2. ПЕРСІ ВІЛЬЯМС БРІДЖМЕН
американський фізик, лауреат
Нобелівської премії з фізики в 1946 р.
«за винахід приладу, що дозволяє
створювати надвисокі тиски, і за
відкриття, зроблені у зв'язку з цим у
фізиці високих тисків ».
Часто при використанні надвисокого тиску
можна отримати різні алотропні
модифікації речовин
3. ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ ПРИ ВИСОКИХ ТИСКАХ
• Проводяться випробування при тиску вище 600000атм., що
створюється ударної хвилею при звичайному вибуху. Ядерні вибухи
супроводжуються вищим тиском.
• Високий тиск веде до значної зміни фізичних і хімічних властивостей
речовини. Наприклад, сталь при тиску 12000атм. стає кувкою і гнучкою,
а при 20000атм. метал еластичний, як каучук. При тиску 400000атм.
діелектрична сірка набуває електропровідні властивості. При високих
температурах і тисках звичайна вода хімічно активна, і розчинність
солей у ній зростає у 3-4 раз. При надвисокому тиску багато речовини
переходить у металевий стан. Таким незвичним властивістю має навіть
газоподібний водень - його металевий стан спостерігалося в 1973 р.
при тиску 2,8 млн.атм. З застосуванням твердого водню як ракетне
паливо корисний вантаж космічного корабля збільшується з десятьма
до 60%.
4. БОР БОРИД
Новим алотропічним з'єднанням Бору є бор борид. Його хімічну
формулу - B28, його можна отримати тільки при тиску не менше
190000 атмосфер і температурі 1400 oC.
Тут є дві відмінні структурні одиниці: кластер B12 і
кластер B2, які, чергуючись, формують кристалічну
решітку, схожу за формою на хлорид натрію. Один
осередок такої системи нараховує в сумі 28 атомів
бору, в загальній структурі між ними відбувається
перенесення заряду, як це було б між двома
різними хімічними елементами. В даний час відомі
чотири алотропні модифікації бору: ромбоедрична
α-B12 , ромбоедрична β-B106, тетрагональний Т-B192
і ромбічний γ-B28.
5. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Внаслідок нерівномірного розподілу заряду в
кристалічній решітці, борид бор має особливі
значення фізичних властивостей: діелектрична
проникність, можливість до поглинання
інфрачервоного випромінення і інших.
Властивості γ-B28
Твердість, ГП 50
Густина ρ, г·cм-3 2,544
ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
В отриманому з’єднанні атоми бора частково іонізовані, оскільки в
кластерах B12 і B2 атоми знаходяться в різному електронному
стані, причому між цими станами відбувається нерівномірний
переросподіл електронної густини (заряда). Атоми в кластерах
B12 виступають в ролі аніонів, а в кластерах B2 – в ролі катіони.
6. СИНТЕЗ АЛМАЗІВ
Промисловий синтез алмазів грунтується на
перетворенні графіту в реакторі високого
тиску за наявності різних каталізаторів:
металевого нікелю, складної суміші заліза,
нікелю і хрому, та інших. Кристалізація
алмазів відбувається за тиску 50000 -
60000атм. і температурі 1400- 1600 °С.
Перші штучні алмази синтезовано 1954 р.
Синтез здійснювався при тиску 50 000атм.
і температурі 2000 °З.
7. КАРБОНАДО
Карбонадо – пориста криптокристалічна порода імпактного походження
(алмаз), для кристалізації якої з вуглецевого розплаву потрібні не тільки
високий тиск, що значно перевищує можливий тиск в мантії Землі, але і
аномальні температури.
Астероїди близько 4 млрд. років тому створювали на поверхні Землі і
Місяця ударні кратери і бассейни діаметром 300 - 1200 км і глибиною
близько 30-120 км. Карбонові расплави, з яких кристалізуються
мікрокристалічні алмази, називані карбонадо, утворюються за рахунок
вуглецевої речовини мішені і ударника.
8. ЧОРНИЙ ФОСФОР
Чорний фосфор - термодинамічно найбільш стійка і
хімічно найменш активна форма елемента . Вперше
отриманий в 1914 у вигляді кристалічної модифікації
високої щільності ( 2690 кг/м3) американським
фізиком Персі Вільямом Бріджменом з білого
фосфору при тиску 20 000 атм і температурі 200 ° С.
