11 агрегатное состояние воды

меня очень интересует то как получили 11 агрегатное состояние воды.

 


Уважаемый karungold!

Все вещества в природе согласно законам термодинамики могут существовать в трех агрегатных состояниях - твердом, жидком и газообразном. Вода в свою очередь может существовать в виде жидкости, пара и льда. Лёд в свою очередь имеет 14 модификаций, большинство которых, однако, получены в условиях, близких к космическим. Переходы между ними сопровождаются скачкообразным изменением ряда физических свойств (плотности, теплопроводности и др.).

Четвертым агрегатным состоянием вещества часто считают плазму, хотя к воде плазма не имеет никакого отношения. Термин плазма (от греч. πλάσμα «вылепленное», «оформленное») был введен в 1929 году американскими учеными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, возможно из-за ассоциации с плазмой крови, что по-сути не верно.. В физическом смысле плазма и есть четвёртое агрегатное состояние вещества.

От обычного газа плазма отличается тем, что в ней наблюдается одновременное взаимодействие большого числа частиц. Кроме того, влияние электрических и магнитных полей на плазму приводит к появлению в ней пространственных зарядов и токов. В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества вселенной: звезды, галактические туманности, межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра.

Плазма - частично или полностью ионизированный газ, который образуется в результате термической ионизации атомов и молекул при высоких температурах, под действием электромагнитных полей большой напряженности, при облучении газа потоками заряженных частиц высокой энергии.

Рис. Плазма

В лабораторных условиях плазма образуется в электрическом разряде в газе, в процессах горения и взрыва. Когда луч лазера сфокусировали линзой, в воздухе в области фокуса вспыхнула искра и там образовалась плазма.

Плазма может быть как квазинейтральной, так и неквазинейтральной. Слово «ионизированный» означает, что от значительной части атомов или молекул отделён по крайней мере один электрон. Слово «квазинейтральный» означает, что, несмотря на наличие свободных зарядов (электронов иионов), суммарный электрический заряд плазмы приблизительно равен нулю. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает её заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями.

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое не приводит к изменению его состава, но сопровождается изменением его структуры.

Следует отметить, что такое разделение агрегатных состояний веществ не отражает внутреннее строение вещества, степень упорядоченности его частиц.

Существует ещё и так называемое жидкокристаллическое (мезоморфное) состояние вещества, свойства которого являются промежуточными между свойствами твердого кристалла и жидкости.

Рис. 1. Жидкие кристаллы

Например, некоторые вещества (стекла, смолы) обладают свойствами характерными и для твердых, и для очень вязких переохлажденных жидкостей. В частности, некоторые органические материалы переходят из твердого состояния в жидкое, испытывая ряд переходов, включающих образование новой фазы, которую называют жидкокристаллическим состоянием (жидким кристаллом).

Жидкие кристаллы — вещества, обладающие одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропии). По структуре жидкие кристаллы представляют собой жидкости, похожие на желе, состоящие из молекул вытянутой формы, определённым образом упорядоченных во всем объёме этой жидкости. Наиболее характерным свойством ЖК является их способность изменять ориентацию молекул под воздействием электрических полей, что открывает широкие возможности для применения их в промышленности. По типу ЖК обычно разделяют на две большие группы: нематики и смектики. В свою очередь нематики подразделяются на собственно нематические и холестерические жидкие кристаллы.

В настоящее время появились гипотезы о существовании в воде весьма устойчивых образований по типу жидкокристаллических. Способность молекул воды образовывать определенные структуры, основана на наличии так называемых водородных связей. Эти связи не химической природы. Они легко разрушаются и быстро восстанавливаются, что делает структуру воды исключительно изменчивой. Именно благодаря этим связям в отдельных микрообъемах воды непрерывно возникают своеобразные ассоциаты воды, её структурные элементы. Связь в таких ассоциатах называется водородной. Она является очень слабой, легко разрушаемой, в отличие от ковалентных связей, например, в структуре минералов или любых химических соединений.

Так, согласно гипотезе С.В. Зенина вода представляет собой иерархию правильных объемных структур, в основе которых лежит кристалло-подобный "квант воды", состоящий из 57 ее молекул, которые взаимодействуют друг с другом за счет свободных водородных связей. При этом 57 молекул воды (квантов), образуют структуру, напоминающую тетраэдр. Тетраэдр в свою очередь состоит из 4 додекаэдров (правильных 12-гранников). 16 квантов образуют структурный элемент, состоящий из 912 молекул воды. Вода на 80% состоит из таких элементов, 15% - кванты-тетраэдры и 3% - классические молекулы Н2О. Хаотически двигаются не отдельные молекулы Н2О, а структурные элементы. Отметим, что структура воды связана с платоновыми телами (тетраэдр, додекаэдр), форма которых связана с золотой пропорцией. Ядро кислорода также имеет форму платонова тела (тетраэдра).

Такая структура энергетически выгодна и разрушается с освобождением свободных молекул воды лишь при высоких концентрациях спиртов и подобных им растворителей [Зенин, 1994]. "Кванты воды" могут взаимодействовать друг с другом за счет свободных водородных связей, торчащих наружу из вершин “кванта” своими гранями. При этом возможно образование уже двух типов структур второго порядка. Их взаимодействие друг с другом приводит к появлению структур высшего порядка. Последние состоят из 912 молекул воды, которые по модели Зенина практически не способны к взаимодействию за счет образования водородных связей. Этим и объясняется, например, высокая текучесть жидкости, состоящей из громадных полимеров. Таким образом, водная среда представляет собой как бы иерархически организованный жидкий кристалл. Изменение положения одного структурного элемента в этом кристалле под действием любого внешнего фактора или изменение ориентации окружающих элементов под влиянием добавляемых веществ обеспечивает, согласно гипотезе Зенина, высокую чувствительность информационной системы воды. Если степень возмущения структурных элементов недостаточна для перестройки всей структуры воды в данном объеме, то после снятия возмущения система через 30-40 мин возвращается в исходное состояние. Если же перекодирование, т. е. переход к другому взаимному расположению структурных элементов воды оказывается энергетически выгодным, то в новом состоянии отражается кодирующее действие вызвавшего эту перестройку вещества [Зенин, 1994]. Такая модель позволяет Зенину объясненить "память воды" и ее информационные свойства [Зенин, 1997].

Интересно, что свободные, не связанные в ассоциаты молекулы воды присутствуют в воде лишь в очень небольшом количестве. В основном же вода – это совокупность беспорядочных ассоциатов и «водяных кристаллов», где количество связанных в водородные связи молекул может достигать сотен и даже тысяч единиц.

Рис. Ассоциат из шести молекул воды

«Водяные кристаллы» могут иметь самую разную форму, как пространственную, так и двухмерную (в виде кольцевых структур). В основе же всего лежит тетраэдр (простейшая пирамида в четыре угла). Именно такую форму имеют распределенные положительные и отрицательные заряды в молекуле воды. Группируясь, тетраэдры молекул H2O образуют  разнообразные пространственные и плоскостные структуры. И из всего многообразия структур в природе базовой, судя по всему (пока лишь не точно доказанное предположение) является всего одна – гексагональная (шестигранная), когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединяются в кольцо. Такой тип структуры характерен для льда, снега, талой воды, клеточной воды всех живых существ.

С уважением,К.х.н. О.В. Мосин