Файл: Мучник, В. М. Физика грозы.pdf

дифракции рентгеновских лучей, электронов и нейтронов. Однако еще и сейчас нет полной ясности относительно структуры воды, особенно в жидкой фазе. Причиной этого являются необыкновен­ ные свойства воды, являющейся аномальным веществом во многих отношениях.

В твердой фазе вода также обладает аномальными свойствами. Поражает огромное разнообразие форм ледяных кристаллов (сне­ жинок) в атмосфере. В атмосферных условиях существует только одна из возможных кристаллических структур льда — гексагональ­ ная, тогда как при температурах ниже —70° С кристаллы льда приобретают кубическую структуру, при еще более низких темпе­ ратурах лед вообще теряет свою кристаллическую структуру — он становится аморфным.

Молекулярный вес обычной воды 18 молей. Однако из-за су­ ществования трех изотопов водорода и шести изотопов кислорода может образоваться большое число разновидностей воды, из кото­ рых в природных условиях встречается в очень небольших количе­ ствах практически только тяжелая вода с дейтерием (Н2 или D) D2O и HDO. В природной воде (дождевой, речной и т. п.) содер­ жится около 0,02% тяжелой воды. Поэтому иа строение атмосфер­ ной воды присутствие тяжелой воды не оказывает какого-либо за­ метного влияния.

При объединении атомов в молекулы могут возникнуть ионные или полярные связи, а чаще всего те и другие одновременно (Н. Д. Соколов [172]). В случае ионной связи атом, у которого на внешней орбите имеется избыток электронов, соединяется с ато­ мом, на внешней орбите которого имеется недостаток электронов. Типичной является реакция соединения атомов Na и С1 с образо­ ванием ионов Na+ и С1~. В случае полярной связи происходит объ­ единение орбит электронов вокруг протонов атомов, входящих в состав молекулы; к такому типу принадлежат и молекулы воды.

Вода является полярным веществом, т. е. ее молекулы пред­ ставляют собой электрические диполи с моментом 6,1 • ІО-30 Кл • м. Вследствие этого расположение атомов водорода в молекуле воды не может быть линейным и симметричным относительно атома кислорода. Асимметричное линейное расположение атомов водо­ рода также невозможно, ибо такая молекула воды оказывается неустойчивой. Поэтому необходимо предположить, что атомы рас­ положены в вершинах равнобедренного треугольника с одинако­ выми сторонами О—Н. На основании экспериментальных иссле­ дований было установлено, что длина сторон О—Н в треугольнике равна 0,96 А (1 А= 10-10 м), а угол между этими сторонами состав­ ляет 104° 31'. Длина стороны Н—Н равна 1,52 А.

В газообразном состоянии вода содержит в основном отдель­ ные молекулы, но какая-то часть их соединяется в комплексы по две молекулы или более. Так как электронное облачко атома во­ дорода только частично захватывается своим атомом кислорода, то атом водорода со стороны открытого конца проявляется как сла­ бый положительный заряд, который и притягивается к атому кис-

54

.порода другой молекулы (рис. 17). Эту связь называют протонной или водородной. Протонная связь много слабее полярной. Вслед­ ствие этого образование ассоциированных молекул воды носит статистический характер и длительность существования комплекса весьма мала — порядка ІО-8 с. Закономерности образования таких комплексов в атмосфере были исследованы В. Я- Никандро-

вым [151].

В жидком состоянии плотность упаковки молекул воды весьма велика. Поэтому вероятность ассоциации молекул возрастает. Так как плотность жидкой воды мало зависит от давления, вероят­ ность ассоциации молекул зависит только от температуры. При

Исследования кристаллов льда рентгеновскими лучами пока­ зали, что в кристаллической решетке каждый атом кислорода ок­ ружен четырьмя другими атомами кислорода. При равном рас­

играть роль «центрального», в результате чего образуется кристал­ лическая решетка льда. Надо полагать, что в жидкой фазе при температурах, близких к 0°С, упомянутые комплексы из пяти мо­ лекул также образуют тетраэдры, своего рода жидкие кристаллы.

