Шингэн усны гурван хэмжээст төлөвийг судлахад хэцүү ч мөсөн талстуудын бүтцэд дүн шинжилгээ хийснээр их зүйлийг мэдэж авсан. Дөрвөн хөрш устөрөгчтэй харилцан үйлчлэлцдэг хүчилтөрөгчийн атомууд тетраэдрийн оройг эзэлдэг (тетра=дөрөв, хедрон=хавтгай). Мөс дэх ийм холбоог таслахад шаардагдах дундаж энерги 23 кЖ/моль-1 байна.
Усны молекулуудын өгөгдсөн тооны устөрөгчийн гинж үүсгэх чадвар, мөн өгөгдсөн хүч нь ер бусын өндөр хайлах цэгийг үүсгэдэг. Энэ нь хайлах үед бүтэц нь жигд бус шингэн усаар баригддаг. Ихэнх устөрөгчийн холбоо гажигтай байдаг. Устөрөгчтэй холбоотой мөсний болор торыг задлахад дулаан хэлбэрээр их хэмжээний энерги зарцуулагддаг.
Мөсний харагдах онцлог (Ih)
Оршин суугчдын олонх нь ямар төрлийн болор тортой мөстэй болохыг гайхдаг. ШаардлагатайИхэнх бодисын нягт нь хөлдөөх үед молекулын хөдөлгөөн удааширч, нягт савласан талстууд үүсэх үед нэмэгддэг гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. Ус хамгийн ихдээ 4°C (277K) хүртэл хөргөхөд усны нягт нэмэгддэг. Дараа нь температур энэ утгаас доош унах үед энэ нь тэлэх болно.
Энэ өсөлт нь усны молекул бүр дээрх элемент болон бусад дөрвөн утгуудтай хатуу холбогдож, хангалттай хурдтай хөдөлж, тортой, бага нягттай устөрөгчийн холбоо бүхий нээлттэй мөсөн талст үүссэнтэй холбоотой юм. илүү масстай. Энэ үйлдэл хийснээс хойш шингэн нь дээрээс доошоо хөлддөг. Энэ нь биологийн чухал үр дүнтэй бөгөөд үүний үр дүнд цөөрмийн мөсөн давхарга нь амьд оршнолуудыг хэт хүйтнээс тусгаарладаг. Үүнээс гадна усны хоёр нэмэлт шинж чанар нь устөрөгчийн шинж чанартай холбоотой байдаг: хувийн дулаан ба ууршилт.
Бүтцийн дэлгэрэнгүй тайлбар
Эхний шалгуур бол 1 грамм бодисын температурыг 1°С-аар нэмэгдүүлэхэд шаардагдах хэмжээ юм. Молекул бүр нь кинетик энергийг нэмэгдүүлэхийн тулд тасрах ёстой олон тооны устөрөгчийн холбоонд оролцдог тул усны градусыг нэмэгдүүлэхэд харьцангуй их хэмжээний дулаан шаардагдана. Дашрамд дурдахад H2O бүх том олон эст организмын эс, эдэд элбэг байдаг нь эсийн доторх температурын хэлбэлзлийг багасгадаг гэсэн үг юм. Ихэнх биохимийн урвалын хурдаас хойш энэ шинж чанар нь маш чухал юммэдрэмтгий.
Усны ууршилтын дулаан нь бусад олон шингэнээс хамаагүй өндөр байдаг. Энэ биеийг хий болгон хувиргахад их хэмжээний дулаан шаардагддаг, учир нь усны молекулууд бие биенээсээ салж, дээрх үе шатанд орохын тулд устөрөгчийн холбоо тасрах ёстой. Өөрчлөгдөж болох биетүүд нь байнгын диполь бөгөөд бусад ижил төстэй нэгдлүүд болон ионжуулж уусдаг бодисуудтай харилцан үйлчилж чаддаг.
Дээр дурдсан бусад бодисууд зөвхөн туйлшралтай тохиолдолд л хүрч болно. Эдгээр элементүүдийн бүтцэд оролцдог энэ нэгдэл юм. Нэмж дурдахад, энэ нь электролитээс үүссэн эдгээр хэсгүүдийн эргэн тойронд тэгшлэх боломжтой бөгөөд ингэснээр усны молекулуудын хүчилтөрөгчийн сөрөг атомууд катионууд руу, эерэг ионууд болон устөрөгчийн атомууд нь анионууд руу чиглэнэ.
Хатуу биед дүрмээр бол молекулын болор тор, атомын тор үүсдэг. Өөрөөр хэлбэл, иодыг I2, агуулсан байхаар барьсан бол хатуу нүүрстөрөгчийн давхар исэлд, өөрөөр хэлбэл хуурай мөсөнд CO2 молекулууд үүсдэг. болор торны зангилаанууд дээр байрладаг. Ижил төстэй бодисуудтай харьцахдаа мөс нь ионы болор тортой байдаг. Жишээлбэл, нүүрстөрөгч дээр суурилсан атомын бүтэцтэй графит нь алмаз шиг үүнийг өөрчлөх чадваргүй.
Хүнсний давсны талст усанд уусах үед юу болох вэ: талст дахь цэнэгтэй элементүүдэд туйлын молекулууд татагдаж, түүний гадаргуу дээр натри, хлоридын ижил төстэй хэсгүүд үүсч, улмаар эдгээр биетүүд үүсдэг.бие биенээсээ мултарч, уусаж эхэлдэг. Эндээс мөс нь ионы холбоо бүхий болор тортой болохыг ажиглаж болно. Ууссан Na + бүр хэд хэдэн усны молекулын сөрөг төгсгөлийг татдаг бол ууссан Cl - эерэг төгсгөлийг татдаг. Ион бүрийг тойрсон бүрхүүлийг зугтах бөмбөрцөг гэж нэрлэдэг бөгөөд ихэвчлэн уусгагч хэсгүүдийн хэд хэдэн давхаргыг агуулдаг.
Хуурай мөсөн болор тор
Хувьсагч эсвэл элементээр хүрээлэгдсэн ионыг сульфатжуулсан гэж нэрлэдэг. Уусгагч нь ус байх үед ийм тоосонцор усждаг. Тиймээс аливаа туйлт молекул нь шингэний биетийн элементүүдээр уусдаг. Хуурай мөсөнд болор торны төрөл нь нэгдэх төлөвт атомын холбоо үүсгэдэг бөгөөд тэдгээр нь өөрчлөгддөггүй. Өөр нэг зүйл бол талст мөс (хөлдөөсөн ус) юм. Карбоксилаза, протонжуулсан амин зэрэг ионы органик нэгдлүүд нь гидроксил ба карбонилийн бүлэгт уусдаг байх ёстой. Ийм бүтцэд агуулагдах тоосонцор молекулуудын хооронд хөдөлж, тэдгээрийн туйлт системүүд нь энэ биетэй устөрөгчийн холбоо үүсгэдэг.
Мэдээжийн хэрэг молекул дахь хамгийн сүүлд заасан бүлгүүдийн тоо нь түүний уусах чанарт нөлөөлдөг бөгөөд энэ нь элемент дэх янз бүрийн бүтцийн урвалаас хамаарна: жишээлбэл, нэг, хоёр, гурван нүүрстөрөгчийн спиртүүд холилдох чадвартай байдаг. усаар, харин нэг гидроксил нэгдлүүдтэй том нүүрсустөрөгчид шингэнд хамаагүй бага шингэлдэг.
Зургаан өнцөгт Ih хэлбэртэй төстэйатомын болор тор. Дэлхий дээрх мөс, байгалийн бүх цасны хувьд яг ийм харагдаж байна. Энэ нь усны уураас (өөрөөр хэлбэл цасан ширхгүүд) ургасан мөсний болор торны тэгш хэмээр нотлогддог. Энэ нь 194-ээс P 63/мм-ийн сансрын бүлэгт; D 6h, Laue анги 6/мм; β-тэй төстэй бөгөөд энэ нь 6 мушгиа тэнхлэгийн үржвэртэй (түүний дагуу шилжихээс гадна эргэн тойрон эргэх). Энэ нь энгийн куб (~1/2) эсвэл нүүр төвтэй куб (~3/4) бүтэцтэй харьцуулахад үр ашиг нь бага (~1/3) байдаг нэлээн нээлттэй бага нягттай бүтэцтэй.
Энгийн мөстэй харьцуулахад CO2 молекулуудаар холбогдсон хуурай мөсний талст тор нь статик бөгөөд зөвхөн атом задрах үед л өөрчлөгддөг.
Сараалж ба тэдгээрийн элементүүдийн тайлбар
Кристалуудыг нэг нэгнийхээ дээр байрлуулсан хуудаснаас бүрдэх талст загвар гэж үзэж болно. Устөрөгчийн холбоо нь эмх цэгцтэй байдаг ч бодит байдал дээр энэ нь санамсаргүй байдаг, учир нь протонууд ойролцоогоор 5 К-ээс дээш температурт усны (мөсний) молекулуудын хооронд шилжиж чаддаг. Үнэн хэрэгтээ протонууд тогтмол туннелийн урсгалд квант шингэн шиг ажилладаг байх магадлалтай. Энэ нь нейтронуудын тархалтаар нэмэгддэг бөгөөд тэдгээрийн тархалтын нягтыг хүчилтөрөгчийн атомуудын хоорондох хагаст харуулж, нутагшуулах, нэгдсэн хөдөлгөөнийг илтгэнэ. Энд мөс нь атом, молекулын талст тортой төстэй юм.
Молекулууд нь устөрөгчийн гинжин хэлхээний шаталсан зохион байгуулалттай байдагонгоцонд байгаа гурван хөршийнхөө талаар. Дөрөв дэх элемент нь хиртсэн устөрөгчийн бондын зохион байгуулалттай. Энэ гинжин хэлхээний чиглэлд нэгж нүд 0.3% богино байдаг тул төгс зургаан өнцөгт тэгш хэмээс бага зэрэг хазайсан байна. Бүх молекулууд ижил молекул орчныг мэдэрдэг. "Хайрцаг" бүрийн дотор завсрын усны тоосонцорыг хадгалах хангалттай зай байдаг. Хэдийгээр ерөнхийд нь авч үздэггүй ч мөсний нунтаг талст торны нейтроны дифракцаар тэдгээрийг саяхан үр дүнтэй илрүүлсэн.
Өөрчлөх бодис
Зургаан өнцөгт бие нь шингэн ба хийн устай 0.01 ° C, 612 Па, хатуу элементүүдтэй гурвалсан цэгүүдтэй - гурван -21.985 ° C, 209.9 МПа, арван нэгэн ба хоёр -199.8 ° C, 70 МПа, түүнчлэн - 34.7 ° C, 212.9 МПа. Зургаан өнцөгт мөсний диэлектрик тогтмол 97.5.
Энэ элементийн хайлах муруйг МПа-аар өгсөн. Төлөвийн тэгшитгэлүүд байдаг бөгөөд тэдгээрээс гадна физик шинж чанарын өөрчлөлтийг зургаан өнцөгт мөс ба түүний усан суспензийн температуртай холбоотой энгийн тэгшитгэлүүд байдаг. Хатуулаг нь гипсээс (≦2) -80°С-т хээрийн жонш (6 Мох) хүртэл өсөх ба түүнээс доош градусаар хэлбэлздэг бөгөөд үнэмлэхүй хатуулаг (> 24 удаа) хэвийн бус их өөрчлөлттэй байна.
