cazuri similare.

Concluzie

Apa, gheața și transformările lor reciproce de fază sunt încă pline de multe mistere. Rezolvarea lor nu este doar o problemă fizică foarte interesantă, ci și extrem de importantă pentru viața de pe Pământ, deoarece este direct legată de sănătatea și bunăstarea omului. Poate că ele oferă unul dintre cele mai izbitoare exemple ale rolului structurii electronice și moleculare în formarea proprietăților fizice în cea mai simplă și binecunoscută compoziție chimică a materiei.

Literatură:

1. Bogorodsky V.V., Gavrilo V.P. Gheaţă. L.: Gidrometeoizdat, 1980. 384 p.

2. Maeno N. Știința gheții. M.: Mir, 1988. 231 p.

3. Hobbs P.V. fizica gheții. Oxford: Univ. Press, 1974. 864 p.

4. Zatsepina G.N. Proprietățile fizice și structura apei. M.: Editura Universității de Stat din Moscova, 1998. 184 p.

5. Mishima O., Stanley E. Relația dintre apa lichidă, suprarăcită și sticloasă // Natură. 1998 Vol. 396. P. 329–335.

6. Zolotukhin I.V. Fractali în fizica stării solide // Soros Educational Journal. 1998. Nr 7. S. 108–113. Revizor articol B.A. Strukov

Yuri Ivanovich Golovin, doctor în științe fizice și matematice, profesor, șef. Departamentul de Fizică Teoretică și Experimentală, Universitatea de Stat Tambov. G.R. Derzhavin, om de știință onorat al Federației Ruse. Domeniul de interes științific este structura electronică a defectelor în solide și proprietățile macroscopice cauzate de acestea. Autor și coautor a peste 200 de lucrări științifice, inclusiv monografii și 40 de invenții.

Astăzi vom vorbi despre proprietățile zăpezii și gheții. Merită să clarificăm că gheața se formează nu numai din apă. Pe lângă gheața de apă, există amoniac și metan. Nu cu mult timp în urmă, oamenii de știință au inventat gheața carbonică. Proprietățile sale sunt unice, le vom lua în considerare puțin mai târziu. Se formează atunci când dioxidul de carbon este înghețat. Gheața carbonică și-a primit numele deoarece nu lasă bălți când se topește. Dioxidul de carbon din compoziția sa se evaporă imediat în aer dintr-o stare înghețată.

Definiţia ice

În primul rând, să aruncăm o privire mai atentă la gheața, care se obține din apă. În interior se află rețeaua cristalină corectă. Gheața este un mineral natural obișnuit produs atunci când apa îngheață. O moleculă din acest lichid se leagă de patru cele mai apropiate. Oamenii de știință au observat că o astfel de structură internă este inerentă diferitelor pietre prețioase și chiar minerale. De exemplu, diamantul, turmalina, cuarțul, corindonul, berilul și altele au o astfel de structură. Moleculele sunt ținute la distanță de o rețea cristalină. Aceste proprietăți ale apei și gheții sugerează că densitatea unei astfel de gheață va fi mai mică decât densitatea apei datorită căreia s-a format. Prin urmare, gheața plutește pe suprafața apei și nu se scufundă în ea.

Milioane de kilometri pătrați de gheață

Știți câtă gheață este pe planeta noastră? Conform celor mai recente cercetări ale oamenilor de știință, pe planeta Pământ există aproximativ 30 de milioane de kilometri pătrați de apă înghețată. După cum probabil ați ghicit, cea mai mare parte a acestui mineral natural se află pe calotele polare. În unele locuri, grosimea stratului de gheață ajunge la 4 km.

Cum să obțineți gheață

A face gheață este foarte ușor. Acest proces nu va fi dificil, deoarece nu necesită abilități speciale. Acest lucru necesită o temperatură scăzută a apei. Aceasta este singura condiție constantă pentru procesul de formare a gheții. Apa va îngheța când termometrul tău arată sub 0 grade Celsius. Procesul de cristalizare începe în apă din cauza temperaturilor scăzute. Moleculele sale sunt construite într-o structură ordonată interesantă. Acest proces se numește formarea unei rețele cristaline. La fel este și în ocean, într-o băltoacă și chiar și într-un congelator.

