Что означает таяние льда в химии
Таяние льда: природа явления и ее особенности
Удивительное явление природы – смена физического состояния вещества при неизменности химического состава. Осенью застывают водоемы, покрываясь коркой льда. Каждую весну под воздействием жаркого солнца мы наблюдаем таяние льда. Важно, чтобы вода в твердом своем состоянии получила необходимое количество теплоты, изменилась, выражаясь языком физиков, внутренняя энергия тела. Она заставляет молекулы двигаться интенсивнее. Благодаря этому состояние вещества изменяется, твердое становится текучим. Такая трансформация свойственна многим веществам: металлам, органическим пластикам, парафину, маслу. Каждому веществу нужна своя порция тепла.
Плавление льда
Опыты, как тающий лед превращается в воду, делали все: кубики в бокале уменьшаются в размере, делая жидкость прохладнее. Морфологическое превращение льда неизменно сопровождается поглощением тепла. Формула воды H2O при этом остается неизменной. Что же тогда меняется? Движение молекул. Они начинают хаотично перемещаться. Таяние льда – процесс, при котором упорядоченная структура разрушается, кристаллы трансформируются сначала в кашицу, затем – в жидкое состояние. Такое изменение требует энергии, она передается из внешней среды молекулам. Изменяется их внутренняя энергия, она не дает им устоять в углах кристаллической решетки. Давайте разбираться с температурой. Повышается ли она во время таяния? Лед до полного превращения в воду своей температуры не изменяет. Это легко проверить с помощью градусника. При температуре ноль градусов лед становится водой, это температура плавления. Разрабатывая температурную шкалу, за ноль приняли температуру трансформации льда и кристаллизации Н2О, как самого встречающегося вещества в окружающей среде.
Параметр, при котором текучее вещество трансформируется в твердое состояние, называется температурой кристаллизации. Она совпадает с параметром, когда лед становится водой, это температура плавления. Для Н2О она равна нулю. Казалось бы, возникает парадокс: внутренняя энергия молекул под воздействием внешнего тепла возрастает, а температура в процессе изменения агрегатного состояния неизменна. Но не будем забывать, что кристаллическая решетка разрушается, связи между молекулами рвутся, изменяется полярная ориентация атомов. Кислород смещается к одному полюсу, водород – к другому. Благодаря этому физико-химическому свойству, вода приобретает текучесть, становится вязкой.
Удельная теплота плавления
Сколько нужно нагревать килограмм льда, чтобы он стал водой? Сколько тепла вбирает тающий лед? Эта величина устанавливается экспериментальным путем, в физике она называется удельной теплотой плавления льда. Аналогичным путем устанавливаются удельные теплоты других веществ. Их единица измерения внесена в международную систему СИ (интернациональную систему измерения). Это отношение единицы тепла (Джоуль) к единице веса (килограмму). Обозначают параметр буквенным символом – греческой буквой λ (лямбда). Значение удельной теплоты плавления λ = 3337Дж/кг или 3,4 кДж/кг.
Несложно понять, как она высчитывается:
Физическим равенством это записывается следующим образом: λ = Q/m, где
m– масса куска твердого вещества, измеряется в кг.
Зная это равенство, можно решать задачи: λ всегда неизменна, это константа. Зная один из двух оставшихся параметров, легко найти третий:
Есть еще одно понятие, связанно с процессом плавления – теплоемкость. Она у всех веществ различная, характеризует объем тепла, необходимого для перевода единицы массы вещества в другое агрегатное состояние путем нагрева или охлаждения.
Роль теплоты плавления льда и кристаллизации воды в природе
Экспериментальным путем процесс растворения льда и кристаллизации изучил естествоиспытатель, физик, химик из Шотландии Джозеф Блек, живший в далеком XVIII веке. Он впервые ввел физическое понятие теплоты плавления. В своей работе он установил важность неизменности температуры таяния льдов. Заметил, что был бы неизбежен коллапс, если бы атомы не поглощали в большом объеме тепло воздуха, прогретого солнцем. Тающий лед стал бы весной причиной опасных наводнений. Он растворялся бы с катастрофической скоростью. Поглощение тепла при разрушении ледяного покрова и снега замедляет процесс. Доказательством выделения тепла при кристаллизации воды служат обязательное потепление воздуха после обильного или продолжительного снегопада. В окружающем нас мире все взаимосвязано, продумано до мельчайших деталей.
