Vodné anomálie: molekuly v reštaurácii

Dve štruktúry tekutej vody: v popredí - štvorboká, v pozadí - neusporiadané

Tetraedrická mriežka na kryštály ľadu: každá molekula je spojená so 4 ďalšími

Voda je úžasná látka v mnohých ohľadoch. Za určitých podmienok môže prúdiť vo vnútri nanotrubíc aj pri teplotách blízkych absolútnej nule. Toto je jediná látka na Zemi, ktorá sa po zamrznutí rozširuje.

Všeobecne platí, že dnes majú vedci 66 „neobvyklých“ vlastností, ktoré sú vlastné bežnej vode. Toto je nezvyčajne silné povrchové napätie (silnejšie iba pri ortuti) a vysoká tepelná kapacita a zvláštna meniaca sa hustota (zvyšuje sa so znižujúcou sa teplotou a dosahuje maximum pri približne 4 stupňoch).

Všetky tieto neobvyklé vlastnosti vody sú neoceniteľné pre život na Zemi. Kvôli anomáliám na hustotu rybníky zamrznú, začínajúc od hladiny, a umožňujú rybám a ich ostatným obyvateľom pokojne zimovať pod ľadom. Silné povrchové napätie nielenže umožňuje niektorým hmyzom pohybovať sa po povrchu, ale tiež umožňuje rastlinám absorbovať vlhkosť z pôdy a dodávať ju vysoko ku korunám. Vďaka vysokej tepelnej kapacite je teplota oceánov stabilná a ovplyvňuje klímu celej planéty.

„Pochopenie povahy týchto anomálií je viac ako dôležité, “ hovorí Anders Nilsson, fyzik z Stanfordu, ktorý nedávno viedol ďalšiu zaujímavú štúdiu o „zvláštnostiach“ vody, pretože voda je nevyhnutným základom našej vlastnej existencie: žiadna voda - žiadny život. Naša práca nám umožňuje vysvetliť tieto anomálie na molekulárnej úrovni, pri teplotách vhodných pre život. ““

Spôsob, akým sú molekuly H2O organizované v tuhej vodnej fáze - ľad -, bol stanovený už dlhú dobu. Tvoria štvorstennú mriežku (pyramíd s trojuholníkovými stranami), pričom každá molekula je spojená so 4 ďalšími. Tu je vhodné pripomenúť vynikajúci článok z januárového čísla ľudovej mechaniky, v ktorom sme hovorili o snehu a snehových vločkách - o vede a niektorých mýtoch, ktoré sú s nimi spojené. Povedzme, je pravda, že každá snehová vločka je jedinečná? Prečítajte si: „Biela mágia“.

Ukázalo sa však, že to je oveľa zložitejšie s tekutou vodou - a zaujímavejšie. Jej štruktúra je už viac ako storočie predmetom preskúmania, najodvážnejších hypotéz a najhorúcejších diskusií. Najbežnejšie akceptovaný model, ktorý je dnes opísaný v učebniciach, naznačuje, že keďže ľad má tetraedrickú štruktúru, voda by mala mať rovnakú, oveľa menej usporiadanú štruktúru, pokrývajúcu iba niekoľko molekúl.

Na štúdium tohto problému Anders Nielson a jeho kolegovia použili silné röntgenové lúče získané na synchrotrónoch SLAC v Stanforde a SPring-8 v Japonsku a nasmerovali ich na vzorky čistej kvapalnej vody. Po štúdiu, ako boli tieto vzorky rozptýlené, vedci dospeli k záveru, že „tetraedrický model“ je nesprávny. K ich prekvapeniu tvorí voda pri izbovej teplote súčasne 2 typy štruktúr - jedna z nich je vysoko usporiadaná štvorstenná a druhá je úplne neusporiadaná.

Tieto dva typy štruktúr existujú vo vode osobitne. Tetrahedrálne formujú zhluky, ktoré spájajú v priemere až 100 molekúl, akoby boli ponorené do oblastí s neusporiadanou štruktúrou. Kvapalná voda je neustále „oscilujúce“ médium, ktorého molekuly sa neustále pohybujú z jednej štruktúry na druhú - aspoň pri teplotách od teploty miestnosti a takmer do bodu varu. Keď teplota stúpa, usporiadané tetrahedrálne štruktúry sa stávajú čoraz menej, ich veľkosť však zostáva dosť zvláštna.

"Môžete si to predstaviť ako preplnenú reštauráciu, " vysvetľuje Anders Nilson. - Niektorí ľudia sedia pri veľkých stoloch a zaberajú významnú časť miestnosti. Sú to tetrahedrálne štruktúry. Iní tancujú na hudbe medzi stolmi, niektorí vo dvojiciach, asi 3-4 ľudia. Keď sa hudba stáva viac hodinovým strojom (teplota stúpa), tanečníci sa pohybujú rýchlejšie. K dispozícii je tiež konštantná „výmena“: niektorí si sadnú pri stole, iní sa pripoja k tanečníkom. Ak hudba dosiahne určitú intenzitu, celé stoly sa posunú na stranu a ľudia od nich vstanú a tancujú. A naopak, ak sa tanec upokojí, stôl sa vráti na miesto a ľudia si na neho znova sadnú. ““

Je zaujímavé, že takáto myšlienka molekulárnej štruktúry tekutej vody pri normálnej teplote posilňuje ďalšie štúdie o neobvyklom „podchladenom“ stave vody. V tejto nezvyčajnej podobe nezamrzne ani hlboko pod nulou. Po objavení tohto zaujímavého stavu sa ho teoretici pokúsili vysvetliť a navrhnúť vhodný model: molekulárna štruktúra podchladenej vody by sa mala skladať z dvoch typov - tetraedrická a neusporiadaná, ktorých pomer závisí od teploty. Jedným slovom, všetko je také, ako popisuje Nielsen a jeho kolegovia.

Aké závery o anomáliách vo vode možno vyvodiť z modelu získaného vedcami? Zoberme si napríklad hustotu. Molekuly usporiadané do tetrahedrálnych štruktúr sú menej husto zhustené ako tie, ktoré nie sú usporiadané, a táto hustota ich balenia je takmer nezávislá od teploty. A u neusporiadaných, aj keď je vyššia, sa mení: so zvyšujúcou sa teplotou klesá hustota, pretože molekuly začnú „tancovať“ aktívnejšie, čo znamená o niečo ďalej od seba. Takže so zvyšujúcou sa teplotou sa väčšina molekúl transformuje na neusporiadané štruktúry a samotné štruktúry sa stávajú menej hustými. To tiež vysvetľuje veľmi vysokú tepelnú kapacitu vody. Energia, ktorá je absorbovaná vodou so zvyšujúcou sa teplotou, sa do značnej miery vynakladá na prechod molekúl z tetraedrických štruktúr na neusporiadané.

Prečítajte si tiež ďalšie anomálie vody, ktoré takmer zničili výpravu legendárneho polárneho prieskumníka Fridtjofa Nansena - a čo to vysvetľuje: „Fyzika mŕtvych vôd“.

Podľa tlačovej správy Stanfordskej univerzity

Odporúčaná

Ako čítať odstránené správy na WhatsApp
2019
ESA získala nový úžasný obraz Marsu
2019
Predstavená prvá klávesnica a myš Xbox One
2019