Cercetarea înghețată

Efectuând un studiu privind înghețarea apei, oamenii de știință au ajuns la concluzia că rețeaua cristalină este construită în straturile superioare ale apei. La suprafață încep să se formeze bețișoare microscopice de gheață. Puțin mai târziu, au înghețat împreună. Din acest motiv, la suprafața apei se formează o peliculă subțire. Corpurile mari de apă durează mult mai mult să înghețe decât apa plată. Acest lucru se datorează faptului că vântul se leagănă și scutură suprafața unui lac, iaz sau râu.

Clatite cu gheata

Oamenii de știință au făcut o altă observație. Dacă valurile continuă la temperaturi scăzute, atunci cele mai subțiri filme se adună în clătite cu un diametru de aproximativ 30 cm. Apoi se îngheață într-un singur strat, a cărui grosime nu este mai mică de 10 cm. Un nou strat de gheață îngheață pe gheață clătite de sus și de jos. Aceasta formează un strat de gheață gros și durabil. Forța sa depinde de specie: gheața cea mai transparentă va fi de câteva ori mai puternică decât gheața albă. Ecologiștii au observat că gheața de 5 centimetri poate rezista la greutatea unui adult. Un strat de 10 cm este capabil să reziste la o mașină de pasageri, dar trebuie amintit că este foarte periculos să ieși pe gheață toamna și primăvara.

Proprietățile zăpezii și gheții

Fizicienii și chimiștii au studiat de multă vreme proprietățile gheții și apei. Cea mai faimoasă și, de asemenea, importantă proprietate a gheții pentru oameni este capacitatea sa de a se topi cu ușurință chiar și la temperatură zero. Dar și alte proprietăți fizice ale gheții sunt importante pentru știință:

• gheața este transparentă, deci transmite bine lumina soarelui;
• incoloră - gheața nu are culoare, dar poate fi vopsită cu ușurință cu aditivi de culoare;
• duritate - masele de gheață își păstrează perfect forma fără învelișuri exterioare;
• fluiditatea este o proprietate particulară a gheții, inerentă unui mineral doar în unele cazuri;
• fragilitate - o bucată de gheață poate fi împărțită cu ușurință fără prea mult efort;
• clivaj - gheața se desparte ușor în acele locuri în care a crescut împreună de-a lungul liniei cristalografice.

Gheață: Proprietăți de deplasare și puritate

Conform compoziției sale, gheața are un grad ridicat de puritate, deoarece rețeaua cristalină nu lasă spațiu liber pentru diferite molecule străine. Când apa îngheață, ea înlocuiește diverse impurități care au fost dizolvate cândva în ea. În același mod, puteți obține apă purificată acasă.

Dar unele substanțe pot încetini procesul de înghețare a apei. De exemplu, sare în apa de mare. Gheața de mare se formează numai la temperaturi foarte scăzute. În mod surprinzător, procesul de înghețare a apei în fiecare an este capabil să mențină auto-purificarea de diverse impurități timp de multe milioane de ani la rând.

Secrete de gheață carbonică

Particularitatea acestei gheață este că conține carbon în compoziția sa. O astfel de gheață se formează numai la o temperatură de -78 de grade, dar se topește deja la -50 de grade. Gheața uscată, ale cărei proprietăți fac posibilă trecerea peste etapa lichidelor, formează imediat abur atunci când este încălzită. Gheața uscată, ca și omologul său - apa, nu are miros.

Știți unde se folosește gheața carbonică? Datorită proprietăților sale, acest mineral este folosit în transportul alimentelor și medicamentelor pe distanțe lungi. Iar granulele acestei gheață sunt capabile să stingă aprinderea benzinei. De asemenea, atunci când gheața carbonică se topește, formează o ceață groasă, așa că este folosită pe platourile de filmare pentru a crea efecte speciale. Pe lângă toate cele de mai sus, gheața carbonică poate fi luată cu tine în drumeție și în pădure. La urma urmei, atunci când se topește, respinge țânțarii, diverși dăunători și rozătoare.

