По литературе 

Глава iii.химическая связь и строение молекул. Кристаллические решетки в химии Какая решетка у льда

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.

Как мы уже знаем, вещество может существовать в трех агрегатных состояниях: газообразном , твердом и жидком . Кислород, который при обычных условиях находится в газообразном состоянии, при температуре -194° С преобразуется в жидкость голубоватого цвета, а при температуре -218,8° С превращается в снегообразную массу с кристаллами синего цвета.

Температурный интервал существования вещества в твердом состоянии определяется температурами кипения и плавления. Твердые вещества бывают кристаллическими и аморфными .

У аморфных веществ нет фиксированной температуры плавления – при нагревании они постепенно размягчаются и переходят в текучее состояние. В таком состоянии, например, находятся различные смолы, пластилин.

Кристаллические вещества отличаются закономерным расположением частиц, из которых они состоят: атомов, молекул и ионов, – в строго определенных точках пространства. Когда эти точки соединяются прямыми линиями, создается пространственный каркас, его называют кристаллической решеткой. Точки, в которых находятся частицы кристалла, называют узлами решетки.

В узлах воображаемой нами решетки могут находиться ионы, атомы и молекулы. Эти частицы совершают колебательные движения. Когда температура увеличивается, размах этих колебаний тоже возрастает, что приводит к тепловому расширению тел.

В зависимости от разновидности частиц, находящихся в узлах кристаллической решетки, и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные , атомные , молекулярные и металлические .

Ионными называют такие кристаллические решетки, в узлах которых расположены ионы. Их образуют вещества с ионной связью, которой могут быть связаны как простые ионы Na+, Cl- , так и сложные SO24-, OH-. Таким образом, ионные кристаллические решетки имеют соли, некоторые оксиды и гидроксилы металлов, т.е. те вещества, в которых существует ионная химическая связь. Рассмотрим кристалл хлорида натрия, он состоит из положительно чередующихся ионов Na+ и отрицательных CL-, вместе они образуют решетку в виде куба. Связи между ионами в таком кристалле чрезвычайно устойчивы. Из-за этого вещества с ионной решеткой обладают сравнительно высокой прочностью и твердостью, они тугоплавки и нелетучи.

Атомными кристаллическими решетками называют такие кристаллические решетки, в узлах которых находятся отдельные атомы. В подобных решетках атомы соединяются между собой очень крепкими ковалентными связями. К примеру, алмаз – одно из аллотропных видоизменений углерода.

Вещества с атомной кристаллической решеткой не сильно распространены в природе. К ним относятся кристаллический бор, кремний и германий, а также сложные вещества, например такие, в составе которых есть оксид кремния (IV) – SiO 2: кремнезем, кварц, песок, горный хрусталь.

Подавляющее большинство веществ с атомной кристаллической решеткой имеют очень высокие температуры плавления (у алмаза она превышает 3500° С), такие вещества прочны и тверды, практически не растворимы.

Молекулярными называют такие кристаллические решетки, в узлах которых расположены молекулы. Химические связи в этих молекулах могут быть также, как полярными (HCl, H 2 0), так и неполярными (N 2 , O 3). И хотя атомы внутри молекукл связаны очень крепкими ковалентными связями, между самими молекулами действует слабые силы межмолекулярного притяжения. Именно поэтому вещества с молекулярными кристаллическими решетками характеризуются малой твердостью, низкой температурой плавления, летучестью.

Примерами таких веществ могут послужить твердая вода – лед, твердый оксид углерода (IV) – «сухой лед», твердые хлороводород и сероводород, твердые простые вещества, образованные одно – (благородные газы), двух – (H 2 , O 2 , CL 2 , N 2 , I 2), трех – (O 3), четырех – (P 4), восьмиатомными (S 8) молекулами. Подавляющее большинство твердых органических соединений обладают молекулярными кристаллическими решетками (нафталин, глюкоза, сахар).

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Трехмерное состояние жидкой воды трудно исследовать, но многое было изучено путем анализа структуры кристаллов льда. Четыре соседних атома кислорода с водородным взаимодействием занимают вершины тетраэдра (тетра = четыре, гедрон = плоскость). Средняя энергия, необходимая для разрушения подобной связи во льду, оценивается в 23 кДж / моль -1 .

Способность молекул воды образовывать данное количество водородных цепей, а также указанная прочность создает необычно высокую температуру плавления. Когда он тает, то удерживается жидкой водой, структура которой нерегулярна. Большая часть водородных связей искажается. Для разрушения кристаллической решетки льда с водородной связью требуется большая масса энергии в виде тепла.

