اسم بلور یخ کوچک چیست؟ کریستال های برف و یخ. دانشمندان و کارهای آنها در این زمینه

از 14 شکل شناخته شده کنونی آب جامد در طبیعت، ما تنها یکی را پیدا می کنیم - یخ. بقیه در شرایط شدید تشکیل می شوند و برای مشاهدات خارج از آزمایشگاه های ویژه غیرقابل دسترس هستند. جالب ترین ویژگی یخ، تنوع شگفت انگیز تظاهرات خارجی آن است. با همان ساختار کریستالی، می‌تواند کاملاً متفاوت به نظر برسد، به شکل تگرگ‌ها و یخ‌های شفاف، تکه‌های برف کرکی، پوسته‌ای متراکم و براق از فرن در یک میدان برفی، یا توده‌های یخبندان غول‌پیکر.

در شهر کوچک ژاپنی کاگا، واقع در ساحل غربی جزیره هونشو، یک موزه غیر معمول وجود دارد. برف و یخ. اوکیهیرو ناکایا، اولین کسی که پرورش دانه های برف مصنوعی را در آزمایشگاه آموخت، به زیبایی آن هایی که از آسمان می افتند، تاسیس شد. در این موزه، بازدیدکنندگان از هر طرف توسط شش ضلعی های منظم احاطه شده اند، زیرا دقیقاً این تقارن "شش ضلعی" است که مشخصه کریستال های یخ معمولی است (به هر حال، کلمه یونانی kristallos در واقع به معنای "یخ" است). بسیاری از خواص منحصر به فرد آن را تعیین می کند و باعث می شود دانه های برف، با همه تنوع بی نهایت، به شکل ستاره هایی با شش و کمتر سه یا دوازده پرتو رشد کنند، اما هرگز با چهار یا پنج پرتو.

مولکول ها در روباز

کلید ساختار آب جامد در ساختار مولکول آن نهفته است. H2O را می توان به طور ساده به عنوان یک چهار وجهی (هرمی با پایه مثلثی) نشان داد. در مرکز اکسیژن وجود دارد، در دو راس هیدروژن، به طور دقیق تر پروتون، که الکترون های آن در تشکیل یک پیوند کووالانسی با اکسیژن نقش دارند. دو رأس باقی مانده توسط جفت الکترون های ظرفیت اکسیژن اشغال شده اند که در تشکیل پیوندهای درون مولکولی شرکت نمی کنند، به همین دلیل است که آنها را تنها می نامند.

هنگامی که یک پروتون از یک مولکول با یک جفت الکترون اکسیژن تنها یک مولکول دیگر برهمکنش می‌کند، یک پیوند هیدروژنی تشکیل می‌شود که از یک پیوند درون مولکولی قوی‌تر است، اما به اندازه کافی قدرتمند است که مولکول‌های همسایه را در کنار هم نگه دارد. هر مولکول می تواند به طور همزمان چهار پیوند هیدروژنی با مولکول های دیگر در زوایای کاملاً مشخص ایجاد کند، که اجازه ایجاد یک ساختار متراکم در هنگام انجماد را نمی دهد. این چارچوب نامرئی از پیوندهای هیدروژنی، مولکول ها را در یک شبکه توری با کانال های توخالی مرتب می کند. به محض گرم شدن یخ، توری فرو می ریزد: مولکول های آب شروع به ریختن در حفره های مش می کنند که منجر به ساختار متراکم تر مایع می شود، به همین دلیل است که آب سنگین تر از یخ است.

یخ که در فشار اتمسفر تشکیل می شود و در دمای صفر درجه سانتی گراد ذوب می شود، رایج ترین ماده است، اما هنوز به طور کامل شناخته نشده است. بسیاری از ساختار و خواص آن غیر معمول به نظر می رسد. در محل‌های شبکه بلوری یخ، اتم‌های اکسیژن به صورت منظم چیده شده‌اند و شش ضلعی‌های منظم را تشکیل می‌دهند، اما اتم‌های هیدروژن موقعیت‌های مختلفی را در امتداد پیوندها اشغال می‌کنند. این رفتار اتم ها به طور کلی غیر معمول است - به عنوان یک قاعده، در یک ماده جامد همه از یک قانون پیروی می کنند: یا همه اتم ها به طور منظم چیده شده اند، و سپس یک کریستال است، یا به طور تصادفی، و سپس یک ماده بی شکل است.

یخ به سختی آب می شود، مهم نیست که چقدر عجیب به نظر می رسد. اگر هیچ پیوند هیدروژنی وجود نداشت که مولکول های آب را در کنار هم نگه می داشت، در دمای 90 درجه سانتی گراد ذوب می شد. در عین حال، هنگامی که آب یخ می زند، حجم آن کاهش نمی یابد، همانطور که در مورد اکثر مواد شناخته شده اتفاق می افتد، اما به دلیل تشکیل یک ساختار روباز از یخ افزایش می یابد.

"عجیب" یخ همچنین شامل تولید تابش الکترومغناطیسی توسط کریستال های در حال رشد آن است. از قدیم معلوم شده است که بیشتر ناخالصی های حل شده در آب وقتی شروع به رشد می کند به یخ منتقل نمی شود و به عبارت دیگر یخ می زند. بنابراین، حتی در کثیف ترین گودال، فیلم یخ تمیز و شفاف است. ناخالصی ها در حد فاصل بین محیط جامد و مایع به شکل دو لایه بارهای الکتریکی با علائم مختلف جمع می شوند که باعث اختلاف پتانسیل قابل توجهی می شود. لایه باردار ناخالصی همراه با مرز پایین یخ جوان حرکت می کند و امواج الکترومغناطیسی ساطع می کند. با تشکر از این، فرآیند کریستالیزاسیون را می توان با جزئیات مشاهده کرد. بنابراین، کریستالی که به شکل سوزن رشد می کند، متفاوت از کریستالی که با فرآیندهای جانبی پوشانده شده است، ساطع می کند، و تابش دانه های در حال رشد با آنچه در هنگام ترک کریستال رخ می دهد، متفاوت است. با توجه به شکل، توالی، فرکانس و دامنه پالس های تابش، می توان تعیین کرد که یخ با چه سرعتی یخ می زند و چه نوع ساختار یخی به دست می آید.

یخ اشتباه

در حالت جامد، آب طبق آخرین داده ها دارای 14 تغییر ساختاری است. برخی از آنها کریستالی هستند (اکثر آنها)، برخی بی شکل هستند، اما همه آنها در آرایش نسبی مولکول های آب و خواص آنها با یکدیگر متفاوت هستند. درست است، همه چیز به جز یخی که ما با آن آشنا هستیم، در شرایط عجیب و غریب - در دماهای بسیار پایین و فشارهای بالا، زمانی که زوایای پیوندهای هیدروژنی در مولکول آب تغییر می‌کند و سیستم‌هایی غیر از شش ضلعی تشکیل می‌شوند، تشکیل می‌شوند. به عنوان مثال، در دمای کمتر از 110 درجه سانتیگراد، بخار آب بر روی یک صفحه فلزی به شکل هشت ضلعی رسوب می کند و به اندازه چندین نانومتر مکعب می کند - این به اصطلاح یخ مکعبی است. اگر دما کمی بالاتر از 110 درجه باشد، و غلظت بخار بسیار کم باشد، لایه ای از یخ آمورف بسیار متراکم روی صفحه تشکیل می شود.

دو تغییر آخر یخ XIII و XIV توسط دانشمندان آکسفورد اخیراً در سال 2006 کشف شد. تایید پیش‌بینی 40 ساله مبنی بر وجود بلورهای یخ با شبکه‌های تک‌کلینیک و متعامد دشوار بود: ویسکوزیته آب در دمای 160 درجه سانتی‌گراد بسیار بالا است و مولکول‌های آب فوق‌خنک فوق‌العاده در چنین مقادیری گرد هم می‌آیند تا تشکیل شوند. یک هسته کریستالی، دشوار است. کاتالیزور کمک کرد: اسید هیدروکلریک، که تحرک مولکول های آب را در دماهای پایین افزایش می دهد. چنین تغییراتی از یخ نمی تواند در طبیعت زمینی شکل بگیرد، اما می توان آنها را در ماهواره های یخ زده سیارات دیگر جستجو کرد.

کمیسیون چنین تصمیمی گرفت

دانه‌های برف تک بلوری از یخ است، نوعی کریستال شش ضلعی که به سرعت در شرایط غیرتعادلی رشد می‌کند. کنجکاوترین ذهن ها قرن هاست که با راز زیبایی و تنوع بی پایان خود دست و پنجه نرم می کنند. یوهانس کپلر، ستاره شناس، رساله کاملی با عنوان «درباره دانه های برف شش ضلعی» در سال 1611 نوشت. در سال 1665، رابرت هوک، در حجم عظیمی از طرح های هر چیزی که با میکروسکوپ دید، نقاشی های زیادی از دانه های برف با اشکال مختلف منتشر کرد. اولین عکس موفق از یک دانه برف زیر میکروسکوپ در سال 1885 توسط کشاورز آمریکایی ویلسون بنتلی گرفته شد. از آن به بعد نتوانست متوقف شود. بنتلی تا پایان عمرش، بیش از چهل سال از آنها عکس می گرفت. بیش از پنج هزار کریستال، و حتی یک کریستال یکسان نیست.

مشهورترین پیروان آرمان بنتلی اوکیهیرو ناکایا و فیزیکدان آمریکایی کنت لیبرشت هستند. ناکایا اولین کسی بود که پیشنهاد کرد اندازه و شکل دانه‌های برف به دمای هوا و رطوبت هوا بستگی دارد و این فرضیه را به‌طور تجربی با رشد بلورهای یخ با اشکال مختلف در آزمایشگاه تأیید کرد. و لیبرشت حتی شروع به پرورش دانه های برف سفارشی با شکل از پیش تعیین شده کرد.

زندگی دانه های برف با تشکیل هسته های یخ کریستالی در ابری از بخار آب با کاهش دما آغاز می شود. مرکز تبلور می تواند ذرات غبار، هر ذره جامد یا حتی یون باشد، اما در هر صورت، این تکه های یخ کمتر از یک دهم میلی متر از قبل دارای یک شبکه کریستالی شش ضلعی هستند.

بخار آب که روی سطح این هسته ها متراکم می شود، ابتدا یک منشور شش ضلعی کوچک را تشکیل می دهد که از شش گوشه آن سوزن های یخ کاملاً یکسان و فرآیندهای جانبی شروع به رشد می کنند. آنها یکسان هستند زیرا دما و رطوبت اطراف جنین نیز یکسان است. روی آنها، به نوبه خود، شاخه ها و شاخه های جانبی مانند روی درخت رشد می کنند. به چنین کریستال هایی دندریت می گویند، یعنی شبیه به چوب.

با حرکت بالا و پایین در یک ابر، یک دانه برف با شرایطی با دماها و غلظت‌های مختلف بخار آب مواجه می‌شود. شکل آن تغییر می کند و تا آخر از قوانین تقارن شش ضلعی پیروی می کند. اینگونه است که دانه های برف متفاوت می شوند. اگرچه از نظر تئوری، در یک ابر در همان ارتفاع، آنها می توانند یکسان "ظهور کنند". اما هر کدام مسیر خود را به سمت زمین دارند که به طور متوسط ​​​​یک دانه برف با سرعت 0.9 کیلومتر در ساعت می افتد. این بدان معناست که هر کدام تاریخ و شکل نهایی خود را دارند. یخی که دانه‌های برف را تشکیل می‌دهد شفاف است، اما وقتی تعداد زیادی از آنها وجود دارد، نور خورشید، منعکس شده و بر روی چهره‌های متعدد پراکنده می‌شود، تصور یک توده مات سفید را به ما می‌دهد - ما آن را برف می‌نامیم.

