A estrutura da molécula de desenho de gelo e vapor de água. Estrutura de gelo. Então, vamos considerar os conceitos mais significativos sobre a estrutura das moléculas de água
Tom Henigan
Os flocos de neve são um verdadeiro milagre arquitetônico!
Há milhares de anos, Deus perguntou a Jó: “Você entrou nas áreas de armazenamento de neve?”
Ninguém que vivia naquela época poderia saber tudo sobre o armazenamento de neve. Mas com a invenção dos microscópios, tornou-se possível apreciar plenamente a complexidade dos cristais de neve. Bilhões desses tesouros transparentes caem na terra todos os dias para que possamos aproveitá-los e explorá-los. E não existe ninguém igual ao outro!
Acredita-se que existam cerca de 350 milhões de flocos de neve em um metro cúbico de neve! Cada um deles tem formato hexagonal e estrutura cristalina. Durante séculos, os cientistas tentaram entender: de onde vem essa forma, o que afeta a simetria e por que ela é diferente para cada floco de neve?
Os naturalistas chineses conseguiram descobrir a natureza hexagonal dos flocos de neve milhares de anos antes de os europeus a descobrirem. Em 1611, o astrônomo alemão Johannes Kepler ficou intrigado com a forma como as formas complexas dos flocos de neve se formavam, e foi somente na década de 1920, com o desenvolvimento da cristalografia de raios X, que os pesquisadores conseguiram estudar a estrutura dos cristais de neve no nível atômico.
Cada pequena informação recebida revela outra faceta do incrível mistério contido no floco de neve.
A neve é um verdadeiro milagre arquitetônico!
Cristais de neve se formam em uma nuvem quando há vapor de água. As moléculas de água se agrupam em uma rede hexagonal. À medida que novas moléculas são adicionadas, o cristal fica maior. As áreas de cantos ásperos crescem mais rápido do que as áreas “lisas”, fazendo com que os flocos de neve assumam formas complexas. À medida que o cristal cresce, padrões simétricos e encantadores. Tão finos e pequenos, os flocos de neve parecem estrelas ou a ponta de uma agulha com muitas pontas frágeis (Fig. 1). O formato dos flocos de neve nas fotos é simplesmente incrível. Você olha para eles com a respiração suspensa!
Figura 1. As moléculas se alinham de tal forma que se formam lindos cristais, cada um dos quais é simplesmente único. Os flocos de neve exibem uma simetria incrível em seu desenho, indicando que Deus os criou.
Cada cristal de gelo individual é composto de literalmente milhões de moléculas de água. À medida que se desprendem das nuvens e caem, passam por diferentes temperaturas, adquirindo assim uma grande variedade de formas. Portanto, cada cristal de neve é diferente do outro. (Cm. Como nascem os flocos de neve).
Na verdade, existem repositórios de neve, como Deus disse há 4.000 anos.
Figura 2. Fotos de um cristal de neve tiradas com um microscópio eletrônico de varredura. Assim como as estrelas, o arco-íris, as flores e muitas outras criações de Deus, os flocos de neve nos lembram que nosso Criador ama verdadeiramente a beleza.
Criatividade ilimitada
Os flocos de neve nos dizem algo sobre o caráter de Deus: Deus ama a beleza! E Ele ama cada um de nós, porque nos deu a oportunidade de contemplá-lo.
A complexidade e perfeição da estrutura hexagonal dos cristais de neve, bem como a forma como as moléculas individuais se conectam naturalmente umas com as outras, indicam que Deus os criou.
É interessante que, ao contrário da neve natural, a neve artificial artificial não possui estruturas tão complexas e bonitas. Isso significa que a neve não precisava ter tanta beleza. E isto nos diz algo sobre o caráter do Criador: Deus ama a beleza! E Ele ama cada um de nós, porque nos deu a oportunidade de contemplá-lo.
A formação de flocos de neve é outra manifestação da infinita engenhosidade de Deus. Assim como todo cristal de neve tem seu formato e padrão únicos, cada alma humana é única e especial para nosso Senhor.
Os cristais de gelo nos ensinam coisas espirituais. Assim como cada cristal de neve tem sua forma e padrão únicos, cada alma humana é única e especial para nosso Senhor.
Pense também na verdade da Criação e na grandeza do Criador. Afinal, estes são apenas flocos de neve - uma pequena parte da criação. E quanta complexidade e beleza de design! Quem teria pensado?! O que então podemos dizer sobre milhões de seres vivos e a grandeza de todo o universo criado! Isto também demonstra a estupidez de acreditar que tudo se criou sozinho, sem a participação do Deus vivo.
Lindos flocos de neve testemunham o Deus da beleza
Assim como as estrelas, o arco-íris, as flores e muitas outras criações de Deus, os flocos de neve nos lembram que nosso Criador ama verdadeiramente a beleza. Mesmo como resultado da invasão do mundo pelo pecado, ainda resta muita beleza intocada para contemplarmos.
Os belos padrões que vemos nas fotografias de flocos de neve podem nos deixar ainda mais ansiosos para desvendar seu mistério. Quando se trata de apreciar a bela obra de Deus, a verdade é que “ainda não vimos nada”. Acredito que veremos a mais alta beleza quando chegarmos ao nosso lar celestial. E esta beleza nos pertencerá se confiarmos as nossas almas ao Salvador Jesus, que veio à Terra para nos lavar dos nossos pecados.
Cientista sobre cristais de neve e experiências espirituais pessoais
De uma entrevista com o Dr. Larry Vardmiman*:
“Há duas coisas sobre os cristais de gelo que me surpreendem.
Em primeiro lugar, a sua beleza. Se você olhar de perto, verá padrões magníficos. Existem mais de 100 tipos principais de cristais de gelo, e todos são lindos. Isto nos diz algo sobre o caráter de Deus: Deus ama a beleza!
E Ele ama cada um de nós, porque nos deu a oportunidade de contemplá-lo. E isso ressoa em cada um de nós. Isso pode ser visto na forma como os cristais de gelo são estruturados, na forma como as moléculas individuais se conectam naturalmente umas com as outras continuamente. Tudo isso testifica que o Senhor os criou.
Em segundo lugar, eles nos ensinam coisas espirituais. Assim como cada cristal de neve tem sua forma e padrão únicos, cada alma humana é única e especial para nosso Senhor. Assim como as mãos carinhosas de Deus criam amorosamente cada floco de neve individual, Deus cria cada pessoa para ser diferente das outras, para que Sua glória se reflita nelas.
Comparados a toda a criação, os cristais de neve parecem muito simples. Mas essa atenção especial do Criador aos menores flocos de neve é uma evidência de Seu cuidado especial com Sua criação.”
* Dr. Larry Vardiman é um cientista meteorológico, membro da Sociedade Meteorológica Americana e autor de vários trabalhos no campo da física das nuvens.
Como nascem os flocos de neve
Os flocos de neve são feitos de incríveis moléculas de água. Cada átomo de oxigênio tem uma leve carga negativa, contendo dois átomos de hidrogênio, que têm cargas positivas. O ângulo entre as ligações desses átomos é 104,5°. Quando o ponto de congelamento é atingido, chega um ponto em que cargas elétricas (+ ou -) podem conectá-los, o que é a fonte de energia. As moléculas se alinham para formar lindos cristais.
Cristais de neve se formam quando pequenas gotículas de nuvens super-resfriadas congelam. Essas gotículas podem permanecer líquidas em temperaturas abaixo de -18 °C porque... Para congelar, várias moléculas numa gota líquida devem unir-se e formar uma estrutura semelhante à de uma rede de gelo, e então a gota congela em torno deste “núcleo”. Experimentos mostram que essa nucleação “homogênea” de gotículas de nuvens só ocorre em temperaturas abaixo de -35 °C. Nas nuvens mais quentes, uma partícula de aerossol (um "núcleo de gelo") deve estar presente na gota (ou associada a ela) para que ela atue como núcleo.
Depois que a gota congela, ela cresce em um ambiente supersaturado e é ampliada pela difusão das moléculas de água no ar (vapor) através da superfície do cristal de gelo onde estão depositadas. Como o número de gotículas é muito maior que o número de cristais de gelo, o tamanho dos cristais pode chegar a centenas de micrômetros ou milímetros devido às gotículas de água. O esgotamento correspondente do vapor de água faz com que as gotículas evaporem, o que significa que os cristais de gelo crescem essencialmente às custas das gotículas. Esses grandes cristais são uma fonte eficaz de precipitação porque... Eles caem pela atmosfera, devido à sua massa, podendo colidir e também se conectar entre si em aglomerados (agregados). Os agregados são flocos de neve e normalmente são um tipo de partícula de gelo que cai no chão. Os detalhes exatos do mecanismo de ligação do cristal permanecem obscuros.
Embora o gelo seja transparente, a retenção da luz pelas bordas e cavidades (reentrâncias) do cristal significa que os cristais muitas vezes parecem brancos devido à reflexão difusa de todo o espectro de luz pelas pequenas partículas de gelo.
