Gheaţă

Versiunea stabilă a fost verificată pe 1 septembrie 2022 . Există modificări neverificate în șabloane sau .
Gheaţă
General

Nume sistematic		 Apă
Chim. formulă H2O _ _
Proprietăți fizice
Stat solid
Masă molară 18,01528 g/ mol
Densitate 0,9167 g/cm³
Duritate 1,5 [1]
Proprietati termice
Temperatura
 •  topirea 0 °C
punct triplu 0,01 °C, 611,73 Pa
Căldura specifică de fuziune 3,3⋅10 5  J/kg
Datele se bazează pe condiții standard (25 °C, 100 kPa), dacă nu este menționat altfel.
 Fișiere media la Wikimedia Commons

Gheața   este apă în stare solidă de agregare [2] .

Gheața este uneori numită unele substanțe în stare solidă de agregare, care tind să aibă o formă lichidă sau gazoasă la temperatura camerei; în special, gheață carbonică , gheață cu amoniac sau gheață cu metan .

Proprietățile de bază ale gheții de apă

În prezent, sunt cunoscute trei soiuri amorfe și 17 modificări cristaline ale gheții. Diagrama de fază din figura din dreapta arată la ce temperaturi și presiuni există unele dintre aceste modificări ( vezi mai jos pentru o descriere mai completă ).

În condițiile naturale ale Pământului, apa formează cristale dintr-o modificare cristalină - singonie hexagonală ( gheață Ih ). În gheața I h , fiecare moleculă de H 2 O este înconjurată de patru molecule cele mai apropiate de ea, situate la aceeași distanță de ea, egală cu 2,76 Å și situate la vârfurile unui tetraedru regulat .

Noi studii despre formarea gheții de apă pe o suprafață plană de cupru la temperaturi de la -173 °C la -133 °C au arătat că primele lanțuri de molecule cu o lățime de aproximativ 1 nm apar pe suprafața unei structuri pentagonale mai degrabă decât hexagonale [3] .

Structura cristalină ajurata a unei astfel de gheață duce la faptul că densitatea sa , egală cu 916,7 kg / m³ la 0 ° C, este mai mică decât densitatea apei (999,8 kg / m³) la aceeași temperatură. Prin urmare, apa, transformându-se în gheață, își crește volumul cu aproximativ 9% [4] . Gheața, fiind mai ușoară decât apa lichidă, se formează la suprafața corpurilor de apă, ceea ce previne înghețarea în continuare a apei.

Căldura specifică ridicată de topire a gheții, egală cu 330 kJ /kg (pentru comparație, căldura specifică de topire a fierului este de 270 kJ/kg), este un factor important în schimbul de căldură pe Pământ.

Gheața apare în natură sub formă de gheață în sine (continentală, plutitoare, subterană ), precum și sub formă de zăpadă , brumă , îngheț . Sub influența propriei greutăți, gheața capătă proprietăți plastice și fluiditate.

Gheața naturală este de obicei mult mai curată decât apa, deoarece atunci când apa se cristalizează, moleculele de apă sunt primele care intră în rețea (vezi topirea zonei ). Gheața poate conține impurități mecanice  - particule solide, picături de soluții concentrate , bule de gaz . Prezența cristalelor de sare și a picăturilor de saramură explică caracterul salmastru al gheții marine.

Pe Pământ

Rezervele totale de gheață de pe Pământ sunt de aproximativ 30 de milioane de km³. Principalele rezerve de gheață de pe Pământ sunt concentrate în calotele polare (în principal în Antarctica , unde grosimea stratului de gheață ajunge la 4 km).

În ocean

Apa din oceanele lumii este sărată și acest lucru împiedică formarea gheții, așa că gheața se formează doar la latitudini polare și subpolare, unde iernile sunt lungi și foarte reci. Unele mări de mică adâncime situate în zona temperată îngheață. Distingeți gheața anuală și cea multianuală. Gheața de mare poate fi imobilă, dacă este conectată la pământ, sau plutitoare, adică în derivă. În ocean, există gheață care s-a desprins de ghețarii pământului și a coborât în ​​ocean ca urmare a ablației  - aisberguri .

În spațiu

Există dovezi pentru prezența gheții pe planetele Sistemului Solar (cum ar fi Marte ), lunile lor , pe planetele pitice și în nucleele cometelor .