برای جلوگیری از سردرگمی با انواع دانه های برف، کمیسیون بین المللی برف و یخ در سال 1951 یک طبقه بندی نسبتا ساده از کریستال های یخ را تصویب کرد: صفحات، بلورهای ستاره، ستون ها یا ستون ها، سوزن ها، دندریت های فضایی، ستون های نوک دار و اشکال نامنظم. و سه نوع دیگر از بارش یخی: گلوله های برف ریز، گلوله های یخ و تگرگ.

رشد یخ زدگی، یخ زدگی و نقوش روی شیشه نیز تابع همین قوانین است. این پدیده ها، مانند دانه های برف، از تراکم، مولکول به مولکول، روی زمین، علف، درختان تشکیل می شوند. الگوهای روی پنجره در هوای یخبندان ظاهر می شوند، زمانی که رطوبت هوای گرم اتاق روی سطح شیشه متراکم می شود. اما وقتی قطرات آب یخ می زند یا یخ در ابرهای اشباع شده از بخار آب در لایه های متراکم روی جنین دانه های برف یخ می زند، سنگ تگرگ تشکیل می شود. دانه‌های برف دیگر که از قبل تشکیل شده‌اند می‌توانند روی تگرگ‌ها یخ بزنند و با آن‌ها ترکیب شوند و به همین دلیل، تگرگ‌ها عجیب‌ترین شکل‌ها را به خود می‌گیرند.

روی زمین، یک تغییر جامد آب - یخ معمولی - برای ما کافی است. به معنای واقعی کلمه در تمام مناطق سکونت یا اقامت انسان نفوذ می کند. برف و یخ که در مقادیر زیاد جمع می شوند، ساختارهای ویژه ای را تشکیل می دهند که خصوصیات آنها اساساً با کریستال ها یا دانه های برف متفاوت است. یخچال‌های طبیعی کوهستانی، پوشش‌های یخی نواحی آبی، یخ‌های دائمی، و پوشش برف فصلی به طور قابل توجهی بر آب و هوای مناطق بزرگ و کل سیاره تأثیر می‌گذارند: حتی کسانی که هرگز برف را ندیده‌اند، نفس توده‌های آن را در قطب‌های زمین انباشته شده احساس می‌کنند. به عنوان مثال، در قالب نوسانات طولانی مدت در سطح اقیانوس جهانی. و یخ برای ظاهر سیاره ما و زیستگاه راحت موجودات زنده در آن به قدری مهم است که دانشمندان محیط خاصی را برای آن اختصاص داده اند - کرایوسفر که دامنه خود را تا اتمسفر و در اعماق پوسته زمین گسترش می دهد.

اولگا ماکسیمنکو، کاندیدای علوم شیمی

تشکیل یخ همیشه با ظاهر یک فصل مشترک همراه است. کار Lk صرف شده در این مورد عمدتاً صرف غلبه بر کشش سطحی بین فازی هسته اولیه یک کریستال یخ می شود که احتمال وقوع آن توسط قوانین فیزیک آماری تعیین می شود.

تبلور آب معمولاً با دو عامل اصلی مرتبط با ابرسرد شدن آن مشخص می شود: سرعت هسته زایی مراکز تبلور wi و نرخ تبلور خطی o>2.

مایعات چسبناک با حداقل مقادیر W\ و Shr، حتی با سرعت خنک کنندگی نسبتاً کم، می توانند به حالت آمورف جامد (شیشه ای) با دور زدن کریستالیزاسیون منتقل شوند. آب با ویسکوزیته پایین با مقادیر بالای W\ و w2 برای چنین انتقالی به سرعت خنک کننده بسیار بالایی (> 4000 درجه سانتیگراد در ثانیه) نیاز دارد تا بتواند از ناحیه دمای حداکثر همسطل شدن "بیش از حد" عبور کند.

طبق گفته Frenkel G112]، حتی در یک مایع آزاد کاملاً خالص، اگر به اندازه کافی فوق سرد باشد، هسته های کریستالی با اندازه بحرانی می توانند به دلیل نوسانات ایجاد شوند که در شرایط مساعد به مراکز تبلور تبدیل می شوند. برای اینکه کریستالیزاسیون توسعه یابد، لازم است که تعداد کریستال های تشکیل شده از تعداد بلورهای در حال نابودی بیشتر شود. این فرض که آب در حالت قبل از تبلور حاوی هسته های بسیاری از فاز جامد است تا حدی تأیید می شود، به عنوان مثال، با افزایش غیرعادی سرعت صوت در آب در دمای حدود 0 درجه سانتی گراد.

عملاً دانه های تبلور آب ناخالصی های جزئی جامدی هستند که همیشه در آن وجود دارند که کشش سطحی سطحی و کار تبلور Ak را بیشتر کاهش می دهند. برای ایجاد کریستالیزاسیون در آب فوق سرد (و بخار آب)، ریزدانه های ساخته شده از یخ یا از ماده ای که عملاً هم شکل به یخ است، به عنوان مثال، یدید نقره (Agl)، مؤثرترین هستند.

در طول تبلور (و ذوب) یخ، همیشه یک اختلاف پتانسیل الکتریکی در مرز فاز در نتیجه قطبش جزئی ایجاد می‌شود و قدرت toKa متناسب با سرعت تبدیل فاز تنظیم می‌شود. تبلور آب محدود شده، به عنوان مثال، توسط یک مویرگی، نیاز به بازسازی اولیه ساختار مربوطه آب، از جمله پیوندهای هیدروژنی شکسته شده توسط مویرگ دارد.

در حالت معمول، بلورهای یخ درون آبی که در مناطقی از آب به اندازه کافی فوق سرد تشکیل شده اند، با تقارن محیط و انتقال حرارت، در جهت محورهای نوری خود رشد می کنند. در این حالت، رشد کریستال در پرش ها و به شدت در راس ها و لبه ها، یعنی جایی که پیوندهای غیراشباع بیشتری وجود دارد، رخ می دهد.

در طول تبلور آب، که نیاز به فوق خنک شدن آن دارد، دمای فاز در حال ظهور - جنین یک بلور یخ درون آبی - در اصل برابر با دمای تبدیل فاز 0 درجه سانتیگراد است. در اطراف هسته های کریستال یخ در حال ظهور، به دلیل آزاد شدن گرمای تبلور، یک جهش دما رخ می دهد، ابرسرد شدن موضعی آب از بین می رود و تک تک هسته های یخی که به وجود آمده اند می توانند ذوب شوند. بنابراین، برای حفظ فرآیند تشکیل یخ، حذف مداوم گرمای تبلور ضروری است. در دمای صفر درجه سانتی گراد، تعادل دینامیکی یخ و آب می تواند رخ دهد.

فرآیند تبلور یخ سطحیدر لایه مرزی آب فوق سرد قرار گرفته است. به گفته کاستا، ابرسرد شدن آب در حین تشکیل یخ سطحی تابعی از نرخ خطی تبلور آب در سطح سرد شده است و از 0.02- تا 0.11- درجه سانتی گراد با سرعت های 2 تا 30 میلی متر در دقیقه متغیر است. در این حالت دمای سطح یخ خیس شده باید زیر صفر درجه سانتیگراد باشد.

در طول تبلور، آب به یخ تبدیل می شود - یک فاز جدید و از نظر ترمودینامیکی پایدارتر. تبدیل معکوس ماده نیز تا حدی رخ می دهد، اما انتقال مولکول ها به فاز جامد غالب است. بازسازی (طبق گفته Pople - صاف کردن) پیوندهای هیدروژنی و سایر پدیده هایی که در صورت کریستالیزاسیون رخ می دهد، ساختار کوارتز مانند آب مایع را به ساختار یخی با چگالی کمتر تغییر می دهد.

از آنجایی که با ساختار معمول یخ مانند تری دیمیت، هر یک از مولکول های آن با سه مولکول از لایه ساختاری خود و یک مولکول از لایه مجاور مرتبط است، بنابراین تعداد هماهنگی مولکول ها در یخ چهار است. تغییرات در تعدادی از خواص فیزیکی آب در هنگام سرد شدن و انجماد به وضوح منعکس کننده تحولات در ساختار آن است.

بنابراین، در مورد آب خنک کننده در فشار معمولی 0.101325 MPa از دمای t = 4 درجه سانتی گراد (277.15 K) تا * = 0 ° C (273.15 K)، چگالی آن از 1000 به 999.9 کیلوگرم بر متر مکعب کاهش می یابد، و هنگامی که به یخ تبدیل می شود به 916.8 کیلوگرم بر متر مکعب کاهش می یابد (рл «917 (1-0.00015 تن). طبق محاسبات، نسبت جرمی 1 مول آب و یخ 18.02: 19.66 «0.916 است.

در طول تبلور آب، که نیاز به حذف گرمای ویژه hl = 334 kJ/kg دارد، ظرفیت گرمایی از sv = 4.23 به sv = 2.12 kJ/ (kg-K) و هدایت حرارتی از Rav = 0.55 به Rav53 = تغییر می‌کند. 2.22 W/ (m K). در مقایسه با آب، یخ دارای ثابت دی الکتریک متوسط ​​30 برابر کمتر و رسانایی الکتریکی 500 برابر یا بیشتر است.

افت غیرعادی چگالی آب عمدتاً به دلیل کاهش تراکم آرایش متوسط ​​مولکول ها ایجاد می شود. ویژگی‌های آب و یخ به‌ویژه با تغییرات در مقادیر نسبی مولکول‌ها با موقعیت موقت ثابت و حرکت مولکول‌ها، و همچنین تأثیر پیوندهای هیدروژنی، حفره‌ها در ساختارها و پلیمریزاسیون مولکول‌ها توضیح داده می‌شود.

تک بلورهای یخی که در طول تبلور آب ظاهر می شوند، به دلیل نقص ساختاری اجتناب ناپذیر، به ویژه نوع دررفتگی (برشی) ناشی از اختلال در بسته بندی مولکول ها و تناوب صفحات اتمی، شبکه بلوری ایده آلی ندارند.

حرکت حرارتی باعث فرار ریز ذرات منفرد به درون میانی شبکه‌های کریستالی و ایجاد جاهای خالی ("سوراخ") در ساختار کریستالی می‌شود، شبیه به جای خالی موجود در مایعات، به ویژه در آب. اعتقاد بر این است که نقص نابجایی یکی از دلایل پلاستیسیته بالای یخ است که استحکام طولانی مدت یخچال های یخی به آن بستگی دارد. یخ معمولاً در یک سیستم شش ضلعی مانند تری دیمیت متبلور می شود. با این حال، در دمای زیر 120- درجه سانتیگراد، یخ بخار دارای ساختار مکعبی الماس مانند است. در دماهای زیر 160- درجه سانتیگراد و سرعت خنک شدن بالا، بخار در خلاء به یخ شیشه ای و تقریباً بی شکل با چگالی 1300-2470 کیلوگرم بر متر مکعب تبدیل می شود. تک بلورهای یخ درون آبی و سطحی در هنگام ابرسرد شدن از مولکول های آب با حداقل انرژی به وجود می آیند.

به گفته آلتبرگ، یخ طبیعی درون آب (پایین) در یک رودخانه به دلیل انتقال همرفتی آب سطحی فوق خنک به داخل جریان و متبلور شدن بعدی آن عمدتاً بر روی دانه های شن و سایر اجسام جامد تشکیل می شود.