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Ph.D. O.V. Mosin
Uma molécula de água é um pequeno dipolo contendo cargas positivas e negativas em seus pólos. Como a massa e a carga do núcleo de oxigênio são maiores que as dos núcleos de hidrogênio, a nuvem eletrônica é puxada em direção ao núcleo de oxigênio. Neste caso, os núcleos de hidrogênio ficam “expostos”. Assim, a nuvem de elétrons tem uma densidade não uniforme. Há falta de densidade eletrônica perto dos núcleos de hidrogênio, e no lado oposto da molécula, próximo ao núcleo de oxigênio, há excesso de densidade eletrônica. É esta estrutura que determina a polaridade da molécula de água. Se você conectar os epicentros de cargas positivas e negativas com linhas retas, obterá uma figura geométrica tridimensional - um tetraedro regular.
A estrutura de uma molécula de água (foto à direita)
Devido à presença de ligações de hidrogênio, cada molécula de água forma uma ligação de hidrogênio com 4 moléculas vizinhas, formando uma estrutura de malha aberta na molécula de gelo. Contudo, no estado líquido, a água é um líquido desordenado; Essas ligações de hidrogênio são espontâneas, de curta duração, quebram-se rapidamente e se formam novamente. Tudo isso leva à heterogeneidade na estrutura da água.
Ligações de hidrogênio entre moléculas de água (imagem abaixo à esquerda)
O fato de a água ter composição heterogênea foi estabelecido há muito tempo. Há muito se sabe que o gelo flutua na superfície da água, ou seja, a densidade do gelo cristalino é menor que a densidade do líquido.
Para quase todas as outras substâncias, o cristal é mais denso que a fase líquida. Além disso, mesmo após a fusão, com o aumento da temperatura, a densidade da água continua a aumentar e atinge um máximo a 4°C. Menos conhecida é a anomalia da compressibilidade da água: quando aquecida desde o ponto de fusão até 40°C, ela diminui e depois aumenta. A capacidade térmica da água também depende de forma não monotônica da temperatura.
Além disso, em temperaturas abaixo de 30°C, com um aumento da pressão atmosférica para 0,2 GPa, a viscosidade da água diminui, e o coeficiente de autodifusão, parâmetro que determina a velocidade de movimento das moléculas de água umas em relação às outras, aumenta.
Para outros líquidos a relação é oposta, e quase em nenhum lugar acontece que algum parâmetro importante não se comporte monotonamente, ou seja, primeiro aumentou e depois de passar por um valor crítico de temperatura ou pressão diminuiu. Surgiu a suposição de que, na verdade, a água não é um único líquido, mas uma mistura de dois componentes que diferem em propriedades, por exemplo, densidade e viscosidade e, portanto, em estrutura. Essas ideias começaram a surgir no final do século XIX, quando muitos dados sobre anomalias hídricas se acumularam.
Whiting foi o primeiro a propor a ideia de que a água consiste em dois componentes em 1884. Sua autoria é citada por E.F. Fritsman na monografia “The Nature of Water. Água Pesada”, publicado em 1935. Em 1891, W. Rengten introduziu o conceito de dois estados da água, que diferem em densidade. Depois disso, surgiram muitos trabalhos nos quais a água era considerada uma mistura de associados de diferentes composições (“hidróis”).
Quando a estrutura do gelo foi determinada na década de 1920, descobriu-se que as moléculas de água no estado cristalino formam uma rede tridimensional contínua na qual cada molécula tem quatro vizinhos mais próximos localizados nos vértices de um tetraedro regular. Em 1933, J. Bernal e P. Fowler sugeriram que existe uma rede semelhante na água líquida. Como a água é mais densa que o gelo, eles acreditavam que as moléculas nela contidas não estão dispostas como no gelo, ou seja, como os átomos de silício no mineral tridimita, mas como os átomos de silício em uma modificação mais densa da sílica - o quartzo. O aumento da densidade da água quando aquecida de 0 a 4°C foi explicado pela presença do componente tridimita em baixas temperaturas. Assim, o modelo de Bernal-Fowler manteve o elemento de duas estruturas, mas sua principal conquista foi a ideia de uma rede tetraédrica contínua. Então apareceu o famoso aforismo de I. Langmuir: “O oceano é uma grande molécula”. A especificação excessiva do modelo não aumentou o número de defensores da teoria da rede unificada.
Somente em 1951 J. Pople criou um modelo de grade contínua, que não era tão específico quanto o modelo Bernal-Fowler. Pople imaginou a água como uma rede tetraédrica aleatória, cujas ligações entre as moléculas são curvas e têm comprimentos diferentes. O modelo de Pople explica a compactação da água durante a fusão pela flexão das ligações. Quando as primeiras determinações da estrutura dos gelos II e IX apareceram nos anos 60-70, ficou claro como a flexão das ligações pode levar à compactação da estrutura. O modelo de Pople não conseguiu explicar a dependência não monotônica das propriedades da água em relação à temperatura e pressão, bem como os modelos de dois estados. Portanto, a ideia de dois estados foi compartilhada por muitos cientistas durante muito tempo.
Mas na segunda metade do século XX, era impossível fantasiar sobre a composição e estrutura dos “hidróis” como faziam no início do século. Já se sabia como funcionavam o gelo e os hidratos cristalinos, e eles sabiam muito sobre ligações de hidrogênio. Além dos modelos “continuum” (modelo de Pople), surgiram dois grupos de modelos “mistos”: cluster e clatrato. No primeiro grupo, a água apareceu na forma de aglomerados de moléculas conectadas por ligações de hidrogênio, que flutuavam em um mar de moléculas não envolvidas nessas ligações. O segundo grupo de modelos tratou a água como uma rede contínua (geralmente chamada de estrutura neste contexto) de ligações de hidrogênio que continham vazios; eles contêm moléculas que não formam ligações com as moléculas da estrutura. Não foi difícil selecionar as propriedades e concentrações de duas microfases de modelos de cluster ou as propriedades da estrutura e o grau de preenchimento de seus vazios de modelos de clatrato para explicar todas as propriedades da água, incluindo as famosas anomalias.
Dentre os modelos de cluster, o mais marcante foi o modelo de G. Némethy e H. Scheraghi: As imagens que eles propuseram, representando aglomerados de moléculas ligadas flutuando em um mar de moléculas não ligadas, foram incluídas em muitas monografias.
O primeiro modelo do tipo clatrato foi proposto em 1946 por O.Ya. Samoilov: na água, é preservada uma rede de ligações de hidrogênio semelhante ao gelo hexagonal, cujas cavidades são parcialmente preenchidas com moléculas de monômero. L. Pauling em 1959 criou outra opção, sugerindo que a base da estrutura poderia ser uma rede de ligações inerentes a alguns hidratos cristalinos.
Durante a segunda metade da década de 60 e início da década de 70, houve uma convergência de todas essas visões. Apareceram variantes de modelos de cluster nos quais as moléculas em ambas as microfases são conectadas por ligações de hidrogênio. Os proponentes dos modelos de clatrato começaram a admitir a formação de ligações de hidrogênio entre moléculas vazias e estruturais. Ou seja, os autores destes modelos consideram a água como uma rede contínua de ligações de hidrogénio. E estamos falando de quão heterogênea é essa grade (por exemplo, em densidade). A ideia da água como aglomerados ligados a hidrogênio flutuando em um mar de moléculas de água não ligadas foi encerrada no início dos anos 80, quando G. Stanley aplicou a teoria da percolação, que descreve as transições de fase da água, ao modelo de água.
Em 1999, o famoso pesquisador russo de água S.V. Zenin defendeu sua tese de doutorado no Instituto de Problemas Médicos e Biológicos da Academia Russa de Ciências sobre a teoria dos clusters, o que foi um passo significativo no avanço desta área de pesquisa, cuja complexidade é potencializada pelo fato de que eles estão na intersecção de três ciências: física, química e biologia. Com base em dados obtidos por três métodos físico-químicos: refratometria (S.V. Zenin, B.V. Tyaglov, 1994), cromatografia líquida de alta eficiência (S.V. Zenin et al., 1998) e ressonância magnética de prótons (C.S.V. Zenin, 1993) construiu e comprovou uma geometria modelo da principal formação estrutural estável de moléculas de água (água estruturada), e então (S.V. Zenin, 2004) uma imagem dessas estruturas foi obtida usando um microscópio de fase de contraste.
A ciência provou agora que as peculiaridades das propriedades físicas da água e numerosas ligações de hidrogênio de curta duração entre átomos vizinhos de hidrogênio e oxigênio em uma molécula de água criam oportunidades favoráveis para a formação de estruturas associadas especiais (aglomerados) que percebem, armazenam e transmitem um grande variedade de informações.
