Заперечуючи закони фізики? Understand article

Перекладено Юрієм Дзюбаном. Дослідники з Інституту Лауе-Ланжевена (Institut Laue-Langevin (ILL)) та Університету Жозефа Фур‘є, що у Греноблі, Франція, відкрили камінь, що,…

Багато в кого перше знайомство з фізикою відбувається при спостереженні за таємничими трансформаціями, що відбуваються з водою: тверда у морозильнику вона перетворюється на рідину за кімнатної температури і зникає у вигляді пари в печі. Далі з‘ясовується, що температури, за яких киплять та стають твердими різні речовини, різняться у порядки, але все ж практично будь-яку субстанцію можна отримати у кожній із зазначених форм – має значення лише температура. Але як бути з речовиною, що тане, будучи охолодженою, та твердіє при нагріванні?

Рецепт

Щоб приготувати таємничу суміш, відкриту дослідниками з Гренобля, змішайте 200 мг альфа-циклодекстрину (H6OC36O30) з 1 мл 4-метилпіридину (H7C6N) та дуже невеликою кількістю води. Розчин має бути рідким за кімнатної температури. При нагріванні він має ставати твердим.

Ні готова суміш, ні її складові не становлять небезпеки, але 4-метилпіридин має дуже сильний запах.

Марі Плазанет (MariePlazanet), фахівець з обладнання ІЛЛ, разом з колегами виявили специфічний водний розчин, який формує молочно-білу тверду масу при нагріванні до 60°С і знову стає гомогенною прозорою рідиною, коли охолоджується. Таємничий розчин є сумішшю води, цукру під назвою альфа-циклодекстрин та метилпіридину, складової пластику.

“Щоб отримати хоча б приблизне уявлення про те, наскільки дивним це виглядає, – каже Джованна Ціконані, що є науковим координатором у ІЛЛ, – уявіть собі склянку Кока-Коли зі шматочками льоду. Кожен знає, що має відбутись із часом – лід розтане і Кока-Кола стане дещо холоднішою. Але якщо уявити склянку із нашим розчином, то при нагріванні до 60°С він повністю затвердіє”.

Перелік необхідного
обладнання:
нейтронорозсіююча
установка

Науковці дослідили речовину за допомогою нейтронів, згенерованих атомним реактором, який обслуговує дослідників ІЛЛ. Нейтрони утворюються у реакторі внаслідок ланцюгової реакції, після чого контрольовано концентруються у неймовірно тонкий промінь і фокусуються на досліджуваних кристалах чи інших матеріалах. Нейтрони променя зіштовхуються з нейтронами зразка, утворюючи дифракційну картину (дифрактограму). Розшифрувавши останню, можна отримати високоточну “картинку” структури речовини, що вивчається, – її своєрідну “поатомну карту”.

“Ми використали нейтрони, щоб вивчити внутрішню структуру нашої суміші, і продемонстрували, що у твердому агрегатному стані відбувається формування жорстко впорядкованої структури, навіть хоча інша частина суміші водночас залишається рідкою”, – пояснює Ральф Счвейнс (RalphSchweins), науковець з ІЛЛ і член дослідницької групи.

Науковці із Гренобля переконані у тому, що в основі описаних змін консистенції лежать процеси утворення та руйнування водневих зв‘язків. При температурі за 60°С відбувається утворення водневих зв‘язків – або між молекулами циклодекстрину та метилпіридину, або між циклодекстрином та молекулами води, і це підтримує речовину у твердому стані. При зниженні температури водневі зв‘язки руйнуються і утворюються нові, але тепер лише між циклодекстриновими молекулами. Як наслідок, тверда маса знову набуває властивостей рідини. Ці міркування підтверджуються результатами комп‘ютерного моделювання поведінки молекул у розчині.

Тож, насправді, дана речовина в дійсності не зазіхає на істинність законів фізики. Але вона дозволяє отримати нові цікаві відомості про природу водневих зв‘язків, що, нагадаємо, відіграють вельми важливу роль у нашому житті – і не лише коли надворі холодно і ми чекаємо на сніг!