در مورد تشکیل یخ سطحی در یک مخزن، تک بلورهای یخی که معمولاً در دمای اتمسفر کمتر از 0 درجه سانتیگراد به وجود می آیند، به ویژه در بلورهای افقی سوزنی شکل متحد می شوند که با رشد آنها قطع می شوند و شبکه ای ایجاد می کنند. شکاف های شبکه یخ با تک بلورها پر شده است، همچنین به کریستالیت ها متحد شده اند، که مرحله نهایی تشکیل یک پوسته پیوسته از یخ چند کریستالی را، عمدتاً با آرایش بی نظم کریستال ها، کامل می کند. با تشعشع گرمای شدید شبانه از سطح آب آرام، پوسته یخی حتی در دماهای مثبت نیز می تواند تشکیل شود.

رشد بیشتر کریستال های پوسته یخ اولیه تحت تأثیر کریستال های همسایه است. در این حالت، به دلیل ناهمسانگردی رشد، بلورهای دو نوع غالباً رشد می کنند: الف) با محورهای نوری عمودی عمود بر سطح تشکیل یخ - در آب آرام با گرادیان دمایی نسبتاً زیاد و ب) با محورهای افقی. به موازات سطح تشکیل یخ - در آب متحرک و ایزوترم تقریبی آن.

کریستال‌های در حال رشد به دلیل تغذیه، نیروی به اصطلاح کریستالیزاسیون را از خود نشان می‌دهند که موانع را دفع می‌کند. با کریستالیزاسیون آهسته و گردش خوب آب شیرین، بیشتر ناخالصی های آب به بیرون رانده می شود و یخ شفاف به رنگ آبی مایل به سبز تشکیل می شود. یخ عمدتاً با کریستال‌های بزرگ با جهت منظم به شکل منشوری با قطر چند میلی‌متر و با مقدار نسبتاً کمی ناخالصی تشکیل می‌شود. با تبلور سریع و گردش ضعیف آب، یخ مات، سفید (یخ مات) به نظر می رسد و در این حالت جسمی با آرایش آشفته از رشد درونی بلورهای کوچک، معمولاً با قطر کمتر از 1 میلی متر، در هم قرار گرفته است. با ناخالصی های جامد، مایع و گاز (هوا). در طول تبلور سریع آب با مقدار افزایش یافته ناخالصی، آنها گاهی اوقات نه تنها بین کریستال ها، بلکه در صفحات پایه داخل آنها نیز قرار می گیرند. لایه‌های بین کریستال‌ها همیشه حاوی ناخالصی‌های بسیار بیشتری نسبت به لایه‌های بین تک بلورها هستند. در مورد خاص یخ رودخانه، لایه های بین کریستالی دارای ضخامتی در حدود 3 میکرون در دمای انجماد 2- درجه سانتیگراد تا 0.3 میکرون در دمای حدود 20- درجه سانتیگراد هستند. لازم به ذکر است که اندازه بلورهای یخ از آب با مخلوط نمک های محلول در آب با سرعت انجماد و غلظت نمک ها نسبت معکوس دارد.

اگر یخ بر روی سطح صاف آب تشکیل نشود، اما در قطرات بسیار کوچک آب، به عنوان مثال، در ابرها وجود داشته باشد، جایی که ممکن است ابرسرد شدن قابل توجهی از آب رخ دهد (تا -40 درجه سانتیگراد و کمتر)، آنگاه ممکن است تبلور آن آغاز شود. نه از بیرون، بلکه از داخل در جایی که یخ داخلی تشکیل می شود، قطرات می ریزد. قطرات بزرگ آب بعد از هیپوترمی معمولاً در بیرون شروع به یخ زدن می کنند.

هنگامی که آب شیرین متبلور می شود، جبهه یخ در حال رشد تقریبا صاف است. در این حالت، آب حاوی حدود 40 گرم هوا در هر تن در O9 C (در دمای 30 درجه سانتیگراد - فقط 20 گرم)، در هنگام تبلور، هنگامی که قسمت جلو حرکت می کند، هوا را به فضای اضافی یا بین بلوری آزاد می کند.

هنگامی که آب نمک متبلور می شود (در دمایی که توسط ترکیب و غلظت نمک ها تعیین می شود شروع می شود)، جبهه یخ در حال رشد خشن است و دارای برآمدگی هایی است که قسمت های بالای آن در مناطقی با کمترین غلظت نمک قرار دارند. آبی که کمتر توسط هیدراتاسیون به یون های نمک متصل می شود، ابتدا متبلور می شود. متعاقباً، یون‌های نمک را می‌توان تا یک درجه کم آب کرد و نمک‌ها متناسب با حلالیت خود از محلول خارج می‌شوند. در این حالت هیدرات های کریستالی متناسب با دما می توانند تشکیل شوند. در یخ با ناخالصی های محلول در آب، دومی عمدتاً در سلول های کریستال ها قرار دارند که به عنوان مثال در تولید یخ آب نمک مهم است.

هنگامی که یخ در میان ساختارهای دیگر تشکیل می شود، تغییر شکل آنها معمولاً رخ می دهد، به ویژه در مورد یخ زدن خاک یا آب مرطوب در یک صفرا متخلخل. کمترین تغییر شکل با سخت شدن سریع و یکنواخت آب در محیط های بیولوژیکی با مواد برودتی (گلیسیرین و غیره) تضمین می شود. در این حالت، یک قسمت از آب "شیشه ای" می شود و قسمت دیگر میکروکریستال هایی را که عمدتاً در خارج از سلول های بیولوژیکی قرار دارند، متصل می کند یا تشکیل می دهد. یک فرآیند خاص، تبلور یخ با تصعید از بخار (و پدیده معکوس تصعید در طول تبخیر یخ) است.

برای کارکرد یخچال های یخی، هم تبخیر موانع یخ و هم تشکیل یخ تصعید به شکل "پوشش برفی" اهمیت دارد. در دماهای پایین به اندازه کافی، یخ تصعید شده به صورت دانه های برف تشکیل می شود، برای مثال در ابرهای بلند. تبلور یخ اتمسفر به شکل برف روی دانه ها، در این مورد ذرات غبار آغاز می شود. تشکیل و رشد دانه های برف کریستالی، متشکل از یخ معمولی یا تصعید شده، با دما، فشار و رطوبت جو ارتباط دارد. فقط دانه های برف بزرگی که متبلور شده و به جرم بحرانی رسیده اند به زمین فرود می آیند.

لازم به ذکر است که رشد دانه های برف بزرگ به قیمت کریستال ها و قطرات کوچک با افزایش فشار بخار آب برای کریستال ها و قطرات کوچک همراه است. خاصیت ارتجاعی بخار به انحنا و کشش سطحی قطرات آب یا کریستال های یخ بستگی دارد. معرفی مصنوعی دانه‌های تشکیل یخ در ابرها قبلاً در منطقه دنیپر برای برف‌باری محصولات زمستانی در زمستان‌هایی با برف کم استفاده شده است.

آب شدن یخ. تشکیل یخ قبل از یک یا آن ابرسرد کردن آب انجام می شود، و ذوب یک فرآیند پیش از ذوب است که عملاً با گرم شدن بیش از حد فاز جامد همراه نیست، زیرا از سطح یخ در فشار عادی شروع به ذوب شدن در دما می کند (GS (273.15 K در طول ذوب، بر خلاف کریستالیزاسیون، بر نیروی کشش سطحی آب غلبه نمی کند.

انرژی داخلی با ذوب شدن یخ افزایش می یابد. بر اساس گرمای ویژه ذوب یخ 334 کیلوژول بر کیلوگرم و گرمای تصعید 2840 کیلوژول بر کیلوگرم که مشخصه شکسته شدن همه پیوندهای مولکولی است، می توان درجه ضعیف شدن پیوندهای مولکولی در حین ذوب را برابر با 12 درصد در نظر گرفت. از این تعداد، تقریباً 9٪ پیوندهای هیدروژنی و تنها 3٪ پیوندهای واندروالس هستند.

هنگامی که یخ ذوب می شود، مدت زمانی که مولکول ها در موقعیت تعادل باقی می مانند به طور چشمگیری تغییر می کند. انرژی فعال سازی (سد پتانسیل) E کاهش می یابد، زیرا E آب کمتر از E یخ است. نقص‌های همیشه موجود در ساختار شبکه کریستالی و ناخالصی‌ها باعث کاهش بیشتر انرژی فعال‌سازی می‌شوند. ذوب یخ معمولاً از سطح آن شروع می شود، روی صورت و لبه بلورها و همچنین در محل ناخالصی ها که دانه های ذوب هستند. سطح ذوب یخ همیشه ریز خشن است.

دشوارترین فرآیند ذوب یخ در ساختارهای دیگر است، به عنوان مثال در مورد خاک یخی. نمک های محلول در آب در یخ به ذوب شدن آن در خارج و داخل کمک می کند.

باید تاکید کرد که ذوب یخ تازه به طور موقت برخی از ویژگی های فیزیکی را حفظ می کند که به یخ نزدیک تر از آب با دمای نزدیک به صفر است. خواص مولکولی ذاتی یخ به طور موقت به آب مذاب منتقل می شود، که ظاهراً «تعیین کننده افزایش فعالیت بیولوژیکی آن در طول ذوب یخ است، و همچنین فعالیت ویژه یخ و آب تازه ذوب شده می تواند به عنوان مثال بر محصولات غذایی خنک شده توسط یخ تأثیر بگذارد. ذوب شدن یخ از نظر فناوری، همچنین مهم است که ذوب شدن یخ، بسیاری از گازها و در نتیجه بوها را به خوبی جذب کند.

فیزیک و شیمی آب و یخ با جزئیات بیشتری در تک نگاری های فریتزمن، دورسی و فلچر، به ویژه فرآیند ذوب در آثار اوبلوده، ساختار آب و یخ در آثار شومسکی، زاتسپینا، آیزنبرگ و کاوتزمن مورد بحث قرار گرفته است. .

O. V. Mosin، I. Ignatov (بلغارستان)

حاشیه نویسی اهمیت یخ در حمایت از حیات در سیاره ما را نمی توان دست کم گرفت. یخ تاثیر زیادی بر شرایط زندگی گیاهان و جانوران و انواع مختلف فعالیت های اقتصادی انسان دارد. پوشاندن آب، یخ به دلیل چگالی کم، در طبیعت نقش یک صفحه شناور را ایفا می کند و از رودخانه ها و مخازن در برابر یخ زدگی بیشتر محافظت می کند و زندگی ساکنان زیر آب را حفظ می کند. استفاده از یخ برای مقاصد مختلف (حفظ برف، ساخت گذرگاه‌های یخ و انبارهای همدما، پر کردن یخ انبارها و معادن) موضوع تعدادی از بخش‌های علوم آب‌وهواشناسی و مهندسی مانند مهندسی یخ، مهندسی برف، منجمد دائمی است. مهندسی و همچنین فعالیت های خدمات ویژه شناسایی یخ و تجهیزات حمل و نقل یخ شکن و برف روبی. یخ طبیعی برای نگهداری و خنک‌کردن محصولات غذایی، فرآورده‌های بیولوژیکی و پزشکی که مخصوص آن‌ها تولید و تهیه می‌شود و از آب مذاب تهیه شده از ذوب یخ در طب عامیانه برای افزایش متابولیسم و ​​دفع سموم از بدن استفاده می‌شود. این مقاله خواننده را با خواص و تغییرات کمتر شناخته شده یخ آشنا می کند.

