Types de glace. Glace d'eau Formule chimique de la glace

02.07.2020

Définition de la glace

Tout d’abord, examinons de plus près la glace, obtenue à partir de l’eau. Il y a un réseau cristallin régulier à l’intérieur. La glace est un minéral naturel courant produit lorsque l’eau gèle. Une molécule de ce liquide se lie à quatre molécules proches. Les scientifiques ont remarqué qu'une telle structure interne est inhérente à diverses pierres précieuses et même à des minéraux. Par exemple, le diamant, la tourmaline, le quartz, le corindon, le béryl et autres ont cette structure. Les molécules sont maintenues à distance par un réseau cristallin. Ces propriétés de l'eau et de la glace indiquent que la densité d'une telle glace sera inférieure à la densité de l'eau grâce à laquelle elle s'est formée. La glace flotte donc à la surface de l’eau et ne s’y enfonce pas.

Des millions de kilomètres carrés de glace

Savez-vous combien de glace il y a sur notre planète ? Selon des recherches récentes menées par des scientifiques, il existe environ 30 millions de kilomètres carrés d'eau gelée sur la planète Terre. Comme vous l’avez peut-être deviné, la majeure partie de ce minéral naturel se trouve sur les calottes glaciaires polaires. À certains endroits, l'épaisseur de la couche de glace atteint 4 km.

Comment obtenir de la glace

Faire de la glace n’est pas difficile du tout. Ce processus n'est pas difficile et ne nécessite aucune compétence particulière. Cela nécessite une basse température de l’eau. C’est la seule condition constante du processus de formation de glace. L'eau gèle lorsque votre thermomètre indique une température inférieure à 0 degré Celsius. Le processus de cristallisation commence dans l'eau en raison des basses températures. Ses molécules sont construites dans une structure ordonnée intéressante. Ce processus est appelé formation d’un réseau cristallin. C'est la même chose dans l'océan, dans une flaque d'eau et même au congélateur.

Recherche sur le processus de congélation

En menant des recherches sur le thème du gel de l’eau, les scientifiques sont arrivés à la conclusion que le réseau cristallin est construit dans les couches supérieures de l’eau. Des bâtons de glace microscopiques commencent à se former à la surface. Un peu plus tard, ils se figent ensemble. Grâce à cela, un mince film se forme à la surface de l’eau. Les grandes étendues d’eau mettent beaucoup plus de temps à geler que l’eau calme. Cela est dû au fait que le vent ondule et ondule la surface d'un lac, d'un étang ou d'une rivière.

Crêpes glacées

Les scientifiques ont fait une autre observation. Si l'excitation continue à basse température, les films les plus fins sont rassemblés en crêpes d'un diamètre d'environ 30 cm. Ensuite, ils gèlent en une couche dont l'épaisseur est d'au moins 10 cm. Une nouvelle couche de glace gèle en haut et en bas. des crêpes glacées. Cela crée une couverture de glace épaisse et durable. Sa résistance dépend du type : la glace la plus transparente sera plusieurs fois plus résistante que la glace blanche. Les écologistes ont remarqué que la glace de 5 centimètres peut supporter le poids d'un adulte. Une couche de 10 cm peut résister à une voiture de tourisme, mais il ne faut pas oublier que sortir sur la glace en automne et au printemps est très dangereux.

Propriétés de la neige et de la glace

Les physiciens et les chimistes étudient depuis longtemps les propriétés de la glace et de l’eau. La propriété la plus connue et la plus importante de la glace pour l'homme est sa capacité à fondre facilement même à température nulle. Mais d’autres propriétés physiques de la glace sont également importantes pour la science :

la glace est transparente, elle transmet donc bien la lumière du soleil ;
incolore - la glace n'a pas de couleur, mais elle peut être facilement colorée à l'aide d'additifs colorants ;
dureté - les masses de glace conservent parfaitement leur forme sans aucune coque extérieure ;
la fluidité est une propriété particulière de la glace, inhérente au minéral seulement dans certains cas ;
fragilité - un morceau de glace peut être facilement fendu sans trop d'effort ;
clivage - la glace se brise facilement aux endroits où elle est fondue le long d'une ligne cristallographique.

Glace : propriétés de déplacement et de pureté

La glace a un degré élevé de pureté dans sa composition, car le réseau cristallin ne laisse pas d'espace libre pour diverses molécules étrangères. Lorsque l’eau gèle, elle déplace diverses impuretés qui y étaient autrefois dissoutes. De la même manière, vous pouvez obtenir de l’eau purifiée chez vous.

Mais certaines substances peuvent ralentir le processus de congélation de l’eau. Par exemple, le sel dans l'eau de mer. La glace dans la mer ne se forme qu'à très basse température. Étonnamment, le processus de congélation de l'eau chaque année est capable de maintenir l'auto-purification de diverses impuretés pendant plusieurs millions d'années consécutives.

Les secrets de la neige carbonique

La particularité de cette glace est qu'elle contient du carbone dans sa composition. Une telle glace ne se forme qu'à une température de -78 degrés, mais elle fond déjà à -50 degrés. La neige carbonique, dont les propriétés permettent de sauter l'étape des liquides, produit immédiatement de la vapeur lorsqu'elle est chauffée. La glace carbonique, comme la glace à l’eau, n’a aucune odeur.

Savez-vous où la glace carbonique est utilisée ? En raison de ses propriétés, ce minéral est utilisé pour transporter des aliments et des médicaments sur de longues distances. Et les granules de cette glace peuvent éteindre le feu de l’essence. De plus, lorsque la neige carbonique fond, elle forme un épais brouillard, c’est pourquoi elle est utilisée sur les plateaux de tournage pour créer des effets spéciaux. En plus de tout ce qui précède, vous pouvez emporter de la neige carbonique avec vous lors de randonnées et en forêt. Après tout, lorsqu'il fond, il repousse les moustiques, divers parasites et rongeurs.

Quant aux propriétés de la neige, nous pouvons observer cette étonnante beauté chaque hiver. Après tout, chaque flocon de neige a la forme d’un hexagone – cela reste inchangé. Mais outre la forme hexagonale, les flocons de neige peuvent avoir un aspect différent. La formation de chacun d'eux est influencée par l'humidité de l'air, la pression atmosphérique et d'autres facteurs naturels.

Les propriétés de l’eau, de la neige et de la glace sont étonnantes. Il est important de connaître quelques propriétés supplémentaires de l'eau. Par exemple, il est capable de prendre la forme du récipient dans lequel il est versé. Lorsque l’eau gèle, elle se dilate et possède également de la mémoire. Il est capable de mémoriser l’énergie environnante et, lorsqu’il se fige, il « réinitialise » les informations qu’il a absorbées.

Nous avons examiné le minéral naturel - la glace : ses propriétés et ses qualités. Continuez à étudier les sciences, c'est très important et utile !

Travail 1

Les flocons de neige comme phénomène physique

Les travaux ont été réalisés par Daniil Kholodyakov

Objectifs : en savoir plus sur les flocons de neige du point de vue de MKT

Objectifs : comprendre la nature de la formation des flocons de neige

1. Formation de flocons de neige

2. Formes de flocon de neige

3. Symétrie cristalline

4. Flocons de neige identiques

5. Couleur et lumière

6. Matériaux additionnels

1. Avez-vous déjà regardé un flocon de neige et vous êtes-vous demandé comment il se forme et pourquoi il est différent des autres types de neige que vous avez vus auparavant ?

