Вода в твердом агрегатном состоянии: Необычные формы и состояния воды, о которых вы не знали

Содержание

Необычные формы и состояния воды, о которых вы не знали

Общеизвестный факт – в естественных условиях вода может существовать только в трёх состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. На самом деле при помощи различных факторов можно заставить воду обрести совершенно неожиданную форму. В нашей статье мы расскажем Вам о самых необычных формах и состояниях воды.

Lacy Cooke
Лёд VII
Lawrence Livermore National Laboratory

В естественных условиях нашей планеты вода в твёрдом агрегатном состоянии обладает относительно низкой температурой. Исключение составляет модификация привычного льда под названием лёд VII. В отличие от обычного льда, который существует в фазе Ih и имеет гексагональную кристаллическую структуру, в модификации VII молекулы воды обретают кубическую структуру. В искусственных условиях получение кубического льда возможно при давлении 2,216 ГПа и температуре около 80 °C, однако он сохраняет свою структуру вплоть до температуры более 440 °C при давлении 10 ГПа. За счёт кубической структуры решётки этот лёд гораздо плотнее обычного.

The Science Channel

Ранее специалистам приходилось иметь дело только со льдом VII космического происхождения либо самостоятельно создавать его в лабораторных условиях. В 2018 году учёным впервые удалось обнаружить лёд VII на Земле. Группа учёных под руководством профессора геонаук из Университета Невады Оливера Шаунера исследовала месторождение алмазов, которые являются одним из самых информативных источников данных о составе и поведении мантии Земли. В одном из алмазов, образовавшемся на глубине около 644 км под земной корой, учёные обнаружили молекулы льда VII.

Сухая вода
Ben Carter

Противоречивое словосочетание «сухая вода» как нельзя лучше характеризует необычное сочетание молекул воды и диоксида кремния. Сухая вода была впервые получена в 1968 году и получила широкое применение в косметической индустрии. При помощи специального аппарата в лабораторных условиях создаётся вещество, которое на 95% состоит из воды. Номинально эта смесь находится в жидком агрегатном состоянии, но на самом деле она больше похожа на светлый речной песок. Дело в том, что диоксид кремния изолирует крошечные капли воды, не позволяя им смешиваться и вести себя как жидкость.

Ben Carter

Современных учёных заинтересовала высокая впитывающая способность сухой воды. Специалисты считают, что её можно использовать для безопасной транспортировки опасных химикатов или топлива. Кроме того, водяной порошок способен активно поглощать углекислый газ – в такой форме вода аккумулирует почти в три раза больше диоксида углерода, чем в жидком. Эксперты не исключают возможности применения вещества для борьбы с глобальным потеплением, путём извлечения углекислого газа из атмосферы.

Сверхкритическая жидкость
Getty ImagesWikimedia Commons

Любое вещество достигает сверхкритического состояния, если его температура и давление достигают настолько экстремального значения, что становится невозможным определить разницу между его жидким и газообразным агрегатными состояниями. Для воды этот «переломный момент» наступает при температуре 374 °C и давлении в 218 атмосфер. При этом жидкость ведёт себя как своеобразный пар, который способен проходить сквозь твёрдые тела и даже растворять некоторые из них. Свойства сверхкритической жидкости применимы в широком ряде промышленных отраслей: нефтехимической, пищевой, парфюмерной, фармацевтической и т. п.

Гидроплазма или плазма воды
ESO/L. Calçada

В 40 световых годах от Земли в созвездии Змееносца находится уникальная экзопланета GJ 1214 b. GJ или Глизе в 6,5 раз тяжелее нашей планеты, а её поверхность и атмосфера почти полностью состоят из воды в различных агрегатных состояниях. Особое место среди них занимает плазма воды. Некоторые характеристики этого состояния – низкая плотность и отсутствие унифицированной формы – напоминают газ. Однако в отличие от газа, в плазме атомы вещества лишены своих электронов, потому положительно заряженные ядра свободно передвигаются в пространстве.

ESO/L. Calçada

GJ 1214 b находится очень близко к своей материнской звезде – настолько, что её год длится всего 36-38 часов. Для сравнения, Земля расположена в 70 раз дальше от Солнца. Близость к звезде сильно разогревает планету, потому средняя температура её поверхности составляет 200-280 °C. Высокие температуры и давление заставляют воду сжиматься до тех пор, пока она не превращается в плазму.

Тройная точка
Joanie Faletto

Тройная точка вещества определяет условия, при которых оно находится одновременно в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Это возможно исключительно по достижении момента так называемого термодинамического равновесия. Вода обретает это равновесие при температуре 0,01 °C и давлении 611,66 паскалей. Тройная точка воды является опорным фактором для калибровки разнообразных приборов. Также ранее её использовали для определения одной из ключевых единиц измерения температуры – кельвина.

Суперионная вода
Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)

Суперионная вода, также известная как лёд XVIII – это ещё одна фаза воды в твёрдом агрегатном состоянии, сформированная в результате резкого и значительно скачка температуры и давления. Лёд XVIII горячий, плотный материал чёрного цвета, который ведёт себя как металл. Кубик суперионного льда в четыре раза тяжелее куба обычного льда того же объёма. Многие учёные считают, что лёд XVIII – самая распространённая форма воды за пределами нашей планеты, так как она составляет львиную долю тела таких космических объектов как «ледяных гигантов», например, Урана или Нептуна.

Millot, Coppari, Kowaluk (LLNL)

О существовании суперионной воды учёные предполагали ещё во второй половине XX века, но только в 2019 году им удалось подтвердить свои догадки. В ходе эксперимента исследователи пронзили каплю воды мощнейшим лазером. Ударные волны сформировали в воде плотную кубическую кристаллическую решётку из молекул кислорода, вокруг которых свободно передвигается жидкий водород. Некоторые специалисты считают, что лёд XVIII нельзя называть водой, так как при образовании его структуры молекулы кислорода и водорода распадаются.

Аэролёд
Masakazu Matsumoto

Аэролёд – это самая лёгкая и наименее плотная фаза льда. Её существования было предсказано в ходе симуляции процесса превращения воды в лёд в Университете Окаямы в Японии в 2017 году. Во время эксперимента учёные наблюдали за тем, как происходит смена агрегатного состояния в различных условиях, в том числе при негативном давлении.

Masakazu Matsumoto

При помощи компьютерного моделирования исследователи формировали разнообразные молекулярные соединения известных типов льда на основе цеолитов – микропористых минералов. Из молекулы диоксида кремния они извлекли оба атом кислорода, атом кремния заменили атомом кислорода и добавили к нему два атома водорода, получив гексагональную решётку льда на месте кристалла минерала. Затем учёные изучили свойства теоретического вещества и пришли к выводу, что аэролёд имеет меньшую плотность, чем любой из существующих видов льда. Специалисты утверждают, что это открытие может оказаться полезным для понимания того, как жидкости ведут себя в условиях космоса и других космических тел.

Аморфный лёд
Fausto MartelliGetty Images

При быстром охлаждении жидкой воды до температуры −137 °C формируется так называемый аморфный лёд, который не имеет чёткой кристаллической решётки. Молекулы такого льда располагаются в случайном порядке как атомы в обычном стекле. С научной точки зрения, аморфный лёд является жидкостью, молекулы которой находятся в невероятно медленном (в сравнении с обычной водой) движении. В 2017 году специалисты предположили, что аморфный лёд является промежуточной фазой между жидким и агрегатным состояниями воды.

Горящий лёд
US Geological Survey

Гидрат метана – это минерал, который представляет собой лёд с особенной кристаллической структурой. Внутри кластеров молекул воды размещаются молекулы метана или некоторые его соединения. Между собой они связаны непрочными молекулярными связями, которые легко нарушаются при повышении температуры. Гидрат метана в виде льда существует в зонах вечной мерзлоты и на дне Мирового океана. Горящий лёд можно использовать в качестве альтернативного ископаемого топлива, так как его запасы на Земле в десятки раз превышают мировые запасы нефти. Главным недостатком такого топлива является его нестабильность при повышении температуры и понижении давления. Кроме того, многие специалисты считают гидрат метана активным участником изменений климата нашей планеты, так как из-за таяния льдов происходит высвобождение метана в атмосферу.

Квантовая вода
Jeff Scovil/ Oak Ridge National Laboratory

В 2016 году специалисты Ок-Риджской национальной лаборатории США провели эксперимент, в ходе которого они изобрели новое состояние воды – квантовое. Учёные «втиснули» молекулы воды внутрь гексагональных кристаллов минерала берилла. Невероятное сжатие привело к критическому повышению давления, из-за которого молекулы стали разупорядоченными. В квантовом состоянии вода просто-напросто игнорирует ряд правил классической физики. Например, молекулы квантовой воды могут преодолевать различные барьеры на атомном и электронном уровне. В квантовой механике такое явление называется туннельным эффектом. Учёные считают, что именно квантовое состояние позволяет воде проникать сквозь различные преграды в условиях реального мира, например, сквозь стенки клеток живых организмов.

Туннельный эффект. Тусклое пятно справа от барьера — электроны, прошедшие сквозь барьер. / Wikimedia Commons

Источник

Поделиться в соцсетях

Агрегатные состояния воды — Cостояний воды в природе

Агрегатные состояния воды в природе — облака, дождь, снег, лед, град, роса, иней туман … мы знакомы с ними с раннего детства.

Агрегатные состояния воды в обычных условиях в природе

Агрегатные состояния воды ежедневно встречаются нам в окружающей нас природе. Они активно влияют на все аспекты жизнедеятельности человека.

В природе в естественных условиях вода может в изобилии существовать в 3-х основных агрегатных состояниях:

  • Твердое состояние – лед, снег, град, иней … ;
  • Жидкое – вода, дождь, туман, роса, радуга, облака …;
  • Газообразное – пар …

К выше сказанному, важно уточнить, что туман и облака, на самом деле, не являются газообразным состоянием воды. Они являются результатом конденсации водяного пара, а не самим паром как таковым. Подробнее про Водяной пар читайте в статье ВОДЯНОЙ ПАР — ГАЗООБРАЗНОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ → .

Круговорот воды в природе

Уникальное свойство воды — возможность быть в природных условиях в трех разных базовых агрегатных состояниях, обеспечивает нашей планете жизненно важный процесс – гидрологический цикл или круговорот воды в природе. Если кратко круговорот воды состаит из таких процессов — осадков, испарения и конденсации. Круговорот воды в природе обеспечивает ее присутствие практически во всех уголках нашей планеты, а вода, как известно, источник жизни. Более подробно про него читайте в нашей статье КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ → .

Жидкое состояние воды в природе

Без воды в жидком состоянии большинство живых существ на нашей планете просто погибнет.

Химическая формула воды — h3O . Два атома водорода имеют положительный заряд, а один атом кислорода отрицательный. Связь между атомами «не сильная». Поэтому она легко разрывается, впрочем как и устанавливается.

Аккумулируется вода в жидком состоянии в хорошо всем нам известных формах — это океаны, моря, реки, озёра, пруды, ставки, каналы, атмосферных осадках …

Отметим интересный факт — вода в жидком состоянии при фиксированном объёме не имеет фиксированной формы.

Твердое состояние воды в природе

Вода из жидкого состояния переходит в твердое при температуре 0º C (плюс/минус в зависимости от давления). Процесс перехода воды из жидкого состояния в твердое имеет интересную аномалию. При понижении температуры молекулы воды, как и в других материях, сближаются друг с другом. Так происходит вплоть до температуры 4º C. При этой температуре у воды максимальная плотность. При дальнейшем понижении температуры плотность начинает уменьшаться. Благодаря именно этому удивительному свойству лёд плавает, а не тонет. Плотность льда составляет приблизительно 90% от плотности воды.

Вода в твердом состоянии имеет как фиксированный объём, так и фиксированную форму.

Газообразное состояние воды в природе

Из жидкого состояния в парообразное вода переходит при температуре 100º C (плюс/минус в зависимости от давления). Водяной пар не всегда можно увидеть, но его можно почувствовать. Количество пара в атмосфере определяется как влажность. При повышенной влажности можно сказать, что по ощущениям воздух становится «липким».

Агрегатные состояния воды — переходные процессы

Процессы перехода воды с одного агрегатного состояния в другое определяются следующим образом:

  • Кипение и парообразование — переход воды из жидкого состояния в пар;
  • Конденсация — процесс перехода пара в жидкое состояние воды;
  • Кристаллизация — переход жидкости в лед;
  • Плавление – переход льда в жидкость;
  • Сублимация – переход льда прямо в парообразное состояние;
  • Десублимация – переход пара сразу в лед, примером может служить иней.

Граничные точки перехода воды в состояния лед/вода и вода/пар определили соответственно как 0 и 100 градусов по Цельсию при условии атмосферного давления 760 мм рт. ст. или 101 325 Па. Всем с детства хорошо известна простая примета, температура за окном опустилась ниже нуля, ждите снега 🙂

Четвёртое или второе жидкое агрегатное состояние воды

Относительно недавно физики обнаружили новое состояние воды. Это состояние проявляется при температурах в промежутке от 40º до 60º C и проявляется в том, что жидкая вода непрерывно переключается между двумя состояниями, которые имеют разный набор физических свойств.

Данное качество жидкой воды обнаружила физик Лаура Маэстро из Оксфордского университета в Великобритании. Она вместе со своими коллегами провела исследования в ходе которых, при разных температурах измерялись такие физические параметры жидкой воды — показатель преломления, поверхностное натяжение, теплопроводность, диэлектрическая проницаемость … .

Дать объяснение этому феномену учёные пока не смогли. Возможно этот факт связан с другими аномальными свойствами воды, про которые мы подробно писали в нашей статье АНОМАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВОДЫ, ИЛИ УДИВИТЕЛЬНОЕ РЯДОМ → .

Важно знать …

Необходимо отметить такой, важный для человека факт – при понижении атмосферного давления температура кипения падает. Это необходимо учитывать, например, в условиях высокогорья. Отметим также еще одно явление, которое полезно знать человеку в повседневной жизни — объем воды в твердом состоянии больше чем в жидком. Этот факт иллюстрирует общеизвестный пример – бутылка с водой оставленная на морозе будет разорвана, образовавшимся в ней льдом.

Очевидно, что в разных своих агрегатных состояниях Вода обладает разными базовыми физическими свойствами такими как – текучесть, твердость, летучесть.

Необходимо отметить, что пар определяет такой важный для человека и других живых организмов параметр как «влажность воздуха«. Влажность воздуха напрямую зависит от количества водяного пара в атмосфере, больше пара выше влажность. На земле существуют места как с очень высокой, так и с низкой влажностью атмосферы. Одним из самых влажных мест планеты считается индийский город Черрапунджи (Cherrapunji), а одним из самых сухих Сухие долины в Антарктике.

Выводы

Еще раз сделаем акцент на том, что во многом благодаря именно способности воды находиться в природных естественных условиях в трех разных агрегатных состояниях и существует жизнь на нашей планете.

Рекомендуем к изучению по данной теме
  1. Производство и получение пресной воды.
  2. Химические свойства воды.
  3. Использование и применение воды.
  4. Строение молекулы воды.
  5. Круговорот воды в природе — гидрологический цикл.
  6. 4 физических состояния воды.

Источники: http://www.inderscienceonline.com/doi/pdf/10.1504/IJNT.2016.079670


Агрегатные состояния воды в обычных условиях

Статья опубликована: 2014-07-05 Автор: Waterman

Агрегатные состояния воды и строение снежинок.

Согласно законам термодинамики вещества, могут существовать в трех состояниях – твердом, жидком и газообразном. Как известно, вода существует в виде льда, жидкости и пара. Примечательно, что различают 14 модификаций льда, правда, основная их часть получена в условиях, близких к космическим.
Изменяя состояние, вода меняет и физические свойства, среди которых теплопроводность, плотность. Мы привыкли считать, что переход из одного агрегатного состояния в другое происходит при определенной температуре: жидкость становится льдом при ноле градусов, паром – при температуре свыше 100 °C. Но эти процессы зависят от внешних условий, среди которых давление. Например, при низком давлении жидкость закипает при температуре ниже 50 °C, а при высоком – потребуется свыше 100 °C. Эту особенность учитывают при обеззараживании воды. Для льда этот принцип действует наоборот: при низком давлении температура образования твердого вещества перемещается ниже ноля.
Интересно, что в одном месте вода может находиться сразу в трех состояниях. Кроме того, превращение из пара в лед и наоборот может протекать, минуя стадию жидкости: пар (туман) при низкой температуре не превращается в капли дождя, а замерзает, образуя кристаллики льда.
Доставка воды в офис
Замерзает ли вода в бутылях 19 литров пока доезжает до офиса в холодное время года? Пожалуй, это наиболее популярный вопрос зимой. Нет, не замерзает. Находится вода в 19 литровых бутылях, в кузове автомобиля она не успевает превратиться в лед. Но если питьевая вода замерзла – это не плохо. Наоборот – талая даже считается полезной, после оттивания она «обнуляется», лишаясь накопленной памяти.
Чтобы заказать воду в офис, просто позвоните нам. Можете воспользоваться дополнительными услугами, среди которых аренда кулера для удобного розлива, санация. Доставка воды в офис выполняется в удобное время в течение рабочей недели, в любом объеме и в любое время года.
Следите за актуальными акциями, чтобы сэкономить на стоимости доставки, воды или аренды.
Снежинки
Прекрасные снежинки, которые можно рассматривать бесконечно, являются монокристаллами льда, имеющими вариативную шестиугольную форму. Кристаллы эти образуются быстро, в неравновесных условиях, поэтому каждый из них уникален. Отправной точкой для нарастания снежинки является крохотная пылинка или льдинка. При температуре ниже -15 °C пар начинает превращаться в лед, в этот момент появляются снежинки.
В процессе движения на гранях появляются неровности, каждый выступ притягивает к себе все больше молекул и у него больше вероятность встретить молекулы воды. В идеальных условиях все грани снежинки абсолютно симметричны. В жизни существуют разные вариации форм. В середине XX века российский ученый А. Заморский выделил 9 классов и 48 видов снежинок. Международная комиссия по снегу и льду (представьте, есть такая!) приняла свою классификацию кристаллов льда. Этим же занимались ученые в разных странах. В Японии есть Музей, где можно увидеть машину для получения снежинок. Ее сконструировал и использовал Укихиро Накайя, изучавший и классифицировавший эти прекрасные ледяные кристаллы.
Падая, снежинки цепляются друг за друга – появляются снежные хлопья, которые так волшебно и атмосферно выглядят. В безветренную погоду хлопья больше, если на улице сильный ветер, снежинки крошатся, сталкиваясь друг с другом, на землю падают обломки.

вещество привычное и необычное – конспект урока – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)

  • Интернет-магазин
  • Где купить
  • Аудио
  • Новости
  • LECTA
  • Программа лояльности
Мой личный кабинет Методическая помощь Вебинары Каталог Рабочие программы Дошкольное образование Начальное образование Алгебра Английский язык Астрономия Биология Всеобщая история География Геометрия Естествознание ИЗО Информатика Искусство История России Итальянский язык Китайский язык Литература Литературное чтение Математика Музыка Немецкий язык ОБЖ Обществознание Окружающий мир ОРКСЭ, ОДНК Право Русский язык Технология Физика Физическая культура Французский язык

Вода в твёрдом агрегатном состоянии, минерал 3 буквы

Ad

Ответы на сканворды и кроссворды

Лёд

Вода в твёрдом агрегатном состоянии, минерал 3 буквы

НАЙТИ

Похожие вопросы в сканвордах

  • Вода в твёрдом агрегатном состоянии, минерал 3 буквы
  • Упорядоченная система молекул в веществе находящемся в твёрдом агрегатном состоянии 7 букв
  • Вода в твердом состоянии 3 буквы