یخ شکل کریستالی آب است که طبق آخرین داده ها، چهارده تغییر ساختاری دارد. در میان آنها تغییرات کریستالی (یخ طبیعی) و آمورف (یخ مکعبی) و تغییرات متقابل وجود دارد که در آرایش متقابل و خواص فیزیکی مولکول های آب متصل شده توسط پیوندهای هیدروژنی که شبکه کریستالی یخ را تشکیل می دهند با یکدیگر متفاوت هستند. همه آنها، به جز یخ طبیعی آشنا I h، که در یک شبکه شش ضلعی متبلور می شوند، در شرایط عجیب و غریب - در دمای بسیار پایین یخ خشک و نیتروژن مایع و فشارهای بالای هزاران اتمسفر، زمانی که زوایای پیوند هیدروژنی تشکیل می شوند. در مولکول آب تغییر می کند و سیستم های کریستالی ایجاد می شود که با شش ضلعی متفاوت است. چنین شرایطی شبیه شرایط موجود در فضا است و در زمین رخ نمی دهد.

در طبیعت، یخ عمدتاً با یک نوع کریستالی نشان داده می شود که در یک شبکه شش ضلعی متبلور می شود که یادآور ساختار الماس است، جایی که هر مولکول آب توسط چهار نزدیکترین مولکول احاطه شده است که در فواصل مساوی از آن، برابر با 2.76 آنگستروم قرار دارند و قرار می گیرند. در راس یک چهار وجهی منظم. به دلیل عدد هماهنگی کم، ساختار یخ مشبک است که بر چگالی کم آن تأثیر می گذارد، به میزان 0.931 g/cm3.

غیر معمول ترین خاصیت یخ تنوع شگفت انگیز تظاهرات خارجی آن است. با همان ساختار کریستالی، می تواند کاملاً متفاوت به نظر برسد، به شکل تگرگ و یخ های شفاف، تکه های برف کرکی، پوسته براق متراکم از یخ یا توده های یخی غول پیکر. یخ در طبیعت به صورت یخ های قاره ای، شناور و زیرزمینی و همچنین برف و یخبندان وجود دارد. در تمام مناطق سکونت انسان گسترده است. وقتی برف و یخ به مقدار زیاد جمع می شوند، ساختارهای ویژه ای با خواصی که اساساً با کریستال های منفرد یا دانه های برف متفاوت است، تشکیل می دهند. یخ طبیعی عمدتاً توسط یخ با منشاء رسوبی دگرگونی تشکیل می شود که از بارش جامد جوی در نتیجه تراکم و تبلور مجدد بعدی تشکیل شده است. یکی از ویژگی های بارز یخ طبیعی دانه بندی و نواری بودن آن است. دانه بندی ناشی از فرآیندهای تبلور مجدد است. هر دانه یخ یخ، کریستالی با شکل نامنظم است که در مجاورت بلورهای دیگر در توده یخ قرار دارد، به گونه ای که برآمدگی های یک کریستال محکم در فرورفتگی های کریستال دیگر قرار می گیرند. به این نوع یخ پلی کریستالی می گویند. در آن، هر کریستال یخ لایه‌ای از نازک‌ترین برگ‌ها است که در صفحه پایه عمود بر جهت محور نوری کریستال روی یکدیگر همپوشانی دارند.

کل ذخایر یخ روی زمین حدود 30 میلیون تخمین زده می شود. کیلومتر 3(میز 1). بیشتر یخ در قطب جنوب متمرکز شده است، جایی که ضخامت لایه آن به 4 می رسد کیلومترهمچنین شواهدی از وجود یخ در سیارات منظومه شمسی و در دنباله دارها وجود دارد. یخ برای آب و هوای سیاره ما و زیستگاه موجودات زنده در آن به قدری مهم است که دانشمندان محیط خاصی را برای یخ تعیین کرده اند - کرایوسفر که مرزهای آن تا اتمسفر و در اعماق پوسته زمین گسترش می یابد.

جدول 1. مقدار، توزیع و طول عمر یخ.

بلورهای یخ از نظر شکل و نسبت منحصر به فرد هستند. هر کریستال طبیعی در حال رشد، از جمله کریستال یخ، همیشه در تلاش است تا یک شبکه کریستالی منظم ایده آل ایجاد کند، زیرا این از نقطه نظر حداقل انرژی داخلی آن سودمند است. هر گونه ناخالصی، همانطور که مشخص است، شکل کریستال را مخدوش می کند، بنابراین، هنگامی که آب متبلور می شود، ابتدا مولکول های آب در شبکه ساخته می شوند و اتم های خارجی و مولکول های ناخالصی با فشار وارد مایع می شوند. و تنها زمانی که ناخالصی ها جایی برای رفتن ندارند، کریستال یخ شروع به ادغام آنها در ساختار خود می کند یا آنها را به شکل کپسول های توخالی با یک مایع غلیظ غیر انجماد - آب نمک ترک می کند. بنابراین، یخ دریا تازه است و حتی کثیف ترین آب ها با یخ شفاف و تمیز پوشیده شده است. هنگامی که یخ ذوب می شود، ناخالصی ها را به آب نمک منتقل می کند. در مقیاس سیاره ای، پدیده یخ زدگی و ذوب آب به همراه تبخیر و متراکم شدن آب، نقش یک فرآیند تصفیه غول پیکر را ایفا می کند که در آن آب روی زمین دائماً خود را تصفیه می کند.

جدول 2. برخی از خواص فیزیکی یخ I.

ویژگی	معنی	توجه داشته باشید
ظرفیت گرمایی، کالری/(گرم درجه سانتی گراد) گرمای ذوب، cal/g گرمای تبخیر، cal/g		با کاهش دما بسیار کاهش می یابد
ضریب انبساط حرارتی، 1/°C	9.1·10 -5 (0 درجه سانتیگراد)	یخ پلی کریستالی
هدایت حرارتی، کالری/(سانتی متر بر ثانیه درجه سانتی گراد)		یخ پلی کریستالی
ضریب شکست:		یخ پلی کریستالی
هدایت الکتریکی خاص، اهم -1 سانتی متر -1		انرژی فعال سازی ظاهری 11 کیلوکالری در مول
هدایت الکتریکی سطح، اهم -1		انرژی فعال سازی ظاهری 32 کیلو کالری در مول
مدول الاستیسیته یانگ، dyn/cm2	9 10 10 (-5 درجه سانتیگراد)	یخ پلی کریستالی
مقاومت، MN/m2: خرد کردن		یخ پلی کریستالی یخ پلی کریستالی یخ پلی کریستالی
ویسکوزیته دینامیکی، تعادل		یخ پلی کریستالی
انرژی فعال سازی در هنگام تغییر شکل و آرامش مکانیکی، کیلوکالری در مول		به طور خطی 0.0361 کیلوکالری / (mol ° C) از 0 به 273.16 K افزایش می یابد

1 کالری / (گرم درجه سانتیگراد) = 4.186 کیلوژول / (کیلوگرم K); 1 اهم -1 سانتی متر -1 =100 سیم بر متر؛ 1 داین = 10 -5 نیوتن ; 1 N = 1 کیلوگرم متر بر ثانیه؛ 1 Dyne/cm=10 -7 N/m; 1 کالری/(cm·sec°C)=418.68 W/(m·K); 1 پویز = g/cm s = 10 -1 نیوتن ثانیه بر متر مربع.

با توجه به توزیع گسترده یخ در زمین، تفاوت در خواص فیزیکی یخ (جدول 2) با خواص سایر مواد نقش مهمی در بسیاری از فرآیندهای طبیعی دارد. یخ دارای بسیاری دیگر از خواص و ناهنجاری های حفظ حیات است - ناهنجاری در چگالی، فشار، حجم، هدایت حرارتی. اگر هیچ پیوند هیدروژنی وجود نداشت که مولکول‌های آب را در کنار هم و در یک کریستال نگه می‌داشت، یخ در دمای -90 درجه سانتی‌گراد ذوب می‌شد. اما به دلیل وجود پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب این اتفاق نمی افتد. یخ به دلیل چگالی کمتری که نسبت به آب دارد، پوششی شناور روی سطح آب ایجاد می کند که از رودخانه ها و مخازن در برابر یخ زدگی کف محافظت می کند، زیرا رسانایی حرارتی آن بسیار کمتر از آب است. در عین حال، کمترین چگالی و حجم در +3.98 درجه سانتیگراد مشاهده می شود (شکل 1). خنک شدن بیشتر آب تا 0 0 درجه سانتیگراد به تدریج منجر به کاهش نمی شود، بلکه منجر به افزایش حجم آن تقریباً 10٪ می شود، زمانی که آب به یخ تبدیل می شود. این رفتار آب نشان دهنده وجود همزمان دو فاز تعادلی در آب - مایع و شبه بلوری - به قیاس با شبه بلورهایی است که شبکه کریستالی آنها نه تنها ساختار تناوبی دارد، بلکه دارای محورهای تقارن با مرتبه های مختلف است که وجود آنها قبلاً وجود داشت. با عقاید بلورشناسان در تضاد بود. این نظریه که برای اولین بار توسط فیزیکدان نظری مشهور روسی Ya I. Frenkel ارائه شد، بر این فرض استوار است که برخی از مولکول های مایع ساختاری شبه بلوری تشکیل می دهند، در حالی که مولکول های باقی مانده مانند گاز هستند و آزادانه در سراسر حجم حرکت می کنند. توزیع مولکول ها در مجاورت کوچک هر مولکول آب ثابت دارای نظم خاصی است که تا حدودی شبیه کریستالی است، اگرچه شل تر است. به همین دلیل، گاهی اوقات ساختار آب را شبه بلوری یا کریستال مانند می نامند، یعنی دارای تقارن و نظم در آرایش نسبی اتم ها یا مولکول ها است.

برنج. 1. وابستگی حجم خاص یخ و آب به دما

خاصیت دیگر این است که سرعت جریان یخ با انرژی فعال سازی نسبت مستقیم و با دمای مطلق نسبت معکوس دارد، به طوری که با کاهش دما، یخ در خواص خود به جسم کاملاً جامد نزدیک می شود. به طور متوسط، در دمای نزدیک به ذوب، سیالیت یخ 106 برابر بیشتر از سیالیت سنگ ها است. یخ به دلیل سیال بودن در یک جا جمع نمی شود، بلکه دائماً به شکل یخچال در حرکت است. رابطه بین سرعت جریان و تنش برای یخ چند کریستالی هذلولی است. هنگامی که تقریباً توسط یک معادله توان توصیف می شود، با افزایش ولتاژ، توان افزایش می یابد.

نور مرئی عملاً توسط یخ جذب نمی شود، زیرا پرتوهای نور از کریستال یخ عبور می کنند، اما تابش ماوراء بنفش و بیشتر تابش مادون قرمز خورشید را مسدود می کند. در این مناطق از طیف، یخ کاملا سیاه به نظر می رسد، زیرا ضریب جذب نور در این مناطق از طیف بسیار بالا است. برخلاف کریستال‌های یخ، نور سفیدی که روی برف می‌افتد، جذب نمی‌شود، اما بارها در بلورهای یخ شکسته شده و از چهره آنها منعکس می‌شود. به همین دلیل برف سفید به نظر می رسد.

به دلیل بازتاب بسیار بالای یخ (0.45) و برف (تا 0.95)، مساحت تحت پوشش آنها به طور متوسط ​​حدود 72 میلیون کیلومتر در سال است. کیلومتر 2در عرض های جغرافیایی بالا و میانی هر دو نیمکره - گرمای خورشیدی را 65٪ کمتر از حد معمول دریافت می کند و منبع قدرتمندی برای خنک کردن سطح زمین است که تا حد زیادی پهنه بندی اقلیمی عرضی مدرن را تعیین می کند. در تابستان، در مناطق قطبی، تابش خورشیدی بیشتر از منطقه استوایی است، با این حال، دما پایین می ماند، زیرا بخش قابل توجهی از گرمای جذب شده صرف ذوب یخ می شود که گرمای ذوب بسیار بالایی دارد.