Les flocons de neige sont une forme particulière de glace d’eau. Les flocons de neige se forment dans des nuages constitués de vapeur d'eau. Lorsque la température est de 32 °F (0 °C) ou moins, l’eau passe de la forme liquide à la glace. Plusieurs facteurs influencent la formation des flocons de neige. Température, courants d'air, humidité, tout cela a un impact sur leur forme et leur taille. La saleté et la poussière peuvent se mélanger à l’eau et modifier le poids et la durabilité des cristaux. Les particules de saleté alourdissent le flocon de neige, peuvent le rendre susceptible de fondre et provoquer des fissures et des cassures du cristal. La formation d'un flocon de neige est un processus dynamique. Un flocon de neige peut rencontrer de nombreuses conditions environnementales différentes, parfois fondre, parfois croître - la structure du flocon de neige change constamment.

2. Quelles sont les formes de flocons de neige les plus courantes ?

Généralement, des cristaux hexagonaux se forment dans les nuages élevés ; des aiguilles ou des cristaux plats à six côtés se forment dans les nuages à mi-hauteur, et une grande variété de formes à six côtés se forment dans les nuages bas. Des températures plus froides créent des flocons de neige avec des pointes plus pointues sur les côtés des cristaux et peuvent conduire à des flèches ramifiées. Les flocons de neige produits dans des conditions plus chaudes poussent plus lentement, ce qui donne une forme plus lisse et moins complexe.

0 ; -3°C - Plaques hexagonales fines

3 ; -6° C - Aiguilles

6 ; -10°C - Colonnes creuses

dix; -12°C - Plaques sectorielles (hexagones avec indentations)

12 ; -15°C - Dendrites (formes hexagonales en dentelle)

3. Pourquoi les flocons de neige sont-ils symétriques ?

Tout d’abord, tous les flocons de neige ne sont pas identiques de tous les côtés. Des températures inégales, de la saleté et d’autres facteurs peuvent donner l’impression qu’un flocon de neige semble déséquilibré. Cependant, il est vrai que de nombreux flocons de neige sont symétriques et de structure très complexe. En effet, la forme d’un flocon de neige reflète l’ordre interne des molécules d’eau. Les molécules d’eau à l’état solide, comme la neige et la glace, forment entre elles des liaisons faibles (appelées liaisons hydrogène). Ces mécanismes ordonnés donnent la forme symétrique et hexagonale du flocon de neige. Lors de la cristallisation, les molécules d’eau sont soumises à une force d’attraction maximale et les forces répulsives sont réduites au minimum. Par conséquent, les molécules d’eau s’alignent dans des espaces donnés selon une disposition spécifique, de manière à occuper l’espace et à maintenir la symétrie.

4. Est-il vrai qu’il n’y a pas deux flocons de neige identiques ?

Oui et non. Il n’y aura jamais deux flocons de neige identiques, jusqu’au nombre exact de molécules d’eau, au spin des électrons, aux isotopes de l’hydrogène et de l’oxygène, etc. D’un autre côté, deux flocons de neige peuvent se ressembler, et tout flocon de neige a probablement eu son prototype à un moment donné de l’histoire. La structure d'un flocon de neige change constamment en fonction des conditions environnementales et sous l'influence de nombreux facteurs, il semble donc peu probable que deux flocons de neige soient identiques.

5. Si l’eau et la glace sont transparentes, pourquoi la neige semble-t-elle blanche ?

La réponse courte est que les flocons de neige ont tellement de surfaces réfléchissantes qu’ils diffusent la lumière dans toutes ses couleurs, c’est pourquoi la neige apparaît blanche. La réponse longue concerne la façon dont l’œil humain perçoit la couleur. Même si la source de lumière n'est pas vraiment « blanche » (par exemple, la lumière du soleil, les lampes fluorescentes et les lumières à incandescence ont toutes une couleur spécifique), le cerveau humain compense la source de lumière. Ainsi, même si la lumière du soleil est jaune et que la lumière diffusée par la neige est également jaune, le cerveau voit la neige aussi blanche que possible, car l'image entière reçue par le cerveau a une teinte jaune, qui est automatiquement soustraite.

Conclusions :

1. Les flocons de neige sont une forme particulière de glace d’eau.

2. La température, les courants d'air et l'humidité sont des facteurs qui affectent la forme et la taille d'un flocon de neige.

3. C'est l'ordre des molécules d'eau qui détermine la symétrie d'un flocon de neige.

les dans de vrais cristaux de neige.

Travail 2

Glace et eau dans la nature.

Le travail a été réalisé par Guseva Alina

Objectif : apprendre quelque chose de nouveau.

Tâches :

Considérez la signification de l’eau dans la nature ;

Comprendre les propriétés et les types d'eau ;

Familiarisez-vous avec les propriétés de base de la glace d’eau ;

Développez vos connaissances sur l’eau en général.

Eau (oxyde d'hydrogène) - un composé inorganique binaire, de formule chimique H2O. Une molécule d’eau est constituée de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, reliés par une liaison covalente. Dans des conditions normales, c'est un liquide transparent, incolore, inodore et insipide. À l’état solide, on l’appelle glace, neige ou givre, et à l’état gazeux, on l’appelle vapeur d’eau. L'eau peut également exister sous forme de cristaux liquides.

Environ 71 % de la surface de la Terre est recouverte d'eau (océans, mers, lacs, rivières, glace) soit 361,13 millions de km2. Sur Terre, environ 96,5 % de l'eau provient des océans (1,7 % des réserves mondiales sont des eaux souterraines, 1,7 % supplémentaires des glaciers et des calottes glaciaires de l'Antarctique et du Groenland, une petite partie des rivières, des lacs et des marécages et 0,001 % des nuages. ). La majeure partie de l’eau sur Terre est salée et impropre à l’agriculture et à la consommation. La part de l'eau douce est d'environ 2,5 %.

L'eau est un bon solvant hautement polaire. Dans des conditions naturelles, il contient toujours des substances dissoutes (sels, gaz). L'eau joue un rôle clé dans la création et le maintien de la vie sur Terre, dans la structure chimique des organismes vivants, dans la formation du climat et des conditions météorologiques. C'est une substance essentielle à tous les êtres vivants de la planète Terre.

Dans l’atmosphère de notre planète, l’eau se trouve sous forme de petites gouttelettes, dans les nuages et le brouillard, mais aussi sous forme de vapeur. Lors de la condensation, il est éliminé de l'atmosphère sous forme de précipitations (pluie, neige, grêle, rosée). L'eau est une substance extrêmement courante dans l'espace, cependant, en raison de la pression intra-fluide élevée, l'eau ne peut pas exister à l'état liquide dans le vide de l'espace, c'est pourquoi elle n'est présente que sous forme de vapeur ou de glace.

Types d'eau.

L'eau sur Terre peut exister sous trois états principaux - liquide, gazeux et solide et prendre diverses formes qui peuvent coexister simultanément : vapeur d'eau et nuages dans le ciel, eau de mer et icebergs, glaciers et rivières à la surface de la terre. , aquifères terrestres. L'eau est souvent divisée en types selon différents principes. Selon les caractéristiques de leur origine, de leur composition ou de leur application, ils distinguent entre autres : l'eau douce et l'eau dure - selon la teneur en cations calcium et magnésium. Selon les isotopes de l'hydrogène dans la molécule : léger (de composition presque identique à la normale), lourd (deutérium), eau super lourde (tritium). Ils distinguent également : les eaux fraîches, de pluie, de mer, minérales, saumâtres, potables, du robinet, distillées, déminéralisées, apyrogènes, saintes, structurées, de fonte, souterraines, usées et de surface.

Propriétés physiques.

