Тугоплавкий водяной лед

[CoolerMan]

При давлении около 20000 атмосфер возникает лёд-6. Это буквально горячий лёд — он выдерживает, не плавясь, температуру 80 градусов. Лёд-7, полученный под давлением в 40000 атмосфер, поистине раскалённый лёд. Это самый плотный и тугоплавкий из всех известных льдов. Он плавится при 175 градусах.

Насколько я знаю, закаленный лед-7 спокойно существует при атмосферном давлении, но низких температурах (-170С). Если же его нагреть до 0, то он по ходу нагревания перейдет в обычный лед и потом при нуле также расстает.

Для тех кто в курсе, проясните пожалуйста один момент. Если под высоким давлением и комнатной температуре получить, скажем лед-7, а затем резко либо постепенно сбросить давление до атмосферного, насколько стабилен будет полученный образец? По идее, структура льда будет изменена, значит мгновенно в воду превратиться ему будет сложно?

[Munin]

При сбросе давления он будет плавиться так же, как при повышении температуры. Возможно, промежуточно переходя в фазу льда VI, хотя может быть, метастабильно оставаясь льдом VII - на фазовых диаграммах этого не обозначено, и может быть, досконально не исследовано.

Непонятно, почему из-за структуры в воду будет сложно превратиться. Не сравнивайте его с обычным льдом Ih, а сравнивайте его с жидкостью. В структуре льда молекулы воды прижаты одна к другой, при снятии давления они будут отходить и двигаться более свободно.

При плавлении, кажется, должна упасть температура, если проводить процесс не изотермически, а адиабатически.

[CoolerMan]

Действительно, эта тема изучена недостаточно. Но теплый лед-7 при понижении давления, я думаю, будет себя вести совсем не так, как закаленный метастабильный холодный лед-7 при повышении температуры, хотя бы потому, что различаются метастабильные фазы, через которые они будут проходить при изменении условий.

Если посмотреть по фазовой диаграмме, например, тут: ru(.)wikipedia(.)org/wiki/Файл:Water_phase_diagram.gif , тогда действительно, при температуре, скажем +20 °С, лед-7 сначало переходит в лед-6, а потом в воду. Но лед-6 тоже тугоплавкий. И время такого перехода мне неизвестно, хотя интересно было бы узнать.

И вообще говоря, не факт что такой переход вообще будет. Алмаз, к примеру, при сбросе давления без дополнительного прогрева обратно в графит не переходит же...

Вы говорите, с чего бы это полученная структура льда-7 мешала его переходу в воду? Лично я точно понятия не имею почему, но думаю что такое впринципе возможно. Молекулы упаковываются особым образом и, возможно, распаковываться обратно при той же температуре просто не захотят. Помимо изменения структуры, к примеру, возможно укрепляются водородные связи между молекулами, что также будет мешать обратному превращению льда в воду при атмосферном давлении.

Опыты с теплым и горячим льдом проводил Бриджмен. Он получил целую серию новых видов льда, которые были не только тяжелее воды, но таяли при температуре намного выше обычной (0 °С). А один из образцов оставался твердым при температуре выше температуры кипения воды.

Подробную информацию по этому поводу мне найти не удалось. До конца так и не ясно, снижал ли Бриджмен давление при таком нагреве льда, или же он нагревал лед при высоком давлении. В последнем случае также непонятно как он это делал - навряд ли в начале XX века у него была такая камера которая позволяла бы ему и нагревать образец и сохранять при этом высокое давление...

[worm2]

(2 CoolerMan)

CoolerMan писал(а):

...например, тут: ru(.)wikipedia(.)org/wiki/Файл:Water_phase_diagram.gif...

Здесь можно размещать ссылки, кроме рекламных. Уж на википедию-то точно можно. Вот так, например.

А картинки можно даже вот так:



(на всякий случай: нажмите кнопку "Цитата", чтобы увидеть как я это сделал).

[Alexandr007]

CoolerMan в сообщении #628962 писал(а):

с чего бы это полученная структура льда-7 мешала его переходу в воду?

