Megint közeledik a tél, készülhetünk a jeges utakra, a hólapátolásra, a befagyott folyókra. A hópelyhek is jégkristályok, éppúgy, mint a folyókon úszó nagy jégtáblák, bár nagyon különbözőnek tűnnek. A hópelyheken szemünk elé tárul a hétköznapi jégkristály hatszögletű, hexagonális szerkezete. Ez azonban csak egy a gazdag variációk sorából, tíz éve egy szakkönyv a jég 9 módosulatát tartotta számon, ma már 12-t ismerünk. Az egyes módosulatoknak több alváltozata is létezik. A jég különböző módosulatainak megismerése és megértése segítségünkre lesz a vízmolekula „működésének” megértésében. Ennek ismeretében feltárhatjuk, hogy az élő szervezetekben hogyan hat kölcsön a vízmolekula a biológiai molekulákkal. A jég módosulatait római számokkal jelölik, ismerkedjünk hát meg sorra a Jég-I, Jég-II és társai tulajdonságaival. Az egymást követő sorszámokban ne keressenek logikát, egyszerűen a felfedezések időrendjét követik.
A hétköznapjainkból ismert jégkristályban minden molekula négy szomszédos molekulával létesít kötést egy tetraéder sarkainál. A tetraéderes elrendezés miatt alakulnak ki a hexagonális molekulagyűrűk. A vízmolekulákat hidrogénkötések kapcsolják össze, minden kötésben 1 proton található. A Földön valamennyi természetes jég hexagonális, ezért Jég-Ih a jele, ahol I a sorszáma, a h pedig a hexagonálisra utal.
Alacsony hőmérsékleten és 2 kbarnál nagyobb nyomáson újabb és újabb változatos felépítésű jégformák jönnek létre. A szokásos hexagonális struktúra felbomlik, a kötések átrendeződnek, más szerkezetek alakulnak ki. A különböző kristályos változatok mellett amorf jegeket is fedeztek fel, ezekben a vízmolekulák véletlenszerűen rendeződnek el, a rendetlenség az üveg szerkezetéhez hasonló. Nincs még egy anyag, amely ennyiféle formában létezne. A Jég-X-t kivéve, valamennyi jégnek a változatlan vízmolekula az alapegysége. Nagy nyomáson a tetraéderes elrendezés torzul, az atomok közti szög megváltozik, a hidrogén-kötések megnyúlnak. Minél nagyobb a nyomás, annál kisebb lesz a nem kötött közeli szomszédtól való távolság. Valamennyi jégváltozat hidrogén-kötésű gyűrűkből áll, a Jég-I-ben és a Jég-II-ben a legkisebb gyűrű 6 molekulából áll, a nagyobb nyomáson előállított változatokban 4 és 5 molekulás gyűrűk is előfordulnak.
A Jég-I-nek a hexagonális mellett van egy köbös változata is, ez az Ic. Akkor jön létre, ha -80 és -130 Celsius-fok közé eső hőmérsékleten a vízpára hideg felületen csapódik le. -130 fok alatt egy nem kristályos, amorf változat alakul ki (aI), ennek kicsi a sűrűsége. Van egy nagy sűrűségű amorf változat is (Jég-aII), akkor jön létre ha Jég-Ih-t -196 Celsius-fokon 10 kilobarral összenyomnak. Jég-II létrehozásához 2100 kg/négyzetcentiméter nyomás szükségeltetik, ezért a Jég-II nem fordul elő a természetben a Földön. Még az Antarktisz 5 kilométer jégrétegének alján sem elegendően nagy a nyomás Jég-II kialakulásához, mindössze egynegyede csak a szükségesnek. Ez nem jelenti azt, hogy a Jég-II csupán laboratóriumi érdekesség. Remények szerint a Naprendszer külső tartományainak nagyrészt jégből álló testjeiben, pl. a Jupiter 40%-ban jégből álló Ganymede és Callisto holdjában előfordulhat a Jég-II és a Jég-VI.
