Практически любое вещество при определенных условиях может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Свойства многих веществ в этих фазах настолько различаются, что они получают даже разные названия. Как пример приведу воду: лед, вода и пар.
Этой жизненно важного вещества на Земле достаточно много, поэтому ее уникальные свойства исследователи пытаются понять лучше.
Теперь ученые установили еще одну ее тайну: в недавно опубликованном сообщении специалисты определили, сколько необходимо молекул воды для того, чтобы получить кристаллик льда.
Замечу, что вещество вода обладает поистине уникальными свойствами. Это вещество с одной из крупнейших удельных теплоемкостей среди жидкостей и твердых тел, плотность ее кристаллической фазы - то есть льда - меньше плотности воды в жидкой фазе. Вода обладает способностью к адгезии («прилипания»), она обладает высоким коэффициентом поверхностного натяжения. Все эти свойства обусловили существование жизни в таком виде как мы имеем возможность видеть.
Уникальная вода.
Уникальность воды обусловлена водородными связями, именно их количества. С их помощью одна молекула Н2О может «связаться» с четырьмя другими молекулами. Такая связь является менее прочным по сравнению с ковалентной, но в воде их количество достаточно большой, и вместе они несколько ограничивают свободу молекул Н2О, не давая им легко отрываться от группы молекул, например, при нагревании. Каждый водородная связь существует долю секунды, они постоянно разрушаются и возникают вновь.
Водородные связи отвечают за необычное поведение воды при кристаллизации - лед твердая фаза воды) не тонет в жидкой фазе. Если бы на Земле основной жидкостью была бы не вода, а некоторая другая жидкость, то при замерзании твердая фаза тонула бы в жидкой, так плотность практически всех веществ при переходе из жидкой фазы в твердую увеличивается.
Вода этому свойству не подчиняется. До температуры 4 ˚ С плотность Н2О растет, но при переходе этого предела скачкообразно падает на 8%. Объем льда, соответственно, увеличивается. С этой особенностью хорошо знакомы сантехники, заменяя разорванные морозом трубы. Причина аномальной изменения плотности состоит также в водородных связях.
Кристаллическая решетка льда напоминает пчелиные соты, в шести углах которых размещаются молекулы воды. Они соединены между собой водородными связями, а их длина превосходит длину ковалентной связи. Это расположение обуславливает рост свободного прстору в фазе льда.
Вода и гексагональный (привычный) лед.
Следует заметить, что кристаллический лед, как пчелиные соты, распространенный только на Земле. В безграничном межзвездном пространстве доминирует другая форма льда, которую в земных условиях возможно лишь получить в лабораториях. Это - аморфный лед без четко выраженной структуры. Получить его можно в случае, если быстро (за время 10-3 сек) очень охладить воду (до -155 ˚ С). в таких экстремальных условиях молекулы Н2О не успевают сгруппироваться в упорядоченную структуру, и вода превращается в вязкую жидкость, плотность которой больше плотности льда.
Аморфным и привычным кристаллическим льдом разновидности твердой фазы Н2О не ограничиваются. Всего на сегодня известно более 15 его разновидностей. Распространенный на Земле лед Иh, в верхних слоях атмосферы существует лед Ис, кристаллическая решетка которого напоминает решетку алмаза. Другие виды могут быть тригональной, моноклинными, кубическими, ромбическими и псевдоромбичнимы.
Группа ученых под руководством профессора Udo Buck из института динамики и самоорганизации в Гетингене провела эпохальные исследования и установила минимальное число молекул, которые могут образовать кристаллик льда. Оно равно 275 ± 25 молекул.
Ученые получали аморфный лед, пропуская водяной пар, смешанный с гелием, через маленькое отверстие в вакуумную камеру. Вследствие прохождения молекулы Н2О, теряя значительную часть своей кинетической энергии, попадали в вакуумную камеру, легко формируя при этом кластеры.
Ученые получали аморфный лед, пропускаем водяной пар, смешанный с гелием, сквозь очень тоненькое отверстие в вакуумную камеру. Пытаясь протиснутся в крошечную дырочку, молекулы воды и гелия непрерывно сталкивались друг с другом и в этой давке теряли Значительную часть своей кинетической энергии. В итого в вакуумную камеру попадали уже "успокоившиеся" молекулы, легко формирующие кластеры.