Мөсний зургаан өнцөгт болор тор нь зургаан өнцөгт хавтан ба багана үүсгэдэг бөгөөд дээд ба доод нүүр нь 5.57 мкЖ см энтальпитэй суурь хавтгай {0 0 0 1} байна -2ба бусад тэнцүү хажуугийн хэсгүүдийг 5, 94-тэй {1 0 -1 0} призмийн хэсгүүд гэж нэрлэдэг.µJ см -2. 6.90 ΜJ ˣ см -2-тай хоёрдогч гадаргууг {1 1 -2 0} байгууламжийн хажуу талаас үүссэн хавтгайн дагуу үүсгэж болно.
Ийм бүтэц нь даралт ихсэх тусам дулаан дамжилтын илтгэлцүүр (мөн нягтрал багатай куб ба аморф мөс) хэвийн бус бууралтыг харуулдаг боловч ихэнх талстуудаас ялгаатай. Энэ нь устөрөгчийн холбоо өөрчлөгдсөнтэй холбоотой бөгөөд энэ нь мөс ба усны болор тор дахь дууны хөндлөн хурдыг бууруулдаг.
Том болор дээж болон хүссэн мөсний гадаргууг хэрхэн бэлтгэхийг тайлбарлах аргууд байдаг. Судалж буй зургаан өнцөгт биеийн гадаргуу дээрх устөрөгчийн холбоо нь бөөн системийн доторхоос илүү эмх цэгцтэй байх болно гэж таамаглаж байна. Зургаан өнцөгт мөсний суурийн гадаргуугийн гадаргын HO гинжин хэлхээний дээд хоёр давхаргын (L1 ба L2) хооронд бүтцийн тэгш бус байдал байгааг фаз-торны давтамж үүсгэх вариацын спектроскопи харуулсан. Зургаан өнцөгтийн дээд давхаргад батлагдсан устөрөгчийн холбоо (L1 O ··· HO L2) нь хоёр дахь давхаргад хүлээн зөвшөөрөгдсөн дээд хуримтлалаас (L1 OH ··· O L2) илүү хүчтэй байдаг. Интерактив зургаан өнцөгт мөсөн байгууламжууд боломжтой.
Хөгжлийн онцлог
Мөс үүсгэхэд шаардагдах усны молекулуудын хамгийн бага тоо нь 280-аас бүрдэх икосаэдр кластерын хувьд ойролцоогоор 275 ± 25 байна. Үүсэлт нь 10 10 хурдтай явагддаг. агаар-усны интерфэйс ба задгай усанд биш. Мөсөн талстуудын өсөлт нь янз бүрийн өсөлтийн хурдаас хамаардагэрчим хүч. Биологийн сорьц, хоол хүнс, эд эрхтнийг крио хадгалахдаа усыг хөлдөхөөс хамгаалсан байх ёстой.
Үүнийг ихэвчлэн хурдан хөргөх хурд, жижиг дээж болон криоконсерватор ашиглан, мөсийг бөөмжүүлэх, эсийг гэмтээхээс сэргийлэх даралтыг нэмэгдүүлэх замаар хийдэг. Мөс/шингэний чөлөөт энерги нь атмосферийн даралтад ~30 мЖ/м2 байснаас 200 МПа-д 40 мЖ/м-2 болж нэмэгдэж байгааг харуулж байна. яагаад ийм нөлөө гарч байна вэ.
Мөсөнд ямар төрлийн болор тор байдаг вэ
Өөр нэг арга нь тэд призмийн гадаргуугаас (S2) хурдан хөлдсөн эсвэл хутгасан нууруудын санамсаргүй эвдэрсэн гадаргуу дээр илүү хурдан ургадаг. {1 1 -2 0} нүүрний өсөлт нь дор хаяж ижил боловч тэдгээрийг призмийн суурь болгон хувиргадаг. Мөсөн талстыг хөгжүүлэх талаархи мэдээллийг бүрэн судалсан. Янз бүрийн нүүрний элементүүдийн харьцангуй өсөлтийн хурд нь үе мөчний чийгшлийг их хэмжээгээр бий болгох чадвараас хамаардаг. Эргэн тойрон дахь усны температур (бага) нь мөсөн талст дахь салбарлалтын түвшинг тодорхойлдог. Бөөмийн өсөлт нь хэт хөргөлтийн бага зэрэгт тархалтын хурдаар хязгаарлагддаг, тухайлбал <2 ° C, үр дүнд нь илүү их байдаг.