În ceea ce privește proprietățile zăpezii, putem observa această frumusețe uimitoare în fiecare iarnă. La urma urmei, fiecare fulg de zăpadă are forma unui hexagon - aceasta este neschimbată. Dar, pe lângă forma hexagonală, fulgii de zăpadă pot arăta diferit. Formarea fiecăruia dintre ele este influențată de umiditatea aerului, presiunea atmosferică și alți factori naturali.

Proprietățile apei, zăpezii, gheții sunt uimitoare. Este important să cunoaștem câteva proprietăți suplimentare ale apei. De exemplu, este capabil să ia forma vasului în care este turnat. Când apa îngheață, se extinde și are și memorie. Este capabil să memoreze energia din jur, iar atunci când îngheață, „resetează” informațiile pe care le-a absorbit în sine.

Am examinat mineralul natural - gheața: proprietăți și calitățile sale. Continuați să învățați știința, este foarte important și util!

Gheaţă- aceasta este o stare binecunoscută, pentru cei mai mulți dintre noi, solidă a apei, pe care o putem întâlni în condiții naturale. În viața de zi cu zi, folosim adesea proprietățile sale unice.

Se formează atunci când temperatura apei scade sub 0 grade Celsius. Această temperatură se numește temperatura de cristalizare a apei. gheața, ca și zăpada, este formată din cristale de gheață, formele cărora le puteți găsi în articolul nostru.

Să dăm câteva definiții precise.

Dicţionar enciclopedic mare

Gheața este apă solidă. Există 11 modificări cristaline ale gheții și ale gheții amorfe. În natură a fost găsită o singură formă de gheață - cu o densitate de 0,92 g / cm³, o capacitate termică de 2,09 kJ / (kg.K) la 0 ° C, o căldură de fuziune de 324 kJ / kg, care are loc în forma de gheață propriu-zisă (continentală, plutitoare, subterană), zăpadă și îngheț. Pe Pământ, aprox. 30 milioane km³ de gheață. Folosit pentru depozitarea și răcirea alimentelor. produse, obtinerea apei proaspete, in medicina.

Dicţionar enciclopedic mare. 2000

Vocabular marin

Gheața are o densitate mai mică decât apa lichidă, așa că nu se scufundă. Această proprietate este anormală, de regulă, majoritatea substanțelor în stare solidă au o densitate mare. Densitatea mai mică a gheții indică faptul că apa crește în volum atunci când îngheață. Acest fapt trebuie luat în considerare în viața de zi cu zi. De exemplu, dacă o conductă de apă îngheață, atunci gheața formată în acest proces poate „spărge” conductele, ceea ce, în principiu, este bine cunoscut de toată lumea.

Enumerăm cele mai semnificative proprietăți ale gheții (am descris deja câteva dintre ele mai sus).

Proprietățile gheții

• Temperatura de formare a gheții - 0°C;
• Volumul gheții este mai mare decât volumul apei lichide, adică densitatea gheții este mai mică decât densitatea apei lichide, greutatea specifică a gheții la 0 ° = 0,917 și, în consecință, greutatea specifică a apei la 0 ° = 0,9999;
• Odată cu o scădere suplimentară a temperaturii, gheața se contractă, ceea ce explică crăpăturile din spațiile mari de gheață;
• Capacitatea termică a gheții este de aproape 2 ori mai mică decât cea a apei;
• Punctul de îngheț al apei de mare este mai mare decât cel al apei dulci și este egal cu ~ 1,80С (presupunând că salinitatea apei este la nivelul nivelului mediu ponderat din oceanul mondial).

Gheață și soiurile sale

• Gheață de sol - gheață formată în limitele scoarței terestre;
• gheață de râu;
• Gheața formată când lacurile îngheață;
• Gheata de mare.

Aplicarea gheții

Gheața are multe utilizări economice. Este folosit pentru a scădea temperatura produselor alimentare, ceea ce le crește semnificativ durata de valabilitate. Este destul de evident că în acest context producerea de gheață artificială, sau, dacă pot spune așa, de frig artificial, are o importanță deosebită. De asemenea, gheața este utilizată pe scară largă în medicină, pentru a furniza și a efectua o serie de anumite proceduri specifice. Cuburile de gheață sunt utilizate pe scară largă în procedurile cosmetice și în gătit, în special în prepararea băuturilor.