Особенности появления льда (Ih)

Многие из обывателей задаются вопросом о том, какая кристаллическая решетка у льда. Необходимо отметить, что плотность большинства веществ возрастает при замораживании, когда молекулярные движения замедляются и образуются плотно упакованные кристаллы. Плотность воды также увеличивается, когда она остывает до достижения максимума при 4°C (277K). Затем, когда температура опускается ниже этого значения, она расширяется.

Это увеличение обусловлено образованием открытого водородно-связанного кристалла льда с его решеткой и меньшей плотностью, в котором каждая молекула воды жестко связана указанным выше элементом и четырьмя другими значениями, и при этом двигается достаточно быстро, чтобы обладать большей массой. Поскольку происходит подобное действие, жидкость замерзает сверху вниз. Это имеет важные биологические результаты, вследствие которых слой льда на пруду изолирует живых существ подальше от сильного холода. Кроме того, два дополнительных свойства воды связаны с его водородными характеристиками: удельной теплоемкостьюи испарением.

Детальное описание структур

Первый критерий представляет собой количество, необходимое для повышения температуры 1 грамма вещества на 1°С. Для повышения градусов воды требуется относительно большая часть тепла, потому что каждая молекула участвует в многочисленных водородных связях, которые должны быть разрушены, чтобы кинетическая энергия увеличивалась. Кстати, обилие H 2 O в клетках и тканях всех крупных многоклеточных организмов означает, что флуктуация температуры внутри клеток сведена к минимуму. Эта особенность имеет решающее значение, поскольку скорость большинства биохимических реакций чувствительна.

Также значительно выше, чем у многих других жидкостей. Для преобразования этого тела в газ требуется большое количество тепла, потому что водородные связи должны быть разрушены, чтобы молекулы воды могли дислоцироваться друг от друга и войти в указанную фазу. Изменяемые тела представляют собой постоянные диполи и могут взаимодействовать с другими подобными соединениями и теми, что ионизируются и растворяются.

Иные вещества, указанные выше, могут вступать в контакт только при наличии полярности. Именно такое соединение участвует в строении этих элементов. Кроме того, оно может выравниваться вокруг этих частиц, образованных из электролитов, так что отрицательные атомы кислорода молекул воды ориентированы на катионы, а положительные ионы и атомы водорода, ориентированы на анионы.

В образуются, как правило, молекулярные кристаллические решетки и атомные. То есть если йод построен таким образом, что в нем присутствует I 2, то в твердом диоксиде углерода, то есть в сухом льде, в узлах кристаллической решетки находятся молекулы CO 2 . При взаимодействии с подобными веществами, ионную кристаллическую решетку имеет лед. Графит, например, обладающий атомной структурой, в основе которой углерод, не способен ее менять, также как и алмаз.

Что происходит, когда кристалл столовой соли растворяется в воде: полярные молекулы притягиваются к заряженным элементам в кристалле, что приводит к образованию подобных частиц натрия и хлорида на его поверхности, в результате эти тела дислоцируются друг от друга, и он начинает растворяться. Отсюда можно наблюдать, что лед имеет кристаллическую решетку с ионной связью. Каждый растворенный Na + притягивает отрицательные концы нескольких молекул воды, тогда как каждый растворенный Cl - притягивает положительные концы. Оболочка, окружающая каждый ион, называется сферой спасения и, обычно, содержит несколько слоев частиц растворителя.

Говорят, что переменные или ион, окруженные элементами, являются сульфатированными. Когда растворителем выступает вода, такие частицы гидратируются. Таким образом, любая полярная молекула имеет тенденцию к сольватации элементами жидкого тела. У сухого льда тип кристаллической решетки образует в агрегатном состоянии атомные связи, которые неизменны. Другое дело кристаллический лед (замороженная вода). Ионные органические соединения, такие как карбоксилазы и протонированные амины, должны обладать растворимостью в гидроксильной и карбонильной группах. Частицы, содержащиеся в таких структурах, двигаются между молекулами, причем их полярные системы образуют водородные связи с этим телом.

Конечно, количество последних указанных групп в молекуле влияет на ее растворимость, которая также зависит от реакции различных структур в элементе: например, одно-, двух- и трех углеродные спирты смешиваются с водой, но более крупные углеводороды с одиночными гидроксильными соединениями гораздо менее разбавляемы в жидкости.

Шестиугольный Ih схож по форме с атомной кристаллической решеткой. У льда и всего естественного снега на Земле она выглядит именно так. Об этом свидетельствует симметрия кристаллической решетки льда, выращенная из водяного пара (то есть снежинок). Находится в космической группе P 63/мм с 194; D 6h, класса Лауэ 6/мм; аналогичный β-, имеющей кратную 6-ти винтовую ось (вращение вокруг в дополнение к сдвигу вдоль нее). Он обладает довольно открытой структурой с низкой плотностью, где эффективность низкая (~ 1/3) по сравнению с простыми кубическими (~ 1/2) или гранецентрированными кубическими (~ 3/4) структурами.