Utilizarea gheții în tehnologie

Pastă de gheață. La sfârșitul anilor 1980, laboratorul american Argonne a dezvoltat o tehnologie de fabricare a nămolului de gheață (nămol de gheață), capabilă să curgă liber prin țevi de diferite diametre, fără a se aduna în creșteri de gheață, fără a se lipi împreună și fără a înfunda sistemul de răcire [5]. ] . Suspensia de apă sărată a constat din multe cristale de gheață rotunjite foarte mici. Datorită acestui fapt, mobilitatea apei este păstrată și, în același timp, din punct de vedere al ingineriei termice, este gheață, care este de 5-7 ori mai eficientă decât apa rece simplă în sistemele de răcire ale clădirilor. În plus, astfel de amestecuri sunt promițătoare pentru medicină. Experimentele pe animale au arătat că microcristalele amestecului de gheață trec perfect în vasele de sânge destul de mici și nu dăunează celulelor. Frozen Blood prelungește timpul necesar pentru a salva o persoană rănită. De exemplu, în timpul stopului cardiac, acest timp se prelungește, conform estimărilor conservatoare, de la 10-15 la 30-45 de minute [5] .

Utilizarea gheţii ca material structural este larg răspândită în regiunile circumpolare pentru construcţia de locuinţe - igluuri . Gheața face parte din materialul propus de D. Pike pykrete , din care s-a propus realizarea celui mai mare portavion din lume . Utilizarea gheții pentru a construi insule artificiale este descrisă în romanul științifico-fantastic Ice Island .

Faze de gheață

Fază Caracteristici [6] [7]
gheață amorfă Gheața amorfa nu are o structură cristalină. Există sub trei forme: gheață amorfa de densitate scăzută (LDA), care se formează la și sub presiunea atmosferică, gheață amorfă de înaltă densitate (HDA) și gheață amorfă de densitate foarte mare (VHDA), care se formează la presiuni mari. Gheața LDA este produsă prin răcirea foarte rapidă a apei lichide („apă sticloasă suprarăcită”, HGW) sau prin condensarea vaporilor de apă pe un substrat foarte rece („apă solidă amorfă”, ASW) sau prin încălzirea formelor de gheață cu densitate mare. la presiune normală ("LDA").
Gheață I h Gheață cristalină hexagonală obișnuită . Aproape toată gheața de pe Pământ aparține gheții I h și doar o parte foarte mică aparține gheții I c .
Gheață I c Gheață cristalină cubică metastabilă . Atomii de oxigen sunt aranjați ca într -o rețea cristalină de diamant .
Se obține la o temperatură în intervalul de la -133 ° C la -123 ° C, rămâne stabil până la -73 ° C, iar la încălzirea ulterioară se transformă în gheață I h . Se găsește ocazional în atmosfera superioară .
Gheață II Gheață cristalină trigonală cu o structură foarte ordonată. Format din gheață I h în timpul compresiei și temperaturi de la -83 °C la -63 °C. Când este încălzit, se transformă în gheață III.
Gheață III Gheață cristalină tetragonală , care apare atunci când apa este răcită la -23 ° C și o presiune de 300 MPa . Densitatea sa este mai mare decât cea a apei, dar este cea mai puțin densă dintre toate tipurile de gheață din zona de înaltă presiune.
Gheață IV Gheață trigonală metastabilă . Este dificil de obținut fără o sămânță de nucleare.
Gheata V Gheață cristalină monoclinică . Apare atunci când apa este răcită la -20 ° C și o presiune de 500 MPa. Are cea mai complexă structură în comparație cu toate celelalte modificări.
Gheață VI Gheață cristalină tetragonală. Se formează atunci când apa este răcită la -3 °C și la o presiune de 1,1 GPa. Prezintă relaxare Debye .
Gheață VII Modificare cubica. Aranjamentul atomilor de hidrogen este perturbat; Relaxarea Debye se manifestă în materie . Legăturile de hidrogen formează două rețele care se întrepătrund.
Gheață VIII O versiune mai ordonată a gheții VII, în care atomii de hidrogen ocupă poziții aparent fixe. Se formează din gheața VII când este răcită sub 5 °C.
Gheață IX Modificare metastabilă tetragonală. Formată treptat din gheața III când este răcită de la -65 °C la -108 °C, stabilă la temperaturi sub -133 °C și presiuni între 200 și 400 MPa. Densitatea sa este de 1,16 g / cm³, adică puțin mai mare decât cea a gheții obișnuite.
Gheata X Gheață simetrică cu un aranjament ordonat de protoni. Format la presiuni de aproximativ 70 GPa.
Gheață XI Formă rombică de echilibru la temperatură joasă de gheață hexagonală. Este un feroelectric .
Gheață XII Modificare cristalină densă metastabilă tetragonală. Se observă în spațiul de fază al gheții V și al gheții VI. Poate fi obținut prin încălzirea gheții amorfe de înaltă densitate de la -196 °C la aproximativ -90 °C și la o presiune de 810 MPa.
Gheața XIII Soi cristalin monoclinic. Se obține prin răcirea apei sub -143 ° C și o presiune de 500 MPa. O varietate de gheață V cu un aranjament ordonat de protoni.
Gheața XIV Varietate cristalin rombic. Se obține la o temperatură sub -155 °C și o presiune de 1,2 GPa. O varietate de gheață XII cu un aranjament ordonat de protoni.
Gheata XV O varietate cristalină pseudorombică de gheață VI cu un aranjament ordonat de protoni. Poate fi obținut prin răcirea lent a gheții VI la aproximativ -143 ° C și o presiune de 0,8-1,5 GPa [8] .
Gheață XVI Varietatea cristalină de gheață cu cea mai mică densitate ( 0,81 g/cm 3 ) [9] dintre toate formele de gheață obținute experimental . Are o structură care este echivalentă din punct de vedere topologic cu structura cavității KS-II ( ing.  sII ) a hidraților de gaz .
Gheață XVII O varietate cristalină de gheață cu o densitate cristalografică mai mică ( 0,85 g/cm 3 ) [10] decât alte forme de gheață obținute experimental . Structura sa, ca și cea a gheții XVI , este similară cu structura clatratului a hidraților de gaz . Se obtine la o temperatura de 280 K si o presiune de ~ 400 MPa . Compoziția sa nominală este ( H2O ) 2H2 cu trei unități de formulă per unitate de celulă .
Gheața XVIII Gheața XVIII, cunoscută și sub denumirea de „apă superionică”, este o fază a apei care există la temperaturi și presiuni extrem de ridicate la care moleculele de apă se descompun în ioni de oxigen și hidrogen. Ionii de oxigen cristalizează și formează o rețea distribuită uniform, în timp ce ionii de hidrogen plutesc liber pe rețeaua de oxigen rezultată.
Ice XIX Gheața XIX este a doua formă de ordine a gheții VI, care apare atunci când apa este răcită lent la o temperatură de 100 K la o presiune de aproximativ 2 GPa [11] .

Gheață arctică

Vezi și

Note

  1. ↑ Petrushevsky F.F. , Gershun A.L. Led, în fizică // Dicţionar Enciclopedic - Sankt Petersburg. : Brockhaus - Efron , 1896. - T. XVII. - S. 471-473.
  2. ↑ RMG 75-2014. Măsurătorile de umiditate ale substanțelor. Termeni și definiții, 2015 , p. unu.
  3. ↑ O structură de gheață unidimensională construită din pentagoane. materialele naturii. 8 martie 2009 (engleză) . Consultat la 18 aprilie 2009. Arhivat din original pe 22 aprilie 2009.
  4. ↑ Apa înghețată stoarce fundul unui recipient metalic (video) . Preluat la 7 mai 2011. Arhivat din original la 28 august 2012.
  5. ↑ 1 2 Chirurgii vor umple corpurile pacienților cu gheață care curge (link inaccesibil) . Data accesului: 29 decembrie 2008. Arhivat din original la 28 aprilie 2011. 
  6. ↑ Faze de gheață (ing.) (link inaccesibil) . Consultat la 5 februarie 2009. Arhivat din original pe 25 martie 2009. 
  7. ↑ Modele de gheață de înaltă presiune (link inaccesibil) . Consultat la 6 februarie 2009. Arhivat din original pe 18 februarie 2009. 
  8. ↑ Gheața XV obținută pentru prima dată . Data accesului: 17 iunie 2009. Arhivat din original pe 27 martie 2013.
  9. ↑ Andrzej Falenty, Thomas C. Hansen & Werner F. Kuhs . Formarea și proprietățile gheții XVI obținute prin golirea unui hidrat de clatrat de tip sII // Natura . — Vol. 516, P. 231-233 (11 decembrie 2014) - Falenty Andrzej , Hansen Thomas C. , Kuhs Werner F. Formarea și proprietățile gheții XVI obținute prin golirea unui hidrat de clatrat de tip sII  // Nature. - 2014. - decembrie ( vol. 516 , nr. 7530 ). - S. 231-233 . — ISSN 0028-0836 . - doi : 10.1038/nature14014 .
  10. ↑ Timothy A. Strobel, Maddury Somayazulu, Stanislav V. Sinogeikin, Przemyslaw Dera și Russell J. Hemley . Gheață de apă umplută cu hidrogen, asemănătoare cuarțului // Journal of the American Chemical Society . — Vol. 138. - P. 13786-13789 (19 august 2016) - Strobel Timothy A. , Somayazulu Maddury , Sinogeikin Stanislav V. , Dera Przemyslaw , Hemley Russell J. Hydrogen-Stuffed, Quartz-like Water Ice  // Journal of the American Chemical Water Ice societate. - 2016. - 18 octombrie ( vol. 138 , nr. 42 ). - S. 13786-13789 . — ISSN 0002-7863 . - doi : 10.1021/jacs.6b06986 . .
  11. ↑ Caracterizarea structurală a gheții XIX ca al doilea polimorf înrudit cu gheața VI | Comunicarea naturii . Preluat la 30 martie 2021. Arhivat din original la 22 martie 2021.

Literatură

Link -uri

 Faze de gheață