A unidade estrutural dessa água é um aglomerado constituído por clatratos, cuja natureza é determinada pelas forças de Coulomb de longo alcance. A estrutura dos clusters codifica informações sobre as interações que ocorreram com essas moléculas de água. Em aglomerados de água, devido à interação entre ligações covalentes e de hidrogênio entre átomos de oxigênio e átomos de hidrogênio, a migração de um próton (H+) pode ocorrer através de um mecanismo de retransmissão, levando à deslocalização do próton dentro do aglomerado.
A água, composta por muitos aglomerados de vários tipos, forma uma estrutura espacial hierárquica cristalina líquida que pode perceber e armazenar grandes quantidades de informações.
A figura (V.L. Voeikov) mostra diagramas de várias estruturas de cluster simples como exemplo.
Algumas possíveis estruturas de aglomerados de água
Campos físicos de natureza muito diferente podem ser portadores de informação. Assim, foi estabelecida a possibilidade de interação remota de informações da estrutura líquida cristalina da água com objetos de diversas naturezas utilizando campos eletromagnéticos, acústicos e outros. O objeto influenciador também pode ser uma pessoa.
A água é uma fonte de radiação eletromagnética alternada ultrafraca e fraca. A radiação eletromagnética menos caótica é criada pela água estruturada. Neste caso, pode ocorrer a indução de um campo eletromagnético correspondente, alterando as características estruturais e de informação dos objetos biológicos.
Nos últimos anos, dados importantes foram obtidos sobre as propriedades da água super-resfriada. Estudar a água em baixas temperaturas é muito interessante, pois ela pode ser super-resfriada mais que outros líquidos. A cristalização da água, via de regra, começa em algumas heterogeneidades - seja nas paredes do vaso, seja em partículas flutuantes de impurezas sólidas. Portanto, não é fácil encontrar a temperatura na qual a água super-resfriada cristalizaria espontaneamente. Mas os cientistas conseguiram fazer isso, e agora a temperatura da chamada nucleação homogênea, quando a formação de cristais de gelo ocorre simultaneamente em todo o volume, é conhecida por pressões de até 0,3 GPa, ou seja, abrangendo as regiões de existência de gelo II.
Da pressão atmosférica até a fronteira que separa os gelos I e II, essa temperatura cai de 231 para 180 K e depois aumenta ligeiramente para 190 K. Abaixo desta temperatura crítica, a água líquida é, em princípio, impossível.
Estrutura de gelo (foto à direita)
No entanto, existe um mistério associado a esta temperatura. Em meados dos anos 80, foi descoberta uma nova modificação do gelo amorfo - gelo de alta densidade, e isso ajudou a reviver a ideia da água como uma mistura de dois estados. Não foram consideradas como protótipos estruturas cristalinas, mas estruturas de gelo amorfo de diferentes densidades. Este conceito foi formulado da forma mais clara por E.G. Poniatovsky e V.V. Sinitsin, que escreveu em 1999: “A água é considerada uma solução regular de dois componentes, cujas configurações locais correspondem à ordem de curto alcance das modificações do gelo amorfo”. Além disso, ao estudar a ordem de curto alcance em água super-resfriada em alta pressão usando métodos de difração de nêutrons, os cientistas conseguiram encontrar componentes correspondentes a essas estruturas.
Uma consequência do polimorfismo do gelo amorfo também levou a suposições sobre a separação da água em dois componentes imiscíveis em temperaturas abaixo do hipotético ponto crítico de baixa temperatura. Infelizmente, segundo os pesquisadores, essa temperatura na pressão de 0,017 GPa é igual a 230 K - abaixo da temperatura de nucleação, então ninguém ainda conseguiu observar a estratificação da água líquida. Assim, o renascimento do modelo de dois estados levantou a questão da heterogeneidade da rede de ligações de hidrogénio na água líquida. Essa heterogeneidade só pode ser compreendida por meio de modelagem computacional.
Falando sobre a estrutura cristalina da água, deve-se destacar que são conhecidas 14 modificações do gelo, a maioria dos quais não é encontrada na natureza, na qual as moléculas de água mantêm sua individualidade e estão conectadas por ligações de hidrogênio. Por outro lado, existem muitas variantes da rede de ligações de hidrogênio em clatratos hidratados. As energias dessas redes (gelos de alta pressão e hidratos de clatrato) não são muito superiores às energias dos gelos cúbicos e hexagonais. Portanto, fragmentos de tais estruturas também podem aparecer na água líquida. É possível construir inúmeros fragmentos não periódicos diferentes, cujas moléculas possuem quatro vizinhos mais próximos localizados aproximadamente nos vértices do tetraedro, mas sua estrutura não corresponde às estruturas de modificações conhecidas do gelo. Como vários cálculos mostraram, as energias de interação das moléculas em tais fragmentos serão próximas umas das outras, e não há razão para dizer que qualquer estrutura deva prevalecer na água líquida.
Os estudos estruturais da água podem ser estudados através de diferentes métodos; espectroscopia de ressonância magnética de prótons, espectroscopia infravermelha, difração de raios X, etc. Por exemplo, a difração de raios X e nêutrons em água foi estudada muitas vezes. No entanto, estes experimentos não podem fornecer informações detalhadas sobre a estrutura. As heterogeneidades que diferem em densidade podem ser vistas pela dispersão de raios X e nêutrons em ângulos pequenos, mas tais heterogeneidades devem ser grandes, consistindo em centenas de moléculas de água. Seria possível vê-los estudando a dispersão da luz. No entanto, a água é um líquido extremamente transparente. O único resultado dos experimentos de difração é a função de distribuição radial, ou seja, a distância entre os átomos de oxigênio, hidrogênio e oxigênio-hidrogênio. Fica claro a partir deles que não existe uma ordem de longo alcance no arranjo das moléculas de água. Estas funções decaem muito mais rapidamente na água do que na maioria dos outros líquidos. Por exemplo, a distribuição das distâncias entre os átomos de oxigênio em temperaturas próximas à temperatura ambiente fornece apenas três máximos, em 2,8, 4,5 e 6,7 Å. O primeiro máximo corresponde à distância aos vizinhos mais próximos e seu valor é aproximadamente igual ao comprimento da ligação de hidrogênio. O segundo máximo está próximo do comprimento médio da borda de um tetraedro - lembre-se de que as moléculas de água no gelo hexagonal estão localizadas ao longo dos vértices de um tetraedro descrito em torno da molécula central. E o terceiro máximo, expresso de forma muito fraca, corresponde à distância ao terceiro e mais distantes vizinhos na rede de hidrogénio. Este máximo em si não é muito brilhante e não há necessidade de falar sobre outros picos. Houve tentativas de obter informações mais detalhadas dessas distribuições. Então, em 1969, I.S. Andrianov e I.Z. Fisher encontrou distâncias até o oitavo vizinho, enquanto para o quinto vizinho acabou sendo 3 Å, e para o sexto - 3,1 Å. Isso possibilita a obtenção de dados sobre o ambiente distante das moléculas de água.
Outro método para estudar a estrutura, a difração de nêutrons em cristais de água, é realizada exatamente da mesma maneira que a difração de raios X. No entanto, devido ao fato de que os comprimentos de espalhamento de nêutrons não diferem tanto entre os diferentes átomos, o método de substituição isomórfica torna-se inaceitável. Na prática, normalmente se trabalha com um cristal cuja estrutura molecular já foi determinada aproximadamente por outros métodos. As intensidades de difração de nêutrons são então medidas para este cristal. Com base nesses resultados, é realizada uma transformada de Fourier, durante a qual são utilizadas as intensidades e fases medidas dos nêutrons, calculadas levando em consideração átomos que não sejam de hidrogênio, ou seja, átomos de oxigênio, cuja posição no modelo de estrutura é conhecida. Então, no mapa de Fourier obtido desta forma, os átomos de hidrogênio e deutério são representados com pesos muito maiores do que no mapa de densidade eletrônica, porque a contribuição desses átomos para o espalhamento de nêutrons é muito grande. Usando este mapa de densidade, você pode, por exemplo, determinar as posições dos átomos de hidrogênio (densidade negativa) e deutério (densidade positiva).
É possível uma variação deste método, que consiste no fato de o cristal formado na água ser mantido em água pesada antes das medições. Nesse caso, a difração de nêutrons não só permite determinar onde estão localizados os átomos de hidrogênio, mas também identifica aqueles que podem ser trocados por deutério, o que é especialmente importante no estudo da troca de isótopos (H-D). Essas informações ajudam a confirmar que a estrutura foi estabelecida corretamente.
Outros métodos também permitem estudar a dinâmica das moléculas de água. Isso inclui experimentos sobre espalhamento de nêutrons quase elásticos, espectroscopia infravermelha ultrarrápida e o estudo da difusão de água usando RMN ou átomos de deutério marcados. O método de espectroscopia de RMN baseia-se no fato de que o núcleo de um átomo de hidrogênio possui um momento magnético - spin, que interage com campos magnéticos, constantes e variáveis. A partir do espectro de RMN pode-se avaliar em que ambiente esses átomos e núcleos estão localizados, obtendo-se assim informações sobre a estrutura da molécula.