По сравнению с обычным льдом, кристаллическая решетка сухого льда, связанная молекулами CO 2 , статична и меняется лишь при распаде атомов.

Описание решеток и входящих в них элементов

Кристаллы можно рассматривать, как кристаллические модели, состоящие из листов, расположенных друг над другом. Водородная связь упорядочена, тогда как в действительности она случайна, поскольку протоны могут перемещаться между молекулами воды (льда) при температурах выше примерно 5 К. Действительно, вполне вероятно, что протоны ведут себя, как квантовая жидкость в постоянном туннелированном потоке. Это усиливается рассеянием нейтронов, показывающих плотность их рассеяния на полпути между атомами кислорода, что указывает на локализацию и согласованное движение. Здесь наблюдается схожесть льда с атомной, молекулярной кристаллической решеткой.

Молекулы имеют ступенчатое расположение водородной цепи по отношению к трем своим соседям в плоскости. Четвертый элемент имеет затмеваемое расположение водородной связи. Существует небольшое отклонение от идеальной шестиугольной симметрии, как на 0,3% короче в направлении этой цепи. Все молекулы испытывают одинаковые молекулярные среды. Внутри каждой "коробки" достаточно места для удержания частиц интерстициальной воды. Хотя это, как правило, не считается, недавно они были эффективно обнаружены нейтронной дифракцией порошкообразной кристаллической решеткой льда.

Изменение веществ

Шестиугольное тело имеет тройные точки с жидкой и газообразной водой 0,01 ° C, 612 Па, твердыми элементами - три -21,985 ° C, 209,9 МПа, одиннадцать и два -199,8 ° C, 70 МПа, а также -34,7 ° C, 212,9 МПа. Диэлектрическая проницаемость гексагонального льда составляет 97,5.

Кривая плавления этого элемента дается МПа. Уравнения состояния доступны, кроме них некоторые простые неравенства, связывающие изменение физических свойств с температурой гексагонального льда и его водных суспензий. Твердость колеблется в зависимости от градусов, возрастающих примерно от или ниже гипса (≤2) при 0°С, до уровня полевого шпата (6 по при -80 ° С, аномально большое изменение абсолютной твердости (> 24 раза).

Шестиугольная кристаллическая решетка льда образует гексагональные пластины и столбцы, где верхняя и нижняя грани являются базальными плоскостями {0 0 0 1} с энтальпией 5,57 мкДж · см -2 , а другие эквивалентные боковые называются частями призмы {1 0 -1 0} с 5,94 мкДж · см -2 . Вторичные поверхности {1 1 -2 0} с 6.90 μJ ˣ см -2 могут быть сформированы по плоскостям, образованными сторонами структур.

Подобное строение показывает аномальное уменьшение теплопроводности с увеличением давления (как и кубический, и аморфный лед низкой плотности), но отличается от большинства кристаллов. Это связано с изменением водородной связи, уменьшающей поперечную скорость звука в кристаллической решетке льда и воды.

Существуют методы, описывающие, как подготовить большие образцы кристалла и любую желаемую поверхность льда. Предполагается, что водородная связь на поверхности гексагонального исследуемого тела будет более упорядоченной, чем внутри объемной системы. Вариационная спектроскопия с генерацией по частоте колебаний с фазовой решеткой показала, что существует структурная асимметрия между двумя верхними слоями (L1 и L2) в подповерхностной HO цепи базальной поверхности гексагонального льда. Принятые водородные связи в верхних слоях шестиугольниках (L1 O ··· HO L2) сильнее, чем принятые во втором слое к верхнему накоплению (L1 OH ··· O L2). Доступны интерактивные структуры гексагонального льда.

Особенности развития

Минимальное количество молекул воды, необходимых для зарождения льда, примерно 275 ± 25, как и для полного икосаэдрического кластера 280. Образование происходит с коэффициентом 10 10 на поверхности раздела воздух-вода, а не в объемной воде. Рост кристаллов льда зависит от разных темпов роста различных энергий. Вода должна быть защищена от замерзания при крио консервировании биологических образцов, пищи и органов.

Обычно это достигается быстрыми скоростями охлаждения, использованием небольших образцов и крио консерватора, а также увеличением давления для образования зародышей льда и предотвращения повреждения клеток. Свободная энергия льда / жидкости увеличивается от ~ 30 мДж/м 2 при атмосферном давлении до 40 мДж/м -2 при 200 МПа, что указывает на причину, по которой происходит подобный эффект.

