|
В поисках объяснения удивительного поведения льда на Земле
|
|
|
|
Если вы замените стандартные атомы водорода во льду более тяжелым вариантом, произойдет нечто странное. Объем, занимаемый молекулами, увеличивается на 0,1%. Химик из Лейдена Йорг Мейер и его коллеги создали теоретическую модель, описывающую такое поведение. Их исследование появилось на обложке Journal of Physical Chemistry Letters. Объем, занимаемый молекулой определенного типа, изменяется при замене присутствующих атомов на более тяжелый вариант. Этот эффект называется объемным изотопным эффектом, сокращенно VIE. Варианты химического элемента с разным весом называются изотопами. Например, у вас есть «обычный» водород и «дейтерий», атом водорода, который тяжелее из-за добавления нейтрона в его ядро.
|
|
|
|
Большинство материалов имеют нормальную VIE, при которой объем заданного количества молекул уменьшается при замене легких изотопов более тяжелыми. «Объем самой распространенной формы льда на Земле фактически увеличивается», — говорит Мейер. «Это противоречит здравому смыслу. Проще говоря, более тяжелые изотопы на самом деле ограничивают колебания молекул в материале. В результате молекулам требуется меньше места для движения, и объем уменьшается. Но во льду, как ни странно, кажется, что объем увеличивается, если вы замените водород дейтерием: более тяжелым изотопом». Исследователи сосредоточились на льде Ih: самой распространенной форме замерзшей воды на Земле. h указывает на кристаллическую структуру, которая является гексагональной.
|
|
|
Лед — не единственный материал с аномальным VIE. Вы также видите это, например, в полупроводниках. Найдя теоретическое описание этого парадоксального поведения, исследователи надеются узнать больше о свойствах этих материалов и химических связях, которые удерживают их вместе. Для теоретического описания объемного эффекта исследователи используют так называемую формулу потенциала взаимодействия. Формула аппроксимирует то, что происходит на молекулярном уровне, поскольку невозможно точно описать все возникающие квантово-механические взаимодействия. «Почти все потенциалы взаимодействия предсказывали, что объем льда становится меньше, когда вы заменяете атомы водорода атомами дейтерия», — говорит Мейер. «Только тот, что от исследовательской группы из США, дал больший объем, как мы видим в реальности».
|
|
|
|
Исследователи подробно проанализировали потенциал американского взаимодействия. Анализ показал, что аномальный объемный изотопный эффект льда связан с различными способами, которыми молекулы могут колебаться в кристаллической структуре. В молекуле воды, например, атомы водорода могут прыгать вперед и назад в направлении атома кислорода, или вся молекула изгибается вперед и назад. Во льду это приводит к двум режимам вибрации: Таким образом, во льду есть две возможности: в так называемом режиме колебаний растяжения молекулы воды проявляют своего рода внутреннюю вибрацию. Для этого им нужно не так много места и они могут находиться вплотную друг к другу. В другом, так называемом колебательном режиме, молекулам требуется больше места. «Это похоже на то, как кто-то заставляет прохожих освободить место, размахивая локтями», — говорит Мейер.
|
|
|
|
Если заменить атомы водорода во льду атомами дейтерия, то окажется, что влияние колебательной моды увеличивается за счет влияния валентной моды. Это заставляет молекулы больше отталкиваться друг от друга, занимая больше места и увеличивая объем. Мейер говорит: «Это простая аналогия сложного квантово-механического эффекта, который имеет место в реальности». «Одна из удивительных вещей, связанных с потенциалом взаимодействия, заключается в том, что трехчастичные взаимодействия, включающие более двух молекул, оказываются играющими важную роль для объемного эффекта, в то время как в случае межмолекулярных связей он почти не играет роли при все. Лед продолжает нас удивлять».
|
|
|
|
Источник
|