Como resultado de experimentos sobre espalhamento quase elástico de nêutrons em cristais de água, o parâmetro mais importante foi medido - o coeficiente de autodifusão em várias pressões e temperaturas. Para avaliar o coeficiente de autodifusão do espalhamento de nêutrons quase elástico, é necessário fazer uma suposição sobre a natureza do movimento molecular. Se eles se moverem de acordo com o modelo de Ya.I. Frenkel (famoso físico teórico russo, autor da “Teoria Cinética dos Líquidos” - um livro clássico traduzido para vários idiomas), também chamado de modelo “salto-espera”, então o tempo de vida “estabelecido” (tempo entre os saltos) do molécula é de 3,2 picossegundos. Os métodos mais recentes de espectroscopia a laser de femtossegundos tornaram possível estimar o tempo de vida de uma ligação de hidrogênio quebrada: um próton leva 200 fs para encontrar um parceiro. No entanto, estes são todos valores médios. É possível estudar os detalhes da estrutura e da natureza do movimento das moléculas de água apenas com a ajuda de simulação computacional, às vezes chamada de experimento numérico.
É assim que se parece a estrutura da água de acordo com os resultados da modelagem computacional (de acordo com o Doutor em Ciências Químicas G. G. Malenkov). A estrutura geral desordenada pode ser dividida em dois tipos de regiões (mostradas como bolas escuras e claras), que diferem em sua estrutura, por exemplo, no volume do poliedro de Voronoi (a), no grau de tetraedralidade do ambiente imediato ( b), o valor da energia potencial (c), e também na presença de quatro ligações de hidrogênio em cada molécula (d). No entanto, essas áreas literalmente em um momento, após alguns picossegundos, mudarão de localização.
A simulação é realizada assim. A estrutura do gelo é retirada e aquecida até derreter. Então, depois de algum tempo para que a água “esqueça” sua origem cristalina, são tiradas microfotografias instantâneas.
Para analisar a estrutura da água, são selecionados três parâmetros:
- grau de desvio do ambiente local da molécula dos vértices de um tetraedro regular;
-energia potencial das moléculas;
-o volume do chamado poliedro de Voronoi.
Para construir este poliedro, pegue uma aresta de uma determinada molécula até a mais próxima, divida-a ao meio e desenhe um plano através deste ponto perpendicular à aresta. Isso dá o volume por molécula. O volume de um poliedro é a densidade, a tetraedralidade é o grau de distorção das ligações de hidrogênio, a energia é o grau de estabilidade da configuração molecular. Moléculas com valores semelhantes de cada um desses parâmetros tendem a se agrupar em clusters separados. Tanto as regiões de baixa densidade como as de alta densidade têm valores de energia diferentes, mas também podem ter os mesmos valores de energia. Experimentos mostraram que áreas com estruturas diferentes, aglomerados surgem espontaneamente e se desintegram espontaneamente. Toda a estrutura da água está viva e em constante mudança, e o tempo durante o qual essas mudanças ocorrem é muito curto. Os pesquisadores monitoraram os movimentos das moléculas e descobriram que elas realizavam vibrações irregulares com frequência de cerca de 0,5 ps e amplitude de 1 angstrom. Raros saltos lentos de angstroms que duram picossegundos também foram observados. Em geral, em 30 ps uma molécula pode mover 8 a 10 angstroms. A vida útil do ambiente local também é curta. Regiões compostas por moléculas com valores de volume semelhantes ao poliedro de Voronoi podem decair em 0,5 ps ou podem viver por vários picossegundos. Mas a distribuição dos tempos de vida das ligações de hidrogénio é muito grande. Mas desta vez não ultrapassa 40 ps, e o valor médio é de vários ps.
Concluindo, deve-se enfatizar que A teoria da estrutura de aglomerados de água tem muitas armadilhas. Por exemplo, Zenin sugere que o principal elemento estrutural da água é um aglomerado de 57 moléculas formadas pela fusão de quatro dodecaedros. Eles têm faces comuns e seus centros formam um tetraedro regular. Há muito se sabe que as moléculas de água podem estar localizadas nos vértices de um dodecaedro pentagonal; tal dodecaedro é a base dos hidratos gasosos. Portanto, não há nada de surpreendente na suposição da existência de tais estruturas na água, embora já tenha sido dito que nenhuma estrutura específica pode ser predominante e existir por muito tempo. É, portanto, estranho que este elemento seja considerado o principal e que contenha exactamente 57 moléculas. A partir de bolas, por exemplo, você pode montar as mesmas estruturas, que consistem em dodecaedros adjacentes entre si e contêm 200 moléculas. Zenin afirma que o processo de polimerização tridimensional da água termina em 57 moléculas. Na sua opinião, não deveria haver associados maiores. No entanto, se assim fosse, os cristais de gelo hexagonais, que contêm um grande número de moléculas ligadas entre si por ligações de hidrogénio, não poderiam precipitar a partir do vapor de água. Não está completamente claro por que o crescimento do aglomerado Zenin parou em 57 moléculas. Para evitar contradições, Zenin agrupa os aglomerados em formações mais complexas - romboedros - de quase mil moléculas, e os aglomerados originais não formam ligações de hidrogênio entre si. Por que? Qual a diferença entre as moléculas em sua superfície e as que estão em seu interior? Segundo Zenin, o padrão de grupos hidroxila na superfície dos romboedros fornece a memória da água. Conseqüentemente, as moléculas de água nesses grandes complexos são rigidamente fixadas e os próprios complexos são sólidos. Essa água não fluirá e seu ponto de fusão, que está relacionado ao peso molecular, deverá ser muito alto.
Que propriedades da água o modelo de Zenin explica? Como o modelo é baseado em estruturas tetraédricas, ele pode ser mais ou menos consistente com dados de raios X e difração de nêutrons. No entanto, é improvável que o modelo possa explicar a diminuição da densidade durante o derretimento - o empacotamento dos dodecaedros é menos denso que o do gelo. Mas o mais difícil de concordar é o modelo com propriedades dinâmicas - fluidez, grande valor do coeficiente de autodifusão, correlação curta e tempos de relaxação dielétrica, que são medidos em picossegundos.
Ph.D. O.V. Mosin
Referências:
G.G. Malenkov. Avanços em Físico-Química, 2001
S.V.Zenin, BM. Polanuer, B.V. Tyaglov. Prova experimental da presença de frações de água. G. Medicina homeopática e acupuntura. 1997.No.2.P.42-46.
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V.I. Slesarev. Relatório de progresso da pesquisa
Os flocos de neve são uma das criações mais belas, complexas e absolutamente únicas da natureza. Como são formados, de que são feitos?
A neve é uma precipitação sólida na forma de cristais (flocos de neve). Existe uma variedade excepcionalmente grande de formatos de flocos de neve. Os mais simples são: agulhas, colunas e placas. Além disso, existem inúmeras formas complicadas de flocos de neve: estrelas em forma de agulha; estrelas de placa; ouriços constituídos por várias colunas; colunas com placas e estrelas nas extremidades. Alguns formatos de colunas possuem cavidades internas ou têm a aparência de vidros; Estrelas de 12 pontas também são encontradas. Os tamanhos dos flocos de neve individuais podem ser muito diferentes. As estrelas em forma de agulha geralmente têm as maiores dimensões lineares (seu raio atinge 4-5 mm). Os flocos de neve geralmente se conectam e caem na forma de flocos. Os tamanhos dos flocos podem atingir tamanhos muito grandes; foram observados flocos com um raio de até 15-20 cm. A forma dos flocos de neve reflete a ordem interna das moléculas de água quando estão no estado sólido - na forma de gelo ou. neve. Os flocos de neve crescem da mesma forma que crescem os cristais de qualquer substância que passa do estado líquido para o sólido: ao se conectarem, as moléculas de água tendem a maximizar as forças de atração mútua e minimizar as forças de repulsão, uma vez que a energia do sistema diminui durante a cristalização. Em poucos minutos, ao cair sobre uma superfície quente, um floco de neve perderá a sua estrutura decorativa, a sua imagem única, que nunca mais se repetirá.
