Vodne anomalije: Molekule v restavraciji

Dve strukturi tekoče vode: v ospredju - tetraedra, v ozadju - neurejena

Tetraedrska ledena kristalna rešetka: vsaka molekula je povezana s štirimi drugimi

Voda je neverjetna snov na več načinov. Pod določenimi pogoji lahko teče znotraj nanocevk tudi pri temperaturah, ki so blizu absolutne nič. To je edina snov na Zemlji, ki se ob zamrzovanju razširi.

Na splošno imajo danes znanstveniki 66 "nenormalnih" lastnosti, ki so lastne navadni vodi. To je nenavadno močna površinska napetost (močnejša samo z živim srebrom), velika toplotna zmogljivost in čudna spreminjajoča se gostota (povečuje se z zniževanjem temperature in doseže največ pri približno 4 stopinjah).

Vse te nenavadne lastnosti vode so neprecenljive za življenje na Zemlji. Zaradi nepravilnosti z gostoto ribniki zmrznejo, začenši s površine, in ribam in drugim prebivalcem omogočijo mirno zimovanje pod ledom. Močna površinska napetost ne omogoča le, da se nekatere žuželke premikajo po površini, temveč tudi omogočajo rastlinam, da absorbirajo vlago iz zemlje in jo dostavijo visoko v krošnje. In velika toplotna zmogljivost naredi temperaturo oceanov stabilno, kar vpliva na podnebje celotnega planeta.

"Razumevanje narave teh anomalij je več kot pomembno, " je dejal Anders Nilsson, fizik iz Stanforda, ki je pred kratkim vodil še eno zanimivo raziskavo o "nenavadnosti" vode, saj je voda bistven temelj našega lastnega obstoja: brez vode - ni življenja. Naše delo nam omogoča, da razložimo te anomalije na molekularni ravni, pri temperaturah, primernih za življenje. "

Način organiziranja molekul H2O v trdni vodni fazi - ledu - je bil vzpostavljen že dolgo. Tvorijo tetraedrsko mrežo (piramide s trikotnimi stranicami), vsaka molekula je povezana s štirimi drugimi. Tukaj je primerno, da se spomnimo odličnega članka iz januarske številke Priljubljene mehanike, v katerem smo govorili o snegu in snežinkah - o znanosti in nekaterih mitih, povezanih z njimi. Povejte, ali je res, da je vsaka snežinka edinstvena? Preberite: "Bela magija."

Toda izkazalo se je, da je s tekočo vodo veliko bolj zapleteno - in bolj zanimivo. Njegova struktura je že več kot stoletje podvržena pregledu, najdrznejšim hipotezam in najbolj vročim razpravam. Najbolj splošno sprejet model, ki je danes opisan v učbenikih, pomeni, da ima led tetraedrsko strukturo, zato mora imeti voda enako, le veliko manj urejeno, ki pokriva le nekaj molekul.

Anders Nielson in sodelavci so za preučevanje tega vprašanja uporabili močne rentgenske žarke, pridobljene na sinhrotronih SLAC v Stanfordu in na SP Japonski SPring-8, ki so jih usmerili na vzorce čiste tekoče vode. Po preučevanju razpršitve žarkov po teh vzorcih so znanstveniki ugotovili, da "tetraedrski model" ni pravilen. Na njihovo presenečenje voda pri sobni temperaturi hkrati tvori 2 vrsti struktur - ena je visoko urejena tetraedrska, druga pa popolnoma neurejena.

Ti dve vrsti struktur obstajata v vodi ločeno. Tetraedrski tvorijo grozde, ki združujejo v povprečju do 100 molekul, kot da so potopljeni v območja z neurejeno strukturo. Tekoča voda je stalno "nihajoč" medij, katerega molekule se neprestano premikajo iz ene strukture v drugo - vsaj pri temperaturah od sobne temperature in skoraj do vrelišča. Ko temperatura narašča, urejene tetraedrske strukture postajajo vse manj, kljub temu pa, nenavadno, ostajajo enake velikosti.

"Lahko si ga predstavljate kot prenatrpano restavracijo, " razlaga Anders Nilson. - Nekateri ljudje sedijo za velikimi mizami, ki zasedajo znaten del sobe. To so tetraedrske strukture. Drugi plešejo na glasbo med mizami, nekateri v parih, nekateri 3-4 osebe. Ko glasba postaja bolj taktna (temperatura raste), se plesalci hitreje premikajo. Stalna je tudi "izmenjava": nekateri se usedejo za mize, da se sprostijo, drugi se pridružijo plesalcem. Če glasba doseže določeno intenzivnost, se cele mize premaknejo na stran in ljudje se dvignejo iz njih, da plešejo. In obratno, če se ples umiri, se miza vrne na mesto in ljudje se spet usedejo vanjo. "

Zanimivo je, da takšna zamisel o molekularni strukturi tekoče vode pri običajni temperaturi krepi druge študije o nenavadnem "prehlajenem" stanju vode. V tej nenavadni obliki ne zmrzne niti daleč pod ničlo. Ko so odkrili to zanimivo stanje, so ga teoretiki poskušali razložiti in predlagali primeren model: molekularna struktura prehlajene vode mora biti sestavljena iz dveh vrst - tetraedrske in neurejene, katere razmerje je odvisno od temperature. Z eno besedo, vse je tako, kot sta opisala Nielsen in njegovi sodelavci.

Kakšne ugotovitve o vodnih anomalijah lahko izvlečemo iz modela, ki so ga dobili znanstveniki? Na primer vzemite gostoto. Molekule, organizirane v tetraedrskih strukturah, so manj gosto pakirane od neurejenih in je ta gostota pakiranja v njih skoraj neodvisna od temperature. In pri neurejenih, čeprav je višja, se spreminja: z naraščanjem temperature se gostota zmanjšuje, ker molekule začnejo bolj aktivno "plesati", kar pomeni nekoliko naprej drug od drugega. Torej, s povečanjem temperature se večina molekul spremeni v neurejene strukture, same strukture pa postanejo manj goste. To pojasnjuje tudi zelo visoko toplotno zmogljivost vode. Energija, ki jo absorbira voda z naraščajočo temperaturo, se v veliki meri porabi za prehod molekul iz tetraedrskih struktur v neurejene.

Preberite še o še eni anomaliji vode, ki je skoraj uničila odpravo legendarnega polarnega raziskovalca Fridtjofa Nansena - in kaj pojasnjuje: "Fizika mrtve vode".

Kot piše v sporočilu za javnost univerze Stanford

Priporočena

Skrivnostni podolgovat asteroid prihaja iz sistema z dvema zvezdicama
2019
Intel je predstavil najzmogljivejši jedrni procesor
2019
Ford T: mojstrovina iz bronaste dobe
2019