Похожие ответы в сканвордах

  • Лед — Замерзшая и затвердевшая вода 3 буквы
  • Лёд — Минерал 3 буквы
  • Лед — Вода в твердом состоянии 3 буквы
  • Лед — Главным светским событием февраля 1740 года стала свадьба князя М. Голицына- Квасника с калмычкой A. Бужениновой. Из чего был сделан дом, в котором проходила эта свадьба 3 буквы
  • Лед — Замерзшая, перешедшая в твердое состояние вода 3 буквы
  • Лед — Замороженная вода 3 буквы
  • Лед — Основа айсберга 3 буквы
  • Лед — 9 января 1917 г. НХЛ изменила правило, разрешив вратарям падать на… при попытках остановить шайбу. До этого голкиперы получали за это штраф в 2 доллара 3 буквы
  • Лёд — Вода в твёрдом агрегатном состоянии, минерал 3 буквы
  • Лед — В переносном смысле- это множество, а в поэтическом- населенный пункт. Назовите то, из чего сделаны шарики 3 буквы
  • Лед — Биться как рыба об … 3 буквы
  • Лед — Скользкая вода 3 буквы
  • Лед — Из чего состоят кольца Сатурна? 3 буквы
  • Лед — Одно из состояний воды 3 буквы
  • Лед — … и пламень 3 буквы
  • Лед — Сырьё для иглу 3 буквы
  • Лед — «Пол» хоккейной коробки 3 буквы
  • Лед — «Оковы» водоёма 3 буквы
  • Лед — Что изучает гляциолог? 3 буквы
  • Лед — «Вода по воде плавает» (загадка) 3 буквы
  • Лед — Плоть Снегурочки 3 буквы
  • Лед — Прикладывают на ушиб 3 буквы
  • Лед — Что такое припай? 3 буквы
  • Лед — Результат криогенеза 3 буквы
  • Лед — Полигон для фигуриста 3 буквы
  • Лед — Кубик в коктейле 3 буквы
  • Лед — Поверхность катка 3 буквы
  • Лед — «Бьётся как рыба об …» 3 буквы
  • Лед — Паковый … 3 буквы
  • Лед — В огне не горит, в воде не тонет 3 буквы
  • Лед — «Зимнее стекло весною потекло» 3 буквы
  • Лед — Покрытие катка 3 буквы
  • Лед — Сало на реке 3 буквы
  • Лед — Замёрзшая вода 3 буквы
  • Лед — Зимнее стекло весною потекло 3 буквы
  • Лед — Кубики в виски 3 буквы
  • Лед — Что такое шуга? 3 буквы
  • Лёд — Стройматериал для иглу 3 буквы
  • Лёд — Агрегатное состояное воды 3 буквы
  • Лёд — Агрегатное состояние воды 3 буквы
  • Лёд — Перешедшая в твёрдое состояние вода 3 буквы
  • Лёд — «Мороженое из воды» 3 буквы
  • Лёд — Поэтический оппонент пламени 3 буквы
  • Лед — Самое распространенное твердое вещество 3 буквы

Академия занимательных наук. Физика — Свойства агрегатных состояний вещества. Четвёртое состояние вещества. Видеоуроки физики

Свойства агрегатных состояний вещества. Четвёртое состояние вещества. Видеоуроки физики

Выпуск 10

В видеоуроке  физики от Академии занимательных наук профессор Даниил Эдисонович продолжает рассказ об агрегатных состояниях вещества. Чем они отличаются и какие особенности есть у разных веществ в одних и тех же состояниях? Какое агрегатное состояние у снега? И есть ли четвёртое агрегатное состояние вещества? Ответы вы узнаете посмотрев видеоурок физики от Академии занимательных наук.

Свойства агрегатных состояний вещества

Почему замёрзшая вода может разорвать наполненную ею бутылку? Ответ на этот вопрос кроется в свойствах агрегатных состояний вещества. Профессор Кварк уже упоминал в прошлой передаче, что переход вещества из одного агрегатного состояния в другое отражается на его свойствах. Одно из таких свойств — объём. Вода в жидком состоянии имеет один объём (принимает форму сосуда, в котором находится), а  в газообразном — другой (стремится к максимальному расширению). Вода в третьем агрегатном состоянии  — твёрдом — снова меняет объём (он становится больше, чем у жидкости). Почему же плотность меняется у одного и того же вещества в разных агрегатных состояниях? Дело в том, что, как вы уже знаете, все вещества состоят из атомов. Атомы воды располагаются хаотично и легко перемещаются с места на место. Атомы твёрдых тел располагаются в строгом порядке. Между прочим, лёд (вода в твёрдом агрегатном состоянии) отличается от большинства других твёрдых веществ. Дело в том, что у большинства веществ, твёрдая форма занимает меньший объём, чем жидкая. Но атомы льда образуют не квадратные ячейки кристаллической решётки, а шестиугольные. Из-за этого, они занимают больший объём, чем атомы других твёрдых тел. Атомы вещества в жидком агрегатном состоянии расположены как попало и более плотно. Из-за этого жидкости аморфны, то есть, они не имеют своей формы, а принимают форму сосуда, в котором находятся. Атомы газов (например, пара) ещё менее упорядочены, чем атомы жидкости и стремятся разлететься кто куда. Кстати, алмаз является самым твёрдым из веществ в твёрдом агрегатном состоянии на Земле именно благодаря свойствам своей кристаллической решётки. Некоторым может показаться, что снег является четвёртым агрегатным состоянием воды, ведь это не жидкость, не пар и не лёд? Но всё-таки, снег это именно твёрдое агрегатное состояние воды. Почему же он так отличается ото льда? Дело в том, что лёд образуется при замерзании воды в жидком состоянии, а снег — воды в газообразном агрегатном состоянии (пара). Снежинки представляют собой именно кристаллы — твёрдое агрегатное состояние воды.

Четвёртое состояние вещества

Вы могли бы подумать, что агрегатных состояний вещества всего три. Но на самом деле, эти три агрегатных состояния вещества являются основными, а кроме них есть ещё одно. Это четвёртое агрегатное состояние вещества, называемое плазмой. Оно сравнительно редко наблюдается нами в природе по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества. Для перехода в четвёртое состояние вещества, его нужно разогреть до таких высоких температур, что разрываются не только связи между молекулами, но и связи между отдельными атомами. Поэтому четвёртое состояние вещества представляет собой раскалённый поток электрически заряженных частиц. Вещество в четвёртом агрегатном состоянии всегда светится и очень подвижно. Примерами четвёртого состояния вещества, которые мы можем наблюдать в природе являются молния и звёзды.

Агрегатное состояние воды — Конкурс проектной деятельности «Проект на пять» — Всероссийские конкурсы 2017-2018 уч.года — ГАЛЕРЕЯ ПРОЕКТНЫХ, ПЕДАГОГИЧЕСКИХ И ТВОРЧЕСКИХ РАБОТ

Замша Спартак Спартакович, ученик 9 «А» класса МБОУ СОШ №15 города Калуга, 15 лет

Номинация: «Информационный проект»

Информационный проект

«Агрегатное состояние воды»

1. Введение

Вода — одно из самых уникальнейших веществ на Земле. Несмотря на бурное развитие современной науки, до сих пор ученые не изучили до конца природу этого, казалось бы, простого вещества! Из-за внешней простоты люди на Земле долгое время считали воду простым неделимым веществом. И только благодаря английскому ученому Г. Кавендишу в 1766 году люди узнали, что вода — не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода. Позже это же доказал и А. Лавуазье (Франция) в 1783 году.

Около 71 % поверхности Земли покрыто водой (океаны, моря, озёра, реки, льды) — 361,13 млн.км2. На Земле примерно 96,5 % воды приходится на океаны, 1,7 % мировых запасов составляют грунтовые воды, ещё 1,7 % — ледники и ледяные шапки Антарктиды и Гренландии, небольшая часть находится в реках, озёрах и болотах, и 0,001 % в облаках (образуются из взвешенных в воздухе частиц льда и жидкой воды) Бо́льшая часть земной воды — солёная, непригодная для сельского хозяйства и питья. Доля пресной составляет около 2,5 %, причём 98,8 % этой воды находится в ледниках и грунтовых водах. Менее 0,3 % всей пресной воды содержится в реках, озёрах и атмосфере, и ещё меньшее количество (0,003 %) находится в живых организмах.

Агрега́тное состоя́ние вещества — физическое состояние вещества, зависящее от соответствующего сочетания температуры и давления. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других физических величин.

Цель: изучение видов агрегатного состояния воды, где мы можем столкнуться с ними в жизни, какое действие они оказывают на человеческий организм

Задачи:

1) Изучить агрегатные состояния воды

2) Изучить, как воду и её агрегатные состояния применяют в жизни

3) Изучить пользу и вред воды.

4)Изучить свойства воды.

5)Сделать памятку о пользе воды.

Актуальность                                                                                                                                     

Вода окружает нас повсюду, а жизнь на Земле невозможна без воды. При этом, наблюдая за водой в жизни, можно заметить, что вода одновременно самое обычное и необычное вещество на Земле. Поэтому о свойствах и применении воды в её различных агрегатных состояниях должен знать каждый. Так же этот проект может помочь учителям при подготовке уроков по данной теме.

Собрав требуемую информацию можно узнать больше об разных агрегатных состояниях воды, уметь их различать и научиться применять полученные знания в повседневной жизни. Так же этот проект может быть в дальнейшем использован учителям на уроках по данной теме.

 

2.Основная часть

2.1.Состояния воды и их преобразование

Вода в природе может находиться в трёх состояниях:

  1. Жидкое: вода рек, океанов, морей; дождь, роса.
  2. Твёрдое: град, лёд, снег, иней.
  3. Газообразное: пар.

При переходе из одного агрегатного состояния в другое в воде происходят следующие процессы:

Кипение и парообразование — переход  воды  из жидкого  состояния  в пар;

Конденсация — процесс перехода пара в жидкое  состояние воды ;

Кристаллизация — переход жидкости в лед;

Плавление – переход льда в жидкость;

Сублимация – переход льда прямо в парообразное состояние;

Десублимация – переход пара сразу в лед, примером может служить иней.

 

2.2. Агрегатное состояние

Жидкость  — вещество, находящееся в жидком агрегатном состоянии, занимающем промежуточное положение между твёрдым и газообразным состояниями. В жидком состоянии вещество сохраняет объём, но не сохраняет форму. Это означает, что жидкость может занимать только часть объёма сосуда, но также может свободно перетекать по всей поверхности сосуда.