Do que é feita a neve? Tanto os flocos de neve quanto os cristais de neve são formados a partir do gelo. Um cristal de neve, como o próprio nome indica, é um único cristal de gelo. Floco de neve é um termo mais geral; pode se referir a um cristal de neve individual, vários cristais de neve que se unem ou grandes aglomerados de cristais de neve que formam a neve que cai das nuvens. Estrutura cristalina de gelo. As moléculas de água em um cristal de gelo formam uma rede hexagonal (veja a figura). As bolas vermelhas são átomos de oxigênio. Bastões cinza são átomos de hidrogênio. Dois hidrogênios por oxigênio - H2O. A simetria sêxtupla dos flocos de neve origina-se da estrutura cristalina do gelo. Flocos de neve crescem a partir do vapor d’água. Flocos de neve não são gotas de chuva congeladas. Às vezes, as gotas de chuva congelam ao cair, mas isso é chamado de “granizo”. As pedras de granizo não apresentam nenhum dos padrões elaborados e simétricos encontrados nos cristais de neve. Os cristais de neve se formam quando o vapor de água se condensa diretamente em gelo, o que acontece nas nuvens. Flocos de neve são causados pelo crescimento de cristais. A forma mais básica de neve cristalina é o prisma hexagonal mostrado acima. Essa estrutura ocorre porque certas superfícies do cristal, as superfícies facetadas, acumulam material muito lentamente. Isso se deve ao fato de que a superfície onde os cantos são formados é mais desequilibrada energeticamente do que aquela que forma o plano, pois nos cantos há maior probabilidade de as moléculas formarem ligações entre si. Isto pode ser facilmente demonstrado em um cristal quadrangular, a forma mais simples. É a mesma história com prismas hexagonais. Na foto você pode ver flocos de neve hexagonais coletados no Pólo Sul por Walter Tape. Esses flocos de neve cresceram bastante porque ficaram congelados por muito tempo, o que permitiu que a regra da formação de cristais de gelo se manifestasse plenamente. Um prisma hexagonal inclui duas superfícies hexagonais de “base” e seis superfícies retangulares “prismáticas”, conforme mostrado na figura. Observe que um prisma hexagonal pode ser em forma de placa ou colunar, dependendo da taxa de crescimento das superfícies. Quando os cristais de neve são muito pequenos, eles existem principalmente na forma de prismas hexagonais simples. Mas à medida que crescem, “galhos” brotam dos cantos dos prismas, criando formas mais complexas.
A origem das formas complexas de flocos de neve. A resposta a esta questão reside na forma como as moléculas de água se movem através do ar para se condensarem num cristal de neve em crescimento. As moléculas se difundem pelo ar para chegar ao cristal, e essa difusão retarda seu crescimento. Moléculas de água mais distantes devem viajar mais tempo no ar para alcançar o cristal em crescimento. Então, considere uma superfície plana de gelo que cresce no ar. Se uma pequena colisão ocorrer e permanecer na superfície, o traço dela se estenderá um pouco além do resto do cristal. Isto significa que outras moléculas de água podem chegar a este local mais rapidamente do que o resto do cristal, uma vez que têm de viajar mais longe para chegar lá.
À medida que o número de moléculas de água que atingem o local da colisão aumenta, o local da colisão cresce mais rapidamente. Após um curto período de tempo, as colisões ocorrem com mais frequência e o crescimento ocorre ainda mais rápido. Então ocorre o que é chamado de instabilidade de ramificação - novas pequenas colisões originam-se em galhos grandes e tornam-se o local de formação de ramos laterais. É assim que nasce a complexidade. Esta instabilidade é a principal razão para a criação de formas complexas de cristais de neve.
Quando a instabilidade ramificada é aplicada repetidamente a um cristal de neve, o resultado é o que é chamado de dendrito de gelo. A palavra "dendrito" significa "semelhante a uma árvore", e cristais de neve em forma de estrela e semelhantes a árvores são comuns. A taxa de difusão das moléculas de água pode ser alterada em laboratório. Se os cristais de neve crescerem no ar abaixo da pressão atmosférica, eles serão menos ramificados. Isto ocorre porque a difusão não limita o crescimento a baixa pressão, portanto a instabilidade da ramificação não é tão intensa. Em pressões mais altas, formam-se cristais de neve mais ramificados. O crescimento dos cristais de neve depende do equilíbrio entre bordas e ramificações. As bordas tendem a criar superfícies planas simples, enquanto os ramos tendem a criar estruturas mais complexas. A interação entre bordas e ramificações é sutil e altamente dependente de parâmetros como temperatura e umidade. Isso significa que os cristais de neve podem crescer de muitas maneiras diferentes, resultando na grande variedade observada nos formatos de flocos de neve.
O famoso astrônomo Johannes Kepler foi o primeiro a estudar flocos de neve. Em 1611, ele publicou um tratado “Sobre Flocos de Neve Hexagonais”, no qual discutiu principalmente os aspectos geométricos de sua estrutura. Tivemos que esperar mais de dois séculos pela próxima descoberta. Em seu aniversário de 15 anos, sua mãe deu ao filho, um jovem fazendeiro de Vermont, Wilson Alvin Bentley, um microscópio. E ele decidiu olhar os flocos de neve através dele. Em 15 de janeiro de 1885, ele tirou a primeira fotografia de um floco de neve anexando uma câmera a um microscópio e fotografando-o contra um fundo de papel preto. Ao final de sua vida, ele capturou imagens de 5.381 flocos de neve. Em 1920, ele recebeu um cargo no Serviço Meteorológico Nacional e uma bolsa de US$ 25 para suas pesquisas, e a neve começou a cair não apenas nas fazendas, mas também nos laboratórios de cineticistas e cristalógrafos. Mas foi Bentley o primeiro a dizer que nunca tinha visto dois flocos de neve idênticos. Existe uma crença comum de que não existem dois flocos de neve idênticos na natureza. Parece como poderia ser. Milhões estão caindo do céu. Mas, por outro lado, se estimarmos aproximadamente, existem aproximadamente 1.020 moléculas de água em um floco de neve, e o olho humano é capaz de determinar cerca de 100 parâmetros visuais de um floco de neve. Portanto, esse mosaico pode se unir de um número finito, mas absurdamente grande, de maneiras. E se nos lembrarmos que os átomos de oxigénio e de hidrogénio têm isótopos diferentes, e que ainda existem impurezas na água... em geral, deveríamos aceitar que não existem dois flocos de neve iguais na natureza. Mas os cristais têm uma forma simétrica. Fatores macroscópicos (temperatura, pressão, concentrações de várias substâncias) em um espaço tão pequeno como a posição atual do núcleo do cristal por vez não diferem muito, e o crescimento em todas as direções é o mesmo. Até que ocorra uma ruptura ou, inversamente, ocorra uma aderência.
E aqui podemos passar para a segunda categoria. Sob a palavra "gelo" Estamos acostumados a compreender o estado da fase sólida da água. Mas, além disso, outras substâncias também estão sujeitas ao congelamento. Assim, o gelo pode ser distinguido pela composição química da substância original, por exemplo, dióxido de carbono, amônia, gelo de metano e outros.
Em terceiro lugar, existem redes cristalinas (modificações) de gelo de água, cuja formação é determinada por um fator termodinâmico. Falaremos um pouco sobre eles neste post.
No artigo Gelo, vimos como a estrutura da água sofre uma reestruturação com uma mudança em seu estado agregado e abordamos a estrutura cristalina do gelo comum. Graças à estrutura interna da própria molécula de água e às ligações de hidrogênio que conectam todas as moléculas em um sistema ordenado, uma rede cristalina hexagonal (hexagonal) de gelo é formada. As moléculas mais próximas umas das outras (uma central e quatro cantos) estão dispostas na forma de uma pirâmide triédrica, ou tetraedro, que está subjacente à modificação do cristal hexagonal ( Figura 1).
Por falar nisso, a distância entre as menores partículas de matéria é medida em nanômetros (nm) ou angstroms (em homenagem ao físico sueco do século 19, Anders Jonas Ångström; denotado pelo símbolo Å). 1Å = 0,1 nm = 10−10m.
Esta estrutura hexagonal do gelo comum se estende por todo o seu volume. Você pode ver isso claramente a olho nu: durante a queda de neve no inverno, pegue um floco de neve na manga ou luva e observe mais de perto seu formato - é de seis raios ou hexagonal. Isso é típico de todo floco de neve, mas nem um único floco de neve repete outro (mais sobre isso em nosso artigo). E mesmo grandes cristais de gelo com sua forma externa correspondem à estrutura molecular interna ( Figura 2).
Já dissemos que a transição de uma substância, em particular da água, de um estado para outro ocorre sob certas condições. O gelo normal forma-se a temperaturas de 0°C e inferiores e a uma pressão de 1 atmosfera (valor normal). Conseqüentemente, para o surgimento de outras modificações do gelo, é necessária uma alteração nesses valores e, na maioria dos casos, a presença de baixas temperaturas e altas pressões, nas quais o ângulo das ligações de hidrogênio muda e toda a rede cristalina é reconstruída.