از دیگر خواص غیرعادی یخ می توان به تولید تابش الکترومغناطیسی توسط کریستال های در حال رشد آن اشاره کرد. مشخص است که اکثر ناخالصی های محلول در آب هنگام شروع رشد به یخ منتقل نمی شوند. آنها منجمد شده اند. بنابراین، حتی در کثیف ترین گودال، فیلم یخ تمیز و شفاف است. در این حالت، ناخالصی ها در مرز محیط جامد و مایع، به صورت دو لایه بارهای الکتریکی با علائم مختلف جمع می شوند که باعث اختلاف پتانسیل قابل توجهی می شود. لایه باردار ناخالصی همراه با مرز پایین یخ جوان حرکت می کند و امواج الکترومغناطیسی ساطع می کند. با تشکر از این، فرآیند کریستالیزاسیون را می توان با جزئیات مشاهده کرد. بنابراین، کریستالی که به شکل سوزن رشد می کند، متفاوت از کریستالی که با فرآیندهای جانبی پوشانده شده است، ساطع می کند، و تابش دانه های در حال رشد با آنچه در هنگام ترک کریستال رخ می دهد، متفاوت است. با توجه به شکل، توالی، فرکانس و دامنه پالس های تابش، می توان تعیین کرد که یخ با چه سرعتی یخ می زند و چه نوع ساختار یخی تشکیل می شود.

اما شگفت‌انگیزترین چیز در مورد ساختار یخ این است که مولکول‌های آب در دماهای پایین و فشار بالا در داخل نانولوله‌های کربنی می‌توانند به شکل مارپیچ دوتایی متبلور شوند که یادآور مولکول‌های DNA است. این را آزمایش‌های رایانه‌ای اخیر دانشمندان آمریکایی به رهبری شیائو چنگ زنگ از دانشگاه نبراسکا (ایالات متحده آمریکا) ثابت کرد. برای اینکه آب در یک آزمایش شبیه سازی شده به شکل مارپیچ درآید، آن را در نانولوله هایی با قطر 1.35 تا 1.90 نانومتر تحت فشار بالا، متغیر از 10 تا 40000 اتمسفر و دمای 23- درجه سانتی گراد قرار دادند. انتظار می رفت که آب در همه موارد یک ساختار لوله ای نازک را تشکیل دهد. با این حال، این مدل نشان داد که با قطر نانولوله 1.35 نانومتر و فشار خارجی 40000 اتمسفر، پیوندهای هیدروژنی در ساختار یخ خم شده است که منجر به تشکیل یک مارپیچ با دیواره دوگانه - داخلی و خارجی شد. در این شرایط، دیواره داخلی به شکل یک مارپیچ چهارگانه پیچ خورده است، و دیواره بیرونی از چهار مارپیچ دوتایی، شبیه به یک مولکول DNA تشکیل شده است (شکل 2). این واقعیت می تواند به عنوان تاییدی بر ارتباط بین ساختار مولکول DNA حیاتی و ساختار خود آب و اینکه آب به عنوان ماتریس برای سنتز مولکول های DNA عمل می کند.

برنج. 2. یک مدل کامپیوتری از ساختار آب یخ زده در نانولوله ها، یادآور مولکول DNA (عکس از مجله نیو ساینتیست، 2006)

یکی دیگر از مهمترین خواص آب که اخیراً کشف شده این است که آب توانایی به خاطر سپردن اطلاعات مربوط به تأثیرات گذشته را دارد. این اولین بار توسط محقق ژاپنی ماسارو ایموتو و هموطن ما استانیسلاو زنین اثبات شد، که یکی از اولین کسانی بود که یک نظریه خوشه ای در مورد ساختار آب، متشکل از همکاران حلقوی یک ساختار چند وجهی حجمی - خوشه هایی با فرمول کلی (H 2 O) n که n طبق آخرین داده ها می تواند به صدها و حتی هزار واحد برسد. به لطف وجود خوشه ها در آب است که آب دارای خواص اطلاعاتی است. محققان از فرآیندهای انجماد آب به صورت میکروکریستال های یخ، تحت تأثیر میدان های الکترومغناطیسی و صوتی مختلف، ملودی ها، دعاها، کلمات یا افکار عکس گرفتند. معلوم شد که تحت تأثیر اطلاعات مثبت در قالب ملودی ها و کلمات زیبا، یخ به کریستال های شش ضلعی متقارن منجمد شده است. در جایی که موسیقی نامنظم و کلمات خشمگین و توهین آمیز به گوش می رسید، برعکس، آب به کریستال های آشفته و بی شکل منجمد می شد. این گواه بر این است که آب ساختار خاصی دارد که به تأثیرات اطلاعات خارجی حساس است. احتمالاً مغز انسان که از 85 تا 90 درصد آب تشکیل شده است، تأثیر ساختاری قوی روی آب دارد.

کریستال های ایموتو هم علاقه و هم انتقاد ناکافی را برمی انگیزد. اگر با دقت به آنها نگاه کنید، می بینید که ساختار آنها از شش تاپ تشکیل شده است. اما یک تجزیه و تحلیل دقیق تر نشان می دهد که دانه های برف در زمستان ساختار یکسانی دارند، همیشه متقارن و با شش قسمت بالا. ساختارهای متبلور تا چه اندازه حاوی اطلاعاتی در مورد محیطی هستند که در آن ایجاد شده اند؟ ساختار دانه های برف می تواند زیبا یا بی شکل باشد. این نشان می دهد که نمونه کنترل (ابر در اتمسفر) جایی که آنها از آنجا سرچشمه می گیرند همان تأثیر شرایط اولیه را بر آنها دارد. شرایط اولیه فعالیت خورشیدی، دما، میدان های ژئوفیزیکی، رطوبت و ... همه اینها به این معنی است که از به اصطلاح. گروه متوسط، می توان نتیجه گرفت که ساختار قطرات آب و سپس دانه های برف تقریباً یکسان است. جرم آنها تقریباً یکسان است و با سرعتی مشابه در جو حرکت می کنند. در اتمسفر آنها به شکل گیری ساختارهای خود و افزایش حجم ادامه می دهند. حتی اگر آنها در قسمت های مختلف ابر تشکیل شده باشند، در یک گروه همیشه تعداد مشخصی دانه های برف وجود دارد که تقریباً در شرایط یکسان به وجود آمده اند. و پاسخ به این سوال که اطلاعات مثبت و منفی در مورد دانه های برف چیست را می توان در Emoto یافت. در شرایط آزمایشگاهی، اطلاعات منفی (زلزله، ارتعاشات صوتی نامطلوب برای انسان و غیره) کریستال تشکیل نمی دهند، بلکه اطلاعات مثبت درست برعکس است. بسیار جالب است که یک عامل تا چه حد می تواند ساختارهای مشابه یا مشابه دانه های برف را شکل دهد. بیشترین چگالی آب در دمای 4 درجه سانتی گراد مشاهده می شود. از نظر علمی ثابت شده است که چگالی آب زمانی کاهش می یابد که کریستال های یخ شش ضلعی شروع به تشکیل وقتی دما به زیر صفر می کنند. این نتیجه پیوند هیدروژنی بین مولکول های آب است.

دلیل این ساختاربندی چیست؟ کریستال ها جامد هستند و اتم ها، مولکول ها یا یون های تشکیل دهنده آنها در یک الگوی منظم و تکرار شونده در سه بعد فضایی مرتب شده اند. ساختار کریستال های آب کمی متفاوت است. به گفته آیزاک، تنها 10 درصد از پیوندهای هیدروژنی موجود در یخ کووالانسی هستند، یعنی. با اطلاعات نسبتاً پایدار پیوندهای هیدروژنی بین اکسیژن یک مولکول آب و هیدروژن یک مولکول دیگر بیشترین حساسیت را نسبت به تأثیرات خارجی دارند. طیف آب هنگام ساخت کریستال ها در طول زمان نسبتاً متفاوت است. با توجه به اثر تبخیر گسسته یک قطره آب که توسط آنتونوف و یوسکسلیف ثابت شده است و وابستگی آن به حالات انرژی پیوندهای هیدروژنی، می‌توان به دنبال پاسخی در مورد ساختار بلورها بود. هر قسمت از طیف به کشش سطحی قطرات آب بستگی دارد. شش قله در طیف وجود دارد که نشان دهنده شاخه های دانه برف است.

واضح است که در آزمایشات Emoto، نمونه اولیه «کنترل» بر ظاهر کریستال ها تأثیر می گذارد. به این معنی که پس از قرار گرفتن در معرض یک عامل خاص، می توان انتظار تشکیل کریستال های مشابه را داشت. تقریباً غیرممکن است که کریستال های یکسان بدست آوریم. هنگام آزمایش تأثیر کلمه "عشق" بر روی آب، Emoto به وضوح نشان نمی دهد که آیا آزمایش با نمونه های مختلف انجام شده است یا خیر.

آزمایش‌های دوسوکور برای آزمایش اینکه آیا تکنیک Emoto به اندازه کافی متمایز است یا خیر، مورد نیاز است. اثبات آیزاک مبنی بر اینکه 10 درصد از مولکول های آب پس از انجماد پیوند کووالانسی تشکیل می دهند به ما نشان می دهد که آب هنگام یخ زدن از این اطلاعات استفاده می کند. دستاورد Emoto، حتی بدون آزمایش‌های دوجانبه، در مورد خواص اطلاعاتی آب بسیار مهم است.

دانه برف طبیعی، ویلسون بنتلی، 1925

دانه برف Emoto که از آب طبیعی به دست می آید

یکی از دانه های برف طبیعی است و دیگری توسط Emoto ایجاد شده است که نشان می دهد تنوع در طیف آب بی حد و حصر نیست.

زلزله، صوفیه، 4.0 ریشتر، 15 نوامبر 2008،
دکتر. ایگناتوف، 2008©، پروفسور. دستگاه آنتونوف©

این رقم نشان دهنده تفاوت نمونه شاهد با نمونه های گرفته شده در روزهای دیگر است. مولکول های آب پرانرژی ترین پیوندهای هیدروژنی موجود در آب و همچنین دو قله در طیف را در طول یک پدیده طبیعی می شکنند. این مطالعه با استفاده از دستگاه آنتونوف انجام شد. نتیجه بیوفیزیکی کاهش تون حیاتی بدن در هنگام زلزله را نشان می دهد. در هنگام زلزله، آب نمی تواند ساختار خود را در دانه های برف در آزمایشگاه Emoto تغییر دهد. شواهدی مبنی بر تغییر در هدایت الکتریکی آب در هنگام زلزله وجود دارد.

در سال 1963، اراستو امپمبا، دانش آموز تانزانیایی متوجه شد که آب گرم سریعتر از آب سرد یخ می زند. این پدیده اثر Mpemba نامیده می شود. اگرچه ارسطو، فرانسیس بیکن و رنه دکارت به خاصیت منحصر به فرد آب خیلی زودتر توجه کرده بودند. این پدیده بارها توسط تعدادی آزمایش مستقل ثابت شده است. آب خاصیت عجیب دیگری هم دارد. به نظر من، توضیح این موضوع به شرح زیر است: طیف انرژی غیرتعادلی (DNES) آب جوشانده دارای میانگین انرژی پیوندهای هیدروژنی بین مولکول های آب نسبت به نمونه ای است که در دمای اتاق گرفته شده است انرژی کمتری برای شروع به ساختار بلورها و یخ زدن.

