Սառույց III

Սառույց III, ջրային սառույցի տետրագոնային բյուրեղային տարատեսակ։ Կարելի է ստանալ ջուրը 300 ՄՊա ճնշման տակ մինչև -23 °C (250 Կ) ջերմաստիճանը սառեցնելով։ Դրա խտությունը ավելի մեծ է, քան ջրի խտությունը, բայց այն ամենաքիչ խիտն է բարձր ճնշման գոտում գտնվող բոլոր տեսակի սառույցների մեջ (1.16 գ / սմ³ 350 ՄՊա ճնշմամբ)։ Նույն ճնշման դեպքում ջրի խտությունը կազմում է մոտ 1,12գ/սմ³:

350 ՄՊա ճնշման դեպքում III սառույցի խտությունը 1.16 գ /սմ³ է։ Ստատիկ դիէլեկտրական թափանցելիությունը 117 է։  

Սովորական ջրային սառույցը, ըստ Բրիջմանի անվանացանկի, պատկանում է Ih սառույցին։ Լաբորատոր պայմաններում (տարբեր ջերմաստիճաններում և ճնշումներում) ստեղծվել են սառույցի տարբեր տարատեսակներ՝ սառույց II- ից մինչև սառույց XVI :

Հայտնագործման պատմություն

Բարձր ճնշման սառույցի փոփոխությունները առաջին անգամ հայտնաբերել է Բրիջմանը, ով 1912 թվականին կառուցել է ջրի փուլային դիագրամ։ Ուսումնասիրելով ջուրը տարբեր ջերմաստիճաններում և ճնշումներում, նա, բացի սովորական սառույցից, բացահայտել է դրա կառուցվածքային փոփոխություններից ևս 6-ը, որոնք նա նշանակել է սառույց II - սառույց VII:

Մինչև 1960-ական թվականները սառույցի ձևափոխումների բյուրեղային կառուցվածքը պարզ չէր։ 1960 թվականին Բ․ Քեմբը (Barclay Camb) և Դատտան սառույցում ռենտգենյան դիֆրակցիայի վերլուծության շնորհիվ սառույց III-ում տետրագոնալ համաչափություն են հայտնաբերել, որը նման է սիլիցիումի օքսիդի՝ SiO₂ -ի։

Ստացում

Ջրի փուլային գծապատկերից մի հատված

Սառույց III- ը առավել հեշտությամբ է ստացվում և հարմար է բարձր ճնշման սառույցի հետազոտության համար։ Այն առաջին անգամ ստացվել է սովորական սառույցից −22 °C (սառույցի եռակի կետի Ih - սառույց III - ջուր) ջերմաստիճանում` ճնշումը հասցնելով 210 ՄՊա։

Հնարավոր է սառույցը III-ը ստանալ 210-350 ՄՊա ճնշմամբ ջուրը դանդաղ (մոտ 0,5 °C /րոպե) սառեցնելով մինչև եռակի կետից ցածր ջերմաստիճաններ (−22 °C)^[1]:

Ուսումնասիրություններ անցկացնելու համար սառույց III-ը -40 °C ջերմաստիճանում կես ժամ պահելուց հետո արագորեն սառեցնում են հեղուկ ազոտով մինչև -175 °C-ից ցածր ջերմաստիճան։ Այս ջերմաստիճանում սառույց III- ը մետաստաբիլ է (կայունանման), այն պահպանում է իր կառուցվածքը, երբ ճնշումն ընկնում է մինչև մթնոլորտային ճնշումը, չնայած փուլային դիագրամում այդ ճնշումները և ջերմաստիճանը համապատասխանում են սառույց II-ին (200 ՄՊա-ից բարձր) և սովորական սառույցին (200 ՄՊա-ից ցածր)։

Սառույց III-ը անկայուն է ռենտգենյան ճառագայթների դեմ և արագ փլուզվում է ինտենսիվ ճառագայթահարման պայմաններում, ինչը ռենտգենյան դիֆրակցիայի վերլուծության համար դժվարություններ է առաջացնում։

Ֆիզիկական հատկություններ

Բյուրեղի կառուցվածքը

Սառույց III- ն ունի տետրագոնալ բյուրեղային ցանց (P4₁2₁2): Մթնոլորտային ճնշման և -175 °C ջերմաստիճանի դեպքում ցանցի պարամետրերը կազմում են a = 6.73 ± 0.01 Å և c = 6.83 ± 0.01 Å, ջրածնային կապերի միջին երկարությունը 2.775 Å է^[1]։