Gheața este un material de construcție pentru obiecte atât de importante pentru planeta noastră precum ghețarii, care sunt indicatori și regulatori ai multor procese care au loc pe planeta noastră. Publicația noastră este dedicată ghețarilor -

Job 1

Fulgii de zăpadă ca fenomen fizic

Lucrarea a fost realizată de Daniil Kholodyakov

Obiective: Aflați mai multe despre fulgi de zăpadă din perspectiva MKT

Sarcini: înțelegeți natura formării fulgilor de zăpadă

1. Formarea fulgilor de zăpadă

2. forme de fulgi de nea

3. Simetria cristalului

4. Fulgi de nea identici

5. Culoare și lumină

6. Materiale suplimentare

1. Te-ai uitat vreodată la un fulg de zăpadă și te-ai întrebat cum se formează și de ce este diferit de alte tipuri de zăpadă pe care le-ai mai văzut?

Fulgii de zăpadă sunt o formă specială de gheață de apă. Fulgii de zăpadă se formează în nori care sunt alcătuiți din vapori de apă. Când temperatura este de 32 ° F (0 ° C) sau mai rece, apa se transformă din lichid în gheață. Mai mulți factori influențează formarea fulgilor de zăpadă. Temperatura, curenții de aer, umiditatea - toate acestea au un efect asupra formei și dimensiunii lor. Murdăria și praful se pot amesteca în apă și pot modifica greutatea și durabilitatea cristalelor. Particulele de murdărie fac un fulg de zăpadă mai greu, îl pot face predispus la topire și pot provoca crăpături și spargeri în cristal. Formarea unui fulg de nea este un proces dinamic. Un fulg de nea se poate confrunta cu multe condiții de mediu diferite, uneori topindu-se, alteori crescând - structura unui fulg de nea se schimbă constant.

2. Care sunt cele mai comune forme de fulgi de nea?

De obicei, cristalele hexagonale se formează în norii înalți; ace sau cristale plate cu șase laturi se formează în norii de înălțime mijlocie; și o mare varietate de forme cu șase laturi se formează în norii de jos. Temperaturile mai scăzute creează fulgi de zăpadă cu vârfuri mai ascuțite pe părțile laterale ale cristalelor și pot duce la ramificarea săgeților. Fulgii de zăpadă care apar în condiții mai calde cresc mai lent, rezultând o formă mai netedă și mai puțin complexă.

0; -3°C - Plăci hexagonale subțiri

3; -6° C - Ace

6; -10 ° C - Coloane goale

zece; -12°C - Plăci de sector (hexagoane cu adâncituri)

12; -15°C - Dendrite (forme hexagonale din dantela)

3. De ce sunt fulgii de nea simetrici?

În primul rând, nu toți fulgii de zăpadă sunt la fel din toate părțile. Temperaturile neuniforme, prezența murdăriei și alți factori pot face ca un fulg de zăpadă să devină deformat. Cu toate acestea, este adevărat că mulți fulgi de zăpadă sunt simetrici și foarte complexi ca structură. Acest lucru se datorează faptului că forma fulgului de zăpadă reflectă ordinea internă a moleculelor de apă. Moleculele de apă în stare solidă, cum ar fi zăpada și gheața, formează legături slabe (așa-numitele legături de hidrogen) între ele. Aceste aranjamente ordonate au ca rezultat forma simetrică, hexagonală a fulgului de zăpadă. În timpul cristalizării, moleculele de apă se supun forței maxime de atracție, iar forțele de respingere sunt reduse la minimum. În consecință, moleculele de apă se aliniază în spații date într-un anumit aranjament, astfel încât să ocupe spațiul și să mențină simetria.

4. Este adevărat că nu există doi fulgi de nea identici?

Da și nu. Nu vor fi niciodată doi fulgi de zăpadă identici, până la numărul exact de molecule de apă, spin de electroni, izotopi de hidrogen și oxigen și așa mai departe. Pe de altă parte, doi fulgi de zăpadă pot arăta la fel și orice fulg de zăpadă a avut probabil prototipul său la un moment dat în istorie. Structura unui fulg de zăpadă se schimbă constant în funcție de condițiile de mediu și sub influența multor factori, așa că pare puțin probabil să vedem doi fulgi de zăpadă identici.