Arrosez dans des conditions normales maintient un état liquide, tandis que les composés hydrogènes similaires sont des gaz (H2S, CH4, HF). En raison de la grande différence d’électronégativité entre les atomes d’hydrogène et d’oxygène, les nuages d’électrons sont fortement orientés vers l’oxygène. Pour cette raison, une molécule d'eau a un grand moment dipolaire(D = 1,84, juste derrière l'acide cyanhydrique). A la température de transition vers l'état solide, les molécules d'eau s'ordonnent, au cours de ce processus les volumes de vides entre les molécules augmentent et la densité globale de l'eau diminue, ce qui explique la raison densité d'eau plus faible dans la phase de glace. Au contraire, lors de l’évaporation, toutes les liaisons sont rompues. Rompre les liens nécessite beaucoup d'énergie, c'est pourquoi l'eau le plus capacité thermique spécifique élevée entre autres liquides et solides. Pour chauffer un litre d’eau d’un degré, il faut 4,1868 kJ d’énergie. En raison de cette propriété, l’eau est souvent utilisée comme liquide de refroidissement. En plus de sa capacité thermique spécifique élevée, l'eau possède également valeurs thermiques spécifiques élevées fusion(à 0 °C - 333,55 kJ/kg) et vaporisation(2250 kJ/kg).

L'eau a aussi tension superficielle élevée parmi les liquides, juste derrière le mercure. La viscosité relativement élevée de l'eau est due au fait que les liaisons hydrogène empêchent les molécules d'eau de se déplacer à des vitesses différentes. L'eau est bon solvant des substances polaires. Chaque molécule du soluté est entourée de molécules d'eau, et les parties chargées positivement de la molécule du soluté attirent les atomes d'oxygène, et les parties chargées négativement attirent les atomes d'hydrogène. Étant donné qu’une molécule d’eau est de petite taille, de nombreuses molécules d’eau peuvent entourer chaque molécule de soluté. potentiel électrique négatif de la surface.

Eau pure - bon isolant. Parce que l'eau est bonne solvant, certains sels y sont presque toujours dissous, c'est-à-dire qu'il y a des ions positifs et négatifs dans l'eau. Grâce à cela, l'eau conduit l'électricité. La conductivité électrique de l’eau peut être utilisée pour déterminer sa pureté.

L'eau a indice de réfraction n=1,33 dans le domaine optique. Cependant, elle absorbe fortement le rayonnement infrarouge, et la vapeur d’eau est donc le principal gaz à effet de serre naturel, responsable de plus de 60 % de l’effet de serre.

Glace - l'eau à l'état solide d'agrégation. La glace est parfois appelée certaines substances à l'état solide d'agrégation, qui ont tendance à avoir une forme liquide ou gazeuse à température ambiante ; en particulier la glace carbonique, la glace à l'ammoniac ou la glace au méthane.

Propriétés de base de la glace d'eau.

Actuellement, trois variétés amorphes et 15 modifications cristallines de glace sont connues. La structure cristalline ajourée d'une telle glace fait que sa densité (égale à 916,7 kg/m à 0 °C) est inférieure à la densité de l'eau (999,8 kg/m) à la même température. Par conséquent, l'eau, se transformant en glace, augmente son volume d'environ 9 %. La glace, étant plus légère que l'eau liquide, se forme à la surface des réservoirs, ce qui empêche l'eau de geler davantage.

Chaleur spécifique de fusion élevée la glace, égale à 330 kJ/kg, est un facteur important dans la circulation de la chaleur sur Terre. Ainsi, pour faire fondre 1 kg de glace ou de neige, il faut la même quantité de chaleur que pour chauffer un litre d’eau à 80 °C. La glace se trouve dans la nature sous forme de glace elle-même (continentale, flottante, souterraine), ainsi que sous forme de neige, de givre, etc. Sous l'influence de son propre poids, la glace acquiert des propriétés plastiques et de fluidité. La glace naturelle est généralement beaucoup plus pure que l’eau, car lorsque l’eau cristallise, les molécules d’eau sont les premières à se former dans le réseau.

À pression atmosphérique normale, l’eau devient solide à une température de 0 °C et bout (se transforme en vapeur d’eau) à une température de 100 °C. À mesure que la pression diminue, la température de fusion de la glace augmente lentement et le point d’ébullition de l’eau diminue. À une pression de 611,73 Pa (environ 0,006 atm), les points d'ébullition et de fusion coïncident et deviennent égaux à 0,01 °C. Cette pression et cette température sont appelées point triple de l'eau . À des pressions plus basses, l’eau ne peut pas être liquide et la glace se transforme directement en vapeur. La température de sublimation de la glace diminue avec la diminution de la pression. À haute pression, on observe des modifications de la glace avec des températures de fusion supérieures à la température ambiante.

À mesure que la pression augmente, la densité de la vapeur d’eau au point d’ébullition augmente également et celle de l’eau liquide diminue. À une température de 374 °C (647 K) et une pression de 22,064 MPa (218 atm), l'eau passe point critique. À ce stade, la densité et les autres propriétés de l’eau liquide et gazeuse sont les mêmes. À une pression et/ou une température plus élevée, la différence entre l’eau liquide et la vapeur d’eau disparaît. Cet état d’agrégation est appelé « fluide supercritique».

De l'eau peut être présente dans états métastables- vapeur sursaturée, liquide surchauffé, liquide surfondu. Ces états peuvent exister longtemps, mais ils sont instables et au contact d'une phase plus stable, une transition se produit. Par exemple, vous pouvez obtenir un liquide surfondu en refroidissant de l'eau pure dans un récipient propre en dessous de 0 °C, mais lorsqu'un centre de cristallisation apparaît, l'eau liquide se transforme rapidement en glace.

Données .

En moyenne, le corps des plantes et des animaux contient plus de 50 % d’eau.

Le manteau terrestre contient 10 à 12 fois plus d'eau que la quantité d'eau de l'océan mondial.

Si tous les glaciers fondaient, le niveau de l'eau des océans de la planète augmenterait de 64 m et environ un huitième de la surface terrestre serait inondé d'eau.

Parfois, l'eau gèle à des températures positives.

Dans certaines conditions (à l'intérieur des nanotubes), les molécules d'eau forment un nouvel état dans lequel elles conservent la capacité de s'écouler même à des températures proches du zéro absolu.

L'eau réfléchit 5 % des rayons du soleil, tandis que la neige en réfléchit environ 85 %. Seulement 2 % de la lumière solaire pénètre sous la glace des océans.

La couleur bleue de l’eau claire de l’océan est due à l’absorption et à la diffusion sélectives de la lumière dans l’eau.

En utilisant des gouttes d'eau du robinet, vous pouvez créer une tension allant jusqu'à 10 kilovolts, une expérience appelée « Kelvin Dropper ».

L'eau est l'une des rares substances dans la nature qui se dilate lors de la transition du liquide au solide.

Conclusions :

L'eau conserve un état d'agrégation liquide, a un moment dipolaire important, une capacité thermique spécifique élevée, une valeur de vaporisation, une tension superficielle élevée, un potentiel électrique négatif de la surface et est un bon isolant et solvant.

Littérature

1. Eau // Dictionnaire encyclopédique de Brockhaus et Efron : En 86 volumes (82 volumes et 4 supplémentaires). - Saint-Pétersbourg, 1890-1907.

2. Losev K.S. Eau. - L. : Gidrometeoizdat, 1989. - 272 p.

3. Hydrobiontes en auto-épuration des eaux et migration biogénique des éléments. - M. : MAKS-Presse. 2008. 200 p. Avant-propos du membre correspondant. RAS V.V. Malakhova. (Série : Science. Éducation. Innovation. Numéro 9). ISBN978-5-317-02625-7.

4. Sur quelques questions de maintien de la qualité de l'eau et de son auto-épuration // Ressources en eau. 2005. v. 32. n° 3. pp.