Це чорна полімерна речовина, нерозчинна ні в
одному з розчинників . На відміну від білого фосфору
чорний фосфор практично неможливо підпалити. За
деякими своїми характеристиками він нагадує графіт.
Є провідником. При температурі 220-230 ° С і тиску
13 000 атмосфер білий фосфор практично миттєво
перетворюється на чорну кристалічну форму. У більш
м'яких умовах утворюється аморфна речовина .
9. ЩО ТАКЕ УДАРНА ХВИЛЯ?
Ударна хвиля — це область різкого стискання середовища, яка у вигляді
сферичної хвилі розповсюджується в усі боки від місця вибуху зі
швидкістю, що перевищує швидкість звуку. Хвиля утворюється за рахунок
величезної енергії, яка виділяється у зоні реакції, де температура
винятково висока, а тиск досягає мільярдів атмосфер.
Наслідок ударної хвилі при переході
на надзвукову швидкість
У надзвуковій авіації важливе місце
займає ударна хвиля
Тіньова фотографія впливу
ударної хвилі на макет
надзвукового літака
10. ДОННИЙ ЛІД
Донний лід міцно пов'язаний з ложем річки ,
але він легше води. Якщо його відокремити
, він спливе . Однак можна штучно
отримати лід , який важче води. Для цього
треба заморозити воду, яка знаходиться
під тиском понад 2000 атм. Утворився при
цьому лід буде тонути. Якщо підвищити
тиск у воді до 20 ТОВ атм і потім
заморозити її , ми отримаємо лід , який не
тільки виявиться важче води , але буде
танути тільки при 80 ° вище нуля . Такий «
гарячий лід» не втримаєш у руці. Подібних
видів льоду ми в природі не зустрічаємо ,
але може бути , вони й існують на певній
глибині в земній корі , де тиск велике, а
температура ще не надто висока.
11. УТВОРЕННЯ ЗВ`ЯЗКУ У КРИСТАЛАХ ЛЬОДУ
Водневий зв'язок має важливе значення в хімії міжмолекулярних
взаємодій і обумовлений слабкими електростатичними силами і
донорно-акцепторними взаємодіями. Він виникає при взаємодії
електронодефіцитного електронами атома Гідрогену однієї молекули
води з неподіленою електронною парою атома Оксигену сусідньої
молекули води ( О- Н ... О). Відмінною особливістю водневого зв'язку є
порівняно низька міцність; вона в 5-10 разів слабше хімічного
ковалентного зв'язку
Кожна молекула води в кристалі льоду може одночасно
утворювати чотири водневі зв'язки з іншими сусідніми
молекулами під строго певними кутами , рівними 109 ° 47 ' ,
спрямованих до вершин тетраедра , які не дозволяють при
замерзанні води створювати щільну структуру
12. МОДИФІКАЦІЇ ЛЬОДУ ТА ЇХНІ ФІЗИЧНІ ПАРАМЕТРИ
Модтифікація Кристалічна
структура
Довжина
водневих
зв’язків, Å
Кути Н—О—Н
в тетраедрах, 0
I
I
II
III
V
VI
VII
VIII
IX
Гексагональна
Кубічна
Тригональна
Тетрагональна
Моноклинна
Тетрагональна
Кубічна
Кубічна
Тетрагональна
2,76
2,76
2,75—2,84
2,76—2,8
2,76—2,87
2,79—2,82
2,86
2,86
2,76—2,8
109,5
109,5
80—128
87—141
84—135
76—128
109,5
109,5
87—141
13. 1. Аморфний лід – відсутня кристалічна структура. Аморфний лід існує в
трьох формах: низької щільності (LDA), утворених при атмосферному
тиску або нижче високої щільності (HDA) і дуже високої щільності льоду
аморфний (VHDA.
2. Лід Ih має нормальну гексагональну
кристалічну структуру льоду. Практично весь
лід в біосфері льоду Ih, за винятком лише
невеликої кількості льоду Ic.
3. Лід Ic є метастабільною кубічною кристалічною варіацією льоду. Атоми
Оксигену розташовані у вигляді структури алмазу. Він виробляється при
температурі від 130 до 220 К і може існувати до 240 К, потім він перетворюється
на лід Ih. Іноді може бути присутнім у верхніх шарах атмосфери.