کلید ساختار یخ و خواص آن در ساختار کریستال آن نهفته است. بلورهای تمام تغییرات یخ از مولکول های آب H 2 O که توسط پیوندهای هیدروژنی به چارچوب های مشبک سه بعدی با آرایش خاصی از پیوندهای هیدروژنی متصل شده اند ساخته می شوند. یک مولکول آب را می توان به سادگی به عنوان یک چهار وجهی (هرمی با قاعده مثلثی) تصور کرد. در مرکز آن یک اتم اکسیژن وجود دارد که در حالت هیبریداسیون sp 3 قرار دارد و در دو راس یک اتم هیدروژن وجود دارد که یکی از الکترون های 1s آن در تشکیل پیوند کووالانسی H-O با اکسیژن نقش دارد. دو رأس باقی مانده توسط جفت الکترون های اکسیژن جفت نشده اشغال شده اند که در تشکیل پیوندهای درون مولکولی شرکت نمی کنند، بنابراین آنها را تنها می نامند. شکل فضایی مولکول H 2 O با دافعه متقابل اتم های هیدروژن و جفت الکترون های تنها اتم اکسیژن مرکزی توضیح داده می شود.

پیوند هیدروژنی در شیمی فعل و انفعالات بین مولکولی مهم است و ناشی از نیروهای الکترواستاتیک ضعیف و برهمکنش های دهنده-گیرنده است. زمانی اتفاق می‌افتد که اتم هیدروژن کمبود الکترون یک مولکول آب با جفت الکترون تنها اتم اکسیژن یک مولکول آب همسایه (O-H...O) برهمکنش می‌کند. ویژگی متمایز پیوند هیدروژنی استحکام نسبتا کم آن است. این پیوند 5-10 برابر ضعیف تر از پیوند کووالانسی شیمیایی است. از نظر انرژی، پیوند هیدروژنی یک موقعیت میانی بین پیوند شیمیایی و برهمکنش‌های واندروالسی است که مولکول‌ها را در فاز جامد یا مایع نگه می‌دارد. هر مولکول آب در یک کریستال یخ می تواند به طور همزمان چهار پیوند هیدروژنی با مولکول های مجاور دیگر در زوایای کاملاً مشخص برابر با 109 درجه 47" تشکیل دهد که به سمت رئوس چهار وجهی هدایت می شود، که اجازه ایجاد یک ساختار متراکم را در هنگام یخ زدن آب نمی دهد. شکل 3 در ساختارهای یخی I، Ic، VII و VIII، این چهار وجهی منظم است دو سیستم متقاطع پیوندهای هیدروژنی را می توان تشخیص داد از بین می رود: مولکول های آب شروع به سقوط در حفره های مش می کنند و منجر به ساختار مایع متراکم تر می شود - این توضیح می دهد که چرا آب از یخ سنگین تر است.

برنج. 3. تشکیل پیوند هیدروژنی بین چهار مولکول H2O (گلوله های قرمز نشان دهنده اتم های اکسیژن مرکزی، توپ های سفید نشان دهنده اتم های هیدروژن)

ویژگی پیوندهای هیدروژنی و فعل و انفعالات بین مولکولی مشخصه ساختار یخ در آب مذاب حفظ می شود، زیرا هنگامی که یک کریستال یخ ذوب می شود، تنها 15٪ از کل پیوندهای هیدروژنی از بین می رود. بنابراین، ارتباط بین هر مولکول آب و چهار مولکول همسایه ذاتی یخ ("نظم برد کوتاه") نقض نمی شود، اگرچه تاری بیشتر شبکه چارچوب اکسیژن مشاهده می شود. پیوندهای هیدروژنی نیز می تواند در زمان جوشیدن آب حفظ شود. فقط در بخار آب هیچ پیوند هیدروژنی وجود ندارد.

یخ که در فشار اتمسفر تشکیل می شود و در دمای صفر درجه سانتی گراد ذوب می شود، رایج ترین ماده است، اما هنوز به طور کامل شناخته نشده است. بسیاری از ساختار و خواص آن غیر معمول به نظر می رسد. در محل‌های شبکه بلوری یخ، اتم‌های اکسیژن چهار وجهی مولکول‌های آب به‌طور منظم چیده شده‌اند و شش ضلعی‌های منظم مانند لانه زنبوری شش ضلعی را تشکیل می‌دهند و اتم‌های هیدروژن موقعیت‌های مختلفی را بر روی پیوندهای هیدروژنی متصل می‌کنند. اتم های اکسیژن (شکل 4). بنابراین، شش جهت گیری معادل مولکول های آب نسبت به همسایگان آنها امکان پذیر است. برخی از آنها مستثنی هستند، زیرا حضور دو پروتون به طور همزمان روی پیوند هیدروژنی یکسان بعید است، اما عدم قطعیت کافی در جهت گیری مولکول های آب وجود دارد. این رفتار اتم‌ها غیر معمول است، زیرا در یک ماده جامد، همه اتم‌ها از قانون یکسانی پیروی می‌کنند: یا اتم‌ها به‌طور منظم چیده شده‌اند، و سپس بلوری است، یا به‌طور تصادفی، و سپس یک ماده بی‌شکل است. چنین ساختار غیرمعمولی را می توان در اکثر اصلاحات یخ - Ih، III، V، VI و VII (و ظاهراً در Ic) (جدول 3) تحقق بخشید، و در ساختار یخ II، VIII و IX مولکول های آب به صورت جهتی مرتب شده اند. . به گفته جی برنال، یخ نسبت به اتم های اکسیژن کریستالی و نسبت به اتم های هیدروژن شیشه ای است.

برنج. 4. ساختار یخی از پیکربندی شش ضلعی طبیعی I h

در شرایط دیگر، به عنوان مثال در فضا در فشارهای بالا و دماهای پایین، یخ به طور متفاوتی متبلور می شود و شبکه های کریستالی و اصلاحات دیگری (مکعبی، مثلثی، چهارضلعی، مونوکلینیک و غیره) را تشکیل می دهد که هر کدام ساختار و شبکه کریستالی خاص خود را دارند (جدول). 3). ساختارهای یخ با تغییرات مختلف توسط محققان روسی Dr. G.G. Malenkov و Ph.D در فیزیک و ریاضیات. E.A. Zheligovskaya از موسسه شیمی فیزیک و الکتروشیمی به نام. A.N. فرومکین از آکادمی علوم روسیه. اگر دما از 170- درجه سانتیگراد تجاوز نکند، یخ های تغییرات II، III و V برای مدت طولانی در فشار اتمسفر حفظ می شوند (شکل 5). یخ طبیعی وقتی تا حدود -150 درجه سانتیگراد خنک می شود به یخ مکعبی تبدیل می شود که از مکعب ها و هشت وجهی به اندازه چندین نانومتر تشکیل شده است. یخ Ic گاهی اوقات هنگام یخ زدن آب در مویرگ ها ظاهر می شود که ظاهراً با تعامل آب با مواد دیوار و تکرار ساختار آن تسهیل می شود. اگر دما کمی بالاتر از -110 درجه سانتیگراد باشد، کریستالهایی از یخ آمورف شیشه ای متراکم تر و سنگین تر با چگالی 0.93 گرم بر سانتی متر مکعب بر روی بستر فلزی تشکیل می شود. هر دوی این شکل های یخ می توانند به طور خود به خود به یخ شش ضلعی تبدیل شوند و هر چه سریعتر دما بالاتر رود.

جدول 3. برخی از تغییرات یخ و پارامترهای فیزیکی آنها.

توجه داشته باشید. 1 Å = 10 -10 متر

برنج. 5. نمودار وضعیت یخ های کریستالی با تغییرات مختلف.

همچنین یخ های فشار بالا وجود دارد - اصلاحات مثلثی و چهارضلعی II و III، که از لانه های زنبوری توخالی تشکیل شده توسط عناصر موجدار شش ضلعی تشکیل شده است که نسبت به یکدیگر به میزان یک سوم جابجا شده اند (شکل 6 و شکل 7). این یخ ها در حضور گازهای نجیب هلیم و آرگون تثبیت می شوند. در ساختار اصلاح مونوکلینیک یخ V، زاویه بین اتم های اکسیژن همسایه از 86 0 تا 132 درجه متغیر است که با زاویه پیوند در یک مولکول آب که 105 درجه و 47 دقیقه است بسیار متفاوت است. Ice VI اصلاح چهار ضلعی شامل دو قاب است که در یکدیگر قرار گرفته اند، که بین آنها پیوند هیدروژنی وجود ندارد و در نتیجه یک شبکه کریستالی با مرکز بدن تشکیل می شود (شکل 8). ساختار یخ VI بر اساس هگزامرها - بلوک هایی از شش مولکول آب است. پیکربندی آنها دقیقاً ساختار یک خوشه پایدار آب را تکرار می کند که توسط محاسبات ارائه شده است. یخ VII و VIII از اصلاح مکعبی، که فرم‌های مرتب شده در دمای پایین از یخ VII هستند، ساختاری مشابه با قاب‌های یخی دارند که من به یکدیگر وارد شده‌اند. با افزایش فشار بعدی، فاصله بین اتم‌های اکسیژن در شبکه کریستالی یخ‌های VII و VIII کاهش می‌یابد، در نتیجه ساختار یخ X تشکیل می‌شود، اتم‌های اکسیژن در آن در یک شبکه منظم قرار می‌گیرند و پروتون ها مرتب می شوند.

برنج. 7. پیکربندی Ice III.

یخ XI با خنک کردن عمیق یخ در ساعت با افزودن قلیایی زیر 72 کلوین در فشار معمولی تشکیل می شود. در این شرایط، نقص کریستال هیدروکسیل ایجاد می شود که به بلور یخ در حال رشد اجازه می دهد تا ساختار خود را تغییر دهد. Ice XI دارای یک شبکه کریستالی متعامد با آرایش منظم پروتون ها است و به طور همزمان در بسیاری از مراکز تبلور در نزدیکی نقص های هیدروکسیل کریستال تشکیل می شود.

برنج. 8. پیکربندی Ice VI.

در میان یخ ها نیز فرم های IV و XII ناپایدار وجود دارد که طول عمر آنها ثانیه است و زیباترین ساختار را دارند (شکل 9 و شکل 10). برای به دست آوردن یخ ناپایدار، لازم است یخ I h را تا فشار 1.8 گیگا پاسکال در دمای نیتروژن مایع فشرده کنید. این یخ‌ها بسیار راحت‌تر تشکیل می‌شوند و به ویژه در صورتی که آب سنگین فوق‌سرد شده تحت فشار قرار گیرد، پایدار هستند. یکی دیگر از اصلاحات فراپایدار، یخ IX، زمانی ایجاد می شود که یخ III فوق خنک شود و اساساً شکل دمای پایین آن را نشان می دهد.

برنج. 9. پیکربندی Ice IV.

برنج. 10. پیکربندی Ice XII.

دو تغییر آخر یخ - با مونوکلینیک XIII و پیکربندی ارتورومبیک چهاردهم - اخیراً - در سال 2006 - توسط دانشمندان آکسفورد (بریتانیا) کشف شد. این فرض که باید کریستال های یخ با شبکه های مونوکلینیک و لوزی وجود داشته باشد دشوار بود: ویسکوزیته آب در دمای -160 درجه سانتیگراد بسیار بالا است و برای مولکول های آب فوق سرد شده خالص به سختی می توان در چنین مقادیری کنار هم قرار گیرد. برای تشکیل یک هسته کریستالی این با استفاده از یک کاتالیزور - اسید هیدروکلریک، که تحرک مولکول های آب را در دماهای پایین افزایش می دهد، به دست آمد. چنین تغییراتی از یخ نمی تواند روی زمین شکل بگیرد، اما می تواند در فضا در سیارات سرد شده و ماهواره ها و دنباله دارهای یخ زده وجود داشته باشد. بنابراین، محاسبات چگالی و جریان گرما از سطح ماهواره‌های مشتری و زحل به ما این امکان را می‌دهد که بگوییم گانیمد و کالیستو باید پوسته یخی داشته باشند که در آن یخ‌های I، III، V و VI متناوب هستند. روی تیتان، یخ ها نه یک پوسته، بلکه یک گوشته تشکیل می دهند که لایه داخلی آن از یخ VI، سایر یخ های پرفشار و هیدرات های clathrate تشکیل شده است و یخ I h در بالای آن قرار دارد.