5. Dacă apa și gheața sunt transparente, de ce zăpada arată albă?

Răspunsul scurt este că fulgii de zăpadă au atât de multe suprafețe reflectorizante încât împrăștie lumina în toate culorile ei, motiv pentru care zăpada apare albă. Răspunsul lung are de-a face cu modul în care ochiul uman percepe culoarea. Chiar dacă o sursă de lumină nu poate fi cu adevărat „albă” (de exemplu, lumina soarelui, luminile fluorescente și incandescente au toate o anumită culoare), creierul uman compensează sursa de lumină. Astfel, deși lumina soarelui este galbenă și lumina împrăștiată din zăpadă este tot galbenă, creierul vede zăpada cât se poate de albă, deoarece întreaga imagine primită de creier are o nuanță galbenă, care se scade automat.

Concluzii:

1. Fulgii de zăpadă sunt o formă specială de gheață de apă.

2. Temperatura, curenții de aer, umiditatea sunt factori care afectează forma și dimensiunea unui fulg de zăpadă.

3. Ordinea moleculelor de apă este cea care determină simetria fulgului de zăpadă.

Sunt în cristale de zăpadă adevărate.

Job 2

Gheață și apă în natură.

Lucrarea a fost realizată de Guseva Alina

Scop: a învăța ceva nou.

Sarcini :

Luați în considerare valorile apei în natură;

Înțelegeți proprietățile și tipurile de apă;

Familiarizați-vă cu proprietățile de bază ale gheții de apă;

Extindeți-vă cunoștințele despre apă în general.

Apă (oxidul de hidrogen) este un compus anorganic binar, formula chimică este H2O. Molecula de apă este formată din doi atomi de hidrogen și unul de oxigen, care sunt interconectați printr-o legătură covalentă. În condiții normale, este un lichid limpede, incolor, inodor și fără gust. În stare solidă se numește gheață, zăpadă sau brumă, iar în stare gazoasă se numește vapori de apă. Apa poate exista și sub formă de cristale lichide.

Aproximativ 71% din suprafața Pământului este acoperită cu apă (oceane, mări, lacuri, râuri, gheață) - 361,13 milioane km2. Pe Pământ, aproximativ 96,5% din apă se află în oceane (1,7% din rezervele lumii sunt ape subterane, încă 1,7% în ghețarii și calotele glaciare din Antarctica și Groenlanda, o mică parte în râuri, lacuri și mlaștini și 0,001% în nori). Cea mai mare parte a apei pământului este sărată și nepotrivită agriculturii și băutării. Ponderea apei proaspete este de aproximativ 2,5%.

Apa este un bun solvent foarte polar. În condiții naturale, conține întotdeauna substanțe dizolvate (săruri, gaze). Apa are o importanță cheie în crearea și menținerea vieții pe Pământ, în structura chimică a organismelor vii, în formarea climei și a vremii. Este cea mai importantă substanță pentru toate ființele vii de pe planeta Pământ.

În atmosfera planetei noastre, apa este sub formă de picături mici, în nori și ceață, precum și sub formă de abur. În timpul condensului, acesta este îndepărtat din atmosferă sub formă de precipitații (ploaie, zăpadă, grindină, rouă). Apa este o substanță extrem de comună în spațiu, însă, datorită presiunii intra-lichide ridicate, apa nu poate exista în stare lichidă în vidul spațiului, motiv pentru care se prezintă doar sub formă de abur sau gheață.

Tipuri de apă.

Apa de pe Pământ poate exista în trei stări principale - lichidă, gazoasă și solidă și dobândește diverse forme care pot coexista simultan între ele: vapori de apă și nori pe cer, apă de mare și aisberguri, ghețari și râuri de pe suprafața pământului. , acvifere din pământ. Apa este adesea împărțită în tipuri în funcție de diverse principii. În funcție de particularitățile de origine, compoziție sau aplicare, ele disting, printre altele: apă moale și dură - în funcție de conținutul de cationi de calciu și magneziu. Conform izotopilor hidrogenului din moleculă: ușoară (în compoziție, aproape corespunde cu cea obișnuită), grea (deuteriu), apă supergrea (tritiu). De asemenea, se disting: proaspăt, de ploaie, de mare, minerale, salmastre, de băut, de robinet, distilate, deionizate, apirogeni, sfinte, structurate, topite, subterane, uzate și de suprafață.

proprietăți fizice.