Наиболее устойчивое состояние вещества определяется минимальным химпотенциалом. Зародыши другой фазы в окружении "чужих" имеют больший химпотенциал, чем в большом объеме этой фазы, что и задерживает переход, создавая барьер между состояниями. Как только высота барьера оказывается сравнимой с тепловыми флуктуациями, начинается переход. Мы знаем что около 0С лед-7 нестабилен и превращается в обычный. Т.к. у воды отсутствует дальний порядок, то и влияние размеров зародыша водяной фазы меньше, т.е. в воду лед-7 тем более превратится.
По запросу "перегретый лед":
В физике хорошо известен эффект перегрева твердых тел, когда они не плавятся при повышении температуры выше точки плавления. Наиболее ярко этот эффект проявляется в качественных монокристаллах, где очень мало дефектов, в окрестности которых и возникают обычно зародыши жидкой фазы. В принципе, наверное, лед (он ведь твердый!) тоже можно было бы перегреть. Однако этому препятствует сложная трехмерная сетка водородных связей, удерживающих вместе молекулы H2O и обуславливающих необычные свойства как воды, так и льда. Дело в том, что, поскольку водородные связи, подобно ковалентным, отличаются своей направленностью, то в этой сетке имеется много дефектов. Бездефектный перегретый лед до недавнего времени удавалось “создать” лишь на компьютере, путем численного моделирования. В эксперименте же успех впервые сопутствовал группе немецких физиков из Technische Univ. Munchen [1]. При избирательном возбуждении моды колебаний O-H температуру льда им удалось довести аж! до (290 ± 2)К. И лед не плавился в течение всего времени наблюдения, пусть и очень небольшого – всего 250пс.
1 Nature 2006, 439, 183

[Munin]

CoolerMan в сообщении #628962 писал(а):

Но теплый лед-7 при понижении давления, я думаю, будет себя вести совсем не так, как закаленный метастабильный холодный лед-7 при повышении температуры, хотя бы потому, что различаются метастабильные фазы, через которые они будут проходить при изменении условий.

Лёд VII - это уже название фазы. В ней конкретная кристаллическая решётка. Чем один лёд VII может отличаться от другого льда VII? Вещество памятью не обладает, и через что оно проходило - не знает.

CoolerMan в сообщении #628962 писал(а):

И время такого перехода мне неизвестно, хотя интересно было бы узнать.

Если сбрасывать давление, увеличивая объём камеры, то история будет аналогична истории плавления при нагревании: сначала будет твёрдая фаза, потом начнётся плавление, на протяжении некоторого диапазона объёмов будут сосуществовать твёрдая и жидкая фаза (чем больше объём, тем больше доля жидкости), и наконец, останется только жидкость под давлением. Так что скорость процесса определяется скоростью изменения внешних условий. В отличие от нагревания, здесь не будет сложного распределения ни температуры, ни давления, в объёме.

CoolerMan в сообщении #628962 писал(а):

И вообще говоря, не факт что такой переход вообще будет. Алмаз, к примеру, при сбросе давления без дополнительного прогрева обратно в графит не переходит же...

Алмаз - это очень редкая метастабильная фаза с большой стабильностью (я даже не знаю, кто из них стабилен, а кто метастабилен, алмаз или графит). В большинстве случаев метастабильные фазы если и есть, то распадаются гораздо быстрее.

CoolerMan в сообщении #628962 писал(а):

Молекулы упаковываются особым образом и, возможно, распаковываться обратно при той же температуре просто не захотят.

Ну это мистика.

CoolerMan в сообщении #628962 писал(а):

Опыты с теплым и горячим льдом проводил Бриджмен... До конца так и не ясно... навряд ли в начале XX века у него...

Раз это было в начале XX века, то с тех пор в этой области наверняка были проделаны сотни, если не больше, новых опытов, с уточнениями данных. Бриджмен упоминается только как первооткрыватель. Скорей всего, всё подробно изучено и во всех режимах. Раз в фазовой диаграмме не указано метастабильных фаз, то их там и нет. Впрочем, можно провести библиографический поиск, чтобы быть совсем уверенным.

[Alexandr007]

Munin в сообщении #629018 писал(а):

я даже не знаю, кто из них стабилен, а кто метастабилен, алмаз или графит

1 — жидкость; 2 — стабильный алмаз; 3 — стабильный графит; 4 — стабильный алмаз и метастабильный графит; 5 — стабильный графит и метастабильный алмаз; 6 — гипотетическая область существования иных твёрдых состояний углерода; 7 — точки, соответствующие условиям опытов по прямому превращению графита в алмаз; 8 — область образования алмаза с использованием металлов; 9 — область экспериментов по образованию алмазов при низком давлении (Бутузов, СССР).
Так что при атмосферном давлении(и до 20 000 атмосфер) стабилен графит.

[Munin]

Но судя по графику, алмаз довольно близок к стабильности, так? Граница между областями 4 и 5 близко.

[Alexandr007]

Munin в сообщении #629059 писал(а):

Граница между областями 4 и 5 близко.