Cada modificação do gelo pertence a um sistema específico - um grupo de cristais nos quais as células unitárias possuem a mesma simetria e sistema de coordenadas (eixos XYZ). No total, distinguem-se sete singonias. As características de cada um deles são apresentadas em ilustrações 3-4. E logo abaixo está uma imagem das principais formas de cristais ( Figura 5)
Todas as modificações do gelo que diferem do gelo comum foram obtidas em laboratório. As primeiras estruturas polimórficas de gelo tornaram-se conhecidas no início do século 20 através do esforço de cientistas Gustav Heinrich Tammann E Percy Williams Bridgman. O diagrama de modificações de Bridgman foi complementado periodicamente. Novas modificações foram identificadas a partir daquelas obtidas anteriormente. As últimas alterações no diagrama foram feitas em nosso tempo. Até o momento, foram obtidos dezesseis tipos de gelo cristalino. Cada tipo tem seu próprio nome e é designado por um algarismo romano.
Não nos aprofundaremos nas características físicas de cada tipo molecular de gelo de água, para não aborrecer vocês, queridos leitores, com detalhes científicos, anotaremos apenas os parâmetros principais;
O gelo comum é chamado de gelo Ih (o prefixo “h” significa sistema hexagonal). Sobre ilustrações 7é apresentada sua estrutura cristalina, composta por ligações hexagonais (hexâmeros), que diferem na forma - uma na forma espreguiçadeira(Inglês) forma de cadeira), outro na forma torres (forma de barco). Esses hexâmeros formam uma seção tridimensional - duas "espreguiçadeiras" são horizontais na parte superior e inferior e três "barcos" ocupam uma posição vertical.
O diagrama espacial mostra a ordem no arranjo das ligações de hidrogênio do gelo Eu, mas na realidade as conexões são construídas aleatoriamente. No entanto, os cientistas não descartam que as ligações de hidrogênio na superfície do gelo hexagonal sejam mais ordenadas do que no interior da estrutura.
A célula unitária do gelo hexagonal (ou seja, o volume mínimo de um cristal, cuja reprodução repetida em três dimensões forma toda a rede cristalina como um todo) inclui 4 moléculas de água. As dimensões da célula são 4,51Å nos lados um,b E 7,35Å no lado c (o lado c ou eixo nos diagramas tem uma direção vertical). Os ângulos entre os lados, vistos de ilustração 4: α=β = 90°, γ = 120°. A distância entre moléculas vizinhas é 2,76Å.
Cristais de gelo hexagonais formam placas e colunas hexagonais; as faces superior e inferior neles são os planos de base, e as seis faces laterais idênticas são chamadas prismáticas ( Figura 10).
O número mínimo de moléculas de água necessárias para que sua cristalização comece é cerca de 275 (±25). Em grande medida, a formação de gelo ocorre na superfície da massa de água que faz fronteira com o ar, e não dentro dela. Cristais de gelo grossos Eu formam-se lentamente na direção do eixo c, por exemplo, em água estagnada, eles crescem verticalmente para baixo a partir das placas cristalinas ou em condições onde o crescimento lateral é difícil. O gelo de granulação fina, formado em águas turbulentas ou quando congela rapidamente, tem crescimento acelerado direcionado a partir das faces prismáticas. A temperatura da água circundante determina o grau de ramificação da estrutura do cristal de gelo.
Partículas de substâncias dissolvidas em água, com exceção dos átomos de hélio e hidrogênio, cujas dimensões permitem que caibam nas cavidades da estrutura, são excluídas da rede cristalina à pressão atmosférica normal, sendo forçadas a sair para a superfície do cristal ou , como no caso da variedade amorfa (mais sobre isso posteriormente neste artigo) formando camadas entre microcristais. Ciclos consecutivos de congelamento e descongelamento da água podem ser usados para purificá-la de impurezas, por exemplo, gases (desgaseificação).
Junto com gelo Eu também há gelo Eu (sistema cúbico), porém, na natureza, a formação desse tipo de gelo ocasionalmente só é possível nas camadas superiores da atmosfera. Gelo artificial Eu obtido pelo congelamento instantâneo da água, para a qual o vapor é condensado em um resfriado 80 para menos 110ºC superfície metálica à pressão atmosférica normal. Como resultado do experimento, cristais de formato cúbico ou octaedros caem na superfície. Não será possível criar gelo cúbico da primeira modificação a partir do gelo hexagonal comum diminuindo sua temperatura, mas a transição de cúbico para hexagonal é possível aquecendo o gelo Eu maior menos 80°C.
Na estrutura molecular do gelo Eu o ângulo da ligação de hidrogênio é o mesmo do gelo comum Ih – 109,5°. E aqui está um anel hexagonal formado por moléculas em uma rede de gelo Eu presente apenas na forma de uma espreguiçadeira.
A densidade do gelo Ic é 0,92 g/cm³ a uma pressão de 1 atm. A célula unitária em um cristal cúbico tem 8 moléculas e dimensões: a=b=c = 6,35 Å, e seus ângulos α=β=γ = 90°.
Apenas uma nota. Caros leitores, neste artigo encontraremos repetidamente indicadores de temperatura e pressão para um ou outro tipo de gelo. E se os valores de temperatura expressos em graus Celsius são claros para todos, então a percepção dos valores de pressão pode ser difícil para alguns. Na física, várias unidades são utilizadas para medi-lo, mas em nosso artigo iremos denotá-lo em atmosferas (atm), arredondando os valores. A pressão atmosférica normal é de 1 atm, o que equivale a 760 mmHg, ou pouco mais de 1 bar, ou 0,1 MPa (megapascal).
Como você entende, em particular, pelo exemplo do gelo Eu, a existência de modificações cristalinas do gelo é possível sob condições de equilíbrio termodinâmico, ou seja, quando o equilíbrio de temperatura e pressão que determina a presença de qualquer tipo de gelo cristalino é perturbado, esse tipo desaparece, transformando-se em outra modificação. A faixa desses valores termodinâmicos varia para cada espécie; Consideremos outros tipos de gelo, não estritamente na ordem de nomenclatura, mas em conexão com essas transições estruturais.
Gelo II pertence ao sistema trigonal. Pode ser formado do tipo hexagonal a uma pressão de cerca de 3.000 atm e uma temperatura de cerca de 75°C negativos, ou de outra modificação ( gelo V), reduzindo drasticamente a pressão a uma temperatura de menos 35°C. Existência II tipo de gelo é possível em condições de -170°C e pressão de 1 a 50.000 atm (ou 5 gigapascais (GPa)). Segundo os cientistas, o gelo desta modificação provavelmente pode fazer parte dos satélites gelados dos planetas distantes do sistema solar. A pressão atmosférica normal e temperaturas acima de -113°C criam condições para que este tipo de gelo se transforme em gelo hexagonal comum.
Sobre ilustrações 13 estrutura de cristal de gelo mostrada II. Uma característica da estrutura é visível - uma espécie de canais hexagonais ocos formados por ligações moleculares. A célula unitária (a área destacada na ilustração com um losango) consiste em dois ligamentos que são deslocados um em relação ao outro, por assim dizer, “em altura”. Como resultado, um sistema de rede romboédrica é formado. Dimensões da célula a=b=c = 7,78 Å; α=β=γ = 113,1°. Existem 12 moléculas em uma célula. O ângulo de ligação entre as moléculas (O – O – O) varia de 80 a 120°.
Ao aquecer a modificação II, você pode obter gelo III, e vice-versa, resfriamento com gelo III transforma isso em gelo II. Também gelo IIIé formado quando a temperatura da água é gradualmente reduzida para menos 23°C, aumentando a pressão para 3.000 atm.
Como pode ser visto no diagrama de fases ( doente. 6), condições termodinâmicas para um estado estável de gelo III, bem como outra modificação - gelo V, são pequenos.
Gelo III E V possuem quatro pontos triplos com modificações circundantes (valores termodinâmicos nos quais é possível a existência de diferentes estados da matéria). No entanto, o gelo II, III E V modificações podem existir sob condições de pressão atmosférica normal e temperatura de menos 170°C, e aquecê-las a menos 150°C leva à formação de gelo Eu.
Comparado com outras modificações de alta pressão atualmente conhecidas, o gelo III tem a densidade mais baixa - a uma pressão de 3.500 atm. é igual a 1,16 g/cm³.
Gelo IIIé uma variedade tetragonal de água cristalizada, mas a própria estrutura da rede de gelo III tem violações. Se normalmente cada molécula está rodeada por 4 vizinhas, então neste caso este indicador terá um valor de 3,2 e, além disso, pode haver mais 2 ou 3 moléculas próximas que não possuem ligações de hidrogênio.
No arranjo espacial, as moléculas formam hélices destras.
Dimensões de uma célula unitária com 12 moléculas a menos 23°C e cerca de 2.800 atm: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. O ângulo da ligação de hidrogênio varia de 87 a 141°.
Sobre ilustrações 15 um diagrama espacial da estrutura molecular do gelo é apresentado convencionalmente III. As moléculas (pontos azuis) localizadas mais próximas do observador são mostradas maiores e as ligações de hidrogênio (linhas vermelhas) são correspondentemente mais espessas.
E agora, como dizem, logo atrás, vamos imediatamente “pular” aqueles que vêm atrás do gelo III em ordem de nomenclatura, modificações cristalinas, e digamos algumas palavras sobre gelo IX.