Ի տարբերություն ուղիղ տետրագոնալ ցանցի, սառույց III- ն ունի խախտված բյուրեղային կառուցվածք։ Միջին հաշվով, յուրաքանչյուր մոլեկուլ ջրածնային կապերով կապված է 4-ի փոխարեն 3.2 հարևանի հետ, բայց մոտ 3,6 Å հեռավորության վրա կան ևս 2 կամ 3 հարևան մոլեկուլներ, որոնք կապված չեն ջրածնային կապերով։

Փուլային գծապատկերի եռակի կետերը

Աղյուսակում տրված են սովորական և ծանր ջրի ճնշման և ջերմաստիճանի արժեքները եռակի կետերում^[2]։

Фазы			H2O		D2O
			P, МПа	T, °C	P, МПа	T, °C
III	Ih	Ж	209,9	−21,985	202	−18,8
III	Ih	II	212,9	−34,7	225	−31,0
III	II	V	344,3	−24,3	347	−21,5
III	V	Ж	350,1	−16,986	348	−14,5

Հալման ջերմաստիճան

Աշխատանքի մեջ^[3] ներկայացված են սառույցի տարբեր փոփոխությունների հալման ջերմաստիճանի՝ ճնշումից կախվածության մաթեմատիկական արտահայտությունները։ Սառույց III-ը հալվում է 251.165 Կ (−21.985 °C) - 256.164 Կ (.916.986 °C) ջերմաստիճանների սահմանում, մինչդեռ ±3% սխալով չափված ճնշումը տատանվում է 209.9-ից 350.1 ՄՊա։ Սառույց Ih-ի և սառույցի III հալման մոդելները ներդաշնակեցնելու համար ընդունվել է ճնշում 258.566 ՄՊա (շեղումը փորձարարական արժեքից 0.64%) ճնշում`III- Ih-Հեղուկ եռակի կետի համար։ Այս ենթադրության համաձայն, հալման գծի վրա ճնշման կախվածությունը ջերմաստիճանից արտահայտվում է հետևյալ բանաձևով.

${\displaystyle P=146+62,56\left({\frac {T}{251,165}}\right)^{60}.}$

Սկզբնական բանաձև  

Սկզբնական փուլում բանաձևն ստանում է հետևյալ տեսքը

${\displaystyle \ \pi =1-0,299948(1-\theta ^{60}),}$

где

${\displaystyle \ \pi ={\frac {P}{208,566}};}$

${\displaystyle \ \theta ={\frac {T}{251,165}}.}$

Եռակի կետում փորձարարական արժեքի համար (P = 209.9 ՄՊա) բանաձևն ստանում է հետևյալ տեսքը'

${\displaystyle P=147,93+61,97\left({\frac {T}{251,165}}\right)^{60}.}$

Վերջին բանաձևից ստանում ենք հալման ջերմաստիճանի՝ ճնշումից հետևյալ կախվածությունը.

${\displaystyle T=251,165\left({\frac {P-147,93}{61,97}}\right)^{\frac {1}{60}},}$

որտեղ 209.9 <P <350.1 ՄՊա։

Բոլոր բանաձևերում ջերմաստիճանը չափվում է Կ- ով, ճնշումը՝ ՄՊա- ով։

Ծանոթագրություններ

1. Kamb, B. and Prakash, A. Structure of ice III // Acta Crystallographica Section B. — 1968. — Vol. 24. — № 10. — P. 1317—1327.
2. Chaplin, Martin. (2009 թ․ օգոստոսի 11). «Water Phase Diagram». Water Structure and Science. Արխիվացված օրիգինալից 2012 թ․ մարտի 27-ին. Վերցված է 2010 թ․ հունվարի 27-ին.
3. IAPWS, Release on the pressure along the melting and the sublimation curves of ordinary water substance Արխիվացված 2008-10-06 Wayback Machine, (1993); P. W. Bridgman, Water, in the liquid and five solid forms, under pressure, Proc. Am. Acad. Arts Sci. 47 (1912) 439—558.

Արտաքին հղումներ

• Chaplin, Martin. (2008 թ․ հունիսի 23). «Ice-three (Ice III)». Water Structure and Science. Արխիվացված օրիգինալից 2012 թ․ մարտի 27-ին. Վերցված է 2009 թ․ փետրվարի 27-ին.