Kaip išspręsti "didžiules vandens paslaptis"

Kaip išspręsti „didžiules vandens paslaptis“

Olegas pasakos
MIPT absolventas, kompiuterinių medžiagų projektavimo darbuotojas
"Trejybės pasirinkimas" № 5 (199), 2016 kovo 8 d

Pastaraisiais metais autoritetingi moksliniai žurnalai paskelbė keletą straipsnių, paaiškinančių "anomalius" vandens savybes. "Anomalusis" – ne "atminties" ir kitų, deja, populiarių klaidingų supratimo apie vandenį prasme. Daugeliu atvejų vanduo elgiasi kitaip nei kiti skysčiai. Be daugybės "anomaliųjų" savybių, gyvenimas būtų neįmanomas arba būtų visiškai kitokio pobūdžio. Taigi, kaip žinote, ledas, kaip žinote, netenka vandenyje, o daugumoje kitų medžiagų jų kietos fazės nuskriaudamos skystyje (bismuto ir galio taip pat galima vadinti išimtimis). Visa tai leidžia žuvims ir kitiems vandens gyvūnams išgyventi žiemą ledo dugne. Paprastai kūnas išsiplėčia, kai šildomas, ir sumažėja, kai jis yra atvėsęs, bet kažkas netiesioginis su vandeniu. Jei, atšaldžius nuo virimo temperatūros iki + 4 ° C, jis, kaip tikimasi, susilpnėja (didėja tankis, pasiekia maksimumą), tada, kai jis yra atvėsęs žemiau + 4 ° C, atvirkščiai, jis išplečiamas (tankis mažėja). Vanduo turi didelę šiluminę galią, dėl kurio ji lėtai kaupiasi ir lėtai išleidžiama, dėl to klimatas daro minkštesnį.Be to, šilumos talpa savaime auga, kai aušinamas žemiau + 35 ° C.

Vandens molekulė sukuria keturias vandenilines jungtis su kitomis molekulėmis. Du ryšiai sukuria deguonį, o po vieną – vandenilio atomus. Vaizdas: A. Kalinichev

Dauguma šių savybių yra paaiškintos vandens molekulės sugebėjimu suformuoti keturias vandenilines jungtis. Tokios obligacijos kyla, kai didelis elektrodavimosi atomas (kaip vieno vandens molekulės deguonis) pritraukia kitos molekulės vandenilį. Viduje molekulės vandenilis H ir deguonis O yra sujungti kovalentiniais ryšiais – jie yra padalinti nesuspūtais elektronais, sukuriant bendrą elektronų porą. Maždaug viena dešimtoji vandenilio jungtis yra kovalentiška gamta, bet daugiausia dėl elektrostatinės sąveikos tarp vandenilio ir elektrodizmo atomo.

Paprastai didelė vandens šiluminė galia yra paaiškinta būtinybe nutraukti vandenilio jungtis, kad būtų transformuojama į garą. Fizikai Andersas Nilssonas ir Larsas Petersonas iš Stokholmo universiteto paaiškina viską giliau – vietinių nehomogeniškumo atsiradimą vandenyje.

Sausio mėn. Jie paskelbė apžvalgą Gamtos komunikacijos [1] apibendrinant vandens tyrimų rezultatus per pastaruosius kelerius metus. Vanduo yra vienalytis didelio masto, bet ar jis yra homogeniškas nano lygmeniu, jei mes manome, kad tai nėra statinis, bet dinamiškai stebimi svyravimai tarp skirtingų formų formų struktūrų? Visų pirma mokslininkai užduoti tokį klausimą. Ir paaiškėja, kad vanduo iki virimo yra lokaliai nehomogeniškas: jame, kaip trumpalaikių svyravimų, gali susidaryti mažos tankio vandens struktūros, kurių molekulės labiau tinka klasteriams, silpnai sujungtiems ir labiau vienodo didelio tankio vandens (SVW). Vienas iš labiausiai ambicingų daugelio vandens tyrimų tikslų yra ieškoti antrojo kritinio taško, "skysto ir skysto" kritinio taško, kuriame išnyks linija tarp dviejų aprašytų vandens rūšių. Prisiminkite, kad įprastu kritiniu tašku (apie + 374 ° C esant 22 MPa slėgiui) išnyksta dujinių ir skystųjų fazių skirtumai.

Gamta"border = 0>

Vandens fazinė diagrama. Anomaliųjų savybių plotas nuo -42 ° C (nors, greičiausiai, ir toliau mažesnis) iki + 47 ° C. Beveik visi gyvenimai žemėje patenka į šią sistemą. ERW yra Vidomo linijos šone esant aukštesnei temperatūrai ir slėgiui, nei LEL. Vaizdas: Gamta

Peržiūros metu mokslininkai sukūrė pačią išsamią vandens fazinę diagramą, atsižvelgdami į galimą antrąjį kritinį tašką. Jei vanduo yra atšaldytas žemiau 0 ° C, kad jis pernelyg atšaldomas, tada padidės vandens rūšių svyravimai, dėl to jų sujungimas šiuo metu. Manoma, kad jis yra -45 ° C temperatūroje, tačiau jį galima atvėsinti tik iki -42 ° C, kai jis pradeda savaime užšalti. Temperatūra yra dar mažesnė, kažkur apie -196 ° C, galima gauti itin greitai aušinant milijoną laipsnių per sekundę, tačiau tokius tyrimus atlikti labai sunku dėl momentinio vandens užšalimo. SVC ir IVC fazinės perėjimo linija sutampa su Widom linija, kurioje abiejų tipų vandens svyravimai pasiekia didžiausią. Linija turėtų baigtis antruoju kritiniu tašku.