Гэхдээ >4°C-ийн сэтгэлийн хямралын өндөр түвшинд хөгжлийн кинетикаар хязгаарлагдаж, зүү ургахад хүргэдэг. Энэ хэлбэр нь хуурай мөсний бүтэцтэй төстэй (зургаан өнцөгт бүтэцтэй болор тортой), янз бүрийнгадаргын хөгжлийн онцлог, цасан ширхгүүдийн хавтгай хэлбэрийн цаана байгаа орчны (хэт хөргөсөн) усны температур.
Агаар мандалд мөс үүсэх нь үүл үүсэх, шинж чанарт ихээхэн нөлөөлдөг. Жилд хэдэн сая тонноор агаар мандалд ордог цөлийн тоосноос олддог хээрийн жонш нь чухал үүсгэгч юм. Энэ нь өндөр энергитэй гадаргуугийн хавтгай дээрх призмт мөсөн болор хавтгайн бөөмжилттэй холбоотой болохыг компьютерийн симуляци харуулсан.
Зарим бусад элементүүд болон торууд
Ууссан бодисууд (маш жижиг гелий, устөрөгчийн завсарт нэвтэрч орох боломжтой) нь атмосферийн даралтын үед Ih бүтцэд багтах боломжгүй, харин гадарга буюу аморф давхарга руу шахагдан гарч ирдэг. бичил талст бие. Хуурай мөсний торны хэсгүүдэд бусад элементүүд байдаг: NH4 +, Cl - зэрэг хаотроп ионууд. Na +, SO42-зэрэг сансар огторгуйд хамаарах бусад бодисуудаас хөнгөн шингэн хөлдөөх найрлагад ордогтул талстуудын хооронд үлдсэн шингэний нимгэн хальс үүсгэдэг тул тэдгээрийг арилгах боломжгүй юм. Энэ нь гадаргын усны задралын улмаас үлдсэн цэнэгийг тэнцвэржүүлдэг (энэ нь соронзон цацрагт хүргэж болзошгүй) болон үлдэгдэл шингэний хальсны рН-ийн өөрчлөлт, жишээлбэл, NH 4 зэрэг нь гадаргууг цахилгаанаар цэнэглэхэд хүргэдэг.2SO4 илүү хүчиллэг болж, NaCl илүү суурь болдог.
Тэдгээр нь нүүрэнд перпендикуляр байнадараагийн давхаргыг харуулсан мөсний болор тор (хараар O атомтай). Эдгээр нь зөвхөн тусгаарлагдсан усны молекулууд наалдсан аажмаар өсөн нэмэгдэж буй суурь гадаргуугаар тодорхойлогддог {0 0 0 1}. Шинээр хавсарсан хос бөөмс нь устөрөгчтэй (нэг устөрөгчийн холбоо/элементийн хоёр молекул) нэгдэж чаддаг призмийн хурдацтай өсөн нэмэгдэж буй {1 0 -1 0} гадаргуу. Хамгийн хурдан өсөн нэмэгдэж буй нүүр нь {1 1 -2 0} (хоёрдогч призматик) бөгөөд шинээр холбогдсон бөөмсийн гинж нь устөрөгчийн холбоогоор харилцан үйлчилдэг. Түүний гинж/элементийн молекулын нэг нь призмийн хоёр тал руу хуваагдаж, хувиргалтыг дэмждэг нуруу үүсгэдэг хэлбэр юм.
Тэг цэгийн энтропи
S 0=k B ˣ Ln (N E0) гэж тодорхойлж болно. Энд k B нь Больцманы тогтмол, NE нь Е энерги дэх тохиргооны тоо, E0 нь хамгийн бага энерги юм. Кельвиний тэг дэх зургаан өнцөгт мөсний энтропийн энэ утга нь термодинамикийн гурав дахь хуулийг зөрчөөгүй "Үнэмлэхүй тэг дэх идеал болорын энтропи яг тэг" тул эдгээр элементүүд болон бөөмсүүд нь тохиромжгүй, эмх замбараагүй устөрөгчийн холбоотой байдаг.
Энэ биед устөрөгчийн холбоо санамсаргүй бөгөөд хурдан өөрчлөгддөг. Эдгээр бүтэц нь эрчим хүчний хувьд яг тэнцүү биш боловч маш олон тооны эрч хүчтэй ойрхон төлөвт хүрч, "мөсний дүрэм" -ийг дагаж мөрддөг. Тэг цэгийн энтропи гэдэг нь тухайн материалыг үнэмлэхүй хүртэл хөргөсөн ч хэвээр үлдэх эмгэг юмтэг (0 K=-273, 15 ° C). Зургаан өнцөгт мөс 3, 41 (± 0, 2) ˣ моль -1 ˣ K -1-д туршилтын төөрөгдөл үүсгэдэг. Онолын хувьд мэдэгдэж байгаа мөсөн талстуудын тэг энтропийг туршилтаар тодорхойлохоос хамаагүй илүү нарийвчлалтайгаар (гажиг болон энергийн түвшний тархалтыг үл тоомсорлож) тооцоолох боломжтой.
Эрдэмтэд ба тэдний энэ чиглэлээр хийсэн ажил
S 0=k B ˣ Ln (N E0) гэж тодорхойлж болно. Энд k B нь Больцманы тогтмол, NE нь Е энерги дэх тохиргооны тоо, E0 нь хамгийн бага энерги юм. Кельвиний тэг дэх зургаан өнцөгт мөсний энтропийн энэ утга нь термодинамикийн гурав дахь хуулийг зөрчөөгүй "Үнэмлэхүй тэг дэх идеал болорын энтропи яг тэг" тул эдгээр элементүүд болон бөөмсүүд нь тохиромжгүй, эмх замбараагүй устөрөгчийн холбоотой байдаг.
Энэ биед устөрөгчийн холбоо санамсаргүй бөгөөд хурдан өөрчлөгддөг. Эдгээр бүтэц нь эрчим хүчний хувьд яг тэнцүү биш боловч маш олон тооны эрч хүчтэй ойрхон төлөвт хүрч, "мөсний дүрэм" -ийг дагаж мөрддөг. Тэг цэгийн энтропи гэдэг нь материалыг үнэмлэхүй тэг хүртэл (0 К=-273.15 ° C) хүртэл хөргөсөн ч хэвээр үлдэх эмгэг юм. Зургаан өнцөгт мөс 3, 41 (± 0, 2) ˣ моль -1 ˣ K -1-д туршилтын төөрөгдөл үүсгэдэг. Онолын хувьд мэдэгдэж байгаа мөсөн талстуудын тэг энтропийг туршилтаар тодорхойлохоос хамаагүй илүү нарийвчлалтайгаар (гажиг болон энергийн түвшний тархалтыг үл тоомсорлож) тооцоолох боломжтой.
Хэдийгээр их хэмжээний мөсөн дэх протоны дараалал эрэмбэлэгдээгүй ч гадаргуу нь эдгээр бөөмсийн дарааллыг өлгөөтэй Н атом ба О-дан хос (захиалсан устөрөгчийн холбоо бүхий тэг энтропи) хэлбэрээр байрлуулахыг илүүд үздэг байх. Тэг цэгийн эмгэг ZPE, J ˣ mol -1 ˣ K -1 болон бусад. Дээр дурдсан бүхнээс харахад мөсний ямар төрлийн болор тор нь тодорхой бөгөөд ойлгомжтой байна.