Apă în condiții normale mentine o stare lichida de agregare, în timp ce compușii similari cu hidrogen sunt gaze (H2S, CH4, HF). Datorită diferenței mari de electronegativitate a atomilor de hidrogen și oxigen, norii de electroni sunt puternic deplasați către oxigen. Din acest motiv, molecula de apă are un moment dipolar mare(D = 1,84, al doilea numai după acidul cianhidric). La temperatura de tranziție la starea solidă, moleculele de apă sunt ordonate, în acest proces, volumele de goluri dintre molecule cresc și densitatea totală a apei scade, ceea ce explică motivul. densitate mai mică a apei în faza de gheață. Evaporarea, pe de altă parte, rupe toate legăturile. Ruperea legăturilor necesită multă energie, motiv pentru care apă cel mai capacitate termică specifică mare printre alte lichide și solide. Este nevoie de 4,1868 kJ de energie pentru a încălzi un litru de apă cu un grad. Datorită acestei proprietăți, apa este adesea folosită ca lichid de răcire. Pe lângă capacitatea de căldură specifică mare, apa are și valori ridicate ale căldurii specifice topire(la 0 °C - 333,55 kJ/kg) și vaporizare(2250 kJ/kg).

Apa are si tensiune superficială ridicată printre lichide, al doilea după mercur. Vâscozitatea relativ mare a apei se datorează faptului că legăturile de hidrogen împiedică moleculele de apă să se deplaseze la viteze diferite. Apa este solvent bun pentru substanțele polare. Fiecare moleculă de solut este înconjurată de molecule de apă, iar părțile încărcate pozitiv ale moleculei de dizolvat atrag atomii de oxigen, iar părțile încărcate negativ atrag atomii de hidrogen. Deoarece molecula de apă este de dimensiuni mici, multe molecule de apă pot înconjura fiecare moleculă de dizolvat. potenţialul electric negativ al suprafeţei.

Apa pura - bun izolator. Pentru că apa este bună solvent, anumite săruri sunt aproape întotdeauna dizolvate în el, adică ionii pozitivi și negativi sunt prezenți în apă. Drept urmare, apa conduce electricitatea. Conductivitatea electrică a apei poate fi utilizată pentru a determina puritatea acesteia.

Apa are indicele de refracție n=1,33în domeniul optic. Cu toate acestea, absoarbe puternic radiația infraroșie și, prin urmare, vaporii de apă sunt principalul gaz natural cu efect de seră responsabil pentru mai mult de 60% din efectul de seră.

Gheaţă - apa in stare solida de agregare. Gheața este uneori numită unele substanțe în stare solidă de agregare, care tind să aibă o formă lichidă sau gazoasă la temperatura camerei; în special, gheață carbonică, gheață cu amoniac sau gheață cu metan.

Proprietățile de bază ale gheții de apă.

În prezent, sunt cunoscute trei soiuri amorfe și 15 modificări cristaline ale gheții. Structura cristalină ajurata a unei astfel de gheață duce la faptul că densitatea sa (egale cu 916,7 kg / m la 0 ° C) este mai mică decât densitatea apei (999,8 kg / m) la aceeași temperatură. Prin urmare, apa, transformându-se în gheață, își crește volumul cu aproximativ 9%. Gheața, fiind mai ușoară decât apa lichidă, se formează la suprafața corpurilor de apă, ceea ce previne înghețarea în continuare a apei.

Căldura specifică ridicată de fuziune gheața, egală cu 330 kJ/kg, este un factor important în circulația căldurii pe Pământ. Deci, pentru a topi 1 kg de gheață sau zăpadă, ai nevoie de atâta căldură cât este nevoie pentru a încălzi un litru de apă la 80 °C. Gheața apare în natură sub formă de gheață propriu-zisă (continentală, plutitoare, subterană), precum și sub formă de zăpadă, brumă etc. Sub influența propriei greutăți, gheața capătă proprietăți plastice și fluiditate. Gheața naturală este de obicei mult mai curată decât apa, deoarece atunci când apa se cristalizează, moleculele de apă sunt primele care intră în rețea.

La presiunea atmosferică normală, apa se solidifică la 0°C și fierbe (se transformă în vapori de apă) la 100°C. Când presiunea scade, temperatura de topire (topire) a gheții crește încet, iar punctul de fierbere al apei scade. La o presiune de 611,73 Pa (aproximativ 0,006 atm), punctele de fierbere și de topire coincid și devin egale cu 0,01 ° C. Aceste presiuni și temperaturi se numesc apă cu punct triplu . La presiuni mai mici, apa nu poate fi în stare lichidă, iar gheața se transformă direct în abur. Temperatura de sublimare a gheții scade odată cu scăderea presiunii. La presiune mare, apar modificări ale gheții cu puncte de topire peste temperatura camerei.

Pe măsură ce presiunea crește, crește și densitatea vaporilor de apă la punctul de fierbere, în timp ce cea a apei lichide scade. La o temperatură de 374 °C (647 K) și o presiune de 22,064 MPa (218 atm), apa trece prin punct critic. În acest moment, densitatea și alte proprietăți ale apei lichide și gazoase sunt aceleași. La presiune și/sau temperatură mai mare, diferența dintre apa lichidă și vaporii de apă dispare. Această stare agregată se numește fluid supercritic».

Este posibil să fie apă stări metastabile vapori suprasaturați, lichid supraîncălzit, lichid suprarăcit. Aceste stări pot exista o perioadă lungă de timp, dar sunt instabile și are loc o tranziție la contactul cu o fază mai stabilă. De exemplu, puteți obține un lichid suprarăcit prin răcirea cu apă pură într-un vas curat sub 0 ° C, cu toate acestea, când apare un centru de cristalizare, apa lichidă se transformă rapid în gheață.

Date .

În medie, corpul plantelor și animalelor conține mai mult de 50% apă.

Compoziția mantalei Pământului conține de 10-12 ori mai multă apă decât cantitatea de apă din oceane.

Dacă toți ghețarii s-ar topi, atunci nivelul apei din oceanele pământului ar crește cu 64 m și aproximativ 1/8 din suprafața terestră ar fi inundată cu apă.

Uneori, apa îngheață la o temperatură pozitivă.

În anumite condiții (în interiorul nanotuburilor), moleculele de apă formează o nouă stare în care își păstrează capacitatea de a curge chiar și la temperaturi apropiate de zero absolut.

Apa reflectă 5% din razele soarelui, în timp ce zăpada reflectă aproximativ 85%. Doar 2% din lumina soarelui pătrunde sub gheața oceanului.

Culoarea albastră a apei limpezi ale oceanului se datorează absorbției selective și împrăștierii luminii în apă.

Cu ajutorul picăturilor de apă de la robinete, puteți crea o tensiune de până la 10 kilovolți, experimentul se numește „Kelvin Dropper”.

Apa este una dintre puținele substanțe din natură care se extinde pe măsură ce trece de la lichid la solid.

Concluzii:

Apa păstrează o stare lichidă de agregare, are un moment dipol mare, capacitate termică specifică mare, valoare de vaporizare, tensiune superficială ridicată, potențial electric de suprafață negativ, este un bun izolator și solvent.

Literatură

1. Apa // Dicționar enciclopedic al lui Brockhaus și Efron: În 86 de volume (82 de volume și 4 suplimentare). - Sankt Petersburg, 1890-1907.

2. Losev K. S. Apa. - L.: Gidrometeoizdat, 1989. - 272 p.

3. Hidrobionti in autopurificarea apelor si migrarea biogena a elementelor. - M.: MAKS-Presă. 2008. 200 p. Prefața membrului corespondent RAS V. V. Malahov. (Seria: Știință. Educație. Inovații. Numărul 9). ISBN 978-5-317-02625-7.

4. Pe unele probleme de menținere a calității apei și autoepurarea acesteia // Resursele de apă. 2005. Vol. 32. Nr. 3. S. 337-347.

5. Andreev VG Efectul interacțiunii schimbului de protoni asupra structurii moleculei de apă și a rezistenței legăturii de hidrogen. Materiale ale celei de-a V-a Conferințe Internaționale „Problemele actuale ale științei în Rusia”. - Kuznetsk 2008, v.3 S. 58-62.