Este tipo de gelo é essencialmente gelo modificado III, submetido a um rápido resfriamento profundo de menos 65 a menos 108 ° C para evitar transformá-lo em gelo II. Gelo IX permanece estável em temperaturas abaixo de 133°C e pressões de 2.000 a 4.000 atm. Sua densidade e estrutura são idênticas III mente, mas ao contrário do gelo III na estrutura de gelo IX há ordem no arranjo dos prótons.
Aquecimento de gelo IX não devolve ao original III modificações, mas se transforma em gelo II. Dimensões da célula: a=b = 6,69, c = 6,71 Å a uma temperatura de menos 108°C e 2800 atm.
Por falar nisso, o romance Cat's Cradle de 1963 do escritor de ficção científica Kurt Vonnegut é centrado em uma substância chamada gelo-nove, que é descrita como um material feito pelo homem que representa um grande perigo para a vida porque a água cristaliza ao entrar em contato com ela, transformando-se em gelo-nove. A entrada mesmo de uma pequena quantidade desta substância nas águas naturais voltadas para os oceanos do mundo ameaça congelar toda a água do planeta, o que por sua vez significa a morte de todos os seres vivos. No final, é isso que acontece.
Gelo IVé uma formação trigonal metaestável (fracamente estável) de uma rede cristalina. Sua existência é possível no espaço de fase do gelo III, V E VI modificações. Pegue um pouco de gelo 4 pode ser feito a partir de gelo amorfo de alta densidade aquecendo-o lentamente, a partir de -130°C a uma pressão constante de 8.000 atm.
O tamanho da célula unitária romboédrica é 7,60 Å, ângulos α=β=γ = 70,1°. A célula inclui 16 moléculas; as ligações de hidrogênio entre as moléculas são assimétricas. A uma pressão de 1 atm e uma temperatura de -163°C, a densidade do gelo IV é de 1,27 g/cm³. Ângulo de ligação O–O–O: 88–128°.
Da mesma maneira 4 o tipo de gelo que forma gelo XII– aquecendo uma modificação amorfa de alta densidade (mais sobre isto abaixo) de -196 a -90°C à mesma pressão de 8.000 atm, mas a uma velocidade mais elevada.
Gelo XII também metaestável na região de fase V E VI tipos cristalinos. É um tipo de sistema tetragonal.
A célula unitária contém 12 moléculas que, devido a ligações de hidrogênio com ângulos de 84–135°, estão localizadas na rede cristalina, formando uma dupla hélice destra. A célula tem dimensões: a=b = 8,27, c = 4,02 Å; ângulos α=β=γ = 90º. A densidade do gelo XII é de 1,30 g/cm³ à pressão atmosférica normal e a uma temperatura de 146°C negativos. Ângulos de ligação de hidrogênio: 67–132°.
Das modificações atualmente descobertas no gelo de água, o gelo tem a estrutura cristalina mais complexa V. 28 moléculas constituem sua célula unitária; as ligações de hidrogênio abrangem lacunas em outros compostos moleculares, e algumas moléculas formam ligações apenas com certos compostos. O ângulo das ligações de hidrogênio entre moléculas vizinhas varia muito - de 86 a 132°, portanto, na rede cristalina do gelo V há uma forte tensão e uma enorme oferta de energia.
Parâmetros celulares sob condições de pressão atmosférica normal e temperatura menos 175°C: a= 9,22, b= 7,54, c= 10,35 Å; α = β = 90°, γ = 109,2°.
Gelo Vé uma variedade monoclínica formada pelo resfriamento da água a menos 20°C a uma pressão de cerca de 5.000 atm. A densidade da rede cristalina, levando em consideração uma pressão de 3.500 atm, é de 1,24 g/cm³.
Diagrama espacial da rede de cristal de gelo V tipo mostrado em ilustrações 18. A região da célula unitária do cristal é destacada com um contorno cinza.
Arranjo ordenado de prótons na estrutura do gelo V torna outra variedade chamada gelo XIII. Esta modificação monoclínica pode ser obtida resfriando a água abaixo de -143°C com a adição de ácido clorídrico (HCl) para facilitar a transição de fase, criando uma pressão de 5.000 atm. Transição reversível de XIII tipo k V tipo é possível na faixa de temperatura de -193°C a -153°C.
Dimensões da célula unitária de gelo XIII um pouco diferente de V modificações: a= 9,24, b= 7,47, c= 10,30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7° (a 1 atm, menos 193°С). O número de moléculas em uma célula é o mesmo - 28. Ângulo da ligação de hidrogênio: 82–135°.
Na próxima parte do nosso artigo continuaremos nossa revisão das modificações do gelo de água.
Nos vemos nas páginas do nosso blog!
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Neste artigo falaremos sobre a estrutura das moléculas de água, suas ligações e propriedades.
Avançando um pouco, escreverei:
A tarefa realizada pela Célula de Mayer é a decomposição “fácil” de moléculas de água sob a influência de uma corrente elétrica acompanhada de radiação eletromagnética.
Para resolver isso, vamos descobrir o que é água? Qual é a estrutura das moléculas de água? O que se sabe sobre as moléculas de água e suas ligações? No artigo utilizei diversas publicações que estão disponíveis em quantidade suficiente na Internet, mas são reproduzidas em grande quantidade, por isso não estou claro quem é o seu autor e é estúpido da minha parte citar uma fonte. Além disso, essas publicações ficam “confusas” ao ponto da desgraça, o que dificulta a compreensão e aumenta significativamente o tempo de estudo. Ao analisar os artigos, extraí algo que pode orientar você no sentido de entender com o que estaremos lidando no processo de extração de energia barata, ou mais precisamente no processo de quebra das moléculas de água em componentes – hidrogênio e oxigênio.
Então, vejamos os conceitos mais importantes sobre a estrutura das moléculas de água!
A água é uma substância cuja principal unidade estrutural é a molécula de H 2 O, composta por um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio.
A molécula de água tem a estrutura de um triângulo isósceles: no topo desse triângulo está um átomo de oxigênio e em sua base há dois átomos de hidrogênio. O ângulo do ápice é 104°27 e o comprimento lateral é 0,096 nm. Esses parâmetros referem-se ao hipotético estado de equilíbrio de uma molécula de água sem suas vibrações e rotações. A geometria da molécula de água e suas órbitas eletrônicas são mostradas na figura.
Uma molécula de água é um dipolo contendo cargas positivas e negativas em seus pólos. Se uma molécula de água “livre”, não conectada a outras moléculas, for colocada em um campo elétrico, ela “girará” com seus pólos negativos em direção à placa positiva do campo elétrico, e com seus pólos positivos em direção à placa negativa. É esse processo que está representado na Figura 1, posição 3B, explicando o funcionamento da Célula de Mayer no artigo “Água em vez de gasolina”.
Se você conectar os epicentros de cargas positivas e negativas com linhas retas, obterá uma figura geométrica tridimensional - um tetraedro regular. Esta é a estrutura da própria molécula de água.
Devido à presença de ligações de hidrogênio, cada molécula de água forma uma ligação de hidrogênio com 4 moléculas vizinhas, formando uma estrutura de malha aberta na molécula de gelo. É este estado ordenado das moléculas de água que pode ser chamado de “estrutura”. Cada molécula pode formar simultaneamente quatro ligações de hidrogênio com outras moléculas em ângulos estritamente definidos iguais a 109°28′, direcionados aos vértices do tetraedro, o que não permite a criação de uma estrutura densa durante o congelamento.
Quando o gelo derrete, sua estrutura tetragonal se quebra e uma mistura de polímeros é formada, consistindo de tri-, tetra-, penta- e hexâmeros de água e moléculas de água livres.
No estado líquido, a água é um líquido desordenado. Essas ligações de hidrogênio são espontâneas, de curta duração, quebram-se rapidamente e se formam novamente.
Quando agrupados, os tetraedros de moléculas de água formam uma variedade de estruturas espaciais e planares.
E de toda a variedade de estruturas da natureza, a básica é a estrutura hexagonal (seis lados), quando seis moléculas de água (tetraedros) são combinadas em um anel.
Este tipo de estrutura é característica do gelo, da neve e da água do degelo, que, pela presença de tal estrutura, é denominada “Água Estruturada”. Muito se tem escrito sobre as propriedades benéficas da água estruturada, mas este não é o tema do nosso artigo. Seria lógico que a água estruturada – formando estruturas hexagonais – fosse a pior opção para a estrutura da água, que pode ser usada para decomposição em hidrogénio e oxigénio. Deixe-me explicar o porquê: as moléculas de água, agrupadas seis em um hexâmero, têm uma composição eletricamente neutra - os hexâmeros não possuem pólos positivos e negativos. Se você colocar um hexâmero de água estruturada em um campo elétrico, ele não reagirá de forma alguma. Portanto, pode-se concluir logicamente que é necessário que a água tenha o mínimo possível de estruturas organizadas. Na verdade, é o contrário: um hexâmero não é uma estrutura completa; existe um conceito ainda mais interessante - um cluster.