A Jég-VII kristályszerkezete köbös, két egymásba hatoló köbös szerkezetből épül fel, sűrűsége másfélszerese a normál jég sűrűségének. Ha nagy a nyomás, akkor létrejöttéhez nem is kell alacsony hőmérséklet. Amerikai kutatók merész feltételezése szerint ez a jégváltozat kialakulhat a Földön is ott, ahol a földkéreg lemezei a mélyben lesüllyednek a Föld belsejébe. A hőmérséklet ugyan meghaladja a víz forráspontját, de a nyomás 50 tonna/négyzetcentiméter, ez elegendő lehet a víz kikristályosodásához. Az átalakulást azonban megakadályozhatja, ha a víz nem tiszta, hanem más molekulákat is tartalmaz. Hétköznapi megfelelője a sóval megolvasztott jégfelület.
Jég-IX -133 fok alatt 200-400 megapascal nyomáson alakul ki, sűrűsége a közönséges jégénél kissé nagyobb. Kristályrácsa tetraéderes.
A Jég-XI -201 fok alatti hőmérsékleten és alacsony nyomáson stabil, szerkezete ortorombos. A Jég-Ih -201 foknál kb. 50 év alatt alakul át spontán Jég-XI változattá. Alacsonyabb hőmérsékleten hosszabb az átalakulási idő, számítások szerint mindössze 20 fokkal lejjebb már 300 millió év kell a jég átkristályosodásához. A Naprendszer külső tartományaiban, ahol a hőmérséklet a -200 és -180 fok tartományba esik az arra járó műholdak felületén is átkristályosodik. A Kuyper-övben keringő kisbolygók, üstökösök vidékén már túl alacsony a hőmérséklet ahhoz, hogy Jég-XI alakuljon ki. Másutt a hőmérséklet napi vagy szezonális ingadozása akadályozza meg az átalakulást. A 80%-ban jégből álló Plútó, vagy holdja a Charon azonban optimális helyszín lehet a Jég-XI számára. Nem a felszín, hanem a felszín alatti rétegek, amelyek nem túl melegek és nem túl hidegek az átalakuláshoz. Becsapódás vagy tektonikus mozgás felszínre hozhatja ezt a jeget és akkor infravörös spektroszkópiával azonosítani lehet. Hasonló módon érdemes lesz a Neptunusz és az Uránusz holdjait is szemügyre venni.
A legutóbb felfedezett Jég-XII 7 és 8 tagú gyűrűkből áll, nagysűrűségű amorf jégből hozható létre, 0,8–1 gigapascal/perc nyomással, -196 Celsius-fok alatt.
A Naprendszer rideg és hideg tartományaiból, az extrém nagy nyomások világából hétköznapi világunkba visszatérve egy egyszerű példán még megmutatjuk, hogy mennyire nem ismerjük még a legközönségesebb jeget sem. Keressünk választ a kérdésre: miért siklik a korcsolya a jégen?
A régi, már megcáfolt, de a tankönyvekben ma is gyakran fellelhető magyarázat a nyomás hatására bekövetkező fagyáspont csökkenésre hivatkozik. A korcsolya éle által a jégre gyakorolt nyomás következtében lecsökken a fagyási hőmérséklet, a jég emiatt megolvad, így a korcsolyázó vékony vízrétegen siklik. Ahogy a korcsolyázó továbbhaladt, a víz újra megfagy. A fagyási-olvadási hőmérséklet valóban lecsökkenthető a jég összenyomásával, de egy 75 kilogrammos korcsolyázó mindössze néhány századfokkal változtatja meg azt.
A probléma komolyságát mutatja, hogy az amerikai fizikusok tudományos egyesületének folyóirata, a Physics Today (Fizika ma) nemrég hosszú cikket közölt a jégről egy kémikus professzor tollából. Két lehetséges magyarázatot elemzett, végül egyik mellett sem foglalt állást. Az egyik alternatíva szerint a súrlódás a főszereplő. A jég a súrlódás miatt felmelegszik, megolvad, csúszós réteg jön létre, ezen siklik a korcsolyázó. A másik magyarázat szerint a jég felszíne eleve és mindig csúszós, a csúszós jelleg kialakításához nem kell korcsolyázni rajta. A jég belsejében lévő molekulák minden irányban társaikhoz kötődnek. A felszínen lévő vízmolekulák viszont felfelé nem tudnak újabb molekulákhoz kapcsolódni, kötődésük laza, ezért mélyen a fagyáspont alatt is vízréteg marad a felszínen.
A vitát a mai ismeretek alapján nem lehet eldönteni.
Hozzászólások