Из исследований дифракции нейтронов в кристаллах льда было

с ближайшим атомом кислорода совершенно одинакова, поэтому при переходе одного из атомов водорода на место, ранее занятое другим, их энергия не изменяется. Такой переход возможен только

55

в том случае, если появляется внешнее воздействие в виде элект­ рического поля, нагревания и т. п. и атом получает необходимую энергию для перехода. Но возможны также спонтанные переходы вследствие так называемого «туннельного» эффекта, при которых дополнительная энергия может быть меньше энергии перехода атома водорода из одного положения в другое.

Пусть при наложении внешнего электрического поля произой­ дет перемещение одного из атомов водорода по линии связи О—О из одного положения в другое. Тогда первый атом кислорода по­ теряет ион водорода, а второй приобретет. Вследствие этого по­ явится диполь 0~—-О. Восстановление равновесия произойдет в том случае, если в эту пару О-—0 + перескочит ион водорода из другой пары, и т. д. В результате появится электрический ток. Та­ ким образом, электропроводность чистого льда можно объяснить переходом ионов водорода под действием внешнего электрического поля, т. е. лед имеет протонную проводимость.

На поверхности ледяных кристаллов молекулы находятся в не­ сколько особом состоянии, чем во внутренних частях. У этих мо­ лекул некоторые связи отсутствуют, и у них дополнительно к ко­ лебательным появляется возможность совершать вращательные движения. Вследствие этого на поверхности ледяных кристаллов должен существовать молекулярный квазижидкип слой, проводи­ мость которого должна быть выше проводимости собственно ле­ дяного кристалла.

1.6.2.Физические основы

инекоторые экспериментальные исследования кристаллизации переохлажденных капель воды

Свойство воды находиться в переохлажденном состоянии уста­ новлено более двух столетий тому назад. Были выполнены много­ численные исследования, которые привели к представлению, что замерзание масс и капель переохлажденной воды является вероят­ ностным процессом. Для возникновения твердой фазы в переох­ лажденной воде необходимо образование зародыша — устойчивого комплекса молекул с льдоподобной решеткой, способного расти, создавая ледяной кристалл. В переохлажденной воде твердые не­ растворимые частицы субмикронных размеров могут служить ядрами кристаллизации. Вероятность образования зародыша твер­ дой фазы на поверхности нерастворимой частицы будет зависеть от подобия строения вещества частицы и льда и температуры пе­ реохлаждения. Вероятность замерзания капли воды будет зави­ сеть, кроме того, от ее объема.

В чистой воде ядрами замерзания могут служить комплексы молекул воды, имеющие структуру льда, которые спонтанно воз­ никают в ней. Вероятность спонтанного возникновения ядер замер­ зания зависит от температуры переохлаждения. Из теории фазо­ вых превращений (например, Я- И. Френкель [185]) вероятность спонтанного образования зародыша за единицу времени в еди-

56

где и — энергия активации самодиффузии молекул; Wc — работа образования зародыша; k — постоянная Больцмана; Т — абсолют­ ная температура; А — коэффициент пропорциональности.

По Л. Г. Качурину [79], вероятность кристаллизации монодисперсного аэрозоля пропорциональна вероятности образования за­

родыша w, объему V, за­ Іпт с нимаемому жидкостью, и

времени т:

секунды. Для этого же времени замерзания, но для капель радиусом 10 мкм требуется

уже температура около —21° С. Туман с еще меньшими капель­ ками, радиусом 1 мкм, может быстро замерзнуть только при тем­ пературах ниже —40° С. Качурин [80] рассчитал также скорость замерзания полидисперсных аэрозолей.

На результаты экспериментальных исследований замерзания переохлажденных капель большое влияние оказывает чистота воды и окружающего воздуха, а также вещество подложки или подвески капель. В большинстве ранних опытов на эту сторону вопроса обращалось недостаточно внимания.

В ряде опытов, выполненных в последнее десятилетие, более низкие температуры замерзания капель получались в тех случаях, когда применялась более чистая вода и более чистый воздух. Опыты с капельками микронных размеров из чистой воды и с тща­ тельно очищенным воздухом привели к выводу, что температура спонтанной кристаллизации равна около —4ГС . Было обнару­ жено, что зависимость температуры замерзания капель чистой

57