Что означает таяние льда в химии
6.Структура и формы льда.
В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно схеме, в которой водородные связи показаны пунктиром
Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы 
.
Сейчас известно десять форм льда, устойчивых при высоких давлениях. И у всех сохраняется четырежды координированная сетка водородных связей, то есть каждая молекула воды сохраняет в них все свои четыре водородные связи.
I – обычный лед, существующий при давлении до 2200 атм., при дальнейшем увеличении давления переходит в II ;
II – лед с уменьшением объема на 18%, тонет в воде, очень неустойчив и легко переходит в III ;
III – также тяжелее воды и может непосредственно быть получен из льда I ;
IV – легче воды, существует при небольших давлениях и температуре немного ниже 0 ° С, неустойчив и легко переходит в лед I ;
Итак, при внешних воздействиях (повышении давления) сетка водородных связей во льду не разрушается, а перестраивается, сохраняя свою четверную координацию. Более выгодным оказывается не разорвать некоторые водородные связи, а сохранить их все, лишь деформируя сетку, несколько изменяя углы между связями. В этой удивительной структурной устойчивости состоит важнейшее свойство сеток водородных связей между молекулами воды.
7.Структура и перестройка структуры воды.
Теперь легко представить себе, что происходит при плавлении льда. Сетка водородных связей и здесь не должна разрушаться, но кристаллический порядок должен исчезнуть. Это означает, что каждая молекула воды и в жидком состоянии должна сохранить свои четыре водородные связи, но углы между ними будут отличаться, что и приводит к повышению ее плотности по сравнению со льдом. Чем же отличается структура сетки водородных связей в жидкой воде от структур сеток в формах льда, стабильных при высоких давлениях? Отсутствием пространственной периодичности. В отличие от льда в водной сетке невозможно выделить участки в разных ее местах, которые были бы тождественны по структуре. Сетка в воде случайная. В ней углы между связями отклоняются не по какому-то определенному закону, как в кристаллах, а случайно. В кристалле вокруг каждой молекулы соседние частицы расположены одинаково, в жидкости же окружение каждой молекулы устроено особым (но случайным) образом. По этой причине структуру случайной сетки невозможно установить рентгеноструктурным анализом, который вскрывает закономерности только единообразно окруженных частиц.
Значит, молекулярную структуру воды, то есть конкретное положение всех ее молекул, невозможно определить экспериментально. Здесь нужно использовать другие методы исследования и прежде всего моделирование. При помощи компьютера можно моделировать движения не очень большого ансамбля частиц (около тысячи) и получать информацию о положении каждой молекулы, если сделать определенные (модельные) предположения о законах их взаимодействия. Этой увлекательной задачей занимаются сейчас ученые во всем мире. Все исследователи согласны в том, что основой структуры является сетка водородных связей, охватывающая все молекулы воды; разногласия касаются в основном устройства этой сетки.
8.Диаграмма состояния воды.
Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма) представляет собой графическое изображение зависимости между величинами, характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе (переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т. д.). Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость фазовых превращений от температуры и давления, они называются диаграммами состояния в координатах Р—Т.
На рисунке приведена в схематической форме диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают определенные значения температуры и давления.
Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три области, отвечающие льду, жидкости и пару.
Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА, отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себе цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некоторое количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов, воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении.
Через некоторое время часть воды испарится, и над ее поверхностью будет находиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том, что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня. Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить давление насыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения при различных температурах, найдем зависимость давления насыщенного водяного пара от температуры. Кривая ОА представляет собой график этой зависимости: точки кривой показывают те пары значений температуры и давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг с другом — сосуществуют. Кривая ОА называется кривой равновесия жидкость—пар или кривой кипения. В таблице приведены значения давления насыщенного водяного пара при нескольких температурах.
Что означает таяние льда в химии
Образование льда – это самое наглядное проявление водородных связей (рис. 6).
Слово «кристалл» в переводе с греческого означает «лед». Во времена Римской империи в Альпах прозрачный хрусталь был принят за окаменевший лед, откуда и произошло его название – горный хрусталь, то есть горный лед.