5. Andreev V. G. L'influence de l'interaction d'échange de protons sur la structure de la molécule d'eau et la force de la liaison hydrogène. Documents de la V Conférence internationale « Problèmes actuels de la science en Russie ». - Kuznetsk 2008, vol. 3 p. 58-62.

Glace- il s'agit d'un état solide de l'eau bien connu, pour la plupart d'entre nous, que nous pouvons rencontrer dans des conditions naturelles. Dans la vie de tous les jours, nous utilisons souvent ses propriétés uniques.

Il se forme lorsque la température de l'eau descend en dessous de 0 degré Celsius. Cette température est appelée température de cristallisation de l’eau. la glace, comme la neige, est constituée de cristaux de glace dont vous pourrez retrouver les formes dans notre article.

Donnons quelques définitions précises.

Grand dictionnaire encyclopédique
La glace est de l'eau à l'état solide. Il existe 11 modifications cristallines connues de la glace et de la glace amorphe. Une seule forme de glace a été trouvée dans la nature - avec une densité de 0,92 g/cm³, une capacité thermique de 2,09 kJ/(kg.K) à 0°C, une chaleur de fusion de 324 kJ/kg, qui se produit dans la forme de la glace elle-même (continentale, flottante, souterraine), de la neige et du givre. Sur Terre env. 30 millions de km³ de glace. Utilisé pour conserver et refroidir les aliments. produits, production d'eau douce, en médecine.
Grand dictionnaire encyclopédique. 2000

Dictionnaire marin
La glace a une densité inférieure à celle de l’eau liquide, c’est pourquoi elle ne coule pas. Cette propriété est anormale ; en règle générale, la plupart des substances ont une densité élevée à l'état solide. La densité plus faible de la glace indique que l’eau augmente de volume lorsqu’elle gèle. Ce fait doit être pris en compte dans la vie de tous les jours. Par exemple, si une alimentation en eau gèle, la glace formée lors de ce processus peut « casser » les canalisations, ce qui, en principe, est bien connu de tous.
Listons les propriétés les plus significatives de la glace (nous en avons déjà décrit quelques-unes ci-dessus).
Propriétés de la glace
Température de formation de glace - 0°C ;
Le volume de glace est supérieur au volume d'eau liquide, c'est-à-dire que la densité de la glace est inférieure à la densité de l'eau liquide, la densité de la glace à 0° = 0,917 et, par conséquent, la densité de l'eau à 0° = 0,9999 ;
Avec une nouvelle baisse de température, la glace se contracte, ce qui explique les fissures dans les grands espaces de glace ;
La capacité calorifique de la glace est presque 2 fois inférieure à celle de l’eau ;
Le point de congélation de l'eau de mer est plus élevé que celui de l'eau douce et est d'environ 1,80 °C (à condition que la salinité de l'eau soit au niveau du niveau moyen pondéré des océans du monde).

Glace et ses variétés
La glace du sol est de la glace formée à l'intérieur des limites de la croûte terrestre ;
Glace de rivière ;
La glace s'est formée lorsque les lacs gèlent ;
Glace de mer.

Application de glace
La glace a de nombreuses utilisations économiques. Il est utilisé pour abaisser la température des produits alimentaires, ce qui augmente considérablement leur durée de conservation. Il est bien évident que dans ce contexte, la production de glace artificielle, ou, pour ainsi dire, de froid artificiel, revêt une importance particulière. La glace est également largement utilisée en médecine pour réaliser et réaliser un certain nombre de procédures spécifiques. Les glaçons sont largement utilisés dans les procédures cosmétiques et en cuisine, notamment lors de la préparation de boissons.
La glace est un matériau de construction pour des objets aussi importants pour notre planète que les glaciers, qui sont des indicateurs et des régulateurs de nombreux processus se produisant sur notre planète. Notre publication est dédiée aux glaciers -

Industrie chimique

Dans les services publics. Sel technique

En médecine

Application

Dans l'industrie alimentaire et la cuisson utilise du chlorure de sodium dont la pureté doit être d'au moins 97 %. Il est utilisé comme additif aromatisant et pour la conservation des aliments. Ce chlorure de sodium a un nom commercial sel, parfois les noms d'aliment, de table, ainsi qu'une clarification du nom en fonction de son origine - pierre, mer, et selon la composition des additifs - iodé, fluoré, etc. sont également utilisés. avec un goût salé, sans goût, sans odeur (sauf pour le sel iodé), dans lequel les impuretés étrangères non liées à la méthode d'extraction du sel ne sont pas autorisées. En plus du chlorure de sodium, le sel de table contient de petites quantités de sels de calcium, de magnésium et de potassium, ce qui le rend hygroscopique et dur. Moins il y a de ces impuretés dans le sel, plus sa qualité est élevée.

Une solution isotonique de chlorure de sodium dans l'eau (0,9%) est utilisée comme agent de détoxification, pour corriger l'état des systèmes corporels en cas de déshydratation, comme solvant pour d'autres médicaments. Les solutions hypertoniques (solution à 10 %) sont utilisées pour augmenter la tension artérielle lors de saignements, dans des conditions caractérisées par une carence en ions sodium et chlorure, en cas d'intoxication au nitrate d'argent et pour le traitement des plaies purulentes (localement). En ophtalmologie, en remède local, la solution de chlorure de sodium a un effet anti-œdémateux.

En hiver, le chlorure de sodium mélangé à d'autres sels, du sable ou de l'argile - ce qu'on appelle le sel technique - est utilisé comme antigel contre la glace. Les trottoirs en sont saupoudrés, bien que cela affecte négativement les chaussures en cuir et l'état technique des véhicules en raison des processus de corrosion.

Le sel, avec le charbon, le calcaire et le soufre, constituent les « quatre grands » produits minéraux essentiels à l’industrie chimique. On en obtient de la soude, du chlore, de l'acide chlorhydrique, de l'hydroxyde de sodium, du sulfate de sodium et du sodium métallique.

Groupe n°3 : Substances à réseau cristallin moléculaire

Dans les conditions naturelles de la Terre, l'eau forme des cristaux d'une seule modification cristalline : le système hexagonal. Dans la glace, chaque molécule H2O est entourée des quatre molécules les plus proches, situées à égale distance d'elle, et situées aux sommets d'un tétraèdre régulier.

La structure cristalline ajourée de la glace fait que sa densité, égale à 916,7 kg/m³ à 0 °C, est inférieure à la densité de l'eau (999,8 kg/m³) à la même température. Par conséquent, l'eau, se transformant en glace, augmente son volume d'environ 9 %. La glace, étant plus légère que l'eau liquide, se forme à la surface des réservoirs, ce qui empêche l'eau de geler davantage.

La chaleur spécifique élevée de fusion de la glace, égale à 330 kJ/kg (à titre de comparaison, la chaleur spécifique de fusion du fer est de 270 kJ/kg), est un facteur important dans la circulation de la chaleur sur Terre. Ainsi, pour faire fondre 1 kg de glace ou de neige, il faut la même quantité de chaleur que pour chauffer un litre d’eau de 0 à 80 °C.

La glace se trouve dans la nature sous forme de glace elle-même (continentale, flottante, souterraine), ainsi que sous forme de neige, de givre, etc. Sous l'influence de son propre poids, la glace acquiert des propriétés plastiques et de fluidité.

La glace naturelle est généralement beaucoup plus pure que l'eau, car lorsque l'eau cristallise, les molécules d'eau sont les premières à se former dans le réseau (voir fusion de zone). La glace peut contenir des impuretés mécaniques - particules solides, gouttelettes de solutions concentrées, bulles de gaz. La présence de cristaux de sel et de gouttelettes de saumure explique la salinité de la glace marine.

"Glace carbonique"

Le dioxyde de carbone solide (CO 2), dans des conditions normales (pression atmosphérique et température ambiante), se transforme en vapeur, contournant la phase liquide.

En apparence, il ressemble à de la glace (d'où son nom). La température de sublimation à pression normale est de moins 78,5 °C. La « neige carbonique » technique a une densité d'environ 1 560 kg/m³ et lorsqu'elle se sublime (passe à l'état gazeux), elle absorbe une grande quantité de chaleur.

Produit dans des usines de dioxyde de carbone. Il est utilisé pour refroidir des produits alimentaires (par exemple des glaces) lors de leur transport et de leur stockage, dans des travaux de recherche pour obtenir des basses températures, lors des tests et de l'assemblage de certaines unités en construction mécanique, etc.

La neige carbonique (dioxyde de carbone) est un produit à basse température obtenu à partir de dioxyde de carbone liquide ou gazeux. Non toxique, ne conduit pas l'électricité. Couleur blanche.

Yu. I. GOLOVIN
Université d'État de Tambov nommée d'après. G.R. Derjavina
Journal éducatif Soros, volume 6, n° 9, 2000

Eau et glace : en sait-on assez sur elles ?

Yu. I. GOLOVINE

Les propriétés physiques de l'eau et de la glace sont décrites. Les mécanismes de divers phénomènes dans ces substances sont discutés. Malgré la longue période d’étude et la simplicité de leur composition chimique, l’eau et la glace – ces substances très précieuses pour la vie sur Terre – recèlent de nombreux mystères en raison de leur structure dynamique complexe de protons et de molécules.
Un bref aperçu des propriétés physiques de l'eau et de la glace est donné. Les mécanismes de divers phénomènes y sont pris en compte. Il est démontré que, malgré une histoire d'étude vieille de plusieurs siècles, la composition chimique la plus simple et l'importance exceptionnelle pour la vie sur Terre, la nature de l'eau et de la glace recèle de nombreux mystères en raison de la dynamique complexe des protons et de la structure moléculaire.

Même si les gens ont davantage besoin de simplicité,
Pourtant, le complexe leur paraît plus clair.

B.L. Panais

Il n’existe peut-être pas de substance plus répandue et en même temps plus mystérieuse sur Terre que l’eau en phase liquide et solide. En effet, il suffit de rappeler que tous les êtres vivants proviennent de l'eau et en sont constitués à plus de 50 %, que 71 % de la surface de la Terre est recouverte d'eau et de glace et qu'une partie importante des terres du nord est constituée de pergélisol. Pour visualiser la quantité totale de glace sur notre planète, notons que si elles fondent, l'eau de l'océan mondial montera de plus de 50 m, ce qui entraînera l'inondation de gigantesques zones terrestres à travers le globe. D'énormes masses de glace ont été découvertes dans l'Univers, y compris dans le système solaire. Il n’existe pas une seule production ou activité humaine plus ou moins importante dans laquelle l’eau ne soit pas utilisée. Au cours des dernières décennies, d’importantes réserves de carburant ont été découvertes sous la forme d’hydrates d’hydrocarbures naturels solides, semblables à de la glace.

Dans le même temps, après de nombreux succès en physique et en chimie physique de l'eau ces dernières années, on peut difficilement affirmer que les propriétés de cette substance simple sont tout à fait compréhensibles et prévisibles. Cet article donne un bref aperçu des propriétés physiques les plus importantes de l'eau et de la glace ainsi que des problèmes non résolus liés principalement à la physique de leurs états à basse température.

C'est une molécule compliquée

Les bases de la compréhension moderne de la chimie physique de l'eau ont été posées il y a environ 200 ans par Henry Cavendish et Antoine Lavoisier, qui ont découvert que l'eau n'est pas un simple élément chimique, comme le croyaient les alchimistes médiévaux, mais un composé d'oxygène et d'hydrogène dans un certain rapport. En fait, l'hydrogène (hydrogène) - qui donne naissance à l'eau - n'a reçu son nom qu'après cette découverte, et l'eau a acquis sa désignation chimique moderne, désormais connue de tous les écoliers - H 2 O.

Ainsi, la molécule H 2 O est constituée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. Comme l'ont établi les études des spectres optiques de l'eau, dans un état hypothétique d'absence totale de mouvement (sans vibrations ni rotations), les ions hydrogène et oxygène devraient occuper des positions aux sommets d'un triangle isocèle avec un angle au sommet occupé par l'oxygène. de 104,5° (Fig. 1, a). A l'état non excité, les distances entre les ions H + et O 2− sont de 0,96 Å. Grâce à cette structure, la molécule d'eau est un dipôle, puisque la densité électronique dans la région où se trouve l'ion O 2− est nettement plus élevée que dans la région des ions H +, et le modèle le plus simple - le modèle des sphères - est mal adapté pour décrire les propriétés de l’eau. Vous pouvez imaginer une molécule d'eau en forme de boule avec deux petits renflements dans la zone où se trouvent les protons (Fig. 1, b). Cependant, cela n'aide pas à comprendre une autre caractéristique de l'eau - la capacité de former des liaisons hydrogène dirigées entre les molécules, qui jouent un rôle énorme dans la formation de sa structure spatiale lâche, mais en même temps très stable, qui détermine la plupart des propriétés physiques à l’état liquide et solide.

Riz. 1. Diagramme géométrique (a), modèle plat (b) et structure électronique spatiale (c) du monomère H 2 O. Deux des quatre électrons de la coque externe de l'atome d'oxygène sont impliqués dans la création de liaisons covalentes avec les atomes d'hydrogène, et le. les deux autres forment des orbites électroniques très allongées, dont le plan est perpendiculaire au plan H – O – H

Rappelons qu'une liaison hydrogène est une liaison entre des atomes d'une molécule ou de molécules voisines qui se produit via un atome d'hydrogène. Il occupe une position intermédiaire entre une liaison covalente et nonvalente et se forme lorsqu'un atome d'hydrogène se trouve entre deux atomes électronégatifs (O, N, F, etc.). L'électron dans l'atome H est relativement faiblement lié au proton, de sorte que la densité électronique maximale se déplace vers un atome plus électronégatif, et le proton est exposé et commence à interagir avec un autre atome électronégatif. Dans ce cas, les atomes O⋅⋅⋅O, N⋅⋅⋅O, etc., se rapprochent. à une distance proche de celle qui s'établirait entre eux en l'absence de l'atome H. La liaison hydrogène détermine non seulement la structure de l'eau, mais joue également un rôle extrêmement important dans la vie des biomolécules : protéines, glucides, acides nucléiques, etc. .

Évidemment, pour expliquer la nature de l’eau, il faut prendre en compte la structure électronique de ses molécules. Comme vous le savez, l’atome d’oxygène a quatre électrons dans sa couche supérieure, tandis que l’atome d’hydrogène n’en a qu’un. La formation de chaque liaison covalente O – H implique un électron des atomes d’oxygène et d’hydrogène. Les deux électrons restant dans l'oxygène sont appelés paires libres, car dans une molécule d'eau isolée, ils restent libres, ne participant pas à la formation de liaisons à l'intérieur de la molécule H 2 O. Mais à l'approche d'autres molécules, ce sont ces électrons solitaires qui jouent un rôle. rôle décisif dans la formation de la structure moléculaire de l'eau.

Les électrons solitaires sont repoussés par les liaisons O – H, de sorte que leurs orbites sont fortement allongées dans la direction opposée aux atomes d'hydrogène, et les plans orbitaux tournent par rapport au plan formé par les liaisons O – H – O. Ainsi, il serait plus correct de représenter une molécule d'eau dans un espace de coordonnées tridimensionnel xyz sous la forme d'un tétraèdre, au centre duquel se trouve un atome d'oxygène et à deux sommets se trouve un atome d'hydrogène (Fig. 1, c). La structure électronique des molécules H 2 O détermine les conditions de leur association dans un réseau tridimensionnel complexe de liaisons hydrogène dans l'eau et la glace. Chacun des protons peut former une liaison avec un électron isolé d’une autre molécule. La première molécule agit comme accepteur et la seconde comme donneur, formant une liaison hydrogène. Parce que chaque molécule H2O possède deux protons et deux électrons isolés, elle peut former quatre liaisons hydrogène avec d’autres molécules en même temps. Ainsi, l'eau est un liquide associé complexe avec une nature dynamique des connexions, et une description de ses propriétés au niveau moléculaire n'est possible qu'à l'aide de modèles de mécanique quantique de divers degrés de complexité et de rigueur.

La glace et ses propriétés

Du point de vue de l'individu moyen, la glace est plus ou moins la même quel que soit l'endroit où elle se forme : dans l'atmosphère sous forme de grêlons, sur les bords des toits sous forme de glaçons ou dans les plans d'eau sous forme de plaques. D'un point de vue physique, il existe de nombreuses variétés de glace, qui diffèrent par leur structure moléculaire et mésoscopique. Dans la glace existant à pression normale, chaque molécule de H 2 O est entourée de quatre autres, c'est-à-dire que le numéro de coordination de la structure est quatre (ce qu'on appelle la glace I h). Le réseau cristallin correspondant - hexagonal - n'est pas compact, donc la densité de la glace ordinaire (∼0,9 g/cm 3) est inférieure à la densité de l'eau (∼1 g/cm 3), dont la structure, comme Les études de diffraction des rayons X montrent que le nombre de coordination moyen est de ∼ 4,4 (contre 4 pour la glace I h). Seuls les atomes d’oxygène occupent des positions fixes dans la structure de la glace. Deux atomes d'hydrogène peuvent occuper des positions différentes sur les quatre liaisons de la molécule H 2 O avec d'autres voisins. En raison de l'hexagonalité du réseau, les cristaux poussant à l'état libre (par exemple les flocons de neige) ont une forme hexagonale.

Cependant, la phase hexagonale est loin d’être la seule forme d’existence de la glace. Le nombre exact d’autres phases cristallines – formes polymorphes de glace – est encore inconnu. Ils se forment à des pressions élevées et à des températures basses (Fig. 2). Certains chercheurs considèrent que la présence de 12 phases de ce type est précisément établie, tandis que d'autres les comptent jusqu'à 14. Bien entendu, ce n'est pas la seule substance qui présente un polymorphisme (rappelez-vous, par exemple, le graphite et le diamant, constitués d'atomes de carbone chimiquement identiques ), mais le nombre de phases différentes de la glace, qui continuent d'être découvertes à ce jour, est étonnant. Tout ce qui précède concerne la disposition ordonnée des ions oxygène dans le réseau cristallin de la glace. Quant aux protons – les ions hydrogène – comme le montre la diffraction des neutrons, il existe un fort désordre dans leur disposition. Ainsi, la glace cristalline est à la fois un milieu bien ordonné (par rapport à l’oxygène) et en même temps un milieu désordonné (par rapport à l’hydrogène).

Riz. 2. Diagramme de phases de la glace cristalline.
Les chiffres romains indiquent les zones d'existence
formation de phases stables. Ice IV est un fa-
pour, situé sur le schéma à l'intérieur de la zone V

Il semble souvent que la glace soit malléable et fluide. Cela est vrai si la température est proche du point de fusion (c'est-à-dire t = 0°C à pression atmosphérique) et que la charge est appliquée pendant une longue période. Et le matériau le plus dur (par exemple le métal) à des températures proches du point de fusion se comporte de la même manière. La déformation plastique de la glace, comme de nombreux autres solides cristallins, se produit à la suite de la nucléation et du mouvement de diverses imperfections structurelles à travers le cristal : lacunes, atomes interstitiels, joints de grains et, surtout, dislocations. Comme cela a été établi dans les années 30 de notre siècle, c'est la présence de ce dernier qui prédétermine une forte diminution de la résistance des solides cristallins à la déformation plastique (de 10 2 à 10 4 fois par rapport à la résistance d'un réseau idéal). À ce jour, tous les types de dislocations caractéristiques de la structure hexagonale ont été découverts dans la glace Ih, et leurs caractéristiques micromécaniques et électriques ont été étudiées.

L'effet de la vitesse de déformation sur les propriétés mécaniques de la glace monocristalline est bien illustré sur la figure. 3, tiré du livre de N. Maeno. On peut voir qu'avec une augmentation du taux de déformation, les contraintes mécaniques σ nécessaires à l'écoulement plastique augmentent rapidement et une dent d'élasticité géante apparaît en fonction de la dépendance de la déformation relative E sur σ.

Riz. 3.(Par ). Courbes de déformation relative aux contraintes pour un monocristal de glace I h à t = −15°С (glissement le long du plan basal orienté selon un angle de 45° par rapport à l'axe de compression). Les chiffres sur les courbes indiquent le taux de déformation relatif ( ∆l– modification de la longueur de l'échantillon je pendant ∆τ ) en unités de 10 −7 s −1

Riz. 4. Schéma de formation de défauts dans le sous-système protonique de la glace : a – une paire de défauts ioniques H 3 O + et OH − ; b – paire de défauts d'orientation de Bjerrum D et L

Les propriétés électriques de la glace ne sont pas moins remarquables. L'ampleur de la conductivité et son augmentation exponentiellement rapide avec l'augmentation de la température distinguent nettement la glace des conducteurs métalliques et la placent sur un pied d'égalité avec les semi-conducteurs. La glace est généralement très pure chimiquement, même si elle se développe à partir d’eau ou d’une solution sale (pensez à des morceaux de glace propres et transparents dans une flaque d’eau sale). Cela est dû à la faible solubilité des impuretés dans la structure de la glace. De ce fait, lors de la congélation, les impuretés sont repoussées dans le liquide au niveau du front de cristallisation et ne pénètrent pas dans la structure de la glace. C'est pourquoi la neige fraîchement tombée est toujours blanche et son eau est exceptionnellement propre.

La nature a judicieusement aménagé une gigantesque station de purification de l'eau dans toute l'atmosphère terrestre. Par conséquent, on ne peut pas compter sur une conductivité élevée des impuretés (comme par exemple dans le silicium dopé) dans la glace. Mais il ne contient pas d'électrons libres, comme dans les métaux. Ce n'est que dans les années 50 du 20e siècle qu'il a été établi que les porteurs de charge dans la glace sont des protons désordonnés, c'est-à-dire que la glace est un semi-conducteur à protons.

Les sauts de protons mentionnés ci-dessus créent deux types de défauts dans la structure de la glace : ioniques et orientationnels (Fig. 4). Dans le premier cas, un saut de protons se produit le long d'une liaison hydrogène d'une molécule H 2 O à une autre (Fig. 4, a), entraînant la formation d'une paire de défauts ioniques H 3 O + et OH -, et dans le deuxièmement - à une liaison hydrogène adjacente dans une molécule H 2 O (Fig. 4, b), à la suite de laquelle apparaît une paire de défauts d'orientation de Bjerrum, appelés défauts L et D (de l'allemand leer - vide et doppelt - double) . Formellement, un tel saut peut être considéré comme une rotation de la molécule H 2 O de 120°.

La circulation du courant continu due au mouvement de défauts uniquement ioniques ou uniquement d'orientation est impossible. Si, par exemple, un ion H 3 O + traverse une partie de la grille, alors l'ion similaire suivant ne pourra pas passer par le même chemin. Cependant, si un défaut D passe par ce chemin, la disposition des protons reviendra à celle d'origine et, par conséquent, le prochain ion H 3 O + pourra le traverser. Les défauts OH - et L se comportent de la même manière. Par conséquent, la conductivité électrique de la glace chimiquement pure est limitée par les défauts qui sont moins nombreux, à savoir les défauts ioniques. La polarisation diélectrique, au contraire, est due à des défauts d'orientation de Bjerrum plus nombreux. En fait, lorsqu'un champ électrique externe est appliqué, les deux processus se produisent en parallèle, ce qui permet à la glace de conduire le courant continu et en même temps de subir une forte polarisation diélectrique, c'est-à-dire de présenter à la fois les propriétés d'un semi-conducteur et celles d'un isolant. Ces dernières années, les tentatives se sont poursuivies pour découvrir les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques de la glace pure à basse température, tant dans la masse qu'aux limites des interphases. Il n'y a pas encore de certitude totale quant à leur existence, bien que plusieurs effets pseudo-piézoélectriques associés à la présence de dislocations et d'autres défauts structurels aient été découverts.

Physique de surface et cristallisation de la glace

En relation avec le développement de la technologie des semi-conducteurs, la microminiaturisation de la base des éléments et la transition vers les technologies planaires, l'intérêt pour la physique des surfaces s'est considérablement accru au cours de la dernière décennie. De nombreuses techniques sophistiquées ont été développées pour étudier les états proches de la surface dans les solides, qui se sont révélées utiles dans l'étude des métaux, des semi-conducteurs et des diélectriques. Cependant, la structure et les propriétés de la surface de glace adjacente à la vapeur ou au liquide restent largement floues. L'une des hypothèses les plus intrigantes, avancée par M. Faraday, est l'existence à la surface de la glace d'une couche quasi-liquide de plusieurs dizaines à centaines d'angströms d'épaisseur, même à une température bien inférieure au point de fusion. La base en est non seulement des constructions spéculatives et des théories sur la structure des couches proches de la surface de molécules de H 2 O hautement polarisées, mais aussi des déterminations subtiles (en utilisant la résonance magnétique nucléaire) de l'état de phase de la surface de la glace, ainsi que de ses conductivité de surface et sa dépendance à la température. Cependant, dans la plupart des cas pratiques, les propriétés de surface de la neige et de la glace sont très probablement déterminées par la présence d'un film macroscopique d'eau plutôt que d'une couche quasi liquide.

La fonte des couches superficielles de glace sous l’influence du soleil, d’une atmosphère plus chaude ou d’un corps solide glissant dessus (patins, skis, patins de traîneau) est essentielle pour obtenir un faible coefficient de friction. Un faible frottement de glissement n'est pas le résultat d'une diminution de la température de fusion sous l'influence d'une augmentation de la pression, comme on le pense souvent, mais une conséquence du dégagement de chaleur de frottement. Les calculs montrent que l'effet de la pression, même dans le cas d'un patin très aiguisé glissant sur la glace, sous lequel se développe une pression d'environ 1 MPa, conduit à une diminution de la température de fusion de seulement ∼0,1°C, ce qui ne peut pas avoir de conséquence. effet significatif sur la quantité de friction.

Une tradition établie dans la description des propriétés de l'eau et de la glace est la déclaration et la discussion de nombreuses propriétés anormales qui distinguent cette substance parmi ses homologues (H 2 S, H 2 Se, H 2 Te). La chose la plus importante est peut-être la chaleur spécifique de fusion (cristallisation) et la capacité thermique très élevées (parmi les substances simples), c'est-à-dire que la glace est difficile à fondre et l'eau est difficile à geler. De ce fait, le climat de notre planète est généralement assez doux, mais en l'absence d'eau (par exemple, dans les déserts d'Afrique chaude), le contraste entre les températures diurnes et nocturnes est bien plus élevé que sur les côtes océaniques en même temps. latitude. La propriété d'augmenter en volume pendant la cristallisation et non de diminuer, comme le font la grande majorité des substances connues, est vitale pour la biosphère. De ce fait, la glace flotte dans l’eau plutôt que de couler et ralentit grandement le gel des plans d’eau par temps froid, protégeant ainsi tous les êtres vivants qui s’y réfugient pour l’hiver. Ceci est également facilité par le changement non monotone de la densité de l'eau lorsque la température descend jusqu'à 0°C - l'une des propriétés anormales les plus connues de l'eau, découverte il y a plus de 300 ans. La densité maximale est atteinte à t = 4°C, ce qui empêche les couches d'eau proches de la surface qui se sont refroidies à une température inférieure à 4°C de couler vers le fond. Le mélange convectif du liquide est bloqué, ce qui ralentit considérablement le refroidissement ultérieur. D'autres anomalies de l'eau sont connues depuis assez longtemps : viscosité de cisaillement à 20°C, chaleur spécifique à 40°C, compressibilité isotherme à 46°C, vitesse du son à 60°C. La viscosité de l'eau diminue avec l'augmentation de la pression et n'augmente pas, comme les autres liquides. Il est clair que les propriétés anormales de l'eau sont dues aux caractéristiques structurelles de sa molécule et aux spécificités des interactions intermoléculaires. La clarté totale concernant ce dernier n’a pas encore été obtenue. Les propriétés décrites ci-dessus s'appliquent à l'eau, à la glace et à l'interface entre elles, existant dans des conditions d'équilibre thermodynamique. Des problèmes d’un niveau de complexité complètement différent se posent lorsqu’on tente de décrire la dynamique de la transition de phase eau-glace, en particulier dans des conditions éloignées de l’équilibre thermodynamique.

La cause thermodynamique de toute transition de phase est la différence des potentiels chimiques des particules d'un côté et de l'autre de l'interface ∆µ = µ 1 −µ 2. Le potentiel chimique µ est une fonction d'état qui détermine les changements dans les potentiels thermodynamiques lorsque le nombre N de particules dans le système change, c'est-à-dire µ = G/N, où G = H − TS est le potentiel thermodynamique de Gibbs, H est l'enthalpie, S est l'entropie, T est la température. La différence de potentiels thermodynamiques est la force motrice d’un processus macroscopique (tout comme la différence de potentiels électriques aux extrémités d’un conducteur est la cause du courant électrique). À µ1 = µ2, les deux phases peuvent coexister en équilibre aussi longtemps que souhaité. À pression normale, le potentiel chimique de l’eau est égal au potentiel chimique de la glace à t = 0°C. À t< 0°С более низким химическим потенциалом обладает лед, но это еще не означает, что при любом, самом маленьком переохлаждении начнется кристаллизация. Опыт показывает, что тщательно очищенный от примесей, обезгаженный, деионизированный расплав может быть переохлажден относительно точки равновесия фаз на десятки кельвин (а для некоторых веществ и на сотни). Анализ показывает, что причина заключается в отсутствии зародышей новой фазы (центров кристаллизации, конденсации, парообразования и т.д.).

Les embryons peuvent également être formés de manière homogène, c'est-à-dire à partir de l'environnement lui-même, qui est dans un état métastable, mais pour cela, certaines conditions doivent être remplies. Commençons par considérer la situation en prenant en compte le fait que toute interface entre le cristal et la masse fondue (ou la vapeur, la solution) introduit de l'énergie supplémentaire Sα, où S est la zone limite, α est l'énergie de surface. De plus, les molécules N qui ont formé le cristal germe ont une énergie inférieure à celle du liquide de N∆µ. En conséquence, le changement total d'énergie dans le système lors de l'apparition d'un noyau ∆U = −N∆µ + Sα s'avérera être non monotone dépendant de N. En effet, pour une forme sphérique du noyau

où A = (36πV 2) 1/3 V est le volume par molécule dans le cristal. Il résulte du précédent que ∆U atteint un maximum ∆Uc = - N c ∆µ + AN c 2/3 α, lorsqu'il y a N c = (2Aα/3∆µ) 3 molécules dans le noyau.

Ainsi, avec l'ajout séquentiel de molécules au noyau, le système doit d'abord grimper jusqu'au sommet de la colline de potentiel d'une hauteur ∆U c, en fonction de la surfusion, après quoi une nouvelle croissance de N dans le cristal se produira avec une diminution de l'énergie, c'est-à-dire plus facile. Il semblerait que plus la température du liquide est basse, c'est-à-dire plus la surfusion est forte, plus la cristallisation devrait se produire rapidement. C'est effectivement le cas lorsque l'hypothermie n'est pas trop importante. Cependant, à mesure que t diminue, la viscosité du liquide augmente également de façon exponentielle, ce qui rend difficile le déplacement des molécules. En conséquence, à des degrés de surfusion élevés, le processus de cristallisation peut durer de nombreuses années (comme c'est le cas pour les verres d'origines diverses).

Les estimations numériques montrent que pour de l'eau à des degrés normaux de surfusion dans des conditions naturelles (∆t = 1–10°C), l'embryon devrait être constitué de plusieurs dizaines de molécules, ce qui est nettement supérieur au nombre de coordination dans la phase liquide (∼4,4 ). Ainsi, le système nécessite un grand nombre de tentatives de fluctuation pour grimper au sommet de la colline énergétique. Dans une eau peu purifiée, une forte surfusion est empêchée par la présence de centres de cristallisation déjà existants, qui peuvent être des particules d'impuretés, des particules de poussière, des irrégularités des parois de la cuve, etc. Par la suite, la cinétique de croissance cristalline dépend des conditions du transfert de chaleur à proximité de la limite d'interphase, ainsi que sur la morphologie de cette dernière au niveau atomique.

L'eau fortement surfondue a deux températures caractéristiques t h = −36 °C et t g = −140 °C. Une eau bien purifiée et dégazée dans la plage de température 0°С > t > t h peut rester longtemps à l'état de liquide surfondu. À t g< t < t h происходит гомогенное зарождение кристалликов льда, и вода не может находиться в переохлажденном состоянии при любой степени очистки. В условиях достаточно быстрого охлаждения при t < tg подвижность молекул воды настолько падает (а вязкость растет), что она образует стеклообразное твердое тело с аморфной структурой, свойственной жидкостям. При этом в области невысоких давлений образуется аморфная фаза низкой плотности, а в области повышенных – аморфная фаза высокой плотности, то есть вода демонстрирует полиаморфизм. При изменениях давления или температуры одна аморфная фаза скачком переходит в другую с неожиданно большим изменением плотности (>20%).

Il existe plusieurs points de vue sur la nature du polyamorphisme de l'eau. Ainsi, selon , ce comportement de l'eau fortement surfondue peut s'expliquer si l'on accepte que dans le profil potentiel de l'interaction de deux molécules H2O il y a plus d'un minimum,

Riz. 5(Par ). Profils de potentiel hypothétiques : a – avec un minimum d'énergie (par exemple, le potentiel de Lennard-Jones U(r) = A/r 6 − B/r 12) et b – avec deux minima d'énergie, qui correspondent à deux configurations stables de a groupe de deux molécules d'eau en interaction (1 et 2) avec des distances différentes entre les centres conditionnels des molécules r H et r L ; le premier d’entre eux correspond à une phase avec une densité plus élevée, le second – avec une plus faible

et deux (Fig. 5). Alors la phase amorphe à haute densité correspondra à la distance moyenne rH, et la phase à faible densité – rL. La modélisation informatique confirme ce point de vue, mais il n'existe pas encore de preuves expérimentales fiables pour cette hypothèse, ni de théorie rigoureuse confirmant la validité de l'utilisation du potentiel du double puits pour décrire des propriétés aussi inhabituelles de l'eau surfondue.

Le comportement de l’eau surfondue présente un grand intérêt pour diverses raisons. En particulier, il détermine les conditions climatiques, la possibilité et le mode de navigation aux hautes latitudes, ce qui est pertinent pour notre pays. Au cours du processus de cristallisation dynamique à l'interface, de nombreux phénomènes intéressants et encore mal compris se produisent, par exemple la redistribution des impuretés, la séparation et la relaxation ultérieure des charges électriques, accompagnées d'un rayonnement électromagnétique dans une large bande de fréquences, etc. Enfin, la cristallisation dans un liquide fortement surfondu est une excellente situation modèle, facilement reproductible plusieurs fois, du comportement d'un système éloigné de l'équilibre thermodynamique et capable, du fait du développement d'instabilités, de la formation de dendrites de différents ordres et dimensions ( les représentants typiques sont les flocons de neige et les motifs de glace sur les fenêtres), pratiques pour créer et modéliser le comportement des fractales.

À première vue, les processus de fonte des glaces semblent plus faciles à analyser que les processus de cristallisation. Cependant, ils soulèvent également de nombreuses questions. Par exemple, il est largement admis que l'eau de fonte a pendant un certain temps des propriétés différentes de celles de l'eau ordinaire, du moins en ce qui concerne les objets biologiques : plantes, animaux, humains. Ces caractéristiques peuvent probablement être dues à une pureté chimique élevée (en raison du faible coefficient de capture des impuretés lors de la cristallisation de la glace), à des différences dans la teneur en gaz et en ions dissous, ainsi qu'au stockage de la structure de la glace dans des amas multimoléculaires du liquide. phase. Cependant, l'auteur ne dispose pas d'informations fiables à ce sujet obtenues par des méthodes physiques modernes.

Non moins difficile est l'analyse des mécanismes d'influence des champs physiques externes, en particulier des champs magnétiques, sur les processus et propriétés de l'eau, de la glace et des transitions de phase. Toute notre vie se déroule dans des conditions d’action constante du champ magnétique terrestre et de ses faibles fluctuations. La magnétobiologie et les méthodes de traitement magnétique en médecine se développent depuis plusieurs siècles. Enfin, les unités sont produites en série et largement utilisées pour magnétiser l'eau utilisée pour l'irrigation en agriculture (afin d'augmenter la productivité), alimenter les chaudières à vapeur (pour réduire le taux de formation de tartre dans celles-ci), etc. Cependant, il n’existe toujours pas de description physique satisfaisante des mécanismes d’action du champ magnétique dans ces cas et dans d’autres cas similaires.

Conclusion

L'eau, la glace et leurs transformations de phases mutuelles restent encore pleines de mystères. Les résoudre n'est pas seulement un problème physique très intéressant, mais est également extrêmement important pour la vie sur Terre, car il est directement lié à la santé et au bien-être humains. Ils fournissent peut-être l’un des exemples les plus frappants du rôle de la structure électronique et moléculaire dans la formation des propriétés physiques de la composition chimique la plus simple et la plus connue d’une substance.

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6. Zolotoukhine I.V. Fractales en physique du solide // Soros Educational Journal. 1998. N° 7. pp. 108-113. Critique de l'article B.A. Strukov

Yuri Ivanovich Golovin, docteur en sciences physiques et mathématiques, professeur, chef. Département de physique théorique et expérimentale, Université d'État de Tambov. G.R. Derzhavin, scientifique émérite de la Fédération de Russie. Le domaine d'intérêt scientifique est la structure électronique des défauts dans les solides et les propriétés macroscopiques qu'ils provoquent. Auteur et co-auteur de plus de 200 articles scientifiques, dont des monographies et 40 inventions.