Didelio tankio vanduo yra tik iš Vidomo linijos pusės, kuri atitinka įprastas aplinkos temperatūras. Šis faktas paaiškina, kodėl dažnai tokia struktūra, besikeičianti su mažo tankio vandens grupėmis, pastebima eksperimentuose. Vėsinimo metu vanduo artėja prie Vidom linijos, padidėja svyravimai, todėl atsiranda "anomalios" savybės.

kieta linija) ir normalus skystis.Tankis po + 4 ° C mažėja, o su įprasto skysčio jis auga, situacija yra atvirkštinė suspaudimo ir šiluminės talpos. Vaizdas: Gamta\’)“> kieta linija) ir normalus skystis. Tankis po + 4 ° C mažėja, o su įprasto skysčio jis auga, situacija yra atvirkštinė suspaudimo ir šiluminės talpos. Vaizdas: Gamta"border = 0> Poveikio, tankio, suspaudimo ir vandens šilumos talpos palyginimas (kieta linija) ir normalus skystis. Tankis po + 4 ° C mažėja, o su įprasto skysčio jis auga, situacija yra atvirkštinė suspaudimo ir šiluminės talpos. Vaizdas: Gamta

Kita vertus, didelių svyravimų zona pasiekia + 47 ° C temperatūrą, kurioje vandens suspaudimas yra minimalus. Tai reiškia, kad visi gyvieji organizmai, išskyrus ypač šilumą mylinančius tvarinius, yra "anomaliojo" fazinės diagramos regione, kuris turėjo didelę įtaką gyvenimo plėtrai.

Peržiūros metu taip pat buvo atkreiptas dėmesys į 2014 m. Darbą [2], kurio autoriai pasiekė vandens temperatūrą 5 ° C žemesnę nei ankstesnė rekorde -42 ° С. Tačiau tik už mikronų lašelius ir tik keletą momentų, per kuriuos jiems pavyko pašalinti struktūros difrakcijos modelį. Linijinis koherentinis šviesos šaltinis – LCLS) buvo naudojamas linijinis koherentinis šviesos šaltinis – vanduo – kietojo rentgeno lazerio, kuris yra vienas iš galingiausių pasaulyje, atvėsinti.Eksperimentas parodė, kad esant šiai temperatūrai pagrindinė kompozicija yra tik mažo tankio vanduo, kuris pagal konstrukciją yra artimas ledui.

Iš karto po peržiūros toje pačioje žurnale pasirodė Danielio Eltono ir Mariino Fernandezo Serros straipsnis iš Stony Brook universiteto [3], kuris parodė, kad vanduo normaliomis sąlygomis yra daug daugiau kaip ledas, nei buvo manoma. Gali būti, kad tai reiškia didesnę NPS dalį. Mokslininkai pasiūlė, kad iš infraraudonojo spektro vandens smailių, kurie teoriškai neturėtų būti, sukuria fononus. Tiesą sakant, fonas – tai kietosios būsenos fizikos koncepcija, kvadratas tinklelio atomų. Pagal tyrėjų modelį vandens molekulės sudaro ilgas grandines, susijusias su vandenilio ryšiais, kurių skersiniai fononai gali daugintis, sukuriantys tuos pačius anomalius smailius. Pasirodo, kaip ledų trupiniai vandenyje.

Kitame svarbiame darbe [4] ištirti molekulinės dinamikos metodai, priešingai, superkritinis vanduo, paimtas sąlygomis virš kritinio taško. Ši medžiaga turi didelį tankį, artimas įprastai vandeniui, mažai klampai, neturi paviršiaus įtempio. Per kritinį vandenį vanduo taip pat skirstomas į didelį tankį, turintis daugiau "skysčių" savybių ir mažo tankio, turinčio daugiau "dujų" savybių, atskirtų Vidomo linija. H molekulių2O formos grupes, kurios nėra susietos vandenilio ryšiais, o tankis priklauso nuo klasterių dydžio. Svarbi darbo pasekmė yra teorinio tererheto spektro, į kurį eksperimentai gali orientuotis, kūrimas. Vandeniu studijose išlieka daug sunkumų – tiriant jo nevienalytiškumo laipsnį, pasiskirstymą tarp svyruojančių sričių ašies, nustatant antrąjį kritinį tašką, elgesio tyrimas esant žemesnei nei -42 ° C temperatūrai, tačiau dabar sukurta darni eksperimentinių, teorinių ir skaičiavimo metodų sąveika suteikia vilties dėl daugelio jų sprendimo.

1. Nilsson A., Pettersson L. G. M. Skystojo vandens anomaliųjų savybių struktūrinė kilmė //Gamtos komunikacijos (2015).
2. Sellberg J.A. ir kt. Ultragarsinis rentgeno zondavimas vandens struktūros žemiau homogeninės ledo branduolio temperatūra. Gamta (2014).
3. Elton D. C., Fernández-Serra M. Vandenilio ryšių vandens tinklas palaiko optinio fononinio tipo reiškinius. Gamtos komunikacijos (2016).
4. Śmiechowski M., Schran S., Forbert H, Marx D. Dvigubo dalelių judesio ir THz spektrinis atsakas į superkritinį vandenį. Fiz. Rev. Lett (2016).


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: