Természet Világa, 2011 (142. évfolyam, 1-12. szám)

2011 / II. Különszám

VÍZEN, VÍZBEN, VÍZ ALATT, VÍZ FÖLÖTT rán H-val jelölt pont nyomásán és hőmér­sékleten (610 Pa és 0,01 °C) a folyadék, gáz és szilárd halmazállapotú forma egy­szerre lehet jelen. A hármasponti nyomás­nál kisebb nyomásokon az anyagok szubli­málnak. Egy másik nevezetes pontot K betű jelöl a 4. ábrán, ez a kritikus pont (21,8 MPa és 374 °C). A kritikus hőmérsékletnél nagyobb hőmérsékleten nincs különbség folyadék és gőz között, így folyadékról csak a hármasponti nyomásnál nagyobb nyomá­sokon és a kritikus hőmérséklet alatt van értelme beszélni. Egy tiszta anyagnak gázhalmazállapota csak egyféle lehet, és említésre sem érde­mesen ritka kivételektől eltekintve folya­dékfázisa sem lehet több, így hármaspont­ja és kritikus pontja minden anyagnak van, csak éppen más-más hőmérsékleten és nyo­máson. A folyékony vízzel kapcsolatban mind a mai napig gyakran emlegetett tudo­mányos tévedés történt: az 1960-as évek második felében többen azt vélték kimutat­ni, hogy igen keskeny kapillárisokban egy polivíznek nevezett, második folyékony módosulat létezik, amelynek légköri nyo­máson mért fagyáspontja -40 °C, forrás­pontja 150 °C, sűrűsége pedig 1,2 g/cm 3 körül van. Később igazolták, hogy nehezen eltávolítható szennyeződések tévesztettek meg sok-sok kísérletezőt, polivíz pedig nem is létezik. Rokonon biztosan azt mondaná erre a történetre: foma. Azt azonban már láttuk, hogy a szilárd állapotok különbözőek is lehetnek más és más kristályrácsokban. A jég esetében is elég sok szilárd forma van: a 4. ábrán a folyadék és gőz kivételével az összes többi terület különböző szerkezetű szilárd fázi­sokat (vagyis jeget) jelöl, így további hár­maspontok is vannak a fázisdiagramon: ezek olyan hőmérsékletet és nyomást jelez­nek, ahol szintén három fázis létezhet egy­szerre, de ezek egyike sem gázfázis. A jég különböző módosulatait római számokkal jelzik, ezeket mutatja be az 1. táblázat. A szokásos, mindennapokban is előforduló jeget az ábrán a jég-I jelöli. Ennek is két változata van, az Ih (hexagonális) és Ic (köbös). Légköri nyomáson még egy jég­változat fordulhat elő nagyon alacsony hő­mérsékleteken, a jég-XI. Érdekes módon a mindeddig elért legnagyobb nyomásokon is ez a forma stabil. Közepes és nagy nyo­másokon a jég más kristály szerkezetű for­mái is ismeretesek. A különböző rácstípu­sok egymásba alakulásának vagy megolva­dásának körülményeit ugyanúgy lehet leol­vasni az ábráról, mint a víz forráspontját különböző nyomásokon. Nagyjából 200 MPa nyomáson a víz fagyáspontja -20 °C alá süllyed, de itt már a jég-III, és nem a jég-I a stabil rácstípus. Egészen nagy nyo­másokon (1010 MPa) a jég-VII olvadás­pontja már elérheti a víz kritikus hőmér­sékletét is. A fázisdiagramot szemlélve feltűnhet, hogy jég-I­V egyáltalán nem található rajta. Az 1. táblázatban szereplő változatok kö­zül a Xll-től nagyobb sorszámúak is hiá­nyoznak a 4. ábráról. Ez nem tévedés: a jég-IV és a többi ilyen módosulat előállít­ható ugyan, de nincsenek olyan nyomások és hőmérsékletek, ahol ezek a rácsszerke­zetek lennének a jég legstabilabb módosu­latai: a jég-IV például a körülményektől füg­gően lassan jég-III-má, jég-V-té vagy jég- VI-tá alakul át. Néhány módosulatot nem is olyan régen fedeztek fel: a jég-XII-t 1996-ban, a jég-XIII-at és­­XIV-et 2006- ban, a jég XV-öt pedig 2009-ben. Azt is néhány éve tudták meg a csillagászok, hogy a GJ436-OS jelzésű, a Naptól kb. 30 fényévre található csillag körül keringő óri­ásbolygón elég sok víz van. Az ott uralko­dó körülmények miatt ez minden bizony­nyal jég-VII és jég-X formájában van jelen. Az 1. táblázat első három sorában amorf jégváltozatok szerepelnek. Ezek látszólag szilárd anyagok, de nincsen kristályszerke­zetük, bennük a molekulák véletlen össze­visszaságban fordulnak elő, vagyis az üveg felépítésére emlékeztetnek. Az ilyen típusú anyagok inkább a folyadékokkal rokonít­­hatók, csak éppen kivárhatatlanul lassan foly­nak. Ami pedig a Macskabölcsőt illeti: ha jég­­kilencről nem is, de a jég-IX létezéséről va­lóban tudunk. Azonban ennek tulajdonsá­gai korántsem egyeznek meg a Kurt Von­­negut által elképzeltekkel. A fázisdiagram­ból láthatóan a jég-IX csak elég nagy nyo­másokon (-100 MPa) létezik, és nem is ha­táros a folyadékfázissal. Tehát jég-IX-et melegítve először a jég más szerkezetű, de még mindig szilárd módosulatai keletkez­nek (jég-II és jég-III), és csak utána olvad meg. Ha fel is fedezi valaki valamikor a szuperjeget, az nagyobb sorszámot fog kap­ni a fázisdiagramon. Nem Kurt Vonnegut az egyetlen író, aki regényében a cég különleges változatait is megemlíti. 2009-ben jelent meg Lincoln Child amerikai író magyarul még kiadatlan Terminal Freeze (Halálos fagy) című regé­nye. Ez sarki területeken játszódik, s benne az akkoriban felfedezett jég-XV-ről is szó esik. És hogy hogyan lehet természetes föl­di körülmények között elképzelni egy olyan anyagot, amelyet kémiai laboratóriumban is csak a XXI. században sikerült előállíta­ni? Erről a kérdésről alighanem még maga Bokonon is hallgatna. 4­ 96 VÍZBEN, borban kémia

Next