В качестве альтернативы они могут расти быстрее с поверхностей призмы (S2), на случайно нарушенной поверхности быстрозамороженных или взволнованных озер. Рост от граней {1 1 -2 0}, по крайней мере, такой же, но превращает их в основания призмы. Данные о развитии кристалла льда были полностью исследованы. Относительные скорости роста элементов разных граней зависят от способности образовывать большую степень совместной гидратации. Температура (низкая) окружающей воды определяет степень разветвления в кристалле льда. Рост частиц ограничивается скоростью диффузии при низкой степени переохлаждения, то есть <2 ° C, что приводит к большему их количеству.

Но ограничено кинетикой развития при более высоких уровнях понижения градусов >4°C, что приводит к игольчатому росту. Эта форма схожа со строением сухого льда (имеет кристаллическую решетку с шестиугольной структурой), различными характеристиками развития поверхности и температурой окружающей (переохлажденной) воды, которая находится за плоскими формами снежинок.

Зарождение льда в атмосфере глубоко влияет на образование и свойства облаков. Полевые шпаты, обнаруженные в пустынной пыли, которая попадает в атмосферу миллионами тонн в год, являются важными образователями. Компьютерное моделирование показало, что это связано с зарождением плоскостей призматических кристаллов льда на плоскостях поверхности высоких энергий.

Некоторые другие элементы и решетки

Растворенные вещества (за исключением очень небольшого гелия и водорода, которые могут входить в междоузлия) не могут быть включены в структуру Ih при атмосферном давлении, но вытесняются на поверхность или аморфный слой между частицами микрокристаллического тела. В узлах кристаллической решетки сухого льда находятся некоторые иные элементы: хаотропные ионы, такие как NH 4 + и Cl - , которые включены в более легкое замораживание жидкости, чем другие космотропные, такие как Na + и SO 4 2- , поэтому удаление их невозможно, ввиду того, что они образуют тонкую пленку из оставшейся жидкости между кристаллами. Это может привести к электрической зарядке поверхности из-за диссоциации поверхностной воды, уравновешивающей оставшиеся заряды (что также может привести к магнитному излучению) и изменению рН остаточных жидких пленок, например, NH 4 2 SO 4 становится более кислым и NaCl становится более щелочным.

Они перпендикулярны граням кристаллической решетке льда, показывающей присоединенный следующий слой (с атомами О-черный). Им характерна медленно растущая базальная поверхность {0 0 0 1}, где прикрепляются только изолированные молекулы воды. Быстро растущая {1 0 -1 0} поверхность призмы, где пары вновь присоединенных частиц могут связываться друг с другом водородом (одна его связь/две молекулы элемента). Наиболее быстро растущая грань {1 1 -2 0} (вторичная призматика), где цепочки вновь присоединенных частиц могут взаимодействовать друг с другом водородной связью. Одна ее цепочка/ молекула элемента - это форма, образующая хребты, которые делят и поощряют превращение в две стороны призмы.

Энтропия нулевой точки

k B ˣ Ln (N

Ученые и их труды в этой сфере

Может быть определена, как S 0 = k B ˣ Ln (N E0), где k B - это постоянная Больцмана, N E - эточисло конфигураций при энергии E, а E0 - наименьшая энергия. Это значение для энтропии гексагонального льда при нулевом кельвине не нарушает третьего закона термодинамики «Энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле ровно равна нулю», поскольку эти элементы и частицы не идеальны, имеют неупорядоченное водородное связывание.

В этом теле водородная связь является случайной и быстро меняющейся. Эти структуры не точно равны по энергии, а распространяются на очень большое количество энергетически близких состояний, подчиняются «правилам льда». Энтропия нулевой точки - это беспорядок, который оставался бы, даже если материал мог бы быть охлажден до абсолютного нуля (0 K = -273,15 ° C). Порождает экспериментальную путаницу для гексагонального льда 3,41 (± 0,2) ˣ моль -1 ˣ K -1 . Теоретически, можно было бы вычислить нулевую энтропию известных ледяных кристаллов с гораздо большей точностью (пренебрегая дефектами и разбросом энергетических уровней), чем определить ее экспериментально.

Хотя порядок протонов в объемном льду не упорядочен, поверхность, вероятно, предпочитает порядок указанных частиц в виде полос свисающих Н-атомов и О-одиночных пар (нулевая энтропия с упорядоченными водородными связями). Найден беспорядок нулевой точки ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 и других. Из всего вышеизложенного видно и понятно, какие типы кристаллических решеток характерны для льда.

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!

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