Co się dzieje, gdy zamrażasz wodę w pojemniku tak silnie, że woda nie może rozszerzyć się na lód?

2023 Autor: Sherilyn Boyd | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-11-26 16:18

Krótka odpowiedź brzmi, że woda wciąż zamienia się w lód; jednakże, jeśli naprawdę nie może zerwać wiązań pojemnika, jest uwięziony wewnątrz, zamienia się w zupełnie inny rodzaj lodu, niż jesteśmy przyzwyczajeni.

Obecnie znamy 15 różnych "stałych faz" wody, czyli lodu, z których każdy jest odmienny ze względu na różną gęstość i wewnętrzną strukturę. Forma, którą najprawdopodobniej znasz, to Sześciokątny lód, co dzieje się, gdy woda zamarza normalnie w normalnych warunkach. Jeśli nadal obniżasz temperaturę sześciokąta lodu, w końcu staje się to Sześcienny lód; popraw dalej temperaturę i ciśnienie i możesz tworzyć Ice II, Ice III aż do Ice XV.

Ze względu na nieodłączną trudność w wytwarzaniu takich wysokich / niskich ciśnień i temperatur, do niedawna udokumentowano wszystkie znane formy lodu. Większość ostatecznych form lodu została odkryta w części przez grupę badaczy z Wydziału Chemii Uniwersytetu Oksfordzkiego, którzy po raz pierwszy byli w stanie stworzyć Ice XII, XIV i XV.

W przypadku Ice XV, stworzenie go wymagało wzięcia Ice VI i zatrzaskującego temperaturę do -143 stopni Celsjusza, po czym wystawienie go na ciśnienie 10 000 razy większe niż atmosfera na Ziemi. Ta ostateczna forma lodu, a także forma wody, wciąż potrafiła zaskoczyć nawet umysły w Oksfordzie, gdy wbrew wszelkim oczekiwaniom okazała się całkowicie antyferroelektryczna, nie będąc w stanie w ogóle utrzymać ładunku.

Ale w najprostszym znaczeniu, różne formy lodu są tworzone poprzez różne kombinacje ciśnienia i temperatury, których dokładne kombinacje można znaleźć, rzucając okiem na wykres fazowy wody. Jednak naukowcy mogą sztucznie przechylać szalę na swoją korzyść za pomocą różnych środków. Na przykład podczas tworzenia Ice XIII i XIV dr Christoph Salzmann i jego zespół z Oxfordu stosowali staranne pomiary kwasu chlorowodorowego, aby zmienić temperaturę potrzebną do wytworzenia lodu.

Jeśli powyższe wydaje się dość proste w schemacie rzeczy, to dlatego, że był on i inni naukowcy, tacy jak profesor John Finney (który był częścią zespołu, który odkrył i stworzył Ice XII w 1996 r.), Odnotowany w tym samym czasie, gdy go przesłuchano, komentując zespół Salzmanna zrobił za kilka lat to, czego inni naukowcy nie byli w stanie zrobić w ciągu 40 lat.

Wracając do danego pytania, zwykły lód, lub przynajmniej wersja, którą znaliście, zanim opowiedzieliśmy wam o pozostałych 14 rodzajach, jest w stanie zastosować ogromne ilości siły, gdy zamarza i rozszerza się. Wynika to z bardzo unikalnej cechy wody, głównie z tego powodu, że jest mniej gęsty niż ciało stałe niż ciecz. Ta różnica gęstości wynika z tego, jak cząsteczki wody reagują na zamarzanie; cząsteczki wody łączą się ze sobą w sztywną heksagonalną strukturę, która pozostawia niewielką, ale jednak istotną szczelinę między atomami, której nie było, gdy woda była cieczą. Dla ciekawskich woda osiąga najgęstszy punkt w temperaturze 4 stopni Celsjusza; jakikolwiek chłodniejsze lub gorętsze i zaczyna się rozszerzać.

Jaką siłą jest lód zdolny do wywierania? Cóż, ludzie próbowali to wypracować przez długi czas. W roku 1784 i 1785 jeden major Edward Williams wykorzystał pogodę w Quebecu i wielokrotnie próbował i nie znalazł sposobu na zatrzymanie lodu. Williams początkowo próbował uszczelnić wodę wewnątrz pocisków artyleryjskich, których żeliwne korki zostały wystrzelone na 475 stóp z zadziwiającą prędkością 20 stóp na sekundę, gdy ciśnienie stało się zbyt duże. Nieprzytomny Williams przystąpił do zakotwiczenia wtyczek w miejscu za pomocą haków, tylko po to, aby pociski rozdzieliły się na dwie części.

W innym eksperymencie podjęto próbę wypełnienia dział wykonanych z żeliwa o grubości jednego cala z wodą tylko dla nich, aby się rozdzieliły po zamrożeniu. Naukowcy we Florencji próbowali później napełnić piłkę wykonaną z jednego calowego mosiądzu wodą, aby zaszło jej pęknięcie po zamrożeniu. Później doszli do wniosku, że siła potrzebna do tego osiągnęła około 27 720 funtów.

Aby uzyskać dokładniejszą odpowiedź, musisz jeszcze raz wrócić do diagramu fazy wodnej, który pokazuje, że lód zamieni się w Ice II, gdy ciśnienie osiągnie 300 Mega Pascal, czyli dokładnie 43.511,31 funtów siły na cal kwadratowy. Innymi słowy, jest to ilość ciśnienia, jaką pojemnik musiałby przetrwać, aby zatrzymać wodę zamieniającą się w zwykły lód, zamiast tego zamieniając ją w Ice II.

Tak więc, aby odpowiedzieć na pierwsze pytanie, jeśli zamrozisz wodę w pojemniku tak silnym, że nie może się zamieniać w lód, to i tak zmieni się w lód, tylko nieco inny rodzaj lodu pod względem klasyfikacji naukowej i jej wewnętrznej struktury. Nauka!

Fakt premiowy:

• Uważa się, że przy ciśnieniu wynoszącym od 1,55 do 5,62 terapaskali lód stanie się metaliczny.