10 странных состояний и форм воды, о существовании которых вы даже не подозревали
Вода может существовать только в жидком, твердом и газообразном состоянии, не так ли? Нет! Она может существовать в невероятном количестве других состояний, включая те, о которых вы даже не слышали. Вы можете поверить, что вода может превратиться в горячий лед или даже пудру? Да уж, порошкообразная вода – это вещь.
Сейчас вы можете подумать: «Как же это возможно?» Ну, для этого нужно соблюсти очень много условий. В большинстве случаев главными факторами являются время, температура и давление. В других случаях с водой происходят странные вещи, когда ее смешивают с другими субстанциями.
10. Лед VII
Лед холодный. Но не лед VII (так называемый «горячий лед»), который, вообще-то, горячий. Ученые называют обычный лед, который есть у нас на Земле «лед Ih», где маленькая «h» означает «шестигранник», так как атомы кислорода выстраиваются в форме шестигранника, когда вода замерзает при нормальном давлении.
Но лед Ih превращается в лед II, когда давление увеличивается. Лед II превращается в лед III при еще большем увеличении давления, и так продолжается все дальше и дальше, пока он не превращается в лед VII, в котором атомы расположены в форме куба.
Лед VII горячий, потому что он формируется под высоким давлением и температурой. На Земле он теоретически может существовать только глубоко под мантией, где давление достаточно высокое, чтобы превратить обычную воду в лед VII. Но, с другой стороны, он не может там сформироваться, потому что высокая температура превратит воду в пар раньше, чем давление превратит ее в лед VII.
Ученые создали лед VII в лабораторных условиях. Они так же обнаружили его в составе алмазов, сформированных глубоко в мантии Земли. Лед был создан из капель воды, которые попали в алмазы в то время, когда те только формировались в мантии.
9. Сухая вода
Мы получаем сухую воду при смешивании обычной воды с двуокисью кремния (при помощи машин). Она ведет себя как сухое твердое вещество, хотя и является водой на 95 процентов. Она состоит из сахарообразных крупинок, которые на самом деле являются капельками воды, покрытыми двуокисью кремния. Кремний не дает каплям соединиться и превратиться в жидкость.
Сухая вода была создана в 1968 г., и в то время использовалась в косметологии. Вскоре все про нее забыли, пока в 2006 году ее не открыли заново в Университете Халла, Великобритания.
Ученые считают, что сухую воду можно использовать для поглощения углекислого газа из атмосферы. Это может сработать, учитывая, что сухая вода поглощает в три раза больше углекислого газа, чем просто обычная вода. Ученые также рассматривают возможность использования ее для хранения и транспортировки вредных химических веществ.
8. Сверхкритическая вода
Вещество достигает сверхкритического состояния, когда его температура и давление становятся настолько высокими, что границы между жидким и газообразным состояниями стираются. В случае с водой это происходит после газообразного состояния. Вода становится твердой, жидкой, газообразной и сверхкритической – именно в таком порядке. Вода в этой точке существует как странный пар, который фактически газом и не является.
Вода достигает сверхкритического состояния при 373 градусах по Цельсию и при давлении в 220 бар. В таком состоянии она не может вернуться в жидкое состояние. Сверхкритическая вода (как и любая сверхкритическая жидкость) в таком состоянии может проходить через твердое вещество – как газ, но все еще может растворять другие вещества – как жидкость.
7. Плазменная вода
Глис 1214 б – одна из самых странных планет. Она в шесть раз больше Земли и полна воды – включая плазменную воду, то есть вода там существует в плазменном состоянии.
Материя в плазменном состоянии немного похожа на газ. У нее низкая плотность, а также нет определенной формы или объема – прямо как у газа. Но с другой стороны, в отличие от газа, атомы материи лишены своих электронов. И положительно заряженные ядра перемещаются свободно. Вот почему некоторые ученые считают плазму электрически заряженной версией газа.
Возвращаясь к Глис 1214 б. Планета находятся так близко к своей звезде, что год на ней длится всего лишь 38 часов. Для сравнения Земля находится в 70 раз дальше от Солнца. Дневная температура может достигать 282 градуса по Цельсию, что слишком горячо для любой формы жизни.
Близость Глис 1214 б к своей звезде может быть причиной того, что вода на ней существует в форме плазмы. Непомерно высокая температура и высокое давление на самой планете заставляют воду нагреваться и сжиматься настолько, что она превращается в плазму. Плазменная вода считается одной из сверхкритических форм воды, о которых мы упоминали ранее.
6. Тройная точка воды
Тройная точка вещества определяется как условия, когда вещество может существовать в твердом, жидком и газообразном состоянии и находится в термодинамическом равновесии. Это может случиться, только если вещество достигает специфической температуры и давления. Для воды эта температура, равная 273,16 по Кельвину (0,01 по Цельсию) и давление, равное 611,66 Паскалей (6,1166 мБар, 0,0060366 атмосфер), соответственно.
Тройную точку воды используют для определения температуры по Кельвину, калибровки термометров и определения тройной точки других жидкостей. Вода в своей тройной точке может быть превращена в твердое вещество, жидкость или газ, просто регулировкой давления и температуры соответственно.
