Мұзды соншалықты күшті ететін не

Су — біздің планетамыздағы ең таңғажайып заттардың бірі, ал оның қатты күйі сұйық күйінен кем қызықты емес. Көптеген адамдар мұзды үйреншікті құбылыс ретінде қабылдап, оның молекулаларын қандай күштер біріктіріп ұстап тұрғаны туралы ойлана бермейді. Шын мәнінде мұздың беріктігі химиялық байланыстардың, кристалдық құрылымның және сыртқы жағдайлардың күрделі өзара әрекеттесуіне байланысты. Дәл осы факторлардың арқасында мұздықтар тау жыныстарын үгітіп, ал Арктика мұздары бірнеше тонна салмақ түсіретін жануарлардың салмағына төтеп бере алады. Мұздың табиғатын түсіну тек физиктер мен химиктер үшін ғана емес, инженерлер, құрылысшылар, спортшылар және күнделікті өмірде осы материалмен бетпе-бет келетін барлық адамдар үшін маңызды.

Беріктіктің молекулалық негізі

Барлығы су молекуласының құрылымынан басталады. Оттегі атомы электрондарды сутегі атомдарына қарағанда күштірек тартады, соның нәтижесінде молекула полярлы болады: оның бір шеті ішінара теріс, ал екінші шеті ішінара оң зарядқа ие. Дәл осы асимметрия молекулалар арасындағы ерекше өзара әрекеттесу түрінің пайда болуына негіз болады.

Мұздың түзілуінде сутектік байланыстар шешуші рөл атқарады. Әрбір су молекуласы көршілес молекулалармен төртке дейін осындай байланыс түзе алады. Су қатқан кезде барлық осы байланыстар бір мезгілде іске асып, кеңістікте реттелген үш өлшемді тор түзеді.

Мұз кристалындағы сутектік байланыстардың негізгі ерекшеліктері мынадай:

• әрбір су молекуласы бір мезгілде сутектік байланыстың доноры да, акцепторы да бола алады, бұл бүкіл құрылымның жоғары дәрежеде байланысқан болуын қамтамасыз етеді;
• кристалдағы молекулалар арасындағы қашықтық қатаң түрде бекітілген, сондықтан мұздың геометриялық дұрыстығы мен қасиеттерінің тұрақтылығы сақталады;
• сутектік байланысты үзуге кететін энергия коваленттік байланыстарға қарағанда әлдеқайда аз, бірақ кристалдағы олардың саны өте көп болғандықтан жалпы әсері жоғары беріктікке алып келеді;
• төмен температураларда молекулалардың жылулық тербелістері әлсірейді, байланыстар тұрақтанады және бүкіл тордың қаттылығы артады.

Осылайша мұздың беріктігі жеке бір байланыстың қасиеті емес, миллиардтаған молекулалардың біртұтас жүйе ретінде әрекет етуінің нәтижесі болып табылады.

Кристалдық тор және оның рөлі

Мұз кристалындағы молекулалардың кеңістікте орналасуы олардың арасындағы байланыстардың сипаты сияқты маңызды. Су қатқанда гексагональды құрылым қалыптасады: әр молекула тетраэдр төбелерінде орналасқан төрт көрші молекуламен қоршалады. Дәл осы геометрия қар ұлпаларының әйгілі алты бұрышты симметриясын түсіндіреді.

Молекулалардың гексагональды орналасуы мұздың механикалық қасиеттерін түсінуде маңызды рөл атқарады. Күштер кристал бойымен біркелкі таралады, соның арқасында материал сығылуға қарсы тұра алады. Сондықтан да көп жылдық қар қабаттарының қысымымен қалыптасқан мұздық мұзы орасан зор салмақты көтере алады.

Кристалдық тордың құрылымы мұздың бірнеше маңызды қасиетін анықтайды:

1. Беріктіктің анизотропиясы. Мұз кристаллографиялық осьтерге қатысты әртүрлі бағыттарда жүктемеге бірдей қарсы тұрмайды. Негізгі жазықтық бойымен молекулалар бір-біріне қатысты оңай сырғиды, ал оған перпендикуляр бағытта қозғалу қиынырақ. Сондықтан мұздықтар сырттай тұтас болып көрінгенімен, баяу аға алады.
2. Сығылу кезіндегі серпімділік. Қысқа уақыттық жүктемелер кезінде мұз белгілі бір серпімділік көрсетіп, күш алынғаннан кейін бастапқы қалпына қайта оралады. Бұл құбылыс конькишілер мен хоккейшілерге жақсы таныс: олардың конькилері мұз бетінде аздап деформация туғызғанымен, оны толық бұзбайды.
3. Соққы кезінде морт сынғыштық. Күш кенеттен әсер еткенде мұз морт дене сияқты әрекет етіп, бөліну жазықтықтары бойымен жарылады. Жарықшақ кристал бойымен секундына бірнеше жүз метр жылдамдықпен таралады, сондықтан мұзға соққы тигенде қатты шытырлаған дыбыс естіледі.
4. Баяу қысым кезінде пластикалылық. Егер жүктеме біртіндеп артса, мұз кристалдары қайта құрылып үлгереді: тордағы ақаулар қозғалып, материал көзге көрінетін бұзылусыз деформацияланады. Дәл осы механизм Антарктика мұз жамылғысының мыңдаған жылдар бойы континент жағалауларына қарай баяу «ағуына» мүмкіндік береді.

Мұздың кристалдық торы — өзгермейтін құрылым емес, керісінше жүктеме жағдайларына бейімделетін күрделі жүйе. Ол әсердің бағыты мен жылдамдығына байланысты әртүрлі мінез-құлық көрсетеді.

Мұздың беріктігіне әсер ететін факторлар

Шынайы мұз сирек жағдайда ғана мінсіз монокристалл болады. Табиғи немесе жасанды үлгілердің беріктігі олардың қалай қалыптасқанына және құрамына байланысты айтарлықтай өзгереді.

Температура — ең айқын факторлардың бірі. Нөлдік температураға жақындағанда мұз жұмсарып, пластикалылығы артады, ал шамамен –20°C температурада оның сығылуға беріктігі мұз айдынының беткі қабатымен салыстырғанда үш есеге дейін жоғары болады. Бұл жағдайды қысқы өткелдер салатын құрылысшылар жақсы біледі: олар мұздың жүк көтергіш қабілетін көбіне ауа температурасына қарап бағалайды.

Қатқан судың беріктігіне бірнеше параметр әсер етеді:

• қату жылдамдығы — баяу салқындау ірі кристалдардың түзілуіне әкеледі және ақаулар аз болады, ал тез қату ұсақ түйіршікті құрылым қалыптастырады, ол кейде жарықшақтардың түйіршік шекараларында тоқтауына байланысты берік болуы мүмкін;
• қоспалардың болуы — еріген тұздар мен газдар кристалдық тордың дұрыстығын бұзып, беріктікті төмендетеді; сондықтан теңіз мұзы өзен мұзымен салыстырғанда әлсіз келеді;
• ауа көпіршіктері — олардың болуы материалды әлсіретеді, өйткені олар кернеу шоғырланатын нүктелер жасайды; ауа қоспалары жоқ мөлдір «қара мұз» кеуекті ақшыл мұзға қарағанда әлдеқайда берік;
• кристалдану бағыты — суық түбінен жоғары қарай қатқан мұз кристалдарының бағытталуы беттен төмен қарай қатқан мұзға қарағанда өзгеше болады.

Бұл факторларды түсіну практикалық тұрғыдан өте маңызды. Ол қысқы өткелдердің қауіпсіздігін бағалаудан бастап мұз ареналарын және арктикалық платформаларды жобалауға дейінгі көптеген мәселелерге әсер етеді.

Табиғаттағы және техникадағы мұз

Мұздың беріктігі тек табиғи ортада ғана байқалмайды. Адамдар қатып қалған суды құрылыс материалы, көлік инфрақұрылымы және тіпті әскери мақсаттар үшін ғылыми зерттеулер басталғанға дейін-ақ қолдана бастаған.

Табиғаттағы мұздың қуаты

Мұздықтар мұздың қысым мен уақыт жеткілікті болған жағдайда қандай күшке ие болатынын айқын көрсетеді. Антарктидадағы мұз қалқаны кейбір жерлерде төрт километрге дейін қалыңдыққа жетеді. Жоғарғы қабаттардың массасы төменгі қабаттарға өнеркәсіптік престерге ұқсас қысым түсіреді. Мұндай жағдайда мұз тұтқыр сұйықтық сияқты әрекет етіп, баяу континент шеттеріне қарай қозғалады.

Тау жыныстарының аяздық үгілуі де қатқан судың күшін көрсететін мысалдардың бірі. Су тас жыныстарындағы жарықшақтарға еніп, қатқан кезде шамамен тоғыз пайызға кеңейеді және ең қатты жыныстарды да жарып жіберетін қысым тудырады. Мыңдаған жылдар бойы дәл осы процесс әлемнің көптеген тау массивтерінің қазіргі бейнесін қалыптастырды.

Техникалық қолдану және жасанды мұз

Инженерлер мұздың құрылымдық материал ретіндегі мүмкіндігін бұрыннан бағалаған. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде британдық ғалымдар пайкрит деп аталатын материалдан авианосец жасау жобасын ұсынған. Бұл мұз бен целлюлоза қоспасы болатын. Бар болғаны 14 пайыз ағаш талшықтарын қосу материалдың беріктігін бірнеше есе арттырып, оның еру жылдамдығын едәуір төмендеткен. Жоба толық жүзеге аспаса да, ол модификацияланған мұздың мүмкіндіктерін айқын көрсетті.

Қазіргі технологиялар әртүрлі спорт түрлеріне арналған белгілі бір қасиеттері бар мұз жамылғыларын жасауға мүмкіндік береді. Мәнерлеп сырғанау, хоккей және конькимен жылдам жүгіру үшін мұз әртүрлі әдістермен дайындалады. Оның қаттылығы, серпімділігі және үйкелісі алдын ала есептеледі. Хоккей матчтары үшін мұз қаттырақ жасалады, ал мәнерлеп сырғанаушылар үшін сәл жұмсақтау етіп дайындалады, сонда конькилер бетінде айқын із қалдыра алады.

Мұз — сыртқы қарапайымдылығына қарамастан күрделі материал. Көзге үйреншікті мөлдір бетінің астында кванттық химия мен қатты дене механикасының заңдарына бағынатын күрделі құрылым жатыр. Оның қасиеттерін зерттеу жаңа мүмкіндіктерді ашуды жалғастыруда — биологиялық түрде ыдырайтын берік материалдар жасаудан бастап климаттың өзгеруі жағдайында мұз қалқандарының мінез-құлқын модельдеуге дейін. Ғылым қатқан судың табиғатына тереңірек үңілген сайын, бұл зат зерттеушілерді әлі де талай рет таңғалдыратыны айқын бола түседі.