Čo sa stane, keď zamrznete vodu v kontajneri tak silnej, že voda sa nemôže rozšíriť do ľadu?

2024 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-16 10:18

Krátka odpoveď spočíva v tom, že voda sa stále mení na ľad; Ak však skutočne nemôže prelomiť väzby kontajnera, je uväznený dovnútra, stáva sa veľmi odlišným druhom ľadu, ako sme boli zvyknutí vidieť.

V súčasnej dobe vieme o 15 rôznych "pevných fázach" vody, taktiež ľadu, pričom každý typ je odlišný kvôli rozdielnej hustote a vnútornej štruktúre. Forma, s ktorou ste pravdepodobne najznámejší, je Hexagonal Ice, čo sa stane, keď voda za normálnych okolností zmrzne. Ak stále znižujete teplotu hexagonálneho ľadu, nakoniec sa stane Cubic Ice; nastavte teplotu a tlak ďalej a môžete vytvoriť Ice II, Ice III až po Ice XV.

Vzhľadom na prirodzenú ťažkosť pri vytváraní takýchto vysokých / nízkych tlakov a teplôt si odvtedy vzal vedu až do roku 2009, keď dokázal plne dokumentovať každú známu formu ľadu. Väčšina konečných formulárov ľadu bola objavená čiastočne skupinou výskumníkov z oddelenia chémie Oxfordskej univerzity, ktorí dokázali prvýkrát vytvoriť Ice XII, XIV a XV.

V prípade ľadu XV to spôsobilo, že sa podieľal na ľadu VI a jeho teplota sa znižovala na -143 stupňov Celzia, predtým, než ho vystavil tlakom 10 000 krát väčšiemu ako atmosféra Zeme. Táto konečná forma ľadu a rozšírená forma vody dokázala prekvapiť aj myseľ v Oxforde, keď proti všetkým ich očakávaniam sa ukázala ako úplne antiferroelektrická a nedokázala vôbec zadržať poplatok.

Ale v najjednoduchšom zmysle sa rôzne formy ľadu vytvárajú rôznou kombináciou tlaku a teploty, ktorých presné kombinácie možno nájsť pri rýchlom pohľade na fázové diagramy vody. Avšak vedci môžu umelým spôsobom zakrývať váhy v ich prospech rôznymi spôsobmi. Napríklad pri vytváraní ľadu XIII a XIV dr. Christoph Salzmann a jeho tím v Oxforde použili opatrné opatrenia kyseliny chlorovodíkovej na zmenu teploty potrebnej na vytvorenie ľadu.

Ak sa vyššie uvedené zdá byť dosť jednoduché v systéme vecí, je to preto, že to bolo a ďalší vedci, ako napríklad profesor John Finney (ktorý bol súčasťou tímu, ktorý objavil a vytvoril Ice XII v roku 1996) si všimol toľko, že Salzmannov tím urobil v priebehu niekoľkých rokov to, čo ostatní výskumníci nemohli robiť v 40. rokoch.

Späť na danú otázku, pravidelný ľad alebo aspoň verziu, ktorú ste boli oboznámení predtým, než sme vám o ďalších 14 druhoch povedali, je schopný aplikovať obrovské množstvo sily, keď zamrzne a rozširuje. To je spôsobené veľmi jedinečným znakom vody, hlavne preto, že je menej hustá ako pevná látka ako kvapalina. Táto disparita hustoty je spôsobená tým, ako molekuly vody reagujú na zmrazenie; molekuly vody sa spájajú v pevnej šesťuholníckej štruktúre, ktorá opúšťa malú, ale napriek tomu významnú medzeru medzi atómami, ktorá nebola tam, keď bola voda tekutá. Zvedavá voda dosiahne najhustší bod pri 4 stupňoch Celzia; akákoľvek chladiaca alebo teplejšia a začína sa rozširovať.

Takže presne koľko sily je ľad schopný vyvíjať? No, ľudia sa to už dlho snažia robiť. V rokoch 1784 a 1785 jeden major Edward Williams využil počasie v Quebecu a opakovane sa pokúsil a nepodaril sa nájsť spôsob, ktorý by obsahoval ľad. Williams sa najskôr pokúsil utesniť vodu v delostreleckých škrupinách, ktorých liatinové zátky boli spustené 475 stôp pri prekvapujúcom tlaku 20 stôp za sekundu, keď bol tlak príliš veľký. Neprerušený, Williams sa potom pripojil k zakotveniu zástrčiek na mieste pomocou hákov, len aby sa škrupiny rozdelili do dvoch.

V ďalšom experimente sa pokúsil naplniť kanóny vyrobené z jedného palca hrubého liatiny s vodou len pre nich, aby sa rozdelili, keď boli zmrazené. Akademici vo Florencii sa neskôr pokúsili naplniť guľou vyrobenou z jedného palca hrubého mosadze s vodou len preto, aby mohli prasknúť, keď bola zmrznutá. Oni neskôr vypracovali, že sila potrebná na to, aby tak urobila, sa pohybovala okolo 27,720 libier.

Pre presnejšiu odpoveď musíte opäť vrátiť diagram vodnej fázy, ktorý ukazuje, že ľad sa zmení na ľad II, keď tlak dosiahne 300 megapaskov, čo je presne 43,511,31 libier síl na štvorcový palec. Inými slovami, to je množstvo tlaku, ktorý by mal kontajner potrebovať, aby prežil, aby zastavil vodu premenu na bežný ľad, namiesto toho, aby sa obrátil na ľad II.

Aby ste odpovedali na počiatočnú otázku, keby ste zmrazili vodu v takejto nádobe, ktorá by bola tak silná, že by sa nemohla premeniť na ľad, stále sa zmení na ľad, len mierne odlišný druh ľadu, čo sa týka vedeckej klasifikácie a jej vnútornej štruktúry. Science!

Bonus Fakt:

Predpokladá sa, že pri tlakoch niekde medzi 1,55-5,62 terasami teras sa stane kovový.