4. Лід II ромбоедричної кристалічної форми з високовпорядкованою
структурою. Сформований з льоду Ih, шляхом стиснення при температурі 190-
210 К. При нагріванні він піддається перетворенню в лід III.
14. 5. Ice III тетрагональий кристалічний лід,
утворений при охолодженні води до 250 К при
300 МПа. Найменш щільний з фаз високого
тиску. Щільніший за воду.
6. Лід IV метастабільна фаза ромбоедричної будови. Він може бути утворений
шляхом нагрівання високої щільності аморфного льоду повільно при тиску 810
МПа.
7. Лід V моноклінної кристалічної фази. Сформований охолодженням води
до 253 К при 500 МПа. Найбільш складна структура всіх фаз.
8. Лід VI тетрагональної кристалічної фази.
Сформований охолодженням води до 270 К при
1,1 ГПа.
9. Лід VII кубічної фази. Позиції атомів
Гідрогену невпорядковані. Водневі зв'язки
утворюють дві взаємопроникні гратки.
15. 10. Лід VIII більш впорядкованоюї версії льоду VII.
Вона утворена з льоду VII, шляхом
охолодження нижче 278 К.
11. Лід ІХ Тетрагональної фази. Формується поступово з льоду III при
охолодженні його від 208 К до 165 К, стабільна нижче 140 К і тисках від
200 МПа до 400 МПа. Він має щільність 1,16 г/см3, що трохи вище, ніж
звичайний лід.
12. Лід X Формується близько 70 ГПа.
13. Лід XI орторомбічної будови,
низькотемпературна форма. Це Вважається
найбільш стабільною конфігурацією льоду Ih.
Температура, нижче якої лід XI може
утворюватисяз 240 K.
16. 14. ЛідXII тетрагональний, щільні кристалічні фази.
Це спостерігається у фазовому просторі льоду V і
льоду VI. Він може бути отриманий шляхом
нагрівання з високою щільністю аморфного льоду
від 77 К до 183 К і 810 МПа. Він має щільність 1,3 г см-
3 при 127 К (тобто приблизно в 1,3 рази більш
щільною, ніж вода).
15. ЛідXIII моноклінної кристалічної фази. Сформований охолодженням води до
температури нижче 130 К при 500 МПа. Протон-упорядкована форма льоду V.
16. Лід XIV орторомбічної кристалічної фази. Сформований нижче 118 К при 1,2
ГПа. Протон-упорядкована форма льоду XII.
17. Лід XV протон-упорядкована форма льоду VI утворений приблизно при 80-
108 К при 1,1 ГПа.
17. ЕЛЕКТРОН-ФОНОННА ВЗАЄМОДІЯ
Причиною електрон-фононної взаємодії є зміна електричного поля через
деформацію решітки, назване деформаційним потенціалом. Наявність
електрон-фононної взаємодії призводить до виникнення притягання між
електронами.
Механізм електрон-фононної взаємодії можна наочно пояснити наступним
чином: електрон, що знаходиться між іонами кристалічної решітки, притягує ці
іони, що призводить до зменшення відстані між іонами. Величина
електричного поля іонів в просторі між ними збільшується, що притягує інші
електрони, які знаходяться поруч. Перший електрон при цьому втрачає свою
енергію, а енергія притягнутого електрона збільшується.
18. ВЛАСТИВОСТЕЙ СТИСНЕНИХ КРИСТАЛІВ
ІНЕРТНИХ ГАЗІВ
При експериментальному дослідженні властивостей речовини в умовах
надвисокого тиску виникає ряд специфічних проблем, що вимагають теорії,
розробленої спеціально для даних умов. До таких проблем відноситься
врахування електрон-фононної взаємодії в динаміці ґратки.
Поведінка фононних частот під тиском несе корисну інформацію, що
стосується структурної нестабільності, механізму фазових переходів і
міжатомних взаємодій. Знаючи фононні частоти легко розрахувати і
термодинамічні властивості при великому тиску.
Електрон-фононна взаємодія є найбільша в Ar і зменшується у ряді Ar-Xe
Практичне застосування КІГ пов'язане з можливістю використання їх як
холодогентів, робочого середовища для передачі великого гідростатичного
тиску при низьких температурах, ядерного пального для лазерного або
електронно-променевого методу запуску термоядерної реакції, гранульованого
твердого палива для теплових двигунів.