As estruturas das moléculas de água unidas são chamadas de aglomerados, e as moléculas de água individuais são chamadas de quanta. Um cluster é uma combinação volumétrica de moléculas de água, incluindo hexâmeros, que possui pólos positivos e negativos.
Na água destilada, os aglomerados são praticamente eletricamente neutros, pois com a evaporação os aglomerados foram destruídos e, com a condensação, não surgiram ligações fortes entre as moléculas de água. No entanto, a sua condutividade elétrica pode ser alterada. Se a água destilada for agitada com um agitador magnético, as conexões entre os elementos dos clusters serão parcialmente restauradas e a condutividade elétrica da água mudará. Em outras palavras, água destilada é a água que possui um número mínimo de ligações entre moléculas . Nele, os dipolos das moléculas estão em um estado desorientado, de modo que a constante dielétrica da água destilada é muito alta e ela é um mau condutor de corrente elétrica. Ao mesmo tempo, para aumentar a controlabilidade dos aglomerados de água, são adicionados ácidos ou álcalis que, por participarem de ligações moleculares, não permitem que as moléculas de água formem estruturas hexagonais, formando assim eletrólitos. A água destilada é o oposto da água estruturada, na qual existe um grande número de conexões entre as moléculas de água em aglomerados.
No meu site existem, e continuarão a aparecer, artigos que, à primeira vista, são “separados” e não têm relação com outros artigos. Na verdade, a maioria dos artigos do site estão interligados em um todo. Neste caso, ao descrever as propriedades da água destilada, utilizo a teoria dipolo da corrente elétrica, este é um conceito alternativo de corrente elétrica, que é confirmado pela ciência e pela prática melhor que o conceito clássico.
Quando expostos à energia de uma fonte de corrente elétrica, todos os dipolos dos átomos de água (como condutor) giram, orientados com seus pólos semelhantes em uma direção. Se as moléculas de água criaram uma estrutura de aglomerado (orientada mutuamente) antes do aparecimento de um campo elétrico externo, então, para orientação em um campo elétrico externo, será necessária uma quantidade mínima de energia de uma fonte de corrente elétrica. Se a estrutura não estiver organizada (como água destilada), será necessária uma grande quantidade de energia.
Observe que “há uma opinião popular” de que a água destilada e a água derretida devem ter as mesmas propriedades condutoras elétricas, porque tanto uma quanto a outra não possuem impurezas químicas (geralmente sais), sua composição química é a mesma e a estrutura de as moléculas de água são iguais na água derretida e na água destilada.
Na verdade, tudo parece ao contrário; a ausência de impurezas não indica de forma alguma as propriedades de condutividade elétrica da água. Sem entender isso, algumas pessoas “matam” as baterias na fase de enchê-las com eletrólito, substituindo a água destilada por água derretida ou simplesmente purificada através de um filtro de carbono. Via de regra, uma bateria recarregada adquirida no mercado automotivo dura menos do que aquela que você comprou carregada a seco e diluída com ácido sulfúrico com água destilada e recarregada você mesmo. Isso só porque um eletrólito “pronto”, ou uma bateria recarregada, é uma forma de ganhar dinheiro em nossa época, e para saber que tipo de água foi usada é preciso fazer um exame caro, ninguém se preocupa com isso . O revendedor não se importa com quanto tempo a bateria do seu carro vai durar, e você também não quer mexer com ácido. Mas garanto-lhe que a bateria pela qual você transpira será muito mais vigorosa em temperaturas abaixo de zero do que uma cheia de eletrólito engarrafado pronto para uso.
Vamos continuar!
Na água, os aglomerados entram em colapso periodicamente e se formam novamente. O tempo de salto é de 10 a 12 segundos.
Como a estrutura da molécula de água é assimétrica, os centros de gravidade de suas cargas positivas e negativas não coincidem. As moléculas têm dois pólos - positivo e negativo, criando, como um ímã, campos de força moleculares. Tais moléculas são chamadas polares ou dipolos, e a característica quantitativa da polaridade é determinada pelo momento elétrico do dipolo, expresso como o produto da distância eu entre os centros elétricos de gravidade das cargas positivas e negativas de uma molécula por carga e em unidades eletrostáticas absolutas: p = eu e
Para a água, o momento dipolar é muito alto: p = 6,13·10 -29 C m.
Os aglomerados de água nos limites de fase (ar líquido) são organizados em uma determinada ordem, com todos os aglomerados oscilando na mesma frequência, adquirindo uma frequência comum. Com esse movimento dos aglomerados, levando em consideração que as moléculas de água incluídas no aglomerado são polares, ou seja, possuem um grande momento de dipolo, deve-se esperar o aparecimento de radiação eletromagnética. Esta radiação difere da radiação de dipolos livres, uma vez que os dipolos estão acoplados e oscilam juntos em uma estrutura de cluster.
A frequência das oscilações dos aglomerados de água e, consequentemente, a frequência das oscilações eletromagnéticas podem ser determinadas pela seguinte fórmula:
Onde um
— tensão superficial da água a uma determinada temperatura; M
- massa do aglomerado.
Onde V — volume do cluster.
O volume do cluster é determinado levando em consideração as dimensões da estrutura fractal fechada do cluster ou por analogia com as dimensões do domínio da proteína.
À temperatura ambiente de 18°C, a frequência de oscilação do cluster f
igual a 6,79 · 10 9 Hz, ou seja, o comprimento de onda no espaço livre deve ser λ
= 14,18 milímetros.
Mas o que acontecerá quando a água for exposta à radiação eletromagnética externa? Como a água é uma estrutura auto-organizada e contém elementos ordenados em aglomerados e moléculas livres, o seguinte acontecerá quando exposta à radiação eletromagnética externa. Quando as moléculas de água se aproximam (a distância muda de R 0 para R 1 ), a energia de interação muda em uma quantidade maior do que quando elas se afastam umas das outras (a distância muda de R 0 para R 2 ).
Mas, como as moléculas de água possuem um grande momento dipolar, no caso de um campo eletromagnético externo, elas realizarão movimentos oscilatórios (por exemplo, de R 1 a R 2 ). Neste caso, devido à dependência acima, o campo eletromagnético aplicado contribuirá mais para a atração das moléculas e, assim, para a organização do sistema como um todo, ou seja, formação de uma estrutura hexagonal.
Caso existam impurezas no meio aquoso, elas são recobertas por uma concha de hidratação de tal forma que a energia total do sistema tende a assumir um valor mínimo. E se o momento dipolar total da estrutura hexagonal for zero, então na presença de impurezas a estrutura hexagonal próxima a elas é rompida de tal forma que o sistema assume um valor mínimo em alguns casos, os hexágonos são transformados em pentágonos, e os hexágonos são transformados em pentágonos; a concha de hidratação tem formato próximo a uma esfera. As impurezas (por exemplo, íons Na +) podem estabilizar a estrutura, tornando-a mais resistente à destruição.
Um sistema de água auto-organizado, quando exposto à radiação eletromagnética, não se moverá como um todo, mas cada elemento da estrutura hexagonal, e no caso de impurezas locais de outro tipo, se deslocará, ou seja, a geometria da estrutura será distorcida, ou seja, surgem tensões. Esta propriedade da água é muito semelhante à dos polímeros. Mas as estruturas poliméricas têm longos tempos de relaxamento, que não são 10 -11 –10 -12 s, mas minutos ou mais. É por isso a energia dos quanta de radiação eletromagnética, transformando-se na energia interna de uma estrutura hídrica organizada como resultado de suas distorções, será acumulada por ela até atingir a energia da ligação de hidrogênio, que é 500-1000 vezes maior que a energia do eletromagnético campo. Quando este valor é atingido, a ligação de hidrogênio se rompe e a estrutura entra em colapso..
Isso pode ser comparado a uma avalanche de neve, quando há um acúmulo lento e gradual de massa e, em seguida, um colapso rápido. No caso da água, não apenas as ligações fracas entre os aglomerados são quebradas, mas também as ligações mais fortes na estrutura das moléculas de água. Como resultado dessa ruptura, H +, OH – e elétron hidratado e – podem ser formados. A cor azul da água pura se deve à presença desses elétrons, e não apenas à dispersão da luz natural.
Conclusão
Assim, quando exposta à radiação eletromagnética com água, a energia se acumula na estrutura do cluster até um determinado valor crítico, então as ligações entre os clusters e outros são quebradas, e ocorre uma liberação de energia semelhante a uma avalanche, que pode então ser transformada em outros tipos.
No próximo artigo, “A quebra das moléculas de água em hidrogênio e oxigênio. Lei de Ohm e Célula de Mayer”, determinaremos as condições para a ruptura das moléculas de água e descobriremos como a Lei de Ohm interfere em “nossos desejos”.