5. Сверхзвуковой лед
Сверхзвуковой лед, или лед XVIII – это еще одна форма льда, сформированная массивным повышением температуры и давления. Он горячий, черный, плотный и ведет себя как металл. Твердый куб изо льда XVIII в четыре раза тяжелее, чем такой же куб из обычного льда. Некоторые ученые верят, что лед XVIII может быть обычной формой воды во вселенной, существуя на «ледяных гигантах», как Уран и Нептун.
Интересно, что ученые подтвердили существование льда XVIII только в 2019 году, хотя о его существовании говорилось еще в 1988 году. В том году группа ученых предположила, что вода может вести себя как металл, если температура и давление достаточно высоки. Лед XVIII образуется, только если температура достигает тысячи градусов, а давление – миллион атмосфер.
Ученые получили лед XVIII в результате эксперимента, в котором они использовали мощные лазеры, чтобы создать ударные волны, которые мгновенно повышали температуру и давление, оказываемое на капли воды. Ученые наблюдали, как молекулы водорода и кислорода моментально разделялись по мере того, как вода превращалась в кристаллы льда.
Молекулы кислорода формировали замороженные, твердые структуры, называемые кубическими решетками, в то время как молекулы водорода стекали, как жидкость, вокруг затвердевшего кислорода. Некоторые ученые говорят, что этот так называемый лед нельзя считать водой, потому что молекулы водорода и кислорода разделены. Они говорят, что молекулы водорода и кислорода должны быть вместе, чтобы считаться водой.
4. Аэролед
Аэролед – это самая легкая версия льда извне. Он был «обнаружен» в симуляции в 2017 году исследователями из Университета Окаяма в Японии во время эксперимента, проводимого, чтобы понять, как вода превращается в лед. Исследовательская группа создала эту форму льда, когда они попытались выяснить, что происходит, когда вода замерзает при отсутствии давления.
Остальные формы льда, упомянутые здесь, были созданы при экстремально высоком давлении, оказываемом на воду. Эта симуляция была проведена при нулевом давлении.
Ученые создали аэролед путем извлечения двух атомов кислорода в диоксиде кремния (так называемом кварце), оставив только кремний. Затем они заменили атомы кремния атомами кислорода, прежде чем присоединить два атома водорода для образования льда. Это решение может иметь разные последствия того, как вода поведет себя в нанотрубках, нанопорах или других частях космоса.
3. Аморфный лед
Аморфный лед был создан мгновенным охлаждением жидкой воды, так что у молекул не было времени, чтобы образовать кристаллическое вещество. Не имея нормальной упорядоченной кристаллической структуры обычного льда, аморфный лед считается стеклом, то есть жидкостью, которая движется очень медленно. Аморфный лед не распространен на Земле, но считается одной из самых распространенных форм воды во вселенной.
Исследование 2007 года, включающее компьютерные симуляции аморфного льда, подразумевало, что это стекло может представлять собой состояние между кристаллическим и жидким. Смоделированный аморфный лед показал неупорядоченную гиперуниформность, в которой есть порядок на больших пространственных расстояниях, но нет на коротких расстояниях.
2. Горящий лед
Гидраты метана – это своего рода лед, который действительно может гореть, так что вы можете поджечь его, как лист бумаги. Лед, о котором идет речь, содержит метан. Он естественным образом образуется на определенных глубинах океана, в вечной мерзлоте и даже в нефте- и газопроводах, где может вызвать засоры. Это последнее состояние, которое было обнаружено еще в 1930-х годах.
Горящий лед считается сжатым и замороженным метаном. Замороженный метан вскоре покрывается льдом, создавая горящий лед. Ученые считают этот лед возможным источником топлива, исходя из того, что он содержит много метана. Кубометр горящего льда может высвободить 160 кубометров метана. Он также считается более чистым, чем уголь.
К сожалению, многие страны не могут заменить свой уголь горящим льдом, потому что его трудно добывать из-под воды. Он также становится нестабильным, когда его выносят на поверхность. Ученые говорят, что горящий лед может также обернуться в другую сторону и усугубить изменение климата. Это может произойти, когда гидрат метана, содержащийся в вечной мерзлоте, расплавится и выпустит метан в атмосферу.
1. Квантовая вода
В 2016 году ученые из Национальной лаборатории Оук-Ридж Министерства энергетики США создали новое квантовое состояние воды. Они сделали свое открытие, «продавливая» молекулы воды между шестиугольными кристаллами берилла.
Массивное сжатие увеличило давление настолько, что атомы молекул воды стали неровными, и с этого момента вода больше не подчиняется ряду физических законов. Молекулы смогли пройти через барьеры на атомном уровне, и их поведение теперь объясняется квантовой механикой и называется «туннелированием».
Это поведение возникает только, когда вещество находится в квантовом состоянии. Ученые верят, что вода часто переходит в квантовый режим, проходя через очень узкие полости в скалах, почве или даже через стенки клеток живых существ.