Водневі зв‘язки

гідридами VI групи. Багато її представників є вельми неприємно пахнучими субстанціями: сірководень, гідриди телуру та селену – одна огидніша за іншу. Але чи істинно це відносно всіх представників VIгрупи гідридів? Як з‘ясовується, не зовсім. Дигідроген оксид є сполукою, винятковою одразу в кількох відношеннях: з одного боку, вона не має запаху, а з іншого – є рідиною за кімнатної температури. Звичайно, вода також може бути небезпечною – наприклад, тривалий контакт з нею у кристалічному стані загрожує ушкодженням тканин, а у газоподібний може спричиняти серйозні опіки. У той же час, однак, дигідроген оксид – вода – є життєво необхідною умовою існування живих організмів на Землі.

То що ж робить воду такою відмінною від інших представників VIгрупи гідридів? Фактично, це водневі зв‘язки.

Водневий зв‘язок є, по суті, силою притягування, що виникає між полярними молекулами із протилежним зарядом. Як говорить назва, з одного боку в утворенні названого виду зв‘язків беруть участь водневі атоми. Молекули води, наприклад, є полярними – вони мають частковий негативний заряд (атом кисню) та частковий позитивний (водневі атоми). Коли молекули води зближуються на достатню дистанцію, їх позитивні та негативні заряди взаємопритягуються.

Водневі зв‘язки, що формуються між молекулами води, пояснюють деякі суттєві – і унікальні – властивості води як речовини. Саме завдяки цим зв‘язкам вода залишається рідкою у широкому діапазоні температур. Це тому, що енергія, яку необхідно витратити для розриву водневих зв‘язків, зумовлює високу температуру її кипіння; інакше кажучи, необхідна велика кількість енергії, аби перетворити рідку воду, молекули якої зв‘язані між собою водневими зв‘язками, у водяну пару, у якій вони таких не мають.

  1. Чи можете ви запропонувати практичне застосування досліджуваної суміші?
  2. Чи можете ви запропонувати інші суміші, що могли б проявляти подібні властивості?
  3. Поясність природу водневих зв‘язків своїми словами.
  4. Чому водневий зв‘язок такий сильний у воді, але не проявляється так же сильно у інших представників VIгрупи гідридів?
  5. Чи відомі вам інші приклади водневих зв‘язків?
  6. Чи знаєте ви які-небудь способи використання явища зміни агрегатного стану?
  7. Наскільки глибоко ви обізнані про нейтронний аналіз? Наскільки багато інформації можете знайти в Інтернет?

Download

Download this article as a PDF

Resources

  • Відкриття більш детально описане у: Плазанет М та ін. (2004) Замерзання при нагріванні рідких розчинів. Фізико-хімічний журнал 121: 5031-5034, doi: 10.1063/1.1794652
  • Завдяки міжнародному фінансуванню та компетентності працівників, Інститут Лауе-Ланжевена (ІЛЛ) пропонує науковцям та промисловості передові можливості нейтронних технологій та досліджень. Із Гренобля, що у південно-східній Франції, інститут керує роботою найбільш потужного джерела нейтронів на планеті. Для отримання інформації про ІЛЛ, його дослідження та події, відвідайте: www.ill.fr
  • Інформацію про Університет Жака Фур‘є у Греноблі можна знайти на: www.ujf-grenoble.fr

Institution

ILL

Review

Стаття, здавалось би, ставить під сумнів закони фізики. Читачеві не без гумору пояснюється, що підвищення температури не є однозначним аргументом на користь перетворення рідину на пару. Навпаки, деякі речовини, як з‘ясовується, плавляться при охолодженні.. Дана стаття є хорошим прикладом того, як стара тема (водневі зв‘язки) розкривається у світлі нових відкриттів.


Моніка Масілек-Хофер (Monika Musilek-Hofer), Австрія




License

CC-BY-NC-ND