برنج. یازده. تنوع و شکل دانه های برف در طبیعت

در بالای جو زمین در دمای پایین، آب از چهار وجهی متبلور می شود و یخ شش ضلعی Ih را تشکیل می دهد. مرکز تشکیل کریستال یخ ذرات گرد و غبار جامد است که توسط باد به لایه های بالایی جو منتقل می شوند. در اطراف این میکروکریستال جنینی یخ، سوزن‌هایی که توسط مولکول‌های آب منفرد تشکیل شده‌اند در شش جهت متقارن رشد می‌کنند که روی آن‌ها فرآیندهای جانبی - دندریت‌ها - رشد می‌کنند. دما و رطوبت هوای اطراف دانه برف یکسان است، بنابراین در ابتدا به شکل متقارن است. با تشکیل دانه های برف، به تدریج در لایه های پایین اتمسفر می افتند، جایی که درجه حرارت بالاتر است. در اینجا ذوب رخ می دهد و شکل هندسی ایده آل آنها مخدوش می شود و دانه های برف مختلفی را تشکیل می دهد (شکل 11).

با ذوب بیشتر، ساختار شش ضلعی یخ از بین می رود و مخلوطی از پیوندهای حلقوی خوشه ها، و همچنین مولکول های سه، چهار، پنج، هگزامر آب (شکل 12) و مولکول های آب آزاد تشکیل می شود. مطالعه ساختار خوشه های حاصل اغلب به طور قابل توجهی دشوار است، زیرا آب، طبق داده های مدرن، مخلوطی از خوشه های مختلف خنثی (H 2 O) n و یون های خوشه باردار آنها [H2O] + n و [H2O است. ] - n که در تعادل دینامیکی بین خود با طول عمر 10 -11 -10 -12 ثانیه هستند.

برنج. 12.خوشه های احتمالی آب (a-h) از ترکیب (H 2 O) n، که در آن n = 5-20.

خوشه ها می توانند از طریق صفحات پیوند هیدروژنی بیرون زده با یکدیگر تعامل داشته باشند و ساختارهای چندوجهی پیچیده تری مانند شش وجهی، هشت ضلعی، ایکوز وجهی و دوازده وجهی را تشکیل دهند. بنابراین، ساختار آب با جامدات به اصطلاح افلاطونی (چهار وجهی، شش‌وجهی، هشت‌وجهی، ایکوز وجهی و دوازده‌وجهی) مرتبط است که به نام فیلسوف یونان باستان و هندسه‌سنج افلاطون که آنها را کشف کرده است، که شکل آنها با نسبت طلایی تعیین می‌شود. (شکل 13).

برنج. 13. جامدات افلاطونی که شکل هندسی آنها با نسبت طلایی تعیین می شود.

تعداد رئوس (B)، وجه‌ها (G) و یال‌ها (P) در هر چند وجهی فضایی با این رابطه توصیف می‌شود:

B + G = P + 2

نسبت تعداد رئوس (B) یک چندوجهی منظم به تعداد یال‌های (P) یکی از وجوه آن برابر است با نسبت تعداد وجوه (G) همان چند وجهی به تعداد یال‌ها ( ص) بیرون آمدن از یکی از رئوس آن. برای چهار وجهی این نسبت 4:3، برای شش وجهی (6 وجهی) و هشت وجهی (8 وجهی) 2:1 و برای دوازده وجهی (12 وجهی) و ایکو وجهی (20 وجهی) 4:1 است.

ساختار خوشه های آب چند وجهی، محاسبه شده توسط دانشمندان روسی، با استفاده از روش های تحلیلی مدرن تایید شد: طیف سنجی تشدید مغناطیسی پروتون، طیف سنجی لیزری فمتوثانیه، پرتو ایکس و پراش نوترون بر روی کریستال های آب. کشف خوشه های آب و توانایی آب برای ذخیره اطلاعات دو مورد از مهمترین اکتشافات هزاره 21 است. این به وضوح ثابت می کند که طبیعت با تقارن به شکل اشکال و نسبت های هندسی دقیق مشخص می شود که مشخصه کریستال های یخ است.

ادبیات.

1. Belyanin V.، Romanova E. Life، مولکول آب و نسبت طلایی // Science and Life، 2004، جلد 10، شماره 3، ص. 23-34.

2. Shumsky P.A.، مبانی علم یخ ساختاری. - مسکو، 1955b ص. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. آگاهی از آب به عنوان ماده حیات. // آگاهی و واقعیت فیزیکی. 2011، T 16، شماره 12، ص. 9-22.

4. Petryanov I.V. خارق العاده ترین ماده در جهان، آموزش، 1981، ص. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. ساختار و خواص آب. – لنینگراد، Gidrometeoizdat، 1975، ص. 431.

6. Kulsky L. A.، Dal V. V.، Lenchina L. G. آب آشنا و مرموز. - کیف، مدرسه رودیانبسک، 1982، ص. 62-64.

7. Zatsepina G. N. ساختار و خواص آب. - مسکو، ویرایش. دانشگاه دولتی مسکو، 1974، ص. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Fundamentals of Water Physics - Kyiv, Naukova Dumka, 1991, p. 167.

9. Simonite T. یخ شبیه DNA "دیده شده" در داخل نانولوله های کربنی // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. پیام های آب. کدهای مخفی کریستال های یخ - صوفیه، 2006. ص. 96.

11. Zenin S.V., Tyaglov B.V. ماهیت برهمکنش آبگریز. ظهور میدان های جهت گیری در محلول های آبی // مجله شیمی فیزیک، 1994، T. 68، شماره 3، ص. 500-503.

12. Pimentel J.، McClellan O. پیوند هیدروژنی - مسکو، ناوکا، 1964، ص. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Structure of water and ionic solutions // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1934, T. 14, No. 5, p. 587-644.

14. Khobza P., Zahradnik R. مجتمع های بین مولکولی: نقش سیستم های واندروالس در شیمی فیزیک و رشته های زیستی. - مسکو، میر، 1989، ص. 34-36.

15. Pounder E. R. Physics of Ice، ترجمه. از انگلیسی - مسکو، 1967، ص. 89.

16. Komarov S. M. الگوهای یخ فشار بالا. // شیمی و زندگی، 1386، شماره 2، صص 48-51.

17. E. A. Zheligovskaya، G. G. Malenkov. یخ های کریستالی // یوسپخی خیمی، 1385، شماره 75، ص. 64.

18. Fletcher N. H. فیزیک شیمیایی یخ، کامبریج، 1970.

19. Nemukhin A.V. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. ساختار آب و واقعیت فیزیکی. // آگاهی و واقعیت فیزیکی، 2011، T. 16، شماره 9، ص. 16-32.

21. ایگناتوف I. پزشکی بیوانرژیک. منشا ماده زنده، حافظه آب، بیورزونانس، میدان های بیوفیزیکی. - گایا لیبریس، صوفیه، 2006، ص. 93.

بلورهای یخ در ابرها به اشکال مختلفی وجود دارند که تنها دانه‌های برف از آن‌ها به خوبی شناخته شده‌اند، اگرچه صفحات (ضخیم و نازک)، ستون‌ها (توخالی و جامد)، سوزنی‌ها و هرمی شکل و غیره نیز وجود دارند. مولکول‌های یخ (آب) طراحی شده‌اند. به این ترتیب، که یک شبکه کریستالی شش ضلعی را تشکیل می دهند، بنابراین معمولا کریستال های یخ شش ضلعی رشد می کنند.

اما شکل ایده آل "صفحات" و "ستون ها" نشان داده شده در شکل بالا، برای کریستال های یخی که در هوا هستند، عملا وجود ندارد، همه چیز بسیار پیچیده تر است. شکل کریستال بر اساس شرایط (دما و رطوبت هوا) که در آن شکل گرفته و رشد کرده است، تعیین می شود، به "نمودار مورفولوژیکی" از وب سایت SnowCrystals.com مراجعه کنید:

شکل کریستال یخ بسته به دما و رطوبت.

برای بررسی چگونگی تشکیل هاله، تنها از دو شکل ساده کریستال ها تاکنون استفاده شده است، اما اخیراً از اشکال هرمی برای محاسبه هاله های بسیار کمیاب استفاده شده است. تا اینجا این کافی است (برای ایجاد تقریباً صد نوع مختلف هاله)، اگرچه هنوز چندین هاله بدون یک نظریه رضایت بخش وجود دارد.

اشکال اصلی بلورهای یخ:

• منتظم شش ضلعی
  • منشورهای مسطح (اندازه پایه بزرگتر از ارتفاع است) - "صفحات" (صفحه)
  • ستونی (طول-ارتفاع بیشتر از پایه) - "ستون ها" (ستون)
• شکل نامنظم شش ضلعی
  • اریب، شکل نامنظم
  • با چلپ چلوپ، صفحات با ساختارهای داخلی تزئین شده بشقاب
• هرمی
  • صفحه، هرمی مسطح
  • ستون، هرمی ستونی
• دیگران (گاهی اوقات با استفاده از اشکال دیگر، به عنوان مثال، مکعب، یا چندین شکل شش ضلعی که به هم چسبیده شده اند، هاله ای را مدل می کنند)

علاوه بر شکل کریستال ها، نحوه قرارگیری آنها در هوا برای تشکیل هاله مهم است:
به صورت تصادفی یا منظم، شناور یا چرخان.

در مجموع، با در نظر گرفتن شکل و جهت، شرایط اصلی زیر برای تشکیل هاله متمایز می شود:

• کریستال های نامرتب
  • کریستال های شش ضلعی تصادفی
  • کریستال های هرمی با جهت تصادفی
• کریستال های سفارش داده شده
  • کریستال های ستونی با جهت افقی
  • منشورهای مسطح با جهت افقی
  • بلورهای هرمی مسطح جهت دار
  • بلورهای هرمی ستونی جهت دار
• کریستال های پیچیده مرتب شده (جهت دوگانه)
  • جهت گیری Parry (کریستال های ستونی جهت افقی با یک شرط اضافی - وجه های جانبی افقی)
  • جهت گیری لوویتز (صفحات افقی با شرایط اضافی چرخش حول یک محور عمودی)

هنگامی که مشاهده می شود، ممکن است یک ابر واحد حاوی کریستال های یک شکل (اگر ابر در یک شرایط یکسان تشکیل شده باشد)، یا کریستال های زیادی با اشکال مختلف (به عنوان مثال، 10٪ از صفحات، 89٪ از ستون ها و 1٪ از صفحات هرمی). علاوه بر این، تمام کریستال ها می توانند کاملا مستقل از یکدیگر پرواز کنند، بچرخند و برنامه ریزی کنند. بر اساس روشنایی اشکال مختلف هاله، می توانید حضور تقریبی اشکال خاصی از کریستال ها را تخمین بزنید و سعی کنید آنچه را که در آسمان دیده اید با استفاده از یک شبیه ساز شبیه سازی کنید.

مثال

در زیر محاسباتی برای مشاهدات در صورت وجود چندین نوع و جهت کریستال در هوا وجود دارد.