При этом агрегатное состояние жидкости как и агрегатное состояние твёрдого тела является конденсированным, т. е. таким, в котором частицы (атомы, молекулы, ионы) связаны между собой. Основным свойством жидкости, отличающим её от веществ, находящихся в других агрегатных состояниях, является способность неограниченно менять форму под действием касательных механических напряжений, даже сколь угодно малых, практически сохраняя при этом объём

Механическое напряжение — это мера внутренних сил, возникающих в деформируемом теле под влиянием различных факторов. Механическое напряжение в точке тела определяется как отношение внутренней силы к единице площади в данной точке рассматриваемого сечения..

Лёд— вода в твёрдом агрегатном состоянии.

Льдом иногда называют некоторые вещества в твёрдом агрегатном состоянии, которым свойственно иметь жидкую или газообразную форму при комнатной температуре; в частности, сухой лёд, аммиачный лёд или метановый лёд.

Пар — газообразное состояние вещества в условиях, когда газовая фаза может находиться в равновесии с жидкой или твёрдой фазами того же вещества, то есть при температурах ниже критической температуры вещества.

Идеальный газ — абстрактная математическая модель газа, удобная для описания поведения реальных газов при не слишком больших давлениях и температурах.

Не следует путать оптически однородный и гомогенный пар с туманом — гетерогенной системой, сильно рассеивающей свет.

Пар делится на два типа:

Ненасыщенный пар и насыщенный.                                                                                  

Ненасыщенный пар — пар, не достигший динамического равновесия со своей жидкостью.

Насыщенный пар — пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью (испарение равно конденсации).

 

2.3. Химические свойства воды.

• Особая реакция воды – синтез растениями крахмала (C6h20O5)n и других подобных соединений (углеводов), происходящая с выделением кислорода:

6n CO2 + 5n h3O = (C6h20O5)n + 6n O2 (при действии света)

• Вода образует многочисленные соединения, в которых ее молекула полностью сохраняется.

• Некоторые оксиды металлов также могут вступать в реакции соединения с водой

• Вода реагирует со многими оксидами неметаллов

• Вода разлагается на водород и кислород при действии электрического тока.

• Вода реагирует со многими металлами с выделением водорода.

 

2.4. Аномальные свойства воды.

Вода – отличный растворитель

Вода является отличным растворителем, она удивительно легко растворяет большое количество самых разнообразных веществ и газов. И что тоже весьма важно, так же легко их отдает. Например, благодаря именно этому свойству после дождя мы чувствуем удивительную свежесть – дождь очищает воздух.

Объем и плотность

При замерзании увеличиваться в объеме, тем самым уменьшая свою плотность.

Эффект Мпембы – эффект горячей воды

Удивительно, но факт – горячая вода замерзает быстрее холодной, что противоречит логике и общему восприятию вещей.

Уникальные термические свойства воды

Вода имеет уникальную по своей величине аномальную теплоемкость равную 4,18 кДж (кг-К). Это означает, что вода медленно охлаждается и медленно нагревается.

Вода является эффективным регулятором температур, она ограничивает резкие перепады температур. Более подробно с этим ее свойством вы можете ознакомиться в нашей статье – Удельная теплоемкость воды, или почему мы такие, какие есть.

Замерзание и кипение

Температуры замерзания и кипения воды не соответствуют общим закономерностям и законам химии. Так мы знаем, что вода в реальной жизни замерзает при 0°C, а кипит при 100°C, в то время как в соответствии с общими правилами химии эти процессы должны проходить при -90°C , -70°C соответственно.

Агрегатное состояние                                                                                         

Вода — единственное вещество, находящееся во всех трех агрегатных состояниях в природных условиях нашей среды обитания.

 

2.5. Применение

Жидкость

  1. Используется в растворах

Примеры: лекарственные препараты, минеральные столовые воды, сырьё в промышленности.

  1. Используется в качестве источника энергии

Пример: ГЭС (Гидроэлектроста́нция)

  1. Вода нужна для хорошего функционирования всего организма.
  2. Она участвует в обмене веществ в организме.
  3. Выступает средством очистки в организме

Сухой лёд

  1. В пищевой промышленности для охлаждения продуктов.
  2. Для создания спецэффектов во время театральных постановок.                     
  3. В ресторанной сфере для приготовления коктейлей со спецэффектами и оформления столов.
  4. Чтобы сделать газированную воду.
  5. Для очистки многокомпонентного оборудования, которое не разбирается на мелкие запчасти.
  6. Для тушения пожаров.
  7. Для снятия керамической плитки.

Пар

  1. Используется в дефростерах для размораживания мяса.
  2. В термокамерах и печах для термической обработки.                               
  3. Консервации и вакуумной укупорки.
  4. В производственных помещениях для санитарной обработки рабочих мест и холодильного оборудования; для дезинфекции весов и дозаторов
  5. Для чистки движущихся частей и механизмов

 Пример: ролики         

2.6. Польза и вред.

Жидкость.

Польза

•Лечебные свойства

Примеры:  обливание, обтирание, обёртывание.

•Гигиена

Примеры: мытьё, чистка зубов.

•Охлаждение

Пример: холодный душ.

•Согревание

Пример: тёплая ванна.

• В природе вода играет важнейшую роль.

• Тело человека тоже состоит из воды. В теле новорожденного — до 75% воды, в теле пожилого человека — более 50%. При этом известно, что без воды человек не выживет. Так, когда у нас исчезает хотя бы 2% воды из организма, начинается мучительная жажда. При потере более 12% воды человеку ужу не восстановится без помощи врачей. А потеряв 20% воды из организма, человек умирает.

•Вода является для человека исключительно важным источником питания. По статистике человек за месяц в норме потребляет 60 литров воды (2 литра в день).

•Именно вода доставляет к каждой клеточке нашего организма кислород и питательные вещества.

Благодаря наличию воды наш организм может регулировать температуру тела.

Вода также позволяет перерабатывать пищу в энергию, помогает клеткам усваивать питательные вещества. А еще вода выводит шлаки и отходы из нашего тела.

Человек повсеместно использует воду для своих нужд: для питания, в сельском хозяйстве, для различного производства, для выработки электроэнергии.

Вред

•Заражение от употребления грязной воды.

•Наводнение, затопление, цунами.

•Излишки воды могут привести к заболеваниям.

•Техногенные катастрофы.

• Хлорирование воды.

 

Снег и лёд.

Польза

• Лёд замедляет старение кожи.

•Очищает и сужает поры.

•Способствует улучшению циркуляции крови.                                           

•Снимает опухлости и отёки.

•Избавляет от тёмных кругов

Вред

•Опасны многометровые толщи рыхлого снега, в котором можно утонуть.

•Опасны огромные сосульки, падающие с крыш домов.

•Опасны айсберги, приводящие к кораблекрушениям .

•Опасны тяжёлые гирлянды инея, обрывающие электропровода.

•Опасен проламывающийся под ногами лёд в водоёмах.

•Опасны лавины снега и льда, неизвергающиеся с крутых горных склонов.

Пар

Польза

•Паровые ванночки для лица.

•Сухой пар в сауне и влажный в бане.

•В строительстве и производстве строительных материалов.

•В сельском хозяйстве.

Вред

•Паровые ожоги.

•Вдыхание щелочных и кислотных паров.

•Летальный исход.

 

3. Заключение.

Подводя итоги можно сказать, что вода — это весьма удивительное вещество, которое является объектом исследований многих учёных, вода имеет множество состояний, а так же преобразований. Вода, как объект исследования может заинтересовать любого, т.к. имеет множество свойств, особенно интересными являются аномальные.

На примере воды можно показать, что одно вещество в разных агрегатных состояниях может оказывать как положительное, так и отрицательное действие на человеческий организм, принося положительную пользу, но так же и смертельный вред нашему организму. В наше время невозможно представить жизнь без воды, так что следует стараться экономить воду: использовать воду только по надобности. Помимо этого, следует беречь воду: не загрязнять водоёмы, по возможности стараться вытаскивать грязь из воды

 

4. Библиография.

https://ru.wikipedia.org/wiki/Агрегатное_состояние

https://ru.wikipedia.org/wiki/Жидкость

http://studbooks.net/2402203/matematika_himiya_fizika/primenenie_vody

http://sportkompas.ru/stati/pit-ili-ne-pit-na-trenirovke/

http://fb.ru/article/367931/svoystva-lda-stroenie-mehanicheskie-i-fizicheskie-svoystva-lda

https://ru.wikipedia.org/wiki/Кристаллизация

https://studfiles.net/preview/1093214/page:50/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Лёд

https://ru.wikipedia.org/wiki/Пар

http://fb.ru/article/273657/teplofizicheskie-svoystva-parov

https://tutknow.ru/family_and_children/5698-kak-samomu-sdelat-suhoy-led-v-domashnih-usloviyah.html

http://prostoysovet.ru/index.php?catid=41&id=94:2011-01-20-07-42-09&Itemid=60&option=com_content&view=article

http://vapor.ru/otraslevye_resheniya/piwevaya_promyshlennost

https://ru.wikipedia.org/wiki/Механическое_напряжение

https://ru.wikipedia.org/wiki/Идеальный_газ

https://vodamama.com/anomalnye-svojstva.html

https://otvet.mail.ru/question/176366805                                                  

https://сезоны-года.рф/вода.html

https://otvet.mail.ru/question/84808179

http://www.hemi.nsu.ru/ucheb175.htm

Памятка о пользе воды

Приложение к проекту

льда | твердая вода | Britannica

Молекула воды

Станьте свидетелем эксперимента, объясняющего, почему пресная и морская вода имеют разные точки замерзания.

Узнайте, почему пресная и морская вода имеют разные точки замерзания.

Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц Посмотреть все видео к этой статье

Лед — это твердое состояние воды, обычно жидкое вещество, которое замерзает до твердого состояния при температуре 0 ° C (32 ° F) или ниже и расширяется в газообразное состояние при температуре 100 ° C (212 ° F) или выше.Вода — необычное вещество, аномальное почти по всем своим физическим и химическим свойствам и, пожалуй, самое сложное из всех известных веществ, которые представляют собой однохимические соединения. Состоящая из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O), молекула воды имеет химическую формулу H 2 O. Эти три атома связаны ковалентной связью (т. Е. Их ядра связаны притяжением к общим электронам) и образуют особую структуру с атомом кислорода, расположенным между двумя атомами водорода.Однако эти три атома не лежат на одной прямой. Вместо этого атомы водорода изогнуты друг к другу, образуя угол около 105 °.

Трехмерную структуру молекулы воды можно представить в виде тетраэдра с центром ядра кислорода и четырьмя ногами с высокой вероятностью электрона. Две ветви, в которых присутствуют ядра водорода, называются связывающими орбиталями. Напротив связывающих орбиталей и направлены в противоположные углы тетраэдра две ветви отрицательного электрического заряда.Эти орбитали, известные как неподеленные пары, являются ключом к особенностям поведения воды, поскольку они притягивают ядра водорода соседних молекул воды с образованием так называемых водородных связей. Эти связи не особенно сильны, но, поскольку они ориентируют молекулы воды в определенную конфигурацию, они значительно влияют на свойства воды в ее твердом, жидком и газообразном состояниях.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В жидком состоянии большинство молекул воды связаны в полимерную структуру, то есть цепочки молекул, соединенные слабыми водородными связями.Под воздействием теплового перемешивания происходит постоянный разрыв и преобразование этих связей. В газообразном состоянии, будь то пар или водяной пар, молекулы воды в значительной степени независимы друг от друга, и, за исключением столкновений, взаимодействия между ними незначительны. Таким образом, газообразная вода в значительной степени мономерна, то есть состоит из отдельных молекул, хотя иногда встречаются димеры (объединение двух молекул) и даже некоторые тримеры (сочетание трех молекул). В твердом состоянии, с другой стороны, молекулы воды взаимодействуют друг с другом достаточно сильно, чтобы сформировать упорядоченную кристаллическую структуру, при этом каждый атом кислорода собирает четырех ближайших из своих соседей и выстраивает их вокруг себя в жесткую решетку.Эта структура приводит к более открытой сборке и, следовательно, к более низкой плотности, чем плотно упакованная сборка молекул в жидкой фазе. По этой причине вода является одним из немногих веществ, плотность которых в твердом виде на самом деле менее плотна, чем в жидком, и ее плотность составляет от 1000 до 917 килограммов на кубический метр. По этой причине лед не тонет, а плавает, так что зимой он образует слой на поверхности озер и рек, а не опускается под поверхность и накапливается со дна.

По мере того, как вода нагревается от точки замерзания от 0 до 4 ° C (от 32 до 39 ° F), она сжимается и становится более плотной. Это первоначальное увеличение плотности происходит из-за того, что при 0 ° C часть воды состоит из молекулярных структур с открытой структурой, подобных таковым в кристаллах льда. При повышении температуры эти структуры разрушаются и уменьшают свой объем до объема более плотно упакованных полимерных структур в жидком состоянии. При дальнейшем нагревании выше 4 ° C вода начинает увеличиваться в объеме вместе с обычным увеличением межмолекулярных колебаний, вызванных тепловой энергией.

лед | твердая вода | Britannica

Молекула воды

Станьте свидетелем эксперимента, объясняющего, почему пресная и морская вода имеют разные точки замерзания.

Узнайте, почему пресная и морская вода имеют разные точки замерзания.

Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц Посмотреть все видео к этой статье

Лед — это твердое состояние воды, обычно жидкое вещество, которое замерзает до твердого состояния при температуре 0 ° C (32 ° F) или ниже и расширяется в газообразное состояние при температуре 100 ° C (212 ° F) или выше.Вода — необычное вещество, аномальное почти по всем своим физическим и химическим свойствам и, пожалуй, самое сложное из всех известных веществ, которые представляют собой однохимические соединения. Состоящая из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O), молекула воды имеет химическую формулу H 2 O. Эти три атома связаны ковалентной связью (т. Е. Их ядра связаны притяжением к общим электронам) и образуют особую структуру с атомом кислорода, расположенным между двумя атомами водорода.Однако эти три атома не лежат на одной прямой. Вместо этого атомы водорода изогнуты друг к другу, образуя угол около 105 °.

Трехмерную структуру молекулы воды можно представить в виде тетраэдра с центром ядра кислорода и четырьмя ногами с высокой вероятностью электрона. Две ветви, в которых присутствуют ядра водорода, называются связывающими орбиталями. Напротив связывающих орбиталей и направлены в противоположные углы тетраэдра две ветви отрицательного электрического заряда.Эти орбитали, известные как неподеленные пары, являются ключом к особенностям поведения воды, поскольку они притягивают ядра водорода соседних молекул воды с образованием так называемых водородных связей. Эти связи не особенно сильны, но, поскольку они ориентируют молекулы воды в определенную конфигурацию, они значительно влияют на свойства воды в ее твердом, жидком и газообразном состояниях.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В жидком состоянии большинство молекул воды связаны в полимерную структуру, то есть цепочки молекул, соединенные слабыми водородными связями.Под воздействием теплового перемешивания происходит постоянный разрыв и преобразование этих связей. В газообразном состоянии, будь то пар или водяной пар, молекулы воды в значительной степени независимы друг от друга, и, за исключением столкновений, взаимодействия между ними незначительны. Таким образом, газообразная вода в значительной степени мономерна, то есть состоит из отдельных молекул, хотя иногда встречаются димеры (объединение двух молекул) и даже некоторые тримеры (сочетание трех молекул). В твердом состоянии, с другой стороны, молекулы воды взаимодействуют друг с другом достаточно сильно, чтобы сформировать упорядоченную кристаллическую структуру, при этом каждый атом кислорода собирает четырех ближайших из своих соседей и выстраивает их вокруг себя в жесткую решетку.Эта структура приводит к более открытой сборке и, следовательно, к более низкой плотности, чем плотно упакованная сборка молекул в жидкой фазе. По этой причине вода является одним из немногих веществ, плотность которых в твердом виде на самом деле менее плотна, чем в жидком, и ее плотность составляет от 1000 до 917 килограммов на кубический метр. По этой причине лед не тонет, а плавает, так что зимой он образует слой на поверхности озер и рек, а не опускается под поверхность и накапливается со дна.

По мере того, как вода нагревается от точки замерзания от 0 до 4 ° C (от 32 до 39 ° F), она сжимается и становится более плотной. Это первоначальное увеличение плотности происходит из-за того, что при 0 ° C часть воды состоит из молекулярных структур с открытой структурой, подобных таковым в кристаллах льда. При повышении температуры эти структуры разрушаются и уменьшают свой объем до объема более плотно упакованных полимерных структур в жидком состоянии. При дальнейшем нагревании выше 4 ° C вода начинает увеличиваться в объеме вместе с обычным увеличением межмолекулярных колебаний, вызванных тепловой энергией.

Ледообразование | Науки о Земле

Образование льда , любая масса льда, которая встречается на континентах Земли или в поверхностных водах. Такие массы образуются везде, где замерзают значительные количества жидкой воды, и остаются в твердом состоянии в течение некоторого периода времени. К знакомым примерам относятся ледники, айсберги, морской лед, сезонно мерзлая земля и грунтовый лед, связанный с вечной мерзлотой — т. Е. вечномерзлых грунтов, встречающихся в холодных регионах.

Примерно три четверти пресной воды Земли хранится в огромных ледяных щитах, покрывающих Антарктиду и Гренландию, а также в меньших ледяных шапках, горных ледниках и предгорьях, разбросанных по всему остальному миру.Эти просторы многолетнего льда возникают на суше в результате уплотнения и перекристаллизации снега и других форм осадков под тяжестью последовательных слоев, которые накапливаются год за годом. Они встречаются во всех регионах, в том числе на экваторе на больших высотах.

Лед на реках и озерах также встречается на значительной части земного шара. Эти ледяные покровы остаются на соответствующих поверхностных водоемах в течение разного времени. Например, озера в Антарктиде полностью покрыты льдом в течение всего года, в то время как озера в более холодных районах континентальной части Соединенных Штатов испытывают отрицательные температуры поверхностных вод всего около 100 дней в среднем в году.

В океанических водах полярных регионов лед встречается в виде морского льда и айсбергов. Морской лед состоит из замороженной соленой воды, которая была разрушена ветром. В большинстве случаев ему всего один-два года, и зимой он расширяется, чтобы покрыть большие площади океанов. Весной и летом более высокие температуры вызывают таяние льда, что приводит к отступлению его границ. Те же более теплые погодные условия способствуют откалыванию (отламыванию) айсбергов у морских краев ледников и шельфовых ледников.Эти большие глыбы льда (некоторые простираются на несколько километров в длину) затем дрейфуют с течением в сторону умеренных широт.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Вечная мерзлота обычно состоит из горных пород и частиц почвы, укрепленных льдом. Такой мерзлый грунт встречается в регионах, где температура ниже 0 ° C (32 ° F) сохраняется в течение двух или более лет (, например, в Арктике и субарктике). По оценкам, вечная мерзлота покрывает почти 25 процентов поверхности суши.В вечной мерзлоте встречаются различные формы грунтового льда. Наиболее заметным из них является слоистый лед, который часто развивается в трещинах термического сжатия в вечной мерзлоте в виде клиновидных, вертикальных или наклонных пластов шириной от 2,5 до 3 м (от 1 дюйма до 10 футов) и от 0,3 до 9 м (от 1 до 10 футов). 30 футов) глубиной. Еще одна известная форма — это ледяной лед, который встречается горизонтально или в виде линзообразных масс.

Ученые открыли новое состояние вещества для воды — Кварц

Одна из основных вещей, которую нам преподают на школьных уроках естествознания, заключается в том, что вода может существовать в трех различных состояниях: твердый лед, жидкая вода или парообразный газ. .Но недавно международная группа ученых обнаружила признаки того, что жидкая вода может находиться в двух разных состояниях.

В экспериментальной статье, опубликованной в Международном журнале нанотехнологий, исследователи были удивлены, обнаружив, что ряд физических свойств воды меняют свое поведение в диапазоне от 50 ℃ до 60 ℃. Этот признак потенциального перехода во второе жидкое состояние может вызвать бурную дискуссию в научном сообществе. И в случае подтверждения это может иметь последствия для ряда областей, включая нанотехнологии и биологию.

Состояния вещества, также называемые «фазами», являются ключевым понятием при изучении систем, состоящих из атомов и молекул. Грубо говоря, система, состоящая из множества молекул, может иметь определенное количество конфигураций в зависимости от ее полной энергии. При более высоких температурах (и, следовательно, более высоких энергиях) молекулы имеют больше возможных конфигураций, поэтому они более неорганизованы и могут относительно свободно перемещаться (газовая фаза). При более низких температурах молекулы имеют более ограниченное количество конфигураций и поэтому образуют более упорядоченную фазу (жидкость).При дальнейшем понижении температуры они образуют очень специфическую конфигурацию, образуя твердое тело.

Эта картина характерна для относительно простых молекул, таких как углекислый газ или метан, которые имеют три чистых, разных состояния (жидкое, твердое и газообразное). Но для более сложных молекул существует большее количество возможных конфигураций, и это приводит к большему количеству фаз. Прекрасной иллюстрацией этого является богатое поведение жидких кристаллов, которые образованы сложными органическими молекулами и могут течь как жидкости, но при этом имеют твердую кристаллическую структуру.

Поскольку фаза вещества определяется тем, как сконфигурированы его молекулы, многие физические свойства этого вещества будут резко меняться при переходе из одного состояния в другое. В недавней статье исследователи измерили несколько характерных физических свойств воды при температурах от 0 ℃ до 100 ℃ в нормальных атмосферных условиях (то есть вода была жидкостью). К удивлению, они обнаружили излом в таких свойствах, как поверхностное натяжение воды и ее показатель преломления (мера того, как свет проходит через нее) при температуре около 50 ℃.

Особое строение

Как такое может быть? Структура молекулы воды, H2O, очень интересна и может быть изображена как своего рода острие стрелки с двумя атомами водорода, фланкирующими атом кислорода вверху. Электроны в молекуле имеют тенденцию распределяться довольно асимметрично, что делает сторону кислорода отрицательно заряженной по сравнению со стороной водорода. Эта простая структурная особенность приводит к своего рода взаимодействию между молекулами воды, известному как водородная связь, при котором противоположные заряды притягиваются друг к другу.

Это дает воде свойства, которые во многих случаях нарушают тенденции, наблюдаемые для других простых жидкостей. Например, в отличие от большинства других веществ, фиксированная масса воды занимает больше места как твердое тело (лед), чем как (жидкость), из-за того, как ее молекулы образуют определенную регулярную структуру. Другой пример — поверхностное натяжение жидкой воды, которое примерно вдвое больше, чем у других неполярных, более простых жидкостей.

Вода достаточно проста, но не слишком проста. Это означает, что одна из возможностей объяснения кажущейся дополнительной фазы воды заключается в том, что она ведет себя немного как жидкий кристалл.Водородные связи между молекулами поддерживают некоторый порядок при низких температурах, но в конечном итоге могут образоваться вторую, менее упорядоченную жидкую фазу при более высоких температурах. Это могло объяснить изломы, наблюдаемые исследователями в своих данных.

В случае подтверждения выводы авторов могут найти множество приложений. Например, если изменения в окружающей среде (например, температуры) вызывают изменения физических свойств вещества, то это потенциально может быть использовано для сенсорных приложений. Возможно, что более фундаментально, биологические системы в основном состоят из воды.То, как биологические молекулы (например, белки) взаимодействуют друг с другом, вероятно, зависит от того, каким образом молекулы воды образуют жидкую фазу. Понимание того, как молекулы воды располагаются в среднем при разных температурах, может пролить свет на то, как они взаимодействуют в биологических системах.

Это открытие — прекрасная возможность для теоретиков и экспериментаторов, а также прекрасный пример того, как даже у самого знакомого вещества все еще скрываются секреты.

Этот пост изначально был опубликован на сайте The Conversation. Следите за @US_conversation в Twitter.

Объясните, как вода на Земле может быть твердой или жидкой

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в виде ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Ab initio термодинамика жидкой и твердой воды

Значение

Центральной целью вычислительной физики и химии является предсказание свойств материалов с использованием методов из первых принципов, основанных на фундаментальных законах квантовой механики.Однако высокая вычислительная стоимость этих методов обычно препятствует точному предсказанию макроскопических величин при конечных температурах, таких как теплоемкость, плотность и химический потенциал. Здесь мы обеспечиваем такие прогнозы, сочетая передовые методы свободной энергии с управляемыми данными межатомными возможностями машинного обучения. Мы показываем, что для вездесущей и технологически важной системы воды термодинамическое описание из первых принципов не только приводит к превосходному согласию с экспериментами, но также раскрывает решающую роль ядерных квантовых флуктуаций в модуляции термодинамической стабильности различных фаз воды.

Abstract

Термодинамические свойства жидкой воды, а также гексагонального (Ih) и кубического (Ic) льда предсказываются на основе теории функционала плотности на гибридно-функциональном уровне с строгим учетом квантового движения ядер, ангармонических флуктуаций и протонных колебаний. беспорядок. Это стало возможным благодаря сочетанию передовых методов свободной энергии и новейших методов машинного обучения. Описание ab initio приводит к структурным свойствам, превосходно согласующимся с экспериментами и надежными оценками температур плавления легкой и тяжелой воды.Мы видим, что ядерно-квантовые эффекты вносят решающий вклад в 0,2 мэВ / ч3O в стабильность льда Ih, что делает его более стабильным, чем лед Ic. Наш вычислительный подход является общим и переносимым, обеспечивая исчерпывающую основу для количественного прогнозирования термодинамических свойств ab initio с использованием потенциалов машинного обучения в качестве промежуточного шага.

Жидкая вода и лед повсеместно распространены на Земле, и их термодинамические свойства имеют важные последствия для климатической системы (1), океана, биологических клеток (2), охлаждения и транспортных систем.Твердая фаза, устойчивая при атмосферном давлении, представляет собой лед Ih, гексагональная кристаллическая структура которого отражается в шестикратной симметрии снежинок. Кубическая форма, Ic, представляет собой метастабильную ледяную фазу, относительная стабильность которой по отношению ко льду Ih играет центральную роль в образовании ледяных облаков в атмосфере Земли (3⇓ – 5), но ее чрезвычайно трудно измерить экспериментально (1).

Несмотря на простую химическую формулу h3O, теоретические предсказания термодинамических свойств жидкой воды и льда чрезвычайно сложны.Это связано с ( i ) недостатками обычных моделей воды, включая традиционные силовые поля (6) и подходы (полу) локальной теории функционала плотности (DFT) (7⇓ – 9), ( ii ) беспорядок протонов в льда и ( iii ) важность ядерных квантовых эффектов (ЯКЭ) (10). В частности, вычисление разности химических потенциалов ΔμIh → Ic = μIc − μIh между Ic и Ih, которая характеризует относительную стабильность, является чрезвычайно сложной задачей, поскольку конфигурационные энтропии нулевой точки (11), беспорядок протонов (12) и энергии гармонических колебаний льда Ih и Ic (13) отличаются на <1 мэВ / h3O, так что ангармонические квантовые флуктуации ядра играют решающую роль.

Вода и лед описывались с переменным успехом с использованием приближений разной степени строгости, включая простые электростатические дипольные модели для энергетики протонного упорядочения (14), исследования молекулярной динамики с интегралом по траекториям (PIMD) на основе силового поля (15⇓ ⇓ – 18), исследования квазигармоники из первых принципов (QHA) (17, 19) и колебательного самосогласованного поля (VSCF) (13, 20), которые дают приблизительную верхнюю границу для ΔμIh → Ic. Они значительно продвинули наше понимание природы жидкой воды и льда, но также подчеркнули резкий компромисс между точностью описания поверхности потенциальной энергии (ППЭ), управляющей движением ядра, и связанной с этим стоимостью выборки соответствующих атомистических конфигураций.

В этом исследовании мы делаем теоретические предсказания термодинамических свойств льда и жидкой воды на уровне теории гибридного DFT, принимая во внимание NQE, протонный беспорядок и ангармонизм. Это стало возможным благодаря использованию достижений в методах машинного обучения (ML), чтобы избежать чрезмерно больших вычислительных затрат, которые в противном случае были бы понесены за счет обширной выборки фазового пространства с использованием методов первых принципов. В частности, мы используем сложные методы термодинамической интеграции (TI), чтобы точно и строго вычислить разность химических потенциалов между льдом Ic и Ih и между льдом Ih и жидкой водой.

Первые принципы термодинамики

В качестве основного описания электронной структуры мы используем гибридный функционал revPBE0 (21⇓ – 23) с поправкой на дисперсию Grimme D3 (24, 25), которая, как было продемонстрировано, позволяет точно предсказать структуру и динамику , а также спектроскопия жидкой воды в молекулярной динамике (МД) и PIMD-моделировании (26). revPBE0-D3 предсказывает разницу в энергии решетки между наиболее стабильными протонно-упорядоченными формами льда Ic и Ih из UIc-UIh = -0,3 мэВ / ч3O (см. SI Приложение для получения дополнительной информации), что согласуется с диффузионным методом Монте-Карло. предсказания UIc − UIh = −0.4 ± 2,9 мэВ / ч3O (12) и два различных предсказания приближения случайной фазы: −0,2 мэВ / ч3O и 0,7 мэВ / ч3O (27).

Поскольку тщательный отбор проб фазового пространства воды на уровне теории revPBE0-D3 является чрезмерно дорогостоящим, мы отобрали фазовое пространство, используя суррогатный ML PES, UML. Затем мы используем тот факт, что свободная энергия Гиббса суррогатных систем, GML, может быть повышена до уровня теории revPBE0-D3 с помощью возмущения свободной энергии G (p, T) −GML (p, T) = — kBT⁡ ln exp −U − UMLkBTp, T, HML, [1] где… p, T, HML обозначает среднее по ансамблю для системы, выбранной при температуре T и давлении p с использованием суррогатного гамильтониана HML.Оценка уравнения. Модель 1 сделана особенно доступной и надежной благодаря высокой точности нашей суррогатной ML PES, которая значительно превосходит результаты, полученные из эмпирических силовых полей или локальных вычислений DFT, которые ранее использовались в качестве неявных суррогатов (28, 29). Уравнение 1 — центральная формула нашего подхода: он не только обеспечивает точную и эффективную оценку свободной энергии на уровне ab initio путем делегирования выборки из фазового пространства дешевым суррогатным моделям, но также обеспечивает общий способ сравнительного анализа и калибровки ML. потенциалы.