Если 20 тыс атмосфер это близко, то да.

[Munin]

Близко в относительном смысле, если смотреть на график в целом. Вот например, граница 4-5 и конец границы 2-4 далеко. Если это брать как характерное расстояние, то 0 (или 1 бар) и граница 4-5 - это близко.

20 000 - это вы по графику определили, или справочная цифра?

[CoolerMan]

Alexandr007 в сообщении #628987 писал(а):

Мы знаем что около 0°С лед-7 нестабилен и превращается в обычный. Т.е. в воду лед-7 тем более превратится.

Всмысле Вы этими исследованиями практически занимались/занимаетесь? А за какое примерно время, скажем 1 куб.см. льда-7 при +10°С перейдет в воду, если не секрет? Существует ли какой-либо стабильный вид водяного льда в таких условиях?

Alexandr007 в сообщении #628987 писал(а):

В физике хорошо известен эффект перегрева твердых тел, когда они не плавятся при повышении температуры выше точки плавления. Наиболее ярко этот эффект проявляется в качественных монокристаллах, где очень мало дефектов, в окрестности которых и возникают обычно зародыши жидкой фазы.

Интересно :) Возможно, такой лед можно получить из сильно намагниченной дистилированной воды - качество ее кристаллизации вроде бы как намного лучше.

Munin в сообщении #629018 писал(а):

Лёд VII - это уже название фазы. В ней конкретная кристаллическая решётка. Чем один лёд VII может отличаться от другого льда VII?

Насколько я понял есть 2 вида льда-7, и у обоих одинаковая кристаллическая решетка: один стабилен при отрицательных температурах и атмосферном давлении, а другой при плюсовых температурах и высоких давлениях. Так вот в литературе и в научных работах обычно исследуются и закаляются разные льды при низких температурах, а при высоких я пока что ничего не нашел. Даже у самого Бриджмена (из того что мне попадалось в интернете) толком ничего не написано. Он пишет я сделал то-то и то-то и получил то-то, а вот как он это сделал и при каких условиях подробно не рассписано.

Может кто-то этим вопросом подробно занимался уже, чтобы знать наверняка?

[arseniiv]

CoolerMan в сообщении #629199 писал(а):

Возможно, такой лед можно получить из сильно намагниченной дистилированной воды - качество ее кристаллизации вроде бы как намного лучше.

Это не из «Великой тайны воды», случаем? Был такой псевдонаучный фильм.

[CoolerMan]

arseniiv в сообщении #629200 писал(а):

Это не из «Великой тайны воды», случаем? Был такой псевдонаучный фильм.

Нет, это из каких-то научных публикаций, которые при желании можно найти в интернете. Может даже в научной литературе тоже есть. Утверждается, что скорость кристаллизации воды под воздействием магнитного или электрического поля увеличивается на 30-50%, объем льда увеличивается где-то на 1,5% за счет того что узоры кристаллов становятся более "ажурными". Где-то была даже инфа что в намагниченной воде даже соли в осадок выпадают вместо образования накипи или что-то типа того. Погуглите если интересно.

[Alexandr007]

CoolerMan в сообщении #629199 писал(а):

Всмысле Вы этими исследованиями практически занимались/занимаетесь?

Нет, воспоминания с института+интернет+Ваши слова.

CoolerMan в сообщении #629199 писал(а):

А за какое примерно время, скажем 1 куб.см. льда-7 при +10°С перейдет в воду, если не секрет? Существует ли какой-либо стабильный вид водяного льда в таких условиях?

Вопрос не корректный, я думаю не удастся даже близко подойти к точке +10°С, 1 атм.

CoolerMan в сообщении #629199 писал(а):

Насколько я понял есть 2 вида льда-7, и у обоих одинаковая кристаллическая решетка: один стабилен при отрицательных температурах и атмосферном давлении, а другой при плюсовых температурах и высоких давлениях.

Нет, это одно и то же состояние, поэтому его и называют одинаково.

Munin в сообщении #629193 писал(а):

20 000 - это вы по графику определили, или справочная цифра?

По графику, даже если на самом деле 10 000, все равно много.

[CoolerMan]

Alexandr007 в сообщении #629245 писал(а):

Нет, это одно и то же состояние, поэтому его и называют одинаково.

Я опирался на публикацию 2006г. "Кристаллические льды" (Е.А.Желиговская, Г.Г.Маленков). Там разделяют высокотемпературный и низкотемпературный лед-7. Ее так и называют - низкотемпературная метастабильная форма льда-7, существующая в области стабильности льда-8, и обозначают как лед-7 со штрихом.