1) ارتفاع خورشید - 15 درجه، بلورهای معمولی و هرمی تصادفی، همچنین به صورت ستونی و به صورت منشورهای تخت در جهت پری و لوویتز وجود دارند:

2) شرایط یکسان، مرکز طرح نقطه اوج است:

3) شرایط یکسان، ارتفاع خورشید - 35 درجه:

4) ارتفاع خورشید 55 درجه:

یخ- معدنی با مواد شیمیایی فرمول H 2 O، آب را در حالت کریستالی نشان می دهد.
ترکیب شیمیایی یخ: H - 11.2٪، O - 88.8٪. گاهی اوقات حاوی ناخالصی های مکانیکی گازی و جامد است.
در طبیعت، یخ عمدتاً با یکی از چندین تغییر کریستالی، پایدار در محدوده دمایی 0 تا 80 درجه سانتیگراد، با نقطه ذوب 0 درجه سانتیگراد نشان داده می شود. 10 تغییر کریستالی شناخته شده از یخ و یخ بی شکل وجود دارد. بیشترین مورد مطالعه یخ اصلاح 1 است - تنها تغییر یافت شده در طبیعت. یخ در طبیعت به صورت خود یخ (قاره ای، شناور، زیرزمینی و ...) و همچنین به صورت برف، یخبندان و ... یافت می شود.

همچنین ببینید:

ساختار

ساختار کریستالی یخ شبیه ساختار است: هر مولکول H 2 0 توسط چهار مولکول نزدیک به خود احاطه شده است که در فواصل مساوی از آن، برابر با 2.76A قرار دارند و در راس یک چهار وجهی منظم قرار دارند. به دلیل عدد هماهنگی کم، ساختار یخی روباز است که بر تراکم آن تأثیر می گذارد (0.917). یخ دارای یک شبکه فضایی شش ضلعی است و از انجماد آب در دمای صفر درجه سانتی گراد و فشار اتمسفر تشکیل می شود. شبکه تمام تغییرات کریستالی یخ دارای ساختار چهار وجهی است. پارامترهای یک سلول واحد یخی (در دمای 0 درجه سانتی گراد): a=0.45446 نانومتر، c=0.73670 نانومتر (c دو برابر فاصله بین صفحات اصلی مجاور است). هنگامی که دما کاهش می یابد، آنها بسیار کمی تغییر می کنند. مولکول های H 2 0 در شبکه یخ توسط پیوندهای هیدروژنی به یکدیگر متصل می شوند. تحرک اتم های هیدروژن در شبکه یخ بسیار بیشتر از تحرک اتم های اکسیژن است که به همین دلیل مولکول ها همسایگان خود را تغییر می دهند. در حضور حرکات ارتعاشی و چرخشی قابل توجه مولکول ها در شبکه یخ، جهش های انتقالی مولکول ها از محل اتصال فضایی آنها رخ می دهد که نظم بیشتر را مختل می کند و نابجایی ایجاد می کند. این تجلی خواص رئولوژیکی خاص در یخ را توضیح می دهد که رابطه بین تغییر شکل های برگشت ناپذیر (جریان) یخ و تنش هایی که باعث ایجاد آنها می شوند (پلاستیسیته، ویسکوزیته، تنش تسلیم، خزش و غیره) را مشخص می کند. با توجه به این شرایط، یخچال های طبیعی مشابه مایعات بسیار چسبناک جریان دارند و بنابراین یخ طبیعی به طور فعال در چرخه آب روی زمین شرکت می کند. بلورهای یخ از نظر اندازه نسبتاً بزرگ هستند (اندازه عرضی از کسری از میلی متر تا چند ده سانتی متر). آنها با ناهمسانگردی ضریب ویسکوزیته مشخص می شوند که مقدار آن می تواند با چندین مرتبه بزرگی متفاوت باشد. کریستال ها تحت تأثیر بارها قادر به جهت دهی مجدد هستند که بر دگرگونی آنها و سرعت جریان یخچال ها تأثیر می گذارد.

خواص

یخ بی رنگ است. در خوشه های بزرگ رنگ آبی به خود می گیرد. درخشش شیشه. شفاف. شکاف ندارد. سختی 1.5. شکننده. از نظر نوری مثبت، ضریب شکست بسیار کم (n = 1.310، nm = 1.309). 14 تغییر شناخته شده از یخ در طبیعت وجود دارد. درست است، همه چیز به جز یخ آشنا، که در سیستم شش ضلعی متبلور می شود و به عنوان یخ I تعیین می شود، در شرایط عجیب و غریب - در دمای بسیار پایین (حدود -110150 درجه سانتیگراد) و فشار بالا، زمانی که زوایای پیوند هیدروژنی در آب تشکیل می شود، تشکیل می شود. تغییر مولکول و سیستم های متفاوت از شش ضلعی تشکیل می شود. چنین شرایطی شبیه شرایط موجود در فضا است و در زمین رخ نمی دهد. به عنوان مثال، در دمای کمتر از -110 درجه سانتیگراد، بخار آب روی یک صفحه فلزی به شکل هشت وجهی و مکعب هایی به اندازه چندین نانومتر رسوب می کند - این به اصطلاح یخ مکعبی است. اگر دما کمی بالاتر از -110 درجه سانتیگراد باشد و غلظت بخار بسیار کم باشد، لایه ای از یخ آمورف بسیار متراکم روی صفحه تشکیل می شود.

مرفولوژی

یخ یک ماده معدنی بسیار رایج در طبیعت است. چندین نوع یخ در پوسته زمین وجود دارد: رودخانه، دریاچه، دریا، زمین، فرن و یخچال. بیشتر اوقات، خوشه های انبوهی از دانه های ریز کریستالی را تشکیل می دهد. تشکل‌های یخی کریستالی نیز شناخته شده‌اند که از تصعید، یعنی مستقیماً از حالت بخار به وجود می‌آیند. در این موارد، یخ به صورت بلورهای اسکلتی (دانه‌های برف) و توده‌های رشد اسکلتی و دندریتیک (یخ غار، یخ‌زدگی، سرمازدگی و الگوهای روی شیشه) ظاهر می‌شود. کریستال های بزرگ و خوش تراش یافت می شود، اما بسیار نادر است. N. N. Stulov بلورهای یخ را در قسمت شمال شرقی روسیه توصیف کرد که در عمق 55-60 متری از سطح یافت شد و ظاهری ایزومتریک و ستونی داشت و طول بزرگترین کریستال 60 سانتی متر و قطر پایه آن بود. 15 سانتی متر از اشکال ساده روی کریستال های یخ، فقط وجه های منشور شش ضلعی (1120)، دو هرم شش ضلعی (1121) و پیناکوئید (0001) شناسایی شد.
استالاکتیت‌های یخی که در اصطلاح عامیانه «یخی» نامیده می‌شوند، برای همه آشنا هستند. با اختلاف دمایی حدود 0 درجه در فصول پاییز و زمستان، آنها در همه جای سطح زمین با انجماد آهسته (بلور شدن) آب جاری و چکان رشد می کنند. آنها همچنین در غارهای یخی رایج هستند.
سواحل یخی نوارهایی از پوشش یخی ساخته شده از یخ هستند که در مرز آب و هوا در امتداد لبه‌های مخازن و هم مرز با لبه‌های حوضچه‌ها، سواحل رودخانه‌ها، دریاچه‌ها، برکه‌ها، مخازن و غیره متبلور می‌شوند. با اینکه بقیه فضای آب یخ نمی زند. هنگامی که آنها به طور کامل با هم رشد می کنند، یک پوشش یخی پیوسته روی سطح مخزن تشکیل می شود.
یخ همچنین سنگدانه های ستونی موازی را به شکل رگه های فیبری در خاک های متخلخل و آنتولیت های یخی در سطح آنها تشکیل می دهد.

اصل و نسب

یخ عمدتاً در حوضه های آب با کاهش دمای هوا تشکیل می شود. در همان زمان، یک فرنی یخی متشکل از سوزن های یخ روی سطح آب ظاهر می شود. از پایین، بلورهای بلند یخی روی آن رشد می کنند که محورهای تقارن مرتبه ششم آنها عمود بر سطح پوسته قرار دارند. روابط بین کریستال های یخ در شرایط مختلف شکل گیری در شکل 1 نشان داده شده است. یخ در هر جایی که رطوبت وجود دارد و دما به زیر 0 درجه سانتیگراد می رسد رایج است. در برخی مناطق، یخ روی زمین فقط تا عمق کم ذوب می شود که زیر آن یخبندان دائمی شروع می شود. اینها به اصطلاح مناطق منجمد دائمی هستند. در مناطق پرمافراست در لایه های بالایی پوسته زمین، به اصطلاح یخ زیرزمینی یافت می شود که در این میان یخ های زیرزمینی مدرن و فسیلی متمایز می شوند. حداقل 10 درصد از کل مساحت زمین را یخچال های طبیعی پوشانده است. یخ یخبندان عمدتاً از تجمع برف در نتیجه تراکم و تبدیل آن به وجود می آید. ورقه یخی حدود 75 درصد از گرینلند و تقریباً تمام قطب جنوب را پوشانده است. بزرگترین ضخامت یخچال ها (4330 متر) در نزدیکی ایستگاه بیرد (قطب جنوب) قرار دارد. در مرکز گرینلند ضخامت یخ به 3200 متر می رسد.
ذخایر یخ به خوبی شناخته شده است. در مناطقی با زمستان های سرد و طولانی و تابستان های کوتاه و همچنین در مناطق مرتفع کوهستانی، غارهای یخی با استالاکتیت ها و استالاگمیت ها تشکیل می شود که از جمله جالب ترین آنها می توان به Kungurskaya در منطقه Perm اورال و همچنین غار Dobshine در اسلواکی
هنگامی که آب دریا یخ می زند، یخ دریا تشکیل می شود. خواص مشخصه یخ دریا شوری و تخلخل است که محدوده چگالی آن را از 0.85 تا 0.94 g/cm 3 تعیین می کند. به دلیل چگالی کم، یخ ها به اندازه 1/7-1/10 ضخامت از سطح آب بالا می روند. یخ دریا در دمای بالای -2.3 درجه سانتیگراد شروع به ذوب شدن می کند. نسبت به یخ آب شیرین انعطاف پذیرتر و تکه تکه شدن آن دشوارتر است.

کاربرد

در اواخر دهه 1980، آزمایشگاه Argonne فناوری ساخت دوغاب یخی را توسعه داد که می‌تواند آزادانه در لوله‌هایی با قطرهای مختلف بدون جمع‌آوری یخ، چسبیدن به یکدیگر یا گرفتگی سیستم‌های خنک‌کننده جریان یابد. سوسپانسیون آب شور از تعداد زیادی کریستال یخ گرد بسیار کوچک تشکیل شده بود. به همین دلیل تحرک آب حفظ می شود و در عین حال از نظر مهندسی حرارتی نشان دهنده یخ است که 5-7 برابر بیشتر از آب سرد ساده در سیستم های خنک کننده ساختمان ها موثر است. علاوه بر این، چنین مخلوط هایی برای پزشکی امیدوار کننده هستند. آزمایشات روی حیوانات نشان داده است که میکروکریستال های مخلوط یخ به طور کامل وارد رگ های خونی نسبتاً کوچک می شوند و به سلول ها آسیب نمی رسانند. "خون یخی" زمان نجات قربانی را افزایش می دهد. فرض کنید در صورت ایست قلبی، این زمان طبق برآوردهای محافظه کارانه از 10-15 دقیقه به 30-45 دقیقه افزایش می یابد.
استفاده از یخ به عنوان یک ماده ساختاری در مناطق قطبی برای ساخت خانه ها - ایگلوها رایج است. یخ بخشی از مواد Pikerit است که توسط دی.

یخ - H 2 O

طبقه بندی

استرونز (ویرایش هشتم)	4/A.01-10
نیکل استرونز (ویرایش دهم)	4.AA.05
دانا (ویرایش هشتم)	4.1.2.1
Hey's CIM Ref.	7.1.1