Bagaimana untuk menyelesaikan "rahsia besar air"

Bagaimana untuk menyelesaikan “rahsia besar air”

Oleg Fairy
Pelajar Pascasiswazah, Institut Fizik dan Teknologi Moscow
"Trinity Option" №5 (199), 8 Mac 2016

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, jurnal saintifik berwibawa telah menerbitkan beberapa artikel yang menerangkan sifat-sifat "anomali" air. "Anomali" – bukan dalam erti kata "ingatan" dan lain-lain, malangnya salah tanggapan popular tentang air. Hanya dalam banyak kes, air bertindak berbeza dari cecair lain. Tanpa beberapa sifat "anomali "nya, kehidupan tidak mungkin atau akan mengambil bentuk yang sama sekali berbeza. Oleh itu, ais, seperti yang anda ketahui, tidak tenggelam dalam air, manakala sebahagian besar bahan-bahan lain fasa pepejal mereka tenggelam dalam cecair (bismut dan galium boleh dipanggil sebagai pengecualian) Semua ini membolehkan ikan dan makhluk akuatik lain bertahan di musim sejuk di bawah kerak ais. Biasanya, badan berkembang apabila dipanaskan, dan menyusut apabila disejukkan, tetapi sesuatu yang tidak masuk akal berlaku dengan air. Jika semasa penyejukan dari titik mendidih hingga + 4 ° C, seperti yang dijangkakan, mengecut (peningkatan ketumpatan, mencapai maksimum), maka apabila disejukkan di bawah + 4 ° C, sebaliknya, mengembang (penurunan ketumpatan). Air mempunyai keupayaan haba yang tinggi, berkat panasnya perlahan dan perlahan melepaskannya, dengan ketara menjejaskan iklim, menjadikannya lebih lembut.Selain itu, kapasiti haba itu sendiri tumbuh apabila disejukkan di bawah + 35 ° C.

Molekul air menghasilkan empat ikatan hidrogen dengan molekul lain. Dua ikatan membuat oksigen dan satu demi satu – atom hidrogen. Imej: A. Kalinichev

Kebanyakan sifat ini dijelaskan oleh kemampuan molekul air untuk membentuk empat ikatan hidrogen. Ikatan tersebut timbul apabila atom elektronegatif yang besar (seperti oksigen satu molekul air) menarik hidrogen molekul lain. Di dalam molekul, hidrogen H dan oksigen O disambungkan oleh ikatan kovalen – ia dibahagikan dengan elektron yang tidak berpasangan, mewujudkan pasangan elektron biasa. Kira-kira sepersepuluh ikatan hidrogen bersifat kovalen, tetapi ia disebabkan terutamanya oleh interaksi elektrostatik antara hidrogen dan atom elektronegatif.

Biasanya, kapasiti haba yang tinggi air dijelaskan oleh keperluan untuk memecahkan ikatan hidrogen untuk transformasi menjadi wap. Ahli fizikal Anders Nilsson dan Lars Petterson dari University of Stockholm menerangkan segala-galanya pada tahap yang lebih mendalam – kemunculan ketidaksopanan lokal di dalam air.

Pada bulan Januari, mereka menerbitkan ulasan dalam Komunikasi alam semula jadi [1], meringkaskan pencapaian penyelidikan air sejak beberapa tahun yang lalu. Air bersifat homogen secara besar-besaran, tetapi ia homogen pada tahap nano, jika kita menganggapnya tidak statik, tetapi dinamik – mengesan turun naik antara pelbagai jenis struktur yang terbentuk? Pertama sekali, saintis bertanya soalan seperti itu. Dan ternyata bahawa air sehingga mendidih tidak berasas di dalamnya, di dalamnya, turun naik jangka pendek, struktur air berkepadatan rendah boleh membentuk, di mana molekul lebih suka gugus dalam kluster, lemah saling berkait, dan lebih seragam air ketumpatan tinggi (SVW). Salah satu tujuan paling banyak kajian air adalah untuk mencari titik kritikal kedua, titik kritikal "cecair-cecair", di mana garis antara dua jenis air yang dijelaskan akan hilang. Ingat bahawa pada titik kritikal biasa (kira-kira + 374 ° C pada tekanan 22 MPa), perbezaan antara fasa gas dan cair hilang.

Alam"border = 0>

Gambarajah fasa air. Kawasan sifat anomali adalah dari -42 ° C (walaupun kemungkinan besar masih rendah) hingga + 47 ° C Hampir semua kehidupan di bumi berada dalam rangka kerja ini. ERW terletak di sebelah garis Vidom pada suhu dan tekanan yang lebih tinggi daripada LEL. Imej: Alam

Dalam ulasan mereka, saintis membina gambarajah fasa paling lengkap pada masa ini, dengan mengambil kira titik kritikal yang mungkin. Jika air disejukkan di bawah 0 ° C – untuk menjadikannya superkonduktor, maka turun naik antara jenis air akan meningkat, mengakibatkan penggabungan mereka pada ketika ini. Kononnya, ia berada di wilayah -45 ° C, tetapi mungkin untuk menyejukkan air hanya -42 ° C, ketika ia mulai membeku secara spontan. Suhunya lebih rendah, kira-kira -196 ° C, boleh didapati dengan penyejukan ultra cepat, satu juta darjah sesaat, tetapi sangat sukar untuk menjalankan penyelidikan sedemikian kerana pembekuan air segera. Barisan peralihan fasa SVC dan IVC bertepatan dengan garis Widom, di mana turun naik kedua-dua jenis air mencapai maksimum. Baris ini harus berakhir pada titik kritikal kedua.

Air kepadatan tinggi wujud hanya dari sisi garis Vidom, yang memenuhi suhu persekitaran biasa. Fakta ini menerangkan mengapa kerap struktur sedemikian, yang diselingi dengan kluster air ketumpatan rendah, diperhatikan dalam eksperimen. Apabila penyejukan, air mendekati garis Vidom, naik turun naik, itulah sebabnya sifat-sifat "anomali" yang kita panggil muncul.

garis pepejal) dan cecair biasa.Ketumpatan selepas + 4 ° C menurun, manakala dengan cecair biasa ia tumbuh, keadaan terbalik dengan kapasiti mampatan dan haba. Imej: Alam\’)”> garis pepejal) dan cecair biasa. Ketumpatan selepas + 4 ° C menurun, manakala dengan cecair biasa ia tumbuh, keadaan terbalik dengan kapasiti mampatan dan haba. Imej: Alam"border = 0> Perbandingan tingkah laku ketumpatan, kebolehmampatan dan keupayaan haba air (garis pepejal) dan cecair biasa. Ketumpatan selepas + 4 ° C menurun, manakala dengan cecair biasa ia tumbuh, keadaan terbalik dengan kapasiti mampatan dan haba. Imej: Alam

Sebaliknya, zon turun naik yang tinggi mencapai suhu + 47 ° C, di mana kebolehmampatan air adalah minimum. Maksudnya, semua organisma hidup, kecuali makhluk yang menyukai haba yang panas, berada di kawasan "anomali" dalam rajah fasa, yang memberi impak besar kepada perkembangan kehidupan.

Perhatian dalam semakan juga dibayar kepada kerja tahun 2014 [2], pengarang yang mencapai suhu air 5 ° C lebih rendah daripada rekod sebelumnya iaitu -42 ° C. Walau bagaimanapun, hanya untuk tetesan mikron dan hanya untuk beberapa saat, di mana mereka berjaya mengeluarkan corak difraksi struktur. Sumber cahaya koheren linear (Linac Coherent Light Source – LCLS) digunakan untuk menyejukkan air – laser X-ray yang keras, salah satu yang paling kuat di dunia.Eksperimen menunjukkan bahawa pada suhu ini komposisi utama hanya air berkepadatan rendah, yang berdekatan dengan struktur ke ais.

Sejurus selepas kajian, artikel oleh Daniel Elton dan Marivi Fernandez-Serra dari University of Stony Brook [3] muncul dalam jurnal yang sama, yang menunjukkan bahawa air di bawah keadaan normal lebih seperti es daripada yang difikirkan. Ada kemungkinan bahawa ini bermakna sebahagian besar NPS. Para saintis telah mencadangkan bahawa puncak dari spektrum inframerah air, yang secara teori tidak seharusnya, mewujudkan fonon. Sebenarnya, fonon adalah konsep dari fizik keadaan pepejal, kuantum atom kekisi. Dalam model penyelidik, molekul air membentuk rantai panjang yang dihubungkan dengan ikatan hidrogen, di mana fonon melintang boleh menyebarkan, mewujudkan puncak anomali yang sama. Ia terasa seperti serbuk ais di dalam air.

Dalam satu lagi kerja penting [4], kaedah dinamik molekul disiasat, sebaliknya, air superkritikal – diambil di bawah keadaan di atas titik kritikal. Bahan ini mempunyai ketumpatan tinggi, dekat dengan air biasa, kelikatan rendah, ia tidak mempunyai ketegangan permukaan. Air supercritikal juga dibahagikan kepada kepadatan tinggi, mempamerkan lebih banyak sifat "cair", dan kepadatan rendah dengan lebih banyak sifat "gas", dipisahkan oleh garis Vidom. Molekul H2O bentuk kluster yang tidak terikat satu sama lain oleh ikatan hidrogen, dan kepadatannya bergantung kepada saiz kluster. Konsekuensi penting dari kerja adalah pembinaan spektrum terahertz teoritis yang mana para penguji dapat mengorientasikan diri mereka sendiri. Dalam kajian air, banyak tugas sukar kekal – mengkaji tahap heterogenitasnya, ketajaman sempadan antara kawasan berfluktuasi, menentukan titik kritikal kedua, mengkaji tingkah laku pada suhu di bawah -42 ° C – tetapi interaksi harmonis kaedah eksperimen, teoretikal dan komputasi yang telah berkembang sekarang memberikan harapan atas keputusan ramai daripada mereka.

1. Nilsson A., Pettersson L. G. M. Struktur asal sifat-sifat anomali air cair //Komunikasi alam semula jadi (2015).
2. Sellberg J. A. et al. X-ray Ultrafast menyelidik struktur air di bawah suhu pengabusan ais homogen. Alam (2014).
3. Elton D. C., Fernández-Serra M. Rangkaian ikatan hidrogen air menyokong penyebaran mod seperti phonon optik. Komunikasi alam semula jadi (2016).
4. Śmiechowski M., Schran S., Forbert H, Marx D. Gerakan Zarah Terikat dan Tindak Balas Spektrum THz Air Supercritical. Fiz. Wahyu Lett (2016).


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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