Потенциал нейронной сети для воды

Мы построили гибкий и полностью диссоциируемый потенциал нейронной сети (NN) для объемной жидкой воды и льда, следуя схеме Белера и Парринелло (30–32), используя код RuNNer (33), который был обучен на основе энергий и сил revPBE0-D3 для 1593 различных эталонных структур из 64 молекул жидкой воды, рассчитанных с использованием пакета CP2K (34). Дальнейшие подробности, касающиеся вычислений DFT, сравнения с энергиями, вычисленными с помощью VASP (35), а также обучения и проверки потенциала NN можно найти в приложении SI .Мы выпустили этот потенциал NN вместе с его обучающим набором ( SI, приложение , наборы данных S1 и S2).

NN-потенциал на основе revPBE0-D3 описывает плотность (рис. 1) и структурные свойства воды (рис. 2) в очень хорошем согласии с экспериментом. На рис. 1 показаны изобары плотности, рассчитанные для льда Ic, льда Ih и жидкой воды с учетом как классических, так и квантово-механических ядер. На рис. 1 показано, что ( i ) предсказанные плотности жидкой воды и льда Ih и Ic согласуются с экспериментом с точностью до 3%; ( II ) предсказанные коэффициенты теплового расширения превосходно согласуются с экспериментальными данными; и ( iii ) температура максимальной плотности жидкой воды соответствует экспериментальному значению 3.98 ° С. Это также показывает, что ЯКЭ приводят к увеличению плотности трех фаз воды на ~ 1%. Это аномальное увеличение для фазы Ih льда наблюдалось в предыдущих расчетах QHA с использованием ряда различных функционалов DFT (17). Экспериментально подавление ЯКЭ может быть частично достигнуто за счет дейтерирования, и было замечено, что молярный объем D2O на 0,4% (40) больше по сравнению с h3O для жидкой воды при температуре окружающей среды и на ∼0,3% больше для гексагонального льда при температуре окружающей среды. 250 К (41).

Рис. 1.

Классическая (CL) и квантовая (Q) изобары плотности для льда Ic, льда Ih и жидкой воды (L) при P = 1 бар, вычисленные с помощью (PI) МД-моделирования с использованием потенциала NN. Предсказанные плотности льда Ic и Ih практически перекрываются как на квантовом, так и на классическом уровне. Экспериментальные результаты для недостаточно охлажденной воды взяты из работы. 36.

Рис. 2.

РФР кислород – кислород, кислород – водород и водород – водород при 300 K и экспериментальной плотности, рассчитанной с помощью (PI) МД моделирования в ансамбле постоянного количества частиц, объема и температуры (NVT) с использованием потенциал NN.Экспериментальный O – O RDF был получен из работы. 37, а экспериментальные ФРР O – H и H – H взяты из ссылок. 38 и 39.

Рис. 2, Top , показывает, что NQE оказывают небольшое деструктурирующее влияние на функцию радиального распределения кислород-кислород (O-O) (ФРР), что приводит к превосходному согласию с экспериментами с рентгеновскими лучами. дифракционные измерения (37), что также видно в расчетах МД ab initio (PI) с revPBE0-D3 (26). Эта деструктуризация наблюдалась при моделировании с использованием других функционалов DFT (42), а также эмпирических моделей воды (43, 44) и была рационализирована в результате конкурирующих квантовых эффектов (16, 45).Рис. 2, Средний и Нижний , далее показывает, что NQE вызывают значительное уширение кислородно-водородных (O – H) и водородно-водородных (H – H) RDF, особенно вокруг их соответствующих первых пиков, что играет роль преобладающая роль в обеспечении соответствия моделирования и эксперимента. Стоит отметить, что согласие между NN и экспериментальными RDF на рис. 2 значительно лучше по сравнению с большинством тестируемых эмпирических моделей воды и функционалами DFT (46, 47).

Повышение потенциала ML в DFT

Несмотря на отличные характеристики потенциала NN, стратегия подгонки, конечные радиусы отсечки, применяемые к описанию атомных сред, и возможные «дыры» в обучающей выборке (48) неизбежно приводят к небольшим остаточные ошибки по сравнению с исходными первыми принципами. Чтобы оценить их значимость, мы обучили набор потенциалов NN с использованием различных обучающих наборов и / или начальных случайных начальных чисел, что демонстрирует, что предсказания разницы химических потенциалов между льдом Ic и Ih из двух разных потенциалов NN могут достигать 1 мэВ. / h3O ( SI Приложение , рис.S4 для более подробной информации). Продвижение результатов на уровень DFT устраняет эти остаточные ошибки и любую зависимость от конкретного используемого потенциала NN. Это позволяет нам достичь субмиллиэлектронвольтной точности определения свободных энергий (что требуется для определения большей стабильности льда Ih по сравнению с Ic) и делать объективные предсказания свойств на эталонном уровне теории ab initio в целом.

Температурно-зависимые поправки DFT к химическим потенциалам NN различных фаз воды, ΔμNN≡μ − μNN = (G − GNN) / N, полученные из возмущений свободной энергии (уравнение. 1 ), выполненные на системах с 64 молекулами, показаны на рис. 3. Для каждой фазы льда (Ic и Ih) с помощью генератора льда с водородно-неупорядоченной структурой ( 49). Стандартное отклонение потенциальной энергии для 16 конфигураций протонно-неупорядоченного льда Ic составляет 0,3 мэВ / ч3O (0,25 мэВ / ч3O) при использовании потенциала NN (DFT), соответственно. Для льда Ih оно составляет 0,4 мэВ / ч3O (0,25 мэВ / ч3O) при использовании потенциала NN (DFT). Здесь очень важно начинать с этих различных начальных конфигураций, поскольку () порядок протонов фактически «заморожен» во временных масштабах, доступных для моделирования (50) и ( ii ), существуют значительные различия между ΔμNN разных протонов. -неупорядоченные состояния (рис.3). Для жидкой воды 1000 одноточечных расчетов revPBE0-D3 для некоррелированных конфигураций, созданных на основе моделирования NPT на основе NN, достаточны для сведения значения калибровочного члена ΔμNNL к ∼0,2 мэВ / ч3O. Для каждой протонно-неупорядоченной структуры льда 200 таких одноточечных вычислений достаточно, чтобы сойтись ΔμNNIc и ΔμNNIh к 0,1 мэВ / ч3O.

Рис. 3.

Разница в химическом потенциале ΔμNN≡μ − μNN между revPBE0-D3 и МД-моделированием на основе NN при P = 1 бар. Стандартные ошибки среднего обозначены полосами ошибок.Фиолетовые (зеленые) крестики указывают на результаты 16 различных 64-молекулярных упорядочений протонов Ic (Ih). Фиолетовая (зеленая) линия показывает среднее значение ΔμNN по порядку протонов.

Результаты и обсуждение

Относительная устойчивость шестиугольного и кубического льда.

Мы следуем рабочему процессу в Материалы и методы (см. Рис. 7 для иллюстрации), чтобы оценить разность химических потенциалов ΔμIh → Ic на уровне теории revPBE0-D3 с учетом ядерных квантовых флуктуаций.Сначала мы вычислим классические абсолютные свободные энергии двух фаз льда на уровне NN, используя методы TI, описанные в ссылке. 51 и, следовательно, соответствующая разность химических потенциалов Δμcl, NNIh → Ic. Тогда классическая разность химических потенциалов между льдом Ih и Ic на уровне revPBE0-D3 может быть оценена как ΔμclIh → Ic = Δμcl, NNIh → Ic + ΔμNNIc − ΔμNNIh.

Обратите внимание, что скорость и линейное масштабирование потенциала NN позволяют моделировать ледяные системы, содержащие до 768 молекул воды.Такой размер системы важен не только для представления широкого спектра возможных локальных расположений, реализуемых в протонно-неупорядоченном льду, но также важен для усреднения по различным протонно-неупорядоченным структурам при корректировке химических различий между потенциалом NN и revPBE0-D3, так как демонстрируется разбросом ΔμNN между различными структурами на рис. 3.

ЯКЭ учитываются путем интегрирования вириальной кинетической энергии квантового центроида TCV относительно фиктивной «атомной» массы из классического (т.е.е., бесконечная) масса к физическим массам атомов кислорода и водорода ( Материалы и методы, и см. рис. 6). Мы выполняем моделирование PIMD на основе NN в ансамбле NPT и оцениваем влияние NQE на химический потенциал на уровне NN, используя ΔμNNIh → Ic − Δμcl, NNIh → Ic. Следует отметить, что потенциал NN не «смещен» в сторону Ic или Ih, поскольку условия калибровки NN для revPBE0-D3 ΔμNNIc и ΔμNNIh похожи (рис. 3), и что разница в TCV разностных водных фаз оказывается равной очень похожи для трех совершенно разных межатомных потенциалов (18).Комбинируя все эти члены, мы наконец приходим к результату ΔμIh → Ic = ΔμclIh → Ic + ΔμNNIh → Ic − Δμcl, NNIh → Ic.

Рис. 4 показывает, что предсказания NN ΔμIh → Ic и результаты revPBE0-D3 статистически неразличимы. На классическом уровне ΔμclIh → Ic отрицательно, особенно при низких температурах. В соответствии с результатами VSCF исх. 13, протонный беспорядок вносит существенные изменения в химический потенциал льда Ic и Ih. Что еще более важно, ядерные квантовые флуктуации имеют решающее значение для стабилизации льда Ih.На квантовомеханическом уровне ΔμIh → Ic близко к нулю при 200–250 К и увеличивается до 0,2 ± 0,2 мэВ / ч3O при 300 К, что позволяет предположить, что лед Ih все-таки более стабилен. Для сравнения: на классическом уровне одноатомная модель воды (52), в которой отсутствуют атомы водорода, предсказывает незначительную разницу [ΔμIh → Ic (240 K) = 0,032 ± 0,002 мэВ (53)], в то время как силовое поле MB-pol (54), который включает в себя многочастичные члены, подогнанные к уровню теории связанных кластеров, предсказывает небольшое отрицательное значение (-0,4 мэВ / ч3O) (дополнительные подробности см. В приложении SI ).Предполагая, что теплота перехода от льда Ic к льду Ih приблизительно постоянна в диапазоне температур 200–300 K, температурная зависимость ΔμIh → Ic подразумевает (с использованием TI относительно T, аналогичного уравнению 2 ) переход энтальпия HIc − HIh = 1,0 ± 0,5 мэВ / ч3O, что соответствует широкому экспериментальному диапазону 0,1-1,7 мэВ / ч3O (55).