В результате рентгенографического изучения структуры льда была установлена его тетраэдрическая структура: каждый атом кислорода связан водородными связями с четырьмя другими атомами кислорода. Эти четыре атома, соответствующие четырем молекулам воды, образуют как бы элементарные ячейки, из которых и выстраивается ажурная решетка кристаллического льда (рис. 7).
Такая картина (см. рис. 7) полного сохранения четверной координации (тетраэдрической структуры) наблюдается только при очень низких температурах (-183 °C), а при более высоких температурах (но отрицательных) наблюдается небольшое искажение ажурной конфигурации тетраэдрического типа тепловым движением некоторых молекул воды.
Одно из главных условий структуры льда – строгая направленность водородных связей, а отклонение от линейности приводит к резкому их ослаблению, равносильному разрыву.
Посмотрим, как происходит таяние льда. При температуре 0 °C жесткие связи между молекулами воды начинают разрываться (тепловое движение молекул воды преодолевает водородные связи), и кристаллическая структура льда, естественно, начинает разрушаться. Но водородные связи между молекулами воды все же остаются, хотя уже и неупорядоченные. Можно сказать так, что долговременных водородных связей между молекулами воды в жидкой фазе не существует, каждая из связей кратковременна, но в любой момент абсолютное большинство молекул воды связаны между собой водородными связями. Таким образом, при таянии льда в воду переходят те молекулы, у которых ослабли водородные связи, и они попросту отрываются от кристаллической решетки льда и приобретают подвижность. От структуры льда в этих молекулах не остается ровным счетом ничего. Но в то же время жидкая вода остается такой субстанцией, которая имеет структуру в виде подвижных водородных связей (с быстрой передислокацией этих связей от одной молекулы воды к другой). И эта структура присуща ей по причине особого устройства ее молекул. Но это обстоятельство не дает нам оснований манипулировать термином «структурированная вода», подразумевая под ним неким образом искусственно создаваемую структуру жидкой воды (ту же талую воду, получаемую при размораживании льда), так как в противном случае мы должны будем признать возможность существования неструктурированной жидкой воды, какой в природе просто нет. Неструктурированной вода может быть только в газообразном состоянии. Каждая молекула воды имеет водородные связи с четырьмя ближайшими своими соседями. Особенности этих связей в жидкой воде таковы, что они могут легче изогнуться, чем разорваться. Кроме того, эти связи создают некоторую ажурность в структуре жидкой воды, что не дает молекулам воды плотно упаковываться, наподобие бильярдных шаров. Но остается ли в жидкой воде хотя бы в какой-то мере льдоподобная структура? На этот вопрос можно уверенно ответить: нет, не остается.
А теперь рассмотрим несколько примеров, связанных со льдом и с его кристаллической структурой.
Пример первый. О наступлении морозов мы узнаем не только по термометру или по прогнозу погоды, но и по замерзшим лужам. А более любопытные при этом еще и пытаются выяснить, как это на поверхности грязной лужи образуется такой прозрачный лед?
Пример второй. Эскимосы при приготовлении питьевой воды берут морской лед, прекрасно понимая, что получат из него пресную воду. Почему?
И третий пример. В Японии во время зимних праздников создают ледяные скульптуры. Они прозрачны, как и подобает быть льду. Все попытки японцев получить цветной лед не увенчались успехом, так как ввести в кристаллическую решетку льда вещества-красители практически невозможно. Кристаллы льда не допускают внутрь себя каких-либо других молекул, кроме молекул воды. Поэтому становится прозрачным и лед, образовывающийся на поверхности грязной лужи. Поэтому и лед, образующийся из морской воды, вытесняет из себя все минеральные соли, имеющиеся в ней. И естественно, что из такого льда получается пресная вода. В наше время на этом принципе строятся опреснители морской воды. Но когда-то даже Ломоносов ошибался, полагая, что пресные льды Ледовитого океана имеют речное происхождение.
Приведенные примеры показывают нам, что льдоподобная структура воды прежде всего не допускает нахождения в кристаллах льда никаких иных молекул, кроме молекул воды. Хорошо это или плохо с точки зрения физиологической роли воды в нашем организме? Кому-то может показаться, что это очень хорошо, что вода в организме будет находиться в исключительно чистом состоянии. Но наш организм не является просто сосудом для хранения такой воды. Он больше похож на огромную химическую лабораторию, где одновременно протекают тысячи химических реакций, и протекают они в водных растворах. И одной из основных функций воды в нашем организме является функция растворителя. Она растворяет все полезные вещества пищи, чтобы организм мог обеспечить себя и строительными, и энергетическими материалами, она же растворяет и выводит из организма все ненужные ему вещества, которые мы обычно называем шлаками, чтобы содержать организм в чистоте. Так может ли с этой ролью первоклассного растворителя справиться льдоподобная вода, которая не допускает в свои структуры никакие другие вещества? Очевидно, что нет.
Но каково координационное число для воды? Вода представляет собой жидкость, и поэтому у нее нет такой регулярной и упорядоченной структуры, как у кристаллов льда, и расположение всех ее молекул с течением времени постепенно меняется. Однако, основываясь на усредненных данных рентгеновских измерений, можно определить так называемую функцию радиального распределения. Эта функция показывает, что координационное число для жидкой воды равняется 4,4. Иными словами, в обычной воде каждая молекула окружена в среднем 4,4 другими молекулами. Это обстоятельство и играет решающую роль – в результате у воды структура оказывается более плотной, чем у льда. Поэтому, в сравнении с водой, кристаллическая структура льда, для которой координационное число равно четырем, и в самом деле имеет больше незаполненных промежутков, чем вода. Из-за этого лед и становится легче воды.
Только что мы выяснили, что и лед, и вода обладают структурой. Но если у льда наблюдается картина полного сохранения всех четырех водородных связей, то с повышением температуры тепловое движение молекул приводит к ослаблению и разрыву водородных связей, и структура льда разрушается – образуется жидкая вода, в которой молекулы тоже подвержены водородным связям, но не столь жестко, как в структуре льда. То есть изо льда в воду переходят те молекулы, тепловое движение которых превысило водородные связи, и они попросту отрываются от кристаллической решетки льда и приобретают подвижность. Все здесь предельно ясно: вода из одного фазового состояния (твердого) переходит в другое (жидкое), и граница этого перехода – 0 °C.
Но что же тогда нам следует понимать под термином, как пишет Ю. Андреев, «единообразно структурированной воды»? А многие авторы так и вообще называют воду, образовавшуюся после таяния льда, «льдоподобной».
Нигде вблизи льда мы не найдем воду с меньшей плотностью – везде плотность воды будет одинаковой. Это говорит нам о том, что на границе лед – вода происходит четкое разделение двух фазовых состояний воды. Но если бы при таянии льда в воде оставались бы еще и какие-то льдоподобные структуры, допустим, мелкие кристаллы льда, то и плотность воды в прилегающей ко льду зоне была бы немного меньше плотности остальной воды. Мы же такого явления не наблюдаем, а следовательно, в воде, образующейся после таяния льда – а это и есть в прямом смысле талая вода, – нет никакой льдоподобной воды. Многие же авторы, пишущие о талой воде, объясняют ее особые свойства именно льдоподобной структурой такой воды, а Ю. Андреев еще и добавляет, что это «единообразно структурированная вода».
К интересным выводам пришли ученые Сибирского отделения АН СССР В. Корсунский и Ю. Неберухин. В статье «Согласуется ли представление о льдоподобном строении воды с ее радиальной функцией распределения?» они отмечают, что выполненные ими расчеты показывают принципиальные различия распределений межмолекулярных расстояний в жидкой воде и в кристаллическом льду. Полученные результаты свидетельствуют о существенных отличиях в распределении непрерывных сеток водородных связей воды и решетки льда. Делается вывод, что льдоподобная конфигурация в жидкой воде реализуется не за счет сохранения льдоподобного каркаса, а осуществляется построениями случайной сетки водородных связей. Выполненные расчеты не подтвердили наличия в жидкой воде межмолекулярных расстояний, характерных для кристаллической решетки льда.
В итоге можно сказать, что молекулы воды в твердой фазе (лед) жестко связаны между собой водородными связями, а в жидкой фазе эти связи уже не стабильны, они постоянно изменяются, но тем не менее они ситуативно обеспечивают связь каждой молекулы с соседними молекулами, поэтому вода и называется ассоциативной жидкостью. Но ничего льдоподобного в жидкой воде нет, и никакую заданную структуру жидкой воде нельзя придать, можно лишь частично или даже полностью разорвать водородные связи между молекулами воды, переведя ее в газообразную фазу. (В скобках скажу, что в Одессе усиленно рекламируется способ активации воды и придания ей некой структуры с помощью пластины, изготовленной из камня, по внешнему виду похожего на ракушечник. Предлагается поставить на эту пластину банку с водой на несколько часов, и в результате якобы получится структурированная вода, которая может излечить нас от многих болезней. Только достаточно наивный человек может поверить в такую легенду.).
Точно так же и в книге Б. Кристофера «Загадки Земли», главу из которой под названием «Живая вода» опубликовал журнал «Свет» (1990. № 6), нечто неопределенное говорится и о структуре воды, и о влиянии такой структурированной воды на долголетие. Не имея возможности познакомить читателей с полным текстом этой главы, я процитирую лишь небольшой отрывок.
«Свойства воды столь странны и таинственны, что каждый день мы узнаем что-то новое о ее поведении и вписываем в историю науки необычайные сюжеты. Заинтригованный древними преданиями о ключах с живой водой в местечке Хунзакут (на территории нынешнего Пакистана, где проживает много долгожителей. – Примеч. Н. Д.), румынский естествоиспытатель Генри Коанда в тридцатые годы предпринял ряд поездок к этим источникам. Как эксперт по водным ресурсам, он пытался разгадать секрет того, почему вода обладает активностью и исцеляет разные недуги. Целебные свойства воды он прежде всего связал с ее молекулярной структурой, считая, что даже в двух источниках мало общего по составу. Коанда со всем тщанием изучил жизненные соки снежинки и убедился, что это важное свойство исчезает, как только нарушается структура воды. И напротив, чем длительнее жила снежинка, тем она была полезнее для организма и тем было больше сродства с жизненными соками человека, постоянно употреблявшего этот чудесный напиток. Подобная жидкость прибавляла людям силу, долголетие.
Ученый обнаружил, что вода, в которой образуются долгоживущие снежинки, делает чудеса не только в Хунзакуте. Во время своих путешествий в Грузию, Перу, предгорья Тибета он нашел прямую связь между качеством питьевой воды и продолжительностью жизни больших групп населения. Правда, Коанда еще не в состоянии объяснить, почему ледовая вода удлиняет человеческий век».
В приведенной цитате меня удивили два момента. Первый: что исследователь, не задумываясь и не имея на то доказательств, взял да и связал целебные свойства воды прежде всего с ее молекулярной структурой. И далее – второй момент – этот исследователь говорит, что он находит прямую связь между качеством питьевой воды и продолжительностью жизни больших групп населения в определенных районах, в том числе и в Хунзакуте, хотя он и не в состоянии объяснить, в чем заключается это качество, а также «почему ледовая вода удлиняет человеческий век». Под качеством воды этот исследователь понимает всего лишь такую воду, «в которой образуются долгоживущие снежинки». Что следует понимать под термином «долгоживущие снежинки» – трудно сказать. Нам известно лишь то, что при таянии снежинки дают мягкую воду, а именно таковой и является ледовая вода, но о жесткости воды и тем более о содержании в воде ионов кальция этот исследователь не говорит ни слова. И в результате структура снежинки (замерзшей воды) была автоматически и бездоказательно перенесена на воду, получающуюся при таянии льда, и в этом виделась причина долголетия людей, проживающих в тех районах, где наблюдается много долгожителей. Из 1-й главы мы уже знаем, что районы долгожительства имеют воду с низким содержанием кальция. Именно этот фактор способствует долголетию людей. А идею Коанды об особой структуре ледовой воды, поданную им уже более 60 лет тому назад, никто за это время не только не доказал, но и не показал, как же ведет себя особо структурированная вода в организме человека, если она вообще такая в нем имеется, а тем более, как такая вода способствует долголетию. Но сам термин «структурированности воды» продолжает жить и вводить в заблуждение многих и многих читателей, а в последнее время в некоторых целительных изданиях появилось и продолжение структурированности воды – стали говорить и о структурированной моче, и о структурированной крови, и все так же бездоказательно.
И если мы уже убеждены, что не льдоподобная структура определяет необыкновенные свойства талой воды, тогда что же?