Пием вода, къпем се в нея и сме направени предимно от вода, но общото вещество крие големи загадки. Сега химиците от Университета в Юта може би са разрешили една загадка, като показаха как студената вода може да достигне, преди тя да трябва да замръзне: 48 градуса под нулата по Целзий (минус 55 градуса по Фаренхайт).

трябва

Това е 48 градуса по Целзий (87 градуса по Фаренхайт) по-студено от това, което повечето хора смятат за точката на замръзване на водата, а именно 0 C (32 F).

Преохладената течна вода трябва да се превърне в лед при минус 48 С (минус 55 F) не само поради екстремния студ, а защото молекулярната структура на водата се променя физически, за да образува тетраедърни форми, като всяка водна молекула е свободно свързана с четири други, според ново проучване от химици Валерия Молинеро и Емили Мур.

Констатациите показват, че тази структурна промяна от течен към "междинен лед" обяснява загадката на "какво определя температурата, при която водата ще замръзне", казва Молинеро, асистент в Университета в Юта и старши автор на изследването, публикувано в броя на списание Nature от 24 ноември.

"Този междинен лед има структура между пълната структура на леда и структурата на течността", добавя тя. "Решаваме много стар пъзел за това, което се случва в дълбоко преохладена вода."

Въпреки това, в странния и шантав свят на водата, теоретично все още могат да присъстват малки количества течна вода, дори когато температурите спадат под минус 48 C (минус 55 F) и почти цялата вода се е превърнала в твърда - или в кристален лед, или в аморфна водна "чаша", казва Молинеро. Но всяка останала течна вода може да оцелее само невероятно кратко време - твърде кратко, за да бъдат открити или измерени свойствата на течността.

Как и при каква температура водата трябва да замръзва има нещо повече от привлекателност. Атмосферните учени, изучаващи глобалното затопляне, искат да знаят при какви температури и скорости водата замръзва и кристализира в лед.

"Това ви трябва, за да предскажете колко вода в атмосферата е в течно състояние или в кристално състояние", което се отнася до това колко слънчева радиация се абсорбира от атмосферната вода и лед, казва Молинеро. "Това е важно за прогнозите за глобалния климат."

Странно вещество

Течната вода е мрежа от водни молекули (всяка с два водородни атома и един кислороден атом), хванати свободно заедно, така нареченото водородно свързване, което донякъде прилича на статично прилепване. Молинеро казва, че в зависимост от температурата и налягането водният лед има 16 различни кристални форми, в които водните молекули се придържат една към друга с водородни връзки.

Молинеро казва, че "онова, което прави водата толкова странна, е, че начинът, по който течната вода се държи, е напълно различен от другите течности. Например, ледът се носи по вода, докато повечето твърди вещества потъват в своите течни форми, защото са по-плътни от течностите."

Плътността на водата се променя с температурата и е най-гъста при 4 C (39 F). Ето защо рибите оцеляват под лед, покриващ езерце, като плуват в по-топлата, по-плътна вода на дъното на езерото.

Но свойството на водата, което „е най-очарователно, е, че можете да я охладите доста под 32 градуса по Фаренхайт [нула Целзий] и тя все още остава течност“, казва Молинеро.

В облаците е открита течна вода, студена до минус 40 C (минус 40 F). Учените са правили експерименти, показващи, че течната вода може да съществува поне до минус 41 C (минус 42 F).

Защо водата не замръзва непременно при 0 C (32 F), както ни учиха в училище?

"Ако имате течна вода и искате да образувате лед, първо трябва да образувате малко ядро ​​или ледено семе от течността. Течността трябва да роди лед", казва Молинеро. "За дъжд трябва да направите течност от пари. Тук трябва да направите кристал [лед] от течност."

И все пак в много чиста вода "единственият начин да образувате ядро ​​е чрез спонтанна промяна на структурата на течността", добавя тя.

Molinero казва, че ключовите въпроси включват: "При какви условия се образуват ядрата и са достатъчно големи, за да растат?" и "Какъв е размерът на това критично ядро?"

Изчисляване на това, което не може да бъде измерено

Молинеро казва, че „когато охлаждате водата, структурата й се доближава до структурата на леда, поради което плътността намалява и това трябва да се отрази в повишена скорост на кристализация“.

Преохладената вода е измерена до около минус 41 C (минус 42 F), което е нейната "хомогенна температура на зародиш" - най-ниската температура, при която скоростта на кристализация на леда може да бъде измерена, докато водата замръзва. Под тази температура ледът кристализира твърде бързо, за да може да се измери каквото и да е свойство на останалата течност.

За да заобиколят проблема, Молинеро и докторантът по химия Мур използваха компютри в Центъра за високопроизводителни изчисления на Университета в Юта. Поведението на преохладената вода беше симулирано и също така моделирано с помощта на реални данни.

Компютрите осигуряват "микроскопичен изглед чрез симулация, който експериментите все още не могат да осигурят", казва Молинеро.

Предишните компютърни симулации и моделиране бяха твърде бавни и трябваше да продължат достатъчно дълго, за да настъпи процесът на замразяване. И беше необходимо да се симулират хиляди нуклеационни събития, за да се направят валидни заключения.

Molinero и Moore създадоха нов компютърен модел, който е 200 пъти по-бърз от предшествениците си. Моделът опрости раздробяването на броя, като разгледа всяка триатомна водна молекула като единична частица, подобна на силициев атом и способна да се слепи заедно с водородна връзка.

Въпреки това бяха необходими хиляди часове компютърно време, за да се симулира поведението на 32 768 водни молекули (много по-малки от малка капка вода), за да се определи как се променя топлинният капацитет, плътност и свиваемост на водата при преохлаждането й и да се симулира колко бързо ледът кристализира в партида от 4000 водни молекули.

Раждането на лед

Компютрите помогнаха на Molinero и Moore да определят как студената вода може да достигне, преди да достигне теоретичната си максимална скорост на кристализация и трябва да замръзне. Отговорът: минус 48 C (минус 55 F).

Компютрите също така показаха, че когато водата наближи минус 48 C (минус 55 F), има рязко увеличение на дела на водните молекули, прикрепени към четири други, за да образуват тетраедри.

„Водата се трансформира в нещо друго, а това нещо друго е много близо до лед“, казва Молинеро. Тя го нарича междинен лед.

Ако една микроскопична капчица вода се охлади много бързо, тя образува така нареченото стъкло - аморфен лед с ниска плътност - в което всички тетраедри на водните молекули не са наредени, за да образуват перфектни кристали. Вместо това ледът с ниска плътност е аморфен като прозоречно стъкло. Проучването установи, че до една четвърт от молекулите в аморфната "водна чаша" са организирани или като междинен лед, или като малки ледени кристали.

Когато водата се доближи до минус 48 C (минус 55 F), има необичайно намаляване на плътността и необичайно увеличаване на топлинния капацитет (който се увеличава вместо надолу) и свиваемостта (водата става по-лесна за компресиране, тъй като става по-студена, за разлика от повечето течности) . Тази необичайна термодинамика съвпада с течната вода, която преминава към тетраедричната структура.

"Промяната в структурата на водата контролира скоростта, с която се образува лед", казва Молинеро. "Ние показваме, че както термодинамиката на водата, така и скоростта на кристализация се контролират от промяната в структурата на течната вода, която се доближава до структурата на леда."