Рис. 4.

Температурная зависимость разности химических потенциалов между льдом Ih и Ic при давлении 1 бар. Ошибки, связанные с классическими и квантово-механическими значениями revPBE0-D3, возникают в основном из-за различий в ΔμNN между разными порядками протонов.

Относительная устойчивость шестиугольного льда и жидкой воды.

Теперь мы вычислим разность химического потенциала ΔμL → Ih = μIh − μL между протонно-неупорядоченным льдом Ih и жидкой водой. Подход, аналогичный схемам на рис. 7, заключается в получении разности химических потенциалов NN перед ее переводом на уровень DFT и добавлением NQE.

Сначала мы вычислим Δμcl, NNL → Ih, используя метод интерфейса-пиннинга (56) в классическом МД-моделировании с потенциалом NN. Затем мы подгоняем Δμcl, NNL → Ih из независимых симуляций при различных температурах к выражению TI Δμcl, NNL → Ih (T) = — kBT∫TmTHcl, NNIhP, T − Hcl, NNLP, TkBT2dT, [2] где Hcl, NN — энтальпия классической системы, описываемая потенциалом NN, значение которого было вычислено из отдельных расчетов NPT ( SI Приложение , рис.S3). После этого добавляются условия калибровки для химических потенциалов ΔμNNL и ΔμNNIh (рис. 3), чтобы получить предсказания revPBE0-D3 для классических систем. Наконец, NQE в воде h3O и воде D2O рассматриваются путем выполнения серии моделирования PIMD при различных фиктивных массах с использованием потенциала NN.

На рис. 5 показаны ΔμL → Ih, предсказанные на разных уровнях теории, а также экспериментальные данные для h3O (57). Сравнение температур плавления Tm и теплоты плавления Hf = HL (Tm) −HIh (Tm) различных моделей представлено в таблице 1.Для воды revPBE0-D3 h3O с NQE прогнозируемая Tm имеет только ~ 2% ошибки по сравнению с экспериментом, а значения ΔμL → Ih находятся в пределах 15% от экспериментальных значений при умеренном переохлаждении на <20 K ниже Tm. Hf недооценивается при использовании revPBE0-D3 и включении NQE, что может быть связано с артефактами функционала revPBE0-D3 или ограничениями представления протонных нарушений в естественном льду, даже при использовании современных методов (49) . В целом, представленные здесь прогнозы представляют собой существенное улучшение по сравнению с наиболее часто используемыми эмпирическими моделями воды (6).Например, модели TIP4P занижают Hf на 20–30% (58).

Рис. 5.

Температурная зависимость разности химических потенциалов между жидкой водой и льдом Ih при давлении 1 бар. Синие кресты указывают Δμcl, NNL → Ih из независимых симуляций закрепления интерфейса, а синяя пунктирная линия указывает наилучшее соответствие этих результатов выражению TI в уравнении. 2 . Экспериментальные значения были рассчитаны на основе теплоемкости, приведенной в исх. 57.

Таблица 1.

Прогнозы температуры плавления (Tm) и теплоты плавления (Hf)

ЯКЭ понижают температуру плавления h3O на ~ 8 К по сравнению с классической водой.Разница в Tm между D2O и h3O, по прогнозам, составит 8 ± 2 К, что согласуется с результатом, полученным с использованием модели воды q-TIP4P / F (15), и примерно согласуется с экспериментом (3,82 К) (40). Любопытно, что Tm D2O примерно такая же, как у классической воды. Чтобы выяснить причину, мы построим интеграл при выполнении TI от физических масс (mH для H) к классическим массам (∞) на рис. 6. Можно видеть, что NQE первоначально, от mH до ∼6mH, стабилизируют воду относительно льда. . Затем, от 6mH до ∞, они стабилизируют лед.Таким образом, при выполнении ТИ от атомной массы дейтерия к классической массе ЯКЭ в значительной степени компенсируются. Такое обращение ЯКЭ при различных атомных массах наблюдалось ранее для воды q-TIP4P / F (15) и для многослойного полиглутамина (59) и интерпретировалось как проявление конкурирующих квантовых эффектов.

Рис. 6.

Интеграл от классического предела до полной квантовой обработки (уравнение 3 ) для случая льда Ic и Ih ( верхний ), льда Ih и жидкой воды ( нижний ).

Выводы

Мы показываем, что описание электронной структуры revPBE0-D3 предсказывает свойства льда Ih, льда Ic и жидкой воды, которые находятся в превосходном количественном согласии с экспериментом. Это стало возможным благодаря использованию потенциала ML в качестве промежуточной суррогатной модели и использованию передовых методов свободной энергии. Мы не только строго вычисляем, но и количественно анализируем отдельные вклады от ЯКЭ, протонного беспорядка и ангармонизма.

Это исследование демонстрирует возможность достижения субмиллиэлектронвольтного уровня статистической точности при прогнозировании термодинамических свойств сложной системы, такой как вода, на уровне теории гибридного DFT.Идея использования потенциалов ML в качестве устройств для отбора проб значительно расширяет применимость и эффективность подходов к электронной структуре, делая их доступным для использования в точных вычислениях свободной энергии и других термодинамических свойств. Общая структура и методы свободной энергии, описанные здесь, обеспечивают общий, точный и надежный способ предсказания из первых принципов термодинамических свойств множества физических систем, таких как фармацевтические соединения, материалы для хранения водорода, углеводороды и металлические сплавы.

Материалы и методы

Детали моделирования.

Изобара плотности на рис. 1 вычислена с использованием классического моделирования MD и PIMD в ансамбле NPT для систем льда Ic, льда Ih и жидкой воды из 64 молекул. Мы подтверждаем, что равновесная плотность, рассчитанная для 64 молекул воды в классическом МД-моделировании, согласуется со значениями, полученными для систем с ~ 2000 молекул. Все моделирование MD и моделирование PIMD, которые используют 56 шариков, выполняются с использованием кода i-PI (60) в сочетании с LAMMPS (61) с потенциальной реализацией NN (62, 63).

Привязка интерфейса.

Моделирование закрепления границы раздела (56) выполняется с использованием кода PLUMED (64) в системе лед – жидкость, содержащей 5760 молекул при температурах от 250 до 300 К и давлении 1 бар, с использованием потенциала NN.

Учет НКО.

ЯКЭ на разности химических потенциалов между льдом Ic и льдом Ih при 200, 250, 273 и 300 К учитываются путем интегрирования вириальной кинетической энергии квантового центроида TCV относительно фиктивной атомной массы m̃ из классической массы ( я.е., бесконечность) к физическим массам атомов кислорода и водорода (18, 65⇓ – 67), то есть ΔμNNIh → Ic − Δμcl, NNIh → Ic = ∫m∞dm̃TCVIc (m̃) −TCVIh (m̃) m̃, [3] где m — физические массы элементов. На практике изменение переменной y = m / m̃ применяется для уменьшения ошибки дискретизации при вычислении интеграла (65), а подынтегральная функция оценивается с использованием моделирования PIMD для y = 1 / 4,1 / 22,1 / 2,1 / 2,1, то есть ΔμNNIh → Ic − Δμcl, NNIh → Ic = 2∫01TCVIc (1 / y2) −TCVIh (1 / y2) ydy. [4] Чтобы вычислить этот интеграл, мы выполняем Моделирование PIMD, которое использует 56 гранул в ансамбле NPT для систем, содержащих 64 молекулы.В случае льда Ih и жидкой воды обработка аналогична.

Рабочий процесс для вычисления ΔμIh → Ic.

Здесь мы описываем рабочий процесс для вычисления абсолютной свободной энергии Гиббса и, следовательно, химического потенциала ледяной системы. Первый шаг — это ТИ от гармонической ссылки к классической ледяной системе (A → B на рис. 7). Мы внимательно следуем методам, описанным в исх. 51: Сначала проинтегрируйте кристалл Дебая в классический лед при 25 K в ансамбле NVT, затем перейдите к ансамблю NPT и, наконец, оцените температурную зависимость свободной энергии Гиббса с помощью моделирования MD в ансамбле NPT при температурах между 25 и 300 К.Впоследствии, чтобы достичь ab initio описания классического льда из описания NN (B → D на рис. 7), поправочный член ΔμNN (рис. 3), вычисленный с использованием выражения возмущения свободной энергии в уравнении. 1 включено. Наконец, чтобы описать ab initio лед с квантово-механическими ядрами (D → E на рис. 7), NQE включены путем интегрирования от бесконечной атомной массы к физическим массам (уравнение 3 ). В качестве альтернативной стратегии можно также следовать по маршруту TI A → B → C → E, но это требует повторного взвешивания всей системы кольцо-полимер в моделировании PIMD с помощью уравнения. 1 , что дороже.

Рис. 7.

Схема рабочего процесса TI, который начинается с гармонического эталонного кристалла, использует описание NN в качестве промежуточного шага и, наконец, достигает базового уровня ab initio. Указанные здесь химические потенциалы связаны с абсолютной свободной энергией Гиббса систем соотношением μ≡G / N.

Благодарности

Мы благодарим Матти Хеллстрёма за предоставление данных VASP и Герита Бранденбурга за тестирование функционала revPBE0 + D3.ДО НАШЕЙ ЭРЫ. был поддержан Швейцарским национальным научным фондом, проект 200021-159896; частичное финансирование визита в Геттинген Международного центра перспективных исследований в области преобразования энергии; и щедрое выделение процессорного времени Швейцарским национальным суперкомпьютерным центром в рамках проекта s787. M.C. и E.A.E. были поддержаны Европейским исследовательским советом в рамках гранта 677013-HBMAP Программы исследований и инноваций Европейского союза Horizon 2020. J.B. при поддержке DFG Heisenberg Professorship BE3264 / 11-2.КОМПАКТ ДИСК. был поддержан австрийским научным фондом Spezialforschungsbereich, Венская лаборатория вычислительных материалов, проект F41.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы ​​установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *